JP2005257830A - 重畳式ｄｏｅホモジナイザ光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザから出たガウシアンビームを変形して像面でパワーが強力で均一である帯状のビームを作り出すこと。
【解決手段】 直径ｄのガウシアンビームを軸から離れる方向に回折して後方距離ｆの位置にある軸線に直交する像面Ｉにおいて軸線から外れた位置でｄと異なる一辺ｑをもつ矩形（ｑ×ｗ）断面の準均一分布ビームに変換する複数のオフアクシス型の回折型光学部品（ＤＯＥ）（オンアクシス型が一つあってもよい）を回折角Θが大きいものを外側に回折角Θが小さいものを内側になるようにレーザ軸線と基準面Ｋの交点である基準点に一次元的に配列し、直径ｄのガウシアンビームを生ずるレーザをそれぞれのＤＯＥの軸線上に配置し、レーザからのガウシアンビームをオフアクシス型ＤＯＥで回折し後方ｆの像面において隣接ＤＯＥからの回折光が一部重畳し合うようにして像面において帯状の均一パワーのビームを得るようしたものである。
【選択図】 図３

Description

この発明は細長い矩形領域（Ｑ×ｗ：Ｑ＞＞ｗ）で均一パワーの光を作り出すための光学系に関する。高出力のレーザビームは、そのパワーを利用して対象物の溶接、溶断、穴開け、熱処理などに利用される。対象物により必要なレーザの波長は異なる。炭酸ガスレーザの９μｍ〜１１μｍの赤外ビームは溶接、熱処理などに利用できる。ＹＡＧレーザの１．０６μｍの波長のビームも対象物の穴開けや熱処理の目的で使われる。ＹＡＧレーザの第２高調波の５３２ｎｍは、アモルファスＳｉのアニールに使える可能性がある。そのようにレーザ光を加熱目的で利用する場合ビーム断面内でのパワー密度が不均一であってもよいということもある。そうではなくてパワー密度が均一でなければならないということもある。

パワーが均一だけでなく平行で位相が揃っていることも要求されることもある。平行で位相が揃っていれば、それ以後長く伝搬しても均一性を維持できる。それは理想的なのであるが反面極めて難しいことである。譲歩して、ある面（像面と呼ぶ）でのみパワー均一性があって非平行であってもよいという場合もある。それからあとを伝搬すれば均一性は乱れるが、像面ではパワー密度が均一なので像面に対象物をおいて照射すれば均一パワーで照射できる。本発明は後者の意味の光学系で、ある像面だけでパワー均一性のある光分布を作り出すものである。

レーザから出たレーザビームは円筒状平行ビームであるがパワー密度は均一でない。大きい球面鏡を共振器ミラーとしているからレーザ光は中心でパワー密度が高く周辺部で密度は低い。レーザのパワー密度は理想的にはガウシアン分布をしている。レーザビームを直接に対象物に照射したのでは対象物面（像面）でパワー密度はガウシアンになってしまう。対象物面ではパワー密度が均一でないといけないとすればレーザと対象物の間にパワー分布の変換をする光学部品が必要である。ガウシアンビームを均一化（トップハット）する光学系をホモジナイザということもある。

ガウシアンビームを均一パワービームに変換するには二つの手段がある。一つは非球面レンズを用いるものである。もう一つは回折型光学部品（ＤＯＥ：Diffraction Optical Element)を用いるものである。

レンズの均一化機構（ホモジナイザ）をまず述べる。２枚のレンズの組み合わせで円筒形ガウシアンビームを適当に屈折して、円筒形の均一ビーム（トップハット型と呼ぶ）にするものである。１枚目のレンズは中心部のビームを拡大し周辺部のビームを縮小して、ある円内でのパワー分布を均一にする強度変換レンズである。そのようなことは通常の球面レンズでは不可能だから非球面レンズになる。それによってパワーは均一になるが位相が乱れている。

２枚目のレンズは位相をそろえるもので位相補償レンズと呼ばれる。強度変換レンズと位相補償レンズを合わせてレンズホモジナイザということもある。レンズによるレーザビームパワー均一化はロスも少なくて優れたものである。

ＤＯＥによる均一化装置（ホモジナイザＤＯＥ）は屈折光によるのではなくて回折光によるものである。図１にその概略構成を示す。レーザからの平行ガウシアンビーム２がＤＯＥホモジナイザ３に入る。ガウシアンビームの分布を図１の下に示す。ＤＯＥ３は透明材料でビームの表面において縦横に多数並ぶ微小な要素の高さ（厚み）が異なるようにしたものである。ＤＯＥ３で回折された回折ビーム４は非平行ビームであり像面５に至って均一光（トップハット）６となる。均一光６のパワー密度を下に示した。

像面での均一光６の断面は円であることが多い。しかし均一密度（トップハット）の楕円断面光にもできる。また均一密度（トップハット）の正方形断面（ｑ×ｑ）にもできる。ＤＯＥの分布を工夫すれば長方形（ｑ×ｗ）断面にもできる。トップハットというのはパワー密度が均一だということを意味し断面が円形だということではない。

レーザビームの波長をλとする。ＤＯＥの最も厚い部分と薄い部分の厚みの差ΔＤが、一波長分に当たるようにしている。つまりλ＝（ｎ−１）ΔＤである。それを２の累乗にあたる数で割ったものを段差の一単位とする。例えばΔＤを２５６で割った値が最小単位で段差はその整数倍で与えられる。

図１はレーザビームの直径よりも像面５での均一光６の直径が小さいものになっている。たとえばレーザビームの直径が２ｍｍで、像面での均一光の直径は１ｍｍというようにビームは縮小している。どうして縮小系になるのかというと、それは処理に要求される均一光のパワー密度は強く、一方でレーザパワーが弱いからである。ビーム径を縮小してパワー密度を高揚しなければならない。ＤＯＥ３は周辺部の光線をより強く内側へ回折することによって、像面５でパワーがトップハットの均一光６を作り出す。それは像面５で均一であって、それより少しでも前後にずれた面ではビームの均一性は低下する。

図１では簡単に描いているが屈折光ではなくて回折光を使っているから様々のノイズが発生する。回折光といっても実は一次回折光である。より高次の回折光もあるし０次回折もある。それらの高次回折光や０次回折光はそのように単純に集光するのではない。しかし、それらの成分は比較的小さくて無視できる場合が多い。さらに微小単位（ピクセルと呼ぶ）ごとに厚みが違うので加工が難しいという欠点もある。自由度が大きいだけ、その自由度を実現するための加工も複雑になる。最終的にＤＯＥからある距離にある像面５でのパワー密度が均一であればよいとしてＤＯＥを設計するから、像面より前後にずれた面では均一性は低下する。

自由度が大きいので所望の均一化ビームを作るためのＤＯＥの構造は一つに決まらず、いくつもの構造が可能である。候補のうちの一つを選んでもそれが最適とは必ずしも言えない。そのようにＤＯＥには内在的ないくつもの欠点がある。

先述の２枚のレンズ（強度変換レンズ＋位相補償レンズ）を組み合わせたものが平行均一ビームを作り前後の像面がずれても差し支えない。さらに２枚レンズのホモジナイザは屈折光を使うので回折がなく高次回折や０次回折の問題がなく、きれいなトップハット光を像面で作ることができる。そのように２枚レンズのホモジナイザは大層優れたものである。レンズは本来円筒対称なので円筒形断面の均一化ビームを作るには最適である。しかし反面、非円筒形断面の均一化ビームを作るのはレンズ系では難しい。

均一化出力ビームとして常に円筒形のビームだけが要望されるとは限らない。対象物によりレーザ照射の目的によって求められる均一化ビームの断面形状も異なる。ｑ×ｑの正方形の均一化ビームが必要なこともある。ｑ×ｗの矩形断面ビームが欲しいということもある。そのような目的ではレンズによる均一化光学部品は不適である。

そのような場合は先述の回折型光学部品（ＤＯＥ）が適する。ＤＯＥは微小面積の単位（ピクセル）が縦横に並び微小単位の厚みを変えることによって光を回折するようにしている。ピクセルの数だけの自由度があるからｑ×ｑの正方形あるいはｑ×ｗの矩形の均一化ビームを作り出せる。そのような目的にはＤＯＥによるホモジナイザは有用である。

ところが矩形（Ｑ×ｗ）といってもＱ＞＞ｗといったように一方向に長い帯状の照射領域が求められることもある。帯状の領域で均一パワーのビームが必要だということもある。たとえば液晶パネルを製造するために広いガラス基板にアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ）を蒸着して薄膜トランジスタを一面に作製しようとする場合である。アモルファスシリコンのままでは高性能液晶を実現する上では電子移動度が低すぎる。

加熱し結晶粒を大きくし多結晶シリコンに変換すると電子移動度が高くなる。そのためにヒータ加熱するとガラス基板自体を加熱してしまい好ましくない。たとえばａ−Ｓｉを８００℃〜１０００℃程度に加熱処理することが望まれるが通常のガラス基板はそのような高温に耐えない。たちまち軟化し融けてしまう。下地のガラスを加熱せず表面のａ−Ｓｉだけを高温に加熱したい。そのためには光によって瞬時に加熱するのがよい。

そうすると大出力のレーザを短時間照射するということが考えられる。レーザはアモルファスＳｉが吸収するような波長の光を出すものであればよい。ＫｒＦ、ＡｒＦなどのエキシマレーザが候補に挙げられる。これらは紫外線を出すので波長の点では良いが、波面の乱れが大きく、また正確なガウシアンビームでないことが多い。ＹＡＧの１．０６μｍはパワーが大きくガウシアンビームであるから、そこは良いのであるが、アモルファスＳｉで吸収されないから無効である。ＹＡＧの第２高調波は５３２ｎｍなのでアモルファスＳｉで吸収される。現在市販のＹＡＧ第２高調波レーザはパワーが足りないが、やがて改善されるであろう。

広いガラス基板を加熱処理することを考えると直径の小さいビームスポットでトップハットになっていてもあまり役に立たない。広い面積の対象物に対し、ビームを左右に走査するとしてもビームが小さいと何度も何度も走査しなければならず時間がかかりすぎる。また照射したエネルギー密度は均一でなければならない。そのために長い矩形状（帯状：Ｑ×ｗ；Ｑ＞＞ｗ）の均一分布の光が望まれる。対象物の寸法がＫ×Ｈであるとすると、走査長さがＨでＫ／Ｑ回走査すれば良いということになる。Ｑが大きいと回数が少なくて済む。

その他にも帯状の均一パワーの光を必要とする用途がありうる。その場合ビームが平行であって位相もそろっているのが理想的であるがそれはとても難しいから、ある像面でパワーが均一であるということだけを要求する。像面で非平行で位相が不揃いであってもそれは仕方がない。本発明はそのような帯状の均一ビームをＤＯＥによって作り出すホモジナイザＤＯＥに関する。

特開２００３−２７０５８５「レーザ照明光学系及びそれを用いた露光装置、レーザ加工装置、投射装置」

特許文献１はガウシアンビームを発生する複数の同等の半導体レーザよりなる半導体レーザアレイを光源として用いる。アレイに含まれる素子のピッチｐと同じピッチｐで並ぶホログラム素子でガウシアンビームを矩形状（ｐ×ｗ）の均一分布ビームにしビームの端が突き合わせられるようになっている。矩形均一ビームを端の部分が二重に重ならないようにしている。均一ビームで端が重なると、そこはパワーが二倍になるので好ましくない。

ピッチｐで矩形トップハットのビームができるのでＮ個のレーザとＮ個のホログラム素子があれば、長さｐＮの帯状の均一光ビームが生成される。それぞれのレーザ素子とホログラム素子が同一軸線に並ぶので同等のホログラム素子を使うことができる。境界で隣接レーザからのビームが殆ど重ならないので干渉の問題もない。レーザとホログラム素子の数Ｎを増やしてゆけば幾らでも長い帯状（Ｎｐ×ｑｗの均一パワー密度の光ビームを作り出すことができる。半導体のウエハプロセスにおいてレチクルに均一の光を当ててレジストを露光するために使うといっている。レジストは配線のための微細なパターンを描くもので（０．２ｎｍ程度）干渉縞が生じては致命的である。特許文献１では隣接するビームは互いに重ならないので干渉縞が発生しない。隣接ビームは端で厳密に接触するよう調整してあり重なりがない。それはそれぞれのホログラム素子で厳密な矩形ビームを形成できるから可能なのである。それが可能であるのはレーザビームの光軸とホログラム素子の中心線が一致するからである。

ホログラム素子は物体光と参照光を干渉させてできた干渉縞を固定することによって作られる素子である。写真フィルムなどの感光体を基板の片面あるいは両面に塗布し、それに物体光と参照光を同時に当てて作られる。特許文献１の場合はレーザからの発散するビームと、そのビームの一部をビームスプリッタで分け何らかの手段で平行均一化矩形ビームとし、発散ビームと均一化矩形ビームを感光体の両側から同時的に当てることによって露光させ現像して作製する。その点でホログラム素子はＤＯＥとは異なる。

本発明は、レーザビームを整形して帯状（縦横比の大きい矩形）の均一パワー光ビームを作り出すことを目的とする。一つのレーザのガウシアンビームをＤＯＥを使って一方向に広げ、それと直交する方向には狭い帯状断面の均一光を作ることは理論的には可能であろう。それを図２に示す。このＤＯＥ３はビームを広げる作用がある。像面５での投影ビームが均一化（トップハット）光６になっている。像面５でのビームの断面をＱ×ｗとするとＱがｗよりずっと大きい縦横比の大きい帯状断面となっている。

Ｑが大きければ前記のような目的に使えるかというとそうでもない。図２のようにレーザビームを広げてしまうと像面でのパワー密度が弱くなって熱処理、溶接、穴開け、溶断などの処理を行うことができない。大出力のレーザがあれば都合が良いのであるが現在のところ、それほど高出力のレーザが無い。図２のようにＤＯＥでビームを広げて帯状断面のトップハットビームを作るというのは現実的でない。だから図２は架空の構成図にすぎない。

そうなると複数のレーザを並列に並べて、それぞれが出すガウシアンビームを同数のＤＯＥによって均一化ビームにする、ということが考えられる。特許文献１はＮ個のレーザをもつ半導体レーザアレイの前にＮ個のホログラム素子を置いて拡大するレーザビームをレーザのピッチｐに等しい長辺をもつ矩形均一ビーム（ｐ×ｑ：ｐ＞ｑ）に変え、端が重ならないように突き合わせ長さがｐＮであるような帯状の均一化光を得るようにしている。多数のレーザを利用するので全体としてのパワーが大きくなる。

特許文献１は微細な半導体レーザアレイを光源として用いる。半導体レーザは寸法を小さくできるからアレイとした場合ピッチｐを４００μｍとか５００μｍとか極短いものにすることができる。また安価にアレイが製造できるから素子数Ｎを５とか１０とか或いは２０個とかにできる。光源のコストが低く光源数も自在に増やすことができる。その場合は素子数ｍを増やして帯の長さＬ＝ｍｐを大きくできる。

半導体レーザはしかしながら波長範囲が必ずしも目的の処理に合致しているとは限らない。それにパワーがあまり高くないということもある。それで目的によっては光源として半導体レーザアレイが使えないということも多い。

高出力が必要な時は、やはり固体レーザや気体レーザを使わねばならない。気体レーザ、固体レーザは長さも幅も大きいので半導体レーザアレイのように５００μｍ程度のピッチでたくさん並べるというわけに行かない。放電管の寸法などがあるから複数個並べるとするとピッチは１０ｍｍとか２０ｍｍとかになる。放電管の形状を工夫した固体レーザでも４ｍｍ以上のピッチは必要である。

そのように幅の広いガスレーザ、固体レーザを光源としたときでも長い帯状の均一化ビームを得ることができるような光学部品を提供することが本発明の第１の目的である。特許文献１は隣接矩形ビームの継ぎ目の設定が難しい。重なってはならず途切れてはならないので、矩形ビームの端部を重ならないよう厳密に突き合わせなければならない。しかし、それは難しいことである。隣接ビームの位置が少しずれてもよく、位置合わせに余裕のある光学部品を提供することが本発明の第２の目的である。

本発明の（縮小）光学系装置は、直径ｄのガウシアンビームを軸から離れる方向に回折して後方距離ｆの位置にある軸線に直交する像面Ｉにおいて軸線から外れた位置でｄより小さい一辺ｑをもつ矩形（ｑ×ｗ）断面の準均一分布ビームに変換するオフアクシス型の回折型光学部品（ＤＯＥ）を回折角Θが大きいものを外側に、回折角Θが小さいものを内側になるようにレーザ軸線と基準面Ｋの交点である基準点に一次元的に配列し、直径ｄのガウシアンビームを生ずるレーザをそれぞれのＤＯＥの軸線上に配置し、レーザからのガウシアンビームをオフアクシス型ＤＯＥで集束する方向に回折し後方ｆの像面において隣接ＤＯＥからの回折光が一部重畳し合うようにして像面において帯状の均一パワーのビームを得るようにしたものである。

オフアクシス型ＤＯＥが基本であるが、オンアクシス型のＤＯＥがあってもよい。その場合はオンアクシス型のＤＯＥの両側、または片側に回折角Θが大きくなる順に複数のオフアクシス型ＤＯＥを配置し回折光が中心へ向かうようにする。像面では縮小された隣接ビームが重畳することによってパワーが均一になるようにする。

これはビームを縮小して、より大きな均一のパワー密度を得ようとするものである。しかしビームを拡大して、より小さい均一のパワー密度を得るようにすることもできる。それは次のようなものである。

本発明の（拡大）光学系装置は、直径ｄのガウシアンビームを軸から離れる方向に回折して後方距離ｆの位置にある軸線に直交する像面Ｉにおいて軸線から外れた位置でｄより大きい一辺ｑをもつ矩形（ｑ×ｗ）断面の準均一分布ビームに変換するオフアクシス型の回折型光学部品（ＤＯＥ）を回折角Θが大きいものを外側に回折角Θが小さいものを内側になるようにレーザ軸線と基準面Ｋの交点である基準点に一次元的に配列し、直径ｄのガウシアンビームを生ずるレーザをそれぞれのＤＯＥの軸線上に配置し、レーザからのガウシアンビームをオフアクシス型ＤＯＥで拡大する方向に回折し後方ｆの像面において隣接ＤＯＥからの回折光が一部重畳し合うようにして像面において帯状の均一パワーのビームを得るようにしたものである。

ＤＯＥがオフアクシスである、ということが重要である。オフアクシスであるから０次光は遮断できる。これが大きな利点である。レンズ形と違って、回折型光学部品の場合０次光は必ず存在しオンアクシス型ではそれを完全に排除できない。しかしオフアクシスＤＯＥを用いる本発明は０次光を除くことができる。マイナス１次、２次…なども像面では遠い位置にゆくので対象物には当たらずノイズを実効的に排除することができる。プラス２次、３次…は回折角Θの約２倍、３倍となり像面では極めて遠い方向へ行くから対象物に当たらない。つまりオフアクシスは０次や高次回折ノイズをうまく排除できる、という長所がある。

また隣接ビームを重畳することによって光量の和が均一になるということも本発明にとって重要である。隣接ビームを重畳するのだから、それぞれのビームは端でパワー分布が切り立っている必要がない。つまりパワー分布がトップハットでなくてよい。むしろなだらかなスロープのパワー分布の方がうまく重畳することができる。

そのような関数形はいろいろあるが、一つは低次のスーパーガウシアン関数によって像面での回折ビーム強度分布を与えることである。スーパーガウシアン関数はｅｘｐ（−２（２ｘ／ｑ’）^ｍ）という形をした関数である。ｍ（正整数）をスーパーガウシアンの係数という。ｍ＝２であればガウシアン関数である。ｍが小さい（２に近い）とガウシアンに近くなだらかなピークを表す。ｍが大きければ大きい程矩形分布に近付く。ｍが無限大の極限では矩形関数（トップハット）となり、−ｑ’／２＜ｘ＜ｑ’／２で１、ｘ＜−ｑ’／２及びｑ’／２＜ｘで０である。つまりｘ方向の辺の長さがｑ’の矩形光を表現できる。２が付くのはｑ’／２が辺の半分であるからである。

端部で隣接ビームを重ね合わせるようにするので一つ一つの回折ビームは矩形でなくてよく、なだらかな関数でよい。そこで本発明では重ね合わせて帯状にする方向にはスーパーガウシアンの係数をｍ＝３〜２０とする。低次のスーパーガウシアンである。それと直交する短い方のパワー分布はｎ＝２〜１０とする。こちらの方向は走査するから、あまり均一性は強く要求されない。本発明のＤＯＥはオフアクシス型なのでより具体的にはパワーを表すスーパーガウシアン関数は次のような表現になる。

ｅｘｐ（−２（２（ｘ−ｇ）／ｑ’）^ｍ−２（２ｙ／ｗ）^ｎ）：ｍ＝３〜２０、ｎ＝２〜１０、ｇはオフアクシス量）

オフアクシス量ｇというのは回折光の中心のｘ座標のことである。たとえば偶数ＮのＤＯＥ、レーザがあってＮ＝２ｈ（ｈ：正整数）の場合、一つの回折光のｘ方向の長さをｑとして、対称である場合は、ｇ＝±ｑ／２、±３ｑ／２、±５ｑ／２、±（ｈ−１／２）ｑというようにＮ＝２ｈ個の値を取る。

また、たとえば奇数のレーザ、ＤＯＥがあって、Ｎ＝２ｈ＋１の場合、対称性よく並べた場合、ｇ＝０、±ｑ、±２ｑ、…、±ｈｑというようにＮ＝２ｈ＋１個の値を取る。ｇ＝０の分はオンアクシス型である。もちろん奇数であっても非対称にすれば全てをオフアクシスＤＯＥで構成することはできる。

長手方向の回折矩形ビームの大きさｑ’と重ね合わせの周期ｑの関係であるが、それはほぼ等しいのであるが、厳密には違う。スーパーガウシアンビームの端はパワーがｅ^−２に減衰したところとして定義する。それはｘ＝ｑ’であり、それがビームの端なのである。しかし端と端を突き合わせても、その部分のパワーは２ｅ^−２にしかならない。だから常にパワーを１とするには、もう少し深く重畳しなければならない。端を一部重ね合わせるから矩形光の長手方向ピッチｑは、矩形ビームの長手寸法ｑ’と全く同じでなく、少し小さい。ｑ’＞ｑである。しかしｑ，ｑ’はこの明細書で、回折光の長手寸法として使い混同することもある。

ｑ＝ｑ’とするには、もっと違った準均一分布関数を使えばよい。たとえばフェルミ関数のようなものである。たとえばｘ方向に

［ｅｘｐ[−β｛ｘ−ｇ＋（ｑ／２）｝]＋１]^−１［ｅｘｐ［β｛ｘ−ｇ−（ｑ／２）｝］＋１］^−１（β＝２０／ｑ〜５／ｑ、ｇはオフアクシス量）

としてｙ方向に

［ｅｘｐ［−γ｛ｙ＋（ｗ／２）｝］＋１］^−１［ｅｘｐ［γ｛ｙ−（ｗ／２）｝］＋１］^−１（γ＝２０／ｗ〜５／ｗ）

として合わせて、

［ｅｘｐ[−β｛ｘ−ｇ＋（ｑ／２）｝]＋１]^−１［ｅｘｐ［β｛ｘ−ｇ−（ｑ／２）｝］＋１］^−１［ｅｘｐ［−γ｛ｙ＋（ｗ／２）｝］＋１］^−１［ｅｘｐ［γ｛ｙ−（ｗ／２）｝］＋１］^−１（β＝２０／ｑ〜５／ｑ、γ＝２０／ｗ〜５／ｗ）

によって与えられる。フェルミ関数なら境界ｘ−ｇ＝ｑでの高さが０．５になるから、そこで隣接光を重畳すると合計が１になる。つまりｑ’＝ｑとすることができる。β、γの逆数が端でのスロープの広がりを表す。準均一なので、逆数がｑ、ｗの１／５〜１／２０程度でよい。ｇについてはスーパーガウシアンについて先に述べた通りである。

オフアクシスＤＯＥだけで縮小光学系、拡大光学系を構成することは可能である。中心軸線に対し左右対称な均一ビームを作るとしても、レーザ数、ＤＯＥ数Ｎが奇数（Ｎ＝２ｈ＋１：ｈは正整数）であれば、中心にオンアクシス型のＤＯＥを一つ設け、その両側にオフアクシスのＤＯＥを回折角が増える順に並べてもよい。

レーザ数、ＤＯＥ数ｍが偶数（Ｎ＝２ｈ：ｈは正整数）なら、オフアクシスＤＯＥだけの組み合わせによって対称性のある構造を構成できる。

対称性を必要としないならレーザ数、ＤＯＥ数が奇数Ｎ＝２ｈ＋１であってもオフアクシス型ＤＯＥだけで回折光学系を作ることができる。いずれにしても本発明で主流をなすのはオフアクシス型回折型光学部品である。

ＤＯＥによる像面での回折像を計算すること自体は知られている。入射ビームの強度分布をａ（ｘ，ｙ，０）としてＤＯＥでの位相変化を表現する関数をｔ（ｘ，ｙ）として、像面（ｘ’，ｙ’，ｆ）での波動関数Ｗ（ｘ’，ｙ’）は

Ｗ（ｘ’，ｙ’）＝（ｊｆλ）^−１∫∫ａ（ｘ，ｙ）ｔ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ［ｊｋ｛（ｘ−ｘ’）^２＋（ｙ−ｙ’）^２｝／２ｆ］ｄｘｄｙ

によって求められる。積分ｄｘｄｙはＤＯＥ面での積分である。実際には画素（ピクセル）に分割されているから積分は画素毎の積算に置き換えられる。入射ビームはガウシアンだからａ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（−２（ｘ^２＋ｙ^２）／ｄ^２）によって与えられる。ｔ（ｘ，ｙ）はＤＯＥの厚さ（高さΔｈ（ｘ，ｙ））分布つまり位相分布φをｘ，ｙの関数として与えられたとき、ｔ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（−ｊφ（ｘ，ｙ））というような関数に書ける。φ（ｘ，ｙ）＝２π（ｎ−１）Δｈ（ｘ，ｙ）／λである。

上の式で左辺のＷ（ｘ’，ｙ’）というのは先に述べたような像面（ｘ’，ｙ’，ｆ）での準均一関数である。φ（ｘ，ｙ）を適当に全ピクセルについて与えてＤＯＥ面（ｘ，ｙ）での積分をする。そうするとＷ（ｘ’，ｙ’）が得られる。それが先ほどのスーパーガウシアンやフェルミ関数で表現される準均一関数に一致すれば、それで良い。もし食い違えばφ（ｘ，ｙ）を修正して、Ｗ（ｘ’，ｙ’）が所望の関数になるようにすればよい。そのような回折型光学部品（ＤＯＥ）と像面パターンの波動光学的な関係は知られており、それを述べるのが本発明の目的ではないから、これ以上説明しない。

本発明は、ピッチｐで並ぶ複数のレーザのビームを、基準面に並べられオフアクシスの位置に矩形断面の準均一化光を作り出す複数のオフアクシス型回折型光学部品によって回折し像面において一辺がｐより短い値ｑ（ｑ＜ｐ）である矩形断面の準均一化光を重畳し像面の延長方向において均一パワーの帯状断面ビームを作り出す。オフアクシスＤＯＥが主体でありオフアクシス型ＤＯＥだけでも全体を構成できる。しかし、オンアクシスのＤＯＥがあってもかまわないし、オンアクシスのＤＯＥがなくてもよい。

ビームは厳密なトップハット型均一分布でなく継ぎ目ではなだらかなスロープの関数とする。だからスーパーガウシアンでｍ＝３〜２０程度の関数によって与える。ビームの継ぎ目で一部の隣接ビームが重なり合うようにする。重なり合うので、そこではパワーはそれらの和になる。

レーザの数をＮとすると、レーザの一次元配列の寸法はＮｐである。像面での連続帯状断面ビームの長さはＮｑであって、Ｎｑ＜Ｎｐであるからレーザパワーが濃縮されてより高密度の光となっている。帯状の断面において合成されたレーザ光のパワーはほぼ均一であるから、均一エネルギー密度の光を対象物に照射して熱処理、溶接、溶断、アニールすることができる。矩形断面の斜め向きのビームであるが像面において継ぎ目が一部重畳するようにする。完全に均一パワーにしないで端では少しダレがあるようなパワー密度である。

オフアクシスＤＯＥの作用はオフアクシスの位置に矩形準均一化ビームを作り出すことである。斜め方向に光を回折するので特別な回折型光学部品となる。オフアクシスなので０次光の影響をほぼ完全に遮断できる。高次のプラス側の回折光も曲がり角が大きすぎて像面には現れない。そのようにオフアクシスＤＯＥは、不要な次数の回折光をうまく排除することができる。特に０次光の排除は効果が大きい。

オフアクシスＤＯＥを使うから、全体として縮小光学系や拡大光学系を作るのが容易である。設計の自由度が高いからである。オンアクシス型だと等倍光学系しかできない。設計自由度が低い。そのような点でも優れている。

図３は３つのＤＯＥを用いた本発明の一例を示す重畳式ホモジナイザの配置である。これは３つのホモジナイザ第２ＤＯＥ、第１ＤＯＥ、第３ＤＯＥを直線的に組み合わせたものである。３つの場合を書いているが実際には２、４、５、６…などレーザ、ＤＯＥの数は任意である。対称性を必要とする場合はレーザ個数ｍが偶数だとオフアクシス型だけで全体を構成できる。レーザ個数ｍが奇数で対称だとオンアクシス型が一つ必要になる。しかし対称性を要求しないなら、どのような場合でもオフアクシスだけで構成できる。レーザビームの進行方向をｚ軸、レーザが並ぶ方向をｘ軸とする。帯状に長い出力ビームはｘ方向に延びている。

この例では、両側の第２ホモジナイザＤＯＥ、第３ホモジナイザＤＯＥはオフアクシス型である。中央の第１ホモジナイザＤＯＥはオンアクシス型である。第１、第２ホモジナイザの中心間距離、第１、第３ホモジナイザの中心間距離はレーザの配列距離（ピッチ）ｐに等しい。しかし全体としてビームを縮小する縮小光学系になっており、像面Ｉではピッチがｑ（ｑ＜ｐ）となっている。

中央のオンアクシス型ホモジナイザＤＯＥ１は図５に示すように、直径ｄの円筒形ガウシアンビームを縮小してｑ×ｗの矩形の準均一ビームにしている。

図３で上側のオフアクシス型第２ホモジナイザＤＯＥは図６に示すように、直径ｄのガウシアンビームを縮小し、しかも強く下へ偏向して像面で軸線より離れた位置に矩形（ｑ×ｗ）の準均一ビームを作っている。

図３で下側のオフアクシス型第３ホモジナイザＤＯＥは図７に示すように、直径ｄのガウシアンビームを縮小し、しかも強く上へ偏向して像面で軸線より離れた位置に矩形（ｑ×ｗ）の準均一ビームを作っている。

そのようなオフアクシスとオンアクシスのホモジナイザＤＯＥを組み合わせているので、図４（ａ）のように回折光が３つ重畳される。重畳されたものは図４（ｂ）のように、ほぼ均一なパワーをもっている。

オンアクシスＤＯＥだけならｐ＝ｑとなるが、本発明はオフアクシスＤＯＥも使うので、そのような制限はない。ｐ＞ｑとすることも、ｐ＜ｑとすることもできる。

干渉が継ぎ目で問題にならないので隣接レーザビームを重畳して良いということになる。それは別々のレーザ光源を使うので互いに干渉し合うというようなことはないのである。オフアクシスであるからビームは像面で斜めを向いている。均一密度といっても、それは振幅だけのことで位相はランダムである。パワーを利用するのだから位相はどうでも良いのである。オフアクシスにしているので像面とＤＯＥの距離ｆが少しでも狂うと最早均一パワーでないようになる。その点でオンアクシスより厳しいのであるが像面・ＤＯＥ距離を正しく設定すればよいことである。

本発明はオフアクシスＤＯＥを使うということが眼目である。それは０次光を除去でき正の高次光も像面に入らないようにできる。そのように高次光、０次光を除くことができノイズが少ないものとなる。

［縮小型でオフアクシス型ＤＯＥを用いる場合のメリット（図１７）］
オフアクシス型ＤＯＥを使うので０次光や高次回折光を巧みに除去できるということを述べた。それ以外に、レーザの寸法によって光学系の設計が制限を受けない、自由度が高いという利点がある。レーザの並列配置のピッチｐに無関係に像面での矩形均一領域の寸法を決めることができるということである。だから収束型とか拡大型とかいうようなカテゴリーが存在する。そのようなことはオフアクシス回折型光学部品に本質的な長所である。

図１７は縮小型の場合で、オフアクシス光学系（本発明：図１７（ａ））と、オンアクシス型光学系（仮想例：図１７（ｂ））を比較したものである。
オンアクシス型の場合、図１７（ｂ）に示すように像面で要求される帯状光領域の長さ（ｍｑ）が短いときはレーザピッチｐ自体を減らさなければならない。ＤＯＥも小さくなる。何より大きいパワーが必要な時にそのようなサイズの小さいレーザ装置では役に立たない。

それに反しオフアクシスの本発明の場合、像面Ｉでの寸法が決まっていても本発明の場合レーザピッチｐは決まらないし、レーザピッチｐが決まっていても像面Ｉでの矩形光の寸法は決まらない。自由度が高い。

要求される像面での帯状光領域がｘ方向に短い（Ｎｑ）が要求されるパワーが大きいものであっても本発明はその要求を満足できる。その場合高出力のレーザを並べて使うが横方向の寸法が大きいのでピッチｐも大きくなる。オフアクシス型ＤＯＥを使って回折光を左右に自在に振れる本発明の場合それは差し支えないことである。オフアクシスの場合ＤＯＥでレーザパワーを集中させて像面でのパワーを増強することができる。
また焦点距離ｆが存在するから回折限界値が存在する。

回折限界値 ＝ （４／π）（ｆλ／Ｄ）

ここでｆはＤＯＥの焦点距離、λは入射レーザ光波長、Ｄは入射ビーム径である。縮小光学系でオフアクシス型の場合入射ビーム径Ｄを大きくすることができる。そのために回折限界値がより小さくなる。最小分解能がより小さくなるという利点がある。縮小型の場合本発明の利点がよりハッキリする。

［拡大型でオフアクシス型ＤＯＥを用いる場合のメリット（図１８）］
図１８は拡大型オフアクシス光学系（本発明：図１８（ａ））と、オンアクシス型光学系（仮想例：図１８（ｂ））を比較したものである。本発明の場合、像面Ｉでの寸法が決まっていてもレーザピッチｐは決まらないし、レーザピッチｐが決まっていても像面Ｉでの矩形光の寸法は決まらない。ここでは要求される像面での帯状光領域がｘ方向に長い（Ｎｑ）ものであるとする。

オンアクシス型だと図１８（ｂ）に示すように、レーザピッチｐを広げてｐ＝ｑとしてレーザの軸線延長上にそれぞれの矩形領域の中心を合致させなければならない。もしも像面での帯状レーザ光の長さが大きい場合、レーザのピッチｐを広くしなければならず、ＤＯＥも大型化する。レーザがガスレーザ、固体レーザのように長い本体をもつ装置である場合ピッチｐが大きいと、それによって占有される面積も増える。だから不必要に嵩高いものになる。

オフアクシス型だと図１８（ａ）に示すようにレーザのピッチｐを狭くすることができる。ＤＯＥも小さくできる。レーザピッチｐも狭くできるので、レーザ占有面積を縮減することができる。装置全体の寸法を減らすことができ有用である。

［ＤＯＥホモジナイザ配置（図８）］
図３と同様に３つのＤＯＥを使う実施例を述べる。図８にＤＯＥホモジナイザの配置を示す。これも３つのホモジナイザを直線的に組み合わせたものである。第１ホモジナイザ、第３ホモジナイザはオフアクシス型で、第２ホモジナイザはオンアクシス型である。第１、第２ホモジナイザの中心間距離、第２、第３ホモジナイザの中心間距離は４ｍｍである。つまりレーザ、ＤＯＥのピッチがｐ＝４ｍｍだということである。それが像面においてはｑ＝２．６３ｍｍのピッチに縮小されている。ＤＯＥと像面の距離は１００ｍｍである。

◎ＤＯＥホモジナイザへのレーザビームの入射条件（第１〜第３ホモジナイザに共通）
波長： λ＝５３２ｎｍ（ＹＡＧ第２高調波レーザ）
ビーム径： φ２ｍｍ
発散角： ０ｍｅａｄ（平行光）
モード： ＴＥＭ_００ 理想ガウシアンプロファイル

光源がＹＡＧ第２高調波レーザである。その波長は５３２ｎｍでビーム径は２ｍｍφである。ガウシアンビームのビーム径というのはピークパワーのｅ^−２となる所をビームの端として測定したものである。発散角が０というのは完全平行ビームだということである。パワー分布はガウシアンであるとする。

◎第１ＤＯＥホモジナイザ（図１０）
回折効率：９０．５３％
ピクセルサイズ：５μｍ×５μｍ
位相段数：１６段階（図９）
ピクセル数：８００セル×８００セル
基板材質：合成石英（λ＝５３２ｎｍでの屈折率ｎ＝１．４６０７０６３４３）
焦点距離ｆ：１００ｍｍ
ビーム形状： ３．０ｍｍ（１／ｅ^２径）×０．１ｍｍ（１／ｅ^２径）
スーパーガウシアン次数： ３．４次×２次
オフアクシス型：オフアクシス量 像面にて２．７ｍｍ
両面ＡＲコート付き（透過率９９％以上）

図１０に示すようなＤＯＥの最小単位はピクセルである。ＤＯＥはピクセルの集合である。ピクセル（画素）は５μｍ四方の正方形であり、一つのピクセルには一つの高さが対応する。ＤＯＥにはピクセルが縦横に８００セル×８００セル存在する。だからピクセルの存在する領域は４０００μｍ×４０００μｍである。ＤＯＥは合成石英で屈折率は上記のとおりである。焦点距離ｆとあるのは、このＤＯＥは集光作用のあるＤＯＥで焦点距離ｆを定義できるものだということである。

位相段数というのはピクセルがとることのできる厚みステップが１６段階だということである。それは図９に示すとおりである。一般に２のべき乗の値として決める。１６段階というのは多いというものではない。２５６段階とか１２８段階、６４段階、３２段階にすることもできる。段階の数が多いほど回折光の解像度が増える。しかし本発明の場合は像面に複雑なパターンを作るのではなくて均一分布を与えるだけなので比較的少ない１６段階というようになっている。もちろん８段階でもよい。一般にｓ段階にし１ステップがεだとすると、ｓεが１波長分の光路長変化に対応する。だからｓε（ｎ−１）＝λである。ε＝λ／（ｎ−１）ｓである。

図９において、ステップ数がｓ＝１６で、１ステップがε＝７２．２ｎｍであり、全ステップの厚み差がｓε＝１１５４．７ｎｍである。
ビームが像面で、３．０ｍｍ×０．１ｍｍの矩形になる（ｑ’＝３．０ｍｍ、ｗ＝０．１ｍｍ）。ビームの端はパワーが中心のｅ^−２に減少する所として定義する。
スーパーガウシアン次数というのは、初めの３．４というのがｑ＝２．６３ｍｍ（ｘ方向）の次数ｍであり、２というのがｗ＝０．１ｍｍ（ｙ方向）の次数である。

ｅｘｐ｛−２（２（ｘ＋ｑ）／３）^３．４｝ｅｘｐ｛−２（２ｙ／０．１）^２｝

のような分布をするということである。ｘ方向に関して（ｘ＋ｑ）となるのは第１ホモジナイザの矩形の中心がｘ＝−ｑ＝−２．６３ｍｍだからである。分母の３はビーム長手寸法ｑ’＝３ｍｍのことである。

すでに述べたように、矩形回折光の長手方向（ｘ方向）の寸法ｑ’＝３．０ｍｍと、回折光のピッチｑ＝２．６３ｍｍは必ずしも一致しない。それはスーパーガウシアンの端をパワーの減衰比ｅ^−２で定義し０．５で定義するのではないからである。フェルミ関数を使えばｑ’＝ｑとなる。どちらの関数を使ってもよいし、その他に準均一性のある関数を使ってもよい。

回折効率が９０．５３％とあり少し低いが斜め方向に回折するからである。１０％近くの残りの光は像面で対象物領域の外側へ行くのでノイズとなるのではない。

図１０は第１ホモジナイザＤＯＥの凹凸（位相）を示す図である。白から黒の諧調によって１６段階の厚み（高さ）を表している。８００画素×８００画素で６４万画素あり、それぞれに厚みを濃淡の諧調で表している。図の左側に左の凸の同心彎曲弓群が現れている。それはフレネルレンズと同じ作用であり、右側へ大きく光を曲げるための同心凹凸縞である。それよりも弱いが右側にも右に凸の薄い同心彎曲弓群がある。それは左へ光を曲げる作用をもつ同心縞であり、オフアクシスの位置に矩形の準均一光を作るためのものである。

ｙ方向へ収束させるための横縞があまりないが、オフアクシスの位置でｙ方向に０．１ｍｍの縮小像を結ぶのだから、左凸同心彎曲弓群の作用でｚｘ方向へのビームの伝搬の間にｙ方向に縮小される。

◎第２ＤＯＥホモジナイザ（図１１）
回折効率： ９６．５４％
ピクセルサイズ： ５μｍ×５μｍ
位相段数：１６段階（各段の段差は第１ホモジナイザと同じ）
ピクセル数： ８００セル×８００セル
基板材質：合成石英（λ＝５３２ｎｍでの屈折率ｎ＝１．４６０７０６３４３）
焦点距離ｆ：１００ｍｍ
ビーム形状： ３．０ｍｍ（１／ｅ^２径）×０．１ｍｍ（１／ｅ^２径）
スーパーガウシアン次数：３．４次×２次
オンアクシス型
両面ＡＲコート付き（透過率９９％以上）

これも第１ホモジナイザと大体同じである。ピクセルサイズ（５μｍ×５μｍ）、画素数（６４万画素）、材質（石英）、焦点距離（１００ｍｍ）、回折光のビームサイズ（３ｍｍ×０．１ｍｍ）も同じである。

オンアクシス型のＤＯＥであるから、像面での矩形関数が少し違う。中心がｘ＝０であるから、像面での準均一光を表すスーパーガウシアンは、ｅｘｐ｛−２（２ｘ／３）^３．４｝ｅｘｐ｛−２（２ｙ／０．１）^２｝というような分布をするということである。

図１１は第２ホモジナイザＤＯＥ（オンアクシス型）の位相（高さ）分布を黒灰白の諧調で表現したものである。このＤＯＥも焦点距離が１００ｍｍで収束光学系である。円筒対称の光を円筒対称の縮小ビームにするのであれば同心円突状群からなるフレネルレンズのようになるのであるが、矩形の準均一ビームに縮小するのだから、そうならない。上下左右に双曲線群のような同心彎曲弓群が現れる。上下の同心彎曲群の繰り返し周期はより細かい。それはｙ方向の縮小率が大きい（ｙ方向にはｗ＝０．１ｍｍに縮小する）からである。一つの縞が光の１波長分の光路差に対応するので縞の間隔が短い方が回折角が大きいということである。双曲線のように外で発散するというのはビームを縮小しているということである。左右の彎曲群の繰り返し周期がより長いのは像面でｘ方向になお長い（ｑ＝３ｍｍ）ビームとするからである。

◎第３ＤＯＥホモジナイザ（図１２）
回折効率： ９０．５２％
ピクセルサイズ： ５μｍ×５μｍ
位相段数：１６段階（各段の段差は第１ホモジナイザと同じ）
ピクセル数： ８００セル×８００セル
基板材質：合成石英（λ＝５３２ｎｍでの屈折率ｎ＝１．４６０７０６３４３）
焦点距離ｆ：１００ｍｍ
ビーム形状： ３．０ｍｍ（１／ｅ^２径）×０．１ｍｍ（１／ｅ^２径）
スーパーガウシアン次数： ３．４次×２次
オフアクシス型（オフアクシス量 像面にて２．７ｍｍ）
両面ＡＲコート付き（透過率９９％以上）

ｘ＝＋ｑの位置に矩形ビームを形成するから、像面でのパワーを与えるスーパーガウシアンは、ｅｘｐ｛−２（２（ｘ−ｑ）／３）^３．４｝ｅｘｐ｛−２（２ｙ／０．１）^２｝となる（ｑ＝２．６３ｍｍ）。

回折効率が９０．５２％とあり少し低いが第１ホモジナイザと同じく斜め方向に回折するからである。１０％近くの残りの光は像面で対象物領域の外側へ行くのでノイズとなるのではない。

図１２は第１ホモジナイザＤＯＥの凹凸（位相）を示す図である。図の右側に右の凸の同心彎曲弓群が現れている。それは、左側へ大きく光を曲げるための同心凹凸縞である。それよりも弱いが左側にも左に凸の薄い同心彎曲弓群がある。それは右へ光を曲げる作用をもつ同心縞であり、オフアクシスの位置に矩形の準均一光を作るためのものである。

第１ホモジナイザと同じで、ｙ方向へ収束させるための横縞があまりないが、オフアクシスの位置でｙ方向に０．１ｍｍに縮小像を結ぶのだから、右凸同心彎曲弓群の作用でｚｘ方向へのビームの伝搬の間にｙ方向に縮小される。

図１３は像面Ｉでの第１〜３ホモジナイザＤＯＥの回折光の強度分布を黒字背景の中の白地によって示す。帯状に見えるが、それはパワー分布であり、ビーム断面図は矩形（３ｍｍ×０．１ｍｍ）である。第１ホモジナイザは左上に示すように、左のｘ＝−２．６３ｍｍに中心がある準均一光を作る。第２ホモジナイザは中央のｘ＝０を中心にした準均一光を作る。第３ホモジナイザは右下に示すようにｘ＝＋２．６３ｍｍを中心にした準均一光を生成する。

図１４は同じものを強度を示すグラフによって表現している。横軸がｘ座標であり縦軸がパワーである。最大パワーを１として表している。これでわかるように、これはトップハットのような厳密にステップ上の完全均一でなく、準均一の分布を実現している。ガウシアンに少し似ているがガウシアンでなくｍ＝３．４のスーパーガウシアンであるから、中心部でより平坦になる。ビームの端をｅ^−２に減衰したところとして定義するから、矩形ビームの長辺（ｘ方向辺）はｑ’＝３ｍｍとなるが、重ね合わせはパワーが約０．５となるところだからピッチはｑ＝２．６３ｍｍとなり長辺より短い。

図１５は３つのホモジナイザの光を重ね合わせた場合の像面の強度分布を示す。白地でパワーを示す。帯状になって見えるが、これはビームの形状でなくてパワー分布を示していることに注意すべきである。ｘ方向（長手方向）にほぼ均一であることがわかる。

図１６は同じものをグラフで表現している。横軸がｘ座標であり縦軸がパワーである。３つ分が合成され和のパワーになっている。−３．２ｍｍ〜＋３．２ｍｍの６．４ｍｍの帯状領域でパワーがほぼ均一である。

両端はスーパーガウシアンのなだらかなスロープが残る。それは仕方のないことである。均一領域がかなりあるから対象物をその領域に置いてｙ方向に走査すれば、均一の光照射を実現することができる。

回折型光学部品（ＤＯＥ）を用いてレーザの円筒対称ガウシアンビームを縮小円筒状断面の均一パワー分布光に変換する従来例にかかるホモジナイザＤＯＥ光学系の説明図。左の山はレーザビームのガウシアン分布を、右の山はＤＯＥでホモジナイザされた均一（トップハット）分布を示す。 回折型光学部品（ＤＯＥ）を用いてレーザの円筒対称ガウシアンビームを拡大円筒状断面の均一パワー分布光に変換する仮想のホモジナイザＤＯＥ光学系の説明図。左の山はレーザビームのガウシアン分布を、右の山はＤＯＥでホモジナイザされた均一（トップハット）分布を示す。高出力レーザが存在しないので拡大光学系では強いパワーを得る事はできない。 複数のオフアクシス回折型光学部品（ＤＯＥ）を用いて複数のレーザの円筒対称ガウシアンビームを縮小円筒状断面帯状の準均一パワー分布光に変換する本発明のホモジナイザＤＯＥ光学系の説明図。ここではＤＯＥ、レーザが３の場合を示すが幾つでもよい。ここで左右のＤＯＥはオフアクシスであり本発明の思想の骨子をなす。 図３の本発明のホモジナイザＤＯＥ装置によって像面に３つの準均一化ビームを生成することを示すグラフ（図４（ａ））と、和のパワーが像面で殆ど均一になっている事を示すグラフ（図４（ｂ））。 図３の本発明の光学系のうち中央のオンアクシス型ＤＯＥがガウシアンビームを縮小して像面に矩形断面準均一化ビームを生成することを表す説明図。左の山はレーザビームのガウシアン分布を、右の山はＤＯＥでホモジナイザされた準均一（トップハット）分布を示す。 図３の本発明の光学系のうち上側のオフアクシス型ＤＯＥがガウシアンビームを下方に強く回折し縮小して像面の軸線から外れた位置に矩形断面準均一化ビームを生成することを表す説明図。左の山はレーザビームのガウシアン分布を右の山はＤＯＥでホモジナイザされた準均一（トップハット）分布を示す。 図３の本発明の光学系のうち下側のオフアクシス型ＤＯＥがガウシアンビームを上方に強く回折し縮小して像面の軸線から外れた位置に矩形断面準均一化ビームを生成することを表す説明図。左の山はレーザビームのガウシアン分布を、右の山はＤＯＥでホモジナイザされた準均一（トップハット）分布を示す。 本発明の実施例にかかるホモジナイザＤＯＥ光学系の３つのホモジナイザＤＯＥと像面の関係、寸法を示す図。 本発明の実施例にかかるホモジナイザＤＯＥのピクセルの高さ（厚み）に関する１６段階のステップを示す説明図。 ３つのホモジナイザＤＯＥを使う実施例の第１ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）の位相分布（高さ、厚み）図。白灰黒の諧調が１６段階のピクセル厚みを表現する。一つの縞が一波長分の位相（高さ、厚み）差を表現する。左に凸の同心彎曲弓群が見える。 ３つのホモジナイザＤＯＥを使う実施例の第２ホモジナイザＤＯＥ（オンアクシス）の位相分布（高さ、厚み）図。左右上下に中心に向かって凸の同心彎曲弓群が現れ双曲線関数群のように見える。 ３つのホモジナイザＤＯＥを使う実施例の第３ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）の位相分布（高さ、厚み）図。白灰黒の諧調が１６段階のピクセル厚みを表現する。一つの縞が一波長分の位相（高さ、厚み）差を表現する。右に凸の同心彎曲弓群が見える。 ３つのホモジナイザＤＯＥを使う実施例の第１ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）、第２ホモジナイザＤＯＥ（オンアクシス）、第３ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）が像面に生成するそれぞれの光の強度分布を黒背景の中に白地で表現した図。 ３つのホモジナイザＤＯＥを使う実施例の第１ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）、第２ホモジナイザＤＯＥ（オンアクシス）、第３ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）が像面に生成するそれぞれの光の強度分布を示すグラフ。横軸はビームに直交する像面の長手方向の座標（ｘ座標）、縦軸はＤＯＥによる回折光の強度分布。 ３つのホモジナイザＤＯＥを使う実施例の第１ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）、第２ホモジナイザＤＯＥ（オンアクシス）、第３ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）が像面に生成する光を重ね合わせた合計の光の強度分布を黒背景の中に白地で表現した図。 ３つのホモジナイザＤＯＥを使う実施例の第１ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）、第２ホモジナイザＤＯＥ（オンアクシス）、第３ホモジナイザＤＯＥ（オフアクシス）が像面に生成する光を重ね合わせた合計の光の強度分布を示すグラフ。横軸はビームに直交する像面の長手方向の座標（ｘ座標）、縦軸はＤＯＥによる回折光の強度分布。 複数のレーザと複数のＤＯＥを組み合わせてレーザビームを縮小して強力な均一密度の帯状回折光を生成する場合、本発明のようにオフアクシスＤＯＥを用いた場合（ａ）と、仮想のオンアクシスＤＯＥを用いた場合（ｂ）とにおいて、ビームの間隔、ＤＯＥの寸法、ビームの傾きなどを比較するための説明図。 複数のレーザと複数のＤＯＥを組み合わせてレーザビームを拡大して弱い均一密度の帯状回折光を生成する場合、本発明のようにオフアクシスＤＯＥを用いた場合（ａ）と、仮想のオンアクシスＤＯＥを用いた場合（ｂ）とにおいて、ビームの間隔、ＤＯＥの寸法、ビームの傾きなどを比較するための説明図。

符号の説明

２ レーザからのガウシアンビーム
３ ホモジナイザＤＯＥ
４ ＤＯＥによる回折光
５ 像面
６ 像面における均一帯状回折光

Claims (5)

1. 直径ｄのガウシアンビームを発生する複数のレーザを軸線（ｚ方向）のピッチがｐであるようにｘ方向に平行二次元的に並列配置し、直径ｄのガウシアンビームを軸線から離れる方向に回折して後方距離ｆの位置にある軸線に直交する像面Ｉ（ｘｙ面）において軸線から外れた位置でｐより小さい一辺ｑをもつ矩形（ｑ×ｗ）断面の準均一分布ビームに変換するオフアクシス型の回折型光学部品（ＤＯＥ）を、レーザの軸線と直交する基準面Ｋとレーザ軸線が交差する基準点上に回折角が大きいものが外側に、回折角が小さいものが内側になるように一次元的に配列し、複数のレーザからのガウシアンビームを複数のオフアクシス型回折型光学部品（ＤＯＥ）で集束する方向に回折し後方ｆの像面Ｉにおいて隣接する回折型光学部品（ＤＯＥ）からの回折光が一部重畳し合うようにして像面Ｉにおいてｘ方向に延びる帯状の均一パワーのビームを得るようした事を特徴とする重畳式ＤＯＥホモジナイザ光学系。
2. 直径ｄのガウシアンビームを発生する複数のレーザを軸線（ｚ方向）のピッチがｐであるようにｘ方向に平行二次元的に並列配置し、直径ｄのガウシアンビームを軸線から離れる方向に回折して後方距離ｆの位置にある軸線に直交する像面Ｉ（ｘｙ面）において軸線から外れた位置でｐより大きい一辺ｑをもつ矩形（ｑ×ｗ）断面の準均一分布ビームに変換するオフアクシス型の回折型光学部品（ＤＯＥ）を、レーザの軸線と直交する基準面Ｋとレーザ軸線が交差する基準点上に回折角が大きいものが外側に、回折角が小さいものが内側になるように一次元的に配列し、複数のレーザからのガウシアンビームを複数のオフアクシス型回折型光学部品（ＤＯＥ）で拡大する方向に回折し後方ｆの像面Ｉにおいて隣接する回折型光学部品（ＤＯＥ）からの回折光が一部重畳し合うようにして像面Ｉにおいてｘ方向に延びる帯状の均一パワーのビームを得るようした事を特徴とする重畳式ＤＯＥホモジナイザ光学系。
3. 直径ｄのガウシアンビームを軸線方向に回折して後方距離ｆの位置にある軸線に直交する像面Ｉ（ｘｙ面）において軸線上でｑをもつ矩形（ｑ×ｗ）断面の準均一分布ビームに変換するオンアクシス型の回折型光学部品（ＤＯＥ）を、一つのレーザの軸線上に配置し、オンアクシス型回折型光学部品（ＤＯＥ）の両側あるいは片側に回折角の増える順に複数のオフアクシス型光学部品（ＤＯＥ）を配置した事を特徴とする請求項１又は２に記載の重畳式ＤＯＥホモジナイザ光学系。
4. ＤＯＥが像面Ｉ（ｘｙ面）に形成する準均一分布ビームがスーパーガウシアン関数（ｅｘｐ（−２（２（ｘ−ｇ）／ｑ’）^ｍ−２（２ｙ／ｗ）^ｎ）：スーパーガウシアン係数ｍ＝３〜２０、ｎ＝２〜１０、ｇはオフアクシス量）によって与えられることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の重畳式ＤＯＥホモジナイザ光学系。
5. ＤＯＥが像面Ｉ（ｘｙ面）に形成する準均一分布ビームがフェルミ関数（［ｅｘｐ[−β｛ｘ−ｇ＋（ｑ／２）｝]＋１]^−１［ｅｘｐ［β｛ｘ−ｇ−（ｑ／２）｝］＋１］^−１［ｅｘｐ［−γ｛ｙ＋（ｗ／２）｝］＋１］^−１［ｅｘｐ［γ｛ｙ−（ｗ／２）｝］＋１］^−１（β＝２０／ｑ〜５／ｑ、γ＝２０／ｗ〜５／ｗ、ｇはオフアクシス量）によって与えられることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の重畳式ＤＯＥホモジナイザ光学系。
   

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