CN102498428A - 产生用于处理基底的光束的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学系统，该光学系统用于产生处理布置在基底平面(14)中的基底的光束，其中所述光束在垂直于所述光束的传播方向(Z)的第一维度(X)上具有束长度(L)，以及在垂直于所述第一维度(X)并且垂直于所述光传播方向(Z)的第二维度(Y)上具有束宽度(B)，其中相对于所述束宽度(B)，所述束长度(L)较大，所述光学系统包括第一光学布置(18)，所述第一光学布置(18)确定多个光通道(26；28)，所述多个光通道(26；28)在所述第一维度(X)上彼此相邻布置并且在所述第一维度(X)上将所述光束分成多个部分场(30，32，34)，其中所述部分场(30，32，34)在所述第一维度(X)上以彼此叠加的方式入射到所述基底平面(14)中。在所述光传播方向上，所述第一光学布置(18)的上游布置第二光学布置(20)，所述第二光学布置在所述第一维度(X)上具有这样的范围并且扩展入射到所述第二光学布置(18)上的光束(42)在第一维度(X)上的角谱，使得所述第二光学布置(20)在所述第一维度(X)上的集光率是所述光学系统在所述第一维度(X)上的总集光率的50％到100％，从而所述第一光学布置(18)的至少几乎所有光通道(26；28)都被光均匀地照明。

Description

产生用于处理基底的光束的光学系统
技术领域
本发明涉及一种产生用于处理布置在基底平面中的基底的光束的光学系统，其中该光束在垂直于光束传播方向的第一维度上具有束长度并且在垂直于第一维度和光传播方向的第二维度上具有束宽度，其中相对于束宽度，束长度较大，该光学系统包括第一光学布置，第一光学布置在第一维度上确定多个光通道，该多个光通道彼此相邻布置并且在第一维度上将光束分成多个部分场，其中部分场在第一维度上以彼此叠加的方式入射在基底平面上。
背景技术
从WO 2006/066706A2已知这种光学系统。
在引言中提及的这种类型的光学系统用于例如熔化(melting)材料，尤其是在硅的光引起结晶的领域中。一个具体的应用是平板屏幕制造，其中，为了使硅结晶，使用光束处理具有非晶硅层的基底。在这种情况中，使用的基底具有相对大的尺寸，例如在大于30cm×大于50cm的范围中。通过引言中所提及的这种类型的光学系统，相应产生的光束具有第一维度(以后通过X指示)的束长度，所述束长度大约与基底的宽度(例如大约30cm)一致。在垂直于X维度的维度(以后通过Y指示)中，期望光束尽可能细，其中为了获得尽量高的能量密度用于处理基底，期望Y方向上的束宽度为几微米。
因此应用到基底的光束相应地具有较大的、X维度上的束长度与Y维度上的束宽度的比，依据束长度，其可大于5000，甚至大于10000。
在这种情况中，用于处理基底而使用的光束必须基本满足两个要求，具体地，首先光束的强度分布在X维度上必须仅可能均匀，并且在Y维度上光束的强度分布应该具有最大可能的边缘陡度。
特别地，迄今为止，还没有满意地解决(大)X维度上的光束的均匀性问题。从引言中引用的文件WO 2006/066706A2中已知的光学系统具有光学布置，该光学布置确定了多个光通道，该多个光通道在第一维度上彼此相邻布置并且在第一维度上将光束分成在第一维度上部分重叠的多个部分场，其中部分场在第一维度上以彼此叠加的方式入射到基底中。在已知的光学系统中，确定光通道的光学布置被实施为具有一个或者两个元件的蝇眼聚光器的形式。蝇眼聚光器被实施为圆柱透镜阵列，即在X方向上彼此相邻地布置多个单独(individual)的圆柱透镜，其中每个单独的圆柱透镜确定一个光通道，其中光束在穿过多个光通道时被分成对应数目的部分场。接着，通过下游的聚光器光学单元，单独部分场在X维度上再次叠加在基底上，结果，在X维度上实现光束的强度分布的混合，并因此实现均匀性。
在已知的光学系统的情况中，X维度的强度分布的均匀性不是最佳的。在已知的光学系统的情况中，光束(通常是激光光束，其具有X维度上的尺寸XL、第二维度上的尺寸YL、由光源预先确定的第一维度上的发散度DX、以及第二维度上的发散度DY)入射到蝇眼聚光器形式的第一光学布置上。具体的，已经观察到基底上的光束中的干涉效应和拍频效应，其损害使用光束处理基底的结果。
发明内容
针对上述背景，本发明的目的是开发一种引言中提及的类型的光学系统，其能够避免以上所提及的缺点。该光学系统意在能够产生用于处理基底的光束，该光束具有大束长度和小束宽度，并且该光束在X维度上的强度分布甚至更加均匀。
关于介绍中所提及的系统，通过以下事实实现本发明的这个目的：第二光学布置在光传播方向上布置在第一光学布置的上游，所述第二光学布置在第一维度上具有这样的宽度，并且扩展入射到第二光学布置上的光束在第一维度中的角谱，使得第二光学布置在第一维度中的集光率是光学系统在第一维度中的总集光率的50％到100％，从而第一光学布置的几乎所有光通道被光均匀地照明。
在根据本发明的光学系统的情况中，第二光学布置布置在将入射光束分成部分场的第一光学布置的上游，所述第二光学布置预处理入射到第二光学布置上的光束，使得光束随后在第一维度上以扩展的角谱和大范围入射到第一光学布置上。因此，在根据本发明的光学系统的情况中，与已知的光学系统相比，光束不以光束的预定自然发散度而是以被第二光学布置大大增加的发散度或者孔径入射到第一光学布置的单独光通道中。在已知的光学系统的情况中，第一光学布置的单独光通道仅被不充分地填充光，结果在基底平面中导致干涉和拍频效应。比较而言，在根据本发明的光学系统的情况中，由于预先扩展入射光束的角谱，第一光学布置的单独光通道被更均匀地填充光，即光束以预均匀化的方式进入确定了光通道的第一光学布置。因此第二光学布置带来入射光束的附加的光混合，导致下游的第一光学布置可甚至更有效地均匀化光束。通过第二光学布置，优选引入X维度中所需的全部集光率，准确地讲，在单一级中，即通过第二光学布置。因此，通过根据本发明的光学系统产生的光束的强度分布在基底平面中比已知的光学系统的情况均匀得多，结果，使用光束处理基底的结果得到改进。
这里第一维度上的集光率和第一维度上的总集光率分别被理解为在所述X维度中的一维集光率和总集光率。在这种情况中，通过以下等式给出第一光学布置的集光率LLWX：LLWX＝DX*NAX，其中DX是第一光学布置在第一维度中的范围，并且NAX是第一光学布置在第一维度中的数值孔径。
在一个优选构造中，第二光学布置的集光率是光学系统的集光率的70％到100％，优选80％到100％，更优选90％到100％。
通过第二光学布置引入到系统中的集光率越高，线性光束在基底平面中的强度分布越均匀。
在一个优选的构造中，第二光学布置的光学特性被设计为使得从第二光学布置的沿着第一维度的任意部分区域出射的光分别至少近似包括整个角度信息并且近似进入第一光学布置的每个光通道中。
在这个构造中，换言之，通过第一光学布置的尺寸，第一光学布置被第二光学布置的孔径完全照明。相应地，在这种构造的情况中，入射到第二光学布置上的光束的每个空间模式分布在整个第一光学布置上，即由其确定的全部光通道上。这里“部分区域”应理解为第二光学布置的具有第一维度中的范围的最小区域，来自该最小区域的出射光包含基本完整的或者完整的角度信息。这样的部分区域通常表示为“单位区域(pitch)”。
在另一优选构造中，第二光学布置设计为通过位置调整来改变入射光束在第二维度上的束宽度，尤其是通过围绕光传播方向的旋转。
在这种情况中，如下是有利的：第二光学布置不仅有助于光束在X维度上的均匀化，而且还实现第二功能，即改变入射光束第二维度中的束宽度。结果，在Y维度中，也可以以控制的方式并在单一级中引入小集光率。入射光束在第二维度中的束宽度的可变性是可取的，因为束宽度是依赖于基底的处理的参数。以上所提及的构造避免用在Y中扩展束的附加光学布置，例如如WO 2006/066706A2中所描述的。
在另一优选构造中，第二光学布置具有至少一个光学元件，该光学元件具有在第一维度中具有一维地散射和/或衍射效果的结构。
这样的光学元件可以是折射或者衍射型的。
在一个优选的构造中，所述至少一个光学元件是衍射光学元件。
优选地，具有散射和/或衍射效果的结构具有形成非周期部分结构的结构元件，其中每个部分结构形成一个以上所提及的部分区域，从该部分区域分别出射的光至少近似包含整个角度信息。
在此构造中，第二光学布置的所述至少一个光学元件具有由单独结构元件形成的非周期部分结构。关于距离和/或尺寸(在第一维度的方向上)彼此不同的多个结构元件分别形成部分结构，其中每个单独部分结构形成“节点”或者一个以上所提及的部分区域，从所述部分区域出射的光分别包含整个或者基本整个角度信息。由于部分结构彼此之间的非周期性，现在在光束实际进入第一光学布置之前有利地避免了周期干涉，该周期干涉仅可以被第一光学布置混合消除到一定程度，并且因此可能导致基底平面中的残余调制。这尤其适用于如下情况：第一光学布置的光通道本身或多或少地具有周期结构。
在另一优选构造中，在第一维度上，具有散射和/或衍射效果的光学元件的结构的各个相邻部分结构之间的距离和/或部分结构的尺寸是不同的。
在这个构造中，在一个非常简单的实现中，具有在第一维度上具有一维衍射效果的结构的至少一个光学元件可被实施为线光栅，其中光栅的单独线之间的线距离在线与线之间随机地变化。从而，多个这样的线分别形成部分结构或部分区域，其分别独立地向光施加全部角度信息。
根据该构造，第二光学布置通过位置调整来改变入射光束在第二维度上的束宽度，就以上所提及的构造而言，一维光栅非常有利，这是因为为了在第二维度上增加束宽度或者减少束宽度，仅需要以围绕光传播方向的轴可旋转的方式将该光栅(如在另一优选构造中所提供的)安装在光学系统中。一旦一维光栅的线从0°位置(光栅的线垂直于X维度)开始旋转，则该光栅也具有Y方向的衍射效果，结果，Y维度的束宽度被增加。以此方式，利用一维光栅，在Y方向上，从高斯强度分布，可设置在Y维度上具有相应的束宽度的更宽的大礼帽型强度分布(即，具有平台和大边缘陡度的强度分布)。
在另一优选构造中，选择具有散射和/或衍射效果的光学元件的结构的各个相邻部分结构之间的距离的平均距离，使得来自入射到第二光学布置上的光束的每个横向相干单元的光被近似在整个束长度上从第一光学布置引导到基底平面上。
由于通常由激光束形成光束，所以光束在第一维度的方向上具有预定的横向相干长度。这里横向相干长度应被理解为在第一维度上彼此分隔开且确实能够彼此干涉的两个部分光线之间的距离。单独横向相干单元在第一维度上的范围对应于横向相干长度。在来自单独相干单元的光仅入射到第一光学布置的一个或者几个光通道中的情况中，这可能在基底平面上导致干涉现象。在以上所提及的构造中，相对比的，光学元件的部分结构之间的平均距离被选择为使得在很好的近似中光束的每个相干单元均匀地照明基底。因此，来自每个相干单元的光到达基底的每个位置，并且由于在统计上累积的相位而因此允许最小化光斑对比度(其由于单独激光模式的行为而具有随机性质)。
更加优选的是，具有散射和/或衍射效果的光学元件的结构的各个相邻部分结构之间的距离的平均距离被选择为使得最小化基底上的第一光学布置产生的干涉对比度。
通过此方法，将光学元件的部分结构之间的平均距离与第一光学布置配合，在作为蝇眼聚光器的第一光学布置的构造的情况中，这可能导致干涉效应，然而可以通过适配部分结构之间的平均距离来消除或者至少降低该干涉效应。不同于光斑对比度，干涉对比度具有确定性的性质并且是基于相干部分光线在基底平面中的叠加。
在另一优选构造中，各个相邻部分结构之间的距离的平均距离满足以下关系：
光束的横向相干长度lc＜部分结构之间的平均距离。
在另一优选构造中，各个相邻部分结构之间的距离的平均距离满足以下关系：
1/3＜平均距离/光束的横向相干长度lc＜5，
优选：1＜平均距离/光束的横向相干长度lc＜3。
在另一优选构造中，第二光学布置具有聚光器光学单元，其中具有在第一维度上具有一维的散射和/或衍射效果的结构的至少一个光学元件与聚光器光学单元一起产生第一光学布置的均匀照明。
在这种情况中，这是有利的：在光学散射元件/衍射光学元件与聚光器光学单元的相互作用中穿过第二光学布置的光束在X维度上具有大边缘陡度的强度分布。
第一光学布置优选具有至少一个圆柱透镜阵列，其中单独圆柱透镜的圆柱轴取向在第二维度上，并且其中单独圆柱透镜优选为平凸圆柱透镜。
在这个本身已知的构造中，第一光学布置的单独光通道由单独圆柱透镜形成。但是，与已知的光学系统不同，通过上游的第二光学布置显著更完全地照明了单独圆柱透镜，该第二光学布置用于以经预均匀化的光束将优选基本全部集光率引入到系统中。
在此情况中，更优选的是，为了在第一维度上横向界定入射光束，分别通过楔形光透射边缘区域界定圆柱透镜阵列，该楔形光透射边缘区域的表面例如在第二维度中相对于垂直于光传播方向的平面倾斜。
两个楔形光透射区域界定圆柱透镜阵列的光学可用区域，其也具有对光束在基底平面中的强度分布的均匀性的正面影响。如以上所介绍的，如果仅第一光学布置的被光尽可能填充的光通道贡献于基底平面中的光束，则光束在基底中的均匀性得到提高。这里所提供的用于界定入射到圆柱透镜阵列上的光束的方法相对于传统光阑具有由于吸收的热输入明显减少的优点。由于楔形光透射边缘区域，入射在所述边缘区域上的光偏转到例如Y维度上，并且可以被无害地转移到光捕获器中。
在另一优选的构造中，第一光学布置具有带有至少一个双凹透镜的聚光器光学单元。
以上所提及的确定第一光学布置的光通道的圆柱透镜阵列与聚光器光学单元一起在X维度上展开形成(aufspannen)基底平面中的光束。所述第一光学布置的聚光器光学单元中的至少一个双凹透镜可有利地用于进一步在X维度上优化基底平面中的光束在边缘区域中的均匀性。这是因为在基底平面中光束的均匀性可例如具有二次分布，其可以通过双凹透镜的相应弯曲度来补偿，所述弯曲度相应地适配于光束的均匀性的非恒定分布的校正。可以保持有多个具有不同弯曲度的这种透镜，可将它们可替换地引入系统中。
在另一优选构造中，光学系统具有第三光学布置，其在第二维度上将入射光束聚焦到基底上，其中第三光学布置由反射镜构造。
因此，用于产生处理基底的光束的光学系统由两个子系统构造，在两个子系统中的一个子系统仅在X维度上整形光束，从而依据在X维度上具有最佳均匀性的束长度整形光束并且在两个子系统中的另一子系统整形光束在基底平面中的束宽度，其中通过聚焦获得最小束宽度。对于非常大的束长度与束宽度的比，相对于折射布置，为了将光束聚焦到基底上而使用反射镜是有利的，这是因为：由于折射依赖于入射角或反射角的正弦，所以折射布置导致成像的非线性。
在这种情况中，优选的是，第三光学布置具有至少两个圆柱反射镜，该两个圆柱反射镜的各自的圆柱轴在第一维度上，其中第一反射镜是凸反射镜并且第二反射镜是凹反射镜。
这个方法的优点是工作距离(即基底与基底上游的最后一个光学元件之间的距离)可选择得较大，并且成像质量同时较高。在由凸反射镜和凹反射镜构成的布置的情况下，通过改变入射角度、反射镜半径和距离，可在宽限制内设置工作距离和成像比例，并且同时可补偿慧差和球面像差。优选地，从光传播方向上看凸反射镜和凹反射镜彼此直接跟随。
第三光学布置的上述构造也被认为是没有权利要求1的特征部分的独立发明。
在另一优选构造中，存在用于在第二维度上进行光束界定的光学元件，其中用于光束界定的光学元件的透射区域可以变化地设置。
如以上所提及的，必须以依赖于所要处理的基底的方式改变光束的各种参数。因此，必须从基底到基底改变例如束宽度或者包含在光束中的能量和/或能量密度。由于Y维度上的可调节的束界定，作用在基底上的光能量可变化。如果例如用于束界定的光学元件的透射区域增大，则入射在基底上的能量增加。然而，用于束界定的光学元件的透射区域的增大可能破坏光能量和光能量密度的时间稳定性，结果，基底的处理结果可能因此被破坏。这与以下事实关联：光束在Y维度中的强度分布没有大边缘陡度的情况中，光束在Y维度中的虽然轻微的位移也体现在用于束界定的光学元件所透射的能量的变化中。光束的位移可能由光束路径位置的波动产生，但光束中的强度分布也可能在整个过程中波动。与以上所提及的方法相联系的，从而可特别有利地使用以上所提及的构造，根据以上所提及的构造，第二光学布置通过位置调整可改变入射光束在第二维度上的束宽度。这是因为如果增大用于束界定的光学元件的透射区域，则可通过第二光学布置同时增大入射光束的束宽度，结果，在用于束界定的光学元件的透射区域中扩展了光束的强度分布，从而甚至在用于束界定的光学元件的大透射区域的情况中，光束的位置或分布形状的波动也不有害地影响基底平面中的光束在Y维度上的均匀性。束界定元件可布置在第三光学布置中，但也可在系统的其它地方。
从以下说明和附图中呈现其它优点和特征。
不言而喻，以上所提及的以及以下将解释的特征不仅可以以分别指出的组合使用，还可以以其它组合使用，或者本身独立使用，而不偏离本发明的范围。
附图说明
附图中示出了本发明的示例实施例，并且参照附图更加详细地描述本发明的示例实施例。在附图中：
图1示出产生用于处理基底的光束的光学系统的示意图，其中在XZ平面中示出该系统；
图2示出图1中的光学系统的光学元件的示例实施例，其中在XY平面中示出该光学元件；
图3示出图2中的光学元件在X方向的侧视图；
图4在XZ平面的图示中示出图1中的光学系统的部分的、相对于图1的放大比例图。
图5在YZ平面的图示中示出图4中的部分；
图6在YZ平面的图示中示出图5中的光学布置的光学元件的另一示例实施例；
图7示出图5中的光学布置的部分的基本图示，其示出束宽度与图1中的光学系统的用于束限制的光学元件的透射区域的适配。
具体实施方式
图1示意性地示出产生用于处理基底的光束的光学系统，所述光学系统用附图标记10表示。
具体的，系统10用于通过光束表面(areally)熔化基底上的层的设备中。更具体的，光学系统10用于为了平板屏幕(flat screen)制造而使由非晶硅构成的硅层结晶的设备中。
这种用于表面熔化基底上的层的设备中的光学系统10是整个光学系统的一部分，该整个光学系统除了光学系统10之外甚至还具有其他光学单元(未示出)，例如光源(尤其是激光器)、扩束光学部件、脉冲乘法器和展宽器、以及衰减器等。在这样的整个光学系统中，从光传播方向上看，依照图1的光学系统10在X维度(将在以下解释)上可以是基底上游的最后一个光学上起作用的(optically active)单元，如这里所示。系统10被相应地显示为，从光传播方向上看，从进入光学系统10的虚拟光进入平面12，直到基底(未示出)所在的基底平面14。
光学系统10被设计为在基底平面14中产生在第一维度(其在以后表示为X维度)上具有束长度L并且在第二维度(其在以后表示为Y维度)上具有束宽度B(参见图5)的光束，其中束长度L远大于束宽度B。束长度L大于100mm，例如约300mm，并且束宽度B小于50μm，尤其是小于10μm，例如大约5μm。
在图1中，由Z表示既垂直于X维度也垂直于Y维度的光传播方向。图1在XZ平面中示出光学系统10，在图1中，为了图示的目的绘出了坐标系统16。
从光传播方向上看，光学系统10具有第一光学布置18和第一光学布置18上游的第二光学布置20。
第一光学布置18具有光学元件22和光学元件24。光学元件22在X维度中确定多个光通道26，多个光通道26彼此相邻布置并且在X维度中将入射光束分成多个部分场。在图1所示的示例实施例中，光学元件22确定总计七个这样的光通道。然而，可以存在多得多的光通道。同样地，光学元件24在X维度中确定彼此相邻布置的多个光通道28，在依照图1的示例实施例中同样存在七个这样的光通道28。
光学元件22和光学元件24都分别实施为圆柱透镜阵列形式，其中单独的圆柱透镜的各自圆柱轴在Y维度上延伸，即垂直于图1中所示的平面。
如图1中明显的，形成光通道26和28的单独圆柱透镜分别被实施为平凸形式。在这种情况中，光学元件22的圆柱透镜的凸光出射侧与光学元件24的圆柱透镜的凸光进入侧相对。
光学元件22和24的光通道26和28在X维度上将入射到光学元件22和24的光束分成多个部分场，并且在图1中示例性地示出了三个部分场30、32和34。
光学元件22和24构成的布置也被表示为(双)蝇眼聚光器。除了蝇眼聚光器之外，第一光学布置18还具有附加的聚光器光学单元36，聚光器光学单元36具有平凸型透镜38和双凹面透镜40。第一光学布置18仅在X维度上对入射光束起作用，同时它在Y维度上不影响或者基本不影响入射光束。透镜38和40相应地实施为圆柱轴在Y维度上的圆柱透镜。
通过聚光器光学单元36，在X维度上将由光束通过第一光学布置18的单独光通道26、28而产生的部分场30、32、34叠加在基底平面14上。由于入射在第一光学布置18上的光束在第一维度上被分成彼此相邻布置的多个部分场，并且所述部分场在第一维度上叠加在基底平面14上，所以入射在基底平面上的光束14在X维度上的强度分布被均匀化，这是因为来自每个光通道26、28的光与来自光通道26、28中的其它通道的光混合。然而，如果没有通过光束入射到单独光通道26、28上对光通道26、28充分填充光，则通过第一光学布置18实现的光混合不是最佳的。
为了实现这一点，在光学系统10中设置第二光学布置20。
第二光学布置20在第一维度X上具有这样的范围并且在第一维度X上扩展入射到第二光学布置20上的光束42的角谱，使得第二光学布置20在第一维度X中的集光率(etendue)是光学系统10在第一维度X中的总集光率的50％到100％，从而第一光学布置18的几乎所有光通道26、28都被光均匀地照明。优选地，第二光学布置20的集光率是光学系统10的总集光率的70％到100％，优选80％到100％，更优选90％到100％。因此，第二光学布置20在单个级(stage)中至少近似引入光学系统10的全部集光率，结果，至少几乎第一光学布置18的所有光通道26、28都被光均匀的“填充”。
在所示的示例实施例中，通过以下事实实现这一点：第二光学布置20具有存在一维(精确的说在X维度上)散射和/或衍射效果的光学元件44，尤其是衍射光学元件。通过LLWX＝DX*NAX给出光学元件44位置处的集光率LLWX，其中DX是光学元件44在X维度上的范围并且NAX是光学元件44的数值孔径。由于入射光束42在光学元件44处的散射和衍射，光束42的角谱被扩展，从而从光学元件44的任意部分区域出射的光沿着第一维度至少近似入射在第一光学布置18的光学元件22的每个光通道26中。图1中针对三个部分区域46、48和50示出了这一点。从每个部分区域46、48和50出射的光入射在光学元件22的所有光通道26上，并因此也入射在光学元件24的所有光通道28上。换句话说，通过光学元件44，入射光束42被重新整形，使得入射光束42以预均匀化(prehomogenized)的方式入射到第一光学布置18中。以上所提及的部分区域应被分别理解为光学元件44的包含完整角度信息的最小区域。这样的部分区域还被表示为“单位区域(pitch)”。
不言而喻，以任何期望的方式选择图1中通过示例示出的沿着X维度的部分区域46、48和50，即X维度上的部分区域分布在整个光学元件44上。从光学元件44在X维度上的整个范围看，从元件44出射的光几乎完全填充光通道，至少80％的范围。
第二光学布置20还具有聚光器光学单元52，其将由光学元件44分散地散射和/或衍射的光束42引导到第一光学布置18上。这里的聚光器光学单元52具有两个平凸透镜54和56。第二光学布置20对第一光学布置18产生在X维度上总体均匀(尤其是大礼帽型(top-hat-type))的照明，即第一光学布置18在X维度的整个范围上，光束在第二光学布置20的出口或者在第一光学布置18的光学元件22的入口处具有强度分布，该强度分布在光学元件22的范围上具有在X维度上延伸的强度平台(plateau)，其中陡峭边缘在两侧与所述平台相连。结果，第一光学布置18在其X维度的尺寸上以光学元件44的孔径照明。即，通过第二光学布置20将来自激光器的入射光束42的每个空间模式分布在第一光学布置18的光学元件22的整个范围上。这样，如上所述，光学元件44几乎将X维度中所需的全部集光率引入光学系统10中，结果，第一光学布置18的单独光通道26、28几乎被完全填充或者照明。
光学元件44优选被实施为一维光栅，尤其为线光栅。在这种情况中，光学元件44具有结构元件，所述结构元件被实施为线、槽等，并且在第一维度X的方向上彼此之间被不同地间隔开和/或具有不同的尺寸。多个这样的结构元件分别形成部分结构58，其中每个部分结构58表示对应的部分区域46、48或50，从部分区域46、48和50出射的光包含全部角度信息。因此，部分结构58形成以上所提及的部分区域，从该部分区域出射的光进入到每个光通道26、28中。部分结构58在Y维度上垂直于它们的有效方向(X维度)延伸。在这种情况下，光栅的单独部分结构58的距离和/或尺寸不是恒定的，即由结构元件形成的光学元件44的部分结构58是非周期的。这已经消除了从第二光学布置20出射的光束在进入第一光学布置18之前的干涉调制，否则，该干涉调整可从光学元件22、24及其基本周期性的结构转移到基底平面14中。
在这种情况中，选择光栅的部分结构58在X维度上的平均距离或者尺寸，使得将来自入射光束42在X维度上的每个横向相干单元的光几乎在X维度的整个束长度L上从第一光学布置18引导到基底平面14中。而且，利用最小化基底平面14上的干涉对比度的条件，选择光栅的部分结构58之间的平均距离，该干涉对比度由第一光学布置18导致，并且来自于光通道26、28的周期性结构。
在这种情况下，光栅的部分结构58之间的平均距离满足以下关系：
光束的横向相干长度lc＜部分结构58之间的平均距离。
优选地，各个相邻的部分结构之间的距离的平均距离满足以下关系：
1/3＜部分结构58之间的平均距离/光束42的横向相干长度lc＜5，其中更优选：
1＜部分结构58之间的平均距离/光束42的横向相干长度lc＜3。
这里横向相干长度lc应该被理解为光的在第一维度X上彼此分隔开且仍然确实能够彼此干涉的两个部分光线之间的距离。
如果入射到光学系统10中的光束42是脉冲式的，其中，在这样的情况中，脉冲加长模块(未示出)设置在光学系统10的上游，则可规定给脉冲加长模块配备偏移(offset)元件(例如板和楔)，使得连续的子脉冲在不同的位置和/或以不同的角度进入光学系统10。在这种情况中，优先选择位置偏移和/或角度偏移，使得通过光学系统10的子脉冲的不同路径在基底平面14中导致不同干涉图案。由于子脉冲以时间偏移方式到达基底平面14，所以它们不能彼此干涉，因此可以通过这些偏移元件进一步减少基底平面14中的干涉对比度。
具有一维散射或衍射效果的光学元件44还是绕着Z方向可旋转的。结果，可以将使具有一维散射或者衍射效果的光学元件44的结构从仅X维度的范围带到一位置，在该位置具有一维效果的该结构在Y维度上也呈现效果分量，这可被用于增加或者相应地减少光束在基底平面14中的束宽度B，将在以后描述这一点。
依照图1，透镜54、56，光学元件22、24的圆柱透镜阵列以及透镜38被实施为平凸型式。相对比的，透镜40被实施为双凹型。双凹透镜40的弯曲被适配于校正光束在基底平面14中的均匀性的非恒定分布。因此，可以在X维度是适配或补充入射在基底14上的光束的强度的二次分布。这是因为，关于X维度，入射在基底平面14上的光束的强度可朝向边缘减小或增强，此减小或增强通常具有二次分布。通过在透镜40的光入射侧60和光出射侧62上的折射屈光力的相应适配分布，这里可在X维度上提高边缘区域中的均匀性。
参考图2和3描述光学系统10的另一方面。图2和3示出光学元件22在XY平面(图2)和YZ平面(图3)中的平面视图。
在图2中，光学元件22的具有圆柱透镜阵列的区域用附图标记64表示。图1仅示出光学元件22的圆柱透镜阵列64的区域。参照图2，例如，通过楔形光透射边缘区域66、68在X维度的两侧上界定区域64，该楔形光透射边缘区域66、68的相应表面70和72在Y维度上倾斜。结果，例如入射到楔形边缘区域66、68上的光在Y方向上偏转，从而来自楔形边缘区域66和68的光不入射到第二光学元件24中或者光学元件24的圆柱透镜阵列中。通过楔形边缘区域66和68偏转的光可以在光捕获器(light trap)中变得无害，例如在光学元件10的另一光束路径中的光束界定元件中，以下将介绍。参照图3，两个楔形边缘区域66和68彼此反向倾斜，而且这两个楔形边缘区域66和68也可同向倾斜，且还可以彼此平行。在楔形边缘区域66和68中，入射到光学元件22上的光束的束界定防止了如下情况：光学元件24的一个或者多个光通道28不被完全填充或均匀照明，如以上已经介绍的，其可导致损害基底平面14中的光束的均匀性。
光学系统10的以上说明涉及入射光束42在X维度上的整形。以下说明光学系统10的第三光学布置74，该第三光学布置74在Y维度上整形入射光束42，以便将具有期望束宽度B的光束42聚焦到基底平面14上。在图1中，通过单线76以概要的方式示出了第三光学布置74。
图4与图1同样地在XZ平面中示出了第三光学布置74，更精确地，从图1中的第一光学布置18的聚光器单元36(被简化地示出)起。图5在YZ平面中示出了第三光学布置74，在YZ平面中第三光学布置74起作用(active)。
第三光学布置74具有反射元件，并且包括反射镜82和反射镜84。由于图4是XZ平面中的图示，所以图4中反射镜82和84被示为线，并且反射镜82和84在XZ平面中不起作用。
用于在Y维度上束界定的光学元件86布置在反射镜82的上游。
元件86也可布置在系统10中的别处，例如也可在第二光学布置20的上游。
光学元件86具有在Y方向上可变化调节的透射区域88。入射光束被引导到光学元件86的透射区域88上，并且通过反射镜82和84，光学元件86的透射区域88以缩小的方式成像到基底平面14中。通过设置透射区域88在Y维度上的尺寸，可设置基底平面14中的束宽度B，即如果想要增加基底平面14中的束宽度B，则为了此目的在Y维度上增大光学元件86的透射区域88。
然而，不能仅简单地通过增大光学元件86的透射区域88来实现基底平面14中的束宽度B的控制的增大；而是，为了此目的，入射到光学元件86上的光束还必须适配于增大的透射区域88。这是因为，在Y维度上，也必须以控制的方式引入Y维度的集光率的一小部分。下面参考图7更详细地说明这一点。
图7示出用于在Y维度上束界定的光学元件86，其中两个透射区域88a和88b被设置为具有不同的尺寸。
而且，图7示出入射到光学元件86上的相应光束的两个束分布90a和90b。
考虑光学元件86的透射区域88被设置用于根据透射区域88a(即以狭窄方式)进行束界定的情况，并且如果具有根据束分布90a的束分布或者强度分布的光束入射到光学元件86上，则所述光束在Y维度上的轻微位移实际上对基底平面14中的光束强度的稳定性没有影响。比较而言，如果光学元件86的透射区域88被设置为图7中的透射区域88b，即光学元件86的透射区域88较大，并且如果具有束分布90a的同一光束入射到光学元件86上，则甚至光束在Y维度上的轻微位移或者波动都将有害地影响束质量，尤其是强度在Y维度上的时间稳定性。因此，在光学系统10的情况中，规定使入射到光学元件86上的光束的束宽度适配于透射区域88的尺寸。
在光学系统10的情况中，通过以下事实实现这一点：第二光学布置20的光学元件44是围绕Z方向可旋转的。在光学元件44围绕Z方向旋转时，具有一维效果的散射或衍射结构58导致Y维度上以控制的方式可调的束扩展，这是因为具有一维效果的结构元件58此时在Y维度上也具有分量。通过图7中的束分布90b表示通过旋转光学元件44产生的束分布。作为光束的束扩展的结果，大致以具有中等强度平台和大边缘陡度的大礼帽形式形成Y维度上的束分布90b。结果，甚至在光学元件86的较大透射区域88b的情况下，在基底平面14中，关于基底平面14中的光束质量及其时间稳定性，也没有不利地出现光束在Y维度中的位置的波动。
可通过增加光源处的能量来补偿由于光束的扩展而导致的基底平面14中的能量和能量强度的降低。
图6示出了光学系统10的另一方面。
如已提及的，关于将光束在Y维度上聚焦到基底平面14中，由反射元件构造第三光学布置74。
这里图6示出第三光学布置的示例实施例，其中根据图5的反射镜82和84都被实施为弯曲反射镜，其中反射镜82被实施为凸反射镜，并且反射镜84为凹反射镜。反射镜82和84彼此直接跟随。
特别地，反射镜82和84实施为圆柱轴在X维度的方向(垂直于图6的制图平面)延伸的圆柱反射镜。在第三光学布置74中使用至少一个凸和至少一个凹反射镜具有以下优点：工作距离(即基底平面14和最后一个光学元件84之间的距离)可被选择为大于至少还使用折射元件成像的成像系统的情况。通过改变光束在反射镜82和84上的入射角，通过改变反射镜半径和/或通过改变反射镜距离，可在宽界限中设置光学布置74的工作距离A以及成像比，并且通过这种布置还可以比折射型布置的情况更容易地补偿成像中的慧差以及球面像差。

Claims (23)

1.一种光学系统，用于产生处理布置在基底平面(14)中的基底的光束，其中所述光束在垂直于所述光束的传播方向(Z)的第一维度(X)上具有束长度(L)，以及在垂直于所述第一维度(X)并且垂直于所述光传播方向(Z)的第二维度(Y)上具有束宽度(B)，其中相对于所述束宽度(B)，所述束长度(L)较大，所述光学系统包括第一光学布置(18)，所述第一光学布置(18)确定多个光通道(26；28)，所述多个光通道(26；28)在所述第一维度(X)上彼此相邻布置并且在所述第一维度(X)上将所述光束分成多个部分场(30，32，34)，其中所述部分场(30，32，34)在所述第一维度(X)上以彼此叠加的方式入射到所述基底平面(14)中，其特征在于：在所述光传播方向上，所述第一光学布置(18)的上游布置第二光学布置(20)，所述第二光学布置在所述第一维度(X)上具有这样的范围并且扩展入射到所述第二光学布置(18)上的光束(42)在第一维度(X)上的角谱，使得所述第二光学布置(20)在所述第一维度(X)上的集光率是所述光学系统在所述第一维度(X)上的总集光率的50％到100％，从而所述第一光学布置(18)的至少几乎所有光通道(26；28)都被光均匀地照明。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第二光学布置(20)的集光率是所述光学系统的总集光率的70％到100％，优选80％到100％，更优选90％到100％。
3.如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述第二光学布置(20)的光学特性被设计为使得从所述第二光学布置(20)的沿着所述第一维度(X)的任意部分区域(46，48，50)出射的光至少近似包含整个角度信息并且至少近似地进入所述第一光学布置(18)的每个光通道(26，28)。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的光学系统，其特征在于：所述第二光学布置(20)被设计为通过位置调整来改变所述入射光束(42)在所述第二维度(Y)上的束宽度(B)。
5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于：所述第二光学布置(20)被设计为通过围绕所述光传播方向的旋转来改变所述入射光束(42)在所述第二维度(Y)上的束宽度(B)。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的光学系统，其特征在于：所述第二光学布置(20)具有至少一个光学元件(44)，所述光学元件(44)具有在所述第一维度(X)上具有一维散射和/或衍射效果的结构。
7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于：所述至少一个光学元件(44)是衍射光学元件。
8.如权利要求3、6或7所述的光学系统，其特征在于：所述具有散射和/或衍射效果的结构具有形成非周期部分结构(58)的结构元件，其中每个部分结构(58)形成所述部分区域(46，48，50)中的一个，从所述部分区域(46，48，50)分别出射的光至少近似包含整个角度信息。
9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于：在所述第一维度(X)上，所述光学元件(44)的具有散射和/或衍射效果的结构的各个相邻部分结构(58)之间的距离和/或所述部分结构(58)的尺寸是不同的。
10.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于：选择所述光学元件(44)的具有散射和/或衍射效果的结构的各个相邻部分结构(58)之间的距离的平均距离，使得来自于入射到所述第二光学布置(20)上的光束(42)的每个横向相干单元的光被近似在整个束长度(L)上从所述第一光学布置(18)引导到所述基底平面(14)中。
11.如权利要求9或10所述的光学系统，其特征在于：选择所述光学元件(44)的具有散射和/或衍射效果的结构的各个相邻部分结构(58)之间的距离的平均距离，使得由所述第一光学布置(18)在所述基底平面(14)中产生的干涉对比度被最小化。
12.如权利要求11所述的光学系统，其特征在于各个相邻部分结构(58)之间的距离的平均距离满足以下关系：
所述光束的光的横向相干长度lc＜所述部分结构(58)之间的平均距离。
13.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于各个相邻部分结构(58)之间的距离的平均距离满足以下关系：
1/3＜所述部分结构(58)之间的平均距离/所述光束的光的横向相干长度lc＜5，
优选
1＜所述部分结构(58)之间的平均距离/所述光束的光的横向相干长度lc＜3。
14.如权利要求4至13中的任一项所述的光学系统，其特征在于：具有在所述第一维度(X)中具有一维散射和/或衍射效果的结构的光学元件(44)围绕所述光传播方向的轴(7)是可旋转的。
15.如权利要求4至14中的任一项所述的光学系统，其特征在于：所述第二光学布置(20)具有聚光器光学单元(52)，其中具有在所述第一维度(X)中具有一维散射和/或衍射效果的结构的所述至少一个光学元件(44)与所述聚光器光学单元(52)一起产生所述第一光学布置(18)的均匀照明。
16.如权利要求1至15中的任一项所述的光学系统，其特征在于：所述第一光学布置(18)具有至少一个圆柱透镜阵列(64)，其中单独圆柱透镜的圆柱轴取向在所述第二维度上，并且其中所述单独圆柱透镜优选为平凸圆柱透镜。
17.如权利要求16所述的光学系统，其特征在于：为了在所述第一维度(X)上横向界定所述入射光束，通过楔形光透射边缘区域(66，68)分别界定所述圆柱透镜阵列(64)。
18.如权利要求17所述的光学系统，其特征在于：所述楔形光透射边缘区域(66，68)的表面(70，72)在所述第二维度(Y)上相对于垂直于所述光传播方向(Z)的平面倾斜。
19.如权利要求16至18中的任一项所述的光学系统，其特征在于：所述第一光学布置(18)具有带有至少一个双凹透镜(40)的聚光器光学单元(36)。
20.如权利要求19所述的光学系统，其特征在于：为了校正所述基底平面(14)中的光束的均匀性的非恒定分布而适配所述双凹透镜(40)的弯曲度。
21.如权利要求1至20中的任一项所述的光学系统，其特征在于：第三光学布置(74)在所述第二维度(Y)上将所述入射光束聚焦到所述基底平面中，其中所述第三光学布置(74)由多个反射镜(82，84)构成。
22.如权利要求21所述的光学系统，其特征在于：所述第三光学布置(74)具有至少两个圆柱反射镜(82，84)，所述至少两个圆柱反射镜(82，84)的相应圆柱轴在所述第一维度(X)上延伸，其中所述第一反射镜(82)是凸反射镜并且所述第二反射镜(84)是凹反射镜。
23.如权利要求1至22中的任一项所述的光学系统，其特征在于：存在用于在所述第二维度(Y)上界定光束的光学元件(86)，其中所述用于光束界定的光学元件(86)的透射范围(88)可变化地设置。
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