JP2022523598A - 明るい縁または暗い縁を伴う均質強度分布を形成するための装置 - Google Patents

Abstract

レーザ放射のビームを、より明るいまたはより暗い縁を伴う平坦頂強度分布に変形するためのビームホモジナイザ（３０）は、第１のレンズアレイ（３２）と、第２のレンズアレイ（１４）と、正のレンズ（１６）とを備える。第１のレンズアレイ（３２）は、屈折力を有していない間隙（３４）によって分離された複数のレンズ要素（２０）を含む。より明るいまたはより暗い縁は、第２のレンズアレイ内のレンズ要素の焦点距離未満またはそれを上回る第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの間の距離を選択することによって生み出される。

Description

本願は、２０１９年３月１２日に出願された米国仮出願第６２／８１７，３３１号の優先権を主張し、その開示は、その全体として本明細書に援用される。

本発明は、概して、レーザからの光を成形することに関する。特に、１以上のレーザからの光を、より明るい縁またはより暗い縁を伴う均一断面を有する放射のビームに成形することに関する。

レーザは、半導体材料の表面点検、ディスプレイ画面ガラスの熱アニーリング、金属硬化、および生物医学流体の高速アッセイを含む広範囲の用途において、均一照明のために不可欠な源になっている。共通する要件は、線を透明材料の体積内の平坦表面または平面上に均一に照明するレーザ放射の細長ビームである。レーザ放射のそのような細長ビームは、概して、「線ビーム」と称される。

ダイオードレーザは、電力をコヒーレント屈折力に変換するための効率的なデバイスである。高出力用途に関して、複数のダイオードレーザエミッタを有するダイオードレーザバーが、単一ダイオードレーザエミッタから利用可能な屈折力をスケーリングするための便宜的方法を提供する。ダイオードレーザエミッタは、離間され、その線形アレイで配列される。ダイオードレーザバーは、本質的に、細長放出断面を有するが、複数の空間的に分散されたダイオードレーザエミッタからの放出に起因する非均一強度分布を克服する必要がある。

レーザビームを変形させ、変換されるビームの断面を横断した強度を均一にするための光学デバイスは、概して、「ビームホモジナイザ」と称される。ビームホモジナイザは、多くの場合、複数の小型レンズを備える１つまたは２つの「マイクロレンズアレイ」を含み、複数の小型レンズの各々は、入射ビームよりはるかに小さい。各マイクロレンズは、変換されたビームに寄与する照明源となる。ビームホモジナイザの「ピッチ」は、隣接するマイクロレンズの中心間の距離である。入射ビームを遮る全てのマイクロレンズから発出する複数のビームを収集および成形するために、付加的光学系が要求される。マイクロレンズの線形アレイが、ダイオードレーザバーによって放出されるレーザ放射の細長ビームのためのビームホモジナイザとして使用され得る。そのようなビームホモジナイザの一実施例は、米国特許第７，２６５，９０８号に説明される。

ファイバレーザを含むダイオード励起ソリッドステートレーザは、典型的には、ガウス強度分布を生み出す。ガウスレーザビームは、Ｐｏｗｅｌｌレンズまたは同等の光学系によって、ほぼ均一強度分布に変換され、次いで、レンズアレイを使用して、均質化されることができる。複数のそのようなダイオード励起ソリッドステートレーザからのコリメートされたレーザビームは、レンズアレイを使用して、組み合わせられ、均質化されることができる。

スラブレーザは、ダイオード励起ソリッドステートレーザ、ガス放電ＣＯ_２レーザ、エキシマレーザを含む。スラブレーザは、本質的に、線ビームを生み出す。しかしながら、線ビームは、断面が均一ではない場合があり、断面強度分布は、不安定であり得る。レンズアレイは、スラブレーザからの線ビームを均質化し、複数のスラブレーザからの線ビームを組み合わせるために使用される。

レーザ照明によってワークピースの一部を加熱することを伴うプロセスでは、完璧に均一な断面強度分布は、照明された部分から離れる熱伝達に起因して、均一レーザ処理を生み出さない場合がある。強度分布の縁においてより高い強度を有するレーザビームによる照明が、均一加熱を確実にするために好ましいであろう。ワークピース上の多くの領域を照明するために線ビームの複数の通過を要求する他のプロセスでは、若干重複した隣接する通過は、完全な暴露を確実にするが、１回照明された部分と２回照明された部分との処理に差異を生じさせ得る。強度分布の縁により低い強度を有するレーザビームによる照明は、過度の暴露を防止するために好ましいであろう。

より明るい縁またはより暗い縁を伴うそうでなければ均一な断面強度分布を有するレーザビームを形成するためのビーム成形装置に対するニーズが存在している。好ましくは、光学装置は、レンズアレイホモジナイザの正確さ、簡略性、およびコンパクト性を有し得る。

一側面では、本発明による、ビームホモジナイザは、複数の同じレンズ要素を有する第１のレンズアレイを備える。第１のレンズアレイの各レンズ要素は、焦点距離Ｆ_１を有する。第１のレンズアレイのうちの近隣レンズ要素は、間隙によって分離され、各間隙は、共通の幅を有する。第２のレンズアレイが提供される。第２のレンズアレイの各レンズ要素は、焦点距離Ｆ_２を有する。第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとは、Ｆ_２に等しくない距離だけ分離される。正のレンズが、提供され、光軸上に位置する。正のレンズは、焦点距離Ｆ_３を有する。順に、第１のレンズアレイ、第２のレンズアレイ、および正のレンズが光軸に沿って配列される。

別の側面では、本発明によるビームホモジナイザは、複数の同じレンズ要素を有する第１のレンズアレイを備える。第１のレンズアレイの各レンズ要素は、平坦中心部分と、湾曲外側部分とを有する。中心部分は、屈折力を有しておらず、外側部分は、焦点距離Ｆ_１を有する。第２のレンズアレイが提供される。第２のレンズアレイの各レンズ要素は、焦点距離Ｆ_２を有する。第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとは、Ｆ_２に等しくない距離だけ分離される。正のレンズが提供され、これは、光軸上に位置し、焦点距離Ｆ_３を有する。順に、第１のレンズアレイ、第２のレンズアレイ、および正のレンズが光軸に沿って配列される。

さらに別の側面では、レーザ放射は、順に、第１のレンズアレイのレンズ要素および間隙を通り、第２のレンズアレイを通り、正のレンズを通って照明平面上に伝搬する。照明平面は、正のレンズから距離Ｆ_３に位置する。第１のレンズアレイのレンズ要素を通って伝搬するレーザ放射は、第１のレンズアレイの間隙を通って伝搬するレーザ放射と異なる拡大率を照明平面に有する。

さらに別の側面では、レーザ放射は、順に、第１のレンズアレイを通り、第２のレンズアレイを通り、正のレンズを通って照明平面上に伝搬する。照明平面は、正のレンズから距離Ｆ_３に位置する。照明平面上のレーザ放射は、そうでなければ均一な強度分布においてより明るいまたはより暗い縁を有する均質化された強度分布に変換される。

明細書内に組み込まれ、その一部構成する付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を図式的に例証し、上記に与えられる概略的説明および下記に与えられる好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を解説する役割を果たす。

図１Ａは、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、正のレンズとを有する先行技術のビームホモジナイザを図式的に例証する平面図である。光軸と平行に伝搬するコリメートされたレーザ放射が、第１のレンズアレイ上に入射し、ビームホモジナイザを通って伝搬する。

図１Ｂおよび図１Ｃは、図１Ａのビームホモジナイザを通した結像を図式的に例証する平面図である。第１のレンズアレイ内の各レンズ要素の反転された拡大像が、照明平面に形成され、重ねられる。 図１Ｂおよび図１Ｃは、図１Ａのビームホモジナイザを通した結像を図式的に例証する平面図である。第１のレンズアレイ内の各レンズ要素の反転された拡大像が、照明平面に形成され、重ねられる。

図２Ａ－図２Ｃは、本発明によるビームホモジナイザの１つの好ましい実施形態を図式的に例証する平面図である。本発明のビームホモジナイザは、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、正のレンズとを備える。第１のレンズアレイの各レンズ要素は、屈折力を有していない間隙によって分離される。第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの間の距離は、第２のレンズアレイの各レンズ要素の焦点距離を若干上回る。 図２Ａ－図２Ｃは、本発明によるビームホモジナイザの１つの好ましい実施形態を図式的に例証する平面図である。本発明のビームホモジナイザは、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、正のレンズとを備える。第１のレンズアレイの各レンズ要素は、屈折力を有していない間隙によって分離される。第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの間の距離は、第２のレンズアレイの各レンズ要素の焦点距離を若干上回る。 図２Ａ－図２Ｃは、本発明によるビームホモジナイザの１つの好ましい実施形態を図式的に例証する平面図である。本発明のビームホモジナイザは、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、正のレンズとを備える。第１のレンズアレイの各レンズ要素は、屈折力を有していない間隙によって分離される。第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの間の距離は、第２のレンズアレイの各レンズ要素の焦点距離を若干上回る。

図３Ａおよび図３Ｂは、図２Ａ－図２Ｃの実施形態と同様であるが、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの間の距離が、第２のレンズアレイの各レンズ要素の焦点距離に若干下回る、本発明によるビームホモジナイザの別の好ましい実施形態を図式的に例証する平面図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、図２Ａ－図２Ｃの実施形態と同様であるが、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの間の距離が、第２のレンズアレイの各レンズ要素の焦点距離に若干下回る、本発明によるビームホモジナイザの別の好ましい実施形態を図式的に例証する平面図である。

図４Ａは、図２Ａ－図２Ｃのビームホモジナイザを通って伝搬するレーザ放射のビームに関する照明平面内の強度分布を図式的に例証する。

図４Ｂは、図３Ａおよび図３Ｂのビームホモジナイザを通って伝搬するレーザ放射のビームに関する照明平面内の強度分布を図式的に例証する。

図５Ａおよび図５Ｂは、図２Ａ－図２Ｃのビームホモジナイザを通って伝搬するレーザ放射のビームに関する回折の効果を図式的に例証する平面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、図２Ａ－図２Ｃのビームホモジナイザを通って伝搬するレーザ放射のビームに関する回折の効果を図式的に例証する平面図である。

図６Ａは、図３Ａおよび図３Ｂのビームホモジナイザの例を通って伝搬するレーザ放射のビームに関する照明平面内の強度分布のカメラ像を図式的に例証する。

図６Ｂは、図６Ａにおける線Ａ－Ａに沿った強度分布を図式的に例証するグラフである。

ここで、同様の構成要素が同様の番号によって指定される図面を参照すると、図１Ａは、第１の線形レンズアレイ１２と、第２の線形レンズアレイ１４と、正のレンズ１６と、光軸１８とを有する従来技術のビームホモジナイザ１０を図式的に例証する。レンズアレイ１２の各々の同じレンズ要素２０は、焦点距離Ｆ_１を有し、レンズアレイ１４の各々の同じレンズ要素２２は、焦点距離Ｆ_２を有し、レンズ１６は、Ｆ_３の焦点距離を有する。各レンズ要素２０および２２は、共通の幅ｄを有する。レンズアレイ１２およびレンズアレイ１４は、距離Ｆ_２だけ分離される。図面は、ビームホモジナイザ１０を通って伝搬するレーザ放射の光線２４を描写する。この例では、レンズアレイ１２上に入射するレーザ放射は、コリメートされ、光軸１８と平行に伝搬している。

図１Ｂおよび図１Ｃは、ビームホモジナイザ１０を通した結像を図式的に例証する。各レンズ要素２０上に入射するレーザ放射の反転された拡大像２６が、照明平面２８内に形成され、これは、レンズ１６から距離Ｆ_３に位置する。全ての照明されたレンズ要素２０の反転された拡大像２６は、照明平面２８内に重ねられ、幅Ｄを有する。図１Ｂは、各レンズ要素２０の中心から生じる光線の結像を描写する。図１Ｃは、各レンズ要素２０の中心から距離Ｘ_１だけ変位させられた場所から生じる、光線の結像を描写する。これらの光線は、光軸１８から距離Ｘ_２だけ変位させられた照明平面２８内の場所に投影される。結像拡大率は、比率

である。

レンズアレイ１２は、直接的には均質化に影響を及ぼさず、焦点距離Ｆ_１は、拡大率を決定しない。レンズアレイ１２の目的は、ビームホモジナイザ１０上に入射する光線２４に関する受光角を増加させることである。入射光線２４は、光軸１８と平行に描写されるが、それらは、依然として、重複された像を照明平面２８に投影させながら、光軸に対して最大角度まで入射することができる。最大受光角では、各レンズ要素２０によって集束させられた周辺光線が、対応するレンズ要素２２の縁上に入射し得る。この最大受光角と照明される各レンズ要素２２の面積との間に妥協が存在する。Ｆ_２に対してＦ_１を低減させることは、この面積を増加させ、それによって、光学的損傷に対するレンズ要素２２の脆弱性を低減させる一方で、最大受光角も低減させる。

図２Ａ－図２Ｃは、本発明によるビームホモジナイザ３０の１つの好ましい実施形態を図式的に例証する。ビームホモジナイザ３０は、第１のレンズアレイ３２の近隣レンズ要素２０が同じ間隙３４だけ分離されていることと、第１のレンズアレイ３２と第２のレンズアレイ１４との間の分離が距離Ｆ_２＋δであることとを除き、ビームホモジナイザ１０と同様である。各レンズ要素２０は、共通の幅ｄ_１を有し、各間隙３４は、共通の幅ｄ_２を有し、各レンズ要素２２は、共通の幅ｄ＝ｄ_１＋ｄ_２を有する。距離δは、焦点距離Ｆ_２と比較して小さい。例えば、δは、好ましくは、Ｆ_２の２０％未満である。δは、より好ましくは、Ｆ_２の１０％未満であり、最も好ましくは、Ｆ_２の５％未満である。

間隙３４は、中身のない間隙または「空気間隙」として描写される。間隙３４はまた、透明なガラスまたはポリマーから作製され得る。間隙３４は、最も好ましくは、レンズ要素２０と同一の材料から作製され、平面平行表面を有し、したがって、屈折力を有していない。概して、各間隙が近隣レンズ要素を固定的に接続した状態で、レンズアレイ３２を単一の材料片から研削または成型することが、実践的であり得る。図２Ａは、レンズ要素２０を通って伝搬するレーザ放射の光線２４を描写する。図２Ｂは、間隙３４を通って伝搬するレーザ放射の光線３６を描写する。図２Ｃは、照明平面２８の周囲およびレンズアレイ３２の周囲の、光線２４（実線）および光線３６（破線）の両方の拡大図を有する。

本発明のビームホモジナイザ３０を通した結像を説明するために、光学技術分野において公知のように、光線行列解析またはＡＢＣＤ行列解析を検討することが有用である。最初に、図１Ｃを参照すると、レンズ１６による集束、およびレンズ１６と照明平面２８との間の伝搬に関する光線行列は、以下となる。

したがって、照明平面２８内の光軸１８からの光線の変位Ｘ_２は、レンズ１６上のその入射角θのみに依存する。

図２Ａおよび図２Ｂに戻ると、各レンズ要素２０による集束、レンズアレイ３２とレンズアレイ１４との間の伝搬、および対応するレンズ要素２２による集束に関する光線行列は、以下となる。

したがって、レンズアレイ３２上に入射するコリメートされたレーザ放射の描写される例では、レンズ１６上の光線の入射角θは、レンズ要素２０の中心からの光線の変位Ｘ_１、および距離δに依存する。

照明平面２８内の光軸１８からの光線の変位Ｘ_２は、したがって、以下となる。

ビームホモジナイザ１０の「理想的結像」に対応するδ＝０であるとき、方程式５は、単に、以下となる。

この理想的結像条件下では、ビームホモジナイザの全体的拡大率は、焦点距離Ｆ_１に依存しないことに留意されたい。しかしながら、δ≠０であるとき、拡大率は、方程式５における項

に起因して変化する。δ＞０を有する本発明のビームホモジナイザ３０に関して、拡大率は、焦点距離Ｆ_１を有するレンズ要素２０上に入射する光線２４と、実質的に無限である焦点距離を有する間隙３４上に入射する光線３６とに関して異なる。間隙上に入射する光線に関して、項

は、ゼロであり、絶対拡大率は、

となり、これは、理想的結像に関するものと同一の絶対拡大率である。レンズ要素上に入射する光線に関して、絶対拡大率は、

であり、これは、より小さい。空気間隙または光学的に不活性な間隙のみを有することは、不十分であることに留意されたい。間隙上に入射する光線およびレンズ要素上に入射する光線が異なる拡大率を有するために、条件δ≠０が必要である。

図２Ａを参照すると、全ての照明されたレンズ要素２０の反転された像２６が、照明平面２８内に重ねらる。像２６は、

だけ拡大され、したがって、幅

を有する。ここで図２Ｂを参照すると、全ての照明された間隙３４の反転された像４０ａおよび像４０ｂもまた、照明平面２８内に重ねられる。２つの間隙像は、それぞれの光線が入射するレンズアレイ１４のレンズ要素２２に従って分割される。間隙像４０ａおよび間隙像４０ｂは両方とも、

だけ拡大される。したがって、各間隙像は、幅

を有する。ここで図２Ｃを参照すると、像２６のより小さい絶対拡大率は、像２６と間隙像４０ａおよび間隙像４０ｂとの間に暗い間隙を生み出す。

上記に説明される理想的結像の観点からビームホモジナイザ３０を検討することは、洞察に値する。ビームホモジナイザ３０内では、レンズアレイ１４から距離Ｆ_２に位置する像面３８は、レンズアレイ１４およびレンズ１６によって照明平面２８上に正確に結像される。像面３８は、レンズ要素２０によって集束される収束光線２４と、間隙３４を通って伝搬する平行光線３６とによって照明される。像面３８の照明は、より広い帯域およびより狭い帯域の繰り返されるパターンであり、これは、図２Ｃに描写される。像面３８の照明は、

の拡大率で、レンズアレイ１４およびレンズ１６によって、照明平面２８上に投影ならびに重ねられる。

一方が光線行列を使用し、他方が理想的結像の観点からである、ビームホモジナイザ３０の提示される２つの説明は、同等である。ホモジナイザは、照明平面内に、そうでなければ均一な強度分布の縁に向かって低減された強度を有する均一または「平坦頂」強度分布を生み出す。強度分布内の暗い間隙の相対的な場所および幅は、焦点距離Ｆ_１、間隙幅ｄ_２、および距離δを選択することによって制御される。

図３Ａおよび図３Ｂは、本発明によるビームホモジナイザ５０の別の好ましい実施形態を図式的に例証する。ビームホモジナイザ５０は、レンズアレイ３２とレンズアレイ１４との間の分離がより小さい距離Ｆ_２－δであることを除き、ビームホモジナイザ３０と同様である。ビームホモジナイザ５０に関する光線行列解析は、ビームホモジナイザ３０に関するものと同一である。像２６は、

だけ拡大され、幅

、一方で幅

を有する。したがって、レンズ要素２０上に入射する光線２４に関して、絶対拡大率は、間隙３４上に入射する光線３６に関するものより大きい。このより大きい拡大率は、像２６と間隙像４０ａおよび４０ｂとの間に重なりを生み出す。重なりは、そうでなければ均一な強度分布の縁に向かって２つの明るいピークを生み出す。照明平面２８上の結像は、例証の便宜上、レンズ要素２０を通って伝搬する光線と、それぞれの左および右オフセットによって区別された間隙３４を通って伝播する光線とともに、図３Ｂに描写される。

理想的結像の観点から、像面３８は、レンズアレイ３２に先立って、レンズ要素２０上に入射する光線２４および間隙３４上に入射する光線３６の経路内に位置する。再び、例証の便宜上、光線２４および光線３６による像面３８の照明は、それぞれの左および右オフセットによって区別される。像面３８は、均一に照明されるが、光線３６によって照明された平面の部分（右オフセット）は、レンズ要素２０および間隙３４の両方を通して結像される。例えば、レンズ要素２０上に描写される破線光線５２は、光線３６によって照明される像面の部分から生じる。レンズ要素および間隙の両方を通して結像される部分は、照明平面２８上に投影されるとき、より明るく現れる。ビームホモジナイザ５０は、それによって、照明平面内に、縁に向かって増加させられた強度を有する均一強度分布を生みだす。

図４Ａは、ビームホモジナイザ３０によって生み出された強度分布の縁に向かって暗い間隙を有する照明平面２８内の名目上均一な強度分布を図式的に例証する。全体的強度分布は、太線で描写され、レンズ要素２０および間隙３４を通って伝搬する光線によって生み出されるより低い強度分布は、より細い線で描写される。同様に、図４Ｂは、ビームホモジナイザ５０によって生み出される強度分布の縁に向かって明るいピークを有する照明平面２８内の名目上均一な強度分布を図式的に例証する。強度分布の全体的幅Ｄは、間隙幅ｄ_２および距離δとは独立していることに留意されたい。Ｄ＞Ｄ_１＋２Ｄ_２であるので、暗い間隙が図４Ａの強度分布に現れる。Ｄ＜Ｄ_１＋２Ｄ_２であるので、明るいピークが図４Ｂの強度分布に現れる。

光軸１８と平行に縦方向に平行移動されるように構成および配列されるレンズアレイ３２を有するビームホモジナイザは、より暗い縁（図４Ａの場合）もしくはより明るい縁（図４Ｂの場合）または完全に均一な強度を有する、強度分布の連続体を生み出すように調節され得る。これらの強度分布は、一定である全体的幅Ｄと、同様に一定である縁における距離Ｄ_２の大部分にわたる強度とを有し得る。光学系の精密な線形平行移動のための機械的デバイスは、市販されており、そのようなデバイスの詳細な説明は、本発明の原理を理解するために必要であるわけではない。より暗い縁を伴う強度分布は、暗い間隙間の距離Ｄ_１にわたって若干高い強度を有し得る。より明るい縁を伴う強度分布は、明るいピーク間の距離Ｄ_１にわたって若干低い強度を有し得る。レンズアレイ３２がレンズ要素２０の幅ｄ_１と比較して小さい幅ｄ_２を伴う間隙３４を有するとき、これらの強度差は、比較的小さい。例として、比率

は、０．１２未満であり、または比率

は、０．０６未満である。

図５Ａおよび図５Ｂは、図２Ａ－図２Ｃのビームホモジナイザ３０に関する回折のいくつかの効果を図式的に例証する。回折は、レンズアレイ３２の各レンズ要素２０の縁において生じ得る（これは描写される例である）。間隙３４を通って、かつ近隣レンズ要素２０の近くで伝搬する光線は、角度を付けて分散された状態になる。レンズ要素２０の非常に近くを通る光線は、周角φにわたって分散された状態になる。回折によって引き起こされる縁の強度分布は、均一ではなく、むしろ、回折される強度は、増加する角度で減少することに留意されたい。周角φは、この回折の効果を解説するために、ここでは区別される。また、回折された光線は、回折レンズ要素２０に対応するレンズ要素２２、または対応するレンズ要素の近隣にある別のレンズ要素２２のいずれかである、２つのレンズ要素２２のうちの１つに向かって指向され得ることに留意されたい。これらのレンズ要素２２は両方とも、周角φ内に位置する。

図５Ａは、レンズアレイ１４の対応するレンズ要素２２を通って伝搬する回折された光線のみを描写する。これらの光線は、回折がない場合と照明平面２８内の場所の同一範囲上に投影される。図５Ｂは、近隣レンズ要素２２を通って伝搬する回折された光線のみを描写する。これらの光線は、回折がない場合に名目上均一な強度分布の外側にある照明平面２８内の場所の範囲に投影される。全体として、回折は、名目上均一な強度分布の各縁の内側の距離Ｄ_２にわたって照明を若干低減させ、強度分布の各縁の外側の距離Ｄ_２を弱く照明する。したがって、縁コントラストは、回折によって減少される。

図６Ａは、実験ビームホモジナイザ５０を使用して取得された強度分布のカメラ像を図式的に例証する。像は、水平寸法に対して垂直寸法に拡張されている。ビームホモジナイザは、エキシマレーザからのコリメートされたビームで部分的に照明された。レンズアレイ３２は、２５個のレンズ要素２０を有し、これらのレンズ要素の大部分が照明された。レンズアレイ３２は、比率

を有し、幅ｄ＝ｄ_１＋ｄ_２は、数ミリメートルであった。図６Ｂは、図６Ａ上に重ねられた線Ａ－Ａに沿って測定された強度分布を図式的に例証するグラフである。図６Ａおよび図６Ｂは、同一の水平縮尺で示される。測定された強度分布は、各縁における明るいピークと、明るいピーク間の比較的均一な強度とを有する。レンズアレイ３２を縦方向に平行移動させ、距離δを変化させることによって、本発明者らは、δが約０ｍｍであったときの完全に均一強度分布から、δが約９ｍｍであったときの明るい縁を有するように描写される強度分布への持続的進化を実証した。

屈折力を有していない第１のレンズアレイ内の間隙が、本明細書で例証および説明されたが、暗い間隙または明るいピークを伴う強度分布を生み出すための要件は、実質的に第１のレンズアレイ３２内のレンズ要素２０の屈折力未満の屈折力を有する第１のレンズアレイ内の「間隙」３４である。例えば、間隙３４は、より弱いレンズ要素によって占有され得、より弱いレンズ要素は、レンズ要素２０の焦点距離Ｆ_１より少なくとも５倍長い焦点距離を有する。より弱いレンズ要素の焦点距離を増加させることは、強度分布の暗い間隙または明るいピークと均一部分との間のコントラストを増加させる。

屈折力を有していない第１のレンズアレイ内の間隙３４は、平面平行面を有するスラブの形態を有し得る。そのようなスラブは、それを通って伝搬する光線の角度を修正しないこともある。代替として、間隙３４は、楔の形態を有し得、これは、平面を有するが、平行面ではない。楔角度は、光軸に向かってか、または光軸から離れるようにかのいずれかにおいて、暗い間隙または明るいピークをそうでなければ均一な強度分布内に位置させるように選択され得る別の変数であり得る。

図４Ａおよび図４Ｂに描写される強度分布を生み出すためのビームホモジナイザ装置のさらに別の好ましい実施形態は、図３Ａおよび図２Ａのビームホモジナイザと同様であるが、異なる本発明のレンズアレイによって置換される第１のレンズアレイ３２を有し得る。この異なる本発明のレンズアレイは、各レンズ要素の中心部分を平坦に機械加工することによって、先行技術レンズアレイ１２から加工され得る。結果として生じるレンズアレイは、複数の同じレンズ要素を有し、各レンズ要素は、平坦中心部分と、湾曲外側部分とを有し得る。中心部分は、屈折力を有していないこともあり、外側部分は、焦点距離Ｆ_１を有し得る。平坦部分を通過する光線は、湾曲部分を通して通過する光線と異なる拡大率を伴って照明平面上に結像され得る。このビームホモジナイザの実施形態の利点は、第１のレンズアレイが、単に、市販されている先行技術のレンズアレイを研削および研磨することによって加工され得ることである。例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ（Ｎｅｗｔｏｎ， ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ）である。本実施形態の不利な点は、ビームホモジナイザ上に入射する光線に関してより小さい受光角を有することである。

本明細書で上記に提示される光線行列解析は、薄いレンズを仮定し、近軸近似を使用する。これらの仮定を使用した解析は、本発明の原理および動作を説明するために十分である。当業者は、精密な計算が光学要素の形状を適切に考慮する必要があることを認識し、かつこれらの付加的パラメータを含むべきときを認識するであろう。

要するに、レーザ放射のビームは、本発明のビームホモジナイザを使用して、そうでなければ均一な強度分布内により明るいまたはより暗い縁を有する均質化された強度分布に変換されることができる。ビームホモジナイザは、共通の幅を有する間隙によって分離された複数の同じレンズ要素を有する第１のレンズアレイを含む。第２のレンズアレイは、焦点距離Ｆ_２を有する複数の同じレンズ要素を有する。第１および第２のレンズアレイは、Ｆ_２に近いが等しくはない距離だけ分離される。Ｆ_２未満の分離距離は、明るいピークを生み出し、Ｆ_２を上回る分離距離は、暗い間隙を生み出し、これは、強度分布の縁に向かって位置する。

本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態の観点から上記に説明される。しかしながら、本発明は、本明細書に説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付の請求項によってのみ限定される。

Claims (21)

1. ビームホモジナイザであって、
   第１のレンズアレイであって、前記第１のレンズアレイは、複数の同じレンズ要素を有し、前記第１のレンズアレイの各レンズ要素は、焦点距離Ｆ_１を有し、前記第１のレンズアレイのうちの近隣レンズ要素は、間隙によって分離され、各間隙は、共通の幅を有する、第１のレンズアレイと、
   第２のレンズアレイであって、前記第２のレンズアレイの各レンズ要素は、焦点距離Ｆ_２を有し、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとは、Ｆ_２に等しくない距離だけ分離される、第２のレンズアレイと、
   焦点距離Ｆ_３を有する光軸上に位置する正のレンズであって、順に、前記第１のレンズアレイ、前記第２のレンズアレイ、および前記正のレンズが前記光軸に沿って配列される、正のレンズと
   を備える、ビームホモジナイザ。
2. 前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとは、Ｆ_２を上回る距離だけ分離される請求項１に記載のビームホモジナイザ。
3. 前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとは、Ｆ_２未満である距離だけ分離される、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
4. 前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとは、距離Ｆ_２±δにだけ分離され、δは、Ｆ_２の１０％未満である、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
5. δは、Ｆ_２の５％未満である、請求項４に記載のビームホモジナイザ。
6. 前記第１のレンズアレイのうちの近隣レンズ要素間の前記間隙は、中身のない間隙か、または空気間隙である、請求項１～５のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ。
7. 前記第１のレンズアレイの近隣レンズ要素間の前記間隙は、前記第１のレンズアレイの前記レンズ要素と同一の材料から作製される、請求項１～５のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ。
8. 前記第１のアレイの前記間隙および前記レンズ要素が作製される前記材料は、透明なガラスまたはポリマーである、請求項７に記載のビームホモジナイザ。
9. 前記第１のレンズアレイの近隣レンズ要素間の前記間隙は、前記近隣レンズ要素を固定的に接続する、請求項１～８のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ。
10. 前記第１のレンズアレイの近隣レンズ要素間の前記間隙は、屈折力を有していない、請求項１～９のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ。
11. 前記第１のレンズアレイの近隣レンズ要素間の前記間隙は、平面平行面を有するスラブの形態である、請求項１０に記載のビームホモジナイザ。
12. 前記第１のレンズアレイの近隣レンズ要素間の前記間隙は、平行面ではない平面を有する楔の形態である、請求項１０に記載のビームホモジナイザ。
13. 前記第１のレンズアレイの近隣レンズ要素間の前記間隙は、Ｆ_１より少なくとも５倍長い焦点距離を有する光学要素によって占有される、請求項１～５のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ。
14. 前記第２のレンズアレイから距離Ｆ_２における像面内に位置するより広い帯域およびより狭い帯域の繰り返されるパターンを有する像が、前記正のレンズから距離Ｆ_３に位置する照明平面上で結像される、請求項１～１３のいずれかに１項記載のビームホモジナイザ。
15. 前記第１のレンズアレイは、前記光軸と平行に縦方向に平行移動されるように構成および配列される、請求項１～１４のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ。
16. ビームホモジナイザであって、
    第１のレンズアレイであって、前記第１のレンズアレイは、複数の同じレンズ要素を有し、前記第１のレンズアレイの各レンズ要素は、平坦中心部分と、湾曲外側部分とを有し、前記中心部分は、屈折力を有しておらず、前記外側部分は、焦点距離Ｆ_１を有する、第１のレンズアレイと、
    第２のレンズアレイであって、前記第２のレンズアレイの各レンズ要素は、焦点距離Ｆ_２を有し、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとは、Ｆ_２に等しくない距離だけ分離される、第２のレンズアレイと、
    焦点距離Ｆ_３を有する光軸上に位置する正のレンズであって、順に、前記第１のレンズアレイ、前記第２のレンズアレイ、および前記正のレンズが前記光軸に沿って配列される、正のレンズと
    を備える、ビームホモジナイザ。
17. 前記第１のレンズアレイは、前記光軸と平行に縦方向に平行移動されるように構成および配列される、請求項１６に記載のビームホモジナイザ。
18. レーザ放射のためのビームホモジナイザであって、
    第１のレンズアレイであって、前記第１のレンズアレイは、複数の同じレンズ要素を有し、前記第１のレンズアレイの近隣レンズ要素は、間隙によって分離され、各間隙は、共通の幅を有する、第１のレンズアレイと、
    第２のレンズアレイであって、前記第２のレンズアレイの各レンズ要素は、焦点距離Ｆ_２を有し、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとは、Ｆ_２に等しくない距離だけ分離される、第２のレンズアレイと、
    焦点距離Ｆ_３を有する、正のレンズであって、前記レーザ放射は、順に、前記第１のレンズアレイのレンズ要素および間隙を通り、前記第２のレンズアレイを通り、前記正のレンズを通って、照明平面上に伝搬し、前記照明平面は、前記正のレンズから距離Ｆ_３に位置する、正のレンズと
    を備え、前記第１のレンズアレイの前記レンズ要素を通って伝搬するレーザ放射は、前記第１のレンズアレイの前記間隙を通って伝搬するレーザ放射と異なる拡大率を前記照明平面に有する、ビームホモジナイザ。
19. 前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとは、Ｆ_２を上回る距離だけ分離され、前記レーザ放射は、前記第１のレンズアレイのレンズ要素を通って伝搬し、それによって、前記第１のレンズアレイの前記間隙を通って伝搬するレーザ放射より小さい拡大率を有する、請求項１８に記載のビームホモジナイザ。
20. 前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとは、Ｆ_２未満である距離だけ分離され、前記レーザ放射は、前記第１のレンズアレイのレンズ要素を通って伝搬し、それによって、前記第１のレンズアレイの前記間隙を通って伝搬するレーザ放射より大きい拡大率を有する、請求項１８に記載のビームホモジナイザ。
21. レーザ放射のためのビームホモジナイザであって、
    第１のレンズアレイであって、前記第１のレンズアレイは、複数の同じレンズ要素を有し、前記第１のレンズアレイのうちの近隣レンズ要素は、間隙によって分離され、各間隙は、共通の幅を有する、第１のレンズアレイと、
    第２のレンズアレイであって、前記第２のレンズアレイの各レンズ要素は、焦点距離Ｆ_２を有し、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとは、Ｆ_２に等しくない距離だけ分離される、第２のレンズアレイと、
    焦点距離Ｆ_３を有する正のレンズであって、前記レーザ放射は、順に、前記第１のレンズアレイを通り、前記第２のレンズアレイを通り、前記正のレンズを通って、照明平面上に伝搬し、前記照明平面は、前記正のレンズから距離Ｆ_３に位置し、前記照明平面上のレーザ放射は、そうでなければ均一な強度分布においてより明るいまたはより暗い縁を有する均質化された強度分布に変換される、正のレンズと
    を備える、ビームホモジナイザ。

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