KR101029926B1

KR101029926B1 - 중첩식 ｄｏｅ 호모지나이저 광학계

Info

Publication number: KR101029926B1
Application number: KR1020040079095A
Authority: KR
Inventors: 히라이다카유키
Original assignee: 스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2011-04-18
Also published as: EP1574892A2; JP2005257830A; JP4033151B2; EP1574892B1; US6967777B2; EP1574892A3; DE602004013119D1; DE602004013119T2; US20050200958A1; KR20050091890A

Abstract

본 발명은 레이저로부터 나간 가우시안 빔을 변형하여 이미지면에서 파워가 강력하고 균일한 띠형의 빔을 만들어내는 것으로, 직경 d의 가우시안 빔을 축으로부터 멀어지는 방향으로 회절하여 후방 거리 f의 위치에 있는 축선에 직교하는 이미지면 I에서 축선으로부터 벗어난 위치에서 d와 다른 한 변 q를 갖는 직사각형(q×w) 단면의 준균일 분포 빔으로 변환하는 복수의 오프 액시스형의 회절형 광학 부품(DOE)(온 액시스형이 하나 있더라도 좋다)을 회절각 Θ가 큰 것이 외측으로, 회절각 Θ가 작은 것이 내측으로 되도록 레이저 축선과 기준면 K의 교점인 기준점에 일차원적으로 배열하고, 직경 d의 가우시안 빔을 생성하는 레이저를 각각의 DOE의 축선 상에 배치하며, 레이저로부터의 가우시안 빔을 오프 액시스형 DOE에서 회절하여 후방 f의 이미지면에서 인접 DOE로부터의 회절광이 일부 서로 중첩하도록 하여 이미지면에서 띠형의 균일 파워의 빔을 얻도록 한 것이다.

Description

중첩식 ＤＯＥ 호모지나이저 광학계{DUPLICATION TYPE DOE HOMOGENIZER OPTICAL SYSTEM}

도 1은 회절형 광학 부품(DOE)을 이용하여 레이저의 원통 대칭 가우시안 빔을 축소 원통형 단면의 균일 파워 분포광으로 변환하는 종래예에 따른 호모지나이저(homogenizer) DOE 광학계의 설명도이며, 왼쪽의 산은 레이저 빔의 가우시안 분포를 나타내고, 오른쪽의 산은 DOE에서 호모지나이징된 균일(톱햇(top hat)) 분포를 나타내는 도면,

도 2는 회절형 광학 부품(DOE)을 이용하여 레이저의 원통 대칭 가우시안 빔을 확대 원통형 단면의 균일 파워 분포광으로 변환하는 가상의 호모지나이저 DOE 광학계의 설명도이며, 왼쪽의 산은 레이저 빔의 가우시안 분포를 나타내고, 오른쪽의 산은 DOE에서 호모지나이징된 균일(톱햇) 분포를 나타내는 도면(고출력 레이저가 존재하지 않기 때문에 확대 광학계에서는 강한 파워를 얻을 수는 없음),

도 3은 복수의 오프 액시스(off axis) 회절형 광학 부품(DOE)을 이용하여 복수의 레이저의 원통 대칭 가우시안 빔을 축소 원통형 단면 띠형의 준균일 파워 분포광으로 변환하는 본 발명의 호모지나이저 DOE 광학계의 설명도(여기서는 DOE, 레이저가 세 개인 경우를 나타내지만 몇개라도 좋고, 여기서 좌우의 DOE는 오프 액시스이며 본 발명의 사상의 골자를 이룸),

도 4(a)는 도 3의 본 발명의 호모지나이저 DOE 장치에 의해 이미지면에 세 개의 준균일화 빔을 생성하는 것을 나타내는 그래프이고, 도 4(b)는 합의 파워가 이미지면에서 거의 균일하게 되어 있는 것을 나타내는 그래프,

도 5는 도 3의 본 발명의 광학계 중 중앙의 온 액시스형 DOE가 가우시안 빔을 축소하여 이미지면에 직사각형 단면 준균일화 빔을 생성하는 것을 나타내는 설명도이며, 왼쪽의 산은 레이저 빔의 가우시안 분포를 나타내고, 오른쪽의 산은 DOE에서 호모지나이징된 준균일(톱햇) 분포를 나타내는 도면,

도 6은 도 3의 본 발명의 광학계 중 상측의 오프 액시스형 DOE가 가우시안 빔을 아래쪽으로 강하게 회절하고 축소하여 이미지면의 축선으로부터 벗어난 위치에 직사각형 단면 준균일화 빔을 생성하는 것을 나타내는 설명도이며, 왼쪽의 산은 레이저 빔의 가우시안 분포를 나타내고, 오른쪽의 산은 DOE에서 호모지나이징된 준균일(톱햇) 분포를 나타내는 도면,

도 7은 도 3의 본 발명의 광학계 중 하측의 오프 액시스형 DOE가 가우시안 빔을 윗쪽으로 강하게 회절하고 축소하여 이미지면의 축선으로부터 벗어난 위치에 직사각형 단면 준균일화 빔을 생성하는 것을 나타내는 설명도이며, 왼쪽의 산은 레이저 빔의 가우시안 분포를 나타내고, 오른쪽의 산은 DOE에서 호모지나이징된 준균일(톱햇) 분포를 나타내는 도면,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 호모지나이저 DOE 광학계의 세 개의 호모지나이저 DOE와 이미지면의 관계, 치수를 도시한 도면,

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 호모지나이저 DOE의 픽셀의 높이(두께)에 관한 16단계의 단계를 나타내는 설명도,

도 10은 세 개의 호모지나이저 DOE를 사용하는 실시예의 제 1 호모지나이저 DOE(오프 액시스)의 위상 분포(높이, 두께)도(백회흑(白灰黑)의 계조가 16단계의 픽셀 두께를 표현하고, 하나의 줄무늬가 1파장분의 위상(높이, 두께)차를 표현하며, 왼쪽에 볼록의 동심만곡궁(同心彎曲弓) 그룹이 보임),

도 11은 세 개의 호모지나이저 DOE를 사용하는 실시예의 제 2 호모지나이저 DOE(온 액시스)의 위상 분포(높이, 두께)도(좌우상하에 중심을 향해 볼록의 동심만곡궁 그룹이 나타나 쌍곡선함수군과 같이 보임),

도 12는 세 개의 호모지나이저 DOE를 사용하는 실시예의 제 3 호모지나이저 DOE(오프 액시스)의 위상 분포(높이, 두께)도(백회흑의 계조가 16단계의 픽셀 두께를 표현하고, 하나의 줄무늬가 1파장분의 위상(높이, 두께)차를 표현하며, 오른쪽으로 볼록의 동심만곡궁 그룹이 보임),

도 13은 세 개의 호모지나이저 DOE를 사용하는 실시예의 제 1 호모지나이저 DOE(오프 액시스), 제 2 호모지나이저 DOE(온 액시스), 제 3 호모지나이저 DOE(오프 액시스)가 이미지면에 생성하는 각각의 광의 강도 분포를 흑색 배경 중에 흰 부분으로 표현한 도면,

도 14는 세 개의 호모지나이저 DOE를 사용하는 실시예의 제 1 호모지나이저 DOE(오프 액시스), 제 2 호모지나이저 DOE(온 액시스), 제 3 호모지나이저 DOE(오프 액시스)가 이미지면에 생성하는 각각의 광의 강도 분포를 나타내는 그래프(가로 축은 빔에 직교하는 이미지면의 긴 쪽 방향의 좌표(x 좌표), 세로축은 DOE에 의한 회절광의 강도 분포),

도 15는 세 개의 호모지나이저 DOE를 사용하는 실시예의 제 1 호모지나이저 DOE(오프 액시스), 제 2 호모지나이저 DOE(온 액시스), 제 3 호모지나이저 DOE(오프 액시스)가 이미지면에 생성하는 광을 중첩시킨 합계의 광의 강도 분포를 흑색 배경 중에 흰 부분으로 표현한 도면,

도 16은 세 개의 호모지나이저 DOE를 사용하는 실시예의 제 1 호모지나이저 DOE(오프 액시스), 제 2 호모지나이저 DOE(온 액시스), 제 3 호모지나이저 DOE(오프 액시스)가 이미지면에 생성하는 광을 중첩시킨 합계의 광의 강도 분포를 나타내는 그래프(가로축은 빔에 직교하는 이미지면의 긴 쪽 방향의 좌표(x 좌표), 세로축은 DOE에 의한 회절광의 강도 분포),

도 17은 복수의 레이저와 복수의 DOE를 조합시켜 레이저 빔을 축소하여 강력한 균일 밀도의 띠형 회절광을 생성하는 경우, 본 발명과 같이 오프 액시스 DOE를 이용한 경우(a)와, 가상의 온 액시스 DOE를 이용한 경우(b)에서, 빔의 간격, DOE의 치수, 빔의 경사 등을 비교하기 위한 설명도,

도 18은 복수의 레이저와 복수의 DOE를 조합시켜 레이저 빔을 확대하여 약한 균일 밀도의 띠형 회절광을 생성하는 경우, 본 발명과 같이 오프 액시스 DOE를 이용한 경우(a)와, 가상의 온 액시스 DOE를 이용한 경우(b)에서, 빔의 간격, DOE의 치수, 빔의 경사 등을 비교하기 위한 설명도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2 : 레이저로부터의 가우시안 빔 3 : 호모지나이저 DOE

4 : DOE에 의한 회절광 5 : 이미지면

6 : 이미지면에서의 균일 띠형 회절광

본 발명은 가늘고 긴 직사각형 영역(Q×w:Q>> w)에서 균일 파워의 광을 만들어내기 위한 광학계에 관한 것이다. 고출력의 레이저 빔은, 그 파워를 이용하여 대상물의 용접, 용단(溶斷), 천공, 열 처리 등에 이용된다. 대상물에 따라 필요한 레이저의 파장은 서로 다르다. 탄산가스 레이저의 9㎛∼11㎛의 적외 빔은 용접, 열 처리 등에 이용할 수 있다. YAG 레이저의 1.06㎛의 파장의 빔도 대상물의 천공이나 열 처리의 목적으로 쓰인다. YAG 레이저의 제 2 고조파의 532㎚는, 비정질 Si의 어닐링에 쓸 가능성이 있다. 그와 같이 레이저광을 가열 목적으로 이용하는 경우 빔 단면 내에서의 파워 밀도가 불균일해도 좋다는 경우도 있다. 그렇지 않고 파워 밀도가 균일해야 하는 경우도 있다.

파워가 균일한 것뿐만 아니라 평행이고 위상이 일치하는 것도 요구되는 경우도 있다. 평행이고 위상이 일치하면, 그 이후 길게 전파하더라도 균일성을 유지할 수 있다. 그것은 이상적인 것이지만 반면 매우 어려운 것이다. 양보하여, 임의의 면(이미지면이라고 부름)에서만 파워 균일성이 있고 비평행이라도 좋다고 하는 경우도 있다. 그리고나서 그 뒤를 전파하면 균일성은 흐트러지지만, 이미지면에서는 파워 밀도가 균일하기 때문에 이미지면에 대상물을 두고 조사하면 균일 파워로 조사할 수 있다. 본 발명은 후자의 의미의 광학계에서, 임의의 이미지면만으로 파워 균일성이 있는 광분포를 만들어내는 것이다.

레이저로부터 나간 레이저 빔은 원통형 평행 빔이지만 파워 밀도는 균일하지 않다. 큰 구면거울을 공진기 미러로 하고 있기 때문에 레이저광은 중심에서 파워 밀도가 높고 주변부에서 밀도는 낮다. 레이저의 파워 밀도는 이상적으로는 가우시안 분포를 하고 있다. 레이저 빔을 직접 대상물에 조사했다면 대상물면(이미지면)에서 파워 밀도는 가우시안으로 되어 버린다. 대상물면에서는 파워 밀도가 균일해야 한다면 레이저와 대상물의 사이에 파워 분포를 변환하는 광학 부품이 필요하다. 가우시안 빔을 균일화(톱햇)하는 광학계를 호모지나이저(homogenizer)라고 한 경우도 있다.

가우시안 빔을 균일 파워 빔으로 변환하기 위해서는 두개의 수단이 있다. 하나는 비구면 렌즈를 이용하는 것이다. 또 하나는 회절형 광학 부품(DOE: Diffraction Optical Element)을 이용하는 것이다.

렌즈의 균일화 기구(호모지나이저)를 우선 설명한다. 두 개의 렌즈의 조합으로 원통형 가우시안 빔을 적당히 굴절하여, 원통형의 균일 빔(톱햇형이라고 부름)으로 하는 것이다. 첫번째의 렌즈는 중심부의 빔을 확대하고 주변부의 빔을 축소하여, 임의의 원내에서의 파워 분포를 균일하게 하는 강도 변환 렌즈이다. 그와 같은 것은 통상의 구면 렌즈에서는 불가능하기 때문에 비구면 렌즈가 된다. 그것에 의해 파워는 균일하게 되지만 위상이 흐트러지고 있다.

두번째의 렌즈는 위상을 가지런하게 하는 것으로 위상 보상 렌즈라고 불린다. 강도 변환 렌즈와 위상 보상 렌즈를 합쳐서 렌즈 호모지나이저라고 말하는 경우도 있다. 렌즈에 의한 레이저 빔파워 균일화는 손실도 적고 우수한 것이다.

DOE에 의한 균일화 장치(호모지나이저 DOE)는 굴절광에 의한 것이 아니라 회절광에 의한 것이다. 도 1에 그 개략 구성을 나타낸다. 레이저로부터의 평행 가우시안 빔(2)이 DOE 호모지나이저(3)에 들어간다. 가우시안 빔의 분포를 도 1의 아래에 나타낸다. DOE(3)는 투명재료이고 빔의 표면에서 종횡으로 다수 나열되는 미소한 요소의 높이(두께)가 다르도록 한 것이다. DOE(3)에 의해 회절된 회절 빔(4)은 비평행 빔이며 이미지면(5)에 이르러 균일광(톱햇)(6)으로 된다. 균일광(6)의 파워 밀도를 아래에 나타내었다.

이미지면에서의 균일광(6)의 단면은 원인 것이 많다. 그러나 균일 밀도(톱햇)의 타원 단면광으로도 할 수 있다. 또한 균일 밀도(톱햇)의 정방형 단면(q×q)으로도 할 수 있다. DOE의 분포를 고안하면 직사각형(q×w) 단면으로도 할 수 있다. 톱햇이라고 하는 것은 파워 밀도가 균일하다는 것을 의미하고 단면이 원형이라는 것이 아니다.

레이저 빔의 파장을 λ로 한다. DOE의 가장 두꺼운 부분과 얇은 부분의 두께의 차 ΔD가 1파장분에 해당하도록 하고 있다. 즉 λ=(n-1)ΔD이다. 그것을 2의 누승에 해당하는 수로 나눈 것을 단차의 1단위로 한다. 예컨대 ΔD를 256으로 나눈 값이 최소 단위이고 단차는 그 정수배로 부여된다.

도 1은 레이저 빔의 직경보다도 이미지면(5)에서의 균일광(6)의 직경이 작은 것으로 되어 있다. 예컨대 레이저 빔의 직경이 2㎜이고, 이미지면에서의 균일광의 직경은 1㎜와 같이 되도록 빔은 축소하고 있다. 어떻게 축소계가 되는가 하면, 그것은 처리에 요구되는 균일광의 파워 밀도는 강하고, 한편 레이저 파워가 약하기 때문이다. 빔 직경을 축소하고 파워 밀도를 고양해야만 한다. DOE(3)는 주변부의 광선을 보다 강하게 내측으로 회절함으로써, 이미지면(5)에서 파워가 톱햇인 균일광(6)을 만들어낸다. 그것은 이미지면(5)에서 균일하고, 그것보다 조금이라도 전후로 어긋난 면에서는 빔의 균일성이 저하한다.

도 1에서는 간단히 그리고 있지만 굴절광이 아니라 회절광을 사용하고 있기 때문에 여러 가지의 노이즈가 발생한다. 회절광이라고 하더라도 실제는 일차 회절광이다. 보다 고차의 회절광도 있고 0차의 회절도 있다. 그들의 고차 회절광이나 0차의 회절광은 그와 같이 단순히 집광하는 것은 아니다. 그러나, 그들의 성분은 비교적 작아서 무시할 수 있는 경우가 많다. 또한 미소 단위(픽셀이라고 부름)마다 두께가 다르기 때문에 가공이 어렵다고 하는 결점도 있다. 자유도가 큰 만큼, 그 자유도를 실현하기 위한 가공도 복잡하게 된다. 최종적으로 DOE로부터 임의 거리에 있는 이미지면(5)에서의 파워 밀도가 균일하면 좋다고 해서 DOE를 설계하기 때문에, 이미지면보다 전후로 어긋난 면에서는 균일성은 저하한다.

자유도가 크기 때문에 소망의 균일화 빔을 만들기 위한 DOE의 구조는 하나로 결정되지 않고, 몇개의 구조가 가능하다. 후보 중의 하나를 고르더라도 그것이 반 드시 최적이라고는 말할 수 없다. 그와 같이 DOE에는 내재적인 몇개의 결점이 있다.

상술의 두 개의 렌즈(강도 변환 렌즈 + 위상 보상 렌즈)를 조합한 것이 평행 균일 빔을 만들어 전후의 이미지면이 어긋나더라도 지장이 없다. 또한 두 개 렌즈의 호모지나이저는 굴절광을 쓰기 때문에 회절이 없어 고차 회절이나 0차 회절의 문제가 없고, 깨끗한 톱햇 광을 이미지면에서 만들 수 있다. 그와 같이 두 개 렌즈의 호모지나이저는 매우 우수한 것이다. 렌즈는 본래 원통 대칭이기 때문에 원통형 단면의 균일화 빔을 만들기 위해서는 최적이다. 그러나 반면, 비원통형 단면의 균일화 빔을 만드는 것은 렌즈계에서는 어렵다.

균일화 출력 빔으로서 항상 원통형의 빔만이 요망되는 것은 아니다. 대상물에 의해 레이저 조사의 목적에 따라 요구되는 균일화 빔의 단면 형상도 다르다. q×q의 정방형의 균일화 빔이 필요한 경우도 있다. q×w의 직사각형 단면 빔을 원한다는 경우도 있다. 그와 같은 목적으로는 렌즈에 의한 균일화 광학 부품은 적당하지 않다.

그와 같은 경우는 상술의 회절형 광학 부품(DOE)이 적합하다. DOE는 미소 면적의 단위(픽셀)가 종횡으로 나열되고 미소 단위의 두께를 바꾸는 것에 따라 광을 회절하도록 하고 있다. 픽셀수만큼의 자유도가 있기 때문에 q×q의 정방형 또는 q×w의 직사각형의 균일화 빔을 만들어낼 수 있다. 그와 같은 목적으로는 DOE에 의한 호모지나이저는 유용하다.

그런데 직사각형 (Q×w)이면서도 Q>>w라고 한 것과 같이 한 방향으로 긴 띠 형의 조사 영역이 요구되는 경우도 있다. 띠형의 영역에서 균일 파워의 빔이 필요하다는 경우도 있다. 예컨대 액정 패널을 제조하기 위해 넓은 유리 기판에 비정질 실리콘막(a-Si)을 증착하여 박막 트랜지스터를 일면에 제작하고자 하는 경우이다. 비정질 실리콘의 상태로는 고성능 액정을 실현하는 데 있어 전자 이동도가 지나치게 낮다.

가열하여 결정립(結晶粒)을 크게 하여 다결정 실리콘으로 변환하면 전자 이동도가 높게 된다. 그 때문에 히터 가열하면 유리 기판 자체를 가열해 버려 바람직하지 못하다. 예컨대 a-Si를 800℃∼1000℃ 정도로 가열 처리하는 것이 요망되지만 통상의 유리 기판은 그와 같은 고온에 견디지 못한다. 곧 연화되어 녹아 버린다. 하지의 유리를 가열하지 않고 표면의 a-Si만을 고온으로 가열하고 싶다. 그것을 위해서는 광에 의해 순간적으로 가열하는 것이 좋다.

그렇다면 대출력의 레이저를 단시간 조사한다는 것이 생각된다. 레이저는 비정질 Si가 흡수하는 파장의 광을 내는 것이면 좋다. KrF, ArF 등의 엑시머레이저가 후보에 들 수 있다. 이들은 자외선을 내기 때문에 파장의 점에서는 좋지만, 파면의 흐트러짐이 크고, 또한 정확한 가우시안 빔이 아닌 것이 많다. YAG의 1.06㎛는 파워가 크고 가우시안 빔이기 때문에, 그것은 좋은 것이지만, 비정질 Si에서 흡수되지 않으므로 무효이다. YAG의 제 2 고조파는 532㎚이기 때문에 비정질 Si에서 흡수된다. 현재 시판의 YAG 제 2 고조파 레이저는 파워가 부족하지만, 곧 개선될 것이다.

넓은 유리 기판을 가열 처리하는 것을 생각하면 직경이 작은 빔스포트에서 톱햇으로 되어 있더라도 그다지 도움이 되지 않는다. 넓은 면적의 대상물에 대하여, 빔을 좌우로 주사한다고 해도 빔이 작으면 몇 번이나 주사해야 해서 시간이 너무 걸린다. 또한 조사한 에너지 밀도는 균일해야 한다. 그 때문에 긴 직사각형 형상(띠형: Q×w; Q>>w)의 균일 분포의 광이 요망된다. 대상물의 치수가 K×H인 것으로 하면, 주사 길이가 H이고 K/Q회 주사하면 좋은 것으로 된다. Q가 크면 회수가 적게 된다.

그 외에도 띠형의 균일 파워의 광을 필요로 하는 용도가 있을 수 있다. 그 경우 빔이 평행으로서 위상도 일치하는 것이 이상적이지만 그것은 매우 어렵기 때문에, 임의의 이미지면에서 파워가 균일하다고 하는 것만을 요구한다. 이미지면에서 비평행하고 위상이 불일치라도 그것은 할 수 없다. 본 발명은 그와 같은 띠형의 균일 빔을 DOE에 의해 만들어내는 호모지나이저 DOE에 관한 것이다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 2003-270585 「레이저 조명 광학계 및 그것을 이용한 노광 장치, 레이저 가공 장치, 투사 장치」

특허문헌 1은 가우시안 빔을 발생하는 복수의 동등한 반도체 레이저로 이루어지는 반도체 레이저 어레이를 광원으로서 이용한다. 어레이에 포함되는 소자의 피치 p와 동일한 피치 p로 나열되는 홀로그램 소자에서 가우시안 빔을 직사각형 형상(p×w)의 균일 분포 빔으로 하여 빔의 끝이 접촉되게 되어 있다. 직사각형 균일 빔을 끝부분이 이중으로 겹치지 않도록 하고 있다. 균일 빔의 끝이 겹치면, 그 부분은 파워가 2배로 되기 때문에 바람직하지 않다.

피치 p로 직사각형 톱햇의 빔을 이룰 수 있기 때문에 N개의 레이저와 N개의 홀로그램 소자가 있으면, 길이 pN의 띠형의 균일광 빔이 생성된다. 각각의 레이저 소자와 홀로그램 소자가 동일축선에 나열되기 때문에 동등한 홀로그램 소자를 쓸 수 있다. 경계에서 인접 레이저로부터의 빔이 거의 겹치지 않기 때문에 간섭의 문제도 없다. 레이저와 홀로그램 소자의 수 N을 증가해가면 얼마든지 긴 띠형(Np×qw)의 균일 파워 밀도의 광 빔을 만들어낼 수 있다. 반도체의 웨이퍼 프로세스에 있어서 레티클에 균일한 광을 부딪혀 레지스트를 노광하기 위해 사용하고 있다. 레지스트는 배선을 위한 미세한 패턴을 그리는 것으로(0.2nm 정도) 간섭줄무늬가 발생해서는 치명적이다. 특허문헌 1에서는 인접하는 빔은 서로 겹치지 않기 때문에 간섭줄무늬가 발생하지 않는다. 인접 빔은 끝에서 엄밀히 접촉하도록 조정해 놓아 중첩이 없다. 그것은 각각의 홀로그램 소자로 엄밀한 직사각형 빔을 형성할 수 있기 때문에 가능한 것이다. 그것이 가능한 것은 레이저 빔의 광축과 홀로그램 소자의 중심선이 일치하기 때문이다.

홀로그램 소자는 물체광과 참조광을 간섭시킬 수 있었던 간섭줄무늬를 고정함으로써 만들어지는 소자이다. 사진필름 등의 감광체를 기판의 한 면 또는 양면에 도포하고, 또한 물체광과 참조광을 동시에 부딪혀 만들어진다. 특허문헌 1의 경우는 레이저로부터의 발산하는 빔과, 그 빔의 일부를 빔 스플리터로 나눠 어떠한 수단에 의해 평행 균일화 직사각형 빔으로 하여, 발산 빔과 균일화 직사각형 빔을 감광체의 양쪽으로부터 동시적으로 부딪히는 것에 따라 노광시켜 현상하여 제작한다. 그 점에서 홀로그램 소자는 DOE와는 다르다.

본 발명은 레이저 빔을 정형하여 띠형(종횡비가 큰 직사각형)의 균일 파워광 빔을 만들어내는 것을 목적으로 한다. 하나의 레이저의 가우시안 빔을 DOE를 사용하여 한 방향으로 확대하고, 그것과 직교하는 방향으로는 좁은 띠형단면의 균일광을 만드는 것은 이론적으로는 가능하다. 그것을 도 2에 나타낸다. 이 DOE(3)는 빔을 확대하는 작용이 있다. 이미지면(5)에서의 투영 빔이 균일화(톱햇)광(6)으로 되어 있다. 이미지면(5)에서의 빔의 단면을 Q×w라고 하면 Q가 w보다 훨씬 큰 종횡비가 큰 띠형 단면으로 되어 있다.

Q가 크면 상기와 같은 목적으로 쓸 수 있을까 한다면 그렇지도 않다. 도 2와 같이 레이저 빔을 확대해 버리면 이미지면에서의 파워 밀도가 약해져 열 처리, 용접, 천공, 용단 등의 처리를 할 수 없다. 대출력의 레이저가 있으면 형편이 좋은 것이지만 현재 시점에서, 그 정도 고출력의 레이저가 없다. 도 2와 같이 DOE에서 빔을 확대하여 띠형단면의 톱햇 빔을 만든다는 것은 현실적이지 않다. 그러므로 도 2는 가공(架空)의 구성도에 지나지 않는다.

그렇게 되면 복수의 레이저를 병렬로 모두, 각각이 내보내는 가우시안 빔을 동수의 DOE에 의해 균일화 빔으로 한다는 것이 생각된다. 특허문헌 1은 N개의 레이저를 갖는 반도체 레이저 어레이의 앞에 N개의 홀로그램 소자를 놓고 확대하는 레이저 빔을 레이저의 피치 p와 동일한 긴 변을 갖는 직사각형 균일 빔(p×q:p> q)으로 바꾸고, 끝이 겹치지 않도록 맞대어 길이가 pN인 띠형의 균일화 광을 얻도록 하고 있다. 다수의 레이저를 이용하기 때문에 전체로서의 파워가 커진다.

특허문헌 1은 미세한 반도체 레이저 어레이를 광원으로서 이용한다. 반도체 레이저는 치수를 작게 할 수 있기 때문에 어레이로 한 경우 피치 p를 400㎛라든가 500㎛와 같이 극히 짧은 것으로 할 수 있다. 또한 저렴히 어레이를 제조할 수 있기 때문에 소자수 N을 5라든가 10이라든가 또는 20개로 할 수 있다. 광원의 비용이 낮아 광원수도 자유롭게 늘릴 수 있다. 그 경우는 소자수 m을 늘려 띠의 길이 L=mp를 크게 할 수 있다.

그러나 반도체 레이저는 파장 범위가 반드시 원하는 처리에 합치되고 있는 것은 아니다. 그것에 파워가 그다지 높지 않은 경우도 있다. 그래서 목적에 따라서는 광원으로서 반도체 레이저 어레이를 사용할 수 없는 경우도 많다.

고출력이 필요한 때는, 역시 고체 레이저나 기체레이저를 사용해야 한다. 기체 레이저, 고체 레이저는 길이도 폭도 크기 때문에 반도체 레이저 어레이와 같이 500㎛ 정도의 피치로 많이 나열하지는 않는다. 방전관의 치수 등이 있기 때문에 복수개 나열하는 것으로 하면 피치는 10㎜라든가 20㎜로 된다. 방전관의 형상을 고려한 고체 레이저라도 4㎜ 이상의 피치는 필요하다.

그와 같이 폭이 넓은 가스 레이저, 고체 레이저를 광원으로 했을 때라도 긴 띠형의 균일화 빔을 얻을 수 있는 광학 부품을 제공하는 것이 본 발명의 제 1 목적이다. 특허문헌 1은 인접 직사각형 빔의 이음매의 설정이 어렵다. 겹쳐 서는 안되고 도중에서 끊겨서는 안되기 때문에, 직사각형 빔의 단부를 겹치지 않도록 엄밀히 맞대어야 한다. 그러나, 그것은 어려운 것이다. 인접 빔의 위치가 조금 어긋나더라도 좋고, 위치 정렬에 여유가 있는 광학 부품을 제공하는 것이 본 발명의 제 2 목적이다.

본 발명의 (축소)광학계 장치는, 직경 d의 가우시안 빔을 축으로부터 멀어지는 방향으로 회절하여 후방 거리 f의 위치에 있는 축선에 직교하는 이미지면 I에서 축선으로부터 벗어난 위치에서 d보다 작은 한 변 q를 갖는 직사각형(q×w) 단면의 준균일 분포 빔으로 변환하는 오프 액시스(off axis)형의 회절형 광학 부품(DOE)을 회절각 Θ가 큰 것이 외측으로, 회절각 Θ가 작은 것이 내측으로 되도록 레이저 축선과 기준면 K의 교점인 기준점에 일차원적으로 배열하고, 직경 d의 가우시안 빔을 생성하는 레이저를 각각의 DOE의 축선 상에 배치하며, 레이저로부터의 가우시안 빔을 오프 액시스형 DOE에 의해 수렴하는 방향으로 회절하여 후방 f의 이미지면에서 인접 DOE로부터의 회절광이 일부 서로 중첩하도록 하여 이미지면에서 띠형의 균일 파워의 빔을 얻도록 한 것이다.

오프 액시스형 DOE가 기본이지만, 온 액시스(on axis)형의 DOE가 있더라도 좋다. 그 경우는 온 액시스형의 DOE의 양쪽, 또는 한쪽에 회절각 Θ가 커지는 순서대로 복수의 오프 액시스형 DOE를 배치하고 회절광이 중심을 향하도록 한다. 이미지면에서는 축소된 인접 빔이 중첩함으로써 파워가 균일하게 되도록 한다.

이것은 빔을 축소하여, 보다 큰 균일의 파워 밀도를 얻고자 하는 것이다. 그러나 빔을 확대하여, 보다 작은 균일의 파워 밀도를 얻도록 할 수도 있다. 그것은 다음과 같은 것이다.

본 발명의 (확대)광학계 장치는, 직경 d의 가우시안 빔을 축으로부터 멀어지는 방향으로 회절하여 후방 거리 f의 위치에 있는 축선에 직교하는 이미지면 I에서 축선으로부터 벗어난 위치에서 d보다 큰 한 변 q를 갖는 직사각형(q×w) 단면의 준균일 분포 빔으로 변환하는 오프 액시스형의 회절형 광학 부품(DOE)을 회절각 Θ가 큰 것이 외측으로, 회절각 Θ가 작은 것이 내측으로 되도록 레이저 축선과 기준면 K의 교점인 기준점에 일차원적으로 배열하며, 직경 d의 가우시안 빔을 생성하는 레이저를 각각의 DOE의 축선 상에 배치하고, 레이저로부터의 가우시안 빔을 오프 액시스형 DOE에 의해 확대하는 방향으로 회절하여 후방 f의 이미지면에서 인접 DOE로부터의 회절광이 일부 서로 중첩하도록 하여 이미지면에서 띠형의 균일 파워의 빔을 얻도록 한 것이다.

DOE가 오프 액시스라는 것이 중요하다. 오프 액시스이기 때문에 0차광은 차단할 수 있다. 이것이 큰 이점이다. 렌즈형과 달라, 회절형 광학 부품의 경우 0차광은 반드시 존재하고 온 액시스형에서는 그것을 완전히 배제할 수 없다. 그러나 오프 액시스 DOE를 이용하는 본 발명은 0차광을 제외할 수 있다. 마이너스 1차, 2차… 등도 이미지면에서는 먼 위치에 가기 때문에 대상물에는 맞지 않고 노이즈를 실효적으로 배제할 수 있다. 플러스 2차, 3차…는 회절각 Θ의 대략 2배, 3배로 되어 이미지면에서는 지극히 먼 방향으로 가기 때문에 대상물에 맞지 않는다. 즉 오프 액시스는 0차나 고차 회절 노이즈를 잘 배제할 수 있다는 장점이 있다.

또한 인접 빔을 중첩함으로써 광량의 합이 균일하게 된다는 것도 본 발명에 있어서 중요하다. 인접 빔을 중첩하는 것이기 때문에, 각각의 빔은 끝에서 파워 분포가 솟아있을 필요가 없다. 즉 파워 분포가 톱햇이 아니라서 좋다. 오히려 완만한 슬로프의 파워 분포쪽이 잘 중첩할 수 있다.

그와 같은 함수 형태는 여러 가지 있지만, 하나는 저차 수퍼가우시안 함수에 의해 이미지면에서의 회절 빔 강도 분포를 부여하는 것이다. 수퍼가우시안 함수는 exp(-2(2x/q')^m)이라는 형태를 한 함수이다. m(정정수(正整數))을 수퍼가우시안의 계수라고 한다. m=2이면 가우시안 함수이다. m이 작으면(2에 가까우면) 가우시안에 가까워 완만한 피크를 나타낸다. m이 크면 클수록 직사각형 분포에 근접한다. m이 무한대인 극한에서는 직사각형 함수(톱햇)로 되고, -q'/2<x<q'/2에서 1, x<-q'/2 및 q'/2<x에서 0이다. 즉 x 방향의 변의 길이가 q'인 직사각형 광을 표현할 수 있다. 2가 붙은 것은 q'/2가 변의 절반이기 때문이다.

단부에서 인접 빔을 중첩시키도록 하기 때문에 하나 하나의 회절 빔은 직사각형이 아니어서 좋고, 완만한 함수이면 좋다. 그래서 본 발명에서는 중첩시켜 띠형으로 하는 방향으로는 수퍼가우시안의 계수를 m=3∼20으로 한다. 저차 수퍼가우시안이다. 그것과 직교하는 짧은 쪽의 파워 분포는 n=2∼10으로 한다. 이쪽의 방향은 주사하기 때문에, 그다지 균일성은 강하게 요구되지 않는다. 본 발명의 DOE는 오프 액시스형이기 때문에 보다 구체적으로는 파워를 나타내는 수퍼가우시안 함수는 다음과 같은 표현이 된다.

exp(-2(2(x-g)/q')^m-2(2y/w)ⁿ):m=3∼20, n=2∼10, g는 오프 액시스량)

오프 액시스량 g라고 하는 것은 회절광의 중심의 x 좌표인 것이다. 예컨대 우수 N의 DOE, 레이저가 있고, N=2h(h:정정수)인 경우, 하나의 회절광의 x 방향의 길이를 q로서, 대칭인 경우는, g=±q/2, ±3q/2, ±5q/2, ±(h-1/2)q로 되도록 N=2h개의 값을 잡는다.

또한, 예컨대 기수의 레이저, DOE가 있고, N=2h+1의 경우, 대칭성 좋게 나열한 경우, g=0, ±q, ±2q, …, ±hq로 되도록 N=2h+1개의 값을 잡는다. g=O의 분은 온 액시스형이다. 물론 기수이더라도 비대칭으로 하면 모두를 오프 액시스 DOE에 의해 구성할 수 있다.

긴 쪽 방향의 회절 직사각형 빔의 크기 q'와 중첩의 주기 q의 관계이지만, 그것은 거의 동등한 것이지만, 엄밀하게는 다르다. 수퍼가우시안 빔의 끝은 파워가 e^-2로 감쇠한 것으로 정의한다. 그것은 x=q'이며, 그것이 빔의 끝인 것이다. 그러나 끝과 끝을 맞대더라도, 그 부분의 파워는 2e^-2로밖에 안된다. 그러므로 항상 파워를 1로 하기 위해서는, 좀더 깊게 중첩해야만 한다. 끝을 일부 서로 중첩시키니까 직사각형 광의 긴 쪽 방향 피치 q는, 직사각형 빔의 긴 쪽(직사각형) 치수 q'와 완전히 같지 않고, 조금 작다. q'> q이다. 그러나 q, q'는 본 명세서에서, 회절광의 긴 쪽(직사각형) 치수로서 써 혼동하는 경우도 있다.

q=q'로 하기 위해서는, 더 다른 준균일 분포함수를 쓰면 좋다. 예컨대 페르미 함수와 같은 것이다. 예컨대 x 방향으로

[exp[-β{x-g+(q/2)}]+1]^-1[exp[β{x-g-(q/2)}]+1]^-1(β=20/q∼5/q, g는 오프 액시스량)

으로 하고, y 방향으로

[exp[-γ{y+(w/2)}]+1]^-1[exp[γ{y-(w/2)}]+1]^-1(γ=20/w∼5/w)

로서 합쳐서,

[exp[-β{x-g+(q/2)}]+1]^-1[exp[β{x-g-(q/2)}]+1]^-1[exp[-γ{y+(w/2)}]+1]^-1[exp[γ{y-(w/2)}]+1]^-1(β=20/q∼5/q, γ=20/w∼5/w)

에 의해 부여된다. 페르미 함수이면 경계 x-g=q에서의 높이가 0.5로 되기 때문에, 거기서 인접광을 중첩하면 합계가 1로 된다. 즉 q'=q로 할 수 있다. β, γ의 역수가 끝에서의 슬로프의 넓이를 나타낸다. 준균일하기 때문에, 역수가 q, w의 1/5∼1/20 정도가 좋다. g에 대해서는 수퍼가우시안에 대하여 먼저 설명한 바와 같다.

오프 액시스 DOE만으로 축소 광학계, 확대 광학계를 구성하는 것은 가능하다. 중심 축선에 대하여 좌우 대칭인 균일 빔을 만든다고 해도, 레이저수, DOE 수 N이 기수(N=2h+1:h는 정정수)이면, 중심에 온 액시스형의 D0E를 하나 마련하고, 그 양쪽에 오프 액시스의 DOE를 회절각이 증가하는 순서대로 나열해도 좋다.

레이저수, DOE수 m이 우수(N=2h:h는 정정수)이면, 오프 액시스 DOE만의 조합에 의해 대칭성이 있는 구조를 구성할 수 있다.

대칭성을 필요로 하지 않으면 레이저수, DOE수가 기수 N=2h+1이더라도 오프 액시스형 DOE만으로 회절 광학계를 만들 수 있다. 어느 것으로 해도, 본 발명에서 주류를 이루는 것은 오프 액시스형 회절형 광학 부품이다.

DOE에 의한 이미지면에서의 회절 이미지를 계산하는 것 자체는 알려져 있다. 입사 빔의 강도 분포를 a(x, y, 0)으로 하고 DOE에서의 위상 변화를 표현하는 함수를 t(x, y)로 하고, 이미지면(x', y', f)에서의 파동함수 W(x', y')는

W(x', y')=(jfλ)^-l∫∫a(x, y)t(x, y)exp[jk{(x-x')²+(y-y')²}/2f]dxdy

에 의해 구해진다. 적분 dxdy는 DOE 면에서의 적분이다. 실제로는 화소(픽셀)로 분할되어 있기 때문에 적분은 화소마다의 적산으로 치환된다. 입사 빔은 가우시안이므로 a(x, y)=exp(-2(x²+y²)/d²)에 의해 부여된다. t(x, y)는 DOE의 두께(높이 Δh(x, y)) 분포 즉 위상 분포 φ를 x, y의 함수로서 부여되었을 때, t(x, y)=exp(-j φ(x, y))와 같은 함수로 쓸 수 있다. φ(x, y)=2π(n-1) Δh(x, y)/λ이다.

위의 식에서 좌변의 W(x', y')라고 하는 것은 먼저 설명한 바와 같은 이미지면(x', y', f)에서의 준균일 함수이다. φ(x, y)를 적당히 모든 픽셀에 대하여 부여하여 DOE 면(x, y)에서의 적분을 한다. 그렇게 하면 W(x', y')가 얻어진다. 그것이 먼저 설명한 수퍼가우시안이나 페르미 함수로 표현되는 준균일 함수와 일치하면, 그것으로 좋다. 혹시 엇갈리면 φ(x, y)를 수정하여, W(x', y')가 소망의 함수가 되도록 하면 좋다. 그와 같은 회절형 광학 부품(DOE)과 이미지면 패턴의 파동 광학적인 관계는 알려져 있고, 그것을 설명하는 것이 본 발명의 목적이 아니므로, 더 이상 설명하지 않는다.

도 3은 세 개의 DOE를 이용한 본 발명의 일례를 나타내는 중첩식 호모지나이 저의 배치이다. 이것은 세 개의 호모지나이저 제 1 DOE, 제 2 DOE, 제 3 DOE를 직선적으로 조합한 것이다. 세 가지 경우를 쓰고 있지만 실제로는 2, 4, 5, 6… 등의 레이저, DOE의 수는 임의이다. 대칭성을 필요로 하는 경우는 레이저 개수 m이 우수이면 오프 액시스형만으로 전체를 구성할 수 있다. 레이저 개수 m이 기수이고 대칭이면 온 액시스형이 하나 필요로 된다. 그러나 대칭성을 요구하지 않으면, 어떠한 경우라도 오프 액시스만으로 구성할 수 있다. 레이저 빔의 진행 방향을 z축, 레이저가 나열되는 방향을 x 축으로 한다. 띠형으로 긴 출력 빔은 x 방향으로 연장되어 있다.

이 예에서는, 양쪽의 제 2 호모지나이저 DOE, 제 3 호모지나이저 DOE는 오프액시스형이다. 중앙의 제 1 호모지나이저 DOE는 온 액시스형이다. 제 1, 제 2 호모지나이저의 중심간 거리, 제 1, 제 3 호모지나이저의 중심간 거리는 레이저의 배열 거리(피치) p와 동일하다. 그러나 전체로서 빔을 축소하는 축소 광학계로 되어 있고, 이미지면 I에서는 피치가 q(q<p)로 되어 있다.

중앙의 온 액시스형 호모지나이저 DOE(1)는 도 5에 도시하는 바와 같이, 직경 d의 원통형 가우시안 빔을 축소하여 q×w의 직사각형의 준균일 빔으로 하고 있다.

도 3에서 상측의 오프 액시스형 제 2 호모지나이저 DOE는 도 6에 도시하는 바와 같이, 직경 d의 가우시안 빔을 축소하고, 또한 강하게 밑으로 편향하여 이미지면에서 축선으로부터 떨어진 위치에 직사각형(q×w)의 준균일 빔을 만들고 있다.

도 3에서 하측의 오프 액시스형 제 3 호모지나이저 DOE는 도 7에 도시하는 바와 같이, 직경 d의 가우시안 빔을 축소하고, 또한 강하게 위로 편향하여 이미지면에서 축선으로부터 떨어진 위치에 직사각형(q×w)의 준균일 빔을 만들고 있다.

그와 같은 오프 액시스와 온 액시스의 호모지나이저 DOE를 조합시키고 있기 때문에, 도 4(a)와 같이 회절광이 세 개 중첩된다. 중첩된 것은 도 4(b)와 같이 거의 균일한 파워를 갖고 있다.

온 액시스 DOE뿐이라면 p=q로 되지만, 본 발명은 오프 액시스 DOE도 쓰기 때문에, 그와 같은 제한은 없다. p> q로 할 수도 있고, p<q로 할 수도 있다.

간섭이 이음매에서 문제가 되지 않기 때문에 인접 레이저 빔을 중첩해도 좋다는 것이 된다. 그것은 각각의 레이저 광원을 쓰기 때문에 서로 간섭한다고 하는 일은 없는 것이다. 오프 액시스이기 때문에 빔은 이미지면에서 경사를 향하고 있다. 균일 밀도라고 하더라도, 그것은 진폭뿐인 것으로 위상은 랜덤이다. 파워를 이용하는 것이기 때문에 위상은 어떻든 좋은 것이다. 오프 액시스로 하고 있기 때문에 이미지면과 DOE의 거리 f가 조금이라도 틀리면 이미 균일 파워가 아닌 것으로 된다. 그 점에서 온 액시스보다 엄격한 것이지만 이미지면·DOE 거리를 정확하게 설정하면 되는 것이다.

본 발명은 오프 액시스 DOE를 쓴다는 것이 요점이다. 그것은 0차광을 제거할 수 있어 정의 고차광도 이미지면에 들어가지 않도록 할 수 있다. 그와 같이 고차광, 0차광을 제외할 수 있어 노이즈가 적은 것으로 된다.

[축소형이고 오프 액시스형 DOE를 이용하는 경우의 장점(도 17)]

오프 액시스형 DOE를 쓰기 때문에 0차광이나 고차 회절광을 교묘히 제거할 수 있다는 것을 설명했다. 그 이외에, 레이저의 치수에 의해 광학계의 설계가 제한을 받지 않아, 자유도가 높다고 하는 이점이 있다. 레이저의 병렬 배치의 피치 p에 관계없이 이미지면에서의 직사각형 균일 영역의 치수를 정할 수 있다는 것이다. 그러므로 수속형이라든가 확대형이라든가 하는 카테고리가 존재한다. 그와 같은 것은 오프 액시스 회절형 광학 부품의 본질적인 장점이다.

도 17은 축소형의 경우에, 오프 액시스 광학계(본 발명: 도 17(a))와, 온 액시스형 광학계(가상예: 도 17(b))를 비교한 것이다.

온 액시스형의 경우, 도 17(b)에 도시하는 바와 같이 이미지면에서 요구되는 띠형 광 영역의 길이(mq)가 짧을 때는 레이저 피치 p 자체를 감해야 한다. DOE도 작아진다. 무엇보다 큰 파워가 필요할 때에 그와 같은 사이즈가 작은 레이저 장치로는 도움이 되지 않는다.

그것에 반하여 오프 액시스의 본 발명의 경우, 이미지면 I에서의 치수가 결정되어 있더라도 본 발명의 경우 레이저 피치 p는 결정되지 않고, 레이저 피치 p가 결정되어 있더라도 이미지면 I에서의 직사각형 광의 치수는 결정되지 않는다. 자유도가 높다.

요구되는 이미지면에서의 띠형 광 영역이 x 방향으로 짧은 (Nq)가 요구되는 파워가 큰 것이더라도 본 발명은 그 요구를 만족할 수 있다. 그 경우 고출력의 레이저를 모두 쓰지만 가로 방향의 치수가 크기 때문에 피치 p도 커진다. 오프 액시 스형 DOE를 사용하여 회절광을 좌우에 자유롭게 할당하는 본 발명의 경우 그것은 지장이 없는 것이다. 오프 액시스의 경우 DOE에서 레이저 파워를 집중시켜 이미지면에서의 파워를 증강할 수 있다.

또한 초점거리 f가 존재하기 때문에 회절 한계값이 존재한다.

회절 한계값=(4/π)(fλ/D)

여기서 f는 DOE의 초점거리, λ는 입사 레이저광 파장, D는 입사 빔 직경이다. 축소 광학계에서 오프 액시스형의 경우 입사 빔 직경 D를 크게 할 수 있다. 그 때문에 회절 한계값이 보다 작아진다. 최소분해능이 보다 작아지는 이점이 있다. 축소형의 경우 본 발명의 이점이 보다 분명해진다.

[확대형이고 오프 액시스형 DOE를 이용하는 경우의 장점(도 18)]

도 18은 확대형 오프 액시스 광학계(본 발명: 도 18(a))와, 온 액시스형 광학계(가상예: 도 18(b))를 비교한 것이다. 본 발명의 경우, 이미지면 I에서의 치수가 결정되어 있더라도 레이저 피치 p는 결정되지 않고, 레이저 피치 p가 결정되어 있더라도 이미지면 I에서의 직사각형 광의 치수는 결정되지 않는다. 여기서는 요구되는 이미지면에서의 띠형 광 영역이 x 방향으로 긴(Nq) 것으로 한다.

온 액시스형이면 도 18(b)에 도시하는 바와 같이, 레이저 피치 p를 확대하여 p=q로 하여 레이저의 축선 연장 상에 각각의 직사각형 영역의 중심을 합치시켜야 한다. 만일 이미지면에서의 띠형 레이저광의 길이가 긴 경우, 레이저의 피치 p를 넓혀야 해서, DOE도 대형화된다. 레이저가 가스 레이저, 고체 레이저와 같이 긴 본체를 갖는 장치인 경우 피치 p가 크면, 그에 따라 점유되는 면적도 증가한다. 그러므로 불필요하게 부피가 큰 것으로 된다.

오프 액시스형이면 도 18(a)에 도시하는 바와 같이, 레이저의 피치 p를 좁게 할 수 있다. DOE도 작게 할 수 있다. 레이저 피치 p도 좁게 할 수 있기 때문에, 레이저 점유 면적을 감축할 수 있다. 장치 전체의 치수를 감소시킬 수 있어 유용하다.

(실시예 1)

[DOE 호모지나이저 배치(도 8)]

도 3과 마찬가지로 세 개의 DOE를 사용하는 실시예를 설명한다. 도 8에 DOE 호모지나이저의 배치를 나타낸다. 이것도 세 개의 호모지나이저를 직선적으로 조합한 것이다. 제 1 호모지나이저, 제 3 호모지나이저는 오프 액시스형이고, 제 2 호모지나이저는 온 액시스형이다. 제 1, 제 2 호모지나이저의 중심간 거리, 제 2, 제 3 호모지나이저의 중심간 거리는 4㎜이다. 즉 레이저, DOE의 피치가 p=4㎜라는 것이다. 그것이 이미지면에서는 q=2.63㎜의 피치로 축소되어 있다. DOE와 이미지면의 거리는 100㎜이다.

◎ DOE 호모지나이저로의 레이저 빔의 입사 조건(제 1∼제 3 호모지나이저에 공통)

파장:λ=532nm(YAG 제 2 고조파 레이저)

빔 직경: φ2㎜

발산각: 0mead(평행광)

모드: TEMoo 이상 가우시안 프로파일

광원이 YAG 제 2 고조파 레이저이다. 그 파장은 532㎚이고 빔 직경은 2㎜φ이다. 가우시안 빔의 빔 직경이라고 하는 것은 피크파워의 e^-2로 되는 곳을 빔의 끝으로서 측정한 것이다. 발산각이 0이라고 하는 것은 완전 평행 빔이라는 것이다. 파워 분포는 가우시안이라고 한다.

◎ 제 1 DOE 호모지나이저(도 10)

회절 효율: 90.53%

픽셀 사이즈: 5㎛×5㎛

위상단수: 16단계(도 9)

픽셀수: 800셀×800셀

기판 재질: 합성 석영(λ=532nm에서의 굴절률 n=1.460706343)

초점거리 f: 100㎜

빔형상: 3.0㎜(1/e²직경)×0.1㎜(1/e² 직경)

수퍼가우시안 차수: 3.4차×2차

오프 액시스형: 오프 액시스량 이미지면에서 2.7㎜

양면 AR 코트 부착(투과율 99% 이상)

도 10에 나타내는 DOE의 최소단위는 픽셀이다. DOE는 픽셀의 집합이다. 픽셀(화소)은 5㎛ 사방의 정방형이며, 하나의 픽셀에는 하나의 높이가 대응한다. DOE에는 픽셀이 종횡으로 800셀×800셀 존재한다. 그러므로 픽셀이 존재하는 영역은 4000㎛×4000㎛이다. DOE는 합성 석영으로 굴절률은 상기와 같다. 초점거리 f인 것은, 이 DOE는 집광 작용이 있는 DOE에서 초점거리 f를 정의할 수 있는 것이라고 한다.

위상단수라고 하는 것은 픽셀이 취할 수 있는 두께 단계가 16단계라는 것이다. 그것은 도 9에 나타내는 바와 같다. 일반적으로 2의 자승의 값으로서 정한다. 16단계라고 하는 것은 많은 것이 아니다. 256단계라든가 128단계, 64단계, 32단계로 할 수도 있다. 단계의 수가 많을수록 회절광의 해상도가 증가한다. 그러나 본 발명의 경우는 이미지면에 복잡한 패턴을 만드는 것이 아니라 균일 분포를 부여할 뿐이기 때문에 비교적 적은 16단계로 하도록 되어 있다. 물론 8단계라도 좋다. 일반적으로 s 단계로 하여 1단계가 ε라고 하면, sε이 1파장분의 광로길이 변화에 대응한다. 그러므로 sε(n-1)=λ이다. ε=λ/(n-1)s이다.

도 9에서, 단계수가 s=16이고, 1단계가 ε=72.2nm이며, 전체 단계의 두께 차가 sε=1154.7nm이다.

빔이 이미지면에서, 3.0㎜×0.1㎜의 직사각형이 된다(q'=3.0㎜, w=0.1mm). 빔의 끝은 파워가 중심의 e^-2로 감소하는 곳으로서 정의한다.

수퍼가우시안 차수라고 하는 것은, 처음의 3.4라고 하는 것이 q=2.63㎜(x 방향)의 차수 m이며, 2라고 하는 것이 w=0.1㎜(y 방향)의 차수이다.

exp{-2(2(x+q)/3)^3.4} exp{-2(2y/0.1)²}

와 같은 분포를 한다는 것이다. x 방향에 관해서 (x+q)로 되는 것은 제 1 호모지나이저의 직사각형의 중심이 x=-q=-2.63㎜이기 때문이다. 분모의 3은 빔의 긴 쪽(직사각형) 치수 q'=3㎜인 것이다.

이미 설명했듯이, 직사각형 회절광의 긴 쪽 방향(x 방향)의 치수 q'=3.0㎜와, 회절광의 피치 q=2.63㎜는 반드시 일치하지 않는다. 그것은 수퍼가우시안의 끝을 파워의 감쇠비 e-2로 정의하고 0.5로 정의하는 것이 아니기 때문이다. 페르미 함수를 쓰면 q'=q로 된다. 어느 쪽의 함수를 사용해도 좋고, 그 외에 준균일성이 있는 함수를 사용해도 좋다.

회절 효율이 90.53%로 조금 낮은데 경사 방향으로 회절하기 때문이다. 10% 근처의 나머지의 광은 이미지면에서 대상물 영역의 외측에 가기 때문에 노이즈로 되는 것은 아니다.

도 10은 제 1 호모지나이저 DOE의 요철(위상)을 도시하는 도면이다. 백으로부터 흑의 계조에 따라 16단계의 두께(높이)를 표시하고 있다. 800 화소×800 화소로 64만 화소가 있고, 각각에 두께를 농담의 계조로 표시하고 있다. 도면의 좌측에 왼쪽으로 볼록한 동심만곡궁 그룹이 나타나고 있다. 그것은 프레넬 렌즈와 같은 작용이며, 우측으로 크게 광을 구부리기 위한 동심요철줄무늬이다. 그것보다도 약하지만 우측에도 오른쪽으로 철이 얇은 동심만곡궁 그룹이 있다. 그것은 왼쪽으로 광을 구부리는 작용을 갖는 동심줄무늬이며, 오프 액시스의 위치에 직사각형의 준균일광을 만들기 때문이다.

y 방향으로 수속시키기 위한 가로 줄무늬가 그다지 없지만, 오프 액시스의 위치에서 y 방향으로 O.1㎜의 축소 이미지를 맺는 것이기 때문에, 왼쪽 철동심만곡궁 그룹의 작용으로 zx 방향으로의 빔의 전파 동안에 y 방향으로 축소된다.

◎ 제 2 DOE 호모지나이저(도 11)

회절 효율: 96.54%

픽셀 사이즈: 5㎛×5㎛

위상단수: 16단계(각 단의 단차는 제 1 호모지나이저와 동일함)

픽셀수: 800셀×800셀

기판 재질: 합성 석영(λ=532nm에서의 굴절률 n=1.460706343)

초점거리 f: 100㎜

빔형상: 3.0㎜(1/e²직경)×0.1㎜(1/e²직경)

수퍼가우시안 차수: 3.4차×2차

온 액시스형

양면 AR 코트 부착(투과율 99% 이상)

이것도 제 1 호모지나이저와 대체로 동일하다. 픽셀 사이즈(5㎛×5㎛), 화소수(64만 화소), 재질(석영), 초점거리(100㎜), 회절광의 빔사이즈(3㎜×O.1㎜)도 동일하다.

온 액시스형의 DOE이므로 이미지면에서의 직사각형 함수가 조금 다르다. 중심이 x=0이기 때문에, 이미지면에서의 준균일광을 나타내는 수퍼가우시안은, exp{-2(2x/3)^3.4} exp{-2(2y/0.1)²}와 같은 분포를 한다는 것이다.

도 11은 제 2 호모지나이저 DOE(온 액시스형)의 위상(높이) 분포를 흑회백의 계조로 표현한 것이다. 이 DOE도 초점거리가 100㎜이고 수속 광학계이다. 원통 대칭의 광을 원통 대칭의 축소 빔으로 하는 것이면 동심원 돌출형 그룹으로 이루어지는 프레넬 렌즈와 같이 되는 것이지만, 직사각형의 준균일 빔으로 축소하는 것이기 때문에, 그렇게는 되지 않는다. 상하좌우에 쌍곡선 그룹과 같은 동심만곡궁 그룹이 나타난다. 상하의 동심만곡궁 그룹의 반복 주기는 보다 촘촘하다. 그것은 y 방향의 축소율이 크기 때문이다(y 방향으로는 w=O.1㎜로 축소함). 하나의 줄무늬가 광의 1파장분의 광로차에 대응하기 때문에 줄무늬의 간격이 짧은 쪽이 회절각이 크다고 하는 것이다. 쌍곡선과 같이 밖에서 발산한다고 하는 것은 빔을 축소하고 있다는 것이다. 좌우의 만곡군의 반복 주기가 보다 긴 것은 이미지면에서 x 방향으로 더 긴(q=3㎜) 빔으로 하기 때문이다.

◎ 제 3 DOE 호모지나이저(도 12)

회절 효율: 90.52%

픽셀 사이즈: 5㎛×5㎛

픽셀수: 800셀×800셀

기판 재질: 합성 석영(λ=532nm에서의 굴절률 n=1.460706343)

초점거리 f: 100㎜

빔형상: 3.0㎜(1/e²직경)×0.1㎜(1/e²직경)

수퍼가우시안 차수: 3.4차×2차

오프 액시스형(오프 액시스량 이미지면에서 2.7㎜)

양면 AR 코트 부착(투과율 99% 이상)

x=+q의 위치에 직사각형 빔을 형성하기 때문에, 이미지면에서의 파워를 부여하는 수퍼가우시안은, exp{-2(2(x-q)/3)^3.4} exp{-2(2y/0.1)²}로 된다(q=2.63㎜).

회절 효율이 90.52%로 조금 낮은데 제 1 호모지나이저와 마찬가지로 경사 방향으로 회절하기 때문이다. 10% 근처의 나머지의 광은 이미지면에서 대상물 영역의 외측에 가기 때문에 노이즈로 되는 것은 아니다.

도 12는 제 3 호모지나이저 DOE의 요철(위상)을 도시하는 도면이다. 도면의 우측에 오른쪽으로 볼록한 동심만곡궁 그룹이 나타나 있다. 그것은, 좌측으로 크게 광을 구부리기 위한 동심요철줄무늬이다. 그것보다도 약하지만 좌측에도 왼쪽으로 약간 볼록한 동심만곡궁 그룹이 있다. 그것은 오른쪽으로 광을 구부리는 작용을 갖는 동심줄무늬이며, 오프 액시스의 위치에 직사각형의 준균일광을 만들기 위한 것이다.

제 1 호모지나이저와 같게, y 방향으로 수속시키기 위한 가로 줄무늬가 그다지 없지만, 오프 액시스의 위치에서 y 방향으로 O.1㎜에 축소 이미지를 맺는 것이기 때문에, 오른쪽 볼록 동심만곡궁 그룹의 작용으로 zx 방향으로의 빔의 전파 동안에 y 방향으로 축소된다.

도 13은 이미지면 I에서의 제 1∼3 호모지나이저 DOE의 회절광의 강도 분포 를 흑색 배경의 중의 흰 부분에 의해 나타낸다. 띠형으로 보이지만, 그것은 파워 분포이며, 빔 단면도는 직사각형(3㎜×0.1㎜)이다. 제 1 호모지나이저는 왼쪽 위에 도시하는 바와 같이 왼쪽의 x=-2.63㎜에 중심이 있는 준균일광을 만든다. 제 2 호모지나이저는 중앙의 x=0을 중심으로 한 준균일광을 만든다. 제 3 호모지나이저는 오른쪽 아래에 도시하는 바와 같이 x=+2.63㎜을 중심으로 한 준균일광을 생성한다.

도 14는 동일한 것을 강도를 나타내는 그래프에 의해 표현하고 있다. 가로축이 x 좌표이며 세로축이 파워이다. 최대 파워를 1로서 표시하고 있다. 이것으로 알 수 있듯이, 이것은 톱햇과 같은 엄밀히 단계상의 완전 균일이 아니고, 준균일의 분포를 실현하고 있다. 가우시안과 조금 닮았지만 가우시안이 아니라 m=3.4의 수퍼가우시안이기 때문에, 중심부에서 보다 평탄하게 된다. 빔의 끝을 e^-2로 감쇠한 것으로 정의하기 때문에, 직사각형 빔의 긴 변(x 방향변)은 q'=3㎜로 되지만, 중첩은 파워가 대략 0.5로 되는 것이기 때문에 피치는 q=2.63㎜로 되어 긴 변보다 짧다.

도 15는 세 개의 호모지나이저의 광을 중첩시킨 경우의 이미지면의 강도 분포를 나타낸다. 흰 부분으로 파워를 나타낸다. 띠형으로 되어 보이지만, 이것은 빔의 형상이 아니고 파워 분포를 나타내고 있는 것에 주의해야 한다. x 방향(긴 쪽 방향)으로 거의 균일한 것을 알 수 있다.

도 16은 동일한 것을 그래프로 표현하고 있다. 가로축이 x 좌표이며 세로축 이 파워이다. 세 개분이 합성되어 합의 파워로 되어 있다. -3.2㎜∼+3.2㎜의 6.4㎜의 띠형 영역에서 파워가 거의 균일하다.

양단은 수퍼가우시안의 완만한 슬로프가 남는다. 그것은 방식이 없는 것이다. 균일 영역이 상당히 있기 때문에 대상물을 그 영역에 놓고 y 방향으로 주사하면, 균일의 광조사를 실현할 수 있다.

본 발명은, 피치 p로 나열되는 복수의 레이저의 빔을, 기준면에 나열되어 오프 액시스의 위치에 직사각형 단면의 준균일화 광을 만들어내는 복수의 오프 액시스형 회절형 광학 부품에 의해 회절하여 이미지면에서 한 변이 p보다 짧은 값 q(q<p)인 직사각형 단면의 준균일화 광을 중첩하여 이미지면의 연장 방향에서 균일 파워의 띠형 단면 빔을 만들어낸다. 오프 액시스 DOE가 주체이며 오프 액시스형 DOE 만으로도 전체를 구성할 수 있다. 그러나, 온 액시스의 DOE가 있더라도 상관없고, 온 액시스의 DOE가 없더라도 좋다.

빔은 엄밀한 톱햇형 균일 분포가 아니고 이음매에서는 완만한 슬로프의 함수로 한다. 그러므로 수퍼가우시안으로 m=3∼20 정도의 함수에 의해 부여된다. 빔의 이음매에서 일부의 인접 빔이 겹치도록 한다. 겹치기 때문에, 거기서는 파워는 그들의 합이 된다.

레이저의 수를 N이라고 하면, 레이저의 일차원 배열의 치수는 Np이다. 이미지면에서의 연속띠형 단면 빔의 길이는 Nq이고, Nq<Np이기 때문에 레이저 파워가 농축되어 보다 고밀도의 광으로 되어 있다. 띠형의 단면에서 합성된 레이저광의 파워는 거의 균일하기 때문에 균일 에너지 밀도의 광을 대상물에 조사하여 열처리, 용접, 용단, 어닐링할 수 있다. 직사각형 단면의 경사 방향의 빔이지만 이미지면에서 이음매가 일부 서로 중첩되도록 한다. 완전히 균일 파워로 하지 않고 끝에서는 조금 차이가 있는 파워 밀도이다.

오프 액시스 DOE의 작용은 오프 액시스의 위치에 직사각형 준균일화 빔을 만들어내는 것이다. 경사 방향으로 광을 회절하기 때문에 특별한 회절형 광학 부품으로 된다. 오프 액시스이므로 0차광의 영향을 거의 완전히 차단할 수 있다. 고차의 플러스측의 회절광도 구부러진 각이 너무 커서 이미지면에는 나타나지 않는다. 그와 같이 오프 액시스 DOE는, 불필요한 차수의 회절광을 편리하게 배제할 수 있다. 특히 0차광의 배제는 효과가 크다.

오프 액시스 DOE를 사용하기 때문에, 전체로서 축소 광학계나 확대 광학계를 만드는 것이 용이하다. 설계의 자유도가 높기 때문이다. 온 액시스형이면 등배 광학계밖에 할 수 없다. 설계 자유도가 낮다. 그와 같은 점에서도 우수하다.

Claims

직경 d의 가우시안 빔을 발생하는 복수의 레이저를 축선(z 방향)의 피치가 p로 되도록 x 방향으로 평행 2차원적으로 병렬 배치하고, 직경 d의 가우시안 빔을 축선으로부터 멀어지는 방향으로 회절하여 후방 거리 f의 위치에 있는 축선에 직교하는 이미지면 I(xy 면)에서 축선으로부터 벗어난 위치에서 p보다 작은 한 변 q를 갖는 직사각형(q×w) 단면의 준균일 분포 빔으로 변환하는 오프 액시스(off axis)형의 회절형 광학 부품(DOE: Diffraction Optical Element)을, 레이저의 축선과 직교하는 기준면 K와 레이저 축선이 교차하는 기준점 상에 회절각이 큰 것이 외측으로, 회절각이 작은 것이 내측으로 되도록 1차원적으로 배열하며, 복수의 레이저로부터의 가우시안 빔을 복수의 오프 액시스형 회절형 광학 부품(DOE)으로 수렴하는 방향으로 회절하여 후방 f의 이미지면 I에서 인접하는 회절형 광학 부품(DOE)으로부터의 회절광이 일부 서로 중첩하도록 하여 이미지면 I에서 x 방향으로 연장되는 띠형의 균일 파워의 빔을 얻도록 한 것을 특징으로 하는 중첩식 DOE 호모지나이저(homogenizer) 광학계.
직경 d의 가우시안 빔을 발생하는 복수의 레이저를 축선(z 방향)의 피치가 p로 되도록 x 방향으로 평행 이차원적으로 병렬 배치하고, 직경 d의 가우시안 빔을 축선으로부터 멀어지는 방향으로 회절하여 후방 거리 f의 위치에 있는 축선에 직교하는 이미지면 I(xy 면)에서 축선으로부터 벗어난 위치에서 p보다 큰 한 변 q를 갖 는 직사각형(q×w) 단면의 준균일 분포 빔으로 변환하는 오프 액시스형의 회절형 광학 부품(DOE)을, 레이저의 축선과 직교하는 기준면 K와 레이저 축선이 교차하는 기준점 상에 회절각이 큰 것이 외측으로, 회절각이 작은 것이 내측으로 되도록 일차원적으로 배열하며, 복수의 레이저로부터의 가우시안 빔을 복수의 오프 액시스형 회절형 광학 부품(DOE)으로 확대하는 방향으로 회절하여 후방 f의 이미지면 I에서 인접하는 회절형 광학 부품(DOE)으로부터의 회절광이 일부 서로 중첩하도록 하여 이미지면 I에서 x 방향으로 연장하는 띠형의 균일 파워의 빔을 얻도록 한 것을 특징으로 하는 중첩식 DOE 호모지나이저 광학계.
제 1 항에 있어서,

직경 d의 가우시안 빔을 축선 방향으로 회절하여 후방 거리 f의 위치에 있는 축선에 직교하는 이미지면 I(xy 면)에서 축선 상에서 q를 갖는 직사각형(q×w) 단면의 준균일 분포 빔으로 변환하는 온 액시스(on axis)형의 회절형 광학 부품(DOE)을, 하나의 레이저의 축선 상에 배치하고, 온 액시스형 회절형 광학 부품(DOE)의 양쪽 또는 한 쪽에 회절각이 증가하는 순서로 복수의 오프 액시스형 광학 부품(DOE)을 배치한 것을 특징으로 하는 중첩식 DOE 호모지나이저 광학계.
제 2 항에 있어서,

직경 d의 가우시안 빔을 축선 방향으로 회절하여 후방 거리 f의 위치에 있는 축선에 직교하는 이미지면 I(xy 면)에서 축선 상에서 q를 갖는 직사각형(q×w) 단면의 준균일 분포 빔으로 변환하는 온 액시스형의 회절형 광학 부품(DOE)을, 하나의 레이저의 축선 상에 배치하고, 온 액시스형 회절형 광학 부품(DOE)의 양쪽 또는 한 쪽에 회절각이 증가하는 순서로 복수의 오프 액시스형 광학 부품(DOE)을 배치한 것을 특징으로 하는 중첩식 DOE 호모지나이저 광학계.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

DOE가 이미지면 I(xy 면)에 형성하는 준균일 분포 빔이 수퍼가우시안 함수(exp(-2(2(x-g)/q')^m-2(2y/w)ⁿ):수퍼가우시안 계수 m=3∼20, n=2∼10, g는 오프 액시스량)에 의해 인가되는 것을 특징으로 하는 중첩식 DOE 호모지나이저 광학계.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

DOE가 이미지면 I(xy 면)에 형성하는 준균일 분포 빔이 페르미 함수([exp[-β{x-g+(q/2)}]+1]^-1[exp[β{x-g-(q/2)}]+1]^-1[exp[-γ{y+(w/2)}]+1]^-1[exp[γ{y-(w/2)}]+1]^-1(β=20/q∼5/q, γ=20/w∼5/w, g는 오프 액시스량)에 의해 인가되는 것을 특징으로 하는 중첩식 DOE 호모지나이저 광학계.