CN103703408A - 激光照明装置 - Google Patents

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Abstract

在激光照明装置中，在从光源射出的脉冲激光的光路上配置有蝇眼透镜和聚光透镜，在光源与蝇眼透镜之间，或在蝇眼透镜与聚光透镜之间，配置有电光晶体元件，该电光晶体元件使脉冲激光相对于入射光使其偏转方向连续地变化而进行透射。该电光晶体元件例如由1对电极和配置在该电极之间的光学晶体材料构成，通过在电极之间施加电压而产生电场，从而电晶体元件的折射率变化。由此，能降低蝇眼透镜的透射光的由干涉条纹造成的照明不均匀。

Description

激光照明装置
技术领域
本发明涉及在激光退火(laser annealing)等中使用的激光照明装置，特别是，涉及能降低由透射蝇眼透镜(fly′s eye lens)而强度被均匀化的脉冲激光的干涉条纹造成的照明不均匀的激光照明装置。
背景技术
以往，在激光退火等中使用的激光照明装置中，为了使与激光的光轴垂直的面内的强度均匀化而使用蝇眼透镜。即，蝇眼透镜是多个凸透镜呈棋盘状配置而作为整体呈大致平板状形成的，通过使激光透射蝇眼透镜，从而透射各凸透镜的光在分别汇聚于焦点后进行扩散，被分割为多个的激光重叠地向下一光学系统构件入射。由此，即使在蝇眼透镜的入射光例如在与光轴垂直的面内具有不均匀的强度分布的情况下，也能使该强度分布均匀化。例如，从光源射出的激光的强度在与光轴垂直的面内具有高斯分布，或者，有时例如由于被全反射镜等光学构件反射而产生照度不均匀，但是，通过设置蝇眼透镜，从而能消除这些情况。
但是，在激光照明装置中使用蝇眼透镜的情况下，由于激光的相于性(可干涉性)，在激光的照射区域会产生干涉条纹，由此存在产生照明不均匀的问题。
因此，提出了各种用于降低由于透射蝇眼透镜而产生的干涉条纹的技术。例如，在专利文献1中，在扩大激光的宽度的光束扩展器(beam expander)与蝇眼透镜之间设置有用于降低激光的干涉的光程差调整构件。
另外，本申请的发明人在专利文献2中提出了如下的技术，即，在从光源射出的激光的光路上，配置由多个光透射性构件构成的第1光程差调整构件，使第1光程差调整构件的透射光透射蝇眼透镜而使激光的强度均匀化，在使其透射聚光透镜而成为平行光之后，使其透射由多个板状的光透射性构件构成的第2光程差调整构件，进而使该透射光透射蝇眼透镜，由此，降低干涉条纹。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2004-12757号公报；
专利文献2：特开2010-182731号公报。
发明内容
发明要解决的课题
然而，即使利用上述专利文献1和2的激光照明装置，仍存在无法充分地降低干涉条纹的情况。例如，因为光程差调整构件具有一定的光程长，所要需要根据各激光的波长进行更换，在只使激光的波长变化的情况下，会产生干涉条纹，由此，存在在激光的照射区域产生照明不均匀的问题。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于，提供一种能降低由蝇眼透镜的透射光的干涉条纹造成的照明不均匀的激光照明装置。
用于解决课题的方案
本发明的激光照明装置具有：光源，射出脉冲激光；均匀化化构件，配置在来自该光源的脉冲激光的光路上，使所述脉冲激光的强度在与光轴垂直的面内均匀化；以及聚光透镜，配置在透射所述均匀化构件的脉冲激光的光路上，使入射光变成平行光而透射，所述激光照明装置的特征在于，具有电光晶体元件，配置在所述光源与所述均匀化构件之间或所述均匀化构件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，以相对于入射光使其偏转方向连续地变化的方式进行透射。
在本发明的激光照明装置中，所述均匀化构件例如是蝇眼透镜或棒形透镜(rod lens)。此外，所述电光晶体元件具有与所述脉冲激光的光轴平行地配置的1对电极和配置在该电极之间的光学晶体材料，通过在所述电极之间施加电压而产生电场，从而使所述电光晶体元件的折射率变化，使其偏转方向相对于所述入射光进行变化。在该情况下，优选施加在所述电极之间的电压的周期与所述脉冲激光的周期同步。
本发明的激光照明装置例如还具有光扩散元件，该光扩散元件配置在所述电光晶体元件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，使入射光以从其光轴变宽的方式扩散，并进行透射，或者，本发明的激光照明装置还具有偏转元件，该偏转元件配置在所述电光晶体元件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，使入射光相对于其光轴偏转而进行透射。或者，激光照明装置还具有：偏转元件，配置在透射所述电光晶体元件的激光脉冲光的光路上，使入射光相对于其光轴偏转而进行透射；以及光扩散元件，使该偏转元件的透射光以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射，所述光扩散元件的透射光入射到所述聚光透镜。
本发明的激光照明装置，其特征在于，具有：光源，射出脉冲激光；一个或多个蝇眼透镜，配置在来自该光源的脉冲激光的光路上，使所述脉冲激光的强度在与光轴垂直的面内均匀化；多个聚光透镜，配置在透射所述蝇眼透镜的脉冲激光的光路上，使入射光变成平行光而进行透射；第1电光晶体元件，配置在所述光源与配置在最终级的聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，相对于入射光使其偏转方向在与所述激光的光轴垂直的面内在X方向上连续地变化而进行透射；第2电光晶体元件，配置在所述光源与最终级的聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，相对于入射光使其偏转方向在与所述激光的光轴垂直的面内在与所述X方向垂直的Y方向上连续地变化而进行透射；以及控制部，相互关联地控制对所述各电光晶体元件的施加电压，使由所述蝇眼透镜造成的照射面上的干涉条纹以二维方式进行连续移动。
在本发明的激光照明装置中，例如，各所述电光晶体元件具有与所述脉冲激光的光轴平行地配置的1对电极和配置在该电极之间的光学晶体材料，通过在所述电极之间施加电压而产生电场，从而使所述电光晶体元件的折射率变化，使其偏转方向相对于所述入射光变化。在该情况下，优选施加在所述电极之间的电压的周期与所述脉冲激光的周期同步。
此外，优选所述控制部以由所述第1电光晶体元件造成的激光的偏转方向的变化速度与由所述第2电光晶体元件造成的激光的偏转方向的变化速度相比为高速的方式控制所述施加电压。
本发明的激光照明装置还能具有光扩散元件，该光扩散元件配置在所述电光晶体元件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，使入射光以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射，或者，本发明的激光照明装置还能具有偏转元件，该偏转元件配置在所述电光晶体元件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，使入射光相对于其光轴偏转而进行透射。
发明效果
本发明的激光照明装置在光源与均匀化构件之间或均匀化构件与聚光透镜之间的脉冲激光的光路上具有相对于入射光使其偏转方向连续地变化而进行透射的电光晶体元件，因此，透射均匀化构件而强度被均匀化的脉冲激光通过透射电光晶体元件，从而其偏转方向连续地变化，或者，通过电光晶体元件以偏转方向连续地变化的方式透射的脉冲激光透射均匀化构件而强度被均匀化。因此，由透射均匀化构件造成的干涉条纹的产生位置连续地变化，由此，关于从激光照明装置射出的脉冲激光，其亮度在激光的照射区域的整体中被均匀化，能降低照明不均匀。
本发明的激光照明装置通过使脉冲激光通过蝇眼透镜，从而以二维方式使脉冲激光的光强度均匀化，通过第1和第2电光晶体元件使在透射该蝇眼透镜时产生的干涉条纹以二维方式移动，防止照度不均匀。即，在脉冲激光透射第1电光晶体元件时，关于脉冲激光，其偏转方向在与光轴垂直的面内在X方向上连续地变化，在脉冲激光透射第2电光晶体元件时，关于脉冲激光，其偏转方向在与光轴垂直的面内在Y方向上连续地变化。因此，通过控制部相互关联地控制施加在第1和第2电光晶体元件的驱动电压，从而关于脉冲激光，其偏转方向在X方向和Y方向上变化，透射蝇眼透镜而产生的干涉条纹在与激光的光轴垂直的面内以X方向和Y方向的二维方式进行移动。即，干涉条纹例如在包括X方向和Y方向的X-Y面内呈波状移动。因此，在从激光照明装置射出的脉冲激光中，能降低由干涉条纹造成的照度不均匀，其亮度在激光的照射区域的整体中被均匀化，能降低照明不均匀。
附图说明：
图1是示出本发明的第1实施方式的激光照明装置的结构的示意图。
图2(a)至图2(c)是示出本发明的实施方式的电光晶体元件的结构的图。
图3是示出本发明的实施方式的电光晶体元件的施加电压波形与脉冲激光的激光输出波形的关系的图。
图4的(a)是示出来自本发明的实施方式的激光照明装置的射出光的示意图，4(b)是作为一个例子示出由该射出光产生的干涉条纹的波形的图。
图5是示出本发明的第2实施方式的激光照明装置的结构的示意图。
图6是示出本发明的实施方式的偏转元件的一个例子的图。
图7是示出本发明的第3实施方式的激光照明装置的结构的示意图。
图8是示出表示本发明的实施方式的光扩散元件的一个例子的图。
图9是示出本发明的第4实施方式的激光照明装置的结构的示意图。
图10是示出本发明的第5实施方式的激光照明装置的结构的示意图。
图11是示出本实施方式的激光输出和电光晶体元件的X方向以及Y方向的驱动电压的扫描的图。
图12是示出本实施方式的干涉条纹的移动的图。
图13是示出本发明的第6实施方式的激光照明装置的结构的示意图。
图14是示出本实施方式的偏转元件的一个例子的图。
图15是示出本发明的第7实施方式的激光照明装置的结构的示意图。
图16是示出本实施方式的光扩散元件的一个例子的图。
图17是示出本发明的第8实施方式的激光照明装置的结构的示意图。
图18是示出使激光的偏转方向在一个方向上变化的情况下的驱动电压的波形等的图。
图19是示出使激光的偏转方向在一个方向变化的情况下的干涉条纹(用点表示)的减少的图。
图20的(a)是示出使激光的偏转方向在X方向和Y方向这两个方向上变化的情况下的驱动电压的波形的图，(b)是示出由其造成的干涉条纹点的移动的图。
图21是示出使激光的偏转方向在X方向和Y方向这两个方向上变化的情况下的干涉条纹(用点表示)的减少的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式的激光照明装置进行说明。图1是示出本发明的第1实施方式的激光照明装置的结构的示意图，图2(a)至图2(c)是示出在本发明的实施方式中使用的电光晶体元件的结构的图。本发明的激光照明装置与以往的激光照明装置同样地具有：射出脉冲激光11的光源1；作为使脉冲激光的强度在与光轴垂直的面内均匀化的均匀化构件的(第1)蝇眼透镜2；以及设置于激光的最下游侧，使入射光成为平行光而进行透射的(第2)聚光透镜32。在本实施方式中，像图1所示的那样，在激光照明装置中，在透射蝇眼透镜2的脉冲激光12的光路上设置有第1聚光透镜31，通过透射该第1聚光透镜31，从而蝇眼透镜2的透射光12成为平行光13。此外，在第1聚光透镜31的透射光13的光路上还设置有第2蝇眼透镜4，由此，以脉冲激光的在与光轴垂直的面内的强度进一步被均匀化的方式构成。
在本实施方式中，按照下述方式构成，即，如图1所示，在透射第2蝇眼透镜4的脉冲激光的光路上设置有电光晶体元件5，关于入射到电光晶体元件5的光，使其偏转方向连续地变化而进行透射。而且，电光晶体元件5的透射光透射第2聚光透镜32，作为平行光的脉冲激光而射出。另外，在本发明中，例如还可以如图1所示，在各光学元件之间配置全反射镜等光学构件。
光源1是射出脉冲激光的激光光源，例如，通过有Q开关造成的激光振荡以规定的周期呈脉冲状射出激光。例如，脉冲激光的频率为50Hz(周期：20毫秒)，脉冲宽度为220纳秒。
在作为使激光强度均匀化的均匀化构件的第1和第2蝇眼透镜2、4中，与以往同样地，多个凸透镜呈棋盘状配置，作为整体呈大致平板状形成，通过使激光透射蝇眼透镜，从而透射各凸透镜的光分别在汇聚于焦点后进行扩散，被分成多个的激光重叠地向下一个光学系统构件入射，由此，即使在蝇眼透镜2、4的入射光例如在与光轴垂直的面内具有不均匀的强度分布的情况下，也能使该强度分布均匀化。另外，虽然在本实施方式中对作为均匀化构件设置有蝇眼透镜的情况进行说明，但是，作为均匀化构件，例如还能使用棒形透镜。即，棒形透镜由柱状的光透射性材料构成，对其两端面进行了研磨，从一方的端面入射的扩散光通过在从另一方的端面射出为止的期间在光透射部内进行多次反射，从而能使激光的强度均匀化。或者，棒形透镜由圆柱状的光透射性的材料构成，当在其侧面入射平行光时，在通过光透射部的期间，在与光轴垂直的面内汇聚后，进行扩散而射出，由此，能使激光的强度均匀化。
第1和第2聚光透镜31、32是所谓的聚束透镜，入射到聚光透镜的曝光光作为平行光进行透射。
电光晶体元件5例如如图2(a)所示，由与脉冲激光10的光轴平行地配置的1对电极52、53和配置在电极52、53之间的光学晶体材料51构成，以能在电极52、53之间施加电压的方式构成。光学晶体材料51例如是由Li和Nb构成的光透射性的晶体材料(LN晶体材料)，通过在电极52、53之间施加电压而产生电场E，从而光学晶体材料51的折射率变化。即，如图2(b)所示，在施加在电极52、53之间的电压为0的情况下，不产生电场E(E=0)，入射到光学晶体材料51的脉冲激光10在不改变偏转方向的情况下按其原样地透射(图2(b)中的透射光10a)，当如图2(c)所示在电极52、53之间施加电压时，通过产生电极E，从而入射到光学晶体材料51的脉冲激光10相对于入射方向使其偏转方向变化而进行透射(图2(c)中的透射光10b)。例如，在光学晶体材料51为LN晶体材料的情况下，透射的光的波长为370至5000nm，包括所使用的脉冲激光的波长。LN晶体材料的折射率n相对于通过施加电压而产生的电场E[V／m]由下述数学式1和2给出，与电场的强度E成比例。另外，下述数学式1和2中的ne和r33分别是系数，例如，在脉冲激光的波长为1064nm时，ne＝2.156，r33=3.2×10-11[m/V]。
[数学式1]
n＝ne+Δn
[数学式2]
Δn＝0.5×ne 3×r33×E
关于施加在电光晶体元件5的电极52、53之间的电压，例如，如图3所示，以连续地变化的方式施加。因此，电光晶体元件5的透射光的偏转方向也连续地变化。另外，在图3中，与对电光晶体元件的施加电压波形并列地表示脉冲激光的激光输出波形。
优选如图3所示，关于施加在电光晶体元件5的电极52、53之间的电压，其周期与脉冲激光的周期同步。即，当从光源1通过由Q开关造成的激光振荡而射出脉冲激光时，脉冲激光的输出会慢慢地增大，在最大值附近反复进行增减后减少，最终为0。此时，在射出脉冲激光的定时，输出触发脉冲，相对该触发脉冲在规定的延迟时间t后，开始在电极52、53之间施加电压，产生电场E。如图3所示，使施加在电极52、53之间的电压例如为斜坡(ramp)波形的电压，随着时间的经过，慢慢地使两电极之间的电压增加，在规定时间后返回到0。像这样，通过使施加电压的周期与脉冲激光的周期同步，从而施加在电极52、53之间的电压的控制变得容易。
在本实施方式中，设置电光晶体元件5，由此，使入射光的偏转方向连续地变化，因此，关于由透射蝇眼透镜2、4而造成的干涉条纹，其位置连续地变化。因此，关于从激光照明装置射出的脉冲激光，其亮度在激光的照射区域的整体中被均化化。图4(a)是示出来自本发明的实施方式的激光照明装置的射出光的示意图，图4(b)是作为一个例子示出由该射出光产生的干涉条纹的波形的图。在未设置电光晶体元件5的情况下，如图4(a)所示，例如以150μm间距产生干涉条纹。该干涉条纹例如如图4(b)中虚线所示，相对于规定的亮度具有±12％的宽度，由此，激光的照射区域中的照明不均匀变大。与此相对地，在设置有电光晶体元件5的情况下，虽然产生干涉条纹的间距例如为与150μm相同程度，但是，关于各激光，因为偏转方向连续地变化，所以亮度的误差范围例如为±3％，能做得极小。因此，能有效地降低激光的照射区域中的照明不均匀。
接着，对第1实施方式的激光照明装置的动作进行说明。首先，从光源1例如通过由Q开关造成的激光振荡，在规定的定时射出激光11。激光11的输出慢慢地增大，在最大值附近反复进行增减后减少，最终为0。然后，在规定时间后，再次通过激光振荡反复进行激光11的射出。由此，从光源1射出的激光为呈脉冲状间歇性地射出的脉冲激光。此时，在射出激光11的定时，输出触发脉冲，将该触发脉冲作为在电光晶体元件5的电极之间施加电压的触发使用。
从光源1射出的脉冲激光11入射到第1蝇眼透镜2。在第1蝇眼透镜2中，多个凸透镜呈棋盘状排列，入射光作为对各凸透镜的入射光而被分割，在透射各凸透镜后，按每个凸透镜分别汇聚于焦点，进行扩散。然后，被分割为多个的脉冲激光12重叠地照射在第1聚光透镜31。由此，透射第1蝇眼透镜2、入射到聚光透镜31的脉冲激光12在与光轴垂直的面内强度分布被均匀化。
透射聚光透镜31而成为平行光的脉冲激光13通过透射第2蝇眼透镜4，从而强度分布进一步被均匀化。然后，入射到电光晶体元件5的光学晶体材料51(例如，LN晶体材料)。在该电光晶体元件5中，以夹着光学晶体材料51的方式配置有1对电极，从所述触发脉冲起在规定的延迟时间t后，开始对对电极52、53之间施加电压，产生电场E。施加在电极52、53之间的电压例如为斜坡波形的电压，随着时间的经过，两电极之间的电压慢慢地增加，在规定时间后，例如，与脉冲激光的周期同步地返回到0。
伴随该电极52、53之间的电压的变化，光学晶体材料51的折射率连续地变化。因此，关于入射到电光晶体元件5的脉冲激光，其偏转方向连续地变化而进行透射。透射电光晶体元件5的脉冲激光15透射第2聚光透镜32，对激光的照射对象以平行光射出。
在以往的激光照射装置中，因为脉冲激光的偏转方向是恒定的，所以在激光的照射区域会产生干涉条纹，由此，存在产生照度不均匀的问题，但是，在本实施方式中，因为通过电光晶体元件5使激光的偏转方向连续地变化，所以，产生干涉条纹的位置连续地变化，亮度在激光的照射区域的整体被均匀化。因此，能有效地降低激光的照射区域中的照明不均匀。
此外，虽然在本实施方式中，以激光的强度的均匀化为目的，设置有2个蝇眼透镜，但是，在能使激光的强度充分地均匀化的情况下，也可以设置1个蝇眼透镜。此外，关于激光的光路上的上游侧的(第1)聚光透镜31，也可以不设置。
接着，对本发明的第2实施方式的激光照明装置进行说明。图5是示出本发明的第2实施方式的激光照明装置的结构的示意图。如图5所示，在本实施方式的激光照明装置中，在电光晶体元件5与第2聚光透镜32之间的脉冲激光15的光路上设置有偏转元件6。如图6所示，偏转元件6是所谓的楔角棱镜，该楔角棱镜以如下方式构成，即，例如，以由光透射性的材料构成的板状的构件的一个面倾斜的方式成形，例如在从未倾斜的一侧的面入射脉冲激光10的情况下，在倾斜面中使其偏转方向变化。在本实施方式中，如图6所示，偏转元件6例如以未倾斜的一侧的面相对于脉冲激光的光轴垂直的方式配置，相对于所述光轴以可旋转的方式构成，由此，脉冲激光15的偏转方向连续地变化。例如，在进行对一处激光照射部位平均照射N次的脉冲激光的照射的情况下，设激光的频率为F[Hz]，则该偏转元件6的旋转速度为F／N×60[rpm]。
像这样，在本实施方式中，通过设置使入射光相对于其光轴偏转而进行透射的偏转元件6，从而除了由电光晶体元件5造成的连续的偏转方向的变化以外，通过偏转元件6也能使脉冲激光的偏转方向连续地变化，因此，与第1实施方式相比，可进一步抑制由干涉条纹造成的照度不均匀的产生。
另外，在本实施方式中，也能进行与第1实施方式同样的各种变形。
接着，对本发明的第3实施方式的激光照明装置进行说明。图7是示出本发明的第3实施方式的激光照明装置的结构的示意图。如图7所示，在本实施方式的激光照明装置中，在电光晶体元件5与第2聚光透镜32之间的脉冲激光15的光路上设置有光扩散元件7。如图8所示，光扩散元件7例如为在光透射性的板状的构件的一个面形成有磨砂玻璃状的粗糙面的所谓的扩散板，以如下方式构成，即，使入射的脉冲激光10以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射(图8中的透射光10d)。由此，对光扩散元件7的入射光15的偏转方向扩散而进行透射。
在本实施方式中，通过设置使入射光以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射的光扩散元件7，从而透射电光晶体元件5、偏转方向连续地变化的脉冲激光15通过透射光扩散元件，从而使偏转方向进一步扩散，因此，与第1实施方式相比，可抑制干涉条纹的产生，能有效地防止照度不均匀的产生。
另外，在本实施方式中，也能进行与第1实施方式同样的各种变形。
接着，对本发明的第4实施方式的激光照明装置进行说明。在本实施方式中，如图9所示，在第1实施方式的激光照明装置中，在电光晶体元件5与第2聚光透镜32之间的脉冲激光15的光路上，设置有第2实施方式的偏转元件6和第3实施方式的光扩散元件7。省略各结构的详细的说明。
在本实施方式中，通过设置使入射光相对于其光轴偏转而进行透射的偏转元件6和使入射光以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射的光扩散元件7，从而除了由电光晶体元件5造成的连续的偏转方向的变化以外，通过偏转元件6也能使脉冲激光的偏转方向连续地变化，进而，通过脉冲激光15透射光扩散元件，从而偏转方向扩散，因此，与第1至第3实施方式相比，能最有效地防止由干涉条纹造成的照度不均匀的产生。
如上所述，在本发明中，通过将电光晶体元件设置在脉冲激光的光路上，相对于入射光使其偏转方向连续地变化而进行透射，从而由透射蝇眼透镜造成的干涉条纹的产生位置连续地变化，由此，关于从激光照明装置射出的脉冲激光，其亮度在激光的照射区域的整体中被均匀化，能降低照明不均匀。
接着，对本发明的第5实施方式的激光照明装置进行说明。图10是示出本发明的第5实施方式的激光照明装置的结构的示意图。在图10中，对于与图1相同的结构物标注相同附图标记，省略其详细的说明。在本实施方式中，以如下方式构成，即，如图10所示，在透射第2蝇眼透镜4的脉冲激光的光路上，以串联方式设置有第1电光晶体元件5A和第2电光晶体元件5B，关于入射到电光晶体元件5A、5B的激光，其偏转方向连续地以二维方式变化而进行透射。在这些第1电光晶体元件5A与第2电光晶体元件5B之间，配置有半波片8(λ／2片)，半波片8对于透射第1电光晶体元件5A的激光脉冲光14，使其产生180°的相位差，在改变直线偏振光的偏转方向之后，使其入射到第2电光晶体元件5B。然后，电光晶体元件5A、5B的透射光透射第2聚光透镜32，作为平行光的脉冲激光而射出。另外，在本发明中，例如可以如图10所示，在各光学元件之间配置全反射镜等光学构件。
电光晶体元件5(5A、5B)以如下方式构成，即，例如如前述的图2(a)所示，由与脉冲激光10的光轴平行地配置的1对三角形的电极52、53以及配置在这些电极52、53之间的长方体状的光学晶体材料51构成，能在电极52、53之间施加电压。电极52、53呈三角形，光学晶体材料51夹在该电极52、53之间，但是，在不存在电极52、53的部分，光学晶体材料51的上表面和下表面露出。光学晶体材料51例如是由Li和Nb构成的光透射性的晶体材料(LN晶体材料)，通过在电极52、53之间施加电压而产生电场E，从而在电极52、53之间的光学晶体材料51的部分与不存在电极52、53的光学晶体材料51的部分的边界，光学晶体材料51的折射率变化。即，如图2(b)所示，在施加于电极52、53之间的电压为0的情况下，不产生电场E(E=0)，入射到光学晶体材料51的脉冲激光10在不改变偏转方向的情况下按其原样地进行透射(图2(b)中的透射光10a)，如图2(c)所示，当在电极52、53之间施加电压时，通过产生电场E，从而入射到光学晶体材料51的脉冲激光10相对于入射方向使其偏转方向变化而进行透射(图2(c)中的透射光10b)。例如，在光学晶体材料51为LN晶体材料的情况下，透射的光的波长为370至5000nm，包括所使用的脉冲激光的波长。LN晶体材料的折射率n相对于通过施加电压而产生的电场E[V／m]可由所述数学式1和2给出，与电场的强度E成比例。另外，如前所述，数学式1和2中的ne和r33分别是系数，例如，在脉冲激光的波长为1064nm时，ne＝2.156，r33=3.2×10-11[m／V]。
在本实施方式中，施加在电光晶体元件5的电极52、53之间的电压例如如图3所示，也以连续地变化的方式施加。另一方面，在本实施方式中，与第1实施方式不同，通过在第1电光晶体元件5A的电极之间施加电压，从而对于透射第1电光晶体元件5A的激光，在与图12所示的激光的光轴垂直的面S内，使激光在某个指定的X方向，例如，在水平方向上偏转。另一方面，第2电光晶体元件5B通过施加电压，从而对于激光，在图12所示的面S内，使激光在与X方向垂直的Y方向，例如，在垂直方向上偏转。由此，如图12所示，干涉条纹点8在X-Y面内以二维方式移动。因为该X方向用的第1电光晶体元件5A与Y方向用的第2电光晶体元件5B的晶轴方向相差90°，所以需要使激光的偏振面也相差90°。因此，在第1电光晶体元件5A与第2电光晶体元件5B之间设置半波片8，通过该半波片8使透射第1电光晶体元件5A的激光的偏振面旋转90°之后，入射到第2电光晶体元件5B。
图11是示出激光的脉冲与由第1和第2电光晶体元件5A、5B造成的偏转方向的关系的图。在激光的1个脉冲中，在第1电光晶体元件5A施加以3个周期变化的电压，对透射第1电光晶体元件5A的激光在X方向上赋予以3个周期变化的偏转。此外，在该激光的1个脉冲中，在第2电光晶体元件5B以在电压临时上升后，电压慢慢地降低的模式(pattern)施加电压，在Y方向上赋予以微速的1个周期变化的偏转。在图5中，虽然在没有对激光赋予偏转的情况下，由蝇眼透镜产生的干涉条纹点8呈现格子状，但是，关于各干涉条纹8，通过在X方向和Y方向上相互关联地控制所述激光的偏转方向，从而在Y方向上呈波状移动。干涉条纹8通过像这样以二维方式移动，从而在照明光的照射面中，不会出现照明光的强度不均匀。因此，关于从激光照明装置射出的脉冲激光，其亮度在激光的照射区域的整体中被均匀化。另外，当使干涉条纹点8的出现间距在X方向和Y方向上为d(例如，150μm)时，优选使1个脉冲的X方向上的干涉条纹点8的移动距离(振幅)与该d一致，此外，优选使Y方向上的干涉条纹点8的移动距离也与d一致。由此，干涉条纹点8在被存在于格子位置的4个干涉条纹点8所包围的区域中，以二维方式移动，因此，存在于格子位置的全部的干涉条纹点8在不受到在X方向和Y方向上邻接的干涉条纹点8的影响的情况下，高效地移动，能使亮度均匀化，能有效地降低激光的照射区域中的照明不均匀。
接着，对本发明的第5实施方式的激光照明装置的动作进行说明。首先，从光源1例如通过由Q开关造成的激光振荡，在规定的定时射出激光11。激光11的输出慢慢地增大，在最大值附近反复进行增减后减少，最终为0。接着，在规定时间后，通过再次的激光振荡，反复进行激光11的射出。由此，从光源1射出的激光为呈脉冲状间歇性地射出的脉冲激光。此时，在射出激光11的定时，输出触发脉冲，将该触发脉冲作为在电光晶体元件5的电极之间施加电压的触发使用。
从光源1射出的脉冲激光11入射到第1蝇眼透镜2。在第1蝇眼透镜2中，多个凸透镜呈棋盘状排列，入射光作为对各凸透镜的入射光而被分割，在透射各凸透镜之后，按每个凸透镜分别汇聚于焦点并扩散。然后，被分割为多个的脉冲激光12重叠地照射在第1聚光透镜31。由此，透射第1蝇眼透镜2并入射到聚光透镜31的脉冲激光12在与光轴垂直的面内迁都分布被均匀化。
透射聚光透镜31而成为平行光的脉冲激光13通过透射第2蝇眼透镜4，从而强度分布进一步被均匀化。然后，透射第2蝇眼透镜4之后的激光14入射到电光晶体元件5A、5B的光学晶体材料51(例如，LN晶体材料)。在该电光晶体元件5A、5B中，以夹着光学晶体材料51的方式配置有1对电极，在从所述触发脉冲起规定的延迟时间t后，开始对电极52、53之间施加电压而产生电场E。施加在电极52、53之间的电压例如为斜坡波形的电压，随着时间的经过，两电极之间的电压慢慢地增加，在规定时间后，例如与脉冲激光的周期同步地返回到0。
伴随该电极52、53之间的电压的变化，光学晶体材料51的折射率连续地变化。因此，关于入射到电光晶体元件5A、5B的脉冲激光，其偏转方向连续地变化而进行透射。透射电光晶体元件5的脉冲激光15透射第2聚光透镜32，以平行光射出到激光的照射对象。
在以往的激光照射装置中，因为脉冲激光的偏转方向是恒定的，所以在激光的照射区域产生干涉条纹，由此，存在产生照度不均匀的问题，但是，在本实施方式中，因为通过电光晶体元件5A、5B使激光的偏转方向在X方向和Y方向上连续地变化，所以产生干涉条纹的位置连续地变化，以二维方式移动，因此，亮度在激光的照射区域的整体中被均匀化。因此，能有效地降低激光的照射区域中的照度不均匀。
另外，如图18所示，当例如在220ns的激光脉冲透射电光晶体元件(LN晶体)的定时，在1个LN晶体施加脉冲电压时，能使激光的偏转方向只在一个方向上连续地变化。在该情况下，如图19所示，与没有对LN晶体施加脉冲电压、未进行激光的偏转方向的控制的情况相比，由干涉条纹造成的照度不均匀也会减少。
另一方面，在本发明的情况下，如图20(a)、(b)所示，对于第1电光晶体元件5A扫描(X方向扫描)驱动电压，使激光的偏转方向在X方向上变化，对于第2电光晶体元件5B扫描(Y方向扫描)驱动电压，使激光的偏转方向在Y方向上变化，因此，干涉条纹点以二维方式移动。因此，像在图21中示出干涉条纹点那样，通过扫描开启(scan ON)，由干涉条纹造成的照度不均匀更进一步显著地减少。另外，相对于图19的条件2是重合了4次照射的平均的分布，图21(扫描开启)只是1次照射的分布，因此，图21(扫描开启)与图19(条件2)相比，看上去干涉条纹更多。
另外，像本实施方式那样，在使激光的偏转方向关于X方向以高速变化的情况下，在用与低速变化即可的Y方向用的第2电光晶体元件5B相同的光学晶体材料来制作X方向用的第1电光晶体元件5A时，当例如将第2电光晶体元件5B视为用电极52、53夹着光学晶体材料51的1个电容器时，在第1电光晶体元件5A中，就变成以串联方式连接3个该电容器。当在第1电光晶体元件5A为1个的情况下设静电电容为Co时，将3个第1电光晶体元件5A进行串联连接的静电电容就降低到(1／3)Co。由此，整体的电容与第1电光晶体元件5A为1个的情况相比，将3个第1电光晶体元件5A进行串联连接的负载电容降低到1／3，能对应于驱动电压的高速的变化，使折射率以高速变化。
另外，虽然在本实施方式中作为使激光的强度均匀化的目的设置有2个蝇眼透镜，但是，在能充分地使激光的强度均匀化的情况下，也可以只设置1个蝇眼透镜。此外，关于激光的光路上的上游侧的(第1)聚光透镜31，未必需要设置。
接着，对本发明的第6实施方式的激光照明装置进行说明。图13是示出本发明的第6实施方式的激光照明装置的结构的示意图。如图13所示，在本实施方式的激光照明装置中，在电光晶体元件5A、5B与第2聚光透镜32之间的脉冲激光15的光路上设置有偏转元件6。如图14所示，偏转元件6是所谓的楔角棱镜，该楔角棱镜以如下方式构成，即，例如以由光透射性的材料构成的板状的构件的一个面倾斜的方式成形，例如从未倾斜的一侧的面入射脉冲激光15的情况下，在倾斜面中使其偏转方向变化。在本实施方式中，如图14所示，偏转元件6例如以未倾斜的一侧的面相对于脉冲激光15的光轴垂直的方式配置，以相对所述光轴可旋转的方式构成，由此，从偏转元件6射出的脉冲激光16的偏转方向连续地变化。例如在进行对1处的激光照射部位平均照射N次的脉冲激光的照射的情况下，设激光的频率为F[Hz]，则该偏转元件6的旋转速度为F／N×60[rpm]。
像这样，在本实施方式中，通过设置使入射光相对于其光轴偏转而进行透射的偏转元件6，除了由电光晶体元件5A、5B造成的连续的偏转方向的二维方式的变化以外，还能通过偏转元件6使脉冲激光的偏转方向连续地变化，因此，与第5实施方式相比，能进一步抑制由干涉条纹造成的照度不均匀的产生。另外，在本实施方式中，也能进行与第5实施方式同样的各种的变形。
接着，对本发明的第7实施方式的激光照明装置进行说明。图15是示出本发明的第7实施方式的激光照明装置的结构的示意图。如图15所示，在本实施方式的激光照明装置中，在电光晶体元件5A、5B与第2聚光透镜32之间的脉冲激光15的光路上设置有光扩散元件7。如图16所示，光扩散元件7例如是在光透射性的板状的构件的一个面形成有磨砂玻璃状的粗糙面的所谓的扩散板，以如下方式构成，即，使入射的脉冲激光15以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射(图16中的脉冲激光17)。由此，关于光扩散元件7的入射光(脉冲激光15)，偏转方向从光扩散元件7扩散而成为脉冲激光17，入射到聚光透镜32。
在本实施方式中，通过设置使入射光以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射的光扩散元件7，从而透射电光晶体元件5A、5B，偏转方向连续地以二维方式变化的脉冲激光15通过透射光扩散元件7，从而偏转方向扩散，因此，与第5实施方式相比，可抑制干涉条纹的产生，能有效地防止照度不均匀的产生。另外，在本实施方式中，也能进行与第5实施方式同样的各种的变形。
接着，对本发明的第8实施方式的激光照明装置进行说明。在本实施方式中，如图17所示，在第5实施方式的激光照明装置中，在电光晶体元件5A、5B与第2聚光透镜32之间的脉冲激光15的光路上设置有第2实施方式的偏转元件6和第3实施方式的光扩散元件7。省略各结构的详细的说明。
在本实施方式中，通过设置使入射光相对于其光轴偏转而进行透射的偏转元件6和使入射光以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射的光扩散元件7，从而除了由电光晶体元件5A、5B造成的连续的偏转方向的二维方式的变化以外，还能通过偏转元件6使脉冲激光的偏转方向连续地变化，进而，通过脉冲激光透射光扩散元件，从而偏转方向扩散，因此，与第5至7实施方式相比，能最有效地防止由干涉条纹造成的照度不均匀的产生。
如上所述，在本发明中，通过在脉冲激光的光路上设置有第1和第2电光晶体元件，相对入射光使其偏转方向以二维方式连续地变化而进行透射，从而由透射蝇眼透镜造成的干涉条纹的产生位置连续地变化，由此，关于从激光照明装置射出的脉冲激光，其亮度在激光的照射区域的整体中被均匀化，能降低照明不均匀。另外，虽然在上述各实施方式中，提供精细的变化(扫描)的第1电光晶体元件的偏转方向的变化方向为水平方向，提供缓慢的变化(扫描)的第2电光晶体元件的偏转方向的变化方向为垂直方向，但是，也可以与此相反，此外，变化方向不限定于水平和垂直，只要能使干涉条纹以二维方式移动，其变化方向是任意的。
产业上的可利用性
在本发明中，在激光退火等中使用的激光照明装置中，因为能降低蝇眼透镜的透射光的由干涉条纹造成的照明不均匀，所以能在不产生干涉条纹的情况下得到均匀的强度分布的激光，大大有助于提高在退火等中使用的激光的质量。
附图标记说明
1：光源；
2、4：蝇眼透镜；
8：半波片；
10～17：脉冲激光；
31、32：聚光透镜；
5：电光晶体元件(LN晶体元件)；
6：偏转元件(楔角棱镜)；
7：光扩散元件(扩散板)；
51：光学晶体材料(LN晶体材料)；
52、53：电极；
54：电源。

Claims (13)

1.一种激光照明装置，具有：
光源，射出脉冲激光；
均匀化构件，配置在来自该光源的脉冲激光的光路上，使所述脉冲激光的强度在与光轴垂直的面内均匀化；以及
聚光透镜，配置在透射所述均匀化构件的脉冲激光的光路上，使入射光成为平行光而进行透射，所述激光照明装置的特征在于，具有：
电光晶体元件，配置在所述光源与所述均匀化构件之间或所述均匀化构件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，相对于入射光使其偏转方向连续地变化而进行透射。
2.根据权利要求1所述的激光照明装置，其特征在于，
所述均匀化构件是蝇眼透镜或棒形透镜。
3.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，
所述电光晶体元件具有：
1对电极，与所述脉冲激光的光轴平行地配置；以及
光学晶体材料，配置在该电极之间，
通过在所述电极之间施加电压而产生电场，从而使所述电光晶体元件的折射率变化，相对于所述入射光使其偏转方向变化。
4.根据权利要求3所述的激光照明装置，其特征在于，
施加在所述电极之间的电压的周期与所述脉冲激光的周期同步。
5.根据权利要求1至4的任一项所述的激光照明装置，其特征在于，
还具有光扩散元件，配置在所述电光晶体元件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，使入射光以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射。
6.根据权利要求1至4的任一项所述的激光照明装置，其特征在于，
还具有偏转元件，配置在所述电光晶体元件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，使入射光相对于其光轴偏转而进行透射。
7.根据权利要求1至4的任一项所述的激光照明装置，其特征在于，还具有：
偏转元件，配置在透射所述电光晶体元件的激光脉冲光的光路上，使入射光相对于其光轴偏转而进行透射；以及
光扩散元件，使该偏转元件的透射光以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射，
所述光扩散元件的透射光入射到所述聚光透镜。
8.一种激光照明装置，其特征在于，具有：
光源，射出脉冲激光；
1个或多个蝇眼透镜，配置在来自该光源的脉冲激光的光路上，使所述脉冲激光的强度在与光轴垂直的面内均匀化；
多个聚光透镜，配置在透射所述蝇眼透镜的脉冲激光的光路上，使入射光成为平行光而进行透射；
第1电光晶体元件，配置在所述光源与配置在最终级的聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，相对于入射光使其偏转方向在与所述激光的光轴垂直的面内在X方向上连续地变化而进行透射；
第2电光晶体元件，配置在所述光源与最终级的聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，相对于入射光使其偏转方向在与所述激光的光轴垂直的面内在与所述X方向垂直的Y方向上连续地变化而进行透射；以及
控制部，相互关联地控制对所述各电光晶体元件的施加电压，使由所述蝇眼透镜造成的照射面上的干涉条纹以二维方式连续地移动。
9.根据权利要求8所述的激光照明装置，其特征在于，
各所述电光晶体元件具有：
1对电极，与所述脉冲激光的光轴平行地配置；以及
光学晶体材料，配置在该电极之间，
通过在所述电极之间施加电压而产生电场，从而使所述电光晶体元件的折射率变化，相对于所述入射光使其偏转方向变化。
10.根据权利要求8或9所述的激光照明装置，其特征在于，
所述控制部以使由所述第1电光晶体元件造成的激光的偏转方向的变化速度与由所述第2电光晶体元件造成的激光的偏转方向的变化速度相比为高速的方式，控制所述施加电压。
11.根据权利要求9所述的激光照明装置，其特征在于，
对于各所述电光晶体元件，与所述脉冲激光的周期同步地在所述电极之间施加电压。
12.根据权利要求8至11的任一项所述的激光照明装置，其特征在于，
还包括光扩散元件，配置在所述电光晶体元件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，使入射光以从其光轴变宽的方式扩散而进行透射。
13.根据权利要求8至12的任一项所述的激光照明装置，其特征在于，
还包括偏转元件，配置在所述电光晶体元件与所述聚光透镜之间的所述脉冲激光的光路上，使入射光相对于其光轴偏转而进行透射。
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