DE112008002830B4

DE112008002830B4 - Optische Maske und Lichtquellengerät

Info

Publication number: DE112008002830B4
Application number: DE112008002830.3T
Authority: DE
Inventors: Taro Ando; Yoshiyuki Ohtake; Takashi Inoue; Naoya Matsumoto; Haruyoshi Toyoda
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: DE112008002830T5; CN101849199A; CN101849199B; US20100214640A1; JP2009109672A; WO2009057349A1; JP5144212B2; US7982938B2

Abstract

Diese optische Maske ist eine optische Maske, die eine räumliche Intensitätsmodulation auf Eingabelicht in einem Strahlquerschnitt anwendet und ein Licht ausgibt, nachdem es der Modulation unterzogen wurde, wobei Bereiche A0bis Apin einer Reihenfolge von einer inneren Seite ausgebildet sind, definiert durch Umfänge mit p+1 Radien r1bis rp+1um eine vorbestimmte Position, wobei p >0 eine gerade Zahl ist und rp+1> rp> ... > r2> r1und rp+1- rp> rp- rp-1> ... > r3- r2> r2- r1> r1, wobei ein Bereich Am ein Lichtdurchlassbereich ist, m eine gerade Zahl ist und p ≥ m ≥ 0, und wobei ein Bereich An ein Lichtabschirmungsbereich ist, wobei n eine ungerade Zahl ist und p > n > 0.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Maske, die eine räumliche Intensitätsmodulation anwendet auf Eingabelicht in einem Strahlquerschnitt und die das Licht ausgibt, nachdem es der Modulation unterzogen wurde, sowie ein Lichtquellengerät mit dieser optischen Maske.
Technischer Hintergrund
Wenn ein zu beobachtendes Objekt beobachtet wird oder ein zu verarbeitendes Objekt verarbeitet wird, wird Licht, das von einer Lichtquelle, wie z.B. einer Laserlichtquelle, ausgegeben wird, gebündelt und auf das zu beobachtende Objekt oder das zu verarbeitende Objekt aufgestrahlt durch ein bündelndes optisches Bestrahlungssystem mit Linsen, etc.. In solch einem Fall, in dem Licht gebündelt wird, ist es bekannt, dass ein Strahltaillen-Durchmesser, als Standard der Größe eines Gebündelten-Licht-Durchmessers, nur ungefähr auf die Hälfte der Wellenlänge des Lichts verringert werden kann. Dies wird Beugungsgrenze (Auflösungsgrenze) genannt. Jedoch ist diese Beugungsgrenze in dem Fall von Licht eines Gauss-Mode- (oder Grundmode)-Licht. Andererseits ist die Anwesenheit von Lichtmoden höherer Ordnung mit einer räumlichen Struktur feiner als die Brechungsgrenze bekannt.
Als Lichtstrahlen mit dieser Eigenschaft sind ein Bessel-Strahl und Laguerre-Gauss-Modenlicht (hier im Folgenden bezeichnet als „LG-Modenlicht“) bekannt. Unter Verwendung von solch einem Lichtstrahl kann die Energie des Lichts effizient gebündelt werden auf einen winzigen Bereich, der nicht größer ist als die Brechungsgrenze. Beispielsweise sind in den Nicht-Patentdokumenten 1 bis 6 Lichtquellengeräte beschrieben, die LG-Modenlicht ausgeben.
In Nicht-Patentdokument 7 wird eine Technik zum Bilden eines winzigen Flecks durch Bündeln von linear polarisiertem Licht mit einer gleichmäßigen Verteilung unter Verwendung eines Drei-Ring-(3R)-Filters beschrieben. Ferner wird in den Nicht-Patentdokumenten 8 bis 10 eine Technik zum Bilden eines winzigen Flecks durch Bündeln eines radial polarisierten Laserstrahls durch eine Linse mit hoher NA beschrieben.
Weiterhin sind Fresnel-Zonen-Platten bekannt, die konzentrisch und alternierend angeordnete, ringförmige, transparente Lichtdurchlassbereiche und opake Lichtabschirmbereiche aufweisen, wobei das Zentrum der Fresnel-Zonen-Platte ein kreisförmiger transparenter oder opaker Bereich sein kann.
Beispielsweise offenbart Patentdokument 1 eine durchsichtige Anzeigetafel und ein Verfahren zur Herstellung selbiger. Die Anzeigetafel vom Transmissionstyp enthält eine Vielzahl von Transparenzkontrollbereichen, die in einem Array angeordnet sind, einen nicht-transparenten Grenzbereich, der um jeden der Transparenzkontrollbereiche herum existiert, und ein Mikrolinsen-Array mit einer Vielzahl von Mikrolinsen, die in einem Array so angeordnet sind, dass sie der Vielzahl von Transparenzkontrollbereichen entsprechen.
Patentdokument 1: EP 1 801 636 A1
Nicht-Patentdokument 1: Arlt, et al., Journal of Modern Optics, Band 45, Nr. 6, Seiten 1231-1237 (1998).
Nicht-Patentdokument 2: D.G. Grier, Nature, Band 424, Seiten 810-816 (2003).
Nicht-Patentdokument 3: M.W. Beijersbergen, et al., Optics Communications, Band 112, Seiten 321-327 (1994).
Nicht-Patentdokument 4: K. Sueda et al., Optics Express, Band 12, Nr. 15, Seiten 3548-3553 (2004).
Nicht-Patentdokument 5: N.R. Heckenberg, et al., Optics Letters, Band 17, Nr. 3, Seiten 221-223 (1992).
Nicht-Patentdokument 6: N.R. Heckenberg, et al., Optical and Quantum Electronics, Band 24, Nr. 24, Seiten 155-166 (1992).
Nicht-Patentdokument 7: M. Martinez-Corral, et al., Appl. Phys. Lett., Band 85, Nr. 19, Seiten 4319-4321 (2004).
Nicht-Patentdokument 8: R. Dorn, et al., Phys. Rev. Lett., Band 91, Nr. 23, Seite 233901 (2003).
Nicht-Patentdokument 9: S. Quabis, et al., Opt. Commun., Band 179, Seiten 1-7 (2000).
Nicht-Patentdokument 10: Y. Kozawa, et al., J. Opt. Soc. Am. A, Band 24, Nr. 6, Seiten 1793-1798 (2007).
Offenbarung der Erfindung
Das durch die Erfindung zu lösende Problem
Das LG-Modenlicht, wie in Nicht-Patentdokumenten 1 bis 6 beschrieben, hat einen ringförmigen Bereich (hier im Folgenden bezeichnet als „Nebenkeule“), um den zentralen Fleck in dem Lichtstrahlquerschnitt, so dass es Probleme gibt, dass die Auflösung gering ist und der Grad an Energiekonzentration des zentralen Flecks gering. Selbst durch die in Nicht-Patentdokument 7 beschriebene Technik können diese Probleme nicht ausreichend gelöst werden hinsichtlich sowohl dem Zentralfleck-Durchmesser und der Nebenkeule.
Die in den Nicht-Patentdokumenten 8 bis 10 beschriebene Technik verwendet diese Eigenschaften, die einzigartig sind für den radial polarisierten Laserstrahl, so dass sie nicht angewandt werden kann auf einen linear polarisierten Strahl. Diese Technik ist ein Phänomen, effektiv nur mit hoher NA (Numerischer Apertur) und kann nicht mit geringer NA realisiert werden. Ferner bündelt diese Technik nur Licht an der äußeren Peripherie einer Linse, so dass eine Lichtverwendungseffizienz sehr gering ist.
Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt zum Lösen der oben beschriebenen Probleme, und eine Aufgabe derselben ist es, ein Lichtquellengerät bereitzustellen, das einen Zentralfleck-Durchmesser verringern kann und den Grad einer Energiekonzentration bei einem zentralen Fleck erhöhen kann, und eine optische Maske, die bevorzugt zu verwenden ist in solch einem Lichtquellengerät.
Mittel zum Lösen der Probleme
Die Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Weitere Aspekte sind zum besseren Verständnis der Erfindung bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung sieht eine optische Maske vor, die eine räumliche Intensitätsmodulation auf Eingabelicht in einem Strahlquerschnitt anwendet und ein Licht ausgibt, nachdem es der Modulation unterzogen wurde, wobei Bereiche A₀ bis A_p in einer Reihenfolge von einer inneren Seite ausgebildet sind, definiert durch Umfänge mit p+1 Radien r₁ bis r_p+1 um eine vorbestimmte Position, wobei p >0 eine gerade Zahl ist und r_p+1 > r_p > ... > r₂ > r₁ und r_p+1 - r_p > r_p - r_p-1 > ... > r₃ - r₂ > r₂ - r₁ > r₁, wobei ein Bereich Am ein Lichtdurchlassbereich ist, m eine gerade Zahl ist und p ≥ m ≥ 0, und wobei ein Bereich An ein Lichtabschirmungsbereich ist, wobei n eine ungerade Zahl ist und p > n > 0.
In der oben beschriebenen optischen Maske sind die p-Radien r₁ bis r_p bevorzugt proportional zu Quadratwurzeln von p-reellen Nullstellen eines Laguerre-Polynoms p-ter Ordnung.
Ein Lichtquellengerät der vorliegenden Erfindung enthält eine Lichtquelle, die, wenn es Licht ausgibt, ein optisches Bündelungssystem, das Licht bündelt, das ausgegeben wird von der Lichtquelle, auf einen Fokuspunkt, und die optische Maske der vorliegenden Erfindung, bereitgestellt an einem Lichtpfad zwischen der Lichtquelle und dem Fokuspunkt. Ferner tritt Licht, ausgegeben von der Lichtquelle, ein in die Bereiche A₀ bis A_p , und die optische Maske gibt Licht aus, das übertragen wird durch die Lichtdurchlassbereiche.
Das oben beschriebene Lichtquellengerät enthält ferner bevorzugt ein Optische-Phase-Modulationselement, das bereitgestellt ist zwischen der Lichtquelle und der optischen Maske, wobei Licht, das ausgegeben wird von der Lichtquelle, in das Optische-Phase-Modulationselement eintritt, wobei das Optische-Phase-Modulationselement eine Phasenmodulation anwendet auf das Licht gemäß Positionen bei einem Strahlquerschnitt des Lichts, und das Licht ausgibt, nachdem es der Phasenmodulation unterzogen wurde, und in diesem Fall sind in einem Strahlquerschnitt des Lichts, das ausgegeben wird von dem Optische-Phase-Modulationselement und eingegeben in die optische Maske, Phasen von Licht, eingegeben in den Lichtdurchlassbereich und den Lichtabschirmungsbereich bevorzugt unterschiedlich um π voneinander.
In dem Lichtquellengerät, das oben beschrieben wurde, gibt das Optische-Phase-Modulationselement bevorzugt LG-Modenlicht aus mit einem radialen Index p durch Anwenden einer Phasenmodulation auf Eingabelicht.
In dem oben beschriebenen Lichtquellegerät ist das Optische-Phase-Modulationselement bevorzugt ein Element mit Phasenmodulationsbeträgen von Pixeln, eingestellt auf Grundlage eines Steuersignals, das eingegeben wird von außen.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Zentralfleck-Durchmesser verringert werden, und der Grad an Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck kann erhöht werden.
Figurenliste

1 zeigt eine Konfigurationsansicht eines Lichtquellengeräts 1 der vorliegenden Ausführungsform;
2 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15 der vorliegenden Ausführungsform;
3 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15 der vorliegenden Ausführungsform;
4 zeigt eine Ansicht, die Ergebnisse einer Berechnung von Lichtintensitätsverteilungen in der Nähe eines Fokuspunktes zeigt;
5 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zentralfleck-Durchmesser und β zeigt;
6 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Grad η der Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck und β zeigt;
7 zeigt eine Ansicht, die andere Ergebnisse der Berechnung der Lichtintensitätsverteilungen in der Nähe des Fokuspunktes zeigt;
8 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p gesetzt wird auf 4;
9 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p eingestellt wird auf 6;
10 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p eingestellt wird auf 2;
11 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p eingestellt wird auf 4;
12 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p eingestellt wird auf 6;
13 zeigt eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Linse 16A zeigt, wenn die optische Maske bereitgestellt wird bei einer Einfallsebene;
14 zeigt eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Linse 16B zeigt, die keinen Lichtbündelungseffekt in einem Bereich entsprechend einem Lichtabschirmungsbereich aufweist.

Bezugszeichenliste

1:: Lichtquellengerät,
2:: Fokusebene,
10:: Laser-Lichtquelle,
11, 12:: Linse,
13:: Apertur,
14:: Optische-Phase-Modulationselement,
15:: Optische Maske,
16:: Linse.

Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
Hier im Folgenden wird ein bester Modus zum Ausführen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen. In der Beschreibung der Zeichnungen werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine überlappende Beschreibung wird weggelassen.
1 zeigt eine Konfigurationsansicht eines Lichtquellengeräts der ersten Ausführungsform. Das Lichtquellengerät 1, das in dieser Figur gezeigt ist, enthält eine Laser-Lichtquelle 10, eine konvexe Linse 11, eine konvexe Linse 12, eine Apertur 13, ein durchlässiges Optische-Phase-Modulationselement 14, eine optische Maske 15, und eine konvexe Linse 16. 2 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15 der bevorzugten Ausführungsform. In 2 wird die optische Maske 15 in der Optischen-Achsen-Richtung gezeigt.
Die Laser-Lichtquelle 10 gibt kohärentes Laserlicht aus und ist beispielsweise eine He-Ne-Laser-Lichtquelle. Die Linse 11 und die Linse 12 dienen als Strahlaufweiter, und Licht, das von der Laser-Lichtquelle 10 ausgegeben wird, tritt in die Linse 11 und die Linse 12 ein. Die Linse 11 und die Linse 12 weiten den Strahldurchmesser des Lichts auf und geben dieses Licht als paralleles Licht aus. Die Apertur 13 hat eine kreisförmige Öffnung und von der Linse 11 und der Linse 12 ausgegebenes Licht tritt in die Apertur 13 ein. Die Apertur 13 gibt einen Teil, der durch die Öffnung in einem Strahlquerschnitt des Lichtes durchgeht, an das Optische-Phase-Modulationselement 14 aus.
Licht, das ausgegeben wurde von der Laser-Lichtquelle 10 und durchging durch die Öffnung der Apertur 13 durch die Linsen 11 und 12, tritt in das Optische-Phase-Modulationselement 14 ein. Das Optische-Phase-Modulationselement 14 wendet eine Phasenmodulation an auf das Licht gemäß einer Position an dem Strahlquerschnitt des Lichts und überträgt und gibt das Licht aus, nachdem es der Phasenmodulation unterzogen wurde durch die optische Maske. Das Optische-Phase-Modulationselement 14 kann bereitgestellt werden mit einer Dickenverteilung durch Bearbeiten der Oberfläche einer Glasplatte, etc., jedoch ist bevorzugt das Optische-Phase-Modulationselement 14 ein Räumliches-Licht-Modulator (SLM, Spatial Light Modulator), in dem Phasenmodulationsbeträge der Pixel für einen Durchlass eingestellt werden auf Grundlage eines Steuersignals, das ausgegeben wird von der Außenseite. Wenn ein SLM verwendet wird als das Optische-Phase-Modulationselement 14, kann eine räumliche Verteilung der Phasenmodulationsbeträge elektrisch eingeschrieben werden, und verschiedene Phasenmodulationsverteilungen können wie passend bereitgestellt werden.
Licht, das einer Phasenmodulation ausgesetzt ist durch das Optische-Phase-Modulationselement 14, tritt ein in die optische Maske 15. Die optische Maske 15 wendet eine Räumliche-Intensitätsmodulation in dem Strahlquerschnitt des Lichts an und gibt das Licht aus, nachdem es der Modulation ausgesetzt wurde, an die Linse 16. Die Linse 16 dient als ein bündelndes optisches System, das Licht bündelt, das ausgegeben wird von der optischen Maske 15, auf eine Fokusebene 2. Die Fokusebene 2 ist beispielsweise ein zu observierendes bzw. beobachtendes Objekt oder ein zu verarbeitendes Objekt.
Wie auch in 2 gezeigt, ist in der optischen Maske 15, wenn Bereiche A₀ bis A_p , definiert durch Umfänge mit p Radien r₁ bis r_p um eine vorbestimmte Position (Position, durch die der Hauptstrahl geht), in einer Reihenfolge von der inneren Seite gesetzt werden, ein Bereich Am (m ist eine gerade Zahl nicht kleiner als 0 und nicht größer als p) ein Lichtdurchlassbereich, und ein Bereich An (n ist eine ungerade Zahl nicht kleiner als 0 und nicht größer als p) ist ein Lichtabschirmungsbereich. In 1 und 2 wird der p-Wert auf 2 gesetzt. Hier ist p eine gerade Zahl und erfüllt „r_p > r_p-1 > ... > r₂ > r₁“ und „r_p - r_p-1, > r_p-1 - r_p-2 > ... > r₃ - r₂ > r₂ - r₁ > r₁.“
Die optische Maske 15 wird detaillierter mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 zeigt eine Draufsicht auf die optische Maske 15 der vorliegenden Ausführungsform. In 3 wird die optische Maske 15 auch in der Optischen-Achsen-Richtung gezeigt. Wie in dieser Figur gezeigt, werden in der optischen Maske 15 (p+1) Bereiche A₀ bis A_p , definiert durch die Umfänge mit p Radien r₁ bis r_p um die vorbestimmte Position, eingestellt. Bereiche A₀ , A₁ , A₂ , ..., A_p werden in der Reihenfolge von der inneren Seite eingestellt bzw. gesetzt. p ist eine gerade Zahl. Der innerste Bereich A₀ ist ein Bereich innerhalb des Umfangs mit dem Radius r₁. Der äußerste Bereich A_p ist ein Bereich außerhalb des Umfangs mit dem Radius r_p. Jeder Bereich A₁ zwischen dem Bereich A₀ und dem Bereich A_p ist ein ringförmiger Bereich, der definiert wird durch einen Umfang mit einem Radius r₁ und einem Umfang mit einem Radius r_i+1 (i = 1, 2, 3, ..., p-1) .
In diesem Fall haben die Bereiche A₀ bis A_p entsprechend radiale Breiten, so dass der äußere Bereich die größere radiale Breite aufweist. Dies bedeutet, dass die Radien r₁ bis r_p den Ausdruck mit der unten gezeigten Beziehung erfüllen. Für den innersten Bereich A₀ ist der Radius r₁ die radiale Breite. Ein Bereich Am (m ist eine gerade Zahl nicht geringer als 0 und nicht mehr als p) ist ein Lichtdurchlassbereich, und ein Bereich An (n ist eine ungerade Zahl nicht geringer als 0 und nicht mehr als p) ist ein Lichtabschirmungsbereich. Der äußerste Bereich A_p ist ein Lichtdurchlassbereich.
[Numerische Formel 1] $r_{p} - r_{p - 1} > r_{p - 1} - r_{p - 2} > \dots > r_{2} - r_{1} > r_{1}$
Die p Radien r₁ bis r_p, die gesetzt werden sollten in der radialen Richtung r, werden wie folgt gesetzt. Die Radien r₁ bis r_p sind vorhanden in Teilen („Knoten“), in denen die Lichtintensität Null wird. Knoten der Lichtintensitätsverteilung können erhalten werden von dem Nullpunkt des Laguerre-Polynoms S_p(z), ausgedrückt als numerische Formel (2). p wird ein radialer Index genannt, und ist im Allgemeinen eine natürliche Zahl und ist eine positive gerade Zahl in der vorliegenden Ausführungsform. Das Laguerre-Polynom ist ein Polynom p-ter Ordnung und weist p unterschiedliche positive reelle Nullstellen (real roots) a₁ bis a_p auf. Durch Verwenden dieser Nullstellen a₁ und des Lichtstrahl-Taillen-Radius w, wird der Radius r_i ausgedrückt als numerische Formel (3) (i = 1,2,3, ..., p). Dies bedeutet, dass die p Radien r₁ bis r_p proportional sind zu Quadratwurzeln von p reellen Nullstellen des Laguerre-Polynoms p-ter Ordnung.
[Numerische Formel 2] $S_{p} (z) = \sum_{k = 0}^{p} \frac{{(- 1)}^{k} \cdot p!}{(p - k)! \cdot {(k!)}^{2}} \cdot z^{k}$
[Numerische Formel 3] $r_{i} = w \sqrt{\frac{a_{i}}{2}} (i = 1,2, \dots, p)$
In der in 1 gezeigten Konfiguration kann Licht, eingegeben in die optische Maske 15, eine feste Phase in dem Strahlquerschnitt aufweisen, jedoch weist das Licht bevorzugt eine Phase auf, die sich unterscheidet um π zwischen zwei Bereichen, die benachbart sind voneinander von den (p+1) Bereichen A₀ bis A_p . Dies bedeutet, dass bevorzugt die Phase des Lichts, das einzugeben ist in die geradzahligen Lichtdurchlassbereiche A₀ , A₂ , ..., A_p sich unterscheidet um π von der Phase des Lichts, das einzugeben ist in die ungeradzahligen Lichtabschirmungsbereiche A₁ , A₃ , ..., A_p-1 . Der Phasenmodulationsbetrag ϕ₀ in den geradzahligen Lichtdurchlassbereichen A₀ , A₂ , ..., A_p ist fest. Der Phasenmodulationsbetrag ϕ₁ in den ungeradzahligen Lichtabschirmungsbereichen A₁ , A₃ , ..., A_p-1 ist fest. Der Phasenmodulationsbetrag ϕ₀ ist unterschiedlich um π von dem Phasenmodulationsbetrag ϕ₁. Das Licht, das dieser optischen Phasenmodulation ausgesetzt ist durch das Optische-Phase-Modulationselement 14, das auszugeben ist, ist LG-Modenlicht mit einem radialen Index von p und einem Deflektionsindex von 0.
Das Lichtquellengerät 1 der vorliegenden Ausführungsform arbeitet wie folgt. Kohärentes Laserlicht, das ausgegeben wird von der Laser-Lichtquelle 10 wird aufgeweitet in Strahldurchmesser durch die konvexe Linse 11 und die konvexe Linse 12, und dann geht ein Teil des Strahlquerschnitts durch die kreisförmige Öffnung der Apertur 13, so dass ein kreisförmiger Strahlquerschnitt gebildet wird, und dann wird das Laserlicht eingegeben in das Optische-Phase-Modulationselement 14. Das in das Optische-Phase-Modulationselement 14 eingegebene Licht wird einer Optische-Phase-Modulation ausgesetzt gemäß Positionen an dem Strahlquerschnitt durch dieses Optische-Phase-Modulationselement 14 und ausgegeben als LG-Modenlicht mit einem radialen Index von p und einem Deflektionsindex von 0.
Das LG-Modenlicht, ausgegeben von dem Optische-Phase-Modulationselement 14, wird eingegeben in die optische Maske 15. Zu dieser Zeit ist der Phasenmodulationsbetrag ϕ₀ des Lichts, das einzugeben ist in die Lichtdurchlassbereiche A₀ , A₂ , ..., A_p der optischen Maske 15 fest, der Phasenmodulationsbetrag ϕ₁ des Lichts, das einzugeben ist in die Lichtabschirmungsbereiche A₁ , A₃ , ..., A_p-1 der optischen Maske 15 ist fest und der Phasenmodulationsbetrag ϕ₀ ist unterschiedlich um π von dem Phasenmodulationsbetrag ϕ₁. Deshalb wird Licht, das auszugeben ist von der optischen Maske 15 des LG-Modenlichts, eingegeben in die optische Maske 15, selektiv durchgelassen durch die Lichtdurchlassbereiche A₀ , A₂ , ..., A_p , und der Phasenmodulationsbetrag ϕ₀ ist fest. Licht, das auszugeben ist von der optischen Maske 15, weist konzentrische Ringe auf, durchgelassen durch die Lichtdurchlassbereiche A₂ , ..., A_p , zusätzlich zu dem zentralen Fleck, durchgelassen durch den Lichtdurchlassbereich A₀ in dem Strahlquerschnitt. Dieses Licht, das ausgegeben wird von der optischen Maske 15, wird gebündelt auf die Fokusebene 2 durch die Linse 16.
Als Nächstes sind die Ergebnisse der numerischen Berechnung und Verwendung der vektoriellen Debye-Formel gezeigt. Ein Verhältnis des Strahlradius w des LG-Modenlichts zu dem Radius der Eintrittspupille der Linse 16 wird repräsentiert als β (= Eingangspupillenradius/LG-Modenlichtradius). „Fokuspunkt“ wird eingestellt bei der geometrischen hinteren Fokuspunktposition der Linse 16.
4 zeigt eine Ansicht, die Ergebnisse der Berechnung der Lichtintensitätsverteilungen in der Nähe des Fokuspunktes zeigt. Das LG-Modenlicht wird eingestellt als linear polarisiertes Licht, der radiale Index p wird auf 2 gesetzt und der Deflektionsindex wird auf 0 gesetzt. β wird auf 2,5 gesetzt, und die NA der Linse 16 wird auf 0,85 gesetzt. 4(a) und (b) zeigen Lichtintensitätsverteilungen auf einer Ebene, welche den Fokuspunkt enthält und rechtwinklig ist zu der optischen Achse. 4(a) zeigt eine Lichtintensitätsverteilung in dem Fall eines vergleichenden Beispiels, welches die optische Maske 15 nicht verwendet.

4(b) zeigt eine Lichtintensitätsverteilung in dem Fall der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der optischen Maske 15. 4(c) und (d) zeigen Lichtintensitätsverteilungen auf einer Ebene mit der optischen Achse. 4(c) zeigt eine Lichtintensitätsverteilung in dem Fall eines vergleichenden Beispiels, welches nicht die optische Maske 15 verwendet. 4(d) zeigt eine Lichtintensitätsverteilung in dem Fall der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der optischen Maske 15.
Im Vergleich mit den vergleichenden Beispielen, die die optische Maske 15 nicht verwenden (4(a) und (c)), nimmt in dem Fall der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der optischen Maske 15 (4(c) und (d)) die Lichtintensität der Nebenkeule um den zentralen Fleck stark ab in der Nähe des Fokuspunktes, und die Fokustiefe wird kürzer. Der Bereich des halben Maximums als Größe des zentralen Flecks (Bereich, in dem der Spitzenwert des Quadrats der Intensität halb so groß ist) ist leicht größer in dem Fall der vorliegenden Ausführungsform (0,305λ²) als in dem Fall der vergleichenden Beispiele (0,248λ²). Hier ist λ eine Wellenlänge des Lichts.
5 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem zentralen Fleck-Durchmesser und β zeigt. Der Zentrale-Fleck-Durchmesser wird repräsentiert durch den Bereich mit dem halben Maximum. Die NA der Linse 16 wird auf drei Werte gesetzt: 0,78, 0,80 und 0,85. Aus dieser Figur wird verstanden, dass der zentrale Fleck kleiner wird, sobald die NA der Linse 16 sich erhöht. Es wird auch verstanden, dass, wenn der radiale Index p 2 ist, der zentrale Fleck minimiert werden kann in der Nähe einer Position, bei der β 2 ist unabhängig von der NA der Linse 16. In anderen Worten kann bei der Bedingung, dass der radiale Index p 2 ist, der minimale Fleck-Durchmesser erhalten werden durch Setzen des Eingangspupillendurchmessers der Linse 16 auf zwei Mal den Strahldurchmesser des LG-Modenlichts. Hinsichtlich der Bedingung, dass die NA der Linse 16 0,85 ist, wird der minimale Fleck-Durchmesser 0,276λ².
6 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zeigt zwischen dem Grad η der Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck und β. Der Grad η der Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck zeigt das Verhältnis der Lichtintensität, besetzt durch den zentralen Fleck, zu der Lichtintensität als Ganzes. Die NA der Linse 16 wird auf drei Werte gesetzt: 0,78, 0,80 und 0,85. Zum Vergleich werden, während die NA der Linse 16 gesetzt wird auf diese drei Werte, der Grad η der Energiekonzentration in dem Fall des vergleichenden Beispiels, welches die optische Maske 15 nicht verwendet, auch gezeigt durch die schwarzen quadratischen Markierungen. Aus dieser Figur wird verstanden, dass der Grad η der Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck in der vorliegenden Ausführungsform nicht von der NA der Linse 16 abhängt, und dies ist das Gleiche wie in dem vergleichenden Beispiel. Jedoch wird verstanden, dass der Grad η der Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck in der vorliegenden Ausführungsform verbessert werden kann um ungefähr 30% im Vergleich zu dem Fall des vergleichenden Beispiels, welches die optische Maske 15 nicht verwendet.
7 zeigt eine Ansicht, die andere Ergebnisse der Berechnung der Lichtintensitätsverteilungen in der Nähe des Fokuspunktes zeigt. Hier wird der radiale Index p gesetzt auf 4 oder 6. 8 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p gesetzt wird auf 4. 9 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p gesetzt wird auf 6.
In jedem Fall wird die NA der Linse 16 gesetzt auf 0,85. β wird gesetzt auf 3,3 wenn der radiale Index p gesetzt wird auf 4, und β wird gesetzt auf 3,8, wenn der radiale Index p gesetzt wird auf 6. 7(a) und (b) zeigen Lichtintensitätsverteilungen auf einer Ebene, die den Fokuspunkt enthält und rechtwinklig ist zu der optischen Achse. 7(a) zeigt eine Lichtintensitätsverteilung, wenn der radiale Index p auf 4 gesetzt wird. 7(b) zeigt eine Lichtintensitätsverteilung, wenn der radiale Index p auf 6 gesetzt wird. 7(c) und (d) zeigen Lichtintensitätsverteilungen auf einer Ebene mit der optischen Achse. 7(c) zeigt eine Lichtintensitätsverteilung, wenn der radiale Index p gesetzt wird auf 4. 7(d) zeigt eine Lichtintensitätsverteilung, wenn der radiale Index p auf 6 gesetzt wird.
Es wird verstanden, dass die Nebenkeule stark verringert wird in der Nähe des Fokuspunktes unter Verwendung der optischen Maske 15, wie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt. Wenn der radiale Index p auf 4 gesetzt wird, wird der Grad η der Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck 0,083 in dem vergleichenden Beispiel, das nicht die optische Maske 15 verwendet, und andererseits wird er 0,405 in der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der optischen Maske. Wenn der radiale Index p gesetzt wird auf 6, wird der Grad η der Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck 0,054 in dem vergleichenden Beispiel, welches nicht die optische Maske 15 verwendet, und andererseits wird er 0,349 in der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der optischen Maske 15. In jedem Fall wird der Grad η der Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck stark verbessert in der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der optischen Maske 15.
Ferner wird der minimale Fleckdurchmesser bei der Bedingung, dass die NA der Linse 16 0,85 ist, 0,286A², wenn der radiale Index p auf 4 gesetzt wird, und wird 0,290A², wenn der radiale Index p auf 6 gesetzt wird. In der in dem Nicht-Patentdokument 7 beschriebenen Technik wird der minimale Fleckdurchmesser, der erhalten wird durch Verwenden einer 3R-Maske gemäß der gleichen Bedingung 0,301λ², und im Vergleich mit diesem ist die vorliegende Ausführungsform eine bessere Technik.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, wo die NA der Linse 16, welches ein bündelndes optisches System ist, vergleichsweise hoch ist, und linear polarisiertes Licht wird verwendet. Jedoch hängen eine Verringerung in dem Zentralen-Fleck-Durchmesser und eine Verbesserung im Grad der Energiekonzentration bei dem zentralen Fleck als Effekte der vorliegenden Ausführungsform nicht ab von der NA der Linse 16 und sind wirkungsvoll selbst in einem polarisierten Zustand, der unterschiedlich ist zu der linearen Polarisation.
Ein Beispiel einer speziellen effektiven Verwendung des Lichtquellengeräts 1 der vorliegenden Ausführungsform ist eine Verwendung für eine lineare Polarisation mit weniger feinen Lichtquellen. Beispielsweise werden in einem magneto-optischen Disk-Lesesystem unter Verwendung eines photomagnetischen Effekts, Komponente von linear polarisiertem Licht, rotiert durch Magnetismus, gespeichert in der magneto-optischen Disk, detektiert, und durch Verwenden des Lichtquellengeräts 1 der vorliegenden Ausführungsform kann eine größere Kapazität realisiert werden.
Die Position der optischen Maske 15 kann vor der Linse 16 sein als bündelndes optisches System, wie oben beschrieben oder kann hinter der Linse 16 sein. Die optische Maske 15 kann gebildet werden und bereitgestellt werden auf der Einfallsebene oder der Austrittsebene der Linse 16. Das Optische-Phase-Modulationselement 14 und die optische Maske 15 können gebildet werden integral miteinander, und in diesem Fall kann ein SLM, der eine Intensitätsmodulation und Phasenmodulation auf jedes Pixel anwenden kann, verwendet werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein LG-Modenlicht, das erzeugt wird durch das Optische-Phase-Modulationselement 14 zum Einfallen auf die optische Maske 15 gebracht, und zu der Zeit dieses Einfalls ist der Phasenmodulationsbetrag ϕ₀ des Lichts, das einzugeben ist in die Lichtdurchlassbereiche A₀ , A₂ , ..., A_p der optischen Maske 15 fest, und der Phasenmodulationsbetrag ϕ₁ des Lichts, das einzugeben ist in die Lichtabschirmungsbereiche A₁ , A₃ , ..., A_p-1 der optischen Maske 15 ist fest, und dieser Phasenmodulationsbetrag ϕ₀ und Phasenmodulationsbetrag ϕ₁ sind unterschiedlich voneinander um π. Dann wird Licht, das eingegeben wird in die Lichtdurchlassbereiche A₀ , A₂ , ..., A_p des Lichts, eingegeben in die optische Maske 15, selektiv ausgegeben von der optischen Maske 15.
Dies bedeutet, dass Licht, das ausgegeben wird von der optischen Maske 15, in dem Strahlquerschnitt konzentrische Ringe aufweist, durchgelassen durch die Lichtdurchlassbereiche A₂ , ..., A_p , zusätzlich zu dem zentralen Fleck, durchgelassen durch den Lichtdurchlassbereich A₀ , und der Phasenmodulationsbetrag ϕ₀ ist fest. Deshalb ist, wie unten beschrieben, das Licht, das einzugeben ist in die optische Maske 15, nicht notwendiger Weise LG-Modenlicht, und kann Licht sein mit einer festen Phase in dem Strahlquerschnitt. In diesem Fall wird das Licht, ausgegeben von der optischen Maske 15, das gleiche wie in der oben beschriebenen Ausführungsform in dem Strahlquerschnitt. Hier im Folgenden wird dieser Fall beschrieben.
10 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p auf 2 gesetzt ist. 11 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p auf 4 gesetzt ist. 12 zeigt eine Draufsicht der optischen Maske 15, wenn der radiale Index p auf 6 gesetzt ist. In diesen Figuren ist die optische Maske 15 auch gezeigt in der Optische-Achsen-Richtung. In diesen Figuren werden die Werte (r_i/w), die erhalten werden durch Normalisieren der Radien r_i der Umfänge, welches Grenzen der (p+1) Bereiche A₀ bis A_p sind, durch einen Strahltaillenradius w und Werte von β gezeigt.
Die Radien r_i (i = 1 bis p) der Umfänge, welche Grenzen der (p+1) Bereiche A₀ bis A_p sind, werden erhalten auf die gleiche Art und Weise, wie oben beschrieben, gemäß den numerischen Formeln (2) und (3). Jedoch muss, um den Effekt eines Minimierens des zentralen Fleck-Durchmessers zu erzeugen, das Verhältnis β des Strahlradius w zu dem Aperturradius der Linse 16 passend eingestellt werden. Speziell muss, wenn LG-Modenlicht einfallend auf die optische Maske 15 gemacht wird, um einen winzigen Fleck mit weniger Nebenkeule zu bilden, β auf einen Wert gesetzt werden auf Grundlage eines Strahlradiusparameters w auf einer Eingangspupillenebene des einfallenden LG-Modenlichts (das heißt, wβ als ein tatsächliche Dimension). Andererseits werden, wenn Licht mit einer festen Phase dazu gebracht wird, auf die optische Maske 15 zu fallen, nur relative Werte der entsprechenden Radiuswerte r₁ signifikant, jedoch zum Erzeugen des gleichen Effekts wie in dem Fall des LG-Modenlichteinfalls, muss die relative Beziehung mit β auch betrachtet werden.
Im Allgemeinen muss β größer sein als mindestens der äußere Radius r_p des äußersten Lichtabschirmungsbereichs und bevorzugt ein Wert sein, der nicht viel größer ist als der Bereich, in dem die Amplitude des elektrischen Felds des einfallenden Lichts erlaubt ist (wenn p 2 ist, ist β im Wesentlichen ungefähr 3).
Zum Erhalten eines noch winzigeren Zentralen-Fleck-Durchmessers ist es wirkungsvoll, dass β wie folgt eingestellt wird. Beispielsweise wird in dem Fall von LG-Modenlicht, eingegeben in einem Radiusindex p von 2, wie in 5 gezeigt, wenn β im Wesentlichen 2 ist ohne Abhängigkeit von der NA der Linse 16, ein minimaler Fokusfleck erhalten. Dieser β-Wert ist auch wirkungsvoll, wenn Licht mit einer gleichförmigen Phase eingegeben wird in die optische Maske 15. Wie in 10 gezeigt, kann speziell, wenn der radiale Index p 2 ist, ein Entwerfen durchgeführt werden, so dass das Verhältnis „(r_1/w) : (r_2/w) : β = 0,5412: 1,3066: 2,0" im Wesentlichen erfüllt ist und β der effektive Aperturdurchmesser der Linse 16 wird. Jedoch wird der Zentrale-Fleck-Durchmesser, wenn der radiale Index p 4 ist oder 6, ein wenig größer als in dem Fall, in dem der radiale Index p 2 ist. 11 und 12 zeigen auch bevorzugte Werte von β. Zum Erhalten des β-Werts bevorzugt mit Bezug auf die Werte des radialen Index p, muss die in 5 gezeigte Beziehung im Voraus erhalten werden.
Die Lichtabschirmungsbereiche A₁ , A₃ , ..., A_p-1 der optischen Maske 15 sind Bereiche, die einfallendes Licht blocken, und die Lichtabschirmungsbereiche A₁ , A₃ , ..., A_p-1 können das Licht durch Absorption, Reflexion oder Streuung des Lichts blocken. Wenn das Licht geblockt wird durch Absorption, sind die Lichtabschirmungsbereiche A₁ , A₃ , ..., A_p-1 beschichtet mit einem Licht absorbierenden Pigment. Wenn das Licht durch Reflexion geblockt wird, werden reflektierende Filme aus Metall, etc. gebildet auf den Lichtabschirmungsbereichen A₁ , A₃ , ..., A_p-1 . Wenn das Licht geblockt wird durch Streuung, werden raue Oberflächenteile gebildet durch Sandstrahlen, etc. auf den Lichtabschirmungsbereichen A₁ , A₃ , ..., A_p-1 .
Wichtig ist, dass das Licht, das auf die Lichtabschirmungsbereiche A₁ , A₃ , ..., A_p-1 zum Einfallen gebracht wird, nicht gebündelt wird auf einen Fokuspunkt durch die Linse 16, welche ein bündelndes optisches System ist. Deshalb wird, wie in der Schnittansicht von 13 gezeigt, die Linse 16A bereitgestellt mit der optischen Maske an der Einfallsebene, und in Bereichen entsprechend den Lichtabschirmungsbereichen A₁ , A₃ , ..., A_p-1 auf der Einfallsebene der Linse 16A kann Licht geblockt werden durch Absorption, durch Reflexion oder durch Streuung. Wie in der Schnittansicht von 14 gezeigt, kann die Linse 16B derart konfiguriert sein, so dass sie keinen Licht bündelnden Effekt in den Bereichen entsprechend den Lichtabschirmungsbereichen A₁ , A₃ , ..., A_p-1 aufweist und beispielsweise diese Bereiche Durchgangslöcher sind. In diesem Fall geht Licht, das durch die Durchgangslöcher gerade hindurchgeht, durch, so dass es nicht auf einen Fokuspunkt gebündelt wird.

Claims

Eine optische Maske (15), die eine räumliche Intensitätsmodulation auf Eingabelicht in einem Strahlquerschnitt anwendet und ein Licht ausgibt, nachdem es der Modulation unterzogen wurde, wobei Bereiche A₀ bis A_p in einer Reihenfolge von einer inneren Seite ausgebildet sind, definiert durch Umfänge mit p+1 Radien r₁ bis r_p+1 um eine vorbestimmte Position, wobei p >0 eine gerade Zahl ist und r_p+1 > r_p > ... > r₂ > r₁ und r_p+1 - r_p > r_p - r_p-1 > ... > r₃ - r₂ > r₂ - r₁ > r₁, wobei ein Bereich Am ein Lichtdurchlassbereich ist, m eine gerade Zahl ist und p ≥ m ≥ 0, und wobei ein Bereich An ein Lichtabschirmungsbereich ist, wobei n eine ungerade Zahl ist und p > n > 0.
Die optische Maske (15) nach Anspruch 1, wobei die p+1 Radien r₁ bis r_p+1 proportional sind zu Quadratwurzeln von p+1-reellen Nullstellen eines Laguerre-Polynoms p+1-ter Ordnung.
Ein Lichtquellengerät (1), umfassend: eine Lichtquelle (10), die kohärentes Licht ausgibt; ein bündelndes optisches System (16), das Licht bündelt, das ausgegeben wird von der Lichtquelle (10) auf einen Fokuspunkt; und die optische Maske (15) nach Anspruch 1 oder 2, bereitgestellt auf einem Lichtpfad zwischen der Lichtquelle (10) und dem Fokuspunkt, wobei Licht, ausgegeben von der Lichtquelle (10), in die Bereiche A₀ bis A_p eintritt und die optische Maske (15) Licht ausgibt, das durchgelassen wird durch die Lichtdurchlassbereiche.
Das Lichtquellengerät (1) nach Anspruch 3, ferner umfassend: ein Optische-Phase-Modulationselement (14), das bereitgestellt wird zwischen der Lichtquelle (10) und der optischen Maske, wobei Licht, das ausgegeben wird von der Lichtquelle (10), in das Optische-Phase-Modulationselement (14) eintritt, wobei das Optische-Phase-Modulationselement (14) eine Phasenmodulation anwendet auf das Licht gemäß einer Position auf einem Strahlquerschnitt des Lichtes und das Licht ausgibt nachdem es der Phasenmodulation unterzogen wurde, wobei in einem Strahlquerschnitt des Lichtes, das ausgegeben wird von dem Optische-Phase-Modulationselement (14) und eingegeben wird in die optische Maske (15), Phasen von Licht, eingegeben in den Lichtdurchlassbereich und den Lichtabschirmungsbereich, unterschiedlich sind voneinander um π.
Das Lichtquellengerät (1) nach Anspruch 4, wobei das Optische-Phase-Modulationselement (14) LG-Modenlicht ausgibt mit einem radialen Index p durch Anwenden einer Phasenmodulation auf Eingabelicht.
Das Lichtquellengerät (1) nach Anspruch 4, wobei das Optische-Phase-Modulationselement (14) ein Element mit Phasenmodulationsbeträgen von Pixeln ist, gesetzt auf Grundlage eines Steuersignals, das von außerhalb eingegeben wird.