光学マスクおよび光源装置
【課題】中心スポット径を小さくすることができ且つ中心スポットへのエネルギー集中度を高くすることができる光源装置および光学マスクを提供する。
【解決手段】光源装置１は、レーザ光源１０、凸レンズ１１、凸レンズ１２、アパーチャ１３、透過型の光位相変調素子１４、光学マスク１５および凸レンズ１６を備える。光学マスク１５は、所定位置（主光線が通過する位置）を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの各円周によって区分され内側から順に領域Ａ０〜Ａｐを設定したときに、領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）が光透過領域であり、領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）が光遮断領域である。ｐは偶数であり、「ｒｐ＞ｒｐ−１＞…＞ｒ２＞ｒ１」、かつ、「ｒｐ−ｒｐ−１＞ｒｐ−１−ｒｐ−２＞…＞ｒ３−ｒ２＞ｒ２−ｒ１＞ｒ１」である。
【解決手段】光源装置１は、レーザ光源１０、凸レンズ１１、凸レンズ１２、アパーチャ１３、透過型の光位相変調素子１４、光学マスク１５および凸レンズ１６を備える。光学マスク１５は、所定位置（主光線が通過する位置）を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの各円周によって区分され内側から順に領域Ａ０〜Ａｐを設定したときに、領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）が光透過領域であり、領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）が光遮断領域である。ｐは偶数であり、「ｒｐ＞ｒｐ−１＞…＞ｒ２＞ｒ１」、かつ、「ｒｐ−ｒｐ−１＞ｒｐ−１−ｒｐ−２＞…＞ｒ３−ｒ２＞ｒ２−ｒ１＞ｒ１」である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力される光のビーム断面において空間的に強度変調して当該変調後の光を出力する光学マスク、および、このような光学マスクを含む光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被観察物を観察する場合や被加工物を加工する場合に、レーザ光源等の光源から出力される光は、レンズ等を含む集光照射光学系を経て被観察物または被加工物に集光照射される。このように光を集光する場合、その集光径の大きさの目安であるビームウェスト径は、光の波長の半分程度までしか小さくすることができないことが知られている。これは回折限界と呼ばれる。ただし、この回折限界は、ガウシアンモード（あるいは基本モード）の光についてのことである。一方、回折限界より微細な空間構造を持つ高次モード光の存在が知られている。
【０００３】
このような性質をもつ光ビームとして、ベッセル（Bessel）ビームやラゲール・ガウス・モード（Laguerre-Gaussian Mode）光（以下「ＬＧモード光」という。）が知られている。このような光ビームを用いれば、実効的に回折限界以下の微小領域に光のエネルギーを集中させることが可能となる。例えば非特許文献１〜６には、ＬＧモード光を出力する光源装置について記載されている。
【０００４】
また、非特許文献７には、three-ring (3R) filter を用いて一様分布の直線偏光を集光して微小スポットを形成する技術が記載されている。さらに、非特許文献８〜１０には、径偏光レーザビームを高ＮＡレンズで集光して微小スポットを形成する技術が記載されている。
【非特許文献１】J. Arlt, et al., Journal of Modern Optics, Vol.45, No.6,pp.1231-1237 (1998).
【非特許文献２】D. G. Grier, Nature, Vol.424, pp.810-816 (2003).
【非特許文献３】M. W. Beijersbergen,et al., Optics Communications, Vol.112, pp.321-327 (1994).
【非特許文献４】K. Sueda, et al., Optics Express, Vol.12, No.15, pp.3548-3553(2004).
【非特許文献５】N. R. Heckenberg, et al., Optics Letters, Vol.17, No.3, pp.221-223(1992).
【非特許文献６】N. R. Heckenberg, et al., Optical and Quantum Electronics, Vol.24,No.24, pp.155-166 (1992).
【非特許文献７】M. Martinez-Corral, et al., Appl. Phys. Lett. VOl.85, No.19, pp.4319-4321(2004).
【非特許文献８】R. Dorn, et al., Phys. Rev. Lett. Vol.91, No.23, p.233901 (2003).
【非特許文献９】S. Quabis, et al., Opt. Commun. Vol.179, pp.1-7 (2000).
【非特許文献１０】Y. Kozawa, et al., J. Opt. Soc. Am. A, Vol.24, No.6, pp.1793-1798(2007).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１〜６に記載されているようなＬＧモード光は、その光ビーム断面において中心スポットの周囲に本質的にリング状領域（以下「サイドローブ」という。）を有しているので、分解能が低いという課題や、中心スポットへのエネルギー集中度が低いなどの課題を有している。非特許文献７に記載されている技術でも、中心スポット径およびサイドローブの何れの点でも、上記課題を充分に解決することはできない。
【０００６】
また、非特許文献８〜１０に記載されている技術は、径偏光レーザビーム特有の性質を利用しているので、直線偏光ビームの場合には適用できない。また、この技術は、高ＮＡでのみ有効な現象であり、低ＮＡでは実現できない。さらに、この技術は、レンズの外周の光のみを集光するので、光の利用効率が非常に低い。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、中心スポット径を小さくすることができ且つ中心スポットへのエネルギー集中度を高くすることができる光源装置、および、このような光源装置において好適に用いられる光学マスクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光学マスクは、入力される光のビーム断面において空間的に強度変調して当該変調後の光を出力する光学マスクであって、所定位置を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐ（ｐは偶数、ｒｐ＞ｒｐ−１＞…＞ｒ２＞ｒ１、かつ、ｒｐ−ｒｐ−１＞ｒｐ−１−ｒｐ−２＞…＞ｒ３−ｒ２＞ｒ２−ｒ１＞ｒ１）の各円周によって区分され内側から順に領域Ａ０〜Ａｐを設定したときに、領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）が光透過領域であり、領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）が光遮断領域である、ことを特徴とする。本発明に係る光学マスクは、ｐ個の半径ｒ１〜ｒｐがｐ次のLaguerre多項式のｐ個の実数根の平方根に比例するのが好適である。
【０００９】
本発明に係る光源装置は、コヒーレント光を出力する光源と、光源から出力される光を集光点に集光する集光光学系と、光源と集光点との間の光路上に設けられた上記の本発明に係る光学マスクと、を備えることを特徴とする。さらに、光学マスクが、光源から出力される光を領域Ａ０〜Ａｐに入力して、光透過領域を透過する光を出力することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る光源装置は、光源と光学マスクとの間に設けられ、光源から出力される光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を出力する光位相変調素子を更に備えるのが好適であり、その場合に、光位相変調素子から出力されて光学マスクに入力される光のビーム断面において、光透過領域および光遮断領域それぞれに入力される光の位相が互いにπだけ異なるのが好適である。
【００１１】
本発明に係る光源装置では、光位相変調素子は、入力光を位相変調して動径指数ｐのＬＧモード光を出力するのが好適である。
【００１２】
本発明に係る光源装置では、光位相変調素子は、外部から入力される制御信号に基づいて各画素の位相変調量が設定される素子であるのが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、中心スポット径を小さくすることができ、且つ、中心スポットへのエネルギー集中度を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る光源装置１の構成図である。この図に示される光源装置１は、レーザ光源１０、凸レンズ１１、凸レンズ１２、アパーチャ１３、透過型の光位相変調素子１４、光学マスク１５および凸レンズ１６を備える。図２は、本実施形態に係る光学マスク１５の平面図である。この図２では光軸方向に光学マスク１５を見ている。
【００１６】
レーザ光源１０は、コヒーレントなレーザ光を出力するものであり、例えばＨｅ-Ｎｅレーザ光源等である。レンズ１１およびレンズ１２は、ビームエクスパンダとして作用するものであって、レーザ光源１０から出力された光を入力し、その光のビーム径を拡大して、該光を平行光として出力する。アパーチャ１３は、円形の開口を有し、レンズ１１およびレンズ１２から出力された光を入力して、その光のビーム断面のうち開口を通過する部分を光位相変調素子１４へ出力する。
【００１７】
光位相変調素子１４は、レーザ光源１０から出力されレンズ１１，１２を経てアパーチャ１３の開口を通過した光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を光学マスク１５へ透過させて出力する。光位相変調素子１４は、ガラス板等の表面を加工することで厚み分布を持たせたものであってもよいが、外部から入力される制御信号に基づいて透過の際の各画素の位相変調量が設定される素子（ＳＬＭ: Spatial Light Modulator）であるのが好適である。光位相変調素子１４としてＳＬＭが用いられる場合、位相変調量の空間的分布を電気的に書き込むことが可能であり、必要に応じて様々な位相変調分布を与えることができる。
【００１８】
光学マスク１５は、光位相変調素子１４により位相変調された光を入力し、その光のビーム断面において空間的に強度変調して、当該変調後の光をレンズ１６へ出力する。レンズ１６は、光学マスク１５から出力される光を集光面２上に集光する集光光学系として作用する。集光面２は例えば被観察物や被加工物などである。
【００１９】
図２にも示されるように、光学マスク１５は、所定位置（主光線が通過する位置）を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの各円周によって区分され内側から順に領域Ａ０〜Ａｐを設定したときに、領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）が光透過領域であり、領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）が光遮断領域である。なお、図１および図２では、ｐ値を２としている。ただし、ｐは偶数であり、「ｒｐ＞ｒｐ−１＞…＞ｒ２＞ｒ１」、かつ、「ｒｐ−ｒｐ−１＞ｒｐ−１−ｒｐ−２＞…＞ｒ３−ｒ２＞ｒ２−ｒ１＞ｒ１」である。
【００２０】
図３を用いて光学マスク１５について更に詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る光学マスク１５の平面図である。この図３でも光軸方向に光学マスク１５を見ている。この図に示されるように、光学マスク１５において、所定位置を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの各円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐを設定する。内側から順に領域Ａ０，Ａ１，Ａ２，…，Ａｐとする。ｐは偶数である。最も内側にある領域Ａ０は、半径ｒ１の円周の内側の領域である。最も外側にある領域Ａｐは、半径ｒｐの円周の外側の領域である。また、領域Ａ０と領域Ａｐとの間の各領域Ａｉは、半径ｒｉの円周と半径ｒｉ＋１の円周とで区切られた円環状の領域である（ｉ＝１，２，３，…，ｐ−１）。
【００２１】
このとき、領域Ａ０〜Ａｐそれぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広い。すなわち、半径ｒ１〜ｒｐの間に以下の関係式が成り立つ。なお、最も内側にある領域Ａ０については、半径ｒ１を径方向の幅とする。そして、領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）は光透過領域であり、領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）は光遮断領域である、最も外側にある領域Ａｐは光透過領域となる。
【数１】
【００２２】
動径方向ｒについて設定されるべきｐ個の半径ｒ１〜ｒｐは以下のように設定される。半径ｒ１〜ｒｐは、光強度が０となる部分（「節」）に存在する。光強度分布の節は（２）式で表されるLaguerre多項式Ｓｐ(ｚ)の零点から求めることができる。なお、ｐは動径指数と呼ばれ、一般的には自然数であるが、本実施形態では正の偶数である。Laguerre多項式は、ｐ次の多項式であり、ｐ個の異なる正の実数根ａ１〜ａｐを持つ。これらの根ａｉと光ビームウェスト半径ｗとを用いれば、半径ｒiは（３）式で表される（ｉ＝１，２，３，…，ｐ）。すなわち、ｐ個の半径ｒ１〜ｒｐは、ｐ次のLaguerre多項式のｐ個の実数根の平方根に比例する。
【数２】
【数３】
【００２３】
図１に示される構成において、光学マスク１５に入力される光は、そのビーム断面において位相が一定であってもよいが、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐのうち隣り合う２つの領域の間で位相がπだけ異なるのが好ましい。すなわち、偶数番目の光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐに入力される光の位相と、奇数番目の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に入力される光の位相とは、互いにπだけ異なるのが好ましい。偶数番目の光透過領域Ａ０，Ａ２，…，Ａｐそれぞれの領域内における位相変調量φ０は一定である。また、奇数番目の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１それぞれの領域内における位相変調量φ１は一定である。そして、これら位相変調量φ０と位相変調量φ１とは互いにπだけ異なる。光位相変調素子１４によりこのような光位相変調が為されて出力される光は、動径指数がｐで偏角指数が０であるＬＧモード光となる。
【００２４】
本実施形態に係る光源装置１は以下のように動作する。レーザ光源１０から出力されたコヒーレントなレーザ光は、凸レンズ１１および凸レンズ１２によりビーム径が拡大された後、そのビーム断面の一部分がアパーチャ１３の円形の開口を通過して、ビーム断面が円形とされて、光位相変調素子１４に入力される。光位相変調素子１４に入力された光は、この光位相変調素子１４により、ビーム断面上の位置に応じて位相変調を受けて、動径指数がｐで偏角指数が０であるＬＧモード光として出力される。
【００２５】
この光位相変調素子１４から出力されるＬＧモード光は、光学マスク１５に入力される。このとき、光学マスク１５の光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐに入力される光の位相変調量φ０は一定であり、光学マスク１５の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に入力される光の位相変調量φ１は一定であり、これら位相変調量φ０と位相変調量φ１とは互いにπだけ異なる。したがって、光学マスク１５に入力されるＬＧモード光のうち光学マスク１５から出力される光は、光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐにおいて選択的に透過されたものであって、位相変調量φ０が一定である。光学マスク１５から出力される光は、そのビーム断面において、光透過領域Ａ０を透過した中心スポットに加えて、光透過領域Ａ２．…，Ａｐそれぞれを透過した同心円状のリングを有している。そして、この光学マスク１５から出力される光は、レンズ１６により集光面２上に集光される。
【００２６】
次に、vectorial Debye formulaを用いて数値計算を行った結果を示す。ＬＧモード光のビーム半径ｗとレンズ１６の入射瞳の半径との比をβ（＝入射瞳半径／ＬＧモード光半径）と表す。また、「集光点」を、レンズ１６の幾何学的な後焦点位置とする。
【００２７】
図４は、集光点付近の光強度分布の計算結果を示す図である。ＬＧモード光を直線偏光とし、動径指数ｐを２とし、偏角指数を０とした。また、βを２.５とし、レンズ１６のＮＡを０.８５とした。同図（ａ），（ｂ）は、集光点を含み光軸に垂直な面における光強度分布を示すものであり、同図（ａ）は、光学マスク１５を用いない比較例の場合の光強度分布を示し、同図（ｂ）は、光学マスク１５を用いる本実施形態の場合の光強度分布を示す。また、同図（ｃ），（ｄ）は、光軸を含む面における光強度分布を示すものであり、同図（ｃ）は、光学マスク１５を用いない比較例の場合の光強度分布を示し、同図（ｄ）は、光学マスク１５を用いる本実施形態の場合の光強度分布を示す。
【００２８】
光学マスク１５を用いない比較例の場合（同図（ａ），（ｃ））と比較すると、光学マスク１５を用いる本実施形態の場合（同図（ｃ），（ｄ））には、集光点付近において中心スポットの周囲にあるサイドローブの光強度が大幅に低減し、焦点深度が短くなっている。また、中心スポットの大きさをHalf maximumarea（強度二乗のピーク値が半分になるところの面積）は、比較例の場合（0.248λ２）と比較すると、本実施形態の場合（0.305λ２）には、ほんのすこし大きくなっている。ここで、λは光の波長である。
【００２９】
図５は、中心スポット径とβとの関係を示すグラフである。中心スポット径は、Half maximum area とした。レンズ１６のＮＡを０.７８、０.８０、０.８５の３とおりとした。この図から、レンズ１６のＮＡを大きくすると中心スポットが小さくなることが判る。また、動径指数ｐが２であるとき、レンズ１６のＮＡによらずβが２の付近で最も中心スポットを小さくできることが判る。すなわち、動径指数ｐが２である条件では、レンズ１６の入射瞳径をＬＧモード光のビーム径の２倍に設定することで最小のスポット径を得ることができる。なお、レンズ１６のＮＡが０.８５である条件での最小スポット径は０.２７６λ２である。
【００３０】
図６は、中心スポットへのエネルギー集中度ηとβとの関係を示すグラフである。中心スポットへのエネルギー集中度ηは、全体の光強度のうち中心スポットが占めている光強度の割合を示す。レンズ１６のＮＡを０.７８、０.８０、０.８５の３とおりとした。また、比較のため、レンズ１６のＮＡをこれら３とおりとする一方で光学マスク１５を用いない比較例の場合のエネルギー集中度ηも黒四角印で示されている。この図から、本実施形態における中心スポットへのエネルギー集中度ηは、レンズ１６のＮＡに依存せず、この点では比較例と同様であることがわかる。しかし、本実施形態における中心スポットへのエネルギー集中度ηは、光学マスク１５を用いない比較例の場合に比べ３０％程度改善できることがわかる。
【００３１】
図７は、集光点付近の光強度分布の他の計算結果を示す図である。ここでは、動径指数ｐを４または６とした。図８は、動径指数ｐを４とした場合の光学マスク１５の平面図である。また、図９は、動径指数ｐを６とした場合の光学マスク１５の平面図である。何れの場合も、レンズ１６のＮＡを０.８５とした。動径指数ｐを４とした場合のβを３.３とし、動径指数ｐを６とした場合のβを３.８とした。図7（ａ），(ｂ）は、集光点を含み光軸に垂直な面における光強度分布を示すものであり、同図（ａ）は、動径指数ｐを４とした場合の光強度分布を示し、同図（ｂ）は、動径指数ｐを６とした場合の光強度分布を示す。また、同図（ｃ），（ｄ）は、光軸を含む面における光強度分布を示すものであり、同図（ｃ）は、動径指数ｐを４とした場合の光強度分布を示し、同図（ｄ）は、動径指数ｐを６とした場合の光強度分布を示す。
【００３２】
本実施形態のように光学マスク１５を用いることにより、集光点付近でサイドローブが大幅に低減していることがわかる。また、動径指数ｐを４とした場合、中心スポットへのエネルギー集中度ηは、光学マスク１５を用いない比較例では０.０８３であるのに対して、光学マスク１５を用いる本実施形態では０.４０５である。また、動径指数ｐを６とした場合、中心スポットへのエネルギー集中度ηは、光学マスク１５を用いない比較例では０.０５４であるのに対して、光学マスク１５を用いる本実施形態では０.３４９である。何れの場合でも、光学マスク１５を用いる本実施形態では、中心スポットへのエネルギー集中度ηは大幅に改善されている。
【００３３】
さらに、レンズ１６のＮＡが０.８５である条件での最小のスポット径は、動径指数ｐを４とした場合には0.286λ２となり、動径指数ｐを６とした場合には0.290λ２となる。なお、非特許文献７に記載されている技術では３Ｒマスクを同じ条件で使って得られる最小スポット径は0.301λ２となり、これと比べて本実施形態の方が優位である。
【００３４】
これまでに説明した実施形態では、集光光学系であるレンズ１６のＮＡが比較的高く直線偏光である場合について説明した。しかし、本実施形態の効果である中心スポット径の縮小および中心スポットへのエネルギー集中度の向上は、レンズ１６のＮＡに依存せず、また、直線偏光以外の偏光状態でも有効である。
【００３５】
本実施形態に係る光源装置１が特に有効に用いられる例としては、微小光源が少ない直線偏光での利用が挙げられる。例えば磁気光学効果を用いた光磁気ディスクの読み取り系では、光磁気ディスクに記憶された磁気によって直線偏光が回転する成分を検出しており、本実施形態に係る光源装置１を利用することで大容量化を実現することができる。
【００３６】
また、光学マスク１５の位置は、これまで説明してきたとおり集光光学系としてのレンズ１６の前方であってもよいし、レンズ１６の後方であってもよい。また、光学マスク１５は、レンズ１６の入射面または出射面に形成されて設けられていてもよい。また、光位相変調素子１４と光学マスク１５とは一体のものであってもよく、この場合には、強度変調および位相変調を画素毎に施すことができるＳＬＭが用いられてもよい。
【００３７】
また、これまでに説明した実施形態では、光位相変調素子１４により生成されたＬＧモード光が光学マスク１５に入射されるとともに、その入射の際に、光学マスク１５の光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐに入力される光の位相変調量φ０が一定とされ、光学マスク１５の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に入力される光の位相変調量φ１が一定とされて、これら位相変調量φ０と位相変調量φ１とが互いにπだけ異なる。そして、光学マスク１５に入力される光のうち光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐに入力された光が、選択的に光学マスク１５から出力される。
【００３８】
すなわち、光学マスク１５から出力される光は、そのビーム断面において、光透過領域Ａ０を透過した中心スポットに加えて、光透過領域Ａ２．…，Ａｐそれぞれを透過した同心円状のリングを有していて、位相変調量φ０が一定とされている。したがって、以下に説明するように、光学マスク１５に入力される光は、必ずしもＬＧモード光でなくてもよく、ビーム断面において位相が一定である光であってもよい。この場合にも、光学マスク１５から出力される光は、そのビーム断面において、これまでに説明した実施形態と同様のものとなる。以下では、このような場合について説明する。
【００３９】
図１０は、動径指数ｐを２とした場合の光学マスク１５の平面図である。図１１は、動径指数ｐを４とした場合の光学マスク１５の平面図である。また、図１２は、動径指数ｐを６とした場合の光学マスク１５の平面図である。これらの図でも、光軸方向に光学マスク１５を見ている。また、これらの図中には、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐの境界である各円周の半径ｒｉをビームウェスト半径ｗで規格化した値（ｒｉ／ｗ）およびβの各値が示されている。
【００４０】
(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐの境界である各円周の半径ｒｉ（ｉ＝１〜ｐ）は、既に説明した（２）式および（３）式に従って同様にして求められる。ただし、中心スポット径を最も縮小する効果を発揮させるためには、ビーム半径ｗとレンズ１６の開口半径との比βを適切に設定する必要がある。すなわち、ＬＧモード光を光学マスク１５に入射させてサイドローブの少ない微小スポットを形成しようとする場合、βを、入射ＬＧモード光の入射瞳面におけるビーム半径パラメータｗを単位とした値（つまり、実寸法ではｗβ）に設定しなければならない。これに対し、位相が一定である光が光学マスク１５に入射される場合には、各半径値ｒｉの相対値のみが意味を持つことになるが、ＬＧモード光入射時と同様の効果を得るためには、βとの相対関係をも考慮する必要がある。
【００４１】
一般に、βは、少なくとも最も外側の光遮断領域の外半径ｒｐより大きくなければならず、入射光の電場振幅が存在しうる範囲（ｐが２である場合、概ねβは３程度）と比較して、極端に大きくない値であることが好ましい。
【００４２】
より微小な中心スポット径を得るためには、以下のようにβを設定するのが有効である。例えば、動径指数ｐが２であるＬＧモード光入力の場合、図５に示されるように、レンズ１６のＮＡに依存せず概ねβが２であるときに、最小の焦点スポットが得られる。このβ値は、位相が一様である光が光学マスク１５に入力する場合にも有効である。つまり、図１０に示されるように、動径指数ｐが２である場合、概ね「(ｒ１／ｗ)：(ｒ２／ｗ)：β＝0.5412:1.3066:2.0」の比であり、かつ、βがレンズ１６の有効開口径となるように設計すれば良い。ただし、動径指数ｐが２である場合と比較して、動径指数ｐが４または６である場合には、中心スポット径がやや大きくなる。図１１および図１２それぞれにもβの好適値が記されている。動径指数ｐの各値に対して好適となるβ値を得るには、図５に示されるような関係を予め求めておく必要がある。
【００４３】
また、光学マスク１５の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１は、入射した光を遮断する領域であるが、光を吸収することで遮断してもよいし、光を反射させることで遮断してもよいし、光を散乱させることで遮断してもよい。なお、光を吸収することで遮断する場合、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に吸収色素が塗布される。光を反射させることで遮断する場合、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に金属等の反射膜が形成される。また、光を散乱させることで遮断する場合、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１にサンドブラスト加工等により粗面部分が形成される。
【００４４】
要は、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に入射された光が、集光光学系であるレンズ１６により集光点へ集光されなければよい。したがって、図１３に断面図が示されるように、光学マスクが入射面に設けられたレンズ１６Ａの構成とし、このレンズ１６Ａの入射面において光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に相当する領域で、光を吸収することで遮断してもよいし、光を反射させることで遮断してもよいし、光を散乱させることで遮断してもよい。また、図１４に断面図が示されるように、レンズ１６Ｂは、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に相当する領域において集光作用を奏しないような構成としてもよく、例えば、これらの領域が貫通孔となって構成としてもよい。この場合、貫通孔を通過した光は、直進するので、集光点には集光されない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態に係る光源装置１の構成図である。
【図２】本実施形態に係る光学マスク１５の平面図である。
【図３】本実施形態に係る光学マスク１５の平面図である。
【図４】集光点付近の光強度分布の計算結果を示す図である。
【図５】中心スポット径とβとの関係を示すグラフである。
【図６】中心スポットへのエネルギー集中度ηとβとの関係を示すグラフである。
【図７】集光点付近の光強度分布の他の計算結果を示す図である。
【図８】動径指数ｐを４とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図９】動径指数ｐを６とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図１０】動径指数ｐを２とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図１１】動径指数ｐを４とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図１２】動径指数ｐを６とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図１３】光学マスクが入射面に設けられたレンズ１６Ａの構成を示す断面図である。
【図１４】光遮断領域に相当する領域において集光作用を奏しないレンズ１６Ｂの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…光源装置、２…集光面、１０…レーザ光源、１１，１２…レンズ、１３…アパーチャ、１４…光位相変調素子、１５…光学マスク、１６…レンズ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力される光のビーム断面において空間的に強度変調して当該変調後の光を出力する光学マスク、および、このような光学マスクを含む光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被観察物を観察する場合や被加工物を加工する場合に、レーザ光源等の光源から出力される光は、レンズ等を含む集光照射光学系を経て被観察物または被加工物に集光照射される。このように光を集光する場合、その集光径の大きさの目安であるビームウェスト径は、光の波長の半分程度までしか小さくすることができないことが知られている。これは回折限界と呼ばれる。ただし、この回折限界は、ガウシアンモード（あるいは基本モード）の光についてのことである。一方、回折限界より微細な空間構造を持つ高次モード光の存在が知られている。
【０００３】
このような性質をもつ光ビームとして、ベッセル（Bessel）ビームやラゲール・ガウス・モード（Laguerre-Gaussian Mode）光（以下「ＬＧモード光」という。）が知られている。このような光ビームを用いれば、実効的に回折限界以下の微小領域に光のエネルギーを集中させることが可能となる。例えば非特許文献１〜６には、ＬＧモード光を出力する光源装置について記載されている。
【０００４】
また、非特許文献７には、three-ring (3R) filter を用いて一様分布の直線偏光を集光して微小スポットを形成する技術が記載されている。さらに、非特許文献８〜１０には、径偏光レーザビームを高ＮＡレンズで集光して微小スポットを形成する技術が記載されている。
【非特許文献１】J. Arlt, et al., Journal of Modern Optics, Vol.45, No.6,pp.1231-1237 (1998).
【非特許文献２】D. G. Grier, Nature, Vol.424, pp.810-816 (2003).
【非特許文献３】M. W. Beijersbergen,et al., Optics Communications, Vol.112, pp.321-327 (1994).
【非特許文献４】K. Sueda, et al., Optics Express, Vol.12, No.15, pp.3548-3553(2004).
【非特許文献５】N. R. Heckenberg, et al., Optics Letters, Vol.17, No.3, pp.221-223(1992).
【非特許文献６】N. R. Heckenberg, et al., Optical and Quantum Electronics, Vol.24,No.24, pp.155-166 (1992).
【非特許文献７】M. Martinez-Corral, et al., Appl. Phys. Lett. VOl.85, No.19, pp.4319-4321(2004).
【非特許文献８】R. Dorn, et al., Phys. Rev. Lett. Vol.91, No.23, p.233901 (2003).
【非特許文献９】S. Quabis, et al., Opt. Commun. Vol.179, pp.1-7 (2000).
【非特許文献１０】Y. Kozawa, et al., J. Opt. Soc. Am. A, Vol.24, No.6, pp.1793-1798(2007).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１〜６に記載されているようなＬＧモード光は、その光ビーム断面において中心スポットの周囲に本質的にリング状領域（以下「サイドローブ」という。）を有しているので、分解能が低いという課題や、中心スポットへのエネルギー集中度が低いなどの課題を有している。非特許文献７に記載されている技術でも、中心スポット径およびサイドローブの何れの点でも、上記課題を充分に解決することはできない。
【０００６】
また、非特許文献８〜１０に記載されている技術は、径偏光レーザビーム特有の性質を利用しているので、直線偏光ビームの場合には適用できない。また、この技術は、高ＮＡでのみ有効な現象であり、低ＮＡでは実現できない。さらに、この技術は、レンズの外周の光のみを集光するので、光の利用効率が非常に低い。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、中心スポット径を小さくすることができ且つ中心スポットへのエネルギー集中度を高くすることができる光源装置、および、このような光源装置において好適に用いられる光学マスクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光学マスクは、入力される光のビーム断面において空間的に強度変調して当該変調後の光を出力する光学マスクであって、所定位置を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐ（ｐは偶数、ｒｐ＞ｒｐ−１＞…＞ｒ２＞ｒ１、かつ、ｒｐ−ｒｐ−１＞ｒｐ−１−ｒｐ−２＞…＞ｒ３−ｒ２＞ｒ２−ｒ１＞ｒ１）の各円周によって区分され内側から順に領域Ａ０〜Ａｐを設定したときに、領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）が光透過領域であり、領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）が光遮断領域である、ことを特徴とする。本発明に係る光学マスクは、ｐ個の半径ｒ１〜ｒｐがｐ次のLaguerre多項式のｐ個の実数根の平方根に比例するのが好適である。
【０００９】
本発明に係る光源装置は、コヒーレント光を出力する光源と、光源から出力される光を集光点に集光する集光光学系と、光源と集光点との間の光路上に設けられた上記の本発明に係る光学マスクと、を備えることを特徴とする。さらに、光学マスクが、光源から出力される光を領域Ａ０〜Ａｐに入力して、光透過領域を透過する光を出力することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る光源装置は、光源と光学マスクとの間に設けられ、光源から出力される光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を出力する光位相変調素子を更に備えるのが好適であり、その場合に、光位相変調素子から出力されて光学マスクに入力される光のビーム断面において、光透過領域および光遮断領域それぞれに入力される光の位相が互いにπだけ異なるのが好適である。
【００１１】
本発明に係る光源装置では、光位相変調素子は、入力光を位相変調して動径指数ｐのＬＧモード光を出力するのが好適である。
【００１２】
本発明に係る光源装置では、光位相変調素子は、外部から入力される制御信号に基づいて各画素の位相変調量が設定される素子であるのが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、中心スポット径を小さくすることができ、且つ、中心スポットへのエネルギー集中度を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る光源装置１の構成図である。この図に示される光源装置１は、レーザ光源１０、凸レンズ１１、凸レンズ１２、アパーチャ１３、透過型の光位相変調素子１４、光学マスク１５および凸レンズ１６を備える。図２は、本実施形態に係る光学マスク１５の平面図である。この図２では光軸方向に光学マスク１５を見ている。
【００１６】
レーザ光源１０は、コヒーレントなレーザ光を出力するものであり、例えばＨｅ-Ｎｅレーザ光源等である。レンズ１１およびレンズ１２は、ビームエクスパンダとして作用するものであって、レーザ光源１０から出力された光を入力し、その光のビーム径を拡大して、該光を平行光として出力する。アパーチャ１３は、円形の開口を有し、レンズ１１およびレンズ１２から出力された光を入力して、その光のビーム断面のうち開口を通過する部分を光位相変調素子１４へ出力する。
【００１７】
光位相変調素子１４は、レーザ光源１０から出力されレンズ１１，１２を経てアパーチャ１３の開口を通過した光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を光学マスク１５へ透過させて出力する。光位相変調素子１４は、ガラス板等の表面を加工することで厚み分布を持たせたものであってもよいが、外部から入力される制御信号に基づいて透過の際の各画素の位相変調量が設定される素子（ＳＬＭ: Spatial Light Modulator）であるのが好適である。光位相変調素子１４としてＳＬＭが用いられる場合、位相変調量の空間的分布を電気的に書き込むことが可能であり、必要に応じて様々な位相変調分布を与えることができる。
【００１８】
光学マスク１５は、光位相変調素子１４により位相変調された光を入力し、その光のビーム断面において空間的に強度変調して、当該変調後の光をレンズ１６へ出力する。レンズ１６は、光学マスク１５から出力される光を集光面２上に集光する集光光学系として作用する。集光面２は例えば被観察物や被加工物などである。
【００１９】
図２にも示されるように、光学マスク１５は、所定位置（主光線が通過する位置）を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの各円周によって区分され内側から順に領域Ａ０〜Ａｐを設定したときに、領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）が光透過領域であり、領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）が光遮断領域である。なお、図１および図２では、ｐ値を２としている。ただし、ｐは偶数であり、「ｒｐ＞ｒｐ−１＞…＞ｒ２＞ｒ１」、かつ、「ｒｐ−ｒｐ−１＞ｒｐ−１−ｒｐ−２＞…＞ｒ３−ｒ２＞ｒ２−ｒ１＞ｒ１」である。
【００２０】
図３を用いて光学マスク１５について更に詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る光学マスク１５の平面図である。この図３でも光軸方向に光学マスク１５を見ている。この図に示されるように、光学マスク１５において、所定位置を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの各円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐを設定する。内側から順に領域Ａ０，Ａ１，Ａ２，…，Ａｐとする。ｐは偶数である。最も内側にある領域Ａ０は、半径ｒ１の円周の内側の領域である。最も外側にある領域Ａｐは、半径ｒｐの円周の外側の領域である。また、領域Ａ０と領域Ａｐとの間の各領域Ａｉは、半径ｒｉの円周と半径ｒｉ＋１の円周とで区切られた円環状の領域である（ｉ＝１，２，３，…，ｐ−１）。
【００２１】
このとき、領域Ａ０〜Ａｐそれぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広い。すなわち、半径ｒ１〜ｒｐの間に以下の関係式が成り立つ。なお、最も内側にある領域Ａ０については、半径ｒ１を径方向の幅とする。そして、領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）は光透過領域であり、領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）は光遮断領域である、最も外側にある領域Ａｐは光透過領域となる。
【数１】
【００２２】
動径方向ｒについて設定されるべきｐ個の半径ｒ１〜ｒｐは以下のように設定される。半径ｒ１〜ｒｐは、光強度が０となる部分（「節」）に存在する。光強度分布の節は（２）式で表されるLaguerre多項式Ｓｐ(ｚ)の零点から求めることができる。なお、ｐは動径指数と呼ばれ、一般的には自然数であるが、本実施形態では正の偶数である。Laguerre多項式は、ｐ次の多項式であり、ｐ個の異なる正の実数根ａ１〜ａｐを持つ。これらの根ａｉと光ビームウェスト半径ｗとを用いれば、半径ｒiは（３）式で表される（ｉ＝１，２，３，…，ｐ）。すなわち、ｐ個の半径ｒ１〜ｒｐは、ｐ次のLaguerre多項式のｐ個の実数根の平方根に比例する。
【数２】
【数３】
【００２３】
図１に示される構成において、光学マスク１５に入力される光は、そのビーム断面において位相が一定であってもよいが、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐのうち隣り合う２つの領域の間で位相がπだけ異なるのが好ましい。すなわち、偶数番目の光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐに入力される光の位相と、奇数番目の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に入力される光の位相とは、互いにπだけ異なるのが好ましい。偶数番目の光透過領域Ａ０，Ａ２，…，Ａｐそれぞれの領域内における位相変調量φ０は一定である。また、奇数番目の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１それぞれの領域内における位相変調量φ１は一定である。そして、これら位相変調量φ０と位相変調量φ１とは互いにπだけ異なる。光位相変調素子１４によりこのような光位相変調が為されて出力される光は、動径指数がｐで偏角指数が０であるＬＧモード光となる。
【００２４】
本実施形態に係る光源装置１は以下のように動作する。レーザ光源１０から出力されたコヒーレントなレーザ光は、凸レンズ１１および凸レンズ１２によりビーム径が拡大された後、そのビーム断面の一部分がアパーチャ１３の円形の開口を通過して、ビーム断面が円形とされて、光位相変調素子１４に入力される。光位相変調素子１４に入力された光は、この光位相変調素子１４により、ビーム断面上の位置に応じて位相変調を受けて、動径指数がｐで偏角指数が０であるＬＧモード光として出力される。
【００２５】
この光位相変調素子１４から出力されるＬＧモード光は、光学マスク１５に入力される。このとき、光学マスク１５の光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐに入力される光の位相変調量φ０は一定であり、光学マスク１５の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に入力される光の位相変調量φ１は一定であり、これら位相変調量φ０と位相変調量φ１とは互いにπだけ異なる。したがって、光学マスク１５に入力されるＬＧモード光のうち光学マスク１５から出力される光は、光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐにおいて選択的に透過されたものであって、位相変調量φ０が一定である。光学マスク１５から出力される光は、そのビーム断面において、光透過領域Ａ０を透過した中心スポットに加えて、光透過領域Ａ２．…，Ａｐそれぞれを透過した同心円状のリングを有している。そして、この光学マスク１５から出力される光は、レンズ１６により集光面２上に集光される。
【００２６】
次に、vectorial Debye formulaを用いて数値計算を行った結果を示す。ＬＧモード光のビーム半径ｗとレンズ１６の入射瞳の半径との比をβ（＝入射瞳半径／ＬＧモード光半径）と表す。また、「集光点」を、レンズ１６の幾何学的な後焦点位置とする。
【００２７】
図４は、集光点付近の光強度分布の計算結果を示す図である。ＬＧモード光を直線偏光とし、動径指数ｐを２とし、偏角指数を０とした。また、βを２.５とし、レンズ１６のＮＡを０.８５とした。同図（ａ），（ｂ）は、集光点を含み光軸に垂直な面における光強度分布を示すものであり、同図（ａ）は、光学マスク１５を用いない比較例の場合の光強度分布を示し、同図（ｂ）は、光学マスク１５を用いる本実施形態の場合の光強度分布を示す。また、同図（ｃ），（ｄ）は、光軸を含む面における光強度分布を示すものであり、同図（ｃ）は、光学マスク１５を用いない比較例の場合の光強度分布を示し、同図（ｄ）は、光学マスク１５を用いる本実施形態の場合の光強度分布を示す。
【００２８】
光学マスク１５を用いない比較例の場合（同図（ａ），（ｃ））と比較すると、光学マスク１５を用いる本実施形態の場合（同図（ｃ），（ｄ））には、集光点付近において中心スポットの周囲にあるサイドローブの光強度が大幅に低減し、焦点深度が短くなっている。また、中心スポットの大きさをHalf maximumarea（強度二乗のピーク値が半分になるところの面積）は、比較例の場合（0.248λ２）と比較すると、本実施形態の場合（0.305λ２）には、ほんのすこし大きくなっている。ここで、λは光の波長である。
【００２９】
図５は、中心スポット径とβとの関係を示すグラフである。中心スポット径は、Half maximum area とした。レンズ１６のＮＡを０.７８、０.８０、０.８５の３とおりとした。この図から、レンズ１６のＮＡを大きくすると中心スポットが小さくなることが判る。また、動径指数ｐが２であるとき、レンズ１６のＮＡによらずβが２の付近で最も中心スポットを小さくできることが判る。すなわち、動径指数ｐが２である条件では、レンズ１６の入射瞳径をＬＧモード光のビーム径の２倍に設定することで最小のスポット径を得ることができる。なお、レンズ１６のＮＡが０.８５である条件での最小スポット径は０.２７６λ２である。
【００３０】
図６は、中心スポットへのエネルギー集中度ηとβとの関係を示すグラフである。中心スポットへのエネルギー集中度ηは、全体の光強度のうち中心スポットが占めている光強度の割合を示す。レンズ１６のＮＡを０.７８、０.８０、０.８５の３とおりとした。また、比較のため、レンズ１６のＮＡをこれら３とおりとする一方で光学マスク１５を用いない比較例の場合のエネルギー集中度ηも黒四角印で示されている。この図から、本実施形態における中心スポットへのエネルギー集中度ηは、レンズ１６のＮＡに依存せず、この点では比較例と同様であることがわかる。しかし、本実施形態における中心スポットへのエネルギー集中度ηは、光学マスク１５を用いない比較例の場合に比べ３０％程度改善できることがわかる。
【００３１】
図７は、集光点付近の光強度分布の他の計算結果を示す図である。ここでは、動径指数ｐを４または６とした。図８は、動径指数ｐを４とした場合の光学マスク１５の平面図である。また、図９は、動径指数ｐを６とした場合の光学マスク１５の平面図である。何れの場合も、レンズ１６のＮＡを０.８５とした。動径指数ｐを４とした場合のβを３.３とし、動径指数ｐを６とした場合のβを３.８とした。図7（ａ），(ｂ）は、集光点を含み光軸に垂直な面における光強度分布を示すものであり、同図（ａ）は、動径指数ｐを４とした場合の光強度分布を示し、同図（ｂ）は、動径指数ｐを６とした場合の光強度分布を示す。また、同図（ｃ），（ｄ）は、光軸を含む面における光強度分布を示すものであり、同図（ｃ）は、動径指数ｐを４とした場合の光強度分布を示し、同図（ｄ）は、動径指数ｐを６とした場合の光強度分布を示す。
【００３２】
本実施形態のように光学マスク１５を用いることにより、集光点付近でサイドローブが大幅に低減していることがわかる。また、動径指数ｐを４とした場合、中心スポットへのエネルギー集中度ηは、光学マスク１５を用いない比較例では０.０８３であるのに対して、光学マスク１５を用いる本実施形態では０.４０５である。また、動径指数ｐを６とした場合、中心スポットへのエネルギー集中度ηは、光学マスク１５を用いない比較例では０.０５４であるのに対して、光学マスク１５を用いる本実施形態では０.３４９である。何れの場合でも、光学マスク１５を用いる本実施形態では、中心スポットへのエネルギー集中度ηは大幅に改善されている。
【００３３】
さらに、レンズ１６のＮＡが０.８５である条件での最小のスポット径は、動径指数ｐを４とした場合には0.286λ２となり、動径指数ｐを６とした場合には0.290λ２となる。なお、非特許文献７に記載されている技術では３Ｒマスクを同じ条件で使って得られる最小スポット径は0.301λ２となり、これと比べて本実施形態の方が優位である。
【００３４】
これまでに説明した実施形態では、集光光学系であるレンズ１６のＮＡが比較的高く直線偏光である場合について説明した。しかし、本実施形態の効果である中心スポット径の縮小および中心スポットへのエネルギー集中度の向上は、レンズ１６のＮＡに依存せず、また、直線偏光以外の偏光状態でも有効である。
【００３５】
本実施形態に係る光源装置１が特に有効に用いられる例としては、微小光源が少ない直線偏光での利用が挙げられる。例えば磁気光学効果を用いた光磁気ディスクの読み取り系では、光磁気ディスクに記憶された磁気によって直線偏光が回転する成分を検出しており、本実施形態に係る光源装置１を利用することで大容量化を実現することができる。
【００３６】
また、光学マスク１５の位置は、これまで説明してきたとおり集光光学系としてのレンズ１６の前方であってもよいし、レンズ１６の後方であってもよい。また、光学マスク１５は、レンズ１６の入射面または出射面に形成されて設けられていてもよい。また、光位相変調素子１４と光学マスク１５とは一体のものであってもよく、この場合には、強度変調および位相変調を画素毎に施すことができるＳＬＭが用いられてもよい。
【００３７】
また、これまでに説明した実施形態では、光位相変調素子１４により生成されたＬＧモード光が光学マスク１５に入射されるとともに、その入射の際に、光学マスク１５の光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐに入力される光の位相変調量φ０が一定とされ、光学マスク１５の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に入力される光の位相変調量φ１が一定とされて、これら位相変調量φ０と位相変調量φ１とが互いにπだけ異なる。そして、光学マスク１５に入力される光のうち光透過領域Ａ０．Ａ２．…，Ａｐに入力された光が、選択的に光学マスク１５から出力される。
【００３８】
すなわち、光学マスク１５から出力される光は、そのビーム断面において、光透過領域Ａ０を透過した中心スポットに加えて、光透過領域Ａ２．…，Ａｐそれぞれを透過した同心円状のリングを有していて、位相変調量φ０が一定とされている。したがって、以下に説明するように、光学マスク１５に入力される光は、必ずしもＬＧモード光でなくてもよく、ビーム断面において位相が一定である光であってもよい。この場合にも、光学マスク１５から出力される光は、そのビーム断面において、これまでに説明した実施形態と同様のものとなる。以下では、このような場合について説明する。
【００３９】
図１０は、動径指数ｐを２とした場合の光学マスク１５の平面図である。図１１は、動径指数ｐを４とした場合の光学マスク１５の平面図である。また、図１２は、動径指数ｐを６とした場合の光学マスク１５の平面図である。これらの図でも、光軸方向に光学マスク１５を見ている。また、これらの図中には、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐの境界である各円周の半径ｒｉをビームウェスト半径ｗで規格化した値（ｒｉ／ｗ）およびβの各値が示されている。
【００４０】
(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐの境界である各円周の半径ｒｉ（ｉ＝１〜ｐ）は、既に説明した（２）式および（３）式に従って同様にして求められる。ただし、中心スポット径を最も縮小する効果を発揮させるためには、ビーム半径ｗとレンズ１６の開口半径との比βを適切に設定する必要がある。すなわち、ＬＧモード光を光学マスク１５に入射させてサイドローブの少ない微小スポットを形成しようとする場合、βを、入射ＬＧモード光の入射瞳面におけるビーム半径パラメータｗを単位とした値（つまり、実寸法ではｗβ）に設定しなければならない。これに対し、位相が一定である光が光学マスク１５に入射される場合には、各半径値ｒｉの相対値のみが意味を持つことになるが、ＬＧモード光入射時と同様の効果を得るためには、βとの相対関係をも考慮する必要がある。
【００４１】
一般に、βは、少なくとも最も外側の光遮断領域の外半径ｒｐより大きくなければならず、入射光の電場振幅が存在しうる範囲（ｐが２である場合、概ねβは３程度）と比較して、極端に大きくない値であることが好ましい。
【００４２】
より微小な中心スポット径を得るためには、以下のようにβを設定するのが有効である。例えば、動径指数ｐが２であるＬＧモード光入力の場合、図５に示されるように、レンズ１６のＮＡに依存せず概ねβが２であるときに、最小の焦点スポットが得られる。このβ値は、位相が一様である光が光学マスク１５に入力する場合にも有効である。つまり、図１０に示されるように、動径指数ｐが２である場合、概ね「(ｒ１／ｗ)：(ｒ２／ｗ)：β＝0.5412:1.3066:2.0」の比であり、かつ、βがレンズ１６の有効開口径となるように設計すれば良い。ただし、動径指数ｐが２である場合と比較して、動径指数ｐが４または６である場合には、中心スポット径がやや大きくなる。図１１および図１２それぞれにもβの好適値が記されている。動径指数ｐの各値に対して好適となるβ値を得るには、図５に示されるような関係を予め求めておく必要がある。
【００４３】
また、光学マスク１５の光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１は、入射した光を遮断する領域であるが、光を吸収することで遮断してもよいし、光を反射させることで遮断してもよいし、光を散乱させることで遮断してもよい。なお、光を吸収することで遮断する場合、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に吸収色素が塗布される。光を反射させることで遮断する場合、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に金属等の反射膜が形成される。また、光を散乱させることで遮断する場合、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１にサンドブラスト加工等により粗面部分が形成される。
【００４４】
要は、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に入射された光が、集光光学系であるレンズ１６により集光点へ集光されなければよい。したがって、図１３に断面図が示されるように、光学マスクが入射面に設けられたレンズ１６Ａの構成とし、このレンズ１６Ａの入射面において光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に相当する領域で、光を吸収することで遮断してもよいし、光を反射させることで遮断してもよいし、光を散乱させることで遮断してもよい。また、図１４に断面図が示されるように、レンズ１６Ｂは、光遮断領域Ａ１，Ａ３，…，Ａｐ−１に相当する領域において集光作用を奏しないような構成としてもよく、例えば、これらの領域が貫通孔となって構成としてもよい。この場合、貫通孔を通過した光は、直進するので、集光点には集光されない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態に係る光源装置１の構成図である。
【図２】本実施形態に係る光学マスク１５の平面図である。
【図３】本実施形態に係る光学マスク１５の平面図である。
【図４】集光点付近の光強度分布の計算結果を示す図である。
【図５】中心スポット径とβとの関係を示すグラフである。
【図６】中心スポットへのエネルギー集中度ηとβとの関係を示すグラフである。
【図７】集光点付近の光強度分布の他の計算結果を示す図である。
【図８】動径指数ｐを４とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図９】動径指数ｐを６とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図１０】動径指数ｐを２とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図１１】動径指数ｐを４とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図１２】動径指数ｐを６とした場合の光学マスク１５の平面図である。
【図１３】光学マスクが入射面に設けられたレンズ１６Ａの構成を示す断面図である。
【図１４】光遮断領域に相当する領域において集光作用を奏しないレンズ１６Ｂの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…光源装置、２…集光面、１０…レーザ光源、１１，１２…レンズ、１３…アパーチャ、１４…光位相変調素子、１５…光学マスク、１６…レンズ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される光のビーム断面において空間的に強度変調して当該変調後の光を出力する光学マスクであって、
所定位置を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐ（ｐは偶数、ｒｐ＞ｒｐ−１＞…＞ｒ２＞ｒ１、かつ、ｒｐ−ｒｐ−１＞ｒｐ−１−ｒｐ−２＞…＞ｒ３−ｒ２＞ｒ２−ｒ１＞ｒ１）の各円周によって区分され内側から順に領域Ａ０〜Ａｐを設定したときに、
領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）が光透過領域であり、
領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）が光遮断領域である、
ことを特徴とする光学マスク。
【請求項２】
前記ｐ個の半径ｒ１〜ｒｐがｐ次のLaguerre多項式のｐ個の実数根の平方根に比例することを特徴とする請求項１記載の光学マスク。
【請求項３】
コヒーレント光を出力する光源と、
前記光源から出力される光を集光点に集光する集光光学系と、
前記光源と前記集光点との間の光路上に設けられた請求項１または２に記載の光学マスクと、
を備え
前記光学マスクが、前記光源から出力される光を前記領域Ａ０〜Ａｐに入力して、前記光透過領域を透過する光を出力する、
ことを特徴とする光源装置。
【請求項４】
前記光源と前記光学マスクとの間に設けられ、前記光源から出力される光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を出力する光位相変調素子を更に備え、
前記光位相変調素子から出力されて前記光学マスクに入力される光のビーム断面において、前記光透過領域および前記光遮断領域それぞれに入力される光の位相が互いにπだけ異なる、
ことを特徴とする請求項３記載の光源装置。
【請求項５】
前記光位相変調素子が、入力光を位相変調して動径指数ｐのＬＧモード光を出力する、ことを特徴とする請求項４記載の光源装置。
【請求項６】
前記光位相変調素子が、外部から入力される制御信号に基づいて各画素の位相変調量が設定される素子である、ことを特徴とする請求項４記載の光源装置。
【請求項１】
入力される光のビーム断面において空間的に強度変調して当該変調後の光を出力する光学マスクであって、
所定位置を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐ（ｐは偶数、ｒｐ＞ｒｐ−１＞…＞ｒ２＞ｒ１、かつ、ｒｐ−ｒｐ−１＞ｒｐ−１−ｒｐ−２＞…＞ｒ３−ｒ２＞ｒ２−ｒ１＞ｒ１）の各円周によって区分され内側から順に領域Ａ０〜Ａｐを設定したときに、
領域Ａｍ（ｍは０以上ｐ以下の偶数）が光透過領域であり、
領域Ａｎ（ｎは０以上ｐ以下の奇数）が光遮断領域である、
ことを特徴とする光学マスク。
【請求項２】
前記ｐ個の半径ｒ１〜ｒｐがｐ次のLaguerre多項式のｐ個の実数根の平方根に比例することを特徴とする請求項１記載の光学マスク。
【請求項３】
コヒーレント光を出力する光源と、
前記光源から出力される光を集光点に集光する集光光学系と、
前記光源と前記集光点との間の光路上に設けられた請求項１または２に記載の光学マスクと、
を備え
前記光学マスクが、前記光源から出力される光を前記領域Ａ０〜Ａｐに入力して、前記光透過領域を透過する光を出力する、
ことを特徴とする光源装置。
【請求項４】
前記光源と前記光学マスクとの間に設けられ、前記光源から出力される光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を出力する光位相変調素子を更に備え、
前記光位相変調素子から出力されて前記光学マスクに入力される光のビーム断面において、前記光透過領域および前記光遮断領域それぞれに入力される光の位相が互いにπだけ異なる、
ことを特徴とする請求項３記載の光源装置。
【請求項５】
前記光位相変調素子が、入力光を位相変調して動径指数ｐのＬＧモード光を出力する、ことを特徴とする請求項４記載の光源装置。
【請求項６】
前記光位相変調素子が、外部から入力される制御信号に基づいて各画素の位相変調量が設定される素子である、ことを特徴とする請求項４記載の光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図４】
【図７】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図４】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１０９６７２（Ｐ２００９−１０９６７２Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８０８４５（Ｐ２００７−２８０８４５）
【出願日】平成１９年１０月２９日（２００７．１０．２９）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２９日（２００７．１０．２９）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]