JP2003529784A - 散乱イメージャおよび関連方法 - Google Patents

散乱イメージャおよび関連方法

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JP2003529784A JP2000546283A JP2000546283A JP2003529784A JP 2003529784 A JP2003529784 A JP 2003529784A JP 2000546283 A JP2000546283 A JP 2000546283A JP 2000546283 A JP2000546283 A JP 2000546283A JP 2003529784 A JP2003529784 A JP 2003529784A
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ダブリュー・ハドソン・ウェルチ
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Abstract

(57)【要約】 散乱機能およびレンズ機能が単一表面上に付与される。この表面は、位相シフトを含む自由造形領域（５６）を有するコンピュータ形成されたホログラムから形成される。このホログラムは、自由造形領域の外側にあるホログラムに対して位相シフトすることにより、自由造形領域の内側にあるホログラムが位相シフトされ、ゼロ領域（５２）およびπ領域（５０）が自由造形領域内で転置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （関連出願に関する相互参照） 本出願は、米国特許法第１１９条ｅ）項に基づき、１９９８年４月２８日付で
出願された米国暫定出願第６０／０８２，９３８号の優先権を主張する。ここに
あらゆる目的においてこの米国暫定出願を完全に一体のものとして統合される。
【０００２】 （発明の背景） 発明の技術分野 本発明は、光を散乱するとともに、光学的倍率（power）を有する単一表面を
含む光学部品に関する。
【０００３】 関連技術の説明 ダイオードレーザ、ＬＥＤ、およびその他の光源は、不均一な強度分布を有す
るビームを形成する。この不均一性は、システムの性能にとって、好ましくない
ことがしばしばある。従来式のレンズシステムを用いて、均一な強度分布を実現
することは困難である。強度分布を均一に照明する強度分布に再配置（re-map）
するために用いられる構成部品は、数多くの用途において好ましい。
【０００４】 好適で均一な照明を得るために、図１に示すような回折散乱部を用いることは
望ましい。図１で示す回折散乱部の詳細については、ここに完全に一体のものと
して統合される、「ビーム・ホモジェナイザ」と題する１９９６年１２月２０日
付で出願された米国特許出願第０８／７７０，５２４号に開示されてある。図１
において、好適には、コリメートされたビームである入力光学ビーム１４は、回
折散乱部品１０に照射する。この回折散乱部品は、回折格子１２が不規則にパタ
ーン化された自由造形のフリンジ（fringe）を有する、コンピュータを用いて形
成されるホログラムであることが好ましい。好適な実施形態による回折フリンジ
は、入力ビーム１４に対する設計波長において、位相シフトがゼロとなる白い領
域で示すプラトー（plateau）と、入力ビーム１４に対する設計波長において、
位相シフトがπとなる黒い領域で示すバイアス（vias）またはバレー（valley）
とから構成される。規則正しい形状を有し、規則正しくパターン化された面を有
するホモジェナイザを用いた場合に生じるような好適でない強度変化を、こうし
たホモジェナイザは取り除くことができる。
【０００５】 回折散乱部１０は、所定の角度で広がり、出力平面２２にある標的２０におい
て均一に照明する伝播ビーム１１ａ、１１ｂ、１１ｃを伝える。出力平面２２は
、特定の構成部品というよりむしろ、空間上の領域を意味する。下流方向におい
て出力ビームを利用する別個の光学部品または任意のデバイスを配置することも
できる。散乱部１０上の任意の位置において、ライン幅の全体の領域が必ずパタ
ーン内に存在するように、十分な大きさを有する任意の領域は、入力ビーム１４
に対する角度的な広がりを与えている。十分な大きさを有する各領域が、名目的
には、同様の大きさを有する他の領域とは無関係である。用いられるホモジェナ
イザの用途、および所望する出力ビームに依存して、角度的な広がりが選択され
る。
【０００６】 像を散乱するとともに、像を偏向または集光することが好ましい場合がしばし
ばある。しかしながら、いくつかの用途では、空間的理由から照明光を散乱させ
るための別の光学部品を挿入することは好ましいことではない。さらに、別の光
学部品を形成するにあたって、別途費用が嵩むことになる。
【０００７】 （発明の要約） したがって、本発明は、関連技術が有する限界および不都合による１つまたは
それ以上の問題点を実質的に克服するための光学部品、関連システム、および方
法に関する。
【０００８】 本発明の目的は、すなわち、不均一な照明光をより均一な照明光にマップ形成
するとともに、入力光に対する別の光学機能を付与する回折散乱光学部品を単一
表面に形成することにある。散乱機能とともにその他の光学的機能を単一表面上
に集積すれば、空間的な節約などの利点があり、かつ、別の表面を形成する必要
がないので、他の光学機能だけを果たす回折部品を形成してコストを上げること
もない。散乱機能をも具備する表面は設計段階で構成され、結果として得られる
構成部品は、散乱機能を具備しない光学部品を製造するのと同じコストしか要さ
ない。
【０００９】 これらおよびその他の目的の少なくとも１つは、少なくとも１つのレンズ機能
および少なくとも１つの散乱機能を果たすための、コンピュータ形成されたホロ
グラムを有する光学部品を提供することにより実現することができる。コンピュ
ータ形成されたホログラムが、自らに関連する位相シフトを有する自由造形領域
を有し、コンピュータ形成されたホログラムが、自由造形領域の外側にあるコン
ピュータ形成されたホログラムに対して位相シフトすることにより、自由造形領
域の内側において位相シフトされ、コンピュータ形成されたホログラムが、光学
部品の第１の表面上にある。
【００１０】 自由造形領域の外側にあるコンピュータ形成されたホログラムが、ゼロ領域と
π領域を有し、ゼロ領域とπ領域が、自由造形領域内において転置される。少な
くとも１つのレンズ機能が、集光および偏向のうちの少なくとも１つを含んでい
てもよい。光学部品は、コンピュータ形成されたホログラムと位置合わせされた
、光学部品の第１の表面と対向する第２の表面上に設けられた部材をさらに有す
る。この部材が、少なくとも１つのレンズ機能を果たしてもよい。この部材が、
フレネルレンズを含んでいてもよい。位相シフトがπであってもよい。
【００１１】 上述のおよびその他の目的の少なくとも１つは、回折散乱レンズを形成する方
法を提供することにより実現される。この形成方法は、所望のレンズ機能および
散乱機能に応じた、コンピュータホログラムパターンを形成するステップと、コ
ンピュータホログラムが、自らに関連する位相シフトを有する複数の自由造形領
域を有し、コンピュータホログラムが、自由造形領域の外側にあるコンピュータ
ホログラムに対して位相シフトすることにより、自由造形領域の内側において位
相シフトされるステップと、コンピュータホログラムに応じて、回折散乱レンズ
を製造するステップとを有する。
【００１２】 製造ステップが、フォトリソグラフ技術を用いた処理を含んでいてもよい。製
造ステップが、注入成型を含んでいてもよい。形成ステップが、自由造形領域内
において、コンピュータホログラムを転置するステップを含んでいてもよい。
【００１３】 上述のおよびその他の目的の少なくとも１つは、光学システムを提供すること
により実現される。この光学システムは、光源と、光源から標的に光を伝える伝
播光学構成部品と、標的からの光を受ける帰還光学構成部品とを備え、伝播光学
構成部品と帰還光学構成部品のうちの少なくとも一方が、散乱および少なくとも
１つのレンズ機能を有する回折散乱レンズを単一の表面上に有する。
【００１４】 伝播光学構成部品および帰還光学構成部品が、単一基板上に集積されていても
よい。回折散乱レンズが、少なくとも１つのレンズ機能および少なくとも１つの
散乱機能を果たすコンピュータ形成されたホログラムを有し、コンピュータ形成
されたホログラムが、自らに関連する位相シフトを有する自由造形領域を有し、
コンピュータ形成されたホログラムが、自由造形領域の外側にあるコンピュータ
形成されたホログラムに対して位相シフトすることにより、自由造形領域の内側
において位相シフトされ、コンピュータ形成されたホログラムが、単一の表面上
にあってもよい。伝播光学構成部品が、回折散乱レンズを有していてもよい。
【００１５】 本発明の適用のさらなる範囲は、以下の詳細な説明から明白となるであろう。
しかしながら、本発明の精神および範疇に入る多様な変更例および変形例は、当
業者がこの詳細な説明をみれば明白となるだろうから、詳細な説明および特定の
具体例は、本発明の好適な実施形態を示すものであって、説明の趣旨だけのもの
である。
【００１６】 本発明は、説明の趣旨においてのみなされ、本発明を限定しない、以下の詳細
説明および添付図面から、より十分に理解されるだろう。
【００１７】 （好適な実施形態の詳細な説明） 特別な用途に対する例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明するが、本
発明はこれに限定して解釈されるものではない。当業者がここに教示された内容
をみれば、本発明の範疇、および過度な実験をせずとも本発明が重要な有用性を
与える追加的な分野に包含される追加的な変形例、用途、および実施形態が認識
されるであろう。ここで用いる文言「レンズ機能」とは、光学的倍率（power）
が有する機能を意味する。
【００１８】 図２は、本発明の光学構成部品を採用した構成を示す。光源２８は、好適には
発光ダイオードであるが、伝播光学装置３０に向かって光を発する。伝播光学装
置３０は、標的３４に光を伝える。標的３４で反射した光は、帰還光学装置３６
を介して検出器３８に伝播する。
【００１９】 好適には、光学装置３０，３６は共通基板４０上に集積され、光源２８および
検出器３８は共通基板４２上に集積される。図２の構成から分かるように、伝播
光学部品３０は、光源２８からの光を標的３４上に集光する。
【００２０】 この光学構成部品の詳細について、図３Ａおよび３Ｂで図示する。図３Ａの上
面図は、単一基板４０上に光学装置３０，３６が集積されている様子を示す。図
３Ｂの側面図で示すように、帰還光学装置３６は、第１の表面上に回折部品４４
を有し、第２の表面上に屈折部品４５を有する。
【００２１】 同様に、図３Ｂの側面図から分かるように、伝播光学装置３０は、第１の表面
上に回折部品４６を有し、第２の表面上にフレネル部品４７を有する。図２で示
す構成で要請される大きな偏向角度に起因して、これら両方の部品４６，４７が
必要となる。回折部品４６を用いない場合、全体の内部反射は、標的に照射可能
な光強度を相当に制限してしまう。回折部品４６だけを用いた場合、大きな偏向
角度が必要となり、その結果、回折効果を相当に損なうことになる。
【００２２】 散乱部品が、第１の表面上の回折部品４６に併設される。こうすると、回折部
品４６は３つの機能を有する。必要とされる偏向角度をおよそ半分にする。光を
標的上に集光しやすくする。標的の照射領域において、より均一な強度分布を有
するように、光を散乱して均質化する。
【００２３】 レンズ機能を果たす回折部品を形成するためのバイナリ（binary：２値）マス
クが図４Ａに示されている。ハッチングされた領域５２は、設計波長に対して、
位相シフトがゼロであることを示し、白抜き領域５４は、位相シフトがπである
ことを示す。これらの領域またはフリンジは、表面自体の上にあるプラトーおよ
びバイアスにそれぞれ対応する。図４Ａで示す設計において、隣接するハッチン
グされた、あるいはゼロ領域と、白抜きの、あるいはπ領域とは、およそ同じ幅
を有する。回折散乱レンズにおいて２つのレベルだけが必要な場合、レンズはこ
のマスク４８ａのように見える。レンズ機能を果たす回折部品を形成するために
必要な環状フリンジを、従来式の方法によりコンピュータを用いて形成すること
ができる。
【００２４】 回折散乱部品を形成するためのバイナリマスク４８ｂが図４Ｂに示してある。
このようなマスクから形成される回折散乱部品の一例が図１に示されてある。ハ
ッチングされた領域５３は、設計波長に対して、位相シフトがπであることを意
味し、白抜き領域５５は、位相シフトがゼロであることを意味する。これらの領
域またはフリンジは、表面自体の上にあるプラトーおよびバイアスにそれぞれ対
応する。回折散乱部品において２つのレベルだけが必要な場合、レンズはこのマ
スク４８ｂのように見える。米国特許出願第０８／７７０，５２４号で開示した
ように、こうした散乱部品を設計することができる。一般に、これらの領域を、
自由造形領域として説明することができる。散乱機能を得るために自由造形領域
を用いると、π領域とゼロ領域との間の際立った境目に起因する、好ましくない
強度変化を排除できる。
【００２５】 散乱機能とともに偏向機能および集光機能などのレンズ機能を有する回折部品
４６を形成するためのバイナリマスク４８ｃを図４Ｃに示す。図４Ａおよび図４
Ｂで示すマスクを形成する２つの機能に関する位相を加算することにより、本発
明による散乱イメージャを形成することができる。このように加算することによ
り、π領域５３内にある基本レンズ機能パターンがシフト（shift）され、シフ
トされた領域５６が形成され、その結果、単一表面において、回折散乱レンズを
形成することができる。散乱マスク４８ｂのゼロ領域におけるレンズ機能パター
ン５４は影響を受けない。図４Ｃで示すマスク４８ｃの一部の特別な例で、散乱
π領域５３内にあるゼロ領域５２およびπ領域５０は、シフトされた領域５６に
シフトされるため、レンズ機能領域５４において転置（transpose）されたよう
に見える。
【００２６】 散乱機能を統合することにより位相がシフトするために、基本レンズ機能の強
度が若干損なわれ、つまり焦点が多少ぼやける。このぼやけは、図１に関連して
上述したように、レンズが焦点に対してマップ形成（map）される一方、散乱部
品は領域に対してマップ形成されるという事実に起因する。ぼやける程度は、散
乱部品の設計に左右される。散乱機能を実現するためには、好適には、およそ５
％ないし５０％の間の表面が、シフトされる領域として含まれる。
【００２７】 プラトーおよびバイアスを含む光学部品を、バイナリマスクを用いて形成する
ために、ここに完全に一体として統合される米国特許第４，８９５，７９０号に
基づいて、このマスク４８ｃを用いてもよい。さらに、ここに完全に一体として
統合される米国特許第５，２０２，７７５号は、フォトリソグラフ技術を用いて
ホログラムを製造する方法を開示しており、ここに完全に一体として統合される
米国特許出願第０８／３８１，１６９号は、注入成型技術を用いて、回折部品を
製造する方法を開示している。本発明に係る回折散乱部品を形成するために、多
用な方法で、このマスクを利用することができる。
【００２８】 本発明に係る実際の回折散乱部品が図５に示されている。図５で示す構成部品
５８は、用いる技術に依存して、２つまたは３つのマスクを用いて形成すること
ができ、４つのレベルまたは領域を有し、設計波長において、位相シフトがπで
ある白抜きまたはπ領域５０、位相シフトがπ／２である大斑点領域５７、黒塗
りまたはゼロ領域５２、および位相シフトが３π／２である小斑点領域５９があ
る。実際のところ、π／２および３π／２領域は中間的な領域に見えるが、斑点
は明確に分かりやすくするために用いられた。マスク４８ｃの場合と同様、構成
部品５８は、レンズ機能領域または元来の領域５４、およびシフトされた領域５
６を有し、このとき、基本レンズ機能パターンは、散乱機能を有するようにシフ
トされた。図５で示す例において、自由造形領域５６における位相シフトは、元
来の領域５４から２つのレベルがある。
【００２９】 構成部品５８を形成するために用いられる各マスクに、散乱機能を含ませる必
要はない。図５で示す構成部品５８は、図４Ｃで示すマスク４８ｃである基本レ
ンズ機能に散乱機能を取り込んだ１つのマスクを有する。その他のマスクは、基
本レンズ機能を形成するだけのものである。好適には、たった１つのマスクに散
乱機能をもたせる場合、それは主要な、あるいは最大のエッチングに対するマス
クである。
【００３０】 このように本発明を説明したが、同じものが数多くの方法で変更できることは
明らかである。こうした変更例は、本発明の精神と範疇から逸脱するものとはみ
なされず、当業者にとって明白なこうしたすべての変形例は、以下のクレームの
範囲内に包含されることを意図されたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、自由造形の、不規則にパターン化されたプラトーおよび
バイアスを有するホモジェナイザに入射するビームの空間エネルギ分布を示す。
【図２】 図２は、本発明の回折散乱光学部品を採用する構成の側面図であ
る。
【図３Ａ】 図３Ａは、本発明の回折散乱レンズを含む光学装置の上面図で
ある。
【図３Ｂ】 図３Ｂは、図３Ａの光学装置の側面図である。
【図４Ａ】 図４Ａは、イメージャ（imager）だけのマスクの一部のフリン
ジを示す。
【図４Ｂ】 図４Ｂは、散乱部（diffuser）だけのマスクの一部のフリンジ
を示す。
【図４Ｃ】 図４Ｃは、本発明の回折散乱イメージャを形成するためのマス
クの一部のフリンジを示す。
【図５】 図５は、本発明の回折散乱イメージャの一部のフリンジを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ダブリュー・ハドソン・ウェルチ アメリカ合衆国28213ノースカロライナ州 シャーロット、フォックスバーロウ・ロー ド735番 (72)発明者 ロバート・ハッチンズ アメリカ合衆国28025ノースカロライナ州 コンコード、レッド・フォックス・レイン 950番 Ｆターム(参考） 2H049 CA09 CA15 CA16 CA17 2K008 AA10 BB03 EE01 FF27 GG05

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つのレンズ機能および少なくとも１つの散乱機
    能を果たすための、コンピュータ形成されたホログラムを有する光学部品であっ
    て、 コンピュータ形成されたホログラムが、自らに関連する位相シフトを有する自
    由造形領域を有し、 コンピュータ形成されたホログラムが、自由造形領域の外側にあるコンピュー
    タ形成されたホログラムに対して位相をシフトすることにより、自由造形領域の
    内側において位相シフトされ、 コンピュータ形成されたホログラムが、光学部品の第１の表面上にあることを
    特徴とする光学部品。
  2. 【請求項２】 請求項１の光学部品であって、 自由造形領域の外側にあるコンピュータ形成されたホログラムが、ゼロ領域と
    π領域を有し、 ゼロ領域とπ領域が、自由造形領域の内側において転置（transpose）される
    ことを特徴とする光学部品。
  3. 【請求項３】 請求項１の光学部品であって、 少なくとも１つのレンズ機能が、集光および偏向のうちの少なくとも１つを含
    むことを特徴とする光学部品。
  4. 【請求項４】 請求項１の光学部品であって、 コンピュータ形成されたホログラムと位置合わせされた、光学部品の第１の表
    面と対向する第２の表面上に設けられた部材をさらに有することを特徴とする光
    学部品。
  5. 【請求項５】 請求項４の光学部品であって、 この部材が、少なくとも１つのレンズ機能を果たすことを特徴とする光学部品
    。
  6. 【請求項６】 請求項４の光学部品であって、 この部材が、フレネルレンズを含むことを特徴とする光学部品。
  7. 【請求項７】 請求項１の光学部品であって、 位相シフトがπであることを特徴とする光学部品。
  8. 【請求項８】 回折散乱レンズを形成する方法であって、 所望のレンズ機能および散乱機能に応じた、コンピュータホログラムパターン
    を形成するステップと、 コンピュータホログラムが、自らに関連する位相シフトを有する複数の自由造
    形領域を有し、 コンピュータホログラムが、自由造形領域の外側にあるコンピュータホログラ
    ムに対して位相シフトすることにより、自由造形領域の内側において位相シフト
    されるステップと、 コンピュータホログラムパターンに応じて、回折散乱レンズを製造するステッ
    プとを有することを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 請求項８の方法であって、 製造ステップが、フォトリソグラフ技術を用いた処理を含むことを特徴とする
    方法。
  10. 【請求項１０】 請求項８の方法であって、 製造ステップが、注入成型を含むことを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 請求項８の方法であって、 形成ステップが、自由造形領域内において、コンピュータホログラムを転置す
    るステップを含むことを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 光学システムであって、 光源と、 光源から標的に光を伝える伝播光学構成部品と、 標的からの光を受ける帰還光学構成部品とを備え、 伝播光学構成部品と帰還光学構成部品のうちの少なくとも一方が、散乱および
    少なくとも１つのレンズ機能を果たす回折散乱レンズを単一の表面上に有するこ
    とを特徴とする光学システム。
  13. 【請求項１３】 請求項１２の光学システムであって、 伝播光学構成部品および帰還光学構成部品が、単一基板上に集積されているこ
    とを特徴とする光学システム。
  14. 【請求項１４】 請求項１２の光学システムであって、 回折散乱レンズが、少なくとも１つのレンズ機能および少なくとも１つの散乱
    機能を果たすコンピュータ形成されたホログラムを有し、 コンピュータ形成されたホログラムが、自らに関連する位相シフトを有する自
    由造形領域を有し、 コンピュータ形成されたホログラムが、自由造形領域の外側にあるコンピュー
    タ形成されたホログラムに対して位相シフトすることにより、自由造形領域の内
    側において位相シフトされ、 コンピュータ形成されたホログラムが、単一の表面上にあることを特徴とする
    光学システム。
  15. 【請求項１５】 請求項１２の光学システムであって、 伝播光学構成部品が、回折散乱レンズを有することを特徴とする光学システム
    。
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