KR101188519B1 - 레이저 광학 장치 - Google Patents

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게이지 후세
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스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

레이저 빔(2)을 소정의 단면 강도 분포로 정형하고 또한 집광하는 빔 정형 광학계(3)와, 이 빔 정형 광학계(3)에 의해서 정형 및 집광된 정형 빔(4)을 결상시키는 결상 광학계(6)를 구비한 레이저 광학 장치에 있어서, 상기 결상 광학계(6)는 상기 빔 정형 광학계(3)의 초점면(7)의 전방에 배치된 부의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계(8)와, 상기 대물 렌즈계(8)의 후방에 배치된 결상 렌즈계(9)로 구성된다.

Description

레이저 광학 장치{LASER OPTICAL DEVICE}
본 발명은 레이저 가공의 기술 분야에 적용되는 레이저 광학 장치에 관한 것이다.
가공 용도를 목적으로 하는 고출력 레이저 시스템의 발전에는 주목할 만한 것이 있으며, 철강이나 자동차의 제조에 있어서의 절단, 용접으로부터 전자 부품의 미세 드릴링(fine drilling), 액정이나 반도체 장치의 어닐링(annealing) 등의 다양한 산업 분야에서 고출력 레이저 시스템의 실용화가 진전되고 있다. 이것은, 레이저 빔의 고출력화 및, 성능, 품질, 안정성의 비약적인 향상에 의해서 기여한 바가 크다.
레이저 빔의 단면 강도 분포는 가우스 분포(Gaussian distribution)(싱글 모드)가 주류이다. 이것은 렌즈에 의해서 이론적 한계(회절 한계)까지 집광할 수 있는 특징이 있다. 레이저 가공 용도의 다양화에 따라, 불균일한 가우스 강도 분포가 아니라, 균일한 강도 분포 및 목적에 따른 임의의 강도 분포에 대한 필요성(needs)도 높아지고 있다.
균일한 단면 강도 분포를 얻는 수단으로서는, 레이저 빔의 단면을 종횡으로 다수개로 분단하여, 광학계에 의해서 소정 위치에 분단 빔을 중첩시켜 평균화하는 중첩 방식이 있으며, 예컨대 칼라이도스코프(kaleidoscope)나 적분기(integrator)가 그것에 해당한다. 적분기는 다면체의 구조에 의해서 레이저 빔의 단면을 분할하여 중첩시킴으로써 어느 정도까지 강도의 균일화가 가능하지만, 간섭성(coherence)이 우수한 레이저 광원을 이용하면 스파이크 형상으로 강도가 흐트러지는 것이 알려져 있다.
한편, 레이저 빔을 분할 중첩하지 않는 강도 균일화 방식으로서, 비구면 빔 호모지나이저(aspherical beam homogenizer)와 회절형 빔 호모지나이저가 있다. 전자의 비구면 빔 호모지나이저에서는, 가우스형 광 빔 밀도 분포를 균일 분포로 변환하도록 각 광 빔의 굴절각이 비구면에 의해서 제어되게 되어 있다. 이 경우, 각 광 빔이 교차되지 않도록 제어되기 때문에, 간섭이 일어나지 않아 높은 균일성을 얻을 수 있는 특징이 있는 반면에, 비구면이 광축을 중심으로 한 회전 대칭 형태이기 때문에, 단면이 원형인 균일 빔밖에 얻어지지 않는 결점이 있다.
이에 반하여, 후자의 회절형 빔 호모지나이저는 회절형 광학 부품(DOE : Diffractive Optical Element)을 호모지나이저로서 응용한 것이다. DOE는, 굴절 등의 기하 광학(geometrical optics)을 이용한 것이 아니라, 미크론 단위(micron units)로 비스듬히 화소 처리된 미세한 요철을 광학 부품의 표면에 형성함으로써, 광의 회절 현상을 이용한 광학 부품이다. 이것은, 광의 위상을 직접 제어하기 때문에, 레이저 가공뿐만 아니라 광 통신 등에 응용하지만, 레이저 가공에 있어서는, 빔 분기, 빔 세이핑(beam shaping) 및 빔 호모지나이징의 응용이 가능하다.
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
전술한 바와 같이, 회절형 빔 호모지나이저에서는, 광의 회절 현상을 이용하여 광의 위상을 제어함으로써, 단면이 원형인 균일 빔뿐만 아니라, 단면이 정방형 및 직사각형 등인 다양한 형상의 균일 빔을 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에, 미세한 요철 가공에 의해서 얻어지는 화소의 가공 오차에 의해서 강도가 불균일하게 되기 쉽다는 결점이 있다.
DOE의 가공 오차에는 여러 가지의 요인이 있지만, 호모지나이징 특성에 가장 영향이 있는 것은 단차 오차(a step error)(화소의 높이가 어긋남)이다. 미세 가공에 있어서 이 단차 오차가 있으면, DOE에 의해서 영차 광이 발생한다. 이것은 DOE에 의해서 회절하지 않고 직선으로 투과하는 것을 의미한다. 이 영차 광은 평행 빔과 같이 진행하여 회절 광과 간섭되어, 호모지나이징된 회절 광의 균일 분포가 열화된다.
그래서, 전술한 영차 광과의 간섭에 따른 회절형 빔 호모지나이저의 균일화 성능의 악화를 방지하기 위해서, 예컨대 도 2에 도시하는 바와 같이, 레이저 빔(2)을 균일한 단면 강도 분포로 정형하는 회절형 빔 호모지나이저(3A)와, 이 호모지나이저(3A)를 통과함으로써 정형된 정형 빔(4)을 소정의 배율로 확대하여 상면(an image plane)에 결상시키는 확대 광학계(6)를 구비한 레이저 광학 장치(1)를 이용 할 수 있다.
이 레이저 광학 장치(1)에 있어서, 상기 호모지나이저(3A)는, 가우스 분포의 레이저 빔(2)을 단면이 정방형인 균일한 강도 분포로 정형할 뿐만 아니라, 집광하는 기능을 갖고 있다.
상기 확대 광학계(6)는, 회절형 빔 호모지나이저(3A)의 초점면(7)의 후방에 배치된 정의 초점 거리(a positive focal length)를 갖는 대물 렌즈계(18)와, 이 대물 렌즈계(18)의 후방에 배치된 결상 렌즈계(19)로 구성되어 있다.
이 때문에, 호모지나이저(3A)를 통과하여 균일화된 정형 빔(4)은, 초점면(7) 근방에서 대물 렌즈계(18)에 입사하여 소정의 배율로 확대되고, 그 후, 결상 렌즈계(19)를 통과해 결상 렌즈계로부터 소정 거리만큼 떨어진 상면(5)에 도달하게 되어 있다.
삭제
도 2에 나타내는 레이저 광학 장치(1)에서는, 정의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계(18)를 호모지나이저(3A)의 초점면(7) 후방에 배치하여, 균일한 강도 분포로 정형된 정형 빔(4)이 호모지나이저(3A)의 초점면(7) 후방에서 수속되어, 매우 작은 스포트의 빔이 대물 렌즈계(18)에 입사하게 되어 있다. 대물 렌즈계(18)가 정의 초점 거리를 갖고 있기 때문에, 당해 대물 렌즈계(18)의 내부에서는 더욱 빔이 수속되게 된다.
따라서, 대물 렌즈계(18)를 구성하는 렌즈의 표면 코팅(AR 코팅 등)이, 매우 높은 에너지 밀도로 집광된 빔(4)에 의해서 손상되고, 특히 자외선 영역에서의 단파장 빔의 경우에는 렌즈의 구성 재료가 변색될 우려도 있다.
도 2에 나타내는 레이저 광학 장치(1)가 정의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계(18)를 채용하고 있기 때문에, 그 대물 렌즈계(18)를 회절형 빔 호모지나이저(3A)의 초점면(7) 후방에 배치해야 한다. 이 때문에, 호모지나이저(3A)와 대물 렌즈계(18) 사이의 거리가 길어져, 레이저 광학 장치는 레이저 광학 장치(1)의 전장 L이 길어진다고 하는 결점도 있다.
도 2에서는, 회절형 빔 호모지나이저(3A)의 후방의 대물 렌즈계(18)와, 대물 렌즈계(18)의 더욱 후방에 배치된 결상 렌즈계(19)가, 정형 빔(4)을 소정의 배율로 확대하여 상면에 결상시키는 확대 광학계(6)를 구성하는 경우에 대하여 예시했지만, 그들 렌즈계(18, 19)에 의해, 정형 빔(4)을 등배로 상면에 결상시키는 등배 광학계나, 정형 빔(4)을 축소하여 상면에 정형 빔(4)의 상을 결상시키는 축소 광학계를 구성하더라도 좋다.
즉, 확대 광학계(6)의 입사측(도 2의 좌측)에 배치된 대물 렌즈계(18)가 정의 초점 거리를 갖는 사실에 기인한 것이다. 따라서, 대물 렌즈계(18)와 결상 렌즈계(19)로 이루어지는 결상 광학계는, 전체적으로 정형 빔(4)을 확대하기 보다는 등배 또는 축소하는 기능을 갖는 경우에도 상기 한 과제가 적합한 것이다.
따라서, 본 발명은, 특정한 단면 강도 분포로 정형하고 집광된 레이저 빔을 소정의 배율로 확대하여 결상시키는 레이저 광학 장치에 대하여, 그 확대를 위한 확대 광학계의 일부를 구성하는 대물 렌즈계의 손상 내지 열화를 방지함과 아울러, 해당 레이저 광학 장치의 전장을 단축 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 특정한 단면 강도 분포로 정형하고 집광된 레이저 빔을 결상시키는 레이저 광학 장치에 대하여, 그 결상을 위한 결상 광학계의 일부를 구성하는 대물 렌즈계의 손상 내지 열화를 방지함과 아울러, 해당 레이저 광학 장치의 전장을 단축 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제 1 관점에 따르면, 이하의 기술적 수단을 제공한다.
본 발명의 제 1 관점에 따르면, 레이저 빔을 소정의 단면 강도 분포로 정형하고 또한 집광하는 빔 정형 광학계와, 상기 빔 정형 광학계에 의해서 정형 및 집광된 정형 빔을 소정의 배율로 확대하여 결상시키는 확대 광학계를 구비한 레이저 광학 장치에 있어서, 상기 확대 광학계는, 상기 빔 정형 광학계의 초점면 전방에 배치된 부의 초점 거리(a negative focal length)를 갖는 대물 렌즈계와, 상기 대물 렌즈계의 후방에 배치된 결상 렌즈계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 제 1 관점에 따른 레이저 광학 장치에 의하면, 부의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계를 초점면 앞에 배치하고 있기 때문에, 균일한 강도 분포로 정형된 정형 빔은 초점면에 도달하기 전에 정형 빔의 단면적이 비교적 큰 상태로 대물 렌즈계에 입사된다. 대물 렌즈계가 부의 초점 거리를 갖고 있기 때문에, 대물 렌즈계에 입사한 정형 빔은 더욱 단면적이 확대되게 되어, 대물 렌즈계의 내부에서 정형 빔이 수속되는 일이 없다.
이 때문에, 대물 렌즈계를 구성하는 렌즈의 표면 코팅이, 높은 에너지 밀도로 집광된 정형 빔에 의해서 손상되거나, 자외선 영역의 단파장 빔의 경우에 렌즈의 구성 재료가 변색되거나 하는 일이 없어, 이들 렌즈에 대한 손상을 유효하게 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 광학 장치에서는, 부의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계를 빔 정형 광학계의 초점면 앞에 배치하고 있기 때문에, 빔 정형 광학계와 대물 렌즈계 사이의 거리를 짧게 할 수 있어, 이에 의해서 레이저 광학 장치의 전장을 단축할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 광학 장치에 있어서, 상기 빔 정형 광학계로서는, 레이저 빔의 정형 방식 및 빔 정형 후의 빔의 단면 형상은 임의이지만, 바람직하게는, 단면 강도 분포가 가우스 분포인 레이저 빔을 거의 균일한 강도 분포로 정형하는 호모지나이징 광학계로 구성할 수 있다.
또한, 상기 호모지나이징 광학계로서는, 회절형 빔 호모지나이저나 비구면 빔 호모지나이저를 채용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 회절형 빔 호모지나이저를 이용한 경우에는, 집광되어 진행하는 회절 광과 평행 광과 같은 진행하는 영차 광간의 간섭이 낮게 억제되어, 간섭에 의한 호모지나이징된 회절 광의 균일 분포의 열화를 방지할 수도 있다.
본 발명의 제 1 관점에 있어서는, 대물 렌즈계와 결상 렌즈계로 이루어지는 결상 광학계는, 정형 빔의 확대 기능을 갖는 확대 광학계이지만, 정형 빔을 등배로 결상시키는 등배 광학계(본 발명의 제 2 관점)일 수도 있고, 정형 빔의 축소 기능을 갖는 축소 광학계(본 발명의 제 3 관점)일 수도 있다.
즉, 본 발명의 제 1 내지 제 3 관점은, 레이저 빔을 소정의 단면 강도 분포로 정형하고 또한 집광하는 빔 정형 광학계와, 이 빔 정형 광학계에 의해서 정형 및 집광된 정형 빔을 결상시키는 결상 광학계를 구비한 레이저 광학 장치로서, 상기 결상 광학계가, 상기 빔 정형 광학계의 초점면 앞에 배치된 부의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계와, 이 대물 렌즈계의 후방에 배치된 결상 렌즈계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 7 관점에 있어서, 상기 대물 렌즈계와 상기 결상 렌즈계를 갖는 확대 광학계, 등배 광학계 또는 축소 광학계로 이루어지는 결상 광학계로서, 상기 정형 빔을 복수의 빔으로 분기시키는 회절형 분기 소자를 포함하고 있는 광학계를 채용하면, 균일한 빔을 복수 점으로 일괄해서 결상시킬 수 있는 레이저 광학 장치를 얻을 수 있다.
[발명의 효과]
이상과 같이, 본 발명의 제 1~제 7 관점에 의하면, 확대 광학계, 등배 광학계 또는 축소 광학계의 일부를 구성하는 대물 렌즈계의 손상 내지 열화를 방지할 수 있음과 아울러, 레이저 광학 장치의 전장을 단축할 수 있다.
본 발명에 의하면, 결상 광학계의 일부를 구성하는 대물 렌즈계의 손상 내지 열화를 방지할 수 있음과 아울러, 레이저 광학 장치의 전장을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학 장치의 개략 구성도,
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 레이저 광학 장치의 개략 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 레이저 광학 장치의 개략 구성도,
도 4는 상기 실시예 1에 따른 레이저 광학 장치의 입사 빔의 강도 분포,
도 5는 상기 실시예 1에서 채용한 DOE의 위상 분포,
도 6은 상기 실시예 1에 따른 레이저 광학 장치의 DOE 초점에서의 강도 분포,
도 7은 상기 실시예 1에 따른 레이저 광학 장치의 상면에서의 강도 분포,
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 레이저 광학 장치(1)의 개략 구성도,
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따른 레이저 광학 장치(1)의 개략 구성도,
도 10은 상기 실시예 3에 따른 레이저 광학 장치의 상면에서의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
부호의 설명
1 : 레이저 광학 장치
2 : 레이저 빔
3 : 빔 정형 광학계
3A : 회절형 빔 호모지나이저
4 : 정형 빔
5 : 상면
6 : 확대 광학계(결상 광학계)
7 : 초점면
8 : 대물 렌즈계(부(負; negative)의 초점 거리)
9 : 결상 렌즈계
18 : 대물 렌즈계(정의 초점 거리)
19 : 결상 렌즈계
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 첨부한 도면에 근거하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학 장치(1)의 개략 구성을 나타내고 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시예의 레이저 광학 장치(1)는, 레이저 발진기(도시하지 않음)로부터 입사된 예컨대 파장 532㎛의 레이저 빔(2)을 소정의 단 면 강도 분포로 정형하고 또한 집광하는 빔 정형 광학계(3)와, 이 빔 정형 광학계(3)에 의해서 정형된 정형 빔(4)을 소정의 배율로 확대하여 상면(image plane)(5)에 결상시키는 확대 광학계(6)를 구비하고 있다.
상기 빔 정형 광학계(3)는, 단면 강도 분포가 가우스 분포인 레이저 빔(2)을 균일한 강도 분포로 정형하는 호모지나이징 광학계, 보다 구체적으로는, 회절형 빔 호모지나이저(3A)로서 기능한다.
이 회절형 빔 호모지나이저(3A)는, 회절형 광학 부품(DOE : Diffractive Optical Element)을 호모지나이저로서 응용한 것으로서, 표면에 형성된 미크론 단위가, 비스듬하게 화소 처리되는 미세한 요철의 존재에 의해서 광의 회절 현상을 발생시키고, 이것에 의해서 가우스 분포의 레이저 빔(2)을 예컨대 단면이 직사각형이고 또한 단면 강도 분포가 균일한 정형 빔(4)으로 변환하는 기능을 갖고 있다.
또한, 이 호모지나이저(3A)는, 진행 방향을 향하여 정형 빔(4)의 단면적을 작게 하는 집광 기능을 갖고 있으며, 구체적으로는, 수 밀리 내지 수십 밀리의 오더(order) 직경을 갖는 원형 단면의 가우스 분포의 레이저 빔(2)이 초점면(7)에 있어서 수 밀리 이하 사방이 균일한 정방형 단면으로 정형 또한 집광되게 되어 있다.
상기 확대 광학계(6)는 호모지나이저(3A)의 후방에 배치된 대물 렌즈계(8)와, 대물 렌즈계(8)의 더욱 후방에 배치된 결상 렌즈계(9)로 이루어진다. 대물 렌즈계(8)는, 부의 초점 거리를 갖고 있으며, 호모지나이저(3A)의 초점면(7)의 전방에 배치되어 있다.
「전방」이란 표현은, 초점면(7)보다 호모지나이저(3A)쪽(도 1의 좌측)에 위 치하는 것을 의미한다. 도 1에는, 부의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계(8)를 기능적으로 표현하기 위해서 하나의 오목 렌즈가 도시되어 있지만, 실제로는 대물 렌즈계(8)가 다중 구성 렌즈(multi-element lens)로 구성된다. 이 다중 구성 렌즈에는 수차를 제거하기 위해 볼록 렌즈를 포함하고 있어도 좋다.
결상 렌즈계(9)는, 소정의 배율(도 1의 예에서는 5배)을 얻도록 대물 렌즈계(8)로부터 소정의 거리만큼 후방으로 떨어져 배치되어 있고, 이 결상 렌즈계(9)를 통과한 정형 빔(4)은 평행 광으로 되어 후방으로 진행해서, 상면(5)에 조사된다. 구체적으로는, 호모지나이저(3A)의 초점면(7)에서의 정형 빔(4)의 단면 형상이 500㎛ 사방의 정방형 단면이었다고 하면, 상면(5)에서 2.5㎜ 사방으로 확대되게 되어 있다.
도 1에는, 결상 렌즈계(9)를 기능적으로 표현하기 위해서 하나의 볼록 렌즈가 도시되어 있지만, 이 결상 렌즈계(9)도 다중 구성 렌즈로서 구성될 수도 있다.
도시하지는 않았지만, 레이저 광학 장치(1)의 상면(5)에 마스크를 배치하여 광학계에 의해 워크피스(a workpiece)에 이미지 전사하도록 하면, 테이퍼리스 미세 드릴링(taperless fine drilling) 등의 레이저 가공이 가능해진다. 또한, 마스크의 사이즈나 형상을 변화시키면, 가공의 사이즈나 형상을 변화시키는 것도 가능하다.
전술한 구성에 따른 레이저 광학 장치(1)에 의하면, 레이저 발진기로부터 입사된 가우스 분포의 레이저 빔(2)은, 회절형 빔 호모지나이저(3A)에 의해서 단면이 정방형 형상인 균일 강도 분포의 정형 빔(4)으로 변환되고, 이 정형 빔(4)은, 호모 지나이저(3A)의 초점면(7) 바로 앞에 배치된 대물 렌즈계(8)와, 대물 렌지(8)의 후방에 배치된 결상 렌즈계(9)를 지나서 상면(5)에 조사된다.
이 때, 부의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계(8)가 호모지나이저(3A)의 초점면(7) 앞에 배치되어 있어, 균일한 강도 분포의 정형 빔(4)을, 당해 정형 빔이 초점면(7)에 도달하기 전에 정형 빔의 단면적이 비교적 큰 상태로 대물 렌즈계(8)에 입사될 수 있다.
대물 렌즈계(8)가 부의 초점 거리를 갖고 있기 때문에, 해당 대물 렌즈계(8)에 입사한 정형 빔(4)은 더욱 단면적이 확대되어 결상 렌즈계(9)에 도달하게 되어, 대물 렌즈계(8)의 내부에서 정형 빔(4)이 수속되지 않는다. 따라서, 도 2에 나타내는 비교예의 경우와 달리, 대물 렌즈계(8)를 구성하는 렌즈의 표면 코팅이 고에너지 밀도로 집광된 정형 빔(4)에 의해서 손상되지 않으면서, 또한, 자외선 영역의 단파장 빔의 경우에 렌즈의 구성 재료가 변색되지 않는다.
따라서, 대물 렌즈계(8)를 구성하는 렌즈의 손상을 유효하게 방지할 수 있어, 레이저 광학 장치(1)의 장기 수명화를 도모할 수 있다. 대물 렌즈계(8)에서의 빔 수속의 걱정이 없기 때문에, 보다 높은 출력의 레이저의 사용이 가능해져, 레이저 광학 장치(1)의 응용 범위도 넓어진다.
또한, 본 실시예의 레이저 광학 장치(1)에서는, 부의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계(8)를 호모지나이저(3A)의 초점면(7) 바로 앞에 배치하고 있기 때문에, 도 2에 나타내는 비교예의 경우에 비해서 호모지나이저(3A)와 대물 렌즈계(8) 사이의 거리를 더욱 짧게 할 수 있어, 이로 인해, 레이저 광학 장치(1)의 전장 L을 단축할 수 있다.
또한, 부의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계(8)는, 그다지 곡률이 크지 않은 복수의 오목 렌즈로 구성할 수 있기 때문에, 제조가 용이하고 또한 렌즈 매수를 비교적 적게 할 수 있다.
전술한 실시예는 예시로서 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해서 규정되며, 특허청구범위에 기재된 구성과 균등의 범위 내의 모든 변경도 본 발명의 범위에 포함된다.
예컨대, 본 발명의 레이저 광학 장치(1)에 사용되는 레이저의 파장은 임의이며, 적외선, 가시선 및 자외선의 파장의 광원에도 본 발명을 적용할 수 있다.
빔 정형 광학계(3)로서는, 회절형 빔 호모지나이저(3A)뿐만 아니라 비구면 빔 호모지나이저를 채용할 수도 있고, 호모지나이저 이외에도 레이저 빔을 임의의 요구되는 단면 분포 형상으로 정형하는 장치도 포함된다.
또한, 도 1의 실시예에서는, 회절형 빔 호모지나이저(3A) 후방의 대물 렌즈계(8)와, 대물 렌즈계의 후방에 배치된 결상 렌즈계(9)가, 정형 빔(4)을 소정의 배율로 확대하여 상면에 결상시키는 확대 광학계(6)를 구성하는 경우에 대하여 예시했지만, 렌즈계(8, 9)에 의해, 정형 빔(4)을 등배로 상면에 결상시키는 등배 광학계나, 정형 빔(4)을 축소하여 상면에 정형 빔(4)의 상을 결상시키는 축소 광학계를 구성할 수도 있다.
후술하는 실시예에서 나타내는 바와 같이, 대물 렌즈계(8)와 결상 렌즈계(9) 사이에 정형 빔(4)을 복수의 빔으로 분기시키는 회절형 분기 소자(a diffractive beam splitter)를 개재하면, 균일한 빔의 상을 복수 점으로 일괄해서 결상시킬 수 있는 레이저 광학 장치(1)를 얻을 수 있다.
이하에, 본 발명에 근거하여 설계된 레이저 광학 장치(1)의 보다 상세한 구체예(실시예)에 대해서 설명한다.
(실시예 1)
본 실시예 1의 레이저 조건, DOE 호모지나이저의 제원, 대물 렌즈계의 제원 및 결상 렌즈계의 제원은 각각 다음과 같다. 본 실시예 1의 개략 구성도는 도 3에 나타내는 바와 같다. 본 실시예 1의 광학 장치(1)의 전장은 630㎜이며, 정의 초점 거리를 갖는 대물 렌즈계를 채용하고 있었던 종래의 광학 장치(1)의 전장은 780㎜이다. 따라서, 본 실시예 1의 광학 장치(1)에서는 종래보다도 전장을 약 20% 단축할 수 있었다.
<레이저 조건>
· 파장 : 532㎚
· 모드 : TEM00
· 1/e2 빔 직경 : φ6㎜
· 발산각 : 0mrad
<DOE 호모지나이저>
· 기판 : 석영
· 사이즈 : φ20㎜×5㎜ 두께
· 초점 거리 : 300㎜
· 균일 빔 사이즈 : 500㎛×500㎛
· 위상 : 16단계
· 화소 사이즈 : 6㎛×6㎛
· 화소 수 : 2000×2000
· 패턴 영역 사이즈 : 12㎜×12㎜
<대물 렌즈계>
· 구성 : 2장의 구면 렌즈 세트
· 배율 : 5배
· 초점 거리 : -40㎜
· 제 1 렌즈 유리 재료 : 석영
· 제 1 렌즈 직경 : φ20㎜
· 제 1 렌즈 중심 두께 : 6.8㎜
· 제 1 렌즈-제 1 면 곡률 반경 : 67.4㎜(볼록)
· 제 1 렌즈-제 2 면 곡률 반경 : 41.0㎜(오목)
· 제 2 렌즈 유리 재료 : 석영
· 제 2 렌즈 직경 : φ20㎜
· 제 2 렌즈 중심 두께 : 2.9㎜
· 제 2 렌즈-제 1 면 곡률 반경 : 27.7㎜(오목)
· 제 2 렌즈-제 2 면 곡률 반경 : 229.0㎜(오목)
· DOE-대물 렌즈간 거리 : 225㎜
· 제 1-제 2 렌즈간 거리 : 37.2㎜
<결상 렌즈계>
· 초점 거리 : 200㎜
· 유리 재료 : 석영
· 직경 : 20㎜
· 중심 두께 : 5㎜
· 제 1 면 곡률 반경 : 183.5㎜(볼록)
· 제 2 면 곡률 반경 : 183.5㎜(볼록)
· 대물 렌즈-결상 렌즈간 거리 : 151.7㎜
· 결상 렌즈-상면간 거리 : 196.45㎜
도 4는 본 실시예 1에 따른 레이저 광학 장치(1)의 입사 빔의 강도 분포(12㎜ 사방의 영역을 표시)이다. 도 5는 본 실시예에서 채용한 DOE의 위상 분포를 나 타내고 있으며, 또한 12㎜ 사방의 영역을 표시하고 있다.
도 6은 본 실시예 1에 따른 레이저 광학 장치(1)의 DOE 초점에서의 강도 분포(허상 : 1㎜ 사방의 영역을 표시)를 나타내고 있으며, 도 6(a)는 그 강도 분포의 이차원 그레이 스케일 표시이고, 도 6(b)는 그 강도 분포의 가로 방향의 단면 프로파일이다.
도 7은 본 실시예 1에 따른 레이저 광학 장치(1)의 상면에서의 강도 분포(5㎜ 사방의 영역을 표시)를 나타내고 있으며, 도 7(a)는 그 강도 분포의 이차원 그레이 스케일 표시이고, 도 7(b)는 그 강도 분포의 가로 방향의 단면 프로파일이다.
상기 구성에 따른 본 실시예 1의 레이저 광학 장치(1)에 있어서, 대물 렌즈계를 구성하는 렌즈들의 표면 코팅의 손상, 렌즈의 구성 재료의 변색 등은 발생하지 않았다.
(실시예 2)
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 레이저 광학 장치(1)의 개략 구성도이다.
본 실시예 2에서는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 실시예 1의 경우(도 3)와 비교해서 대물 렌즈와 결상 렌즈간의 거리를 변경하고, 그 거리를 151.7㎜로부터 10mm로 단축하였다. 상기 거리 외의 레이저 조건, DOE 호모지나이저의 제원 등은 실시예 1의 경우와 마찬가지이다. 그 결과, 실시예 2의 광학 장치(1)에서는 전장이 488㎜로 되어, 실시예 1의 경우보다도 전장을 더욱 단축할 수 있었다.
전술한 구성에 관한 본 실시예 2의 레이저 광학 장치(1)에 있어서도, 대물 렌즈계를 구성하는 각 렌즈의 표면 코팅의 손상, 렌즈의 구성 재료의 변색 등은 발생하지 않았다.
본 실시예 2의 상면의 강도 분포는 실시예 1의 경우와 마찬가지이었다. 그러나, 실시예 2에서는, 상면에서의 파면이 약간 발산 기미의 곡면(a slight divergence)을 가지게 되는 반면(파면 곡률 반경이 약 400㎜임), 실시예 1에서는, 파면이 평면에 가까운 파면으로 된다(파면 곡률 반경이 약 1000㎜임).
(실시예 3)
도 9는 실시예 3에 따른 레이저 광학 장치(1)의 개략 구성도이다.
본 실시예 3에서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 대물 렌즈와 결상 렌즈 사이에, 빔을 2개의 빔으로 분기하는 회절형 빔 분기 소자를 배치하고 있다. 이에 따라, 균일한 빔을 2점에 일괄해서 결상시키는 레이저 광학 장치(1)를 얻을 수 있었다. 이 광학 장치(1)의 전장은 503㎜로 되었다.
상기 분기 소자의 제원은 다음과 같다. 상기 분기 소자의 제원 이외의 레이저 조건, DOE 호모지나이저의 제원 등은 실시예 1의 경우와 마찬가지이다. 그러나, 회절형 빔 분기 소자로서는, 본 실시예에서와 같은 단순한 2분기 빔 분기 소자뿐만 아니라, 다양한 분기 패턴을 갖는 모든 소자를 채용할 수 있다.
<회절형 빔 분기 소자>
· 기판 : 석영
· 사이즈 : φ20㎜×5㎜ 두께
· 분기 수 : 2
· 표면 패턴 : 라인 및 공간
· 위상 : 2단계
· 주기 : 40㎛
· 대물 렌즈-분기 소자간의 거리 : 10㎜
· 분기 소자-결상 렌즈간 거리 : 10㎜
도 10은 본 실시예 3에 따른 레이저 광학 장치(1)의 상면에서의 강도 분포(15㎜×5㎜의 영역을 표시)를 나타내고 있으며, 도 10(a)는 그 강도 분포의 이차원 그레이 스케일 표시이고, 도 10(b)는 그 강도 분포의 가로 방향의 단면 프로파일을 도시하고 있다.
전술한 구성에 관한 본 실시예 3의 레이저 광학 장치(1)에 있어서도, 대물 렌즈계를 구성하는 각 렌즈의 표면 코팅의 손상, 렌즈의 구성 재료의 변색 등은 발생하지 않았다.
도 10에 있어서, 중앙의 2개의 균일 빔의 외측에 강도가 낮은 빔이 나타나고 있지만, 상기 빔은 고차 노이즈 광이다. 이러한 고차 노이즈 광은 단순한 라인 및 공간의 패턴 분기 소자를 이용한 것에 기인한다. 보다 고도로 최적화 설계된 표면 패턴을 채용함으로써, 당해 고차 노이즈 광을 저노이즈화할 수 있다.
본 발명을 상세하고 또한 특정한 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일없이 다양한 변경이나 수정을 행할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
본 출원은 2005년 9월 22일 출원된 일본 특허 출원 제 2005-276010 호 및 2006년 7월 25일 출원된 일본 특허 출원 제 2006-201870 호에 근거하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함시켜 둔다.

Claims (8)

  1. 레이저 빔을 소정의 단면 강도 분포로 정형하고 또한 집광하는 빔 정형 광학계와, 상기 빔 정형 광학계에 의해서 정형 및 집광된 정형 빔의 상(image)을 결상하는 결상 광학계를 구비한 레이저 광학 장치에 있어서,
    상기 결상 광학계는,
    상기 빔 정형 광학계의 초점면 전방에 배치된 부의 초점 거리(a negative focal length)를 갖는 대물 렌즈계와,
    상기 대물 렌즈계의 후방에 배치된 결상 렌즈계를 구비하는 것
    을 특징으로 하는 레이저 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결상 광학계는 상기 빔 정형 광학계에 의해서 정형 및 집광된 정형 빔을 소정의 배율로 확대하여 결상시키는 확대 광학계인 레이저 광학 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결상 광학계는, 상기 빔 정형 광학계에 의해서 정형 및 집광된 정형 빔의 상을 등배로 결상시키는 등배 광학계인 레이저 광학 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 결상 광학계는, 상기 빔 정형 광학계에 의해서 정형 및 집광된 정형 빔의 상을 소정의 배율로 축소하여 결상시키는 축소 광학계인 레이저 광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 정형 광학계는, 단면 강도 분포가 가우스 분포(a Gaussian distribution)인 레이저 빔을 균일한 강도 분포로 정형하는 호모지나이징 광학계(a homogenizing optical system)로 이루어지는 레이저 광학 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 호모지나이징 광학계는 회절형 빔 호모지나이저로 이루어지는 레이저 광학 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 호모지나이징 광학계는 비구면 빔 호모지나이저로 이루어지는 레이저 광학 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈계와 상기 결상 렌즈계를 갖는 상기 결상 광학계는 상기 정형 빔을 복수의 빔으로 분기시키는 회절형 빔 분기 소자(a diffractive beam splitter)를 포함하고 있는 레이저 광학 장치.
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