(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テレセントリック光学焦点調節システムであって、
単一波長の光ビームを放射するためのレーザ光発生源と、
前記光ビームを回折するための第一回折光学要素と、
前記第一回折光学要素からの前記光ビームを回折しスポットとするための第二回折光学要素と、
を備え、
前記光学焦点調節システムの物体視野の全長は０．５μｍであり、前記光学焦点調節システムの像視野は０．５μｍであり、
前記スポットサイズは１μｍ未満であり、前記光学焦点調節システムは０．９を超えるストレール比（Ｓｔｒｅｈｌ  ｒａｔｉｏ）を有し、
前記第一回折光学要素は回折位相プロファイルを有する第一面および回折位相プロファイルを有する第二面を有し、前記第二回折光学要素は回折位相プロファイルを有する第一面および回折位相プロファイルを有する第二面を有し、
さらに、前記回折位相プロファイルΦは面上の位置ρに関して次式によって定められ、
Φ(ρ)＝ｃ1ρ2＋ｃ2ρ4＋ｃ3ρ6＋ｃ4ρ8＋ｃ5ρ10、
ここで、ｃxは多項式係数であり、
第一回折光学要素の第一面の回折位相プロファイルに対する多項式係数が、
Ｃ１： 3.0422E-01       Ｃ２： -7.6436E-03       Ｃ３： 3.1916E-03
Ｃ４： 1.6479E-04       Ｃ５： -3.4506E-03 であり、
第一回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対する多項式係数が、
Ｃ１： 1.7168E-01       Ｃ２： -2.3595E-02       Ｃ３： 5.7685E-04
Ｃ４： -1.0910E-03      Ｃ５： 2.1972E-03 であり、
第二回折光学要素の第一面の回折位相プロファイルに対する多項式係数が、
Ｃ１： -1.5537E-01      Ｃ２： 4.5906E-02        Ｃ３： 9.7831E-03
Ｃ４： 5.4507E-03       Ｃ５： 4.4001E-04
第二回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対する多項式係数が、
Ｃ１： -3.1303E-01      Ｃ２： -1.5724E-02       Ｃ３： -2.3776E-03
Ｃ４： 3.7538E-04       Ｃ５： 1.6263E-03であることを特徴とするテレセントリック光学焦点調節システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テレセントリック光学焦点調節システムに関し、特に、二つの回折光学要素を有する光学焦点調節システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームは、加熱アニーリングまたは蒸発、光メモリ記録および録音再生、光走査およびゼログラフィック用途および印刷用途のような広範な適用分野を有する。これらの多様な適用分野の場合、レーザビームは焦点調節されたビームであることが望ましい。多年にわたり種々の光学システムが提案され、レーザビームのための焦点調節手段が提供されてきた。
【０００３】
光学焦点調節システムは、最近の乾式装置においては、一方では一層正確になりつつあるが、他方では一層複雑となり費用がかかるようになっている。
【０００４】
全体の光学システム自体をできるだけコンパクトにするため、および同一設計を多数のアーキテクチャに拡張することを可能とするために、光学システムの焦点調節光学系についてはコンパクトな設計が常に望まれている。
【０００５】
効率を改良し、光路長を短縮し、可能な限り使用する光学要素を少数にして、この形式の光学焦点調節システムのハードウェア、集合部品、および位置合わせの費用を低下させることができれば望ましい。
【０００６】
半導体レーザまたはレーザダイオードは、発散光ビームを放射する。従来技術においては、光学要素、通常、レンズ、ただしある場合は反射鏡を使用して半導体レーザから放射される角度を有する発散ビームをはっきりした形にまとめ焦点調節して、焦点調節がなされたスポットサイズに形成する。
【０００７】
屈折レンズを有する従来技術の焦点調節システムにおける単独の視野点は、レンズに十分な程度の自由度があれば容易に最適化できる。しかし、大視野の点および小さいスポットサイズの場合は、光学焦点調節屈折レンズの設計は困難である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の焦点調節システムは、通常、レンズのアレイに配列される幾つかの屈折レンズ要素を備える。すべてのレンズ要素は、事実上、同一であることが必要とされる。屈折レンズの場合、公差がおよそ１μｍ以下であることが必要であるときは、同一レンズ要素の製作には問題がある。成形によるレンズの製作には熱が必要とされる。レンズが同一製作状況下における同じバッチの一部であっても、熱によって、製作されるレンズごとに厚さおよび屈折率に差が生じる傾向がある。また、焦点調節システム内のレンズの軸整合は、ほとんど不可能である。
【０００９】
光ビームの伝搬は、三つの基本的な手段、すなわち、反射鏡による反射、レンズによる屈折および格子による回折によって変更することができる。従来の光学システムは、反射および屈折によって所望の光学変換を実現する。反射鏡要素およびレンズ要素に基づく光学設計は、確立された精巧な方法である。最近まで、回折および効率の高い回折要素の製作に関する問題のために、回折要素は光学システムの要素として使用できなかった。
【００１０】
回折法は、光ビームの方向を単に変更するだけではない。回折は、反射および屈折と異なり、光ビームを多数のビームに分割し、その各ビームが異なる角度すなわち次数で方向を変更される。所望の角度によって方向を変更され、ある所定の回折次数となる入射光の百分率をその次数に対する回折効率という。回折要素の回折効率は、要素の表面プロファイルによって定まる。所望の角度によって方向を変更されない光が相当な割合である場合は、結果として、像または光学システムの画像面すなわち出力面に許容できない量の散乱が生じることになる。
【００１１】
理論上は、所定の周期を有する格子よりなる同軸回折位相要素は、１００％の回折効率を実現することができる。しかし、この効率を実現するために、いずれかの所定の周期内に連続位相プロファイルが必要とされる。また、この表面プロファイルの理論上の回折効率は、波長の変化に対する感度が比較的高い。対照的に、屈折要素は波長に対する感度が比較的低い。回折格子の高品質、高効率である連続位相プロファイルを生成する技術は、現在は存在しない。
【００１２】
一方、結果として比較的高い回折効率が得られ製作が容易である折衷案は、多レベル位相格子である。独立した位相レベルの数が多いほど、連続位相関数の近似が良好となる。これらの多レベル位相プロファイルは、標準半導体集積回路製作技術を使用して製作することができる。
【００１３】
製作方法は、回折位相プロファイルに関する数理位相記述から始まり、最終的に、多レベル回折プロファイルが製作される。第一ステップは、数理位相式を作り、数理位相式から位相プロファイル情報を含むマスクの集合を生成するステップである。第二ステップは、位相プロファイル情報をマスクからレンズ設計によって特定される要素の表面に転送するステップである。
【００１４】
多レベル要素製作に関する第一ステップは、多レベル様式において近似する必要がある理想回折位相プロファイルを数理記述することである。製作方法における次のステップは、集積回路業界において使用される標準パターンジェネレータによって生成されるリソグラフィックマスクの集合を作製することである。
【００１５】
Ｇｅ、ＺｎＳｅ、Ｓｉ、およびＳｉＯ2のような所望の材料の基板は、フォトレジストの薄層によって被覆される。次に、第一リソグラフィックマスクが、基板に密着するように置かれ、上方から紫外線露光ランプによって照射される。代替方法としては、パターンジェネレータを用い、光ビームまたは電子ビームのいずれかによってフォトレジストの薄層を露光することができる。フォトレジストは現像され、露光レジストが洗浄され、残存するフォトレジスト中に二元格子パターンが残る。フォトレジストは、エッチング停止剤として作用する。
【００１６】
多数の光学材料をエッチングする最も信頼できる正確な方法は、反応性イオンエッチングを使用することである。反応性イオンエッチング処理によって、材料は、非常に高い再現率で、エッチングされて異方性となる。所望のエッチング深さは、非常に正確に得ることができる。この方法の異方性によって垂直方向のエッチングが保証されるので、結果として、真の二元表面レリーフプロファイルが得られる。基板が設計深さまで反応性イオンエッチングされると、残存するフォトレジストははぎ取られ、二元表面レリーフ位相格子が残る。
【００１７】
第一マスクの周期の半分の周期を有する第二リソグラフィックマスクを使用し、この方法を繰り返すことができる。二元位相要素は、フォトレジストによって再度被覆され、第一マスクの半分の周期を有する第二リソグラフィックマスクを使用して露光される。現像し、露光されたフォトレジストを洗浄して除去後、基板は、反応性イオンエッチングによって第一エッチングの半分の深さまでエッチングされる。残存するフォトレジストを除去すると、所望のプロファイルに対する４レベル近似が得られる。第一マスクの４分の１および８分の１の周期を有するリソグラフィックマスクを使用し、この処理を３回および４回繰り返し、基板を第一エッチングの４分の１および８分の１の深さまでエッチングすることができる。連続したエッチングの結果、８および１６位相レベルを有する要素が得られる。４より多くのマスクを使用することはできるが、しかし、これ以上のマスクを使用するときは製作誤差が顕著になる傾向がある。
【００１８】
この方法を繰り返し、基板に多レベル表面レリーフ位相格子構造を生成する。その結果、コンピュータによって生成される、原始理想型回折表面を近似する離散型構造が得られる。製作工程において使用される各追加マスクによって、離散型位相レベルは倍加にされ、このために「二元」光学要素、正確には、二元回折光学要素と呼ばれる。
【００１９】
４回の反復処理のみによって、連続の場合に対する１６位相レベル近似を得ることができる。この方法は平行して実行できるので、多数の要素が同時に費用効率の高い方法によって生成できる。
【００２０】
１６位相レベル構造によって、９９％の回折効率が実現できる。残りの１％の光は、さらに高い次数に回折され、散乱として現れる。多くの光学システムにおいては、これは許容できる量の散乱である。１６位相レベル構造の製作は、この要素を生成するために４回の反復処理しか必要としないので、比較的効率が良い。
【００２１】
第一エッチングステップの後で、第二およびその後のリソグラフィックマスクを基板上の既存のパターンと正確に位置合わせする必要がある。位置合わせは、集積回路業界に対する他のツール標準、すなわちマスク露光装置を使用して実現される。
【００２２】
前述したように、基板上のフォトレジストは電子ビームパターンジェネレータによって露光することができる。電子ビーム直接書き込み処理によって、マスクならびにそれらに対応する位置合わせおよび露光問題が削除される。二元光学要素は、エポキシキャスティング、ゾルゲルキャスティング、エンボス加工、射出成形およびホログラフィ再生を使用して複写することもできる。
【００２３】
二元光学要素は、従来の光学装置より優れた多数の利点を有する。二元光学要素はコンピュータによって生成されるので、これらの要素は、従来のレンズまたは反射鏡よりも一般化された波面成形を実行することができる。要素は、数理上定義する必要しかなく、基準表面は必要でない。したがって、回折光学要素は、特定のレーザシステムに対する波長感度を高くすることができる。
【００２４】
回折光学要素は、通常、比較的薄型、軽量であり、多数の形式の収差およびディストーションに対して正確にすることができる。離散型位相レベルの段階的プロファイルを使用して連続位相プロファイルを近似することが可能である。
【００２５】
そこで、本発明の目的は、回折光学要素を使用するテレセントリック光学焦点調節システムを提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明はテレセントリック光学焦点調節システムであって、単一波長の光ビームを放射するためのレーザ光発生源と、前記光ビームを回折するための第一回折光学要素と、前記第一回折光学要素からの前記光ビームを回折しスポットとするための第二回折光学要素と、を備え、前記光学焦点調節システムの物体視野の全長は０．５μｍであり、前記光学焦点調節システムの像視野は０．５μｍであり、前記スポットサイズは１μｍ未満であり、前記光学焦点調節システムは０．９を超えるストレール比（Ｓｔｒｅｈｌ  ｒａｔｉｏ）を有し、前記第一回折光学要素は回折位相プロファイルを有する第一面および回折位相プロファイルを有する第二面を有し、前記第二回折光学要素は回折位相プロファイルを有する第一面および回折位相プロファイルを有する第二面を有し、さらに、前記回折位相プロファイルΦは面上の位置ρに関して次式によって定められ、Φ(ρ)＝ｃ1ρ2＋ｃ2ρ4＋ｃ3ρ6＋ｃ4ρ8＋ｃ5ρ10、ここで、ｃxは多項式係数であり、
第一回折光学要素の第一面の回折位相プロファイルに対する多項式係数が、
Ｃ１： 3.0422E-01       Ｃ２： -7.6436E-03       Ｃ３： 3.1916E-03
Ｃ４： 1.6479E-04       Ｃ５： -3.4506E-03 であり、
第一回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対する多項式係数が、
Ｃ１： 1.7168E-01       Ｃ２： -2.3595E-02       Ｃ３： 5.7685E-04
Ｃ４： -1.0910E-03      Ｃ５： 2.1972E-03 であり、
第二回折光学要素の第一面の回折位相プロファイルに対する多項式係数が、
Ｃ１： -1.5537E-01      Ｃ２： 4.5906E-02        Ｃ３： 9.7831E-03
Ｃ４： 5.4507E-03       Ｃ５： 4.4001E-04
第二回折光学要素の第二面の回折位相プロファイルに対する多項式係数が、
Ｃ１： -3.1303E-01      Ｃ２： -1.5724E-02       Ｃ３： -2.3776E-03
Ｃ４： 3.7538E-04       Ｃ５： 1.6263E-03  であることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明は、二つの回折光学要素よりなるテレセントリック光学焦点調節システムを提供する。光学システムは、ｆ値（ｆ／number）が１であり０．５μｍの全物体／像視野である場合、１μｍ未満のスポットサイズならびに０．９を超えるストレール比（Ｓｔｒｅｈｌ  ｒａｔｉｏ）を有する。
【００２８】
ここで図１について述べると、図１は、本発明の実施形態としてテレセントリック光学焦点調節システム１０を示す図である。光学焦点調節システム１０は、単一波長の発散光ビーム１４を放射するレーザ発生源１２を有する。発散光ビーム１４は第一回折光学要素１６に入射し、第一回折光学要素１６によって光ビーム１４は回折され、回折光１８はストップ１９を経由して第二回折光学要素２０に向けられる。第二回折光学要素２０は第一回折光学要素からの回折光１８を回折し、結果として得られる回折ビーム２２を画像面２６のスポット２４に向ける。
【００２９】
光学焦点調節システム１０の二つの回折光学要素１６および２０は、レーザ１２からの発散光ビーム１４を受け取り、ビーム２２の焦点をスポット２４に調節する。光学焦点調節システム１０は、フラット視野であり、またテレセントリックである。
【００３０】
レーザ発生源１２は、第一回折光学要素１６の前面すなわち第一面すなわち入射面３０から間隔２８だけ離れている。第一回折光学要素１６は、基板厚さ３２を有する。第一回折光学要素１６の後面すなわち第二面すなわち出力面３４は、ストップ１９から間隔３６だけ離れている。
【００３１】
ストップ１９は、第二回折光学要素２０の前面すなわち第一面すなわち入射面４０から間隔３８だけ離れている。第二回折光学要素２０は、基板厚さ４２を有する。第二回折光学要素２０の後面すなわち第二面すなわち出力面４４は、画像面２６上のスポット２４から間隔４６だけ離れている。
【００３２】
レーザ発生源１２は、画像面２６上のスポット２４から全間隔長４７だけ離れている。
【００３３】
物体視野４８および像視野５０は、１：１の拡大比である。図示した例においては、レーザ発生源１２における物体視野４８のサイズおよび画像面２６のスポット２４における像視野５０のサイズは、０．５μｍである。
【００３４】
光学焦点調節システムの精度は、従来は、スポットサイズおよびストレール比によって調整される。
【００３５】
本発明による光学焦点調節システム１０は、レーザビームの焦点を調節し１μｍ未満の半値全幅（ＦＷＨＭ）スポットサイズとする。スポット２４のサイズは、完全回折有限光学システムの場合は次式によって示される。
【００３６】
【数１】
スポットサイズ＝δλｆ／＃                   （式１）
【数２】
スポットサイズ＝δλ／（２Ｎ．Ａ．）         （式２）
これらの２式によって、光学焦点調節システム１０に対して得ることができる最小スポットサイズが定められる。回折限界係数δは、ＦＭＨＭスポットサイズに対しては通常１である。これらの図示例においては、波長λは、７８０ｎｍである。ｆ値ｆ／＃は、焦点距離を無限共役レンズにおける射出ひとみの直径で除した比である。開口数Ｎ．Ａ．は、無限共役システムにおける光の頂角に関連している。Ｎ．Ａ．は、次式によって求められる。
【００３７】
【数３】
Ｎ．Ａ．＝ｎｓｉｎθ                         （式３）
ここで、θは画像形成円錐２２の半頂角５２であり、ｎは回折光学要素１６および２２の屈折率である。
【００３８】
完全光学システムの場合は、ｆ値が小さいほど、スポットサイズが小さい。光学システムの焦点深度は、光学スポットサイズの平方に比例する。この設計に対する基準は、０．９のストレール比の場合０．７８μｍのスポットサイズ２４である。
【００３９】
ストレール比は、撮像システムにおける全収差の尺度であり、全収差の値がゼロに近づくとき１に近づく。収差の全くないという実現不可能な場合のみ、ストレール比は１に等しくなる。ストレール比は、光学システムにおける光学像のピーク強さの完全光学システムの場合の光学像のピーク強さに対する比である。０．８のストレール比は、通常、良好な光学システムとして許容される。０．９を超えるストレール比は、光学焦点調節システム１０の二つの回折光学要素１６および２０によって導入される全収差は無視できるものであることを定量的に表す。
【００４０】
ｆ値１の光学システムは、およそ１μｍ未満の非常に小さな焦点深度を有する。二元回折光学要素を使用することがレンズシステムに優る利点のひとつは、回折光学要素を使用することによって光学焦点調節システムは０．５μｍの全物体／像視野の場合に０．９を超えるストレール比を維持できることである。
【００４１】
回折光学要素は、基板の表面上に回折位相プロファイルを有する。この図示例における各回折光学要素１６，２０は、回折光学要素の両面に回折位相プロファイルを有する。
【００４２】
回折光学要素１６および２０は、循環すなわち回転対称を示す。
【００４３】
第一および第二回折光学要素は循環対称であるので、回折位相プロファイルΦは、半径方向の位置ρにおいて、次式によって表される。
【００４４】
【数４】
Φ(ρ)＝ｃ1ρ2＋ｃ2ρ4＋ｃ3ρ6＋ｃ4ρ8＋ｃ5ρ10              （式４）
この回折位相プロファイルは、フォトレジストによるマスクによって基板上に製作され、回折光学要素を形成する。
【００４５】
市場において入手可能であるＣＯＤＥ  Ｖ光学設計ソフトウェアを使用し、回折位相プロファイルΦに対する多項式係数ｃxを最適化することができる。ＣＯＤＥ  Ｖによって、回折光学要素の表面の曲率、厚さ、および間隔を最適化することもできる。
【００４６】
【実施例】
本発明による光学焦点調節システム１０の実施例に示すように、レーザ発生源１２からの発散光ビーム１４の波長は、７８０ｎｍである。物体視野４８は、０．５μｍである。レーザ発生源１２から第一回折光学要素１６の入射面までの間隔２８は、０．９ｍｍである。第一回折光学要素の入射面３０の回折位相に対する多項式係数ｃxは、下記の通りである。
【００４７】
Ｃ１： 3.0422E-01       Ｃ２： -7.6436E-03       Ｃ３： 3.1916E-03
Ｃ４： 1.6479E-04       Ｃ５： -3.4506E-03
第一回折光学要素１６の基板は、厚さ１．５ｍｍであるＢＫ７ショット（Ｓｈｏｔｔ）ガラスである。第一回折光学要素の出力面３４の回折位相プロファイルに対する多項式係数ｃxは、下記の通りである。
【００４８】
Ｃ１： 1.7168E-01       Ｃ２： -2.3595E-02      Ｃ３： 5.7685E-04
Ｃ４： -1.0910E-03      Ｃ５： 2.1972E-03
第一回折光学要素１６の出力面３４とストップ１９との間隔３６は、０．４９６６７９ｍｍである。ストップ１９と第二回折光学要素２０の入射面４０との間隔３８は、０．４７１０３３ｍｍである。第二回折光学要素の入射面すなわち第一面４０に対する多項式係数ｃxは下記の通りである。
【００４９】
Ｃ１： -1.5537E-01      Ｃ２： 4.5906E-02       Ｃ３： 9.7831E-03
Ｃ４： 5.4507E-03       Ｃ５： 4.4001E-04
第二回折光学要素２０の基板は、厚さ１．５ｍｍであるＢＫ７ショットガラスである。第二回折光学要素の出力面４４の回折位相プロファイルに対する多項式係数ｃxは、下記の通りである。
【００５０】
Ｃ１： -3.1303E-01      Ｃ２： -1.5724E-02      Ｃ３： -2.3776E-03
Ｃ４： 3.7538E-04       Ｃ５： 1.6263E-03
第二回折光学要素２０の出力面４４と画像面２６上のスポット２４との間隔４６は、０．９ｍｍである。像視野５０は、０．５μｍである。拡大比は、１：１である。
【００５１】
スポットサイズ２４は、０．９のストレール比の場合０．７８μｍである。
【００５２】
レーザ発生源１２から画像面２６上のスポット２４までの光学焦点調節システム１０の全間隔長４７は、５．７６７７１２ｍｍである。
【００５３】
以上、本実施例において説明した通り、本発明の２つの回折光学要素を用いたテレセントリック光学焦点システムは、ストレール比０．９において１μｍ以下のサイズのスポットに集光させる。この光学終点システムはフラット視野であり、またコンパクトである。また、このシステムは安価で、簡易に製造でき、光学要素の組立ても容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によって形成される二つの対称型回折光学要素を有する光学システムを示す概略図である。
【符号の説明】
１０  光学焦点調節システム、１２  レーザ発生源、１４  発散光ビーム、１６  第一回折光学要素、１８  回折光、１９  ストップ、２０  第二回折光学要素、２２  回折ビーム、２４  スポット、２６  画像面、２８，３６，３８，４６，４７  間隔、３０  第一回折要素の第一面、３２，４２  基板厚さ、３４  第一回折要素の第二面、４０  第二回折要素の第一面、４４  第二回折要素の第二面、４８  物体、５０  像、５２  半頂角。
【図１】
0004303332.tif 000002