(57)【要約】  所望の照射光パターンを生成する光学システムおよび方法を提示する。当該システムは、空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、ビーム形成装置とを具備する。このビーム形成装置は、（ｉ）空間的に離間した光ビームのアレイを単一の光ビームに合成することによる照射光の強度の大幅な増加、および（ｉｉ）光ビームの強度プロファイルに作用することによる略長方形の均一強度プロファイルの照射光の供給、の少なくとも一つを実行するよう構成され、動作可能な回折光学ユニットとして構成される。
2007508596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムであり、空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するよう構成され、動作可能な光源システムと、（ｉ）空間的に離間した前記光ビームのアレイを単一の光ビームに合成することによる前記照射光の強度の大幅な増加、および（ｉｉ）前記光ビームの強度プロファイルに作用することによる略長方形の均一強度プロファイルの照射光の供給、の少なくとも一つを実行するよう構成され、動作可能な回折光学ユニットとして構成されるビーム形成装置と、を具備する光学システム。
【請求項２】
前記回折光学ユニットは、少なくとも一つの逆ダンマン格子を具備する、請求項１（ｉ）記載の光学システム。
【請求項３】
前記回折光学ユニットは、トップハット素子アセンブリを具備する、請求項１（ｉｉ）記載の光学システム。
【請求項４】
前記トップハット素子アセンブリは、空間的に離間した前記光ビームのアレイに従って配置されたトップハット素子アレイを具備し、前記トップハット素子の各々は、前記光ビームの対応する１つに作用する、請求項３記載の光学システム。
【請求項５】
前記トップハット素子は、前記対応する光ビームの強度プロファイルに作用して、前記対応する光ビームから被照射表面の全体の形状に相当する略長方形の強度プロファイルの照射光ビームを生成するよう構成される、請求項４記載の光学システム。
【請求項６】
前記トップハット素子は、前記対応する光ビームの強度プロファイルに作用して、前記対応する光ビームから被照射表面にあるピクセルのアレイのうちの単一のピクセルの形状に相当する略長方形の強度プロファイルの照射光ビームを生成するよう構成される、請求項４記載の光学システム。
【請求項７】
前記トップハット素子は、前記対応する光ビームの強度プロファイルに作用して、前記対応する光ビームから被照射表面にあるピクセルのアレイのうちのサブピクセルの形状に相当する略長方形の強度プロファイルの照射光ビームを生成するよう構成される、請求項４記載の光学システム。
【請求項８】
前記光源システムは、各素子が前記複数の光ビームのうちの対応する一つを生成する複数の光源素子を具備する、請求項１記載の光学システム。
【請求項９】
前記光源システムは、少なくとも一つの光ビームを生成する少なくとも一つの光源素子と、少なくとも一つの光ビームを空間的に離間した複数の光ビームのアレイに分割するための分光ユニットとを具備する、請求項１記載の光学システム。
【請求項１０】
レンズの光軸に沿ってビームを方向付ける、前記光ビームのアレイの光学経路に収容されたレンズを有する集光光学系を具備する、請求項１記載の光学システム。
【請求項１１】
各レンズが前記光ビームのアレイのうちの対応する一つのビームの光学経路に位置するレンズのアレイを有する集光光学系を具備する、請求項１記載の光学システム。
【請求項１２】
前記光源システムは、少なくとも一つの励起光源装置と、前記少なくとも一つの励起光源装置により生成された光により励起される少なくとも一つの非線形光学媒体とを具備する、請求項１記載の光学システム。
【請求項１３】
前記励起光源装置は、前記非線形光学媒体を直接励起するための面発光レーザ光源を具備する、請求項１２記載の光学システム。
【請求項１４】
前記励起光源装置は、面発光レーザ光源とレーザ発振結晶とを具備する、請求項１２記載の光学システム。
【請求項１５】
前記少なくとも一つの励起光源装置は、面発光レーザ光源素子アレイを具備する、請求項１２記載の光学システム。
【請求項１６】
前記少なくとも一つの励起光源装置は、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のアレイを具備する、請求項１２記載の光学システム。
【請求項１７】
前記光源システムは、少なくとも一つの光源素子を具備し、前記光源素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイス、端面発光レーザ、および面発光レーザのうちの少なくとも一つである、請求項１記載の光学システム。
【請求項１８】
前記分光ユニットは、少なくとも一つのマルチピクセル回折光学位相マスクを具備し、該マスクは、前記少なくとも一つの光ビームから空間的に離間した光ビームのアレイを生成するように構成される、請求項９記載の光学システム。
【請求項１９】
前記分光ユニットは、ピクセルの第一のアレイを定めるマルチピクセル回折光学位相マスクを具備し、前記ピクセルの各々は、サブピクセルの第二のアレイとして構成され、それにより前記第二のアレイに従い配列された、空間的に離間した光ビームを生成する、請求項９記載の光学システム。
【請求項２０】
前記分光ユニットは、前記システム中の光伝播の光学経路に沿って互いに離間した関係になるように収容され、それぞれ異なるピクセルのアレイを定める少なくとも第一および第二のマルチピクセル回折光学位相マスクを具備し、前記第一のマスクを光が通過すると空間的に離間した光ビームの第一のアレイを生成し、前記第二のマスクを前記第一のアレイが通過すると増加した数の空間的に離間した光ビームの第二のアレイを生成する、請求項９記載の光学システム。
【請求項２１】
前記分光ユニットは、前記少なくとも一つの光ビームから空間的に離間した光ビームのアレイを生成するように構成されたダンマン格子アセンブリを具備する、請求項９記載の光学システム。
【請求項２２】
前記ビーム形成装置は、各素子が空間的に離間した光ビームのうちの対応する一つのビームの光学経路に位置し、該対応するビームから略長方形の均一強度のプロファイルの光ビームを生成するトップハット素子アレイを具備する、請求項１８記載の光学システム。
【請求項２３】
前記分光ユニットは、縦列に配列されたダンマン格子アセンブリのアレイを具備し、一つのダンマン格子アセンブリから出力された各光ビームが後続のダンマン格子アセンブリを通過するように方向付けられ、それにより前記一つのダンマン格子アセンブリにより生成された光ビームの数を増倍するようなっている、請求項９記載の光学システム。
【請求項２４】
前記ビーム形成装置は、空間的に離間した光ビームのアレイを大幅に高い強度値の単一の合成光に合成するための逆ダンマン格子アセンブリを具備する、請求項１５記載の光学システム。
【請求項２５】
前記逆ダンマン格子アセンブリは、光学システム中の光伝播の方向に関して前記非線形光学媒体の上方に収容される、請求項２４記載の光学システム。
【請求項２６】
前記ビーム形成装置は、前記合成光ビームの光学経路に収容されて、略長方形の均一強度のプロファイルの照射光ビームを生成するトップハット素子を具備する、請求項２４記載の光学システム。
【請求項２７】
前記ビーム形成装置は、前記非線形媒体の出力側に収容されたトップハット素子アレイを具備する、請求項１５記載の光学システム。
【請求項２８】
前記非線形光学媒体から出力された光の光学経路に収容されて、空間的に離間した光ビームのアレイを生成するマルチピクセル回折光学位相マスクと、前記空間的に離間した光ビームのアレイの光学経路に収容されたトップハット素子アレイとを具備する、請求項１５記載の光学システム。
【請求項２９】
前記光源システムに接続された制御ユニットを具備し、該制御ユニットは、シーケンスメカニズムを実行するようプログラムされ、それにより、所定のパターンに従って複数の光源素子を順次動作させる、請求項１記載の光学システム。
【請求項３０】
前記パターンは、任意の時間に一つの光源素子のみが動作し、肉眼には、要求された動作時間の間、全体の光源システムが常に点灯しているように見え、その結果、前記光源システムにより定められた単一の部位での過熱を減少させる、請求項２９記載の光学システム。
【請求項３１】
前記パターンは、時間の任意の瞬間に直前に動作していた光源に相対して最も離れた光源が動作する、請求項３０記載の光学システム。
【請求項３２】
前記パターンは、任意の時間に光源素子のうちの一つのグループのみが動作する、請求項２９記載の光学システム。
【請求項３３】
前記光源システムに接続された制御ユニットを具備し、該制御ユニットは、シーケンスメカニズムを実行するようプログラムされ、それにより、所定のパターンに従って複数の光源素子を順次動作させる、請求項１５記載の光学システム。
【請求項３４】
前記パターンは、任意の時間に光源素子のうちの一つのグループのみが動作する、請求項３３記載の光学システム。
【請求項３５】
前記光源システムは、少なくとも二つの空間的に離間した光学経路を定めるように構成され、前記光源システムは、異なる波長領域で動作する少なくとも二つの光源を具備する、請求項１記載の光学システム。
【請求項３６】
前記光源の少なくとも一つは、励起光源装置と非線形光学媒体とを具備する、請求項３５記載の光学システム。
【請求項３７】
前記ビーム形成装置は、前記光学経路のうちの一つに収容されて、空間的に離間した光ビームを自身に通過させることにより、略長方形の均一強度のプロファイルの出力光ビームを生成するトップハット素子アセンブリと、前記少なくとも二つの光学経路からの光を共通の光学経路に沿って伝播するよう合成する光合成ユニットとを具備する、請求項３５記載の光学システム。
【請求項３８】
前記共通の光学経路に収容された空間光変調器（ＳＬＭ）を具備する、請求項３７記載の光学システム。
【請求項３９】
前記空間的に離間した光ビームは、前記ＳＬＭのピクセルのアレイ配列に対応する所定のアレイに配列される、請求項３８記載の光学システム。
【請求項４０】
前記トップハット素子アセンブリは、各素子が前記光ビームのうちの対応する一つのビームに対応付けられたトップハット素子アレイを具備する、請求項３８記載の光学システム。
【請求項４１】
前記ビーム形成装置は、前記少なくとも一つの非線形光学媒体の出力側に各々収容されて、非線形光学媒体から出現する光を個別の少なくとも一つの光学経路に沿って伝播する空間的に離間した光ビームの所定のアレイに分割するよう構成された少なくとも一つの分光ユニットを具備し、かつ前記光学経路のうちの少なくとも一つに収容されて、前記空間的に離間した光ビームを自身に通過させることにより、略長方形の均一強度のプロファイルの出力光ビームを生成する少なくとも一つのトップハット素子アセンブリと、前記少なくとも二つの光学経路からの光を共通の光学経路に沿って伝播するよう合成する光合成ユニットとを具備する、請求項３６記載の光学システム。
【請求項４２】
前記トップハット素子アレイは、前記少なくとも他の一つの光源に対応付けられた光学経路に収容される、請求項４１記載の光学システム。
【請求項４３】
前記少なくとも一つの励起光源装置は、ある数の面発光レーザを具備し、前記少なくとも他の一つの光源は、ある数のレーザダイスを具備する、請求項３６記載の光学システム。
【請求項４４】
前記光源システムは、それぞれ異なる波長の光を生成し、第一および第二の非線形光学媒体のための第一および第二の励起光源として動作する第一および第二の面発光レーザアレイを具備し、かつ第三の異なる波長で動作するレーザダイスアレイを具備する、請求項４３記載の光学システム。
【請求項４５】
前記第一および第二の面発光レーザアレイは、非可視スペクトル領域で動作し、それぞれ異なる二つの色の前記第一および第二の非線形光学媒体から出現する光は、可視スペクトル領域である、請求項４４記載の光学システム。
【請求項４６】
前記第一および第二の面発光レーザアレイは、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイであり、前記第一および第二の非線形光学媒体は、ＫＴＰおよびＢＢＯの結晶である、請求項４５記載の光学システム。
【請求項４７】
前記少なくとも二つの光学経路に収容された少なくとも二つの集光光学装置を具備する、請求項３５記載の光学システム。
【請求項４８】
前記光源システムは、それぞれ異なる波長の光を生成し、前記第一および第二の非線形光学媒体のための第一および第二の励起光源として動作する第一および第二の面発光レーザアレイと、第三の異なる波長で動作するレーザダイスアレイと、前記第一および第二の面発光レーザアレイに対応付けられた第一および第二の光学経路に収容される分光ユニットと、前記ダイスアレイに対応付けられた光学経路に収容されるトップハット素子アセンブリとを具備する、請求項４１記載の光学システム。
【請求項４９】
前記光源システムは、面発光レーザのアレイを含み空間的に離間した光ビームのアレイを生成する第一の光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む第二の光源、およびレーザダイスのアレイで構成された第三の光源にそれぞれ対応付けられた三つの空間的に離間した光学経路を定めるように構成される、請求項３５記載の光学システム。
【請求項５０】
前記第一の光源は、前記面発光レーザアレイにより励起される非線形光学媒体を具備する、請求項４９記載の光学システム。
【請求項５１】
前記非線形光学媒体の出力側に収容されて、そこから出現する光を空間的に離間した光ビームに分割する分光ユニットを具備する、請求項５０記載の光学システム。
【請求項５２】
前記面発光レーザアレイとレーザダイスアレイとによりそれぞれ定められた光学経路に収容された二つの集光光学装置と、前記ＬＥＤにより定められた光学経路に収容された集光光学系とを具備する、請求項４９記載の光学システム。
【請求項５３】
前記ビーム形成装置は、前記第二の光学経路に収容されて、前記ＬＥＤにより生成された光から略長方形の均一強度のプロファイルの光ビームを生成するトップハット素子と、前記三つの光学経路からの光を共通の光学経路に沿って伝播するよう合成する光合成ユニットとを具備する、請求項４９記載の光学システム。
【請求項５４】
前記ビーム形成装置は、前記第二の光学経路に収容されて、前記ＬＥＤにより生成された光から略長方形の均一強度のプロファイルの光ビームを生成するトップハット素子と、前記三つの光学経路からの光を共通の光学経路に沿って伝播するよう合成する光合成ユニットとを具備する、請求項５１記載の光学システム。
【請求項５５】
前記共通の光学経路に収容された空間光変調器（ＳＬＭ）を具備する、請求項４９記載の光学システム。
【請求項５６】
前記光源により生成された空間的に離間した光ビームのアレイは、前記ＳＬＭのピクセルのアレイ配列に対応する、請求項５５記載の光学システム
【請求項５７】
前記トップハット素子アセンブリは、各素子が前記光ビームのうちの対応する一つのビームに対応付けられたトップハット素子アレイを具備する、請求項５４記載の光学システム。
【請求項５８】
所定のパターンで空間的に離間した光ビームの形態をとる前記構造光を生成するように構成された、少なくとも一つのマルチピクセル回折光学位相マスクを具備する、請求項１記載の光学システム。
【請求項５９】
前記マルチピクセル回折光学位相マスクは、ピクセルの第一のアレイを定めるように構成され、前記ピクセルの各々がサブピクセルの第二のアレイを定めるように構成される、請求項５８記載の光学システム。
【請求項６０】
前記ビーム形成装置は、システム中の光伝播の光学経路に沿って互いに離間した関係になるように収容された少なくとも第一および第二のマルチピクセル回折光学位相マスクを具備し、前記第一のマスクから出現する光ビームは、前記第二のマスクにより光ビームのアレイにさらに分割される、請求項５８記載の光学システム。
【請求項６１】
前記少なくとも一つのマルチピクセル回折光学位相マスクに向けて伝播する光の光学経路に収容された集光光学系を具備する、請求項５８記載の光学システム。
【請求項６２】
前記少なくとも二つのマルチピクセル回折光学位相マスクの上方に、それぞれ収容された少なくとも二つの集束アセンブリを含む集光光学系を具備する、請求項６０記載の光学システム。
【請求項６３】
前記集光光学系は、各レンズの光軸に対して垂直な面に配列され、それにより、前記マルチピクセル回折光学位相マスクへ向けて伝播される集束光ビームの対応するアレイを生成するレンズのアレイを具備する、請求項６１記載の光学システム。
【請求項６４】
前記マルチピクセル回折光学位相マスクは、レンズの配列と平行な面に配列された位相マスクのアレイを具備し、前記位相マスクのアレイは、各位相マスクが前記集束光ビームのうちの対応する一つのビームと同列上に位置するように構成され、これにより、隣接ビーム間の所定の間隔と所定のビームサイズが設定された光ビームのアレイが形成される、請求項６３記載の光学システム。
【請求項６５】
所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムであり、
空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、空間的に離間した光ビームのアレイを単一の光ビームに合成し、それにより前記照射光の強度を大幅に増加するよう構成され、動作可能な回折光学ユニットして構成されたビーム形成装置とを具備する、光学システム。
【請求項６６】
前記回折光学ユニットは、逆ダンマン格子アセンブリを備える、請求項６５記載の光学システム。
【請求項６７】
前記回折光学ユニットは、前記ビームの強度プロファイルに作用して、そこから略長方形の均一強度プロファイルの光ビームを生成するよう構成される、請求項６５記載の光学システム。
【請求項６８】
前記回折光学ユニットは、トップハット素子アセンブリを備える、請求項６７記載の光学システム。
【請求項６９】
前記回折光学ユニットは、前記光ビームの強度プロファイルに作用して、そこから略長方形の均一強度プロファイルの光ビームを生成するトップハット素子アセンブリを具備する、請求項６６記載の光学システム。
【請求項７０】
前記トップハット素子アセンブリは、前記逆ダンマン格子の出力側に収容される、請求項６９記載の光学システム。
【請求項７１】
所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムであり、空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、前記複数の光ビームを合成し、それにより前記照射光の強度を大幅に増加するよう構成され、動作可能な逆ダンマン格子アセンブリを含むビーム形成装置とを具備する光学システム。
【請求項７２】
所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムであり、空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、各素子がそこを通過する光の強度プロファイルに作用して、そこから略長方形の均一な強度プロファイルの光ビームを生成するよう構成され、動作可能であるトップハット素子アレイとを具備する、光学システム。
【請求項７３】
所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムであり、少なくとも一つの光ビームを生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、前記少なくとも一つの光ビームから略一様な強度値およびプロファイルを有する空間的に離間した光ビームの所定のアレイで構成された構造光を生成するよう構成されたマルチピクセル回折光学位相マスク装置とを具備し、前記マルチピクセル回折光学位相マスク装置は、ピクセルからなる第一のアレイを定めるように構成され、前記ピクセルの各々がサブピクセルからなる第二のアレイを定めるようパターン化されて、前記構造光は、ピクセルの前記第二のアレイに従い配列された空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる、光学システム。
【請求項７４】
所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムであり、少なくとも一つの光ビームを生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、前記少なくとも一つの光ビームから略一様な強度値およびプロファイルを有する空間的に離間した光ビームの所定のアレイで構成された構造光を生成するよう構成されたマルチピクセル回折光学位相マスク装置とを具備し、前記マルチピクセル回折光学位相マスク装置は、縦列に配列された少なくとも第一および第二のマルチピクセル回折光学位相マスクを具備し、前記第一のマスクが前記光ビームを空間的に離間した光ビームの第一のアレイに分割し、前記第二のマスクが前記空間的に離間した光ビームの各々を空間的に離間した光ビームの第二のアレイに分割する、光学システム。
【請求項７５】
表面のパターニングに使用される光学システムであり、当該光学システムは、少なくとも一つの光ビームを生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、前記少なくとも一つの光ビームから略一様な強度値およびプロファイルを有する空間的に離間した光ビームの所定のアレイで構成された構造光を生成するよう構成されたマルチピクセル回折光学位相マスク装置とを具備する、光学システム。
【請求項７６】
ガウス分布強度プロファイルをもつ前記光ビームを生成するよう構成され、したがって、レンズレットアレイを製造するよう動作可能である、請求項７５記載の光学システム。
【請求項７７】
光源素子アレイと、所定のパターンに従って前記光源素子を順次に動作させるシーケンスメカニズムを実行するよう構成され、かつ動作可能な制御ユニットとを具備する、光源システム。
【請求項７８】
前記パターンは、任意の時間にレーザ電源素子のうちの一つのグループのみが動作する、請求項７７記載の光源システム。
【請求項７９】
画像をスキャンするのに使用される光学システムであり、少なくとも二つの光学経路に沿ってそれぞれ伝播する異なる波長の光を生成する少なくとも二つの光源と、前記少なくとも二つの光学経路を一つの出力光学経路に合成するための光合成装置と、前記出力光学経路に収容された機械的スキャナとを具備し、前記少なくとも２つの光源の少なくとも一つは、空間的に離間した光ビームのアレイの形態をとる構造光を生成するよう構成される、光学システム。
【請求項８０】
画像をスキャンするのに使用される光学システムであり、少なくとも二つの光学経路に沿ってそれぞれ伝播する異なる波長の光を生成する少なくとも二つの個別にアドレス指定可能な光源と、前記少なくとも二つの光学経路を一つの出力光学経路に合成するための光合成装置と、前記出力光学経路に収容された機械的スキャナとを具備し、前記少なくとも二つの光源の少なくとも一つは、空間的に離間した、各々、略長方形の均一な強度プロファイルを有する光ビームのアレイの形態をとる構造光を生成するよう構成される、光学システム。
【請求項８１】
前記少なくとも一つの光源は、個別にアドレス指定可能な、空間的に離間した光ビームを供給するよう構成される、請求項８０記載の光学システム。
【請求項８２】
所望のパターンの照射光を生成する方法であり、空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するステップと、前記構造光にビーム形成を適用するステップとを具備し、前記ビーム形成ステップは、（ｉ）複数の光ビームを単一の光ビームに合成することによる照射光の強度の大幅な増加、および（ｉｉ）入力光の強度プロファイルに作用することによる略長方形の均一強度プロファイルの光ビームのアレイの形態の照射光の供給、の少なくとも一つを実行するように構成され、動作可能な回折光学ユニットに前記構造光を通過させるステップと、を具備する方法。
【請求項８３】
前記複数の光ビームを逆ダンマン格子に通過させるステップを具備する、請求項８２（ｉ）記載の方法。
【請求項８４】
前記入力光をトップハット素子アセンブリに通過させるステップを具備する、請求項８２（ｉｉ）記載の方法。
【請求項８５】
前記トップハット素子アセンブリは、空間的に離間した光ビームのアレイに従い配列され、各素子が前記複数の光ビームのうちの対応する一つの光ビームに作用するトップハット素子アレイを具備する、請求項８４記載の方法。
【請求項８６】
前記トップハット素子は、前記対応する光ビームの強度プロファイルに作用して、前記対応する光ビームから被照射表面の全体の形状に相当する略長方形の強度プロファイルの照射光ビームを生成するよう構成される、請求項８５記載の方法。
【請求項８７】
前記トップハット素子は、前記対応する光ビームの強度プロファイルに作用して、前記対応する光ビームから被照射表面にあるピクセルのアレイのうちの単一のピクセルの形状に相当する略長方形の強度プロファイルの照射光ビームを生成するよう構成される、請求項８５記載の方法。
【請求項８８】
前記トップハット素子は、前記対応する光ビームの強度プロファイルに作用して、前記対応する光ビームから被照射表面にあるピクセルのアレイのうちのサブアレイの形状に相当する略長方形の強度プロファイルの照射光ビームを生成するよう構成される、請求項８５記載の方法。
【請求項８９】
レンズレットアレイを形成する表面のパターニングに使用される方法であり、少なくとも一つの光ビームを生成するステップと、前記少なくとも一つの光ビームから略一様な強度値およびガウス分布強度プロファイルを有する空間的に離間した光ビームの所定のアレイで構成された構造光を生成するよう構成されたマルチピクセル回折光学位相マスクに前記少なくとも一つの光ビームを通過させるステップとを具備する方法。
【請求項９０】
画像をスキャンするのに使用される方法であり、少なくとも二つの光学経路に沿ってそれぞれ伝播する異なる波長の少なくとも第一および第二の光部分を生成するステップと、前記少なくとも二つの光学経路を単一の出力光学経路に合成するステップと、前記単一の出力光学経路に沿って光ビームのアレイを機械的スキャナへ方向付けるステップとを具備し、前記光部分の少なくとも一つは、画像ピクセルのアレイに相当する空間的に離間した光ビームのアレイの形態をとる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは光学システムおよび方法に属し、投影システムに使用して好適な最適化光源、ビーム形成システムおよび方法に関係する。
【背景技術】
【０００２】
光源技術の進展に伴い、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザが利用される用途は増え続けている。これらのタイプの光源は、光学的効率が高くて消費電力が低いという理由から、ハロゲンや蛍光灯などの標準的な光源に取って代わりはじめている。
【０００３】
照射／マルチメディア産業においてＬＥＤやレーザが主要な光源になるのを妨げる問題は、比較的低い消費電力で高い光パワーを提供することができないこと、および光源の全体の価格を低くすると物理的なサイズを小型化できないことである。このような問題は、高い電力源をどうしても必要とする今日の投影システムの低効率性にも原因がある。
【０００４】
単一レーザダイオードで構成されるレーザ光源は、製造方法と高パワー出力要求のために、光源用途としては高価になりすぎる。
【０００５】
そこで、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が開発された。ＶＣＳＥＬは、光ファイバ通信装置の多くで現在使用される端面発光レーザ（ＥＥＬ）よりも大幅に優れた利点を有する半導体マイクロレーザである。ＥＥＬは、半導体層間の境界に平行な干渉光または赤外線エネルギを放射する。ＶＣＳＥＬは、層間の境界に垂直な干渉光を放射する。ＶＣＳＥＬは高性能、低コストの利点を有する。このＶＣＳＥＬの基本構造物は、二次元配列構成のウエハから直接切り出すことができる。ＶＣＳＥＬは低い閾値電流で動作するので、高密度な配列を可能にする。ＶＣＳＥＬは面に垂直な放射をし、光検出器配列とほぼ同一であるので、整列と実装が容易である。ＶＣＳＥＬは円形の低発散性出力ビームを提供するため、補正用光学系を必要としない。ＶＣＳＥＬは、端面発光レーザダイオードに比べて温度感度がより低く、高伝送速度を有し、かつ消費電力は低い。
【０００６】
垂直キャビティ面発光レーザおよびその製造方法は、例えば、特許文献１に開示される。この電気的に励起されたＶＣＳＥＬは、上下層のＤＢＲスタック間に挟まれた能動的なキャビティ材料を含む。上層のＤＢＲは少なくとも一つのｎ型半導体層を有する。当該素子は、能動的なキャビティ材料の構造表面と上層のＤＢＲスタックのｎ型半導体層との間に、開口領域を設ける。この構造表面は、ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネル接合の上側のｎ＋＋層を少なくとも含むメサの上層の表面と、メサの外側のｐ型層の表面とにより形成される。この構造表面は、ＤＢＲスタックのｎ型半導体層の表面に、これらの表面の変形により結合され、その結果、結合された表面間のメサの近傍に空気間隙が生じる。能動的な領域は、空気間隙に囲まれたメサを含むこの隙間により定められ、これにより電流が能動的な領域に流れるのを制限することができる一方、空気間隙はＶＣＳＥＬの屈折率の水平方向の変化を与える。
【０００７】
特許文献２は、微小な電気機械的技術により調節可能な垂直キャビティ光素子およびその製造方法を開示している。調節可能なファブリーペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）垂直キャビティ光素子は、上下層の半導体ＤＢＲスタックとそれらの間の可変な空気間隙キャビティとからなる。空気間隙キャビティは、下層ＤＢＲスタックの上のスペーサ中の凹部内に形成される。上層ＤＢＲスタックは、凹部の中心領域の上に位置するその領域を支持構造体により担持され、ＤＢＲスタックより外側の凹部の上の支持構造体の領域は、素子接点へのチューニング電圧の印加により偏向可能な膜を与える。
【０００８】
可視赤色ＶＣＳＥＬの実証実験においてある種の裏付けがなされてはいるものの、現在、ＶＣＳＥＬのほとんどは、主に通信の目的で不可視の領域内で利用される。
【０００９】
また、ＦＰレーザで面発光を可能にするために４５度反射鏡を内蔵したＦＰレーザの新世代も製造されてきた。
【特許文献１】米国特許第６，５４２，５３１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５４６，０２９号明細書
【発明の開示】
【００１０】
（発明の概要）
当技術分野においては、多様な用途に使用するための高効率かつ好ましくは小型の光学システムへの要望がある。
【００１１】
本発明は、光学システムの性能（例えば、投影システム）、コストおよびサイズを劇的に最適化する、光源としての観点と光伝播としての観点（光路）における新しい手法、ならびに光ビーム特性の総合制御による光学素子の低コストの製造方法を提供する。
【００１２】
本発明の光源システムは、構造光を生成するよう構成され、望ましくは、光源システムの性能を向上するよう（特定の用途に応じて）最適化された方式で動作可能なマイクロ光源のアレイを含む。また、この光源システムは、集光／光方向付けユニット（例えば、集光レンズ）を含む。このマイクロ光源は、望ましくは、共通の基板により担持され、集光レンズは光源面の上部に位置する。このマイクロ光源は、制御ユニットにより制御されたシーケンスメカニズムにより操作される。この制御ユニットは、光源システム内に統合されてもよいし（内部論理ユニット）、または光源システムに接続可能な独立ユニット（外部ユニット）であってもよい。このような論理ユニットは、光源素子（レーザ）のオンオフ状態を、順次オンになる二つの光源素子間の距離が最大になるようにし、加熱を最小化し、熱放散を最大にするような方式で制御するよう構成され、かつ動作可能である。
【００１３】
望ましくは、本発明の光源システムは、ＶＣＳＥＬなどの複数のＳＥレーザまたは高密度に実装された複数のＥＥレーザを利用する。ある場合、ＶＣＳＥＬは、励起光源としてではなく、光源そのものとして使用される。代替的には、可視スペクトル領域（例えば、緑色光または青色光）において、このスペクトル領域外の光を発光するＶＣＳＥＬを使用して動作させるために、非線形光媒体（例えば、結晶またはポリマー）と共にＶＣＳＥＬが使用される。この場合、ＶＣＳＥＬのレーザ発振周波数を直接可視領域に倍加するか、あるいは励起光源としてＶＣＳＥＬを使用するレーザ発振結晶と組み合わせて、レーザ結晶からの発光周波数を可視領域に倍加する。
【００１４】
さらに、本発明は新しいビーム形成技術を提供する。広い意味では、ビーム形成は、ある光入力（単一ビームまたは複数ビーム）から所望の断面をもつ光出力（同様に、複数ビーム出力または単一ビーム出力）を得ることを狙いとする。ビーム形成の使用は、最適化光源として複数のマイクロ光源（例えば、ＶＣＳＥＬ）を用いて動作させる場合に不可欠である。複数のマイクロ光源は、構造光、すなわち、互いに離間した複数の光ビームを生成する。これらの光ビームは、合成されると、一方では、より高い強度の出力ビームとなるが、他方では、適切に形成する必要がある。本発明のビーム形成技術は、回折光学アセンブリを利用する。このアセンブリは、トップハットまたはトップハット素子アレイ、ダンマン格子、逆ダンマン格子、マルチピクセル回折光学位相マスク（フィルタ）および／またはフラクタルに基づく手法を利用する回折光学素子を使用する。
【００１５】
したがって、本発明の一つの広範な態様によれば、所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムが提供され、当該システムは、空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、（ｉ）空間的に離間した光ビームのアレイを単一の光ビームに合成することによる照射光の強度の大幅な増加、および（ｉｉ）光ビームの強度プロファイルに作用することによる略長方形の均一強度プロファイルの照射光の供給、の少なくとも一つを実行するよう構成され、また動作可能な回折光学ユニットとして構成されるビーム形成装置と、を具備する。
【００１６】
上記光源システムは、各素子がそれぞれ、構造光を構成する複数の光ビームのうちの対応するビームを生成する複数の光源素子（アレイ）を含む。その代わりに、または上記に加え、上記光源システムは、単一光ビームを生成する少なくとも一つの光源と、この光ビームを空間的に離間した複数の光ビームに分割する分光ユニットとを含む。
【００１７】
この分光ユニットは、光ビームから、空間的に離間した光ビームのアレイを生成するように構成されたマルチピクセル回折光学位相マスクを含む。また、このマルチピクセル回折光学位相マスクは、複数のピクセルのそれぞれについてサブピクセルの配列を定めるよう構成され、これにより空間的に離間した各光ビームのそれぞれからさらに複数の空間的に離間した光ビームを生成する（フラクタル手法）。分光ユニットは、光ビームから、空間的に離間した複数の光ビームを生成するよう構成されたダンマン格子アセンブリを含む。分光ユニットは、縦列式に配列された（少なくとも二つの）ダンマン格子アセンブリのアレイを含む。これにより、一つのダンマン格子アセンブリから出力された各光ビームが後続のダンマン格子アセンブリを通過するよう方向付けられ、したがって第一のダンマン格子アセンブリから生成された光ビームの数が増倍される。
【００１８】
光学システムは、望ましくは、すべての光ビームの光学経路において光ビームをレンズの光軸に沿って方向付ける単一レンズ構成あるいは各レンズが光ビームの一つに対応する光学経路に位置するレンズのアレイを有する集光光学系を含む。
【００１９】
光源システムは、一つ以上の励起光源と、この励起光源より生成された光により直接または追加のレーザ結晶を介して動作する一つ以上の非線形媒体とを含む。励起光源は、例えば、ＶＣＳＥＬなどの光源素子アレイを含む。また、この光源システムは、少なくとも一つの発光ダイオード（ＬＥＤ）および／または少なくとも一つのＥＥレーザ、および／または少なくとも一つのＶＣＳＥＬを含む。
【００２０】
ビーム形成装置は、構造光から単一の高強度出力ビームを生成するための逆ダンマン格子アセンブリを含む。その代わりに、またはこれに加え、ビーム形成装置は、少なくとも一つのトップハット素子アセンブリを含む。このトップハット素子アセンブリは、各素子が複数の光ビームのうちの対応する一つのビームの光学経路に位置するトップハット素子アレイの形態をとることもある。また、このトップハット素子アセンブリは、対応する光ビームの強度プロファイルに作用して、対応する光ビームから結像表面（例えば、ＳＬＭのピクセルまたはピクセル配列全体）の形状に相当する略長方形の強度プロファイルの出力ビームを生成するよう構成される。これは、ビームのモザイクを結像表面に生成することにより、または全表面を十分にカバーしてそれらの強度を総和する各ビームにより行われる。逆ダンマン格子アセンブリをトップハットアセンブリと併用してもよい。例えば、トップハットアセンブリを逆ダンマン格子アセンブリの出力側に収容する。
【００２１】
逆ダンマン格子は、非線形光学媒体の励起を利用する種類の光源システムと共に用いてもよい。この場合、逆ダンマン格子は、光学システム中の光伝播方向に関して、非線形媒体の上方に収容される。さらに、逆ダンマン格子により生成された合成光ビームの光学経路にトップハット素子アセンブリを収容してもよい。トップハット素子アセンブリは、非線形光学媒体の励起を利用する種類の光源システムと共に用いてもよい。この場合、トップハット素子アセンブリは非線形媒体の出力側に直接収容される。
【００２２】
光学システムは、望ましくは、光源システムに接続された制御ユニットを含む。この制御ユニットは、シーケンスメカニズムを実行するようプログラムされ、これにより、所定のパターンに従って複数の光源素子を順次動作させる。このパターンにおいては、任意の時間に一つの光源素子のみが動作し、肉眼には全体の光源システムが要求された動作時間の間、常に動作しているように見える。その結果、光源システムにより定められた単一部位における過熱を減少させる。このパターンにおいては、時間の任意の瞬間に、その直前に動作していた光源に対して最も離れた光源が動作する。また、このパターンにおいては、任意の時間に、一つのグループの光源素子のみが動作する。
【００２３】
光源システムは、例えば、異なる波長領域で動作する少なくとも二つの光源にそれぞれ対応付けられた、少なくとも二つの空間的に離間した光学経路を定めるよう構成される。この光源のうち少なくとも一つは、非線形媒体の励起を利用する種類である場合もあり、少なくとも一つの他の光源は能動的な光源である。この場合、ビーム形成装置は、望ましくは、光学経路の一つに収容されて、空間的に離間した光ビームを自身に通過させることにより、略長方形の強度プロファイルの出力光ビームを生成するトップハット素子アセンブリ、および少なくとも二つの光学経路からの光を共通の光学経路に沿って伝播するように合成する光合成ユニットを含む。このようなシステムは、ＳＬＭのピクセル配列を照射するために使用される。空間的に離間した光ビームは、ＳＬＭのピクセルのアレイ配列に対応するアレイに配列される。トップハット素子アセンブリは、各素子が光ビームのうちの対応するビームに対応付けられたトップハット素子アレイを含む。ビーム形成装置は、非線形媒体から生じる光を空間的に離間した光ビームの所定のアレイに分割するための少なくとも一つの分光ユニットを含む。
【００２４】
光源システムは、第一および第二の非線形媒体にそれぞれ対応した異なる波長で動作する第一および第二のＶＣＳＥＬアレイと、第三の異なる波長で動作するレーザダイアレイとを含む。この場合、ＶＣＳＥＬアレイは非可視スペクトル領域で動作し、可視スペクトル領域の二つの異なる色をそれぞれ生成するために結晶が使用される。
【００２５】
本発明の別の広範な態様によれば、所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムが提供され、当該システムは、空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、前記複数の構造光を合成し、それにより照射光の強度を大幅に増加するよう構成され、動作可能な逆ダンマン格子アセンブリを含むビーム形成構成からなるビーム形成装置とを具備する。
【００２６】
本発明のさらに別の広範な態様によれば、所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムが提供され、当該システムは、空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、各素子がそこを通過する光の強度プロファイルに作用して、そこから略長方形の均一な強度プロファイルの光ビームを生成するよう構成され、動作可能であるトップハット素子アレイとを具備する。
【００２７】
本発明のさらに別の広範な態様によれば、所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムが提供され、当該システムは、少なくとも一つの光ビームを生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、前記少なくとも一つの光ビームから略一様な強度値およびプロファイルを有する空間的に離間した光ビームの所定のアレイで構成された構造光を生成するよう構成されたマルチピクセル回折光学位相マスク装置とを具備し、前記マルチピクセル回折光学位相マスク装置は、ピクセルからなる第一のアレイを定めるように構成され、前記ピクセルの各々は、サブピクセルからなる第二のアレイを定めるようにパターン化されて、前記構造光は、ピクセルの前記第二のアレイに従って配列された空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる。
【００２８】
本発明のさらに別の態様によれば、所望の照射光パターンを供給するよう構成された光学システムが提供され、当該システムは、少なくとも一つの光ビームを生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、前記少なくとも一つの光ビームから略一様な強度値およびプロファイルを有する空間的に離間した光ビームの所定のアレイで構成された構造光を生成するよう構成されたマルチピクセル回折光学位相マスク装置とを具備し、前記マルチピクセル回折光学位相マスク装置は、第一のマスクが光ビームを空間的に離間した光ビームの第一のアレイに分割し、第二のマスクが前記空間的に離間した光ビームの各々を空間的に離間した光ビームの第二のアレイに分割するよう縦列式に配列された少なくとも第一および第二のマルチピクセル回折光学位相マスクを具備する。
【００２９】
本発明のさらに別の広範な態様によれば、表面のパターニングに使用される光学システムが提供され、当該光学システムは、少なくとも一つの光ビームを生成するよう構成され、かつ動作可能な光源システムと、前記少なくとも一つの光ビームから略一様な強度値およびプロファイルを有する空間的に離間した光ビームの所定のアレイで構成された構造光を生成するよう構成されたマルチピクセル回折光学位相マスク装置とを具備する。
【００３０】
本発明のさらに別の広範な態様によれば、光源素子アレイと、所定のパターンに従って光源素子を順次に動作させるシーケンスメカニズムを実行するよう構成され、かつ動作可能な制御ユニットとを具備する光源システムが提供される。
【００３１】
本発明のさらに別の広範な態様によれば、画像をスキャンするのに使用される光学システムが提供され、当該システムは、少なくとも二つの光学経路に沿ってそれぞれ伝播する異なる波長の光を生成する少なくとも二つの光源と、前記少なくとも二つの光学経路を一つの出力光学経路に合成するための光合成装置と、前記出力光学経路に収容された機械的スキャナとを具備し、前記少なくとも二つの光源の少なくとも一つは、空間的に離間した光ビームのアレイの形態をとる構造光を生成するよう構成される。
【００３２】
本発明のさらに別の広範な態様によれば、画像をスキャンするのに使用される光学システムが提供され、当該システムは、少なくとも二つの光学経路に沿ってそれぞれ伝播する異なる波長の光を生成する、少なくとも二つの個別にアドレス指定可能な光源と、前記少なくとも二つの光学経路を一つの出力光学経路に合成するための光合成装置と、前記出力光学経路に収容された機械的スキャナとを具備し、前記少なくとも二つの光源の少なくとも一つは、空間的に離間した、各々略長方形の均一な強度プロファイルを有する光ビームのアレイの形態をとる構造光を生成するよう構成される。
【００３３】
本発明はまた、所望のパターンの照射光を生成するための方法を提供し、当該方法は、空間的に離間した複数の光ビームの形態をとる構造光を生成するステップと、前記構造光にビーム形成を適用するステップとを具備し、前記ビーム形成は、（ｉ）複数の光ビームを単一の光ビームに合成することによる照射光の強度の大幅な増加、および（ｉｉ）入力光の強度プロファイルに作用することによる略長方形の均一強度プロファイルの光ビームアレイの形態の照射光の供給、の少なくとも一つを実行するよう構成され、動作可能な回折光学ユニットに前記構造光を通過させるステップを含む。
【００３４】
本発明のさらに別の広範な態様によれば、レンズレットアレイを形成する表面のパターニングに使用される方法が提供され、当該方法は、少なくとも一つの光ビームを生成するステップと、前記少なくとも一つの光ビームから略一様な強度値およびガウス分布強度プロファイルを有する空間的に離間した光ビームの所定のアレイで構成された構造光を生成するよう構成されたマルチピクセル回折光学位相マスクに前記少なくとも一つの光ビームを通過させるステップとを具備する。
【００３５】
本発明のさらに別の広範な態様によれば、画像をスキャンするのに使用される方法であり、当該方法は、少なくとも二つの光学経路に沿ってそれぞれ伝播する異なる波長の少なくとも第一および第二の光部分を生成するステップと、前記少なくとも二つの光学経路を単一の出力光学経路に合成するステップと、前記単一の出力光学経路に沿って前記光ビームのアレイを機械的スキャナへ方向付けるステップとを具備し、前記光部分の少なくとも一つは、画像ピクセルのアレイに相当する空間的に離間した光ビームのアレイの形態をとる。
【００３６】
本発明の技術によれば、各ピクセルが個別に点灯し、画像内の輝度の分散が１００％均一になるので、投影画像上に均一な輝度を生み出すことができる。例えば、投影型ディスプレイ装置において光源システムとともにビーム形成装置を使用することは、ＳＬＭの物理的サイズを極めて小さくすることを可能にするとともに、表示投影技術の新たな用途の広大な多様性を切り開く。
【００３７】
ビーム形成装置（ダンマン、逆ダンマン、ダンマンおよびレンズレットの組合せ構成、マルチピクセル回折光学位相マスク、フラクタルビーム形成）に加えて、異なる種類の照射源（ＶＣＳＥＬ、ＬＥＤ、レーザダイス）を含む混合的な光源の組み合わせ（干渉性と非干渉性、偏光と非偏光）の使用は、投影システムを改良し、最適化できるとともに、その他の用途（例えば、レンズレット加工）についても最先端の技術より大幅に改良された照射システムとして利用できる。
【００３８】
より低い電力消費、より高い出力光強度、さらにスペックルの減少を実現するため、高速パルスモードドライブ動作に加えて複数の光源の単一媒体への混載、併せて複数組の光源グループ（レーザダイスアレイ、ＬＥＤダイス、ＶＣＳＥＬアレイ）と単体光源モジュール中のシーケンスメカニズムは、最先端の技術を大きく上回る改良である。
【００３９】
本発明を理解し、どのように発明が実際に実施され得るのかを明らかにするために、非限定的な例のみを用いて、添付図面を参照し、好適な実施の形態を以下に説明する。
【００４０】
（発明の詳細な説明）
図１を参照すると、本発明の光源システム１０がブロック図により示される。当該システム１０は、マイクロ光源装置６、集光光学系（集光／光方向付け光学系）４、光源ドライバアセンブリ２０、および発光シーケンスメカニズムを実行するようプログラムされたプロセッサ１８を含む。
【００４１】
図２（Ａ）〜２（Ｃ）は、図１の光源システムの可能な実現例をより具体的に示す。
【００４２】
図２（Ａ）は、共通の基板２によりすべて担持されたＮ個のマイクロ光源６と、この複数のマイクロ光源６の上に配置された集光／光方向付け光学系４とにより構成された光源モジュール１の上面図を示す。本例では、光学系４は、すべてのマイクロ光源６より生成された光を集めて、集めた光を相対的に統一された方向と平行な方向に向けて出すための単一の集光レンズを含む。追加の光学系、例えば、後述するビーム形成装置をこの集光レンズの上方および／または下方に付加できることに留意すべきである。図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、マイクロ光源におけるシーケンスメカニズムを実現するための二つの例をそれぞれ概略的に示す。これらの図はどちらも光源モジュール１の背面図を示す。
【００４３】
図２（Ｂ）の例では、光源モジュール１は、発光シーケンスメカニズムと光源ドライバ（図１で１８と２０）とを内蔵する内部制御ユニット（電子回路）８を用いて、シーケンスメカニズムを制御するよう動作する。すなわち、光源モジュール１は、マイクロ光源６のうちのどれを点灯させ、どれを消灯させるかを自動的に同期制御するように動作する。入力電圧源に接続される二つの入力ポート１１が備わっているが、電圧供給後の光源オンオフ動作ステップは内部制御ユニット８により自動的に行なわれる。
【００４４】
図２（Ｃ）の例では、発光シーケンスメカニズムと光源ドライバ（図１で１８と２０）とを内蔵する外部制御ユニット１２が使用される。光源モジュール１は、その背面側に、Ｎ個のマイクロ光源にそれぞれ接続されるＮ個の入力ポートが備えられており、各入力ポートは制御ユニットにより適宜に個別に動作される。また一つの共通接続ポートも使用される（図示せず）。
【００４５】
シーケンスメカニズムは下記からなる。マイクロ光源６は、毎回、直前に点灯された光源に対して最も離れた光源が点灯される方式で、各光源がそれぞれ短時間ずつ点灯される。これにより、光源モジュール上で定められた単一の部位での過熱を減少させることができる。
【００４６】
光源６を適切に順序付けることにより、任意の時間に一つの光源のみが点灯される。一つの光源が所定の時間だけ点灯された後、その光源は消灯され、別の光源が点灯される。常に少なくとも一つの光源が点灯されるので、肉眼には全体の光モジュールが要求された動作時間の間、常に点灯しているように見える。
【００４７】
一つの光源により生成された熱が全体の光モジュール媒体に吸収されるので、シーケンスメカニズムは、光モジュールの物理的サイズをより小さくすることができる。また、毎回異なる光源が点灯するので、任意の時間において、それまで点灯していた光源が冷却しはじめる一方、そのとき点灯する他の光源が加熱しはじめる。これはまた、よりよい電気と光との変換効率による高いピーク出力光パルスを生成する光源の過電流動作を可能にする。
【００４８】
光源モジュール内の各マイクロ光源の点灯時間および各光源の内部位置に応じて点灯される光源の選択性は、特定の用途の要件と光モジュールの所望の使用方法により選択および制御可能である。
【００４９】
図１に戻り、当該システム１０は次のように動作する。マイクロ光源の選択動作の制御、すなわちどのマイクロ光源をどの位の間点灯させるかの制御を実行するよう構成され、かつ動作可能な発光シーケンスメカニズム１８に入力駆動信号１６が供給される。この発光シーケンスメカニズム１８は、光ドライバ２０に信号を供給する。すると光ドライバ２０は、モジュールの外に投影される光を生成するために、マイクロ光源６のアレイ内の指定されたマイクロ光源を物理的に動作させる。そして、生成された投影光は、光学系４で集光され同じ方向に向けて外部へ均一に投影される。
【００５０】
同一波長（例えば、赤色）または異なる波長で動作する、任意に必要な数のマイクロ光源６を備えるようにしてもよい。マイクロ光源６は、ＬＥＤでもよいし、レーザでもよいし、またはこれらの二つの任意の組み合わせとしてもよい（偏光光源型、パルス波または連続波型を含む）。光源モジュールの一例としては、例えば、ＶＣＳＥＬまたは４５度反射鏡を内蔵する新世代面発光ＦＰレーザ（Quintessence Photonics Corporationから市販される）などの面発光レーザ（ＳＥ）の二次元アドレス指定可能なアレイが挙げられる。
【００５１】
ある場合、ＶＣＳＥＬまたは小型低出力のファブリーペロー（ＦＰ）端面発光（ＥＥ）レーザの高密度実装アレイが、光学経路を照射するために有利に使用される。ＶＣＳＥＬはサイズが小さく、コスト効率が高い。小型低出力ＦＰ（ＥＥ）は、光記憶などの大容量アプリケーションで利用される。ＶＣＳＥＬは低閾値電流で動作するので、高密度な配列を可能にする。ＶＣＳＥＬは面に垂直な放射をし、光検出器配列とほぼ同一であるので、整列と実装が容易である。このような装置はウエハレベルで実現され、試験されるので、ＶＣＳＥＬに基づく手法によれば低コストの実現可能性が得られる。ある場合、例えば、１０６０ｎｍの発光を行う６×６のアレイのＶＣＳＥＬまたはＳＥＦＰアレイが投影器で使用される。
【００５２】
長さが２５０〜５００ミクロンである端面発光（ＥＥ）レーザダイオードの典型的なファブリーペロー（ＦＰ）キャビティとは異なり、ＶＣＳＥＬの全体サイズは、発光領域および電気的接触領域の大きさによりのみ制限される。したがって、完全なＶＣＳＥＬのダイスは、潜在的にビームのサイズより少し大きくするのみでよい。５〜２５μｍの円形ビームをもつ現在利用できる装置は、（散熱面を含む）そのサイズが約１００μｍであるが、これを確実に５０μｍ以下に縮小することができる。このサイズの縮小により、ウエハ当りの歩留まりの増加、コスト減少、およびレーザアレイ用途でのより高い実装密度を実現することができる。
【００５３】
面発光（ＳＥ）レーザをＥＥレーザダイオードに比較してみれば、次の点に注目すべきである。ＥＥレーザダイオードは、良品か否かをただ判断するのにダイスに切り出さなければならない（場合により実装もしなければならない）。元のウエハの一部であるときには、端面がまだ切断されていないので、これらのダイオードは試験することができない。これは高価かつ時間のかかるプロセスであり、多くの手間と材料が無駄になってしまう。他方、ＳＥレーザの全体のウエハは、各素子を単体として試験することが可能であり、各素子のレーザの閾値、出力、ビーム形状、品質、および安定性が評価される。例えば、無数のＶＣＳＥＬをバッチプロセスとして単一のウエハ上に形成し、各ＶＣＳＥＬの性能を自動的に試験し、評価することが可能である。初期故障をなくし、最終製品のより高い信頼性を保証するために、ウエハ全体を焼きこむ（通電テスト）ことができる。その後、これらの結果に基づいて、各素子を実装するか、または廃棄することができる。様々なサイズのレーザアレイを作り出すために、低コストな方法でＳＥレーザのウエハはダイス加工が可能である。ＶＣＳＥＬは、パッケージ基板に平面装着され、ＥＰＲＯＭの場合のように窓を通じて光沢を出し（ただし、より高い光学的品質を有するが）、または必要に応じて光ファイバと組み合わせるので、集積回路に基づく素子の最終アセンブリで使用されるのとほぼ同じ設備がＶＣＳＥＬに使用できる。能動的なレーザ発振半導体およびミラーを表面層上部の下に埋め込むので、溶接密閉は必要ない。ＶＣＳＥＬは安価なプラスチックパッケージングを使用でき、および／または、ハイブリッドアセンブリまたはチップオンボードアセンブリとして他の光学部品と組み合わせることができる。こうしたことすべてにより、さらにコスト削減が可能である。
【００５４】
図１および図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に戻り、当該光源システム（モジュール）は、発光シーケンスメカニズムに加えてパルス変調により動作可能にすることができる。これにより、連続的な発光の要求はなく、光を順次に発光する動作が求められる投影システム、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光源を順に点灯させてフルカラーのビデオ画像を作る投影システムに最適な光モジュールを開発することができる。このようなシステムでは、点灯動作時間の最大３３％が各光源（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に割り振られるため、光源の最適化は、動作時間の１００％を基本として行なうのではなく、動作時間の３３％のみ動作するように行なえばよい。
【００５５】
ＶＣＳＥＬを基にした光源モジュールを考えれば、ＶＣＳＥＬの各グループは照射される全ての色の最大３３％をカバーするごく短時間の間のみ駆動させればよい。こうすることにより、ＶＣＳＥＬからより多くの光出力をしぼりだすことができる。したがって、各ＶＣＳＥＬグループは、５％のデューティサイクルの間のみ点灯し、９５％の残りの時間は消灯することができる。この間、ＶＣＳＥＬの他のグループは第一のグループの９５％の消灯時間を全て使い切るまで第一のグループの消灯時間を補償するように点灯する。このようにして、第一のＶＣＳＥＬグループは反復的に再度点灯される。ここで、ＶＣＳＥＬグループは冷却する時間を有するが、連続波（ＣＷ）動作モードで点灯した場合に比べて短時間点灯時には、ＶＣＳＥＬはより高いピーク出力を生み出すことができる。したがって、３３％の最大発光デューティサイクルの間の光モジュールからの総光パワー出力は、全動作時間の３３％の配分の間のみ使用されたものとする高パワーＣＷ光源に比べてより高く、しかも消費電力は比較的低い。これにより、消費電力が最適化される。
【００５６】
同様の技術は、二次元ＶＣＳＥＬ励起アレイと組み合わせることができる他の種類の照射源（例えば、ＬＥＤダイス）でも構成され使用できる。ＬＥＤの一つのグループは、指定された色の連続的な切替動作の間、全動作時間の合計最大３３％の間点灯させるようにできる。ここで、各ダイスはそれぞれ、３３％の時間の約５％のみ点灯され、３３％の時間の約９５％は消灯している。ＬＥＤを用いたこのような使用法の内では、総タイミングがタイミングサイクルの５ｍｓを越えない限り、光出力は最大１５倍まで増加可能である。投影型ディスプレイ装置内での色の連続的な切替は少なくとも１８０Ｈｚのフレーム率の動作を必要とするので、５ｍｓに達することは制限または障害となるようなことではない。
【００５７】
例えば、赤色照射源としてレーザダイスアレイを使用する場合でも、同様の方法が使用でき、それにより同様の結果が得られる。
【００５８】
ＶＣＳＥＬアレイ光源、レーザダイスアレイ光源のどちらも偏光出力光を生み出す種類のものであり、空間光変調器（ＳＬＭ）を有利に併用できることに留意すべきである。ＳＬＭで光透過率を向上させることにより、散熱の少ない光路となり、物理的システム全体の縮小が可能になる。
【００５９】
本発明は、光源そのものとして（励起光源としてではなく）ＶＣＳＥＬアレイを使用するとともに、周波数倍加のための非線形結晶を付加可能とする。
【００６０】
ＶＣＳＥＬアレイおよび／またはレーザダイスアレイを使用する前述の光源システムによる照射は、各サイクルで異なるパターンのスペックルを出現させる。これは、９５〜９９％の高いデューティサイクルで、例えば、１０ＫＨｚの速度でＶＣＳＥＬのオンオフ切り換えを行うことで（ＶＣＳＥＬにとっては低周波数の切り換えであり、肉眼には高周波数の切り換えである）、スペックルコントラストの大幅な減少を可能にする。消灯から点灯の各サイクルは、ＶＣＳＥＬアレイをランダムな位相で起動し、その結果、異なるスペックルパターンを生成させる。これにより、出力画像上でスペックル減少が得られ、クリアなスペックルのない画像が維持される。ＶＣＳＥＬは一般的に通信用途で使用されるので、さらに高速なレーザの切り換えが可能であり（毎秒数百万サイクルまで）、スペックルパターンが点灯サイクルごとに変わり続けるので、スペックル現象をさらに減少させる。肉眼による合成は、スペックルコントラストを視感閾値以下に下げる。
【００６１】
本発明はまた、新しいビーム形成技術を提供する。ビーム形成は、投影システムを大幅に最適化／向上させるために、さらに光学素子の製造などのその他の用途／システムを向上させるために使用できる。本発明のビーム形成技術は、構造光（空間的に離間した複数の光ビーム）をはるかに高い強度値（すべての上記光ビームを合わせた強度）の単一の光ビームに合成すること、少なくとも一つの光ビームの強度プロファイルに作用することにより略長方形の強度プロファイルの少なくとも一つの出力光ビームを供給すること、および空間的に離間した複数の光ビームから略長方形の強度プロファイルの単一光ビームを生成すること、の少なくとも一つを実行することを目的としている。
【００６２】
図３は、本発明の光学システム２００を概略的に示す。当該システム２００は、光源システム２０２と、ビーム形成装置２１０と、望ましくは、集光／光方向付け光学系２０４とを含む。ここで、集光／光方向付け光学系２０４は、光源システム２０２の一部であってもよいし、なくてもよい。ビーム形成装置もまた、光源システムの一部であってもよいし、なくてもよい。ビーム形成装置は、集光光学系の上方に完全にまたは部分的に収容されてもよい。
【００６３】
光源システム２０２は、構造光Ｂ１を生成するよう構成される。この構造光の生成は、単一の光源と分光ユニットとを使用することにより、または、例えば、図２（Ａ）に示したような複数の光源素子の配列、すなわち、共通の基板（ウエハ）上に配置された複数のマイクロ光源（例えば、ＶＣＳＥＬ）を有する配列を使用することにより実現できる。集光光学系２０４は、複数の光ビームに対応した単一のレンズであってもよいし、光ビームのアレイにそれぞれ対応したレンズのアレイ（レンズレットアレイ）であってもよい。ビーム形成装置２１０は、回折光学ユニットとして構成される。この回折光学ユニットは、長方形プロファイルの光ビームを生成するためのトップハット素子アレイ、および／または構造光を単一高強度光ビームＢ２に合成するための逆ダンマン格子アセンブリを含む。
【００６４】
付加的に、ビーム形成装置２１０および／または光源システム２０２には、フラクタル手法に基づく位相マスクを使用して構成できる、少なくとも一つのマルチピクセル回折光学位相マスク（フィルタ）が備えられる。さらに付加的に、光源システム２０２には、光Ｂ１（単一または複数ビームの光）の光学経路または光Ｂ２の光学経路のどちらかに設置された非線形光学媒体が備えられる。
【００６５】
マルチピクセル回折光学位相マスク（フィルタ）またはフラクタル手法に基づく位相マスクを利用するビーム形成装置は、光源システムによる点灯時に、等しいエネルギ分布をもつ複数点の二次元アレイを出力するよう設計できる。このようなビーム形成方法は、例えば、ＳＬＭユニットのピクセルアレイを照射するよう、Ｎ×Ｍ個の微小ビームレット／点からなるアレイに分割される干渉性照射源に対して使用することができる。ここで、ＳＬＭ上の各ピクセルは、それぞれがＮ×Ｍ個の微小光源であるかのように、つまり各ＳＬＭピクセルに対応するように個別に照射される。したがって、ＳＬＭのブラックマトリクス（ＴＦＴ）により遮られることなく、ＳＬＭから画像を照射出力するために使用される光の効果は最大になる。さらに、ＳＬＭの過熱と光（輝度）の大きな部分の損失を回避する。また、パワーを減じたより微小な光源を使用できる。この照射技術も、各ピクセルが個別に点灯され、画像内の輝度の広がりは１００％均一になるので、投影画像上に均一な輝度を生み出す。投影型ディスプレイ装置に使用されるような照射源と共にこのようなビーム形成素子を使用することは、ＳＬＭの物理的サイズを極めて小さくすることを可能にするとともに、表示投影技術の新たな用途の広大な多様性を切り開く。本発明のビーム形成により得られる点の二次元アレイは、より具体的に後述するように、マイクロレンズアレイを組み立てるために使用してもよい。
【００６６】
逆ダンマン素子、すなわち、入力（光入口）と出力（光出口）が逆になっているダンマン格子素子をビーム形成手段として使用することにより、入力光ビーム（点）のアレイを高強度光ビーム／点へ変換することができる。
【００６７】
例えば、逆ダンマン素子は、ＶＣＳＥＬ点の二次元アレイを、単一光ビーム／点に変換することができる。この単一光ビーム／点は、非線形光学材料（例えば、レーザ発振／倍加結晶）を励起するのに使用され、最適化励起光源を作り出す。
【００６８】
図４は、ＶＣＳＥＬの二次元アレイにより構成された光源モジュール１を例示する。この例では、当該モジュールは、１００μｍピッチで配列されたＶＣＳＥＬの１０×１０マトリクスにより構成される。また、このモジュールは、１２００μｍ×１２００μｍの大きさをもつ。
【００６９】
本発明は、ビーム形成構造を有する新しいＶＣＳＥＬアセンブリを提供する。これは、ＶＣＳＥＬに加えて非線形光学材料を使用することにより実現される。これにより、例えば、緑色光または青色光などの可視スペクトルの光ビームが得られる。これは、励起後に周波数倍加するか、または直接周波数倍加することにより達成できる。二次元ＶＣＳＥＬアレイ（マイクロ光源のアレイ）は、レーザ発振結晶を励起するために必要な光出力を形成するよう組み立てることができる。すなわち、特殊な光学素子（例えば、後述するようなマイクロレンズアレイ、または逆ダンマン格子）を併用し、結晶の表面に単一光ビームを形づくる。
【００７０】
マルチモードＶＣＳＥＬアレイは、パワーがより大きく、しかもより安いことを示した。しかし、その空間分布がはっきりと決まっていないため、そのビーム形成は効率的ではない。本発明者は、マルチモードＶＣＳＥＬアレイを、レーザ結晶を励起するために使用し、非線形光学材料（例えば、ＣＡＳＩＸから市販されるＤＰＭ１１０２（１．５×２×２．５ｍｍ３）またはその他の非線形光学結晶）を周波数倍加のために使用した。レーザ結晶は、１０６４ｎｍおよび９１４ｎｍの放射光を作り出し、非線形光学結晶はそれを緑色５３２ｎｍおよび／または青色４５７ｎｍに倍加する。
【００７１】
ＤＰＭ（ダイオードポンプ式マイクロチップレーザ）と呼ばれる、レーザ発振および非線形光学結晶により構成されたハイブリッド構造物がＣＡＳＩＸにより開発された。このＤＰＭ結晶は、Ｎｄ：ＹＶＯ４とＫＴＰとを組み合わせている。このようなハイブリッド（または合成）結晶の使用は、低パワー緑色ＤＰＳＳレーザの構成を簡易にする。これらのハイブリッド結晶は、ＨＲ、Ｎｄ：ＹＶＯ４（バナジン塩酸）、ＫＴＰ、およびＯＣのミラーがすべて一意に整列されているため、娯楽としていじることを事実上不可能にする。多くの用途では、追加の光学系は必要ない。青色波長の場合は、例えば、低コストと周波数倍加の効率性で特徴付けられるＢＢＯなどの異なる非線形光学結晶を使用すべきである。
【００７２】
ＤＰＭからの出力またはレーザダイオードアレイからの各出力ビームは、通常、ガウス分布プロファイルを有する。ＳＬＭを効率的に照射するためには、その他のアプリケーションと同様に、長方形の均一強度のビームプロファイルが必要とされる。本発明は、トップハット素子アセンブリ、すなわち、単一トップハット素子またはトップハット素子アレイを使用することによりこの問題を解決する。図５は、自明の方法による、ガウス強度分布プロファイルからトップハット型のプロファイル（均一エネルギ分布を有する長方形プロファイル）への変換を図示する。
【００７３】
トップハット素子アセンブリの使用に基づいたビーム形成を利用する当該発明の光学システムを例示する図６Ａ〜６Ｆを参照する。
【００７４】
図６Ａの光学システム４００Ａは、レーザダイスアレイまたは面発光レーザアレイなどの光源素子の二次元アレイ（本例では６×６のアレイ）で構成された光源システム２０２と、各素子が個々のレーザ光源素子の一つ（すなわち、レーザ光源素子により生成された光ビーム）に対応するトップハット素子の二次元アレイを含む回折光学ユニット２１０と、各レンズが個々のトップハット素子の一つに対応するレンズの二次元アレイを含む集光光学系２０４とを含む。レーザダイスは、赤色照射を作り出すための、非常にコスト効率の高いソリューションである。レーザダイスはＣＤ、ＤＶＤプレーヤ産業に源を発するため、その価格は極めて低い一方、極めて大きな出力パワーを生成する（低価格モジュールでは７ｍＷ程度）。レーザダイスは単一モードのレーザなので、効率的なビーム形成が可能である。
【００７５】
アレイ中の各レーザ光源素子の出力時のビームプロファイルは、ガウス形である。これを均一な長方形断面のビームに変換するため、トップハットアレイ２１０が使用される。ここで、各トップハット素子がレーザダイスアレイからの個々のビームを形成する。これにより、長方形プロファイルの均一強度のビームを形成するための、光源素子で生成された各ガウス分布プロファイル光ビームが形成される。そして、こうした長方形プロファイルの平行ビームの二次元アレイが、マルチピクセル配列（例えば、ＳＬＭ）の略全域を同時にカバーするようにして得られる。次のことに留意すべきである。まず、トップハットアレイは、長方形の均一強度のプロファイルの各々がマルチピクセル配列（例えば、ＳＬＭ）のうちの単一ピクセルの形状に相当するよう、複数のビームを作り出すように設計できる。次いで、トップハットアレイは、アレイ中の各レーザビームからマルチピクセル配列全体のサイズに略等しい長方形の均一ビームプロファイルを得るよう構成できる。この場合、すべてのビームが相互に重畳されることになり、それらのエネルギが、各レーザ光源素子間の低い干渉性によって低損失で総和されることになる。
【００７６】
図６Ｂの例では、光学システム４００Ｂは、各ダイスが６５０ｎｍの光ビームＢ１を生成するレーザダイスのアレイを基にした赤色レーザを含む光源システム２０２と、トップハット素子の二次元アレイの形態をしたビーム形成装置２１０とを含む。各トップハット素子は、個々の光ビームＢ１の一つに位置整合される。トップハット素子アセンブリから出現する光ビームＢ２は、均一強度プロファイルを有する長方形断面のビームである。
【００７７】
図６Ｃの例では、光学システム４００Ｃは、８０８ｎｍのエネルギ源としたＶＣＳＥＬアレイを基にした緑色または青色光源システム２０２と、周波数倍加にＫＴＰを用いた１０６４ｎｍのレーザ発振結晶と、光源システム２０２で生成された光のガウス分布プロファイルを長方形断面の光ビームに変換するよう動作するトップハット回折光学素子を含むビーム形成装置２１０とを含む。ＶＣＳＥＬアレイからの空間的に離間したガウス分布プロファイルの光ビームＢ１のアレイは、非線形結晶から出現するガウス分布プロファイルに近似する（光Ｂ１の波長とは）異なる波長の単一光ビームＢ２を作り出す。この光ビームＢ２が単一トップハット素子で構成されたトップハット素子アセンブリ２１０を通過すると、均一強度プロファイルを有する長方形断面の出力光ビームＢ３になる。励起効率を高めるために、光ビームＢ１の光学経路に追加の集光光学系を選択的に使用できることに留意すべきである。
【００７８】
図６Ｄおよび図６Ｅは、光がトップハットのアレイ（トップハットレットアレイ）を通過前（図６Ｄ）と通過後（図６Ｅ）の光ビームプロファイル（光ビームの二次元アレイ）のシミュレーションを示す。図示のように、光がトップハットアセンブリを通過後、光ビームは長方形の均一強度のプロファイルを有する。
【００７９】
図６Ｆは、光源システム２０２とビーム形成装置２１０とを含む光学システム４００Ｆを示す。光源システム２０２は、非線形媒体によりレーザビームを直接倍加することにより緑色光または青色光を生成するよう構成される。したがって、この光源システムは、１０６０ｎｍまたは９１０ｎｍのエネルギ源としてＶＣＳＥＬアレイと、それに付属するＫＴＰ、ＢＢＯ、ＰＰＬＭＮ、ＬＢＯの結晶または非線形ポリマーなどの非線形光学材料とを含む。回折ビーム形成装置２１０は、非線形材料から出てくる複数のビームの光学経路にトップハットアレイを含む。その結果、出力ビームのプロファイルは図６Ｅに示すようになる。
【００８０】
ここで、必要な波長に感度のよいコーティング（例えば、抗反射性／高反射性）を施した非線形材料をレーザアレイの共振器構造の一部になるようにレーザアレイの上に付設することで、拡張キャビティを形成し、周波数倍加効率を高めることができることに留意すべきである。レーザアレイへの非線形光学材料の付設は、例えば、直接蒸着、直接結晶成長、機械的接合、スピンコーティング、またはこれらの組合せにより実施することができる。
【００８１】
また、結晶励起を最適化するために、ＶＣＳＥＬのある一つのグループが常に動作するよう、ＶＣＳＥＬを前述のシーケンスメカニズムにより動作させてもよいことに留意すべきである。ＶＣＳＥＬの各グループが全レーザ照射面内の異なる位置の結晶をレーザ照射するとき、ＶＣＳＥＬはグループ単位で異なるタイミングに点灯または消灯することができる。これにより、コーティング基板に沿って熱がよりよく分散するようになり、結晶上のコーティングのより優れた信頼性を維持し、かつ単一点が過熱しないようにし、コーティングが焼け付くのを防止する。その結果、より小さいおよび／またはより安い結晶を用いてより高いパワーを駆動可能になる。
【００８２】
可視スペクトル領域で動作させるために、結晶励起をせずに照射チャネルとして緑、赤または青の一定の波長を有するＶＣＳＥＬアレイまたは同等のアレイ配列を使用することもできることを理解すべきである。
【００８３】
トップハット素子アセンブリは、例えば、ＳＭＬピクセルまたは全ＳＬＭの能動的な領域などの被照射形状に対応するビーム断面を与えるように適切に設計すべきである。
【００８４】
回折光学素子の重要な用途は、波動方程式の制約項により定められた範囲内でビーム形成を行う能力である。ビーム形成を実現するための概略的な光学機構を図７Ａに示す。入力分布ｔｉｎが位相専用フィルタ（回折光学素子）により増倍され、その後この増倍のフーリエ変換を行うために固有の自由空間伝播を有する第一のレンズと第二のレンズが使用される。
【００８５】
空間位相フィルタを計算するために反復的アルゴリズムが使用される。ここで、ランダム位相が初期に選択され、制約項は入力面と出力面の振幅である。各反復において、位相が入力振幅により増倍され、その後、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われる。このようにして得られた位相は出力振幅により増倍され、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）が行われる。今、ここで得られた位相は第二の反復の入力位相になる。この反復的アルゴリズムは図７Ｂに示される。数回の反復後に収束が起こっている。
【００８６】
ＭＡＴＬＡＢを使用して位相専用フィルタを算出した後、後述するバイナリ光学方法または同等の線形光学方法によりフィルタを組み立てることができる。図７Ｃは、ガウス領域（曲線Ｈ１）である入力領域分布と長方形（曲線Ｈ２）である制約出力形状を示す。所望の出力形状の振幅は、出力面のエネルギが入力面のエネルギに等しくなるように選ばれた。
【００８７】
シミュレーションでは、三つの異なる方法が使用された。第一の方法は通常のＦＦＴであった。使用された第二の方法は、次数ｐ（ＲＭＳ誤差値が最小になるように選ばれた）でのフラクショナルフーリエ変換（ＦＲＴ）であった。第三の方法では、ＦＦＴまたはＦＲＴの代わりに、距離ｚ（これもＲＭＳ値が最小になるように選ばれた）についてのフレネル変換を用いた。そのシミュレーション結果を図７Ｄ〜７Ｇに示す。図７Ｄは、通常のＦＦＴに対応する曲線Ａ１とＦＲＴに対応する曲線Ａ２とを示す。図７Ｆは、フレネル変換の結果を示す。図７Ｅおよび図７Ｇは、三つのケースのすべてについて、反復回数の関数としてのＲＭＳ（収束率）を示す。図示のとおり、フレネル法がよい結果を生む。さらに、フレネル法はフーリエ変換用のレンズを必要としないことから有利である。したがって、この方法をトップハット素子アセンブリ設計用途に選ぶのが好ましい。
【００８８】
図６Ｂおよび図６Ｃに戻り、トップハット素子は、望ましくは、光源システムの直後、すなわち図６Ｂではレーザダイスアレイの後段および／または図６ＣではＤＰＭ構成体（レーザと非線形光学媒体）の後段に配置される。距離をゼロにするのは事実上不可能であるので、トップハットアセンブリを光源システムの出力側からわずかな距離の位置（すなわち、ビームの胴位置ではなく）に設置する。素子の設計はこのことを考慮に入れる。
【００８９】
逆ダンマン光学素子をビーム形成器として用いる光学システム５００を概略的に示す図８を参照する。当該システム５００は、マイクロ光源素子６のアレイにより構成された光源システム２０２、集光光学系２０４（共通の集光レンズ）、および逆ダンマン格子アセンブリを含むビーム形成装置２１０を含む。このように、当該システム５００は、入ってくる低強度光ビームＢ１のアレイを単一の高強度光ビームＢ２に変換するよう構成され、かつ動作可能である。光源素子６は、ビームＢ１を集光レンズ２０４に向けて投影し、その後、ビームは逆ダンマン格子アセンブリ２１０により平面波（単一光ビーム）Ｂ２に変換される。
【００９０】
この光学システムは、例えば、可視領域の波長の照射源を形成するために非線形光学結晶を励起するためのＶＣＳＥＬグループ／アレイを用いる投影システム内で使用できる。この場合、ＶＣＳＥＬグループのビームレットは、ビーム形成器により非線形光学結晶の能動的な励起領域上の単一の光点に変換される。光源素子アレイはどのような形式の配列であってもよく、光源素子の数も任意であり、光源素子の種類も様々である（レーザ、ＶＣＳＥＬ、レーザダイス、ＬＥＤ）ことに留意すべきである。
【００９１】
逆ダンマンは、入力（光入口）と出力（光出口）が逆になっているダンマン格子素子である。逆ダンマン格子素子は、点のアレイを単一の光ビーム／点へ変換すること、例えば、ＶＣＳＥＬ光点のアレイを（倍加またはレーザ発振結晶を励起することができる）単一光点に変換することを実現する。
【００９２】
ダンマン格子の使用は、バイナリ位相専用格子を使用することによりフーリエ面での所望の点分布を実現するための解析的手法である。透明度値「−１」から「１」の間の転移点は、必要な点構成を算出する一組の方程式を解くことにより計算される。単一光ビーム／点によるダンマン格子の照射は、等しいエネルギ分布を有する点の二次元アレイを生成させるように設計することができる。この手法は、フーリエ面において任意の所望の点分布を生成させるために使用してもよい。点のこの二次元アレイは、例えば、非常に最適化された方式によるＳＬＭの照射源として利用できる。
【００９３】
ダンマン格子は、等しい強度の数次の回折を有するバイナリ回折光学素子であり、一つの入力オブジェクトから画像を多重化するために使用される。図９（Ａ）は、自明の方法による、この目的で使用することができる光学機構を図示する。格子Ｇに直角に入射する干渉性平面波Ｗ１は、格子Ｇにより回折され、収束レンズＣＬの後焦点面に出力パターンＰが現れる。ダンマン格子は、３、５、７、またはそれ以上の同等回折次数をもつように設計できる。図９（Ｂ）は、格子の一次元の透明度関数を示す。この一次元透明度関数における自由パラメータは、転移点ｘｌ、ｘ２、ｘ３、…、ｘｎのみである。ｎ個の転移点をもつ格子は、（２ｎ＋１）の中心回折次数を有することになる。ｎ＝１のときのダンマン格子の出力を図９（Ｃ）に示す。入力エネルギの６２％を有する３個の同等次数がある。残りのエネルギは、より高い回折次数間に分配される。
【００９４】
低強度の光源のアレイを一つの高強度の平面波発光源に変換するため、逆ダンマン格子が使用できる。図９（Ａ）の光学機構を逆ダンマン格子と共に使用する場合、点光源のアレイがより高い強度をもつ一つの点光源に変換される。
【００９５】
図８に戻り、本発明者は、干渉性点光源のアレイを広い光源に変換するために、この機構を使用した。ここで、ダンマン格子２１０とレンズ２０４により点光源のアレイが平面波に変換される。図１０Ａに（一次元で）示されるように、９個の点光源のマトリクスを含む入力が選ばれた。出力面における光強度は、ＭＡＴＬＡＢシミュレーションにより計算された。出力面（レンズから１焦点距離）において得られる強度が、図１０Ｂに二次元で、図１０Ｃに一次元で示されるように計算された。出力面における光強度の一次元フーリエ変換を図１０Ｄに示す。ここで、実に強度の９０％がゼロ次にあることが見てとれる。このことは、当該光学機構の効率を示す。
【００９６】
図１０Ｂおよび図１０Ｃから見てとれるように、光強度は均一ではなく、ゼロに急激に降下している。これは、入力が有限数の次数をもつからである。しかしながら、レンズの焦点面からより遠くへ進むにつれて点は均一になる。図１０Ｅは、集光レンズ２０４の焦点面から１焦点距離の距離まで自由空間伝播（ＦＳＰ）した後の光強度を示す。さらに長い距離の伝播は、点をさらに平滑にする。図１０ＦはＦＳＰ後の一次元の同一の光の強度を示す。
【００９７】
これらの図から見てとれるように、焦点面からある距離だけ離れると、ゼロへの急な変化はなくなる。これは、ＦＳＰの低域フィルタの特性によるものである。ＦＳＰの距離を適切に制限するために、必要ならば、追加の光学的低域フィルタを利用してもよい。
【００９８】
図８の機構を考えると、ＶＣＳＥＬアレイ２０２は集光レンズ２０４の焦点面に設置される。したがって、このレンズの後段でそのフーリエ変換が得られる。その面には、逆ダンマン素子が設置される。焦点距離ｆ、光源点のサイズｄおよびフーリエ変換レンズで得られた点のサイズＤの関係は、次のように決定される。
【００９９】
【数１】
2007508596.tif 000003
【０１００】
例えば、Ｄ＝２ｍｍ、λ＝８０８ｎｍ、ｄは個々のＶＣＳＥＬの実効面積、すなわち約３〜１０μｍとすれば、ｆ＝９．９ｍｍ（ｄ＝４μｍの場合）となる。逆ダンマン格子２１０はレンズ２０４の直後に設置される。レンズ２０４の口径は、光点サイズＤよりも大きくなければならない。光点が小さい（Ｄ＝２ｍｍ）ので、５ｍｍ以下の口径をもつレンズを選ぶべきである。
【０１０１】
考慮しなければならない別の問題は格子の解像度である。これを評価するために、次の式を用いる。
【０１０２】
【数２】
2007508596.tif 000004
ここでＡは照射面積であり、Ｒは解像度（フィーチャーサイズ）である。当該設計においては、ＡはＶＣＳＥＬアレイの面積であり、Ｒはフーリエ面でのフィーチャーサイズである。全寸法が１６×１６ｍｍ２の１４×１４のアレイ（最悪のケースとみられる）を使用するとすれば、これらのパラメータは、λｆ／Ａ＝１０μｍの解像度を算出する。ダンマン格子は急激に変化するので、その解像度は出力解像度に比べ一桁ほど大きいとみなすことができる。したがって、十分に製造能力内である１μｍの解像度を得ることができる。
【０１０３】
単一光ビームをビームレットの二次元アレイに変換する回折光学ユニットを利用する光学システム６００を概略的に示す図１１を参照する。当該システム６００は、光源システム２０２とビーム形成装置２１０とを含む。光源システム２０２は、単一または複数の光ビームＢ１（レーザ、ＬＥＤ）を生成するよう構成される。ビーム形成装置２１０は、例えば、縦列に配置されたダンマン格子のアレイ、もしくはフラクタルビーム形成手法を用いるまたは用いないマルチピクセル位相マスク素子を含む。このように、ビーム形成器２１０は光ビームＢ１をビームレットＢ２の所望の二次元アレイに変換する。この目的のために、回折光学ユニット２１０（ビームレットのマスク）が、要求されたビームレットの直径サイズとビームレットパターンのピッチとに従って適切に設計される。ビームレットＢ２のアレイは、照射を必要とする任意の所望の面とみなせる出力面４４を照射する（例えば、パターン化したアレイ構成を生成するよう照射されたフォトレジスティブ材料、またはＳＬＭの開口（アパーチャ）面では、最小の遮断とＳＬＭを通過する光効率が最大になるように、マスクが相対的なピクセルサイズに完全にフィットするよう設計された）。
【０１０４】
上記のとおり、回折光学ユニット２１０は、ある場合、縦列式に配置された数個のダンマン格子を含む。この場合、第一のダンマンの各点が第二の縦列接続されたダンマン素子に個別に供給され、それにより第一のダンマンの点数を増倍する。代替的に、回折光学ユニット２１０は、所望の出力面／表面を最適化された方式で照射できるように、ビームレットサイズ要件とピッチサイズ要件に適合するよう設定された特殊なマルチピクセル回折位相マスク素子であってもよい。大きなアレイが必要とされる場合は、このマルチピクセル回折位相マスク素子はフラクタルビーム形成素子として設計されてもよい。
【０１０５】
マルチピクセル回折光学位相マスク（フィルタ）は、点の均一な二次元アレイを抽出する、位相専用フィルタの解析的ソリューションである。この種の回折光学素子の性能向上は、アレイの点について各点の形状の均等性よりむしろ各々の点が均等なエネルギを含有することを処理する数学的制約項を適用することにより得られる。このようなエネルギ条件は、例えば、生成された二次元アレイがＳＬＭのピクセルの二次元アレイを照射するよう照準を合わせる場合に適用できる。その結果、光ビームレットの二次元アレイがＳＬＭの各ピクセルに個別に入射するので、効率を向上させる。例えば、１０２４×７６８のアクティブピクセルをもつＳＬＭは、各ピクセルに対して個別に１０２４×７６８のビームレットのセットを受光することになる。こうすることにより、ＳＬＭのＴＦＴマスクからの光の劣化と非活性な表面／領域上での光の分散とを回避することができる。
【０１０６】
以下に、点の均一な二次元アレイを抽出する、位相専用フィルタの解析的ソリューションを説明する。点の二次元アレイが得られる出力面は、位相専用素子のフーリエ変換として定義される。
【０１０７】
【数３】
2007508596.tif 000005
ここで、ｘは空間変数であり、μは空間周波数変数であり、φ（ｘ）は位相関数であり、Ｆ（μ）はフーリエ変換である。
【０１０８】
特定のインパルスにおける出力面でのエネルギは、下記に等しい。
【０１０９】
【数４】
2007508596.tif 000006
【０１１０】
したがって、解析的最適化プロセスのための二つの制約項が、次のように定義される。
【０１１１】
【数５】
2007508596.tif 000007
【数６】
2007508596.tif 000008
【０１１２】
パラメータΔσとΔμとは、数学的導出のための記号を示す図１２に定義される。ここで、Δσは出力がゼロになるエネルギ点間の領域であり、Δμは点が出現する領域である。点のエネルギがその他の点と等しい限り、点の形状は重要ではない。これにより、最小にすべき次の二つのコスト関数が得られる。
【０１１３】
【数７】
2007508596.tif 000009
【数８】
2007508596.tif 000010
これは次の方程式セットを解くことを意味する。
【数９】
2007508596.tif 000011
これにより、次式が得られる。
【数１０】
2007508596.tif 000012
および
【数１１】
2007508596.tif 000013
【０１１４】
第一の方程式（式８）から続けて、｜Ｆ（μ）｜２＝｜Ｆ０（μ）｜２＋δ｛｜Ｆ（μ）｜２｝（ここでδ｛｜Ｆ（μ）｜２｝はε１の微分に関係付けられる｜Ｆ（μ）｜２の微分である）を計算するために、φ＝φ０＋δφを定義する。
【０１１５】
位相の小さな変化δφ＜＜φ０，δφ＞＞（δφ）２→０を仮定すると、次のようになる。
【０１１６】
【数１２】
2007508596.tif 000014
【０１１７】
誤差の微分は次のようになるので、
【数１３】
2007508596.tif 000015
次式を得る。
【数１４】
2007508596.tif 000016
ここで、
【数１５】
2007508596.tif 000017
【０１１８】
次のようになることを留意すべきである。
【０１１９】
【数１６】
2007508596.tif 000018
ここで、
【数１７】
2007508596.tif 000019
したがって、
【数１８】
2007508596.tif 000020
ここで、
【数１９】
2007508596.tif 000021
は相関積分を意味する。
【０１２０】
式１２によれば、位相のすべての変化に対してこの式はゼロになるので、次式を得る。
【０１２１】
【数２０】
2007508596.tif 000022
ここで、アステリスクは複素共役演算を示す。
【０１２２】
これにより、Ｔ（ｘ１）の虚部はゼロでなければならないということが示され、よって次のようになる。
【０１２３】
【数２１】
2007508596.tif 000023
および
【数２２】
2007508596.tif 000024
【０１２４】
したがって、最適位相関数は、逆ｔａｎ演算を適用することにより抽出することができる。
【０１２５】
ここで、ε２２に対する第二の最適化条件に関係した方程式を導出することができる。
【０１２６】
【数２３】
2007508596.tif 000025
【０１２７】
同様の数学的処理を適用し、式１４を使用して、次式を得る。
【０１２８】
【数２４】
2007508596.tif 000026
したがって、
【数２５】
2007508596.tif 000027
【０１２９】
式１９と式２２を実行してみると、位相の解は再帰的かつ反復的である。位相の初期推定値を仮定する。次に、式１９と式２２の右辺を計算する。その結果、位相が両方の式から得られるであろう。両方の解の平均を計算する。この結果が、両方の式１９と式２２の右辺に対する次の入力として仮定される。左辺（位相）を再び計算する。このプロセスを収束が得られるまで繰り返す。
【０１３０】
式１９と式２２の同等物をＮ回書かなければならないことに留意すべきである。ここでＮは出力面における点の全数である。したがって、この結果は、その要素が１＜ｋ，ｎ，ｍ＜Ｎのすべての可能な組み合わせであるマトリクス表現でよりよく表現される。
【０１３１】
前述のとおり、図１１のシステム６００では、回折光学ユニット２１０はマルチピクセル回折光学位相マスク（フィルタ）とすることもできる。このフィルタは、点の中間サイズのアレイを生成するのに必要な位相マスクを抽出するために使用できる。この使用を大きい寸法のアレイに拡張するためには、フラクタルに基づく手法を使用すべきであり、それに合う回折光学素子が作製される。
【０１３２】
上記の数学的導出は、点の中間サイズのアレイを生成するのに必要な位相マスクを抽出するために使用してもよい。この使用を大きい寸法のアレイに拡張するために、フラクタルに基づく手法を使用してもよい。
【０１３３】
マルチピクセル回折光学位相マスク素子用にもともと作成された位相マスクは、フーリエ面（出力面）で点のＮ×Ｎのアレイになると仮定すると、マスクがＮ倍に拡大（変化）されるとすれば、下記の周知のフーリエ関係式により、Ｎ×ＮのアレイはＮ分の１に縮小される。
【０１３４】
【数２６】
2007508596.tif 000028
ここで、Ｇ（μ）はｇ（ｘ）のフーリエ変換である。
【０１３５】
したがって、点の元のアレイと変化されたアレイとの畳み込みが出力面（フーリエ面）で実行されるとすれば、任意の関数とデルタ関数との畳み込みはその関数をデルタの位置にシフトするというデルタ関数の特性により、Ｎ２×Ｎ２点のアレイが実現されることになる。
【０１３６】
【数２７】
2007508596.tif 000029
【０１３７】
出力面で実行される畳み込み（合成）演算は、位相マスク面での乗算演算に相当する。これは、次のようなフーリエ関係式が二つの面の間に成り立つからである。
【０１３８】
【数２８】
2007508596.tif 000030
【０１３９】
二つの位相マスクの乗算は、二つの位相の加算を意味する。したがって、記述されたケースについてのすべての位相表現は次のようになる。
【０１４０】
【数２９】
2007508596.tif 000031
ここで、φはＮ×Ｎ点構成を実現しているマスクの位相である。
【０１４１】
一般的なケースでは、フラクタル方程式と同等の位相の方程式、すなわち、同一構成を変化させたバージョンの合計から合成される構成が得られる。
【０１４２】
【数３０】
2007508596.tif 000032
【０１４３】
図１３（Ａ）〜１３（Ｃ）は、二つのフラクタル項に対する前述した方法による計算値の実例を示す。図１３（Ａ）は、８×８のGerchberg-Saxton数値アルゴリズムにより演算された二次元アレイを示す。この結果は、２１回の反復後に得られたものである。位相の変化により、図１３（Ｂ）に示した点分布のアレイを得た。この分布は元のものを変化させたものである。これらの二つの位相（元のものと変化したもの）の合計が、図１３（Ｃ）に示した結果となる、すなわち、８２×８２の点をもつ点の二次元アレイ（すなわち、６４×６４の点）が得られる。
【０１４４】
本発明の光学システム７００の別の例を概略的に示す図１４を参照する。当該システム７００は、光源システム２０２と、集光光学系２０４と、ビーム形成装置２１０とを含む。光源システム２０２は、非可視スペクトル領域で動作し、ビームレットＢ１の二次元アレイ（ビームレットの二次元形態を５２と表示する）を生成するレーザアレイ６１（レーザダイスまたはＶＣＳＥＬ）および非線形光学結晶６０により形成される。集光光学系２０４は、レーザアレイ６１の出力側に設けられたコリメイトレンズを含む。ビーム形成装置２１０は、レンズ２０４の下方に近接して設置された逆ダンマン格子アセンブリ５６および非線形結晶６０の下方にあるトップハット素子アセンブリ６４を含む。レーザアレイ６１で生成されたビームレットＢ１は、レンズ２０４により平行にされて、逆ダンマン格子５６に方向付けられる。そこで、ビームレットは単一ビームＢ２（対応する点を５８と表示する）に変換される。単一ビームＢ２は、レーザ発振または倍加結晶の能動的な隙間６０（またはその他の非線形光学媒体）に照準を合わして、そこで可視ビームＢ３（対応する点を６２と表示する）に変換される。この可視ビームＢ３は、次に別の回折光学素子（トップハット）６４に方向付けられ、そこでビームＢ３のガウス分布特性が、ビーム中で全体に統一された輝度分布に達する一様な形態の出力ビームＢ４に変換される（６６と表示された点）。
【０１４５】
このように作り出された一様なビームＢ４は、ＳＬＭなどの任意の表面を照射するのに使用できる。この照射は、したがって、能動的な表面内の均等な光分布と共にクリアな一様な輝度を有する。非線形光学結晶が光源システムに使用されるが、これ以外にもこのような非線形光学媒体を必要としないレーザ光源を用いる多様なアーキテクチャが可能であることに留意すべきである。
【０１４６】
逆ダンマン格子を使用することにより非線形光学結晶の表面に単一点が生成されるが、この逆ダンマン格子を別の種類の光学素子（例えば、レンズレットアレイ）に置き換えることにより、結晶の表面に数個の光の点を生成することができることに留意すべきである。これは図１５に図示される。非線形結晶６０が光の点７０により照射される。この場合、各点はレーザ照射表面上の異なる位置にあり、望ましくは、各点はグループ分けされたレーザ（レーザダイスまたはＶＣＳＥＬ）の異なるセットにより異なる時間区分で点灯する。これにより、結晶の表面上でよりよい熱分散を可能にし（コーティングに対する損傷の可能性を減少させ）、出力光の強度の最適化を向上させる。
【０１４７】
異なる波長領域で動作する異なる光源からの光を合成する投影システムとして構成された、本発明の光学システムの別の例を示す図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）を参照する。図１６（Ａ）の例では、二次元ＶＣＳＥＬ光源からの２セットの光が二次元レーザダイスアレイからの光と合成される。図１６（Ｂ）の例では、二次元ＶＣＳＥＬアレイからの１セットの光がＬＥＤからの光および二次元レーザダイスアレイからの２セットの光と合成される。
【０１４８】
図１６（Ａ）のシステム８００Ａは、光源システム２０２、ビーム形成装置２１０、集光光学系２０４、および光合成器９２（ペリスコープ）を含む。当該システム８００Ａは、出力撮像光学系９６を備えるＳＬＭ９４を適切に照射することを目的とする。本例ではＳＬＭは光透過型であるが、本発明の原理は反射型ＳＬＭに対しても使用できることを理解すべきである。
【０１４９】
光源システム２０２は、非線形光学材料８４と８６（例えば、ＫＴＰやＢＢＯの結晶）を個別に励起するための二次元ＶＣＳＥＬアレイ８３と８５（例えば、１０６０ｎｍと９４０ｎｍ）で構成された、両方とも非可視領域で動作する光源７２と７４と、レーザダイスアレイ（例えば、６５０ｎｍで動作する）で構成された光源７６とを含む。これら三つの光源は、それぞれ、光伝播の三つの光学経路を定める。
【０１５０】
集光光学系２０４は、光源７２、７４および７６に対応して、三つの光学経路中にそれぞれ収容されたマイクロレンズレットアレイ７８、８０、８２を含み、これらのレンズレットアレイはこれらの光源に適切に整列される。マイクロレンズレットアレイ７８と８０は、それぞれ、結晶８４と８６の上方のＶＣＳＥＬアレイ８３と８５の出力側に設置される。マイクロレンズレットアレイ７８と８０の各々は、前述のように、個々の結晶上に数個の集束された点を形成するよう（望ましくは異なる時間セッションに）、個々のＶＣＳＥＬアレイ全体のうちのＶＣＳＥＬグループ別に集束するよう構成される。マイクロレンズレットアレイ７８と８０を出た点のグループは、結晶８４と８６に入射する。それにより、第二高調波生成効果を実現し、その結果、（この具体的な例では）緑色光ビームと青色光ビームとが得られる。
【０１５１】
第三の光源７６の出力側に収容されたマイクロレンズレットアレイ８２は、レーザダイスアレイ７６の配列にしたがって配列されたＫ×Ｌ個のマイクロレンズからなるアレイの形態をとる。つまり、Ｎ×Ｍ個のレーザダイス素子からなるマトリクスがＫ×Ｌ個のレンズレットからなるマトリクスに対応する。これは、ＳＬＭの実効表面上でビームレットを均一にするためである。
【０１５２】
ビーム形成装置２１０は、光源７２と７４により定められた光学経路中の、非線形結晶８４と８６の下流にそれぞれ収容されたマルチピクセル回折光学位相マスク８８と９０、およびレンズレットアレイ８２の出力側の第三の光学経路中にマルチピクセル回折光学位相マスク９１（例えば、トップハットアレイ）を含む。
【０１５３】
結晶８４と８６から出現する可視スペクトルの第一および第二の光ビームは、それぞれマルチピクセル回折光学位相マスク８８と９０を通過し、そこでＳＬＭユニット９４の配列により求められるＮ×Ｍ個のビームの第一および第二のアレイに変換される。マルチピクセル位相マスク８８と９０およびマルチピクセル回折光学位相マスク９１からのビームレットは、ペリスコープ９２に方向付けられ、さらにＳＬＭユニット９４に最適な方式でその能動的な表面をカバーするよう方向付けられる。この光は、（駆動信号により動作された）ＳＬＭユニットにより適切に変調されて、結像レンズ９６に方向付けられ、そこで増幅されて外部へ投影される。
【０１５４】
本例は二つのＶＣＳＥＬアレイと一つのレーザダイスアレイの組み合わせの使用を示すが、三つの光源がすべてレーザダイスアレイまたはＶＣＳＥＬアレイであってもよいことに留意すべきである。また、レンズレットアレイを分光ユニットとして使用したが、その代わりに、出力点の輝度を一様に均一にするために、トップハット素子アセンブリとともに回折光学素子（例えば、ダンマン格子）を選択的に併用して使用してもよいことに留意すべきである。
【０１５５】
さらに、光学系２０４は全部取り除いてもよく、必要な波長に感度のよいコーティング（例えば、抗反射性／高反射性）を施した非線形材料をレーザアレイの共振器構造の一部になるようにレーザアレイの上に付設することで、拡張キャビティを形成し、周波数倍加効率を高めるようにしてもよいことに留意すべきである。
【０１５６】
さらに、非線形光学結晶の表面上に数個の点を生成させるのが好ましいが、単一光点を光学結晶上に入射する構成を採用してもよいことに留意すべきである。また、最適な光をＳＬＭに供給するために使用されるマルチピクセル位相マスクの少なくとも一つまたはそれらのすべてを、フラクタルビーム形成素子などのその他の適当な手段に置き換えることができる。または代替的に、ＳＬＭに入射する均一な強度の長方形ビームを実現するトップハットアセンブリに置き換えてもよい。非線形材料の使用は選択的であり、可視スペクトル領域で動作可能なＶＣＳＥＬを使用する場合には除外されることも理解すべきである。本例では倍加結晶（例えば、ＫＴＰ）のみが使用されるが、用途によっては、レーザ発振結晶も使用されるであろうことを理解すべきである（例えば、８０８ｎｍの二次元ＶＣＳＥＬアレイを含む光源構成は、ＹＶＯ４などのレーザ発振結晶と５３２ｎｍの緑色出力を得るためのＫＴＰ結晶とを必要とするであろう）。
【０１５７】
図１６Ｂの例では、投影システム８００Ｂは、同様に、光源システム２０２、ビーム形成装置２１０、集光光学系２０４、および光合成器１１６（ペリスコープ）を含み、ＳＬＭ１１８（透過型ＳＬＭ）を適切に照射することを目的とする。ここで、光源システム２０２は、二次元ＶＣＳＥＬアレイ９９と非線形光学結晶１１０（例えば、ＫＴＰ）で構成される第一の光源９８と、二次元レーザダイスアレイ１０２と、ＬＥＤ光源１００とを含む。
【０１５８】
集光光学系２０４は、光源９８と１０２にそれぞれ対応したマイクロレンズレットアレイ１０４と１０８、およびＬＥＤ１００の出力側の集光レンズ１０６を含む。マイクロレンズアレイ１０４は、結晶１１０の上方のＶＣＳＥＬアレイ９９の出力側に収容され、被励起結晶１１０上に数個の集束された点を形成するよう（望ましくは異なる時間に）、二次元ＶＣＳＥＬアレイ９９全体のうちのＶＣＳＥＬグループ別に集束するよう構成される。マイクロレンズアレイ１０８は、レーザダイスアレイ１０２の出力側に収容され、Ｎ×Ｍ個のレーザダイスのマトリクスにしたがって配列されたＫ×Ｌ個のマイクロレンズからなるマトリクスである。つまり、ＳＬＭの能動的な表面上でビームレットを均一にするために、これらのＮ×Ｍ個のマトリクス（ダイス側）とＫ×Ｌ個のマトリクス（レンズレット側）とは概ね一致している。
【０１５９】
ビーム形成装置２１０は、結晶１１０の出力側に配置されたマルチピクセル回折光学位相マスク１１２、およびＬＥＤ１００から集光された光の光学経路に配置されたトップハット素子１１４を含む。
【０１６０】
したがって、ＬＥＤ１００からの光は集光レンズ１０６により集光された後、トップハット１１４を通過し、ここで、ＳＬＭの表面上での光の均一を高めるために、そして均一化された画像を得るように、光はガウス分布強度プロファイルから長方形の均一ビームのプロファイルに再形成される。トップハット１１４を出た光は、ペリスコープ１１６へ方向付けられる。被励起結晶１１０を出た光は、この光をＳＬＭのピクセル配列により求められるＮ×Ｍ個のビームに変換するよう構成されるマルチピクセル回折光学位相マスク１１２を通過する。三つの光学経路からのこれらの光ビームは、ペリスコープ１１６へ方向付けられ、そこからＳＬＭ１１８へ方向付けられる。ＳＬＭは、画像を形成するよう入射光を変調するよう制御可能に動作され、画像は結像レンズ１２０により外部へ投影される。
【０１６１】
レンズレットアレイをダンマン格子に置き換えてもよいことに留意すべきである（選択的に、出力点の輝度を一様に均一化するためにトップハット素子アセンブリを併用する）。結晶の表面上に数個の点を生成させる代わりに、結晶上に単一の光点を作るように当該システムを構成してもよい。また、最適な光をＳＬＭに供給するために使用されるマルチピクセル位相マスクの少なくとも一つまたはそれらのすべてを、フラクタルビーム形成素子などのその他の適当な手段に置き換えることができる。または代替的に、ＳＬＭに入射する均一な強度の長方形ビームを供給するトップハットアセンブリに置き換えてもよい。結晶（非線形材料）は、可視領域のＶＣＳＥＬを使用する場合には使用されない。倍加結晶のみの使用に代えて、非線形光学結晶に併せてレーザ発振結晶を使用してもよい（例えば、８０８ｎｍの二次元ＶＣＳＥＬアレイ、ＹＶＯ４などのレーザ発振結晶、および５３２ｎｍの緑色出力を得るためのＫＴＰ結晶）。単一のＬＥＤの使用は、必要な光学系（レンズレットアレイまたはコリメイトレンズ）と共にＬＥＤのアレイに置き換えてもよい。その場合、トップハットアセンブリ１１４を備えるかどうかは選択的である。レーザダイスアレイとＶＣＳＥＬアレイとの組み合わせは、二つのＶＣＳＥＬアレイまたは二つのレーザダイスアレイに置き換えてもよい（適切なビーム形成光学系を併用）。さらに、光学系２０４は全部取り除いてもよく、必要な波長に感度のよいコーティング（例えば、抗反射性／高反射性）を施した非線形材料を、レーザアレイの共振器構造の一部になるように、レーザアレイの上に（上記に列挙した方法で）付設することにより、拡張キャビティを形成し、周波数倍加効率を高めるようにしてもよいことに留意すべきである。
【０１６２】
例えば、投影システムでの使用に適した光学システムのさらに別の例を示す図１７（Ａ）と１７（Ｂ）を参照する。
【０１６３】
図１７（Ａ）の実施例では、光学システム９００Ａは、二次元ＶＣＳＥＬアレイ１２２で構成された光源システムと、第一および第二の集光レンズ１２６と１３４を含む集光光学系と、第一および第二の回折光学ユニット１３０と１３６を含むビーム形成装置とを含む。ＶＣＳＥＬアレイ１２２は、レンズ１２６（代替的に、二次元レンズレットアレイの面とすることもできる）に向かって伝播するビームレット１２４のアレイを生成する。したがって、レンズ１２６は、第一のビーム形成器１３０に向かって伝播する平行ビーム１２８を生成する。後者は、Ｎ×Ｍ個のビームレットの形態の出力を生成させるように設計されたマルチピクセル回折光学位相マスクである。このようなマスク１３０は、各マルチピクセルマスク素子がＶＣＳＥＬアレイのビームレットのうちの特定のビームレットに個別に位置整合されるような位相マスク素子アレイにより構成できる。したがって、各ＶＣＳＥＬビームレットは、それに対応した個別の位相マスクによりビームレットのアレイに変換される。つまり、すべての位相マスク素子により、すべてのＶＣＳＥＬビームレットは一括して多数の出力ビームレット１３２に変換される。マスク１３０のピッチやサイズなどの出力特性は、特定の用途の要求により予め決定されうる。ビームレット１３２の数が不十分であれば、第二の反復を実行することができる。ビーム１３２は集光レンズ１３４（二次元レンズレットアレイとすることもできる）に向けて方向付けられ、そこでビームは平行にされて、第一のマスク１３０により達成された二次元ビームレットアレイのビームレット数を増倍するために、第二のマルチピクセル位相マスク１３８（マルチピクセル位相マスクのアレイとすることもできる）に向けて投影される。このようにして、大規模なビームレットアレイが実現される。
【０１６４】
ビーム形成素子１３０と１３８のフーリエとＶＣＳＥＬセットとの間に畳み込みが形成され、ビームレット点間の距離がＶＣＳＥＬアレイのサイズに等しくなるように設定することができる。
【０１６５】
このようにして得られたビームレット１４０は、次に照射面（図示せず）に向けて方向付けられる。これにより、例えば、光学素子アレイを得るためのフォトレジストパターニングのためにフォトレジストを照射することができ、または十分に最適化された方式によりＳＬＭを照射することができる。この場合、各ビームレットはＳＬＭの能動的な表面の対応するピクセルに個別に入射する。
【０１６６】
さらに大きな二次元ビームレットアレイを得るために、マルチピクセル位相マスクをフラクタルビーム形成素子に置き換えてもよいことに留意すべきである。ＶＣＳＥＬアレイをレーザダイスアレイに置き換えてもよい。
【０１６７】
光学システム９００Ｂ（図１７（Ｂ））は、図１７（Ａ）のシステムと大体同様に構成される。すなわち、当該システムは、二次元ビームレットアレイの光源１４２（ＶＣＳＥＬまたはレーザダイスの二次元アレイなど）と、集光レンズ装置と、ビーム形成装置とを含む。ただし、ここでは、集光レンズ装置はレンズレットアレイ１４６の形態をとり、ビーム形成装置はサブ要素（位相マスク）のアレイで構成された単一のマルチピクセル回折光学位相マスク１５０を含む。
【０１６８】
光源１４２は、ビームレット１４４のアレイをレンズレットアレイ１４６に向けて投影し、そこでこれらのビームは平行にされる。レンズレットアレイ１４６は、ビームレット１４８のアレイをビーム形成装置１５０に向けて出力する。後者は、各位相マスクがビームレットアレイ１４８の特定のビームレットに個別に位置整合されるように構成され、必要に応じて、マルチピクセル位相サブマスク設計に従った特定のビームサイズと隣接ビーム間の間隔をもつＮ×Ｍ個のビームレットからなる多数の出力ビームレット１５２のアレイを形成する。
【０１６９】
さらに大きな二次元ビームレットアレイを得るために、マルチピクセル位相マスクをフラクタルビーム形成素子に置き換えてもよいことに留意すべきである。ＶＣＳＥＬをレーザダイスアレイに置き換えてもよい。
【０１７０】
図１８は、表面レリーフパターンとして加工されたマイクロレンズアレイなどのマイクロ構造物の製造用のフォトリソグラフィに使用されるように構成された光学システム１０００を例示する。当該システム１０００は、ＵＶ光源１５４で構成された光源システムと、マルチピクセル回折光学位相マスク１５８で構成されたビーム形成装置とを含む。光源１５４は、ビームレット１５６のアレイをまとめて生成するＵＶ光源素子（例えば、ＶＣＳＥＬ、レーザダイス）の二次元アレイである。マルチピクセル回折光学位相マスク１５８は、前の例で説明したように、ビームレット当りのマスクであるサブマスクから構成することができる。マスク１５８は、ビームレット１５６を特定のビーム直径とピッチサイズをもつＮ×Ｍ個のマイクロＵＶビーム１６０からなるアレイに変換する。このビーム１６０のアレイは、次に出力照射光として投影される。例えば、ビーム１６０をフォトレジスト（例えば、ポリマー）で被覆された基板１６２（例えば、ガラス）上に投影できる。これにより、ＵＶ光と相互作用する領域内のフォトレジスト材料の除去が引き起こされる（またはネガティブフォトレジストの場合はこの逆になる）。ビーム１６０は光のガウス分布をもつ点のアレイをなすので、レンズのような形状に相当するマトリクス状の形状をフォトレジスト基板上に形成し、こうしてマイクロレンズアレイを作製するための基本パターンを加工する。
【０１７１】
マイクロ光源素子アレイの代わりに単一光源素子を用いてもよく、その場合、マルチピクセル回折光学位相マスクは所望のビームレットアレイ配列を供給するよう適宜設計されうることに留意すべきである。このシステムは所望のＵＶ加工パターンを与えるので、光学システム１０００を使用すれば、加工マスク（フォトツール）を作製する必要をなくすことができる。その結果、マイクロ構造物の製造コストを削減する。
【０１７２】
マルチピクセル位相マスクを使用する代わりに、二次元ビームレットアレイを生成させるために、フラクタルビーム形成素子またはダンマン素子を使用できることに留意すべきである。
【０１７３】
当該発明の上記すべての例に関して、当技術分野にとって周知のその他の標準的な光学系（例えば、レンズ構成）を、調整の目的でのみビーム形成装置の前後に追加できることに留意すべきである。光源または光源素子の各々は、シーケンスメカニズムとパルスモード動作と共に数個の光源が使用される、図１、２Ａ〜２Ｃの光モジュールアーキテクチャを用いて設計できる。
【０１７４】
様々なＶＣＳＥＬアレイ、レーザダイスアレイ、およびＬＥＤの機構と特殊なビーム形成装置を同じ投影システムに併用することは、コストおよび物理的なサイズの劇的な縮小、より高い出力輝度、そして消費電力の低減をもたらす可能性を有するものと考えられる。
【０１７５】
本発明のビーム形成技術は、例えば、空間光変調器（ＳＬＭ）の開口（アパーチャ）に入射する光の効率を劇的に改良するために使用できる。ＳＬＭの構成と動作はそれ自体周知であるので、特に説明する必要はない。ＳＬＭは、データプロジェクタ、ヘッドマウント式ディスプレイ、およびデジタルカメラの従来のファインダに用いる小型ディスプレイ装置（通常対角線１．５”以下のスクリーンサイズ）として、今日、一般に利用される。ＳＬＭの製造者は、新しい製品多様性を引き出すために、各世代の変調器内でその物理的サイズを縮小しようとしている。けれども、ＳＬＭの透過効率が依然として問題であり、変調器を飛躍的にさらに小さくする上で大きな障害となっている。つまり、ＳＬＭ内部のブラックマトリクスＴＦＴマスクが、入ってくる投影光の大部分を遮断するので、十分な出力投影画像を得るには高輝度の照射源を使わざるを得ない。さらに、ＳＬＭにより遮断された光の部分により、ＳＬＭに蓄積した熱を拡散するために、より大きな表面が要求される。これは、過熱により、液晶物質の挙動が投影画像上に収差を引き起こす可能性があるからである。したがって、光透過率と放熱性を向上させるには比較的大きなＳＬＭが必要になる。
【０１７６】
本発明は、上記の問題を、ＳＬＭユニットにビーム形成技術を利用することにより解決する。本発明のビーム形成は、ダンマン格子（レンズレットアレイを併用する、または併用しない）、マルチピクセル回折光学位相マスク（フィルタ）またはフラクタル手法、および／または逆ダンマン格子に基づく。
【０１７７】
カラフルな投影画像を実現するために三つのカラーチャネルを得るためのフル二次元アドレス指定可能なＶＣＳＥＬ励起に基づいたアーキテクチャの二つの例をそれぞれ示す図１９（Ａ）および１９（Ｂ）を参照する。
【０１７８】
図１９（Ａ）の例では、光学システム１１００Ａは、空間的に離間した三つの光学経路を定め、すべての経路からの光を、出力画像をスキャンする偏向素子に向けて方向付けるように構成される。画像は、光源ごとに二次元アドレス指定可能なチャネルのセットから作られる。ここで、各光源構成は、偏向素子により同期的にスキャンされる異なるパターンのグレイレベル（階調）を供給するよう制御される。この偏向素子は、グレイレベル（階調）が変化する投影表面を移動する方形パターンを形成するデジタルマイクロミラーに基づいた素子で構成でき、したがって画像が得られる。
【０１７９】
このシステム１１００Ａは、異なる波長で動作する二次元ＶＣＳＥＬアレイであり、三つの個別にアドレス指定可能な光源１６４、１６６、１６８で構成された光源システムを含む。光源１６４は、１０６０ｎｍの指定波長の二次元ＶＣＳＥＬアレイ（望ましくは、個別にアドレス指定可能とする）である。光源１６６は、約８６０〜９４０ｎｍの別の指定波長の二次元アドレス指定可能ＶＣＳＥＬ構成アレイに基づいた別の照射チャネルである。光源１６８は、約６３０〜６６０ｎｍの指定波長の二次元アドレス指定可能ＶＣＳＥＬアレイである。光源１６８は当システムの赤色光源として動作し、他の二つの光源１６４と１６６は、それぞれ緑色と青色を供給するために、結晶倍加素子１７０（例えば、ＫＴＰ）と１７２（例えば、ＢＢＯ）を利用している。光源１６４は倍加結晶１７０を照射し、当初発光した１０６０ｎｍのＩＲビームをＫＴＰ結晶１７０からの５３０ｎｍ緑色出力に変換する。光源１６６は倍加結晶１７２に向けてビームを発し、これにより、光源からの８６０ｎｍのＩＲビームがＢＢＯ結晶１７２からの４３０ｎｍ青色出力に変換される。各光源からのビームレットセットは制御され、それらの輝度は色ごとに要求された投影画像のグレイレベルに対応して決定される。輝度パターンからなるＩＲビームは倍加結晶に平行に投影され、倍加出力側で同じ輝度パターンと解釈されるが、可視範領域内で異なる波長となる。これらの光源装置は、図１６（Ａ）と１６（Ｂ）に関連して前述したのと同様に組み立てることができる。
【０１８０】
結晶１７０と１７２からおよび赤色の二次元アドレス指定可能なＶＣＳＥＬ機構１６８から出現するビームはすべてペリスコープ１７４へ方向付けられ、そこで合成後、固定取り付けミラー１７６に向けて方向付けられる。このミラー１７６はビームを回転ミラー１７８の方向へ反射する。この回転ミラー１７８は、ビームレットの多数のアレイから完全な画像を生成するために、出力スキャニングをすべて実行する。完全な出力画像が、最後に結像レンズ１８０を通じて外へ投影される。結像レンズを備えるかどうかは選択である。
【０１８１】
同じ効果を得るために、その他の種類の結晶（レーザ発振および倍加）またはその他の非線形光学媒体を使用できることに留意するべきである。また、照射チャネル内に追加の光学素子（例えば、マイクロレンズアレイ）を使用できることにも留意すべきである。カラフルな画像を得るための照射ＶＣＳＥＬの特定の波長を示したが、非可視領域内の異なる波長をもつその他の照射源も使用できることを理解すべきである。
【０１８２】
図１９（Ｂ）の実施例では、光学システム１１００Ｂは、カラフルな投影画像を実現するための三つのカラーチャネルを得るために単一二次元アドレス指定可能なＶＣＳＥＬアレイを利用する、フル二次元アドレス指定可能なＶＣＳＥＬ励起に基づくアーキテクチャを実現するよう構成される。この二次元アドレス指定可能なＶＣＳＥＬアレイ１８２は、８０８ｎｍの指定波長のＩＲ光源である。光源１８２により生成された光は、ビーム分割器１８４と１８６により空間的に離間した三つのビームに分割される。図示のように、ビーム分割器１８４により反射された光部分は、ビーム分割器１８６に方向付けられ、さらに二つの光部分に分割される。そのうちの一つは、ビーム分割器１８６により透過されてミラー１８８へ向かう。このミラー１８８は、この光部分がビーム分割器１８４により透過された光部分とビーム分割器１８６により反射された光部分とそれぞれ平行になるように、この光部分を方向付けるように適切に向きを定められている。
【０１８３】
ビーム分割器１８４と１８６から出現する光部分とミラー１８８により反射された光部分は液晶セル１９０、１９２および１９４にそれぞれ方向付けられる。各液晶セルは、各投影チャネルを動作させるかまたは停止させるように制御可能である（色順次動作）。
【０１８４】
液晶セル１９０、１９２、１９４から出現する光部分は、それぞれ、レーザ発振結晶１９６、１９８および１９９へ向けて伝播し、そこで各チャネルの波長が８０８ｎｍから異なる波長領域へ変換される。ＬＣ１９０からの光出力は、レーザ発振結晶１９６（例えば、Ｎｄ:ＹＶＯ４）を通過し、１０６４ｎｍ光に変換され、続いて倍加結晶２０６（例えば、ＫＴＰ）を通過し、そこで光の第二高調波生成が行われることにより、５３２ｎｍ（緑色）の可視領域ビームが作られる。
【０１８５】
同様のプロセスが、ビーム分割器１８６に対応する照射チャネルでも行われる。ＬＣセル１９２から出現する光は、８０８ｎｍ入力を９１４ｎｍに変換するレーザ発振結晶１９８（例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４）に入射し、次に倍加結晶２０７（例えば、ＢＢＯ）へ向けられる。この倍加結晶２０７が入力の第二高調波を生成し、発光することにより、４５７ｎｍの出力（青色）が得られる。
【０１８６】
ビーム分割器１８８に対応した第三のチャネルでは、ＬＣ１９４からの光出力は、１３１９ｎｍ光を発光するレーザ発振結晶１９９（例えば、Ｎｄ：Ｙａｇ）へ方向付けられ、次に倍加結晶２０１へ方向付けられる。その出力での第二高調波生成により、６６０ｎｍの出力（赤色）が得られる。
【０１８７】
これらのすべてのチャネルは、色順次モードで異なるタイミングで点灯される。すなわち、各照射サイクルにおいて、８０８ｎｍのＶＣＳＥＬアレイ上の異なるパターンが点灯される。光ビームは各チャネルに向けて並列に発光されるが、照射サイクルのパターンは対応する色のチャネルのみに送られ、他の色のチャネルでは液晶により遮断される。
【０１８８】
各チャネルで生成した光は、可視領域のパターンとして外部へ方向付けられて、ペリスコープ２０８へ向けて投影される。そこで、すべてのチャネルからの光はミラー２１１へ向けられて、次に偏向ミラー２１２へ向けられる。後者が、ビームレットパターンの多数のアレイから完全な画像を生成するために、出力スキャニングをすべて実行する。完全な出力画像が、最後に結像レンズ２１４（選択的に）を通じて外へ投影される。代替的に、どの時間点でどの光学経路が照射光を受け取るかを制御するために、ビーム分割器と液晶シャッタの組み合わせを偏向ミラーに置き換えることができることに留意すべきである。
【０１８９】
所定の各サイクルで、制御ユニット（図示せず）は、色ごとの画像入力値に従って、二次元ＶＣＳＥＬアレイのグレイレベルを綿密に調整する。グレイレベルは、偏向素子によりスキャン出力され、二次元ＶＣＳＥＬの比較的小さいアレイから大きな画像を得られる。
【０１９０】
同じ効果を得るために、その他の種類の結晶（レーザ発振および倍加）を使用してもよいことに留意するべきである。照射チャネル内に追加の光学素子（例えば、マイクロレンズアレイ）を追加できる。８０８ｎｍのＶＣＳＥＬアレイを三つのチャネルに分割する代わりに、それぞれ異なるチャネルの３個の８０８ｎｍのＶＣＳＥＬアレイを使用できる。このようにすれば、ビーム分割器と液晶を使用する必要がない。代替的に、三つのチャネルをすべてカバーするより大型の８０８ｎｍ二次元アドレス指定可能なＶＣＳＥＬアレイを使用できる（３個のＶＣＳＥＬアレイの代わりに）。この場合、ＶＣＳＥＬアレイのアドレスラインを制御することにより、各チャネルを照射する。また、カラフルな画像を得るための照射の特定の波長を示したが、非可視領域内の異なる波長をもつその他の照射源が使用できることに留意すべきである。適切なビーム形成装置と結合されたこの光源装置は、図１６（Ａ）と１６（Ｂ）に関連して前述したようなＳＬＭに基づく投影システムを照射するために使用することもできることに留意すべきである。
【０１９１】
添付の請求の範囲で定義された発明の範囲を逸脱しないかぎり、上述した当該発明の実施形態に様々な変形および修正を加えてもよいことを当業者は容易に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１９２】
【図１】図１は、シーケンスメカニズムにより動作可能な本発明の光源システムのブロック図である。
【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、図１の光源システムの実現をより具体的に示す図であり、図２（Ａ）は、複数のマイクロ光源の配列を示し、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、シーケンスメカニズムの二つの実現例をそれぞれ示す。
【図３】図３は、本発明の光学システムのブロック図である。
【図４】図４は、ＶＣＳＥＬの二次元アレイで構成された光源モジュールを例示する図である。
【図５】図５は、ガウス強度分布プロファイルからトップハット型のプロファイルへの変換を示す図である。
【図６Ａ】トップハット素子アセンブリの使用に基づいたビーム形成を利用する光学システムをビーム形成のシミュレーションとともに例示する図である。
【図６Ｂ】トップハット素子アセンブリの使用に基づいたビーム形成を利用する光学システムをビーム形成のシミュレーションとともに例示する他の図である。
【図６Ｃ】トップハット素子アセンブリの使用に基づいたビーム形成を利用する光学システムをビーム形成のシミュレーションとともに例示するさらに他の図である。
【図６Ｄ】トップハット素子アセンブリの使用に基づいたビーム形成を利用する光学システムをビーム形成のシミュレーションとともに例示するさらに他の図である。
【図６Ｅ】トップハット素子アセンブリの使用に基づいたビーム形成を利用する光学システムをビーム形成のシミュレーションとともに例示するさらに他の図である。
【図６Ｆ】トップハット素子アセンブリの使用に基づいたビーム形成を利用する光学システムをビーム形成のシミュレーションとともに例示するさらに他の図である。
【図７Ａ】本発明で使用される回折光学ユニット（ビーム形成装置）の設計の原理を示す図であり、ビーム形成を実現するための概略的な光学機構を示す図である。
【図７Ｂ】本発明で使用される回折光学ユニット（ビーム形成装置）の設計の原理を示す図であり、使用される反復アルゴリズムの数ステップを示す図である。
【図７Ｃ】本発明で使用される回折光学ユニット（ビーム形成装置）の設計の原理を示す図であり、回折光学素子の入力領域分布（ガウス領域）および制約出力形状（長方形）を示す図である。
【図７Ｄ】本発明で使用される回折光学ユニット（ビーム形成装置）の設計の原理を示す図であり、シミュレーション結果を示す図である。
【図７Ｅ】本発明で使用される回折光学ユニット（ビーム形成装置）の設計の原理を示す図であり、シミュレーション結果を示す他の図である。
【図７Ｆ】本発明で使用される回折光学ユニット（ビーム形成装置）の設計の原理を示す図であり、シミュレーション結果を示すさらに他の図である。
【図７Ｇ】本発明で使用される回折光学ユニット（ビーム形成装置）の設計の原理を示す図であり、シミュレーション結果を示すさらに他の図である。
【図８】図８は、逆ダンマン光学素子をビーム形成器として用いる本発明の光学システムを例示する図である。
【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、本発明で使用されるダンマン格子の設計の原理を示す図であり、図９（Ａ）は、光学機構を示し、図９（Ｂ）は、格子の一次の透明度関数を示し、図９（Ｃ）は、転移点が一つである場合のダンマン格子の出力を示す。
【図１０Ａ】図８の機構を使用した干渉性の点光源の配列の広い光源への変換の原理を示す図であり、９個の点光源のマトリクス（一次）を含む入力を示す図である。
【図１０Ｂ】図８の機構を使用した干渉性の点光源の配列の広い光源への変換の原理を示す図であり、二次と一次の場合の出力面において計算された光強度を示す図である。
【図１０Ｃ】図８の機構を使用した干渉性の点光源の配列の広い光源への変換の原理を示す図であり、二次と一次の場合の出力面において計算された光強度を示す他の図である。
【図１０Ｄ】図８の機構を使用した干渉性の点光源の配列の広い光源への変換の原理を示す図であり、出力面における光強度の一次フーリエ変換を示す図である。
【図１０Ｅ】図８の機構を使用した干渉性の点光源の配列の広い光源への変換の原理を示す図であり、集光レンズの焦点面から焦点距離だけ自由空間伝播（ＦＳＰ）した後の光強度を示す図である。
【図１０Ｆ】図８の機構を使用した干渉性の点光源の配列の広い光源への変換の原理を示す図であり、ＦＳＰ後の一次の光強度を示す図である。
【図１１】図１１は、単一光ビームをビームレットの二次元配列に変換する回折光学ユニットを利用する本発明の光学システムを概略的に示す図である。
【図１２】図１２は、位相専用フィルタの原理解析的ソリューションを示す図であり、出力がゼロになるエネルギ点間の領域（Δσ）およびそのような点が出現する領域（Δμ）の数学的導出のための記号を示す。
【図１３】図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、本発明においてビーム形成装置として使用されるのに適した回折光学ユニットでの二つのフラクタル項の演算方法による計算値の実例を示す図である。
【図１４】図１４は、逆ダンマン格子アセンブリおよびトップハット素子アセンブリを利用する本発明の光学システムのさらに別の例を概略的に示す図である。
【図１５】図１５は、図１４における逆ダンマン格子を別の種類の光学素子に置き換えることによる非線形光学媒体上の数個の点の生成を例示する図である。
【図１６】図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）は、異なる波長領域で動作する異なる光源からの光を合成する投影システムとして構成された本発明の光学システムの二つの例をそれぞれ示す図である。
【図１７】図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）は、投影システムでの使用に適した本発明の光学システムのさらに二つの例を示す図である。
【図１８】図１８は、表面レリーフパターンとして加工されたマイクロレンズアレイなどの微小な構造物の製造用のフォトリソグラフィツール装置に使用されるように構成された本発明の光学システムを例示する図である。
【図１９】図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）は、カラフルな投影画像を実現するために三つのカラーチャネルを得るためのフル二次元アドレス指定可能なＶＣＳＥＬ励起に基づいたアーキテクチャの二つの例をそれぞれ示す図である。
【図１】
2007508596.tif 000033
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007508596.tif 000037
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2007508596.tif 000039
【図６Ｃ】
2007508596.tif 000040
【図６Ｄ】
2007508596.tif 000041
【図６Ｅ】
2007508596.tif 000042
【図６Ｆ】
2007508596.tif 000043
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2007508596.tif 000045
【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図８】
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【図９】
2007508596.tif 000052
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2007508596.tif 000054
【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１１】
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【図１２】
2007508596.tif 000060
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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