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JP2006003479A - Optical element and illumination optical system - Google Patents

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JP2006003479A JP2004177756A JP2004177756A JP2006003479A JP 2006003479 A JP2006003479 A JP 2006003479A JP 2004177756 A JP2004177756 A JP 2004177756A JP 2004177756 A JP2004177756 A JP 2004177756A JP 2006003479 A JP2006003479 A JP 2006003479A
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Tomoya Noda
友也 埜田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element capable of making a polarized state regarded as being substantially random. <P>SOLUTION: The directions of lines in respective areas shown in Fig. (a) correspond to the directions of slits. In Fig. (a), the area where the line is not formed is the area where the slit is not formed, and the polarized state is not changed in this area. In the polarized state of emitted light obtained, when linearly polarized light, having the axis of polarization in a direction shown by an arrow in (a), is made incident on the optical element having such structure, each area has the action of a wavelength plate, so that the emitted light is changed to the linearly polarized light, elliptically polarized light and circularly polarized light having a different optical axis direction, as shown in Fig. (b). Thus, when light emitted from the respective areas is collected to one, it includes light having various polarized states, and turns into a light in a state near to random polarized light (non-polarized light) as a whole. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本手段は、入射する光を非偏光(ランダム偏光)な光に変換する目的に使用するのに好適な光学素子、及びこれらを使用した照明光学系に関するものである。   This means relates to an optical element suitable for use for the purpose of converting incident light into non-polarized light (randomly polarized light), and an illumination optical system using them.

光学的に異方性を持つ素子が含まれる光学系を用いる場合、異方性による悪影響を避けるため、非偏光(ランダム偏光)の照明光が用いられることが多い。解像限界に近い結像系では、結像特性が偏光状態による大きな影響を受ける。すなわち、直線偏光に近い照明では、結像特性に方向性を生じるため、非偏光(ランダム偏光)の照明が用いられることが多い。   When an optical system including an element having optical anisotropy is used, unpolarized (randomly polarized) illumination light is often used in order to avoid an adverse effect due to anisotropy. In an imaging system close to the resolution limit, the imaging characteristics are greatly affected by the polarization state. That is, in the illumination close to linearly polarized light, directionality occurs in the imaging characteristics, and therefore unpolarized (randomly polarized) illumination is often used.

単色性または強い光強度を要求される用途においてよく用いられるレーザを光源とした場合、一般的に得られる偏光状態は一様であり、非偏光とみなすことはできない。よって、このような偏光状態の光を非偏光の照明光とするために、偏光状態を制御する必要がある。   When a laser often used in applications requiring monochromaticity or strong light intensity is used as a light source, the polarization state generally obtained is uniform and cannot be regarded as non-polarized light. Therefore, it is necessary to control the polarization state in order to make such polarization state light non-polarized illumination light.

偏光状態の制御には水晶等の複屈折性結晶が用いられることが多い。複屈折性結晶中に光を通した場合、偏光方向によって光路長が変化するので偏光状態を変えることができる。   A birefringent crystal such as quartz is often used for controlling the polarization state. When light passes through the birefringent crystal, the polarization state can be changed because the optical path length varies depending on the polarization direction.

「波長より細かな格子構造による光制御」(光学、27巻第1号、p12〜17)"Light control by a grating structure finer than the wavelength" (Optics, Vol. 27, No. 1, p12-17)

単一の複屈折性結晶を用いて空間的に異なった偏光状態を実現するには、光軸方向の厚みを空間的に変化させる必要がある。しかし、この場合には、素子の入射面と射出面が平行でなくなるため、素子を通過した光線が屈折により曲げられてしまうので、装置に組み込むときに光線の曲がりを補正する必要が生じる。   In order to realize spatially different polarization states using a single birefringent crystal, it is necessary to spatially change the thickness in the optical axis direction. However, in this case, since the incident surface and the exit surface of the element are not parallel, the light beam that has passed through the element is bent by refraction, so that it is necessary to correct the bending of the light beam when incorporated in the apparatus.

素子の入射面と射出面を平行にするため、相補的な形状の素子を組み合わせて用いることもあるが、素子の厚みが2倍以上となること、透過率の低下をもたらすこと、価格が高くなることの他、張り合わせに用いる接着剤、組み立て精度などに制限が生じる。   In order to make the incident surface and emission surface of the element parallel, there are cases where complementary elements are used in combination. However, the thickness of the element is more than twice, the transmittance is lowered, and the cost is high. In addition to this, there are limitations on the adhesive used for bonding, assembly accuracy, and the like.

さらに、楕円率と偏光軸の双方を制御するには、各々位相子および旋光子として機能する二つ以上の結晶を利用する必要があった。さらに、このようにして作られた素子であっても、偏光状態の空間分布は連続的に変化させることしかできず、任意性(ランダム性)に一定の制限を受けたものとなる。   Furthermore, in order to control both the ellipticity and the polarization axis, it is necessary to use two or more crystals each functioning as a phase shifter and an optical rotator. Furthermore, even in an element made in this way, the spatial distribution of the polarization state can only be changed continuously, and is limited to a certain degree of arbitraryness (randomness).

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ほぼランダムと見なされる偏光状態を作り出すことができる光学素子、及びこれを使用した照明光学系を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical element capable of creating a polarization state regarded as almost random, and an illumination optical system using the optical element.

前記課題を解決するための第1の手段は、少なくとも入射光が入射する部分が、入射光の面積に対して十分小さな領域に分割され、各領域は、入射光の偏光の楕円率及び偏光軸の方向の少なくとも一方を変化させる波長板としての機能を有し、前記各領域は、各領域に入射する光によって変化させられる楕円率及び偏光軸の方向のうち少なくとも一方が、出射光全体としてランダムとなるように形成されていることを特徴とする光学素子(請求項1)である。   A first means for solving the above problem is that at least a portion where incident light is incident is divided into regions sufficiently small with respect to the area of the incident light, and each region has an ellipticity and a polarization axis of polarization of incident light. Each of the regions has at least one of the ellipticity and the direction of the polarization axis that is changed by light incident on each region, and the entire emitted light is random. The optical element is characterized in that it is formed as follows.

本手段においては光学素子面が、小領域に分割されている。分割の大きさは、分割された小領域の数が、出射光がランダムな楕円率、偏光軸方向を持つと見なされるようにできる数があればよく、出射光に要求される性質に応じて任意に決めることができる。   In this means, the optical element surface is divided into small regions. As for the size of the division, it suffices that the number of divided small regions is such that the outgoing light can be regarded as having a random ellipticity and a polarization axis direction, depending on the properties required for the outgoing light. It can be decided arbitrarily.

各小領域は波長板としての機能を有し、各小領域を通過する光は、その楕円率及び偏光軸の方向の少なくとも一方が変化させられる(ランダムであるので、中には、どちらも変化させない領域を含むこともあり、このような小領域が含まれる場合も、本発明の範囲内である)。そして、各小領域を通過する光の楕円率、偏光軸の方向の変化の度合いは、全体としてランダムになるように、各小領域における楕円率、偏光軸の方向の変化の程度が定められている。よって、どのような偏光状態の光をこの光学素子に入射させても、出射される光は、全体としてランダム偏光(非偏光)な光となる。   Each small region has a function as a wave plate, and the light passing through each small region is changed in at least one of its ellipticity and the direction of the polarization axis (because it is random, both of them change) In some cases, such a small area is included in the scope of the present invention. The degree of change in ellipticity and polarization axis direction in each small area is determined so that the degree of change in ellipticity and polarization axis direction of light passing through each small area is random as a whole. Yes. Therefore, no matter what polarization state light is incident on this optical element, the emitted light becomes random polarized light (non-polarized light) as a whole.

前記課題を解決するための第2の手段は、前記第1の手段であって、前記各領域は、使用する光の波長より細かな格子構造を有し、それにより波長板としての機能を有するものであることを特徴とするもの(請求項2)である。   The second means for solving the problem is the first means, wherein each region has a grating structure finer than the wavelength of light to be used, thereby having a function as a wave plate. It is what is characterized by the above-mentioned (Claim 2).

「波長より細かな格子構造による光制御」(光学、27巻第1号、p12〜17)(非特許文献1)によれば、光学基材の表面に使用する光の波長より小さいピッチの凹凸を有する格子構造を形成することにより、その格子の長さ方向に偏光軸を有する光と幅方向に偏光軸を持つ光との間で位相の違いを生じさせることができ、波長板を形成できることが分かっている。よって、この格子のピッチと高さを制御することで、この位相板を通過する光の楕円率、偏光軸の少なくとも一方を制御することができる。   According to “Optical control by a grating structure finer than the wavelength” (Optics, Vol. 27, No. 1, p12-17) (Non-Patent Document 1), irregularities with a pitch smaller than the wavelength of light used on the surface of the optical substrate By forming a grating structure having, a phase difference can be generated between light having a polarization axis in the length direction of the grating and light having a polarization axis in the width direction, and a wave plate can be formed. I know. Therefore, by controlling the pitch and height of the grating, it is possible to control at least one of the ellipticity and polarization axis of the light passing through the phase plate.

このような格子構造は、フォトリソグラフィにより容易に形成でき、しかも、所定の格子構造を有する領域を微細な領域とすることができるので、フォトリソグラフィ工程により、異なる格子構造を有する微小領域をランダムに形成することにより、前記第1の手段である光学素子を、容易に形成することができる。   Such a lattice structure can be easily formed by photolithography, and a region having a predetermined lattice structure can be made into a fine region. Therefore, a small region having a different lattice structure can be randomly formed by a photolithography process. By forming, the optical element as the first means can be easily formed.

前記課題を解決するための第3の手段は、前記第1の手段であって、波長板としての機能を与える格子構造が形成された面と反対側の面に、反射防止構造体としての機能を有する格子構造が形成されていることを特徴とするもの(請求項3)である。   The third means for solving the above-mentioned problem is the first means, and functions as an antireflection structure on the surface opposite to the surface on which the grating structure providing a function as a wave plate is formed. A lattice structure having the following is formed (claim 3).

前記特許文献1によれば、光学基材の表面に使用する光の波長より小さいピッチで、3角形状又はピラミッド型の凹凸構造を設けることにより、反射防止構造体としての機能を持たせることができる。よって、光学基材の片面に波長板としての機能を持たせるための凹凸構造、他の面に反射防止構造体としての機能を持たせる凹凸構造を形成することにより、光の透過率が高く、かつランダム偏光を形成する光学素子とすることができる。   According to Patent Document 1, by providing a triangular or pyramidal uneven structure with a pitch smaller than the wavelength of light used on the surface of the optical substrate, it is possible to provide a function as an antireflection structure. it can. Therefore, by forming a concavo-convex structure for providing a function as a wave plate on one side of the optical substrate, and a concavo-convex structure for providing a function as an antireflection structure on the other surface, the light transmittance is high. And it can be set as the optical element which forms random polarization | polarized-light.

前記課題を解決するための第4の手段は、前記第1の手段から第3の手段のいずれかであって、巨視的に見た入射面と出射面とが平行であることを特徴とするもの(請求項4)である。   A fourth means for solving the above-described problem is any one of the first to third means, and the entrance surface and the exit surface viewed macroscopically are parallel to each other. (Claim 4).

「巨視的に見た入射面と出射面とが平行」とは、微視的に見た場合には、光学素子の表面は凹凸構造が形成されているが、それを平滑にしてみた場合に、入射面と出射面とが平行と考えることができ、入射した光が直進するような状態であることを意味する。本手段においては、従来技術の光学素子と異なり入射光が直進するので、光軸を合わせるための特別な光学系を必要としない。   “The entrance surface and the exit surface viewed macroscopically are parallel” means that, when viewed microscopically, the surface of the optical element has a concavo-convex structure. The incident surface and the exit surface can be considered to be parallel, which means that the incident light travels straight. In this means, unlike the optical element of the prior art, since the incident light goes straight, no special optical system for aligning the optical axis is required.

前記課題を解決するための第5の手段は、前記第1の手段から第4の手段のいずれかの光学素子を有することを特徴とする照明光学系(請求項5)である。   A fifth means for solving the above-mentioned problem is an illumination optical system (Claim 5) including any one of the optical elements of the first to fourth means.

本手段においては、ランダム偏光(非偏光)の照明光を形成することができる。   In this means, illumination light of random polarization (non-polarization) can be formed.

本発明によれば、ほぼランダムと見なされる偏光状態を作り出すことができる光学素子、及びこれを使用した照明光学系を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical element which can produce the polarization state regarded as substantially random, and an illumination optical system using the same can be provided.

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態である光学素子における小領域の形状を示す図である。石英やガラス等の、使用する光に対して透明な光学基材1の片面に、スリット状の凹凸(格子)が形成されており凸部2の幅aと凹部3の幅bとの和(a+b)は、使用する光の波長よりも短くなっている。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing the shape of a small region in an optical element according to an embodiment of the present invention. A slit-like unevenness (lattice) is formed on one surface of an optical substrate 1 that is transparent to light to be used, such as quartz or glass, and the sum of the width a of the convex portion 2 and the width b of the concave portion 3 ( a + b) is shorter than the wavelength of the light used.

このような構造を持つ光学素子では、非特許文献1に記載されるように、スリットの長さ方向が遅相軸、スリットの幅方向が進相軸となって複屈折が起こり、位相板として使用することができる。   In an optical element having such a structure, as described in Non-Patent Document 1, birefringence occurs with the length direction of the slit being the slow axis and the width direction of the slit being the fast axis, and as a phase plate Can be used.

図2は、光が入射する領域を4×4の領域に区分し、各領域に異なる方向のスリット状の格子を形成した光学素子の作用を模式的に示した図である。(a)に示された各領域における線の方向が、スリットの方向に対応している。(a)において、線が形成されていない領域は、スリットが形成されていない領域であり、この領域においては、偏光状態の変化は起こらない。   FIG. 2 is a diagram schematically showing the operation of the optical element in which the light incident area is divided into 4 × 4 areas and slit-like gratings in different directions are formed in the respective areas. The direction of the line in each region shown in (a) corresponds to the direction of the slit. In (a), a region where no line is formed is a region where a slit is not formed, and the polarization state does not change in this region.

このような構造の光学素子に、(a)の矢印で示した方向の偏光軸を有する直線偏光を入射させたときに得られる出射光の偏光状態を(b)に模式的に示す。入射した直線偏光は、各領域が波長板の作用を有するので、(b)に示すように、偏光軸の方向が異なった直線偏光や楕円偏光、及び円偏光に変換される。よって、各領域から出射する光を一つに集めた場合、その光には、種々の偏光状態の光が含まれることになり、全体としてランダム偏光(非偏光)に近い状態となる。   The polarization state of outgoing light obtained when linearly polarized light having a polarization axis in the direction indicated by the arrow in (a) is incident on the optical element having such a structure is schematically shown in (b). The incident linearly polarized light is converted into linearly polarized light, elliptically polarized light, and circularly polarized light having different polarization axis directions as shown in FIG. Therefore, when the light emitted from each region is collected into one, the light includes light in various polarization states, and as a whole is in a state close to random polarization (non-polarization).

図2では、説明のために領域を4×4の領域に区分しているが、領域の数を多くし、スリットの方向も多くとることにより、よりランダム偏光(非偏光)と見なされる光束を形成することができるようになる。   In FIG. 2, the region is divided into 4 × 4 regions for the sake of explanation. However, by increasing the number of regions and the direction of the slits, a light beam that is considered to be more randomly polarized (non-polarized) can be obtained. Can be formed.

図3に、本発明の実施の形態である照明光学系の概要を示す。(a)に示す照明光学系では、光源5から放出された光は、コリメータレンズ6により平行光に変えられ、集光レンズ7により集光される。この集光位置に本発明の光学素子8を配置して、非偏光状態の光を形成する。すなわち、光学素子8の位置が2次光源となり、2次光源から放出される光は非偏光と見なされる。この光は投影レンズ9により平行光に変えられ、照明光として使用される。この光学系においては、光学素子8の位置で光束が絞られるため、入射する光束の面積が小さくなるが、光源5は有限の大きさを持ち、その像8も有限の大きさを持つこと、及び光学素子の小領域の大きさは、フォトリソグラフィで形成されるような極めて微小なものであるので、このことが問題となることはない。   FIG. 3 shows an outline of the illumination optical system according to the embodiment of the present invention. In the illumination optical system shown in (a), the light emitted from the light source 5 is converted into parallel light by the collimator lens 6 and condensed by the condenser lens 7. The optical element 8 of the present invention is arranged at this condensing position to form non-polarized light. That is, the position of the optical element 8 becomes a secondary light source, and the light emitted from the secondary light source is regarded as non-polarized light. This light is converted into parallel light by the projection lens 9 and used as illumination light. In this optical system, since the light beam is focused at the position of the optical element 8, the area of the incident light beam is reduced, but the light source 5 has a finite size and the image 8 also has a finite size. Since the size of the small area of the optical element is extremely small as formed by photolithography, this does not cause a problem.

(b)に示す照明光学系では、光源5から放出された光は、コリメータレンズ6により平行光に変えられるが、この平行光の位置に本発明の光学素子8が配置される。従って、光学素子8に入射する光束の面積を大きくすることができる。光学素子8を透過した光は、集光レンズ7で集光されるが、その集光位置に拡散板10が設けられており、入射角が異なる光を混合して放出するようになっている。拡散板10を通過した光は、投影レンズ9により平行光に変えられ、照明光として使用される。この光学系において拡散板10が必要とされるのは、これを設けないと、光学素子8の領域毎の光の分布が、そのまま、照明光の光の分布となってしまうためである。従って、照明光をある点に集光させて使用するような場合には、拡散板10は必要ない。   In the illumination optical system shown in (b), the light emitted from the light source 5 is converted into parallel light by the collimator lens 6, and the optical element 8 of the present invention is disposed at the position of the parallel light. Therefore, the area of the light beam incident on the optical element 8 can be increased. The light transmitted through the optical element 8 is condensed by the condenser lens 7, but a diffusion plate 10 is provided at the condensing position, and light with different incident angles is mixed and emitted. . The light that has passed through the diffusion plate 10 is converted into parallel light by the projection lens 9 and used as illumination light. The reason why the diffusing plate 10 is required in this optical system is that if this is not provided, the light distribution for each region of the optical element 8 becomes the light distribution of the illumination light as it is. Therefore, when the illumination light is condensed and used at a certain point, the diffusion plate 10 is not necessary.

図4に、本発明の別の実施の形態である光学素子における小領域の概要を示す。この光学素子においては、光学基材1の光の出射面に形成されるスリット状の凸部2と凹部3が、前述のように、光学素子に位相板としての特性を与える。光の入射面には、3角形状の凹凸11が設けられており、これが反射防止構造体としての役割を果たす。この3角形状の凹凸11のピッチも使用する光の波長よりも短くされており、このことにより非特許文献1に示されているように、反射防止構造体が形成される。このような光学素子を用いることにより、表面での光の反射を防止しながら、波長板としての特性を得ることができる。   FIG. 4 shows an outline of a small area in an optical element according to another embodiment of the present invention. In this optical element, the slit-like convex part 2 and concave part 3 formed on the light emission surface of the optical substrate 1 give the optical element the characteristics as a phase plate as described above. Triangular irregularities 11 are provided on the light incident surface, and this serves as an antireflection structure. The pitch of the triangular irregularities 11 is also made shorter than the wavelength of light to be used, and as a result, as shown in Non-Patent Document 1, an antireflection structure is formed. By using such an optical element, it is possible to obtain characteristics as a wave plate while preventing reflection of light on the surface.

なお、図1、図4に示すような凹凸構造をフォトリソグラフィにより製造する方法は周知のものであり、かつ、非特許文献1にも記載されているので、その説明を省略する。   The method for manufacturing the concavo-convex structure as shown in FIG. 1 and FIG. 4 by photolithography is well known and also described in Non-Patent Document 1, and will not be described.

本発明の実施の形態である光学素子における小領域の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the small area | region in the optical element which is embodiment of this invention. 光が入射する領域を4×4の領域に区分し、各領域に異なる方向のスリット状の格子を形成した光学素子の作用を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the effect | action of the optical element which divided the area | region into which light injects into a 4x4 area | region, and formed the slit-shaped grating | lattice of a different direction in each area | region. 本発明の実施の形態である照明光学系の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the illumination optical system which is embodiment of this invention. 本発明の別の実施の形態である光学素子における小領域の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the small area | region in the optical element which is another embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…光学基材、2…凸部、3…凹部、5…光源、6…コリメータレンズ、7…集光レンズ、8…光学素子、9…投影レンズ、10…拡散板、11…凹凸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical base material, 2 ... Convex part, 3 ... Concave part, 5 ... Light source, 6 ... Collimator lens, 7 ... Condensing lens, 8 ... Optical element, 9 ... Projection lens, 10 ... Diffusing plate, 11 ... Concavity and convexity

Claims (5)

少なくとも入射光が入射する部分が、入射光の面積に対して十分小さな領域に分割され、各領域は、入射光の偏光の楕円率及び偏光軸の方向の少なくとも一方を変化させる波長板としての機能を有し、前記各領域は、各領域に入射する光によって変化させられる楕円率及び偏光軸の方向のうち少なくとも一方が、出射光全体としてランダムとなるように形成されていることを特徴とする光学素子。 At least a portion where incident light is incident is divided into regions that are sufficiently small with respect to the area of the incident light, and each region functions as a wavelength plate that changes at least one of the polarization ellipticity and the direction of the polarization axis of the incident light. And each region is formed such that at least one of the ellipticity changed by the light incident on each region and the direction of the polarization axis is random as the entire emitted light. Optical element. 前記各領域は、使用する光の波長より細かな格子構造を有し、それにより波長板としての機能を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。 2. The optical element according to claim 1, wherein each of the regions has a grating structure finer than a wavelength of light to be used, and thereby has a function as a wavelength plate. 波長板としての機能を与える格子構造が形成された面と反対側の面に、反射防止構造体としての機能を有する格子構造が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の光学素子。 3. The optical element according to claim 2, wherein a grating structure having a function as an antireflection structure is formed on a surface opposite to the surface on which the grating structure providing a function as a wave plate is formed. . 巨視的に見た入射面と出射面とが平行であることを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載の光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 3, wherein the entrance surface and the exit surface viewed macroscopically are parallel to each other. 請求項1から請求項4のうちいずれか1項に記載の光学素子を有することを特徴とする照明光学系。
An illumination optical system comprising the optical element according to any one of claims 1 to 4.
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