JP2020518021A

JP2020518021A - 高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系

Info

Publication number: JP2020518021A
Application number: JP2019558394A
Authority: JP
Inventors: リチャードトヴェット; ダニエルヘドバーグ; エドモンドアリオラ
Original assignee: ニューポートコーポレーション
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2020-06-18
Also published as: CN110770627A; US20200012023A1; WO2018200622A1; EP3615980A1; KR20190135015A; EP3615980A4

Abstract

高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系が開示されており、該レンズ系は、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有する第１のレンズ群を含む。第１のレンズ群は、少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡し、少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されている。１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有する少なくとも１つの第２のレンズ群が、前記第１のレンズ群を介して前記少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡している。第２のレンズ群は、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されている。少なくとも１つの回折光学素子が、前記第１のレンズ群および前記第２のレンズ群の少なくとも１つと光学的に連絡しているのがよく、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されている。【選択図】図９

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１７年４月２６日に出願された“Lens System for Use with High Laser Power Density Scanning System”と題する米国仮特許出願第62/490,409号の優先権を主張し、米国仮特許出願第62/490,409号の全内容は、出典を明示することにより本願の一部とされる。

高レーザパワー密度走査システムは、現在、多くの適用例で使用されている。例えば、高レーザパワー密度走査システムは、半導体製造適用例、電子デバイス製造プロセス、および、同様な適用例でしばしば使用されている。代表的には、高パワーレーザ走査システムは、レーザ光をワークピース、および／または、ワーク表面に差し向けるように構成された少なくとも１つのレンズ系を含む。これらの走査システムで使用される従来技術のレンズ系は、光エネルギーを調節して、光エネルギーをワークピース、および／または、ワーク表面に差し向けるように構成された複数の屈折光学素子を含む。

従来技術のレンズ系は、同時にワーク表面上に複数の特徴を形成することを可能にする大きな視野を提供したけれども、多くの欠点が認識されてきた。例えば、レーザ走査システムで使用される従来技術のレンズ系は、高レーザパワー密度を有する光信号と共に使用されるのによく適していない。さらに、これらの従来技術のレンズ系は、ワークピース、および／または、ワーク表面上に粗い特徴（すなわち、ミリメートルで測定される横方向寸法形状を有する特徴）を形成するように主として設計されている。それ故、より小さい、および／または、より精密な特徴（すなわち、ミクロンで測定される横方向寸法形状を有する特徴）の形成は、特に問題であることがわかった。加えて、従来技術の系は、異なる光学材料から作られる複数のレンズを使用する。その結果、従来技術の光学系は、代表的にはより高い吸収を被り、このより高い吸収により、レンズ系で使用される光学部品の間で温度変化が生じ、それによって、系の歪みを増大させる。また、従来技術のレンズ系は、代表的には高い横方向色収差を被り、それにより、望ましくないスポット寸法および／または形状の変化、並びに、ワークピース、および／または、ワーク表面の加工の変化を生じさせる。

上記に照らすと、高レーザパワー密度走査システム共に使用されるレンズ系に対する引き続くニーズがある。

本発明は、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系に向けられている。さらに詳しくは、レンズ系は、１つまたはそれ以上のワークピースまたは表面に１つまたはそれ以上の特徴、ボイド、および／または、穴を形成するために高レーザパワー密度走査システムと共に使用されることができる。１つの実施形態では、本願は、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系を開示しており、該レンズ系は、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有する第１のレンズ群を含む。第１のレンズ群は、少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡しており、少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されているのがよい。１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有する少なくとも１つの第２のレンズ群が、前記第１のレンズ群を介して前記少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡しているのがよい。第１のレンズ群と同様に、第２のレンズ群は、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されているのがよい。さらに、少なくとも１つの回折光学素子が、前記第１のレンズ群および前記第２のレンズ群の少なくとも１つと光学的に連絡しているのがよく、前記少なくとも１つの回折光学素子は、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されているのがよい。

本願は、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系のもう１つの実施形態をさらに開示している。レンズ系は、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有する第１のレンズ群を含むのがよい。第１のレンズ群は、少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡しており、前記第１のレンズ群から前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を受け取り、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されている少なくとも１つの回折光学素子をさらに含むのがよい。最後に、レンズ系は、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有する第２のレンズ群をさらに含むのがよい。第２のレンズ群は、前記少なくとも１つの回折光学素子を介して前記少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡しているのがよい。使用中、第２のレンズ群は、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されているのがよい。

さらに、本願は、高レーザパワー密度走査システムと共に使用される色収差の効果および熱レンズ効果をやわらげるように構成されたレンズ系を開示している。さらに詳しくは、レンズ系は、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有する第１のレンズ群を含むのがよい。第１のレンズ群は、少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡しており、少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されているのがよい。少なくとも１つの回折光学素子が、前記第１のレンズ群と光学的に連絡しており、前記第１のレンズ群から前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を受け取り、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されているのがよい。最後に、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有する第２のレンズ群が、レンズ系で使用されるのがよい。第２のレンズ群は、前記少なくとも１つの回折光学素子を介して前記少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡しているのがよい。第２のレンズ群は、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成されているのがよい。１つの実施形態では、第１のレンズ群、少なくとも１つの回折光学素子、および、少なくとも１つの第２のレンズ群は、平らな画像形成平面または面上に１つまたはそれ以上の小さい照明スポットを出力するように構成されたテレセントリックレンズ系を協働して形成する。

本願に記載される高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を考慮することからより明らかになるであろう。

本願に記載される高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の新規な観点は、以下の図面を検討することによってより明らかになるであろう。

少なくとも１つの屈折素子が第１のレンズ群上に形成されている、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態の側面図を示す。少なくとも１つの屈折素子が第４のレンズ群上に形成されている、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態の側面図を示す。少なくとも１つの屈折素子が第１のレンズ群の第１の面上に形成されている、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態の側面図を示す。少なくとも１つの屈折素子が、複数の高レーザパワー密度光信号を伝播させて通過させる第１のレンズ群上に形成されている、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態の側面図を示す。図４に示されている高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態を使用するときに少なくとも１つの目標面上に投影される複数の高レーザパワー密度光信号の位置の側面図を示す。図４に示されている高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態を使用するときに少なくとも１つの目標面上に投影される複数の高レーザパワー密度光信号の位置のもう１つの図を示す。円内エネルギーに関する高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の光学的性能をグラフで示す。高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態の側面図を示す。図８に示されている高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態を伝播して通過する複数の高レーザパワー密度光信号の側面図を示す。図８に示されている高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態で使用されるキノフォームレンズの側面断面図を示す。図８に示されている高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の実施形態で使用されるキノフォームレンズの斜視図を示す。

本願は、高レーザパワー密度走査システムで使用されるレンズ系に向けられている。さらに詳しくは、レンズ系は、１つまたはそれ以上のワークピースまたは表面に１つまたはそれ以上の特徴、ボイド、および／または穴を形成するために高レーザパワー密度走査システムと共に使用されることができる。例えば、１つの実施形態では、本願に開示されているレンズ系は、ワークピースに粗い特徴（約９００μｍよりも大きい横方向寸法を有する特徴）を形成するために使用されることができる。もう１つの実施形態では、本願に開示されているレンズ系は、ワークピースに約１μｍ〜約９００μｍの横方向寸法を有する特徴、穴等を形成するために使用されることができる。随意には、本願に開示されているレンズ系は、ワークピースの表面上に約５μｍ〜約１００μｍの横方向寸法を有する特徴、穴等を形成するために使用されることができる。もう１つの実施形態では、本願に開示されているレンズ系は、ワークピースの表面上に約１０μｍ〜約３０μｍの横方向寸法を有する特徴、穴等を形成するために使用されることができる。

従来技術の系とは異なり、本願に開示されているレンズ系は、高平均パワー／高レーザフルエンスを有するレーザ系走査システムと共に使用されることができる。さらに、本レンズ系は、従来技術の系と比較して、光学的性能を維持し、かつ、熱レンズ効果に対するより低い感度を有しながら、小さいスポット寸法を提供するように構成されることができる。さらに、少なくとも１つのキノフォームレンズ、或いは同様な回折デバイスであって、該少なくとも１つのキノフォームレンズ、或いは同様な回折デバイス上に少なくとも１つの回折微細構造体が形成されている少なくとも１つのキノフォームレンズ、或いは同様な回折デバイスをレンズ系に含めることで、従来技術の系と比較して、減少された色収差を提供しながら、大きな分光範囲に亘る色補正を可能にする。示されている実施形態では、キノフォームレンズ、或いは同様な回折デバイスは、少なくとも１つの透過性回折光学デバイスを含むが、当業者は、キノフォームレンズ、或いは同様な回折デバイスは、透過性である必要はないことを理解するであろう。加えて、本願に開示されているレンズ系は、テレセントリックであり、平らな画像形成平面または面上に１つまたはそれ以上の照明スポットを出力するように構成されているのがよい。

図１−図３は、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系の種々の実施形態を示している。示されているように、レンズ系１１０は、１つまたはそれ以上のレンズ群を含み、各レンズ群は、１つまたはそれ以上のレンズ、ミラー、屈折素子、回折素子または特徴、アパーチャ、ストップ、フィルタ等を含む。示されている実施形態では、レンズ系１１０は、単一の光学素子を含む第１のレンズ群を含むが、当業者は、任意の数の光学素子、部品、および／または、レンズを使用して第１のレンズ群を形成することができることを理解するであろう。同様に、後続のレンズ群は、単一のレンズまたは複数の光学部品を含むことができる。図１に示されている実施形態では、第１のレンズ群１１２は、キノフォームレンズまたは特徴、バイナリレンズまたは特徴、フレネルレンズまたは特徴、および／または、同様なデバイスを含む。対照的に、図２は、第４のレンズ１１８が、キノフォームレンズまたは特徴、バイナリレンズまたは特徴、フレネルレンズまたは特徴、および／または、同様なデバイスを含む、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系のもう１つの実施形態を示している。随意には、レンズ系１１０を形成する第１のレンズ群１１２、第２のレンズ群１１４、第３のレンズ群１１６、第４のレンズ群１１８、第５のレンズ群１２０、および／または、第６のレンズ群１２２の任意ののものが、キノフォームレンズ、バイナリレンズ、フレネルレンズ、および／または、同様なデバイスを含んでもよい。

再び図１−図３を参照すると、任意の数の回折特徴１２６が、レンズ系１１０の少なくとも１つのレンズ群１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２上に形成されているのがよい。さらに、回折特徴１２６は、任意の種々の寸法、形状、分布、頻度、および、パターンで形成されることができる。１つの実施形態では、回折特徴は、ルーリングエンジン、または、回折格子製造プロセスを使用して形成されることができる。もう１つの実施形態では、回折特徴１２６は、レンズ系１１０を形成する第１のレンズ群１１２、第２のレンズ群１１４、第３のレンズ群１１６、第４のレンズ群１１８、第５のレンズ群１２０、および／または、第６のレンズ群１２２の少なくとも１つに適用されるエッチング方法、および／または、直接書き込みアプローチを使用して形成されることができる。当業者は、回折特徴１２６が、当業者で知られている任意の種々の方法を使用して施されることができることを理解するであろう。さらに、回折特徴１２６は、レンズ系１１０を形成するために使用される任意のレンズ群１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２または、光学部品に施されることができ、それ故、レンズ系１１０内のどこにでも位置決めされることができる。

再び図１−図３を参照すると、第１のレンズ群１１２、第２のレンズ群１１４、第３のレンズ群１１６、第４のレンズ群１１８、第５のレンズ群１２０、および／または、第６のレンズ群１２２は、任意の寸法、形状で、または、任意の種々の材料から作られることができる。例えば、図３に示されているように、第１のレンズ群１１２は、約１０ｍｍ〜約５００ｍｍ、或いはそれ以上の第１の曲率半径１４２、および、約３ｍｍ〜約３００ｍｍの第２の曲率半径１４４を有する。もう１つの実施形態では、第１のレンズ群１１２は、約１００ｍｍ〜約２００ｍｍの第１の曲率半径１４２、および、約１０ｍｍ〜約１２０ｍｍの第２の曲率半径１４４を有する。随意には、第１のレンズ群１１２は、約１３５ｍｍ〜約１５５ｍｍの第１の曲率半径１４２、および、約５０ｍｍ〜約８０ｍｍの第２の曲率半径１４４を有してもよい。特定の実施形態では、第１のレンズ群１１２は、約１４５ｍｍ〜約１５０ｍｍの第１の曲率半径１４２、および、約５８ｍｍ〜約６２ｍｍの第２の曲率半径１４４を有するが、当業者は、第１のレンズ群１１２が、任意の所望の曲率半径を有して、作られることができることを理解するであろう。同様に、第１のレンズ群１１２は、任意の所望の厚さ、および／または、横方向寸法で作られることができる。１つの実施形態では、第１のレンズ群１１２は、約１ｍｍ〜約２００ｍｍの厚さ、および、約１０ｍｍ〜約５００ｍｍの横方向寸法を有する。随意には、第１のレンズ群１１２は、高レーザパワー密度走査システムの寸法および形状に応じて、約４ｍｍ〜約１０ｍｍの厚さ、および、約２５ｍｍ〜約６０ｍｍ、或いはそれ以上の横方向寸法を有してもよい。もう１つの実施形態では、第１のレンズ群は、約６ｍｍ〜約６．２ｍｍの厚さ、および、約３９．５ｍｍ〜約４０．５０ｍｍの横方向寸法を有する。

再び図１−図３を参照すると、第２のレンズ群１１４が、第１のレンズ群１１２に近接して位置決めされているのがよい。示されている実施形態では、第２のレンズ群１１４は、メニスカスレンズ、および／または、凸凹レンズを含むが、当業者は、第２のレンズ群１１４が、任意の種々のレンズ構成で作られることができることを理解するであろう。上記の第１のレンズ群１１２と同様に、第２のレンズ群１１４は、任意の種々の形状、駿府、横方向寸法形状で、任意の種々の材料から作られることができる。例えば、１つの実施形態では、第２のレンズ群１１４は、約-５ｍｍ〜約-２００ｍｍ、或いはそれ以上の第１の曲率半径１５２、および、約-１５ｍｍ〜約-１４０ｍｍの第２の曲率半径１５４を有する。もう１つの実施形態では、第２のレンズ群１１４は、約-２７ｍｍ〜約-３２ｍｍの第１の曲率半径１５２、および、約-８０の第２の曲率半径１５４を有する。随意には、第２のレンズ群１１４は、約-１０ｍｍ〜約-５０ｍｍの第１の曲率半径１５２、および、約-３７ｍｍ〜約-４３ｍｍの第２の曲率半径１５４を有してもよい。さらに、第２のレンズ群１１４は、レンズ系１１０を組み込む高レーザパワー密度走査システムの寸法および形状に応じて、約５ｍｍ〜約２００ｍｍ、或いはそれ以上の横方向寸法を有する。例えば、１つの実施形態では、第２のレンズ群１１４は、約２０ｍｍ〜約６０ｍｍの横方向寸法を有する。もう１つの実施形態では、第２のレンズ群１１４は、約４０ｍｍ〜約４６ｍｍの横方向寸法を有する。

図１−図３に示されているように、上記の第１のレンズ群１１２および第２のレンズ群１１４と同様に、第３のレンズ群１１６は、第１の曲率半径１６２および第２の曲率半径１６４を含む。１つの実施形態では、第３のレンズ群１１６は、約１５００ｍｍ〜約５０００ｍｍの第１の曲率半径１６２、および、約-５０ｍｍ〜約-１２５ｍｍの第２の曲率半径１６４を有して、作られているのがよい。随意には、第３のレンズ群１１６は、約２５００ｍｍ〜約３２００ｍｍの第１の曲率半径１６２、および、約-９０ｍｍ〜約-１２０ｍｍの第２の曲率半径１６４を含んでもよい。より特定的な実施形態では、第３のレンズ群１１６は、約２９７５ｍｍ〜約３０００ｍｍの第１の曲率半径１６２、および、約-１０３ｍｍ〜約-１０９ｍｍの第２の曲率半径１６４を有して、作られているのがよい。さらに、第３のレンズ群１１６は、レンズ系１１０を組み込む高レーザパワー密度走査システムの寸法および形状に応じて、約２０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、或いはそれ以上の横方向寸法を有する。例えば、第３のレンズ群１１６の特定の実施形態は、約４０ｍｍ〜約８０ｍｍの横方向寸法を有する。もう１つの実施形態では、第３のレンズ群１１６は、約６０ｍｍ〜約７０ｍｍの横方向寸法を有する。

再び図１−図３を参照すると、示されている実施形態では、第４のレンズ群１１８は、両凸レンズを含むが、当業者は、任意の種々のレンズ構成を使用することができることを理解するであろう。１つの実施形態では、第４のレンズ群１１８は、約３０ｍｍ〜約２００ｍｍの第１の曲率半径１７２、および、約-８０ｍｍ〜約-３５０ｍｍの第２の曲率半径１７４を含む。もう１つの実施形態では、第４のレンズ群１１８は、約８０ｍｍ〜約１５０ｍｍの第１の曲率半径１７２、および、約-２００ｍｍ〜約-２５０ｍｍの第２の曲率半径１７４を含む。随意には、第４のレンズ群１１８は、約１１５ｍｍ〜約１２５ｍｍの第１の曲率半径１７２、および、約-２２０ｍｍ〜約-２４０ｍｍの第２の曲率半径１７４を含んでもよい。さらに、第４のレンズ群１１８は、レンズ系１１０を組み込む高レーザパワー密度走査システムの寸法および形状に応じて、約２０ｍｍ〜約１３０ｍｍ、或いはそれ以上の横方向寸法を有するのがよい。例えば、１つの特定の実施形態では、第４のレンズ群１１８は、約４０ｍｍ〜約１２０ｍｍの横方向寸法を有してもよい。もう１つの実施形態では、第４のレンズ群１１８は、約７０ｍｍ〜約８０ｍｍの横方向寸法を有する。

図１−図３に示されているように、第５のレンズ群１２０は、実質的に平凸のレンズ、或いは同様な光学部品を含むのがよい。例えば、１つの実施形態では、第５のレンズ群１２０は、約５０ｍｍ〜約４００ｍｍの第１の曲率半径１８２、および、約２０００ｍｍ〜約１５０００ｍｍの第２の曲率半径１８４を有するのがよい。もう１つの実施形態では、第５のレンズ群１２０は、約１５０ｍｍ〜約２２０ｍｍの第１の曲率半径１８２、および、約６０００ｍｍ〜約１２０００ｍｍの第２の曲率半径１８４を含むのがよい。随意には、第５のレンズ群１２０は、約１７５ｍｍ〜約２００ｍｍの第１の曲率半径１８２、および、約９６００ｍｍ〜約１０３００ｍｍの第２の曲率半径１８４を有してもよい。さらに、第５のレンズ群１２０は、約１０ｍｍ〜約１６０ｍｍの横方向寸法を有するのがよい。随意には、第５のレンズ群１２０は、約５０ｍｍ〜約９０ｍｍの横方向寸法を有する。さら特定的な実施形態では、第５のレンズ群１２０は、約７０ｍｍ〜約８０ｍｍの横方向寸法を有するのがよい。

再び図１−図３を参照すると、レンズ系１１０は、第６のレンズ群１２２を含むのがよい。示されている実施形態では、第６のレンズ群は、メニスカスレンズを含むが、当業者は、任意の種々の光学レンズまたは部品が、第６のレンズ群１２２内で使用されることができることを理解するであろう。１つの実施形態では、第６のレンズ群１２２は、約１５ｍｍ〜約３００第１の曲率半径１９２、および、約５ｍｍ〜約２００ｍｍの第２の曲率半径１９４を有する。もう１つの実施形態では、第６のレンズ群１１４は、約５０ｍｍ〜約１５０ｍｍの第１の曲率半径１９２、および、約２５ｍｍ〜約７５ｍｍの第２の曲率半径１９４を有する。随意には、第６のレンズ群１２２は、約９５ｍｍ〜約１０８ｍｍの第１の曲率半径１９２、および、約４５ｍｍ〜約６０ｍｍの第２の曲率半径１９４を有してもよい。上記のレンズ群と同様に、第６のレンズ群１２２は、レンズ系１１０を組み込む高レーザパワー密度走査システムの寸法および形状に応じて、任意の横方向寸法を有する。例えば、１つの実施形態では、第６のレンズ群１２２は、約１６０ｍｍの横方向寸法を有するが、当業者は、第６のレンズ群１２２の横方向のレンズ群が、変化され得ることを理解するであろう。１つの特定の実施形態では、第６のレンズ群１２２は、約５５ｍｍ〜約７５ｍｍの横方向寸法を有する。

上記のレンズ群１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２は、例えば、溶融シリカを含む任意の種々の材料から作られることができる。もう１つの実施形態では、第１のレンズ群１１２は、ホウケイ酸塩から作られるのがよい。随意には、第１のレンズ群は、シリカ材料、石英、複合ガラス材料、フッ化カルシウム、セラミック、サファイヤ等を含む任意の種々の材料から作られることができる。１つの実施形態では、レンズ群１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２は、同じ材料から作られている。例えば、レンズ系１１０を形成するレンズ群１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２は、溶融シリカから作られているのがよい。それ故、材料の吸収、歪み、熱特性、および他の性能特性は、種々のレンズ群１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２間で調和している。対照的に、レンズ系１１０を形成するレンズ群１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２は、複数の、および／または、異なる材料から作られてもよい。さらに、レンズ群１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２の少なくとも１つは、少なくとも１つの光学コーティングを含んでもよい。例示的な光学コーティングは、反射防止コーティング、分散コーティング、波長フィルタコーティング等を含む。

随意には、１つまたはそれ以上の追加の光学部品、レンズ、または、素子が、レンズ系で使用されてもよい。示されている実施形態では、少なくとも１つの光学部品１３２、および、少なくとも１つのストップ１３４が、レンズ系１１０の光軸１３０に沿って位置決めされている。例示的な追加の光学部品１３２は、ビームスプリッタ、フィルタ、レンズ、回折素子、空間フィルタ、ストップ、アイリス、センサ、偏光子等を含む。さらに、追加の光学部品１３２およびストップ１３４は、レンズ系１１０内のどこにでも位置決めされることができる。

図１−図３に示されているレンズ系１１０は、任意の種々の光源と共に使用されることができる。例えば、１つの実施形態では、レンズ系１１０は、約２００ｎｍ〜３０００ｎｍの波長を有する少なくとも１つの光信号を発するように構成された高レーザパワー密度光源と共に使用されるように構成されている。もう１つの実施形態では、レンズ系１１０は、約４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する少なくとも１つの光波長を発するように構成された高レーザパワー密度光源と共に使用されるように構成されている。特定の実施形態では、レンズ系１１０は、約５１０ｎｍ〜約５２０ｎｍの波長を発するように構成された高レーザパワー密度光源と共に使用されるように構成されている。さらに、レンズ系１１０は、連続波レーザシステムまたはパルスレーザシステムと共に使用されてもよい。例えば、レンズ系１１０は、約０．２ｎｍ〜約２ｎｍFMHMのバンド幅の約５１５ｎｍの波長を有する光信号を出力するように構成されたレーザシステムと共に使用されてもよいが、当業者は、レンズ系１１０が、任意の種々の光源と共に使用されることができることを理解するであろう。

図４−図６は、１つまたはそれ以上の光信号を通過させるレンズ系１１０の種々の図を示している。示されているように、光信号２０２は、レンズ１１０の光軸１３０に沿って整合されるのがよく、レンズ系１１０内に含まれるストップ１３４、或いは他の光学素子若しくは部品を通して差し向けられるのがよい。その後、示されている実施形態ではキノフォームレンズまたはデバイスを含む第１のレンズ群１１２上に入射する。示されているように、光信号２０２は、レンズ系１１０を通過し、少なくとも１つのワークピースおよび／またはワーク表面２００、或いは同様な目標上に入射する。示されているように、レンズ系１１０は、テレセントリックであるように構成されているのがよい。随意には、レンズ系１１０は、非テレセントリックであるように構成されていてもよい。さらに、図５に示されているように、ワーク表面２００上に投射される２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅの少なくとも１つの入射角は、ワーク表面２００と実質的に直交する。示されている実施形態では、出力信号２０４ａ−２０４ｅの入射角は、ワーク表面２００とすべて実質的に直交するが、当業者は、出力信号２０４ａ−２０４ｅ少なくとも１つの入射角は、ワーク表面２００と直交する必要はないことを理解するであろう。図６に示されているように、出力信号２０４ａ−２０４ｅは、実質的にかつ一貫して円形であり、大きな平面に亘って実質的に均一な強度を有する。従来技術のデバイスとは異なり、本願に開示されているレンズ系１１０は、横方向色収差、長手方向色収差、および、他の収差を減少させ、それによって、レンズ系１１０を組み込んでいるレーザ走査システムの性能を向上させる。

図７は、円内エネルギーに関する（設計誤差および回折効果を含む）レンズ系１１０の光学的性能を示している。さらに詳しくは、図７は、各出力信号２０４ａ−２０４ｅ内で、多色円内エネルギーが、全視野に亘って９０％よりも大きく、理想的な回折限界性能に大変近く、かくして、画像平面において均一に円形のエネルギー分布を確保することを示している。示されている例では、各出力信号２０４ａ−２０４ｅの横方向寸法は約３．０ｍｍであるが、当業者は、各出力信号２０４ａ−２０４ｅの横方向寸法（まはたブレ半径）が、容易に変化され得ることを理解するであろう。

図８−図１１は、高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系のもう１つの実施形態の種々の図を示している。前の実施形態と同様に、レンズ系３１０は、１つまたはそれ以上のレンズ群を含み、各レンズ群は、入射光信号を調節、或いは他の仕方で変更するように構成された１つまたはそれ以上のレンズ、ミラー、屈折素子、回折素子または特徴、アパーチャ、ストップ、フィルタ等を含む。さらに、示されている実施形態では、レンズ系３１０は、テレセントリックレンズ系を含むが、当業者は、レンズ系３１０が、テレセントリックである必要はないことを理解するであろう。示されている実施形態では、レンズ系は、第１のレンズ群３１２、第２のレンズ群３１４、第３のレンズ群３１６、第４のレンズ群３１８、第５のレンズ群３２０、および／または第６のレンズ群３２２、或いはそれ以上を含む。しかしながら、上記に示されている実施形態よりはむしろ、図８−図１１に示されているレンズ系３１０は、レンズ系３１０のレンズ群３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２の少なくとも１つ上に形成された少なくとも１つの回折特徴ではないレンズ系３１０内に位置決めされた少なくとも１つのキノフォームレンズ、或いは同様な回折素子３１２を含む。示されている実施形態では、キノフォームレンズ３２６は、第１のレンズ群３１２と第２のレンズ群３１４の間に位置する。随意には、キノフォームレンズ３２６は、レンズ系３１０内のどこに位置してもよい。図９に示されているように、図４および図５に示され、上記されている実施形態と同様に、レンズ系３１０の出力信号３３４ａ−３３４ｅは、実質的にかつ一貫して円形であり、大きな平面に亘って実質的に均一な強度を有する。従来技術のデバイスとは異なり、本願に開示されているレンズ系３１０は、横方向色収差、長手方向色収差、および、他の収差を減少させ、それによって、レンズ系３１０を組み込んでいるレーザ走査システムの性能を向上させる。

図１０および図１１は、図８に示されているレンズ系３１０の実施形態で使用される例示的なキノフォームレンズ３２６の実施形態の種々の図である。示されているように、キノフォームレンズ３２６は、中央本体または領域３５２を有する少なくとも１つのレンズ本体３５０を含むのがよい。さらに、１つまたはそれ以上の回折特徴および／または素子が、中央本体または領域３５２に近接して形成または位置決めされているのがよい。示されている実施形態では、第１の回折特徴３５４、第２の回折特徴３５６、第３の回折特徴３５８、および、第４の回折特徴３６０が、中央本体３５２に近接して位置決めされている。１つの実施形態では、中央本体３５２および回折特徴３５４、３５６、３５８、３６０は、レンズ本体３５０の少なくとも１つの回折構造体３６２を形成するように構成されているのがよい。示されている実施形態では、回折構造体３６２は、回折微細構造体を形成する。例えば、回折構造体３６２は、当業界で知られている回折ルーリングまたは他の方法によって形成されることができる。随意には、任意の数の回折特徴が、中央本体３５２上に、または、近接して位置決めされることができる。さらに、このフォームレンズ３２６、および、キノフォームレンズ３２６の種々の素子（例えば、レンズ本体３５０、中央本体３５２、種々の回折特徴）は、任意の種々の寸法、形状、頻度、構成等で形成されることができる。さらに、１つの実施形態では、キノフォームレンズ３２６は、任意の種々の材料から作られることができる。本願に開示されている実施形態は、本発明の原理の例示である。

本発明の範囲内にある他の変更を使用することができる。したがって、本願に開示されているデバイスは、本願に正確に示され、記載されているデバイスに限定されない。

１１０レンズ系
１１２第１のレンズ群
１１４第２のレンズ群
１１６第３のレンズ群
１１８第４のレンズ群
１２０第５のレンズ群
１２２第６のレンズ群
１２６回折特徴
１３０光軸
３１０レンズ系
３１２第１のレンズ群
３１４第２のレンズ群
３１６第３のレンズ群
３１８第４のレンズ群
３２０第５のレンズ群
３２２第６のレンズ群
３２６キノフォームレンズ
３５０レンズ本体
３５２中央本体または領域
３５４第１の回折特徴
３５６第２の回折特徴
３５８第３の回折特徴
３６０第４の回折特徴

Claims

高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系であって、該レンズ系は、
１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有し、少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡し、少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成された第１のレンズ群と、
１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有し、前記第１のレンズ群を介して前記少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡し、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成された少なくとも１つの第２のレンズ群と、
前記第１のレンズ群および前記第２のレンズ群の少なくとも１つと光学的に連絡し、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成された
少なくとも１つの回折光学素子と、を含む、レンズ系。
前記第１のレンズ群は、単一の屈折レンズを含む、請求項１に記載のレンズ系。
前記第２のレンズ群と光学的に連絡し、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を含む第３のレンズ群と、
前記第３のレンズ群と光学的に連絡し、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を含む第４のレンズ群と、
前記第４のレンズ群と光学的に連絡し、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を含む第５のレンズ群と、
前記第５のレンズ群と光学的に連絡し、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を含む少なくとも１つの第６のレンズ群と、をさらに含む、請求項１に記載のレンズ系。
前記少なくとも１つの屈折光学素子は、前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群の間で前記レンズ系内に位置決めされている、請求項３に記載のレンズ系。
前記第１のレンズ群、第２のレンズ群、第３のレンズ群、第４のレンズ群、第５のレンズ群、第６のレンズ群、および回折光学素子の少なくとも１つは、溶融シリカから作られている、請求項３に記載のレンズ系。
前記少なくとも１つの回折光学素子は、前記第１のレンズ群、第２のレンズ群、第３のレンズ群、第４のレンズ群、第５のレンズ群、および、第６のレンズ群の少なくとも１つ上に形成されている、請求項５に記載のレンズ系。
前記少なくとも１つの回折光学素子は、少なくとも１つのキノフォームレンズを含む、請求項１に記載のレンズ系。
前記少なくとも１つの回折光学素子は、少なくとも１つのレンズ本体を含み、前記少なくとも１つのレンズ本体は、該少なくとも１つのレンズ本体上に形成されている１つまたはそれ以上の回折微細構造体を有する、請求項１に記載のレンズ系。
前記少なくとも１つの回折光学素子は、少なくとも１つのレンズ本体を含み、前記少なくとも１つのレンズ本体は、該少なくとも１つのレンズ本体上に形成されているブレーズド回折微細構造体を有する、請求項１に記載のレンズ系。
高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系であって、該レンズ系は、
１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有し、少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡し、少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成された第１のレンズ群と、
前記第１のレンズ群と光学的に連絡し、前記第１のレンズ群から前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を受け取り、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成された少なくとも１つの回折光学素子と、
１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有し、前記少なくとも１つの回折光学素子を介して前記少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡し、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成された少なくとも１つの第２のレンズ群と、を含む、レンズ系。
前記第２のレンズ群と光学的に連絡し、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を含む第３のレンズ群と、
前記第３のレンズ群と光学的に連絡し、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を含む第４のレンズ群と、
前記第４のレンズ群と光学的に連絡し、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を含む第５のレンズ群と、
前記第５のレンズ群と光学的に連絡し、１つまたはそれ以上の屈折光学素子を含む少なくとも１つの第６のレンズ群と、をさらに含む、請求項１０に記載のレンズ系。
前記第１のレンズ群、第２のレンズ群、第３のレンズ群、第４のレンズ群、第５のレンズ群、第６のレンズ群、および回折光学素子の少なくとも１つは、溶融シリカから作られている、請求項１０に記載のレンズ系。
前記少なくとも１つの回折光学素子は、前記第１のレンズ群、第２のレンズ群、第３のレンズ群、第４のレンズ群、第５のレンズ群、および、第６のレンズ群の少なくとも１つ上に形成されている、請求項５に記載のレンズ系。
前記少なくとも１つの回折光学素子は、少なくとも１つのキノフォームレンズを含む、請求項１０に記載のレンズ系。
前記少なくとも１つの回折光学素子は、少なくとも１つのレンズ本体を含み、前記少なくとも１つのレンズ本体は、該少なくとも１つのレンズ本体上に形成されている１つまたはそれ以上の回折微細構造体を有する、請求項１０に記載のレンズ系。
前記少なくとも１つの回折光学素子は、少なくとも１つのレンズ本体を含み、前記少なくとも１つのレンズ本体は、該少なくとも１つのレンズ本体上に形成されているブレーズド回折微細構造体を有する、請求項１０に記載のレンズ系。
高レーザパワー密度走査システムと共に使用されるレンズ系であって、該レンズ系は、
１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有し、少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡し、少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成された第１のレンズ群と、
前記第１のレンズ群と光学的に連絡し、前記第１のレンズ群から前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を受け取り、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成された少なくとも１つの回折光学素子と、
１つまたはそれ以上の屈折光学素子を有し、前記少なくとも１つの回折光学素子を介して前記少なくとも１つの高平均パワーレーザ走査システムと光学的に連絡し、前記少なくとも１つの高平均レーザパワー密度信号を伝達し、通過させるように構成された少なくとも１つの第２のレンズ群と、を含み、前記第１のレンズ群、少なくとも１つの回折光学素子、および、少なくとも１つの第２のレンズ群は、平らな画像形成平面または面上に１つまたはそれ以上の小さい照明スポットを出力するように構成されたテレセントリックレンズ系を協働して形成する、レンズ系。
前記少なくとも１つの回折光学素子は、少なくとも１つのキノフォームレンズを含む、請求項１７に記載のレンズ系。
前記第１のレンズ群、少なくとも１つの回折光学素子、および、少なくとも１つのレンズ群は、溶融シリカから作られている、請求項１７に記載のレンズ系。