JP5432438B2 - レーザ光線の均一な角度分布生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に従うレーザ光線の均一な角度分布生成装置に関する。さらに、本発明は、そのような形式の多数の装置に関する。

上記形式の装置は、特許文献１から公知である。当該出願書に記載された装置は、光線の拡散方向において前後に配置された２つの均質化ユニットを有し、これらのユニットのそれぞれは入射面上にシリンドリカルレンズアレイおよび出射面上に前記アレイに交差するシリンドリカルレンズアレイを備えた基体を有する。この２段仕様により、レーザ光線はその空間的分布およびその角度分布の双方に関して均質化できる。交差するシリンドリカルレンズアレイの使用により、これは２つの独立した方向に関して、たとえばレーザダイオード・バーにおいて、いわゆる速軸および遅軸に関してレーザ光源として機能できる。これらのユニット相互の間隔は、基本的に第２レンズアレイの焦点距離に相当する。

欧州特許出願第１４８９４３９号明細書

そのような形式の装置における欠点として判明しているのは、当該システムの構造により第２レンズアレイからの出射時に固定された角度分布が生じるという事実である。視野レンズによる作業面へのこの角度分布が行われたとき、均質照射された領域には所定のサイズが形成される。たとえばそのような装置による均質ラインが生成されるとき、所定の作業面におけるラインの長さは装置構造、特にレンズアレイの焦点距離により決定される。

本発明の根底をなす課題は、冒頭に述べた形式の装置を柔軟に適用可能に構成することである。

これは、本発明に従う請求項１の有利な特徴を備えた冒頭に述べた形式の装置により達成される。その他の従属請求項は、本発明の好ましい実施形態に関するものである。

本発明は、入射面および出射面を有する第１基体を備えた第１均質化ユニットであって、前記入射面および／または出射面上には均質化すべきレーザ光線が通過できる第１レンズアレイが形成された、第１均質化ユニットと、
入射面および出射面を有する第２基体を備えた第２均質化ユニットであって、前記入射面および／または出射面上には前記第１レンズアレイから出たレーザ光線が通過できる第２レンズアレイが形成され、このレーザ光線が前記第２均質化ユニットから出た後に比較的均一な角度分布を有する、第２均質化ユニットとを有するレーザ光線の均一な角度分布生成装置において、
第２均質化ユニットは第２基体に加えて入射面および出射面を有する第３基体を有し、前記入射面および／または出射面上には第２レンズアレイから間隔をあけて第３のレンズアレイが形成されており、第２基体および第３基体の間隔が角度分布に影響を及ぼすことを特徴とする角度分布生成装置である。

本発明において、少なくとも１つの第１レンズアレイは少なくとも１つの第２レンズアレイおよび少なくとも１つの第３レンズアレイから構成されるレンズシステムの入射側焦点面に配置されることを特徴とする。

本発明において、第２基体および第３基体の間隔が可変であり、特に第１基体と第２基体および／または第３基体との間隔も可変であることを特徴とする。

本発明において、第２基体と第３基体とを相対的に移動できる位置決め手段を有しており、特に第１基体を第２基体および／または第３基体に対して移動できる位置決め手段も有することを特徴とする。

本発明において、視野レンズとして機能するレンズ手段を有しており、レーザ光線は少なくとも１つの第３レンズアレイからの出射後に前記手段を通過でき、レーザ光線により均質に照射された領域が作業面において生じることを特徴とする。

本発明において、レンズアレイはそれぞれ多数の球面レンズを有することを特徴とする。

本発明において、レンズアレイはそれぞれ多数のシリンドリカルレンズを有することを特徴とする。

本発明において、前記シリンドリカルレンズのシリンダ軸は互いに平行に整列されていることを特徴とする。

本発明において、基体はそれらの入射面および出射面にそれぞれ多数のシリンドリカルレンズを有しており、それらのシリンダ軸はそれぞれの入射面および出射面に配置されたシリンドリカルレンズに対して互いに垂直に整列されていることを特徴とする。

本発明において、２つの第１レンズアレイを備えた２つの第１基体と、２つの第２レンズアレイを備えた２つの第２基体と、２つの第３レンズアレイを備えた２つの第３基体とを有することを特徴とする。

本発明において、第１レンズアレイのシリンダ軸が互いに垂直に配置され、および／または第２レンズアレイのシリンダ軸が互いに垂直に配置され、および／または第３レンズアレイのシリンダ軸が互いに垂直に配置されていることを特徴とする。

本発明は、少なくとも１つの第２基体および少なくとも１つの第３基体の間隔が多数の装置の少なくとも２つにおいて互いに異なることを特徴とする多数の角度分布生成装置である。

請求項１に従えば、第２均質化ユニットは第２基体に加えて入射面および出射面を有する第３基体を有し、前記入射面および／または出射面上に少なくとも第２のレンズアレイから間隔をあけて第３のレンズアレイが形成されており、少なくとも１つの第２基体と少なくとも１つの第３基体との間隔が角度分布に影響を及ぼす。その場合にたとえば提供され得るのは、第２基体と第３基体との間隔が可変であり、さらに特に第１基体と第２基体および／または第３基体との間隔が可変ということである。それにより、必要に応じて、当該装置は角度分布が変化し、また作業面における照射領域のサイズも変化するように変更可能である。したがって、たとえば作業面において均質照射ラインを生成すべきであれば、その長さは第２基体と第３基体との間隔の変化により変えることができる。第２基体と第３基体との間隔を変える際には、第１基体と第２基体との間隔も変えることが有利であろう、なぜならば、好適には少なくとも１つの第１レンズアレイが少なくとも１つの第２レンズアレイおよび少なくとも１つの第３レンズアレイから構成されるレンズシステムの入射側の焦点面に配置されるからである。

そのために、当該装置は第２基体と第３基体とを相対的に移動できる位置決め手段を有してもよく、装置は特に第１基体を第２基体および／または第３基体に対して移動できる位置決め手段を有してもよい。この位置決め手段として使用されるのは、たとえばステップモータである。

本発明の変更形態では、３つの基体は、個別事例の要求に応じて、たとえば共通の基板上に配置されて固着できる。但し、可変的な製造も行われる、なぜなら、個別事例の要求に応じて特別な装置が組み立てられるからであり、その場合には３種類の基体だけは在庫で保持しなければならない。基体間の間隔の変更により、出口での角度分布に対する影響が、したがって作業領域における照射面のサイズに対する影響が生じ得る。そのため、たとえばメーカーにおいては、少なくとも１つの第２基体と少なくとも１つの第３基体との間隔が多数の装置の少なくとも２つにおいて互いに異なる多数の装置が製造される。

該装置が視野レンズとして機能するレンズ手段を有するということが可能であり、レーザ光線は少なくとも１つの第３レンズアレイからの出射後に該手段を通過でき、レーザ光線により均質に照射された領域が作業面において生じる。そのようなレンズ手段により、たとえばレンズアレイの適正な構成において、また作業面において均質化すべきレーザ光線の適切な選択においても均質に照射されたラインが生成できる。

本発明のより詳細な特徴および長所は、添付図を参照した好適な実施例の以下の説明に従って明らかにされる。

これらの図においては、概観を容易にするためにデカルト座標系が図示されている。図の左からたとえば正Ｚ方向に、たとえば半導体レーザ、特にレーザダイオード・バーからのレーザ光線が本発明に従う装置に到達する。

図１から見てとれる本発明に従う装置の実施形態は、第１基体１と、第２基体２と、第３基体３とを有する。これらの基体１，２，３は、たとえばガラスまたは一定の光に対して透明な他の材料から製作される。基体１，２，３のそれぞれは、図１においてそれぞれ左側に配置された入射面と、図１においてそれぞれ右側に配置された均質化すべき光線に対する出射面とを有する。

基体１，２，３のそれぞれに、レンズアレイ４，５，６が配置される。第１レンズアレイ４は、凸レンズ７のアレイとして基体１の出射側に形成される。入射側は凹面および凸面構造のいずれも有しないので、全体として平凸レンズアレイが形成される。図１には、簡略化を図るために３枚のレンズ７しか図示されていないが、３枚以上のレンズ７を設けることは全く可能である。

第２レンズアレイ５は、凹レンズ８のアレイとして基体２の入射側に形成される。出射側は凹面および凸面構造のいずれも有しないので、全体として平凹レンズアレイが形成される。この場合にも、３枚以上のレンズ８を設けることは全く可能である。

第３レンズアレイ６は、凸レンズ９のアレイとして基体３の入射側に形成される。出射側は凹面および凸面構造のいずれも有しないので、全体として平凸レンズアレイが形成される。この場合にも、３枚以上のレンズ９を設けることは全く可能である。

第１レンズアレイ４を備えた第１基体１は、第１均質化ユニット１０を形成する。第２レンズアレイ５を備えた第２基体２は、第３基体３および第３レンズアレイ６と共に第２均質化ユニット１１を形成する。

レンズ７，８，９はそれぞれ、それらのシリンダ軸がＹ方向に延びるシリンドリカルレンズとして形成されている。そのため、装置はＺ方向に伝播するレーザ光線をＸ方向に関してのみ均質化する。均質化をＹ方向に関しても達成するためには、それらのシリンダ軸がＸ方向に延びるシリンドリカルレンズを備えた類似構造の装置を図示された装置の後方に配置すべきである。さらに、たとえばＸ方向およびＹ方向のいずれにも作用する装置の基体を交互に配置することも可能である。あるいは、Ｘ方向に延びるシリンダ軸を持つシリンドリカルレンズを個別の基体の入射面に、またＹ方向に延びるシリンダ軸を持つシリンドリカルレンズを個別の基体の出射面に設けることも提供できる。この方法によっても、Ｘ，Ｙ両方向に関する均質化が達成できるであろう。

変更形態として、シリンドリカルレンズの代わりに球面レンズを用いることも全く可能である。

さらに、本発明に従う装置の図１に示された実施形態は、両凸視野レンズとして構成されたレンズ手段１２を有する。これらのレンズ手段１２は、たとえば第３基体３の出射面がレンズ手段１２の入射側焦点面にあるように配置することができる。レンズ手段１２の出射側焦点面に配置された作業面１３（図２参照）において、その大きさが第１レンズアレイ４の単独レンズ７のＸ方向のピッチｐ（図１参照）ならびに両方のレンズアレイ５，６により形成されたシステムの総焦点距離ｆ_１ｇｅｓ（図２参照）により決定される照射された領域１４が生じる。

図２には、本発明を明示するためにその機能に関して図１に従う装置に対応するシステムが図示されている。レンズアレイ５，６を備えた両基体２，３は、レンズアレイ１６を備えた単独基体１５により代替された。レンズアレイ１６の焦点距離ｆ_ｇｅｓは第２および第３レンズアレイ５，６により構成されたシステムの焦点距離に相当する。薄いレンズおよびレンズ間の小さな間隔については、システム焦点距離ｆ_ｇｅｓは近似的に公知の公式１／ｆ_１ｇｅｓ＝１／ｆ_８＋１／ｆ_９−ｄ_１／（ｆ_８＊ｆ_９）により表される。ここでｄ_１はレンズアレイ５，６の間隔であり（図１参照）、さらにｆ_８はレンズ８の焦点距離、またｆ_９はレンズ９の焦点距離である。特に、第１レンズアレイ４は、第２レンズアレイ５および第３レンズアレイ６からなるシステムの入射側焦点面にある。これは、「システム・レンズアレイ」１６と第１レンズアレイ４との間隔ｆ_１ｇｅｓを読み取ることができる図２においても、明らかである。

図２における代替システムにより、入射するレーザ光線１７の均質化も明らかである。特に作業面１３には、たとえば線状である照射された領域１４が生じる。この照射領域のＸ方向の拡大は、第２均質化ユニット１１から出る光とＺ方向との角度α_１により決定される（図２参照）。この角度α_１は、さらにピッチならびに第２レンズアレイ５および第３レンズアレイ６からなるシステムの総焦点距離ｆ_１ｇｅｓにより決定される。

図３から見てとれる本発明に従う装置の第２の実施形態では、図１および図２と同じ参照番号が付けられている。図３に従う装置が図１に従う装置と異なる点は、図１に従う装置における間隔ｄ_１よりも大きい第２レンズアレイ５と第３レンズアレイ６との間隔ｄ_２（図３参照）および第２レンズアレイ５と第１レンズアレイ４との間隔だけである。この間隔は変更されたシステム焦点距離ｆ_２ｇｅｓ（図４参照）に応じて適合されたため、第１レンズアレイ４は第２レンズアレイ５と第３レンズアレイ６からなるシステムの入射側焦点面に配置されている。

システム焦点距離ｆ_２ｇｅｓが変更された結果、第２均質化ユニット１１から出る光とＺ方向との間の角度α_２も変わる（図４参照）。図３および図４に従う装置におけるｆ_２ｇｅｓは、図１および図２に従う装置におけるｆ_１ｇｅｓよりも小さく、角度α_２は角度α_１よりも大きい。それにより、図３および図４に従う装置の作業面１３におけるＸ方向の照射された領域１８は、図１および図２に従う装置における領域よりも大きくなる。したがって、第２レンズアレイ５と第３レンズアレイ６との間隔の変更および第２レンズアレイ５と第１レンズアレイ４との間隔の対応する適合により、作業面における照射された領域の大きさが影響され得る。

本発明に従う装置の第１の実施形態の概略側面図である。 その特性に関して図１に従う装置に対応するシステムの概略側面図である。 本発明に従う装置の第２の実施形態の概略側面図である。 その特性に関して図３に従う装置に対応するシステムの概略側面図である。

符号の説明

１ 第１基体
２ 第２基体
３ 第３基体
４ 第１レンズアレイ
５ 第２レンズアレイ
６ 第３レンズアレイ
７ 凸レンズ
８ 凹レンズ
９ 凸レンズ
１０ 第１均質化ユニット
１１ 第２均質化ユニット
１２ レンズ手段
１３ 作業面
１４，１８ 領域
１５ 単独基体
１６ レンズアレイ
１７ レーザ光線

Claims (8)

1. 入射面および出射面を有する第１基体（１）を備えた第１均質化ユニット（１０）であって、前記出射面上には均質化すべきレーザ光線（１７）が通過できる第１レンズアレイ（４）が形成された、第１均質化ユニット（１０）と、
   入射面および出射面を有する第２基体（２）を備えた第２均質化ユニット（１１）であって、前記入射面上には前記第１レンズアレイ（４）から出たレーザ光線（１７）が通過できる第２レンズアレイ（５）が形成され、このレーザ光線（１７）が前記第２均質化ユニット（１１）から出た後に比較的均一な角度分布を有する、第２均質化ユニット（１１）とを有するレーザ光線（１７）の均一な角度分布生成装置において、
   第２均質化ユニット（１１）は第２基体（２）に加えて入射面および出射面を有する第３基体（３）を有し、前記入射面上には第２レンズアレイ（５）から間隔をあけて第３のレンズアレイ（６）が形成されており、
   前記第１および第３レンズアレイ（４，６）は、多数の凸シリンドリカルレンズ（７，９）を有し、前記第２レンズアレイ（５）は、多数の凹シリンドリカルレンズ（８）を有し、
   前記第１レンズアレイ（４）は、第２および第３レンズアレイ（５，６）から構成されるレンズシステムの入射側焦点面に配置され、
   第２基体および第３基体（２，３）の間隔（ｄ_１，ｄ_２）が角度分布に影響を及ぼすことを特徴とする角度分布生成装置。
2. 第２基体および第３基体（２，３）の間隔（ｄ_１，ｄ_２）が可変であることを特徴とする請求項１に記載の角度分布生成装置。
3. 第２基体と第３基体（２，３）とを相対的に移動できる位置決め手段を有することを特徴とする請求項２に記載の角度分布生成装置。
4. 第１基体（１）と第２基体および第３基体（２，３）のうちの少なくとも一方との間隔が可変であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の角度分布生成装置。
5. 第１基体（１）を第２基体および第３基体（２，３）の少なくとも一方に対して移動できる位置決め手段を有することを特徴とする請求項４に記載の角度分布生成装置。
6. 視野レンズとして機能するレンズ手段（１２）を有しており、レーザ光線（１７）は少なくとも１つの第３レンズアレイ（６）からの出射後に前記手段を通過でき、レーザ光線（１７）により均質に照射された領域（１４，１８）が作業面（１３）において生じることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の角度分布生成装置。
7. 前記シリンドリカルレンズ（７，８，９）のシリンダ軸は互いに平行に整列されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の角度分布生成装置。
8. 基体（１，２，３）はそれらの入射面および出射面にそれぞれ多数のシリンドリカルレンズ（７，８，９）を有しており、それらのシリンダ軸はそれぞれの入射面および出射面に配置されたシリンドリカルレンズ（７，８，９）に対して互いに垂直に整列されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の角度分布生成装置。

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