JPH0894839A - 光ビーム変換装置 - Google Patents

光ビーム変換装置

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JPH0894839A
JPH0894839A JP7039879A JP3987995A JPH0894839A JP H0894839 A JPH0894839 A JP H0894839A JP 7039879 A JP7039879 A JP 7039879A JP 3987995 A JP3987995 A JP 3987995A JP H0894839 A JPH0894839 A JP H0894839A
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light
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アール フェルドマン マイケル
Sr John R Rowlette
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Abstract

(57)【要約】 【目的】光ビーム変換装置において、不均一なエネルギ
ー分布を有する入射光ビームを出射面で略均一なエネル
ギー分布を有する光ビームに変換する。 【構成】光ビーム変換装置（またはビームホモゲナイザ
ー）１０はサブホログラムであるアレイ（マトリクス）
状のファセット１２を有するホログラフィー素子であ
る。不均一なエネルギー分布を有する光ビーム１４を当
該ホログラフィー素子１０を通過させると低エネルギー
分布のファセットを重ね合わせることにより、出射面ま
たはターゲット領域１６で略均一なエネルギー分布の出
射ビーム２２が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本願発明は一般的な光学装置に関
するものであり、特に、エネルギー分布が均一なビーム
を出力する光ビーム変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般のレーザー装置から生成されるコヒ
ーレントビームの波面の断面は比較的小さい。しかし、
波面の断面が小さくしかもビームはコヒーレントであっ
ても、一般にレーザーの波面のエネルギー分布は不均一
で周辺部分よりも中心部分が強くなっている。例えば、
パワーが５ー１０％の範囲で変動することがある。ま
た、ビームを利用するためにビームの断面積を拡大しな
くてはならない場合があり、この結果より波面が拡大さ
れるとともに不均一なエネルギー分布までもが拡大され
てしまう。
【０００３】ビームを拡大する時に従来のレンズを使用
すると、拡大されたビームの波面のエネルギー分布も不
均一になってしまう。さらに、波面の断面積を拡大する
とビームの不均一さが一層目立ってしまう。レーザー装
置はビームパワーが平均的なレベルになるように設計し
なくてはならないような場合や、あるいは、別の方法、
例えば開口、などを用いて周辺部のパワーの低い部分の
ビームを取り除くような場合にはビームが不均一である
と装置の性能に悪影響を及ぼす場合がある。いずれの方
法を用いても最適な状態でビームのパワーを使用するこ
とはできず、従来のレンズ装置で要求されるような±１
％程度の変動幅を有した略均一なパワー分布を達成する
のは極めて困難である。
【０００４】このため、従来のバルク光学エレメントの
ように機能するホログラフィー素子が作られている。こ
のホログラフィー素子の結晶方位と空間周期(spatial p
eriods) は、入射波面を所望の位置に所望のパターン、
形、映像で回折するのに適している。しかし、ホログラ
フィー素子を基本レンズとして機能するように製作する
と出力パターンの方にもエネルギー分布の不均一さが伝
えられてしまい、光源のパワーを十分に利用できなくな
る。
【０００５】波面の不均一なエネルギー分布を補償する
場合の問題が米国特許第４，５４７，０３７号で述べら
れている。この特許には、入射ビームの光エネルギーを
第２の面上に再分散させるマルチファセットホログラフ
ィー素子が開示されている。各ファセットを独立のホロ
グラムまたは回折格子として構成するとこのような光エ
ネルギーの再分散が行われる。ファセットのそれぞれの
大きさは入射ビームの強度に反比例しており、どのファ
セットを通過しても必ずパワーがほぼ同じになるように
なっている。ファセットを透過した光は回折され、ホロ
グラフィー素子から見て第２面上の別の地点に到達す
る。入射ビームが透過する部分のサブホログラムまたは
回折格子は膨張または収縮するため第２面上の別の領域
が同じ大きさで照射される。こうして、第２面上には略
一定な波面強度でビームが出力される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この特
許の構成を備えた装置の場合、ホログラム面に入射する
ビームのパワー分布が設計変数よりも大幅にずれた場合
に第２面に出力されるビームのパワー分布も同様にずれ
てしまい不均一になるといった問題がある。光学装置で
は、このような入射ビームのパワー分布のずれとなるよ
うな要因は多数ある。例えば、部品の老化によるパワー
変動や、故障を原因とする光源の交換といったものであ
る。この他、衝撃あるいは老化などにより装置にずれが
発生すると、これが原因となって出力波面のエネルギー
分布が不均一になってしまう。
【０００７】このため、波面のエネルギー分布が不均一
な入射光ビームを変換してエネルギー分布が略均一なビ
ームすなわち入射ビームの位置変動にも入射ビームのエ
ネルギー分布の変動にも比較的影響を受けにくいビーム
を出力させる比較的安価な方法が必要となる。
【０００８】本願発明は上記従来技術の有する課題に鑑
みてなされたものであり、その目的は、エネルギー分布
が不均一な入射光ビームを変換して出力面に略均一なエ
ネルギー分布で光ビームを出力する光ビーム変換装置を
提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願発明の光ビーム変換装置は、入射ビームを透過
させるべくアレイ状に配列された複数のファセットを有
してなり、各ファセットは透過する入射ビームをターゲ
ット領域全体に均一になるようガイドして各ファセット
を透過した入射ビームが出射面で互いに重なり合うよう
にすることにより前記出射面での光ビームのエネルギー
分布を略一様にすることを特徴とする。
【００１０】
【作用および効果】本願発明の光ビーム変換装置は上記
のような構成を有しており、エネルギー分布が不均一な
光ビームがアレイ状に配列された複数のファセットから
なる光ビーム変換装置に入射すると、各ファセットを透
過した当該入射ビームの一部が出力面上のターゲット領
域全体で重なり合い、その結果入射光ビームは略一様な
エネルギー分布で出力面に出力される。本願発明の光ビ
ーム変換装置はそれ自体ホログラムであり、ファセット
の各面はサブホログラムになっている。また、ファセッ
トを透過した光によって引き起こされる出力面での干渉
の影響を最小に抑えるようサブホログラムは設計されて
いる。
【００１１】本願発明の光ビーム変換装置はコンピュー
ター技術で開発できるため比較的安価に製作することが
できるといった利点がある。また、本願発明で行うビー
ム変換は入射ビームのエネルギー分布の変動の影響を比
較的受けにくいといった利点もある。さらに、出力ビー
ムのエネルギー分布は光ビーム変換装置へのビームの入
射位置にほとんど影響されずほぼ一定であるといった利
点もある。
【００１２】
【実施例】以下、添付図面を参照しながら本願発明の例
を説明する。
【００１３】図１は本願発明の光ビーム変換装置の構造
及び当該変換装置内での入射ビームの変換の様子を示し
ている。複数のファセット１２からなるアレイ１１を備
えた光ビーム変換装置１０にビーム１４が入射する。フ
ァセット１２は、光ビーム１４の一部をガイドして出力
面１８上のターゲット領域１６全体に均一に入射させる
よう構成されている。ファセット１２を透過した光ビー
ム１４の一部（説明のため２０ａ、２０ｂとする）がタ
ーゲット領域１６で重なり合って混合される。この結
果、ファセット１２を透過した光ビーム１４の各部分は
均一化される。この装置の行う変換によりターゲット領
域１６では光ビーム１４が確実に均一に混合され、出力
面１８からは一様なエネルギー分布２４のビーム２２が
出射される。光ビーム１４のエネルギー分布は、均一化
処理によりほとんど損失もなく平均化される。
【００１４】光ビーム１４はレーザー等の光源（図示せ
ず）から好ましくは平行光の状態で出射されるが、その
エネルギー分布は様々な形をしている。そのうちの幾つ
かを例として図１ー３に示す。光源から出射された光ビ
ーム１４は光ビーム変換装置１０に入射し、レンズやミ
ラーといった従来のバルク光学素子や、あるいは、従来
の光学素子と同じ効果が得られるホログラフィー素子で
平行光に変換される。一般に、光ビーム１４のエネルギ
ー分布２６は断面方向に著しい変動が見られる。光源に
よってはエネルギー分布２６は５％ー１０％の範囲で変
動することもある。また、光源が老化したり、あるい
は、光源へ電力を供給している電源に変動があると、光
ビーム１４のエネルギー分布２６も変動してしまう。本
願発明の光ビーム変換装置１０は、光ビーム１４のエネ
ルギー分布２６の変動や、アレイ１１に入射する際の光
ビーム１４にわずかな変動にも影響されることなく出力
面１８のターゲット領域１６から略均一なエネルギー分
布２４でビーム２２が出射されるように光ビーム１４を
混合するよう構成されている。ターゲット領域１６での
エネルギー分布２４は、光ビーム１４のエネルギー分布
２６ではなくて、実質的に各ファセット１２でのエネル
ギーを各々ターゲット領域１６全体に平均化したものと
なっている。
【００１５】この実施例の光ビーム変換装置１０はホロ
グラフィー素子として構成されており、ファセット１２
はサブホログラムとして構成されている。同じ大きさの
サブホログラム１２をＭｘＮのアレイ状に配列したホロ
グラフィー素子が図１に示されている。このサブホログ
ラム１２は各々大きさが違っていてもよい。サブホログ
ラム１２は、入射してきた光ビーム１４を回折させて出
力面１８のターゲット領域１６全体に照射させるよう構
成されている。このサブホログラム１２のそれぞれは個
別の回折格子で構成されていて光ビーム１４をターゲッ
ト領域１６の全体へガイドする。実際にはサブホログラ
ム１２の縞またはピクセルが多数（以下に述べる実施例
ではおよそ８０ライン／ｍｍ）存在するが、理解しやす
いようこれらの縞は図面から省略した。さらに、理解及
び説明がしやすいように光ビーム変換装置１０のアレイ
１１を４ｘ４のマトリックスで構成しているが、実際に
は後から説明するようにこの光ビーム変換装置１０はも
っと多数のサブホログラムまたはファセット１２で構成
されている。
【００１６】ホログラムを製作する場合は一般的に２つ
の方法がある。１つは、コヒーレントな光ビームの間で
発生する干渉パターンをホログラムプレートに形成し、
そのプレートを現像する方法である。基準ビームがホロ
グラムに照射されると干渉ホログラムが媒質の屈折率を
調整して所望の回折パターンを生成する。しかし、光ビ
ーム変換装置を製作する上で２つの大きな問題がある。
１つは、ポリマーでレーザーを吸収させる場合はポリマ
ーを傷つけないよう吸収量を低くしなくてはならない点
である。しかしながら、ほとんどの利用分野ではその吸
収量が大きくなりすぎてしまう。また、ポリマーの感光
性は一般に４５０−７００ｎｍといった比較的狭い範囲
に限られているため、体積ホログラムを製作するのは困
難である。複雑でコストのかかる技術を用いなければ、
出力の再生が必要となるような波長のレーザーを用いて
ホログラムを製作しなくてはならない。この場合、使用
できるレーザーの波長は非常に限られており、特にＣＯ
2 レーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、エキシマレーザー
といったより実用的なレーザー光源を使用することがで
きなくなってしまう。計算機ホログラムの場合は、ホロ
グラムの原料としてはシリコン、溶融シリカ、水晶など
を使用できる。これらの材料は光吸収率が低く、使用に
適した波長領域ではレーザーに対する損傷しきい値が高
い。計算機ホログラム設計ではレーザーが作動する波長
も設計要素の一部であり、この波長は紫外線領域から遠
赤外線領域まで簡単に変更できる。
【００１７】干渉ホログラムに関連した様々な設計製作
問題を解決するため、計算機ホログラム（ＣＧＨ）が開
発されている。この計算機ホログラムは、所望のホログ
ラフィーパターンを計算し、所定の設計条件に基づいて
そのホログラフィーパターンまたは再生波面から必要な
特定のホログラムを逆算して作製する。反復ＣＧＨ符号
化方法が幾つか開発されており、この方法によればコン
ピューターの高性能を利用して他の数学的技術で開発し
たホログラムよりもはるかに高性能なＣＧＨが製作でき
る。
【００１８】ＣＧＨとは本質的には凸状面(surface-rel
ief)であって、ホトリソグラフィー、エッチング、電子
ビーム書き込みなどの技術で製作する。電子ビーム技術
を用いると光学フィルムに近い解像度が得られるが、振
幅及び位相量子化レベルがかなり粗い。ホトリソグラフ
ィー処理を用いれば多層ホログラムを製作できるが、層
数が多くなるほど層間ずれエラーも増加するといった問
題がある。
【００１９】本願発明の光ビーム変換装置と米国特許第
４，５４７，０３７号との主な違いは、後者の技術では
ファセットに照射される光が出力面上の別の位置にガイ
ドされる点にある。一方、本願発明では、複数のファセ
ットを透過した光ビームは出力面で重なり合う。本願発
明の場合、ホログラムを特別に設計しないと、出力面上
においてファセットを透過した光ビームが重なり合う地
点で干渉作用(coherence effects) によって干渉パター
ンが発生してレーザー強度プロフィールを著しく変動さ
せてしまう可能性がある。すなわち、サブホログラムを
個別に設計し、サブホログラムの大きさをレーザー光源
のコヒーレンス幅よりも小さくしてしまうと、干渉作用
が発生してファセット透過光が重なり合う地点に明暗縞
パターンが発生してしまう。
【００２０】しかしながら、反復離散同軸（Iterative
Discrete On-axis: IDO)符号化方法のような反復符号化
方法でサブホログラムを設計すればこのような可能性は
なくなる。この反復符号化方法の詳細な説明について
は、「スポットアレイ生成用高効率ホログラムの反復符
号化方法」（光学レター、Vol. 14, pp.479-81, 1989,F
eldman(本願発明の共同発明者) et al.）を参照。簡単
に説明すると、ホログラムを複数の矩形セルに分割して
２次元アレイを構成し、許容可能な画像が得られるまで
各セルの透過率を調整して最適にする。最適化処理の段
階で、別々のファセットの間で発生する干渉作用によっ
て生成された画像を監視する。各セルの透過率の選択
は、出力面１８の中の広い範囲（または全体）に及ぶよ
うファセット照射光を拡散するだけでなく、ファセット
間での干渉作用を最小限に抑えられるようにする。同軸
符号化方法ではホログラム用キャリヤ波面(carrier wav
efront) が機能する必要はないため、作製されるＣＧＨ
の回折効率はキャリヤ波面を必要とする軸外れ方法によ
るものより高い。これは、所望の画像を符号化する際に
使用される利用可能な空間と帯域幅の積(space-bandwid
th product: SBP)、すなわちＣＧＨに収まる情報量の点
でホログラムには実質的な上限があるからである。キャ
リヤ波面に情報が必要ない場合は、より多くの画像情報
を符号化することが可能である。あるいは、米国特許第
５，２０２，７７５号に開示されている「放射状対称型
ホログラム及びその作製方法」という符号化方法を利用
するのも望ましい。ＩＤＯやＲＩＳＤＯといった反復符
号化方法の変わった特徴としては、「位相飛ばし(phase
skipping)」がある。この位相飛ばしとは、前述の米国
特許第５，２０２，７７５号にも説明されているよう
に、隣合う２つのＣＧＨピクセルの位相レベルが１位相
レベル以上かつＮ−１位相レベル以下だけ異なる時に発
生する。しかし、前記特許第４，５４７，０３７号にあ
るように二値レベルまたはマルチレベル回折格子を使用
する場合にはこのような位相飛ばしは発生しない点を留
意しなくてはならない。
【００２１】ＩＤＯ方法をサブホログラム１２の設計に
適用する場合には、光ビーム１４の短波長を基本とし
て、物理的に実現可能な大きさの高効率ＣＧＨが得られ
るよう小さい回折角度を保つことが重要となる。この場
合、光ビーム１４は３０８ｎｍ±１ｎｍの波長で２．５
ｃｍ ｘ １ｃｍの楕円形をしている。ターゲット領域
１６、すなわち出射ビーム２２の形は円形や四角形など
多数あるが、特にこの実施例の場合は出力面１８の１辺
の長さを１．５ｃｍに選択する。このような条件の場
合、光ビーム変換装置１０と出力面１８上のターゲット
領域１６との間隔が２０ｃｍであるとすると光ビーム変
換装置１０の最大偏向角は２．９゜となる。
【００２２】ＣＧＨの最大偏向角が２．９゜の場合に
は、最大空間周波数として１６０ｌｐ／ｍｍ（ラインペ
ア／ミリメーター）が必要である。光源を経済的に利用
するには、つまり当該実施例の場合はレーザー（図示せ
ず）を経済的に利用するには、光ビーム変換装置１０を
構成しているＣＧＨは回折率は高くなくてはならない。
ＣＧＨの空間周波数が８００ｌｐ／ｍｍまたは必要な最
大空間周波数の約４倍の時は約８０−９０％の回折効率
を得ることができる。ＣＧＨの空間周波数８００ｌｐ／
ｍｍは、ＣＧＨとしては最小の大きさ、すなわち、０．
６μｍに相当する。
【００２３】ＣＧＨの効率を高くして入射ビームのパワ
ーを経済的に利用する際に必要な効率レベルにするに
は、各サブホログラムのＳＢＰ（空間帯域幅の積）を１
２８ｘ１２８またはそれ以上にしなくてはならない。Ｓ
ＢＰはサブホログラムを構成する画素の数であると共に
自由度を計る尺度でもある。一般に、効率の高い任意の
光学的機能を実行する場合には大きな自由度が必要であ
る。このため、サブホログラムの大きさの下限は７７μ
ｍ ｘ ７７μｍとなる。サブホログラムのそれぞれの
大きさを１００μｍ ｘ １００μｍとすると、本願の
実施例のビームに十分使用可能なファセットアレイの大
きさは１００ｘ１００である。この変数の時はＳＢＰは
１６７ｘ１６７で、このＳＢＰ値は８０ー９０％の回折
効率を得るのに必要なＳＢＰ値１２８ｘ１２８をはるか
に越える値である。この装置の場合に算出した最終的な
回折効率は８５ー９５％である。
【００２４】サブホログラム１２の透過光２０ａ，２０
ｂは出力面１８のターゲット領域１６全体をカバーし、
均一なビーム２２が出射される。出射ビーム２２の大き
さは１．５ｃｍ ｘ １．５ｃｍとなると予測される。
この場合、出射ビーム２２は光ビーム１４よりも径が小
さい。ターゲット領域１６が光ビーム１４の断面積より
も大きくなる、または、任意の所望のプロフィールとな
るよう出射ビーム２２を光ビーム変換装置１０で拡大す
ることも可能である。
【００２５】出力面１８は、一定のエレメントとしてで
ななくむしろ一定のスペースとして表されている。バル
ク光学素子、光ファイバー、図１に示すようなコリメー
トホログラムなどの別のホログラム、遮蔽マスクや照射
対象のように出力ビームを利用する能動装置または他の
装置を配設することができる。このような構成の場合、
出力面１８の部分に図１に示すようなコリメートホログ
ラム２８などの光学素子を組み込むことができ、このよ
うに構成すると出射ビーム２２をレーザー切断機に利用
することが可能になる。光ビーム変換装置１０がなけれ
ば、レーザー切断に使用するビームのエネルギー分布は
光ビーム１４のエネルギー分布のようになり、開口を通
過する際に光ビーム１４のパワーのほとんどが失われて
しまう。図１に示すように、光ビーム１４の波面の中心
部はパワーが高くなっている、すなわち、「ホットスポ
ット」を形成しており、この部分は周辺部の低パワー部
に比べて早い速度で材料を切断する。エッジ部分の形は
入射ビームのエネルギー分布の波面とは逆の形になるた
めエッジの精度が低下してしまう。ターゲット領域での
出射波面のエネルギー分布から、ターゲット領域外とタ
ーゲット領域での均一化ビームの強度の違いは明かであ
る。均一化されたビームは強度も均一化されており、出
射ビームの断面方向に均一に切断を行うことができ、精
度の高いエッジが形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の光ビーム変換装置の構造及び当該変
換装置内での入射ビームの変換の様子を示した概略図
【図２】ＣＯ2 またはＨｅ−Ｎｅレーザーなどの入射ビ
ームのエネルギー分布と、平行光線として変換出力され
るビームの特徴を示した概略図
【図３】入射するＮｄ：ＹＡＧレーザービームのエネル
ギー分布と、平行光線として変換出力されるビームの特
徴を示した概略図
【符号の説明】
１０ 光ビーム変換装置 １１ アレイ １２ ファセット（サブホログラム） １４ 光ビーム １６ ターゲット領域 １８ 出力面 ２０ａ，２０ｂ 光ビームの一部 ２２ 出射ビーム ２４、２６ エネルギー分布 ２８ コリメートホログラム

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入射ビームを透過させるべくアレイ状に
    配列された複数のファセットを有してなり、各ファセッ
    トは透過する入射ビームをターゲット領域全体に均一に
    なるようガイドして各ファセットを透過した入射ビーム
    が出射面で互いに重なり合うようにすることにより前記
    出射面での光ビームのエネルギー分布を略一様にするこ
    とを特徴とする光ビーム変換装置。
JP7039879A 1994-02-28 1995-02-28 光ビーム変換装置 Withdrawn JPH0894839A (ja)

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