JP2007114655A - 均一照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 均一照明装置において、例えばガウス分布などの対称な強度分布を有するレーザビームに強度分布の偏りが発生しても、その偏りを緩和することにより、所定強度分布を前提とした強度分布変換素子を用いて良好な平坦化効果を得ることができるようにする。
【解決手段】 均一照明装置50を、正常状態でガウス分布を有するレーザビームLを出力するレーザ光源1と、ガウス分布を均一化する強度変換素子4と、それらの間の光路中に配置され、レーザビームLの強度分布のガウス分布に対する偏りを緩和する偏り緩和手段として、ハーフミラー2、ハーフミラー3、ミラー5、反転光学系6、ミラー7を備える構成とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、均一照明装置に関する。例えば、レーザ加工などに用いられるレーザ光の強度分布を均一化する均一照明装置に関する。
従来、レーザビームの強度分布を、断面矩形状の平坦な強度分布として、均一化する均一化照明装置が知られている。
例えば、特許文献1には、レーザビームを光軸に直交する断面内で、レーザビームの強度分布の偏り方向に対応して、例えば上下などの一定方向に2分割し、分割されたレーザビームのうち、一方の強度分布をシリンドリカルレンズにより一定方向に反転して、分割されたレーザビームの他方と並列にホモジェナイザに入射して合成することにより、合成されたレーザビームの強度分布の均一化を図るビーム均一化装置が記載されている。
このホモジェナイザは、シリンドリカルレンズ群と、このシリンドリカルレンズ群を透過して集光、拡散された光を集光するコンデンサレンズとから構成されている。
また、レーザビームの強度分布がガウス分布であることを利用して、中心から半径方向に透過率を徐々に増大させるグラデーションフィルタを用いて平坦な強度分布に変換したり、回折効果によってガウス分布を平坦に補正する強度変換素子を用いて強度分布を補正したりすることが知られている。
特開2001−147402号公報(図1)
しかしながら、上記のような従来の均一照明装置には、以下のような問題があった。
特許文献1に記載の技術では、シリンドリカルレンズ群により構成されたフライアイレンズと、コンデンサレンズからなるホモジェナイザにおいてフラットトップな強度分布を形成できるものの、より簡素な構成を有するグラデーションフィルタや回折効果を用いた強度変換素子を用いた装置には適用できないという問題がある。
一方、上記グラデーションフィルタや強度変換素子による強度分布の補正は、レーザビームがガウス分布であることを用いている。
ところが、例えばYAGレーザのパルス出力を用いる場合などでは、1ショットのパルスごとに強度分布がガウス分布からずれることがある。このようなガウス分布からのずれは、定常的に発生するわけではないので、上記のグラデーションフィルタや強度変換素子ではあらかじめ補正することが困難である。そのため、変換後の強度分布の平坦性が劣化してしまうという問題がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、例えばガウス分布などの対称な強度分布を有するレーザビームに強度分布の偏りが発生しても、その偏りを緩和することにより、所定強度分布を前提とした強度分布変換素子を用いて良好な平坦化効果を得ることができる均一照明装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の均一照明装置は、正常状態で回転軸対称または面対称の所定強度分布を有するレーザビームを出力するレーザ出力手段と、前記所定強度分布を均一化する強度分布変換手段と、前記レーザ出力手段と前記強度分布変換手段との間の光路中に配置され、前記レーザ出力手段により出力されたレーザビームの強度分布の、前記所定強度分布に対する偏りを緩和する偏り緩和手段とを備えた構成とする。
この発明によれば、偏り緩和手段により、レーザビームの所定強度分布からの偏りを緩和するので、所定強度分布からのずれを低減することができる。そのため、強度分布変換手段に、所定強度分布により近い強度分布を備えたレーザビームを入射することができるので、レーザビームに所定強度分布からの偏りが生じた場合に、強度分布変換手段から出射されるレーザビームの均一な強度分布からのずれを低減することができる。
ここで、回転軸対称または面対称の所定強度分布とは、レーザビームの中心軸(以下、ビーム中心軸と略称する)に対して回転軸対称な強度分布、またはビーム中心軸に対して面対称な強度分布を意味する。例えば、2次元ガウス分布(以下、誤解の恐れのない限り単にガウス分布と称する)や、半導体レーザのようにビーム中心軸を含む直交する2平面に対して面対称となるような強度分布が含まれる。
また、本発明の均一照明装置では、前記偏り緩和手段が、前記レーザ出力手段から出力されたレーザビームを複数の分岐ビームに分岐する光分岐手段と、該光分岐手段により分岐された複数の分岐ビームのうち、1つの分岐ビームを除く他の分岐ビームの光路中に設けられ、前記他の分岐ビームの強度分布をビーム中心軸まわりに回転移動もしくはビーム中心軸を含む面を対称面として対称移動する強度分布移動手段と、前記1つの分岐ビームと、前記強度分布移動手段により強度分布が移動された他の分岐ビームとを、それぞれのビーム中心軸が一致するように重ね合わせる光合成手段とを備えることが好ましい。
この場合、光分岐手段により、レーザ出力手段により出力されたレーザビームが複数の分岐ビームに分岐され、そのうちの1つの分岐ビームと、強度分布移動手段により強度分布がビーム中心軸まわりに回転移動、もしくはビーム中心軸を含む面を対称面として対称移動された他の分岐ビームとが、光合成手段により、ビーム中心軸が一致するように重ね合わされる。
そのため、レーザビームが回転軸対称または面対称の所定強度分布を有する場合には、所定強度分布を有した状態で強度分布変換手段に入射される。
また、レーザビームが所定強度分布からの偏りを有する場合には、強度分布移動手段により偏り部分が、各分岐ビームごとに移動されるので、光合成手段により重ね合わされたとき、ビーム中心軸まわりの周方向で各位置毎に平均化される。そのため、所定強度分布からの偏りが低減される。そのため、レーザビームを、その強度分布が所定強度分布により近づいた状態で強度分布変換手段に入射される。
ここで、強度分布移動手段による強度分布の回転移動は、180°回転の場合、例えば、光路中に2つの集光レンズを配置し、その間に中間像を形成する構成とすればよい。この場合、強度分布の上下左右をそれぞれ反転する結果、強度分布がビーム中心軸を中心に180°回転移動される。任意角度の回転移動は、ビーム中心軸を含む対称面に関する対称移動(反転)を対称面の角度を変えて2回行うことにより実現することができる。
強度分布の反転は、例えば、適宜角度の反射面を適宜個数配置して、レーザビームを折り返すことにより実現することができる。
また、本発明の前記光分岐手段と前記強度分布移動手段と前記光合成手段とを備える均一照明装置では、前記光分岐手段、前記強度分布移動手段、および前記光合成手段が、一体化された構成とすることが好ましい。
この場合、光分岐手段、強度分布移動手段および光合成手段が一体化されているので、偏り緩和手段の配置が容易となり、生産性を向上することができる。
また、本発明の前記光分岐手段と前記強度分布移動手段と前記光合成手段とを備える均一照明装置では、前記光分岐手段と前記光合成手段とが、偏光ビームスプリッタであり、
前記レーザ出力手段と前記光分岐手段との間の光路中、前記光分岐手段と前記光合成手段との間の光路中、および前記強度分布移動手段と前記光合成手段との間の光路中に、それぞれ偏光方向を変更するための波長板を設けた構成とすることが好ましい。
この場合、レーザビームの各光路における偏光方向を、波長板により変更することにより、偏光ビームスプリッタにおける透過率と反射率が最適となるように設定することができるので、光量損失を低減することができ、エネルギーの効率的な利用を図ることができる。
本発明の均一照明装置によれば、レーザビームの正常状態の所定強度分布からの偏りを緩和し、所定強度分布により近い強度分布を備えたレーザビームを形成して、所定強度分布を均一化する強度変換手段に入射することができるので、レーザビームに所定強度分布からの偏りが生じた場合にも良好な平坦化効果を得ることができるという効果を奏する。
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る均一照明装置について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図2(a)、(b)、(c)、(d)は、それぞれ、図1のA−A線(B−B線、C−C線)、D−D線、E−E線、F−F線に沿う断面におけるレーザビームの強度分布について説明するための模式的なグラフである。図2の各グラフにおいて、縦軸はピーク強度で規格化された強度比を表し、横軸はビーム中心からの適宜規格化された半径方向位置を表す。なお、図2は、模式的なグラフのため、寸法比を誇張して描いている。
また、図1に記載したXYZ座標系は、方向を参照するために便宜的に設けた右手直角座標系で、紙面手前から奥側に向かう方向を正方向とする紙面垂直軸をY軸とし、紙面右側を正方向とする紙面内の水平軸をX軸とし、X軸、Y軸に直交する紙面内の上方向を正方向とする鉛直軸をZ軸としたものである(図3、5、6も同様)。
本実施形態の均一照明装置50は、正常状態で回転軸対称または面対称の所定強度分布を有するレーザビームLを、ビーム中心軸に沿う断面において略矩形状の略平坦な強度分布を有するレーザビームLに変換して出射するためのものであり、例えばレーザ加工装置などの光源として好適に用いることができるものである。
均一照明装置50の概略構成は、図1に示すように、レーザ光源1(レーザ出力手段)、ハーフミラー2(光分岐手段)、反転光学系6(強度分布移動手段)、ハーフミラー3(光合成手段)、および強度変換素子4(強度分布変換手段)からなる。
ここで、ハーフミラー2、反転光学系6、ハーフミラー3と後述するミラー5、7とは、偏り緩和手段を構成している。
レーザ光源1は、パルス発振してレーザ加工を行うためのYAGレーザからなる。本実施形態では、図1のX軸正方向に平行光とされた波長λのレーザビームLを出射できるようになっている。波長λは、必要に応じてYAGレーザで発振可能ないずれの波長でもよく、以下に説明するすべての光学素子では、使用波長に応じて適切な反射率、透過率などの光学特性が得られるようになっている。
YAGレーザの場合、正常状態、または理想状態ではレーザビームLの強度分布は、良好なガウス分布となっている。しかし、何らかの原因により強度分布がガウス分布からずれる場合があることが知られている。
例えば、パルス発振を行うと、ガウス分布からずれた偏りを有する強度分布が生じやすくなる。この場合、その偏り量や偏りが発生する位置は、1ショットごとに異なるのが一般的であり、定常的にガウス分布からずれるような強度分布となるわけではない。
例えば、図2(a)に、ガウス分布からずれた強度分布の一例を示した。
この場合、ビーム中心軸(半径方向位置0)を含む所定断面で、強度分布100として示すような、ビーム中心軸に対して非対称な強度分布が形成されている。すなわち、図示右側の傾斜部に、想像線で示したガウス分布100b(所定強度分布)よりも高強度となる強度異常部100a(所定強度分布に対する偏り)が発生している。
このような強度異常部100aは、1箇所に発生するとは限らないが、以下では、このような強度異常部100aが、図1のZ軸負方向に発生している場合を例にとって説明する。
ハーフミラー2は、レーザビームLの略50%をレーザビームL(1つの分岐ビーム)として透過し、レーザビームLの略50%をレーザビームL(他の分岐ビーム)として反射するハーフミラー面2aを備える光分岐素子である。本実施形態では、ハーフミラー面2aは、レーザビームLをZ軸負方向に反射する位置に配置されている。
図示ではハーフミラー2をプリズム形状に描いているが、平行平板のハーフミラーであってもよい。
ハーフミラー面2aは、例えばレーザビームLの波長に応じて適宜の多層膜コーティングなどにより形成することができる。
反転光学系6は、それぞれ焦点距離が等しい正のパワーを有する反転レンズ6A、6Bからなり、反転レンズ6Aに光軸に沿って入射した平行光を中間像6aに結像し、結像後に拡散する光を反転レンズ6Bにより集光して平行光とするアフォーカル光学系である。そして、レーザビームLの光路と略平行に配置されている。
ハーフミラー2と反転光学系6との間には、ハーフミラー2により反射されたレーザビームLをX軸正方向に偏向して、反転光学系6の光軸上に入射させるミラー5が配置されている。
このため、レーザビームLは反転光学系6に入射され、同一のビーム径を有する平行光であるレーザビームLとして反転光学系6の光軸に沿って出射される。レーザビームLの光路上には、レーザビームLをレーザビームLの光路側に偏向するミラー7が配置されている。
ハーフミラー3は、レーザビームLを略50%透過させ、ミラー7により偏向されたレーザビームLを略50%反射するハーフミラー面3aを備える光合成素子であり、例えば、ハーフミラー2と同様な構成で配置位置を変えたものを用いることができる。
ミラー7は、反転光学系6を透過してX軸正方向に出射されるレーザビームLをZ軸正方向に偏向し、レーザビームLがハーフミラー面3aにおいてレーザビームLが透過する位置に入射するように配置されている。
ハーフミラー面3aは、ハーフミラー面3aに入射したレーザビームLが反射される光路と、ハーフミラー面3aを透過するレーザビームLの光路とが一致するように配置されている。
そのため、ハーフミラー面3aを透過したレーザビームLと、ハーフミラー面3aで反射されたレーザビームLとは、それぞれのビーム中心軸を共有する状態で重ね合わされ、レーザビームLが形成される。
強度変換素子4は、入射光がガウス分布を有する場合に、ビーム中心軸を含む断面で略矩形状の平坦な強度分布に変換するものである。例えば、フィルタ中心から半径方向に向けて、ガウス分布を平坦化するように透過率が漸増するグラデーションフィルタを採用することができる。また、ガウス分布のレーザビームを回折により平坦な強度分布に変換する回折回折光学素子(DOE)などを採用することもできる。
次に、均一照明装置50の動作について説明する。
レーザ光源1から、図1におけるX軸正方向に出射されるレーザビームLに、図2(a)に示すように、例えば、図1のZ軸負方向に強度異常部100aを有する強度分布100が発生したとする。
レーザビームLは、ハーフミラー面2aにより、透過光であるレーザビームLと、反射光であるレーザビームL(分岐ビーム)とに分岐される。
レーザビームLは、レーザビームLに比べてピーク強度が約1/2となり、例えば、B−B線に沿う断面で、レーザビームLと同様な相対強度分布(図2(a)参照)を有する光として直進する。そしてハーフミラー3に入射する。
一方、レーザビームLは、レーザビームLに比べてピーク強度が約1/2となり、レーザビームLと同様な相対強度分布(図2(a)参照)を有する光として、ミラー5に入射し、X軸正方向に反射される。そして、レーザビームLと略平行な光路に沿って進み、反転レンズ6Aの光軸に沿って入射する。
すなわち、反転レンズ6Aに入射される前の図1のC−C線に沿う断面では、レーザビームLは、図1のZ軸負方向に強度異常部100aを有している。
反転レンズ6Aに入射するレーザビームLは、反転レンズ6Aにより集光され、中間像6aを形成すると拡散し、拡径しつつ反転レンズ6Bに入射する。そして、反転レンズ6Bにより集光されて平行光とされ、レーザビームLとして、X軸正方向に出射される。
このとき、中間像6aの前後で、光線の進む方向が図1のZ軸方向、Y軸方向においてそれぞれ反転するから、レーザビームLの強度分布は、ビーム中心軸に対して180°回転移動される。すなわち、図1のD−D線に沿う断面では、図2(b)に示すような反転強度分布101が形成され、図1のZ軸正方向に強度異常部100aと対称な強度異常部101aが現われる。
レーザビームLは、ミラー7により偏向され、ハーフミラー3により反射されて、レーザビームLのビーム中心軸を共有する状態で重ね合わされる。そして、レーザビームLが形成される。
レーザビームLの強度分布は、図2(c)に示すように、強度異常部102L、102Rを有することで、ガウス分布からわずかにずれた合成強度分布102のようになる。
強度異常部102Lは、強度分布100のガウス分布部分と反転強度分布101の強度異常部101aが合成された結果、形成されたものなので、ガウス分布と強度異常部101aとを平均したのと等価である。そのため、強度異常部102Lは、強度異常部101aとガウス分布100bとの中間の強度に緩和され、よりガウス分布100bに近づいた強度分布となっている。
また、強度異常部102Rも同様にして、強度異常部100aよりも低強度に緩和され、よりガウス分布100bに近づいた強度分布となっている。
なお、レーザビームLが、ミラー5、反転光学系6、ミラー7を透過して、光量が著しく低下している場合には、強度異常部102L、102Rの強度のアンバランスが生じるが、各光学素子の反射率、透過率は、波長λに対して最適化され、これらによる光量損失はほとんど無視できるものとする。
ただし、ハーフミラー2、3の間の光路中に、ミラー5、反転光学系6、ミラー7による光量低下と同等の光減衰フィルタを設ければ、より正確な平均化を行うことができるのでより好ましい。
レーザビームLは、強度変換素子4に入射されると、図2(d)に示すような略平坦な出射強度分布103が形成される。
出射強度分布103は、強度異常部102L、102Rに対応する位置に、平坦部よりわずかに高強度の強度加算部103L、103Rが形成されてなるものである。
このように、本実施形態では、レーザビームLの強度分布にガウス分布から偏りが発生した場合にも、強度変換素子4に入射するレーザビームLを、レーザビームLのガウス分布からの偏りを緩和することができる。そして、そのようにしてよりガウス分布に近づいた強度分布が形成されたレーザビームLが、強度変換素子4に入射するので、強度変換素子4から出射されるレーザビームLの強度分布を略平坦な強度分布とすることができる。
次に、本実施形態の第1変形例について説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態の第1変形例の均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図4(a)、(b)、(c)、(d)は、それぞれ図3のA−A線、G−G線、B−B線、H−H線に沿う断面におけるレーザビームの偏光方向について説明するための模式説明図である。図中の両矢印が直線偏光の偏光方向を示す。
本変形例の均一照明装置51は、図3に示すように、上記実施形態の均一照明装置50のハーフミラー2、3に代えて、偏光ビームスプリッタ26(光分岐手段)、偏光ビームスプリッタ27(光合成手段)を備え、1/2波長板22、23、24(波長板)を追加したものである。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
偏光ビームスプリッタ26は、入射光を偏向成分に応じて透過、反射する偏光ビームスプリッタ面26aを備える光分岐素子である。偏光ビームスプリッタ面26aは、例えば、p偏光成分を略100%透過し、s偏光成分を略100%反射するようなコーティングが施されてなる。
偏光ビームスプリッタ27は、異なる偏光成分を有する光を入射して同一光路に合成するための偏光ビームスプリッタ面27aを備える光合成素子である。偏光ビームスプリッタ面27aは、偏光ビームスプリッタ面26aと同様の構成を備える。
1/2波長板22、23、24は、レーザビームの偏光方向を回転するための偏光回転子で、それぞれ、レーザ光源1と偏光ビームスプリッタ26の間、偏光ビームスプリッタ26と偏光ビームスプリッタ27との間、およびミラー7と偏光ビームスプリッタ27との間の光路中に配置されている。
1/2波長板22は、レーザビームLの偏光方向を回転し、偏光ビームスプリッタ面26aに対してs偏光成分が略50%、p偏光成分が略50%となる角度に配置されている。例えば、レーザビームLの偏光方向が図1のZ軸方向に一致している場合(図4(a)参照)、1/2波長板22は、偏光方向が約45°回転するように配置する(図4(b)参照)。
1/2波長板23は、レーザビームLが偏光ビームスプリッタ面27aに対してp偏光となるように偏光方向を回転する位置に配置されている。
1/2波長板24は、ミラー7により偏向されたレーザビームLが偏光ビームスプリッタ面27aに対してs偏光となるように偏光方向を回転する位置に配置されている。
このような構成によれば、1/2波長板22により、レーザビームLの偏光方向(Z軸方向)が約45°回転されるので、偏光ビームスプリッタ面26aに対して、p偏光成分、s偏光成分が、それぞれ略50%となる状態で入射する。
そのため、レーザビームLの略50%が、p偏光成分として偏光ビームスプリッタ面26aを透過し、レーザビームLを形成する。また、レーザビームLの略50%が、s偏光成分として偏光ビームスプリッタ面26aにより反射され、レーザビームLが形成される。
レーザビームLは、1/2波長板23を透過して、偏光ビームスプリッタ面27aに対してp偏光光として入射する。
一方、レーザビームLは、ミラー5、反転光学系6を経て、強度分布が180°回転された状態で、ミラー7により偏向され、1/2波長板24を透過して、s偏光光として偏光ビームスプリッタ面27aに入射する。
そのため、偏光ビームスプリッタ面27aにより、レーザビームLは、略100%透過し、レーザビームLは略100%反射され、レーザビームLとして重ね合わされた状態で強度変換素子4に入射する。
以上において、レーザビームLの強度分布が平均化され、よりガウス分布に近づいた強度分布になっていることは上記実施形態と同様である。
さらに、本変形例では、偏光ビームスプリッタ27において、偏光ビームスプリッタ面27aへの入射光の偏光特性が最適化されているので、偏光ビームスプリッタ面27aにおける光量の反射損失、透過損失を略0%とすることができる。そのため、レーザビームの強度分布変換手段に入射する前の光量損失がほとんどないので、エネルギー利用効率が高い均一照明装置となっている。
なお、本変形例で、偏光ビームスプリッタ面26a、27aが、図3のように、ZX平面に直交するように配置されている例で説明したので、1/2波長板23、24を省略しても、それぞれ偏光ビームスプリッタ面27aに対してp偏光光、s偏光光となっているので、それぞれを省略することも可能である。
ただし、1/2波長板23、24を設けておけば、配置誤差などで偏光ビームスプリッタ面26a、27aの位置関係がずれた場合にも、レーザビームL、Lの偏光方向を補正して、正確なp偏光光、s偏光光とすることができるという利点がある。このため、1/2波長板23、24は、回転調整可能に保持することが好ましい。
また、1/2波長板23、24を設けておけば、レイアウトの都合などにより、偏光ビームスプリッタ面26a、27aをレーザビームLの光路を中心として相対回転した状態でも、最適な光利用効率を実現することができるという利点がある。
次に、本実施形態の第2変形例について説明する。
図5は、本発明の第1の実施形態の第2変形例の均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
本変形例の均一照明装置52は、図5に示すように、上記実施形態の均一照明装置50のハーフミラー面2a、3a、ミラー5、反転光学系6、ミラー7に代えて、それぞれに対応するハーフミラー面8、9、反射面10、反転光学系12(強度分布移動手段)、反射面11が一体化された反転光学素子14(偏り緩和手段)を備えるものである。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
反転光学素子14は、レーザビームLの光路に沿って延されるとともに図示ZX平面での断面形状が略等脚台形状とされた第1プリズム14Aの両端部の斜面に、レーザ光源1側から第2プリズム14B、第3プリズム14Cが接合されて、略コ字状断面を有する門型に形成され、第2プリズム14B、第3プリズム14Cの対向する側面であるレンズ接合面14b、14cに、それぞれ反転レンズ12A、反転レンズ12Bが光軸を揃えた状態で接合された部材である。
第1プリズム14Aのレーザ光源1側の端部における第2プリズム14Bとの接合面は、ハーフミラー面2aと同様に、レーザビームLの略50%をレーザビームLとして透過し、レーザビームLの略50%をレーザビームLとして、例えばZ軸負方向に、反射するハーフミラー面8が形成されている。
第1プリズム14Aの強度変換素子4側の端部における第3プリズム14Cとの接合面は、ハーフミラー面3aと同様に、レーザビームLを略50%透過させ、ミラー7により偏向されたレーザビームLを略50%反射するハーフミラー面3aを備えるハーフミラー面9が形成されている。
そして、ハーフミラー面8に対向する第2プリズム14Bの側面には、レーザビームLを透過する入射面14aが形成されている。
また、ハーフミラー面9に対向する第3プリズム14Cの側面には、レーザビームLを出射する出射面14dが形成されている。
反射面10は、ハーフミラー面8により反射されたレーザビームLを反射して、レンズ接合面14bに導く偏向面である。
反射面11は、レンズ接合面14cに入射するレーザビームLを反射してハーフミラー面9に導き、ハーフミラー面9を透過するレーザビームLと同軸上に重ね合わせるための偏向面である。
反射面10、11は、適宜の反射膜コーティングにより、適宜の反射率を有する反射面とすることができるが、内部反射面なので入射角、媒質の屈折率を適宜設定して全反射を起こすような構成とすることが好ましい。この場合、反転光学素子14における光量損失を低減することができる。
反転光学系12は、反転光学系6の中間像6aを形成する反転レンズ6A、6Bに代えて、中間像12aを形成する反転レンズ12A、12Bを備える、反転光学系6と同様のアフォーカル光学系である。そして、反転レンズ12A、12Bがそれぞれ第2プリズム14B、14Cに接合されている点が異なる。
本変形例では、反転レンズ12A、12Bは、レンズ接合面14b、14cを平面として形成することができるように、それぞれ平凸、凸平レンズを採用している。
このような構成によれば、上記実施形態と同様の光路が形成することができる。すなわち、レーザビームLがハーフミラー面8によりレーザビームL、Lに分岐される。反射面10で偏光されたレーザビームLが反転光学系12により強度分布を180°回転したレーザビームLとされ、反射面11で偏向され、ハーフミラー面9で図示X軸方向に反射される。そして、ハーフミラー面9を透過したレーザビームLとハーフミラー面9で反射されたレーザビームLとが同軸上に重ね合わされることで、強度分布が平均化されたレーザビームLとして強度変換素子4に入射され、略平坦な強度分布を有するレーザビームLとして出射される。
本変形例では、反転光学素子14が、光分岐手段、強度分布移動手段、および光合成手段を一体化した構成となっている。そのため、それぞれの手段の相対的な位置関係が固定される。したがって配置位置の経時変化がほとんど生じないため、均一化性能を経時的に安定させることができるという利点がある。
また、レーザ光源1、強度変換素子4に対して、反転光学素子14の配置位置を調整するだけでよいので、装置の組立が容易となるという利点がある。
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る均一照明装置について説明する。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
本実施形態の均一照明装置53は、強度分布移動手段として、レーザビームの強度分布がビーム中心軸を含む平面に対して対称移動される構成としたものである。その概略構成は、図6に示すように、レーザ光源1、反転光学素子15(偏り緩和手段)、および強度変換素子4からなる。
反転光学素子15は、上記第1の実施形態の第2変形例の反転光学素子14の第1プリズム14A、第2プリズム14B、第3プリズム14C、反転光学系12に代えて、第1プリズム15A、第2プリズム15B、第3プリズム15C、第4プリズム15D(強度分布移動手段)を備えた部材である。以下、第1の実施形態の第2変形例と異なる点を中心に説明する。
反転光学素子15は、反転光学素子14と同様に、第1プリズム15Aに、第2プリズム15B、第3プリズム15Cが、略コ字状断面を有する門型に接合されており、第1プリズム15Aと第2プリズム15Bとの接合面にハーフミラー面8が形成され、第1プリズム15Aと第3プリズム15Cとの接合面にハーフミラー面9が形成されている。
第1プリズム15Aは、第1プリズム14Aの入射面14a、反射面10に対応して入射面15a、反射面10を備え、レンズ接合面14bに代えて、第4プリズム15Dを接合するためのプリズム接合面15bを有する。
第2プリズム15Bは、第2プリズム14の反射面11、出射面14dに対応して反射面11、出射面15eを備え、レンズ接合面14cに代えて、第4プリズム15Dから出射されるレーザビームLを入射する中間入射面15dを備える。
第4プリズム15Dは、反射面10により内部反射されたレーザビームLを反射面18、19、20により3回、内部反射して、中間出射面15cから対向する中間入射面15dに向けて出射するプリズム部材であり、プリズム接合面15bで第2プリズム15Bに接合されている。
本実施形態では、反射面18、19、20の位置関係は、プリズム接合面15bを通ってX軸正方向に進むレーザビームLが、反射面18によりZ軸正方向とX軸負方向との間の斜め方向に反射され、さらに反射面19により略Z軸負方向に沿う方向に進んで、反射面10で反射されたレーザビームLの光路に交差する折り畳み光路を形成し、そして反射面10と略同角度に配置された反射面20によりX軸正方向に反射されて中間出射面15cからされるように構成されている。
このような構成の反転光学素子15は、第1の実施形態の第2変形例の反転光学素子14と同様に、光分岐手段、強度分布移動手段、および光合成手段を一体化した構成となっている。
ただし、強度分布移動手段としては、第4プリズム15DによりZX平面内で、3回反射されることにより、反射面10により反射されたレーザビームLの強度分布を、図6のXY平面に関して対称移動した状態のレーザビームLを形成するものとなっている点が異なる。
例えば、図6に記載したA−A線、B−B線、C−C線、D−D線、E−E線、F−F線に沿う断面における各レーザビームの強度分布は、それぞれ対応する図2(a)、(b)、(c)、(d)の強度分布と同様な強度分布となる。そのため、同様に平均化されることが分かる。
一方、これらの断面線と光軸とに直交する紙面垂直方向の断面線に沿う方向において、ガウス分布からの偏りが生じる場合、特に図示しないが、例えばY軸正方向に偏りが発生する場合を考えると、第1の実施形態のように回転移動では、Y軸負方向に移動されたものと平均化されるが、本実施形態では、対称面であるXY平面に関して対称移動されるため、Y軸正方向の半空間において、XY平面に関して反転されることにより偏りの強度分布が平均化されるという違いがある。
したがって、発生確率は非常に小さいと考えられるが、ガウス分布からの偏りがビーム中心軸を含む所定断面に関して対称な分布を有する場合には、その所定断面が図6のXY平面に一致すると平均化の効果がなくなってしまう。そのような所定断面方向があらかじめ分かっている場合には、対称面が所定断面と一致しないように反転光学素子15を配置することが好ましい。
そのような所定断面の方向が不明な場合、強度分布移動手段に対称移動する対称面を異なる方向に複数設けるようにすると、平均化の効果を向上することができる。
例えば、反転光学素子15に加えて、反転光学素子15と同様の構成により対称移動の対称面がXY平面と異なるもの(例えばZX平面が対称面となるものなど)を、レーザ光源1と強度変換素子4との間の光路中に配置するとよい。ガウス分布からの偏りが平均化される確率を格段に向上することができる。
本変形例によれば、強度分布移動手段を反射光学系のみで構成するので、色収差の影響がなくレーザビームとして複数の波長を用いる場合でも、色収差補正を行う必要がなくなり簡素な構成とすることができるという利点がある。
また、アフォーカル光学系を構成するための光軸調整などが不要となるので組立精度を低減することができるという利点がある。
なお、上記の第1の実施形態の説明では、強度分布移動手段として、強度分布の180°回転移動を行う構成を、中間像を形成するアフォーカル光学系により実現する例で説明したが、第2の実施形態の構成において、光分岐手段により分岐されてから光合成手段で重ね合わされるまでのレーザビームL、Lの光路において、いずれかの反射面をダハ面とする変形を行って、180°の回転移動を実現してもよい。
この場合、180°の回転移動を行う場合でも、強度分布移動手段を反射光学系のみで構成するので、色収差の影響がなくレーザビームとして複数の波長を用いる場合でも、色収差補正を行う必要がなくなり簡素な構成とすることができるという利点がある。
また、アフォーカル光学系を構成するための光軸調整などが不要となるので組立精度を低減することができるという利点がある。
また、上記の説明では、光分岐手段が入射光を2つの分岐ビームに分岐する例で説明したが、2つ以上に分岐して、1つの分岐ビームを除く他の分岐ビームの光路に強度分布移動手段を設け、それぞれ強度分布が移動された他の分岐ビームを、光合成手段により1つの分岐ビームと重ね合わせるようにしてもよい。
この場合、他の分岐ビームの強度分布の移動方向をそれぞれ変化させることができるので、レーザビームの強度分布をより良好に平均化することができるという利点がある。
また、上記の説明では、強度分布を回転移動する場合、180°回転の場合の例で説明したが、任意角度の回転移動は、対称面の角度が異なる対称移動を2回行うことにより実現できる。そのため、2種類の対称移動を行う強度分布移動手段を設けておけば、任意角度の回転移動が可能となる。したがって、それらを複数設けて、強度分布の回転角度を種々変えることにより、さらに良好な平均化を行うようにしてもよい。
また、上記第1の実施形態の第1変形例の説明では、偏光方向を変更する波長板を、別体として光路中に配置する例で説明したが、偏光方向を可変調整する必要がない場合には、それぞれ光分岐手段や光合成手段などと一体化してもよい。例えば、偏光ビームスプリッタ26、27の入射面、出射面などに一体に設けてもよい。
また、上記の第2の実施形態の説明では、第2プリズム15Bと第4プリズム15Dとがプリズム接合面15bで接合されている例で説明したが、可能であれば、反転光学素子15と第4プリズム15Dとを一体に形成してもよい。この場合、接合の手間を省くことができて好都合である。
また、反射面10、20は共通面としてもよいし、段差や角度差がある別個の反射面としてもよい。
また、上記の第2の実施形態の説明では、レーザビームLが第4プリズム15Dから第3プリズム15Cとの間で空間を伝播するとして説明したが、第4プリズム15Dと第3プリズム15Cとの間の光路を適宜媒質の導光路を設けてもよい。
また、上記第2の実施形態の説明では、強度分布を対称移動させる場合において、光分岐手段、強度分布移動手段、および光合成手段が一体化された例で説明したが、それぞれを別個の部材として分離して設けてもよい。また、強度分布移動手段の反射面は、複数の表面反射面により構成してもよい。
また、上記の説明では、光分岐手段で分岐される透過光と反射光との光量比が略1:1であるとして説明したが、強度分布の良好な平均化を行うためには、光合成手段で重ね合わされるときの光量比を略1:1することが重要である。
そのため、例えば、光分岐手段の透過光の光路と、反射光の光路とにおける光量損失が異なる場合、それぞれの光量損失に応じて、分岐比を適宜設定し、光合成手段で重ね合わされるときの光量比が略1:1となるようにしてもよい。
例えば、光分岐手段がハーフミラーの場合、ハーフミラーの反射率、透過率を変えることで、分岐比を変更することができる。
また、光分岐手段が偏光ビームスプリッタの場合、偏光ビームスプリッタの変更航行による分岐比を変えることもできるし、偏光ビームスプリッタに入射するレーザビームの偏光方向を調整して変えることもできる。
また、光量に余裕がある場合には、それぞれの光路に適宜にフィルタを設けて減光することにより光量を調整してもよい。
また、上記第1の実施形態の第2変形例および第2の実施形態の説明において、反転光学素子14、15の光分岐手段、光合成手段として、それぞれハーフミラー面8、9を用いた例で説明したが、第1の実施形態の第1変形例のように、1/2波長板と偏光ビームスプリッタ面とを組み合わせた構成としてもよい。
また、上記の説明では、正常状態で回転軸対称または面対称の所定強度分布を有するレーザビームを出力するために、レーザ出力手段がYAGレーザの例で説明した。そのためレーザビームの所定強度分布がガウス分布の場合の例で説明したが、所定強度分布はガウス分布には限定されない。つまり、強度分布移動手段が回転移動を行う場合には、回転対称な強度分布であればよく、または同じく対称移動を行う場合には、面対称な強度分布であればよい。このような対称性を有する強度分布である限り、発振モードやレーザ光源の種類は限定されない。例えば、レーザ出力手段として、半導体レーザを採用してもよい。
また、上記の実施形態、変形例に開示した構成要素は、可能であれば、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施してもよい。
本発明の第1の実施形態に係る均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。 図1のA−A線(B−B線、C−C線)、D−D線、E−E線、F−F線に沿う断面におけるレーザビームの強度分布について説明するための模式的なグラフである。 本発明の第1の実施形態の第1変形例の均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。 図3のA−A線、G−G線、B−B線、H−H線に沿う断面におけるレーザビームの偏光方向について説明するための模式説明図である。 本発明の第1の実施形態の第2変形例の均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。 本発明の第2の実施形態に係る均一照明装置の概略構成について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
符号の説明
1 レーザ光源(レーザ出力手段)
2 ハーフミラー(光分岐手段)
2a、3a ハーフミラー面
3 ハーフミラー(光合成手段)
4 強度変換素子(強度分布変換手段)
6、12 反転光学系
6A、6B、12A、12B 反転レンズ
6a、12a 中間像
8、16 ハーフミラー面(光分岐手段)
9、17 ハーフミラー面(光合成手段)
14、15 反転光学素子(偏り緩和手段)
15D 第4プリズム(強度分布移動手段)
18、19、20 反射面
22、23、24 1/2波長板(波長板)
26 偏光ビームスプリッタ(光分岐手段)
26a、27a 偏光ビームスプリッタ面
27 偏光ビームスプリッタ(光合成手段)
100a、101a 強度異常部(所定強度分布に対する偏り)
100b ガウス分布(所定強度分布)
101 反転強度分布
102 合成強度分布
レーザビーム
レーザビーム(1つの分岐ビーム)
レーザビーム(他の分岐ビーム)

Claims (4)

  1. 正常状態で回転軸対称または面対称の所定強度分布を有するレーザビームを出力するレーザ出力手段と、
    前記所定強度分布を均一化する強度分布変換手段と、
    前記レーザ出力手段と前記強度分布変換手段との間の光路中に配置され、前記レーザ出力手段により出力されたレーザビームの強度分布の、前記所定強度分布に対する偏りを緩和する偏り緩和手段とを備えたことを特徴とする均一照明装置。
  2. 前記偏り緩和手段が、
    前記レーザ出力手段から出力されたレーザビームを複数の分岐ビームに分岐する光分岐手段と、
    該光分岐手段により分岐された複数の分岐ビームのうち、1つの分岐ビームを除く他の分岐ビームの光路中に設けられ、前記他の分岐ビームの強度分布をビーム中心軸まわりに回転移動もしくはビーム中心軸を含む面を対称面として対称移動する強度分布移動手段と、
    前記1つの分岐ビームと、前記強度分布移動手段により強度分布が移動された他の分岐ビームとを、それぞれのビーム中心軸が一致するように重ね合わせる光合成手段とを備えることを特徴とする請求項1に記載の均一照明装置。
  3. 前記光分岐手段、前記強度分布移動手段、および前記光合成手段が、一体化されたことを特徴とする請求項2に記載の均一照明装置。
  4. 前記光分岐手段と前記光合成手段とが、偏光ビームスプリッタであり、
    前記レーザ出力手段と前記光分岐手段との間の光路中、前記光分岐手段と前記光合成手段との間の光路中、および前記強度分布移動手段と前記光合成手段との間の光路中に、それぞれ偏光方向を変更するための波長板を設けたことを特徴とする請求項2または3に記載の均一照明装置。
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