CN111316154A

CN111316154A - 光学元件以及激光照射装置

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Publication number: CN111316154A
Application number: CN201780096476.1A
Authority: CN
Inventors: 山田隆俊
Original assignee: Caishi Co Ltd
Current assignee: Caishi Co Ltd; Ayase Co Ltd
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2020-06-19
Also published as: JP6496894B1; US20200241309A1; US11460710B2; EP3709074A1; WO2019092833A1; JPWO2019092833A1; EP3709074A4

Abstract

本发明适当地抑制激光的光强的不均匀。具有规定的光强分布的激光(L1)入射至光学元件(22)，使得入射的激光(L1)的与行进方向正交的第1方向上的波像差大于衍射极限，使得与行进方向及第1方向正交的第2方向上的波像差小于或等于衍射极限。

Description

光学元件以及激光照射装置

技术领域

本发明涉及光学元件以及激光照射装置。

背景技术

激光具有光强分布，例如单模激光形成高斯分布。在高斯分布的情况下，光强在光轴附近变高，随着远离光轴而变低。然而，根据用途，有时要求具有均匀光强的激光。例如专利文献1中记载有如下技术，即，利用鲍威尔棱镜进行顶帽变换(top-hattransformation)，由此使在一个方向上较长的线状的激光的光强变得均匀。另外，专利文献2中还记载有利用DOE(Diffractive Optical Element，衍射光学元件)的情况。在利用DOE的情况下，也能够使激光的光强变得均匀。

专利文献1：美国专利第4826299号公报

专利文献2：日本特表2002-520651号公报

发明内容

然而，鲍威尔棱镜以几何光学方式使得激光聚焦，并未以波动光学方式设计，即并未成为考虑了激光的衍射等的设计。因此，在激光产生衍射的情况下，有可能无法利用鲍威尔棱镜适当地使光强变得均匀。激光产生衍射的情况例如是指线状的激光中沿着线的激光宽度小于透镜的宽度的情况等。另外，DOE在产生了衍射的情况下也起作用，但构造微小，因此难以制造，另外，光强分布相对于激光的波长变化容易受到影响等，存有改善的余地。

因此，本发明的目的在于，提供适当地抑制激光的光强的不均匀的光学元件以及激光照射装置。

为了解决上述问题而达成目的，具有规定的光强分布的激光入射至本公开所涉及的光学元件，使得所述入射的激光的、与行进方向正交的第1方向上的波像差大于衍射极限，使得与所述行进方向及所述第1方向正交的第2方向上的波像差小于或等于衍射极限。

优选地，所述光学元件的所述第1方向上的波像差的最大值与最小值之差大于或等于所述激光的波长。

优选地，所述光学元件的沿着所述第1方向的所述激光的波像差的分布在所述第1方向上连续。

优选地，所述光学元件在沿着所述第1方向的所述激光的波像差的曲率分布中，曲率在第1位置处取极大值，在第2位置及第3位置处取小于所述第1位置处的极大值的值，所述第1位置是沿着所述第1方向而处于所述第2位置与所述第3位置之间的位置，且是比所述第2位置及所述第3位置更接近所述激光的光轴的位置。

优选地，所述光学元件将所述激光的沿着所述第1方向的长度比所述光学元件的沿着所述第1方向的长度短的激光射出。

另外，优选地，所述光学元件是非球面的柱面透镜、或非球面的复曲面透镜。

为了解决上述问题而达成目的，本公开所涉及的激光照射装置具有：所述光学元件；以及将所述激光向所述光学元件射出的光源。

发明的效果

根据本发明，能够适当地抑制激光的光强不均匀。

附图说明

图1是本实施方式所涉及的激光照射装置的示意图。

图2是本实施方式所涉及的激光照射装置的示意图。

图3是本实施方式所涉及的光学元件的示意图。

图4是表示从光轴方向观察的激光的强度分布的示意图。

图5是说明对比例的波面的说明图。

图6是说明本实施方式的波面的说明图。

图7是表示本实施方式所涉及的激光的光强分布的一个例子的图。

图8是表示方向X上的波面和激光的光强分布的图。

图9是表示光学元件单元的其他例子的示意图。

图10是表示实施例的波面的形状的曲线图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。此外，本发明并未受到该实施方式的限定，另外，在具有多个实施方式的情况下，还包含对各实施例进行组合而构成的实施方式。

(激光照射装置的结构)

图1及图2是本实施方式所涉及的激光照射装置的示意图。如图1所示，本实施方式所涉及的激光照射装置1具有光源10以及光学元件单元12。光源10发出激光L1，将发出的激光L1向光学元件单元12射出。激光L1具有规定的光强分布。在本实施方式中，激光L1是单模激光，光强分布为高斯分布。激光L1的波长大于或等于405nm小于或等于660nm，但并不局限于该范围，可以是任意波长。此外，高斯分布例如是指下式(1)所示的分布。

[数学式1]

此外，在式(1)中，D(x)是指X方向上的规定位置处的激光的强度分布，α₁为系数。

下面，将激光L1的行进方向设为方向Z，将沿着与方向Z正交的平面的1个方向设为方向X，将沿着与方向Z正交的平面的另1个方向设为方向Y。即，方向Y是与激光L1的行进方向正交的第1方向，方向X是与方向Z及方向Y正交的第2方向。另外，下面，将沿着激光L1的方向Z的中心轴、即光轴设为光轴AX。图1是方向Y朝向纸面上方的图，图2是方向X朝向纸面上方的图。

光学元件单元12是具有多个光学元件的单元，设置为比光源10更靠方向Z侧。在本实施方式中，光学元件单元12具有准直透镜20、光学元件22以及会聚透镜24作为多个光学元件。准直透镜20、光学元件22以及会聚透镜24从光源10侧沿着方向Z按照该顺序而排列。

从光源10射出的激光L1入射至准直透镜20，该准直透镜20将入射的激光L1调整为平行光而射出。从光源10射出的激光L1是发散光。准直透镜20将作为发散光的激光L1调整为平行光而射出。变为平行光而从准直透镜20射出的激光L1沿方向Z行进并入射至光学元件22。

图3是本实施方式所涉及的光学元件的示意图。如图3所示，光学元件22是透镜，由透明的玻璃或树脂等构成。光学元件22是对激光L1赋予规定的波像差的光学元件。

光学元件22具有入射面30以及出射面32。入射面30是光学元件22的准直透镜20侧(光源10侧)的表面，出射面32是光学元件22的方向Z侧的表面。即，出射面32是在方向Z上与入射面30相对的面(入射面30的相反侧的表面)。

来自准直透镜20(光源10)的激光L1从入射面30入射至光学元件22。从入射面30入射的激光L1在光学元件22的内部31行进，从出射面32作为激光L2而射出。激光L2沿着方向Y而具有规定的分布的波像差。激光L2的沿着方向Y的波像差大于衍射极限。另一方面，激光L2的沿着方向X的波像差小于或等于衍射极限。换言之，光学元件22将由准直透镜20校准而从入射面30入射的激光L1作为激光L2从出射面32射出。光学元件22具有如下特性，即，使得该激光L2形成为在方向Y上产生规定的波像差、且在方向X上具有衍射极限性能(变为小于或等于衍射极限性能的波像差)激光。此外，换言之，衍射极限是指无像差。这里的无像差表示波像差的值小于或等于马雷夏尔(日语：マレシャル)的容许值。即，可以将衍射极限的值称为马雷夏尔的容许值。马雷夏尔的容许值是指波像差的均方根(rms值)小于或等于激光L1的1个波长的0.07倍的值。后文中对利用光学元件22赋予的波像差进行详细叙述。此外，图3中的激光L1的相位在从入射面30入射至内部31时以变为如上所述的激光L2的方式而变化，折射减小至能够忽略的程度。但是，激光L1在从入射面30入射至内部31时可以以大于或等于可以忽略的水平的水平进行折射。另外，激光L2的波长保持与激光L1的波长相同。

在本实施方式中，光学元件22的入射面30为非球面的圆柱形状。而且，光学元件22的入射面30形成为如下形状，即，针对激光L2，使得方向Y上的波像差大于衍射极限，使得方向X上的波像差小于或等于衍射极限。如图1所示，入射面30的沿着方向Y的轨迹为接近圆弧的非球面的曲线状(凹状)，如图2所示，沿着方向X的轨迹为直线状。即，入射面30是轴向为方向X的非球面的圆筒状。另外，光学元件22的出射面32为与方向Z正交的平面状。

在本实施方式中，入射面30形成为如下形状，即，针对激光L2，使得方向Y上的波像差大于衍射极限，使得方向X上的波像差小于或等于衍射极限，但并不局限于此。即，入射面30可以为平面状，另一方面，出射面32可以为如下形状(例如非球面)，即，针对激光L2，使得方向Y上的波像差大于衍射极限，使得方向X上的波像差小于或等于衍射极限。另外，入射面30及出射面32的二者为非球面而并非平面状，可以利用这两个面以如下方式进行设计，即，使得方向Y上的波像差大于衍射极限，使得方向X上的波像差小于或等于衍射极限。即，光学元件22的使得激光透过的表面(例如入射面30及出射面32的至少任一者)只要为如下形状即可，即，针对激光L2，使得方向Y上的波像差大于衍射极限，使得方向X上的波像差小于或等于衍射极限。

从光学元件22射出的激光L2入射至会聚透镜24。会聚透镜24使得入射的激光L2作为激光L3以焦点位置与照射对象物100一致的方式会聚射出。即，来自会聚透镜24的激光L3朝向处于焦点位置Pf的照射对象物100照射。也可以将焦点位置Pf称为激光L3的韦斯特波束的位置(波束半径最小的位置)。激光照射装置1形成为上述结构。

图4是表示从光轴方向观察的激光的强度分布的示意图。图4是从方向Z观察从光学元件22射出的激光L3的强度分布的情况下的示意图。图4示出了焦点位置Pf处的激光L3的强度分布。如图4所示，焦点位置Pf处的激光L3形成为如下线状，即，沿着方向Y的长度LY大于沿着方向X的长度LX。优选地，在焦点位置，激光L3的方向Y上的长度与方向X上的长度相比大于或等于3倍而小于或等于90倍。但是，激光L3的方向X、Y上的长度的比率并不局限于此。此外，这里的激光L3的方向X上的长度是指激光L3的、光强大于或等于规定值的区域(例如相对于光轴上的强度大于或等于1/2倍的区域)的沿着方向X的最大长度。同样地，这里的激光L3的方向Y上的长度是指激光L3的、光强大于或等于规定值的区域(例如相对于光轴上的强度大于或等于1/2倍的区域)的沿着方向Y的最大长度。

另外，长度LX比光学元件22、会聚透镜24的沿着方向X的长度(沿着方向X的出射光瞳的长度)短，长度LY也比光学元件22、会聚透镜24的沿着方向Y的长度(沿着方向Y的出射光瞳的长度)短。即，在方向X及方向Y的两个方向上，利用会聚透镜24使得激光L2聚焦。本实施方式中的出射光瞳位置为会聚透镜24的出射面。但是，激光L2可以不在方向Y上聚焦。另外，激光L3可以不必是线状。

这样从会聚透镜24射出的激光L2作为激光L3而向照射对象物100照射。根据激光照射装置1的用途的不同，照射对象物100是任意的。例如，在激光照射装置1用于流式细胞仪的情况下，照射对象物100为样本(细胞)。在该情况下，激光照射装置1以方向X沿着铅直方向的方式照射激光L3。即，激光L3形成为铅直方向上较短且水平方向上较长的形状。而且，铅直方向上较短且水平方向上较长的形状的激光L2向从铅直方向上方滴下的照射对象物100(添加有荧光物质的细胞样本)照射。流式细胞仪对样本中的荧光物质引起的激光L2的散射光进行测定而执行测量。但是，激光照射装置1的用途并不局限于流式细胞仪，而是任意的。

(关于顶帽变换)

这里，来自光源10的激光L1具有规定的光强分布(这里为高斯分布)，根据位置的不同，光强不均匀。然而，有时要求通过顶帽变换而使激光L2的沿着方向Y的光强分布变得均匀。

作为当前的顶帽变换的技术，例如在照明用途中，存在使照明光从照明光学系统的扩散板之类的元件透过而进行顶帽变换的结构。然而，在该情况下，存在如下问题，即，集光率增大，无法使得激光聚焦，因产生斑点而导致噪声增大。此外，集光率是指发光面积和光的扩散角的积。在照明用途中，特别是斑点的产生成为问题。另外，在激光加工等领域，如果使用扩散板，则无法聚焦，因此还存在加工效率下降等问题。

另外，在形状测量等领域，有时以线状使用激光。在这种情况下，有时要求在沿着激光线的方向、即图4的例子中的方向Y上尽量使激光的强度变得均匀。另外，有时要求在激光的宽度方向(横穿激光线的方向)、即图4的例子中的方向X上确保衍射极限、即保持高斯分布。并且，有时要求斑点等噪声降低至不会妨碍使方向Y上的激光强度变得均匀、以及确保方向X上的衍射极限的程度。为了应对这种要求，当前例如使用鲍威尔棱镜。

鲍威尔棱镜是指1个面为特殊的圆筒面形状的透镜，能够满足上述要求。然而，鲍威尔棱镜存在研磨加工方面的极限，因此存在照度分布的均匀性(Uniformity)不会变为零的问题。为了解决该问题，有时使透镜实现高次非球面化，但无法通过研磨形成高次非球面形状。为了实现高次非球面形状，需要通过使用磨削加工的模具的玻璃或塑料成型而制造透镜。另外，与研磨相比，磨削的装置规模更大，并且，需要模具加工成型的评价等程序。因此，在实施高次非球面化的情况下，与正常的鲍威尔棱镜相比制造也更困难，成本也更高。此外，均匀性(Uniformity)是指表示照度分布的均匀化程度如何的评价量，例如，基于下式(2)而表达。

U＝(L_max-L_min)/(L_max+L_min)···(2)

在式(2)中，U为均匀性(Uniformity)，L_max为照度的最大值，L_min为照度的最小值。即，在式(2)的例子中，均匀性为照度的最大值与最小值之差除以照度的最大值与最小值之和所得的值。

并且，当前的使用鲍威尔棱镜、非球面透镜的顶帽变换基于几何光学的基准而设计。在基于几何光学的基准而设计的情况下，将光视为朝向行进方向的直线光束。而且，如果光能沿着该直线传输，则以使通过焦点面的单位面积的光能变得均匀的方式设计透镜的面形状。然而，例如，在生成线宽(图4的例子中的沿着方向X的长度)、线长(图4的例子中的沿着方向Y的长度)较小的激光的情况下，通过基于几何光学的基准的设计，有可能不会使顶帽变换变得适当。进行具体说明，光的线宽并非能够无限减小，基于衍射极限之类的关系而存在下限。这里，将光的波长设为波长λ，将线宽的半值设为半值宽度w₀，将聚焦半角设为聚焦半角θ。线宽的半值是指将光轴上的光强设为1的情况下相对于强度为1/e²的光轴的距离。在该情况下，波长λ、半值宽度w₀以及聚焦半角θ形成为下式(3)的关系。根据式(3)可知，在波长λ确定的情况下，为了减小线宽，需要增大聚焦半角θ。

[数学式2]

另外，将出射光瞳的直径设为出射光瞳直径φ，将从光学系统的出口至生成线状的光的位置为止的距离设为距离WD。在该情况下，聚焦半角θ、出射光瞳直径φ以及距离WD形成为下式(4)的关系。

{φ/(2·WD)＞θ}···(4)

根据式(4)，为了增大距离WD，需要增大出射光瞳直径φ。例如，如果将波长λ设为488nm、将半值宽度w₀设为5μm、且将距离WD设为30mm，则出射光瞳直径φ需要大于或等于1.86mm。在该情况下，如果将光的线长设为0.1mm，则线长比出射光瞳直径φ短，即使在线长方向上也使得光聚焦。在这种情况下，产生衍射等、考虑作为光波的性质的需要。然而，通过基于几何光学的基准的透镜设计而不考虑光的衍射。因此，通过当前的使用鲍威尔棱镜、非球面透镜的顶帽变换，有可能无法通过衍射而适当地对光的分布进行控制。另外，对于鲍威尔棱镜等，从出射光瞳射出的光扩散且行进成为前提。因此，在该情况下，在沿着光的线长的方向上不存在焦点位置，该情况下的光可以称为处于菲涅尔区域。菲涅尔区域是指基于夫琅和费(Fraunhofer)衍射计算所得的光强与实际的光强不一致的区域。因此，来自鲍威尔棱镜的光在因透镜表面的微小的伤痕、异物而使得光的相位、波动传播的过程中扩散。这对均匀性(Uniformity)造成影响而有可能导致制造缺陷等。

这样，对于鲍威尔棱镜等，并未考虑光的衍射，因此有可能无法适当地进行顶帽变换。

另一方面，在考虑衍射的情况下，还提出了使用DOE(Diffractive OpticalElement：衍射光学元件)的技术。DOE例如是在表面设置有多个光波长程度的高度的阶梯差的形状的元件。在使用DOE的情况下，不会对出射光瞳的大小造成太大影响，能够确定焦点面的大小，设计的自由度也高于鲍威尔棱镜。例如，如果使用DOE，则能够设计任意的光强分布，还能够针对相对于光轴倾斜的面、曲面进行设计。另外，使用DOE的情况下的光处于夫琅和费区域，因此难以如鲍威尔棱镜那样受到伤痕、异物的影响。此外，夫琅和费区域是指基于夫琅和费衍射计算所得的光强与实际的光强一致的区域。

然而，对于DOE的制造，需要例如小于或等于1μm的微细加工，还需要对其加工进行评价，加工、评价变得困难。因此，DOE的制造成本也提高。另外，还存在如下问题，即，DOE的照度分布相对于光的波长变化变得敏感，无法使不需要的衍射光变为零。在无法使不需要的衍射光变为零的情况下，有可能无法提高光的利用效率或产生斑点。特别是，关于加工需要图案化、高速蚀刻，关于评价，需要对纳米单位的阶梯差进行测定，因此装置规模增大，成本提高。

另外，还公开了如下技术，即，在夫琅和费区域，光瞳和焦点面形成为通过傅里叶变换而关联的关系并利用该关系(参照美国特开20160266393号公报)。在该技术中，对用于实现焦点面上的均匀的强度分布的光瞳面上的分布进行计算，基于这一点而设计光学元件的表面。该情况下的光学元件的表面变为平滑面，因此能够消除DOE的问题。然而，为了营造逆傅里叶变换的区域而需要多个非球面光学元件，另外，还需要用于获得所需的相位反转的传播距离、聚焦透镜。另外，与单个光学元件相比，调整变得更困难。

这样，在使用DOE的情况下，在考虑衍射的情况下也能够进行顶帽变换，但存在制造方面、性能方面的问题。另外，对于利用傅里叶变换的技术，也要求更简单的构造。因此，要求使制造变得更容易、且即使在考虑衍射的情况下也能够进行顶帽变换的技术。

因此，本发明的发明人想到了如下方案，即，利用光学元件22对激光L2赋予沿着方向Y的波像差，由此进行顶帽变换而能够使激光L2的沿着方向Y的光强分布实现均匀化。即，如果对高斯分布的激光赋予非点像差，则能够使该激光形成为线状，在该情况下，激光的光强分布即使沿着方向Y也形成为高斯分布而变得不均匀。因此，例如在该非点像差的基础上，本发明的发明人还想到了赋予波像差。

(关于波像差)

波像差是指光(这里为激光L2)的波面相对于成为基准的理想波面的偏差量(像差)。波面是指将等相位的光线(这里为激光L2)的点连结的面(与光线垂直的面)，在图3的例子中，变为波面W。这里的理想波面是平行光的波面，因此理想波面为平面状。即，本实施方式中的波像差表示相对于平面状的波面的偏差。此外，波像差由光的相位导出，也称为还考虑了光的衍射的像差。

在对本实施方式中赋予的波像差进行说明之前，对产生通常的球面像差的情况下的波面进行说明。球面像差是在球面透镜等产生的像差。图5是说明对比例的波面的说明图。图5示出产生了球面透镜的球面像差的情况下的波面分布的一个例子。图5中的左侧的曲线图的横轴表示方向Y上的位置。图5中的左侧的曲线图的曲线M1示出了赋予球面像差的情况下的、沿着方向Y的激光的波面的分布的一个例子。如曲线M1所示，产生对比例之类的球面像差的情况下的波面随着远离光轴AX上的位置Y0而取恒定的较低值，直至规定位置而增大。另外，曲线M2是曲线M1的波面的曲率的沿着方向Y的分布。如曲线M2所示，产生球面像差的情况下的波面的曲率在光轴AX上的位置Y0处最小，随着远离位置Y0而增大。即，该情况下的激光的波面的曲率在光轴AX上的位置Y0附近减小，在其周围增大。

这里，曲率是指曲线、曲面的弯曲程度的量，即曲率半径的倒数。曲率半径是指对曲线、曲面的局部的弯曲程度进行近似所得的圆的半径。即，波面(波像差)的曲率半径是对波面的分布的局部的弯曲程度进行近似所得的圆的半径，波面的曲率是该曲面半径的倒数。这里，将τ(y)设为方向Y上的激光的波面的分布，将方向Y上的τ(y)的曲率的分布设为ρ(y)。在该情况下，作为波面的曲率的ρ(y)例如如下式(5)那样表达。

[数学式3]

τ(y)为波面，其大小为激光L2的波长的数量级。另一方面，y为方向Y上的位置，其大小为mm单位的数量级。因此，τ(y)的一阶微分减小。因此，可以如下式(6)那样处理表示τ(y)的式(5)。

[数学式4]

这里，对于正常的透镜，像差在光轴附近减小。而且，例如曲线M2所示，通常从透镜透过的激光的波面的曲率在光轴附近为最小值，随着远离光轴而增大。另外，如果像差较大，则激光的相位的偏差增大。因此，例如曲线M1的位置Y0附近的分布所示，正常的透镜设计为使得减小了像差的区域增大。然而，在这种情况下，有时无法消除激光的光强分布的不均匀。例如，图5中的右侧的曲线图的曲线M3表示曲线M1之类的波面的激光的、焦点位置处的光强分布。如曲线M3所示，曲线M1之类的波面的激光的光强分布沿着方向Y而变得不均匀。

对此，发明人想到了如下方案，即，通过赋予波像差而抑制激光的沿着方向Y的光强的不均匀。即，本实施方式中的光学元件22对激光L2赋予波像差以便形成抑制沿着方向Y的强度分布的不均匀的波面。下面，对抑制沿着方向Y的强度分布的不均匀的波面进行说明。

图6是说明本实施方式中的波面的说明图。图6中的曲线A1示出利用光学元件22赋予沿着方向Y的波像差的激光L2的沿着方向Y的波面的分布的例子。曲线A2表示利用光学元件22赋予沿着方向Y的波像差的激光L2的沿着方向Y的波面的曲率分布。曲线A0表示激光L2的出射光瞳上(这里为会聚透镜24的出射面上)的光强分布。此外，激光L2在出射光瞳上赋予完波像差，关于光强分布，并未均匀地变化，而是保持高斯分布。因此，对于激光L2的出射光瞳上的光强分布，光强在光轴AX上的位置Y0处达到最大值，光强随着远离位置Y0而减小。

这里，本实施方式中的激光L2的波像差的分布是从激光L2的分布减去平面状的理想波面的分布、即恒定值所得的。因此，还可以将曲线A1所示的激光L2的波面的分布称为激光L2的波像差的分布。如曲线A1所示，激光L2的波面(波像差)在光轴AX上的位置Y0取极小值，与沿着方向Y的其他位置相比减小，随着远离位置Y0而增大。另外，激光L2的波面分布形成为隔着光轴AX而线对称的形状。另外，激光L2的波面(波像差)的分布沿着方向Y而连续、且能够微分。另外，作为激光L2的波面(波像差)的最小值与最大值之差的值WA0变为大于或等于激光L2的1个波长的长度。

另外，如曲线A2所示，在激光L2的波面(波像差)的曲率分布中，波面(波像差)的曲率在光轴AX附近、更详细而言在光轴AX上的值大于与其相比更远离光轴AX的位置处的值。另外，波面(波像差)的曲率沿Y方向平滑地连续、且能够微分。另外，激光L2的波面(波像差)的曲率分布形成为隔着光轴AX而线对称的形状，但并不局限于此。这里，如图6所示，将第1位置Y1设为方向Y上的第2位置Y2与第3位置Y3之间的位置。该第1位置Y1比第2位置Y2以及第3位置Y3更接近光轴AX(即位置Y0)。在本实施方式中，第1位置Y1为位置Y0、即处于光轴AX上，第2位置Y2及第3位置Y3距第1位置Y1的距离相等。在该情况下，如曲线A2所示，激光L2的波面(波像差)的曲率在第1位置Y1(这里为位置Y0)达到凸向上方的峰值(极大值)，随着远离第1位置Y1而减小。另外，波面的曲率在第2位置Y2及第3位置Y3的值小于第1位置Y1的值，达到凸向下方的峰值(极小值)。即，激光L2的波面的曲率分布在第1位置Y1具有峰值(极大值)，随着远离第1位置Y1而直至第2位置Y2、第3位置Y3为止值减小。而且，对于波面的曲率分布而言，其值从第2位置Y2、第3位置Y3进一步随着远离第1位置Y1而增大。这样，激光L2的波面的曲率在光轴AX附近的值大于周围的值。另外，在本实施方式中，第1位置Y1处于光轴AX上，但可以与第2位置Y2及第3位置Y3相比越接近光轴AX则越不处于光轴AX上。根据具有这种特征的曲线A2设为曲率的波面分布，能够使沿着方向Y的光强变得均匀。

这里，对于激光L2的出射光瞳上的光强分布(曲线A0)，光强为位置Y0处的光强的1/e²倍的位置设为位置Yg。而且，从位置Y0至位置Yg为止的沿着方向Y的长度设为长度Dg。而且，从位置Y0至第3位置Y3为止的沿着方向Y的长度设为长度Dm。另外，位置Yh设为位置Y0(第1位置Y1)与第3位置Y3之间的位置，设为该位置Yh处的曲率为位置Y0(第1位置Y1)处的曲率和第3位置Y3处的曲率的平均值的位置。而且，从位置Y0(第1位置Y1)至位置Yh为止的长度设为长度Dh。这里的第3位置Y3为取曲率的峰值(极值)的位置Y0以外的位置，且是最接近位置Y0(光轴AX)的位置。在该情况下，激光L2的波面的曲率优选为使得长度Dh小于长度Dg。

另外，对于激光L2的出射光瞳上的光强分布(曲线A0)，光强为位置Y0处的光强的1/2倍的位置设为位置Yf。而且，从位置Y0至位置Yf为止的长度设为长度Df。另外，出射光瞳的位置、即光学元件22、会聚透镜24的方向Y上的端部的位置设为位置Yr。而且，从位置Y0至位置Yr为止的长度设为长度Dr。在该情况下，长度Df是指出射光瞳位置处的激光L2的方向Y上的长度。而且，长度Dr是指光学元件22、会聚透镜24的从中心至端部的长度、即半径。在该情况下，优选长度Df小于长度Dr。即，该长度Df和长度Dr的关系表示以激光L2的强度大于或等于1/2倍的区域的沿着方向Y的长度Df小于出射光瞳的长度Dr的方式使得激光L2在方向Y上聚焦。

光学元件22以使得激光L2的波面分布形成为曲线A1的方式、即以使得激光L2的波面的曲率分布形成为曲线A2的方式对激光L2赋予沿着方向Y的波像差。光学元件22通过这样赋予波像差而抑制激光L2的沿着方向Y的光强分布变得不均匀。图7是表示本实施方式所涉及的激光的光强分布的一个例子的图。图7中的曲线A3示出以激光L2的波面分布满足曲线A1的特征的方式对激光L2赋予波像差的情况下的、激光L2的沿着方向Y的光强分布的一个例子。进一步而言，曲线A3示出了焦点位置处的激光L2的光强分布。如曲线A3所示，已知激光L2在焦点位置沿着方向Y的光强分布的不均匀性得到抑制。即，激光L2的焦点位置处的沿着方向Y的光强分布比激光L1的光强分布、对比例所涉及的激光的光强分布(参照图5中的曲线M3)更均匀。

光学元件22以该方式沿着方向Y对激光L2赋予波像差，如上所述，沿着方向X未赋予波像差(无像差)。图8是表示方向X上的波面和激光的光强分布的图。图8中的横轴为方向X上的位置，位置X0为方向X上的光轴AX上的位置。曲线B1为利用光学元件22沿着方向X而形成为无像差的情况下的激光L2的波面(波像差)。如曲线B1所示，激光L2的沿着方向X的波面(波像差)沿着方向X恒定，在沿着方向X的所有位置变为较小的值(小于或等于马雷夏尔的容许值的值)。另外，曲线B0示出了激光L2的沿着方向X的光强分布，是焦点位置处的光强分布。在本实施方式中，激光L2沿着方向X未赋予波像差，但与方向Y相比而聚焦。因此，激光L2的沿着方向X的光强分布是与激光L1相同的高斯分布，宽度与聚焦程度相应地缩小。

这样，光学元件22以沿着方向Y赋予波像差、且沿着方向X使得像差消失的方式将激光L2射出。用于对激光L2赋予这种趋势的波像差的表面(在本实施方式中为入射面30)例如形成为满足下式(7)的形状。

z＝τ(y)/(1-n)···(7)

这里，z表示方向Z上的入射面30的表面坐标。τ(y)表示方向Y上的规定位置y处的激光L2的波面(波像差)。n表示激光L1(激光L2)的波长的、光学元件22的折射率。即，式(7)表示在沿着方向Y的各位置处示出入射面30的方向Z上的表面坐标的分布。另外，入射面30的方向Z上的表面坐标沿着方向X而恒定。在入射面30为这种表面形状的情况下，光学元件22对从出射面32射出的激光L2沿着方向Y赋予波像差、且沿着方向X而使得像差消失。但是，式(7)中规定的入射面30的表面形状为一个例子。如果入射面30的表面形状是沿着方向Y赋予波像差、且沿着方向X而使得像差消失的形状，则可以是任意形状。沿着方向Y赋予波像差、且沿着方向X而使得像差消失的入射面30的表面形状并不唯一地确定，可以利用DLS(Dumped Least Square)法等非线性优化手法而确定。即，用于对激光L2赋予这种趋势的波像差的表面的形状有时还能举出多种。

如以上说明，具有规定的光强分布的激光L1入射至本实施方式所涉及的光学元件22。而且，光学元件22使得入射的激光L1的与方向Z正交的方向Y(第1方向)上的波像差大于衍射极限，使得与方向Z及方向Y正交的方向X(第2方向)的波像差小于或等于衍射极限。

这里，有时对于激光L2要求抑制焦点位置处的沿着方向Y的光强分布的不均匀。本实施方式所涉及的光学元件22在对激光L2在方向Y上赋予大于衍射极限的规定的波像差、且在方向X上使得激光L2的波像差小于或等于衍射极限的状态下将激光L2射出。光学元件22通过对激光L2赋予沿着方向Y的波像差而抑制激光L2的焦点位置处的光强分布的不均匀。

另外，光学元件22以使得方向Y上的波像差(波面)的最大值与最小值之差大于或等于激光L2的波长的方式对激光L2赋予波像差。该光学元件22通过使方向Y上的波像差这样增大而能够更适当地抑制激光L2的光强分布的不均匀。

另外，光学元件22以使得沿着方向Y的激光L2的波像差(波面)的分布在方向Y上连续的方式对激光L2赋予波像差。该光学元件22使得激光L2的沿着方向Y的波面的分布连续(平滑)，因此能够抑制激光L2的沿着方向Y的光强分布的不均匀，并且能够使得实现这种波面的透镜的表面形状形成为连续且能够微分的简单的形状。

另外，对于光学元件22，在沿着方向Y的激光L2的波像差(波面)的曲率分布中，曲率在第1位置Y1取极大值，在第2位置Y2及第3位置Y3取小于第1位置Y1处的极大值的值，由此对激光L2赋予波像差。这里，第1位置Y1是沿着方向Y而处于第2位置Y2与第3位置Y3之间的位置，并且是比第2位置Y2及第3位置Y3更接近激光L2的光轴AX的位置。光学元件22通过在接近光轴AX的位置使波面的曲率这样增大而能够适当地抑制激光L2的光强分布的不均匀。

另外，光学元件22将激光L2的沿着方向Y的长度比光学元件22的沿着方向Y的长度短的激光L2射出。该光学元件22射出的激光L2沿着方向Y而聚焦。在该情况下，激光L2的衍射的影响显著。与此相对，该光学元件22对激光L2赋予还考虑到衍射的影响的波像差。因此，该光学元件22在激光L2聚焦的情况下能够适当地抑制激光L2的光强分布的不均匀。另外，激光L2的沿着方向Y的长度比沿着方向X的长度长。即，光学元件22通过对线状的激光L2在作为长轴方向的方向Y上赋予波像差而能够适当地抑制长轴方向上的激光L2的光强分布的不均匀。

另外，光学元件22是非球面的柱面透镜。非球面是指并非球面的曲面。光学元件22是非球面的柱面透镜，因此在抑制激光L2的光强分布的不均匀的状态下能够使线状的激光L2适当地射出。此外，非球面的透镜的曲面E的分布例如下式(8)那样表达，但该式是一个例子。

[数学式5]

此外，在式(8)中，y是指方向，α₂、α₃、α₄、α₅以及k为系数。

这样，本实施方式所涉及的光学元件22是表面连续且能够微分的平滑的面。另外，作为用于形成线状的激光的光学元件，只要具有1光学元件22个即可，进一步而言，用于形成为线状的光学面(本实施方式的例子中为入射面30)只要为1个即可。另外，光学元件22能够使得激光L2的长度LY小于或等于沿着方向Y的出射光瞳的长度。即，光学元件22能够考虑衍射的影响而进行顶帽变换。另外，光学元件22的表面为平滑的面，因此不会产生不需要的光，能够抑制光的利用效率的降低、斑点的产生。另外，光学元件22的表面是平滑的面，因此与DOE相比能够减小相对于光的波长的敏感度，能够减小制造装置的规模。即，能够容易地进行光学元件22的制造。另外，将来自光学元件22的光设为夫琅和费区域，因此不易受到伤痕、异物的影响。这样，光学元件22能够解决当前的鲍威尔棱镜、非球面透镜所具有的问题、以及DOE所具有的问题，并且能够具有二者所具有的优点。

此外，光学元件22并不局限于非球面的柱面透镜。例如，有时光学元件单元12不具有准直透镜20。在该情况下，对光学元件22赋予校准、即将发散光调整为平行光的功能。该情况下的光学元件22为复曲面形状。复曲面形状是指在方向X及方向Y的两个方向上为曲面、且曲率不同的形状。即，在该情况下，光学元件22是非球面的复曲面透镜。通过将光学元件22设为非球面的复曲面透镜，能够适当地进行校准、且抑制激光L2的光强分布的不均匀。

另外，图9是表示光学元件单元的其他例子的示意图。除了不具有准直透镜20的例子以外，光学元件单元还可以采用其他构造。图9示出不具有会聚透镜24、且对光学元件22A赋予了会聚功能的情况。图9所示的光学元件单元12A具有准直透镜20以及光学元件22A。利用准直透镜20形成为平行光的激光L1从入射面30入射至光学元件22A。光学元件22A的出射面32A并非平面而是凸状的。因此，光学元件22A能够使赋予了波像差的激光L2在出射面32A会聚。另外，即使在不具有会聚透镜24的情况下，也可以使用不具有会聚功能的光学元件22(出射面32为平面状的光学元件22)。在该情况下，通过使从准直透镜20射出的激光L1形成为会聚光，能够适当地向焦点位置照射激光L2。即，光学元件单元12只要具有赋予波像差的光学元件22即可，并且，更优选赋予校准功能及会聚功能。

(实施例)

下面，对实施例进行说明。在本实施例中，对满足下面的目标值、且沿着方向Y赋予本实施方式这样的波像差而在X方向上形成小于或等于衍射极限的波像差的情况下的波面分布的例子进行说明。在本实施例中，激光的波长为532nm，从光学系统的出口至形成线状的光的位置为止的距离WD为40mm。另外，焦点位置Pf处的激光的沿着方向X的长度LX的目标值设为10μm，焦点位置Pf处的激光的沿着方向Y的长度LY的目标值设为大于或等于0.2mm。另外，照度分布的均匀性(Uniformity)的目标值设为小于或等于0.1％，耦合效率的目标值设为大于或等于50％。耦合效率是指对于光源的输出而能够利用的光量的比，可以是从光学元件单元12射出的光量和能够利用的光量的比。此外，上述条件是激光L2的1/e²宽度的值。

另外，来自光源的激光的沿着方向X的发散角设为10°，沿着方向Y的激光的发散角设为5°。上述发散角为半值全宽的值。这种发散角的激光沿着方向Y而聚焦，达成如上所述的目标值、且赋予本实施方式的波像差。

在该情况下，沿着方向Z的各位置处的、韦斯特波束以外的激光的半径w(z)变为下式(9)。

[数学式6]

这里，z为沿着光轴AX的韦斯特波束的距离，w₁为韦斯特波束的半径。在式(9)中，如果λ设为532mm、w₁设为5μm、且z设为40mm，则出射光瞳的半径w(z)约为1.35mm。另外，激光的发散角为10°，因此准直透镜20的焦点距离也约为9mm。另外，准直透镜20的有效半径R_y设为2mm。

在本实施例中，作为该情况下的波面(波像差)的分布的τ(y)如下式(10)那样由偶数次幂表达。这里，波面的相位的系数Φ(y)设为下式(11)。

[数学式7]

[数学式8]

图10是表示实施例的波面的形状的曲线图。利用上述式(10)、(11)的非线形优化的结果，各次的系数a_2n如下。即，系数a₂为8.79864，系数a₄为-5.86365，系数a₆为3.78267，系数a₈为-1.62899，系数a₁₀为0.436826，系数a₁₂为-0.0644682，系数a₁₄为0.00397361。在本实施例中，对具有该系数的波面和波面的曲率进行计算。本实施例中的波面变为图10中的曲线C1那样，波面的曲率变为图10中的曲线C2那样。另外，图10中的曲线C1为高斯分布。

如图10中的曲线C1所示，本实施例中的波面分布为与图6所示的曲线A1的分布相同的形状。另外，曲线C1的最小值与最大值之差为激光L2的15个波长程度的长度。另外，如图10中的曲线C2所示，本实施例中的波面的曲率分布为与图6所示的曲线A2的分布相同的形状。另外，长度Dh约为0.39mm，长度Dg约为0.67mm。另外，长度Dm约为0.872mm。

在实施例中，赋予具有曲线C2那样的曲率分布的波像差，因此沿着Y方向的光强分布变为图7那样，能够抑制激光的光强分布的不均匀。另外，沿着X方向的光强分布变为图8那样。另外，根据实施例可知，焦点位置Pf处的激光的长度LX的计算值为10μm，焦点位置Pf处的激光的长度LY的计算值为2.8mm，均匀性(Uniformity)的计算值为0.04％，耦合效率的计算值为60％。这样，根据实施例可知，还能够实现各目标值。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但实施方式并未受到该实施方式的内容的限定。另外，前述的结构要素中包含本领域技术人员容易设想的要素、实质上相同的要素、所谓的等同的范围。并且，能够适当地对前述的结构要素进行组合。并且，在不脱离前述的实施方式的主旨的范围能够进行结构要素的各种省略、置换或变更。

标号的说明

1 激光照射装置

10 光源

12 光学元件单元

20 准直透镜

22 光学元件

24 会聚透镜

30 入射面

32 出射面

L1、L2、L3 激光

Claims

1.一种光学元件，其中，

具有规定的光强分布的激光入射至所述光学元件，使得所述入射的激光的与行进方向正交的第1方向上的波像差大于衍射极限，使得与所述行进方向及所述第1方向正交的第2方向上的波像差小于或等于衍射极限。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，

所述第1方向上的波像差的最大值与最小值之差，大于或等于所述激光的波长。

3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中，

沿着所述第1方向的所述激光的波像差的分布，在所述第1方向上相连续。

4.根据权利要求3所述的光学元件，其中，

在沿着所述第1方向的所述激光的波像差的曲率分布中，曲率在第1位置处取极大值，在第2位置及第3位置处取比所述第1位置处的极大值小的值，

所述第1位置是沿着所述第1方向而处于所述第2位置与所述第3位置之间的位置，且是比所述第2位置及所述第3位置更接近所述激光的光轴的位置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学元件，其中，

所述光学元件将所述激光的沿着所述第1方向的长度比所述光学元件的沿着所述第1方向的长度短的激光射出。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学元件，其中，

所述光学元件为非球面的柱面透镜、或非球面的复曲面透镜。

7.一种激光照射装置，其中，

所述激光照射装置具有：

权利要求1至6中任一项所述的所述光学元件；以及

将所述激光向所述光学元件射出的光源。