JP2011510344A - 0次低減のための光学設計 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1A
Description
パターンは回折光学素子(DOEs)を使用して投影されてもよい。しかし回折光学素子はいわゆる0次問題を抱える。0次光線とは入射光の一部であり、投影により回折せず、従って光学システムを通過して投影空間に到達する光線である。
特許文献2は、ここに参照され取り入れられるが、回折光学素子及び第1の「表面」を有する画像表示装置について記載している。その「表面」は回折光学素子から出力された0次光線が入射しない位置に設けられ、画像は第1の表面からの光線により表示される。
このような従来技術にも関わらず、パターンを投影する方法の改良が要望されている。
典型的に第1の区域は第1の矩形と第1の矩形の中の第2の小さい矩形の間の区域に画定される。2つの矩形は共通の中心点と平行な辺を有し、互いに対称に配置される。第2の区域は第2の矩形で囲まれる区域である。或いは2つの区域は、一方が他方の中に存する非矩形の形状で画定されてもよい。
2つのDOEが組合わされることにより、回折パターンの形成が2つのDOEに分散されるようにDOEが構成されることが可能になる。このように分散した回折パターンの形成は、ここでは2つのDOEの1つの分散設計と呼ばれる。分散設計により0次光線が第2のDOEに使用されるため、第1のDOEの0次光線の制御されないエネルギー成分が有意に減少した、1つの全体回折パターンの形成が可能となる。言い換えれば、本発明の実施形態は従来システムで典型的に好ましくないと考えられていた0次光線の余剰エネルギーという特徴を利用し、使用している。
従って、本発明の1つの実施形態によれば、1つのパターンを投影する装置であって、1つの第1の回折パターンを1つの表面の1つの第1の区域に生成するために1つの入射光を回折するように構成された第1の1つの回折光学素子(DOE)と、
ここにおいて第1の回折パターンは1つの0次光線を有し、1つの第2の回折パターンを1つの表面の1つの第2の区域に形成するために0次光線を回折するように構成された第2の1つの回折光学素子(DOE)と、ここにおいて第1の区域と第2の区域は共同してその表面を少なくとも部分的に覆い、を有することを特徴とする装置が実現される。
開示された実施形態では、第2の回折光学素子(DOE)は、0次光線を受光するように構成された1つの光学活性区域と、0次光線の無い第1の回折パターンを透過するように構成された1つの光学不活性区域と、を有する。第1の回折光学素子(DOE)と第2の回折光学素子(DOE)は1つの光学素子上に形成される。
複数の離れた出力光を生成するために1つの入射光を回折するように構成された第1の1つの回折光学素子(DOE)と、複数の回折パターンのそれぞれを1つの表面のそれぞれの区域に形成するために、複数の離れた出力光に対し回折効果を適用するように構成された第2の1つの回折光学素子(DOE)と、ここにおいてそれぞれの区域は共同してその表面を少なくとも部分的に覆い、を有することを特徴とする装置が提供される。
またさらに他の実施形態によれば、1つのパターンを投影する装置であって、
1つの0次光線を有する1つの回折パターンを生成するために1つの波長を持つ1つの入射光を回折するように構成された1つの回折光学素子(DOE)と、記0次光線の無い回折パターンが1つの表面の1つの区域上に衝突するように回折光学素子(DOE)に関して配置される、入射光の波長に調整された1つの狭帯域フィルタと、を有することを特徴とする装置が提供される。フィルタは1つの干渉フィルタまたは1つの格子を有する。
またさらに他の実施形態によれば、1つのパターンを投影する方法であって、複数の離れた出力光を生成するために、1つの入射光を第1の1つの回折光学素子(DOE)で回折するステップと、複数の回折パターンのそれぞれを1つの表面のそれぞれの区域に形成するために、第2の1つの回折光学素子(DOE)で複数の離れた出力光に対し回折効果を適用するステップと、ここにおいてそれぞれの区域は共同してその表面を少なくとも部分的に覆い、を有することを特徴とする方法が提供される。
1つの0次光線を有する1つの回折パターンを生成するために、1つの波長を持つ1つの入射光を1つの回折光学素子(DOE)で回折するステップと、0次光線の無い回折パターンが1つの表面の1つの区域上に衝突するように、入射光の波長に調整された1つの狭帯域フィルタを回折光学素子(DOE)に関して配置するステップと、を有することを特徴とする方法が提供される。
本発明は図面を参照した以下の詳細な説明により、より十分に理解される。
図1Aは本発明の第1の実施例に基づく1つの光学装置10の概略側面図であり、図1Bは本発明の第1の実施例に基づく上記光学装置10が投影する区域の概念図である。光学装置10は1つの第1の光学回折素子(DOE)12と、1つの第2の光学回折素子14からなる。例示のため以下の記述では、DOE12とDOE14とは互いに実質的に平行で距離「d1」離れて配置されるものとする。しかしこの2つのDOEは平行である必要はなく、好適ないかなる角度で配置されてもよい。光学装置10においてDOE12とDOE14は、例示のため、1つの透明な光学素子16の第1と第2の面に形成されるものとする。他の実施形態では、DOE12とDOE14は分離された光学素子上に形成されてもよい。DOE12とDOE14は透過型素子であるが、以下で記述される本実施形態および他の実施形態の原理は、2つの反射型DOEまたは透過型と反射型のDOEの1つの組合せによっても実行されうる。
光学素子16はDOE12が光線を受けるように配置され、例示のため、DOE12は光線にほぼ垂直であると仮定する。DOE12は光線20の断面に一致するように構成された1つの光学活性部位17を有する。光学活性部位17はまた、光線20からDOE12により形成された1つの全体回折パターンが、光学素子16の遠方側の側面に入射する1つの第一の回折パターン23と、1つの0次光線32から構成されるように構成される。第一の回折パターン23は、1つの平面24の1つの区域22上に対応する1つの回折像22Iを投影する。(作図の便利さと明確化のため、図1Aと図1Bの実施形態は回折パターンの特定の1つの平面への投影に関しているが、実際には回折パターンは、後続の図面に示されるように、1つの空間に投影され、その空間は平面24に対している。)例示のため、第一の回折像は以下では1組の分散した点30からなり、各点30はDOE12の1つの回折次元の光線に対応するものとする。ある実施形態では、およそ106の回折次元がDOE12により形成される。およそ105の回折次元光線が点を形成するのに使用され、残りの回折次元光線は抑制される。
第1の回折パターン23の投影はDOE14の1つの光学的に不活性な透明部位31を経由して行われ、それにより第一の回折パターン23は実質的に部位31により変化を受けない。図1Bは1組の複数の点30を概略的に示す。これらの点はDOE12により、回折像22Iとして平面24の区域22上に形成される。
例として矩形28に対する平面角度、即ち第2の0次光線37に対して測定される矩形の隅に対する角度の最大値は、典型的に約10度である。
上記の記述は第1と第2の回折パターンの寸法を記述するのに平面角度を使用するが、寸法はそれぞれ第1及び第2の回折パターンに対する第1の立体角および第2の立体角と表示されることが好ましい。
実質的に区域25全体を覆うように像を形成する2つの回折パターンに加えて、ある実施形態では、2つの回折パターンは典型的に区域25全体の回折像の強度分布が概して均一であるように構成される。
・入射光線20の波長λ1
・第1の回折パターンの外側及び/または内側の立体角
・初期の0次光線のエネルギー流束
・第2の回折パターンの立体角
・第2の0次光線のエネルギー流束
・入射光線20の寸法やDOE間の距離d1等の幾何学的要素
・光学活性部位33の寸法
あるいは、標準的又は特別仕様のソフトウェアがDOEの設計に使用されうる。例えば‘Phase Retrieval Algorithms:A Comparison,’J.R.Fienup著、Applied Optics 21,2758−2769(1982年8月1日)に記載の設計方法を使用することができる。
部位25全体の強度分布が均一である要求は無く、ある実施形態では2つの異なる回折パターンの間に比較的大きな強度の差異がある。このような変化の1つの例を図3A、3Bを参照しながら説明する。
装置110は1つの第1の光学回折素子DOE112及び第2の光学回折素子DOE114を有し、以下記述を除き、装置10のDOE12及びDOE14について上述したように稼働し、構成される。このようにDOE12及びDOE14は距離「d4」離れて互いに平行に配置され、1つの単一の透明光学要素116の第1及び第2の表面に形成される。
装置10と同様に装置110における入射光線20はこの例では平行光線と仮定する。
DOE114はまたDOEの光学的活性部位133で初期0次光線132を受け、1つの第2の回折パターン129と1つの第2の0次光線137からなる1つの全体回折パターン139を初期0次光線132から形成する。DOE114は、第2の回折パターン129が光学的活性部位133からの出力光を中心区域127に投影し、その中心区域127全体を覆う1つのほぼ切頭角錐の形状129を形成するように設計される。DOE114は、典型的にはその出力光が平行であるか、または空間102に焦点を合わされるように構成される。
装置10及び装置110の操作に関する考察により、合成回折パターンの異なる部位は要求される回折効果を2つのDOEで配分することにより形成されることがわかる。このような配分、または分散は以降2つのDOEの配分設計と呼ばれる。本発明の配分設計により、第1のDOEの0次光線の制御されないエネルギー成分を減少させる、1つの全体回折パターンの形成が可能となる。それは、配分設計が0次光線を所望の回折パターンの一部の形成に使用するためである。
DOE164の出力光により形成される複数の点の対称パターンの他の事例は当業者にとって自明であり、本発明の範囲に含まれる。さらなる実施形態では、平面170の上に形成される複数の点のパターンは部分対称または非対象である。例えばDOE164に針クッション型のゆがみが有るときのように、上述の合同矩形の対象パターンは変形され、矩形の隅は非矩形の4面体の隅となる。典型的には出力光線174の1つは入射光線162に関して実質的に非分散でありDOE164に対する1つの0次元光線と同等である。
2次DOE166はそれぞれの光学活性区域169で光線174を受光するように構成される。光学活性区域169はそれぞれの光線によりそれぞれの全体回折パターン184を形成する。このように2次DOEが1次DOEから受光した1つの0次光線を回折する装置10と異なり、装置160では2次DOEは1次DOEから受光した多重の出力光線174を効率的に回折する。
従前の実施形態と同様に、図3A、3Bの実施形態の原理は他のDOEの構成を使用して実現可能である。例えば、光軸上のDOE164とDOE166の順番は逆転してもよい。さらにあるいは、少なくとも1つのDOEは図で示される透過型ではなく、反射型であってもよい。
装置200において光線発生装置18は入射光線20に類似の1つの入射光線202を生成し、その波長はλ3である。装置200はある実施形態では入射光線202に垂直で、寸法が光線202の断面に一致するDOEの光学的活性部位210で入射光線202を受光する、1つのDOE204を有する。装置200においてDOE204が光線202に垂直なように構成する方が便利であるが、そうなければならない要求はない。装置200はさらにDOE204と離れて位置し、1つの位置調整可能な台205に搭載された1つの光学素子(OE)208を有する。
光学素子(OE)208は、典型的に入射光線202の線幅と同じ帯域除去線幅を有するように構成される。このように光線発生装置18が半値全幅1nmの光線を生成する1つのレーザダイオードである場合、光学素子(OE)208は選択された公称入射角に対し同一の半値全幅を持つように構成される。あるレーザの構成では、VHGのような1つの格子要素はレーザキャビティの出力カプラとして使用され、ノッチ波長を反射しキャビティに戻し、それによりレーザがこの波長で固定される。同じ型の第2の格子要素は光学素子(OE)208として使用されうる。この素子は回折パターンの0次光線をレーザ波長において正確に除去する。
あるいは反射型の構成において、光学素子(OE)208は、0次光線が通過することを許容し、一方で回折像の残りを所望の空間に反射するように配置された、1つのノッチ・パスフィルタで代替されてもよい。
12,112,164:第1の光学回折素子(DOE)
14,114,166:第2の光学回折素子(DOE)
16,116,168:透明光学素子
17,33,117,131,161,210:光学活性部位
18:光線発生装置
20,162,202:入射光線
23,123:第1の回折パターン
29,129:第2の回折パターン
32,132,216:初期0次光線
37,137,180:第2の0次光線
39,121,139,184:全体回折パターン
204:光学回折素子(DOE)
208:光学素子
Claims (23)
- 1つのパターンを投影する装置であって、
第1の回折パターンを1つの表面の第1の区域に生成するために1つの入射光を回折するように構成された第1の回折光学素子(DOE)と、
ここにおいて前記第1の回折パターンは第1の0次光線を有し、
第2の回折パターンを前記表面の第2の区域に形成するために前記0次光線を回折するように構成された第2の回折光学素子(DOE)と、を有し、
ここにおいて前記第1の区域と前記第2の区域は共同して前記表面を少なくとも部分的に覆う、ことを特徴とする装置。 - 前記第2の回折光学素子(DOE)は、前記0次光線を受光するように構成された1つの光学活性部位と、前記0次光線の無い前記第1の回折パターンを透過するように構成された1つの光学不活性部位と、を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記第1の回折光学素子(DOE)と前記第2の回折光学素子(DOE)は1つの光学素子上に形成されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記第1の回折光学素子(DOE)と前記第2の回折光学素子(DOE)は離れた複数の光学素子上に形成されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記第2の回折パターンは第2の0次光線を有し、ここにおいて前記第2の0次光線のエネルギー流束量は前記入射光のエネルギー流束量の0.1%より小さいことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記入射光は1つの波長を有し、前記入射光の波長に依存せず無関係に、前記第1の回折光学素子(DOE)と前記第2の回折光学素子(DOE)は、前記第1の区域と前記第2の区域が少なくとも部分的に前記表面を覆うように構成されることを特徴とする請求項1−5のいずれかに記載の装置。
- 前記第1の回折パターンは前記第1の区域上に第1の組の第1の複数の点を有する第1の回折像を形成し、前記第2の回折パターンは前記第2の区域上に第2の組の第2の複数の点を有する1つの第2の回折像を形成する、ことを特徴とする請求項1−5のいずれかに記載の装置。
- 前記第1の回折パターンと前記第2の回折パターンの少なくともいずれかは、段階的な強度を持つ1つの区域と1組の線分を少なくとも有する1つの回折像を形成することを特徴とする請求項1−5のいずれかに記載の装置。
- 前記第1の区域と前記第2の区域は前記表面の全体を覆うことを特徴とする請求項1−5のいずれかに記載の装置。
- 前記第1の区域は第1の1つの矩形と前記第1の矩形より小さい第2の1つの矩形により画定され、ここにおいて前記第1の矩形と前記第2の矩形は1つの共通の中心点を有し、前記第2の区域は前記第2の矩形により画定されることを特徴とする請求項1−5のいずれかに記載の装置。
- 1つのパターンを投影する装置であって、
複数の離れた出力光を生成するために1つの入射光を回折するように構成された第1の1つの回折光学素子(DOE)と、
複数の回折パターンのそれぞれを1つの表面のそれぞれの区域に形成するために、前記複数の離れた出力光に対し回折効果を適用するように構成された第2の1つの回折光学素子(DOE)と、を有し、
ここにおいて前記それぞれの区域は共同して前記表面を少なくとも部分的に覆う、ことを特徴とする装置。 - 前記第1の回折光学素子(DOE)と前記第2の回折光学素子(DOE)は1つの光学素子上に形成されることを特徴とする請求項11に記載の装置。
- 前記第1の回折光学素子(DOE)と前記第2の回折光学素子(DOE)は離れた複数の光学素子上に形成されることを特徴とする請求項11に記載の装置。
- 前記入射光は1つの波長を有し、ここにおいて前記第1の回折光学素子(DOE)と前記第2の回折光学素子(DOE)は、1つの特定の波長域において前記入射光の波長に依存せず無関係に、前記それぞれの区域が少なくとも部分的に前記表面を覆うように構成されることを特徴とする請求項11−13のいずれかに記載の装置。
- 前記複数の回折パターンは複数の組の複数の点をそれぞれの前記区域上に形成することを特徴とする請求項11−13のいずれかに記載の装置。
- 少なくとも1つの前記回折パターンは、段階的な強度を持つ1つの区域と1組の線分を少なくとも有する1つの回折像を形成することを特徴とする請求項11−13のいずれかに記載の装置。
- それぞれの前記区域は前記表面の全体を覆うことを特徴とする請求項11−13のいずれかに記載の装置。
- 1つのパターンを投影する装置であって、
1つの0次光線を有する1つの回折パターンを生成するために、1つの波長を持つ1つの入射光を回折するように構成された1つの回折光学素子(DOE)と、
前記0次光線の無い前記回折パターンが1つの表面の1つの区域上に衝突するように前記回折光学素子(DOE)に関して配置される1つの狭帯域フィルタと、を有し、
ここにおいて前記フィルタは前記入射光の前記波長に調整されている、ことを特徴とする装置。 - 前記フィルタが1つの干渉フィルタを有することを特徴とする請求項18に記載の装置。
- 前記フィルタが1つの格子を有することを特徴とする請求項18に記載の装置。
- 1つのパターンを投影する方法であって、
第1の回折パターンを1つの表面の第1の区域に生成するために、1つの入射光を第1の回折光学素子(DOE)で回折するステップと、
ここにおいて前記第1の回折パターンは1つの0次光線を有し、
第2の回折パターンを前記表面の第2の区域に形成するために、前記0次光線を第2の回折光学素子(DOE)で回折するステップと、を有し、
ここにおいて前記第1の区域と前記第2の区域は共同して前記表面を少なくとも部分的に覆う、ことを特徴とする方法。 - 1つのパターンを投影する方法であって、
複数の離れた出力光を生成するために、1つの入射光を第1の回折光学素子(DOE)で回折するステップと、
複数の回折パターンのそれぞれを1つの表面のそれぞれの区域に形成するために、第2の回折光学素子(DOE)で前記複数の離れた出力光に対し回折効果を適用するステップと、を有し、
ここにおいてそれぞれの前記区域は共同して前記表面を少なくとも部分的に覆う、ことを特徴とする方法。 - 1つのパターンを投影する方法であって、
1つの0次光線を有する1つの回折パターンを生成するために、1つの波長を持つ1つの入射光を1つの回折光学素子(DOE)で回折するステップと、
前記0次光線の無い前記回折パターンが1つの表面の1つの区域上に衝突するように、前記入射光の前記波長に調整された1つの狭帯域フィルタを前記回折光学素子(DOE)に関して配置するステップと、
を有することを特徴とする方法。
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