JP2004521398A - 光線を光学的に均質化するための配置および装置 - Google Patents

Abstract

２つの互いに実質的に向かい合っている光学的に機能する境界面を有する、光線を光学的に均質化するための装置であって、該境界面は、光線（２，５）のための入射面（７）として、および出射面（８）として用いることができ、入射面（７）と出射面（８）は、少なくとも部分的にレンズに類似した構造物を有し、前記入射面（７）と出射面（８）との上に形成される構造物は、交互に相並んで配置された凸状部分（９，１１）と凹状部分（１０，１２）として形成され、凸状部分（９，１１）と凹状部分（１０，１２）との間の移行部は、相対的に滑らかに形成されている。さらに本発明は、上述した種類の装置（３）を有する、光線を光学的に均質化するための配置に関する。

Description

【０００１】
本発明は、２つの互いに実質的に向かい合っている光学的に機能する境界面を有する、光線を光学的に均質化するための装置であって、該境界面は、光線のための入射面として、および出射面として用いることが可能であって、入射面と出射面とは、少なくとも部分的にレンズに類似した構造を呈している、光線を光学的に均質化するための装置に関する。さらに本発明は、光線を光学的に均質化するための装置を有する、光線を光学的に均質化するための配置であって、該装置を均質化されるべき光線が通過可能であり、光線方向において装置の後方に集光レンズが配置され、該集光レンズは、光線が集光レンズのほぼ焦点面の範囲においては装置に入射する前よりも均質であるように光線を集束させる、光線を光学的に均質化するための配置に関する。
【０００２】
上述した種類の装置および配置は、ＰＣＴ出願書 ＷＯ ９８／１０３１７によって知られている。その中で記述された装置は、その入射面でも、またその出射面でも互いに平行に、かつ相並んで配置された一連の円柱レンズを含んでいる。入射面の円柱レンズと出射面の円柱レンズは、その円柱軸に関して互いに垂直に配置されている。該装置の後方には集光レンズが配置されていて、該集光レンズは、装置を通過する光を焦点面に集光させることができる。この配置およびこの装置によって、光線の均質化は、円柱レンズの様々な範囲に当たる、光線の部分光線が様々な単位立体角に偏向させられることによって達成される。これによって光線は、光線を光学的に均質化するための装置を通過したあとでは入射する前よりも軽度に発散的である。集光レンズ内において該集光レンズに平行に入射する部分光線は、該部分光線が焦点面内において一点に集められるように偏向させられる。これによって焦点面内において個々の部分光線の重合わせが行われ、円柱レンズのもとでの事前の屈折によって様々な立体角範囲への一様な散乱が達成された。このような理由から焦点面内での光線の横断面は比較的均質である。上述した装置が相並んでいる円柱凸レンズによって構成されていることは、上述した装置および上述した配置の短所であることが証明されていて、これらの円柱レンズの結合範囲において入射面、あるいは出射面の極めて大きい曲率が存在している。この結合範囲に入射する、均質化されるべき光線の部分光線は、阻止されることなくこれらの結合範囲を通過し、その結果、部分光線が均質化されない可能性があるか、あるいは部分光線は、制御されることなく様々な方向に偏向させられ、その結果、部分光線は、光線から出てしまい、それによって損失と見なされるかのいずれかである。さらにこれらの角張った結合範囲において装置内で、あるいは装置のすぐ後方で望ましくない極めて強力な焦点形成に至るような小さな曲率半径が存在するという危険性がある。このことは、レーザの強度が然るべく高い場合に損傷へとつながる可能性がある。さらなる短所としては、レーザの強度が非常に高い場合には、光線を光学的に均質化するための装置の後方で強度の高い焦線を形成する円柱凸レンズが使用されていて、したがって、これらの焦点範囲において同じく周辺域の損傷が生じ得ることもある。
【０００３】
さらに従来の技術によって当初述べた種類の装置が知られていて、該装置は、入射面および／あるいは出射面の上に球面凸レンズ要素を呈している。これらの球面凸レンズ要素は、同じく相並んで密に配置されている。これらは、上述した円柱レンズの場合と同じ方法で光線を均質化するのであって、そして最終的に同じ短所も呈している。とりわけ球面凸レンズ要素が使用されているという事実に基づいて、高強度の焦点範囲によって装置全体を損傷させる危険性が明らかに大きい。さらに個々の球面レンズ部分の間の移行範囲も角張っていて、その結果、ここでも上述した問題が現れ得る。
【０００４】
本発明の根底にある課題は、より効率的に形成されてなる、上述の種類の装置と配置とを生み出すことである。
【０００５】
これは、装置に関しては請求項１の特徴によって、配置に関しては請求項９の特徴によってそれぞれ解決される。
【０００６】
請求項１に従えば、入射面と出射面に形成された構造物は交互に相並んで配置された凸状部分と凹状部分として形成され、凸状部分と凹状部分との間の移行部は、比較的滑らかに形成されている。凸状部分と凹状部分とを相並んで配置することによって、本発明に従えば、これらの部分の間の移行部は比較的滑らかである、すなわち追加的な段部または角部を設けることなく形成可能である。とりわけ凸状部分の曲率は、凹状部分の曲率へと移行できる。とりわけ本発明の意味における比較的滑らかであるというのは、凸状部分と凹状部分との間の移行範囲が、入射面に対して垂直な方向と出射面に対して垂直な方向における凸状部分と凹状部分との空間的広がりに比べて滑らかであること、とりわけその延びに関して、入射面および出射面に対して垂直な方向において、これらの部分の延びに匹敵するような段部または角部はないことを意味している。したがって、この意味においては、比較的滑らかであるとは、凸状部分と凹状部分との間の移行部が何ら表面粗さを呈すべきでないということを意味しているのではない。むしろこれらの部分の間の移行部には、その空間的延びに関して、光線の通過方向において凸状部分と凹状部分との空間的延びよりも実質的に小さな段部または角部はないということである。
【０００７】
凸状部分と凹状部分との間の移行部をこのように滑らかに形成することによって、この移行範囲を通過する光線が制御されずに装置から出射されることはないことが保証される。この方法においては、とりわけ光出力に関して効率が向上させられる。さらにこのような滑らかな移行によって、装置後方の強度の高い焦点、あるいは焦線につながるような鋭利な曲線も生じない。さらに凸状部分と凹状部分との間の移行部のないこの結合範囲によっても、この範囲に当たる光線は阻止されずに通過することができない。したがって原則的に、装置に当たる各部分光線は、装置に入射する光線の最適な均質化が保証されるように偏向させられる。
【０００８】
本発明の好適な実施の形態に従えば、凸状部分と凹状部分とはそれぞれ入射面内、あるいは出射面内にある方向を有し、該方向に沿って、少なくとも部分的に、該部分の曲率が実質的に一定であり、入射面の実質的に一定の曲率の方向は、出射面の実質的に一定の曲率の方向に対して垂直に指向されている。このことによって、従来の技術に従った交差された円柱レンズの構造物に類似した構造物が得られる。しかしながら、本発明に従えば、１つの長く伸びた凸状のレンズ状構造物が１つの長く伸びた凹状のレンズ状構造物に常に隣接するように構成されている。このような方法で、従来の技術とは対照的に、凸状部分と凹状部分との間に、あるいはレンズ状構造物の間に段部または角部のない滑らかな移行を保証することが可能となる。
【０００９】
とりわけ凸状部分と凹状部分とは、それぞれ曲率が一定の方向に対して垂直な方向において楕円形状を呈することができる。あるいはこれに関して凸状部分と凹状部分とは、それぞれ曲率が一定の方向に対して垂直な方向において双曲線形状、または放物線形状、または高次の多項式の形状、または正弦波に類似した形状を呈することもできる。凸状部分および凹状部分の表面をこのように形成することによって、光線を光学的に均質化するための装置の後方で強度の高い焦点範囲が生じることが防止される。球面レンズ、あるいは円柱レンズと違って、たとえば楕円レンズは厳密に定められた焦点範囲を呈していない。その理由は、楕円レンズは曲率が一定の方向に対して垂直に、実質的に常に変化する曲率を有するためである。
【００１０】
正弦波に類似した形状と対照的に楕円形状、双曲線形状、放物線形状、または高次多項式形状として形成された凸状部分と凹状部分とは、光線の横断面の著しく効果的な均質化を行うことができるように形成することが可能であるという利点をさらに有する。このことは、以下の図面の説明において、図４を参照してさらに明確に説明する。
【００１１】
凸状部分の曲率は、凹状部分の曲率よりも平均して小さく形成されてなることが好ましい。このようにして、凸状部分の後方の焦点範囲における光の強度がさらに低下させられる。凹状部分が散乱レンズと同様に作用するという事実に基づいて凹状部分の後方には焦点範囲が生じない。
【００１２】
とりわけ強度のわずかな光線に適している、本発明の実施の形態において、凸状部分と凹状部分とは、それぞれ曲率が一定な方向に対して垂直な方向において、円弧形状を呈することができ、その結果、相並んで配置された円柱凸レンズと円柱凹レンズが生じる。これらの相並んで配置された円柱凸レンズおよび円柱凹レンズも本発明に従う効率の向上に貢献する。その理由は、円柱凸レンズ部分と円柱凹レンズ部分との間の移行範囲が滑らかに形成されていて、その結果、従来の技術によって知られている前述の短所が生じないためである。明らかに強力なレーザ光線の場合に限り、円柱凸レンズ部分の後方に、望ましくない損傷を生ずるほどに強い焦線が生じ得るだけである。
【００１３】
本発明に従えば、入射面上でも、また出射面上でも多数の、好ましくは約１００〜５００の、とりわけ約３００の凸状部分と凹状部分を形成することが可能である。用途に応じて、相並んで配置された凸状部分と凹状部分とのこの数を増加、あるいは減少させることができる。このことは、とりわけ入射する光線の横断面の強度分布のレベルに依存している。
【００１４】
本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図面を参照した、望ましい実施の形態に関する以下の説明によって明らかになるであろう。
【００１５】
図１ａと図１ｂとに示されているように、本発明に従う配置は光源１を含み、光源は、この光源から出る光線２を有し、該光線は、光線を均質化するための本発明に従う装置３を通過し、次いで集光レンズ４によって集光される。集光レンズ４から出る光線５は、集光レンズ４の焦点面６に至るまでの経過において図１ａと図１ｂとに示されている。
【００１６】
図２において、光線を均質化するための本発明に従う装置３が詳細に示されている。装置３の構造は、寸法に忠実ではなく、判りやすくするために誇張して描かれている。装置３は、実質的に正方形の入射面７と、該入射面と向かい合っている実質的に正方形の出射面８とを有している。入射面７上にも、また出射面８上にも凸状部分９，１１と凹状部分１０，１２が形成されている。たとえば図２ｂには出射面８の凸状部分１１と凹状部分１２が断面図で示されている。凸状部分１１も、凹状部分１２も１つの方向に、すなわちｘ方向に延び、横断面は変化していない。したがって、図２ｂから明らかになる、出射面８の横断面は、ｘ方向において、すなわち図２ｂの図面平面内に入る方向において変化しない。これと同じことは、図２ｃに示した入射面７に関しても当てはまる。その横断面は、ｙ方向において、すなわち図２ｃの図面平面内に入る方向において変化しない。凸状面９，１１、並びに凹状面１０，１２も横断面において楕円形状を呈する。この楕円形状に基づいて凸状部分９，１１の頭頂線（アペックスライン）と凹状部分１０，１２の頭頂線との間の曲率半径は、実質的に連続的に変化する。図２ａにおいて判りやすくするために凸状部分９，１１の頭頂線１３は、破線、あるいは実線で示されている。
【００１７】
図２ｂから凸状部分１１の曲率は、凹状部分１２の曲率よりも平均してやや小さいことが判明する。このことは、凸状部分９と凹状部分１０とに関しても然るべく当てはまる。
【００１８】
これに関連して本発明の本質は、凸状部分９，１１と凹状部分１０，１２との間の移行部が滑らかであること、すなわちとりわけ微分可能であることである。このことは、図２ｂの関数Ｚ（ｙ）、あるいは図２ｃの関数Ｚ（ｘ）が凸状部分９，１１と凹状部分１０，１２との間の移行範囲において段部などを呈していないことを意味している。とりわけたとえば凸状部分９，１１と凹状部分１０，１２との間の移行範囲において無限小に接近した点ｙ１，ｙ２に関してＺ’（ｙ１）＝Ｚ’（ｙ２）が成り立つ。Ｚ’（ｙ）は、関数Ｚ（ｙ）の第一次導関数である。
【００１９】
図２に示した本発明に従う装置は、たとえば、ｘ方向とｙ方向とにおいて３０ｍｍの外部サイズを、ｚ方向において１．５ｍｍの外部サイズを有してもよい。凸状部分９，１１は、たとえば約３０μｍの幅を有してもよい。凹状部分１０，１２は、７０μｍの幅を有してもよい。移行範囲から頂点までの凸状部分９，１１の奥行き、すなわちｚ方向での延びは、１μｍより小さく、たとえば０．２μｍと０．３μｍの間にあってよい。ｚ方向での凹状部分１０，１２の奥行きは、同じく１μｍより小さく、たとえば０．８μｍであってよい。もちろん本発明に従う装置３に関してこれとは別のサイズを選ぶことも可能である。しかしながら、凸状部分９，１１と凹状部分１０，１２に関して、１μｍより小さい上述した非常にわずかな奥行きを選択すれば当然に全く十分である。さらに多くの用途において、一連の凸状部分と凹状部分９，１０，１１，１２のこのように小さな周期的波長を選ぶ必要性はない。ここで取り挙げている場合において凸状部分９，１１の２つの頭頂線の間の周期的波長は、約１００μｍである。然るべき用途において頭頂線１３の間の周期的波長をミリメータ範囲で選択することも可能である。
【００２０】
したがって、上述の寸法、すなわち約３０ｍｍの幅と約１００μｍの周期的波長において、約３００、あるいはそれ以上の凸状部分９，１１と凹状部分１０，１２を相並んで配置することが可能である。
【００２１】
たとえば境界面８に一様に当たる、光線２の部分光線が異なって偏向させられることが図３から詳しく判明する。凹状部分１２を通過する部分光線が互いに散乱させられ、その結果、ｚ方向において凹状部分１２の後方で集光が行われないことが明らかに判明する。凹状部分１２は、散乱レンズのように作用する。これに対して凸状部分１１を通過する部分光線は、焦点範囲１４に接近させられる。凸状部分１１は、集光レンズのように作用する。しかしながらこの焦点範囲１４は、空間的に非常に強く集中している焦点を表していない。それよりもむしろ示した実施例において凸状部分１１に当たる部分光線の約６倍の圧縮が行われる。たとえば図３のｙ方向において凸状部分１１の広がりが約３０μｍである場合、焦点範囲１４はｘ方向において約５μｍの広がりを呈することができる。この比較的広がった焦点範囲１４は、正規の円柱レンズの場合に存在しているような、球面形状とは対照的な該凸状部分が、定まった曲率を呈しているのではなく、横断面が楕円であることにに基づいて実質的に常に変化する曲率を呈していることによって生じる。
【００２２】
図４において特定の空間範囲ｘ，ｙにおいて当たる部分光線と立体角θとの間の関係が示されている。判りやすくするために図４の下の範囲に出射面８の一部が模式的に示されている。以下の考察は、入射面７に関しても類似して当てはまる。この場合、とりわけ単位立体角△θ内へと偏向された部分光線は、それぞれ隣接する空間範囲△ｘ１，ｙ１、あるいは△ｘ２，ｙ２からの寄与分を含んでいることが判明する。これらの空間範囲△ｘ１，ｙ１と△ｘ２，ｙ２とは、図４から判明するように出射面８の隣接する凹状部分、あるいは凸状部分に配置されている。さらに区間△ｘ１，ｙ１と△ｘ２，ｙ２とは勾配が異なる場合に関数θ（ｘ，ｙ）に当たり、その結果、同じ単位立体角△θ内へと偏向された部分光線が異なる大きさの空間範囲△ｘ１，ｙ１と△ｘ２，ｙ２とから出てくることが、図４から判明する。このことは、ｙ方向において出射面８全体にわたって平均化する際に、あるいはｘ方向において入射面７全体にわたって平均化する際に個々の立体角範囲への光線強度の非常に均一な分布が行われることを結果として伴う。
【００２３】
このことは、図１ｃにおいて明確にされている。図１ｃの第１の、あるいは左のグラフにおいて本発明に従う装置３に入射する前の光線２の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）が示されている。強度は光線２の横断面積にわたって非常に不均一に分布していることが、図１ｃから判明する。この種の極端に不均一な強度分布は、たとえばエキシマーレーザに関して典型的である。図１ｃの３つのグラフのうちの真ん中のグラフは、本発明に従う装置３を通過したあとの強度分布Ｉ（θ）が非常に均質であることを明確に示している、すなわち同じ単位立体角θ内に実質的に同じ強度も放射される。図１ｃの右のグラフは、集光レンズ４の焦点面６において光線５の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）も空間的分布に関して均一化できることが集光レンズ４によって達成されることを明確に示している。このことの原因は、集光レンズに平行に当たる光線が焦点面において一点に集光させられ、その結果、立体角に関して均質な強度分布Ｉ（θ）から空間的分布に関して均質な強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）が生じることにある。
【００２４】
入射面７と出射面８とがｚ方向において互いに離間しているという事実に基づいて、入射面７の凸状部分９によって屈折された部分光線と出射面８の凸状部分１１によって屈折された部分光線との焦点範囲１４が互いに重なり合わない。それよりもむしろこれらは、ｚ方向において互いに離間している。これによってここでも過度に強度の高い範囲が形成されない。もちろんこれと同じことは、上述したように楕円形に類似した横断面を有する面を選ぶことによっても達成される。
【００２５】
本発明に従えば、凸状部分および凹状部分の横断面の楕円形状を別の形状によって置替えることも可能である。ここではたとえば双曲線形状、放物線形状、並びに高次の多項式の面が提供されている。この場合、曲率が一定の面が選択されないことが有利である。その理由は、それによって光線を均質化するための装置の後方で望ましくない強度最大値が生じる可能性があるためである。正弦波状横断面を有する面も限定的に利用できる。しかしながら正弦波面において問題なのは、このような面を通過したあとの強度分布が一般に完全に均質ではなく、光線の横断面のほぼ中央部で強度の低下を呈することである。
【００２６】
本発明の他の実施の形態において、凸状部分と凹状部分の楕円形状横断面の代わりに曲率が一定の面、すなわちとりわけ球形横断面を有する面を選択することも可能である。したがって、球形面を選択することによって、集光レンズとして作用する円柱凸レンズと散乱レンズとして作用する円柱凹レンズが常に交互に得られる。円柱凸レンズの後方で比較的狭い焦点範囲が生じることは、この場合不都合であり、該焦点範囲は、装置３に入射する光線の強度が高い場合に、焦点での望ましくない程に高い強度につながる可能性があり、このような高い強度は、場合によっては結果として損傷をもたらす可能性がある。このため球面を用いる構成のこのような装置３は、光線の強度がそれほど大きくない用途に限り適している。
【００２７】
それにも拘わらず入射面７と出射面８の上で互いに交差する円柱レンズから成るこのような装置３は、本発明に従えば、まったくもって使用することができる。その理由は、凸状部分と凹状部分との間の移行範囲が滑らかに延びしているためである。たとえば凸状部分と凹状部分のために同じ曲率半径を選ぶことができる。重要なことは、凸状部分と凹状部分との間の移行範囲が近似的に微分可能であり、その結果、段部またはその他の障害となる角部が現れないことである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
光線を均質化するための本発明に従う配置の模式的側面図である。
【図１ｂ】
図１ａを９０°回転させた側面図である。
【図１ｃ】
図１ａと図１ｂに示された光路の個々の箇所での光線の強度分布を示しているグラフである。
【図２ａ】
光線を均質化するための本発明に従う装置の１つの部分の平面図である。
【図２ｂ】
図２ａの矢符ＩＩｂによる図面である。
【図２ｃ】
図２ａの矢符ＩＩｃによる図面である。
【図３】
光線を均質化するための装置のレンズ面での、全部の数の部分光線の屈折を明確に示している詳細側面図である。
【図４】
入射場所と関連して光線を均質化するための本発明に従う装置による入射光の異なる立体角への偏向を明確に示しているグラフである。

Claims (9)

1. ２つの互いに実質的に向かい合っている光学的に機能する境界面を有する、光線を光学的に均質化するための装置であって、
   境界面は、光線（２，５）のための入射面（７）として、および出射面（８）として用いることが可能であり、入射面（７）と出射面（８）とは、少なくとも部分的にレンズに類似した構造を呈している、光線を光学的に均質化するための装置において、
   入射面（７）と出射面（８）との上に形成された構造物は、交互に相並んで配置された凸状部分（９，１１）と凹状部分（１０，１２）として形成され、凸状部分（９，１１）と凹状部分（１０，１２）との間の移行部は、相対的に滑らかに形成されることを特徴とする光線を光学的に均質化するための装置。
2. 前記凸状部分（９，１１）と凹状部分（１０，１２）との間の移行範囲は、入射面（７）に垂直な方向と出射面（８）に垂直な方向（ｚ）における凸状および凹状の各部分（９，１１，１０，１２）の空間的広がりに比べて滑らかであり、とりわけその延びに関して入射面（７）と出射面（８）とに垂直な方向（ｚ）における該部分（９，１１，１０，１２）の延びに匹敵する段部または角部を有していないことを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 凸状部分（９，１１）と凹状部分（１０，１２）とは、それぞれ入射面（７）、あるいは出射面（８）内にある方向（ｘ，ｙ）を有し、該方向に沿って、少なくとも部分的に、該部分（９，１０，１１，１２）の曲率が実質的に一定であり、入射面（７）の実質的に一定の曲率の方向（ｙ）は、出射面（８）の実質的に一定の曲率の方向（ｘ）に対して垂直に指向されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 凸状部分（９，１１）と凹状部分（１０，１２）とは、それぞれ曲率が一定の方向（ｙ，ｘ）に対して垂直な方向（ｘ，ｙ）において、楕円形状を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 凸状部分（９，１１）と凹状部分（１０，１２）とは、それぞれ曲率が一定の方向（ｙ，ｘ）に対して垂直な方向（ｘ，ｙ）において、双曲線形状、または放物線形状、または高次の多項式の形状、または正弦波に類似した形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
6. 凸状部分（９，１１）と凹状部分（１０，１２）とは、相並んで配列された、凸状円柱レンズと凹状円柱レンズとができるように、それぞれ曲率が一定の方向（ｙ，ｘ）に対して垂直な方向（ｘ，ｙ）において、円弧形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記凸状部分（９，１１）の曲率は、凹状部分（１０，１２）の曲率よりも平均して小さく形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記入射面（７）上にも、出射面（８）上にも、多数の、好ましくは約１００〜５００の、とりわけ約３００の凸状部分（９，１１）および凹状部分（１０，１２）が形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに１項に記載の装置。
9. 光線を光学的に均質化するための装置（３）を有する、光線を光学的に均質化するための配置であって、
   前記装置を通じて均質化されるべき光線（２，５）が通過可能であり、光線方向において装置（３）の後方に集光レンズ（４）が配置され、集光レンズは、光線が集光レンズ（４）のほぼ焦点面（６）の範囲において、装置（３）に入射する前よりも均質となるように光線（５）を集光させる配置において、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の光線を光学的に均質化させるための装置（３）を特徴とする配置。