JP3889446B2 - 光学的なビーム形成システム - Google Patents

Description

技術分野：
本発明は、それぞれ部分ビーム束を捕捉する複数のレンズを有するレンズアレイを備えていて１つのビーム束内に配置された光学素子を有し、前記レンズのレンズ面が単一屈折素子の、光学的に能動的な境界面内に成形されている形式の、光学的なビーム形成システムに関する。
背景技術：
一般に、入射する光束をそのビームパラメータに関して決定的に変更させる光学素子のユニット配置を、光学的なビーム形成システムと云う。実地において生じる主たる適用例として、ビーム束の横断面について特定の幾何学的な形状と大きさ、例えば円形、方形又は格子形など、及び／又はその横断面にわたって特定された強度分布が要求される。往々にして両特性が同時に影響されねばならない場合がある。例えばビーム形成システムのための入射ビーム束を供給する光源が、不均一な強度分布と不規則的な幾何学的寸法とを有するビーム束を供給するけれども、ビーム形成システムの出射ビーム束に対しては、前記の特性に関して特定のハンディキャップが与えられる。
従来技術によれば、例えば欧州特許出願公開第０２３２０３７号明細書に基づいて、光ビーム束を不均一なエネルギ分布をもって入射させ得る光学的なビーム形成システムが公知であり、その場合、光ビーム束の出射ビーム束はその横断面にわたって均等な強度分布を有している。このようなビーム形成システムは、ホモゲナイザー（Homogenisierer）とも呼ばれる。
前記ホモゲナイザーは、例えば導入されたビーム束の全ビーム横断面を捕捉するポジティブに湾曲された、つまり凸状の境界面を有する収斂レンズのような慣用の光学素子以外に、いわゆるレンズアレイも有しており、該レンズアレイは、ビーム横断面の夫々一部分だけ、つまり部分ビーム束だけを捕捉するレンズから構成されている。
光学的なホモゲナイザーでは、光路内に互いに交差する円筒レンズアレイを配置した構造形がその地歩を確立している。部分的にはこの円筒レンズアレイは個々の円筒レンズ素子から構成される。しかしながら、単一ガラスブロック又は単一プラスチックブロックから研磨加工された単一の扁平な円筒レンズアレイも入手することが可能である。
従来技術に基づいて公知になっている前記のような単一の光学素子によって、これまで専らホモゲナイザーを実現できるのは勿論であるが、該ホモゲナイザーは更に、レンズなどのような付加的な光学素子を必要としている。これに対してホモゲナイザーの場合と同様に、横断面にわたって均等な強度分布を得るためばかりでなく、任意に成形された入射ビーム束から、特定の幾何学形状で特定の強度プロフィールを形成するためには、従来技術では、先ず入射ビームを均質化し、次いで更なるビーム経過中に付加的なビーム形成システムを介在させることが必要である。こうして例えば、吸収フィルタ又はマスクを使用して強度プロフィールを設定することが公知である。幾何学的なビーム形成は、適当に成形されたマスクを光路内へ挿入することによって得られる。
前記幾何学的な強度ビーム形成システムの欠点は次の通りである。すなわち：導入されるビームエネルギの大部分が、フィルタ内で、或いはマスクの不透過域において吸収され、かつ出射するビーム束は、光エネルギとしてはもはや使用されないことである。実地において従来技術のビーム形成システムでは、こうして入射エネルギの９０％以上が失われる。要するに全体として見れば、効率は極めて不良である。
これに加えて、前記のホモゲナイザーを含む公知の光学的なビーム形成システムは夫々多数の光学素子から構成されている。従ってその製作及び調整は煩雑で割高になる。
発明の開示：
本発明の課題は、従来技術の前記欠点を排除すると共に特に光学的なビーム形成システムを改良して、ビームパラメータに影響を及ぼして効率を改善し、かつ構造を一層単純にすることである。
前記課題を解決するための本発明の構成手段は、境界面が湾曲した基本形状を有している点にある。
本発明は、従来公知のビーム形成システムにおいて使用される扁平なレンズアレイ及びその他の光学素子、例えば結像レンズなどが１つ又は若干の少数の単一光学素子に組込まれるという認識から出発している。この本発明による単一屈折素子は、光学的に能動的な境界面、例えば１つのレンズの入射側及び出射側の表面が、湾曲した基本形状を形成しており、該基本形状の表面が、いわば１つのレンズアレイの個々のレンズの比較的小さなレンズ面でもって変調され、つまり重畳されていることを特徴としている。
例えば従来１つのホモゲナイザーにおいて使用された全ての素子を１つの単一素子に纏めることによって、こうして使用素子数を激減するという明白な利点以外に更にまた、単一統合によって始めて開示される別の利点が得られる。すなわち：湾曲した基本形状を考慮してレンズアレイを任意に形成しかつ方位づけることによって始めて、幾何学形状及び強度分布に関してビームパラメータにほぼ任意に影響を及ぼすこと、つまり、いわば単一素子においてプログラミングすることが可能になる。この場合フィルタ又はマスクのような吸収性素子は使用されないので、従来技術に対比して高い効率が得られる。その場合吸収損失は概ね無視できるほど僅かである。
全てのビームパラメータに対する所期の影響を含む所望の特性を実現するためには、個々の場合、境界面の幾何学的形状を決定するために或る程度の計算上の手間が必要にはなるが、しかしながら使用されるコンピュータ容量に関してそれ以上不利になることはない。むしろ本発明の単一光学素子は、その製作後にそれ以上調整する必要はなく、その限りでは時の経過につれて再調整することもない。
原則として本発明は、光学的なビーム形成システムの、以前に必要とされた別個の素子を１つの光学素子に纏めることを可能にするので有利である。このために個々の事例に応じて、単一光学素子の、光路内に位置している表面の基本形状、つまり境界面の基本形状は、凹面状又は凸面状であり、しかも球面状、非球面状又は円筒形に成形されているのが有利である。１つのレンズアレイのレンズの、前記基本形状の表面に成形されたレンズ面自体はやはり凹面状又は凸面状、しかも球面状、非球面状又は円筒形状であってもよい。
境界面つまり基本形状は、回転対称形又は楕円形であっても、その他考えられ得る幾何学的形状をとることができる。１つのレンズアレイの個々のレンズについても、同等のことが当て嵌まる。例えば帯状レンズを四角形基面に成形することも可能であり、或いはファセット状のレンズを回転対称形（例えば円形）の基本形状又は楕円形の基本形状に回転対称形に配置していてもよい。
本発明の有利な構成では、１つのレンズアレイの個々のレンズは、異なった焦点距離及び／又は異なったアパーチャ（口径）を有している。この手段によって焦点における強度は、例えばガウスプロフィール又はその他任意の分布を規定できるように変調される。
設計時に焦点距離、アパーチャ、境界面形状及び光軸配置に関して事実上ほぼ完全な自由度を有する組合せ可能性によって、ビーム形成、つまりビームパラメータが幾何学的形状及び強度に関して、ほぼ任意に本発明の光学素子において組込まれ、つまりプログラミングされる。
夫々発生する個々の事例の要求に応じて、つまりビーム形成システム内へ導入されるビーム束と、そこから出るビーム束との間におけるビームパラメータの変化に応じて、本発明は、本発明の光学素子の境界面だけを、すなわちビーム束の入射又は出射する表面だけを構成することを可能にする。こうして例えば、レンズアレイが両境界面に形成されている１つの単一素子を、互いに可動の２つの単一素子に分離するのが有利であり、これによって全ビーム形成システムの光学特性の或る程度の可変性が得られる。
更にまた、レンズアレイをレンズマトリックスとして構成し、つまり格子状に配置された多数のレンズ面を有する二次元アレイとして、或いは例えば多数の円筒レンズ面をリニアに互いに並列的に配置した一次元アレイとして構成するのも有利である。前記円筒レンズ面は異なったアパーチャを、すなわち異なった幅及び互いに相違した焦点距離を有することもできる。
本発明によるビーム形成システムの有利な実施形態では、単一光学素子の両境界面に円筒レンズアレイが形成されており、該円筒レンズアレイの円筒レンズは互いに交差して配置されている。このようにすれば、従来技術において多数の円筒レンズアレイと結像レンズとから構成されているようなホモゲナイザーが、１つの光学素子で実現される。その場合、後の再調整が排除されるばかりではない。複数の境界面を省くことによって、そこで生じる不可避的な損失も減少され、これによって総効率の上昇が得られる。
前記のホモゲナイザーの場合、従来技術において慣用されているような円筒レンズアレイは、凸面状の円筒レンズを有することができる。しかしながら円筒レンズアレイは凹面状の円筒レンズを有しているのが特に有利である。つまり凸面状のレンズは原理的には、場合によってはイオン化による損失又は損傷を光学材料に生ぜしめるほどエネルギ密度を高めるような実焦点を発生するという欠点を有している。これに対して凹面状の円筒レンズは仮想焦点を有しているに過ぎず、従って前記効果による損失は原理的には発生することはない。
原理的には、本発明の単一素子を実際に実現するために一切の光学材料、例えば高級プラスチック又は高級ガラスを使用することが可能である。その場合、製作に使用される製作法は、その都度使用される材料に調和されねばならない。異なった光学面を組合せる際に必要な自由成形面幾何学形状は、コンピュータに支援された製作法によって変換されるのが有利である。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による単一光学素子の第１実施形態の斜視図である。
図２は本発明による単一光学素子の第２実施形態の斜視図である。
図３は本発明による単一光学素子の第３実施形態の端面図である。
発明を実施するための最良の形態：
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
図１には、本発明の単一光学素子が斜視図で図示されており、全体として符号１で示されている。図面では上位の境界面２は光入射面を、また下位の境界面２′は光出射面を形成し、或いはその逆を形成している。
両境界面２，２′は凸面−円筒形の基本形状を有している。その場合円筒体は交差して配置されている。
上位の境界面２にも、下位の境界面２′にも夫々一次元アレイの凹面状の円筒レンズ３が成形されている。該円筒レンズ３の円筒縦軸線は、境界面２，２′の円筒縦軸線に対して夫々平行に位置している。
図示の実施形態では単一光学素子１は、特定の光学特性を有するホモゲナイザーを既に形成している。円筒レンズ３並びに境界面２，２′の成形によってすでに製作時にビームパラメータの予め特定された影響量が規定される。
この実施形態で特に有利な点は、円筒レンズ３が凹面状であり、かつ単一光学素子１の内部に実焦点を有していないことである。これによって、光学的な材料を損傷させる高いエネルギ密度が避けられる。
図２には、図１と同様に、ほぼ同等に構成された単一光学素子が図示されており、該単一光学素子も符号１を有している。図１との唯一の相違点は、この境界面２，２′に成形された円筒レンズ４が、凸面円筒形に形成されていることである。
図１及び図２に図示したホモゲナイザーの利点は、該ホモゲナイザーが２つの光学的に能動的な境界面しか有していず、従って格別高い効率を有していることである。更に該ホモゲナイザーは、複数の光学素子から構成されたホモゲナイザーに対比して、全体としてより単純に構成されており、かつ調整の必要もない。
図３には別の実施形態による本発明の屈折素子１の光学的に能動的な境界面５の軸方向端面図が図示されている。その場合の特殊性は、基本形状つまり境界面５が円形に形成されている点にある。本発明によれば図平面に対して直角方向に湾曲された、つまり例えば球面−凸面状の基本形状を有する円形基本面に、回転対称にファセット状に形成された個々のレンズ６が成形されている。該レンズは本発明によれば、やはり球面形、非球面形又は円筒形、凸面形又は凹面形に構成されており、かつ異なった焦点距離及び／又はアパーチャを有することができる。同じく境界面５は楕円形であってもよい。
コンピュータで支援して製作することによって、単一光学素子１は、ビームパラメータの全ての要求される影響量に対して事実上、比較的僅かな経費で製作することができる。

Claims (9)

1. ビームの入射面および出射面として機能する２つの屈折境界面（２，２’，５）を有する単一光学素子（１）を含み、各境界面（２，２’，５）には円筒レンズアレイ（３，４，６）が設けられ、各境界面（２，２’，５）は、湾曲した円筒状基本形状を有し、該基本形状には円筒縦軸線が割当てられ、
   境界面（２，２’，５）の円筒状基本形状は、凸に湾曲し、その円筒縦軸線は、相互に垂直に設けられ、
   円筒レンズ（３，４，６）の円筒縦軸線は、該円筒レンズが配置される境界面（２，２’，５）の円筒縦軸線に平行に設けられることを特徴とする、光学的なビーム形成システム。
2. アレイの円筒レンズ（３，４，６）が異なった焦点距離を有していることを特徴とする、請求項１記載のビーム形成システム。
3. アレイの円筒レンズ（３，４，６）が、異なったアパーチャを有していることを特徴とする、請求項１記載のビーム形成システム。
4. アレイの円筒レンズ（３，４，６）が、異なった方位の光軸を有していることを特徴とする、請求項１記載のビーム形成システム。
5. 円筒レンズアレイ（３，４，６）が一次元アレイであることを特徴とする、請求項１記載のビーム形成システム。
6. 円筒レンズアレイ（３，４，６）が二次元アレイであることを特徴とする、請求項１記載のビーム形成システム。
7. 単一光学素子（１）の２つの境界面（２，２’，５）にアレイとして配置される円筒レンズ（３，４，６）の円筒縦軸線は、相互に交差して配置されていることを特徴とする、請求項１記載のビーム形成システム。
8. 前記アレイが凹面状の円筒レンズを有していることを特徴とする、請求項１記載のビーム形成システム。
9. 前記アレイが凸面状の円筒レンズを有していることを特徴とする、請求項１記載のビーム形成システム。

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