WO2002073249A1 - Element lentille de diffraction et systeme d'eclairage utilisant ce dernier - Google Patents

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Masayuki Morita
Kanto Miyazaki
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Sony Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for removing speckles in an illumination device using a coherent light source and a phase-type diffractive optical element.
  • a method using a fiber bundle (the difference in length is larger than the coherent length of the laser) for the illumination optical system for example,
  • Radiance decreases as the light exit angle from the diffuser increases, so in a device such as a microscope that requires uniform illumination, only light from a limited area with a small exit angle contributes to image formation. That is, most of the light is thrown away and wasted, resulting in low light use efficiency.
  • the present invention proposes a diffractive optical element having both the optical functions of a random phase plate and a lens array and an illumination device using the element, thereby reducing speckle, energy efficiency, and utilization of light.
  • the task is to improve efficiency simultaneously.
  • FIG. 1A to FIG. 1C are explanatory diagrams of the formation of the phase type diffractive optical element.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the shape of a microphone aperture lens.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the shape of a random phase plate.
  • FIG. 4 is a diagram showing a shape example of a lens element according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a cross-sectional shape of a microlens.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a cross-sectional shape of a random phase plate.
  • FIG. 7 is a view showing an example of a cross-sectional shape of a lens element according to the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration example in which the illumination device according to the present invention is applied to an optical microscope.
  • FIG. 9 is a diagram showing another example of a configuration in which the illumination device according to the present invention is applied to an optical microscope. Disclosure of the invention
  • the diffractive lens element according to the present invention is configured as described above.
  • a concave portion having an irregular phase change is formed by individually adding or superposing amounts.
  • the illumination device includes a laser light source and a rotation unit for rotating the diffractive lens element in order to obtain uniform illumination light from which speckles have been removed. is there.
  • the diffractive lens element has both the optical functions of the lens or the lens array and the random phase plate, and by rotating this, the speckle pattern can be suppressed and the diffusion plate Since it is not necessary to use, it is possible to reduce energy loss and improve light utilization.
  • the present invention relates to a diffractive optical element and an optical device using the element.
  • the diffractive optical element is an optical element that replaces the conventional spherical lens, etc. This has attracted attention as an element, for example, a binary phase type diffractive optical element.
  • FIG. 1A schematically shows an example of forming a two-level binary optical element, in which a mask 2A is applied to a flat transparent base material 1 and an ion etching process is performed to form the mask. Grooves or recesses 3, 3,... Corresponding to the pattern are formed.
  • the two stages here include two states of the case where the concave portion is formed and the case where the concave portion is not formed. Therefore, if four levels are set, as shown in Fig. 1B, the second mask 2B is applied and no recess is formed (zero depth). The state becomes possible, and as shown in FIG. 1C, eight states including zero depth become possible in eight stages with the third mask 2C applied.
  • FIGS. 1A to 1C only the cross-sectional shape is shown (a Fresnel step-like formation pattern).
  • the transparent base material 1 has symmetry about the rotation center axis.
  • the shape viewed from the direction of the central axis (optical axis) is concentric and has a lens action equivalent to that of a spherical lens.
  • micro lens elements such as a microphone aperture lens
  • diffractive optical elements such as a random phase plate (which makes the phase of the wavefront of illumination light random so that it does not have a constant regularity).
  • the problem here is the straight light (0th-order diffracted light).
  • the zero-order diffracted light is generated to some extent, This zero-order diffracted light does not function for the optical action as the diffractive optical element.
  • a diffractive lens element that combines the optical functions of a lens or a lens array and a random phase plate on one diffractive optical element, not only the lens function but also the random phase plate This has the effect of having an irregular phase, thereby eliminating the zero-order diffracted light and speckle pattern without using a spatial filter or the like.
  • FIGS. 2 to 7 show, in contrast, microlenses 4, random phase plates 5, and diffractive lens elements 6 according to the present invention, each of which is produced as a diffractive optical element.
  • 2 and 5 show a micro lens
  • FIGS. 3 and 6 show a random phase plate
  • FIGS. 4 and 7 show a diffractive lens element according to the present invention.
  • the drawings shown in FIGS. 2 to 4 are obtained by converting image data indicating the shapes of the optical elements into two gradations after gray scale conversion in order to easily show the shape characteristics of the optical elements.
  • 5 to 7 show cross-sectional shapes (step shapes) on a plane including the optical axis or the setting axis.
  • Figure 2 shows an example of the shape of a microphone aperture lens that forms a microlens array (an optical element having a configuration in which microlenses are regularly arranged in a two-dimensional array), and is rotated around its optical axis.
  • the lens has symmetry ⁇ And the cross-sectional shape in a plane including the optical axis of the lens has a regular step shape as shown in FIG.
  • the random phase plate has irregular asperities as shown in FIG. 3, and its cross-sectional shape is as shown in FIG.
  • such a shape is formed by dividing the surface of the transparent base material into a mesh shape and by giving a random change in the depth of the concave portion by random numbers.
  • the diffractive lens element 6 has such a shape that irregular irregularities are added to the shape of the micro lens 4. That is, as shown in FIG. 7, the microphone aperture lens 4 has a step-like tendency globally, but has an irregular shape when viewed locally.
  • Such a shape is obtained by individually adding or superimposing a change amount according to a random number to each depth of a concave portion forming a step having an optical action equivalent to a lens in the phase-type diffractive optical element. It is formed as a recess having an irregular phase change.
  • an irregular phase change can be provided by individually giving the amount of change by a random number function (or a pseudo random number function) with respect to the depth of a concave portion.
  • Speckle was removed or reduced by using an optical element (an optical element that also functions as a lens array and a random phase plate) in which a plurality of such diffractive lens elements 6 were arranged on a single transparent substrate.
  • a rotating means for rotating the diffractive lens element is provided for a lighting device for obtaining uniform illumination light.
  • a spatially and temporally random phase change is generated.
  • Can be A speckle pattern peculiar to lent light can be suppressed.
  • the illumination device includes various optical devices using a single-wavelength coherent light source (light source having high coherence), such as an optical microscope using a multimode optical fiber, It can be widely applied to exposure equipment, optical molding equipment, etc.
  • a single-wavelength coherent light source such as an optical microscope using a multimode optical fiber
  • FIG. 8 shows a configuration example 7 of a microscope using a diffractive lens element as an application example of the illuminating device according to the present invention, which is basically configured as a lamp illumination.
  • SHG Synd-harmonic gene rati on: SHG capable of continuous oscillation
  • a laser light source 8 such as an Ar laser, etc.
  • the laser beam is spread by the condenser lens 10 to become a substantially parallel light beam.
  • the diffractive lens element 11 is rotated by a rotating means 12 including a motor as shown by an arrow.
  • the light transmitted through the diffractive lens element passes through the aperture stop 13, the lens 14, and the field stop 15, and then passes through the lens 16 to the mirror 17 (half). (Transparent mirror).
  • the light irradiated on the target sample (TG) via the objective lens 18 is transmitted to an imaging device (for example, a CCD camera or a film camera) 20 via a mirror 17 and an imaging lens 19. Received.
  • an imaging device for example, a CCD camera or a film camera
  • the diffractive lens element 11 it is possible to generate a random phase change by rotating the diffractive lens element 11, and it is possible to remove a speckle pattern peculiar to coherent light.
  • the image capture time (or charge accumulation time) of the image sensor in the imaging device 20 that constitutes the observation system Since the light received is averaged and the speckle pattern noise is reduced by integration in the camera or integration within the exposure time of the film camera, the signal-to-noise (S / N) ratio can be increased.
  • quartz is used as a glass material used for a diffractive lens element or a lens.
  • one diffractive lens element is used (for example, elements are formed on both sides).
  • the optical system is configured by appropriately combining a plurality of diffractive lens elements.
  • Various forms are possible, such as rotating the entire optical system or a part thereof.
  • FIG. 9 shows a configuration example 21 of a microscope using a laser beam as it is.
  • a laser beam (LB) from a laser light source (not shown) is This means that 1 is directly irradiated.
  • the laser beam can be used as a parallel beam from the beginning, the above-mentioned optical fiber 19 and condenser lens 10 become unnecessary.
  • one optical element combines the optical functions of a lens or a lens array (two-dimensional array type) and a random phase plate. Therefore, it is not necessary to use separate optical elements having respective functions.
  • the second and third aspects of the present invention it is possible to suppress the speckle pattern by rotating the diffraction lens element and to use a diffusion plate. Because there is no energy loss, energy loss can be reduced and light utilization can be improved.

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Description

明細書 回折型レンズ素子及びこれを用いた照明装置 技術分野
本発明は、 コヒ一レント光源及び位相型回折光学素子を用いた照明装 置において、 スペックルを除去するための技術に関する。 背景技術
近年における半導体の微細化に伴い、 光学式顕微鏡を用いた半導体検 査装置には高解像力が求められている。 そのためには、 高 NA (開口 数） 化と短波長化という 2つの方法が挙げられるが、 半導体検査の用途 においては、 液浸対物レンズを使用することができないので、 「NAく 1. 0」 という制限が課せられている。 そこで、 短波長化によって高解 像力を得るために深紫外線レーザーを使用し、 可視光のおよそ半分の波 長で対象を観察することにより約 2倍の分解能が得られるようにした装 置が知られている。
しかしながら、 光源にレーザ一を用いた場合には、 画像にスペックル (speckle) パターン （干渉性の高い光源を使用し、 結像光の位相が乱 れたときに不規則な形状の千渉パターンが像に重畳される。 ） が発生し 所望の解像力が得られないという問題があり、 当該パターンを除去する ために、 下記に示す方法が知られている。
( 1 ) 照明光学系内に回転拡散板を設ける方法。
( 2 ) 照明光学系にファイバーバンドル （レーザーのコヒ一レント長 よりも長さの差が大きくされている。 ） を用いる方法 （例えば、 特開平
6 - 1 6 7 6 4 0号公報等） 。 しかし、 回転拡散板を用いた方法 （ 1 ) では、 下記に示すような問題 がある。
-拡散板での散乱、 反射によるエネルギー損失が大きいため、 効率が 良くないこと。
·拡散板からの光の射出角度が大きくなるにつれて放射輝度が低くな るため、 均一照明を必要とする顕微鏡等の装置では、 射出角度が小さい 限られた領域部分での光しか像形成に寄与しないので、 その大部分の光 が捨て去られて無駄になってしまい、 光の利用効率が低いこと。
また、 上記方法 （2 ) の場合には、 それぞれのファイバーに対して、 レーザ一のコヒーレント長よりも大きな長さの差を設ける必要があり、 その結果、 ファイバーバンドルの全長が非常に長くなつてしまう。 よつ て、 ファイバ一内を伝播する光に関してファイバ一長の自乗に比例して 減衰するために、 特に透過率の低い深紫外線領域ではエネルギーの損失 が顕著になる。
そこで、 本発明は、 ランダム位相板とレンズアレイのもつ光学的作用 を兼ね備えた回折型光学素子と当該素子を用いた照明装置を提案するこ とで、 スペックルの低減とエネルギー効率及び光の利用効率の向上とを 両立させることを課題とする。 図面の簡単な説明
第 1 A図乃至第 1 C図は、 位相型回折光学素子の形成についての説明 図である。
第 2図は、 マイク口レンズの形状例を示す図である。
第 3図は、 ランダム位相板の形状例を示す図である。
第 4図は、 本発明に係るレンズ素子の形状例を示す図である。
第 5図は、 マイクロレンズの断面形状例を示す図である。 第 6図は、 ランダム位相板の断面形状例を示す図である。
第 7図は、 · 本発明に係るレンズ素子の断面形状例を示す図である。 第 8図は、 本発明に係る照明装置を光学式顕微鏡に適用した構成例を 示す図である。
第 9図は、 本発明に係る照明装置を光学式顕微鏡に適用した構成の別 例を示す図である。 発明の開示
本発明に係る回折型レンズ素子は、 上記した.課題を解決するために、 透明基材において、 レンズ又はレンズアレイと等価なステップを構成す る凹部のそれぞれの深さに対して、 乱数に従う変化量を個別に付与又は 重畳することにより、 不規則な位相変化をもつた凹部が形成されたもの ' である。
また、 本発明に係る照明装置は、 スペックルが除去された均一な照明 光を得るために、 レ一ザ一光源と、 上記回折型レンズ素子を回転させる ための回転手段とを設けたものである。
従って、 本発明によれば、 回折型レンズ素子においてレンズ若しくは レンズアレイ及びランダム位相板の光学的作用を兼ね備えており、 これ を回転させることにより、 スペックルパターンを抑制することができる とともに、 拡散板を用いる必要がないので、 エネルギー損失の低減や光 利用率の向上を図ることができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、 回折型光学素子及び当該素子を用いた光学機器に関するも のである。 尚、 回折型光学素子は、 従来の球面レンズ等に代わる光学素 子として注目されているものであり、 例えば、 バイナリー位相型回折光 学素子が挙げられる。
第 1 A図は 2段階レベルのバイナリ一光学素子の形成例を概略的に示 しており、 平板状の透明基材 1に対してマスク 2 Aをかけ、 イオンエツ チング処理を行うことで、 マスクパターンに応じた溝あるいは凹部 3、 3、 …が形成される。 尚、 ここで 2段階とは、 凹部を形成する場合とし ない場合の 2通りの状態を含む意味である。 よって、 4段階のレベルを 設定すれば、 第 1 B図に示すように、 第 2マスク 2 Bをかけて、 凹部を 形成しない場合 （深さゼロ） と 3段階の深さを含む 4通りの状態が可能 になり、 さらには、 第 1 C図に示すように、 第 3マスク 2 Cをかけた 8 段階では深さゼロを含む 8通りの状態が可能になる。
このような作業を推し進めていけば、 2の n乗通りの深さ （深さゼロ を含む） に亘る詳細なステップを形成できることが分かる。 つまり、 透 明基材 1に対して深さの異なる多数の凹部を形成することにより断面形 状がステップ状に形成され、 非常に精密で回折効率の良い素子を作成で きる （特に、 微小光学素子の製作に適している。 ） 。
尚、 第 1 A図乃至第 1 C図では、 断面形状のみを示している （フレネ ルステップ状の形成パターン） が、 例えば、 透明基材 1の回転中心軸回 りの対称性を有している場合には、 当該中心軸 （光軸） 方向から見た形 状が同心円状をなし、 球面レンズと同等のレンズ作用をもつことが分か る。
この技術を用いてマイク口レンズ等の微小レンズ素子や、 ランダム位 相板 （照明光の波面についての位相が一定の規則性を持たないようにラ ンダムにするもの） 等の回折型光学素子への代替が可能になるが、 ここ で問題となるのが、 直進光 （0次回折光） である。 つまり、 回折型光学 素子では、 その性質上、 0次回折光がある程度発生することになるが、 この 0次回折光は回折型光学素子としての光学的作用に対して機能しな いものである。
よって、 回折型光学素子を用いる場合に、 スペックルパターンの除去 のためには、 0次回折光を空間フィルターで除去する等の対策を講じる 必要が生じるといった弊害 （効率低下や部品点数やコスト上昇等） を伴 Ό。
そこで、 本発明では、 レンズ若しくはレンズアレイ及びランダム位相 板の光学的作用を 1つの回折型光学素子上において兼ね備えた回折型レ ンズ素子を使用することにより、 レンズ作用のみならず、 ランダム位相 板のもつ作用、 即ち、 不規則な位相付与を利用しており、 これによつて. 空間フィルタ一等を用いることなく、 0次回折光及びスペックルパター ンの除去を実現することができる。
第 2図乃至第 7図はマイクロレンズ 4、 ランダム位相板 5、 本発明に 係る回折型レンズ素子 6について、 回折型光学素子として作成した場合 のそれぞれの例を対比的に示したものであり、 第 2図及び第 5図がマイ クロレンズ、 第 3図及び第 6図がランダム位相板、 第 4図及び第 7図が 本発明に係る回折型レンズ素子をそれぞれ示す。 尚、 第 2図乃至第 4図 に示す図は各光学素子の形状的特徴を分かり易く示すために、 それらの 形状を示す画像データをグレースケール変換後に 2階調表現にしたもの である。 また、 第 5図乃至第 7図は、 光軸又は設定軸を含む平面での断 面形状 （ステップ形状） を示したものである。
第 2図は、 マイクロレンズアレイ （微小レンズが規則正しく 2次元ァ レイ状に配列された構成を有する光学素子） を構成するマイク口レンズ の形状例を示したものであり、 その光軸回りに回転対称性を有している < そして、 当該レンズの光軸を含む平面における断面形状は、 第 5図に示 すように、 規則的なステップ状をしている。 ランダム位相板は、 第 3図に示すように、 不規則な凹凸をもっており、 その断面形状は第 6図に示すようなものである。 尚、 このような形状は， 透明基材の表面を網目状に区分けするとともに、 乱数による凹部の深さ に不規則な変化をもたせることで形成される。
回折型レンズ素子 6は、 第 4図に示すように、 マイクロレンズ 4の形 状に対して不規則な凹凸を付加した如き形状をしている。 つまり、 第 7 図に示すように、 大局的にはマイク口レンズ 4のもつステツプ状の傾向 を持ちながらも、 局所的に見ると不規則な形状をしている。 このような 形状は、 上記位相型回折光学素子において、 レンズと等価な光学的作用 をもつステップを構成する凹部のそれぞれの深さに対して、 乱数に従う 変化量を個別に付与又は重畳することによって、 不規則な位相変化をも つた凹部として形成されるものである。
例えば、 乱数関数 （あるいは擬似乱数関数） による変化量を凹部の深 さに関して個別に付与することによって、 不規則な位相変化をもたせる ことができる。
尚、 ランダム位相板としての機能について、 乱数関数によって完全に ランダムな位相変化を付与すると製作が容易でない場合には、 0乃至 2
7t の位相範囲内で複数段階の位相変化を決めて、 そのうちから無作為 に選択すれば良い。
このような回折型レンズ素子 6を 1枚の透明基材上に複数配列させた 光学素子 （レンズアレイとランダム位相板を兼用する光学素子） を使つ て、 スペックルの除去あるいは低減がなされた均一な照明光を得るため の照明装置については、 当該回折型レンズ素子を回転させるための回転 手段を設ける。 つまり、 回折型レンズ素子を、 光軸に垂直な平面内にお いて回転させる （例えば、 百乃至千数百 r p mの回転数） ことにより、 空間的、 時間的にランダムな位相変化を発生させることができ、 コヒ一 レント光に特有のスペックルパターンを抑制することができる。 また、 マイク口レンズアレイとランダム位相板を別個に用意しなくて済むので. 構成が簡素化されるととも、 コスト低減の面でも有利である。
尚、 本発明に係る照明装置については、 単一波長のコヒ一レント光源 (干渉性の高い光源） を用いた各種の光学機器、 例えば、 マルチモード 光ファイバ一を使った光学式顕微鏡や、 パターン露光装置、 光学的造型 装置等、 幅広く適用することができる。
第 8図は本発明に係る照明装置の適用例として、 回折型レンズ素子を 用いた顕微鏡の構成例 7を示したものであり、 基本的にはケ一ラ一照明 の構成とされている。
連続発振が可能な、 S H G (S e c ond h a rmon i c gene r a t i on：第 2 高調波発生） 一 A rレ一ザ一等のレ一ザ一光源 8から光ファイバ一 9を 通して伝播されるレ一ザ一光は、 先ず、 コンデンサ一レンズ 1 0によつ て広げられることでほぼ平行光束となって、 回折型レンズ素子 1 1
(個々のレンズ素子については第 4図、 第 7図を参照。 ） に照射される, 回折型レンズ素子 1 1は、 矢印に示すように、 モータ等を含む回転手 段 1 2によってその中心軸回りに回転されるようになっており、 回折型 レンズ素子を透過した光は、 開口絞り 1 3、 レンズ 1 4、 視野絞り 1 5 を経た後、 レンズ 1 6を介してミラ一 1 7 (半透明鏡） に到達する。
そして、 対物レンズ 1 8を介して対象サンプル （T G ) に照射された 光が、 ミラー 1 7及び結像レンズ 1 9を介して撮像装置 （例えば、 C C D型カメラやフィルム式カメラ等) 2 0に受光される。
本構成によれば、 回折型レンズ素子 1 1を回転させて、 ランダムな位 相変化を発生させることができ、 コヒ一レント光に特有のスペックルパ ターンを除去することができる。 つまり、 観測系を構成する撮像装置 2 0内の撮像素子における画像取り込み時間 （あるいは電荷蓄積時間） 内 での積分、 あるいは、 フィルム式カメラの露光時間内での積分により受 光量が平均化されてスペックルパターンノイズが低減されるので、 S / N (信号対ノイズ） 比を上げることができる。
尚、 短波長化の目的で深紫外線を用いる場合において、 回折型レンズ 素子やレンズ等に使用される硝材としては石英が挙げられる。
また、 本例では、 1つの回折型レンズ素子を用いているが （例えば、 両面に素子を形成する等。 ） 、 複数個の回折型レンズ素子を適宜に組み 合わせた光学系を構成して当該光学系全体又はその一部分を回転させる といった、 各種の形態が可能である。
第 9図はレーザ一ビームをそのまま利用した顕微鏡の構成例 2 1を示 しており、 第 8図との相違点は、 図示しないレーザ一光源からのレーザ 一ビーム （L B ) を回折型レンズ素子 1 1に対して直接照射しているこ とである。 つまり、 レーザービームを平行光線として最初から利用でき るのであれば、 上記した光ファイバ一 9やコンデンサーレンズ 1 0が不 要になる。
尚、 第 8図や第 9図に示した構成に限らず、 透過光型の構成等、 各種 の実施形態が可能である。
以上に記載したところから明らかなように、 請求の範囲第 1項に係る 発明によれば、 1つの光学素子においてレンズ若しくはレンズアレイ (二次元配列型） 及びランダム位相板の光学的作用を兼ね備えているの で、 それぞれの作用をもった各別の光学素子を用いる必要がなくなる。 また、 請求の範囲第 2項や請求の範囲第 3項に係る発明によれば、 回 折型レンズ素子を回転させることにより、 スペックルパターンを抑制す ることができるとともに、 拡散板を用いる必要がないので、 エネルギー 損失の低減や光利用率の向上を図ることができる。

Claims

請求の範囲
1 . 透明基材に対して深さの異なる多数の凹部を形成することにより 断面形状がステップ状に形成され、 一個若しくは複数個のレンズ及びラ ンダム位相板の光学的作用を兼ね備えた回折型レンズ素子であって、 レ ンズ又はレンズアレイと等価なステップを構成する凹部のそれぞれの深 さに対して、 乱数に従う変化量を個別に付与又は重畳することによって- 不規則な位相変化をもった凹部が形成されていることを特徴とする回折 型レンズ素子。
2 . 請求の範囲第 1項に記載した回折型レンズ素子を用いてスぺック ルが除去された均一な照明光を得るための照明装置であって、 レ一ザ一 光源と、 上記回折型レンズ素子を回転させるための回転手段とを設け たことを特徴とする照明装置。
3 . 請求の範囲第 2項に記載した照明装置において、 レーザー光源に よる光を、 光ファイバ一により伝播させた後、 コンデンサーレンズを介 して回折型レンズ素子に照射させるようにしたことを特徴とする照明装
PCT/JP2002/002017 2001-03-09 2002-03-05 Element lentille de diffraction et systeme d'eclairage utilisant ce dernier WO2002073249A1 (fr)

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