JP2006106703A - Compensator optics using beam shaping for stability of laser beam delivery system and radially non-symmetric beam forming element to correct energy distribution form distortion caused by lateral direction beam drift - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザービーム送出システムにおけるレーザー照準及び熱ドリフト不安定の制御と補正に関し、特にレーザー照準及び熱ドリフト不安定の制御と補正のためにビーム整形を用いる補償器光学系、及びレーザービーム送出システムにおけるレーザー照準及び熱ドリフト不安定の制御と補正に関し、特に横方向へのビーム移動によるレーザービームエネルギー分布形状の歪みを補正するための径方向非対称ビーム形成素子に関する。 The present invention relates to the control and correction of laser aiming and thermal drift instabilities in laser beam delivery systems, and more particularly to compensator optics that use beam shaping for control and correction of laser aiming and thermal drift instabilities, and laser beam delivery. The present invention relates to control and correction of laser aiming and thermal drift instability in a system, and more particularly to a radial asymmetric beam forming element for correcting distortion of a laser beam energy distribution shape due to lateral beam movement.
集束有向レーザービームは、通例、金属、高分子、集積回路、基板、セラミックス、他の材料などの材料に関して、貫通及び微小ブラインドバイアの穿孔、レーザーイメージング、集積回路の基板切断及び修正や特注生産、穿孔、切断、及び、選択材料の除去や他の複雑な機械加工やマイクロマシニング作業など、多様な工程に使用される。このような工程は非常に複雑なものとなり、同時又は逐次作業において、単一又は複数のレーザーや、可視光レーザー、赤外線(IR)レーザー、紫外線(UV)レーザーなどの複数タイプのレーザーの同時又は逐次使用を含むことも多い。しかしながら、このようなレーザー工程全般において、レーザーシステムの一般的な目的は、1つ又は多数のレーザービームのエネルギーを制御可能且つ信頼性高く方向付け、集束、集中させて、目標スポットに各ビームを収束、又は、目標の表面上にレーザービームの開口領域を描画することである。 Focused directed laser beams are typically used for materials such as metals, polymers, integrated circuits, substrates, ceramics, and other materials, drilling through and micro blind vias, laser imaging, substrate cutting and modification of integrated circuits, and custom manufacturing. , Drilling, cutting, and removal of selected materials and other complex machining and micromachining operations. Such a process is very complex, and in simultaneous or sequential operations, a single or multiple lasers or multiple types of lasers such as visible light lasers, infrared (IR) lasers, ultraviolet (UV) lasers can be used simultaneously or Often includes sequential use. However, in general in such a laser process, the general purpose of a laser system is to control and reliably direct, focus, and focus the energy of one or multiple laser beams to direct each beam to a target spot. Convergence or drawing an aperture region of the laser beam on the target surface.
しかしながら、従来技術の従来レーザーシステムに発生する多くの問題は、高信頼且つ制御可能な形でレーザービームを目標位置へ「位置決め」することに対して直接影響を及ぼす。第1の問題は、図1A及び1Bに示すように、「ビーム揺動」又は「位置決め不安定」として言及されることが多いが、レーザービーム12のビーム軸10が最適中心線14から偏差角θずれる径方向偏差であり、しばしば「ポンピングジッタ」とも称されるレーザービームのパルスエネルギー変動に関することが多い。位置決め不安定は、レーザー16自体の特性と「ポンピングジッタ」のようなレーザー16の通常作用の両方に本質的に内在するものである。
However, many problems that occur in prior art conventional laser systems directly affect the “positioning” of the laser beam to the target position in a reliable and controllable manner. The first problem is often referred to as “beam oscillation” or “positioning instability”, as shown in FIGS. 1A and 1B, but the
従来技術の第2の問題は、図2A及び2Bに示されるが、「熱ドリフト」と称されることが多いものであり、これもレーザービーム12のビーム軸10を最適中心線14から外れさせる原因となる。熱ドリフトは一般に、レーザーデューティサイクルの変化、動作中の加熱、レーザー16のパワーレベルの変化によるレーザー16のパラメータの変化に起因すると考えられる。注意すべきは、「位置決め不安定」がビーム軸10の最適中心線14からの角偏差を生じるのに対して、「熱ドリフト」は最適中心線14に対するビーム軸10の直線的な径方向ドリフトを生じることである。即ち、レーザービーム12のビーム軸10は、最適中心線14の軸に平行なまま、最適中心線14から径方向に離れるようにドリフトする。
A second problem of the prior art is shown in FIGS. 2A and 2B, often referred to as “thermal drift”, which also causes the
更に、従来技術の第3の問題は、「ホットスポット」つまりビーム分布形状の歪みを生じる、経時的なビームモード変化の問題である。ビームの分布形状が均一でない場合、あるいは、最適ガウス分布形状を持たない場合、分布形状の形状は実質上好適な「フラットトップ」分布形状に整形できず、マイクロマシニングやマイクロバイア穿孔など、レーザーシステムの行う加工の質に悪影響を及ぼすことになる。この問題は、勿論、位置決め不安定や熱ドリフトと更に組み合わされる。 Furthermore, the third problem of the prior art is the problem of beam mode changes over time, which results in “hot spots” or distortions of the beam distribution shape. If the beam distribution shape is not uniform or does not have an optimal Gaussian distribution shape, the shape of the distribution shape cannot be shaped into a substantially “flat top” distribution shape, and laser systems such as micromachining and microvia drilling Will adversely affect the quality of processing. This problem is of course further combined with positioning instability and thermal drift.
実際上、マイクロバイア穿孔などのマイクロマシニングに使用される全てのレーザーは位置決め不安定、熱ドリフト及び分布形状歪みを示すので、これらの問題を補正あるいは少なくとも制御しようとする多くの試みがなされている。例えば、従来技術のレーザーシステムは、能動制御されたサーボミラーを使用して「位置決め不安定」及び「熱ドリフト」の影響を補正しようと試みる。このサーボミラーは、レーザービームを再方向付けして「位置決め不安定」及び「熱ドリフト」を補正するように制御される。しかし、この種の方法は、位置決め不安定や熱的不安定性によるビームの実際の経路を検出し、当該ビームの目標最適経路と比較し、その目標経路にビームを向けるようにサーボミラーを制御する必要がある。このような方法は複雑で高価となるだけでなく、位置決め不安定や熱ドリフトの影響を検出して補正するのに固有の時間遅延があり、しかも、機械系公差及び制御系公差によってそれらの方法自体の誤差を持ち込んでしまうので、これらの問題に対する完全に満足のいく解決策を提供することはない。 In practice, all lasers used for micromachining, such as microvia drilling, exhibit positioning instability, thermal drift and distributed shape distortion, so many attempts have been made to correct or at least control these problems. . For example, prior art laser systems attempt to correct for the effects of “positioning instability” and “thermal drift” using actively controlled servo mirrors. The servo mirror is controlled to redirect the laser beam to correct “positioning instability” and “thermal drift”. However, this type of method detects the actual path of the beam due to positioning instability or thermal instability, compares it with the target optimal path of the beam, and controls the servo mirror to direct the beam to the target path. There is a need. Such methods are not only complex and expensive, but also have inherent time delays in detecting and correcting for effects of positioning instability and thermal drift, and these methods are subject to mechanical and control system tolerances. It introduces its own errors and does not provide a completely satisfactory solution to these problems.
これらの問題に対する従来技術の他の方策は、レーザービーム経路中に光学素子を用いて位置決め不安定及び熱ドリフトを補正し、マイクロバイア穿孔などのマイクロマシニングのためにビームを最適ガウス分布やフラットトップ分布形状に整形する。しかし、光学ビーム整形システムが悪く照明された場合、即ち、位置決め不安定や熱ドリフトやホットスポットの結果、ある入射角で照明されたり横方向にずれたビームで照明されたりする場合、光学ビーム整形素子はレーザービームを目標分布形状に整形できない。しかし、位置決め不安定と熱ドリフトは、元来、ビームをある入射角であるいはある横方向変位でビーム整形素子に到達させてしまい、その結果ビーム整形素子の照明状態が悪くなり、ビーム分布形状の適当な整形に問題を生じるということは明らかであろう。 Other prior art approaches to these problems are to use optical elements in the laser beam path to correct positioning instability and thermal drift, and to optimize the beam for micromachining such as microvia drilling and flat tops. Shape into a distribution shape. However, if the optical beam shaping system is poorly illuminated, that is, if it is illuminated at a certain angle of incidence or with a laterally offset beam as a result of positioning instability, thermal drift or hot spots, optical beam shaping. The element cannot shape the laser beam into the target distribution shape. However, positioning instability and thermal drift inherently cause the beam to reach the beam shaping element at a certain incident angle or a certain lateral displacement, resulting in a poor illumination condition of the beam shaping element and a beam distribution shape. It will be clear that there is a problem with proper shaping.
位置決め不安定及び熱ドリフトを補正あるいは補償するために光学素子を使用するのに伴って生じる基本的な問題は、ビーム整形素子としてホログラフィック光学素子(HOE)及び標準対称ホログラフィック光学素子(SSHOE)を使用する場合について図3A及び3Bに示される。図3Aは、例えば、ホログラフィック光学素子(HOE)の場合、特に標準対称ホログラフィック光学素子(SSHOE)18あるいは同等のレンズに関して、熱ドリフト効果による径方向の変位の結果を示す。SSHOE18は対称なので、HOE軸20に平行なビーム軸10Aに沿ってSSHOE18に入射するレーザービーム12Aは、ビーム軸10B上のレーザービーム12BとしてSSHOE18を出射する。なお、ビーム軸10Bはビーム軸10Aに同軸で、その直線延長である。より具体的には、HOE軸20に平行だが、HOE軸20から距離Dだけ半径方向に変位したビーム軸10Aに沿ってSSHOE18に入射するレーザービーム12Aは、ビーム軸10Bとして示す同じビーム軸10Aに沿ってSSHOE18を出射し、HOE軸20に対して距離Dだけ半径方向に変位したままとなる。このように、SSHOE18や同等の対称レンズは、入射レーザービーム12のビーム軸10をSSHOE18のHOE軸20に対して径方向に再方向付けすることはないので、熱ドリフト効果を補正あるいは制御することは不可能である。
The basic problems that arise with using optical elements to correct or compensate for positioning instability and thermal drift are holographic optical elements (HOE) and standard symmetric holographic optical elements (SSHOE) as beam shaping elements. Is shown in FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A shows the result of radial displacement due to the thermal drift effect, for example in the case of a holographic optical element (HOE), especially for a standard symmetric holographic optical element (SSHOE) 18 or equivalent lens. Since the
図3Bを参照すると、「位置決め不安定」の影響を受けたレーザービーム12Aは、HOE軸20に対して角偏差θを有するビーム軸10Aに沿ってSSHOE18の入射面22に入射することになる。即ち、レーザービーム12Aは、HOE軸20に対して平行にはならない。SSHOE18や同等の対称レンズの対称性のため、レーザービーム12Bは、レーザービーム12AがSSHOE18に入射したビーム軸10Aの延長であるビーム軸10Bに沿ってSSHOE18の出射面24を出射することになる。それ故、熱ドリフトの場合のように、従来のSSHOE18や同等な対称レンズは、位置決め不安定やその結果生じるビーム軸10の角偏差を補正あるいは制御することは不可能である。
Referring to FIG. 3B, the
しかしながら、ビームシフト素子への入力ビームにおける不安定性及びズレは、しばしば、マイクロバイア穿孔のためのマイクロマシニングシステムなどの典型的なビーム送出システムでは、当該システムのビーム整形光学系によって生じるレーザービームの歪みによって他の問題がなお生じうる。 However, instabilities and misalignments in the input beam to the beam shift element often result in laser beam distortion caused by the beam shaping optics of a typical beam delivery system, such as a micromachining system for microvia drilling. Other problems can still occur.
例えば、図8Aから8Dに示すような典型的なレーザービーム送出システムでは、レーザー12は通例、最適ガウスエネルギー分布形状を持つTEM00シングルモード・レーザービームを発生する傾向のある、ダイオード励起固体(DPSS)レーザー又はダイオード励起ファイバ(DPFL)レーザーからなる。図8Aから8Dに示すような典型的なシステムでは、ビーム整形光学系26は、最適ガウス分布形状12GPを持つ出力ビーム12Iをフラットトップ分布形状12FP、即ち、特にマイクロマシニング作業に有利な一様なエネルギー分布形状を持つ出力ビーム12Oに再整形するために使用され、典型的には、例えば、回折性又はホログラフィック・ビーム拡散器又は整形光学系からなる。
For example, in a typical laser beam delivery system as shown in FIGS. 8A through 8D, the
よく知られているように、レーザー12の発生する入力ビーム12Iは、励起ダイオード電流変化、調波水晶のズレ、パルス発信周波数や繰返し率の変化など、レーザー12のパラメータの変化に伴って、数ミクロンから数百ミクロンにわたる量で横方向にドリフトする傾向がある。ビーム整形光学系26の光学的中心線26CRに同軸な最適中心線14からの入力ビーム12Iのビーム軸10のこのような横方向ドリフトの典型的な結果が図8A、8B、8C及び8Dに概略図示されている。図8A及び8Bは、入力ビーム12Iのビーム軸10がビーム整形光学系26の光学的中心線26CRに同軸である状況を示し、図8Bは、入力ビーム12Iとその結果生じた出力ビーム12Oのエネルギー分布形状を重ね合わせて比較している。次に、図8C及び8Dは、入力ビーム12Iのビーム軸10がビーム整形光学系26の光学的中心線26CRに対して横方向にずれている状況を示し、図8Dもまた、入出力ビームのエネルギー分布形状を重ね合わせて比較している。
As is well known, the
しかしながら、図8Aから8Dに示すように、ビーム整形光学系26の軸に対する入力ビーム12Iの横方向の各々のズレ、即ち、図8A及び8Bの状況と図8C及び8Dの状況との各々のズレは、出力ビーム12Oにおいて不均一なエネルギー分布形状を生じる。図8C及び8Dに示すような典型的な状況では、例えば、入力ビーム12Iの横方向のズレ64Oは出力ビーム12Oのエネルギー分布形状における「ホットスポット」64Sと出力ビーム12Oのエネルギー分布形状における「不足」64Dのどちらか一方あるいは両方を生じることになる。図示のように、ホットスポット64Sは、目標よりも高いエネルギーレベルのエネルギー分布形状を持つ領域であり、不足64Dは目標よりも低いエネルギーレベルのエネルギー分布形状を持つ領域である。この点に関して注意すべきは、ホットスポット64Sは典型的にはエネルギー分布形状のうち入力ビーム12Iの横方向のズレ64Oの側に形成されるのに対して、不足64Dは通例エネルギー分布形状のうち横方向のズレ64Oとは反対側に生じるということである。
However, as shown in FIGS. 8A to 8D, the lateral misalignment of the
出力ビーム12Oのエネルギー分布形状におけるこのような歪みは、レーザーマイクロマシニングシステムなどのレーザービーム送出システムの性能を明白に低下させる。その結果、このようなビーム軸のズレはそれぞれ、出力ビーム12Oの目標フラットトップ分布形状12Fに復帰するためにはビーム送出システムの再調整を必要とする。システムの必要な再調整は、ビーム整形光学系26を入力ビーム12Iのビーム軸10の新たな位置へ再調整することと入力ビーム12Iのビーム軸10をビーム整形光学系26の光学的中心線26CRへ再調整することのどちらか一方又は両方によって行われる。どちらの再調整にも著しいシステム休止期間が必要となる。レーザービームの横方向ズレ毎にそのズレの原因に関わらずレーザービームシステム光学系又はレーザービームを再調整する必要があるということは、著しい問題となるということが理解されるであろう。というのも、典型的には、例えば、製造フロアに設置した工業用レーザーシステムの場合、1日に数回あるいは1交替に付き数回も再調整が必要となるからである。
Such distortion in the energy distribution shape of the output beam 12O will obviously degrade the performance of a laser beam delivery system, such as a laser micromachining system. As a result, each such misalignment of the beam axis requires readjustment of the beam delivery system to return to the target flat top distribution shape 12F of the
この点では、レーザービームにおける望ましからざる横方向ズレから生じる問題の幾つかに対処するために補償器及び再配置素子を含む非対称光学素子を用いる場合、このような非対称素子は通例ホログラフィック又は回折性光学素子からなるということにも注意せねばならない。このような光学素子は通例一定の特性を持つが、レーザービームの有り得る横方向ズレが一定でないのに拘わらず一定であるので、所与のシステムにおけるレーザービームの有り得る横方向ズレの全範囲に十分対処できるわけではない。 In this regard, when using asymmetric optical elements, including compensators and relocation elements, to address some of the problems arising from unwanted lateral misalignment in the laser beam, such asymmetric elements are typically holographic or It must also be noted that it consists of a diffractive optical element. Such optical elements typically have constant characteristics, but are constant regardless of the possible lateral misalignment of the laser beam, which is sufficient for the full range of possible lateral misalignment of the laser beam in a given system. It cannot be dealt with.
本発明は、従来技術の持つこれらの問題及び関連する問題に対する解決策を提供する。 The present invention provides a solution to these and related problems with the prior art.
本発明は、レーザービームを発生するレーザー及びレーザービームをビーム経路に沿って目標に対して方向付け、整形及び収束させるための複数の光学素子を有するレーザービーム送出システムにおいてレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するためのレーザービームの補償及び再配置のための補償器・再配置器及び方法を対象とする。 The present invention provides a laser positioning and thermal drift instability in a laser beam delivery system having a laser that generates a laser beam and a plurality of optical elements for directing, shaping, and converging the laser beam to a target along the beam path. The present invention is directed to a compensator / rearranger and method for laser beam compensation and relocation to control and correct for.
本発明によると、補償器・再配置器は、補償器素子と再配置器素子とを有する。補償器素子は、ある範囲の入力角と横方向変位を有する入力レーザービームを受光し、入力レーザービームの成分を均一分布平行成分を持つ整列済みレーザービームに再方向付けする。再配置器素子は、補償器素子からの整列済みレーザービームによって照明され、整列済みレーザービームの成分を、フラットトップレーザービームに再配置するのに最適な分布形状を持つ整形済みレーザービームに再配置する。 According to the invention, the compensator / relocator comprises a compensator element and a relocator element. The compensator element receives an input laser beam having a range of input angles and lateral displacements and redirects the components of the input laser beam to an aligned laser beam having a uniformly distributed parallel component. The relocator element is illuminated by the aligned laser beam from the compensator element and realigns the components of the aligned laser beam into a shaped laser beam with an optimal distribution shape to relocate to a flat top laser beam To do.
本発明の多様な実施例では、補償器素子は、全表面にわたって符号化されたコンピュータ発生ホログラミックレンズであっても良く、再配置器素子は、コンピュータ発生径方向対称回折光学素子(RSDOE)又はコンピュータ発生径方向非対称回折光学素子(NSDOE)であっても良い。 In various embodiments of the invention, the compensator element may be a computer-generated holographic lens encoded over the entire surface, and the relocator element may be a computer-generated radial symmetric diffractive optical element (RSDOE) or It may be a computer generated radial asymmetric diffractive optical element (NSDOE).
例えば、補償器素子は、基板と、基板の入力側に配置した視野レンズと、基板の出力側に配置した回折光学素子整形器と、視野レンズによって規定される開口とを有しても良い。また、補償器素子は、屈折レンズ素子で形成された補償器素子と、補償器素子の出力側に配置したコンピュータ発生ホログラフィック回折光学素子整形器とを有しても良い。この場合、屈折レンズが回折光学素子整形器の基板を形成し、整形器が開口を形成する。また別の実施例では、補償器素子は、基板と、基板の入力側に配置し、一体型視野レンズ素子及び整形器素子を形成する単一回折光学素子と、基板の出力側に形成した開口とを有しても良い。 For example, the compensator element may include a substrate, a field lens disposed on the input side of the substrate, a diffractive optical element shaper disposed on the output side of the substrate, and an aperture defined by the field lens. The compensator element may also include a compensator element formed of a refractive lens element and a computer-generated holographic diffractive optical element shaper disposed on the output side of the compensator element. In this case, the refractive lens forms the substrate of the diffractive optical element shaper, and the shaper forms the aperture. In another embodiment, the compensator element is disposed on the input side of the substrate, a single diffractive optical element that forms an integral field lens element and a shaper element, and an aperture formed on the output side of the substrate. You may have.
本発明の現在の好適な実施例では、整形器素子の配列済みレーザービーム出力は非円形ガウス分布形状を持ち、再配置器素子の整形済みレーザービーム出力は円形ガウス分布形状を持つ。 In the presently preferred embodiment of the present invention, the arrayed laser beam output of the shaper element has a non-circular Gaussian distribution shape, and the shaped laser beam output of the repositioner element has a circular Gaussian distribution shape.
また、本発明は、入力レーザービームのビーム軸が径方向及び大小に関して可変な横方向ズレを受けるシステムにおいて、入力レーザービームの入力エネルギー分布形状を出力レーザービームの目標出力エネルギー分布形状に変換するための径方向非対称ビーム形成素子を対象とする。 The present invention also provides a system for converting an input energy distribution shape of an input laser beam into a target output energy distribution shape of an output laser beam in a system in which the beam axis of the input laser beam undergoes a lateral deviation that is variable with respect to the radial direction and the size And a radially asymmetric beam forming element.
本発明のビーム形成素子は、入力エネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状に変換するための第1分布形状変換機能と、入力レーザービームの横方向ズレが導入された出力エネルギー分布形状における歪みを補正するように第1分布形状変換機能を修正するために第1分布形状変換機能に追加された分布形状補正変換機能とを有する分布形状変換機能を有する光学素子を有する。 The beam shaping element according to the present invention corrects distortion in the output energy distribution shape in which the first distribution shape conversion function for converting the input energy distribution shape to the target output energy distribution shape and the lateral deviation of the input laser beam are introduced. In order to correct the first distribution shape conversion function, an optical element having a distribution shape conversion function having a distribution shape correction conversion function added to the first distribution shape conversion function is provided.
現在の好適な一実施例では、径方向非対称ビーム形成素子の分布形状補正変換機能は、不足分布形状変換機能とホットスポット分布形状変換機能との少なくとも1つを有する。不足分布形状変換機能は、入力レーザービームの横方向ズレから生じるホットスポットに対応する位置で補償用不足エネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状に追加するために第1分布形状変換機能に追加される。ホットスポット分布形状変換機能は、同様に、入力レーザービームの横方向ズレから生じる不足に対応する位置で補償用ホットスポットエネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状に追加するために第1分布形状変換機能に追加される。 In a presently preferred embodiment, the distribution shape correction conversion function of the radial asymmetric beam forming element has at least one of an underdistribution shape conversion function and a hot spot distribution shape conversion function. The underdistribution shape conversion function is added to the first distribution shape conversion function in order to add the compensation underenergy distribution shape to the target output energy distribution shape at a position corresponding to a hot spot caused by the lateral deviation of the input laser beam. . Similarly, the hot spot distribution shape conversion function is a first distribution shape conversion function for adding the compensation hot spot energy distribution shape to the target output energy distribution shape at a position corresponding to the shortage caused by the lateral deviation of the input laser beam. To be added.
本発明によれば、更に、ビーム形成素子の光学軸は、入力レーザービームのビーム軸に対して平行に位置合わせされる一方で、入力レーザービームのビーム軸の最大期待横方向ズレに比例した距離だけ入力レーザービームのズレの無いビーム軸からずらされるので、入力レーザービームは光学素子の光学軸に対して平行且つズレた状態でビーム形成素子を通る。 Further in accordance with the present invention, the optical axis of the beam forming element is aligned parallel to the beam axis of the input laser beam while being proportional to the maximum expected lateral shift of the beam axis of the input laser beam. Therefore, the input laser beam passes through the beam forming element in a state of being parallel and shifted with respect to the optical axis of the optical element.
更に別の実施例では、ビーム形成素子は、入力レーザービームの現在の横方向ズレに対する分布形状変換機能の調整を可能にするために、光学素子の光学軸を中心にした分布形状変換機能の回転を可能にする回転マウントに支持される。 In yet another embodiment, the beam shaping element rotates the distribution shape transformation function about the optical axis of the optical element to allow adjustment of the distribution shape transformation function with respect to the current lateral deviation of the input laser beam. Supported by a rotating mount that allows.
ここで、例示によって添付図面を参照しながら本発明を説明する。 The present invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
〔第1の実施形態〕
以下、本発明の第1の実施形態について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described.
A. 概要
本発明によれば、図4及び図5Aから5Fに概略図示するように、熱ドリフトによる径方向変位と位置決め不安定による角偏差の一方又は両方は、図4に示すように非対称素子(NSE)26によって補正できる。図示のように、NSE26は、例えば、非対称ホログラム光学素子(NSHOE)や、非対称レンズや非対称屈折素子や非対称回折素子などの同等の光学素子である。図示のように、NSE26はSSHOE18や同等の対称素子とは違って、NSE26を横切るレーザービーム12のビーム軸10の経路は、NSE26をレーザービーム12が通過中に補正角φだけ屈折又は曲げられる。次に更に論じることになるが、NSE26の一実施例では、角φは入射ビーム軸10のNSE26の中心線軸28からの径方向変位Δの増加に従って増加する。NSE26の第2実施例では、補正角φはNSE26の平面に対する入射レーザービーム12のビーム軸10の入射角αの減少に従って増加する。
A. Overview In accordance with the present invention, as schematically illustrated in FIGS. 4 and 5A to 5F, one or both of radial displacement due to thermal drift and angular deviation due to positioning instability may occur as shown in FIG. ) 26 can be corrected. As illustrated, the
熱ドリフトによる径方向変位と位置決め不安定による角偏差の一方又は両方を補正するためのドリフト・偏差補正素子30の実施例は図5A、5B及び5Cに例示される。
Examples of the drift /
図5Aは、位置決め不安定によるレーザービーム12の角偏差を補正するためのドリフト・偏差補正素子30の一実施例を示す。図示のように、本例では、ドリフト・偏差補正素子30は、非対称ホログラム光学素子(NSHOE)や同等の非対称レンズなどの単一NSE26、26A、26B、26C、26D又は26Sからなる。
FIG. 5A shows an embodiment of the drift /
まず図5Aに示すような位置決め不安定による角偏差の幾何学的様相を考慮して、位置決め不安定から生じる角偏差を有するレーザービーム12を、一点、即ち、レーザー16から放射されたものと考えると、各レーザービーム12のビーム軸10は、ゆらぎの度合いによって決まる角偏差θで当該点から外側に向かって放射され、それはレーザービーム12がNSE26の平面に衝突するまで続く。図5Aに示す素子配置を考慮すると、ビーム軸10とNSE26Aの平面との入射角αは、角偏差θが増加するのに従ってある相互関係で減少することが分かる。また、NSE26Aの中心線軸28とビーム軸10がNSE26Aに入射する点との径方向変位Δは、角偏差θが増加するのに従って増加することが分かる。換言すれば、角偏差θは、NSE26Aに対する入射角αに逆比例すると共に、NSE26Aの中心線軸28からの径方向変位Δに比例する。
First, considering the geometrical aspect of angular deviation due to positioning instability as shown in FIG. 5A, the
位置決め不安定による角偏差の補正には、レーザービーム12のビーム軸10を適切な方法で方向付ける補正角φで再方向付けすること、即ち、曲げたり屈折したりすることが必要なことは明らかであろう。この点に関して、例えば、補正角φは、ビーム軸10がNSE26Aを出射するや否やHOE軸20と平行になるように構成しても良い。他の例では、補正角φは、第2NSE(図示せず)の入射面など、NSE26Aから所定距離だけ離れた選択点又は領域上にレーザービーム12を方向付けするように構成しても良い。
Obviously, correction of angular deviation due to instability of positioning requires reorientation, i.e. bending or refraction, of the
どちらの場合も、上述の角偏差幾何学の説明から分かるように、補正角φの大きさは、それ故、径方向変位Δの増加又は入射角αの減少に従って増加しなければならない。それ故、角補正NSE26Aの第1実施例では、例えばNSHOE又は同等の非対称レンズである角補正NSE26Aは、補正角φが角補正NSE26Aの中心軸からの径方向距離に比例して増加するように構成される。上述のように、それ故、ビーム軸10の角偏差θが大きくなればなるほど、ビーム軸10の角補正NSE26Aの中心軸からの径方向変位Δは大きくなり、補正角φも大きくなる。
In either case, as can be seen from the above description of the angular deviation geometry, the magnitude of the correction angle φ must therefore increase with increasing radial displacement Δ or decreasing incident angle α. Therefore, in the first embodiment of the
角補正NSE26Aの第2実施例では、角補正NSE26Aは、補正角φが入射角αの減少に従って、即ち、ビーム軸10の角偏差θの増加に従って増加するように構成される。しかしながら、角偏差θ、入射角α及び径方向変位Δの関係から、この2つの角補正NSE26Aの実施例は等価であることが分かる。
In the second embodiment of the
それ故、図5Aに示すように、ドリフト・偏差補正素子30の角補正NSE26Aは、角偏差θに比例した補正角φでレーザービーム12を曲げたり屈折させたりすることによって角偏差θを補正する。その結果、HOE軸20に対して平行でないビーム軸10を持つ如何なるレーザービーム12も補正角φで曲げられ、ビーム軸10はHOE軸20に平行となるか、又は、ビーム軸10は選択焦点又は領域に方向付けられる。
Therefore, as shown in FIG. 5A, the
角補正NSE26Aの動作の結果は図5Bに示される。図5Bは、最適中心線14を中心にした補正済みビーム12Cの有り得る分布を未補正ビーム12Uの有り得る分布と比較して示すレーザー16の端面図である。
The result of the operation of the
次に図5Cは、熱ドリフトによるレーザービーム12の径方向変位を補正するドリフト・偏差補正素子30の一実施例を示す。前述のように、熱ドリフトあるいは同様な径方向変位の原因は、ビーム軸10の目標最適中心線14からの角偏差ではなくて最適中心線14からの径方向変位を生じる。このため、径方向変位、即ち、熱ドリフトは、NSE26に対して約90°の入射角αを有するビーム軸10を生じ、径方向変位Δの補正は入射角αではなく径方向変位Δの関数となる。
Next, FIG. 5C shows an embodiment of the drift /
図示のように、本例では、ドリフト・偏差補正素子30は、変位補正NSE26Bとそれに続くコリメーティングNSE26Cとからなり、それぞれ、例えば非対称ホログラム光学素子又は同等の非対称レンズであって良い。
As illustrated, in this example, the drift /
本実施例では、上述のように、変位補正NSE26Bの補正角φは、変位補正NSE26Bの中心線軸28とレーザービーム12のビーム軸10が変位補正NSE26Bの平面に入射する点との径方向変位Δに比例して径方向に増加する。ドリフト補正NSE26Bの効果は、それ故、ビーム軸10の径方向変位Δに比例した補正角φ、即ち、レーザービーム12の熱ドリフトに比例した角で、レーザービーム12を屈折させたり曲げたりすることである。熱ドリフトから生じるレーザービーム12のビーム軸10の変位は径方向であり、レーザービーム12のビーム軸10はそれ故最適中心線14にほぼ平行となるので、ビーム軸10は通常変位補正NSE26Bの入射面に垂直となる。このように、変位補正NSE26Bの賦課する補正角φは、変位補正NSE26Bから一定距離にある点あるいは小領域上にビーム軸10を凝縮、即ち、方向付け又は集束させることになる。図5Cに図示するように、変位補正NSE26Bの焦点は、コリメーティングNSE26Cとして示されたドリフト・偏差補正素子30の第2素子の入射面上あるいはその付近にある。
In the present embodiment, as described above, the correction angle φ of the
コリメーティングNSE26Cは、幾つかの点で、角補正NSE26Aの逆変換に類似である。即ち、図示のように、レーザービーム12は、それぞれのビーム軸10が凡そコリメーティングNSE26CのHOE軸20に対して角α、即ち、角偏差θに類似の角となるように、補正NSE26BからコリメーティングNSE26Cに入射する。図示のように、コリメーティングNSE26Cは、レーザービーム出射コリメーティングNSE26Cのビーム軸が平行となるように、入射角αに逆比例する補正角φで各入射レーザービーム12を再方向付けしたり曲げたりする。
The collimating
変位補正NSE26Bとそれに続くコリメーティングNSE26Cからなるドリフト・偏差補正素子30は、それ故、まず各レーザービーム12の径方向変位を減少させるようにレーザービーム12を再方向付け、所定の距離にある所定の領域にレーザービーム12を集束又は方向付けし、その後ビーム軸10の相対角を目標最適中心線14に対して平行となるように補正することによって、熱ドリフトによる径方向変位を補正することができる。
The drift /
こうしたドリフト・偏差補正素子30の動作は図5Dに示される。図5Dは、最適中心線14を中心にした補正済みビーム12Cの有り得る分布を未補正ビーム12Uと比較して示す。
The operation of the drift /
次に図5Eに示された場合を考えると、位置決め不安定による角偏差と熱ドリフトによる径方向変位は別個に発生することは希で、両方の影響が所与の状況に現存する方が普通であるということが分かるであろう。このように、全てのレーザービーム12ではないにしても多くのレーザービーム12は、角偏差と径方向変位の両方を呈し、所与のレーザービーム12がNSE26Dに衝突するNSE26Dの中心線軸28からの径方向距離は、径方向変位又は角偏差、又は程度の差はあれ、その両方によるものであり得る。
Next, considering the case shown in FIG. 5E, the angular deviation due to positioning instability and the radial displacement due to thermal drift rarely occur separately, and it is more common for both effects to exist in a given situation. You will see that. Thus, many if not all
このように、2素子ドリフト・偏差補正素子30は、例えば、偏差補正NSE26Aとそれに続く変位補正NSE26Bとを用いて構成しても良い。それぞれ上述のように機能し、この組み合わせによって、まずレーザービーム12の角偏差を補正して、角偏差によって決まる補正角φによって平行ビーム軸10を持つ出力レーザービーム12に各レーザービーム12を再方向付けする。それ故、この第1段では、事実上、角偏差を径方向変位にそして径方向変位を角変位に変え、出力レーザービーム12は径方向変位のみを示すこととなる。その後の第2段で、最終的なレーザー出力ビーム12を提供するために、図5Cで論じたように径方向変位を補正することになる。
Thus, the two-element drift /
ドリフト・偏差補正素子30の他の実施例が図5Eに示される。これは、角補正NSE26Aと変位補正NSE26Bの両方の特性を単一の角・変位補正NSE26Dに組み合わせたものであり、例えば、NSHOEからなる。本例では、補正角φは、衝突レーザービーム12のHOE軸20からの径方向変位と角・変位補正NSE26Dへのレーザービーム12の入射角αの両方の関数となるので、単一角・変位補正NSE26Dは角補正NSE26Aと変位補正NSE26Bの両方の機能を実行する。
Another embodiment of the drift /
どちらの実施例でも、ドリフト・偏差補正素子30の出力はコリメーティングNSE26Cを通過して平行ビーム12となり、整形器素子26Sに通される。この点で、コリメーティングNSE26Cと整形器素子26Sの順番はどのように配置してもよく、これらの素子は、例えば、必要な機能を実行するNSHOEやHOEや非球面光学素子やその他の素子からなっても良いことが分かるであろう。
In either embodiment, the output of the drift /
図5Eに示す実施例の結果は、最適中心線14を中心にした補正済みビーム12Cの有り得る分布をドリフト未補正ビーム12UD及び角未補正ビーム12UAと比較して図5Fに示す。
The results of the embodiment shown in FIG. 5E are shown in FIG. 5F comparing the possible distribution of the corrected
B. 本発明の詳細な説明
レーザービームの角偏差及び径方向ドリフトを補正又は補償する本発明の一般的な方法と装置を説明してきたが、次に、上述の一般的な原理及び装置の現在の好適な実施例を説明する。
B. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Having described the general method and apparatus of the present invention for correcting or compensating for the angular and radial drift of a laser beam, the present invention will now be described with reference to the general principles and apparatus described above. Examples will be described.
図6A、6B及び6Cを参照すると、以後システム32として総称する典型的なシステム32A、32B及び32Cの実施例が示されている。それぞれのシステムは、本発明の補償器・再配置器34を有する。後述のように、補償器・再配置器34はある範囲の入力角及び横方向変位にわたって入力ビームを受け付け、補償器・再配置器34からの入力ビームを最終的な出力ビームに整形する後続の素子に最適な出力分布形状を持つ出力ビームを提供するように入力ビームの入力分布形状を「再配置」する。
Referring to FIGS. 6A, 6B, and 6C, an example of
図6A、6B及び6Cに示すように、システム32はレーザービームを発生するレーザー36を有する。発生したレーザービームは、一般にビーム38として同定され、ビーム経路40に沿って1つ以上の目標42に伝達される。注意すべきは、ある種のシステムでは、ビーム38は個々にあるいは一群単位で操縦可能な一群のビームレットに分割される場合もあるが、本発明の趣旨として、以降の説明ではビーム38として総称することである。図示のように、ビーム経路40は典型的には、ビーム経路40に沿ってビーム38を形成、集束及び整形するレンズ44L及びミラー44Mなどの多くの光学素子44を含む。
As shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, the
典型的なレーザーシステム32の光学素子44は、例えば、レーザー36の放射するビーム38を最初に整形、集束する複数のレンズ44Lの組立品であるアップテレスコープ組立品44LTを有する。アップテレスコープ組立品44LTの後段には補償器・再配置器34が続いても良い。補償器・再配置器34は、下記に詳述するが、整形済み分布形状38SPを持つ最終整形済みビーム38Sに再配置する後続の整形器46に最適なものとして選択される再配置済み分布形状38RPを持つ再配置済みビーム38Rに補償器・再配置器34への入力ビーム38Iを再配置する1つ以上の素子からなっても良い。マイクロバイア穿孔用のシステム32における現在好適な一実施例では、例えば、再配置済み分布形状38RPは円形ガウス分布形状であり、整形済み分布形状38SPは典型的には「フラットトップ」分布形状、即ち、ビーム38の直径にわたってほぼ均一なエネルギー分布を持つ分布形状となる。その後、後続の開口48がビーム38Sを更に整形、特にビーム38Sの横分布形状像を整形する。
The
最後に、図示のように、ビーム経路38は、ビーム30又はビームレット30Bを再方向付け操縦するための、固定ミラー44Mとガルバノ制御された可動ミラー44Mとを更に有し、典型的には、ビーム30又はビームレット30Bを最終的に整形、集束するためのFθレンズなどの最終レンズ44Lを有することになる。
Finally, as shown, the
C. 補償器・再配置器34
上述のように、本発明によれば、ビーム経路40は、入力分布形状38IPを持つ入力ビーム38Iを受け付け、最終的な分布形状に再配置する後続の整形器46に最適な再配置済み分布形状38RPを有する再配置済みビーム38Rを提供するように入力ビーム38Iの分布形状を「再配置」する。本発明の現在の好適な一実施例では、補償器・再配置器34は補償器34C素子を有し、その補償器34C素子は、典型的にはある範囲の入力角及び横方向変位を持つビーム又はビーム成分を有する入力ビーム38Iを受け付け、本質上均一に分布されて平行であり、例えば、後続の再配置器34R素子を均一に照明する非円形分布形状を持つビーム成分を有する整列済みビーム38Aを発生する。その後、再配置器34Rは出力された整列済みビーム38Aを円形ガウス分布形状などの最適再配置済み分布形状38RPを持つ再配置済みビーム38Rに再配置する。再配置済みビーム38Rはその後、整形器46によって、例えばフラットトップ分布形状を持つ整形済みビーム38Sに再配置されても良い。
C. Compensator /
As described above, according to the present invention, the
D. 補償器34C
補償器・再配置器34の現在の好適な一実施例では、補償器34C素子は、コンピュータ発生ホログラム素子、つまり、「CGH」であり、異なる入力角且つ異なる横方向変位で入力ビーム38Iによって照明可能であり、再配置器34Rを照明する均一分布で平行な整列済みビーム38Aに入力ビーム38Iを形成する。現在の実施例では、例えば、補償器34Cへの入力ビーム38Iは本質上如何なる分布形状を持ってもよく、整列済み分布形状38APは、例えば、非円形分布形状でよい。
In a presently preferred embodiment of the compensator and
本発明の現在の好適な一実施例では、補償器34Cは、その全表面にわたって符号化されたホログラフィックレンズとして実現される。補償器34Cの符号化面又はその如何なる部分も、それ故、入力ビーム38Iを整列済みビーム38Aに再配置するのに必要な全ての情報を有するので、補償器34Cは、補償器34Cの表面の何処が入力ビーム38Iによって照明されているかに拘わらず入力ビーム38Iを再配置することになる。しかし注意すべきことは、後述するように、補償器34Cは他の形式で実現しても良いということである。
In one presently preferred embodiment of the invention,
図5A〜5Fを参照して上述した補償器34Cの実現及び動作を詳細に考えると、熱ドリフトによる径方向変位と位置決め不安定による角偏差の一方又は両方は、非対称素子(NSE)26を具体化、実現する補償器34Cによって補正できる。上述のように、NSE26は、例えば、非対称ホログラム光学素子(NSHOE)、即ち、ある種のCGH素子、又は、非対称レンズや非対称屈折素子や非対称回折素子などの同等の光学素子である。上述のように、NSE26はSSHOE18や同等の対称素子とは異なり、NSE26を横切るレーザービーム12のビーム軸10の経路は、レーザービーム12がNSE26を通過する間に補正角φで屈折されたり曲げられたりする。例えば、上述のように、NSE26の一実施例では、角φは、入射ビーム軸10のNSE26の中心線軸28からの径方向変位Δの増加に従って増加する。NSE26の別の実施例では、補正角φは、NSE26の平面に対する入射レーザービーム12のビーム軸10の入射角αの減少に従って増加する。
Considering in detail the implementation and operation of the
ここで図7A、7B、7C及び7Dを参照すると、横方向ドリフト及び角誤差の補正及び補償を実行する単一又は複数の補償器34C素子の現在の好適な代替実施例が示される。当業者には分かることであるが、単一又は複数の補償器34C素子は、単一及び複数のNSE26による様々な形式に関して本明細書において上述した原理、構造及び素子を用いて実現することができる。単一又は複数の補償器34C素子は、例えば、多機能屈折光学素子(MFDOE)、集積多機能屈折光学素子(IMFDOE)、多機能ホログラフィック光学素子(MFCGH)、多機能フレネルプリズム(MFFZP)、他のCGH、目標機能を実施可能な光学組立品として具体化できる。
Referring now to FIGS. 7A, 7B, 7C and 7D, a presently preferred alternative embodiment of a single or
例えば、図7Aに示す補償器34Cは、入力側50Iに視野レンズ52を、出力側50OにDOE整形器54を備えた基板50からなり、視野レンズ52とDOE整形器54はホログラフィック光学素子からなり、また、視野レンズ52は開口56を規定する。視野レンズ52とDOE整形器54は、典型的には、上述のように、横方向ドリフト及び角誤差の補正及び補償を実行するように構成されたCGH素子であり、開口56は補償器34Cを通過するビームを整形し、入力ビーム30Iのうち、視野レンズ52とDOE整形器54の範囲外にある部分を阻止する。
For example, the
次に図7Bは開口56を有する補償器34Cを示すが、DOE整形器54は、視野レンズ52を構成する屈折レンズ素子の出力面上のCGH素子として実現される。図示のように、本実施例は、視野レンズ52を構成する屈折レンズが基板として機能するので、別個の基板50を必要としない。
Next, FIG. 7B shows a
図7Cは基板50を用いる補償器34Cの一実施例を示し、視野レンズ52と整形器54は、基板50の入力側50Iに搭載した単一化合物又は複合体のホログラフィックDOEレンズ素子に統合される。また、本実施例は、基板50の出力側50Oに形成した開口60を有する。
FIG. 7C shows one embodiment of a
最後に図7Dは補償器34Cの一実施例を示し、視野レンズ52と整形器54は、ここでも、基板50の入力側50Iに搭載した単一化合物又は複合体のホログラフィックDOEレンズ素子に統合される。ただし、本例では、開口56は、入力側50Iで視野レンズ52・整形器54素子を取り囲むDOE偏向開口によって形成される。当業者には分かることであるが、偏向開口は機能上は開口であるが、入力ビーム30Iのうち、視野レンズ52・整形器54素子の範囲外にある部分は偏向除外する。
Finally, FIG. 7D shows one embodiment of
E. 再配置器34R
ここで図7Eを参照すると、補償器34Cと連係して補償器・再配置器34で使用可能な再配置器34Rの一実施例が示されている。
Referring now to FIG. 7E, there is shown one embodiment of a
上述のように、補償器34Cは入力ビーム38Iによって照明されるが、入力ビーム38Iの成分は異なる入力角と異なる横方向変位を有しているので、再配置器34Rを照明する均一分布で平行な配列済みビーム38Aに当該入力ビーム38Iを形成することになる。例えば、配列済みビーム38Aが非円形ガウス分布形状を持つならば、再配置器34Rは配列済みビーム38Aを、例えば円形ガウス分布形状である分布形状38RPとして示された最適分布形状を持つ再配置済みビーム38Rに再配置する。再配置済みビーム38Rはその後、整形器46によって、フラットトップ分布形状などの整形済み分布形状38SPを持つ整形済みビーム38Sに再配置される。
As described above,
現在の好適な一実施例では、再配置器34Rは、均一分布で平行な配列済みビーム38Aを補償器34Cから受け付け、非円形ガウス分布形状を持っても良い配列済みビーム38Aの分布形状を平行化、収束及び再配置して、円形ガウス分布形状などの整形器46にとっての目標分布形状を持つ再配置済みビーム38Rを形成する径方向対称屈折光学素子(RSDOE)又は非対称屈折光学素子(NSDOE)として実現されるCGHである。
In one presently preferred embodiment, the
本発明の補償器・再配置器34の素子構成のうちの幾つかは既に論じてきたが、補償器・再配置器34が多くの方法で配置した多くの素子から構成可能であることは上述説明から分かるであろう。しかし、現在好適な補償器・再配置器34の構成は、DOE素子とそれに続くCGH素子を持つ2素子設計である。この2素子構成では、2素子の光学系間の間隔は最適距離を50mmとする凡そ50mmから1500mmであり、補償器・再配置器34の最適正味開口は凡そ0.4mmから25mmである。
Although some of the element configurations of the compensator /
最後に、本発明の上述光学素子は市販のものであり、例えば、アラバマ州ハンツビルのMEMSオプティカル、フィンランドのヘプタゴン、スイス・ヌーシャテルのSUSSマイクロオプティックス、又は、ノースカロライナ州シャーロットのデジタルオプティックス社から入手可能又はそれらによって製造可能である。 Finally, the optical elements of the present invention are commercially available, for example, obtained from MEMS Optical, Huntsville, Alabama, Heptagon, Finland, SUSS Microoptics, Neuchatel, Switzerland, or Digital Optics, Charlotte, North Carolina. Possible or manufacturable by them.
上述の発明には、本明細書に含まれた発明の精神及び範囲から逸脱することなく変更を加えられるので、上述の説明や付属図面で示した材料の全ては、本明細書において発明概念を説明する単なる例として解釈されるべきものであり、発明を制限するものとして解釈されるべきではない。 Since the invention described above can be modified without departing from the spirit and scope of the invention contained herein, all of the materials shown in the above description and accompanying drawings are subject to the inventive concept herein. It should be construed as merely illustrative, and not as limiting the invention.
〔第2の実施形態〕
以下、本発明の第2の実施形態について説明する。なお、前記第1の実施形態と図1ないし図7についての説明は重複する部分が多いので、説明は適宜省略し、本実施形態に係る部分について主に説明する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. Since the description of the first embodiment and FIGS. 1 to 7 has many overlapping portions, the description will be omitted as appropriate, and the portions according to the present embodiment will be mainly described.
従来技術の上述の問題に対処するため、
1)熱ドリフトによる径方向変位と位置決め不安定による角偏差のどちらか一方あるいは両方を非対称素子によって補正する。
2)補償器及び再配置非対称素子の形で径方向(横方向)変位及び位置決め不安定を補正する。
3)横方向(径方向)にドリフトしたレーザービームを再位置合わせし、ビーム整形素子の出力ビームのエネルギー分布形状から「ホットスポット」を除去し、ビーム整形素子の出力ビームの目標エネルギー分布形状を回復する。
などの方法があり、この方法を実施するための装置や素子がある。この内、1)及び2)は第1の実施形態において図1ないし図7を参照して説明した通りであるので、説明は省略する。
To address the above-mentioned problems of the prior art,
1) Either one or both of the radial displacement due to thermal drift and the angular deviation due to unstable positioning are corrected by an asymmetric element.
2) Correct radial (lateral) displacement and positioning instability in the form of compensators and repositioned asymmetric elements.
3) Realign the laser beam drifted in the lateral direction (radial direction), remove the “hot spots” from the energy distribution shape of the output beam of the beam shaping element, and change the target energy distribution shape of the output beam of the beam shaping element. Recover.
And there are devices and elements for carrying out this method. Among these, 1) and 2) are the same as those described in the first embodiment with reference to FIGS.
そこで、以下、前記3)に対応する実施形態、すなわち、横方向ズレ歪みを補正するための径方向非対称回折及びホログラフィックビーム形成光学素子によるビーム整形について説明する。 Therefore, an embodiment corresponding to the above 3), that is, radial asymmetric diffraction for correcting lateral misalignment and beam shaping by a holographic beam forming optical element will be described.
例えば、最適ガウス分布形状12GPを持つ入力ビーム12Iをフラットトップ分布形状12FPを持つ出力ビーム12Oに再整形するためにビーム整形光学系が通常用いられることは前記第1の実施形態において既に述べた。しかし、多くの理由で、ビーム整形光学系へのレーザービーム入力は横方向ズレ、即ち、ビーム整形光学系の光学的中心線に対する径方向のズレを受ける可能性があることも既に述べた。上述のように、入力ビームにおけるこのような横方向ズレは、出力ビーム12Oのエネルギー分布形状に望ましからざる「ホットスポット」や「不足」を生じ得る。
For example, the beam shaping optical system is usually used to reshape the
また、これも本明細書において上述したことであるが、非対称光学素子を用いて、熱ドリフトによるレーザービームの径方向変位及び位置決め不安定によるレーザービームの角偏差を補正しても良い。また、補償器及び再配置素子を用いて、ビーム整形素子などの後続素子に最適な出力分布形状を持つ出力ビームを提供できるよう入力ビームのエネルギー分布形状を「再配置」しても良い。これらの方法を用いてビーム整形光学系へのレーザービームの横方向ズレから生じる問題に対処して、レーザービームを必要に応じて再方向付けあるいは再整形しても良いが、これらの方法は全ての場合に利用可能なものあるいは好ましいものとは限らない。例えば、別途光学素子を使用することはシステムのコストや複雑性の一方あるいは両方を容認出来ないあるいは不経済なレベルにまで高めるかも知れず、あるいは、システムのエネルギー変換効率を容認できないほど低下させるかも知れない。 In addition, as described above in this specification, an asymmetric optical element may be used to correct the radial displacement of the laser beam due to thermal drift and the angular deviation of the laser beam due to unstable positioning. Further, the energy distribution shape of the input beam may be “rearranged” by using a compensator and a rearrangement element so that an output beam having an optimum output distribution shape can be provided to subsequent elements such as a beam shaping element. These methods may be used to address issues arising from lateral misalignment of the laser beam into the beam shaping optics, and the laser beam may be redirected or reshaped as necessary, but all of these methods In this case, it is not necessarily usable or preferable. For example, using separate optics may increase the cost and / or complexity of the system to an unacceptable or uneconomical level, or unacceptably reduce the energy conversion efficiency of the system. I don't know.
また、補償器及び再配置素子を含むこのような非対称光学素子は典型的にはホログラフィック又は回折光学素子からなるが、通常一定特性を持っている。しかし、レーザービームの横方向ズレは一定ではなく、相対的に広範囲な方向及び量にわたって変化するので、ホログラフィック及び回折光学素子では、所与のシステムにおけるレーザービームの有り得る横方向ズレの全範囲に対して十分には対処できない恐れがある。 Also, such asymmetric optical elements, including compensators and relocation elements, typically consist of holographic or diffractive optical elements, but usually have certain characteristics. However, since the lateral misalignment of the laser beam is not constant and varies over a relatively wide range of directions and quantities, holographic and diffractive optics provide the full range of possible lateral misalignment of the laser beam in a given system. There is a risk that it will not be able to cope with it.
本発明のこの様相によれば、それ故、ビーム整形光学素子への入力ビームの横方向ズレから生じる問題を、好適には、また、多くの場合において、別途光学素子を必要とすることなく解決しなければならない。また、これらの問題に対する解決策は、好適には、一定特性を持つホログラフィック又は回折光学素子などの固定光学素子によって提供されなければならない。固定光学素子は可変素子よりもコストが低く、複雑さも低いからである。本解決策は、しかしながら、入力ビームの実際の横方向ズレに対して固定光学素子を即座に調整あるいは適応させることができなければならない。実際の横方向ズレは、方向及び量の双方に関して相対的に広範囲にわたって発生する可能性がある。 According to this aspect of the present invention, therefore, the problem arising from the lateral misalignment of the input beam to the beam shaping optical element is preferably solved, and in many cases without the need for a separate optical element. Must. Also, a solution to these problems should preferably be provided by fixed optical elements such as holographic or diffractive optical elements with constant characteristics. This is because fixed optical elements are less expensive and less complex than variable elements. This solution, however, must be able to quickly adjust or adapt the fixed optics to the actual lateral deviation of the input beam. Actual lateral misalignment can occur over a relatively wide range in both direction and quantity.
図9A及び9Bは、ガウス分布形状12GPを持つ入力ビーム12Iをフラットトップ分布形状12FPを持つ出力ビーム12Oに再整形するためのビーム整形変換機能62Tを有する非対称ビーム形成光学素子62を示す。このとき、入力ビーム12Iのビーム軸10はビーム整形光学素子62の光学軸に対して横方向ズレ64を有する。
9A and 9B show an asymmetric beamforming
図9A及び9Bに概略図示するように、ビーム形成変換機能62Tとして非対称ビーム形成光学素子62に実現されるエネルギー分布形状変換機能は、入力ガウス分布形状12GPを非対称分布形状12NPに変換するように設計される。後述するように、非対称分布形状12NPと対応ビーム形成変換機能62Tは、入力ビームの横方向ズレによって導入されたビーム形成歪みの予想範囲を補償するように設計される。この点及び次の説明の点では、ビーム形成変換機能62Tは、入力ビーム12Iのガウス分布形状12GP、入力ビーム12Iの横方向ズレの予想範囲、及び、出力ビーム12Oに目標フラットトップ分布形状12FPを生ずるのに必要な非対称分布形状12NPによって決定され、それらの関数となる。
As schematically illustrated in FIGS. 9A and 9B, the energy distribution shape conversion function implemented in the asymmetric beam forming
ビーム形成変換機能62Tによって実行される変換機能は、図9A及び9Bを参照して、また、ガウス分布形状12GPと非対称ビーム形成光学素子62の好学中心線62Cを中心とするビーム軸10とを有する入力ビーム12Iの照明によってビーム形成変換機能62Tから生じる非対称分布形状12Nを考慮して説明しても良い。入力ビーム12Iから非対称分布形状12NPを持つ出力ビーム12Oを発生するビーム形成変換機能62Tは、非対称分布形状12NPが非対称ビーム形成光学素子62に対する入力ビーム12Iの横方向ズレによって生じる歪みを補償する特徴を有するように設計される。
The transformation function performed by the
図9A及び9Bに示すような代表的な場合には、非対称分布形状12NPは事実上、重畳された補償分布形状12CPを有するフラットトップ分布形状12FPからなり、補償分布形状12CPの具体的な形は、入力ビーム12Iのドリフトによって出力ビーム12Oの分布形状に導入される具体的な歪みによって決まる。典型的な例では、例えば、補償分布形状12CPは、重畳された非対称ホットスポット分布形状12HPと重畳された非対称不足分布形状12DPの一方又は両方を有し、入力ビームの横方向ズレによって導入される予想歪みによって決まる。
In a typical case as shown in FIGS. 9A and 9B, the asymmetric distribution shape 12NP is substantially composed of a flat top distribution shape 12FP having a superimposed compensation distribution shape 12CP, and the specific shape of the compensation distribution shape 12CP is , Depending on the specific distortion introduced into the distribution shape of the
典型的な補償分布形状12CPの成分を個々に考えると、非対称不足分布形状12DPは、入力ビーム12Iのズレのために出力ビーム12Oのエネルギー分布形状に生ずるホットスポット64Hを少なくとも意味ある程度まで補償あるいは相殺するように設計される。図示のように、非対称不足分布形状12DPは、典型的には、潜在的なホットスポット64H上にほぼ重畳されるように、変換半径62Rに沿って且つ非対称フラットトップ分布形状12NPのフラットトップ分布形状12FP成分の外周縁に対してビーム形成光学素子62の光学的中心線62Cからズレている。非対称不足分布形状12DPは、典型的には、非対称フラットトップ分布形状12NPの全周に沿って延伸せず、ホットスポット64Hを包含すると期待される部分にのみ沿って延伸する。また、注意すべきことは、変換半径62Rは、典型的には、入力ビーム12Iのビーム軸10が非対称ビーム形成光学素子62の光学的中心線62Cに対してずれる径方向あるいは横方向に延伸することである。というのも、この方向には、ホットスポット64Hが通常発生することになるからである。
Considering the components of the typical compensation distribution shape 12CP individually, the asymmetric underdistribution shape 12DP compensates or cancels at least to some extent the
次に、非対称ホットスポット分布形状12HPは、入力ビーム12Iのズレのために出力ビーム12Oのエネルギー分布形状に生ずる不足64Dを少なくとも意味ある程度まで補償あるいは相殺するように構成される。非対称ホットスポット分布形状12HPは、典型的には、変換半径62Rに沿って且つ非対称フラットトップ分布形状12NPのフラットトップ分布形状12FP成分の外周縁に向かって非対称ビーム形成光学素子62の光学的中心線62Cからずれている。非対称ホットスポット分布形状12HPもまた、典型的には、非対称フラットトップ分布形状12NPの全周に沿って延伸せず、不足64Dを包含すると期待される部分にのみ沿って延伸する。しかし、この場合に注意すべきことは、変換半径62Rは、典型的には、入力ビーム12Iのビーム軸10が非対称ビーム形成光学素子62の光学的中心線62Cに対してずれる径方向あるいは横方向とは反対方向、即ち、非対称不足分布形状12DPとは凡そ逆方向に延伸することである。というのも、この方向には、不足64Dが通常発生することになるからである。
Next, the asymmetric hot spot distribution shape 12HP is configured to compensate or cancel the
ビーム形成変換機能62Tを簡単に考察すると、上述のように、ビーム形成変換機能62Tは、入力ビーム12Iのエネルギー分布形状、出力ビーム12Oのエネルギー分布形状、及び、入力ビーム12Iの予想横方向ズレから生じると期待される歪みを補償あるいは補正するのに必要な補償分布形状12CPによって決定される。本例では、それ故、非対称分布形状12NPに対応させる場合には、ビーム形成変換機能62Tは、ホットスポット変換機能62TH及び不足変換機能62TDの一方あるいは両方からなる追加補償変換機能62CTを備えたフラットトップ変換機能62TFからなる。
Considering briefly the beam forming
非対称ビーム形成光学素子62の動作は、非対称ビーム形成光学素子62の光学的中心線62Cに対してずれたビーム軸10を持つ入力ビーム12Iによって非対称ビーム形成光学素子62が照明される場合に発生する出力ビーム12Oのエネルギー分布形状と、ずれていないビーム軸10を持つ入力ビーム12Iによって照明される場合に発生する出力ビーム12Oのエネルギー分布形状とを考慮して説明できる。入力ビーム12Iが非対称ビーム形成光学素子62に対してずれていない場合、生じる出力ビーム12Oは、従って、具体的なビーム形成変換機能62Tによって決まる、追加非対称ホットスポット分布形状12HP及非対称不足分布形状12Dの一方又は両方を備えたフラットトップ分布形状12FPからなる非対称分布形状12NPを持つことになる。しかし、注意しなければならないことは、入力ビーム12Iが横方向にずれていない場合、エネルギー分布形状の歪みは存在しないかも知れないので、ビーム形成変換機能62Tが存在しない歪みを補正しようとして出力ビーム12Oのエネルギー分布形状に歪みを持ち込むかも知れないということである。この考察は以下において更に論じることとする。
The operation of the asymmetric beam forming
しかし、ビーム形成光学素子62がビーム形成光学素子62の光学的中心線62Cからずれた入力ビーム12Iによって照明される場合、生じる出力ビーム12Oはフラットトップ分布形状12Fを持つことになる。このような結果の生じる理由は、ビーム形成変換機能62Tの補償変換機能62CT成分がホットスポット62H及び不足64Dなどの歪みを出力ビーム12Oのエネルギー分布形状に導入して入力ビーム12Iの横方向ズレから生じる歪みを補償あるいは相殺するからである。
However, if the beam-forming
次に、本発明の更なる様相を考察すると、入力ビーム12Iのビーム軸10の横方向ズレ64はシステムを通るビームのズレのない経路に対して、即ち、非対称ビーム形成光学素子62の光学的中心線62Cに対して方向及び大きさにおいて大きく変化する可能性があることは本明細書において上述した。しかし、ビーム形成変換機能62Tは非対称なので、入出力ビームのエネルギー波形に与えるビーム形成変換機能62Tの影響は、ビーム形成変換機能62Tに対する横方向ズレ64の大きさだけでなく径方向にも左右されることになる。
Considering now a further aspect of the present invention, the
別の言い方では、出力エネルギー分布形状におけるホットスポット及び不足の周方向位置は入力ビームの横方向ズレの径方向によって決まると述べた。このように、出力ビームエネルギー分布形状におけるホットスポット及び不足の位置は、横方向ズレの径方向に比例する出力ビームの軸を中心に回転するように見えることになる。ビーム形成変換機能62Tは非対称なので、ビーム形成変換機能62Tの回転位置が一定ならば、横方向ズレの径方向における変動は、生じるホットスポットや不足のビーム形成変換機能62Tの回転位置に対する回転方向のズレや変化として現れることになる。ビーム形成変換機能62Tと横方向ズレの回転方向の不整合は、ビーム形成変換機能62Tによるホットスポット及び不足の未補正、及び、ビーム形成変換機能62Tによる更なるホットスポットや不足の導入さえ生じる可能性がある。
In other words, the hot spot and the insufficient circumferential position in the output energy distribution shape are determined by the radial direction of the lateral deviation of the input beam. Thus, hot spots and deficient positions in the output beam energy distribution shape will appear to rotate around the axis of the output beam that is proportional to the radial direction of lateral misalignment. Since the beam forming
また、上述したように、入力ビーム12Iが非対称ビーム形成光学素子62の軸に合致している場合、即ち、入力ビームに横方向ズレがない場合、ビーム形成変換機能62Tは、実際には、横方向ズレの欠如のために現実には存在しない不足やホットスポットを補正しようとしてホットスポットや不足を導入してしまい、除去しようとしている歪みを導入してしまう可能性がある。
In addition, as described above, when the
非対称ビーム形成光学素子62は、それ故、入力ビームの横方向ズレの方向及び大きさにおける変動に適応して、出力ビームにおける歪みを補正しないで導入してしまう非対称ビーム形成光学素子62で入力ビームを位置合わせすることを避けるように設計されなければならない。
The asymmetric beam forming
また、非対称ビーム形成光学素子62は、好適には、複雑性やコストを低下させるために、回折又はホログラフィックビーム拡散器あるいは整形光学系などの固定光学素子から構成される。しかし、その結果、所与の非対称ビーム形成光学素子62は、相対的に小さな範囲の横方向ズレの大きさや角度でしか補償効果を提供しないかも知れない。
The asymmetric beam forming
これらの問題は、しかし、非対称ビーム形成光学素子62の設計によって対処可能である。例えば、まず、横方向ズレが存在しない状態を含む横方向ズレの大小における変動を考えると、現在の好適な一実施例では、非対称ビーム形成光学素子62はオフセットマウント68によって支持される。図9Cに示すように、オフセットマウント68は、非対称ビーム形成光学素子62、即ち、ビーム形成変換機能62Tの光学的中心線64Cが公称ビーム軸10に平行となるが、公称ビーム軸に対してオフセット70だけずれるように非対称ビーム形成光学素子62を支持する。また、入力ビーム12Iの期待される最大横方向ズレ64にほぼ等しくあるいはそれよりも若干大きくオフセット70を選択して、光学的中心線64Cに対して最大横方向ズレ64の場合でもビーム軸10が光学的中心線64Cに一致しないようにする。
These problems can, however, be addressed by the design of the
また、ビーム形成変換機能62Tは、好適には、横方向ズレ64の期待される方向及び期待される大きさに十分適合できる「幅」や「直径」を持つように設計される。別の言い方をすれば、ビーム形成変換機能62Tは、最大期待横方向ズレ64に等しい半径あるいはそれよりも若干大きな半径を有し、そのため最大期待横方向ズレ64に適合するのに必要な幅を提供できるように設計される。
Also, the
オフセットマウント68によってビーム形成変換機能62Tのオフセットを与えるので、入力ビーム12Iは常にビーム形成変換機能62Tの光学的中心線64Cと外径との間でビーム形成変換機能62Tを通過することになる。この結果、最大横方向ズレ64の場合でも横方向ズレ64の方向に関わらず入力ビーム12Iがビーム形成変換機能62Tを通過することを保証する。また、オフセット70は入力ビーム12Iの最大横方向ズレ64よりも大きいので、入力ビーム12Iが光学的中心線64Cに一致することはなく、補正すべき歪みが無いためにビーム形成変換機能62Tによって不本意な歪みを導入してしまうことを回避できる。
Since the offset
最後にこの点に関して注意すべきことは、入力ビーム12Iの横方向ズレ64の歪み効果は、典型的には、横方向ズレ64の大小に従って増加することである。しかし、その代わりに、補償変換機能62CTの成分素子、例えば、ホットスポット変換機能62TH及び不足変換機能62TDの一方あるいは両方の効果も同様に横方向ズレ64の増加と共に増加するように設計されるので、補償変換機能62CTの補正効果は横方向ズレの大小に追随する。
Finally, it should be noted about this point that the distortion effect of the
本発明の上述の様相の結果、ビーム形成変換機能62Tの軸に対する入力ビームのズレの大小における変動の影響は自己補償する傾向を持つことになる。即ち、ズレの大小における減少や増加は、入力ビームをホットスポット変換機能62TH及び不足変換機能62TDの一方あるいは両方に沿って径方向内側あるいは外側に移動させて、ズレ補償効果を減少あるいは増加させる。このように、ビーム形成変換機能62Tが最大期待ズレの大きさに適合できる限り、大抵の場合には、更なる複雑性無しにズレの大小に十分適合できることになる。しかし、注意すべきことは、ビーム形成変換機能62Tは過大なズレに適合するように設計しない方が概して好ましいということである。というのも、そのような設計は、より小さなズレ範囲における変換機能とズレとの「適合」を低下させるからである。
As a result of the above aspects of the present invention, the effect of variations in the magnitude of the input beam deviation relative to the axis of the
次に、入力ビームの横方向ズレの径方向における変動の影響を考えると、このような横方向のズレの径方向における変動は、ビーム形成変換機能62Tの回転方向位置に対して出力エネルギー分布形状に現れる歪みの回転方向の見かけ上のズレ又はオフセットとして現れることは本明細書において既に上述した。例えば、変換機能の非対称ホットスポット分布形状12HP及び非対称不足分布形状12HD成分の周方向「傾斜」は相対的に「急峻」なので、相対的に小さな回転方向のズレが大きな影響を持つ可能性がある。このことは、例えば、ホットスポット変換機能62TH及び不足変換機能62TDの両成分が存在する場合や、変換機能が回転方向に非対称である場合には特に懸念される。
Next, considering the influence of fluctuation in the radial direction of the lateral deviation of the input beam, the fluctuation in the radial direction of such lateral deviation is caused by the output energy distribution shape with respect to the rotational direction position of the beam forming
本発明によれば、入力ビームの横方向ズレのために出力分布形状に現れる歪みとビーム形成変換機能62Tの回転方向位置のために出力分布形状に現れる歪みの間のこのような見かけ上の回転方向ズレの影響は、好適には、光学的中心線64Cを中心にビーム形成変換機能62Tを回転させることによって調節される。本発明によれば、それ故、図9Dに示すように、非対称ビーム形成光学素子62は回転ベアリング72によってオフセットマウント68に支持される。回転ベアリング72によって、非対称ビーム形成光学素子62は、横方向にずれた入力ビーム12Iとビーム形成変換機能62Tとの最適な回転方向の位置関係を達成すべく、ビーム形成変換機能62Tの光学的中心線64Cを中心に回転可能とされる。
According to the present invention, such an apparent rotation between the distortion appearing in the output distribution shape due to the lateral deviation of the input beam and the distortion appearing in the output distribution shape due to the rotational direction position of the
この点で注意しなければならないのは、ビーム形成変換機能62Tの非対称とビーム形成変換機能62Tの適当な整形によって、通例、ビーム形成変換機能62Tは横方向ズレ64の径方向における変動だけでなく横方向ズレ64の様々な大小も補償するように調整可能となるということである。
In this regard, it should be noted that the beam forming
それ故、本発明によれば、入力ビーム12I及び出力ビーム12Oのエネルギー波形に対するビーム形成変換機能62Tの効果は、非対称ビーム形成光学素子62に対する入力ビームの横方向ズレの大小及び角方向の両方によって決まることになる。更に本発明によれば、出力ビームのエネルギー分布形状に歪みを生じる入力ビーム12Iの可変な横方向及び回転方向ズレの影響は、入力ビームに対して一定量だけオフセットされ、入力ビームに対して長手方向に回転するエネルギー分布形状変換機能を持つビーム整形素子によって目標エネルギー分布形状を持つ出力ビームを生じるように補償可能となる。更に本発明によれば、エネルギー分布形状変換機能がホットスポット分布形状変換成分及び不足分布形状変換成分の一方あるいは両方を有する場合、目標出力ビームエネルギー分布形状を達成するための入力ビーム12Iとビーム形成変換機能62Tとの最適な横方向及び回転方向の関係は、入力ビーム12Iに対するビーム形成変換機能62Tの回転方向位置を調整することによって調整可能に達成することができる。
Therefore, according to the present invention, the effect of the
図9C及び図9Dのビーム形成変換機能62Tの例
図9Dに示すような本発明の更なる様相では、目標出力ビーム12Oのエネルギー分布形状を得るために可変横方向ドリフトを受けた入力ビーム12Iに対するビーム形成変換機能62Tの位置合わせ及び再位置合わせは簡単に自動化することができる。この方法では、部分ミラー76が出力ビーム12Oの経路に搭載されて、電荷結合素子や感光性抵抗材料からなるセンサなどの光学センサ78にビーム12の像を反射し、光学センサ78はその像によってスペクトルの適当な部分で出力ビーム12Oのエネルギー分布形状を監視できる。例えば、光学センサ78はハママツコープの製造販売するような2次元位置感知型検出器である。出力ビーム12Oのエネルギー分布形状を示す像は、その後、プロセッサ・コントローラ80に通される。プロセッサ・コントローラ80は、出力ビーム12Oのエネルギー分布形状が目標分布形状に一致しているかどうかを判定する。プロセッサ・コントローラ80が出力ビーム12Oのエネルギー分布形状を許容公差内で目標分布形状に一致していないと判定すれば、プロセッサ・コントローラ80は回転ベアリング72を適当な駆動機構82を介して駆動して、入力ビーム12Iとビーム形成変換機能62Tの間の回転方向位置が目標出力ビーム12Oのエネルギー分布形状を生じるまで非対称ビーム形成光学素子62を回転する。
Example of
最後に、上述のような本発明は図10A、10B、10C及び10Dに更に図解される。図10A及び10Bは、本発明による2つの典型的な非対称ビーム形成光学素子の位相表面図であり、図10C及び10Dは対応する横断面図である。 Finally, the present invention as described above is further illustrated in FIGS. 10A, 10B, 10C and 10D. 10A and 10B are phase surface views of two exemplary asymmetric beamforming optics according to the present invention, and FIGS. 10C and 10D are corresponding cross-sectional views.
本発明は、図11Aから11Eに更に図解される。図11Aから11Eは本発明によるレーザービームのエネルギー分布形状の横断面図を示す。例えば、図11Aは左側にはホットスポットを持つが概して許容できるエネルギー分布形状を持つビームを示す。図11Bは右にドリフトしているビームを示し、本発明の光学素子によってビームを右にドリフトしてビーム分布形状が改善している。図11Cは100ミクロンの距離だけ右にドリフトしたビームを示し、説明した非対称ビーム形成光学素子に最適である。図11Dはビームが150ミクロンだけ右にドリフトし続けた場合を示し、その結果分布形状の右側が「上昇」し始めている。最後に図11Eはビームが200ミクロン右にドリフトした場合を示し、図11Aに示したものの鏡像となる状況になる。これらの例は、従って、図示したような本発明の非対称ビーム形成光学素子が例えば上限200ミクロンのビームドリフトまでは許容可能なビーム分布形状を提供し、そこまで適応可能であることを示す。 The present invention is further illustrated in FIGS. 11A through 11E. 11A to 11E show cross-sectional views of the energy distribution shape of a laser beam according to the present invention. For example, FIG. 11A shows a beam with a hot spot on the left side, but with a generally acceptable energy distribution shape. FIG. 11B shows a beam drifting to the right, and the beam distribution shape is improved by drifting the beam to the right by the optical element of the present invention. FIG. 11C shows a beam drifted to the right by a distance of 100 microns, which is optimal for the asymmetric beamforming optics described. FIG. 11D shows the case where the beam continues to drift to the right by 150 microns, so that the right side of the distribution shape begins to “rise”. Finally, FIG. 11E shows the case where the beam has drifted to the right by 200 microns, resulting in a mirror image of that shown in FIG. 11A. These examples thus show that the asymmetric beamforming optics of the present invention as shown provides an acceptable beam distribution shape up to, for example, a beam drift up to an upper limit of 200 microns and is adaptable to that extent.
上述の発明には、本明細書に含まれた発明の精神及び範囲から逸脱することなく変更を加えられるので、上述の説明や付属図面で示した材料の全ては、本明細書において発明概念を説明する単なる例として解釈されるべきものであり、発明を制限するものとして解釈されるべきではない。 Since the invention described above can be modified without departing from the spirit and scope of the invention contained herein, all of the materials shown in the above description and accompanying drawings are subject to the inventive concept herein. It should be construed as merely illustrative, and not as limiting the invention.
Claims (24)
ある範囲の入力角と横方向変位を有する入力レーザービームを受光し、前記入力レーザービームの成分を均一分布平行成分を持つ整列済みレーザービームに再配置及び再方向付けするための補償器素子と、
前記補償器素子からの前記整列済みレーザービームによって照明され、前記整列済みレーザービームの成分を、フラットトップレーザービームに再配置するのに最適な分布形状を持つ整形済みレーザービームに再配置する再配置器素子とを有することを特徴とする前記補償器・再配置器。 Controlling laser positioning and thermal drift instability in a laser beam delivery system having a laser generating a laser beam and a plurality of optical elements for directing, shaping and focusing the laser beam to a target along a beam path In the compensator / relocator for correction,
A compensator element for receiving an input laser beam having a range of input angles and lateral displacements, and relocating and redirecting components of the input laser beam into an aligned laser beam having a uniformly distributed parallel component;
Relocation that is illuminated by the aligned laser beam from the compensator element and that realigns the components of the aligned laser beam into a shaped laser beam having an optimal distribution shape to relocate to a flat top laser beam The compensator / rearranger has a compensator element.
ある範囲の入力角と横方向変位を有する入力レーザービームの成分を均一分布平行成分を持つ整列済みレーザービームに再方向付けする工程と、
前記整列済みレーザービームの成分を、フラットトップレーザービームに再配置するのに最適な分布形状を持つ整形済みレーザービームに再配置する工程とを有することを特徴とする前記方法。 Controlling laser positioning and thermal drift instability in a laser beam delivery system having a laser generating a laser beam and a plurality of optical elements for directing, shaping and focusing the laser beam to a target along a beam path In the method for correcting,
Redirecting a component of the input laser beam having a range of input angles and lateral displacements to an aligned laser beam having a uniform distributed parallel component;
Repositioning the components of the aligned laser beam into a shaped laser beam having a distribution shape optimal for repositioning into a flat top laser beam.
前記入力レーザービームの成分を再方向付けする工程は、全表面にわたって符号化されたコンピュータ発生ホログラミックレンズによって実行されることを特徴とする前記方法。 A method for controlling and correcting laser positioning and thermal drift instability according to claim 9,
Redirecting the component of the input laser beam is performed by a computer generated holographic lens encoded over the entire surface.
前記整列済みレーザービームの成分を再配置する工程は、コンピュータ発生ホログラフィック径方向対称回折光学素子(RSDOE)又はコンピュータ発生ホログラフィック非対称回折光学素子(NSDOE)によって実行されることを特徴とする前記方法。 A method for controlling and correcting laser positioning and thermal drift instability according to claim 9,
Repositioning the components of the aligned laser beam is performed by a computer generated holographic radial symmetric diffractive optical element (RSDOE) or a computer generated holographic asymmetric diffractive optical element (NSDOE) .
前記入力レーザービームの成分を再方向付けする工程は補償器素子によって実行され、前記補償器素子は、基板と、前記基板の入力側に配置した視野レンズと、前記基板の出力側に配置した回折光学素子整形器と、前記視野レンズによって規定される開口とを有することを特徴とする前記方法。 A method for controlling and correcting laser positioning and thermal drift instability according to claim 9,
The step of redirecting the component of the input laser beam is performed by a compensator element, the compensator element being a substrate, a field lens disposed on the input side of the substrate, and a diffraction disposed on the output side of the substrate. The method comprising: an optical element shaper; and an aperture defined by the field lens.
前記入力レーザービームの成分を再方向付けする工程は、屈折レンズ素子で形成された補償器素子と、前記補償器素子の出力側に配置したコンピュータ発生ホログラフィック回折光学素子整形器とによって実行され、前記屈折レンズが前記回折光学素子整形器の基板を形成し、前記整形器が開口を形成することを特徴とする前記方法。 A method for controlling and correcting laser positioning and thermal drift instability according to claim 9,
Redirecting the component of the input laser beam is performed by a compensator element formed of a refractive lens element and a computer-generated holographic diffractive optical element shaper disposed on the output side of the compensator element; The method of claim 1, wherein the refractive lens forms a substrate of the diffractive optical element shaper, and the shaper forms an aperture.
前記入力レーザービームの成分を再方向付けする工程は補償器素子によって実行され、前記補償器素子は、基板と、前記基板の入力側に配置し、一体型視野レンズ素子及び整形器素子を形成する単一回折光学素子と、前記基板の出力側に形成した開口とを有することを特徴とする前記方法。 A method for controlling and correcting laser positioning and thermal drift instability according to claim 9,
The step of redirecting the component of the input laser beam is performed by a compensator element, the compensator element being disposed on the input side of the substrate and forming an integral field lens element and a shaper element. The method comprising: a single diffractive optical element; and an opening formed on an output side of the substrate.
前記配列済みレーザービームが非円形ガウス分布形状を持つことを特徴とする前記方法。 A method for controlling and correcting laser positioning and thermal drift instability according to claim 9,
The method of claim 1, wherein the arrayed laser beam has a non-circular Gaussian distribution shape.
前記整形済みレーザービームが円形ガウス分布形状を持つことを特徴とする前記方法。 A method for controlling and correcting laser positioning and thermal drift instability according to claim 9,
The method, wherein the shaped laser beam has a circular Gaussian distribution shape.
前記分布形状変換機能は、前記入力エネルギー分布形状を前記目標出力エネルギー分布形状に変換するための第1分布形状変換機能と、前記入力レーザービームの横方向ズレが導入された前記出力エネルギー分布形状における歪みを補正するように前記第1分布形状変換機能を修正するために前記第1分布形状変換機能に追加された分布形状補正変換機能とを有することを特徴とする前記径方向非対称ビーム形成素子。 To convert an input energy distribution shape of an input laser beam, which has an optical element having a distribution shape conversion function and has a beam axis subjected to a lateral deviation variable in radial direction and size, into an output laser beam having a target output energy distribution shape In the radially asymmetric beam forming element,
The distribution shape conversion function includes a first distribution shape conversion function for converting the input energy distribution shape into the target output energy distribution shape, and the output energy distribution shape in which a lateral deviation of the input laser beam is introduced. The radial asymmetric beam forming element having a distribution shape correction conversion function added to the first distribution shape conversion function to correct the first distribution shape conversion function so as to correct distortion.
前記入力レーザービームに対して分布形状変換機能を実施する工程からなり、前記工程は、前記入力エネルギー分布形状を前記目標出力エネルギー分布形状に変換するための第1分布形状変換機能を実施する工程と、前記入力レーザービームの横方向ズレが導入された前記出力エネルギー分布形状における歪みを補正するように前記第1分布形状変換機能を修正するために前記第1分布形状変換機能に追加された分布形状補正変換機能を実施する工程とを有することを特徴とする前記方法。 In a method of converting an input energy distribution shape of an input laser beam having a beam axis subjected to a lateral deviation variable with respect to a radial direction and a magnitude to an output laser beam having a target output energy distribution shape,
A step of performing a distribution shape conversion function on the input laser beam, and the step of performing a first distribution shape conversion function for converting the input energy distribution shape into the target output energy distribution shape; A distribution shape added to the first distribution shape conversion function to correct the first distribution shape conversion function so as to correct distortion in the output energy distribution shape in which a lateral deviation of the input laser beam is introduced Performing the correction conversion function.
24. The method of claim 23, wherein the input energy distribution shape of an input laser beam that undergoes a variable lateral shift with respect to radial and magnitude is converted to an output laser beam having a target output energy distribution shape, wherein the beam-forming element includes Supported by a rotation mount that enables rotation of the distributed shape conversion function about the optical axis of the optical element, and the distributed shape conversion with respect to the current lateral deviation of the input laser beam by rotation of the beam forming element The method further comprising the step of adjusting the function.
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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US10/958,712 | 2004-10-05 | ||
US11/020,914 US7016117B2 (en) | 2003-04-10 | 2004-12-22 | Radially non-symmetric beam forming elements for correction of energy profile distortion due to lateral beam drift |
US11/020,914 | 2004-12-22 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4782510B2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110041437A (en) * | 2008-06-06 | 2011-04-21 | 리모 파텐트페어발퉁 게엠베하 운트 코. 카게 | Device and method for beam forming |
JP2014186292A (en) * | 2013-03-22 | 2014-10-02 | Applied Materials Israel Ltd | Calibratable beam shaping system and method |
US9095032B2 (en) | 2012-04-20 | 2015-07-28 | Samsung Display Co., Ltd. | Apparatus and method for laser sealing |
CN108027544A (en) * | 2015-07-07 | 2018-05-11 | 亮锐控股有限公司 | Light-emitting device |
CN117192668A (en) * | 2023-11-06 | 2023-12-08 | 杭州拓致光电科技有限公司 | Diffraction efficiency compensation method of volume Bragg grating |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01117077A (en) * | 1987-10-29 | 1989-05-09 | Fuji Electric Co Ltd | Slab type solid-state laser oscillator |
JPH0665808U (en) * | 1993-02-22 | 1994-09-16 | 川崎重工業株式会社 | Laser focusing position fluctuation measuring device and laser beam fluctuation measuring device |
JPH0996769A (en) * | 1995-09-29 | 1997-04-08 | Fuji Xerox Co Ltd | Method and device for adjusting optical axis of optical scanner and optical scanner |
JP2003112280A (en) * | 2001-09-28 | 2003-04-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Light irradiation device, optical machining device, machining method and electronic component |
-
2005
- 2005-08-26 JP JP2005246669A patent/JP4782510B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01117077A (en) * | 1987-10-29 | 1989-05-09 | Fuji Electric Co Ltd | Slab type solid-state laser oscillator |
JPH0665808U (en) * | 1993-02-22 | 1994-09-16 | 川崎重工業株式会社 | Laser focusing position fluctuation measuring device and laser beam fluctuation measuring device |
JPH0996769A (en) * | 1995-09-29 | 1997-04-08 | Fuji Xerox Co Ltd | Method and device for adjusting optical axis of optical scanner and optical scanner |
JP2003112280A (en) * | 2001-09-28 | 2003-04-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Light irradiation device, optical machining device, machining method and electronic component |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110041437A (en) * | 2008-06-06 | 2011-04-21 | 리모 파텐트페어발퉁 게엠베하 운트 코. 카게 | Device and method for beam forming |
JP2011523723A (en) * | 2008-06-06 | 2011-08-18 | リモ パテントフェルヴァルトゥング ゲーエムベーハー ウント コー.カーゲー | Beam forming apparatus and beam forming method |
KR101676499B1 (en) * | 2008-06-06 | 2016-11-15 | 리모 파텐트페어발퉁 게엠베하 운트 코. 카게 | Device and method for beam forming |
US9095032B2 (en) | 2012-04-20 | 2015-07-28 | Samsung Display Co., Ltd. | Apparatus and method for laser sealing |
JP2014186292A (en) * | 2013-03-22 | 2014-10-02 | Applied Materials Israel Ltd | Calibratable beam shaping system and method |
CN108027544A (en) * | 2015-07-07 | 2018-05-11 | 亮锐控股有限公司 | Light-emitting device |
JP2018521478A (en) * | 2015-07-07 | 2018-08-02 | ルミレッズ ホールディング ベーフェー | Light emitting device |
US10845032B2 (en) | 2015-07-07 | 2020-11-24 | Lumileds Llc | Light emitting apparatus |
CN117192668A (en) * | 2023-11-06 | 2023-12-08 | 杭州拓致光电科技有限公司 | Diffraction efficiency compensation method of volume Bragg grating |
CN117192668B (en) * | 2023-11-06 | 2024-02-23 | 杭州拓致光电科技有限公司 | Diffraction efficiency compensation method of volume Bragg grating |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4782510B2 (en) | 2011-09-28 |
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