KR20210138042A

KR20210138042A - 밝은 에지 또는 어두운 에지가 있는 균일한 강도 분포를 형성하기 위한 장치

Info

Publication number: KR20210138042A
Application number: KR1020217032439A
Authority: KR
Inventors: 프랑크 사이먼; 루드비흐 슈벵거; 안드레아 카프라라
Original assignee: 코히런트 레이저시스템즈 게엠바하 운트 컴파니 카게
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2021-11-18
Also published as: CN113924522A; US20200292836A1; JP2022523598A; WO2020182903A2; US11333897B2; WO2020182903A3

Abstract

레이저 방사선 빔을 더 밝거나 더 어두운 에지를 갖는 플랫 탑 강도 분포로 변환하기 위한 빔 균질화기(30)는 제1 렌즈 어레이(32), 제2 렌즈 어레이(14) 및 포지티브 렌즈(16)를 포함한다. 제1 렌즈 어레이(32)는 광학 배율이 없는 갭(34)만큼 분리된 복수의 렌즈 엘리먼트(20)를 포함한다. 제2 렌즈 어레이의 렌즈 엘리먼트의 초점 거리보다 작거나 큰 제1 렌즈 어레이와 제2 렌즈 어레이 사이의 거리를 선택함으로써 더 밝거나 더 어두운 에지가 생성된다.

Description

밝은 에지 또는 어두운 에지가 있는 균일한 강도 분포를 형성하기 위한 장치

(우선권)

본 출원은 2019년 3월 12일에 출원된 미국 가출원 번호 62/817,331에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 전체가 여기에 포함된다.

(기술 분야)

본 발명은 일반적으로 레이저로부터의 광을 성형하는 것에 관한 것이다. 이는 특히 하나 이상의 레이저로부터의 광을 더 밝거나 더 어두운 에지를 갖는 균일한 단면을 가진 방사선 빔으로 성형하는 것과 관련된다.

레이저는 반도체 재료의 표면 검사, 디스플레이 화면 유리의 열처리, 금속 경화 및 생체 의학 유체의 빠른 분석(assay)을 포함하여 광범위한 응용 분야에서 균일한 조명을 위한 필수 소스가 되었다. 공통적인 요구 사항은 평평한 표면상의 라인이나 투명 재료 볼륨의 평면을 균일하게 조명하는 가늘고 긴 레이저 방사선 빔이다. 이러한 레이저 방사선의 가늘고 긴 빔은 일반적으로 "라인 빔"이라고 한다.

다이오드 레이저는 전력을 코히어런트 광 파워로 변환하는 효율적인 장치이다. 고 파워 애플리케이션의 경우, 복수의 다이오드 레이저 이미터가 있는 다이오드 레이저 바는 단일 다이오드 레이저 이미터에서 사용 가능한 광 파워를 스케일링하는 편리한 방법을 제공한다. 상기 다이오드 레이저 이미터는 이격되어 선형 어레이로 배열된다. 다이오드 레이저 바는 본질적으로 가늘고 긴 방출 단면을 갖지만, 복수의 공간적으로 분포된 다이오드 레이저 이미터로부터의 방출로 인한 불균일한 강도 분포를 극복할 필요가 있다.

변환된 빔의 단면에 걸쳐 강도가 균일하도록 레이저 빔을 변환하는 광학 장치를 일반적으로 "빔 균질화기(beam homogenizer)"라고 한다. 빔 균질화기는 종종 하나 또는 두 개의 "마이크로 렌즈 어레이"를 포함하며, 이는 각각 입사 빔보다 훨씬 작은 복수의 작은 렌즈를 포함한다. 각 마이크로 렌즈는 변환된 빔에 기여하는 조명 소스가 된다. 빔 균질화기의 "피치"는 인접한 마이크로 렌즈의 중심 사이의 거리이다. 입사 광선을 가로채는 모든 마이크로 렌즈에서 나오는 복수의 광선을 수집하고 성형하기 위해 추가 광학 기기가 필요하다. 마이크로 렌즈의 선형 어레이는 다이오드 레이저 바에 의해 방출되는 레이저 방사선의 가늘고 긴 빔에 대한 빔 균질화기로서 사용될 수 있다. 이러한 빔 균질화기의 한 예가 미국 특허 제7,265,908호에 기술되어 있다.

파이버 레이저를 포함하는 다이오드 펌핑 고체 레이저는 일반적으로 가우시안 강도 분포를 생성한다. 가우시안 레이저 빔은 파웰 렌즈 또는 등가의 광학 기기에 의해 대략적으로 균일한 강도 분포로 변환되고, 그런다음 렌즈 어레이를 사용하여 균질화될 수 있다. 복수의 이러한 복수의 다이오드 펌핑 고체 레이저로부터의 시준된 레이저 빔은 렌즈 어레이를 사용하여 결합되고 균질화될 수 있다.

슬랩(slab) 레이저에는 다이오드 펌핑 고체 레이저, 가스 방전 CO₂ 레이저 및 엑시머 레이저가 포함된다. 슬랩 레이저는 본질적으로 라인 빔을 생성한다. 그러나 라인 빔은 단면이 균일하지 않을 수 있고, 단면 강도 분포가 불안정할 수 있다. 렌즈 어레이는 슬랩 레이저로부터의 라인 빔을 균질화하고 복수의 슬랩 레이저의 라인 빔을 결합하는 데 사용된다.

레이저 조명으로 공작물의 일부를 가열하는 것을 포함하는 공정에서, 완벽하게 균일한 단면 강도 분포는 조명된 부분에서 멀어지는 열 전달로 인해 균일한 레이저 가공을 생성하지 못할 수 있다. 균일한 가열을 보장하기 위해 강도 분포의 에지에서 더 높은 강도를 갖는 레이저 빔에 의한 조명이 바람직할 것이다. 공작물의 넓은 영역을 조명하기 위해 라인 빔을 여러 번 통과시킬 필요가 있는 다른 공정에서, 인접한 경로가 약간 겹치면 완전한 노출이 보장되지만 한 번 및 두 번 조명된 부분의 처리에 차이가 발생할 수 있다. 과도한 노출을 방지하기 위해 강도 분포의 에지에서 더 낮은 강도를 갖는 레이저 빔에 의한 조명이 바람직할 것이다.

더 밝거나 더 어두운 에지를 갖는 다른 균일한 단면 강도 분포를 갖는 레이저 빔을 형성하기 위한 빔 성형 장치가 필요하다. 바람직하게는, 광학 장치는 렌즈 어레이 균질화기의 우아함, 단순함 및 소형화를 가질 것이다.

일 양태에서, 본 발명에 따른 빔 균질화기는 복수의 동일한 렌즈 엘리먼트를 갖는 제1 렌즈 어레이를 포함한다. 상기 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 초점 거리(F₁)를 갖는다. 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트는 갭만큼 분리되고 각 갭은 공통 폭을 갖는다. 제2 렌즈 어레이가 제공된다. 상기 제2 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 초점 거리(F₂)를 갖는다. 상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 F₂와 같지 않은 거리만큼 분리되어 있다. 포지티브 렌즈가 제공 및 위치된다. 상기 포지티브 렌즈는 초점 거리(F₃)를 갖는다. 상기 제1 렌즈 어레이, 상기 제2 렌즈 어레이 및 상기 포지티브 렌즈는 상기 광축을 따라 순서대로 배열된다.

다른 양태에서, 본 발명에 따른 빔 균질화기는 복수의 동일한 렌즈 엘리먼트를 갖는 제1 렌즈 어레이를 포함한다. 상기 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 평평한 중심 부분과 만곡된 외부 부분을 갖는다. 상기 중심 부분은 광학 배율(optical power)이 없고 상기 외부 부분은 초점 거리(F₁)를 갖는다. 제2 렌즈 어레이가 제공된다. 상기 제2 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 초점 거리(F₂)를 갖는다. 제1 렌즈 어레이와 제2 렌즈 어레이는 F₂와 같지 않은 거리만큼 분리되어 있다. 광축에 위치하고 초점 거리(F₃)를 갖는 포지티브 렌즈가 제공된다. 상기 제1 렌즈 어레이, 상기 제2 렌즈 어레이 및 상기 포지티브 렌즈는 상기 광축을 따라 순서대로 배열된다.

또 다른 양태에서, 레이저 방사선은 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 렌즈 엘리먼트 및 상기 갭을 통과하고, 상기 제2 렌즈 어레이를 통과하고, 상기 포지티브 렌즈를 통과하여, 그 순서대로 조명 평면상으로 전파한다. 상기 조명 평면은 상기 포지티브 렌즈로부터 거리(F₃)에 위치한다. 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 렌즈 엘리먼트를 통해 전파하는 상기 레이저 방사선은 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 갭을 통해 전파하는 상기 레이저 방사선과 상기 조명 평면에서 다른 배율을 갖는다.

또 다른 양태에서, 레이저 방사선은 상기 제1 렌즈 어레이를 통과하고, 상기 제2 렌즈 어레이를 통과하고, 상기 포지티브 렌즈를 통과하여, 그 순서대로 조명 평면상으로 전파한다. 상기 조명 평면은 상기 포지티브 렌즈로부터 거리(F₃)에 위치한다. 상기 조명 평면상의 상기 레이저 방사선은 다른 균일한 강도 분포에서 더 밝거나 더 어두운 에지를 갖는 균질화된 강도 분포로 변환된다.

본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시 예를 개략적으로 도시한 것으로, 상기의 일반적인 설명 및 이하의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 제1 렌즈 어레이, 제2 렌즈 어레이 및 포지티브 렌즈를 포함하는 종래 기술의 빔 균질화기를 개략적으로 도시한 평면도이다. 광축에 평행하게 전파되는 시준된 레이저 방사선은 제1 렌즈 어레이에 입사되어 빔 균질화기를 통해 전파된다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a의 빔 균질화기를 통한 이미징을 개략적으로 나타내는 평면도이다. 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트의 반전된 확대 이미지가 형성되고 조명 평면에서 중첩된다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 빔 균질화기의 바람직한 일 실시 예를 개략적으로 도시한 평면도이다. 본 발명의 빔 균질화기는 제1 렌즈 어레이, 제2 렌즈 어레이, 및 포지티브 렌즈를 포함한다. 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 광학 파워가 없는 갭만큼 분리된다. 제1 렌즈 어레이와 제2 렌즈 어레이 사이의 거리는 제2 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트의 초점 거리보다 약간 더 크다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a 내지 도 2c의 실시 예와 유사하지만, 제1 렌즈 어레이와 제2 렌즈 어레이 사이의 거리는 제2 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트의 초점 거리보다 약간 더 작은 본 발명에 따른 빔 균질화기의 또 다른 바람직한 실시 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4a는 도 2a 내지 도 2c의 빔 균질화기를 통해 전파하는 레이저 방사선 빔에 대한 조명 평면에서의 강도 분포를 개략적으로 도시한다.
도 4b는 도 3a 및 3b의 빔 균질화기를 통해 전파하는 레이저 방사선 빔에 대한 조명 평면에서의 강도 분포를 개략적으로 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 도 2a 내지 도 2c의 빔 균질화기를 통해 전파하는 레이저 방사선 빔에 대한 회절 효과를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6a는 도 3a 및 도 3b의 빔 균질화기의 일 예를 통해 전파하는 레이저 방사선 빔에 대한 조명 평면에서의 강도 분포의 카메라 이미지를 개략적으로 도시한다.
도 6b는 도 6a의 A-A 선을 따라서 있는 강도 분포를 개략적으로 나타내는 그래프이다.

이제 유사한 구성요소가 유사한 번호로 지정된 도면을 참조하면, 도 1a는 제1 선형 렌즈 어레이(12), 제2 선형 렌즈 어레이(14), 포지티브 렌즈(16), 및 광축(18)을 갖는 종래 기술의 빔 균질화기(10)를 개략적으로 도시한다. 렌즈 어레이(12)의 각각의 동일한 렌즈 엘리먼트(20)는 초점 거리(F₁)를 갖고, 렌즈 어레이(14)의 각각의 동일한 렌즈 엘리먼트(22)는 초점 거리(F₂)를 갖고, 렌즈(16)는 초점 거리(F₃)를 갖는다. 각각의 렌즈 엘리먼트(20, 22)는 공통 폭(d)을 갖는다. 렌즈 어레이(12, 14)는 거리(F₂)만큼 분리되어 있다. 도면은 빔 균질화기(10)를 통해 전파하는 레이저 방사선의 광선(24)을 도시한다. 이 예에서, 렌즈 어레이(12)에 입사하는 레이저 방사선은 시준되어 광축(18)에 평행하게 전파된다.

도 1b 및 도 1c는 빔 균질화기(10)를 통한 이미징을 개략적으로 도시한다. 각 렌즈 엘리먼트(20)에 입사되는 레이저 방사선의 반전 확대 이미지(26)는 렌즈(16)로부터 거리(F₃)에 위치한 조명 평면(28)에 형성된다. 모든 조명된 렌즈 엘리먼트(20)의 반전 확대 이미지(26)는 조명 평면(28)에 중첩되고 폭(D)을 갖는다. 도 1b는 각각의 렌즈 엘리먼트(20)의 중심으로부터 발생하는 광선의 이미징을 도시한다. 도 1c는 각 렌즈 엘리먼트(20)의 중심으로부터 거리 X₁만큼 변위된 위치로부터 발생하는 광선의 이미징을 도시한다. 이러한 광선은 광축(18)으로부터 거리 X₂만큼 변위된 조명 평면(28)의 위치에 투사된다. 이미징 배율은

의 비율이다.

렌즈 어레이(12)는 균질화에 직접적인 영향을 미치지 않으며 초점 거리(F₁)는 배율을 결정하지 않는다. 렌즈 어레이(12)의 목적은 빔 균질화기(10)에 입사하는 광선(24)에 대한 수용각(angle-of-acceptance)을 증가시키는 것이다. 입사 광선(24)이 광축(18)에 평행하게 도시되어 있지만, 조명 평면(28)에서 중첩된 이미지로 투사하는 동안 입사 광선은 광축(18)에 대해 최대 각도까지 입사할 수 있다. 최대 수용각에서, 각 렌즈 엘리먼트(20)에 의해 집속된 주변 광선은 해당 렌즈 엘리먼트(22)의 에지에 입사할 것이다. 최대 수용각 및 조명되는 각 렌즈 엘리먼트(22)의 면적 사이에 절충안이 있다. F₂에 비해 F₁을 감소시키면 이 면적이 증가하여 광학적 손상에 대한 렌즈 엘리먼트(22)의 취약성을 감소시키는 동시에 최대 수용각도 감소시킨다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 빔 균질화기(30)의 바람직한 일 실시 예를 개략적으로 도시한다. 빔 균질화기(30)는 제1 렌즈 어레이(32)의 이웃하는 렌즈 엘리먼트(20)가 동일한 갭(34)만큼 분리되고 제1 렌즈 어레이(32)와 제2 렌즈 어레이(14) 사이의 간격이 거리 F₂+

라는 점을 제외하고는 빔 균질화기(10)와 유사하다. 각 렌즈 엘리먼트(20)는 공통 폭(d₁)을 갖고, 각 갭(34)은 공통 폭(d₂)을 가지며, 각 렌즈 엘리먼트(22)는 공통 폭(d = d1 + d2)을 갖는다. 거리

는 초점 거리(F₂)에 비해 작다. 예를 들어,

는 F₂의 20% 미만인 것이 바람직하다.

는 보다 바람직하게는 F₂의 10% 미만이고 가장 바람직하게는 F₂의 5% 미만이다.

갭(34)은 빈 갭 또는 "에어 갭"으로 묘사된다. 갭(34)은 또한 투명한 유리 또는 폴리머로 만들어질 수 있다. 갭(34)은 가장 바람직하게는 렌즈 엘리먼트(20)와 동일한 재료로 만들어지며, 평면 평행 표면을 갖고 따라서 광학 배율(optical power)이 없다. 일반적으로, 각각의 갭이 이웃하는 렌즈 엘리먼트를 고정적으로 연결하는 단일 피스의 재료로부터 렌즈 어레이(32)를 연마하거나 몰딩하는 것이 실용적일 것이다. 도 2a는 렌즈 엘리먼트(20)를 통해 전파하는 레이저 방사선의 광선(24)을 도시한다. 도 2b는 갭(34)을 통해 전파하는 레이저 방사선의 광선(36)을 도시한다. 도 2c는 조명 평면(28) 주변 및 렌즈 어레이(32) 주변에서 광선(24)(실선) 및 광선(36)(점선) 모두의 확대도를 갖는다.

본 발명의 빔 균질화기(30)를 통한 이미징을 설명하기 위해, 광학 분야에 공지된 바와 같이 광선 전달 매트릭스(ray-transfer matrix) 분석 또는 ABCD 매트릭스 분석을 고려하는 것이 유용하다. 먼저, 도 1c를 참조하면, 렌즈(16)에 의한 포커싱 및 렌즈(16)와 조명 평면(28) 사이의 전파를 위한 광선 전달 매트릭스는 다음과 같다:

따라서 조명 평면(28)에서 광축(18)으로부터의 광선의 변위 X₂는 렌즈(16)의 입사각

에만 의존한다:

도 2a 및 2b로 돌아가서, 각 렌즈 엘리먼트(20)에 의한 포커싱, 렌즈 어레이(32)와 렌즈 어레이(14) 사이의 전파, 및 대응하는 렌즈 엘리먼트(22)에 의한 포커싱을 위한 광선 전달 매트릭스는 다음과 같다:

렌즈 어레이(32)에 입사하는 시준된 레이저 방사선의 도시된 예에서, 렌즈(16)에 대한 광선의 입사각

은 따라서 렌즈 엘리먼트(20)의 중심으로부터의 광선의 변위 X₁ 및 거리

에 따라 달라진다:

따라서 조명 평면(28)에서 광축(18)으로부터의 광선의 변위 X₂는 다음과 같다:

빔 균질화기(10)의 "이상적인 이미징"에 해당하는

= 0일 때 수학식 5는 간단히 다음과 같다:

이 이상적인 이미징 조건에서, 빔 균질화기의 전체 배율은 초점 거리(F₁)에 의존하지 않는다는 것에 유의해야 한다. 그러나,

≠0인 경우, 수학식 5의

항으로 인해 배율 인자가 변경된다.

>0을 가지는 본 발명의 빔 균질화기의 경우, 배율 인자는 초점 거리(F₁)를 갖는 렌즈 엘리먼트에 입사하는 광선(24) 및 본질적으로 무한한 초점 거리를 갖는 갭(34) 상에 입사하는 광선(36)에 대해 상이하다. 갭에 입사하는 광선의 경우,

항은 0이고 절대 배율은 이상적인 이미징과 동일한 절대 배율인

이 된다. 렌즈 엘리먼트에 입사하는 광선의 경우, 절대 배율은 더 작은

이다. 에어 갭 또는 광학적으로 불활성인 갭을 갖는 것만으로는 충분하지 않다는 점에 유의해야 한다. 조건

≠0은 갭에 입사하는 광선과 렌즈 엘리먼트에 입사하는 광선이 서로 다른 배율을 갖기 위해 필요하다.

도 2a를 참조하면, 조명된 모든 렌즈 엘리먼트(20)의 반전된 이미지(26)는 조명 평면(28)에 중첩된다. 이미지(26)는

만큼 확대되고 따라서 폭

을 가진다. 이제, 도 2b를 참조하면, 모든 조명된 갭(34)의 반전된 이미지(40a, 40b) 또한 조명 평면(28)에서 중첩된다. 2개의 갭 이미지는 각각의 광선이 입사되는 렌즈 어레이(14)의 렌즈 엘리먼트(22)에 따라 분할된다. 갭 이미지(40a, 40b)는 모두

만큼 확대된다. 따라서, 각 갭 이미지는 폭

를 갖는다. 이제, 도 2c를 참조하면, 이미지(26)의 더 작은 절대 배율은 이미지(26)와 갭 이미지(40a, 40b) 사이에 어두운 갭을 생성한다.

위에서 설명한 이상적인 이미징의 관점에서 빔 균질화기(30)를 고려하는 것은 통찰력이 있다. 빔 균질화기(30) 내에서, 렌즈 어레이(14)로부터 거리(F₂)에 위치한 이미지 평면(38)은 렌즈 어레이(14) 및 렌즈(16)에 의해 조명 평면(28)상으로 정확하게 이미징된다. 이미지 평면(38)은 렌즈 엘리먼트(20)에 의해 포커싱되는 수렴 광선(24) 및 갭(34)을 통해 전파하는 평행 광선(36)에 의해 조명된다. 이미지 평면(38)의 조명은 도 2c에 도시된 더 넓고 더 좁은 대역의 반복된 패턴이다. 이미지 평면(38)의 조명은

의 배율로 렌즈 어레이(14) 및 렌즈(16)에 의해 조명 평면(28)에 투사되고 중첩된다.

하나는 광선 전달 매트릭스를 사용하고 다른 하나는 이상적인 이미징 측면인 빔 균질화기(30)에 대한 2가지 설명은 동일하다. 균질화기는 다른 균일한 강도 분포의 에지를 향해 강도가 감소된 조명 평면에서 균일하거나 "평평한 상단" 강도 분포를 생성한다. 강도 분포 내에서 어두운 갭의 상대적 위치와 폭은 초점 거리(F₁), 갭 폭(d₂) 및 거리

를 선택하여 제어한다.

도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 빔 균질화기(50)의 다른 바람직한 실시 예를 개략적으로 도시한다. 빔 균질화기(50)는 렌즈 어레이(32 및 14) 사이의 간격이 더 작은 거리 F2 -

라는 점을 제외하면 빔 균질화기(30)와 유사하다. 빔 균질화기(50)에 대한 광선 전달 매트릭스 분석은 빔 균질화기(30)에 대한 것과 동일하다. 이미지(26)는

로 확대되고 폭

를 갖는 반면, 폭

를 갖는다. 따라서, 렌즈 엘리먼트(20)에 입사하는 광선(24)에 대해, 절대 배율은 갭(34)에 입사하는 광선(36)에 대한 것보다 더 크다. 이 더 큰 배율은 이미지(26)와 갭 이미지(40a, 40b) 사이의 중첩을 생성한다. 중첩은 다른 균일한 강도 분포의 에지를 향해 2개의 밝은 피크를 생성한다. 조명 평면(28) 상으로의 이미징이 도 3b에 도시되어 있고, 설명의 편의를 위해 각각의 좌측 및 우측 오프셋에 의해 구별되는 렌즈 엘리먼트(20) 및 갭(34)을 통해 전파하는 광선에 의한 조명을 사용한다.

이상적인 이미징의 관점에서, 이미지 평면(38)은 렌즈 어레이(32) 이전에 렌즈 엘리먼트(20)에 입사하는 광선(24) 및 갭(34)에 입사하는 광선(36)의 경로에 위치한다. 다시, 예시의 편의를 위해, 광선(24 및 36)에 의한 이미지 평면(38)의 조명은 각각의 좌측 및 우측 오프셋에 의해 구별된다. 이미지 평면(38)이 균일하게 조명되지만, 광선(36)에 의해 조명된 평면의 부분(우측 오프셋)은 렌즈 엘리먼트(20)와 갭(34) 모두를 통해 이미징된다. 예를 들어, 렌즈 엘리먼트(20)에 묘사된 점선(52)은 광선(36)에 의해 조명된 이미지 평면의 일부로부터 발생한다. 렌즈 엘리먼트와 갭 모두를 통해 이미징된 부분은 조명 평면(28)에 투사될 때 더 밝게 나타날 것이다. 따라서 빔 균질화기(50)는 에지를 향해 증가된 강도를 갖는 조명 평면에서 균일한 강도 분포를 생성한다.

도 4a는 빔 균질화기(30)에 의해 생성된 강도 분포의 에지를 향해 어두운 갭을 갖는 조명 평면(28)에서 명목상 균일한 강도 분포를 개략적으로 도시한다. 전체 강도 분포는 굵은 선 및 렌즈 엘리먼트(20)를 통해 전파하는 광선에 의해 생성되는 기본 강도 분포로 도시되고, 갭(34)은 더 가벼운 선으로 도시되어 있다. 유사하게, 도 4b는 빔 균질화기(50)에 의해 생성된 강도 분포의 에지를 향해 밝은 피크를 갖는 조명 평면(28)에서 명목상 균일한 강도 분포를 개략적으로 예시한다. 강도 분포의 전체 폭 D는 갭 폭(d₂) 및 거리

와 무관하다는 점에 유의해야 한다. D > D1 + 2 D₂이기 때문에 도 4a의 강도 분포에서 어두운 갭이 나타난다. D < D1 + 2 D₂이기 때문에 도 4b의 강도 분포에서 밝은 피크가 나타난다.

광축(18)에 평행하게 종방향으로 병진되도록 구성 및 배열된 렌즈 어레이(32)를 갖는 빔 균질화기는 더 어두운 에지(도 4a에서와 같이) 또는 더 밝은 에지(도 4b에서와 같이), 또는 완전히 균일한 강도를 가지는 강도 분포의 연속체를 생성하도록 조정될 수 있다. 이러한 강도 분포는 일정한 전체 폭(D) 및 에지에서 대부분의 거리(D₂)에 걸쳐 또한 일정한 강도를 가진다. 광학기기의 정확한 선형 병진을 위한 기계 장치는 상업적으로 이용 가능하며 이러한 장치에 대한 상세한 설명은 본 발명의 원리를 이해하는 데 필요하지 않다. 더 어두운 에지가 있는 강도 분포는 어두운 갭 사이의 거리(D₁)에 걸쳐 약간 더 높은 강도를 갖는다. 더 밝은 에지가 있는 강도 분포는 밝은 피크 사이의 거리(D₁)에 걸쳐 약간 더 낮은 강도를 갖는다. 렌즈 어레이(32)가 렌즈 엘리먼트(20)의 폭(d₁)에 비해 작은 폭(d₂)을 갖는 갭(34)을 가질 때, 이러한 강도 차이는 상대적으로 작을 것이다. 예로서, 0.12보다 작은 비율

또는 0.06보다 작은 비율

이다.

도 5a 및 도 5b는 도 2a 내지 도 2c의 빔 균질화기(30)에 대한 회절의 일부 효과를 개략적으로 예시한다. 도시된 예인 렌즈 어레이(32)의 각 렌즈 엘리먼트(20)의 에지에서 회절이 발생할 것이다. 갭(34)을 통해 전파되고 이웃한 렌즈 엘리먼트(20)에 근접한 광선은 각지게 분포된다. 렌즈 엘리먼트(20)에 매우 가깝게 통과하는 광선은 전체 각도 φ에 걸쳐 분포된다. 에지에서의 회절에 의한 강도 분포는 균일하지 않고 각도가 증가함에 따라 오히려 회절 강도가 감소한다는 점에 유의해야 한다. 전체 각도 φ는 이 회절의 효과를 설명하기 위해 여기에서 구별된다. 또한, 회절 광선은 2개의 렌즈 엘리먼트(22)인, 회절 렌즈 엘리먼트(20)에 대응하는 렌즈 엘리먼트(22) 또는 대응하는 렌즈 엘리먼트의 이웃인 다른 렌즈 엘리먼트(22) 중 하나를 향할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이들 렌즈 엘리먼트(22) 모두는 전체 각도 φ 내에 위치된다.

도 5a는 렌즈 어레이(14)의 대응하는 렌즈 엘리먼트(22)를 통해 전파하는 회절 광선만을 도시한다. 이러한 광선은 회절이 없는 경우와 같이 조명 평면(28)의 동일한 범위의 위치에 투사된다. 도 5b는 이웃하는 렌즈 엘리먼트(22)를 통해 전파하는 회절 광선만을 도시한다. 이러한 광선은 회절이 없을 때 명목상 균일한 강도 분포 밖에 있는 조명 평면(28)의 위치 범위로 투사된다. 전반적으로, 회절은 명목상 균일한 강도 분포의 각 에지 내부의 거리 D₂에 걸쳐 조명을 약간 감소시키고 강도 분포의 각 에지 외부의 거리 D₂를 약하게 조명한다. 따라서 에지 대비는 회절에 의해 감소된다.

도 6a는 실험적 빔 균질화기(50)를 사용하여 획득된 강도 분포의 카메라 이미지를 개략적으로 도시한다. 이미지는 수평 차원에 대해 수직 차원으로 확대되었다. 빔 균질화기는 엑시머 레이저의 시준 빔으로 부분적으로 조명되었다. 렌즈 어레이(32)는 25개의 렌즈 엘리먼트(20)를 갖고 이들 렌즈 엘리먼트의 대부분은 조명되었다. 렌즈 어레이(32)는

= 0.026의 비율을 갖고 폭 d = d1 + d2는 수 밀리미터였다. 도 6b는 도 6a에 중첩된 A-A선을 따라서 측정된 강도 분포를 개략적으로 나타내는 그래프이다. 도 6a 및 도 6b는 동일한 수평 축척으로 도시되어 있다. 측정된 강도 분포는 각 에지에 밝은 피크가 있고 밝은 피크 사이에 상대적으로 균일한 강도를 가진다. 렌즈 어레이(32)를 길이 방향으로 병진시키고 거리

를 변경함으로써, 본 발명자들은

가 약 0mm일 때 완전히 균일한 강도 분포로부터

가 약 9mm일 때 밝은 에지를 갖는 것으로 도시된 강도 분포로 연속적인 발전을 보여주었다.

광학 배율이 없는 제1 렌즈 어레이의 갭이 여기에서 도시되고 설명되었지만, 어두운 갭 또는 밝은 피크를 갖는 강도 분포를 생성하기 위한 요구 사항은 제1 렌즈 어레이(32)에서 렌즈 엘리먼트(20)의 광학 배율보다 실질적으로 더 작은 광학 배율을 가지는 제1 렌즈 어레이에서의 "갭"(34)이다. 예를 들어, 갭(34)은 더 약한 렌즈 엘리먼트에 의해 점유될 수 있고, 더 약한 렌즈 엘리먼트는 렌즈 엘리먼트(20)의 초점 거리(F₁)보다 적어도 5배 더 긴 초점 거리를 갖는다. 약한 렌즈 엘리먼트의 초점 거리 증가는 어두운 갭 또는 밝은 피크와 강도 분포의 균일한 부분 사이의 대비를 증가시킨다.

광학 배율이 없는 제1 렌즈 어레이의 갭(34)은 평면 평행면을 갖는 슬랩의 형태를 가질 수 있다. 그러한 슬랩은 이를 통해 전파되는 광선의 각도를 수정하지 않을 것이다. 대안적으로, 갭(34)은 평면을 갖지만 평행한 면을 갖지 않는 웨지 형태를 가질 수 있다. 웨지 각도는 광축을 향하거나 광축에서 멀어지는 다른 균일한 강도 분포 내에서 어두운 갭 또는 밝은 피크를 위치시키기 위해 선택할 수 있는 또 다른 변수이다.

도 4a 및 4b에 도시된 강도 분포를 생성하기 위한 빔 균질화 장치의 또 다른 바람직한 실시 예는 도 3a 및 2a의 빔 균질화기와 유사하지만, 제1 렌즈 어레이(32)가 다른 본 발명의 렌즈 어레이로 대체된다. 이러한 다른 본 발명의 렌즈 어레이는 각 렌즈 엘리먼트의 중심 부분을 평평하게 기계가공함으로써 종래 기술의 렌즈 어레이(12)로부터 제조될 수 있다. 결과적인 렌즈 어레이는 복수의 동일한 렌즈 엘리먼트를 가질 것이고, 각각의 렌즈 엘리먼트는 평평한 중심 부분과 만곡된 외부 부분을 갖는다. 중심 부분은 광학 배율이 없고 외부 부분은 초점 거리(F₁)를 갖는다. 평평한 부분을 통과하는 광선은 만곡 부분을 통과하는 광선과 다른 배율로 조명 평면에 이미징된다. 빔 균질화기의 이 실시 예의 장점은 제1 렌즈 어레이가 상업적으로 이용가능한 종래 기술의 렌즈 어레이를 단순히 그라인딩 및 폴리싱함으로써 제조될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 뉴저지주 Thorlabs of Newton에서 입수가능하다. 이 실시 예의 단점은 빔 균질화기에 입사하는 광선에 대해 더 작은 수용각을 갖는다는 것이다.

위에 제시된 광선 전달 매트릭스 분석은 얇은 렌즈를 가정하고 근축 근사를 사용한다. 이러한 가정을 사용한 분석은 본 발명의 원리 및 동작을 설명하기에 충분하다. 당업자는 광학 엘리먼트의 형상을 적절하게 설명하기 위해 정확한 계산이 필요한 것을 인식하고 이러한 추가 파라미터를 포함할 때를 인식할 것이다.

요약하면, 레이저 방사선 빔은 본 발명의 빔 균질화기를 사용하여 다른 균일한 강도 분포에서 더 밝거나 더 어두운 에지를 갖는 균질화된 강도 분포로 변환될 수 있다. 빔 균질화기는 공통 폭을 갖는 갭에 의해 분리된 복수의 동일한 렌즈 엘리먼트를 갖는 제1 렌즈 어레이를 포함한다. 제2 렌즈 어레이는 초점 거리(F₂)를 갖는 복수의 동일한 렌즈 엘리먼트를 갖는다. 제1 및 제2 렌즈 어레이는 F₂에 가깝지만 같지 않은 거리만큼 분리된다. 분리 거리가 F₂보다 작으면 밝은 피크가 생성되고 분리 거리가 F₂보다 크면 강도 분포의 에지를 향해 위치하는 어두운 갭이 생성된다.

본 발명은 바람직한 실시 예 및 다른 실시 예와 관련하여 위에서 설명되었다. 그러나 본 발명은 여기에 설명되고 도시된 실시 예로 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 여기에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims

복수의 동일한 렌즈 엘리먼트를 구비한 제1 렌즈 어레이로서, 상기 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 초점 거리(F₁)를 갖고, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트는 갭만큼 분리되고, 각각의 갭은 공통 폭을 가지는 상기 제1 렌즈 어레이;
제2 렌즈 어레이로서, 상기 제2 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 초점 거리(F₂)를 갖고, 상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 F₂와 동일하지 않은 거리만큼 분리되는 상기 제2 렌즈 어레이; 및
초점 거리(F₃)를 갖는 광축 상에 위치하는 포지티브 렌즈로서, 상기 제1 렌즈 어레이, 상기 제2렌즈 어레이, 및 상기 포지티브 렌즈가 상기 광축을 따라 그 순서대로 배열되는 상기 포지티브 렌즈;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 F₂ 이상의 거리만큼 분리되는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 F₂보다 작은 거리만큼 분리되는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 거리 F₂±
만큼 분리되고,
는 F₂의 10% 미만인 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제4 항에 있어서,
는 F₂의 5% 미만인 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트들 사이의 상기 갭은 빈 갭 또는 에어 갭인 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트 사이의 상기 갭은 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 렌즈 엘리먼트와 동일한 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제7 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 갭 및 상기 렌즈 엘리먼트가 만들어지는 재료는 투명한 유리 또는 중합체인 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트들 사이의 상기 갭은 상기 이웃하는 렌즈 엘리먼트들을 고정적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트들 사이의 상기 갭은 광학 배율(optical power)이 없는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제10 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트들 사이의 상기 갭은 평면 평행면을 갖는 슬랩(slab) 형태인 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제10 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트들 사이의 상기 갭은 평면이지만 평행면은 아닌 웨지 형태인 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트들 사이의 상기 갭은 F₁보다 적어도 5배 더 긴 초점 거리를 갖는 광학 엘리먼트에 의해 점유되는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 렌즈 어레이로부터 거리 F₂의 이미지 평면에 위치한 더 넓고 더 좁은 대역의 반복 패턴을 갖는 이미지는 상기 포지티브 렌즈로부터 거리 F₃에 위치한 조명 평면상으로 이미징되는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이는 상기 광축에 평행하게 길이방향으로 병진되도록 구성 및 배열되는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
복수의 동일한 렌즈 엘리먼트를 구비한 제1 렌즈 어레이로서, 상기 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 평평한 중심 부분과 만곡된 외부 부분을 갖고, 상기 중심 부분은 광학 배율(optical power)이 없고 상기 외부 부분은 초점 거리(F₁)를 갖는 상기 제1 렌즈 어레이;
제2 렌즈 어레이로서, 상기 제2 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 초점 거리(F₂)를 갖고, 상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 F₂와 동일하지 않은 거리만큼 분리되는 상기 제2 렌즈 어레이; 및
초점 거리(F₃)를 갖는 광축 상에 위치하는 포지티브 렌즈로서, 상기 제1 렌즈 어레이, 상기 제2렌즈 어레이, 및 상기 포지티브 렌즈가 상기 광축을 따라 그 순서대로 배열되는 상기 포지티브 렌즈;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
제16 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이는 상기 광축에 평행하게 길이방향으로 병진되도록 구성 및 배열되는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
레이저 방사선용 빔 균질화기에 있어서,
복수의 동일한 렌즈 엘리먼트를 구비한 제1 렌즈 어레이로서, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트는 갭만큼 분리되고, 각각의 갭은 공통 폭을 가지는 상기 제1 렌즈 어레이;
제2 렌즈 어레이로서, 상기 제2 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 초점 거리(F₂)를 갖고, 상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 F₂와 동일하지 않은 거리만큼 분리되는 상기 제2 렌즈 어레이; 및
초점 거리(F₃)를 갖는 포지티브 렌즈로서, 상기 레이저 방사선이 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 렌즈 엘리먼트 및 상기 갭을 통과하고, 상기 제2렌즈 어레이를 통과하고, 상기 포지티브 렌즈를 통과하여, 상기 포지티브 렌즈로부터 거리(F₃)에 위치한 조명 평면상으로 그 순서대로 전파하는 상기 포지티브 렌즈;
를 포함하고,
상기 제1 렌즈 어레이의 상기 렌즈 엘리먼트를 통해 전파하는 레이저 방사선은 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 갭을 통해 전파하는 레이저 방사선과 조명 평면에서 다른 배율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선용 빔 균질화기.
제18 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 F₂보다 큰 거리만큼 분리되고, 상기 레이저 방사선은 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 렌즈 엘리먼트를 통해 전파하여, 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 갭을 통해 전파하는 상기 레이저 방사선보다 더 작은 배율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선용 빔 균질화기.
제18 항에 있어서, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 F₂보다 작은 거리만큼 분리되고, 상기 레이저 방사선은 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 렌즈 엘리먼트들을 통해 전파하여, 상기 제1 렌즈 어레이의 상기 갭을 통해 전파하는 상기 레이저 방사선보다 더 큰 배율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선용 빔 균질화기.
레이저 방사선용 빔 균질화기에 있어서,
복수의 동일한 렌즈 엘리먼트를 구비한 제1 렌즈 어레이로서, 상기 제1 렌즈 어레이의 이웃하는 렌즈 엘리먼트는 갭만큼 분리되고, 각각의 갭은 공통 폭을 가지는 상기 제1 렌즈 어레이;
제2 렌즈 어레이로서, 상기 제2 렌즈 어레이의 각 렌즈 엘리먼트는 초점 거리(F₂)를 갖고, 상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 F₂와 동일하지 않은 거리만큼 분리되는 상기 제2 렌즈 어레이; 및
초점 거리(F₃)를 갖는 포지티브 렌즈로서, 상기 레이저 방사선이 상기 제1 렌즈 어레이를 통과하고, 상기 제2 렌즈 어레이를 통과하고, 상기 포지티브 렌즈를 통과하여, 상기 포지티브 렌즈로부터 거리(F₃)에 위치한 조명 평면상으로 그 순서대로 전파하고, 상기 조명 평면 상의 상기 레이저 방사선은 다른 균일한 강도 분포로 더 밝거나 더 어두운 에지를 갖는 균질화된 강도 분포로 변환되는 상기 포지티브 렌즈;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선용 빔 균질화기.