KR20140021642A

KR20140021642A - 레이저 조명 장치

Info

Publication number: KR20140021642A
Application number: KR1020137028943A
Authority: KR
Inventors: 고이찌 가지야마; 미찌노부 미즈무라; 마꼬또 하따나까; 요시까쯔 야나가와
Original assignee: 브이 테크놀로지 씨오. 엘티디
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2014-02-20
Also published as: TWI536043B; TW201241475A; US9134537B2; CN103703408B; CN103703408A; US20140063808A1; KR101849435B1; WO2012137784A1

Abstract

레이저 조명 장치는, 광원으로부터 출사된 펄스 레이저광의 광로 상에, 플라이아이 렌즈 및 콘덴서 렌즈가 배치되어 있고, 광원과 플라이아이 렌즈 사이 또는 플라이아이 렌즈와 콘덴서 렌즈 사이에는, 펄스 레이저광을 입사광에 대해서 그 편향 방향을 연속적으로 변화시켜 투과시키는 전기 광학 결정 소자가 배치되어 있다. 이 전기 광학 결정 소자는, 예를 들어 한 쌍의 전극과 이 전극 사이에 배치된 광학 결정 재료에 의해 구성되어 있고, 전극 사이에 전압을 인가하여 전계를 발생시킴으로써, 전기 결정 소자의 굴절률이 변화된다. 이에 의해, 플라이아이 렌즈의 투과광의 간섭 무늬에 의한 조명 불균일을 저감할 수 있다.

Description

레이저 조명 장치{LASER ILLUMINATION DEVICE}

본 발명은, 레이저 어닐링 등에 사용되는 레이저 조명 장치에 관한 것으로, 특히, 플라이아이 렌즈를 투과하여 강도가 균일화된 펄스 레이저광의 간섭 무늬에 의한 조명 불균일을 저감할 수 있는 레이저 조명 장치에 관한 것이다.

종래, 레이저 어닐링 등에 사용되는 레이저 조명 장치에는, 레이저광의 광축에 수직인 면 내에서의 강도를 균일화하기 위해, 플라이아이 렌즈가 사용되고 있다. 즉, 플라이아이 렌즈는, 복수개의 볼록 렌즈가 바둑판의 눈 형상으로 배치되어 전체적으로 대략 평판 형상으로 형성된 것이며, 레이저광을 플라이아이 렌즈에 투과시킴으로써, 각 볼록 렌즈에 투과한 광은, 각각, 초점에 집광된 후, 확산되고, 복수개로 분할된 레이저광이 중첩적으로 다음의 광학계 부재에로 입사된다. 이에 의해, 플라이아이 렌즈에의 입사광이 예를 들어 광축에 수직인 면 내에서 불균일한 강도 분포를 갖는 경우에서도, 이 강도 분포를 균일화할 수 있다. 예를 들어 광원으로부터 출사되는 레이저광은, 그 강도가 광축에 수직인 면 내에서 가우스 분포를 갖고 있거나, 예를 들어 전반사 미러 등의 광학 부재에 반사됨으로써, 조도 불균일이 발생하는 경우가 있지만, 플라이아이 렌즈를 설치함으로써, 이들을 해소할 수 있다.

그러나, 레이저 조명 장치에 플라이아이 렌즈를 사용한 경우, 레이저광의 코히어런스-(가간섭성)에 의해, 레이저광의 조사 영역에 간섭 무늬가 생기고, 이에 의해 조명 불균일이 발생한다고 하는 문제점이 있다.

따라서, 플라이아이 렌즈를 투과함으로써 발생하는 간섭 무늬를 저감하기 위한 기술이 다양하게 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에서는, 레이저광의 폭을 넓히는 빔 익스팬더와 플라이아이 렌즈 사이에, 레이저광의 간섭을 저감하기 위한 광로차 조정 부재를 설치하고 있다.

또한, 본원 발명자들은, 특허문헌 2에 있어서, 광원으로부터 출사된 레이저광의 광로 상에 복수개의 광 투과성 부재로 이루어지는 제1 광로차 조정 부재를 배치하고, 제1 광로차 조정 부재의 투과광을 플라이아이 렌즈에 투과시켜 레이저광의 강도를 균일화하고, 콘덴서 렌즈에 투과시켜 평행광으로 한 후, 복수매의 판 형상의 광 투과성 부재로 이루어지는 제2 광로차 조정 부재에 투과시키고, 이 투과광을 또한 플라이아이 렌즈에 투과시킴으로써, 간섭 무늬를 저감하는 기술을 제안하였다.

일본 특허 출원 공개 제2004-12757호 공보 일본 특허 출원 공개 제2010-182731호 공보

그러나, 상기 특허문헌 1 및 2의 레이저 조명 장치에 의해서도, 간섭 무늬를 충분히 해소할 수 없는 경우가 있다. 예를 들어, 광로차 조정 부재는, 일정한 광로 길이를 가지므로, 각 레이저광의 파장에 의해 교환할 필요가 있고, 레이저광의 파장만을 변화시킨 경우에는, 간섭 무늬가 발생하여, 이에 의해, 레이저광의 조사 영역에 조명 불균일이 생긴다고 하는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 플라이아이 렌즈의 투과광의 간섭 무늬에 의한 조명 불균일을 저감할 수 있는 레이저 조명 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 레이저 조명 장치는, 펄스 레이저광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 상기 펄스 레이저광의 강도를 광축에 수직인 면 내에서 균일화하는 균일화 부재와, 상기 균일화 부재를 투과한 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 입사광을 평행광으로 하여 투과시키는 콘덴서 렌즈를 갖는 레이저 조명 장치에 있어서, 상기 광원과 상기 균일화 부재 사이 또는 상기 균일화 부재와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광에 대해서 그 편향 방향을 연속적으로 변화시켜 투과시키는 전기 광학 결정 소자를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 레이저 조명 장치에 있어서, 상기 균일화 부재는, 예를 들어 플라이아이 렌즈 또는 로드 렌즈이다. 또한, 상기 전기 광학 결정 소자는, 상기 펄스 레이저광의 광축에 평행하게 배치된 한 쌍의 전극과, 이 전극 사이에 배치된 광학 결정 재료를 갖고, 상기 전극 사이에 전압을 인가하여 전계를 발생시킴으로써, 상기 전기 광학 결정 소자의 굴절률을 변화시켜 상기 입사광에 대해서 그 편향 방향을 변화시킨다. 이 경우에, 상기 전극 사이에 인가하는 전압의 주기는, 상기 펄스 레이저광의 주기와 동기하고 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 레이저 조명 장치는, 예를 들어, 또한, 상기 전기 광학 결정 소자와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자를 갖거나, 또는, 상기 전기 광학 결정 소자와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자를 더 갖는다. 또는, 레이저 조명 장치는, 또한, 상기 전기 광학 결정 소자를 투과한 레이저 펄스광의 광로 상에 배치되고 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자와, 이 편향 소자의 투과광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자를 갖고, 상기 광 확산 소자의 투과광이 상기 콘덴서 렌즈에 입사된다.

본 발명에 관한 레이저 조명 장치는, 펄스 레이저광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 상기 펄스 레이저광의 강도를 광축에 수직인 면 내에서 균일화하는 하나 또는 복수개의 플라이아이 렌즈와, 상기 플라이아이 렌즈를 투과한 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 입사광을 평행광으로 하여 투과시키는 복수개의 콘덴서 렌즈와, 상기 광원과 최종단에 배치된 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 입사광에 대해서 그 편향 방향을 상기 레이저광의 광축에 수직인 면 내에서 X 방향으로 연속적으로 변화시켜 투과시키는 제1 전기 광학 결정 소자와, 상기 광원과 최종단의 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 입사광에 대해서 그 편향 방향을 상기 레이저광의 광축에 수직인 면 내에서 상기 X 방향에 수직인 Y 방향으로 연속적으로 변화시켜 투과시키는 제2 전기 광학 결정 소자와, 상기 각 전기 광학 결정 소자에 대한 인가 전압을 서로 관련지어 제어하여 상기 플라이아이 렌즈에 의한 조사면 상의 간섭 무늬를 2차원적으로 연속 이동시키는 제어부를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 레이저 조명 장치에 있어서, 예를 들어, 각 상기 전기 광학 결정 소자는, 상기 펄스 레이저광의 광축에 평행하게 배치된 한 쌍의 전극과, 이 전극 사이에 배치된 광학 결정 재료를 갖고, 상기 전극 사이에 전압을 인가하여 전계를 발생시킴으로써, 상기 전기 광학 결정 소자의 굴절률을 변화시켜 상기 입사광에 대해서 그 편향 방향을 변화시킨다. 이 경우에, 상기 전극 사이에 인가하는 전압의 주기는, 상기 펄스 레이저광의 주기와 동기하고 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전기 광학 결정 소자에 의한 레이저광의 편향 방향의 변화 속도가, 상기 제2 전기 광학 결정 소자에 의한 레이저광의 편향 방향의 변화 속도보다도 고속으로 되도록, 상기 인가 전압을 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 레이저 조명 장치는, 또한, 상기 전기 광학 결정 소자와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자를 갖거나, 또는, 상기 전기 광학 결정 소자와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자를 더 가질 수 있다.

본 발명에 관한 레이저 조명 장치는, 광원과 균일화 부재 사이 또는 균일화 부재와 콘덴서 렌즈 사이의 펄스 레이저광의 광로 상에 입사광에 대해서 그 편향 방향을 연속적으로 변화시켜 투과시키는 전기 광학 결정 소자를 가지므로, 균일화 부재를 투과하여 강도가 균일화된 펄스 레이저광은, 전기 광학 결정 소자에 투과됨으로써, 그 편향 방향이 연속적으로 변화되거나, 또는, 전기 광학 결정 소자에 의해 편향 방향이 연속적으로 변화되도록 투과된 펄스 레이저광은, 균일화 부재를 투과하여 강도가 균일화된다. 따라서, 균일화 부재를 투과하는 것에 의한 간섭 무늬의 발생 위치가 연속적으로 변화되고, 이에 의해, 레이저 조명 장치로부터 출사된 펄스 레이저광은, 그 휘도가 레이저광의 조사 영역의 전체적으로 균일화되어, 조명 불균일을 저감할 수 있다.

본 발명에 관한 레이저 조명 장치는, 펄스 레이저광을 플라이아이 렌즈에 통과시킴으로써, 펄스 레이저광의 광 강도를 2차원적으로 균일화하지만, 이 플라이아이 렌즈를 투과할 때에 발생하는 간섭 무늬를, 제1 및 제2 전기 광학 결정 소자에 의해 2차원적으로 이동시켜, 조도 불균일을 방지한다. 즉, 펄스 레이저광이 제1 전기 광학 결정 소자를 투과할 때에, 펄스 레이저광은 그 편향 방향이 광축에 수직인 면 내에서 X 방향으로 연속적으로 변화되고, 펄스 레이저광이 제2 전기 광학 결정 소자를 투과할 때에, 펄스 레이저광은 그 편향 방향이 광축에 수직인 면 내에서 Y 방향으로 연속적으로 변화된다. 이로 인해, 제어부가 제1 및 제2 전기 광학 결정 소자에 인가하는 구동 전압을 서로 관련시켜 제어함으로써, 펄스 레이저광은 그 편향 방향이 X 방향 및 Y 방향으로 변화되고, 플라이아이 렌즈를 투과하여 발생한 간섭 무늬는 레이저광의 광축에 수직인 면 내에서, X 방향 및 Y 방향의 2차원적으로 이동한다. 즉, 간섭 무늬는, 예를 들어, X 방향 및 Y 방향을 포함하는 X-Y 면 내에서, 파상으로 이동한다. 이로 인해, 레이저 조명 장치로부터 출사되는 펄스 레이저광에는, 간섭 무늬에 의한 조도 불균일이 저감되고, 그 휘도가 레이저광의 조사 영역의 전체적으로 균일화되어, 조명 불균일을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시 형태에 관한 전기 광학 결정 소자의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 전기 광학 결정 소자에의 인가 전압 파형과 펄스 레이저광의 레이저 출력 파형과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치로부터의 출사광을 도시하는 모식도, 도 4의 (b)는 마찬가지로 출사광에 의해 발생하는 간섭 무늬의 파형을 일례로서 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 관한 편향 소자의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 관한 광 확산 소자의 일례를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 11은 본 실시 형태의 레이저 출력과, 전기 광학 결정 소자의 X 방향 및 Y 방향의 구동 전압의 스캔을 도시하는 도면이다.
도 12는 본 실시 형태의 간섭 무늬의 이동을 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 14는 본 실시 형태의 편향 소자의 일례를 도시하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 16은 본 실시 형태의 광 확산 소자의 일례를 도시하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 제8 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 18은 레이저광의 편향 방향을 일방향으로 변화시키는 경우의 구동 전압의 파형 등을 나타내는 도면이다.
도 19는 레이저광의 편향 방향을 일방향으로 변화시킨 경우의 간섭 무늬(점으로 나타냄)의 감소를 도시하는 도면이다.
도 20의 (a)는 레이저광의 편향 방향을 X 방향 및 Y 방향의 이방향으로 변화시키는 경우의 구동 전압의 파형을 나타내는 도면, 도 20의 (b)는 그에 의한 간섭 무늬 스폿의 이동을 도시하는 도면이다.
도 21은 레이저광의 편향 방향을 X 방향 및 Y 방향의 이방향으로 변화시킨 경우의 간섭 무늬(점으로 나타냄)의 감소를 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에 대해서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도, 도 2의 (a) 내지 도 2의 (c)는, 본 발명의 실시 형태에서 사용되는 전기 광학 결정 소자의 구성을 도시하는 도면이다. 본 발명의 레이저 조명 장치는, 종래의 레이저 조명 장치와 마찬가지로, 펄스 레이저광(11)을 출사하는 광원(1), 펄스 레이저광의 강도를 광축에 수직인 면 내에서 균일화하는 균일화 부재로서의 (제1)플라이아이 렌즈(2) 및 레이저광의 가장 하류측에 설치되고, 입사광을 평행광으로 하여 투과시키는 (제2)콘덴서 렌즈(32)를 갖는다. 본 실시 형태에 있어서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 레이저 조명 장치에는 플라이아이 렌즈(2)를 투과한 펄스 레이저광(12)의 광로 상에, 제1 콘덴서 렌즈(31)가 설치되어 있고, 이 제1 콘덴서 렌즈(31)에 투과됨으로써, 플라이아이 렌즈(2)의 투과광(12)은 평행광(13)이 된다. 또한, 제1 콘덴서 렌즈(31)의 투과광(13)의 광로 상에는, 또한 제2 플라이아이 렌즈(4)가 설치되어 있고, 이에 의해, 펄스 레이저광의 광축에 수직인 면 내에서의 강도가 더 균일화되도록 구성되어 있다.

본 실시 형태에 있어서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 제2 플라이아이 렌즈(4)를 투과한 펄스 레이저광의 광로 상에, 전기 광학 결정 소자(5)가 설치되어 있고, 전기 광학 결정 소자(5)에 입사한 광은, 그 편향 방향을 연속적으로 변화시켜 투과되도록 구성되어 있다. 그리고, 전기 광학 결정 소자(5)의 투과광이, 제2 콘덴서 렌즈(32)에 투과하여, 평행광의 펄스 레이저광으로서 출사된다. 또한, 본 발명에 있어서는, 예를 들어 도 1에 도시하는 바와 같이, 각 광학 소자 사이에는, 전반사 미러 등의 광학 부재를 배치해도 좋다.

광원(1)은, 펄스 레이저광을 출사하는 레이저광원이며, 예를 들어 Q 스위치에 의한 레이저 발진에 의해, 소정의 주기로 레이저광이 펄스 형상으로 출사된다. 예를 들어 펄스 레이저광의 주파수는 50㎐(주기:20밀리초), 펄스폭은 220n초이다.

레이저 강도를 균일화하는 균일화 부재로서의 제1 및 제2 플라이아이 렌즈(2, 4)는, 종래와 마찬가지로, 복수개의 볼록 렌즈가 바둑판의 눈 형상으로 배치되어 전체적으로 대략 평판 형상으로 형성된 것이며, 레이저광을 플라이아이 렌즈에 투과시킴으로써, 각 볼록 렌즈에 투과한 광은, 각각, 초점에 집광된 후, 확산되고, 복수개로 분할된 레이저광이 중첩적으로 다음의 광학계 부재에로 입사되고, 이에 의해, 플라이아이 렌즈(2, 4)에의 입사광이 예를 들어 광축에 수직인 면 내에서 불균일한 강도 분포를 갖는 경우에서도, 이 강도 분포를 균일화할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 균일화 부재로서 플라이아이 렌즈가 설치되어 있는 경우를 설명하지만, 균일화 부재로서는, 예를 들어 로드 렌즈도 사용할 수 있다. 즉, 로드 렌즈는, 주상의 광 투과성 재료로 이루어지고, 그 양단부면이 연마된 것이고, 한쪽 단부면으로부터 입사한 확산광이, 다른 쪽 단부면으로부터 출사되기까지의 사이에 광 투과부 내에서 복수회 반사됨으로써, 레이저광의 강도를 균일화할 수 있다. 또는, 로드 렌즈는 원기둥 형상의 광 투과성의 재료로 이루어지고, 그 측면에 평행광을 입사시키면, 광 투과부를 통과하는 사이에 광축에 수직인 면 내에서 집광된 후, 확산시켜 출사되고, 이에 의해, 레이저광의 강도를 균일화할 수 있다.

제1 및 제2 콘덴서 렌즈(31, 32)는, 소위, 집속 렌즈이며, 콘덴서 렌즈에 입사한 노광광은 평행광으로서 투과된다.

전기 광학 결정 소자(5)는, 예를 들어 도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 펄스 레이저광(10)의 광축에 평행하게 배치된 한 쌍의 전극(52, 53) 및 전극(52, 53) 사이에 배치된 광학 결정 재료(51)에 의해 구성되어 있고, 전극(52, 53) 사이에는 전압을 인가할 수 있도록 구성되어 있다. 광학 결정 재료(51)는, 예를 들어 Li 및 Nb로 이루어지는 광 투과성의 결정 재료(LN 결정 재료)이고, 전극(52, 53) 사이에 전압을 인가하여 전계 E를 발생시킴으로써, 광학 결정 재료(51)의 굴절률이 변화된다. 즉, 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 전극(52, 53) 사이에 인가하는 전압이 0인 경우에는, 전계 E는 발생하지 않고(E=0), 광학 결정 재료(51)에 입사한 펄스 레이저광(10)은 편향 방향을 바꾸지 않고 그대로 투과되고[도 2의 (b)에 있어서의 투과광(10a)], 도 2의 (c)에 도시하는 바와 같이, 전극(52, 53) 사이에 전압을 인가하면, 전계 E가 발생함으로써, 광학 결정 재료(51)에 입사한 펄스 레이저광(10)은, 입사 방향에 대해서 그 편향 방향을 변화시켜 투과된다[도 2의 (c)에 있어서의 투과광(10b)]. 예를 들어, 광학 결정 재료(51)가 LN 결정 재료인 경우, 투과하는 광의 파장은 370 내지 5000㎚이며, 사용되는 펄스 레이저광의 파장을 포함한다. LN 결정 재료의 굴절률 n은, 전압의 인가에 의해 발생하는 전계 E[V/m]에 대해서 하기 수학식 1 및 수학식 2에 의해 주어지고, 전계의 강도 E에 비례한다. 또한, 하기 수학식 1 및 수학식 2에 있어서의 n_e 및 r₃₃은, 각각 계수이고, 예를 들어 펄스 레이저광의 파장이 1064㎚일 때, n_e=2.156, r₃₃=3.2×10^-11[m/V]이다.

전기 광학 결정 소자(5)의 전극(52, 53) 사이에 인가되는 전압은, 예를 들어 도 3에 도시하는 바와 같이, 연속적으로 변화되도록 인가된다. 따라서, 전기 광학 결정 소자(5)의 투과광의 편향 방향도 연속적으로 변화된다. 또한, 도 3에서는, 펄스 레이저광의 레이저 출력 파형을 전기 광학 결정 소자에의 인가 전압 파형과 배열해서 도시하고 있다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 전기 광학 결정 소자(5)의 전극(52, 53) 사이에 인가되는 전압은, 그 주기가 펄스 레이저광의 주기와 동기하고 있는 것이 바람직하다. 즉, 광원(1)으로부터 Q 스위치에 의한 레이저 발진에 의해, 펄스 레이저광이 출사되면, 펄스 레이저광의 출력은, 서서히 증대하고, 최대값 부근에서 증감을 반복한 후, 감소하고, 결국 0이 된다. 이때, 펄스 레이저광이 출사된 타이밍에서, 트리거 펄스를 출력시키고, 이 트리거 펄스에 대해서, 소정의 지연 시간 t후에, 전극(52, 53) 사이에의 전압의 인가를 개시하여 전계 E를 발생시킨다. 전극(52, 53) 사이에 인가하는 전압을, 도 3에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 램프 파형의 전압으로 하고, 시간의 경과와 함께, 서서히 양쪽 전극 사이의 전압을 증가시켜, 소정 시간 후에 0으로 복귀한다. 이와 같이, 인가 전압의 주기를 펄스 레이저광의 주기에 동기시킴으로써, 전극(52, 53) 사이에 인가하는 전압의 제어가 용이하게 된다.

본 실시 형태에 있어서는, 전기 광학 결정 소자(5)를 설치하고, 이에 의해, 입사광의 편향 방향을 연속적으로 변화시키므로, 플라이아이 렌즈(2, 4)를 투과하는 것에 의한 간섭 무늬는, 그 위치가 연속적으로 변화된다. 따라서, 레이저 조명 장치로부터 출사된 펄스 레이저광은, 그 휘도가 레이저광의 조사 영역의 전체적으로 균일화된다. 도 4의 (a)는, 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치로부터의 출사광을 도시하는 모식도, 도 4의 (b)는 마찬가지로 출사광에 의해 발생하는 간섭 무늬의 파형을 일례로서 나타내는 도면이다. 전기 광학 결정 소자(5)를 설치하지 않은 경우에서는, 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 150㎛ 피치로, 간섭 무늬가 생긴다. 이 간섭 무늬는, 예를 들어 도 4의 (b)에 파선으로 나타내는 바와 같이, 소정의 휘도에 대해서 ±12％의 폭을 갖고, 이에 의해, 레이저광의 조사 영역에서의 조명 불균일이 커진다. 이에 대해, 전기 광학 결정 소자(5)를 설치한 경우에서는, 간섭 무늬가 발생하는 피치는 예를 들어 150㎛로 동일한 정도이지만, 각 레이저광은 편향 방향이 연속적으로 변화되므로, 휘도의 오차 범위는 예를 들어 ±3％로 매우 작게 할 수 있다. 따라서, 레이저광의 조사 영역에서의 조명 불균일을 효과적으로 저감할 수 있다.

다음으로, 제1 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 동작에 대해서 설명한다. 우선, 광원(1)으로부터 예를 들어 Q 스위치에 의한 레이저 발진에 의해, 소정의 타이밍에서 레이저광(11)이 출사된다. 레이저광(11)의 출력은, 서서히 증대하고, 최대값 부근에서 증감을 반복한 후, 감소하고, 결국 0이 된다. 그리고, 소정 시간 후에, 다시 레이저 발진에 의해, 레이저광(11)이 출사되는 것이 반복된다. 이에 의해, 광원(1)으로부터 출사되는 레이저광은, 펄스 형상으로 간헐적으로 출사되는 펄스 레이저광이 된다. 이때, 레이저광(11)을 출사하는 타이밍에서, 트리거 펄스를 출력시키고, 이 트리거 펄스를, 전기 광학 결정 소자(5)의 전극 사이에 전압을 인가하는 트리거로서 사용한다.

광원(1)으로부터 출사된 펄스 레이저광(11)은, 제1 플라이아이 렌즈(2)에 입사한다. 제1 플라이아이 렌즈(2)는 복수개의 볼록 렌즈가 바둑판의 눈 형상으로 배열되어 있고, 입사광은, 각 볼록 렌즈에의 입사광으로서 분할되고, 각 볼록 렌즈를 투과한 후, 각 볼록 렌즈마다, 각각, 초점에 집광되어, 확산되어 간다. 그리고, 복수개로 분할된 펄스 레이저광(12)은, 중첩적으로 제1 콘덴서 렌즈(31)에 조사된다. 이에 의해, 제1 플라이아이 렌즈(2)를 투과하고, 콘덴서 렌즈(31)에 입사하는 펄스 레이저광(12)은, 광축에 수직인 면 내에서 강도 분포가 균일화된다.

콘덴서 렌즈(31)를 투과하여 평행광이 된 펄스 레이저광(13)은, 제2 플라이아이 렌즈(4)를 투과됨으로써, 강도 분포가 더욱 균일화된다. 그리고, 전기 광학 결정 소자(5)의 광학 결정 재료(51)(예를 들어 LN 결정 재료)에 입사된다. 이 전기 광학 결정 소자(5)에는 광학 결정 재료(51)를 끼우도록 한 쌍의 전극이 배치되어 있고, 상기 트리거 펄스로부터 소정의 지연 시간 t후에, 전극(52, 53) 사이에의 전압의 인가가 개시되어 전계 E가 발생한다. 전극(52, 53) 사이에 인가되는 전압은, 예를 들어 램프 파형의 전압이며, 시간의 경과와 함께, 서서히 양쪽 전극 사이의 전압이 증가하고, 소정 시간 후, 예를 들어 펄스 레이저광의 주기에 동기하여 0으로 복귀된다.

이 전극(52, 53) 사이의 전압의 변화에 수반하여, 광학 결정 재료(51)의 굴절률이 연속적으로 변화된다. 따라서, 전기 광학 결정 소자(5)에 입사한 펄스 레이저광은, 그 편향 방향이 연속적으로 변화되어 투과된다. 전기 광학 결정 소자(5)를 투과한 펄스 레이저광(15)은, 제2 콘덴서 렌즈(32)에 투과되어, 레이저광의 조사 대상에 평행광으로 출사된다.

종래의 레이저광 조사 장치에 있어서는, 펄스 레이저광의 편향 방향은 일정하므로, 레이저광의 조사 영역에 간섭 무늬가 생기고, 이에 의해 조도 불균일이 발생한다고 하는 문제점이 있지만, 본 실시 형태에 있어서는, 전기 광학 결정 소자(5)에 의해, 레이저광의 편향 방향을 연속적으로 변화시키고 있으므로, 간섭 무늬가 발생하는 위치가 연속적으로 변화되고, 휘도가 레이저광의 조사 영역의 전체적으로 균일화된다. 따라서, 레이저광의 조사 영역에서의 조명 불균일을 효과적으로 저감할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 레이저광의 강도의 균일화를 목적으로 하여, 플라이아이 렌즈는 2매 설치되어 있지만, 레이저광의 강도를 충분히 균일화할 수 있는 경우에는, 플라이아이 렌즈는 1매 설치되어 있어도 좋다. 또한, 레이저광의 광로 상에 있어서의 상류측의 (제1)콘덴서 렌즈(31)에 대해서는, 설치되어 있지 않아도 좋다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에 대해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에는, 전기 광학 결정 소자(5)와 제2 콘덴서 렌즈(32) 사이의 펄스 레이저광(15)의 광로 상에 편향 소자(6)가 설치되어 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 편향 소자(6)는, 예를 들어 광 투과성의 재료로 이루어지는 판 형상의 부재의 한쪽 면이 경사지도록 성형된 것이며, 예를 들어 경사져 있지 않은 측의 면으로부터 펄스 레이저광(10)을 입사시킨 경우에, 경사면에 있어서, 그 편향 방향이 변화되도록 구성된, 소위 웨지 프리즘이다. 본 실시 형태에 있어서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 편향 소자(6)는, 예를 들어 경사져 있지 않은 측의 면이 펄스 레이저광의 광축에 대해서 수직이 되도록 배치되고, 상기 광축에 대해서 회전 가능하게 구성되어 있고, 이에 의해, 펄스 레이저광(15)의 편향 방향이 연속적으로 변화된다. 이 편향 소자(6)의 회전 속도는, 예를 들어 1 군데의 레이저광 조사 부위에 대해 N샷(Shot)의 펄스 레이저광의 조사를 행하는 경우, 레이저광의 주파수를 F[㎐]로서, F/N×60[rpm]이다.

이와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자(6)를 설치함으로써, 전기 광학 결정 소자(5)에 의한 연속적인 편향 방향의 변화 외에, 편향 소자(6)에 의해서도 펄스 레이저광의 편향 방향을 연속적으로 변화시킬 수 있으므로, 제1 실시 형태에 비해, 간섭 무늬에 의한 조도 불균일의 발생이 더욱 억제된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지의 다양한 변형을 행할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에 대해서 설명한다. 도 7은, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에는, 전기 광학 결정 소자(5)와 제2 콘덴서 렌즈(32) 사이의 펄스 레이저광(15)의 광로 상에 광 확산 소자(7)가 설치되어 있다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 광 확산 소자(7)는, 예를 들어 광 투과성의 판 형상의 부재의 한쪽 면에 젖빛 유리(ground glass) 형상의 조면이 형성된, 소위, 확산판이며, 입사한 펄스 레이저광(10)을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과[도 8에 있어서의 투과광(10d)]시키도록 구성되어 있다. 이에 의해, 광 확산 소자(7)에의 입사광(15)은 편향 방향이 확산되어 투과된다.

본 실시 형태에 있어서는, 입사광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자(7)를 설치함으로써, 전기 광학 결정 소자(5)를 투과하여 연속적으로 편향 방향이 변화된 펄스 레이저광(15)은 광 확산 소자에 투과됨으로써, 편향 방향이 더욱 확산되므로, 제1 실시 형태에 비해, 간섭 무늬의 발생이 억제되어, 조도 불균일의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에 있어서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태의 레이저 조명 장치에 있어서, 전기 광학 결정 소자(5)와 제2 콘덴서 렌즈(32) 사이의 펄스 레이저광(15)의 광로 상에, 제2 실시 형태의 편향 소자(6) 및 제3 실시 형태의 광 확산 소자(7)가 설치되어 있다. 각 구성의 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에 있어서는, 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자(6)와, 입사광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자(7)를 설치함으로써, 전기 광학 결정 소자(5)에 의한 연속적인 편향 방향의 변화 외에, 편향 소자(6)에 의해서도 펄스 레이저광의 편향 방향을 연속적으로 변화시킬 수 있고, 또한, 펄스 레이저광(15)이 광 확산 소자에 투과됨으로써, 편향 방향이 확산되므로, 제1 내지 제3 실시 형태에 비해, 간섭 무늬에 의한 조도 불균일의 발생을 가장 효과적으로 방지할 수 있다.

이상 서술해 온 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 전기 광학 결정 소자를 펄스 레이저광의 광로 상에 설치하고, 입사광에 대해서 그 편향 방향을 연속적으로 변화시켜 투과시킴으로써, 플라이아이 렌즈를 투과하는 것에 의한 간섭 무늬의 발생 위치가 연속적으로 변화되고, 이에 의해, 레이저 조명 장치로부터 출사된 펄스 레이저광은, 그 휘도가 레이저광의 조사 영역의 전체적으로 균일화되어, 조명 불균일을 저감할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에 대해서 설명한다. 도 10은, 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 10에 있어서, 도 1과 동일 구성물에는, 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시 형태에 있어서는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 제2 플라이아이 렌즈(4)를 투과한 펄스 레이저광의 광로 상에, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)와 제2 전기 광학 결정 소자(5B)가 직렬로 설치되어 있고, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)에 입사한 레이저광은, 그 편향 방향이 연속적으로 2차원적으로 변화되어 투과하도록 구성되어 있다. 이들의 제1 전기 광학 결정 소자(5A)와, 제2 전기 광학 결정 소자(5B) 사이에는, 반파장판(8)(λ/2판)이 배치되어 있고, 반파장판(8)은, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)를 투과한 레이저 펄스광(14)에 대해, 180°의 위상차를 발생시켜, 직선 편광의 편향 방향을 바꾼 후, 제2 전기 광학 결정 소자(5B)에 입사시킨다. 그리고, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)의 투과광이, 제2 콘덴서 렌즈(32)에 투과하여, 평행광의 펄스 레이저광으로서 출사된다. 또한, 본 발명에 있어서는, 예를 들어 도 10에 도시하는 바와 같이, 각 광학 소자 사이에는, 전반사 미러 등의 광학 부재를 배치해도 좋다.

전기 광학 결정 소자[5(5A, 5B)]는, 예를 들어 전술한 도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 펄스 레이저광(10)의 광축에 평행하게 배치된 한 쌍의 삼각 형상의 전극(52, 53) 및 이들의 전극(52, 53) 사이에 배치된 직육면체 형상의 광학 결정 재료(51)에 의해 구성되어 있고, 전극(52, 53) 사이에는 전압을 인가할 수 있도록 구성되어 있다. 전극(52, 53)은 삼각 형상을 이루고, 광학 결정 재료(51)는 이 전극(52, 53) 사이에서 끼워져 있지만, 전극(52, 53)이 존재하지 않는 부분에서는, 광학 결정 재료(51)의 상면 및 하면이 노출되어 있다. 광학 결정 재료(51)는, 예를 들어 Li 및 Nb로 이루어지는 광 투과성의 결정 재료(LN 결정 재료)이고, 전극(52, 53) 사이에 전압을 인가하여 전계 E를 발생시킴으로써, 전극(52, 53) 사이의 광학 결정 재료(51)의 부분과, 전극(52, 53)이 존재하지 않는 광학 결정 재료(51)의 부분과의 경계에서, 광학 결정 재료(51)의 굴절률이 변화된다. 즉, 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 전극(52, 53) 사이에 인가하는 전압이 0인 경우에는, 전계 E는 발생하지 않고(E=0), 광학 결정 재료(51)에 입사한 펄스 레이저광(10)은 편향 방향을 바꾸지 않고 그대로 투과되고[도 2의 (b)에 있어서의 투과광(10a)], 도 2의 (c)에 도시하는 바와 같이, 전극(52, 53) 사이에 전압을 인가하면, 전계 E가 발생함으로써, 광학 결정 재료(51)에 입사한 펄스 레이저광(10)은, 입사 방향에 대해 그 편향 방향을 변화시켜 투과된다[도 2의 (c)에 있어서의 투과광(10b)]. 예를 들어, 광학 결정 재료(51)가 LN 결정 재료인 경우, 투과하는 광의 파장은, 370 내지 5000㎚이며, 사용되는 펄스 레이저광의 파장을 포함한다. LN 결정 재료의 굴절률 n은, 전압의 인가에 의해 발생하는 전계 E[V/m]에 대해서 상기 수학식 1 및 수학식 2에 의해 주어지고, 전계의 강도 E에 비례한다. 또한, 전술한 바와 같이, 수학식 1 및 수학식 2에 있어서의 n_e 및 r₃₃은, 각각 계수이고, 예를 들어 펄스 레이저광의 파장이 1064㎚일 때, n_e=2.156, r₃₃=3.2×10^-11[m/V]이다.

본 실시 형태에 있어서도, 전기 광학 결정 소자(5)의 전극(52, 53) 사이에 인가되는 전압은, 예를 들어 도 3에 도시하는 바와 같이, 연속적으로 변화되도록 인가된다. 한편, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 실시 형태와 달리, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)의 전극 사이에 전압을 인가함으로써, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)를 투과하는 레이저광에 대해, 도 12에 도시하는 레이저광의 광축에 수직인 면 S내에서, 어떤 특정한 X 방향, 예를 들어, 수평 방향으로 레이저광을 편향시킨다. 한편, 제2 전기 광학 결정 소자(5B)는 전압을 인가함으로써, 레이저광에 대해서, 도 12에 도시하는 면S내에서, X 방향에 수직인 Y 방향, 예를 들어, 수직 방향으로 레이저광을 편향시킨다. 이에 의해, 간섭 무늬 스폿(8)은, 도 12에 도시하는 바와 같이, X-Y 면 내에서, 2차원적으로 이동한다. 이 X 방향용의 제1 전기 광학 결정 소자(5A)와 Y 방향용의 제2 전기 광학 결정 소자(5B)는, 결정 축 방향이 90° 다르기 때문에, 레이저광의 편광면도 90° 다르게 할 필요가 있다. 이로 인해, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)와 제2 전기 광학 결정 소자(5B) 사이에, 반파장판(8)을 설치하고, 이 반파장판(8)에 의해, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)를 통과한 레이저광의 편광면을 90° 회전시킨 후, 제2 전기 광학 결정 소자(5B)에 입사시킨다.

도 11은, 레이저광의 펄스와, 제1 및 제2 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)에 의한 편향 방향과의 관계를 나타내는 도면이다. 레이저광의 1 펄스에 있어서, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)에는, 3 주기로 변화하는 전압을 인가하고, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)를 투과하는 레이저광에 대해, X 방향에 3 주기로 변화하는 편향을 부여한다. 또한, 이 레이저광의 1 펄스에 있어서, 제2 전기 광학 결정 소자(5B)에는, 일단 전압이 상승한 후, 서서히 전압이 저하되는 패턴으로 전압을 인가하고, Y 방향에 미속의 1 주기로 변화하는 편향을 부여한다. 도 5에는, 레이저광에 편향을 부여하지 않는 경우에, 플라이아이 렌즈에 의해 발생하는 간섭 무늬 스폿(8)이 격자 형상으로 나타나 있지만, 각 간섭 무늬(8)는, 상술한 레이저광의 편향 방향을 X 방향 및 Y 방향으로 서로 관련시켜 제어함으로써, Y 방향에 파상으로 이동한다. 간섭 무늬(8)는 이와 같이 2차원적으로 이동함으로써, 조명광의 조사면에 있어서, 조명광의 강도 불균일로서 출현하지 않게 된다. 따라서, 레이저 조명 장치로부터 출사된 펄스 레이저광은, 그 휘도가 레이저광의 조사 영역의 전체적으로 균일화된다. 또한, 간섭 무늬 스폿(8)의 출현 피치를 X 방향 및 Y 방향으로 d(예를 들어, 150㎛)로 하면, 1 펄스에 있어서의 X 방향의 간섭 무늬 스폿(8)의 이동 거리(진폭)는, 이 d에 일치시키는 것이 바람직하고, 또한, Y 방향의 간섭 무늬 스폿(8)의 이동 거리도, d에 일치시키는 것이 바람직하다. 이에 의해, 간섭 무늬 스폿(8)은, 격자 위치에 존재하는 4개의 간섭 무늬 스폿(8)에 둘러싸인 영역 내에서, 2차원적으로 이동하므로, 격자 위치에 존재하는 모든 간섭 무늬 스폿(8)이 X 방향 및 Y 방향에 인접하는 간섭 무늬 스폿(8)에 영향받지 않고, 효율적으로 이동하여, 휘도를 균일화할 수 있어, 레이저광의 조사 영역에서의 조명 불균일을 효과적으로 저감할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 동작에 대해서 설명한다. 우선, 광원(1)으로부터 예를 들어 Q 스위치에 의한 레이저 발진에 의해, 소정의 타이밍에서 레이저광(11)이 출사된다. 레이저광(11)의 출력은, 서서히 증대하고, 최대값 부근에서 증감을 반복한 후, 감소하고, 결국 0이 된다. 그리고, 소정 시간 후에, 다시 레이저 발진에 의해, 레이저광(11)이 출사되는 것이 반복된다. 이에 의해, 광원(1)으로부터 출사되는 레이저광은, 펄스 형상으로 간헐적으로 출사되는 펄스 레이저광이 된다. 이때, 레이저광(11)을 출사하는 타이밍에서, 트리거 펄스를 출력시키고, 이 트리거 펄스를, 전기 광학 결정 소자(5)의 전극 사이에 전압을 인가하는 트리거로서 사용한다.

콘덴서 렌즈(31)를 투과하여 평행광이 된 펄스 레이저광(13)은, 제2 플라이아이 렌즈(4)를 투과함으로써, 강도 분포가 더 균일화된다. 그리고, 제2 플라이아이 렌즈(4)를 투과 후의 레이저광(14)은, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)의 광학 결정 재료(51)(예를 들어 LN 결정 재료)에 입사된다. 이 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)에는 광학 결정 재료(51)를 끼우도록 한 쌍의 전극이 배치되어 있고, 상기 트리거 펄스로부터 소정의 지연 시간 t후에, 전극(52, 53) 사이에의 전압의 인가가 개시되어 전계 E가 발생한다. 전극(52, 53) 사이에 인가되는 전압은, 예를 들어 램프 파형의 전압이며, 시간의 경과와 함께, 서서히 양쪽 전극 사이의 전압이 증가하고, 소정 시간 후, 예를 들어 펄스 레이저광의 주기에 동기하여 0으로 복귀된다.

이 전극(52, 53) 사이의 전압의 변화에 수반하여, 광학 결정 재료(51)의 굴절률이 연속적으로 변화된다. 따라서, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)에 입사한 펄스 레이저광은, 그 편향 방향이 연속적으로 변화되어 투과된다. 전기 광학 결정 소자(5)를 투과한 펄스 레이저광(15)은, 제2 콘덴서 렌즈(32)에 투과되어, 레이저광의 조사 대상에 평행광으로 출사된다.

종래의 레이저광 조사 장치에 있어서는, 펄스 레이저광의 편향 방향은 일정하므로, 레이저광의 조사 영역에 간섭 무늬가 생기고, 이에 의해 조도 불균일이 발생한다고 하는 문제점이 있지만, 본 실시 형태에 있어서는, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)에 의해, 레이저광의 편향 방향을 X 방향 및 Y 방향으로 연속적으로 변화시키고 있으므로, 간섭 무늬가 발생하는 위치가 연속적으로 변화되고, 2차원적으로 이동하므로, 휘도가 레이저광의 조사 영역의 전체적으로 균일화된다. 따라서, 레이저광의 조사 영역에서의 조도 불균일을 효과적으로 저감할 수 있다.

또한, 도 18에 도시하는 바와 같이, 예를 들어, 220㎱의 레이저 펄스가 전기 광학 결정 소자(LN 결정)를 투과하는 타이밍에서, 1개의 LN 결정에 펄스 전압을 인가하면, 레이저광의 편향 방향을 일방향으로만 연속적으로 변화시킬 수 있다. 이 경우도, 도 19에 도시하는 바와 같이, LN 결정에 대한 펄스 전압의 인가가 없고, 레이저광의 편향 방향의 제어를 하지 않았던 경우에 비해, 간섭 무늬에 의한 조도 불균일은 감소한다.

한편, 본 발명의 경우에는, 도 20의 (a), (b)에 도시하는 바와 같이, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)에 대해, 구동 전압을 스캔하여(X 방향 스캔), 레이저광의 편향 방향을 X 방향으로 변화시키고, 제2 전기 광학 결정 소자(5B)에 대해, 구동 전압을 스캔하여(Y 방향 스캔), 레이저광의 편향 방향을 Y 방향으로 변화시키므로, 간섭 무늬 스폿은, 2차원적으로 이동한다. 이로 인해, 도 21에 간섭 무늬 스폿을 도시하는 바와 같이, 스캔ㆍ온에 의해, 간섭 무늬에 의한 조도 불균일은 한층 더 현저하게 감소한다. 또한, 도 19의 조건 2는, 4샷을 겹친 평균적인 분포인 것에 반해, 도 21의 (스캔ㆍ온)은 1샷만의 분포이므로, 도 21의 (스캔ㆍ온)은 도 19의 (조건 2)보다도, 간섭 무늬가 많이 보이고 있다.

또한, 본 실시 형태와 같이, 레이저광의 편향 방향을 X 방향에 관해서 고속으로 변화시키는 경우, 저속 변화로 좋은 Y 방향용의 제2 전기 광학 결정 소자(5B)와 동일한 광학 결정 재료로 X 방향용의 제1 전기 광학 결정 소자(5A)를 제작할 때는, 예를 들어, 제2 전기 광학 결정 소자(5B)는, 광학 결정 재료(51)를 전극(52, 53) 사이에 끼운 1개의 콘덴서로 간주하면, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)는, 이 콘덴서를 3개 직렬로 접속한 것으로 된다. 제1 전기 광학 결정 소자(5A)가 1개의 경우에 정전 용량이 C₀라고 하면, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)를 3개 직렬 접속한 것은, 정전 용량이 (1/3)C₀로 저하한다. 이에 의해, 전체의 용량은, 제1 전기 광학 결정 소자(5A)가 1개인 경우에 비해, 3개의 제1 전기 광학 결정 소자(5A)를 직렬 접속한 것은, 부하 용량이 1/3로 저하하고, 구동 전압의 고속의 변화에 대응하여, 굴절률을 고속으로 변화시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 레이저광의 강도의 균일화를 목적으로 하여, 플라이아이 렌즈는 2매 설치되어 있지만, 레이저광의 강도를 충분히 균일화할 수 있는 경우에는, 플라이아이 렌즈는 1매 설치하는 것만이어도 좋다. 또한, 레이저광의 광로 상에 있어서의 상류측의 (제1)콘덴서 렌즈(31)에 대해서는, 반드시 설치할 필요는 없다.

다음으로, 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에 대해서 설명한다. 도 13은 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 13에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에는, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)와 제2 콘덴서 렌즈(32) 사이의 펄스 레이저광(15)의 광로 상에 편향 소자(6)가 설치되어 있다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 편향 소자(6)는, 예를 들어 광 투과성의 재료로 이루어지는 판 형상의 부재의 한쪽 면이 경사지도록 성형된 것이며, 예를 들어 경사져 있지 않은 측의 면으로부터 펄스 레이저광(15)을 입사시킨 경우에, 경사면에 있어서, 그 편향 방향이 변화되도록 구성된 소위 웨지 프리즘이다. 본 실시 형태에 있어서는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 편향 소자(6)는, 예를 들어 경사져 있지 않은 측의 면이 펄스 레이저광(15)의 광축에 대해서 수직이 되도록 배치되고, 상기 광축에 대해서 회전 가능하게 구성되어 있고, 이에 의해, 편향 소자(6)로부터 출사하는 펄스 레이저광(16)의 편향 방향이 연속적으로 변화된다. 이 편향 소자(6)의 회전 속도는, 예를 들어 1 군데의 레이저광 조사 부위에 대해 N샷의 펄스 레이저광의 조사를 행하는 경우, 레이저광의 주파수를 F[㎐]로서, F/N×60[rpm]이다.

이와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자(6)를 설치함으로써, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)에 의한 연속적인 편향 방향의 2차원적인 변화 외에, 편향 소자(6)에 의해서도 펄스 레이저광의 편향 방향을 연속적으로 변화시킬 수 있으므로, 제5 실시 형태에 비해, 간섭 무늬에 의한 조도 불균일의 발생을 더욱 억제할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서도, 제5 실시 형태와 마찬가지의 다양한 변형을 행할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에 대해서 설명한다. 도 15는, 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 15에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에는, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)와 제2 콘덴서 렌즈(32) 사이의 펄스 레이저광(15)의 광로 상에 광 확산 소자(7)가 설치되어 있다. 도 16에 도시하는 바와 같이, 광 확산 소자(7)는, 예를 들어 광 투과성의 판 형상의 부재의 한쪽 면에 젖빛 유리 형상의 조면이 형성된 소위 확산판이고, 입사한 펄스 레이저광(15)을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과[도 16에 있어서의 펄스 레이저광(17)]시키도록 구성되어 있다. 이에 의해, 광 확산 소자(7)에의 입사광[펄스 레이저광(15)]은, 광 확산 소자(7)로부터 편향 방향이 확산되어 펄스 레이저광(17)으로 되어 콘덴서 렌즈(32)에 입사한다.

본 실시 형태에 있어서는, 입사광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자(7)를 설치함으로써, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)를 투과하여 연속적으로 편향 방향이 2차원적으로 변화된 펄스 레이저광(15)은, 광 확산 소자(7)를 투과함으로써, 편향 방향이 확산되므로, 제5 실시 형태에 비해, 간섭 무늬의 발생이 억제되어, 조도 불균일의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서도, 제5 실시 형태와 마찬가지의 다양한 변형을 행할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제8 실시 형태에 관한 레이저 조명 장치에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에 있어서는, 도 17에 도시하는 바와 같이, 제5 실시 형태의 레이저 조명 장치에 있어서, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)와 제2 콘덴서 렌즈(32) 사이의 펄스 레이저광(15)의 광로 상에, 제2 실시 형태의 편향 소자(6) 및 제3 실시 형태의 광 확산 소자(7)가 설치되어 있다. 각 구성의 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에 있어서는, 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자(6)와, 입사광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자(7)를 설치함으로써, 전기 광학 결정 소자(5A, 5B)에 의한 연속적인 편향 방향의 2차원적인 변화 외에, 편향 소자(6)에 의해서도 펄스 레이저광의 편향 방향을 연속적으로 변화시킬 수 있고, 또한, 펄스 레이저광이 광 확산 소자를 투과함으로써, 편향 방향이 확산되므로, 제5 내지 제7 실시 형태에 비해, 간섭 무늬에 의한 조도 불균일의 발생을 가장 효과적으로 방지할 수 있다.

이상 서술해 온 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 제1 및 제2 전기 광학 결정 소자를 펄스 레이저광의 광로 상에 설치하고, 입사광에 대해서 그 편향 방향을 2차원적으로 연속적으로 변화시켜 투과시킴으로써, 플라이아이 렌즈를 투과하는 것에 의한 간섭 무늬의 발생 위치가 연속적으로 변화되고, 이에 의해, 레이저 조명 장치로부터 출사된 펄스 레이저광은, 그 휘도가 레이저광의 조사 영역의 전체적으로 균일화되어, 조명 불균일을 저감할 수 있다. 또한, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 미세한 변동(스캔)을 부여하는 제1 전기 광학 결정 소자의 편향 방향의 변화 방향이 수평 방향이며, 완만한 변동(스캔)을 부여하는 제2 전기 광학 결정 소자의 편향 방향의 변화 방향이 수직 방향이었지만, 이것은 반대이어도 좋고, 또한, 변화 방향은 수평 및 수직으로 한정하는 것이 아니라, 간섭 무늬를 2차원적으로 이동시킬 수 있으면 그 변화 방향은 임의이다.

본 발명은, 레이저 어닐링 등에 사용하는 레이저 조명 장치에 있어서, 플라이아이 렌즈의 투과광의 간섭 무늬에 의한 조명 불균일을 저감할 수 있으므로, 균일한 강도 분포의 레이저광을, 간섭 무늬를 발생시키는 일 없이, 얻을 수 있어, 어닐링 등에 사용되는 레이저광의 품질의 향상에 크나큰 공헌을 이룬다.

1 : 광원
2, 4 : 플라이아이 렌즈
8 : 반파장판
10 내지 17 : 펄스 레이저광
31, 32 : 콘덴서 렌즈
5 : 전기 광학 결정 소자(LN 결정 소자)
6 : 편향 소자(웨지 프리즘)
7 : 광 확산 소자(확산판)
51 : 광학 결정 재료(LN 결정 재료)
52, 53 : 전극
54 : 전원

Claims

펄스 레이저광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 상기 펄스 레이저광의 강도를 광축에 수직인 면 내에서 균일화하는 균일화 부재와, 상기 균일화 부재를 투과한 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 입사광을 평행광으로 하여 투과시키는 콘덴서 렌즈를 갖는 레이저 조명 장치에 있어서,
상기 광원과 상기 균일화 부재 사이 또는 상기 균일화 부재와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광에 대해서 그 편향 방향을 연속적으로 변화시켜 투과시키는 전기 광학 결정 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제1항에 있어서,
상기 균일화 부재는, 플라이아이 렌즈 또는 로드 렌즈인 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전기 광학 결정 소자는, 상기 펄스 레이저광의 광축에 평행하게 배치된 한 쌍의 전극과, 이 전극 사이에 배치된 광학 결정 재료를 갖고, 상기 전극 사이에 전압을 인가하여 전계를 발생시킴으로써, 상기 전기 광학 결정 소자의 굴절률을 변화시켜 상기 입사광에 대해서 그 편향 방향을 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제3항에 있어서,
상기 전극 사이에 인가되는 전압의 주기는, 상기 펄스 레이저광의 주기와 동기하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 항에 있어서,
상기 전기 광학 결정 소자와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자를 더 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 항에 있어서,
상기 전기 광학 결정 소자와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자를 더 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 항에 있어서,
상기 전기 광학 결정 소자를 투과한 레이저 펄스광의 광로 상에 배치되고 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자와, 이 편향 소자의 투과광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자를 더 갖고, 상기 광 확산 소자의 투과광이 상기 콘덴서 렌즈에 입사되는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
펄스 레이저광을 출사하는 광원과,
이 광원으로부터의 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 상기 펄스 레이저광의 강도를 광축에 수직인 면 내에서 균일화하는 하나 또는 복수개의 플라이아이 렌즈와,
상기 플라이아이 렌즈를 투과한 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 입사광을 평행광으로 하여 투과시키는 복수개의 콘덴서 렌즈와,
상기 광원과 최종단에 배치된 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 입사광에 대해서 그 편향 방향을 상기 레이저광의 광축에 수직인 면 내에서 X 방향으로 연속적으로 변화시켜 투과시키는 제1 전기 광학 결정 소자와,
상기 광원과 최종단의 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고 입사광에 대해서 그 편향 방향을 상기 레이저광의 광축에 수직인 면 내에서 상기 X 방향에 수직인 Y 방향으로 연속적으로 변화시켜 투과시키는 제2 전기 광학 결정 소자와,
상기 각 전기 광학 결정 소자에 대한 인가 전압을 서로 관련지어 제어하여 상기 플라이아이 렌즈에 의한 조사면 상의 간섭 무늬를 2차원적으로 연속 이동시키는 제어부
를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제8항에 있어서,
각 상기 전기 광학 결정 소자는, 상기 펄스 레이저광의 광축에 평행하게 배치된 한 쌍의 전극과, 이 전극 사이에 배치된 광학 결정 재료를 갖고, 상기 전극 사이에 전압을 인가하여 전계를 발생시킴으로써, 상기 전기 광학 결정 소자의 굴절률을 변화시켜 상기 입사광에 대해서 그 편향 방향을 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 제1 전기 광학 결정 소자에 의한 레이저광의 편향 방향의 변화 속도가, 상기 제2 전기 광학 결정 소자에 의한 레이저광의 편향 방향의 변화 속도보다도 고속으로 되도록, 상기 인가 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제9항에 있어서,
각 상기 전기 광학 결정 소자에 대해서, 상기 펄스 레이저광의 주기와 동기하여, 상기 전극 사이에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 광학 결정 소자와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광을 그 광축으로부터 넓어지도록 확산시켜 투과시키는 광 확산 소자를 더 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 광학 결정 소자와 상기 콘덴서 렌즈 사이의 상기 펄스 레이저광의 광로 상에 배치되고, 입사광을 그 광축에 대해서 편향시켜 투과시키는 편향 소자를 더 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 조명 장치.