JP5548505B2 - コヒーレント放射を一様化するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、コヒーレント光を一様化するための、特にレーザ放射を一様化するための光学装置に関する。

“光”との用語は、本願において、電磁放射をまとめたものとして、つまり、特に電磁スペクトルの不可視波長も備えるものとして理解されるものである。特に、本発明は、周波数二倍化固体レーザを用いて生成可能なもの等の放射に関する。光学分野の当業者に知られているように、空間及び時間の放射分布は、振幅

及び位相

によって、振幅

と表すことができ、複素数値を有する（ここで、光の偏光状態は考慮していない）。“コヒーレント光”は、その応用によって決められる空間的又は時間的カバレージにおける位相

の相関によって特徴付けられる。

レーザによって放出される放射は、コヒーレント光の応用の重要なケースである。応用によっては、放射の断面積に関しての高パワー又は単色性も重要な放射特性である。パワーは、振幅の絶対値の二乗

に比例し、時間的な平均値において、放射強度と呼ばれる。応用としては、例えば薄いシリコン層の結晶化が挙げられる。本発明は、特にその使用に関する。このため、放射断面における均一な強度分布が、一定のボア深さ、直径、エッジ（フランジ）の質を得るのに必要である。また、例えばマスク投影方法の応用も、均一な強度分布を必要とする。

レーザ放射は、“非一様プロファイル”と呼ばれる不均一な強度分布を有することが多い。このことは複数のレーザ源に当てはまる。従って、例えば、多くのタイプのレーザから放出された放射は、第一の軸に沿った方向に所謂ガウシアンプロファイルを有する一方、それに垂直な強度分布は略台形状である。また、放射の伝播は、その強度分布に影響し得る。従って、例えば、自由空間内に伝播する際に、ガウシアンプロファイルは、形状が不変で、広がる。

“一様化”との用語は、実質的に均一な強度分布を有する放射を得るための、不均一な強度分布の放射の光学結像を指称する。特許文献１には、このような光学結像の基本的な構成が記載されていて、本発明もこれから生じている。入射側に“レンズアレイ”を有する装置が記載されている。レンズアレイは、入射放射の伝播方向に垂直に配置された平面内の複数のレンズの周期的な配置である。出射側において、レンズアレイ後方の光路に、少なくとも一つの集光レンズが配置される。二つの部分光線がそれぞれ、レンズアレイの各レンズから発する。部分光線の全体性が重ね合わされて、集光レンズによって結像された放射が、大幅に一様化されて、つまり空間的に適合される。

このような一様化用の光学装置の発展は、特許文献２に見られる。二つのレンズアレイが光路中に縦に並んで配置されて、最後のレンズアレイが二つのサブアレイで構成される。これによって、全部で三平面内に複数のレンズが周期的に配置されて、その各々は、入射側に入射する放射の伝播方向に垂直である。

しかしながら、コヒーレント放射源を用いる場合、出射側において強度分布に干渉パターンが生じるが、これは、レンズアレンジメントの周期によるものであり、その干渉パターンが一様性を損なう。

非特許文献１の４６及び４７ページには、出射側において得られる強度分布の一様性を改善するために、くさび型配置によりレンズアレンジメントの周期を如何にして破るのかが記載されている。しかしながら、干渉による影響は残ったままであり得て、強度分布は、くさび型のレンズアレンジメントにより、くさびの方向に変化し得る。非特許文献２の７６から７９ページには、周期的レンズアレンジメントによって生じる干渉パターンを減じるための、光路中の拡散ディスク（拡散スクリーン）の使用について記載されている。製造プロセスに応じて、拡散スクリーンは、確率的な表面構造を有し、所定の立体角において入射光を均一に散乱させる。部分的な高いパワー損失が、拡散スクリーンの使用の不利な点である。

特許文献３には、光軸に沿って以下の素子群を備えたレーザプリンタが記載されている： 光源として複数の放射源セグメント（レーザダイオード）に再分割されたレーザダイオードのアレイ； 放射源セグメントに対応して複数のレーザレンズに再分割されたレーザレンズアレンジメント素子； 光軸に垂直な平面内においてセグメントに周期的に配置された複数の球面レンズを有するフライアイインテグレータ； 第一及び第二のイメージフィールドレンズ； 印刷レンズ； 変調器及び媒体面である。レーザダイオードのアレイから発する光は、放射源セグメントの全てに対して非コヒーレントである。この文献には、複数の光線束（それ自体内においてはコヒーレントであり、対ごとに互いに非コヒーレントである）を有する光放射の一様化については記載されていない。フライアイインテグレータは、セグメント内に周期的に配置された複数の球面レンズに加えて、第一及び第二のイメージフィールドレンズも備える。従って、この文献には、セグメント内で周期的である一つのレンズアレンジメント及び一つのコンデンサのみを有する装置については記載されていない。

以下において、上述の従来技術は知られているものと仮定する。図１は、周期的レンズアレンジメント１０及びコンデンサ１２を用いてレーザ放射を一様化するための光学装置の基本的な原理を概略的に示す。図１では、レーザ放射は、左手側から周期的レンズアレンジメントに入射する。部分的な光線束が、異なる出射角（図１ではそれぞれ明確性のため一つの出射角αのみで示される）で周期的レンズアレンジメントの後方に、レンズアレンジメントの個々のレンズから発する。出射角に応じて、隣接する部分的な光線束の間に光路差Δが生じる。出射角に応じて、コンデンサは結像フィールド１４上に個々の部分的な光線束を結像し、その結像フィールド上に、光線束の干渉（重ね合わせ）が生じる。干渉は、ビームプロファイルの一様化を破る邪魔な干渉パターンを生じさせる。この干渉パターンの起源は、光学分野の当業者に知られている格子における回折に似ている。

独国特許第４２２０７０５号明細書 独国特許出願公開第１０２２５６７４号明細書 独国特許出願公開第１９７５１１０６号明細書

Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ＩＯＦ Ｊａｈｒｅｓｂｅｒｉｃｈｔ ２００７ Ｐｈｏｔｏｎｉｋ ３／２００６

本発明は、初めに述べた種類の光学装置を更に発展させるという課題に基づいたものであり、高いパワー損失なしで、邪魔な干渉パターンを減じるようにする。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有した、所定の波長を有する光波長を一様化するための装置によって解決される。従って、本装置は、光放射の入射方向に実質的に垂直な少なくとも一平面内に配置された複数のレンズを備えた周期的レンズアレンジメントと、コンデンサの焦点距離に対応する距離に配置された照明フィールドに周期的レンズアレンジメントから発する光線を結像するように配置されたコンデンサとを備える。周期的レンズアレンジメントは、所定の波長を有する複数の光線束の各々の入射用の複数のセクションを備え、そのセクション内のレンズに対して周期的に形成される。コンデンサは、照明フィールド上に横方向のオフセット（ずれ）で複数の光線束を結像するように配置される。そのオフセットは、周期的レンズアレンジメントにおける複数の光線束の回折によって生じる強度変調が相互に実質的に補償されるような寸法にされる。

複数の光線束の各々が、セクションの各々に入射すると、本装置は、照明フィールド上に、複数の光線束を互いにオフセットして（ずらして）結像することができる。これによって、個々の光線束を一様化することができ、更に、干渉変調を、その干渉変調の“谷”及び“ピーク”が総和として実質的に補償されるように、オフセットして（ずらして）重ね合わせることができる。複数の光線束の数が多くなるほど、本装置は光放射をより均一に一様化することができる。

セクションの境界領域におけるパワー損失の減少のため、周期的レンズアレンジメントの複数のセクションを互いに横方向に離すことができる。

可能な限り均一な全強度を得るため、横方向のオフセットをＰ／Ｎに実質的に等しくすることができて、ここで、回折によって生じる強度変調が横方向の周期Ｐを有し、複数の光線束の数がＮである

第一の実施形態では、コンデンサは、複数の部分に再分割された少なくとも一つの集光レンズを備え得て、各部分は、複数の光線束の各々を或る一つのオフセットで結像するように配置され得る。

オフセットを決めるため、再分割された集光レンズの部分を、互いに横方向に離し得て、及び／又は、互いに傾斜させ得る。その傾斜は、その部分を入射方向に垂直な平面外に回転させることによってもたらされ得る。

第二の実施形態では、一つの平行平面の（同一平面上の）プレートを、複数の光線束の一部の光路にそれぞれ配置し得る。

オフセットを決めるため、同一平面上の複数のプレートを互いに傾斜させ得る。その傾斜は、同一平面上のプレートを、入射方向に垂直な平面外に回転させることによってもたらされ得る。

複数の光線束間の干渉を避けるため、本装置は複数の光源を備え得て、各光源が、各光線束を発生させるように構成されている。それ自体内においてはコヒーレントである光線束を発生させるために、光源として、レーザ及び／又はレーザダイオードを用い得る。特に、光源として、複数のエキシマレーザを用い得る。

複数の光線束の簡単な発生のため、本装置は、光放射を受光するための光ガイド（光ファイバ）を更に備え得て、光ファイバは、複数の光線束の各々を結合するための複数の結合点を備え、結合点間の光路長は、光放射のコヒーレンス長よりも大きい。従って、対ごとに互いに非コヒーレントである光線束を、一つ又は少数のコヒーレント光源から発生させ得る。

コンデンサの好ましい（有利な）製造のため、コンデンサは少なくとも一つの集光レンズを備え得る。

更なる側面は、光放射を一様化するための方法に関する。本方法は、それぞれコヒーレントな複数の光線束を発生させる段階（ここで、各光線束は、他の光線束とは互いに非コヒーレントである）と、複数の光線束を、上述の光放射を一様化するための装置の複数のセクションを有するレンズアレンジメントに向けて、複数の光線束の各々が複数のセクションの各々に当たる（入射する）ようにする段階とを備える。

以下において、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

従来技術によるコヒーレントな光線束を一様化するためのレンズシステムを概略的に示す。 それぞれコヒーレントである複数の光線束を一様化するための図１のレンズシステムの第一の発展を示す。 本発明による光放射を一様化するための装置の第一の実施形態を示す。 本発明による光放射を一様化するための装置の第二の実施形態を示す。 三つのレーザを用いての、回折によって生じる強度変調及びその重ね合わせの概略図である。 二つのレーザを用いての、回折によって生じる強度変調及びその重ね合わせの概略図である。 第一の周期的レンズアレンジメントを用いた場合の二つのレーザを用いた照明フィールドの概略図である。 第二の周期的レンズアレンジメントを用いた場合の二つのレーザを用いた照明フィールドの概略図である。 一つのレーザを用いて光線束を発生させるための光ファイバの配置の概略図であり、光線束は対ごとに互いに非コヒーレントである。

図１は、従来技術によるレンズシステムを示し、参照符号１００で一般的に指称する。レンズシステム１００は、入射側に周期的レンズアレンジメント１０を備え、その出射側にコンデンサ１２を備える。コンデンサ１２は、周期的レンズアレンジメント１０の後方の光路に配置されて、周期的レンズアレンジメント１０から発する平行な光線束が、照明フィールド１４に合焦される。このため、コンデンサ１２及び照明フィールド１４が、コンデンサ１２の焦点距離ｆに対応する距離だけ離して配置される。

周期的レンズアレンジメント１０は、複数の集光レンズ１６を備える。複数の集光レンズは、波長λを有し図１の左手側からやって来るコヒーレントな光線束２０の伝播方向１８に実質的に垂直な平面内に配置される。簡単のため、図１の周期的レンズアレンジメント１０は、一平面内に四つの集光レンズ１６のみを示している。大抵の場合、１０から２０個のレンズ（最大１００個のレンズとなることも往々としてある）が平面ごとに用いられ、また、周期的レンズアレンジメントとして、縦に並んで平行に配置される複数のそのような平面が用いられる。この場合、出射角αは、伝播方向１８に関して、レンズの最後（最後方）の平面の後方の出射角である。従って、“周期的レンズアレンジメント”との用語は、平面配置だけではなく、一般的な空間的配置を含む。更に、図示されている両凸集光レンズ１６の代わりに、平凸集光レンズを周期的レンズアレンジメント１０に用いることができる。

一方、コヒーレント光放射は、入射するコヒーレントな光線束２０によって照射された集光レンズ１６から異なる出射角αで発する。見易さのために、図１では、単一の出射角αに対応する部分的な光線束のみが示されている。以下の説明は、任意の出射角αに対する原理に当てはまる。

照明された各集光レンズ１６から、部分的な光線束２２が発する。出射角αに応じて、隣接する部分的な光線束２２、２４の間に光路差Δが生じる。光学分野の当業者であれば、幾何学的配置から直接、光路差Δと出射角αとの間の関係式
Δ＝ｂ ｓｉｎα （１）
が存在することが分かる。ここで、ｂは集光レンズ１６の横幅を表す。部分的な光線束２２、２４は、コンデンサ１２によって、照明フィールド１４の焦点２６に重なり合う光線の収束した部分的な光線束２２’、２４’に結像される。焦点２６の位置ｘは、コンデンサ１２の焦点距離ｆ及び出射角αによって
ｘ＝ｆ ｔａｎα （２）
と与えられる。

図１では、コンデンサ１２は、焦点距離ｆを有する集光レンズ２８として、単純に示されている。コンデンサ１２は、複数の集光レンズのシステムで構成されることもでき、この場合、焦点距離ｆは、そうしたシステムの全焦点距離を表す。

光路差Δを有する部分的な光線束２２’、２４’の重ね合わせにより、焦点２６における建設的又は破壊的な干渉が生じる。建設的な干渉（つまり、強度の増幅）は、光路差Δが入射するコヒーレントな光線束２０の波長λの整数倍である場合に、最大となる。破壊的な干渉（つまり、強度の減衰）は、光路差Δが波長λの半整数倍である場合に（その整数倍ではなく）、強度Ｉの消滅となる。小さな出射角αに対して、正弦関数及び正接関数は十分正確に一致して（いわゆる近軸近似）、式（１）及び（２）に従って、光路差Δは、照明フィールド１４上の位置ｘで、
Δ＝ｘ ｂ／ｆ （３）
に従って変化して、交互の建設的及び破壊的干渉によって強度Ｉ（ｘ）の周期的な変調３０が生じる。

従って、周期的レンズアレンジメント１０における入射するコヒーレントな光線束２０の回折による強度変調３０が生じて、その変調が、入射する光線束２０の一様化の妨げ（邪魔）になる。

図２は、一般的に参照符号２００で指称するレンズシステムを示し、これもまた、周期的レンズアレンジメント１０、コンデンサ１２及び結像フィールド１４を備える。周期的レンズアレンジメント１０は、それ自体内においてコヒーレントである三つの光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの個別の入射用の三つのセクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃを備える。それ自体内においてコヒーレントである光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの間には、顕著な位相相関がなく、これは、個々の光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃが、対ごとに互いに非コヒーレントであることを意味する。

入射する光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃによって周期的レンズアレンジメント１０を照明すると、レンズシステム１００のように、周期的レンズアレンジメント１０の各レンズ１６から、部分的な光線束２２ａ、２２ｂ、２２ｃが生じる。個々の光線束２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、対応する光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃから発し、特にそのコヒーレント性を有している。コンデンサ１２は、光線束２０ａの全ての部分的な光線束２２ａを、収束する光線束２０’ａに結像し、その収束する光線束２０’ａは、それ自体内においてコヒーレントである対応する光線束２０ｂ、２０ｃの他の収束する光線束２２’ｂ、２２’ｃと共に、焦点２６に重ね合わされる。それ自体内においてコヒーレントである個々の光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、照明フィールド１４の照明に強度Ｉ（ｘ）で寄与する。図１のレンズシステム１００のように、それ自体内においてはコヒーレントである各光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、照明フィールド１４において結像する際に、周期的強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有する強度分布Ｉ（ｘ）を有する。それ自体内においてコヒーレントである光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、対ごとに互いに非コヒーレントであるので、点２６において収束する束２０’ａ、２２’ｂ、２２’ｃの重ね合わせにおいて更なる干渉は生じず、個々のコヒーレントな光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの周期的な強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃが、周期的な全強度３０に対して加算的に重ね合う。

従って、従来のレンズシステムと比較してレンズシステム２００では、邪魔な周期的な強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃが、対ごとに互いに非コヒーレントである複数の光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃによる照明の際に、更に増幅される。

図３は、第一の実施形態の一例の装置３００を示し、周期的レンズアレンジメント１０を用いて非一様なビームプロファイルを有する複数の入射するコヒーレントな光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃを一様化するのと同時に、回折によって生じる強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃを低下させるのに適している。このため、装置３００は、対ごとに互いに非コヒーレントである光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの数に応じて再分割され、（側）部分３２ａ、３２ｂ、３２ｃを有する集光レンズ３２を有するコンデンサを備える。再分割された集光レンズ３２の個々の部分３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、照明フィールド１４における個々の強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃの間のオフセットに対応する横方向のオフセット（ずれ）Ｖで、互いに配置されている。オフセットＶは、強度変調３０ａの“谷”がそれに応じてオフセットされた（ずらされた）強度変調３０ｂ及び３０ｃによって補償されるように、選択される。強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃは均一な周期Ｐのものであるので、照明フィールド１４全体にわたって、実質的に一定の全強度３６が得られる。

図３に示されるように、装置３００の実施形態は、周期的レンズアレンジメント１０の個々のセクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃも、横方向のオフセットＶに実質的に対応する距離で互いに離されるように更に発展可能である。このような（横方向に）分割された配置によって、セクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃの、又は部分３２ａ、３２ｂ、３２ｃのより広い領域における損失を減少させることができる。本装置の更なる発展においては、集光レンズ３２の個々の部分３２ａ、３２ｂ、３２ｃを、入射する光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの伝播方向１８に垂直な平面に対する回転方向３８に、傾斜させることができる。個々の強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、傾斜に応じて、オフセット（ずれ）Ｖ’で互いに関して移動可能である（ずれることが可能である）。コンデンサ３２の部分３２ａ、３２ｂ、３２ｃの傾斜に代えて又は加えて、セクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃ又は部分３２ａ、３２ｂ、３２ｃを互いに或る距離で離すことができる。

図４は、対ごとには互いに非コヒーレントであるコヒーレントな光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの非一様なビームプロファイルを一様化するための第二の実施形態の一例の装置４００を示す。この場合も、装置３００について上述したように、その一様化は、周期的レンズアレンジメント１０による影響を受ける。任意で、周期的レンズアレンジメント１０は、互いに或る距離で離された個々のセクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃを備え得る。外側のコヒーレントな光線束２０’ａ、２０’ｃの光路に、同一平面上の（平行平面の）プレート４０ａ、４０ｂ（使用される波長範囲において少なくとも透明である）が配置される。光学分野の当業者に知られているように、周辺領域のものとは異なる同一平面上のプレート４０ａ、４０ｂの屈折率ｎによって、同一平面上のプレート４０ａ、４０ｂ上に光線束２０’ａ、２０’ｃが垂直でなく入射する場合には、横方向オフセット（ずれ）Ｖが生じる。同一平面上のプレート４０ａ、４０ｂから出て行く束２０”ａ、２０”ｃは、横方向のオフセットＶだけ、光線束２０’ａ、２０’ｃに対してシフトされる。オフセットＶは、それぞれ方向４２ａ、４２ｃにおける同一平面上のプレート４０ａ、４０ｂの回転によって、決めることができる。光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃは対ごとに互いに非コヒーレントであるので、その強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃは加算的に重ね合う（干渉する）。装置３００に関して上述したように、対応するオフセットＶの選択を通じて、結果としての全強度３６は実質的に一定（非一様）となる。従って、入射する光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの非一様なビームプロファイルが、周期的レンズアレンジメント１０によって一様化されるだけではなく、周期的レンズアレンジメント１０における回折によって生じる強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃも大幅に減じられる。

一様化用の従来のレンズシステム１００並びに装置３００、４００は、フーリエ光学の物理法則に近似的に従う。以下の双対関係はこれに属する。一方では、レンズアレンジメント（レンズアレイ）の単一のレンズよりも小さな構造寸法を有する入射側における非一様なビームプロファイルの部分的構造は、出射側における照明フィールド１４上に広げられることによって、滑らかにされる。まとめると、入射側における小さな構造は、出射側における大きな構造をもたらす。他方では、レンズアレンジメント（レンズアレイ）の周期的構造は、干渉変調をもたらし、その干渉変調の周期は、出射側における照明フィールド１４よりも小さい。従って、まとめると、入射側における大きな周期的構造は、出射側における小さな周期的構造をもたらす。

従来技術によるレンズアレンジメント（レンズアレイ）によっての一様化は、上述の結像効果の一番目のものを利用する。このためには、光線の光学的（非フーリエ光学的）考察から始めて十分である。しかしながら、光線の光学的考察は、上述の回折効果の不可避な二番目のものを見過ごしている。本発明によってその影響が弱められるのは、この回折効果である。

機能メカニズムの詳細な考察のため、強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃを、フラウンホーファー回折積分によって以下のように近似的に表す

ここで、Ａ_１０（ｙ）は、周期的レンズアレンジメント１０の後方に出て行く（後方から発する）光放射の複素数値の振幅であり、

は、振幅Ａ_１０のフーリエ変換した関数である。より正確には、Ａ_１０（ｙ）は、レンズアレンジメントの後方（つまり後ろ側）の焦点面（図示せず）内の光放射の複素数値の振幅を表す。従って、Ａ_１４（ｙ）は、照明フィールド１４内の光放射の複素数値の振幅を表す。式（４）の積分は、周期的レンズアレンジメント１０のセクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃの一つに対してそれぞれ、図３及び図４に示されるｙ軸に沿う。

周期的レンズアレンジメント１０の後ろ側における複素数値の振幅Ａ_１０は、周期的レンズアレンジメント１０の（光線束によって照明されたセクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃの一つの）結像関数Ｌ（ｙ）と、入射するコヒーレントな光線束２０a、２０ｂ又は２０ｃの振幅Ａ_２０の畳み込み（コンボリューション）に近似的に因る：
Ａ_１０＝Ａ_２０＊Ｌ （５）
ここで、アスタリスク（＊）は、関数間の畳み込み積を表す。例えば、ガウシアンプロファイルについて、入射するコヒーレントな光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃそれぞれの横方向の振幅分布は、（一定の前因子を別にして）以下の形になる：

ここで、σ_２０は、ガウシアンプロファイルの特性幅を表す。結像関数Ｌ（ｙ）は、単一のレンズ１６に対する単一の結像関数

と、周期的レンズアレンジメント１０（の対応するセクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃそれぞれ）におけるレンズ１６の周期的配置に対応する周期的格子関数ｇ（ｙ）との近似的な畳み込みである：

従って、式（５）及び式（７）に従って、複素数値の振幅Ａ_１０は、

に等しい。

点乗積（・）及び畳み込み積（＊）は互いに可換であるので、照明フィールド１４における結果としての複素数値の振幅Ａ_１４は以下のようになる：

従って、入射するコヒーレントな光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの式（６）のガウシアンプロファイルＡ_２０（ｙ）は、以下のように広げられたガウシアンプロファイル

に変換し、

これから、フーリエ変換された単一の結像関数

は、略矩形の強度プロファイルを切り出す。しかしながら、式（９）に従って、格子の回折関数

は、その矩形のプロファイル上に乗法的に重ね合わされる。格子関数

は、式（７）の周期的格子関数ｇ（ｙ）のフーリエ変換によって得ることができ、

として光学分野の当業者に周知である。

式（１１）において、装置３００、４００（装置３００、４００の使用方法）のパラメータとして、コンデンサ１２、３２の焦点距離ｆ、入射するコヒーレントな光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの波長λ、周期的レンズアレンジメント１０（のセクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃの一つ）における光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの一つによってそれぞれ照明されるレンズ１６の数Ｊ、レンズアレンジメント１０の格子の周期ｂが存在する。

初めに述べたように、照明スクリーン１４上の光放射の強度Ｉ（ｘ）は、複素数値の振幅Ａ_１４の絶対値の二乗に比例する：

このため、それ自体内においてコヒーレントである光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの各々は、全強度Ｉ_３６に対して、

に従って、照明フィールド１４の照明に対する強度変調３０ａ、２０ｂ、３０ｃに寄与する。式（１２）において、強度関数Ｉ_ｋ（ｘ）の添え字ｋは、ｋ＝０、１、２の番号付けを用いて、個々の光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃを表す。個々の光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、式（１２）に従って、互いにオフセットＶだけ、横方向に、つまり図３及び図４に示されるｘ方向にシフトされる。干渉変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃの周期Ｐも、式（１２）に従って、決められる。好ましいオフセット（ずれ）Ｖの選択は
Ｖ＝Ｐ／Ｎ （１３）
であり、ここで、Ｎは、横方向にずらして結像されて、それ自体内においてコヒーレントである光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの数である。それぞれＮ＝３、Ｎ＝２に対する図５及び図６に示されるように、この選択は、実際に（少なくとも上述の近似及び仮定の下において）、全強度３６の実質的に一様な分布をもたらす。この理由は、対ごとに非コヒーレントな光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの干渉が生じず、それらの強度Ｉ_ｋ（ｘ）が加算的に重ね合うからである：

傾向として、装置３００、４００が、実際により一様に照明フィールド１４を照明すると、対ごとに互いに非コヒーレントな光線束の数Ｎが大きくなる。

上述の議論は、強度変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃの一次元の横方向構造（ｘ方向における）を対象にしている。これは、例えば、周期的レンズアレンジメント１０の個々のレンズ１６がシリンダーレンズであり、それぞれ図３及び図４の図面の平面に垂直に配置されている場合である。これに関して、図７は、Ｎ＝２の光線束２０ａ及び２０ｂに対して、個々の強度の最大４２ａ及び４２ｂを概略的に示す。この場合、オフセット（ずれ）Ｖは、方向４４（ここではｘ方向）に選択される。

図８は、Ｎ＝２のコヒーレントな光線束２０ａ、２０ｂにそれぞれ対応する最大４２ａ及び４２ｂを有する強度変調３０ａ、３０ｂの二次元構造を示す。この場合、強度変調は、方向４６にオフセットＶだけ互いにシフトされて配置される。方向ベクトル４６は、光学分野の当業者に知られているいわゆる逆格子ベクトルのＮ分の一である。従って、当業者は、結果としての逆格子４２ａ、４２ｂを有する個々のレンズ１６の任意の周期的レンズアレンジメント１０について、説明した装置を直接作り出せる。

上記において何度も強調してきたように、装置３００及び４００はそれぞれ、それ自体内においてはコヒーレントであり、対ごとに互いに非コヒーレントである複数の光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃに基づいている。これらはそれぞれ、関連する（非位相結合）レーザによって発生可能である。これに加えて又は代えて、光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの個々の（単一の）もの又は全ても、一つ又は少数のレーザを用いて発生可能である。これに関して、図９は、一つのレーザ４８と、光ガイド（光ファイバ）５０を備えた配置を示し、その光ガイド内に、レーザ４８から放出されたレーザ放射５２が結合される。点５４において、光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃが結合される。光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、それ自体内においてコヒーレントであり、レーザ４８のレイアウト（設計タイプ）に応じたコヒーレンス長を有する。結合点５４が、隣接する結合点５４間の光ガイド５０内の光路長がコヒーレンス長よりも大きくなるように、選択されるので、光線束２０ａ、２０ｂ、２０ｃは対ごとに互いに非コヒーレントである。

上述の実施形態の例の説明から明らかなように、非一様なビームプロファイルを有する入射コヒーレント光は、装置３００又は装置４００を用いて一様化可能であり、照明フィールド１４上に均一な横方向強度分布で結像されることによって、実施例の例は、周期的レンズアレンジメント１０における回折効果によって生じる邪魔な干渉変調３０ａ、３０ｂ、３０ｃを低下させることにも同時に成功している。

１００ 従来技術によるレンズシステム
２００ レンズシステムの第一の更なる発展
３００、４００ 本発明による装置
１０ 周期的レンズアレンジメント
１２ コンデンサ
１４ 照明フィールド
１６ 集光レンズ
１８ 入射方向の伝播方向
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ コヒーレントな光線束
２２、２４ 部分的な光線束
２６ 焦点
２８ 集光レンズ
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 強度変調
３２ 再分割された集光レンズ
３６ 全強度
３８ 回転方向
４０ａ、４０ｂ 同一平面上のプレート
４２ａ、４２ｂ 干渉の最大
４４、４６ １Ｄ、２Ｄに対するオフセットベクトル
４８ レーザ
５０ 光ガイド（光ファイバ）
５２ 放出されたレーザ放射
５４ 結合点

Claims (12)

1. 所定の波長及び複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を有する光放射（２０）を一様化するための装置（３００；４００）であって、前記光線束が該光線束自体内においてはコヒーレントであり、特定の前記光線束が対ごとに互いに非コヒーレントであり、該装置が、
   前記光放射（２０）の入射方向（１８）に垂直に少なくとも一平面内に配置された複数のレンズ（１６）を備えた周期的レンズアレンジメント（１０）と、
   前記周期的レンズアレンジメント（１０）から発する光線を照明フィールド（１４）に結像するように配置されたコンデンサ（１２）であって、前記照明フィールド（１４）が該コンデンサ（１２）の焦点距離（ｆ）に対応する距離に配置される、コンデンサ（１２）とを備え、
   前記周期的レンズアレンジメント（１０）が、前記所定の波長を有する複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の各々の入射用の複数のセクション（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を備え、前記レンズ（１６）に対して前記セクション内に周期的に形成されて、前記コンデンサ（１２）が、横方向のオフセット（Ｖ）で前記照明フィールド（１４）上に前記複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を結像するように配置され、前記オフセットが、前記周期的レンズアレンジメント（１０）における前記複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の回折によって生じる強度変調（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）を相互に補償するような寸法にされる、装置。
2. 前記周期的レンズアレンジメント（１０）の複数のセクション（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が、互いに或る一つの距離で横方向に配置される、請求項１に記載の装置。
3. 回折によって生じる強度変調（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）が横方向の周期（Ｐ）を有し、横方向のずれ（Ｖ）がＰ／Ｎに等しく、ここでＮが前記複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の数である、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記コンデンサ（１２）が複数の部分（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）に再分割された少なくとも一つの集光レンズ（３２）を備え、各部分（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）が、前記複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の各々を、或る一つのオフセットで結像するように配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記再分割された集光レンズ（３２）の部分（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）が、互いに或る一つの距離で横方向に存在し、及び／又は、互いに傾斜する、請求項４に記載の装置。
6. 同一平面上のプレート（４０ａ、４０ｂ）が、前記複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）のうち一部の光路内においてそれぞれ、前記コンデンサ（１２）の後方に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記同一平面上のプレート（４０ａ、４０ｂ）が、互いに傾斜する、請求項６に記載の装置。
8. 複数の光源を更に備え、各光源が、前記複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の各々を発生させるように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記光源として、レーザ及び／又はレーザダイオードを備えるか、又は、周波数二倍化固体レーザを備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記光放射（２０）を受光するための光ファイバ（５０）を更に備え、前記光ファイバ（５０）が前記複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の各々を結合する複数の結合点（５４）を備え、前記結合点（５４）間の光路長が、前記光放射（２０）のコヒーレンス長よりも大きい、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記コンデンサ（１２）が少なくとも一つの集光レンズを備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 所定の波長を有する光放射（２０）を一様化するための方法であって、
    前記所定の波長を有するコヒーレント光の複数の光線束を発生させる段階であって、各光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）が、該光線束自体内においてはコヒーレントであり、他の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の各々とは互いに非コヒーレントである、段階と、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置（３００；４００）の複数のセクション（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を有するレンズアレンジメント（１０）に、前記複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を向けて、前記複数の光線束（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の各々が、前記複数のセクション（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）の各々に当たるようにする段階とを備えた方法。

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