JP2010503537A - 多光子硬化性光反応性組成物を加工するのに好適な光学システム - Google Patents

Abstract

実質的に等しいエネルギーと実質的に等しい光路長とを有する複数のレーザービームレットを生成することの可能なビームスプリッタ装置を備える光学システム。１つの用途において、前記光学システムの前記ビームレットは、多光子硬化性光反応性樹脂に向けらて複数の実質的に等しい寸法のボクセルを同時に加工してもよい。

Description

本発明は光学システムに関し、より詳細には、光硬化性材料を用いた加工プロセスで使用するのに好適な光学システムに関する。

全体を参照により本明細書に組み入れる米国特許第６，８５５，４７８号に記載されているような多光子硬化プロセスにおいて、多光子硬化性光反応性組成物を含む材料の層は基材（例えば、シリコンウエファー）に適用され、レーザビームのようなフォーカスされた放射エネルギー源を用いて選択的に硬化される。多光子硬化技術は二次元及び／又は三次元（３Ｄ）ミクロ構造及びナノ構造を加工するのに有用であり得る。

１つの加工技術において、近赤外（ＮＩＲ）放射線のパルス状のレーザビームが、関わるフォトポリマー樹脂内にフォーカスされるとボクセルが生成される。樹脂内の非線形相互作用の過程がＮＩＲ放射線の一部を短い波長に変換し、これにより、ＮＩＲ放射線の二光子が実質的に同時に吸収されると、レーザビームの焦点の近くの樹脂を硬化させる。樹脂の硬化は「光重合」と呼ばれてもよく、そのプロセスは「二光子光重合」プロセスと呼ばれてもよい。ＮＩＲ放射線の強度が十分でない部分に暴露された樹脂の領域では樹脂がＮＩＲ放射線を吸収しないので樹脂の光重合は発生しない。

３Ｄ構造は、三次元のレーザビームの焦点の位置を樹脂に対して（即ち、ｘ−軸方向、ｙ−軸方向、及びｚ−軸方向）制御することにより、多光子光重合プロセスを用いてボクセル毎（voxel-by-voxel）に構築することが可能である。

本明細書に記載の光学システムは、像面に向けられる複数の光ビームレットに関し、各光ビームレットは像面の個々のサブフィールドにおいて走査されてもよい。光学システムは、複数の二次元（２Ｄ）及び／又は三次元（３Ｄ）構造を同時に加工するために多光子光重合プロセスに組み込まれてもよく、このことは商業的用途に有用であり得る。具体的には、複数のビームレットが多光子硬化性光反応性樹脂に向けられて複数の実質的に等しい寸法のボクセルを同時に加工してもい。このようにして、光学システムは、多光子製造プロセスの生産量を、アレイの中の多くのビームレットの数（例えば、何十、何百、又は何千）にほぼ等しい増大率で増加させるのに有用である場合がある。１つ以上の入射光ビームから、実質的に等しいエネルギー（即ち、強度）を呈し、更には実質的に等しいパルス幅を呈することのできる複数の光ビームレットを生成することが可能なビームスプリッタ装置が光学システムに組み込まれる。一実施形態において、前記ビームレットは入射光ビームを繰り返し分割することにより形成される。本発明の前記光学システムは、他の光学部品、例えば感光性樹脂の層内でビームレットを精密に走査するための複数のステアリングミラーを更に備えてもよい。

一実施形態において、本発明は、近赤外光ビームを提供するための光源と、前記光ビームを少なくとも第１のビームレットと第２のビームレットとに分割するためのビームスプリッタシステムと、多光子硬化性光反応性組成物の層と、前記層の少なくとも第１のサブフィールド及び第２のサブフィールドを含む視野を画定する対物レンズとを備える加工システムを目的とする。前記第１のビームレット及び第２のビームレットのエネルギーは実質的に等しい。前記対物レンズによって画定される前記視野の前記第１のサブフィールドは前記第１のビームレットの第１の走査領域を画定し、前記第２のサブフィールドは前記第２のビームレットの第２の走査領域を画定する。

別の実施形態において、本発明は、光ビームを提供するための光源と、前記光ビームを実質的に等しいエネルギーを有する、及びいくつかの実施形態においては実質的に等しい光路長を有する少なくとも（２^ｎ−１）のビームレットに分割するためのビームスプリッタシステムと、像面の複数のサブフィールドを含む視野を画定する対物レンズと、を備える光学システムであって、前記複数のサブフィールドの少なくとも１つが、少なくとも１つのビームレットの走査領域を画定する光学システムを目的とする。前記ビームスプリッタは、ビームスプリッタと、前記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。

更に別の実施形態において、本発明は、多光子硬化性光反応性組成物を含む層をその上に有する基材を提供する工程と、光学システムを介して実質的に等しいエネルギーを有する少なくとも２つのビームレットを該層に適用する工程とを含む方法を目的とする。前記光学システムは、光ビームを、前記実質的に等しいエネルギーを有する少なくとも２つのビームレットに分割するためのビームスプリッタシステムを有するビームスプリッタ装置と、前記層の個々のサブフィールド内の前記ビームレットのそれぞれを走査するためのビームレット走査システムとを含む。前記方法は、前記各サブフィールド内の層の領域を前記ビームレットで選択的に硬化する工程を更に含む。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、添付図面及び以下の説明において記載される。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。

本発明の一実施形態による光学システムのブロック図。 図１Ａの光学システムの実施形態である光学システムの概略図。 図１Ｂの光学システムに組み込まれてもよいマイクロレンズアレイの概略断面図。 図１Ｂの光学システムの集束レンズの視野の略図を示しており、視野は、像面のｘ−ｙ平面に実質的に平行なｘ−ｙ平面に位置している。 視野とサブフィールドがずれている、図３Ａの視野の略図。 集束レンズの視野の別の実施形態を示している。 樹脂の層内の複数のビームレットの焦点の強度と、それぞれのビームレットによって形成されるボクセルの寸法との関係を示すグラフ。 樹脂の層にフォーカスしている複数のビームレットを示す概略断面図。 図１Ａの光学システムに組み込まれてもよいビームスプリッタ装置の一実施形態の斜視図。 図１Ｂのビームスプリッタ装置を組み込んだビームスプリッタシステムの一実施形態の概略図。 入射光ビームがビームスプリッタ装置を伝搬している、図４及び図５Ａのビームスプリッタ装置の概略断面図。 図１Ａの光学システムに組み込まれてもよいビームスプリッタ装置の別の実施形態の斜視図。 図６のビームスプリッタ装置を組み込んだビームスプリッタシステムの別の実施形態の概略図。 入射光ビームがビームスプリッタ装置を伝搬している、図６及び図７Ａのビームスプリッタ装置の概略断面図。

図１Ａは本発明の一実施形態による光学システム１のブロック図であり、光ビーム源２と、ビームスプリッタ４と、ビームレット位置決めシステム６と、対物レンズ８と、ワークピース１０と、を備える。光ビーム源２は、コリメート（collimated）されたレーザビーム又は収束レーザビームのような光線を生成し、それをビームスプリッタ４がほぼ等しいエネルギー（即ち、強度）及びほぼ等しいパルス幅を呈する複数のビームレットに分割する。偶数又は奇数のビームレットが生成されてもよく、ビームスプリッタ４は入射レーザビームを任意の好適な数のビームレット、例えば何十、何百又は何千ものビームレットに分割してもよい。「ビームレット」は通常、別の光ビームを分割して生成されるレーザビームを言う。一実施形態において、ビームレットは入射光ビームを繰り返し分割することにより生成される。光学システム１に組み込まれることが可能な好適なビームスプリッタの例は、以下に、更には、本開示と同日付で出願されその内容全体を本明細書に組み入れる米国特許出願第１１／５３１８７０号（３Ｍ弁理士ドケット番号６２１１０ＵＳ００２）に記載されている。

ビームレット位置決めシステム６は、ビームスプリッタ４からのビームレットを、光学システム１の具体的な配置及びビームレットの所望の伝搬方向に応じてｘ軸、ｙ軸、及び／又はｚ軸方向に走査する。図１Ｂを参照して以下に記載されるように、ビームレット位置決めシステム６は、ビームスプリッタ４により生成されたビームレットの傾斜角を正確に導くための複数のステアリングミラーのような光学部品を更に備えることが可能である。ビームレット位置決めシステム６はまた、対物レンズ８で、及び一実施形態においては対物レンズ８の瞳孔でビームレットをフォーカスし／ビームレットを配列させてもよい。

光学システム１は、多光子光重合製造プロセスのような光学的加工プロセスに実装するのに有用であり得、その場合ワークピース１０は感光性樹脂の層（例えば、多光子硬化性光反応性組成物）であってもよい。好適な多光子硬化性光反応性組成物の例は、米国特許出願第６０／７５２，５２９号、名称「多光子硬化性光反応性組成物の加工方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING MULTIPHOTON CURABLE PHOTREACTIVE COMPOSITIONS）」、及び米国特許出願第１１／３１３，４８２号に記載されており、これらは共にそれら全体が参照により本明細書に組み込まれる。

光学的加工プロセスに実装される場合、光学システム１の対物レンズ８は、樹脂の層１０内にほぼ等しい寸法の複数のボクセルを加工するために樹脂の層１０の領域を選択的に硬化するため、ほぼ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の層１０に方向づけるように適合される。このように、複数の構造を加工するために複数のビームレットを同時に用いることができるので、光学システム１は、構造が反復パターン又は非反復パターンを含んでいるかにかかわらず、多光子加工プロセスの生産量をアレイの中の多くのビームレット（例えば、何百又は何千）の数にほぼ等しい増大率で増加することができる。一実施形態において構造は実質的に同様であり、別の実施形態において構造は同様ではない。更に別の実施形態において、単一構造を製造するために光学システム１からの２つ以上のビームレットが用いられてもよい。１つ以上のビームレットで単一構造を加工することは、１つのビームレットで比較的大きな構造を加工するプロセスと比べて加工時間を短縮することができる。

図１Ｂ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の概略図である。光学システム１３は、レーザビーム源１４と、分散補償部１６と、ビームスプリッタシステム１８と、ミラー２０と、マイクロレンズアレイ２１と、ｚ軸テレスコープ２２と、第１のステアリングミラー２４と、第１のリレー２６と、第２のステアリングミラー２８と、第２のリレー３０と、集束レンズ３２とを備える。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、図１Ａの対物レンズ８は集束レンズ３２であってもよい。図１Ａのビームレット位置決めシステム６は、ｚ軸テレスコープ２２と、第１のステアリングミラー２４と、第１のリレー２６と、第２のステアリングミラー２８と、第２のリレー３０とを備えてもよい。

光学システム１３は、樹脂の層３４に焦点を合わせて選択的に硬化させる、複数のフォーカスされたレーザービームレット３６Ａ〜３６Ｄを作り出す。光学システム１３は、埃の量及び／又はその中で光学システム１３が動作する温度を制御するために、環境コントロールされた環境の中に入れらることが可能である。ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、光学システム１３の中を通ってほぼ等しい光路長さを移動する。広くは、光学システム１３の中を通る「光路」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までの経路である。光学システム１と同様に、光学システム１３は多光子光重合加工プロセスのような光学的加工プロセスに実装されるのに有用であることがあり、その場合、樹脂の層３４は、複数のフォーカスされたレーザービームレット３６Ａ〜３６Ｄによってほぼ同時に複数の領域が選択的に硬化される感光性樹脂の層（例えば、多光子硬化性光反応性組成物）であってもよい。

一実施形態において、樹脂の層３４の好適な多光子硬化性光反応性組成物は、酸又はラジカル開始化学反応を受けることの可能な少なくとも１種類の反応種、並びに多光子開始剤系を含む。例えば、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄからの近赤外線（ＮＩＲ）強度であってもよい適切な波長及び十分な強度の光（閾値の強さ）のビームレット３６Ａ〜３６Ｄで樹脂の層３４の領域を、像様露光することにより、多光子開始剤系で二光子吸収を引き起こし、光に暴露された層の領域で反応種の酸又はラジカル開始化学反応を誘発する。この化学反応は、樹脂の層３４のビームレット３６Ａ〜３６Ｄに暴露された領域の化学的特性又は物理的特性に検出可能な変化を引き起こす。検出可能な変化の例には、例えば、架橋、重合、及び／又は暴露前の光反応性組成物と比較した溶解度特性の変化（例えば、特定の溶媒における溶解度の増減）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呼び、この硬化は、硬化物体が形成されるまで継続する。硬化工程は樹脂の層３４の任意の領域で起こり得る。硬化工程に続き、樹脂の層３４は、硬化物を得るために硬化されていない部分を取り除くことにより、又は層から硬化物そのものを取り除くことにより任意に現像されてもよい。

光学システム１３のその他の用途において、像面は、別の材料又は別の種類の像面（例えば、測定されている表面）から構成されていてもよい。更に、用語「面」は像面を実質的に平らな表面に限定することを意図しない。本明細書では、光学システム１３は二光子多光子光重合システムに関して記載されているが、他の実施形態では光学システム１３は、他の多光子光重合システム及び、光硬化性材料から２Ｄ又は３Ｄ構造を加工するための他の光学システムに実装されてもよい。

図１Ｂの実施形態において、レーザビーム源１４は、レーザビーム３６を比較的短いパルス幅の一連のパルスで出力する（例えば、約２００フェムトセカンド（ｆｓ）未満であるが、光学システム１３の用途及び要件に応じて他のパルス幅が適用されてもよい）。レーザビーム源１４は、例えば、フェムトセカンドクラスのレーザビーム発生器であってもよく、又は短コヒーレント光源（例えば、コリメートされたアークランプ）であってもよい。代替的実施形態において、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。更に別の実施形態において、他の好適な放射エネルギー源をレーザビーム源１４の代用としてもよい。更に、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）は、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄ当たり特定の電力レベル（例えば、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄ当たり０．５ワット）を得るために必要である場合がある。追加のレーザビーム源を、レーザビーム源１４に隣接して又はレーザビーム源１４に対して任意の関係で配置してもよい。例えば、複数のレーザビーム源から放射する複数のレーザビームが分散補償システム１６を伝搬する前に収束するように、２つ以上のレーザビーム源は分散補償システム１６の「上流」に配置されてもよい。あるいは、レーザビーム源１４は２つ以上のレーザビーム３６を出力してもよい。

位置決めミラー１５は、レーザビーム３６がレーザビーム源１４を出射した後にレーザビーム３６を位置決めする。代替的実施形態において、レーザビーム３６の伝搬の所望の方向に応じて、レーザビーム３６を位置決めするために２つ以上の位置決めミラー１５を用いてもよい。別の代替的実施形態において、位置決めミラー１５は光学システム１３から除去されてもよく、レーザビーム３６は方向を変えずに分散補償システム１６を伝搬してもよい。１つ以上の位置決めミラー１５の構成は、光学システム１３の設計及びレーザビーム源１４を出た後のレーザビーム３６の所望の伝搬方向に応じて変更されてもよい。

レーザビーム３６は、レーザビーム３６を再形成するために及びレーザビーム３６が光学システム１３を通過した結果起こる任意の分散を補償するために、分散補償システム１６を通過する。例えば、一部の例では、光学システム１３によって画定される光路の全体を通じて比較的短いパルス幅が望ましい場合がある。しかしながら、一部の偶発的な分散は、ビームスプリッタシステム１８、マイクロレンズアレイ２１、リレー２６及びリレー３０などの光学素子（例えば、プリズム、レンズ、ミラーなど）に起因する場合があるので、レーザビーム３６のパルス幅は所望のパルス幅の範囲から外れてもよい。分散補償システム１６は、樹脂の層３４より前の、光学システム１３に沿ったいずれの場所に定置されてもよい。更に、いくつかの実施形態において、光学システム１３は分散補償システム１６を備えなくてもよい。

分散補償システム１６を通過した後、レーザビーム３６は、レーザビーム３６をほぼ等しい光路長を移動するほぼ等しいエネルギーの複数のビームレット３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、及び３６Ｄに分割するビームスプリッタシステム１８を通過する。図１Ｂには４つのビームレット３６Ａ〜３６Ｄが示されているが、他の実施形態では、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のビームレット、例えば５、８、１６、３２等に分割してもよい。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、例えば何百又は何千のビームレットに分割してもよい。好適なレーザービームスプリッタシステム１８の例示的な実施形態が図５Ａ及び図７Ａに示されている。

ビームスプリッタシステム１８は、ビームスプリッタ装置１８Ａとフォーカシング部１８Ｂとを備えている。ビームスプリッタ装置１８Ａは入射レーザビーム３６をビームレット３６Ａ〜３６Ｄに分割し、フォーカシング部１８Ｂはビームレット３６Ａ〜３６Ｄをビームレットの線状アレイに配列する。代替的実施形態において、フォーカシング部１８Ｂはビームレット３６Ａ〜３６Ｄを、２Ｄアレイ又はランダム配列のような任意の好適な配列に配列してもよい、奇数のビームレットは、一実施形態において、例えば、奇数のビームレット３６Ａ〜３６Ｄを吸収することによって達成されてもよい。例えば、ビームレット３６Ａは、光ビームレットを吸収するのに好適な熱伝導性材料でコーティングされた黒の金属板で吸収されてもよい。ビームスプリッタ装置１８Ａ及びフォーカシング部１８Ｂの例が図４（ビームスプリッタ装置１００及びフォーカシング部１５３）及び図６（ビームスプリッタ装置３００及びフォーカシング部３５６）に示されている。代替的実施形態において、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ることが可能である。例えば、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄのそれぞれを１つ以上のビームレットに更に分割するために、図１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はビームスプリッタシステム１８の後に置かれてもよい。

ビームレット３６Ａ〜３６Ｄがビームスプリッタシステム１８を出射した後、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄはミラー２０に反射し、線状アレイ配列を維持した状態で約９０°旋回する。光学システム１３の構成及びビームレット３６Ａ〜３６Ｄの所望の方向に応じて、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄはまた、ビームスプリッタシステム１８を出射して約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く、あるいは、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは２つ以上のミラー２０で反射しても又は別の角度で方向を変えてもよい。ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの線状アレイは、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄをフォーカスし且つ成形するマイクロレンズアレイ２１を通って進む。

図２はマイクロレンズアレイ２１の概略断面図である。マイクロレンズアレイ２１は、線状アレイに配列された４つのマイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８を含む。所望の放射照度を得るためにビームレット３６Ａ〜３６Ｄのそれぞれを成形するため、各マイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８の表面は非球面であってもよい。例えば、マイクロレンズアレイ２１は収束ビームレット（converging beamlet）３６Ａ〜３６Ｄを生成してもよい。マイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８はそれぞれ溶融石英又は任意の他の好適な光学材料から製造されてもよい。好ましくは、光学材料は低分散で高温安定性の材料である。図２の実施形態において、マイクロレンズアレイ２１は、マイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８のそれぞれが１つのビームレット３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ又は３６Ｄを受け取るように配列され、従ってマイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８はビームレット３６Ａ〜３６Ｄと同様の線状アレイ配列に配列される。例えば、ビームレット３６Ａはマイクロレンズ４２を通って進み、ビームレット３６Ｂはマイクロレンズ４４を通って進み、ビームレット３６Ｃはマイクロレンズ４６を通って進み、ビームレット３６Ｄはマイクロレンズ４８を通って進む。

代替的実施形態において、マイクロレンズ２１は、任意の好適な配列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、ビームスプリッタ装置１８によって生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のマイクロレンズの数は等しい。更に、マイクロレンズは通常、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの配列と同様に配置される。例えば、２Ｄアレイの複数の横列及び縦列の１６のビームレットがビームスプリッタシステム１８から放射される場合、マイクロレンズアレイ２１は通常、それぞれのマイクロレンズとビームレットを光学的に配列させるために、同様の横列及び縦列の配列に配列された１６の２Ｄアレイを有する。ビームレットがマイクロレンズと「光学的に配列される」場合、ビームレットはマイクロレンズを通過するように配列される。しかしながら、別の代替的実施形態において、マイクロレンズ（例えば、マイクロレンズ４２、４４、４６、又は４６）は２つ以上のビームレットを受け取り且つフォーカスしてもよい。更に他の代替的実施形態において、マイクロレンズアレイ２１は光学システム１３から削除されてもよい。例えば、レーザビーム源１４が収束ビームを出力する場合、レーザービームレット３６Ａ〜３６Ｄはレーザビーム３６として十分にフォーカスされている場合があり、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄはビームスプリッタシステム１８を通過するので、マイクロレンズアレイ２１は必要ない場合がある。

ここで図１Ｂを参照すると、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、マイクロレンズアレイ２１を通った後にｚ軸テレスコープ２２を通過する。３Ｄ構造は、ビームレットのフォーカスの位置を樹脂の層３４に対して三次元（即ち、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向）に調整することで、樹脂の層３４内にボクセル毎で構築されてもよい。説明の目的で直交するｘ−ｚ軸が図１Ｂに示されている。ｚ軸テレスコープ２２は、樹脂の層３４に対するビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｚ軸位置を調節する。特に記載のない限り、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、コンピュータ制御された装置は、樹脂の層３４内のビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｚ軸位置を調節するようにｚ軸テレスコープ２２を制御してもよい。ビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｚ軸位置が調節されると、各ビーム３６Ａ〜３６Ｄの焦点も同様に樹脂３４内のｚ軸方向に移動する。所望であれば、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄが焦点のそれぞれで樹脂３４を硬化するように、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは適切な波長及び強度を有するように調節することが可能である。その結果、ｚ軸テレスコープ２２は、樹脂の層３４内で加工されている３Ｄ構造のｚ軸寸法の調節を補助する。ｚ軸テレスコープ２２は、樹脂の層３４を移動させる必要なく、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｚ軸位置の調節を可能にする。しかしながら、いくつかの実施形態において、樹脂の層３４はまたｚ軸方向に移動されてもよく、これは一定の奥行き有する３Ｄ構造の加工に有用である場合がある。例えば、一実施形態において、樹脂の層３４（又は別のワークピース）をｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向に移動させる機械装置を制御するために、ペンシルバニア州ピッツバーグ（Pittsburgh, Pennsylvania）のエアロテック社（Aerotech, Inc.）製の制御システムを使用してもよい。樹脂の層３４を移動させることはまた、集束レンズ３２の視野５０（図３Ａ）よりも大きな構造を加工するのに有用であり得る。

ｚ軸テレスコープ２２を通過後、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは第１のステアリングミラー２４に反射して第１のリレー２６を通る。第１のステアリングミラー２４は、ビーム３６Ａ〜３６Ｄが伝搬する角度を調節して樹脂の層３４内のビームレット３６Ａ〜３６Ｄを走査する、電気的に制御可能なミラーである。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、樹脂の層３４に対するビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｘ軸位置を調節するためにｘ軸で回転し、これによりビームレット３６Ａ〜３６Ｄのそれぞれにより選択的に硬化される樹脂の層３４の領域のｘ軸位置の選択が可能になる。第１のステアリングミラー２４はビームレット３６Ａ〜３６Ｄをｘ軸方向に走査して、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点のｘ軸位置を変化させる。このようにして第１のステアリングミラー２４は、樹脂の層３４内で加工されている３Ｄ構造のｘ軸寸法の調節を補助する。

第１のリレー２６は、事実上、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを第２のステアリングミラー２８の上にフォーカスさせる光学レンズリレー（optical lens relay）である。更に、以下に記載のように、第１のリレー２６はビームレット３６Ａ〜３６Ｄを集束レンズ３２の瞳孔との配列を補助する。

第２のステアリングミラー２８は、ビーム３６Ａ〜３６Ｄの伝搬の角度を調節する電気的に制御可能なミラーである。第２のステアリングミラー２８は、樹脂の層３４に対してビームレット３６Ａ〜３６Ｄを配列させるためにビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｙ軸位置を調節するため、ｙ軸で回転するように構成される。第２のステアリングミラー２８はビームレット３６Ａ〜３６Ｄをｙ軸方向に走査して、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点のｙ軸位置を変化させる。このようにして、第１のステアリングミラー２８は、樹脂の層３４内で加工されている３Ｄ構造のｙ軸寸法の調節を補助する。

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は、ビームレット３６Ａ〜３６が小角度で傾くことを可能にする。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は共に、ビームレット３６Ａ〜３６の傾斜角を正確且つ精密に制御するためにコンピュータ制御されてもよく、これによりビームレット３６Ａ〜３６Ｄの位置を比較的わずかに調節することが可能となる。このように、ボクセルのｘ軸位置及びｙ軸位置を比較的わずかに調節することができるので、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はマイクロ加工及びナノ加工に有用である。代替的実施形態において、検流計をステアリングミラー２４及び／又はステアリングミラー２８の代用としてもよい。しかしながら、小角度の傾きを得るのにステアリングミラー２４及び２８は通常、より有用である。一実施形態において、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を制御するために、ウェーブランナー（WAVERUNNER）制御ソフトウェア（ニューハンプシャー州ウィンダム（Windham, New Hampshire）のナットフィールド・テクノロジー（Nutfield Technology）より入手可能）を使用してもよい。加えて、樹脂像面の層３４の誤差を低減するために、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の前に現れるビームレット３６Ａ〜３６Ｄ指示誤差を修正するために、テキサス州オースティン（Austin, Texas）のナショナル・インスツルメント社（National Instruments Corporation）から入手可能なＮＩルックアウト（NI LOOKOUT）のような制御システムを使用してもよい。

ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは第２のステアリングミラー２８に反射して第２のリレー３０に入る。一実施形態において、第１のリレー２６及び第２のリレー３０は実質的に同一である。第１のリレー２６及び第２のリレー３０は、事実上、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを集束正レンズ（focusing positive lens）３２（「対物レンズ」と称されてもよい）の瞳孔に配列させるのを補助する光学レンズリレーである。通常、変形を回避するために、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを集束レンズ３２の瞳孔と配列させることが望ましい。ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを集束レンズ３２の瞳孔と配列させることにより、集束レンズ３２の開口数（ＮＡ：numerical aperture）が実質的に維持される。一実施形態において、集束レンズ３２のＮＡは約０．５〜約１．５である。ＮＡは一般に特定の対象物又は像点（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のスポットサイズと関連しており、図３Ｄを参照して以下に記載されるように、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって形成されるボクセルの寸法に影響を与える。第１のリレー２６及び／又は第２のリレー３０はまた、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを拡大又は縮小してもよい。

集束レンズ３２は、油浸対物レンズのような液浸対物レンズ、及び屈折率整合流体を含んでもよい。液浸対物レンズは、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄから球面収差を除去するために含まれてもよい。集束レンズ３２は、閾値強度を達成してビームレット３６Ａ〜３６Ｄの少なくとも閾値強度を呈する部分に暴露される樹脂の層３４の領域を硬化するために、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを樹脂の層３４の中にしっかりとフォーカスする。横方向にずれた（即ち、ｘ方向にずれた）４つのビームレット３６Ａ〜３６Ｄは樹脂の層３４に向けられるので、樹脂３４の４つの異なる領域が実質的に同時に硬化され得る。

図３Ａは、樹脂３４のｘ−ｙ平面にほぼ平行なｘ−ｙ平面に位置する集束レンズ３２の視野５０の略図を示している。視野５０は、集束レンズ３２がビームレット３６Ａ〜３６Ｄをフォーカスしてもよい領域を表わす。視野５０の中にはサブフィールド５２、５４、５６、及び５８がある（鎖線）。サブフィールド５２、５４、５６、及び５８はそれぞれ、フォーカスされた個々のビームレット３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、及び３６Ｄがｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれ走査される樹脂の層３４の領域を画定する。サブフィールド５２、５４、５６、及び５８はこのように、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって硬化されてもよい樹脂の層３４の個々の領域を画定する。しかしながら、いくつかの実施形態において、サブフィールド５２、５４、５６、及び５８は重なり合ってもよい。一実施形態において、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｘ−ｙ軸走査を制御するのを補助するために、各サブフィールド５２、５４、５６、及び５８にはｘ−ｙ軸座標系を設定することが可能である。例えば、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点のｘ座標及び／又はｙ座標（即ち、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの、樹脂３４を硬化するのに十分な強度を有する領域）は、樹脂の層３４を選択的に硬化し、例えば、３Ｄ構造を作り出すことのできるボクセルを加工するために、対応するサブフィールド５２、５４、５６、及び５８の中で各座標系を用いて制御される。上述したように、テレスコープ２２はビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点のｚ軸位置を調節する。

各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは異なるサブフィールド５２、５４、５６又は５８に向けられるので、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは樹脂３４の異なる領域をフォーカスして硬化し、これにより光学１３が３Ｄ構造を４つまで同時に加工することが可能となる。一実施形態において、１つのビームレット３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ又は３６Ｄはサブフィールド５２、５４、５６又は５８のうち１つの内部をフォーカスするので、サブフィールド４０毎に１つの構造を生成することが可能である。例えば、図３Ａが示すように、ビームレット３６Ａはサブフィールド５２内の樹脂３４を硬化して構造５３を加工し（図３Ａに概略的に示されている）、ビームレット３６Ｂはサブフィールド５４内の樹脂３４を硬化して構造５５を加工し（図３Ａに概略的に示されている）、ビームレット３６Ｃはサブフィールド５６内の樹脂３４を硬化して構造５７を加工し（概略的に示されている）、ビームレット３６Ｄはサブフィールド５８内の樹脂３４を硬化して構造５９を加工する（概略的に示されている）。言うまでもなく、所望であれば、複数の構造が１つ以上のサブフィールド５２、５４、５６又は５８に生成されてもよい。更に、視野５０は、光学システム１３が加工する構造の数に応じて任意の好適な数のサブフィールドを画定してもよい。例えば、図３Ａに示されるように、サブフィールド５２、５４、５６、及び５８の数は、加工するために光学システム１３が使用される構造５３、５５、５７、及び５９の数に正比例してもよい。しかしながら、いくつかの実施形態ではこのような比例は存在しない。

複数の構造５３、５５、５７、及び５９を同時に加工することに加えて、光学システム１３は、実質的に同一構造５３、５５、５７、及び５９を同時に加工するために使用されてもよい。上記のように、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路長を呈する）。従って、ボクセルを生成する各構造５３、５５、５７、及び５９の寸法は実質的に同一である。複数の実質的に同一の構造（例えば、５３、５５、５７、及び５９）を同時に加工する光学システム１３の能力は、３Ｄミクロ構造及び／又はナノ構造の大量生産にとって商業的に重要である可能性がある。

一実施形態において、視野５０のｘ−ｙ平面は、光学システム１３の正確性及び精密性を維持するために樹脂の層３４のｘ−ｙ平面と実質的に並行であるのが好ましい。図３Ｂは、視野５０並びにサブフィールド５２、５４、５６、及び５８、加えてずれた視野５０’（鎖線）並びにサブフィールド５２’、５４’、５６’及び５８’（鎖線）を示しており、これは樹脂の層３４と視野５０が実質的に並行（例えば、両方がｘ−ｙ平面にある）でない場合に生じる可能性がある。

図３Ｂのように、ずれたサブフィールド５２’、５４’、５６’及び５８’は、樹脂の層３４の、サブフィールド５２、５４、５６、及び５８と異なる領域と配列される場合があり、これにより、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって硬化が可能な樹脂の層３４の全領域が事実上狭くなる場合がある。例えば、図３Ｂに描かれているような状況の場合、ずれたサブフィールド５２’、５４’、５６’及び５８’はｙ軸方向にシフトされている。もし樹脂の層３４が、サブフィールド５２’、５４’、５６’及び５８’のシフト量だけｙ軸方向に延びていない場合は、サブフィールド５２’、５４’、５６’及び５８’の一部が樹脂の層３４の外に位置する場合がある。更に、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄはサブフィールド５２’、５４’、５６’及び５８’と正しく配列されない場合があり、その結果ビームレット３６Ａ〜３６Ｄはサブフィールド５２’、５４’、５６’及び５８’の外側を走査する場合がある。加えて、ずれたサブフィールド５２’、５４’、５６’及び５８’はサブフィールド５２、５４、５６、及び５８と比べて少ない領域を有し、従ってビームレット３６Ａ〜３６Ｄがｘ−ｙ平面で走査され得る領域を制限する。

光学１３は、集束レンズ３２の視野５０が大きいほどより多くのサブフィールドを支持することができ、ひいては光学１３が同時に加工できる３Ｄ構造の数が多くなる。図３Ａには、集束レンズ３２の視野５０が４つのサブフィールド５２、５４、５６、及び５８の線状アレイを含んで示されているが、視野５０は任意の好適な配列の任意の数のサブフィールドを有してもよい。更に、代替的実施形態において、サブフィールド５２、５４、５６、及び５８は重なり合ってもよい。図３Ｃは視野６０の代替的実施形態であり、複数の横列及び縦列を備える２Ｄアレイに配列された複数のサブフィールド６２を有する。

一実施形態において、集束レンズ３２はニコンＣＦＩプランフルロ（Nikon CFI Plan Fluro）２０Ｘ対物レンズであり、前記製品は日本、東京のニコン（Nikon Corporation）より入手可能である。ニコン２０Ｘマルチ（Nikon 20X Multi）液浸対物レンズの開口数は０．７５、視野は１．１ミリメートル（ｍｍ）であり、それぞれが直径６０μｍのサブフィールドを少なくとも１２８有することが可能である。図１Ｂの光学システム１３は共焦点中間面位置決めシステム（confocal interface locator system）を更に備えてもよく、前記システムは、樹脂の層３４と、上に樹脂の層３４が配置される基材との間の中間面を位置決めする及び／又は追跡するために使用されてもよい。好適な共焦点中間面位置決めシステムの例は、すでに参照により組み込まれた米国特許出願第６０／７５２，５２９号、名称「多光子硬化性光反応性組成物の加工方法及び装置」に記載されている。

一実施形態において、樹脂の層３４は、湾曲がサブフィールド５２、５４、５６、及び５８にわたって実質的に平らであれば曲線形状（例えば、円筒形の像面）を有していてもよい。図３Ａに示されるような一次元のアレイは円筒形の像面に書くのに有用であり得る。

図３Ｄは、樹脂の層３４の中の各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点の強度と、それぞれのビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって形成されたボクセルの寸法との関係を示すグラフであり、樹脂の層３４のｘ−ｙ平面は視野５０（図３Ａ）にわたって実質的に平らであると仮定する。線７０は、図３Ａのサブフィールド５２内のビームレット３６Ａの焦点に対応し、線７２は、サブフィールド５４内のビームレット３６Ｂの焦点に対応し、線７４は、サブフィールド５６内のビームレット３６Ｃの焦点に対応し、線７６は、サブフィールド５８内のビームレット３６Ｄの焦点に対応している。線７０及び線７６が示すように、ビームレット３６Ａとビームレット３６Ｄの焦点がそれぞれ閾値強度７８にある場合、ボクセルの寸法８０及び８２（図３Ｄのｘ軸に沿っている）は実質的に等しい。閾値強度７８は、樹脂の層３４の領域を硬化するのに必要な最小強度レベルである。従って、ビームレット３６Ｂの焦点が（線７２で示されているように）閾値強度７８より低い場合、樹脂３４による光子吸収を開始するのに必要な強度が不十分であるため、樹脂の層３４はビームレット３６Ｂによって硬化しない。

ビームレット３６Ｃの焦点の強度が閾値強度７８よりも大きい場合、閾値強度７８での又は閾値強度７８より上のビームレット３６Ｃの焦点の幅はビームレット３６Ａ及び３６Ｄの焦点の幅より小さいので、ビームレット３６Ｃによって樹脂の層３４で形成されるボクセルの寸法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の寸法８０及び８２よりも大きい。複数の構造（例えば、構造５３、５５、５７、及び５９（図３Ａに図示））を同時に形成する場合、不均一な寸法のボクセル８０、８２、及び８４を有するのは望ましくない場合がある。従って、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点が閾値強度７８と実質的に等しいことが望ましい。言うまでもなく、いくつかの実施形態では、不均一な寸法のボクセル８０、８２、及び８４を同時に加工することが望ましい場合がある。

樹脂の層３４内の各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点の寸法及び位置はまた、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって硬化される樹脂の層３４内の樹脂の量、ひいては各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって形成されるボクセルの寸法にも影響を及ぼす。実質的に等しい寸法のボクセルが望ましい場合は、樹脂の層３４のｘ−ｙ平面が実質的に平らであることが望ましい場合がある。樹脂の層３４の（図３Ｅに示すようなｘ−ｙ平面内の）上面３４Ａが「波」又はその他の表面変形を有する場合、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点が対応するサブフィールド５２、５４、５６、及び５８内で異なる可能性がある。従って、いくつかの実施形態において、実質的に同じｘ−ｙ平面にボクセルを加工するためには実質的に平らな樹脂の層３４が望ましい場合がある。樹脂の層３４の上面３４Ａは、樹脂の層３４の集束レンズ３２に最も近い表面である。

図３Ｅは上面３４Ａを含む樹脂の層３４の概略断面図であり、それぞれが樹脂の層３４内をフォーカスしているビームレット３６Ａ〜３６Ｄを示している。具体的には、ビームレット３６Ａの焦点８６（即ち、樹脂３４を硬化するのに十分な強度を有するビームレット３６Ａの一部）はサブフィールド５２内（鎖線内）をフォーカスし、ビームレット３６Ｂの焦点８８はサブフィールド５４内（鎖線内）をフォーカスし、ビームレット３６Ｃの焦点９０はサブフィールド５６内（鎖線内）をフォーカスし、ビームレット３６Ｂの焦点９２はサブフィールド５８内（鎖線内）をフォーカスする。樹脂の層３４の上面３４が平坦であれば、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一のｚ軸座標及び実質的に同一強度を有する。しかしながら、樹脂の層３４が平坦でない上面３４Ａ’を有する場合、樹脂の層３４の上部３４Ａ’は異なるｚ軸座標を有し、これはビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点８６、８８、９０、及び９２が樹脂の層３４に接触して硬化する能力に影響を及ぼす場合がある。例えば、図３Ｅの例示的実施形態では、最上層３４Ａ’が焦点８６の下にあるので、ビームレット３６Ａの焦点８６は樹脂の層３４に接触していない。しかしながら、ビームレット３６Ｂの焦点８８及びビームレット３６Ｃの焦点９０はそれぞれ樹脂の層３４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、集束レンズ３２は、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点を調節するのを補助する樹脂の層３４内のわずかな変化（例えば、不均一な部分）を補償するためにオートフォーカス特性を有してもよい。

図４は、図１Ｂの光学暴露システム１３に組み込まれてもよいビームスプリッタ装置１００の斜視図である。図５Ａ及び図５Ｂを参照して更に記載されるように、ビームスプリッタ装置１００は、入射光ビーム（例えば、図１Ｂのレーザビーム３６）又は別の種類の放射エネルギービームを受け取り、入射光ビームを、実質的に等しいエネルギー及び光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。ビームスプリッタ装置１００（例えば、ビームスプリッタ装置１０２及び以下に記載の複数のプリズム）の光学部品の製造上の許容誤差に起因して、ビームレット間のエネルギー及び光路長はいくぶん異なってもよい。このように、語句「実質的に等しい」は、ビームレットのエネルギー及び光路長を表現するために使用される。ビームスプリッタ装置１００はレーザビームに関して以下に記載されているが、ビームスプリッタ装置１００はまた他の種類の光ビームを複数のビームレットに分割してもよい。

ビームスプリッタ装置１００は、立方体ビームスプリッタ１０２並びに立方体プリズム１０４（鎖線）、１０６（鎖線）、１０８（鎖線）、１１０（鎖線）、１１２、及び１１４を備える。ビームスプリッタ１０２並びにプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は、溶融石英のような任意の好適な光学材料で作ることが可能である。プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４はビームスプリッタ１０２と光学的に接触している。即ち、光線は、実質的な障害なく、ビームスプリッタ１０２からプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４のそれぞれへと通過する。図４のビームスプリッタ装置１００の実施形態では、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４はビームスプリッタ１０２に当接しているが、代替的実施形態において、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は光学的に接触した状態でビームスプリッタ１０２から離されてもよい。

立方体ビームスプリッタ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呈する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に示される実施形態において、立方体ビームスプリッタ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で構成される。三角形のガラスプリズム１１６及び１１８は、カナダバルサムのような任意の好適な取り付け手段を用い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を通る時、ビームは２つ以上のビームレットに分割される。従って、継ぎ目１２０はまた、立方体ビームスプリッタ１０２の「分割部分（splitter portion）」と呼ばれてもよい。

立方体ビームスプリッタ１０２は、立方形であり、側面１０２Ａ（鎖線）、１０２Ｂ（鎖線）、１０２Ｃ、１０２Ｄ、１０２Ｅ、及び１０２Ｆを有し、レーザビーム又はビームレットが光路に実質的な障害がなく側面１０２Ａ〜１０２Ｆを通過できるように、前記側面は全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とほぼ垂直であり、側面１０２Ｂは側面１０２Ａ及び１０２Ｃとほぼ垂直であり、側面１０２Ｃは側面１０２Ｂ及び１０２Ｄとほぼ垂直であり、側面１０２Ｄは側面１０２Ａ及び１０２Ｃとほぼ垂直である。側面１０２Ｅ及び１０２Ｆは互いにほぼ平行であり、側面１０２Ａ〜１０２Ｄとほぼ垂直である。ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａ〜１０２Ｆの長さはほぼ等しい（ｘ−ｚ平面で測定）。ビームスプリッタ装置１００の説明を補助する目的でｘ−ｙ−ｚ軸が図４に示されているが、本発明の範囲をいかなる意味においても限定することを意図していない。ｘ−ｙ−ｚ軸は図１Ｂに示されているｘ−ｙ−ｚ軸に対応している。代替的実施形態において、実質的に等しい長さの側面を有するビームスプリッタをビームスプリッタ１０２の代用としてもよい。

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の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、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。プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の間の相対位置／相対距離は、図５Ｂを参照して説明される。図４の実施形態において、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は同一材料から作られ、従って実質的に同様の屈折率を有する。代替的実施形態において、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は異なる材料から作られてもよい。光ビーム（又はビームレット）の進行方向によって、立方体ビームスプリッタ１０２と１つ以上のプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４との間を進む光ビームが、立方体ビームスプリッタ１０２に反射して戻るのを又はそれぞれのプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４に反射して戻るのを防ぐために、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４と立方体ビームスプリッタ１０２との間に屈折率整合流体を配置してもよい。

図５Ａ及び図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ビームスプリッタシステム１５０及びビームスプリッタ装置１００の概略図である。システム１５０は、ビームスプリッタ装置１００（図４の線５−５に沿った断面として示されている）と、レーザビーム源１５２と、フォーカシング部１５３とを備え、フォーカシング部１５３は、ミラー１５４及び１５６と、三角形のプリズム１５８、１６０、１６２、及び１６４とを備える。レーザビーム源１５２はレーザビームの任意の光源であってもよく、例えば、図１Ｂのレーザビーム源１４であってもよく、又は図１Ｂのミラー１７に反射するレーザビーム３６を表してもよい。

ビームスプリッタシステム１５０において、レーザビーム１６５はレーザビーム源１５２から放射され、ビームスプリッタ装置１００の立方体ビームスプリッタ１０２の点１５１に向けられる。以下により詳細に記載されるように、レーザビーム１６５がビームスプリッタ装置１００を通った後、レーザビーム１６５は１６のビームレット２２０〜２３５に分割され、フォーカシング部１５３がそれらをビームレットの線状アレイ１６６に配列する。言うまでもなく、代替的実施形態において、ビームスプリッタ装置１００は、レーザビーム１６５をより多くの又は少ない数のビームレット、例えば何百又は何千のビームレットに分割するように適合させることが可能である。

一実施形態において、レーザビーム１６５は、ビーム１６５が立方体ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａにほぼ垂直になるようにビームスプリッタ１０２に向けられる。即ち、入射レーザビーム１６５と、レーザビーム１６が最初に接触する立方体ビームスプリッタ１０２の表面との角度θは約９０°である。角度θが９０°よりも大きい又は小さい場合、レーザビーム１６５から形成されたビームレット２２０〜２３５は横方向にずれる場合がある（即ち、ｘ−ｚ平面でずれる）。角度θと９０°との差は「入射角」と呼ばれてもよい。横変位Ｄは小角度用の次の等式に従って概算されてもよい。

Ｄ＝ｔ^＊Ｉ^＊（（Ｎ−１）／Ｎ）
式中、ｔは、１つのビームレットがビームスプリッタ装置１００を通る全光路であり、Ｉは、レーザビーム１６５の入射角であり、Ｎは、立方体ビームスプリッタ１０２並びにプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４が製造される材料（例えば、ガラス）の屈折率である。例えば、入射角Ｉが約１°（又は約０．０１７４５ラジアン）の場合、ｔは約２２４ｍｍであり、Ｎは１．５であり、ビームスプリッタ装置１００を出射するビームレット２２０〜２３５のそれぞれの横変位Ｄは直交する出口位置から約１．３３ｍｍである。

レーザビーム１６５が基準位置から横方向にシフトされる（即ち、点１５１からｚ軸に沿ってシフトされる）場合、ビームスプリッタ装置１００から出力されるビームレット２２０〜２３５もまた同じだけ横方向にシフトされる（ビームレット２２０〜２３５の場合、横方向のシフトはｘ軸方向である）。しかしながら、ビームスプリッタ装置１００は、レーザビーム１６５の入射角にかかわらず、レーザビーム１６５から作られたビームレットのそれぞれがプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の全てを通って線状アレイ１６６となって装置１００を出射するように構成される。

更に、入射レーザビームが直角以外の角度でビームスプリッタ１００に向けられた場合、ビームスプリッタ１００を出射するビームレット２２０〜２３５は、コリメートされない場合球面収差を呈する場合がある。いくつかの実施形態において、入射角が小さい（例えば、約１°以下）の場合、ビームレット２２０〜２３５に加えられる任意の収差はごくわずかであり得る。更に、ビームスプリッタ装置１００が図１Ｂのシステム１３に用いられる場合、入射する収束ビームの球面収差を低減するために液浸レンズを使用してもよい。

上記のように、ビームスプリッタ装置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、実質的に等しい光路長を得るために、隣接したビームレット２２０〜２３５の間のピッチＰを維持した状態で互いに対してシフトされる。図５Ｂに示されるように、距離Ｄ_１〜距離Ｄ_６は、ビームスプリッタ装置１００を通って実質的に等しい光路長を通るビームレット２２０〜２３５を生成するための、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の間の例示的配列を示し、隣接するビームレット２２０〜２３５の間のピッチＰは予め定められる。代替的実施形態において、ビームスプリッタ装置１００を通って実質的に等しい光路長を通るビームレット２２０〜２３５を得るために、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は別のやり方で配列されてもよい。

プリズム１０４、１０６、及び１１２はｘ軸方向に沿って配置され（以下、「ｘ軸プリズム」と言う）、プリズム１０８、１１０、及び１１４はｚ軸方向に沿って配置される（以下、「ｚ軸プリズム」と言う）。ｘ軸プリズムは互いに動作不能な関係にずらされ、ｚ軸プリズムは互いに動作不能な関係にずらされる。更に、ｘ軸プリズム１０４、１０６、及び１１２の距離Ｄ_４〜距離Ｄ_６は、ビームスプリッタ装置１００によって生成されるビームレット２２０〜２３５間の所望のピッチＰに基づいて選択される。

ｚ軸プリズム１０８、１１０、及び１１４に関しては、距離Ｄ_１は、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軸方向に測定される。距離Ｄ_２は、プリズム１１４の１１４Ａからビームスプリッタ１００の側面１０２Ａまでｚ軸方向に測定される。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軸方向に測定される。距離Ｄ_３は距離Ｄ_２よりも大きく、距離Ｄ_２はＤ_１よりも大きい。

図５Ｂの実施形態において、それぞれの距離Ｄ_１、Ｄ_２、及びＤ_３は次の数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距離であり（例えば、プリズム１０８ではｎ＝１；プリズム１１４ではｎ＝２；プリズム１１０ではｎ＝３）、Ｌは、ビームスプリッタ１０２に隣接したｚ軸プリズムの側面のｚ軸寸法であり（例えば、図５Ｂでプリズム１０８の側面１０８Ｂに関して寸法Ｌで示されている）、ｓは入射ビーム１６５が分割される回数に等しい。Ｚ_nを計算するための上記式は、ｚ軸プリズムの寸法が全て実質的に同じであり、各ｚ軸プリズムの寸法Ｌは、ビームスプリッタ装置１００によって生成されるビームレットの総数をビームレット２２０〜２３５の間のピッチＰで乗じたものより大きいと仮定している。

ｘ軸プリズムに関し、距離Ｄ_４は、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軸方向に測定される。距離Ｄ_５は、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軸方向に測定される。距離Ｄ_６は、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軸方向に測定される。距離Ｄ_６は距離Ｄ_５よりも大きく、距離Ｄ_５は距離Ｄ_４よりも大きい。

図５Ｂの実施形態では、距離Ｄ_１、距離Ｄ_２、及び距離Ｄ_３のそれぞれは次の数式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軸プリズムの中心軸までの距離であり（例えば、プリズム１０６ではｎ＝１；プリズム１１２ではｎ＝２；プリズム１０４ではｎ＝３）、Ｍは、ビームスプリッタ１０２に隣接したｘ軸プリズムの側面のｘ軸寸法であり（例えば、図５Ｂのプリズム１１２では寸法Ｍ）、Ｐは（図５Ｂに示されるように）ビームレット２２０〜２３５の間のピッチであり、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の間のピッチＰは一般に、隣接するビームレット２２０〜２３５の間のｘ−ｚ平面における間隔である。ピッチＰの許容誤差は一般に、ビームスプリッタ装置１００の用途によって規定される。例えば、ビームレット２２０〜２３５がマイクロレンズアレイに配列している場合、ピッチ許容誤差はアレイの各マイクロレンズの間の間隔、並びにマイクロレンズの寸法によって規定されてもよい。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を計算する上記の式と同様に、Ｘ_ｎを計算するための上記式は、ｘ軸プリズムの寸法が全て実質的に同じであり、各ｚ軸プリズムの寸法Ｌは、ビームスプリッタ装置１００によって生成されたビームレットの総数をビームレット２２０〜２３５の間のピッチＰで乗じたものより大きいと仮定している。

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の間の間隔を説明するための参照点として用いられており、側面１０２Ｂは、単にｚ軸プリズム１０４、１０６、及び１１２の間の間隔を説明するための参照点として用いられている。プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の間の間隔はまた、ビームスプリッタ装置１００の他の部分を参照して、更には互いを参照して説明されてもよいことは理解されるべきである。しかしながら、説明の簡略化のため、本明細書ではビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａ及び側面１０２Ｂを参照点として用いる。

図５Ｂに示されるように、ビームスプリッタシステム１５０は、レーザビーム源１５２から放射される、コリメートされても、収束されても、又は分岐されてもよいレーザビーム１６５を、それぞれが実質的に等しいエネルギーを有してビームスプリッタ装置１００を通って実質的に等しい光路長を移動する１６のビームレット２２０〜２３５に変換する。より詳細には、レーザビーム１６５がビームスプリッタ１０２の分割部分１２０の領域１８０を通ると、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つの三角形のプリズムから作られ、分割部分１２０をカナダバルサムで互いに接着された立方体ビームスプリッタである場合は、分割部分１２０でのバルサムの厚さＴは、特定の波長の光に関して、レーザビーム１６５の半分（即ち、ビームレット１８２）は約９０°反射してプリズム１０６に向かい、レーザビーム１６５の残りの半分（即ち、ビームレット１８４）は分割部分１２０を通ってプリズム１０８に向かって透過するように調節されてもよい。

ビームレット１８２及び１８４が入射レーザビーム１６５で形成された後、ビームレット１８２及び１８４は第１のプリズム経路を通る。具体的には、ビームレット１８２はプリズム１０６を通り、ビームレット１８４はプリズム１０８を通る。分割部分１２０のどの領域を通ってレーザビーム１６５がビームレット１８２及び１８４に分割するかにかかわらず、及びビームレット１８２及び１８４がそれぞれプリズム１０６及び１０８のどこに入射するかにかかわらず、この第１のプリズム経路では、ビームレット１８２及び１８４はビームスプリッタ１０２並びにプリズム１０６及び１０８を通って実質的に等しい光路長をそれぞれ移動する。実質的に等しい光路長は多くの要因に起因し、該要因には、ビームスプリッタ１０２の等しい長さの側面１０２Ａ〜１０２Ｆと、実質的に等しい寸法のプリズム１０６及び１０８と、それぞれＸ_n及びＺ_nを計算するために上記した数式に従って、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たプリズム１０６及び１０８を含むビーム分割装置１００の構成とが挙げられる。

ビームレット１８２とビームレット１８４との間の実質的に等しい光路長と、同様に他のプリズム経路で形成されたビームレットの実質的に等しい光路長の更なる原因となるのは、各立方体プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の対称性である。入射光ビームは第１の点で各立方体プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４に入射し、第２の点で立方体プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４を出射する。第１及び第２の点は基準点から実質的に等距離である。例えば、立方体プリズム１０６では、基準点は頂点１０６Ｄである。ビームレット１８２を説明の例にとると、ビームレット１８２は点１８３Ａで立方体プリズム１０６に入射し、点１８３Ｂで出射する。点１８３Ａ及び１８３Ｂは、立方体プリズム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について見出すことができる。

代替的実施形態において、実質的に等しい光路長を有するのではなく、立方体ビームスプリッタ１０２の寸法を調節することにより（即ち、ビームスプリッタ１０２の代わりに等しくない側面を有するビームスプリッタを用いる）、コーナーキューブ・プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の相対寸法を調節することにより、又は立方体ビームスプリッタ１０２と少なくとも１つのコーナーキューブ１０４、１０６、１０８、１１０、１１２又は１１４との間の相対間隔（例えば、立方体ビームスプリッタ１０２の表面１０２Ｂとプリズム１０８の表面１０８Ｂとの間の相対間隔）を調節することにより、プリズム経路のそれぞれにおけるビームレット間の所定の経路差を取り入れてもよい。

プリズム１０６及び１０８を出射した後、ビームレット１８２及び１８４はビームスプリッタ１０２の分割部分１２０の領域１８６をそれぞれ通り、これにより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は分割部分１２０から約９０°反射してプリズム１１２に向かい、ビームレット１９２及び１９４は分割部分１２０を透過してプリズム１１４に向かう。再度、プリズム１１２及び１１４の配列に起因して及びリズム１１２及び１１４の寸法が実質的に同様であることに起因して、ビームレット１８８、１９０、１９２、及び１９４は、それぞれのプリズム１１２及び１１４を通って実質的に等しい光路長を移動する。

それぞれのプリズム１１２及び１１４を出射する際、ビームレット１８８、１９０、１９２、及び１９４はビームスプリッタ１０２の分割部分１２０の領域１９６を通って８つのビームレット２００〜２０７に分割される。具体的には、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のプリズム経路では、ビームレット２００、２０２、２０４、及び２０６はプリズム１１０を順次通り、ビームレット２０１、２０３、２０５、及び２０７はプリズム１１４を順次通る。上記のプリズム経路と同様に、第３のプリズム経路では、ビームレット２００〜２０７はビームスプリッタ装置１００を通って実質的に等しい光路長を移動する。

それぞれのプリズム１１０及び１１４を通過した後、ビームレット２００〜２０７は再度ビームスプリッタ１０２の分割部分１２０を通って全部で１６のビームレット２２０〜２３５に更に分割される。具体的には、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。

フォーカシング部１５３（図５Ａに図示）はビームレット２２０〜２３５をビームレットのアレイに再結合させる。ビームレット２２０〜２３５をアレイ１６６に再配列することは、ビームスプリッタ装置１００のいくつかの用途において望ましい場合がある。例えば、ビームスプリッタ装置１００が図１Ｂの光学システム１３に組み込まれた場合、ビームレット２２０〜２３５は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）のマイクロレンズと配列するような配列が可能である。

上記のように、フォーカシング部１５３は、ミラー１５４及び１５６並びに三角形のプリズム１５８、１６０、１６２、及び１６４を備える。ミラー１５４は、ビームレット２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、及び２３４の方向をｘ−ｚ平面で調節する。ビームレット２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、及び２３４は、ビームレット２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、及び２３４をプリズム１６０に向けて新たに約９０°方向づける移動プリズム１５８を順次通る。ミラー１５６は、ｘ−ｚ平面のビームレット２２１、２２３、２２５、２２７、２２９、２３１、２３３、及び２３５の方向を調節し、ビームレット２２１、２２３、２２５、２２７、２２９、２３１、２３３、及び２３５をプリズム１６４に向ける。ビームレット２２１、２２３、２２５、２２７、２２９、２３１、２３３、及び２３５は、ビームレット２２１、２２３、２２５、２２７、２２９、２３１、２３３、及び２３５を約９０°反射してプリズム１６２に向ける移動プリズム１６４を順次通る。ビームレット２２０〜２３５が、対応するプリズム１６０及び１６２を通過する際に、ビームレット２２０〜２３５がそれぞれ約９０°旋回し、互いにほぼ隣接して配列されてビームレットの線状アレイ１６６となるように、プリズム１６０及び１６２は互いに隣接して配置される。

代替的実施形態においてフォーカシング部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の他の構成及び構成要素を備えてもよい。更に、ビームスプリッタ装置１００は、ビームレット２２０〜２３５を２Ｄアレイのような線状アレイ以外の配列（例えば、矩形アレイ）に配列させるために使用することが可能である。２Ｄアレイを得るために、ｘ軸プリズム１０４、１０６、及び１１２はｙ軸方向（像面に垂直）にずらすことが可能である。あるいは、フォーカシング部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の実施形態ではビームレット２２０〜２３５は同位相であるが、代替的実施形態においてビームレット２２０〜２３５は同位相ではない。これは、例えば、フォーカシング部１５３の他の外部光学系及び他の構成によって達成されてもよい。

ピッチＰ_１はまた、ビームレット１８８とビームレット１９０との間、並びにビームレット１９２とビームレット１９４との間のピッチと等しい。一実施形態において、距離Ｄ_７は約２分の１ピッチＰ_１（即ち、（１／２）Ｐ_１）と実質的に等しい。ピッチＰ_１を変えるために、距離Ｄ_１及び距離Ｄ_４を互いに対して変化させてもよい。第１の対であるビームレット２００及び２０２と第２の対であるビームレット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、距離Ｄ_２及び距離Ｄ_５を互いに対して調節してもよい。第１の対であるビームレット２０１及び２０３と第２の対であるビームレット２０５及び２０７との間のピッチＰ_２Ｂを変えるために、距離Ｄ_２及び距離Ｄ_５もまた互いに対して調節されてもよい。距離Ｄ_３及び距離Ｄ_６もまた、第１の４つ組であるビームレット２２１、２２３、２２５、及び２２７と第２の４つ組であるビームレット２２９、２３１、２３３、及び２３５との間のピッチＰ_３Ａを変えるために互いに対して調節されてもよい。距離Ｄ_３及び距離Ｄ_６の調節はまた、第１の４つ組であるビームレット２２０、２２２、２２４、及び２２６と第２の４つ組であるビームレット２２８、２３０、２３２、及び２３４との間のピッチＰ_３Ｂも変化させる。図５Ｂの実施形態において、ピッチＰ、Ｐ_１、Ｐ_２Ａ、Ｐ_２Ｂ、Ｐ_３Ａ、Ｐ_３Ｂは実質的に等しい。図５Ｂの実施形態において、距離Ｄ８は約１．５Ｐに実質的に等しい。

連続したプリズム経路内のプリズムの間の距離と、プリズムを順番に通過した後に生成されるビームレットのピッチとの間の例示的関係は、更なるプリズム経路に関して繰り返されてもよい。

あるいは、ビームレット２２０〜２３５の間のピッチＰもまた、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との間に屈折率整合流体の層を配置することによって調節されてもよい。これにより、ビームスプリッタ装置１００を取り外すことなくビームレット２００〜２３５の間のピッチＰを調節することが可能となる。

アレイ１６６のビームレット２２０〜２３５は実質的に平行であり、互いに干渉しないが、測定用途のような一部の用途では、ビームレット２２０〜２３５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。従って、代替的実施形態において、２つ以上のビームレット２２０〜２３５の間のピッチは、２つ以上のビームレット２２０〜２３５が部分的に又は完全に重なり合って干渉を生成するように調節されてもよい。

代替的実施形態において、ビームスプリッタ装置１００は、入射レーザビーム１６５をより少ない数の又はより多くの数のビームレットに分割するために、より少ない数の又はより多くの数のプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４を備えてもよい。ビームスプリッタ装置１００を用いて、２^ｎのビームレットを有する２Ｄアレイを形成することが可能で、その際ｎは、入射レーザビーム１６５がビームスプリッタ１０２の分割部分１２０を通る回数に等しい。偶数のビームレットを得るためには（２^＊ｎ）−２個のプリズムが必要である。従って、３２のビームレットが望ましい場合、ビームスプリッタ装置は８個のプリズムを備える。即ち：
３２ビームレット＝２^ｎ＝２^５（従って、ｎ＝５）
必要なプリズムの数＝（２^＊ｎ）−２＝（２^＊５）−２＝８
ビームスプリッタ装置１００に更なるプリズムが追加される場合、ｘ軸プリズムの間隔は上記のＸ_nを計算するための数式に従ってあけることが可能で、ｚ軸プリズムの間隔は上記のＺ_nを計算するための数式に従ってあけることが可能である。

図４〜図５Ｂの実施形態には立方体プリズムが示されているが、別の実施形態では他の種類のプリズムを立方体プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の代用としてもよい。広くは、好適なプリズムにおいて、入射光ビームは第１の点でプリズムに入射して第２の点でプリズムを出射し、第１の点及び第２の点は基準点から実質的に等距離である。例えば、立方体プリズム１０４では、基準点は１０４Ａである。ビームレット２０１を説明の例にとると、ビームレット２０１は点２４０でプリズム１０４に入射して点２４２で出射する。点２４０及び点２４２はプリズム１０４の点１０４Ａから実質的に等距離である。この特徴を有する他の好適なプリズムにはペンタプリズム（図６に図示）又はポロプリズムが挙げられるが、これらに限定されない。

図６は、３つのビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６、及びビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６の周りに配置された４つのペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４を有する、本発明の別の実施形態によるビームスプリッタ装置３００を示している。一実施形態において、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６は互いに同一であり、それぞれが図４〜図５Ｂのビームスプリッタ装置１００の５０％エネルギーの立方体ビームスプリッタ１０２と同様であってもよい。代替的実施形態において、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６は、実質的に等しい長さの側面（ｘ−ｚ平面で測定）を有する任意の別の種類のビームスプリッタであってもよい。例えば、図６の実施形態において、ビームスプリッタ３０２の側面３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、及び３０２Ｄの長さは実質的に等しく、ビームスプリッタ３０４の側面３０４Ａ、３０４Ｂ、３０４Ｃ、及び３０４Ｄの長さは実質的に等しく、ビームスプリッタ３０６の側面３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ、及び３０６Ｄの長さは実質的に等しい。

ビームスプリッタ３０２は、例えば、そこで２個の三角形のプリズムが接着されてビームスプリッタ３０２を形成する継ぎ目であってもよい分割部分３１６を有する。同様に、ビームスプリッタ３０４は分割部分３１８を有し、ビームスプリッタ３０６は分割部分３２０を有する。図６の実施形態において、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るが、分割部分３１６、３１８、及び３２０はｘ−ｚ平面において互いに対してシフトされる。分割部分３１６、３１８、及び３２０の間のシフトは、図７Ｂを参照して以下に更に詳細に記載されるように、プリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４の間のシフトに起因する。

ペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４はそれぞれ五角プリズムである。図７Ａ及び図７Ｂを参照して記載されるように、光線はプリズム３０８、３１０、３１２又は３１４の２つの側面で反射し、これによりビームを約９０°そらせる。ペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４は、ビームレットが各プリズム経路において、ビームスプリッタ装置３００を通って実質的に同様の光路長を通るように立方体プリズム３０２、３０４、及び３０６の周囲に配置される。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との間の配列は図７Ｂを参照して説明される。

図７Ａは、例えば、ビームを複数のビームレットに分割するために、図１Ｂの光学システム１３に組み込まれてもよい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、ビームスプリッタ装置３００（図６の線７−７に沿った断面として示されている）と、レーザビーム源３５２と、集束レンズ３５３と、液浸レンズ（図示せず）と、フォーカシング部３５６とを備え、フォーカシング部３５６は、第１のレンズの組３５８及び３６０と、ミラー３６２及び３６４と、第２のレンズの組３６６及び３６８と、三角形のミラー３７０及び３７２と、を備える。図７Ａの実施形態において、レーザビーム源３５２は収束レーザビーム３７４を放射する。代替的実施形態において、レーザビーム源３５２は放射エネルギー光ビームの任意の光線源であってもよい。

ビームスプリッタシステム３５０では、開口数（ＮＡ）が比較的少ない（例えば、約０．０４以下）収束レーザビーム３７４がレーザビーム源３５２から放射されて、ビームスプリッタ装置３００の立方体ビームスプリッタ３０２に向けられる。収束レーザビーム３７４は、１つのレーザビームに収束す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、前記複数の収束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、ビームスプリッタ装置３００を出射した後フォーカスされた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てもよい。より詳細には、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６、並びにペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４を通った後、レーザビーム３７４は、実質的に等しいエネルギーを呈する８つのビームレット４００〜４０７に分割される。更に、８つのビームレットのそれぞれは、ビームスプリッタ装置３００を通って実質的に等しい経路長を通る。フォーカシング部３５６は、ビームスプリッタ装置３００から出力されて、フォーカスされたビームレットの線状アレイ３７６に入る、ビームレット４００〜４０７を配列する。結果として、ビームレット４００〜４０７が光学システム（例えば、図１Ｂの光学システム１３）に用いられる場合は、ビームレット４００〜４０７をフォーカスするためにマイクロレンズアレイを必要としない場合がある。

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に向けられた後、レーザビーム３７４はビームスプリッタ３０２の分割部分３１６を通ってビームレット３８０及び３８２に分割される。ビームレット３８０はｘ−ｚ平面で入射レーザビーム３７４の方向３８４から約９０°旋回し、一方ビームレット３８２は、ペンタプリズム３１２に向かって分割部分３１６を方向３８４に通過する。続いて、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を通過し、ビームレット３８２はペンタプリズム３１２を通過する。より詳細には、ビームレット３８０は側面３０８Ｂを通ってプリズム３０８に入り、ペンタプリズム３０８の側面３０８Ｄに反射し、約４５°旋回して側面３０８Ｅに反射し、そして側面３０８Ｃを通ってプリズム３０８を出射する。ビームレット３８２は、側面３１２Ｂを通ってプリズム３１２入り、側面３１２Ｄに反射し、約４５°旋回して側面３１２Ｅに反射し、そして側面３１２Ｃを通ってプリズム３１２を出射する。

立方体プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４と同様に、入射光ビームは第１の点でペンタプリズム（例えば、ペンタプリズム３０８、３１０、３１２又は３１４）に入り、その際第１の点及び第２の点は基準点から実質的に等距離である。例えば、ペンタプリズム３０８では、基準点は頂点３０８Ａである。ビームレット３８０を説明の例にとると、ビームレット３８０は点３８５Ａでペンタプリズム３０８に入り、点３８５Ｂで出射する。点３８５Ａ及び点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に見い出すことができる。

プリズム３０８及び３１２を出射した後、ビームレット３８０及び３８２は、ビームスプリッタ３０６の分割部分３１８の領域３８６をそれぞれ通る。ビームスプリッタ３０６の分割部分３１８を通った後、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を通過し、一方ビームレット３９０及び３９４はペンタプリズム３１４を通過する。具体的には、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に反射し、約４５°旋回し、側面３１０Ｅに反射し、側面３１０Ｃを通ってプリズム３１０を出射する。ビームレット３９０及び３９４はそれぞれ側面３１４Ｂを通ってプリズム３１４に入り、側面３１４Ｄに反射し、約４５°旋回し、側面３１４Ｅに反射し、側面３１４Ｃを通ってプリズム３１４を出射する。

それぞれのプリズム３１０及び３１４を出射した後、ビームレット３８８、３９０、３９２、及び３９４はプリズム３０６の分割部分３２０の領域３９６を通り、合計で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、フォーカシング部３５６はビームレット４００〜４０７を、例えば、多光子光重合製造プロセス用に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）に組み込まれてもよいアレイ３７６に配列する。第１のレンズの組３５８及び３６０は、ビームレット４００〜４０７をコリメートして対応するミラー３６２及び３６４上に再度方向づける。具体的には、ビームレット４００、４０２、４０４、及び４０６はレンズ３５８を通り、コリメートされ、ミラー３６２上に再度方向づけられ、ビームレット４０１、４０３、４０５、及び４０７はレンズ３６０を通り、コリメートされ、ミラー３６０上に再度方向づけられる。ビームレット４００、４０２、４０４、及び４０６はミラー３６２に反射し、ビームレット４０１、４０３、４０５、及び４０７はミラー３６４に反射する。ミラー３６２及びミラー３６４はそれぞれのビームレット４００〜４０７を第２のレンズの組３６６及び３６８に向けて反射し、レンズ３６６及び３６８はビームレット４００〜４０７をフォーカスする。ビームレット４００〜４０７はレンズ３５８及び３６０によって前にコリメートされているので、ビームレット４００〜４０７はフォーカスされる。

レンズ３６６を通った後、ビームレット４００、４０２、４０４、及び４０６は三角形のミラー３７０に反射する。レンズ３６８を通った後、ビームレット４０１、４０３、４０５、及び４０７は三角形のミラー３７２に反射する。ミラー３７０及び３７２は互いに隣接して配置され、例えば、ビームレット４００〜４０７がそれぞれのミラー３７０及び３７２に反射し、ビームレット４００〜４０７がそれぞれ約９０°旋回し、互いにほぼ隣接して配列されてビームレットの線状アレイ３７６となる。

図５Ａのビームスプリッタシステム１５０のフォーカシング部１５３と同様に、フォーカシング部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を約９０°反射するための平面ミラーを三角形のミラー３７０及び３７２の代用としてもよい。更に、フォーカシング部３５６は、ビームレット４００〜４０７を他の配列、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。

各プリズム経路の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路長を移動するために、及びビームレット４００〜４０７の間の所望のピッチＰ_４を得るために、ペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４の間に小さなシフトが存在する。シフトに関しては、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６を参照して説明されるのが最も分かりやすい。図６に示されている配列では、ペンタプリズム３０８の頂点３０８Ａ及びペンタプリズム３１２の頂点３１２Ａは配列されていない。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に配列されて隣接し、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だけシフトされている。シフト距離Ｓ_１はまたペンタプリズム３０８とペンタプリズム３１２との間の「シフト距離」と呼ばれてもよい。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もまた互いに配列されて隣接するが、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に対してシフト距離Ｓ_２だけシフトされる。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ので、距離Ｓ_１及び距離Ｓ_２は実質的に等しい。距離Ｓ_１及び距離Ｓ_２は、第１のプリズム通過の後のビームレット３８８とビームレット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もまたビームレット３９０とビームレット３９４との間のピッチと等しい。一般に、距離Ｓ_１及び距離Ｓ_２はそれぞれＰ_３と実質的に等しい。

ペンタプリズム３１０及び３１２もまた互いに対してシフトされる。より詳細には、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は配列されない。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に配列されて隣接し、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だけシフトされる。シフト距離Ｓ_３もまたペンタプリズム３０８とペンタプリズム３１２との間のシフト距離と呼ばれてもよい。ペンタプリズム３１４の無反射側面３１４Ｃとビームスプリッタ３０６の側面３０６Ａもまた互いに配列されて隣接するが、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に対してシフト距離Ｓ_４だけシフトされる。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ので、距離Ｓ_３及び距離Ｓ_４は実質的に等しい。距離Ｓ_３及び距離Ｓ_４は、ビームレット４００、４０２、４０４、及び４０６の間のＰ_３とＰ_４との間の所望の相対ピッチに基づいて選択され、前記距離はまた、ビームレット４０１、４０３、４０５、及び４０７の間のピッチとも等しい。図７Ｂの実施形態において、ピッチＰ_４はピッチＰ_３と実質的に等しい。一般に、距離Ｓ_３及び距離Ｓ_４はそれぞれＰ_４と実質的に等しい。

代替的実施形態において、ビームスプリッタ装置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、ビームレット４００〜４０７が通る更なるプリズム経路を追加するために、追加的なビームスプリッタ及びペンタプリズム「一組」をフォーカシング部３５６の前に追加してもよい。１つのビームスプリッタと一組のペンタプリズムは１つのビームスプリッタであり、１つのペンタプリズムはビームスプリッタに隣接して配置され、１つのペンタプリズはビームスプリッタに対してシフトされ、シフト距離は一般にプリズム経路を通るビームレットの間のピッチに等しい。例えば、図７Ｂでは、ビームスプリッタ３０６とペンタプリズム３１０及び３１４は１つのビームスプリッタと一組のペンタプリズムを構成する。図７Ｂの実施形態では、１つのビームスプリッタと一組のペンタプリズムを追加することでビームレットの数を２倍に増やしている。

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 (27)

1. 光ビームを提供するための光源と、
   前記光ビームを実質的に等しいエネルギーを有する少なくとも第１のビームレットと第２のビームレットとに分割するためのビームスプリッタシステムと、
   多光子硬化性光反応性組成物の層と、
   前記層の、少なくとも第１のサブフィールドと第２のサブフィールドとを含む視野を画定する対物レンズであって、前記第１のサブフィールドが前記第１のビームレットの第１の走査領域を画定し、前記第２のサブフィールドが前記第２のビームレットの第２の走査領域を画定する対物レンズと、を備える加工システム。
2. 前記第１のビームレットを成形する少なくとも第１のマイクロレンズと前記第２のビームレットを成形する第２のマイクロレンズとを備えるマイクロレンズアレイを更に備える、請求項１に記載の加工システム。
3. 前記第１のマイクロレンズが前記対物レンズの前記視野内の前記第１のサブフィールドと光学的に整列し、前記第２のマイクロレンズが前記第２のサブフィールドと光学的に整列する、請求項２に記載の加工システム。
4. 前記ビームスプリッタシステムが、
   ビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタの周囲に配置され、前記ビームスプリッタと光学的に接触する複数のプリズムと、を備える、請求項１に記載の加工システム。
5. 前記ビームスプリッタシステムの各プリズムが、立方体プリズム、ペンタプリズム、及びポロプリズムからなる群から選択される、請求項４に記載の加工システム。
6. 前記ビームスプリッタシステムの前記ビームスプリッタが立方体ビームスプリッタである、請求項４に記載の加工システム。
7. 前記ビームスプリッタシステムが、
   前記第１のビームレット及び前記第２のビームレットをアレイに配列するように構成されたフォーカシング部
   を更に備え、前記対物レンズの前記第１のサブフィールド及び前記第２のサブフィールドが実質的に同一のアレイに配列される、請求項４に記載の加工システム。
8. 前記第１のビームレット及び前記第２のビームレットの光路長が実質的に等しい、請求項１に記載の加工システム。
9. 前記第１のサブフィールド内の前記第１のビームレット及び前記第２のサブフィールド内の前記第２のビームレットを走査するビームレット走査システムを更に備える、請求項１に記載の加工システム。
10. 前記ビームレット走査システムが検流計スキャナーを備える、請求項９に記載の加工システム。
11. 前記ビームレット走査システムが前記ビームスプリッタシステムと前記対物レンズとの間に配置される、請求項９に記載の加工システム。
12. 前記ビームレット走査システムが前記対物レンズと前記多光子硬化性光反応性組成物の層との間に配置される、請求項９に記載の加工システム。
13. 前記ビームレット走査システムが、
    前記第１のビームレット及び前記第２のビームレットのそれぞれのｚ軸位置を前記層に対して調節するｚ軸テレスコープと、
    前記第１のビームレット及び前記第２のビームレットのそれぞれを前記第１のサブフィールド及び前記第２のサブフィールド内のｘ軸方向にそれぞれ走査する第１のステアリングアセンブリと、
    前記第１のビームレット及び前記第２のビームレットのそれぞれを前記第１のサブフィールド及び前記第２のサブフィールド内のｙ軸方向にそれぞれ走査する第２のステアリングアセンブリと、を備える、請求項９に記載の加工システム。
14. 前記光ビームがレーザビームである、請求項１に記載の加工システム。
15. 前記光ビームのパルス幅を調節する分散補償システムを更に備える、請求項１に記載の加工システム。
16. 光ビームを提供する光源と、
    前記光ビームを実質的に等しいエネルギーを有する少なくとも（２^ｎ−１）のビームレットに分割するビームスプリッタシステムであって、前記ビームスプリッタが、
    ビームスプリッタ、及び
    前記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
    を含むビームスプリッタシステムと、
    像面の、複数のサブフィールドを含む視野を画定する対物レンズであって、前記複数のサブフィールドの少なくとも１つが前記ビームレットの少なくとも１つの走査領域を画定する対物レンズと、を備える光学システム。
17. 前記サブフィールドの少なくとも１つの中の前記ビームレットの少なくとも１つを走査するビームレット走査システムを更に備える、請求項１６に記載の光学システム。
18. 前記像面に対する前記ビームレットのそれぞれのｚ軸位置を調節するｚ軸テレスコープと、
    前記サブフィールドの少なくとも１つの中で前記ビームレットのそれぞれをｘ軸方向に走査する第１のステアリングアセンブリと、
    前記サブフィールドの少なくとも１つの中で前記ビームレットのそれぞれをｙ軸方向に走査する第２のステアリングアセンブリと、を更に備える、請求項１６に記載の光学システム。
19. 前記第１のステアリングアセンブリがコンピュータ制御される第１のミラーを備え、前記第２のステアリングアセンブリがコンピュータ制御される第２のミラーを備える、請求項１８に記載の光学システム。
20. 前記ビームレットの少なくとも１つを成形する少なくとも１つのマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイを更に備える、請求項１６に記載の光学システム。
21. 前記ビームスプリッタ装置が前記ビームレットをアレイに配列するように適合された光学素子を有し、前記アレイが線形アレイか二次元アレイのいずれかである、請求項１６に記載の光学システム。
22. 前記ビームスプリッタシステムの各プリズムが、立方体プリズム、ペンタプリズム、及びポロプリズムからなる群から選択される、請求項１６に記載の光学システム。
23. 前記ビームスプリッタシステムの前記ビームスプリッタが立方体ビームスプリッタである、請求項１６に記載の光学システム。
24. 多光子硬化性光反応性組成物を含む層をその上に有する基材を提供する工程と、
    光学システムを介して少なくとも２つのビームレットを前記層に適用する工程であって、前記光学システムが、
    光ビームを、実質的に等しいエネルギーを有する前記ビームレットに分割するビームスプリッタシステム、及び
    前記層の個々のサブフィールド内の前記ビームレットのそれぞれを走査するビームレット走査システム
    を備える、工程と、
    各サブフィールド内の前記層の領域を前記ビームレットで選択的に硬化する工程と、を含む方法。
25. 前記ビームレットを前記層に対してｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向に走査する工程を更に含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記ビームレットのｘ軸位置を前記層に対して調節する工程が第１のステアリングミラーを傾ける工程を含み、前記ビームレットのそれぞれが前記第１のステアリングミラーに反射しかつ前記ｘ軸方向に旋回し、前記ビームレットのｙ軸位置を前記層に対して調節する工程が第２のステアリングミラーを傾ける工程を含み、前記ビームレットのそれぞれが前記第２のステアリングミラーに反射しかつ前記ｙ軸方向に旋回する、請求項２５に記載の方法。
27. 前記ビームスプリッタシステムが、
    ビームスプリッタと、
    前記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
    前記ビームスプリッタ装置が光ビームを、前記ビームスプリッタ装置を通って実質的に等しい光路長を移動し実質的に等しいエネルギーを呈する（２ⁿ−１）ビームレットに分割し、前記ビームレットのそれぞれが前記層の個々のサブフィールド内で走査される、請求項２４に記載の方法。

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