JP2007528509A - 光を均一化するための装置および照射のための配置またはそのような装置による集光 - Google Patents

Abstract

均一化されるべき光の入射面（７）および出射面（８）を有する少なくとも１つの均一化手段（５，６）と、少なくとも１つの均一化手段（５，６）の入射面（７）上または入射面（７）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイと、少なくとも１つの均一化手段（５，６）の出射面（８）上または出射面（８）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイとを含む、光を均一化するための装置であって、少なくとも１つの均一化手段（５，６）のシリンドリカルレンズ（９）の軸線が互いに平行に配置される光を均一化するための装置。さらにまた、本発明は、面の照射のための配置および線状の集光領域にレーザ光源の光を集光するための配置に関する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、請求項１の上位概念に従った光を均一化するための装置と、請求項９の上位概念に従った面の照射のための配置と、および請求項１３の上位概念に従った、線状の集光領域にレーザ光源の光を集光するための配置とに関する。

かかる装置は、アメリカ特許４，７３３，９４４から知られる。ここに記載の均一化のための装置は、２つの互いに離間して設けられた均一化手段を含み、各均一化手段は、均一化されるべき光が通過する２つの光学的に機能する境界面を有する。これら４つの均一化のために寄与する境界面のそれぞれの上に、シリンドリカルレンズアレイが配置されている。さらに、互いに離間された両均一化手段のそれぞれは、２つの、互いに交差したシリンドリカルレンズアレイを有する。たとえば、入射面上の均一化手段の内の１つの場合、入射面上には、シリンダ軸が縦方向の１つのシリンドリカルレンズアレイが形成され、出射面上には、シリンダ軸が水平方向の１つのシリンドリカルレンズアレイが形成される。

かかる均一化のための装置によって、たとえばエキシマレーザの出射光、または、レーザダイオードバーから出射されるレーザビームなどのレーザ光を、第１の方向およびそれに垂直な第２の方向に均一化することが可能である。たとえば、レーザダイオードバーの場合、このような均一化のための装置によって、いわゆる速軸およびいわゆる遅軸における均一化が行われる。さらに、前述の技術水準から知られる装置は、均一化のためのいわゆる２段式装置として形成されるが、それは均一化されるべき光線が、均一化手段のそれぞれにおいて均一化を受けるからである。装置を２段式にすることによって、本質的に単段のものよりもよりよい均一化が達成される。

技術水準から知られるこのような均一化のための２段式装置の短所として、両均一化手段の調整の実施が著しく困難であることがある。これらの均一化手段は互いに非常に正確に位置決めすることが必要であり、各均一化手段は、総計６つの軸について正確に調整しなければならない。さらにまた、たとえば、遅軸および速軸などの、２つの互いに依存しない均一化可能な方向のそれぞれについて、シリンドリカルレンズ間の距離は最適にされるので、アレイのシリンドリカルレンズの焦点距離は、任意に選択可能ではない。特に、互いに依存しない２つの方向において作用する２段式の均一化は、シリンドリカルレンズの焦点距離上で非常に敏感に反応する。これら２つの方向は、通常互いに依存しなくはないからである。

本発明の根底にある課題は、容易に調整が可能である冒頭で述べたタイプの装置を提供することである。さらにまた、面の照射のための配置、およびレーザ光源の光を線状の集光領域に集光するための配置が挙げられる。
これは、本発明に従えば、装置については、請求項１の特徴を備えた冒頭で述べたタイプの装置によって、面の照射のための配置については、請求項９の特徴を備えた、冒頭で述べたタイプの配置によって、およびレーザ光源の光を線状の集光領域に集光するための配置については、請求項１３の特徴を冒頭でのべたタイプの配置によって達成される。下位の請求項は、本発明の好ましいさらなる実施形態に関する。

請求項１に従えば、少なくとも１つの均一化手段のシリンドリカルレンズの軸線は互いに平行に配置される。少なくとも１つの、たとえば、基体として実施される均一化手段は、２段式のホモゲナイザの機能を実現する。たとえば、レーザダイオードバーから出射されるレーザ光の均一化は、１つの軸上、ないしは１つの方向の均一化手段、たとえば遅軸上だけ、または速軸上だけにある均一化手段が動作する。

請求項２に従えば、この装置は、第１の均一化手段および第２の均一化手段を有し、それぞれが均一化されるべき光の入射面と出射面とを１つ有することができる。請求項３に従えば、第１の均一化手段は、入射面上に、または入射面近傍に１つのシリンドリカルレンズアレイと、出射面上または出射面近傍に１つのシリンドリカルレンズアレイとを有し、それらの軸線は互いに平行に配置されるように実施することができる。

請求項４に従えば、第２均一化手段は、入射面上または入射面近傍にシリンドリカルレンズアレイを有し、出射面上または出射面近傍にシリンドリカルレンズアレイを有するように実施することができる。また、請求項５に従えば、第２の均一化手段は、入射面上または入射面近傍にシリンドリカルレンズアレイと出射面上または出射面近傍にシリンドリカルレンズアレイを有し、それらの軸線は互いに平行に配置されるように実施してもよい。

特に、請求項６に従えば、第１の均一化手段のシリンドリカルレンズの軸線は、第２の均一化手段のシリンドリカルレンズの軸線に垂直に配置されるように実施することができる。このようにすることで、レーザ光の両方向または軸が、２つの特に互いに離間された均一化手段に分離されて均一化される。両軸上に作用されるべきシリンドリカルレンズの調整は、均一化手段を常に製造誤差内で再生可能に製造することによって達成されるので、両均一化手段をもはや互いに調整することは必要ではない。この方法においては、光線の特徴は前述の製造誤差の枠内においては常に同一である。さらにまた、たとえば半導体レーザバーの場合の速軸および遅軸などの両軸の、他の光軸の焦点距離による影響はない。さらにまた、 両軸に関してレーザ光の均一化をする場合、軸のそれぞれについてのシリンドリカルレンズの焦点距離を他の軸とは関係なく選択することが可能である。

さらにまた、請求項７に従えば、出射面上または出射面近傍に配置されたシリンドリカルレンズの焦点距離を、入射面または入射面近傍に配置することが可能である。このような方法によって、均一化されるべき光の均一化が最適化される。

請求項８に従えば、シリンドリカルレンズは、凹および／または凸レンズとして、または勾配屈折率レンズ（ＧＲＩＮレンズ）として形成するように構成することが可能である。

請求項９に従えば、かかる配置に用いられる装置は、本発明に従った均一化のための装置であるように構成される。

請求項１３に従えば、かかる配置において集光のために用いられる装置は、本発明に従った均一化のための装置であるように構成される。

請求項１４に従えば、均一化のための装置は、遅軸方向に関してのみレーザ光を均一化するように形成されるように構成される。

前述の本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図を参照した、好ましい実施の形態についての以下の説明から明らかになるであろう。
これらの図のいくつかにおいては、わかり易くするために、デカルト座標系が描かれている。

図１ａおよび図１ｂに示されるように、本発明に従った配置は、半導体レーザバー１を有し、半導体レーザバー１はＸ方向において互いに隣接し、かつ互いに間隔をあけて設けられるいくつかの数の発光体を含む。半導体レーザバー１は、図１ａ、図１ｂ、図２ａ、図２ｂにおいては、矩形でただ単に概略的に描かれている。半導体レーザバーの場合、ダイバージェンスは、いわゆる速軸、すなわちＹ方向、または、発光体が互いに隣接して配置される方向に垂直な方向において、遅軸、すなわちＸ方向におけるよりも明らかに大きい。

図１ａおよび図１ｂから明らかなように、半導体レーザバー１の各発光体から出射されるレーザ光の拡散方向Ｚにおいて、半導体レーザバー１の次に速軸コリメータレンズ２が設けられる。速軸コリメータレンズ２は、たとえば平凸シリンドリカルレンズとして形成され、それらのレンズの軸線は、Ｘ方向に延びる。かかるシリンドリカルレンズによって、各発光体から出射されるレーザ光を、Ｙ方向すなわち速軸に関して、屈折が制限されてコリメートすることが可能である。これを達成するために、速軸コリメート手段２として働くシリンドリカルレンズは非球表面を有することが可能である。単に出射側で凸面の湾曲を有するシリンドリカルレンズの代わりに、入射側が湾曲した凸面のシリンドリカルレンズを用いることも可能である。代わりに、入射側だけでなく出射側も凸および／または凹面に湾曲させてもよい。

拡散方向Ｚにおいて、速軸コリメーション手段２の次に、光線変換手段３が設けられる。光線変換手段３において、入射する光は、９０°回転される、すなわち、速軸（Ｙ方向）のダイバージェンスが遅軸（Ｘ方向）のダイバージェンスと交換され、したがって、光線変換手段３から出射した後、Ｙ方向におけるダイバージェンスはＸ方向ダイバージェンスよりも大きくなる。

光線変換手段３においては、透明な材料からなる実質的に直方体のブロックとすることが可能であって、それらには、入射側のみならず出射側にも、光線変換要素として機能するいくつかのシリンドリカルレンズ部分が互いに平行に設けられる。光線変換要素の軸は、Ｘ方向に延びる、直方体状の光線変換手段３の底面側で４５°の角度αを含んでもよい。

レーザ光の拡散方向Ｚにおいては、光線変換手段３の次に、さらなるコリメーション手段４が設けられ、したがって、たとえば１０ｍｍ×１０ｍｍの光線を、約１１ｍｒａｄのＹ方向ダイバージェンスと約３ｍｒａｄのＸ方向ダイバージェンスで達成することが可能である。ダイバージェンスと光線の直径とは最大強度の半分（半値幅、ＦＷＨＭ）の場合の光線の全幅に関係する。コリメーション手段４は、Ｘ方向に延びるシリンドリカルレンズの軸線を有する平凸シリンドリカルレンズとして形成される。光線変換手段３におけるレーザ光の回転に基いて、コリメーション手段４は、速軸コリメーション手段２と同じ出射方向を有する。速軸コリメーション手段２と同様に、コリメーション手段４も別のものに形成してもよい。特に、凸面および／または凹面の湾曲した入射面も、出射面も設けることが可能である。

拡散方向Ｚにおいて、コリメーション手段４の次には、第１の均一化手段５が設けられ、続いて、第２の均一化手段６が設けられる。均一化手段５は、それらの入射面７上にシリンドリカルレンズアレイ９を有し、それらシリンドリカルレンズの軸線は、Ｘ方向に延びる（図３も参照）。さらにまた、第１の均一化手段５は、それらの出射面８上にシリンドリカルレンズアレイ９を有し、それらシリンドリカルレンズの軸線もＸ方向に延びる。第１の均一化手段のこれらの入射面７および出射面８上のシリンドリカルレンズアレイによって、第１の均一化手段５を通過するレーザ光は、非常に効果的にＹ方向に互いに重畳する。図１ｂから、第１の均一化手段５の後段の明らかな焦点範囲によって明らかである、このような効果的な重畳によって、Ｙ方向におけるレーザ光の均一化を達成することができる。

第１の均一化手段５の後段の２４ビームの拡散方向Ｚにおいて、この配置は、第２の均一化手段６を有する。これらの第２の均一化手段６は、入射面７上および出射面８上にそれぞれ、Ｙ方向に延びるシリンドリカルレンズ９を含むシリンドリカルレンズアレイを有する（図３も参照）。第２の均一化手段６の入射面および出射面７，８上のシリンドリカルレンズアレイによって、第２の均一化手段６を通過するレーザ光が、Ｘ方向に非常に有効に互いに重畳される。図１ａから、第２の均一化手段６の後段の焦点領域によって明らかである、この効果的重畳によって、Ｘ方向におけるレーザ光の均一化を達成することが可能である。

均一化のための装置は、第１および第２の均一化手段５，６を有する。したがって、本発明に従った装置において、レーザ光は２つの方向または軸に均一化され、第２の段階の作用がＸ方向上にのみあり、第１の段階はＹ方向上だけに作用する。

均一化手段５，６のシリンドリカルレンズ９は、凸（たとえば図３参照）および／または凹のシリンドリカルレンズとして形成することができる。代わりに、勾配屈折率レンズとしてシリンドリカルレンズを形成してもよい。この場合、シリンドリカルレンズは入射面または出射面上に配置されず、均一化手段５，６を形成する各基体の内部の入射面または出射面近傍に、基体の変化する屈折率によって形成される。

第２の均一化手段６から、レーザ光がさらに均一化されて出射され、装置から離れた面の照射のために用いることが可能である。

本発明に従った配置の図２ａおよび図２ｂに示された実施の形態は、複数の発光体を有する半導体レーザバー１を有する。

この配置は、さらにまた、速軸コリメーション手段２を有し、この速軸コリメーション手段２は、図１ａおよび図１ｂに従った速軸コリメーション手段２のように形成してもよい。半導体レーザと速軸コリメーション手段２との間の距離は、比較的大きく選択するように構成してもよく、したがって、速軸コリメーション手段２を通過した後Ｙ方向におけるレーザ光は比較的大きな広がりを有する。

速軸コリメーション手段２の後段のビームの方向において、本発明に従った配置は、遅軸コリメーション手段１０を有し、遅軸コリメーション手段１０は、図示された実施の形態において、遅軸コリメーション手段１０の入射側および出射側のシリンドリカルレンズアレイとして形成される。遅軸コリメーション手段１０のシリンドリカルレンズの軸線はＹ方向に延びる。特に、遅軸コリメーション手段は、入射側の各シリンドリカルレンズに、レーザ光の発光体の１つからから出射される部分光の１つが入射するように配置することができる。これらの各部分光は、対応のシリンドリカルレンズによって、遅軸または速軸に関してコリメートされる。

図２ａおよび図２ｂに示された遅軸コリメーション手段１０の実施の形態は、テレスコープ配置を示す。しかしながら、遅軸コリメーション手段１０は、一方側に、たとえば入射側に、または出射側に配置されるシリンドリカルレンズアレイとして実施してもよい。さらにまた、遅軸コリメーション手段１０のために、２より多くの光学的に機能する、特に湾曲したシリンドリカルレンズに似た面を用いてもよい。、
本発明に従った配置の図２ａおよび図２ｂに示した実施形態は、さらにまた、遅軸コリメーション手段１０の後段の拡散方向に、均一化手段６を有する。この均一化手段６は、それらの構成に関しては、図１ａおよび図１ｂに従った配置の第２の均一化手段６に厳密には対応している。入射面７および出射面８上のシリンドリカルレンズ９の軸線は、Ｙ方向に延び、したがって、シリンドリカルレンズ９によってレーザ光３遅軸方向に関してのみ影響される。

均一化手段６のシリンドリカルレンズ９を通過することによって、レーザ光の各部分光が遅軸方向において、またはＸ方向において、非常に効果的に互いに重畳される。均一化手段６から出射されるレーザ光は、拡散方向Ｚにおいて均一化手段６の後段に配置される集光手段１１によって集光されることができる。図示された実施の形態においては、集光手段１１は、回転対称な平凸レンズとして形成することが可能である。集光手段１１は、他の形態によって実施することも可能であり、たとえば、両凸レンズまたは複数の共に作用するレンズによって実施することも可能である。このレンズは、レーザ光を、速軸に関して、すなわちＹ方向に関して集光することが可能であり、同時に、遅軸すなわちＸ方向にのみ作用する均一化手段６のための視野レンズとしても機能する。この場合、速軸に関する集光手段１１として機能するレンズの実際的な集光方法は、遅軸方向におけるレーザ光の視野が、視野レンズとして機能するレンズによって均一化される平面に置くことが可能である。

図２ａおよび図２ｂにおいて、均一化手段１０を通過したレーザ光は、体系化されずに示されているだけである。各シリンドリカルレンズ９によって、それらを通過した光は多くの異なった方向に分割される。集光手段１１として、あるいは視野レンズとして機能する平凸球面レンズによって、同じ角度で視野レンズ上に入射する各部分光が、線状の集光領域において、同じ位置において回折され、したがって、同じ光源からのレーザ光の各部分光に由来する集光領域のレーザ光の部分は、Ｘ方向すなわち遅軸方向における幅に亘って均一に分布される。

集光手段１１は、線状集光領域にレーザ光を集光し、集光領域は、Ｘ方向に延び、Ｙ方向に非常にわずかの広がりを有している。たとえば、Ｙ方向すなわち速軸方向における集光領域のこの広がりは、１ｍｍよりも小さく、または０．５ｍｍよりも小さくすることが可能である。さらにまた、Ｘ方向すなわち遅軸方向におけるこの線状集光領域の幅は、５ｍｍよりも大きく、または２０ｍｍよりも大きくすることが可能である。集光手段１１の出射面と、線状集光領域の間の距離は、比較的大きくとることが可能であり、たとえば、５０ｍｍよりも大きく、特に、２００ｍｍよりも大きくすることが可能である。

本発明非常に従った照射のための配置の平面図。 図１ａに従った配置の側面図。 本発明に従った集光のための配置の平面図。 図２ａに従った配置の側面図。 本発明に従った装置の斜視図。

Claims (17)

1. 均一化されるべき光の入射面（７）および出射面（８）を有する少なくとも１つの均一化手段（５，６）と、
   少なくとも１つの均一化手段（５，６）の入射面（７）上または入射面（７）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイと、少なくとも１つの均一化手段（５，６）の出射面（８）上または出射面（８）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイとを含む、光を均一化するための装置において、
   少なくとも１つの均一化手段（５，６）のシリンドリカルレンズ（９）の軸線が互いに平行に配置されることを特徴とする光を均一化するための装置。
2. 第１の均一化手段（５）と第２の均一化手段（６）とを有し、それぞれが、均一化されるべき光の入射面（７）および出射面（８）を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 第１の均一化手段（５）は、入射面（７）上または入射面（７）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイと、出射面（８）上または出射面（８）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイとを有し、それらの軸線は互いに平行に配置されることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
4. 第２の均一化手段（６）は、入射面（７）上または入射面（７）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイと、出射面（８）上または出射面（８）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイとを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 第２の均一化手段（６）は、入射面（７）上または入射面（７）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイと、出射面（８）上または出射面（８）近傍のシリンドリカルレンズ（９）のアレイとを有し、それらの軸線は互いに平行に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
6. 第１の均一化手段（５）のシリンドリカルレンズ（９）の軸線は、第２の均一化手段（６）のシリンドリカルレンズ（９）の軸線に垂直に配置されることを特徴とする請求項４または５記載の装置。
7. 出射面（８）上または出射面（８）近傍に配置されたシリンドリカルレンズ（９）の焦点距離は、入射面（７）または入射面（７）近傍に配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. シリンドリカルレンズは、凹および／または凸レンズとして、または勾配屈折率レンズ（ＧＲＩＮレンズ）として形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 第１の方向（Ｘ）に互いに隣接しかつ互いに間隔をあけて配置される複数の発光体を有する、少なくとも１つの半導体レーザバー（１）であって、各発光体から出射するレーザ光の第１の方向に関するダイバージェンスが、第１の方向（Ｘ）に垂直な第２の方向（Ｙ）に関するレーザ光（９）のダイバージェンスよりも小さい、半導体レーザバー（１）と、
   発光体から出射するレーザ光の少なくとも部分的なコリメーションのためのコリメーション手段（２，４）と、
   発光体から出射するレーザ光の変換のための光線変換手段（３）であって、発光体から出射するレーザ光の光路内に配置され、第１の方向（Ｘ）に関するレーザ光のダイバージェンスを第２の方向（Ｙ）に関するダイバージェンスと交換することができるように形成される、光線変換手段（３）と、
   発光体から出射するレーザ光を均一化するための装置とを含む、面の照射のための配置において、
   該均一化するための装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であることを特徴とする面の照射のための配置。
10. 均一化するための装置は、多段式として形成されることを特徴とする請求項９記載の面の照射のための配置。
11. コリメーション手段（２，４）は、発光体から出射するレーザ光を第２の方向（Ｙ）に関してコリメートするための速軸コリメーション手段（２）を有することを特徴とする請求項９または１０記載の面の照射のための配置。
12. コリメーション手段（２，４）は、発光体から出射するレーザ光を第１の方向（Ｘ）に関してコリメートするためのコリメーション手段（４）を有することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の面の照射のための配置。
13. 少なくとも１つの出射区域を有する半導体レーザバー（１）であって、少なくとも１つの出射区域から出射されるレーザ光の速軸方向（Ｙ）におけるダイバージェンスが、それに垂直な遅軸方向（Ｘ）におけるダイバージェンスよりも大きい、半導体レーザバー（１）と、
    少なくとも出射区域から出射されるレーザ光を速軸方向（Ｙ）に関してコリメートするための速軸コリメーション手段（２）と、
    速軸コリメーション手段（２）によってコリメートされたレーザ光を均一化するための装置と、
    均一化するための装置から出射されるレーザ光を線状の集光領域に集光する集光手段（１１）とを含む、線状の集光領域にレーザ光源の光を集光するための配置において、
    該均一化するための装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であることを特徴とする線状の集光領域にレーザ光源の光を集光するための配置。
14. 均一化するための装置は、遅軸方向（Ｘ）に関してのみレーザ光を均一化するように形成されることを特徴とする請求項１３記載の集光するための配置。
15. 好ましくは、速軸コリメーション手段（２）と均一化するための装置との間に配置される、遅軸コリメーション手段（４）を有することを特徴とする請求項１３または１４記載の集光するための配置。
16. 遅軸コリメーション手段（４）は、遅軸コリメータアレイまたは遅軸テレスコープアレイとして形成されることを特徴とする請求項１５記載の集光するための配置。
17. 集光手段（１１）は少なくとも１つの実質的に回転対称なレンズを有し、該レンズは、特に遅軸方向（Ｘ）に均一化するための装置のための視野レンズとして機能することができることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の集光するための配置。

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