JPH1138217A - テレセントリック光学焦点調節システム - Google Patents
テレセントリック光学焦点調節システムInfo
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- JPH1138217A JPH1138217A JP10171385A JP17138598A JPH1138217A JP H1138217 A JPH1138217 A JP H1138217A JP 10171385 A JP10171385 A JP 10171385A JP 17138598 A JP17138598 A JP 17138598A JP H1138217 A JPH1138217 A JP H1138217A
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- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
- G02B27/4216—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant correcting geometrical aberrations
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 二つの回折光学要素を有するテレセントリッ
ク光学焦点調節システムを提供する。 【解決手段】 光学システムは、ｆ値が１であり０．５
μｍの全物体／像視野の場合、１μｍ未満のスポットサ
イズおよび０．９を超えるストレール比を有する。光学
焦点調節システム１０の二つの回折光学要素１６および
２０は、レーザ発生源１２からの発散光ビーム１４を受
け取り、回折ビーム２２の焦点をスポット２４に調節す
る。
ク光学焦点調節システムを提供する。 【解決手段】 光学システムは、ｆ値が１であり０．５
μｍの全物体／像視野の場合、１μｍ未満のスポットサ
イズおよび０．９を超えるストレール比を有する。光学
焦点調節システム１０の二つの回折光学要素１６および
２０は、レーザ発生源１２からの発散光ビーム１４を受
け取り、回折ビーム２２の焦点をスポット２４に調節す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、テレセントリック
光学焦点調節システムに関し、特に、二つの回折光学要
素を有する光学焦点調節システムに関する。
光学焦点調節システムに関し、特に、二つの回折光学要
素を有する光学焦点調節システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザビームは、加熱アニーリングまた
は蒸発、光メモリ記録および録音再生、光走査およびゼ
ログラフィック用途および印刷用途のような広範な適用
分野を有する。これらの多様な適用分野の場合、レーザ
ビームは焦点調節されたビームであることが望ましい。
多年にわたり種々の光学システムが提案され、レーザビ
ームのための焦点調節手段が提供されてきた。
は蒸発、光メモリ記録および録音再生、光走査およびゼ
ログラフィック用途および印刷用途のような広範な適用
分野を有する。これらの多様な適用分野の場合、レーザ
ビームは焦点調節されたビームであることが望ましい。
多年にわたり種々の光学システムが提案され、レーザビ
ームのための焦点調節手段が提供されてきた。
【０００３】光学焦点調節システムは、最近の乾式装置
においては、一方では一層正確になりつつあるが、他方
では一層複雑となり費用がかかるようになっている。
においては、一方では一層正確になりつつあるが、他方
では一層複雑となり費用がかかるようになっている。
【０００４】全体の光学システム自体をできるだけコン
パクトにするため、および同一設計を多数のアーキテク
チャに拡張することを可能とするために、光学システム
の焦点調節光学系についてはコンパクトな設計が常に望
まれている。
パクトにするため、および同一設計を多数のアーキテク
チャに拡張することを可能とするために、光学システム
の焦点調節光学系についてはコンパクトな設計が常に望
まれている。
【０００５】効率を改良し、光路長を短縮し、可能な限
り使用する光学要素を少数にして、この形式の光学焦点
調節システムのハードウェア、集合部品、および位置合
わせの費用を低下させることができれば望ましい。
り使用する光学要素を少数にして、この形式の光学焦点
調節システムのハードウェア、集合部品、および位置合
わせの費用を低下させることができれば望ましい。
【０００６】半導体レーザまたはレーザダイオードは、
発散光ビームを放射する。従来技術においては、光学要
素、通常、レンズ、ただしある場合は反射鏡を使用して
半導体レーザから放射される角度を有する発散ビームを
はっきりした形にまとめ焦点調節して、焦点調節がなさ
れたスポットサイズに形成する。
発散光ビームを放射する。従来技術においては、光学要
素、通常、レンズ、ただしある場合は反射鏡を使用して
半導体レーザから放射される角度を有する発散ビームを
はっきりした形にまとめ焦点調節して、焦点調節がなさ
れたスポットサイズに形成する。
【０００７】屈折レンズを有する従来技術の焦点調節シ
ステムにおける単独の視野点は、レンズに十分な程度の
自由度があれば容易に最適化できる。しかし、大視野の
点および小さいスポットサイズの場合は、光学焦点調節
屈折レンズの設計は困難である。
ステムにおける単独の視野点は、レンズに十分な程度の
自由度があれば容易に最適化できる。しかし、大視野の
点および小さいスポットサイズの場合は、光学焦点調節
屈折レンズの設計は困難である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の焦点調節シ
ステムは、通常、レンズのアレイに配列される幾つかの
屈折レンズ要素を備える。すべてのレンズ要素は、事実
上、同一であることが必要とされる。屈折レンズの場
合、公差がおよそ１μｍ以下であることが必要であると
きは、同一レンズ要素の製作には問題がある。成形によ
るレンズの製作には熱が必要とされる。レンズが同一製
作状況下における同じバッチの一部であっても、熱によ
って、製作されるレンズごとに厚さおよび屈折率に差が
生じる傾向がある。また、焦点調節システム内のレンズ
の軸整合は、ほとんど不可能である。
ステムは、通常、レンズのアレイに配列される幾つかの
屈折レンズ要素を備える。すべてのレンズ要素は、事実
上、同一であることが必要とされる。屈折レンズの場
合、公差がおよそ１μｍ以下であることが必要であると
きは、同一レンズ要素の製作には問題がある。成形によ
るレンズの製作には熱が必要とされる。レンズが同一製
作状況下における同じバッチの一部であっても、熱によ
って、製作されるレンズごとに厚さおよび屈折率に差が
生じる傾向がある。また、焦点調節システム内のレンズ
の軸整合は、ほとんど不可能である。
【０００９】光ビームの伝搬は、三つの基本的な手段、
すなわち、反射鏡による反射、レンズによる屈折および
格子による回折によって変更することができる。従来の
光学システムは、反射および屈折によって所望の光学変
換を実現する。反射鏡要素およびレンズ要素に基づく光
学設計は、確立された精巧な方法である。最近まで、回
折および効率の高い回折要素の製作に関する問題のため
に、回折要素は光学システムの要素として使用できなか
った。
すなわち、反射鏡による反射、レンズによる屈折および
格子による回折によって変更することができる。従来の
光学システムは、反射および屈折によって所望の光学変
換を実現する。反射鏡要素およびレンズ要素に基づく光
学設計は、確立された精巧な方法である。最近まで、回
折および効率の高い回折要素の製作に関する問題のため
に、回折要素は光学システムの要素として使用できなか
った。
【００１０】回折法は、光ビームの方向を単に変更する
だけではない。回折は、反射および屈折と異なり、光ビ
ームを多数のビームに分割し、その各ビームが異なる角
度すなわち次数で方向を変更される。所望の角度によっ
て方向を変更され、ある所定の回折次数となる入射光の
百分率をその次数に対する回折効率という。回折要素の
回折効率は、要素の表面プロファイルによって定まる。
所望の角度によって方向を変更されない光が相当な割合
である場合は、結果として、像または光学システムの画
像面すなわち出力面に許容できない量の散乱が生じるこ
とになる。
だけではない。回折は、反射および屈折と異なり、光ビ
ームを多数のビームに分割し、その各ビームが異なる角
度すなわち次数で方向を変更される。所望の角度によっ
て方向を変更され、ある所定の回折次数となる入射光の
百分率をその次数に対する回折効率という。回折要素の
回折効率は、要素の表面プロファイルによって定まる。
所望の角度によって方向を変更されない光が相当な割合
である場合は、結果として、像または光学システムの画
像面すなわち出力面に許容できない量の散乱が生じるこ
とになる。
【００１１】理論上は、所定の周期を有する格子よりな
る同軸回折位相要素は、１００％の回折効率を実現する
ことができる。しかし、この効率を実現するために、い
ずれかの所定の周期内に連続位相プロファイルが必要と
される。また、この表面プロファイルの理論上の回折効
率は、波長の変化に対する感度が比較的高い。対照的
に、屈折要素は波長に対する感度が比較的低い。回折格
子の高品質、高効率である連続位相プロファイルを生成
する技術は、現在は存在しない。
る同軸回折位相要素は、１００％の回折効率を実現する
ことができる。しかし、この効率を実現するために、い
ずれかの所定の周期内に連続位相プロファイルが必要と
される。また、この表面プロファイルの理論上の回折効
率は、波長の変化に対する感度が比較的高い。対照的
に、屈折要素は波長に対する感度が比較的低い。回折格
子の高品質、高効率である連続位相プロファイルを生成
する技術は、現在は存在しない。
【００１２】一方、結果として比較的高い回折効率が得
られ製作が容易である折衷案は、多レベル位相格子であ
る。独立した位相レベルの数が多いほど、連続位相関数
の近似が良好となる。これらの多レベル位相プロファイ
ルは、標準半導体集積回路製作技術を使用して製作する
ことができる。
られ製作が容易である折衷案は、多レベル位相格子であ
る。独立した位相レベルの数が多いほど、連続位相関数
の近似が良好となる。これらの多レベル位相プロファイ
ルは、標準半導体集積回路製作技術を使用して製作する
ことができる。
【００１３】製作方法は、回折位相プロファイルに関す
る数理位相記述から始まり、最終的に、多レベル回折プ
ロファイルが製作される。第一ステップは、数理位相式
を作り、数理位相式から位相プロファイル情報を含むマ
スクの集合を生成するステップである。第二ステップ
は、位相プロファイル情報をマスクからレンズ設計によ
って特定される要素の表面に転送するステップである。
る数理位相記述から始まり、最終的に、多レベル回折プ
ロファイルが製作される。第一ステップは、数理位相式
を作り、数理位相式から位相プロファイル情報を含むマ
スクの集合を生成するステップである。第二ステップ
は、位相プロファイル情報をマスクからレンズ設計によ
って特定される要素の表面に転送するステップである。
【００１４】多レベル要素製作に関する第一ステップ
は、多レベル様式において近似する必要がある理想回折
位相プロファイルを数理記述することである。製作方法
における次のステップは、集積回路業界において使用さ
れる標準パターンジェネレータによって生成されるリソ
グラフィックマスクの集合を作製することである。
は、多レベル様式において近似する必要がある理想回折
位相プロファイルを数理記述することである。製作方法
における次のステップは、集積回路業界において使用さ
れる標準パターンジェネレータによって生成されるリソ
グラフィックマスクの集合を作製することである。
【００１５】Ｇｅ、ＺｎＳｅ、Ｓｉ、およびＳｉＯ2の
ような所望の材料の基板は、フォトレジストの薄層によ
って被覆される。次に、第一リソグラフィックマスク
が、基板に密着するように置かれ、上方から紫外線露光
ランプによって照射される。代替方法としては、パター
ンジェネレータを用い、光ビームまたは電子ビームのい
ずれかによってフォトレジストの薄層を露光することが
できる。フォトレジストは現像され、露光レジストが洗
浄され、残存するフォトレジスト中に二元格子パターン
が残る。フォトレジストは、エッチング停止剤として作
用する。
ような所望の材料の基板は、フォトレジストの薄層によ
って被覆される。次に、第一リソグラフィックマスク
が、基板に密着するように置かれ、上方から紫外線露光
ランプによって照射される。代替方法としては、パター
ンジェネレータを用い、光ビームまたは電子ビームのい
ずれかによってフォトレジストの薄層を露光することが
できる。フォトレジストは現像され、露光レジストが洗
浄され、残存するフォトレジスト中に二元格子パターン
が残る。フォトレジストは、エッチング停止剤として作
用する。
【００１６】多数の光学材料をエッチングする最も信頼
できる正確な方法は、反応性イオンエッチングを使用す
ることである。反応性イオンエッチング処理によって、
材料は、非常に高い再現率で、エッチングされて異方性
となる。所望のエッチング深さは、非常に正確に得るこ
とができる。この方法の異方性によって垂直方向のエッ
チングが保証されるので、結果として、真の二元表面レ
リーフプロファイルが得られる。基板が設計深さまで反
応性イオンエッチングされると、残存するフォトレジス
トははぎ取られ、二元表面レリーフ位相格子が残る。
できる正確な方法は、反応性イオンエッチングを使用す
ることである。反応性イオンエッチング処理によって、
材料は、非常に高い再現率で、エッチングされて異方性
となる。所望のエッチング深さは、非常に正確に得るこ
とができる。この方法の異方性によって垂直方向のエッ
チングが保証されるので、結果として、真の二元表面レ
リーフプロファイルが得られる。基板が設計深さまで反
応性イオンエッチングされると、残存するフォトレジス
トははぎ取られ、二元表面レリーフ位相格子が残る。
【００１７】第一マスクの周期の半分の周期を有する第
二リソグラフィックマスクを使用し、この方法を繰り返
すことができる。二元位相要素は、フォトレジストによ
って再度被覆され、第一マスクの半分の周期を有する第
二リソグラフィックマスクを使用して露光される。現像
し、露光されたフォトレジストを洗浄して除去後、基板
は、反応性イオンエッチングによって第一エッチングの
半分の深さまでエッチングされる。残存するフォトレジ
ストを除去すると、所望のプロファイルに対する４レベ
ル近似が得られる。第一マスクの４分の１および８分の
１の周期を有するリソグラフィックマスクを使用し、こ
の処理を３回および４回繰り返し、基板を第一エッチン
グの４分の１および８分の１の深さまでエッチングする
ことができる。連続したエッチングの結果、８および１
６位相レベルを有する要素が得られる。４より多くのマ
スクを使用することはできるが、しかし、これ以上のマ
スクを使用するときは製作誤差が顕著になる傾向があ
る。
二リソグラフィックマスクを使用し、この方法を繰り返
すことができる。二元位相要素は、フォトレジストによ
って再度被覆され、第一マスクの半分の周期を有する第
二リソグラフィックマスクを使用して露光される。現像
し、露光されたフォトレジストを洗浄して除去後、基板
は、反応性イオンエッチングによって第一エッチングの
半分の深さまでエッチングされる。残存するフォトレジ
ストを除去すると、所望のプロファイルに対する４レベ
ル近似が得られる。第一マスクの４分の１および８分の
１の周期を有するリソグラフィックマスクを使用し、こ
の処理を３回および４回繰り返し、基板を第一エッチン
グの４分の１および８分の１の深さまでエッチングする
ことができる。連続したエッチングの結果、８および１
６位相レベルを有する要素が得られる。４より多くのマ
スクを使用することはできるが、しかし、これ以上のマ
スクを使用するときは製作誤差が顕著になる傾向があ
る。
【００１８】この方法を繰り返し、基板に多レベル表面
レリーフ位相格子構造を生成する。その結果、コンピュ
ータによって生成される、原始理想型回折表面を近似す
る離散型構造が得られる。製作工程において使用される
各追加マスクによって、離散型位相レベルは倍加にさ
れ、このために「二元」光学要素、正確には、二元回折
光学要素と呼ばれる。
レリーフ位相格子構造を生成する。その結果、コンピュ
ータによって生成される、原始理想型回折表面を近似す
る離散型構造が得られる。製作工程において使用される
各追加マスクによって、離散型位相レベルは倍加にさ
れ、このために「二元」光学要素、正確には、二元回折
光学要素と呼ばれる。
【００１９】４回の反復処理のみによって、連続の場合
に対する１６位相レベル近似を得ることができる。この
方法は平行して実行できるので、多数の要素が同時に費
用効率の高い方法によって生成できる。
に対する１６位相レベル近似を得ることができる。この
方法は平行して実行できるので、多数の要素が同時に費
用効率の高い方法によって生成できる。
【００２０】１６位相レベル構造によって、９９％の回
折効率が実現できる。残りの１％の光は、さらに高い次
数に回折され、散乱として現れる。多くの光学システム
においては、これは許容できる量の散乱である。１６位
相レベル構造の製作は、この要素を生成するために４回
の反復処理しか必要としないので、比較的効率が良い。
折効率が実現できる。残りの１％の光は、さらに高い次
数に回折され、散乱として現れる。多くの光学システム
においては、これは許容できる量の散乱である。１６位
相レベル構造の製作は、この要素を生成するために４回
の反復処理しか必要としないので、比較的効率が良い。
【００２１】第一エッチングステップの後で、第二およ
びその後のリソグラフィックマスクを基板上の既存のパ
ターンと正確に位置合わせする必要がある。位置合わせ
は、集積回路業界に対する他のツール標準、すなわちマ
スク露光装置を使用して実現される。
びその後のリソグラフィックマスクを基板上の既存のパ
ターンと正確に位置合わせする必要がある。位置合わせ
は、集積回路業界に対する他のツール標準、すなわちマ
スク露光装置を使用して実現される。
【００２２】前述したように、基板上のフォトレジスト
は電子ビームパターンジェネレータによって露光するこ
とができる。電子ビーム直接書き込み処理によって、マ
スクならびにそれらに対応する位置合わせおよび露光問
題が削除される。二元光学要素は、エポキシキャスティ
ング、ゾルゲルキャスティング、エンボス加工、射出成
形およびホログラフィ再生を使用して複写することもで
きる。
は電子ビームパターンジェネレータによって露光するこ
とができる。電子ビーム直接書き込み処理によって、マ
スクならびにそれらに対応する位置合わせおよび露光問
題が削除される。二元光学要素は、エポキシキャスティ
ング、ゾルゲルキャスティング、エンボス加工、射出成
形およびホログラフィ再生を使用して複写することもで
きる。
【００２３】二元光学要素は、従来の光学装置より優れ
た多数の利点を有する。二元光学要素はコンピュータに
よって生成されるので、これらの要素は、従来のレンズ
または反射鏡よりも一般化された波面成形を実行するこ
とができる。要素は、数理上定義する必要しかなく、基
準表面は必要でない。したがって、回折光学要素は、特
定のレーザシステムに対する波長感度を高くすることが
できる。
た多数の利点を有する。二元光学要素はコンピュータに
よって生成されるので、これらの要素は、従来のレンズ
または反射鏡よりも一般化された波面成形を実行するこ
とができる。要素は、数理上定義する必要しかなく、基
準表面は必要でない。したがって、回折光学要素は、特
定のレーザシステムに対する波長感度を高くすることが
できる。
【００２４】回折光学要素は、通常、比較的薄型、軽量
であり、多数の形式の収差およびディストーションに対
して正確にすることができる。離散型位相レベルの段階
的プロファイルを使用して連続位相プロファイルを近似
することが可能である。
であり、多数の形式の収差およびディストーションに対
して正確にすることができる。離散型位相レベルの段階
的プロファイルを使用して連続位相プロファイルを近似
することが可能である。
【００２５】そこで、本発明の目的は、回折光学要素を
使用するテレセントリック光学焦点調節システムを提供
することである。
使用するテレセントリック光学焦点調節システムを提供
することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はテレセントリック光学焦点調節システムで
あって、単一波長の光ビームを放射するためのレーザ光
発生源と、前記光ビームを回折するための第一回折光学
要素と、前記第一回折光学要素からの前記光ビームを回
折しスポットとするための第二回折光学要素と、を備
え、前記光学焦点調節システムの物体視野の全長は０．
５μｍであり、前記光学焦点調節システムの像視野は
０．５μｍであり、前記スポットサイズは１μｍ未満で
あり、前記光学焦点調節システムは０．９を超えるスト
レール比（Ｓｔｒｅｈｌ ｒａｔｉｏ）を有し、前記第
一回折光学要素は回折位相プロファイルを有する第一面
および回折位相プロファイルを有する第二面を有し、前
記第二回折光学要素は回折位相プロファイルを有する第
一面および回折位相プロファイルを有する第二面を有
し、さらに、前記回折位相プロファイルΦは面上の位置
ρに関して次式によって定められ、Φ(ρ)＝ｃ1ρ2＋ｃ
2ρ4＋ｃ3ρ6＋ｃ4ρ8＋ｃ5ρ10、ここで、ｃxは多項式
係数であり、第一回折光学要素の第一面の回折位相プロ
ファイルに対する多項式係数が、 Ｃ１： 3.0422E-01 Ｃ２： -7.6436E-03 Ｃ３： 3.1916E-03 Ｃ４： 1.6479E-04 Ｃ５： -3.4506E-03 であり、 第一回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： 1.7168E-01 Ｃ２： -2.3595E-02 Ｃ３： 5.7685E-04 Ｃ４： -1.0910E-03 Ｃ５： 2.1972E-03 であり、 第二回折光学要素の第一面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： -1.5537E-01 Ｃ２： 4.5906E-02 Ｃ３： 9.7831E-03 Ｃ４： 5.4507E-03 Ｃ５： 4.4001E-04 第二回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： -3.1303E-01 Ｃ２： -1.5724E-02 Ｃ３： -2.3776E-03 Ｃ４： 3.7538E-04 Ｃ５： 1.6263E-03 であることを特徴とする。
に、本発明はテレセントリック光学焦点調節システムで
あって、単一波長の光ビームを放射するためのレーザ光
発生源と、前記光ビームを回折するための第一回折光学
要素と、前記第一回折光学要素からの前記光ビームを回
折しスポットとするための第二回折光学要素と、を備
え、前記光学焦点調節システムの物体視野の全長は０．
５μｍであり、前記光学焦点調節システムの像視野は
０．５μｍであり、前記スポットサイズは１μｍ未満で
あり、前記光学焦点調節システムは０．９を超えるスト
レール比（Ｓｔｒｅｈｌ ｒａｔｉｏ）を有し、前記第
一回折光学要素は回折位相プロファイルを有する第一面
および回折位相プロファイルを有する第二面を有し、前
記第二回折光学要素は回折位相プロファイルを有する第
一面および回折位相プロファイルを有する第二面を有
し、さらに、前記回折位相プロファイルΦは面上の位置
ρに関して次式によって定められ、Φ(ρ)＝ｃ1ρ2＋ｃ
2ρ4＋ｃ3ρ6＋ｃ4ρ8＋ｃ5ρ10、ここで、ｃxは多項式
係数であり、第一回折光学要素の第一面の回折位相プロ
ファイルに対する多項式係数が、 Ｃ１： 3.0422E-01 Ｃ２： -7.6436E-03 Ｃ３： 3.1916E-03 Ｃ４： 1.6479E-04 Ｃ５： -3.4506E-03 であり、 第一回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： 1.7168E-01 Ｃ２： -2.3595E-02 Ｃ３： 5.7685E-04 Ｃ４： -1.0910E-03 Ｃ５： 2.1972E-03 であり、 第二回折光学要素の第一面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： -1.5537E-01 Ｃ２： 4.5906E-02 Ｃ３： 9.7831E-03 Ｃ４： 5.4507E-03 Ｃ５： 4.4001E-04 第二回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： -3.1303E-01 Ｃ２： -1.5724E-02 Ｃ３： -2.3776E-03 Ｃ４： 3.7538E-04 Ｃ５： 1.6263E-03 であることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】本発明は、二つの回折光学要素よ
りなるテレセントリック光学焦点調節システムを提供す
る。光学システムは、ｆ値（ｆ／number）が１であり
０．５μｍの全物体／像視野である場合、１μｍ未満の
スポットサイズならびに０．９を超えるストレール比
（Ｓｔｒｅｈｌ ｒａｔｉｏ）を有する。
りなるテレセントリック光学焦点調節システムを提供す
る。光学システムは、ｆ値（ｆ／number）が１であり
０．５μｍの全物体／像視野である場合、１μｍ未満の
スポットサイズならびに０．９を超えるストレール比
（Ｓｔｒｅｈｌ ｒａｔｉｏ）を有する。
【００２８】ここで図１について述べると、図１は、本
発明の実施形態としてテレセントリック光学焦点調節シ
ステム１０を示す図である。光学焦点調節システム１０
は、単一波長の発散光ビーム１４を放射するレーザ発生
源１２を有する。発散光ビーム１４は第一回折光学要素
１６に入射し、第一回折光学要素１６によって光ビーム
１４は回折され、回折光１８はストップ１９を経由して
第二回折光学要素２０に向けられる。第二回折光学要素
２０は第一回折光学要素からの回折光１８を回折し、結
果として得られる回折ビーム２２を画像面２６のスポッ
ト２４に向ける。
発明の実施形態としてテレセントリック光学焦点調節シ
ステム１０を示す図である。光学焦点調節システム１０
は、単一波長の発散光ビーム１４を放射するレーザ発生
源１２を有する。発散光ビーム１４は第一回折光学要素
１６に入射し、第一回折光学要素１６によって光ビーム
１４は回折され、回折光１８はストップ１９を経由して
第二回折光学要素２０に向けられる。第二回折光学要素
２０は第一回折光学要素からの回折光１８を回折し、結
果として得られる回折ビーム２２を画像面２６のスポッ
ト２４に向ける。
【００２９】光学焦点調節システム１０の二つの回折光
学要素１６および２０は、レーザ１２からの発散光ビー
ム１４を受け取り、ビーム２２の焦点をスポット２４に
調節する。光学焦点調節システム１０は、フラット視野
であり、またテレセントリックである。
学要素１６および２０は、レーザ１２からの発散光ビー
ム１４を受け取り、ビーム２２の焦点をスポット２４に
調節する。光学焦点調節システム１０は、フラット視野
であり、またテレセントリックである。
【００３０】レーザ発生源１２は、第一回折光学要素１
６の前面すなわち第一面すなわち入射面３０から間隔２
８だけ離れている。第一回折光学要素１６は、基板厚さ
３２を有する。第一回折光学要素１６の後面すなわち第
二面すなわち出力面３４は、ストップ１９から間隔３６
だけ離れている。
６の前面すなわち第一面すなわち入射面３０から間隔２
８だけ離れている。第一回折光学要素１６は、基板厚さ
３２を有する。第一回折光学要素１６の後面すなわち第
二面すなわち出力面３４は、ストップ１９から間隔３６
だけ離れている。
【００３１】ストップ１９は、第二回折光学要素２０の
前面すなわち第一面すなわち入射面４０から間隔３８だ
け離れている。第二回折光学要素２０は、基板厚さ４２
を有する。第二回折光学要素２０の後面すなわち第二面
すなわち出力面４４は、画像面２６上のスポット２４か
ら間隔４６だけ離れている。
前面すなわち第一面すなわち入射面４０から間隔３８だ
け離れている。第二回折光学要素２０は、基板厚さ４２
を有する。第二回折光学要素２０の後面すなわち第二面
すなわち出力面４４は、画像面２６上のスポット２４か
ら間隔４６だけ離れている。
【００３２】レーザ発生源１２は、画像面２６上のスポ
ット２４から全間隔長４７だけ離れている。
ット２４から全間隔長４７だけ離れている。
【００３３】物体視野４８および像視野５０は、１：１
の拡大比である。図示した例においては、レーザ発生源
１２における物体視野４８のサイズおよび画像面２６の
スポット２４における像視野５０のサイズは、０．５μ
ｍである。
の拡大比である。図示した例においては、レーザ発生源
１２における物体視野４８のサイズおよび画像面２６の
スポット２４における像視野５０のサイズは、０．５μ
ｍである。
【００３４】光学焦点調節システムの精度は、従来は、
スポットサイズおよびストレール比によって調整され
る。
スポットサイズおよびストレール比によって調整され
る。
【００３５】本発明による光学焦点調節システム１０
は、レーザビームの焦点を調節し１μｍ未満の半値全幅
（ＦＷＨＭ）スポットサイズとする。スポット２４のサ
イズは、完全回折有限光学システムの場合は次式によっ
て示される。
は、レーザビームの焦点を調節し１μｍ未満の半値全幅
（ＦＷＨＭ）スポットサイズとする。スポット２４のサ
イズは、完全回折有限光学システムの場合は次式によっ
て示される。
【００３６】
【数１】 スポットサイズ＝δλｆ／＃ （式１）
【数２】 スポットサイズ＝δλ／（２Ｎ．Ａ．） （式２） これらの２式によって、光学焦点調節システム１０に対
して得ることができる最小スポットサイズが定められ
る。回折限界係数δは、ＦＭＨＭスポットサイズに対し
ては通常１である。これらの図示例においては、波長λ
は、７８０ｎｍである。ｆ値ｆ／＃は、焦点距離を無限
共役レンズにおける射出ひとみの直径で除した比であ
る。開口数Ｎ．Ａ．は、無限共役システムにおける光の
頂角に関連している。Ｎ．Ａ．は、次式によって求めら
れる。
して得ることができる最小スポットサイズが定められ
る。回折限界係数δは、ＦＭＨＭスポットサイズに対し
ては通常１である。これらの図示例においては、波長λ
は、７８０ｎｍである。ｆ値ｆ／＃は、焦点距離を無限
共役レンズにおける射出ひとみの直径で除した比であ
る。開口数Ｎ．Ａ．は、無限共役システムにおける光の
頂角に関連している。Ｎ．Ａ．は、次式によって求めら
れる。
【００３７】
【数３】 Ｎ．Ａ．＝ｎｓｉｎθ （式３） ここで、θは画像形成円錐２２の半頂角５２であり、ｎ
は回折光学要素１６および２２の屈折率である。
は回折光学要素１６および２２の屈折率である。
【００３８】完全光学システムの場合は、ｆ値が小さい
ほど、スポットサイズが小さい。光学システムの焦点深
度は、光学スポットサイズの平方に比例する。この設計
に対する基準は、０．９のストレール比の場合０．７８
μｍのスポットサイズ２４である。
ほど、スポットサイズが小さい。光学システムの焦点深
度は、光学スポットサイズの平方に比例する。この設計
に対する基準は、０．９のストレール比の場合０．７８
μｍのスポットサイズ２４である。
【００３９】ストレール比は、撮像システムにおける全
収差の尺度であり、全収差の値がゼロに近づくとき１に
近づく。収差の全くないという実現不可能な場合のみ、
ストレール比は１に等しくなる。ストレール比は、光学
システムにおける光学像のピーク強さの完全光学システ
ムの場合の光学像のピーク強さに対する比である。０．
８のストレール比は、通常、良好な光学システムとして
許容される。０．９を超えるストレール比は、光学焦点
調節システム１０の二つの回折光学要素１６および２０
によって導入される全収差は無視できるものであること
を定量的に表す。
収差の尺度であり、全収差の値がゼロに近づくとき１に
近づく。収差の全くないという実現不可能な場合のみ、
ストレール比は１に等しくなる。ストレール比は、光学
システムにおける光学像のピーク強さの完全光学システ
ムの場合の光学像のピーク強さに対する比である。０．
８のストレール比は、通常、良好な光学システムとして
許容される。０．９を超えるストレール比は、光学焦点
調節システム１０の二つの回折光学要素１６および２０
によって導入される全収差は無視できるものであること
を定量的に表す。
【００４０】ｆ値１の光学システムは、およそ１μｍ未
満の非常に小さな焦点深度を有する。二元回折光学要素
を使用することがレンズシステムに優る利点のひとつ
は、回折光学要素を使用することによって光学焦点調節
システムは０．５μｍの全物体／像視野の場合に０．９
を超えるストレール比を維持できることである。
満の非常に小さな焦点深度を有する。二元回折光学要素
を使用することがレンズシステムに優る利点のひとつ
は、回折光学要素を使用することによって光学焦点調節
システムは０．５μｍの全物体／像視野の場合に０．９
を超えるストレール比を維持できることである。
【００４１】回折光学要素は、基板の表面上に回折位相
プロファイルを有する。この図示例における各回折光学
要素１６，２０は、回折光学要素の両面に回折位相プロ
ファイルを有する。
プロファイルを有する。この図示例における各回折光学
要素１６，２０は、回折光学要素の両面に回折位相プロ
ファイルを有する。
【００４２】回折光学要素１６および２０は、循環すな
わち回転対称を示す。
わち回転対称を示す。
【００４３】第一および第二回折光学要素は循環対称で
あるので、回折位相プロファイルΦは、半径方向の位置
ρにおいて、次式によって表される。
あるので、回折位相プロファイルΦは、半径方向の位置
ρにおいて、次式によって表される。
【００４４】
【数４】 Φ(ρ)＝ｃ1ρ2＋ｃ2ρ4＋ｃ3ρ6＋ｃ4ρ8＋ｃ5ρ10 （式４） この回折位相プロファイルは、フォトレジストによるマ
スクによって基板上に製作され、回折光学要素を形成す
る。
スクによって基板上に製作され、回折光学要素を形成す
る。
【００４５】市場において入手可能であるＣＯＤＥ Ｖ
光学設計ソフトウェアを使用し、回折位相プロファイル
Φに対する多項式係数ｃxを最適化することができる。
ＣＯＤＥ Ｖによって、回折光学要素の表面の曲率、厚
さ、および間隔を最適化することもできる。
光学設計ソフトウェアを使用し、回折位相プロファイル
Φに対する多項式係数ｃxを最適化することができる。
ＣＯＤＥ Ｖによって、回折光学要素の表面の曲率、厚
さ、および間隔を最適化することもできる。
【００４６】
【実施例】本発明による光学焦点調節システム１０の実
施例に示すように、レーザ発生源１２からの発散光ビー
ム１４の波長は、７８０ｎｍである。物体視野４８は、
０．５μｍである。レーザ発生源１２から第一回折光学
要素１６の入射面までの間隔２８は、０．９ｍｍであ
る。第一回折光学要素の入射面３０の回折位相に対する
多項式係数ｃxは、下記の通りである。
施例に示すように、レーザ発生源１２からの発散光ビー
ム１４の波長は、７８０ｎｍである。物体視野４８は、
０．５μｍである。レーザ発生源１２から第一回折光学
要素１６の入射面までの間隔２８は、０．９ｍｍであ
る。第一回折光学要素の入射面３０の回折位相に対する
多項式係数ｃxは、下記の通りである。
【００４７】 Ｃ１： 3.0422E-01 Ｃ２： -7.6436E-03 Ｃ３： 3.1916E-03 Ｃ４： 1.6479E-04 Ｃ５： -3.4506E-03 第一回折光学要素１６の基板は、厚さ１．５ｍｍである
ＢＫ７ショット（Ｓｈｏｔｔ）ガラスである。第一回折
光学要素の出力面３４の回折位相プロファイルに対する
多項式係数ｃxは、下記の通りである。
ＢＫ７ショット（Ｓｈｏｔｔ）ガラスである。第一回折
光学要素の出力面３４の回折位相プロファイルに対する
多項式係数ｃxは、下記の通りである。
【００４８】 Ｃ１： 1.7168E-01 Ｃ２： -2.3595E-02 Ｃ３： 5.7685E-04 Ｃ４： -1.0910E-03 Ｃ５： 2.1972E-03 第一回折光学要素１６の出力面３４とストップ１９との
間隔３６は、０．４９６６７９ｍｍである。ストップ１
９と第二回折光学要素２０の入射面４０との間隔３８
は、０．４７１０３３ｍｍである。第二回折光学要素の
入射面すなわち第一面４０に対する多項式係数ｃxは下
記の通りである。
間隔３６は、０．４９６６７９ｍｍである。ストップ１
９と第二回折光学要素２０の入射面４０との間隔３８
は、０．４７１０３３ｍｍである。第二回折光学要素の
入射面すなわち第一面４０に対する多項式係数ｃxは下
記の通りである。
【００４９】 Ｃ１： -1.5537E-01 Ｃ２： 4.5906E-02 Ｃ３： 9.7831E-03 Ｃ４： 5.4507E-03 Ｃ５： 4.4001E-04 第二回折光学要素２０の基板は、厚さ１．５ｍｍである
ＢＫ７ショットガラスである。第二回折光学要素の出力
面４４の回折位相プロファイルに対する多項式係数ｃx
は、下記の通りである。
ＢＫ７ショットガラスである。第二回折光学要素の出力
面４４の回折位相プロファイルに対する多項式係数ｃx
は、下記の通りである。
【００５０】 Ｃ１： -3.1303E-01 Ｃ２： -1.5724E-02 Ｃ３： -2.3776E-03 Ｃ４： 3.7538E-04 Ｃ５： 1.6263E-03 第二回折光学要素２０の出力面４４と画像面２６上のス
ポット２４との間隔４６は、０．９ｍｍである。像視野
５０は、０．５μｍである。拡大比は、１：１である。
ポット２４との間隔４６は、０．９ｍｍである。像視野
５０は、０．５μｍである。拡大比は、１：１である。
【００５１】スポットサイズ２４は、０．９のストレー
ル比の場合０．７８μｍである。
ル比の場合０．７８μｍである。
【００５２】レーザ発生源１２から画像面２６上のスポ
ット２４までの光学焦点調節システム１０の全間隔長４
７は、５．７６７７１２ｍｍである。
ット２４までの光学焦点調節システム１０の全間隔長４
７は、５．７６７７１２ｍｍである。
【００５３】以上、本実施例において説明した通り、本
発明の２つの回折光学要素を用いたテレセントリック光
学焦点システムは、ストレール比０．９において１μｍ
以下のサイズのスポットに集光させる。この光学終点シ
ステムはフラット視野であり、またコンパクトである。
また、このシステムは安価で、簡易に製造でき、光学要
素の組立ても容易である。
発明の２つの回折光学要素を用いたテレセントリック光
学焦点システムは、ストレール比０．９において１μｍ
以下のサイズのスポットに集光させる。この光学終点シ
ステムはフラット視野であり、またコンパクトである。
また、このシステムは安価で、簡易に製造でき、光学要
素の組立ても容易である。
【図１】 本発明によって形成される二つの対称型回折
光学要素を有する光学システムを示す概略図である。
光学要素を有する光学システムを示す概略図である。
１０ 光学焦点調節システム、１２ レーザ発生源、１
４ 発散光ビーム、１６ 第一回折光学要素、１８ 回
折光、１９ ストップ、２０ 第二回折光学要素、２２
回折ビーム、２４ スポット、２６ 画像面、２８，
３６，３８，４６，４７ 間隔、３０ 第一回折要素の
第一面、３２，４２ 基板厚さ、３４第一回折要素の第
二面、４０ 第二回折要素の第一面、４４ 第二回折要
素の第二面、４８ 物体、５０ 像、５２ 半頂角。
４ 発散光ビーム、１６ 第一回折光学要素、１８ 回
折光、１９ ストップ、２０ 第二回折光学要素、２２
回折ビーム、２４ スポット、２６ 画像面、２８，
３６，３８，４６，４７ 間隔、３０ 第一回折要素の
第一面、３２，４２ 基板厚さ、３４第一回折要素の第
二面、４０ 第二回折要素の第一面、４４ 第二回折要
素の第二面、４８ 物体、５０ 像、５２ 半頂角。
Claims (1)
- 【請求項１】 テレセントリック光学焦点調節システム
であって、 単一波長の光ビームを放射するためのレーザ光発生源
と、 前記光ビームを回折するための第一回折光学要素と、 前記第一回折光学要素からの前記光ビームを回折しスポ
ットとするための第二回折光学要素と、を備え、 前記光学焦点調節システムの物体視野の全長は０．５μ
ｍであり、前記光学焦点調節システムの像視野は０．５
μｍであり、 前記スポットサイズは１μｍ未満であり、前記光学焦点
調節システムは０．９を超えるストレール比（Ｓｔｒｅ
ｈｌ ｒａｔｉｏ）を有し、 前記第一回折光学要素は回折位相プロファイルを有する
第一面および回折位相プロファイルを有する第二面を有
し、前記第二回折光学要素は回折位相プロファイルを有
する第一面および回折位相プロファイルを有する第二面
を有し、 さらに、前記回折位相プロファイルΦは面上の位置ρに
関して次式によって定められ、 Φ(ρ)＝ｃ1ρ2＋ｃ2ρ4＋ｃ3ρ6＋ｃ4ρ8＋ｃ5ρ10、 ここで、ｃxは多項式係数であり、 第一回折光学要素の第一面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： 3.0422E-01 Ｃ２： -7.6436E-03 Ｃ３： 3.1916E-03 Ｃ４： 1.6479E-04 Ｃ５： -3.4506E-03 であり、 第一回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： 1.7168E-01 Ｃ２： -2.3595E-02 Ｃ３： 5.7685E-04 Ｃ４： -1.0910E-03 Ｃ５： 2.1972E-03 であり、 第二回折光学要素の第一面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： -1.5537E-01 Ｃ２： 4.5906E-02 Ｃ３： 9.7831E-03 Ｃ４： 5.4507E-03 Ｃ５： 4.4001E-04 第二回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対
する多項式係数が、 Ｃ１： -3.1303E-01 Ｃ２： -1.5724E-02 Ｃ３： -2.3776E-03 Ｃ４： 3.7538E-04 Ｃ５： 1.6263E-03であることを特徴とするテレセン トリック光学焦点調節システム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/882,976 US5914814A (en) | 1997-06-26 | 1997-06-26 | Telecentric laser beam optical focusing system of two diffractive optical elements |
| US08/882,976 | 1997-06-26 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1138217A true JPH1138217A (ja) | 1999-02-12 |
| JP4303332B2 JP4303332B2 (ja) | 2009-07-29 |
Family
ID=25381726
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17138598A Expired - Fee Related JP4303332B2 (ja) | 1997-06-26 | 1998-06-18 | テレセントリック光学焦点調節システム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5914814A (ja) |
| JP (1) | JP4303332B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6310347B1 (en) * | 1999-06-29 | 2001-10-30 | Goodrich Corporation | Spectrometer with planar reflective slit to minimize thermal background at focal plane |
| DE102004009212B4 (de) * | 2004-02-25 | 2015-08-20 | Carl Zeiss Meditec Ag | Kontaktelement für Laserbearbeitung und Laserbearbeitungsvorrichtung |
| JP5792959B2 (ja) * | 2011-01-14 | 2015-10-14 | キヤノン株式会社 | 光書き込みヘッド及び画像形成装置 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5647933A (en) * | 1979-09-25 | 1981-04-30 | Sony Corp | Optical signal head |
| US4497534A (en) * | 1983-02-28 | 1985-02-05 | International Business Machines Corporation | Holographic optical head |
| US4895790A (en) * | 1987-09-21 | 1990-01-23 | Massachusetts Institute Of Technology | High-efficiency, multilevel, diffractive optical elements |
| US4850662A (en) * | 1988-02-12 | 1989-07-25 | Saginaw Valley State University | HOE and indirect method of constructing same |
| JPH03174103A (ja) * | 1989-09-19 | 1991-07-29 | Fujitsu Ltd | 色消しホログラム光学系 |
| US5237451A (en) * | 1989-11-17 | 1993-08-17 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Beam shaping system using diffraction |
| CA2079620A1 (en) * | 1991-10-25 | 1993-04-26 | Roeland M. T. Hekker | Holographic elements for an optical recording system |
| WO1994007160A1 (en) * | 1992-09-11 | 1994-03-31 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford, Junior University | Chromatic focal pencil beam-generating apparatus |
| US5422746A (en) * | 1992-09-11 | 1995-06-06 | Board Of Trustees Of The Leland Stanford Jr. University | Single and multiple element holographic devices for high-efficiency beam correction |
| US5606434A (en) * | 1994-06-30 | 1997-02-25 | University Of North Carolina | Achromatic optical system including diffractive optical element |
-
1997
- 1997-06-26 US US08/882,976 patent/US5914814A/en not_active Expired - Lifetime
-
1998
- 1998-06-18 JP JP17138598A patent/JP4303332B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5914814A (en) | 1999-06-22 |
| JP4303332B2 (ja) | 2009-07-29 |
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