JP2005148344A - レーザ光強度分布変換光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】
ガウス分布状をした不均一強度分布のレーザ光を、ほぼ一様な強度分布のビームに整形する光強度分布変換光学系を提供するものであって、特にレーザ光が光路途中で交わることなく、しかも非球面の製作が容易なレンズ構成によって、可視から紫外域までの使用に適合する合成石英や蛍石などのレンズ材料を用いて可能にすることを目的とする。
【解決手段】
負の屈折力を有する第1群Ｌ１−１と、正の屈折力を有する第2群Ｌ１−２で構成され、各レンズ群Ｌ１−１，Ｌ１−２は少なくとも1面が凸形状の非球面レンズ１，２を含み、入射したほぼガウス分布状の不均一強度分布のレーザ光に対して、第1群Ｌ１−１中の第１の非球面でほぼ一様分布ビームに整形した後に、第2群Ｌ１−２中の第２の非球面で位相を整合してほぼ平行光束として出射する光強度分布変換光学系である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザなどのガウス分布の光強度を有する光束を、ほぼ一様な強度分布に変換する光学系に関する。

この種のレーザ光強度分布変換光学系は、可視から紫外領域におけるレーザ加工．計測分野において検査計測で一定の領域を均一に照明するための光学系、あるいは、スポット径をより小さく絞るために、対物レンズの瞳面での照明光の強度分布を均一にする光学系が種々の方式が考案されている。

レーザ光の不均一強度分布（例えばガウシアン）を均一分布ビームに整形するための技術としては、ホモジナイザ、カライドスコープを利用する方式が知られているが、この方式では光束を微小な領域に分割して重ね合わせるために、可干渉性の高いレーザを光源とした場合には干渉縞.回折の影響が不可避であり、また、回折光学素子（Diffractive Optical Elements；DOE）を利用した光強度分布変換光学系が提案されているが、同様の影響が懸念されている。

また、屈折面の形状が連続的に変化する屈折非球面を利用した光強度分布変換光学系が特許文献１〜４などによって提案されているが、その非球面形状が現実に加工困難であったり、また加工は出来ても光路中で光束が交わり、光の空間密度が高まり、素子に損傷を与えたり、周囲の雰囲気と反応して汚染の原因となることが懸念される場合がある。

米国特許３，４７６，４６３号公報 米国特許６，２９５，１６８号公報 特開昭１０−１５３７５０公報 特開平１１−２５８５４４公報

例えば、非球面利用の先行技術として特許文献１の提案では、凹凸2枚の非球面でガウス分布を一様分布に変換しており、第1の凹レンズの入射面および第2レンズの出射面が平面で対向面を非球面に形成しているが、特に紫外では、レンズ材料が合成石英と蛍石に限定されること、非球面の加工精研削及び砥石形状の制約などにより、凹レンズの非球面加工が困難である、などの課題があった。

特許文献２の提案は、凸凸2枚の非球面でガウス分布をほぼ一様分布（Fermi-Dirac）に変換することを実現しており、非球面形状が2枚とも凸面で形成されると共に、しかも球面からの変位量も少ないために部品の加工は比較的容易であるが，レンズ間で一旦集光するので、強い光を入射したときにエネルギ密度の高い雰囲気を生成して、光学素子に損傷を与えるなどの課題があった。

特許文献３の提案は、特許文献１をベースにして波動光学的考察を加えたものであり、凹凸2枚の非球面でガウス分布をほぼ一様分布（スーパーガウシアン分布）に変換しているが、変曲点が2つ存在する複雑な形状であること、赤外材料を使用しているので精密旋盤では対応可能だが、本発明のようなレンズ材料が合成石英と蛍石では非球面の加工精研削は砥石形状の制約などにより加工が困難である、などの課題があった。

特許文献４の提案は、光ディスクのスポット径を絞る目的で開発されたもので、一体型の成形レンズよって構成されており、シンプルな構成で取り扱いも容易であるが、成形レンズの材質が樹脂製のために可視光での使用は可能だが紫外では使用できないなどの課題があった。

そこで本発明では、これら従来技術の課題を解決し得る光強度分布変換光学系を提供するものであって、特に可視から紫外域での使用に適した非球面の加工が容易であると共に、レーザ光が光路途中で交わることがなく、光学系要素などに損傷を与える恐れの少ない光強度分布変換光学系の提供を主たる目的としている。

本発明による光強度分布変換光学系は、負の屈折力を有する第1群と、正の屈折力を有する第2群よりなり、途中光路が交わることなく光束を広げるように構成されており、第1群中の第一の非球面により不均一強度分布（例えばガウシアン）を均一分布ビームに整形した後、第2群中の第二の非球面により位相を整合して、ほぼ一様な強度分布の平行光を出射するものである。

この光強度分布変換光学系は、基本的な考え方は特許文献１又は３と同様であるが、これらの先行技術では第1群の非球面形状を凹面で形成しているために非球面レンズの加工が困難であり、特に本発明のようにレンズ材料が合成石英と蛍石では非球面加工を精研削法によらざるを得ないが、この場合には砥石形状の制約よって加工は不可能である。

そこで本発明では、各々の群は少なくとも1面を非球面にすると共に、その形非球面状は現状の硝子材料や加工法の制約のもとでも加工が容易な凸形状の非球面とし、少なくとも有効径内には変曲点が存在しないようにしており、また1群2群各群の屈折力を適切に選定することも重要なことであり、次のような条件式に選定することが望ましい。
1.2 ＜ f2 ／｜f1｜ ＜ 4 f1 第1群の焦点距離
f2 第2群の焦点距離

さらに、全体として負の屈折力を有する第1群の中には、上記非球面のほかに負の屈折力を有する凹形状の球面を備える形態を採り、第1群は近軸領域では負の屈折力を有し、光軸付近の相対強度が高い領域の入射光を発散させる作用を有すると共に、光軸から離れるに従って正の屈折力を有する非球面の作用により、周辺部すなわちガウス分布で相対強度が低下している領域の光束密度を高めるようにして、全体の強度分布を均一にすることが実現できる。

したがって、上記値が条件式の下限を超えると、近軸領域における第1群の発散作用が相対的に弱くなり、非球面の効果をもってしても入射ビームの強度分布を一様にすることが困難になり、また条件式の上限を超えると発散作用が強くなりすぎて、非球面形状が周辺で急激に変化するので加工しにくいものとなる。

そこで、第1群の非球面を加工が容易な形状とするために、あえて凹面への適用を避けて凸面を非球面としており、第1群は全体として負の屈折力を有するので、負のメニスカスレンズであれば、その凸面を非球面とすることで対応することができ、この場合における凹面は加工が容易な球面である。

また、非球面の加工をより容易にするために、非球面を凸レンズもしくは平凸レンズの凸面にすると共に、1群全体としての屈折力を負に保つために、負の屈折力を有する球面レンズと組み合わせる形態をとって実現することもできる。

以上のような構成による本発明では、レーザなどの光が光路途中で交わることがないので、強い光を入射したときでも光学素子に損傷を与える恐れが無く、また少なくとも有効径内には変曲点が存在しない形状を採ることができるので、レンズ材料として合成石英または蛍石を用いて非球面の加工を容易に行うことができると共に、可視から紫外域での使用に適した光強度分布変換光学系を得ることが可能となった。

図１は、本発明を適用した実施例１における光強度分布変換光学系の光学配置図を示し、図２は、図１の光強度分布変換光学系の強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示すが、この実施例１の光強度分布変換光学系は、第１面を凸形状の非球面にしたメニスカス凹レンズと、第1面を凸形状の非球面にした凸レンズとを組合せた２枚構成である。

すなわち、第１面を非球面の凸面で第２面を球面の凹面で形成したメニスカス凹レンズ１によって第１群Ｌ１−１を構成すると共に、第1面を非球面の凸面で第２面を平面で形成した平凸レンズ２によって第２群Ｌ１−２を構成し、φ=38（1/e2強度）のガウス分布の光束を、φ32のフラットトップ部(相対強度90％以上)を有する一様な強度分布に変換できるが、使用波長は266nmで、各レンズ１，２の材料は合成石英である。

第1群Ｌ１−１を構成するメニスカス凹レンズ１は、全体として負の屈折力を有すると共に、第1面を凸形状の非球面にしたことによって、光軸から離れるに従って正の屈折力を有する非球面の作用で、周辺部すなわちガウス分布で相対強度が低下している周辺領域の光束密度を高めることができる。

また、メニスカス凹レンズ１の凹形状にした第2面は光束を拡げて発散する作用を有するが、第1面の非球面の作用と組み合わせることによって、レンズ全体としては負の屈折力を有しながら、光軸近傍では発散作用を持つと共に、周辺光束については発散作用のほとんどないレンズの作用を有することになる。

実施例１では、第１群Ｌ１−１を構成するメニスカス凹レンズ１のレンズ作用によって、周辺部の強度が低いガウス分布の入射光束から周辺まで強度の等しい一様分布に強度分布を変換できるが、入射高さ毎に拡がり角が異なるため、全領域における出射光の傾きを光軸と平行にし、しかも強度分布が一様になるように第2レンズの屈折力や形状および各群の間隔の値を決定する必要があり、表１のように設定されている。

図３は、本発明を適用した実施例２における光強度分布変換光学系の光学配置図を示し、図４は、図３の光強度分布変換光学系の強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示すが、この実施例２の光強度分布変換光学系は、第２面を凹形状の球面にした凹レンズと、第１面を凸形状の非球面にした凸レンズと、第1面を凸形状の非球面にした凸レンズとを組合せた３枚構成である。

すなわち、第１面を平面で第２面を球面の凹面で形成した平凹レンズ３と、第１面を非球面の凸面で第２面を平面で形成した平凸レンズ４によって第１群Ｌ２−１を構成すると共に、実施例１の第２群Ｌ１−２の場合と同様の平凸レンズ５によって第２群Ｌ２−２を構成し、φ=35（1/e2強度）のガウス分布の光束を、φ32のフラットトップ部(相対強度90％以上)を有する一様な強度分布に変換することができるが、使用波長は248nmで、各レンズ３〜５の材料は合成石英である。

実施例２では、第１群Ｌ２−１のレンズ構成として球面の平凹レンズ３と非球面の平凸レンズ４とを組合せ、実施例１とは球面の平凹レンズ３を追加した構成が相違するが、作用の点では実施例１の場合とほぼ同様であり、特に球面の平凹レンズ３を追加することによって、凸の非球面レンズ４を平凸形状にすることが可能となって、非球面の加工をより容易に行うことができる構成であり、この光学系は表２のように設定されている。

図５は、本発明を適用した実施例３における光強度分布変換光学系の光学配置図を示し、図６は、図５の光強度分布変換光学系の強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示すが、この実施例３の光強度分布変換光学系は、第１面を凸形状の非球面にした凸レンズと、第２面を凹形状の球面にしたメニスカス凹レンズと、第１面を凸形状の非球面にした凸レンズとを組合せた３枚構成である。

すなわち、第1面を非球面の凸面で第２面を平面で形成した平凸レンズ６と、第１面を非球面の凸面で第２面を非球面の凹面で形成したメニスカス凹レンズ７によって第１群Ｌ３−１を構成すると共に、第１面を非球面の凸面で第２面を平面で形成した平凸レンズ８によって第２群Ｌ３−２を構成し、φ=2.5（1/e2強度）のガウス分布の光束を、φ4.2のフラットトップ部(相対強度90％以上)を有する一様な強度分布に変換することができるが、使用波長は266nmで、各レンズ６〜８の材料は合成石英である。

実施例３では、第１群Ｌ３−１のレンズ構成として第1面を非球面の凸面にした平凸レンズ６と第２面を球面の凹面にしたメニスカス凹レンズ７とを組み合わせ、これによって実施例２の場合と同様に非球面の加工が容易な平凸レンズの使用を可能にした実施形態であり、この光学系は表３のように設定されている。

図７は、本発明を適用した実施例４における光強度分布変換光学系の光学配置図を示し、図８は、図７の光強度分布変換光学系の強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示すが、この実施例４の光強度分布変換光学系は、第１面を凸形状の非球面にしたメニスカス凹レンズと、第１面を凸形状の非球面にした凸レンズと、第１面を凹形状の球面にした凹レンズとを組合せた３枚構成である。

すなわち、実施例１の第１群Ｌ１−１の場合と同様のメニスカス凹レンズ９によって第１群Ｌ４−１を構成すると共に、第１面を非球面の凸面で第２面を平面で形成した平凸レンズ１０と、第１面を球面の凹面で第２面を平面で形成した平凹レンズ１１によって第２群Ｌ４−２を構成し、φ=4.2（1/e2強度）のガウス分布の光束を、φ4.2のフラットトップ部(相対強度90％以上)を有する一様な強度分布に変換することができるが、使用波長は266nmで、各レンズ９〜１１の材料は合成石英である。

実施例４では、第2群Ｌ４−２のレンズ構成を凸形状の非球面を有する平凸レンズ１０と凹形状の球面を有する平凹レンズ１１との組み合わせで構成することにより、非球面の形状をより加工しやすい平凸形状とした実施形態であり、この光学系は表４のように設定されている。

図９は、本発明を適用した実施例５における光強度分布変換光学系の光学配置図を示し、図１０は、図９の光強度分布変換光学系の強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示すが、この実施例５の光強度分布変換光学系は、第1面を凸形状の非球面にした凸レンズと、第２面を凹形状の球面にしたメニスカス凹レンズと、第１面を凸形状の非球面にした凸レンズと、第１面を凹形状の球面にした凹レンズとを組合せた４枚構成である。

すなわち、実施例３の第１群Ｌ３−１の場合と同様の平凸レンズ１２とメニスカス凹レンズ１３で第１群Ｌ５−１が構成されると共に、実施例４の第２群Ｌ４−２の場合と同様の平凸レンズ１４と平凹レンズ１５で第２群Ｌ５−２が構成され、φ=4.2（1/e2強度）のガウス分布の光束を、φ4.0のフラットトップ部(相対強度90％以上)を有する一様な強度分布に変換することができるが、使用波長は355nm及び308nmで、第１と第３及び第４の各レンズの材料は合成石英で、第２レンズの材料はCaF_２（蛍石）である。

実施例５では、凸の非球面レンズを平凸形状のレンズ１２にして非球面加工をより容易としているが、特に光軸近辺を中心に光束の発散作用を持たせるために、メニスカス凹レンズ１３と組み合わせて第1群Ｌ５−１を形成しており、また第2群Ｌ５−２は凸形状の非球面レンズ１４と球面の凹レンズ１５との組み合わせにより、非球面の形状をより加工しやすい平凸形状とし、更に２種類の硝子材料を使用することで、同時に2波長を入射した場合にも、ガウス分布から一様分布への強度分布変換が実現できる実施形態であり、この光学系は表５のように設定されている。

なお、図２，図４，図６，図８，図１０で示す実施例１〜５における各光強度分布変換光学系における強度分布特性では、横軸にイメージ座標すなわち光軸中心からの位置座標を表示し、縦軸には（ａ）では入射光の相対照度を表示すると共に、（ｂ）は出射光の相対照度を表示している。

また、説明中における「ガウス分布」は厳密なガウス分布だけではなく、ガウス分布に近似した光強度分布も含み、これら全体を「ほぼガウス分布状」と総称すると共に、同様に「一様分布」も厳密な一様分布だけではなく、一様分布に近似した光強度分布（例えば、相対強度90％以上）も含み、これら全体を「ほぼ一様分布状」と総称する。

本発明を適用した実施例１の光強度分布変換光学系による光学配置図を示す。 図１の光強度分布変換光学系における強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示す。 本発明を適用した実施例２の光強度分布変換光学系による光学配置図を示す。 図３の光強度分布変換光学系における強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示す。 本発明を適用した実施例３の光強度分布変換光学系による光学配置図を示す。 図５の光強度分布変換光学系における強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示す。 本発明を適用した実施例４の光強度分布変換光学系による光学配置図を示す。 図７の光強度分布変換光学系における強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示す。 本発明を適用した実施例５の光強度分布変換光学系による光学配置図を示す。 図９の光強度分布変換光学系における強度分布特性であって、（ａ）は入射光の強度分布特性を示し、（ｂ）は出射光の強度分布特性を示す。

符号の説明

１，９ （非球面の）メニスカス凹レンズ
２，４，５，６，８，１０，１２，１４ （非球面の）平凸レンズ
３，７，１１，１３，１５ （球面の）平凹レンズ
Ｌ１−１〜Ｌ５−１ 第１群
Ｌ１−２〜Ｌ５−２ 第２群

Claims (5)

1. 負の屈折力を有する第1群と、正の屈折力を有する第2群で構成され、各レンズ群は少なくとも1面が凸形状の非球面レンズを含み、入射したほぼガウス分布状の不均一強度分布のレーザ光に対して、第1群中の第１の非球面でほぼ一様分布ビームに整形した後に、第2群中の第２の非球面で位相を整合してほぼ平行光束として出射することを特徴とした光強度分布変換光学系。
2. 前記レンズ群は、凹凸各群の近軸の屈折力が以下の条件を満足する請求項１に記載した光強度分布変換光学系。
   1.2 ＜ f2 ／｜f1｜ ＜ 4
   f1 第1群の焦点距離、f2 第2群の焦点距離
3. 前記レンズ群は、非球面の変曲点が存在しないか、あっても有効径の外にある請求項１又は２に記載した光強度分布変換光学系。
4. 前記第1群中には少なくとも一面の凹の球面を有し、第1群全体として負の屈折力を有する請求項１〜３のいずれかに記載した光強度分布変換光学系。
5. 前記レンズ群は、レンズ材料が合成石英または蛍石よりなる請求項１〜４のいずれかに記載した光強度分布変換光学系。

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