JP2005338735A

JP2005338735A - ビーム整形光学装置及びアナモルフィック光学系

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Publication number: JP2005338735A
Application number: JP2004161328A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Yamazaki; 和則山崎
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: JP4589660B2

Abstract

【課題】長さ方向に関して、ピーク強度を均一に近づけることができるビーム整形光学装置を提供する。
【解決手段】長軸用レンズアレイが、ビームを長軸面内に関して複数のビームに分割する。第１及び第２の長軸用レンズを含む長軸用レンズ群が、長軸面内に関して、長軸用レンズアレイで分割された複数のビームを被照射面上で重ね合わせる。第２の長軸用レンズを通過したビームの各々は、長軸面内に関してほぼ平行光線束になる。短軸用レンズアレイが、ビームを短軸面内に関して複数のビームに分割する。短軸用コンデンサレンズが、分割された複数のビームを、短軸面内に関して、中間ホモジナイズ面上で重ね合わせる。タンデム光学系を構成する短軸用イメージングレンズ系が、中間ホモジナイズ面上に重ね合わされた複数のビームの断面を、短軸面内に関して被照射面上に結像させる。長軸用レンズアレイ及び長軸用レンズ群が、タンデム光学系内の、短軸面内に関してほぼ平行光線束となる部分に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビーム断面を長尺するビーム整形光学装置及び相互に直交する２つの平面内で、独立にビームの発散及び収束を行うアナモルフィック光学系に関する。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に、ビーム断面を一方向に長い線状に整形する従来のビームホモジナイザの概略断面図を示す。レーザビームの進行方向をＺ軸とし、ビーム断面の長軸方向をＹ軸方向とし、短軸方向をＸ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を考えたとき、図８（Ａ）はＹＺ面（長軸面）に平行な断面図を示し、図８（Ｂ）はＸＺ面（短軸面）に平行な断面図を示す。

図８（Ａ）に示すように、レーザビームが長軸用レンズアレイ１００に入射する。長軸用レンズアレイ１００は、Ｘ軸に平行な柱面を有する複数の等価なシリンドリカルレンズをＹ軸に平行な方向に並べて構成された２組のレンズアレイで構成されている。長軸用レンズアレイ１００に入射したレーザビームは、長軸面内に関して複数のビームに分割される。

長軸用レンズアレイ１００で分割された複数のビームが、長軸用コンデンサレンズ１０１に入射する。長軸用コンデンサレンズ１０１は、Ｘ軸に平行な柱面を有するシリンドリカルレンズで構成されている。長軸用コンデンサレンズ１０１に入射した複数のビームの各々は、長軸面内に関して発散する光線束となって被照射面１１０上に重ね合わされる。

図８（Ｂ）に示すように、長軸用コンデンサレンズ１０１を通過したビームが短軸用レンズアレイ１０２に入射する。短軸用レンズアレイ１０２は、Ｙ軸に平行な柱面を有する複数の等価なシリンドリカルレンズをＸ軸に平行な方向に並べて構成された２組のレンズアレイで構成されている。短軸用レンズアレイ１０２に入射したレーザビームは、短軸面内に関して複数のビームに分割される。

短軸用レンズアレイ１０２で分割された複数のビームが短軸用コンデンサレンズ１０３に入射する。短軸用コンデンサレンズ１０３は、Ｙ軸に平行な柱面を有するシリンドリカルレンズで構成されている。短軸用コンデンサレンズ１０３に入射した複数のビームは、短軸面内に関して仮想的なホモジナイズ面１０９上で重ね合わされる。ホモジナイズ面１０９の位置に、レーザビームの断面を整形するスリットが形成されたマスク１０５が配置されている。短軸用イメージングレンズ１０４が、ホモジナイズ面１０９上に重ね合わされた複数のビームの断面を、短軸面内に関して被照射面１１０上に結像させる。

被照射面１１０の位置におけるレーザビームの断面が、Ｙ軸方向に長い細線状の形状になる。長軸面内及び短軸面内に関して、複数のビームが重ね合わされるため、光強度分布を均一に近づけることができる。

図８（Ａ）に示すように、長軸用コンデンサレンズ１０１を通過して、長軸面内で広がりながら伝搬するビームは、その両端近傍において短軸用イメージングレンズ１０４に斜め入射する。このため像面湾曲が生じ、ホモジナイズ面１０９に対応する短軸用イメージングレンズ１０４の像面１１１が、被照射領域の中心からＹ軸方向に離れるに従って、被照射面１１０から短軸用イメージングレンズ１０４側にずれる。これにより、被照射領域の中心からＹ軸方向に離れるに従って、ピーク強度が低下してしまう。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に、特許文献１に開示されたビームホモジナイザの断面図を示す。以下、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示したビームホモジナイザとの相違点に着目して説明する。短軸用イメージングレンズ１０４の直前に２枚目の長軸用コンデンサレンズ１０６が配置されている。長軸用コンデンサレンズ１０６は、長軸用レンズアレイ１００を通過したビームを、長軸面内に関してほぼ平行光線束にする。このビームは、長軸面内に関して、両端近傍においても短軸用イメージングレンズ１０４にほぼ垂直入射する。これにより、像面湾曲を軽減することができる。

特開２００１−７５０４３号公報

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示したビームホモジナイザは、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示したビームホモジナイザに比べて、像面湾曲の影響を軽減することができる。このため、長軸方向に関するピーク強度の分布を均一に近づけることができる。ところが、被照射面１１０におけるビーム断面がより細くかつ長くなると、わずかな像面湾曲の影響によってピーク強度の分布の均一性が低下する。

図１０（Ａ）に、被照射面１１０上におけるビーム断面の一例を示す。複数のビームが重ね合わされたビーム断面は、Ｙ軸方向に長い線状の形状を有する。一例として、その長さは約４００ｍｍであり、幅は約０．０２ｍｍである。図１０（Ｂ）〜図１０（Ｄ）に、それぞれ長さ方向に関する中央Ｐ_０、中央Ｐ_０から９０ｍｍ離れた位置Ｐ_１、及び中央Ｐ_０から１８０ｍｍ離れた位置Ｐ_２における幅方向の光強度分布を示す。各グラフの横軸は、幅方向の中央からの距離を単位「ｍｍ」で表し、縦軸は光強度を相対目盛で表す。中央から離れるに従ってピーク強度が低下し、波形が拡がっていることがわかる。

図１０（Ｅ）に、長さ方向に関するピーク強度の分布を示す。横軸は長軸方向の中央Ｐ_０からの距離を単位「ｍｍ」で表し、縦軸はピーク強度を相対目盛で表す。中央から両端に近づくに従って、ピーク強度が低下していることがわかる。

以下、中央Ｐ_０から離れるに従ってピーク強度が低下する理由について説明する。図９（Ａ）に示すように、長軸用コンデンサレンズ１０１を通過したビームは、その両端近傍において短軸用コンデンサレンズ１０３にＹＺ面内で斜め入射する。このため、像面湾曲が生じ、複数のビームが重ね合わされる面が湾曲し、ビームの両端近傍では、ホモジナイズ面１０９からずれた位置で重ね合わされる。また、長軸面内に関するビーム中心と、両端近傍では、ホモジナイズ面１０９から短軸用イメージングレンズ１０４までの光路長に差が生ずる。

被照射面１１０上におけるピーク強度の均一性が損なわれる原因は、短軸用コンデンサレンズ１０３への斜め入射、及びホモジナイズ面１０９から短軸用イメージングレンズ１０４までの、ビーム中央と両端近傍との光路長差であると考えられる。

本発明の目的は、長さ方向に関して、ピーク強度を均一に近づけることができるビーム整形光学装置を提供することである。本発明の他の目的は、像面湾曲の生じにくいアナモルフィック光学系を提供することである。

本発明の第１の観点によると、レーザビームの入射位置と、該入射位置に入射するレーザビームが照射される被照射面が画定され、該入射位置に入射するレーザビームを、該被照射面上においてビーム断面が一方向に長い形状になるように整形するビーム整形光学装置であって、前記入射位置と前記被照射面と間のビーム経路上に配置され、入射するビームを、前記被照射面におけるビーム断面の長軸方向とビームの進行方向とに平行な長軸面内に関して複数のビームに分割する長軸用レンズアレイと、前記長軸用レンズアレイにより分割された複数のビームが入射する位置に配置された第１の長軸用コンデンサレンズ、及び該第１の長軸用コンデンサレンズを通過した複数のビームが入射する位置に配置された第２の長軸用コンデンサレンズを含む長軸用レンズ群であって、該長軸用レンズ群は、前記長軸面内に関して、前記長軸用レンズアレイで分割された複数のビームを前記被照射面上で重ね合わせ、該第２の長軸用コンデンサレンズを通過したビームの各々の長軸面内に関する広がり角の絶対値が、該第１の長軸用コンデンサレンズを通過した対応するビームの各々の長軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなる構成とされている長軸用レンズ群と、前記入射位置と前記被照射面との間のビーム経路上に配置され、入射するビームを、前記被照射面におけるビーム断面の短軸方向とビームの進行方向とに平行な短軸面内に関して複数のビームに分割する短軸用レンズアレイと、前記短軸用レンズアレイで分割された複数のビームが入射し、入射する複数のビームを、前記短軸面内に関して、中間ホモジナイズ面上で重ね合わせる短軸用コンデンサレンズと、前記中間ホモジナイズ面上に重ね合わされた複数のビームの断面を、前記短軸面内に関して前記被照射面上に結像させる短軸用イメージングレンズ系であって、第１の短軸用イメージングレンズと、該第１の短軸用イメージングレンズよりも後側に配置された第２の短軸用イメージングレンズとを含み、該第１の短軸用イメージングレンズの前側焦点が前記中間ホモジナイズ面上に位置し、該第２の短軸用イメージングレンズの後側焦点が前記被照射面上に位置する短軸用イメージングレンズ系とを有し、前記長軸用レンズアレイ及び前記長軸用レンズ群が、前記第１の短軸用イメージングレンズと第２の短軸用イメージングレンズとの間のビーム経路上に配置されているビーム整形光学装置が提供される。

本発明の第２の観点によると、レーザビームの入射位置と、該入射位置に入射するレーザビームが照射される被照射面が画定され、該入射位置に入射するレーザビームを、該被照射面上においてビーム断面が一方向に長い形状になるように整形するビーム整形光学装置であって、前記入射位置と前記被照射面と間のビーム経路上に配置され、入射するビームを、前記被照射面におけるビーム断面の長軸方向とビームの進行方向とに平行な長軸面内に関して複数のビームに分割する長軸用レンズアレイと、前記長軸用レンズアレイにより分割された複数のビームが入射する位置に配置された第１の長軸用コンデンサレンズ、及び該第１の長軸用コンデンサレンズを通過した複数のビームが入射する位置に配置された第２の長軸用コンデンサレンズを含む長軸用レンズ群であって、該長軸用レンズ群は、前記長軸面内に関して、前記長軸用レンズアレイで分割された複数のビームを前記被照射面上で重ね合わせ、該第２の長軸用コンデンサレンズを通過したビームの各々の長軸面内に関する広がり角の絶対値が、該第１の長軸用コンデンサレンズを通過した対応するビームの各々の長軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなる構成とされている長軸用レンズ群と、前記入射位置と前記被照射面との間のビーム経路上に配置され、入射するビームを、前記被照射面におけるビーム断面の短軸方向とビームの進行方向とに平行な短軸面内に関して複数のビームに分割する短軸用レンズアレイと、前記短軸用レンズアレイで分割された複数のビームが入射し、入射する複数のビームを、前記短軸面内に関して、中間ホモジナイズ面上で重ね合わせる短軸用コンデンサレンズと、前記中間ホモジナイズ面上に重ね合わされた複数のビームの断面を、短軸面内に関して前記被照射面上に結像させる短軸用イメージングレンズとを有し、前記中間ホモジナイズ面及び前記短軸用イメージングレンズが、前記第２の長軸用コンデンサレンズの後側に配置されているビーム整形光学装置が提供される。

本発明の第３の観点によると、レーザビームの進行方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を考えたとき、Ｘ軸方向に平行な母線を有する複数のシリンドリカルレンズからなる第１のレンズ群と、Ｙ軸方向に平行な母線を有する複数のシリンドリカルレンズからなる第２のレンズ群とを有し、第１のレンズ群のシリンドリカルレンズは、ＸＺ面内に関して平行光線束となる位置に配置され、第２のレンズ群のシリンドリカルレンズは、ＹＺ面内に関して平行光線束となる位置に配置されているアナモルフィック光学系が提供される。

第１の観点によるビーム整形光学装置では、短軸用レンズアレイ及び短軸用コンデンサレンズが、長軸用レンズアレイや長軸用レンズ群よりも前側に配置されている。このため、長軸用レンズ群による長軸面内に関する光線の発散や集束の影響を受けることなく、短軸面内に関してレーザビームを分割し、重ね合わせることができる。ホモジナイズ面上に物点から出た光は、第１の短軸用イメージングレンズと第２の短軸用イメージングレンズとの間で、短軸面内に関してほぼ平行光線束になる。このため、長軸用レンズ群によって長軸面内に関してビームが発散光線束となり、ビーム中心と端部近傍とで光路長に差が生じたとしても、短軸面内に関する結像特性は光路長の差の影響を受けない。

第２の観点によるビーム整形光学装置では、中間ホモジナイズ面が第２段目長軸用コンデンサレンズ２３よりも後側に配置されている。この位置では、長軸面内に関するビームの広がり角の絶対値が、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３よりも前側におけるビームの長軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さい。このため、中間ホモジナイズ面が第２段目長軸用コンデンサレンズよりも前側に配置される場合に比べて、中間ホモジナイズ面から短軸用イメージングレンズまでの、ビーム中心と端部近傍における光路長の差が比較的小さくなる。従って、光路長の差に起因する像面湾曲を低減することができる。

第３の観点によるビーム整形光学装置では、第１のレンズ群がＸＺ面内に関するビームの発散と収束に与える影響を軽減し、第２のレンズ群がＹＺ面内に関するビームの発散と収束に与える影響を軽減することができる。これにより、Ｘ方向及びＹ方向に関する像面湾曲を低減させることができる。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に、第１の実施例によるビーム整形光学装置の断面図を示す。レーザビームの進行方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を考えたとき、図１（Ａ）はＹＺ面に平行な断面図を示し、図１（Ｂ）はＸＺ面に平行な断面図を示す。このビーム整形光学装置は、被照射面３０上においてＹ軸方向に長い線状のビーム断面を形成する。以下、ＹＺ面に平行な面、すなわち被照射面３０上におけるビーム断面の長軸方向及びレーザビームの進行方向に平行な面を「長軸面」と呼び、ＸＺ面に平行な面、すなわち被照射面３０上におけるビーム断面の短軸方向及びレーザビームの進行方向に平行な面を「短軸面」と呼ぶこととする。なお、必要に応じてレーザビームが折り返しミラーで折り返される構成とされる場合がある。この場合、ＸＹＺ直交座標系も折り返しミラーによって折り返されるものとする。

レーザ光源１から出射されたレーザビームがビームエキスパンダ２に入射し、そのビーム断面の大きさが調整される。

図１（Ｂ）に示すように、レーザビームの短軸面内に関する発散及び収束に寄与する光学素子として、ビームエキスパンダ２と被照射面３０との間のビーム経路上に、短軸用レンズアレイ１１、短軸用コンデンサレンズ１２、第１段目短軸用イメージングレンズ１３、及び第２段目短軸用イメージングレンズ１４が配置されている。

図２に、短軸用レンズアレイ１１及び短軸用コンデンサレンズ１２の斜視図を示し、図３に、第１段目短軸用イメージングレンズ１３の斜視図を示し、図４に、第２段目短軸用イメージングレンズ１４の斜視図を示す。

図２に示すように、短軸用レンズアレイ１１は、Ｚ軸方向にある間隔を隔てて配置された一対のレンズアレイ１１Ａ及び１１Ｂで構成される。レンズアレイ１１Ａ及び１１Ｂの各々は、Ｙ軸に平行な柱面を有する３個の凸シリンドリカルレンズが、コバ面同士を相互に接触させてＸ軸方向に配列した構造を有する。この短軸用レンズアレイ１１は、短軸面内（ＸＺ面内）に関して、入射するレーザビームを３つのビームに分割する。一対のレンズアレイ１１Ａと１１Ｂとの間隔を変化させることにより、合成焦点距離を変化させることができる。合成焦点距離が変化すると、中間ホモジナイズ面５の位置におけるビームの幅が変化する。

短軸用コンデンサレンズ１２は、Ｙ軸に平行な柱面を有する凸シリンドリカルレンズで構成される。図２では、短軸用シリンドリカルレンズ１２を１個のシリンドリカルレンズで示したが、種々の収差を低減するために複数のシリンドリカルレンズで構成してもよい。なお、後述する他のシリンドリカルレンズについても、複数のシリンドリカルレンズで構成してもよい。

図３及び図４に示すように、短軸用イメージングレンズ１３及び１４の各々は、Ｙ軸に平行な柱面を有する凸シリンドリカルレンズで構成される。

図１（Ｂ）に示すように、ビームエキスパンダ２を通過したレーザビームが短軸用レンズアレイ１１により、短軸面内に関して３つのレーザビームに分割される。短軸用レンズアレイ１１で分割されたビームの各々は、短軸面内で収束あるいは発散しながら進行し、短軸用コンデンサレンズ１２に入射する。短軸用コンデンサレンズ１２は、入射する複数のレーザビームを、仮想的なホモジナイズ面５上において重ね合わせる。ホモジナイズ面５は、短軸用コンデンサレンズ１２の後側焦点の位置に一致する。

ホモジナイズ面５の位置に、スリットを有するマスク４が配置されている。マスク４は、複数のビームが短軸面内に関して重ね合わされて形成されたビーム断面内の短軸方向に関する光強度分布の裾野の部分を遮光する。マスク４を通過した複数のビームが、短軸用イメージングレンズ１３及び１４を通過して、被照射面３０に入射する。短軸用イメージングレンズ１３及び１４は、短軸面内に関して、ホモジナイズ面５上のビーム断面を、被照射面３０上に結像させる。被照射面３０の位置に、レーザ加工すべき対象物が配置される。

ホモジナイズ面５が短軸用イメージングレンズ１３の前側焦点の位置に一致し、被照射面３０が、短軸用イメージングレンズ１４の後側焦点の位置に一致する。すなわち、短軸用イメージングレンズ１３及び１４は、ホモジナイズ面５上の点を物点とし、被照射面３０上の点を像点とするタンデム光学系を構成している。ホモジナイズ面５上の物点から出た光は、短軸用イメージングレンズ１３と１４との間で、短軸面内に関して平行光線束になる。

図１（Ａ）に示すように、短軸用イメージングレンズ１３と１４との間のビーム経路上に、短軸用イメージングレンズ１３側から順番に、長軸用レンズアレイ２１、第１段目長軸用コンデンサレンズ２２及び第２段目長軸用コンデンサレンズ２３が配置されている。図３に、長軸用レンズアレイ２１及び第１段目長軸用コンデンサレンズ２２の斜視図を示し、図４に、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３の斜視図を示す。

図３に示すように、長軸用レンズアレイ２１は、Ｚ軸方向にある間隔を隔てて配置された一対のレンズアレイ２１Ａ及び２１Ｂにより構成される。レンズアレイ２１Ａ及び２１Ｂの各々は、Ｘ軸に平行な柱面を有する３個の凸シリンドリカルレンズが、コバ面同士を相互に接触させてＹ軸方向に配列した構造を有する。この長軸用レンズアレイ２１は、長軸面内（ＹＺ面内）に関して、入射するレーザビームを３つのビームに分割する。レンズアレイ２１Ａと２１Ｂとの間隔を変化させることにより、合成焦点距離を変化させることができる。合成焦点距離が変化すると、被照射面３０上におけるビーム断面の長さが変化する。第１段目長軸用コンデンサレンズ２２は、Ｘ軸に平行な柱面を有する凸シリンドリカルレンズで構成される。

図４に示すように、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３は、Ｘ軸に平行な柱面を有する凸シリンドリカルレンズで構成される。

図１（Ａ）に示すように、長軸用レンズアレイ２１で分割されたビームの各々は、当初は長軸面内に関して収束しながら進行して集光される。集光された後、長軸面内に関して発散光線束となり、第１段目長軸用コンデンサレンズ２２に入射する。

第１段目長軸用コンデンサレンズ２２を通過したビームの各々は、長軸面内に関して発散しながら進行し、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３に入射する。第２段目長軸用コンデンサレンズ２３を通過したビームの各々は、長軸面内に関して平行光線束となり、第２段目短軸用イメージングレンズ１４を通過して被照射面３０に入射する。

第１段目長軸用コンデンサレンズ２２の射出瞳の位置に、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３の前側焦点の位置を一致させ、像側テレセントリックにされている。

上記第１の実施例では、第２段目短軸用イメージングレンズ１４に入射するビームが、長軸面内に関して平行光線束である。また、その進行方向は、Ｚ軸とほぼ平行である。第２段目長軸用コンデンサレンズ２３の後側に短軸用イメージングレンズ１４が配置されている。このため、短軸用イメージングレンズ１４に斜め入射することに起因する像面湾曲の発生を防止することができる。また、長軸用コンデンサレンズ２２及び２３の配置された位置において、短軸面内ではビームが平行光線束になっているため、長軸用コンデンサレンズ２２及び２３に斜め入射することに起因する像面湾曲の発生も防止される。

第１の実施例では、図１（Ｂ）に示すホモジナイズ面５の位置に、複数のビームが短軸面内に関して重ね合わされることにより、短軸方向に関して光強度分布が均一化される。この位置のビーム断面が、短軸用イメージングレンズ１３及び１４により被照射面３０上に結像されるため、被照射面３０上において、短軸方向に関する光強度分布が均一化された像が得られる。

第１段目短軸用イメージングレンズ１３と第２段目短軸用イメージングレンズ１４とがタンデム光学系を構成している。このため、両者の間の光路長の差は、短軸面内に関して結像性能に影響を与えない。図１（Ａ）に示したように、第１段目長軸用コンデンサレンズ２２を通過したビームは、長軸面内に関して発散しながら伝搬する。このため、ビームの中心と両端とで、光路長に差が生ずるが、この光路長の差は、第２段目短軸用イメージングレンズ１４の結像性能に影響を与えない。これにより、被照射面３０上の長尺ビーム断面の長軸方向のいずれの位置においても、同等の像が得られる。

また、第１の実施例では、図１（Ａ）に示したように、短軸用レンズアレイ１１及び短軸用コンデンサレンズ１２が配置された位置において、レーザビームが長軸面内に関して平行光線束にされている。このため、長軸面内に関して短軸用コンデンサレンズ１２に斜め入射することに起因する像面湾曲の発生を防止することができる。これにより、長軸方向に関する中心及び両端のいずれにおいても、複数のビームを短軸方向に関してホモジナイズ面５上に同等に重ね合わせることができる。

図５（Ａ）に、第１の実施例によるビーム整形光学装置により得られる被照射面３０上のビーム断面を示す。Ｘ軸方向に長い長尺形状のビーム断面が得られている。一例として、その長さは約４００ｍｍであり、幅は約０．０２ｍｍである。また、短軸用レンズアレイ１１の合成焦点距離は１×１０^−６ｍｍ、短軸用コンデンサレンズ１２の焦点距離は２００ｍｍ、短軸用イメージングレンズ１３の焦点距離は８００ｍｍ、短軸用イメージングレンズ１４の焦点距離は２００ｍｍである。長軸用レンズアレイ２１の合成焦点距離は２１ｍｍ、長軸用コンデンサレンズ２２と２３との合成焦点距離は２４００ｍｍである。また、短軸用レンズアレイ２２から短軸用コンデンサレンズ１２までの距離は５０ｍｍ、短軸用コンデンサレンズ１２からホモジナイズ面５までの距離は２２０ｍｍ、ホモジナイズ面５から短軸用イメージングレンズ１３までの距離は８２０ｍｍ、短軸用イメージングレンズ１３から長軸用レンズアレイ２１までの距離は１００ｍｍ、長軸用レンズアレイ２１から第１段目長軸用コンデンサレンズ２２までの距離は１６０ｍｍ、第１段目長軸用コンデンサレンズ２２から第２段目長軸用コンデンサレンズ２３までの距離は２３００ｍｍ、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３から短軸用イメージングレンズ１４までの距離は６５０ｍｍ、短軸用イメージングレンズ１４から被照射面３０までの距離は１８０ｍｍである。

図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）に、それぞれ長さ方向に関して中央の位置Ｐ_０、中央から９０ｍｍの位置Ｐ_１、及び中央から１８０ｍｍの位置Ｐ_２における幅方向の光強度分布を示す。各グラフの横軸は、幅方向の中央からの距離を単位「ｍｍ」で表し、縦軸は光強度を相対目盛で表す。いずれの位置においても、ほぼ同一形状の光強度分布が得られていることがわかる。

図５（Ｅ）に、長さ方向に関するピーク強度の分布を示す。横軸は長軸方向の中央の位置Ｐ_０からの距離を単位「ｍｍ」で表し、縦軸はピーク強度を相対目盛で表す。長軸方向の全域に亘って、ピーク強度がほぼ均一になっていることがわかる。

第１の実施例では、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３を通過したビームの各々が、長軸方向に関して平行光線束にされるが、必ずしも平行光線束である必要はない。長軸面内に関して、第１段目長軸用コンデンサレンズ２２を通過したビームの広がり角の絶対値よりも、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３を通過したビームの広がり角の絶対値が小さくなるような構成としてもよい。この場合、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３を配置しない場合に比べて、像面湾曲量を小さくすることができる。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に、第２の実施例によるビーム整形光学装置の断面図を示す。以下、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示したビーム整形光学装置との相違点について説明する。

第２の実施例では、短軸用レンズアレイ１１、短軸用コンデンサレンズ１２、及びマスク４が、第２段目長軸用コンデンサレンズ２３の後側に配置されている。図１（Ｂ）の第１段目短軸用イメージングレンズ１３は配置されず、第２段目短軸用イメージングレンズ１４のみが配置されている。短軸用イメージングレンズ１４が、マスク４の位置のホモジナイズ面５上の空間像を、短軸面内に関して被照射面３０上に結像させる。

第２の実施例の場合にも、図６（Ｂ）に示すように、長軸用レンズアレイ２１、長軸用コンデンサレンズ２２及び２３の配置されている位置において、短軸面内に関してレーザビームが平行光線束にされている。また、図６（Ａ）に示すように、短軸用レンズアレイ１１、短軸用コンデンサレンズ１２、及び短軸用イメージングレンズ１４が配置された位置において、長軸面内に関してレーザビームがほぼ平行光線束にされている。このため、像面湾曲の発生を防止することができる。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に、第３の実施例によるビーム整形光学装置の断面図を示す。以下、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示したビーム整形光学装置との相違点について説明する。第２の実施例では、短軸用レンズアレイ１１及び短軸用コンデンサレンズ１２が第２段目長軸用コンデンサレンズ２３よりも後側に配置されていたが、第３の実施例では、短軸用レンズアレイ１１及び短軸用コンデンサレンズ１２が、第１段目長軸用コンデンサレンズ２２と第２段目長軸用コンデンサレンズ２３との間に配置されている。図９に示した従来のビーム整形光学装置と比較すると、図９のビーム整形光学装置では、ホモジナイズ面１０５が第２段目長軸用コンデンサレンズ１０６の前方に配置されていたが、第３の実施例では、ホモジナイズ面５が第２段目長軸用コンデンサレンズ２３よりも後側に配置される点で、両者は異なる。

第３の実施例では、ホモジナイズ面５と被照射面３０との間のビーム経路において、レーザビームは、長軸面内に関してほぼ平行光線束である。このため、図７（Ａ）に示した長軸面内に関して、ビームの中央と両端とで、ホモジナイズ面５から被照射面３０までの光路長差がほとんどない。このため、光路長差に起因する像面湾曲の発生を防止することができる。

上記第１〜第３の実施例では、短軸用及び長軸用のレンズアレイの各々を、一対のレンズアレイで構成した。これにより合成焦点距離を可変にすることができる。焦点距離が固定でもよい場合には、短軸用及び長軸用のレンズアレイの各々を、１枚のレンズアレイで構成してもよい。また、第１〜第３の実施例では、各レンズアレイを３本のシリンドリカルレンズで構成したが、４本以上のシリンドリカルレンズで構成してもよい。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示した第１の実施例によるビーム整形光学装置は、Ｘ軸に平行な柱面を有するシリンドリカルレンズで構成された長軸用レンズアレイ２１、長軸用コンデンサレンズ２２、２３からなる長軸用レンズ群と、Ｙ軸に平行な柱面を有するシリンドリカルレンズで構成された短軸用レンズアレイ１１、短軸用コンデンサレンズ１２、短軸用イメージングレンズ１３、１４からなる短軸用レンズ群とを含むアナモルフィック光学系である。長軸用レンズ群のシリンドリカルレンズは、短軸面内に関して平行光線束となる位置に配置され、短軸用レンズ群のシリンドリカルレンズは、長軸面内に関して平行光線束となる位置に配置されている。このため、短軸用レンズ群が長軸面内に関するビームの発散と収束に与える影響を軽減し、長軸用レンズ群が短軸面内に関するビームの発散と収束に与える影響を軽減することができる。図６に示した第２の実施例の場合も同様である。

例えば、短軸用レンズ群がイメージングレンズを含む場合、このイメージングレンズに入射する光は、長軸方向に関する入射位置に依らず、収束位置のＺ座標が一定になる。同様に、長軸用レンズ群がイメージングレンズを含む場合、このイメージングレンズに入射する光は、短軸方向に関する入射位置に依らず、収束位置のＺ座標が一定になる。すなわち、長軸及び短軸の両方向に関して像面湾曲を低減させることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

第１の実施例によるビーム整形光学装置の断面図である。第１の実施例によるビーム整形光学装置の短軸用レンズアレイ及び短軸用コンデンサレンズの斜視図である。第１の実施例によるビーム整形光学装置の短軸用イメージングレンズ、長軸用レンズアレイ、及び長軸用コンデンサレンズの斜視図である。第１の実施例によるビーム整形光学装置の長軸用コンデンサレンズ及び短軸用イメージングレンズの斜視図である。（Ａ）は第１の実施例によるビーム整形光学装置の被照射面上におけるビーム断面を示す図であり、（Ｂ）〜（Ｄ）は、ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布を示すグラフであり、（Ｅ）は、ビーム断面の長軸方向に関するピーク強度の分布を示すグラフである。第２の実施例によるビーム整形光学装置の断面図である。第３の実施例によるビーム整形光学装置の断面図である。従来のビーム整形光学装置の断面図である。従来のビーム整形光学装置の断面図である。（Ａ）は図９に示したビーム整形光学装置の被照射面上におけるビーム断面を示す図であり、（Ｂ）〜（Ｄ）は、ビーム断面の短軸方向に関する光強度分布を示すグラフであり、（Ｅ）は、ビーム断面の長軸方向に関するピーク強度の分布を示すグラフである。

符号の説明

１レーザ光源
２ビームエキスパンダ
４、１０５マスク
５、１０９ホモジナイズ面
１１、１０２短軸用レンズアレイ
１２、１０３短軸用コンデンサレンズ
１３、１４、１０４短軸用イメージングレンズ
２１、１００長軸用レンズアレイ
２２、２３、１０１長軸用コンデンサレンズ
３０、１１０被照射面

Claims

レーザビームの入射位置と、該入射位置に入射するレーザビームが照射される被照射面が画定され、該入射位置に入射するレーザビームを、該被照射面上においてビーム断面が一方向に長い形状になるように整形するビーム整形光学装置であって、
前記入射位置と前記被照射面と間のビーム経路上に配置され、入射するビームを、前記被照射面におけるビーム断面の長軸方向とビームの進行方向とに平行な長軸面内に関して複数のビームに分割する長軸用レンズアレイと、
前記長軸用レンズアレイにより分割された複数のビームが入射する位置に配置された第１の長軸用コンデンサレンズ、及び該第１の長軸用コンデンサレンズを通過した複数のビームが入射する位置に配置された第２の長軸用コンデンサレンズを含む長軸用レンズ群であって、該長軸用レンズ群は、前記長軸面内に関して、前記長軸用レンズアレイで分割された複数のビームを前記被照射面上で重ね合わせ、該第２の長軸用コンデンサレンズを通過したビームの各々の長軸面内に関する広がり角の絶対値が、該第１の長軸用コンデンサレンズを通過した対応するビームの各々の長軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなる構成とされている長軸用レンズ群と、
前記入射位置と前記被照射面との間のビーム経路上に配置され、入射するビームを、前記被照射面におけるビーム断面の短軸方向とビームの進行方向とに平行な短軸面内に関して複数のビームに分割する短軸用レンズアレイと、
前記短軸用レンズアレイで分割された複数のビームが入射し、入射する複数のビームを、前記短軸面内に関して、中間ホモジナイズ面上で重ね合わせる短軸用コンデンサレンズと、
前記中間ホモジナイズ面上に重ね合わされた複数のビームの断面を、前記短軸面内に関して前記被照射面上に結像させる短軸用イメージングレンズ系であって、第１の短軸用イメージングレンズと、該第１の短軸用イメージングレンズよりも後側に配置された第２の短軸用イメージングレンズとを含み、該第１の短軸用イメージングレンズの前側焦点が前記中間ホモジナイズ面上に位置し、該第２の短軸用イメージングレンズの後側焦点が前記被照射面上に位置する短軸用イメージングレンズ系と
を有し、
前記長軸用レンズアレイ及び前記長軸用レンズ群が、前記第１の短軸用イメージングレンズと第２の短軸用イメージングレンズとの間のビーム経路上に配置されているビーム整形光学装置。
前記長軸用レンズアレイの中央のレンズを通過したビームが、前記第２の長軸用コンデンサレンズと前記被照射面との間において、前記長軸面内に関して平行光線束となるように、前記長軸用レンズアレイ及び長軸用レンズ群が構成されている請求項１に記載のビーム整形光学装置。
レーザビームの入射位置と、該入射位置に入射するレーザビームが照射される被照射面が画定され、該入射位置に入射するレーザビームを、該被照射面上においてビーム断面が一方向に長い形状になるように整形するビーム整形光学装置であって、
前記入射位置と前記被照射面と間のビーム経路上に配置され、入射するビームを、前記被照射面におけるビーム断面の長軸方向とビームの進行方向とに平行な長軸面内に関して複数のビームに分割する長軸用レンズアレイと、
前記長軸用レンズアレイにより分割された複数のビームが入射する位置に配置された第１の長軸用コンデンサレンズ、及び該第１の長軸用コンデンサレンズを通過した複数のビームが入射する位置に配置された第２の長軸用コンデンサレンズを含む長軸用レンズ群であって、該長軸用レンズ群は、前記長軸面内に関して、前記長軸用レンズアレイで分割された複数のビームを前記被照射面上で重ね合わせ、該第２の長軸用コンデンサレンズを通過したビームの各々の長軸面内に関する広がり角の絶対値が、該第１の長軸用コンデンサレンズを通過した対応するビームの各々の長軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなる構成とされている長軸用レンズ群と、
前記入射位置と前記被照射面との間のビーム経路上に配置され、入射するビームを、前記被照射面におけるビーム断面の短軸方向とビームの進行方向とに平行な短軸面内に関して複数のビームに分割する短軸用レンズアレイと、
前記短軸用レンズアレイで分割された複数のビームが入射し、入射する複数のビームを、前記短軸面内に関して、中間ホモジナイズ面上で重ね合わせる短軸用コンデンサレンズと、
前記中間ホモジナイズ面上に重ね合わされた複数のビームの断面を、短軸面内に関して前記被照射面上に結像させる短軸用イメージングレンズと
を有し、前記中間ホモジナイズ面及び前記短軸用イメージングレンズが、前記第２の長軸用コンデンサレンズの後側に配置されているビーム整形光学装置。
前記長軸用レンズアレイの中央のレンズを通過したビームが、前記第２の長軸用コンデンサレンズと前記被照射面との間において、長軸方向に関して平行光線束となるように、前記長軸用レンズアレイ及び長軸用レンズ群が構成されている請求項３に記載のビーム整形光学装置。
前記短軸用レンズアレイ及び前記短軸用コンデンサレンズが、前記第２の長軸用コンデンサレンズよりも後側に配置されている請求項４に記載のビーム整形光学装置。
レーザビームの進行方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を考えたとき、Ｘ軸方向に平行な母線を有する複数のシリンドリカルレンズからなる第１のレンズ群と、
Ｙ軸方向に平行な母線を有する複数のシリンドリカルレンズからなる第２のレンズ群と
を有し、第１のレンズ群のシリンドリカルレンズは、ＸＺ面内に関して平行光線束となる位置に配置され、第２のレンズ群のシリンドリカルレンズは、ＹＺ面内に関して平行光線束となる位置に配置されているアナモルフィック光学系。