ITRM20000229A1 - Sistema ottico per la omogeneizzazione spaziale di fasci di luce, conuscita a sezione variabile. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:" SISTEMA OTTICO PER LA OMOGENEIZZAZIONE SPAZIALE DI FASCI DI LUCE, CON USCITA A SEZIONE VARIABILE “

La presente invenzione si riferisce in linea generale ai sistemi di omogeneizzazione spaziale di fasci di luce e concerne in modo particolare i sistemi per omogeneizzare tali fasci di luce, ad esempio fasci laser, ottenendo nello stesso tempo una uscita a sezione variabile.

Come è noto, in molte applicazioni in cui si utilizzano fasci luminosi di alta intensità, ad esempio fasci laser usati per il trattamento termico e/o ablativo di superfici, si richiede una precisa densità di energia (ovvero di potenza) sul punto di lavoro ed una uniformità spaziale molto elevata, tale che le fluttuazioni di intensità siano contenute entro il

La radiazione emessa da una qualsiasi sorgente luminosa ha un'intrinseca disuniformità da punto a punto, in particolare quando si tratta di emissione di tipo laser, in quanto il fascio di luce emesso dalla maggior parte delle sorgenti laser ha un profilo spaziale di intensità luminosa non costante lungo la direzione trasversa, dovuto a principi connessi alla fisica di questo tipo di sorgente. L’unico sistema in grado di aumentare l’omogeneità spaziale di una sorgente luminosa senza comprometterne la dose di energia emessa è quella di manipolare otticamente la radiazione luminosa tramite un sistema di lenti e/o specchi.

In commercio esistono sistemi ottici in grado di intercettare un fascio luminoso di dirpensioni note e di trasformarne le sue dimensioni in altre di grandezza fissata garantendo una elevata uniformità spaziale ovvero con basse fluttuazioni di intensità luminosa da punto a punto.

I sistemi ottici esistenti, in grado di agire in modo tale da rendere più uniforme la distribuzione di intensità di un fascio luminoso, hanno lo svantaggio di determinare in maniera rigida le dimensioni finali del fascio e, di conseguenza, la densità di energia (ovvero di potenza) utilizzabile, fissata la energia (ovvero potenza) emessa dalla sorgente luminosa. Questo comporta che diverse applicazioni di fasci di luce con distribuzione uniforme di intensità necessitano, in funzione delle dimensioni finali richieste, di un diverso sistema ottico dedicato.

In questo senso, il presente trovato è decisamente innovativo per la sua flessibilità, in quanto, come si vedrà, pur fissando i parametri degli elementi che lo costituiscono, consente di poter variare le dimensioni del fascio finale entro un’ampia scala di valori, in modo tale da poter essere utilizzato per applicazioni che richiedano fasci di luce, spazialmente omogenei, di dimensioni variabili o con una densità di energia (ovvero di potenza) da poter definire a piacimento.

DESCRIZIONE DELLOGGETTO

Il presente trovato si basa sul principio di suddividere in un numero n di sezioni rettangolari il fascio luminoso incidente mediante un sistema ottico e di consentirne la ricomposizione in un piano opportuno, chiamato piano focaje, dove ogni singola porzione di fascio viene a coincidere con la dimensione finale desiderata, tramite altri due componenti ottici per ciascuna delle due direzioni trasverse. Questo processo fa sì che ogni punto del fascio che arriva sul piano focale rappresenti la combinazione di n diversi punti del fascio di partenza, riducendo in tal modo le fluttuazioni di intensità iniziali. L’uso di tre elementi ottici per ogni direzione consente, inoltre, di poter stabilire a piacimento le dimensioni finali del fascio luminoso, indipendentemente da quelle di partenza, semplicemente variando le distanze relative degli elementi stessi.

La principale applicazione di un omogeneizzatore spaziale di radiazione luminosa psiede nei processi di interazione tra radiazione e materia in cui si desidera una densità di energia (ovvero di potenza) costante sulla superficie da irraggiare, tra i quali vi sono, ad esempio, i processi di trattamento di metalli (inclusi gli effetti di pulizia e/o indurimento superficjale) e di materiali plastici (inclusa la scrittura, l'ablazione, la scultura a rilievo), la microlitografia su grandi aree, il riporto superficiale su metalli ed infine quei processi che hanno come obiettivo la trasformazione della struttura cristallina del materiale (come la cristallizzazione di silicio amorfo per il suo successivo uso nel campo fotovoltaico e nella microelettronica). Quest'ultima applicazione è la più esigente da un punto di vista delle caratteristiche di uniformità spaziale della densità di energia (ovvero di potenza) luminosa in quanto sono richieste fluttuazioni di intensità inferiori al 5%.

La peculiarità del presente trovato consiste nella possibilità di variare con continuità le dimensioni del fascio luminoso sul piano focale, in modo tale da poter fissare con precisione la densità di energia (ovvero di potenza) desiderata (che è inversamente proporzionale alle dimensioni del fascio di luce) oppure di adattare le dimensioni del fascio luminoso a quelle del materiale sottoposto all'irraggiamento.

SOMMARIO

Si descrive un sistema ottico complesso, formato da 6 elementi costituiti da più lenti, in grado di trasformare la sezione trasversa di un fascio di luce in un'altra di dimensioni variabili, con un elevato grado di uniformità spaziale della densità di energia (ovvero di potenza) luminosa per consentirne l’utilizzo in processi che richiedano una limitata fluttuazione d'intensità su di un’area fissata, ovvero per ottenere un fascio di luce che abbia intensità costante all'interno di una superficie di dimensioni variabili.

I 6 elementi ottici agiscono sulle due direzioni trasverse del fascio di luce, tre per ogni asse, e sono così definiti: il primo elemento chiamasi Divisore Orizzontale (Verticale per l’altra direzione), il secondo chiamasi Condensale Orizzontale (Verticale per l’altra direzione), ed il terzo chiamasi Zoom Orizzontale (Verticale per l’altra direzione).

II primo elemento è costituito da un numero di lenti (ad esempio cilindriche), tra loro uguali, il cui numero e la cui focale sono da stabilirsi in funzione dei risultati che si vogliano ottenere, mentre il secondo ed il terzo elemento sono postituiti da un'unica lente (ad esempio cilindrica).

Definita con fi la focale delle lenti del primo elemento, con f2 la focale del secondo elemento, con f3 la focale del terzo elemento, con d la distanza tra il secondo ed il terzo elemento, con n il numero delle lenti costituenti il primo elemento e con s la dimensione di tali lenti lungo la direzione in cui agisce la focalizzazione, il sistema ottico opera in modo da trasformare la dimensione iniziale del fascio di luce nella direzione considerata, pari ad nxs, in una di dimensioni pari a D dove D è definito dalla formula:

La dimensione del fascio raggiunge il valore D ad una distanza z > 0 dal terzo elemento ottico data da:

I valori di f2, f3 e d devono essere scelti in modo da determinare un valore positivo per z.

Su questo piano, per una lunghezza pari a D, il fascio raggiunge una uniformità spaziale di densità di energia (ovvero di potenza) che è proporzionale al numero n di lenti costituenti il primo elemento.

Tale sistema rappresenta una situazione generale che comprende dei casi particolari tra i quali si possono includere i seguenti: - le lenti che costituiscono il Divisore Orizzontale ed il Divisore Verticale fanno parte di unico sistema di lenti toroidali o, nel caso di identica focale per le due direzioni, lenti sferiche (quest’ultimo elemento ottico è comunemente definito “Fly-eye” cioè “Occhio di mosca”);

- le lenti che costituiscono il Condensatore Orizzontale ed il Condensatore Verticale fanno parte di un unico sistema di lenti toroidali o sferiche;

- le lenti che costituiscono lo Zoom Orizzontale e lo Zoom Verticale fanno parte di un unico sistema di lenti toroidali o sferiche;

- i tre casi precedenti che hanno luogo contemporaneamente, nella quale circostanza il sistema ottico fa si che le dimensioni finali del fascio luminoso abbiano una proporzione fissata tra le due direzioni.

Ulteriori particolarità e vantaggi della presente invenzione appariranno evidenti dal seguito della descrizione con riferimento ai disegni allegati, in cui è rappresentata a titolo illustrativo e non restrittivo la preferita forma di realizzazione.

Nei disegni:

la Figura 1 mostra uno schema di una possibile configurazione della presente invenzione, con effetto di omogeneizzazione sul piano orizzontale del foglio,

la Figura 2 rappresenta la vista prospettica di una possibile configurazione dell'invenzione in cui l’omogeneizzazione spaziale viene effettuata su ambedue le direzioni, con fascio di uscita a sezione variabile.

Con specifico riferimento ora ai disegni si può osservare che il presente trovato consta di tre elementi ottici per ciascuna delle due direzioni ortogonali trasverse rispetto a quella di propagazione del fascio di luce. Qui di seguito viene esposto il principio di funzionamento valido per la direzione X, in cui il fascio ha dimensione dx, e può essere esteso alla direzione Y, in cui il fascio ha dimensione dy, scambiando opportunamente le variabili X ed Y. La Figura 1 rappresenta lo schema di una configurarono del trovato visto dall’alto, con il fascio luminoso che viaggia da sinistra verso destra ed è omogeneizzato nella direzione orizzontale, cioè parallela al foglio. La Figura 2 rappresenta la vista prospettica di una possibile configurazione del trovato in cui l'omogeneizzazione spaziale viene effettuata su ambedue le direzioni. Il primo elemento ottico è costituito da n lenti cilindriche affiancate, ognuna di altezza dy e larghezza s, dove s = dx/π (nelle Figure n = 4). Le dimensioni globali del primo elemento sono quindi uguali a quelle del fascio luminoso su cui agisce il presente trovato ed il suo posizionamento sarà tale che il suo punto centrale coinciderà con l’asse di propagazione del fascio luminoso. Tali lenti sono uguali tra loro ed hanno lunghezza focale pari a f1 Scopo di questo primo sistema di n lenti è quello di suddividere il fascio luminoso in n porzioni e la sua denominazione è DIVISORE (orizzontale o verticale, dipendendo dalla direzione su cui agisce). Gli n fasci secondari di luce uscenti da questo primo sistema ottico incideranno sul secondo sistema ottico che è costituito da un'unica lente cilindrica il cui asse ottico coincide con l’asse di propagazione del fascio di luce e le cui dimensioni sono tali da raccogliere tutta la luce uscente dalle lenti del primo elemento ottico. La denominazione di questa lente è CONDENSATORE. La focale di questa lente sia uguale ad f2 e la distanza tra questa ed il DIVISORE sia uguale a edc. Il tprzo elemento ottico è costituito da un’altra lente cilindrica con l’asse ottico coincidente con quello del CONDENSATORE, di dimensioni atte a contenere la luce uscente dal CONDENSATORE e di focale f3. La sua denominazione è ZOOM e la sua distanza dal CONDENSATORE sia dzc. Sotto le predette condizioni, alla distanza z dallo ZOOM, appresso definita, gli n fasci secondari uscenti dal DIVISORE raggiungeranno contemporaneamente la stessa dimensione D, compresa tra due estremi identicamente uguali per tutti. Il piano a distanza z dallo ZOOM viene definito piano focale. La distanza z è data dalla formula seguente:

(z > 0) e la dimensior|e raggiunta dal fascio luminoso è pari a:

Dalle formule espresse risulta evidente che, fissati i valori delle focali dei tre elementi ottici, agendo opportunamente sulla distanza dZCl tra il CONDENSATOLE e lo ZOOM, si ottiene il risultato di variare con continuità le dimensioni del fascio luminoso sul piano focale, dove gli n fasci secondari si r combinano e quindi attenuano le fluttuazioni di intensità del fascio luminoso iniziale uniformandone la distribuzione spaziale.

Poiché anche la distanza z dallo ZOOM varia quando cambia dzc, affinché il piano fpcale dell’intero sistema ottico rimanga alla stessa distanza dal DIVISORE, è sufficiente agire sulla distanza ddc in modo tale da mantenere costante il valore L = ddc z che definiamo lunghezza del'omogeneizzatore.

Coloro che sono esperti nel ramo potranno naturalmente apportare numerose varianti per adattarsi a particolari circostanze di uso o a particolari esigenze.

Per esempio gli elementi divisori orizzontale e verticale possono essere formati da un unico elemento che agisce contemporaneamente sulle due direzioni, essendo costituito da lenti toroidali o sferiche in numero superiore ad 1 per ogni direzione. Analogamente, gli elementi condensatori orizzontale e verticale e gli elementi zoom orizzontale e verticale possono essere costituiti rispettivamente da una unica lente toroidale o sferica.

Chiaramente, gli esperti nel ramo si rendono facilmente conto che alcuni degli elerpenti possono essere costituiti da lenti a focale negativa ovvero lenti divergenti.

In una diversa forma di realizzazione, alcuni elementi ottici possono essere elerpenti riflettenti anziché rifrangenti, nel qual caso l’asse ottico degli elementi condensatore e zoom può non coincidere con l’asse di propagazione del fascio di luce incidente sull'elemento divisore.

Ancora in una diversa forma di realizzazione, agli elementi rifrattìvi (lenti) e/o riflettivi (specchi) può essere aggiunto un attenuatore atto a variare con continuità l’energia luminosa affinché il sistema ottico possa variare le dimensioni del fascio di luce conservandone la densità di energia (ovvero di potenza) agendo opportunamente su detto attenuatore.

Ancora in una diversa forma di realizzazione, nell’eventuale piano ove focalizzano i fasci secondari uscenti dall’elemento divisore orizzontale e/o verticale può essere posto un sistema di filtraggio spaziale, ad esempio fenditure ovvero fori nel caso di divisore fly-eye, adatto ad evitare effetti diffrattivi e interferenziali sul piano focale dell’omogeneizzatore,

Gli esempi appresso riportati mostrano come agisce il trovato quando siano determinati i parametri del fascio luminoso da trattare.

ESEMPIO 1:

Si supponga di avere un fascio di luce di dimensione pari a 6 cm nella direzione orizzontale che si vogliono far diventare almeno 10 cm nel piano focale che disti non più di 100 cm dal DIVISORE. In questo modo è definito D = 10 cm al minimo ed L = 100 cm al massimo. Nel caso in cui il fascio luminoso abbia già una bassa fluttuazione spaziale di inténsità si possono usare n = 3 lenti per il DIVISORE, definendo s = 2 cm. Restano da stabilire le focali delle lenti su cui si hanno molti gradi di l ibertà. Con i seguenti parametri fi = 10 cm, f2 = 100 cm, f3 = 100 cm e d2c = 2 cm si ottiene, ad esempio

Ponendo la distanza ddc pari a 48.5 cm la lunghezza dell’omogeneizzatore risulta pari a (ddC+dzc+z)=100 cm. Questi risultati sono ottenibili anche pon un omogeneizzatore convenzionale che consti di soli due elementi ottici (il DIVISORE ed il CONDENSATORE), ma il presente trovato condente di poter variare la dimensione finale D sino ad un massimo di 17.4 cm semplicemente ponendo ddc=2 cm e dzc=85 cm. In questo caso si ha z = 13 cm e, di conseguenza, la lunghezza dell’omogeneizzatore rimane invariata.

D'altra parte, nel caso in cui si desiderasse avere una dimensione sul piano focale che fosse al massimo di 10 cm ma che potesse essere eventualmente diminuita, piuttosto che aumentata, con i seguenti parametri, f1 = 18 cm, f2 = 98 cm, f3 = 80 cm, ponendo ddc=2 cm e dzc = 96 cm si avrebbe D = 10.6 cm, mentre con ddc=54.4 cm e dzc = 2 cm si avrebbe D = 4.95 cm, sempre mantenendo la lunghezza totale dell’omogeneizzatore pari a 100 cm.

ESEMPIO 2:

Si consideri di nuovo un fascio di 6 cm, un DIVISORE costituito da 3 lenti ed un piano focale che disti 100 cm dal DIVISORE. Ponendo le focali f1, f2 ed f3 rispettivamente pari a 8 cm, 100 cm e 45 cm, la dimensione minima raggiungibile sul piano focale diventa circa 8 cm e quella massima 24 cm, ovvero il sistema ottico di questo esempio garantisce una varipbilità nelle dimensioni lineari finali del fascio luminoso pari al 300%, e, di conseguenza, una variabilità della densità di energia (ovvero di potenza) fino al 900%.

ESEMPIO 3:

Si consideri sempre un fascio di 6 cm di dimensione ed un DIVISORE formato da tre lenti. Siano le focali dei tre elementi pari a f1 = 12 cm, f2 = 20 cm, f3 = -10 cm, quest’ultima essendo una lente divergente. La minima dimensione raggiungibile ad 1 m dal DIVISORE è pari a 4 cm, mentre la massima è di circa 32 cm, con un fattore di zoom pari all’800%.

Gli esempi sono stati fatti considerando sempre un fascio di identiche dimensioni ,ed un DIVISORE formato da tre lenti, ma le stesse considerazioni valgono per qualsiasi situazione. Questi esempi dimostrano la versatilità del sistema ottico trovato, giacché consente di ottenere una notevole libertà nella scelta delle dimensioni finali del fascio luminoso.

La sua capacità di rendere uniforme la distribuzione di intensità del fascio luminoso spi piano focale è inoltre garantita dal suo principio di funzionamento che si basa sulla suddivisione del fascio in tante porzioni e sulla loro successiva ricombinazione. Utilizzando i parametri dell'esempio 1), ovvero fi = 10 cm, f2 = 100 cm, f3 = 100 cm ed s = 2 cm, nel caso in cui il fascjo luminoso incidente sul sistema ottico abbia una distribuzione di intensità di tipo gaussiano con larghezza maggiore o uguale a 6 cm, il faccio risultante sul piano focale presenterebbe una distribuzione di intensità con fluttuazioni la cui varianza è inferiore al 2%. Nel caso in cui il profilo di intensità non sia molto regolare, comunque, è possibile abbattere le fluttuazioni di intensità aumentando opportunamente sul numero di lenti che compongono il DIVISORE e scegliendo conseguentemente le lunghezze focali dei tre elementi ottici del trovato.

Gli esempi precedentemente illustrati, coinvolgenti una sola direzione trasversa, possono essere estesi anche all’altra direzione in modo tale che, agendo opportunamente sulle distanze ddc e dzc degli elementi ottici che pperano indipendentemente sulle due direzioni ortogonali, le dimensioni del fascio ricombinato sul piano focale possono variare sia orizzontalmente che verticalmente, mantenendo sempre fissa la lunghezza totale del sistema ottico.

In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma deve essere chiaro che gli esperti nel ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dall'ambito di protezione della presente privativa industriale.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Sistema ottico per la rimodellazione ed omogeneizzazione spaziale di fasci di lupe con uscita a sezione variabile composto da sei elementi otici di cui tre per ciascuna delle due direzioni ortogonali trasverse, di cui il primo funge da divisore (D; DO, DV) ed è formato da un numero n di lenti cilindriche (D1,..Dn), essendo n superiore ad 1, la cui dimensione è nop superiore alla relativa dimensione del fascio di luce ed il suo centro è sull’asse ottico del fascio di luce, il secondo funge da condensatpre (C; CO, CV) ed è costituito da una lente cilindrica ed il terzo funge da elemento zoom (Z; ZO, Z V) ed è costituito da una lente cilindrica. 2.- Sistema ottico secondo la rivendicazione 1, in cui gli elementi divisori orizzontale e verticale sono formati da un unico elemento che agisce contemporaneamente sulle due direzioni, essendo costituito da lenti toroidali o sferiche in numero superiore ad 1 per ogni direzione. 3.- Sistema ottico secondo le rivendicazioni 1 e 2, in cui gli elementi condensatop orizzontale e verticale sono costituiti da una unica lente toroidale o sferica. 4 - Sistema ottico secondo le rivendicazioni 1, 2 e 3, in cui gli elementi zoom orizzontale e verticale sono costituiti da una unica lente toroidale o sferica. 5 - Sistema ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3 o 4, in cui alcuni elementi sono costituiti da lenti a focale negativa ovvero lenti divergenti. 6.- Sistema ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3, 4 o 5, in cui alcuni o tutti gli elementi ottici sono elementi riflettenti, nel qual caso l’asse ottico degli elementi condensatore (C; CO, CV) e zoom (Z; ZO, ZV) ppò non coincidere con l’asse di propagazione del fascio di luce incidente sull’elemento divisore. 7 - Sistema ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 , 2, 3, 4, 5 o 6, in cui, agli elementi rifrattivi (lenti) e/o riflettivi (specchi), si aggiunge un attenuatore atto a variare con continuità l’energia luminosa affinché il sistema ottico possa variare le dimensioni del fascio di luce conservandone la densità di energia (ovvero di potenza) agendo opportunamente su detto attenuatore. 8 - Sistema qttico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3, 4, 5, 6 o 7, in cui nell’eventuale piano ove focalizzano i fasci secondari uscenti dpll’elemento divisore orizzontale e/o verticale è posto un sistema di filtraggio spaziale, ad esempio fenditure ovvero fori nel caso di divisorp fly-eye, adatto ad evitare effetti diffrattivi e ìnterferenziali sul piano focale dell'omogeneizzatore. 9.- Sistema ottico secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e sostanzialmente come descritto nella descrizione e schematicamente mostrato nelle Figure 1 e 2 dei disegni allegati.