JP2001125040A

JP2001125040A - レーザー照射光学系

Info

Publication number: JP2001125040A
Application number: JP30513099A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Otoshi; 祐一郎大利
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2001-05-11
Also published as: US6400745B1

Abstract

(57)【要約】【課題】強度分布が不均一で非等方的に発散するレー
ザービームを、照射対象面上での強度分布が均一なレー
ザービームに効率よく変換するレーザー照射光学系を提
供する。【解決手段】レーザーダイオードと互いに独立な２つ
の整形光学系でレーザー照射光学系を構成する。レーザ
ーダイオードが発するビームはガウシアン型の強度分布
を有し、第１の方向に大きく、これと直交する第２の方
向に小さく発散する。第１の整形光学系は強度分布を第
１の方向について均一化し、第２の光学系は第２の方向
について均一化する。各整形光学系はコリメータレンズ
と整形用の回折素子より成り、両整形光学系の回折素子
の開口数は略等しく設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源からの不均一
な強度分布のレーザービームを整形して、照射対象面上
での強度分布を均一にするレーザー照射光学系に関し、
特に、光源からの非等方的に発散するレーザービームを
整形するレーザー照射光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザービームは、強度が高くビーム幅
を小さくすることができるという特徴を有しており、物
体表面の微細な加工や、光ファイバを介しての情報伝送
に多用されている。レーザーを発する光源としては、炭
酸ガスレーザーをはじめとする気体レーザー、ＹＡＧレ
ーザーをはじめとする固体レーザー、レーザーダイオー
ドと呼ばれる半導体レーザー等、種々のものがあるが、
いずれのレーザー光源が発するレーザービームも、強度
分布は均一ではなく、単一モードではガウシアン型とな
る。

【０００３】物体の加工においては、対象物はレーザー
ビームの強度分布に対応した形状に加工されるから、対
象物をどのような形状に加工するかに応じて、対象物上
でのレーザービームの強度分布を設定する必要がある。
例えば、断面が正方形で深さが一定の穴を対象物に形成
するときには、光路に垂直な断面の輪郭が正方形で、そ
の断面内の強度分布が均一なレーザービームとしなけれ
ばならない。また、加工される最小範囲はレーザービー
ムのビーム幅によって決まるから、ビーム幅は加工精度
に応じて設定することになる。一般に、高精度の加工に
必要とされるビーム幅は数十μｍ程度である。

【０００４】光ファイバを介しての情報伝送にレーザー
ビームを利用する場合、光ファイバの径が数μｍ程度で
あることから、レーザーの損失を少なくするために、ビ
ーム幅をさらに小さくすることが必要となる。しかも、
光ファイバは固有の光伝導モードを有しており、光ファ
イバを通る光の強度分布は単一モードではガウシアン型
となる。このため、ガウシアン型の強度分布をもつ光源
からのレーザービームをそのまま収束させてビーム幅を
微小にするだけでは、そのレーザービームの強度分布と
光ファイバが通し得る強度分布に位置のずれが生じた場
合に、光ファイバを通るレーザーが僅かになるという事
態が生じる。また、温度変化によりずれの程度が変動す
ると、伝送される情報も変動することになって、本来の
機能を発揮できなくなる。

【０００５】この不都合を防止するためには、光ファイ
バに対するレーザービームの照射位置のずれをファイバ
径の１／１０程度以下に抑える必要があり、光ファイバ
とこれにレーザービームを導く光学系の相対位置を厳密
に設定するとともに、温度変化があっても変動しないよ
うに固定しなければならない。このため、調整に長時間
を要し、また、高精度の固定具を用いる必要が生じる。

【０００６】物体の加工では、光源からのレーザービー
ムを収束させるとともに、収束位置における強度分布が
均一になるようにレーザービームの強度を変換する整形
光学系を備えたレーザー照射光学系が用いられている。
光ファイバを介する情報伝送においても、このようなレ
ーザー照射光学系を用いて、強度分布が均一でビーム幅
がファイバ径よりもやや大きなレーザービームを光ファ
イバに導くようにすれば、光ファイバに対するレーザー
ビームの収束位置に多少のずれが生じても光ファイバを
通るレーザーの強度が一定となるから、調整や固定が容
易になると期待される。

【０００７】レーザービームを射出する光源の開口の大
きさがレーザーの波長と大きく違わない場合、開口を出
るレーザーに回折が生じて、レーザービームは錐状に広
がる発散ビームとなる。気体レーザーや固体レーザーで
は、開口が円形または正方形であるため、レーザービー
ムは等方的に発散し、略円形の断面をもつ。したがっ
て、光源として気体レーザーや固体レーザーを使用する
レーザー照射光学系では、整形性能が等方的な整形素子
によって強度分布を均一にすることができる。

【０００８】通常、整形素子による強度変換を容易にす
るために、光源からの発散ビームはコリメータレンズに
よりあらかじめ平行ビームとされる。整形素子は、平行
ビームを収束させてビーム幅を狭めるとともに、収束位
置での強度分布が均一になるように、レーザービームの
強度分布を変換する。

【０００９】一方、レーザーダイオードは、薄い活性層
をクラッド層で挟んで活性層の側面からレーザービーム
を射出する構成であるため、開口が長方形となる。この
ため、開口を出るレーザーの回折角が、開口の短辺方向
（半導体の積層方向）に大きく、長辺方向に小さくなっ
て、レーザービームは非等方的に発散し、楕円形状の断
面をもつことになる。例えば、典型的なレーザーダイオ
ードが射出するレーザービームの頂角は、開口の短辺方
向が２５゜程度、長辺方向が１０゜程度である。非等方
的に発散するレーザービームでは、ガウシアン型の強度
分布も当然非等方的になる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のレー
ザー照射光学系では、光源としてレーザーダイオードを
使用する場合でも、レーザービームの発散が非等方的に
なることを考慮しておらず、等方的なコリメータレンズ
によって平行ビームとし、等方的な整形素子により強度
分布を変換するようにしている。このため、収束位置に
おいても非等方性が残り、強度分布が均一になる範囲
が、互いに直交する２方向で大きく相違する。したがっ
て、縦横の大きさが同程度の領域に均一な強度分布のレ
ーザービームを照射する用途では、強度分布が均一にな
った範囲の一部分のみを使用し、残りを捨て去る必要が
生じて、レーザーの利用効率が著しく低くなる。

【００１１】等方的な整形素子に代えて非等方的な整形
素子を用いれば、上記の不都合は軽減される。しかしな
がら、レーザービームの強度分布を均一化する整形素子
の整形性能は、その素子の出射側の開口数に大きく左右
されるため、たとえ非等方的な整形素子を用いても、直
交する２方向のいずれについても強度分布を良好に均一
化することはきわめて難しい。整形素子に入射するレー
ザービームのビーム幅が直交する２方向で異なるのに対
し、素子から収束位置までの距離は一定であり、整形素
子の開口数が両方向で決して同程度にならないからであ
る。

【００１２】整形素子の開口数と整形後の強度分布の関
係を、等方的なレーザービームを例にとって説明する。
ビーム幅が広く整形素子上での強度分布が図１０のよう
なレーザービームを、整形素子から所定距離だけ離れた
収束位置に、輪郭が正方形で均一なレーザービームとし
て収束させた場合の強度分布を図１１に示す。ビーム幅
が広い場合、周辺部の強度が急激に低下し、鋭い強度変
化を示すレーザービームになる。このため、強度分布が
均一になる範囲は広く、レーザーの利用効率は高い。

【００１３】ビーム幅が狭く整形素子上での強度分布が
図１２のようなレーザービームを、整形素子から上記の
例と同じ距離だけ離れた収束位置に、同じ大きさで、均
一なレーザービームとして収束させた場合の強度分布を
図１３に示す。ビーム幅が狭い場合、周辺部の強度は徐
々に低下し、鈍い強度変化を示すレーザービームとな
る。このため、強度分布が均一になる範囲は狭くなり、
レーザーの利用効率も低下する。

【００１４】これらの例の整形素子はそれぞれ、図１０
および図１２の強度分布に対して最適に設定されてい
る。このように最適化した整形素子を用いても、整形素
子上でのビーム幅が小さく、したがって開口数が小さい
と、整形性能は低下してしまう。非等方的に発散するレ
ーザービームを単一の整形素子で整形すると、たとえ非
等法的な整形素子を用いても、ビーム幅の狭い方向につ
いての整形性能の低下が避けられないことになる。

【００１５】非等方的に発散するレーザービームを等方
的な整形素子で整形する場合は、整形性能の低下はさら
に顕著になる。ビーム幅の広い方向について最適化した
整形素子による収束位置での強度分布の例を図１４に示
す。この例では、ビーム幅の狭い方向については強度分
布が均一になる範囲がほとんどなくなっている。図示し
ないが、逆に、ビーム幅の狭い方向について最適化した
整形素子を用いれば、広い方向についての整形性能が低
下する。

【００１６】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たもので、強度分布が不均一で非等方的に発散するレー
ザービームを、照射対象面上で均一な強度分布を有する
レーザービームに効率よく変換するレーザー照射光学系
を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、強度分布が不均一なレーザービームを
錐状に発する光源と、光源からのレーザービームを平行
化し、平行化したレーザービームをその強度分布を変換
しつつ光源から所定距離の収束位置に収束させて、収束
位置におけるレーザービームの強度分布を略均一にする
整形光学系を備えるレーザー照射光学系であって、光源
が発するレーザービームの頂角が、互いに直交する第１
の方向と第２の方向とで異なるものにおいて、第１の整
形光学系と第２の整形光学系とを備える。

【００１８】ここで、第１の整形光学系は、光源からの
レーザービームを第１の方向についてのみ平行化する第
１のコリメータレンズと、第１のコリメータレンズから
のレーザービームを、その強度分布を第１の方向につい
てのみ変換しつつ、第１の方向についてのみ収束させる
第１の整形素子から成る。第２の整形光学系は、光源か
らのレーザービームを第２の方向についてのみ平行化す
る第２のコリメータレンズと、第２のコリメータレンズ
からのレーザービームを、その強度分布を第２の方向に
ついてのみ変換しつつ、第２の方向についてのみ収束さ
せる第２の整形素子から成る。

【００１９】光源が発するレーザービームは、強度分布
が不均一で、しかも非等方的に発散する。第１の整形光
学系は、このレーザービームに対して、第１の方向につ
いてのみ作用し、第２の方向については影響を及ぼさな
い。同様に、第２の整形光学系は、光源からのレーザー
ビームに対して、第２の方向についてのみ作用し、第１
の方向については影響を及ぼさない。したがって、第１
および第２の整形光学系は、全く独立に設定することが
できる。

【００２０】第１および第２の整形光学系をそれぞれ、
レーザービームの第１および第２の方向の頂角すなわち
発散の程度に応じて設定することで、共通の収束位置に
おけるレーザービームのビーム幅を第１の方向と第２の
方向で同程度とし、しかも、収束位置における強度分布
を第１の方向についても第２の方向についても均一にす
ることが可能になる。また、光源が発するレーザービー
ム全体を整形することができるから、レーザーの利用効
率がよい。

【００２１】上記のレーザー照射光学系において、光源
が発するレーザービームの頂角は第２の方向よりも第１
の方向に大きいものとし、第１の整形光学系を光源と第
２の整形光学系の間に配置するとよい。発散の程度の大
きい第１の方向についての強度分布の変換を先に行い、
その後に発散の程度の小さい第２の方向についての強度
分布の変換を行うことで、第１および第２の整形素子の
出射側の開口数を略同じにすることが可能になり、強度
変換および収束の性能に両整形素子で差異が生じないよ
うにすることができる。その結果、収束位置における強
度分布が第１の方向と第２の方向で略等しくなり、均一
性が高まる。

【００２２】上記のレーザー照射光学系は、さらに、次
の式１の関係を満たすように設定するとよい。０．８≦β・ｆL1・ｆD2／（ｆL2・ｆD1）≦１．２５ … 式１ここで、ｆL1は第１のコリメータレンズの焦点距離、ｆ
L2は第２のコリメータレンズの焦点距離、ｆD1は第１の
整形素子の焦点距離、ｆD2は第２の整形素子の焦点距離
である。また、光源が発するレーザービームの第１の方
向の頂角をθ1、光源が発するレーザービームの第２の
方向の頂角をθ2とし、β＝ｔａｎ（θ1／２）／ｔａｎ
（θ2／２）とする。

【００２３】式１は、第２の整形素子の開口数に対する
第１の整形素子の開口数の比の範囲を、第１、第２の方
向でのレーザービームの発散の程度の差異に基づいて規
定するものである。式１の中辺の値が１のとき、第１の
整形素子の開口数と第２の整形素子の開口数は等しくな
り、収束位置におけるレーザービームの強度分布を第１
の方向と第２の方向で等しくすることができる。式１が
満たされるとき、２つの整形素子の出射側の開口数に大
きな差がなく、収束位置における強度分布の均一性は良
好に保たれる。

【００２４】第１の整形素子および第２の整形素子は、
表面レリーフ型の回折素子、または、アナモフィック非
球面の屈折素子とすることができる。

【００２５】収束位置を通過したレーザービームを再度
収束させる光学系を備えるようにしてもよい。収束位置
において均一になったレーザービームを、その均一性を
保ちながら、さらにビーム幅の狭いレーザービームとす
ることができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明のレーザー照射光学
系の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
第１の実施形態のレーザー照射光学系１の概略構成と、
レーザービームの整形の原理を、図１、図２に模式的に
示す。レーザー照射光学系１は、光源であるレーザーダ
イオード（ＬＤ）５、第１の整形光学系１０、および第
２の整形光学系２０を備えており、レーザーダイオード
５が発するレーザービームを、整形光学系１０、２０に
よって、ＬＤ５から所定距離の収束位置Ｓに、所定の輪
郭を有し強度分布が均一なレーザービームとして収束さ
せる。ＬＤ５から収束位置Ｓまでの距離をＬで表す。第
１の整形光学系１０はＬＤ５と第２の整形光学系２０の
間に配置されている。

【００２７】ＬＤ５は、強度分布がガウシアン型のレー
ザービームを、錐状に広がる発散ビームとして発する。
ＬＤ５の開口は半導体の積層方向を短辺とする長方形で
ある。以下、ＬＤ５の開口の短辺に平行な方向を第１の
方向、ＬＤ５の開口の長辺に平行な方向を第２の方向と
いう。第１の方向と第２の方向は互いに直交する。図２
において、（ａ）は第２の方向に垂直な断面図であり、
（ｂ）は第１の方向に垂直な断面図である。また、図１
は、第１の方向に垂直な断面と第２の方向に垂直な断面
の重ね合わせ図である。

【００２８】ＬＤ５が発するレーザービームの頂角は、
第１の方向に大きく、第２の方向に小さい。ＬＤ５が発
するレーザービームの第１の方向の頂角をθ1、第２の
方向の頂角をθ2で表す。

【００２９】第１の整形光学系１０は、第１のコリメー
タレンズ１１と、第１の整形素子である第１の回折光学
素子（ＤＯＥ）１２から成る。第２の整形光学系２０
は、第２のコリメータレンズ２１と、第２の整形素子で
ある第２のＤＯＥ２２から成る。

【００３０】第１のコリメータレンズ１１および第２の
コリメータレンズ２１はいずれもシリンドリカルレンズ
であり、ＬＤ５の光軸（射出するレーザービームの主光
線）と直交し、それぞれの焦点がＬＤ５の開口上に位置
するように配置されている。第１のコリメータレンズ１
１は、第１の方向に曲率を有するように配置されてお
り、第１の方向にパワーをもち、第２の方向にはパワー
をもたない。逆に、第２のコリメータレンズ２１は、第
２の方向に曲率を有するように配置されており、第２の
方向にパワーをもち、第１の方向にはパワーをもたな
い。第１のコリメータレンズ１１の第１の方向について
の焦点距離をｆL1、第２のコリメータレンズ２１の第２
の方向についての焦点距離をｆL2で表す。

【００３１】ＬＤ５からのレーザービームは、第１のコ
リメータレンズ１１により第１の方向について平行化さ
れ、第１のＤＯＥ１２に入射する。第１のＤＯＥ１２
は、コリメータレンズ１１からのレーザービームを、第
１の方向について収束位置Ｓに収束させる。ＤＯＥ１２
の第１の方向についての焦点距離をｆD1で表す。第１の
ＤＯＥ１２は、また、収束位置Ｓにおけるレーザービー
ムの強度分布が第１の方向について均一になるように、
コリメータレンズ１１からのレーザービームの強度分布
を第１の方向について変換する。ＤＯＥ１２は、第２の
方向については、コリメータレンズ１１からのレーザー
ビームを収束させることも、その強度分布を変換するこ
ともせず、単なる透明板となる。

【００３２】したがって、コリメータレンズ１１とＤＯ
Ｅ１２より成る第１の整形光学系１０は、図２（ａ）に
示すように、ＬＤ５からのレーザービームに対して第１
の方向についてのみ作用し、図２（ｂ）に示すように、
第２の方向の頂角θ2を変化させることなく、ＬＤ５か
らのレーザービームを第２の整形光学系２０に導くこと
になる。

【００３３】第１の整形光学系１０からのレーザービー
ムは、第２のコリメータレンズ２１により第２の方向に
ついて平行化され、第２のＤＯＥ２２に入射する。第２
のＤＯＥ２２は、コリメータレンズ２１からのレーザー
ビームを、第２の方向について収束位置Ｓに収束させ
る。ＤＯＥ２２の第２の方向についての焦点距離をｆD2
で表す。第２のＤＯＥ２２は、また、収束位置Ｓにおけ
るレーザービームの強度分布が第２の方向について均一
になるように、コリメータレンズ２１からのレーザービ
ームの強度分布を第２の方向について変換する。ＤＯＥ
２２は、第１の方向については、コリメータレンズ２１
からのレーザービームを収束させることも、その強度分
布を変換することもせず、単なる透明板となる。

【００３４】したがって、コリメータレンズ２１とＤＯ
Ｅ２２より成る第２の整形光学系２０は、図２（ｂ）に
示すように、第１の整形光学系１０からのレーザービー
ムに対して第２の方向についてのみ作用し、図２（ａ）
に示すように、第１の方向についての収束に影響を及ぼ
すことなく、整形光学系１０からのレーザービームを収
束位置Ｓに導くことになる。

【００３５】ＬＤ５からのレーザービームは、２つの整
形光学系１０、２０によって独立に整形されて、収束位
置Ｓにおける断面の輪郭が所定の形状で、強度分布が第
１の方向にも第２の方向にも均一なレーザービームとさ
れる。整形光学系１０、２０が独立であるため、整形素
子であるＤＯＥ１２、２２の設計は容易である。すなわ
ち、第１のＤＯＥ１２の設計にはレーザービームの第２
の方向への発散を考慮する必要がなく、第２のＤＯＥ２
２の設計には第１の方向への発散を考慮する必要がな
い。

【００３６】ただし、収束位置Ｓにおけるレーザービー
ムの強度分布の均一性を第１の方向と第２の方向に共に
高めるためには、レーザービームの発散の程度すなわち
頂角θ1、θ2を考慮して、整形光学系１０、２０の位置
を適切に設定する必要がある。

【００３７】収束位置Ｓにおけるレーザービームの断面
を略正方形とする場合を例にとって、レーザー照射光学
系１の具体的設定について説明する。本設定例のレーザ
ー照射光学系１の構成を図３に示す。図３において、
（ａ）は第２の方向に垂直な断面図、（ｂ）は第１の方
向に垂直な断面図である。ＬＤ５の近傍には、保護のた
めに、透明な薄板５ａとブロック５ｂが備えられてい
る。

【００３８】ＬＤ５の開口を面０、収束位置Ｓを面１３
とし、面０から面１３までの構造データを表１および表
２に示す。以下、ＬＤ５の光軸をＺ軸、Ｚ軸と直交し第
１の方向に平行な軸をＹ軸、Ｚ軸と直交し第２の方向に
平行な軸をＸ軸とよぶ。表１は第１の方向すなわちＹ−
Ｚ断面についてのデータであり、表２は第２の方向すな
わちＸ−Ｚ断面についてのデータである。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】ＬＤ５が射出するレーザービームの波長は
７８０ｎｍ、第１の方向の頂角θ1は２５．０゜、第２
の方向の頂角θ2は９．０゜、ＬＤ５から収束位置Ｓま
での距離Ｌは１８２ｍｍ、第１のコリメータレンズ１１
の焦点距離ｆL1は１６．５ｍｍ、第２のコリメータレン
ズ２１の焦点距離ｆL2は３９．２ｍｍ、第１のＤＯＥ１
２の焦点距離ｆD1は１５３ｍｍ、第２のＤＯＥ２２の焦
点距離ｆD2は１３０ｍｍである。また、第１のＤＯＥ１
２の回折格子は一辺が８．０ｍｍの正方形、第２のＤＯ
Ｅ２２の回折格子は一辺が７．０ｍｍの正方形である。
収束位置Ｓでの強度分布が均一な範囲の設計値は、一辺
６０μｍ程度の正方形である。

【００４２】第１のコリメータレンズ１１の出射側（面
６）および第２のコリメータレンズ２１の出射側（面１
０）は、式２で定義されるアナモフィック非球面とされ
ている。Ｄh＝Ｃh・Ｈ²／［１＋｛１−（１＋Ｋh）・Ｃh²・Ｈ²｝^1/2］＋Ａh₄・Ｈ⁴＋Ａh₆・Ｈ⁶＋Ａh₈・Ｈ⁸＋Ａh₁₀・Ｈ¹⁰ … 式２ここで、ＤhはＺ軸方向の変位、ＣhはＺ軸上での曲率
（曲率半径の逆数）、Ｋhは円錐係数、Ａh₄〜Ａh₁₀は４
〜１０次の係数である。Ｄh、Ｃh、Ｋh、Ａhの添字ｈ
は、面６についてはＹ方向、面１０についてはＸ方向を
表し、ＨはＺ軸からのＹ方向またはＸ方向への距離を表
す。係数Ａh₄〜Ａh₁₀は表１、表２に示した値に設定さ
れている。

【００４３】第１のＤＯＥ１２の回折格子は出射側（面
８）に形成されており、第２のＤＯＥ２２の回折格子も
出射側（面１２）に形成されている。これらの回折格子
は、ガウシアン型の強度分布を均一な強度分布とするた
めの位相関数を求め、これから、波長とＤＯＥ１２、２
２の基板の屈折率を考慮して、形状関数を定めることに
より設計されている。

【００４４】位相関数は次数の異なる複数項の線形結合
で表され、各項の係数は非線形最適化アルゴリズムによ
る演算で算出することができる。ＤＯＥ１２、２２の位
相関数φ（Ｈ）を式３に示す。 φ（Ｈ）＝２π／λ・（Ｃh₂・Ｈ²＋Ｃh₄・Ｈ⁴＋Ｃh₆・Ｈ⁶ ＋Ｃh₈・Ｈ⁸＋Ｃh₁₀・Ｈ¹⁰） … 式３ λはレーザービームの波長であり、Ｃh₂〜Ｃh₁₀は２〜
１０次の係数である。Ｃｈの添字ｈは、面８については
Ｙ方向、面１２についてはＸ方向を表し、ＨはＺ軸から
のＹ方向またはＸ方向への距離を表す。係数Ｃｈ_２〜Ｃ
h₁₀は表１、表２に示した値に設定されている。第１の
ＤＯＥ１２の位相関数φ（Ｙ）を図４に示す。

【００４５】なお、ＤＯＥ１２、２２の焦点距離ｆD1、
ｆD2は、２次の係数Ｃh₂によって定まり、式４、式５で
定義される。ｆD1＝１／（−２・Ｃy₂） … 式４ｆD2＝１／（−２・Ｃx₂） … 式５

【００４６】式３の位相関数φ（Ｈ）に対応する形状関
数を式６に示す。Ｚ（Ｈ）＝φ（Ｈ）・λ／｛２π・（ｎ−１）｝ … 式６ここで、ｎはＤＯＥ１２、２２の基板の屈折率である。
形状関数Ｚ（Ｈ）は位相関数φ（Ｈ）と同形となり、連
続した１つのアナモフィック非球面を規定する。形状関
数Ｚ（Ｈ）に従って作成される素子は自由曲面を有する
屈折素子となる。

【００４７】本設定例のレーザー照射光学系１では、式
６の形状関数Ｚ（Ｈ）そのものではなく、式７の形状関
数Ｚ’（Ｈ）を採用している。Ｚ’（Ｈ）＝modulo｛φ（Ｈ）、２π｝・λ／｛２π・（ｎ−１）｝ … 式７ここで、moduloは第２変数を法とする第１変数の剰余を
表す。したがって、式７の形状関数Ｚ’（Ｈ）は、式６
の形状関数Ｚ（Ｈ）を位相周期で規格化したものとな
り、素子は表面にブレーズ形状を有する回折素子とな
る。このようなブレーズ型の回折素子は、リソグラフィ
ーや電子線描画で作製することができる。

【００４８】第１のＤＯＥ１２の形状関数Ｚ’（Ｙ）を
図５に示す。図５は、Ｚ軸から１．５ｍｍまでの範囲を
示したもので、縦軸は位相の１周期を単位として表して
いる。１周期に対応する回折格子の厚さはλ／（ｎ−
１）であり、波長λが７８０ｎｍで屈折率ｎが１．４５
であるから、１．７２μｍとなる。なお、後述するよう
に、ＤＯＥ１２の開口数とＤＯＥ２２の開口数は略等し
く設定されており、第２のＤＯＥ２２の位相関数φ
（Ｘ）および形状関数Ｚ’（Ｘ）は、図４、図５に示し
たものと略等しい。

【００４９】形状関数Ｚ’（Ｈ）をそのままブレーズ型
の回折素子とすることに代えて、基板表面を多数の微小
区画に区分するとともに、基板表面の高さを等間隔の２
^k（例えば１６）レベルとし、各区画のレベルをその中
心の関数Ｚ’（Ｈ）値に最も近いレベルに設定すること
により、バイナリ型の回折素子とすることもできる。バ
イナリ型の回折素子もリソグラフィーや電子線描画で作
製することが可能である。また、バイナリ型のレリーフ
形状を金型に転写し、これを用いてガラスやプラスチッ
クを成型することにより、素子の量産も容易である。

【００５０】本設定例のレーザー照射光学系１の、第１
のＤＯＥ１２上でのレーザービームの強度分布を図６に
示し、収束位置Ｓにおけるレーザービームの強度分布を
図７に示す。強度分布がガウシアン型で、しかも直交す
る２方向でビーム幅が異なっていたＬＤ５からのレーザ
ービームは、断面の輪郭が略正方形で、いずれの方向に
も略均一な強度分布を有するレーザービームとなってい
る。強度分布が均一な範囲は設計どおり一辺６１．５μ
ｍの正方形であり、しかも、周辺部の強度変化が鋭く、
均一な強度分布の範囲は広い。図７と図１１の比較から
明らかなように、レーザー照射光学系１の整形性能は、
等方的なレーザービームを最適の条件で整形する等方的
な光学系の整形性能に匹敵する。

【００５１】このような良好な強度分布を得るための、
第１の整形光学系１０と第２の整形光学系２０の設定に
ついて、図１、図２を参照して説明する。前述のよう
に、整形素子の整形性能はその出射側の開口数に依存
し、開口数が大きいほど高くなるから、第１のＤＯＥ１
２の開口数と第２のＤＯＥ２２の開口数を共に大きくす
るとともに、ＤＯＥ１２、２２の開口数を略等しくし
て、強度分布の均一性を第１の方向と第２の方向とで同
等にするのが好ましい。ＬＤ５から収束位置Ｓまでの間
に整形光学系１０、２０を配置するという制約のもと
で、ＤＯＥ１２、２２の開口数を略等しくするための条
件を考える。

【００５２】仮に、ビーム幅の狭い方向について先に整
形し、ビーム幅の広い方向について後に整形すると、す
なわち、第２の整形光学系２０をＬＤ５と第１の整形光
学系１０の間に配置すると、ＤＯＥ１２、２２の開口数
を等しくすることは不可能になる。しかし、整形光学系
１０をＬＤ５と整形光学系２０の間に配置したレーザー
照射光学系１では、ＤＯＥ１２、２２の開口数を等しく
することが可能である。

【００５３】ＤＯＥ１２上での第１の方向のビーム幅を
Ｄ1で表し、ＤＯＥ２２上での第２の方向のビーム幅を
Ｄ2で表すと、Ｄ1、Ｄ2はそれぞれ式８、式９で求めら
れる。Ｄ1＝２・ｆL1・ｔａｎ（θ1／２） … 式８Ｄ2＝２・ｆL2・ｔａｎ（θ2／２） … 式９

【００５４】ＤＯＥ１２、２２の出射側の開口数は、Ｄ
ＯＥ１２、２２の焦点距離に対するＤＯＥ１２、２２上
でのビーム幅の半値の比であるから、ＤＯＥ１２の開口
数ＮＡ1およびＤＯＥ２２の開口数ＮＡ2は、それぞれ式
１０および式１１で表される。ＮＡ1＝Ｄ1／（２・ｆD1） … 式１０ＮＡ2＝Ｄ2／（２・ｆD2） … 式１１

【００５５】したがって、ＤＯＥ２２の開口数ＮＡ2に
対するＤＯＥ１２の開口数ＮＡ1の比は式１２となる。ＮＡ1／ＮＡ2＝（Ｄ1／ｆD1）／（Ｄ2／ｆD2） … 式１２

【００５６】ここで、式８、式９を代入し、簡略化のた
めに式１３とおいて、右辺を整理すると式１４が得られ
る。 β＝ｔａｎ（θ1／２）／ｔａｎ（θ2／２） … 式１３ＮＡ1／ＮＡ2＝β・ｆL1・ｆD2／（ｆL2・ｆD1） … 式１４

【００５７】式１４の値が１のとき、ＤＯＥ１２、２２
の開口数が等しくなって、第１の方向についてのＤＯＥ
１２の整形性能と第２の方向についてのＤＯＥ２２の整
形性能が同じになる。したがって、式１５が成り立つこ
とが理想的である。 β・ｆL1・ｆD2／（ｆL2・ｆD1）＝１ … 式１５

【００５８】上述の設定例では、式１４によるＮＡ1／
ＮＡ2の値は１．０１であり、式１５が成立していると
いえる。これにより、収束位置Ｓにおける強度分布を第
１の方向と第２の方向について、良好にかつ同程度に均
一化することが可能になっている。

【００５９】ただし、厳密に式１５が成り立たなくて
も、近似的に式１５が成り立つ範囲では、ＤＯＥ１２、
２２の整形性能は略等しくなると期待される。そこで、
式１５の左辺に含まれる諸パラメータの値を変えて収束
位置Ｓでの強度分布を求めるシミュレーションを行っ
た。その結果、ＤＯＥ１２、２２の開口数の比ＮＡ1／
ＮＡ2が０．８〜１．２５の範囲内であれば、どちらの
整形性能も大きく低下しないことが判明した。すなわ
ち、式１の範囲であれば、第１の方向についても第２の
方向についても、略同じ幅で十分に均一な強度分布が得
られる。０．８≦β・ｆL1・ｆD2／（ｆL2・ｆD1）≦１．２５ … 式１（再掲）

【００６０】本発明の第２の実施形態のレーザー照射光
学系２の概略構成と、レーザービームの整形の原理を、
図８に模式的に示す。レーザー照射光学系２は、第１の
実施形態のレーザー照射光学系１を前段とし、収束位置
Ｓを通過した後のレーザービームを収束位置Ｓ’に再度
収束させる光学系３０を後段として追加したものであ
る。光学系３０は、収束位置Ｓでの強度分布を保ちなが
ら、収束位置Ｓ’におけるビーム幅を収束位置Ｓでのビ
ーム幅よりもさらに狭くする縮小光学系である。

【００６１】レーザー照射光学系２の具体的な設定例を
図９に示す。図９は第２の方向に垂直な断面図である
が、縮小光学系３０は光軸に関して回転対称であり、収
束位置Ｓからのレーザービームに対してどの方向にも均
等に作用する。

【００６２】前段を成すＬＤ５から第２の整形光学系２
０までの設定は、第１の実施形態で説明した具体例と同
じであり、重複する説明は省略する。後段の縮小光学系
３０は４つのレンズ３１、３２、３３、３４より成る。
縮小光学系３０の構造データを表３に示す。

【００６３】

【表３】

【００６４】縮小光学系３０全体の焦点距離は９．０ｍ
ｍであり、倍率１０の対物レンズとして機能する。した
がって、収束位置Ｓ上での強度分布が均一な一辺６１．
５μｍの正方形の範囲は、収束位置Ｓ’においては一辺
略６μｍの正方形の範囲となる。

【００６５】このように、一旦均一な強度分布としたレ
ーザービームを再度収束させてビーム幅をさらに狭くす
る場合でも、前段の光学系の開口数に第１の方向と第２
の方向で大きな差がないため、後段の光学系でレーザー
ビームを等方的に扱っても強度分布の均一性が損なわれ
ることがない。したがって、前段の光学系に適合するよ
うに後段の光学系を設計することが容易になる。

【００６６】以上、本発明のレーザー照射光学系につい
て、レーザーダイオードを光源として使用する場合を例
にとって説明したが、本発明は、強度分布がガウシアン
型のレーザービームだけでなく、他の関数で表される強
度分布のレーザービームにも適用することが可能であ
る。整形素子は光源が発するレーザービームの強度分布
の関数形に応じて設計すればよい。

【００６７】

【発明の効果】本発明のレーザー照射光学系は、光源が
発するレーザービームが非等方的に発散するものであり
ながら、その非等方性に対応する互いに直交する２方向
それぞれについて整形光学系を備えているため、収束位
置におけるレーザービームのビーム幅を２方向で自由に
設定しつつ、両方向の略全体にわたって強度分布を均一
にすることができる。したがって、用途に応じた断面形
状を有し強度分布が均一なレーザービームを、効率よく
提供することが可能である。しかも、２つの整形光学系
が互いに独立しているため、整形素子の設計も容易であ
る。

【００６８】また、レーザービームの平行化や強度分布
の変換を発散の程度の大きい方向について先に行うよう
にすることで、２つの整形素子の出射側の開口数を略同
じにすることが可能になり、強度変換および収束の性能
に両整形素子で差異が生じないようにすることができ
る。これにより、収束位置における強度分布を２方向で
略同じにして、均一性をさらに高めることができる。

【００６９】特に、式１を満たすように設定すること
で、２つの整形素子の出射側の開口数が略同じになると
いう条件が確保され、収束位置における強度分布の均一
性を確実に高くすることができる。

【００７０】また、収束位置を通過したレーザービーム
を再度収束させる光学系を備えることで、収束位置にお
いて均一になったレーザービームを、その均一性を保ち
ながら、さらにビーム幅の狭いレーザービームとして照
射することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態のレーザー照射光学系の第１
の方向に垂直な断面と第２の方向に垂直な断面の重ね合
わせ図。

【図２】第１の実施形態のレーザー照射光学系の
（ａ）第２の方向に垂直な断面図、および（ｂ）第１の
方向に垂直な断面図。

【図３】第１の実施形態のレーザー照射光学系の一設
定例の（ａ）第２の方向に垂直な断面図、および（ｂ）
第１の方向に垂直な断面図。

【図４】第１の実施形態のレーザー照射光学系の上記
設定例における第１のＤＯＥの位相関数を示す図。

【図５】第１の実施形態のレーザー照射光学系の上記
設定例における第１のＤＯＥの形状関数を示す図。

【図６】第１の実施形態のレーザー照射光学系の上記
設定例における第１のＤＯＥ上でのレーザービームの強
度分布を示す立体図。

【図７】第１の実施形態のレーザー照射光学系の上記
設定例における収束位置でのレーザービームの強度分布
を示す（ａ）立体図、および（ｂ）等高線図（９．１％
間隔）。

【図８】第２の実施形態のレーザー照射光学系の第１
の方向に垂直な断面と第２の方向に垂直な断面の重ね合
わせ図。

【図９】第２の実施形態のレーザー照射光学系の一設
定例の第２の方向に垂直な断面図。

【図１０】等方的なレーザービームを整形する等方的
な整形素子上でのビーム幅の広いレーザービームの強度
分布を示す立体図。

【図１１】図１０のレーザービームの収束位置での強
度分布を示す（ａ）立体図、および（ｂ）等高線図
（９．１％間隔）。

【図１２】等方的なレーザービームを整形する等方的
な整形素子上でのビーム幅の狭いレーザービームの強度
分布を示す立体図。

【図１３】図１２のレーザービームの収束位置での強
度分布を示す（ａ）立体図、および（ｂ）等高線図
（９．１％間隔）。

【図１４】等方的な整形素子で整形された非等方的な
レーザービームの収束位置での強度分布を示す（ａ）立
体図、および（ｂ）等高線図（９．１％間隔）。

【符号の説明】

１レーザー照射光学系５レーザーダイオード１０第１の整形光学系１１第１のコリメータレンズ１２第１の整形素子（回折光学素子）２０第２の整形光学系２１第２のコリメータレンズ２２第２の整形素子（回折光学素子）２レーザー照射光学系３０縮小光学系３１〜３４レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強度分布が不均一なレーザービームを錐
状に発する光源と、光源からのレーザービームを平行化
し、平行化したレーザービームをその強度分布を変換し
つつ光源から所定距離の収束位置に収束させて、収束位
置におけるレーザービームの強度分布を略均一にする整
形光学系を備えるレーザー照射光学系であって、光源が
発するレーザービームの頂角が、互いに直交する第１の
方向と第２の方向とで異なるものにおいて、光源からのレーザービームを第１の方向についてのみ平
行化する第１のコリメータレンズと、第１のコリメータ
レンズからのレーザービームを、その強度分布を第１の
方向についてのみ変換しつつ、第１の方向についてのみ
収束させる第１の整形素子から成る第１の整形光学系
と、光源からのレーザービームを第２の方向についてのみ平
行化する第２のコリメータレンズと、第２のコリメータ
レンズからのレーザービームを、その強度分布を第２の
方向についてのみ変換しつつ、第２の方向についてのみ
収束させる第２の整形素子から成る第２の整形光学系と
を備えることを特徴とするレーザー照射光学系。
【請求項２】光源が発するレーザービームの頂角は第
２の方向よりも第１の方向に大きく、第１の整形光学系が光源と第２の整形光学系の間に配置
されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー
照射光学系。
【請求項３】光源が発するレーザービームの第１の方
向の頂角をθ1、光源が発するレーザービームの第２の方向の頂角をθ
2、第１のコリメータレンズの焦点距離をｆL1、第２のコリメータレンズの焦点距離をｆL2、第１の整形素子の焦点距離をｆD1、第２の整形素子の焦点距離をｆD2で表し、 β＝ｔａｎ（θ1／２）／ｔａｎ（θ2／２）と定めるとき、０．８≦β・ｆL1・ｆD2／（ｆL2・ｆD1）≦１．２５の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載のレー
ザー照射光学系。
【請求項４】第１の整形素子および第２の整形素子が
表面レリーフ型の回折素子であることを特徴とする請求
項１に記載のレーザー照射光学系。
【請求項５】第１の整形素子および第２の整形素子が
アナモフィック非球面の屈折素子であることを特徴とす
る請求項１に記載のレーザー照射光学系。
【請求項６】収束位置を通過したレーザービームを再
度収束させる光学系を備えることを特徴とする請求項１
に記載のレーザー照射光学系。