(57)【要約】【課題】任意形状を有するターゲット上に効率的なエネルギー配置を提供する。【解決手段】複数アパーチャの照射プロフィール形成システムは、複数の光学要素と対応した少なくとも３つのアパーチャからなる少なくとも１つの配置を使用し、光学要素の少なくとも１つは正の光学力を有し、また前記光学要素の少なくとも１つは負の光学力を有する。そのシステムは、１次元、２次元、あるいは３次元内のアパーチャを含む。そのシステムは、ターゲット上に所定の任意の照射プロフィールを生成する。アパーチャ形状は、正方形、矩形、および六角形のうちのいずれか１つであることが好ましい。システムは、ほとんど１００％の面占有比率を可能にする対称または非対称形状を有するアパーチャからなることが好ましい。【選択図】図１
2006065348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３つの複数のアパーチャからなるアパーチャ配置と、
光学力を有する複数の光学要素配置とを備え、
前記アパーチャ配置内のそれぞれのアパーチャを前記光学要素配置の光学要素と対応させ、前記光学要素の少なくとも１つは正の光学力を有し、前記光学要素の少なくとも１つは負の光学力を有することを特徴とする複数アパーチャの照射プロフィール形成システム。
【請求項２】
前記アパーチャ配置は、ほとんど１００％の面占有比率を有することを特徴とする請求項１に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項３】
前記アパーチャ配置は、１次元アレイを形成することを特徴とする請求項１に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項４】
前記アパーチャ配置は、２次元アレイを形成することを特徴とする請求項１に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項５】
前記アパーチャ配置は、３次元幾何図形的配置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項６】
前記アパーチャ配置への照射の入射をさらに備えると共に、前記アパーチャおよびそれらと対応する光学要素の配置による前記入射照射の相互作用から生成される照射を含むターゲット領域を有することを特徴とする請求項１に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項７】
前記アパーチャおよびそれらと対応する光学要素の配置は、前記ターゲット領域上の所定照射パターンを生成することを特徴とする請求項６に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項８】
主光学要素をさらに備え、前記アパーチャ、前記対応する光学要素、および前記主光学要素の配置は、前記ターゲット領域上に所定の照射パターンを生成することを特徴とする請求項６に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項９】
前記アパーチャ配置内の前記アパーチャは、正方形、矩形、および六角形のいずれかの形状を有することを特徴とする請求項８に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項１０】
前記アパーチャは、前記アパーチャ形状を前記アパーチャ表面に対して垂直な軸の周囲を１８０度回転させると反転したアパーチャ形状となるような１８０度非対称性の形状であって、前記アパーチャ配置内の１つのアパーチャに接するアパーチャのいくつかは、前記アパーチャに対して反転した形状を有するように前記アパーチャに対して１８０度裏返したものであることを特徴とする請求項８に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項１１】
前記アパーチャ配置は少なくとも１つの反射型光学要素を備えることを特徴とする請求項８に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項１２】
前記光学要素配置は、少なくとも１つの回折型光学要素を備えることを特徴とする請求項８に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項１３】
前記光学要素配置は、少なくとも１つの屈折型光学要素を備えることを特徴とする請求項８に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項１４】
前記光学要素配置は、少なくとも１つのフレネル型光学要素を備えることを特徴とする請求項８に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項１５】
前記主光学要素は、ズーム機能を備えた光学部品の組み合わせ内部に設けられた複数の光学要素からなることを特徴とする請求項８に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項１６】
前記アパーチャ、前記対応する光学要素、および前記主光学要素の配置は、前記所定の照射パターンを生成することを特徴とする請求項１５に記載の照射プロフィール形成システム。
【請求項１７】
少なくとも３つのアパーチャからなる複数のアパーチャをアパーチャ配置内に配置し、
光学力を有する複数の光学要素を光学要素配置内に配置し、
前記アパーチャ配置内のそれぞれのアパーチャを前記光学要素配置の光学要素と対応させ、前記光学要素の少なくとも１つは正の光学力を有し、前記光学要素の少なくとも１つは負の光学力を有することを特徴とする照射プロフィール形成方法。
【請求項１８】
前記アパーチャ配置は、ほとんど１００％の面占有比率を有することを特徴とする請求項１７に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項１９】
前記アパーチャ配置は、１次元アレイを形成することを特徴とする請求項１７に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２０】
前記アパーチャ配置は、２次元アレイを形成することを特徴とする請求項１７に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２１】
前記アパーチャ配置は、３次元幾何図形的配置に配置されることを特徴とする請求項１７に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２２】
さらに、前記アパーチャ配置へ照射の入射を向け、前記アパーチャおよびそれらと対応する光学要素の配置による前記入射照射の相互作用から生成される照射を含むターゲット領域を配置したことを特徴とする請求項１７に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２３】
前記アパーチャおよびそれらと対応する光学要素の配置は、前記ターゲット領域上の所定照射パターンを生成することを特徴とする請求項２２に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２４】
さらに、主光学要素を配置し、前記アパーチャ、前記対応する光学要素、および前記主光学要素の配置は、前記ターゲット領域上に所定の照射パターンを生成することを特徴とする請求項２２に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２５】
前記アパーチャ配置内の前記アパーチャは、正方形、矩形、および六角形のいずれかの形状を有することを特徴とする請求項２４に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２６】
前記アパーチャは、前記アパーチャ形状を前記アパーチャ表面に対して垂直な軸の周囲を１８０度回転させると反転したアパーチャ形状となるような１８０度非対称性の形状であって、前記アパーチャ配置内の１つのアパーチャに接するアパーチャのいくつかは、前記アパーチャに対して反転した形状を有するように前記アパーチャに対して１８０度裏返したものであることを特徴とする請求項２４に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２７】
前記アパーチャ配置は少なくとも１つの反射型光学要素を備えることを特徴とする請求項２４に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２８】
前記光学要素配置は、少なくとも１つの回折型光学要素を備えることを特徴とする請求項２４に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項２９】
前記光学要素配置は、少なくとも１つの屈折型光学要素を備えることを特徴とする請求項２４に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項３０】
前記光学要素配置は、少なくとも１つのフレネル型光学要素を備えることを特徴とする請求項２４に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項３１】
前記主光学要素は、ズーム機能を備えた光学部品の組み合わせ内に設けられた複数の光学要素からなることを特徴とする請求項２４に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項３２】
前記アパーチャ、前記対応する光学要素、および前記主光学要素の配置は、前記所定の照射パターンを生成することを特徴とする請求項３１に記載の照射プロフィール形成方法。
【請求項３３】
さらに、前記アパーチャ、前記対応する光学要素、および前記主光学要素の配置うち少なくとも１つについてのパラメータ値を変更し、前記ターゲット領域上の前記所定照射パターンを変化させることを特徴とする請求項２４に記載の照射プロフィール形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、正または負の光学力を有する光学要素を使用して照射プロフィールを形成する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
照射エネルギーを利用する多くの場合、ターゲット上に特定のプロフィールを有するエネルギー照射を配置する必要がある。さまざまな種類のレーザによって生成された電磁エネルギーを利用する機会は、一般的によくある。例えば、材料上に配置されるエネルギーの発生源であるレーザは、レーザ熱処理、レーザ切断、マーキング、フォトリソグラフィ、および繊維射出成形（fiber injection）などの分野において利用される。
【０００３】
しばしば、ターゲット上にエネルギーを配置する利用時には、特定範囲に亘り、エネルギー源から長手方向の一定距離に位置するターゲット上に実質的に均一なエネルギー照射が要求される。また、しばしば、レーザもしくはその他の放射装置のエネルギービームモード（例えば、そのモードは一般的に知られていないか、複数のモードが存在するか、あるいは時間経過とともに変化するものである）を正確に制御できず、ビームの平行化が不可能であるか、十分に達成できないか、またはエネルギー源が非常に不規則な照射分布を生成する。エネルギー源のうち前述した特性を有するものは、（その他の多重レーザビームと同様である）エキシマレーザ、レーザダイオードアレイ（laser diode arrays）、およびアークソース（arc sources）である。
【０００４】
光学において、“アパーチャ”という用語は光学的にアクティブな領域を称する。例えば、屈折型要素（例えば、レンズ）において、アパーチャは光学要素を介して入射照射光の透過を可能にする領域である。また、反射型光学要素（例えば、鏡）において、アパーチャは入射照射光（incident radiation）の反射を可能にする領域である。また、回折型光学要素（例えば、フレネルレンズ）において、アパーチャは入射照射光から回折された照射光を生成する領域である。
【０００５】
複数アパーチャ型ビーム収束は、平行化、照射、あるいはモードに関する制御ができないエネルギー源を使用することによる前述した欠点を解決するための特に適切な技術である。複数のアパーチャ型収束システムは、基本的に、１）１つもしくは複数の（ビームのエントランスピューピル（entrance pupil）あるいは断面をビームレットアレイに分割する）アパーチャからなるサブアパーチャアレイ構成部分と、２）（ターゲット面でそれぞれのサブアパーチャからのビームレットを重ねる）ビーム収束装置もしくはフォーカス構成部分との２つの構成部分からなる。ターゲットは、それぞれのサブアパーチャの主光線が交差する、主収束要素の焦点位置に位置している。これにより、ターゲット上の照射分布の振幅は、小型レンズアレイによって変更された入射波面をフーリエ変換したものである。これらのシステムにおいて使用される要素は、屈折型、反射型、あるいは回折型である。一般的に、よく知られた複数アパーチャ型収束システムは、等しい形状および相機能（phase function）を有するアパーチャ要素を使用する。
【０００６】
しかしながら、複数アパーチャ型ビーム収束技術は、ターゲットに非常に多量の有用なエネルギーを向けるために効率的な開口率を得る必要がある。従って、一般的に装置は、正方形、矩形、および六角形状を有するアパーチャを組み合わせたものに制限される。それは、これらのアパーチャ形状の集まりが、アパーチャアレイでほとんど１００％の開口率を与えるからである。例えば、ケイモンの米国特許第５２５１０６７号には、フライアイレンズ（fly-eye lens）装置および異なる寸法の正方形状のアレイを備えたシステムを使用することにより均一な照度を達成できることが記載されている。ペプラーら（以下、ペプラーという）などは、“高出力レーザビームを均質にするバイナリフェーズ型のフレネルゾーンプレートアレイ”（SPIE Vol. 2404、２５８〜２６５ページ、１９９５年）というタイトルの論文において、均一な“シルクハット型”の強度プロフィールおよび空間的に形成された焦点を、正方形、矩形、および六角形状のアパーチャを有するフレネルゾーンプレートアレイを使用することにより容易に生成できることを記載している。
【特許文献１】米国特許第５２５１０６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ターゲット上へエネルギーを配置する使用方法のかなり多数において、ターゲット形状を正方形、矩形、および六角形状に制限できない。正方形、矩形、および六角形状に近い領域パターン（near field pattern）は、同様の種類、すなわち正方形、矩形、および六角形状の領域パターンである。それゆえ、これらの形状に制限されないターゲット照度を必要とする適用では、一般に使用される複数アパーチャ型のビーム収束システムは、ターゲット上に所望の所定エネルギーパターンを効率的に配置できない。
【０００８】
本発明の目的は、ターゲット上に任意形状を有する効率的なエネルギー配置を提供することを課題とする。また、本発明の他の目的として、ターゲット上の照射プロフィールを任意のさらに特定のターゲット形状に形成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、少なくとも３つのアパーチャからなるアレイ、複数の光学要素（それぞれのアパーチャが１つの光学要素に対応する）からなるアレイを備えた配置を使用し、少なくとも１つのアパーチャは（該アパーチャが対応する光学要素とともに）正の光学力を有し、また少なくとも１つのアパーチャは（該アパーチャが対応する光学要素とともに）負の光学力を有することによってこれら及びその他の目的を実現するものである。正または負の光学力は、アパーチャのアレイに対して照射された後の入射照射光の波面を収束または発散するものである。本発明の原理は、アパーチャを１次元、２次元、あるいは３次元に配置することによって実施可能である。
【００１０】
また、本発明は、さらに前記アパーチャの形状が正方形、矩形、および六角形状のいずれかであることによって前記目的を実現するものである。また、本発明は、代案として前記アパーチャが、前記アパーチャ形状を前記アパーチャ表面に対して垂直な軸の周囲を１８０度回転させると反転したアパーチャ形状となるような非対称性を有することによって前記目的を実現するものである。また、本発明は、さらにターゲット上に照射光を向ける主光学要素を有することによって前記目的を実現するものである。また、本発明は、主光学要素としてズーム機能を有する光学的組み合わせを有することによって前記目的を実現するものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、少なくとも３つの複数のアパーチャからなるアパーチャ配置と、光学力を有する複数の光学要素配置とからなり、アパーチャ配置内のそれぞれのアパーチャを光学要素配置の光学要素と対応させ、光学要素の少なくとも１つは正の光学力を有し、また光学要素の少なくとも１つは負の光学力を有するので、ターゲット上に所望の、例えば、正方形、矩形、および六角形状の所定エネルギーパターンを効率的に配置できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１３】
一般的に、本発明の概念は、少なくとも３つのアパーチャからなり、そのうち少なくとも２つのアパーチャは負または正の光学力（optical powers）のいずれか一方を有し、残りのアパーチャは他方の種類の光学力を有する構成を提供するものである。
【００１４】
図１（ａ）−（ｃ）は、ほとんど１００％の開口率（fill factor）を可能にする対称的なアパーチャ配置を示す。本発明の開示にあたって、アパーチャの対称的形状とは、アパーチャ表面に対して垂直な軸の周囲を１８０度回転させると再び同じアパーチャ形状となる形状として規定される。図１（ａ）は、複数の正方形のアパーチャを示す。図１（ｂ）は、複数の矩形のアパーチャを示す。図１（ｃ）は、複数の六角形のアパーチャを示す。図１（ａ）−（ｃ）におけるアパーチャをアパーチャ表面に対して垂直な軸の周囲を１８０度回転させると、同じアパーチャ形状となる。
【００１５】
対称的なアパーチャに関して、１つのアパーチャは正または負の符号が与えられ、同じ符号の光学力を有する光学要素（例えば、レンズ）がアパーチャに対応している。例えば、図１の各図において、対角に関する光学要素は同じ光学力符号を有する。しかしながら、この選択は、正の光学力を有する少なくとも１つの光学要素と負の光学力を有する少なくとも１つの光学要素を有する配置により、ターゲット上に特定の照射プロフィール（irradiation profile）を達成することが要求される場合、他の選択に置き換えることが可能である。
【００１６】
対称的である代わりに、その配置を形成するアパーチャの形状を非対称にしてもよい。このことは、ターゲットが特定の非対称照射プロフィールを要求する場合、必要である。本発明の開示にあたって、アパーチャの非対称形状とは、アパーチャ表面に対して垂直な軸の周囲を１８０度回転させるとアパーチャの形状を反転させた鏡像となる形状として規定される。ほとんど１００％の開口率を得る必要がある場合、有用な非対称形状は、複数の前述した非対称形状の集まりが正方形、矩形または六角形の形状になるそれらの形状に限定される。例えば、図２（ａ）または図２（ｂ）は、複数のアパーチャが三角形状を有して積み重なった六角形状または矩形状になるように配置された状態をそれぞれ示している。一方、図３（ｃ）は、複数のアパーチャがＬ字形状を有して積み重なった矩形状になるように配置された状態を示している。
【００１７】
非対称のアパーチャ配置に関して、それぞれの図２（ａ），（ｂ）および図３（ｃ）において示すように、先細りの先端が上向きのアパーチャの符号は正が選択されてもよく、そのときには先細りの先端が下向きのアパーチャの符号は負が選択されることになる。ターゲット上にそれぞれの非対称のアパーチャと同じ形状を有する照射プロフィールを得るために、正／負の符号を備えた全てのアパーチャは、アパーチャと対応する正／負の光学力を備えた光学要素を有する必要がある。その反対も考え得るが、この場合、ターゲット上に生じるプロフィールは鏡面反転（mirror invert）させたものになる。ターゲット上に（非対称アパーチャ形状により生じるものであるが）相似でない形状を有する照射プロフィールを得るには、いくつかの光学要素が選択されたアパーチャ／光学要素の符号の規則（convention）に対して反対の光学力を有していてもよい。図２（ａ），（ｂ）および図３（ｃ）のそれぞれにおいて示されている非対称的に形成されたアパーチャは限定されるものではなく、任意の非対称アパーチャ形状の一例を示したものである。
【００１８】
本発明の原理は、１次元、２次元、あるいは３次元に配置された光学要素を有するアパーチャ配置により実施されてもよい。
【００１９】
後述するように屈折型小型レンズは、前述したアパーチャが対応する光学要素として用いられることになるが、本発明では、例えば、反射型光学部品、回折型光学部品、またはフレネル光学部品などの制限的でないさまざまな種類の光学要素と対応するアパーチャによって実施されてもよい。別体のアパーチャと（アパーチャと対応する）光学要素の他に、光学要素自体がアパーチャであってもよい。
【００２０】
ビーム収束装置（beam integrator layout）内のアパーチャおよび光学要素配置が示された好ましい実施形態は、図４（ａ）において概略的に示されており、（全体的に符号３０で示された）１つの単体の小型レンズアレイと正の主レンズ３１１とからなる。２つの外側小型レンズ３２および３３に対する光線だけが明確に表わされている。外側小型レンズ３２および３３は、上方の凸の小型レンズ３２および下方の凹の小型レンズ３３である。エネルギー源から平行に入力するビーム３６は、小型レンズアレイ３０上に入射される。この小型レンズアレイ３０は、入射ビームをビームレットアレイ（例えば、符号３７または３７’）に分光し、そしてこれらは集光する主レンズ３１１を介してターゲットで重ね合わされる。
【００２１】
少なくとも１つの（正の光学力を有する）正の小型レンズと少なくとも１つの（負の光学力を有する）負の小型レンズとからなる少なくとも３つの小型レンズの配置が、アレイ内に提供されている。正の小型レンズは、（図４（ａ）に示すように、小型レンズ３２と光線３８に対応して）ターゲット平面前方に実像のビームレット焦点を形成することになる。負の小型レンズは、（図４（ａ）に示すように、小型レンズ３３と光線３８’に対応して）小型レンズおよび主レンズの関連する光学力の程度に応じて、小型レンズアレイ前方またはターゲット平面後方のいずれかに虚像のビームレット焦点を形成する。本発明の原理は、全ての小型レンズが等しい正の光学力を有する場合、または全ての小型レンズが等しい負の光学力を有する場合であっても実施可能である。しかしながら、本発明の原理は、異なる大きさの光学力の小型レンズを用いた場合、または主レンズ３１１の間隔により異なる小型レンズを用いた場合であっても実施可能である。
【００２２】
前記ターゲット平面は主レンズ３１１の焦点位置に配置される。正の主レンズ３１１は、それぞれのビームレットの主光線をターゲット３４上の共通点に集めて（focus）、焦点ぼけ（defocus）したビームレットを前記ターゲット３４に重ね合わせる。レンズに収差（aberration）がない場合、主レンズ３１１の焦点位置に形成された焦点３４は小型レンズアパーチャを模写することになる。
【００２３】
実際には、前記主レンズ３１１の焦点の距離および形状は、収差（色収差または単色（monochromatic）収差）を減少させるように選択されてもよい。あるいは、主レンズ３１１は、光軸３５に対するビームレットの角度および距離を起因とする収差を補正するような形状に形成されてもよい。主反射部材を主レンズ３１１の代わりに用いてもよい。図５（ｃ）は、主レンズ３１１の代わりに主反射部材３１２（例えば、凹面鏡）を設けたことを除いて図４（ａ）に示されたものと同様の他の好ましい実施形態を概略的に示す。
【００２４】
ターゲット上の照射強度は、（平行な入射波面を仮定した）無限遠での軸上目標点の焦点ぼけした回折点の合計（点拡散機能（point spread functions））である。エネルギー源が小型レンズアパーチャ全体に渡って空間的に可干渉性を有する場合、もしくは光線光学（ray optics）の観点から単一領域点によって規定可能な場合、回折点は、重ねられた（superimposed）（焦点ぼけの程度および他の偏向によって決定される）回折リングによって副アパーチャ（subaperture）の形状を厳密に模写することになる。対応する光学要素と共に複数のアパーチャからなる配置として図２（ａ）のような配置を用いた場合、ターゲット３４上の照射プロフィールは、前記回折リングを無視した図４（ｂ）に示すようなものになる。しかしながら、図２（ａ）に示した配置の代わりに他のあらゆる対称的または非対称的アパーチャ形状の配置も可能である。
【００２５】
ターゲットでのビーム照射のスポット寸法は、次式（１）で与えられる。
【００２６】
【数１】
2006065348.tif 000003
ここで小型レンズのｆ番号は、次式（２）で与えられる。
【００２７】
【数２】
2006065348.tif 000004
【００２８】
他の好ましい実施形態において、ターゲット上の照射プロフィールをあらゆる形状に変形するために、（これに制限されないが、レンズの傾きおよび回転と同様のレンズプロフィール設計を含む）収差を小型レンズに加えてもよい。例えば、図６−８の各図は、２×２のアパーチャ／小型レンズ配置を用いることによりターゲット上に得られた異なる照射プロフィールの変形例を示す。図６−８の各図に示す照射プロフィールは、図９（ａ）において概略的に示した光学的装置（layout）を用いることにより得られたものである。図９（ａ）には、主たる収束光学要素５１１と共に２×２の幾何学的配置５１０内に配置された４つのアナモルフィック（anamorphic）な小型レンズ（例えば、簡潔にするために２つのアパーチャ／小型レンズの組合わせだけに符号５１２および５１３が付されている）と対応する４つの正方形アパーチャが示されている。また、少なくとも１つのアパーチャ／小型レンズの組合わせは、正の光学力を有し、他の少なくとも１つのアパーチャ／小型レンズの組合わせは、負の光学力を有している。配置５１０および主要素５１１は、入射照射光（incident irradiation）のプロフィールを再形成し、それを効果的にターゲット５１４上に向ける。
【００２９】
小型レンズの傾き、表面プロフィール、および回転は、パラメータａ１とａ２、ａ３とａ４、およびθによってそれぞれ表わされる。小型レンズのパラメータａ１とａ２は、それぞれ小型レンズのｘとｙ方向における傾きに関する（ｚ軸は主光学要素の光軸である）。小型レンズのパラメータａ３とａ４は、それぞれｘとｙ方向における小型レンズ表面のプロフィールに関する。それぞれのプロフィールは、小型レンズを透過するビームレットの焦点を合わせるか、または、焦点をぼかす。小型レンズのパラメータθは、配置の座標系のｚ軸周りにおける小型レンズの座標系のｘ−ｙ軸の回転に関し、小型レンズのｘ−ｙ軸は、配置のｘ−ｙ軸に関して角度θだけ回転される。より高次の項（terms）、例えば、４次の項が、さまざまな付加的収差をもってターゲット上に照射プロフィールを形成するために付け加えられてもよい。
【００３０】
傾き、表面曲率、およびｚ軸周りの小型レンズ回転を用いることにより、小型レンズの表面プロフィールは、次式（３）によって表わされる。
【００３１】
【数３】
2006065348.tif 000005
【００３２】
より高次の項、例えば、４次の項が、さまざまな他の収差をもって像形成を達成するために付け加えられてもよい。
【００３３】
図６−８の各図に示されたターゲット５１４上の照射プロフィールは、ミリメートル単位の距離測定値および度単位での角度測定値を使用するFocus Software Inc.によって提供されているＺＭＡＸ光線追跡（ray-tracing）プログラムを用いて得られたものである。（１次ビーム収束光学要素における５０ミリメートルの焦点距離を含む）図６−８の各図を作成する下記のパラメータ値は、単なる一例として使用される。適切なパラメータ値は、ターゲット上の照射プロフィールの所望の寸法および形状に基づいて選択される。
【００３４】
整合性のため、アパーチャ−小型レンズ配置５１０への入射照射光の方向で見ると、以下のパラメータの表内において番号が割り当てられている小型レンズは、小型レンズ１として番号が割り当てられている上端左方の小型レンズから順番に時計回り方向に配置される。
【００３５】
図６（ａ）に示す肉厚の中抜き正方形である照射プロフィールを得るために、以下の表１のパラメータが使用された。
【００３６】
【表１】
2006065348.tif 000006
【００３７】
この場合、小型レンズ１および２は同様であって、ｘおよびｙ方向において異なる大きさの負の光学力を有しており、一方、小型レンズ３および４もまた同様であって、ｘおよびｙ方向において異なる大きさの正の光学力を有していることに留意する必要がある。また、小型レンズは、ｚ軸周りをゼロ回転することにも留意する必要がある（このことは、小型レンズのｘ−ｙ軸がアパーチャ／光学要素配置のｘ−ｙ軸に対して回転しないということである）。
【００３８】
図６（ｂ）において示す位置がずれた２つの矩形状照射プロフィールは、９０度の回転角度θを小型レンズ１および２に適用することを除いては、図６（ａ）に示した照射プロフィールを得るために使用されたものと同様のパラメータを使用することにより得られる。図６（ｃ）において示す位置ずれのない２つの矩形状照射プロフィールは、小型レンズ１および２についてａ１をゼロと等しい値に設定し、小型レンズ３および４についてａ２をゼロと等しい値に設定することを除いては、図６（ｂ）に示した照射プロフィールを得るために使用されたものと同様のパラメータを使用することにより得られる。図６（ｄ）に示す１つの矩形状照射プロフィールは、全ての小型レンズについてａ１およびａ２の両方をゼロと等しい値に設定することを除いては、図６（ｃ）に示した照射プロフィールを得るために使用されたものと同様のパラメータを使用することにより得られる。
【００３９】
図６（ｃ）および図６（ｄ）に示す照射プロフィールは、前記ペプラー（Pepler）の従来技術（ペプラーの図９ｂまたは図９ｄに示されている）によって作られるプロフィールと比較される。ペプラーにおいて、図９ｂは位置ずれのない平行な２つの矩形を示し、図９ｄは１つの矩形を示している。本明細書に開示した前記図面とペプラーに開示された前記図面において示された照射プロフィールとの比較は、ペプラーの照射プロフィールが遠距離のフィールドイメージ（far field images）であるために中央ホットスポットを有することを除いて、前記両方の照射プロフィールが相似していることを示す。また、中央ホットスポットは、本実施形態によって得られた前記照射プロフィールには現れていない。ペプラーの方法と本実施形態との間の多くの相違点において、本実施形態は、（１）同様の照射プロフィールを生成するためにペプラーによって使用された光学要素に比べて少ない光学要素を用いることによって照射プロフィールを生成し、（２）ペプラーが必然的に形成する中央ホットスポットを形成しないように照射光を導き、（３）照射プロフィールを変化させるための光学要素の操作をより簡単にできる。
【００４０】
図６（ｅ）は、図６（ａ）のパラメータ値が小型レンズ３および４についてθが−３０度と等しくなるように変更され、その他のパラメータ値が図６（ａ）において示したような照射プロフィールを生成するパラメータ値と等しい場合のプロフィールを表わす。
【００４１】
図６（ｆ）は、肉厚の不等辺四辺形状の照射プロフィールを表わす。この照射プロフィールは以下のパラメータ値が選択された場合に得られる。
【００４２】
【表２】
2006065348.tif 000007
【００４３】
図７（ｇ）は、小型レンズ２についてａ３およびａ４がそれぞれ０．０５３および０．０２であることを除いて、図６（ａ）において示したプロフィールを得るために使用されたパラメータ値を使用した場合の肉厚の中抜き正方形からなる他の照射プロフィールを示す。図７（ｇ）の照射プロフィールを生成するパラメータ値は、以下のものである。
【００４４】
【表３】
2006065348.tif 000008
【００４５】
図７（ｇ）の照射プロフィールを生成する配置は、（負の光学力を備えた２つの小型レンズと正の光学力を備えた２つの小型レンズとを有する図６（ａ）の照射プロフィールを生成する配置とは対照的に）負の光学力を備えた１つの小型レンズ（小型レンズ１）と正の光学力を備えた３つの小型レンズとを有することに留意する必要がある。図６（ａ）と図７（ｇ）とを詳細に調べてみると、図に表わされた肉厚の中抜き正方形は、同じ全体形状を有するが実は異なる。すなわち、図６（ａ）と図７（ｇ）の肉厚の中抜き正方形の上辺における強度分布が異なっている。この違いは、アパーチャ−小型レンズ配置への照射光の入射（irradiation incident）を表わす光線のターゲット上への異なる再分布（redistribution）によって生じる。異なる再分布は異なる小型レンズによって生じる。前述した本発明の可能性は、アパーチャ−小型レンズ配置への照射光の入射の強度プロフィールをターゲット上の異なる照射強度プロフィールを操作するのに有利に用いることができる。例えば、入射照射光の不均質なプロフィールを均質化することによりターゲット上でより均質な照射プロフィールを得ることが可能となる。
【００４６】
次のいくつかの図は、照射強度プロフィールに関する１つまたは２つのパラメータ値を変えることによる影響を示す。図７（ｈ）は、図７（ｇ）の照射プロフィールにおける変形例を示したものであり、図７（ｇ）に示した照射プロフィールを生成する配置において小型レンズ１を４５度回転させ、一方、小型レンズについての他のパラメータ値は同様である場合の変形例である。図７（ｉ）は、図７（ｇ）の照射プロフィールにおける変形例を示したものであり、図７（ｇ）に示した照射プロフィールを生成する配置において小型レンズ１についてθが９０度であり、一方、小型レンズについての他のパラメータ値は同様である場合の変形例である。図７（ｊ）は、図７（ｇ）の照射プロフィールにおける変形例を示したものであり、図７（ｇ）に示した照射プロフィールを生成する配置において小型レンズ１についてθが９０度でａ１が０．０７であり、一方、小型レンズについての他のパラメータ値は同様である場合の変形例である。
【００４７】
本発明の原理は、一方向における光学力を有する光学要素を用いて実施されてもよい。例えば、図８（ｋ）は、以下のパラメータ値を使用することにより得られた、ターゲット上の細線からなる正方形の照射プロフィールを示す。
【００４８】
【表４】
2006065348.tif 000009
【００４９】
この配置内の４つの小型レンズの内、２つの小型レンズ（小型レンズ１および２）は、一方向において負の光学力を有し、かつ他の方向においてゼロの光学力を有する（すなわち、小型レンズ１および２は、円柱形状の発散小型レンズである）とともに、他の２つの小型レンズ（小型レンズ３および４）は、一方向において正の光学力を有し、かつ他の方向においてゼロの光学力を有する（すなわち、小型レンズ３および４は、円柱形状の収束型小型レンズである）。
【００５０】
図８（ｌ）は、小型レンズ３および４についてのθが３０度と等しく、その他のパラメータ値が図８（ｋ）に示したプロフィールを得るために使用されたパラメータ値と同様のものである場合に得られた照射強度プロフィールを示す。図８（ｍ）は、以下のパラメータ値を使用して得られた細線からなる不等辺四辺形を表わす。
【００５１】
【表５】
2006065348.tif 000010
【００５２】
もちろん、得ることが可能なさまざまな照射プロフィールは図６−８の各図に示した前記複数の照射プロフィールに制限されるものではない。図６−８の各図を用いて説明した本発明の原理は、他の２次元配置として（寸法もしくは形状あるいは寸法及び形状の両方において等しいかまたは異なる）建築用ブロックのように２×２の正方形アパーチャからなる配置を使用して適用可能である。また、本発明の原理は、対称的アパーチャの代わりに非対称的アパーチャ配置を用いて実施することも可能である。例えば、２×２の正方形アパーチャからなる配置は複数の頂点上向きまたは頂点下向きの三角形（正方形を形成するように上向き及び下向きの三角形の組合わせ）によって実施されてもよい。非対称的アパーチャ形状を用いることにより、ターゲット上に異なる照射プロフィールを得るために異なる収差パラメータ値を用いることが可能である。本発明の原理は、全てが非対称、全てが対称、あるいは対称及び非対称の組合わせである寸法もしくは形状（あるいは寸法および形状の両方）が異なるアパーチャ／小型レンズの組合わせからなるｎ×ｎ（あるいはｎ×ｍ、この場合ｎとｍは等しくない）の建築用ブロックを用いて実施することも可能である。また、アパーチャおよび対応する光学要素配置は２×２であることに制限されるものではなく、あらゆる数の横および縦の組合わせからなる小型レンズを用いることも可能である。さらに、図６−８の各図において示された結果は、小型レンズの代わりに反射型光学要素を２次元的に配置したものを使用し、ターゲット上に所望の照射プロフィールを得るために適切なパラメータ値を選択することによっても得られる。
【００５３】
さらに他の好ましい実施形態において、本発明は１次元（a single dimension）に配置された非対称あるいは対称アパーチャを使用することにより実施されてもよい。例えば、図１０（ｂ）に概略的に示すように、対応する小型レンズを有する少なくとも３つの正方形状アパーチャ（簡潔にするために２つだけのアパーチャ／小型レンズの組合わせに符号を付した、例えば、５２２および５２３）を１次元配置５２０に配置してもよい。このとき、前記アパーチャ／小型レンズの組合わせの少なくとも１つは正の光学力を有し、別のアパーチャ／小型レンズの組合わせは負の光学力を有する。主たる収束光学要素（例えば、レンズ５２１）と共に前記配置５２０を、入射照射光のプロフィールを再形成する（例えば、不均質なプロフィールを有する入射照射光を再均質化する）のに、また効果的に入射照射光をターゲット５２４に向かわせるのに用いることが可能である。ターゲット上の照射プロフィールは、（１）使用されるアパーチャの形状、および（２）使用される小型レンズの特性に依存するとともに固有のものである。小型レンズをアパーチャから分離することも可能である。
【００５４】
さらに他の好ましい実施形態において、本発明は、分離した２次元配置された複数のアパーチャ／小型レンズの複数の組合わせからなる、３次元に配置された非対称あるいは対称アパーチャを使用することにより実施されてもよい。例えば、図１１（ｃ）に概略的に示すように、４つのアパーチャおよび４つの小型レンズ（簡潔にするために２つだけに符号を付した、例えば、５３２および５３３）を、それぞれのアパーチャ／小型レンズの組合わせが正方形（例えば、５３０’もしくは５３０”）の角に位置するように配置してもよい。このとき、アパーチャ／小型レンズの組合わせの正方形配置は、２次元配置を形成する。次に、これらの複数の２次元配置（例えば、５３０’もしくは５３０”）を配置することにより、３次元配置５３０が得られる。アパーチャ／小型レンズの組合わせからなる複数の２次元配置を、異なる２次元配置に関して一致するかもしくは一致しないように重ねて配置してもよい。主たる収束光学要素（例えば、レンズ５３１）と共に前記配置５３０を、入射照射光のプロフィールを再形成するのに、また効果的に入射照射光をターゲット５３４に向かわせるのに用いることが可能である。
【００５５】
アパーチャ／小型レンズの組み合わせからなる３次元配置は、アパーチャ／小型レンズの３次元配置上への照射光の入射角度を変更することによりターゲット上の照射プロフィールを変形することが可能となる。また、アパーチャ／小型レンズの組み合わせからなる３次元配置は、３次元配置を形成するそれぞれの２次元配置の向き、または２次元配置間の距離、あるいはそれらの両方を変更することによりターゲット上の照射プロフィールを変形することも可能となる。
【００５６】
３次元配置を形成する、それぞれの２次元配置における複数のアパーチャ／小型レンズの組み合わせの配置は、幾何学的に同様であってもよいし、あるいは異なる幾何学的寸法または形状を有することで幾何学的に異なってもよい。例えば、アパーチャ／小型レンズの組み合わせからなる１つの２次元配置を正方形状の配置に形成し、一方、別の２次元配置を矩形、三角形、六角形、もしくは円形（あるいはその他の多角形）の形状、または任意の配置に形成することが可能である。さらに、それぞれのアパーチャ／小型レンズは、同じ形状およびパラメータ値を有してもよいし、異なる形状およびパラメータ値を有してもよい。
【００５７】
前述したような本発明の原理は、屈折型光学要素を使用する代わりに、光学要素として反射型光学要素を、１次元、２次元、あるいは３次元配置で用いることにより実施することが可能である。
【００５８】
前述した光学的配置の出力は、ビームレットアパーチャの回折領域の重ね合わせであるという仮定に基づいている。前記回折領域は、フレネル積分を用いることにより得られる。ビームがそれぞれのビームレットアパーチャについて空間的に可干渉性を有しなければ、より複雑な積分が必要とされ、一般的に、小型レンズアパーチャの合理的な模写は得られない。
【００５９】
図１２は、ターゲット上にさまざまなスポット寸法を達成するためにズーム機能を備えた光学部品の組み合わせからなる光学アレイを備えた本発明の実施形態を示す。図４（ａ）と図１２との異なる点は、主レンズ３１１をズーム機能を備えた光学部品の組み合わせ６１で置き換えたことである。ズーム機能を備えた組み合わせ６１は、２つのレンズ６１１および６１２からなり、２つのレンズ６１１と６１２との間の距離ｄを変化させることによってターゲット上のスポット寸法を変化させることを可能にするさまざまな焦点距離を有する有効な主レンズに相当する。一般的に知られているように、２つのレンズからなるズーム機能を備えた組み合わせに対する有効な焦点距離は、次式（４）により与えられる。
【００６０】
【数４】
2006065348.tif 000011
ここで、ｄ、ｆ１およびｆ２は、２つのレンズ６１１と６１２との間の距離とそれらの焦点距離をそれぞれ表わしている。２つのレンズからなるズーム機能を備えた組み合わせの実施例は、一般的に良く知られているように２つのレンズより多数のレンズを使用してズーム機能を備えた組み合わせ６１を形成することが可能であるという一例として説明されている。また、よく知られているように、屈折型光学要素の代わりに、あるいは付け足して反射型光学要素を、ズーム機能を備えた組み合わせ６１を形成するのに使用することも可能である。
【００６１】
ズーム機能を備えた組み合わせ装置は、対応する収差型（aberrated）あるいは非収差型（unaberrated）光学要素を有する（対称的なあるいは非対称的な）アパーチャ配置と共に使用されてもよい。
【００６２】
屈折性を有することに加えて、小型レンズとして前述した光学要素は、反射性、回折的透過（diffractive-transmissive）性、あるいは回折的反射（diffractive-reflective）性を備えていてもよい。金属製の反射型アナモルフィックあるいは非回転（non-rotationally）対称的要素をダイヤモンド回転（diamond turn）してもよい。前述したようなさまざまな種類の小型レンズアレイを製造するためにフォトリソグラフィ技術を使用することが好ましい。適切な厚さのフォトレジストをガラスウエハ上に通常は引き伸ばして焼き固める。プラスティックあるいはその他の光学的に適切な材料をガラスの代わりに用いてもよい。レンズ表面の外郭（profile）は、クロムマスクまたはグレースケールマスクを介してＵＶ光線を露光してからフォトレジストを現像することによりフォトレジストで形成される。そして、レンズ表面の外郭は、リアクティブイオンエッチング（reactive ion etching）またはイオンミリングによってガラスに転写される。
【００６３】
別の製造方法において、グレースケールマスクを用いた製造方法は前述した問題点を解決する。図１３は、グレースケールマスク技術によって製造された正または負の光学要素からなるアレイを示す。そのとき、この工程に固有の非線形性は、所望の小型レンズ表面外郭を正確に製造するためにグレースケールマスクに対する繰り返しの補正をしばしば必要とする。
【００６４】
本明細書において開示した原理は、（医学または歯学における適用を含む）レーザ熱処理、レーザ機械加工、製品のマーキング、レーザポンピング（laser pumping）または繊維射出成形（fiber injection）に使用されるレーザダイオードアレイインテグレーション（laser diode array integration）、フォトリソグラフィックマスクアライナまたはステッパ、および繊維射出成形システムなど、これらに限定されることがない数多くの適用において使用することが可能である。
【００６５】
本発明を使用することにより、ターゲット上に形成された照射ビームは、Ｘ線、紫外線周波数、可視光線周波数、赤外線周波数、ミリメートルウェーブ（millimeter-waves）、およびマイクロウェーブなど、これらに限定されることがない電磁スペクトルを含んでもよい。照射出力源は、（レーザまたはメーザにおける場合と同様に）可干渉性を有してもよいし、あるいは小型レンズ全体について空間的に可干渉性が形成される（アークランプにおける場合と同様に）不可干渉性を有してもよい。
【００６６】
アパーチャおよびそれらと対応する光学要素を、例えば、屈折型小型レンズの活性透過領域（active transmitting area）、反射型小型レンズの活性反射領域（active reflecting area）、あるいは回折型光学要素の活性回折領域（active diffracting area）によって画定されるアパーチャにより１つのアパーチャ／光学要素物に統合してもよい。また、光学要素および一次ビーム収束要素を単一材料物として形成してもよいことに留意する必要がある。例えば、光学要素および一次収束要素が屈折型光学要素である場合、光学構造の一方の側が小型レンズを与えて他方の側が一次ビーム収束要素を与える集積型光学構造を造ってもよい。
【００６７】
本発明を詳細に記載および図示したが、この記載は一例に過ぎないことは明らかである。本発明の範囲は、前記請求項によって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態の教示に係る正または負の光学力を備えた光学要素を有する複数の正方形状のアパーチャを示した概略図である。（ｂ）は、本発明の実施形態の教示に係る正または負の光学力を備えた光学要素を有する複数の矩形状のアパーチャを示した概略図である。（ｃ）は、本発明の実施形態の教示に係る正または負の光学力を備えた光学要素を有する複数の六角形状のアパーチャを示した概略図である。
【図２】（ａ）は、本発明の教示に係る正または負の光学力を有し、六角形状に集められた光学要素からなる複数の三角形状のアパーチャを示した概略図である。（ｂ）は、本発明の教示に係る正または負の光学力を有し、矩形状に集められた光学要素からなる複数の三角形状のアパーチャを示した概略図である。
【図３】（ｃ）は、本発明の教示に係る正または負の光学力を有し、矩形状に集められた光学要素からなる複数のＬ字形状のアパーチャを示した概略図である。
【図４】（ａ）は、アパーチャおよびそれらと対応する光学要素が２次元に配置された本発明の実施形態に係る屈折型ビーム収束装置の光学装置を示した概略図である。（ｂ）は、（ａ）の光学装置において図２（ａ）と同様のアパーチャが使用された場合のターゲット上の照射プロフィールを示した図である。
【図５】（ｃ）は、アパーチャおよびそれらと対応する光学要素が２次元に配置された本発明の実施形態に係る屈折型ビーム収束装置の光学装置を示した概略図である。
【図６】（ａ）〜（ｆ）は、図４（ａ）と同様の光学装置内の２×２の正方形アパーチャと対応する光学要素が、実施例において記載されたように変えられた場合の照射プロフィールを示す。
【図７】（ｇ）〜（ｊ）は、図４（ａ）と同様の光学装置内の２×２の正方形アパーチャと対応する光学要素が、実施例において記載されたように変えられた場合の照射プロフィールを示す。
【図８】（ｋ）〜（ｍ）は、図４（ａ）と同様の光学装置内の２×２の正方形アパーチャと対応する光学要素が、実施例において記載されたように変えられた場合の照射プロフィールを示す。
【図９】（ａ）は、アパーチャおよびそれらと対応する光学要素が２次元に配置された本発明の実施形態に係る屈折型ビーム収束装置の光学装置の概略図である。
【図１０】（ｂ）は、アパーチャおよびそれらと対応する光学要素が１次元に配置された本発明の実施形態に係る屈折型ビーム収束装置の光学装置の概略図である。
【図１１】（ｃ）は、アパーチャおよびそれらと対応する光学要素が３次元に配置された本発明の実施形態に係る屈折型ビーム収束装置の光学装置の概略図である。
【図１２】さまざまなスポット寸法を提供するビーム収束器に使用されるズーム機能を備えた装置の概略図である。
【図１３】グレースケールマスク技術によって生成された正または負の光学要素からなるアレイの写真である。
【符号の説明】
【００６９】
３０  小型レンズアレイ
３２，３３  外側小型レンズ
３４  ターゲット
３５  光軸
３６  ビーム
３７，３７’  ビームレットアレイ
３８  光線
３１１  正の主レンズ
３１２  主反射部材
【図１】
2006065348.tif 000012
【図２】
2006065348.tif 000013
【図３】
2006065348.tif 000014
【図４】
2006065348.tif 000015
【図５】
2006065348.tif 000016
【図６】
2006065348.tif 000017
【図７】
2006065348.tif 000018
【図８】
2006065348.tif 000019
【図９】
2006065348.tif 000020
【図１０】
2006065348.tif 000021
【図１１】
2006065348.tif 000022
【図１２】
2006065348.tif 000023
【図１３】
2006065348.tif 000024