JPH04251802A

JPH04251802A - 光束の幾何学的形状を変化させるミラー

Info

Publication number: JPH04251802A
Application number: JP3210455A
Authority: JP
Inventors: Gerhard Dr Hohberg; ゲルハルト・ホーベルク
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1991-07-29
Publication date: 1992-09-08
Also published as: DE59107565D1; DE4023904A1; US5148326A; EP0468328B1; EP0468328A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光束の幾何学的形状を
変化させるミラーに関する。

【０００２】

【従来の技術】光束の幾何学的形状を変化させるミラー
は広く普及している。ほぼ線状から矩形の横断面を有し
、その面の内側で強さが所定の経過をたどる、特に長手
方向に一定であるような放射線横断面を発生させること
は困難である。そのような放射線横断面は、主な適用分
野を１つだけ挙げても、特にレーザーによる表面処理の
ために必要である。

【０００３】発明者及び出願人が同じであり、この出願
の優先権日の後に公開された先のドイツ特許出願第３９
１２２３７号（米国特許出願第０７／５０５，１７７号
）には、このようなミラーが記載されている。

【０００４】変形光学系は、レーザー光線が工作物に当
たるときにほぼ矩形から線状の横断面を有し、その内側
では強さがほぼ一定の値を有するように作用する。この
ような横断面を有する光線を一定の速度で、矩形の１対
の辺と平行に工作物の表面に沿って導くと、その光線に
よって照射された条片部分の内側のエネルギー特性は一
様になる。

【０００５】実際に使用されている多くのレーザーの場
合、光線の横断面は矩形ではなく、その強さ分布は一様
ではない。従って、任意の光線横断面を適切に変形する
ことができる光学装置が必要である。ファセットミラー
とインテグレータは変形光学系の２つの種類であり、こ
れらの光学系はレーザー光線の強さ分布に関して線状の
幾何学的形状を形成するのに適用されるのが好ましい。

【０００６】日本特許出願第６３−７７１７８Ａ号には
、多数の平面鏡から成るファセットミラーが記載されて
いる。それらの平面鏡は放物面にモザイク模様を描きな
がら互いに接触するように配置されており、レーザー光
束をほぼ１つの平面鏡の広がりをもつ矩形に集束する。そのため、個々のミラーが集束作用を示すわけではない
ので、線形特性を得ることはできない。このような構成
の製造は複雑である。

【０００７】また、ファセットミラーはＳ．Ｌ．Ｒｅａ
ｍの「Ａ　　ＣｏｎｖｅｘＢｅａｍＩｎｔｅｇｒａｔｏ
ｒ」（Ｌａｓｅｒ　　Ｆｏｃｕｓ，１９７９年１１月号
，６８〜７１ページ）、米国特許第４，５１８，２３２
号及び日本特許出願第５９−１５１１０１Ａ号によって
も知られている。尚、日本特許出願第５９−１５１１０
１Ａ号によるミラーは球形ファセットを有する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、光学
的結像のみによって任意の光線横断面をもつ光束に所定
の強さ分布を伴う線状から矩形の光線横断面を与え、そ
の際、波長が長いときに発生する干渉の影響をできる限
り少なく抑えておくことである。本来正確な製造方法へ
の適合によって厳密な製造を容易にしておくべきである
。

【０００９】

【課題を解決するための手段】特許請求の範囲第１項の
特徴によれば、上記の課題は、回転体から成る複数の並
列するセグメントによりミラーが構成されており、セグ
メントの回転軸は、物体の線状から矩形の領域で少なく
ともほぼ重なり合っており、セグメントの大きさは、変
形すべき光束がセグメントのうちいくつかに同時に当た
るように選択されており、また、全てのセグメントは、
光束のそれぞれ１つのゾーンが１つのセグメントによっ
て厳密に一度反射されて、物体の線状から矩形の領域の
一部分に向かうように形成されると共に整列しており、
このとき、回転軸は互いにほぼ重なり合い、この部分で
は、光束の全てのゾーンが少なくともほぼ重なり合うよ
うになっており、個々のセグメントの位置は互いに対し
て段階的にずれていることにより解決される。

【００１０】回転対称形のミラーセグメントのアナモル
フォティック作用により、少ないセグメントでも強力な
集束を得ることができる。ミラーの面は、元来、平面よ
り精密に製造できる回転面である。

【００１１】このミラーの特に有利な点は、光束が互い
に重なり合いながら１本の線へとつながってゆく複数の
条片領域に分解され、そのときに、各光線領域の反射は
１回しか起こらないということである。光線形状をこの
ように変形すれば、光学的結像の際のエネルギー損失を
最小限に抑えた上で均一性にすぐれた強さ分布を得るこ
とができ、ミラーセグメントの数によって強さ分布に変
動が起きやすいという欠点はなくなるのである。

【００１２】セグメントと対称軸の位置ずれという点ま
では、本発明によるミラーは構成の上でドイツ特許出願
第３９１２２３７Ａ号に対応している。セグメントの段
階的位置ずれを導入することにより、個々のセグメント
が寄与する光の量に関わる可干渉性条件は、干渉効果が
抑制されるほどに変化する。

【００１３】特許請求の範囲第２項に従って軸方向に段
階的に位置をずらすと、隣接するセグメントから線焦点
に向かって反射される光線は互いにより大きな角度を成
すようになる。その結果、線焦点に生じる軸方向干渉構
造はより微細な構造になるので、前記のような適用用途
における妨害は少なくなる。

【００１４】特許請求の範囲第３項に従って、セグメン
トをその回転軸と共に互いに対して側方へ平行に段階的
にずらすと、干渉を実質的に完全に回避できる。側方へ
のずれをさらに大きくした場合には、重なり合いの領域
は矩形になり、特許請求の範囲第４項によれば、送り方
向へのレーザー加工に適用するとき、様々の総強さを有
する光束の所定のゾーンごとにセグメントの位置ずれを
与えることにより、所定の強さ特性を形成することが可
能である。上記のドイツ特許出願第３９１２２３７Ａ号
に記載されている特性と利点は本発明によるミラーにも
見られるものであるので、その開示内容は総じてこの明
細書に取入れられ、その一部を成している。以下、添付
の図面に基づいて本発明の実施例をさらに詳細に説明す
る。以下の説明では、本発明の他の主要な特徴を含めて
本発明をさらに理解しやすいように解説すると共に、本
発明の思想をいかに形づくることができるかを説明する
。

【００１５】

【実施例】図１は、入射光束（２７）を物体（２９）の
線状領域（２８）に結像するミラー（２１）を示す。線
状領域（２８）は円錐形ミラーセグメント（２２，２３
，２４）の共通回転軸（２０）の上に位置している。ミラーセグメント（２２，２３，２４）は、その数、大
きさ、軸間距離及び円錐の開き角度に関して、各セグメ
ント（２２，２３，２４）が入射光束（２７）の１つの
ゾーンを１回の反射によって全てについて同一である線
状領域（２８）に線焦点として結像し且つ入射光束（２
７）の全体がとらえられるように選択されている。

【００１６】ここまでのことはドイツ特許出願第３９１
２２３７Ａ号により知られている。ところが、任意の輪
郭をもつ陰になる中間部分（２３ａ，２４ａ）を導入す
ることにより、個々のセグメント（２２，２３，２４）
は軸方向に互いに対して段階的にずれるようになる。こ
の措置により、個々のセグメント（２２，２３，２４）
から線状領域（２８）に当たる光束が成す角度は大きく
なり、その結果、それらの光束の干渉はより狭くなり、
干渉による妨害は少なくなる。

【００１７】ミラーセグメント（２２，２３，２４）の
間に配置される中間部分（２３ａ，２４ａ）は、それら
の部分がそれぞれ次に続くセグメント（２２，２３）の
狭い一部領域（２５）を含めてそれぞれ先に位置してい
るセグメント（２３，２４）の縁部（２３ａ′，２４ａ
′）により入射光束（２７）を受けない陰になるように
構成されている。

【００１８】個別のセグメント（２２，２３，２４）と
、中間部分（２３ａ，２４ａ）とからミラーを組立てる
ことができる。

【００１９】しかしながら、たとえばダイアモンド旋削
によりミラーを一体の材料から製造しても、全く問題は
起こらない。本発明によるミラー（２１）を製造するた
めに必要な旋削工具（っとえば、個々のダイアモンド）
は必ず丸い切削エッジを有する。従って、図１に示すよ
うにセグメント（２２，２３，２４）と中間部分（２３
ａ，２４ａ）との間に位置するとがった凹部（２２′，
２３′）はごく不完全にしか実現できない。これに対し
、突出するとがった縁部（２３ａ′，２４ａ′）は丸い
工具を使用したとしても精密に製造されなければならな
い。ところが、それらのとがった凹部（２２′，２３′
）は先行セグメント（２３，２４）の陰になる領域に位
置しているため、結像プロセスには関与しないので、精
密な製造は問題とならない。

【００２０】図２及び図３の場合には、ミラーセグメン
ト（３２，３３，３４）又は（４２，４３，４４）は湾
曲しており、図２では凸面、図３では凹面になっている
。その他の点についてはミラー（３１，４１）は図１に
示すミラー（２１）と同じ構成であり、同じ図中符号は
同じ部分を指す。

【００２１】湾曲したミラーセグメント（３２，３３，
３４；４２，４３，４４）を有するミラー（３１，４１
）の場合、セグメント（３２，３３，３４；４２，４３
，４４）の数（従って長さ）と、線状領域（２８）の長
さとを互いに無関係に選択できるという利点がある。

【００２２】所望の用途と、強さ分布に課される必要条
件と応じて、ミラーセグメント（３２，３３，３４；４
２，４３，４４）として円環面，球面，放物面又は楕円
面が形成されるように、図２及び図３のセグメント（３
２，３３，３４；４２，４３，４４）は回転軸の方向に
円形，放物線状又は楕円形の横断面を有しているのが好
ましい。回転軸の方向に特殊な強さ分布を得るためには
、不規則な形状を採用することも好都合であると考えら
れる。

【００２３】それと共に、ミラー（２１，３１，４１）
を要求に応じて計算する際にレーザー光束（２７）の入
射角や、その幾何学的特性を広い範囲で変動させること
ができる。

【００２４】図４には、ミラー（５１）をその回転軸（
５０）上に位置する工作物（５９）の表面の線状作業領
域（５８）を照射するために利用している状況を示す。この場合、光束（５７）は平行でもなく、また、回転軸
（５０）に対して軸平行でもなく、回転軸（５０）上に
位置する点光源（６０）から発散しており、ミラー（５
１）の５つのセグメント（５２〜５６）により線状作業
領域（５８）に結像される。セグメント（５２〜５６）
の後縁部（５２ａ′〜５６ａ′）で、作業領域（５８）
の終端からその始まりへ結像の飛びが１回ずつ起こる。作業領域（５８）は、そのとき、回転軸（５０）上であ
る間隔をもつ。円錐形セグメント（５２〜５６）の傾斜
と長さは、回転軸（５０）上の対応する焦点線が同じ長
さとなり且つ同じ位置を占めるように選択される。適切な寸法は公知に数値計算方法によって容易に計算で
きる。

【００２５】ミラー（５１）は、図１〜図３に示したミ
ラー（２１，３１，４１）と同様に、段をもつ構成とな
っており、それぞれのミラーセグメント（５２〜５６）
の間には、前に位置するミラーセグメント（５２〜５５
）によって陰になる中間部分（５２ａ〜５６ａ）がある
。このミラー（５１）の場合にも、前に位置するセグメ
ント（５２〜５５）により後方のセグメント（５３〜５
６）の一部、たとえば図４のセグメント（５６）の一部
（６１）は陰になる。点光源（６０）から発生した光束
（５７）はミラー（５１）に軸平行にではなく当たるが
、それでも、先に図１〜図３に関して挙げた利点は得ら
れるのである。

【００２６】図５及び図６は、本発明によるミラー（２
１）の変形例を示す。この場合、セグメント（５２，５
３，５４）は、その回転軸（５２２，５２３，５２４）
と共に互いに対して側方へ平行に段階的にずれている。図５はその斜視図であり、図６は正面図と、このような
構成から得られる強さ特性（５００）を示す。

【００２７】図１〜図４の場合と同様に回転体のセグメ
ント（５２，５３，５４）は、その回転軸（５２２，５
２３，５２４）と共に、中心軸（５２０）に対して側方
へ平行にずれている。個々のセグメント（５２，５３）
の線焦点（５８２，５８３）は、物体（２９）の矩形領
域（５２８）の中のそれぞれ対応する回転軸（５２２，
５２３）の上に位置している。典型的な位置ずれは０．
１ｍｍから０．３ｍｍである。妨害干渉を抑制するため
には、ほぼ、個々のセグメント（５２，５３，５４）の
線焦点の幅の位置ずれがあれば十分である。位置ずれを
大きくすると、所期の強さ特性を有する矩形領域を照明
することができる。セグメントの幅を変えることにより
強さの変形が得られる。あるいは、光束（２７）のプロ
ファイルに応じてセグメント（５２，５３，５４）が異
なる照明を受けるという事実を利用して、容易に強さを
変化させることができる。この場合、隣接する線焦点（
５８２，５８３）は必ずしも隣接するセグメント（５２
，５３，５４）により発生されなくても良いので、ある
程度の自由はある。図６に示す通り、セグメント（５２
，５３，５４）ごとの位置ずれは互いに無関係に選択で
きる。

【００２８】限界は、線焦点（５８２，５８３）の端部
の強さ特性の降下が回折現象により余りにひどく平坦に
ならないように、セグメント（５２，５３，５４）の数
、従って、互いに隣接する線焦点（５８２，５８３）の
数を少なく保たなければならないということにより与え
られる。

【００２９】図６では、図示を明瞭にするために、セグ
メント（５２，５３，５４）を同じ扇形開き角度で示し
てある。当然のことながら、先に実施例と同じように、
セグメント（５２，５３，５４）の大きさは光束（２７
）を完全にとらえ、隙間を生じさせないように選択され
るべきである。

【００３０】回転軸が側方へずれているこのようなミラ
ー（２１）の製造は、個々のセグメント（５２，５３，
５４）の仕上げ旋削の後に旋削装置の保持部でミラー本
体の位置をずらせることにより実現される。

【００３１】位置ずれの別の形態は、たとえば、個々の
セグメントの寄与の量のデフォーカスを生じさせる垂直
方向の位置ずれと、回転軸の傾斜を伴う位置ずれである
。

【図面の簡単な説明】

【図１】円錐形セグメントが軸方向に位置ずれしており
、光の入射が平行である本発明によるミラーの横断面図
。

【図２】凸面セグメントが軸方向に位置ずれしており、
光の入射が平行である本発明によるミラーの横断面図。

【図３】凹面セグメントが軸方向に位置ずれしており、
光の入射が平行である本発明によるミラーの横断面図。

【図４】円錐形セグメントが軸方向に位置ずれしており
、光の入射は発散している本発明によるミラーの横断面
図。

【図５】セグメントが側方へ段階的に位置ずれしている
本発明によるミラーの概略斜視図。

【図６】セグメントが側方へ段階的に位置ずれしている
本発明によるミラーを、関連する強さ特性を含めて示す
簡略化した概略図。

【符号の説明】

２１　　ミラー２２，２３，２４　　ミラーセグメント２３ａ，２４ａ
　　中間部分２７　　入射光束２８　　線状領域２９　　物体３１　　ミラー３２，３３，３４　　ミラーセグメント４１　　ミラー４２，４３，４４　　ミラーセグメント５１　　ミラー５２〜５６　　ミラーセグメント５２ａ〜５６ａ　　中間部分５７　　光束５８　　線状作業領域５９　　工作物５２２，５２３，５２４　　回転軸５２８　　矩形領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　光束（２７）の幾何学的形状を変化さ
せるミラー（２１）において、回転体から成る複数の並
列するセグメント（２２，２３，２４）により構成され
、セグメントの回転軸（２０）は、物体（２９）の線状
から矩形の領域（２８）で少なくともほぼ重なり合って
おり、セグメントの大きさは、変形すべき光束（２７）
がセグメント（２２，２３，２４）のうちいくつかに同
時に当たるように選択されており、全てのセグメント（
２２，２３，２４）は、光束（２７）のそれぞれ１つの
ゾーン（２７２，２７３，２７４）が１つのセグメント
（２２，２３，２４）によって厳密に一度反射されて、
物体（２９）の線状から矩形の領域（２８）の一部分（
２８）に向かうように形成されると共に整列しており、
このとき、回転軸（２０）は互いにほぼ重なり合い、こ
の部分（２８）では、光束（２７）の全てのゾーン（２
７２，２７３，２７４）が少なくともほぼ重なり合うよ
うになっており、個々のセグメント（２２，２３，２４
）の位置は互いに対して段階的にずれているミラー。
【請求項２】　　セグメント（５２，５３，５４）の位
置は互いに対して軸方向に段階的にずれていることを特
徴とする請求項１記載のミラー。
【請求項３】　　セグメント（５２，５３，５４）はそ
の回転軸（５２２，５２３，５２４）を含めて互いに対
して側方へ平行に段階的にずれている（図５）ことを特
徴とする請求項１記載のミラー。
【請求項４】　　重なり合いの領域（５２８）は矩形で
あり、光束（２７）のそれぞれ所定のゾーン（２７２，
２７３，２７４）に対してセグメント（５２，５３，５
４）の位置ずれをあらかじめ与えることにより、回転軸
（５２２，５２３，５２４）に対して垂直に所定の強さ
特性が形成されることを特徴とする請求項３記載のミラ
ー。