TW202147725A - 光學配置與雷射系統 - Google Patents

Abstract

本發明有關一種用於將輸入雷射光束（18）轉換成線型輸出光束（12）的光學配置（20），該光學配置包含具有一輸入孔徑的轉換光學器件（24），輸入雷射光束通過該輸入孔徑可予以供應；及一伸長輸出孔徑（40），該轉換光學器件構造成使得，通過該輸入孔徑所供應的輸入雷射光束轉換成一具有複數個光束段的光束封包（Beam packet），通過該輸出孔徑射出，該光學配置更包含均勻化光學器件（28），其調適成將該光束封包變換成線型輸出光束，其中該光束封包的不同光束段係沿線方向混合及疊加，其中提供偏轉光學器件（22），其調適成偏轉輸入雷射光束，使得在該轉換光學器件的輸入孔徑處的輸入雷射光束之一輸入光束位置及/或一輸入光束方向係隨著時間改變。本發明亦有關一種用於產生線形強度分布的雷射系統（10）。

Description

光學配置與雷射系統

本發明有關一種用於將輸入雷射光束轉換成線型輸出光束的光學配置、及有關一種含有此光學配置的雷射系統。

此雷射系統用於產生特別是高強度輻射，其具有一線型延伸光束剖面的強度分布。以下，由線型延伸定義的軸稱為強度分布的「長軸」。垂直於線型延伸並垂直於傳播方向的一軸，進一步稱為「短軸」。為了描述光束的幾何關係，應假設相對的局部坐標系統，其中長軸（x）、短軸（y）及傳播方向（z）定義一定向的右手笛卡兒坐標系統。

前述線型光束輪廓用於例如玻璃或半導體的表面處理（例如回火、退火）。在本說明書，線型光束輪廓於待處理表面上的掃描基本上垂直長軸 。輻射可觸發例如再結晶、表面熔融、外來材料擴散到待處理材料中或表面區中的其他相變。此類製程用於例如TFT顯示器的生產、半導體摻雜、太陽能電池的生產、及用於建築的美學設計玻璃表面的生產。

與請求項1前言部分(preamble)中所提到光學配置相關之先前技術，可參見於WO 2018/019374 A1。

對於前述之加工處理，重要的是沿長軸的強度輪廓具有盡可能均勻的一基本恆定強度曲線，且沿短軸的強度輪廓滿足相對的品質要求。然而實際上，在強度曲線中強度輪廓經常呈現出局部不均勻性，此不均勻性是由例如干涉偽影（例如規則的繞射圖案）、及/或光學器件的缺陷和形狀誤差（例如，像差誤差）、及/或粒子污染光學器件（導致在工作平面上的一陰影投影）引起的。

本發明關注的任務之一在於提供盡可能均勻的一強度曲線。

DE 10 2016 006 960 A1揭露一種用於消除在薄膜層處理時的雷射輻射強度分布不均勻性的光學系統。該光學系統包含一具有至少一空間可變孔徑(aperture)元件的孔徑配置、及一配置成控制孔徑元件的空間變化的控制單元，使得光束輪廓中局部受限壓痕的部分在一預定時段內增加及減少數次。

專利案WO 2007/100608 A1揭露一種用於雷射退火系統的雷射光束微平滑化。所謂的微平滑化有關在垂直於處理方向的一方向上偏移雷射光束，以平滑化雷射光束輪廓中的小規模不均勻性。藉一對反射鏡，或者是藉由配置在均勻化光學器件下游的雷射光束的光束路徑中的旋轉楔形板，以實現位移。

具有相同優先權的專利案DE 10 2014 204 960 A1及專利案US 2014/0268265 A1揭露一種用於傾斜雷射光束以更一致分布光量的光學模組。該模組包括一反射鏡、一致動器及一具有複數個接頭的變形構件。致動器及變形構件可用於移動反射鏡。

專利案US 2011/0097906 A1揭露一種振動裝置，其藉配置在均勻化光學器件下游的光束路徑中的一反射鏡，以振動一線型雷射光束。專利案US 2016/0103313 A1揭露使用一活動鏡的另一雷射振動裝置。

在此背景下，本發明之一目的是提供一種替代的光學配置，能夠在一工作表面上實現一線形雷射照明的均勻強度輪廓。

根據一樣態，此目的藉由上述類型的一光學配置來實現，其中提供一偏轉光學器件，其設計成偏轉至少一輸入雷射光束，使得在該偏轉光學器件的輸入孔徑處的至少一輸入雷射光束之一輸入光束位置及/或一輸入光束方向隨時間改變。

該光學配置是一種用於將輸入雷射光束轉換成具有線型強度輪廓的輸出光束的裝置。在此態樣中，輸出光束在一傳播方向上傳播（在空間平均上）並且具有一強度分布，該強度分布在光學配置的一光學工作平面中，具有沿著一方向的線型輪廓光束剖面，在本說明書中，稱為「線方向」。取決於設計，由於光束在穿過光學配置時可偏轉一或多次，使得線方向應理解為光束剖面沿線方向局部伸長。

該光學配置包含一具有一輸入孔徑的轉換光學器件，通過該輸入孔徑可供應輸入雷射光束；及一伸長輸出孔徑。該輸出孔徑定義一輸出孔徑縱向。特別是，沿該輸出孔徑縱向的輸出孔徑尺寸係實質大於垂直於該輸出孔徑縱向的尺寸。

該轉換光學器件設計成使通過該輸入孔徑供應的輸入雷射光束轉換成通過該輸出孔徑射出的一光束封包。有利的是，該光束封包已在該輸出孔徑下游的一觀察平面中形成一伸長的強度分布，特別是具有一實質線性的特性。該波束封包包含複數個波束段，該等波束段可特別分布在伸長輸出孔徑上，且較佳是完全填充該輸出孔徑。

在本說明書中，一光束封包特別是指以一向量場來數學描述一光分布，其間使用局部分配給每一空間點之相關電磁場的坡印廷向量（Poynting vector）。

該轉換光學器件較佳是設計成從一實質同調的輸入雷射光束產生一光束封包，其具有降低的空間同調性或較佳是實質不同調的。

該光學配置更包含均勻化光學器件，其設計成將光束封包轉換成一具有期望均勻性的雷射線（特別是沿著局部線方向）。該均勻化光學器件設計成使得光束封包的不同光束段沿線方向混合和疊加，使得相對於光束剖面縱向延伸的方向以強度輪廓均勻化。

該光學配置更包含在轉換光學器件之前的光束路徑中的一偏轉光學器件，其設計成偏轉輸入雷射光束，使得在轉換光學器件的輸入孔徑處的輸入雷射光束之一輸入光束位置及/或一輸入光束方向隨時間改變。

改變在轉換光學器件的輸入孔徑處的輸入雷射光束的輸入光束位置，有利導致通過輸出孔徑離開的光束封包的光束重心的空間偏移（在本說明書中，光束重心特別是指在中間光束封包的光束剖面上的強度分布重心）。因此，光束封包在一改變位置處與均勻化光學器件重合，該均勻化光學器件在光束路徑中跟隨在轉換光學器件之後。該光束封包的此一空間位移導致輸出光束的光束分量的角度分布改變。換言之，藉由改變光束封包的光束重心的空間位置，改變輸出光束的傳播方向。

藉由轉換光學器件處輸入雷射光束位置的時間相依改變，光束路徑中轉換光學器件下游的光學元件（例如遠心系統透鏡、偏轉鏡、聚焦透鏡）可隨著時間從不同方向照射。因此，光學配置下游光束路徑中的雜質（例如，下游光學元件上的顆粒雜質）也隨時間函數從不同方向照射，使得這些雜質投射的陰影隨時間函數改變且因此大致上平滑化。如此，可減少由陰影引起的強度曲線的不均勻性。此外，可減少因光學器件形狀缺陷導致的不均勻性。

改變輸入雷射光束在轉換光學器件的輸入孔徑處的入射方向，特別導致通過輸出孔徑離開的光束封包的角度分布改變。在此態樣，藉由改變輸入雷射光束方向，可改變來自輸出孔徑的光束封包的一輸出光束方向。此外，光束封包的強度分布在轉換光學器件的輸出孔徑處係發生性質上的改變。因此，光束封包不僅在一改變位置（導致輸出光束的傳播方向改變，如前述）、也在一改變角度碰撞均勻化光學器件。因此，輸出光束的光束重心此外在空間上偏移。換言之，輸出光束的光束中心可藉由改變輸入雷射光束在轉換光學器件處的入射方向，隨時間空間偏移。如此，可大致上平滑化干涉效應，這對強度曲線的均勻性具有一正面影響。

在本說明書，有利的是，在轉換光學器件之前已經發生時間變化，且因此在雷射光束的光束路徑中相當早，因為如此可以相對小和相對輕的光學元件產生變化。在轉換光學器件之後，雷射光束已經線形加寬，因此在其他光束路徑中的光學元件至少在線軸上需要具有相對大的尺寸。隨著新配置，雷射系統中的機械振動可更容易且較低成本最小化。此外，在光束路徑的前部，尤其是在轉換光學器件之前，對偏轉光學器件的調整更容易且更穩定地防止公差。

總之，新的光學配置因此能夠以一簡單有效方式，大致上將強度分布中的局部不均勻性平滑化，並在工件的表面處理中實現一改善的處理結果。

為了實現時間上均勻的強度調整，若偏轉光學器件設計成以一循環的運動模式，改變輸入孔徑處的輸入雷射光束的輸入光束位置及/或輸入光束方向是較佳的。較佳是，相較於光學配置的應用區的處理時間，改變的時間尺度很短，以致沿線方向的空間均勻強度化是有效的。『循環』特別是意味著重複採取或經歷一初始組態。原則上，此可週期性或非週期性進行。例如，設想單光束位置圍繞一參考位置來回移動。較佳是，一循環移動不會隨著一固定頻率週期性出現，而是以變化性的週期，特別例如是隨機變化的頻率及/或振幅，特別例如是無序出現。較佳是，主頻率作用範圍為50-150 Hz，特別是在75-125 Hz的範圍內（在本說明書中，這意味著特別是循環運動模式的傅立葉頻譜在主要頻率作用具有一相當高振幅）。

此外，若偏轉光學器件設計成改變沿一輸入孔徑縱向的輸入雷射光束在輸入孔徑上的輸入光束位置，是較佳的，其中輸入孔徑縱向是指較佳是伸長地延伸的輸入孔徑的縱向。關於光學元件的調整，此一變化是相當簡單且穩健。離開輸出孔徑的光束封包的光束重心的空間位移，然後沿著伸長地延伸的輸出孔徑的縱向（輸出孔徑縱向）發生。較佳是，偏轉光學器件設計成沿著圍繞一參考位置的輸入孔徑縱向，在輸入孔徑上往復移動輸入雷射光束的位置。較佳是，一來回移動以變化的、特別是隨機變化的頻率發生，藉此主頻率作用範圍為50-150 Hz，特別是在75-125 Hz的範圍內。

較佳是，偏轉光學器件選擇性地或額外地進一步構造成相對於輸入孔徑以改變輸入雷射光束的輸入光束方向，使得一含有輸入光束方向及輸入孔徑縱向的平面圍繞輸入孔徑縱向傾斜，特別例如是來回傾斜。相對於輸入孔徑，輸入雷射光束的此種傾斜導致光束封包圍繞一軸傾斜 ，該軸係垂直於輸出孔徑縱向並垂直於傳播方向。此設計有利於精確調整後續光束路徑中的其他光學元件。較佳是，一來回移動是以變化的頻率發生，特別是隨機變化的頻率發生。主頻率作用範圍特別是在50-150 Hz，進一步特別是在75-125 Hz的範圍內。

為了在輸入孔徑處改變輸入雷射光束的輸入光束位置及/或輸入光束方向，偏轉光學器件可包含配置在光束路徑中的轉換光學器件上游的至少一反射鏡裝置。反射鏡裝置可包含至少一馬達驅動的可位移及/或可傾斜反射鏡。在一些具體實施例中，反射鏡裝置包含可彼此相對移位及/或傾斜的兩反射鏡。藉由位移及/或傾斜至少一反射鏡，輸入雷射光束的光束重心的一位置及/或輸入雷射光束的一傳播方向可以簡單且穩健方式改變。特別是，反射鏡裝置可配置在光束路徑中，使得至少一反射鏡的位移及/或傾斜導致在轉換光學器件的輸入孔徑處的輸入雷射光束的輸入光束位置及/或輸入光束方向改變。

在另一較佳具體實施例中，該偏轉光學器件包含一透鏡系統，其具有至少一第一透鏡及至少一第二透鏡，該第二透鏡相對於至少一第一透鏡可傾斜及/或相對於光軸可橫向位移。在一些特別較佳具體實施例中，當第二透鏡處於靜止位置時，第一透鏡及第二透鏡可形成對光束路徑為中性的一遠心(telescopic)配置，因此對雷射光束的光束成形幾乎沒有影響或影響可忽略不計。換言之，在一些有利具體實施例中，至少一第一透鏡及至少一第二透鏡形成一透鏡遠心系統，其僅當至少一第二透鏡相對於至少一第一透鏡移出其靜止位置時，該透鏡遠心系統才顯著影響雷射光束的光束路徑。這些具體實施例可以簡單方式選擇性啟動或不啟動工作平面區域中光束輪廓的微平滑效果，而無須改變工作平面區域中的雷射線。此外，此一透鏡系統可很容易改裝到較舊雷射系統或已經在運行的雷射系統上。

在另一具體實施例中，偏轉光學器件包含一可旋轉支撐的光學元件。在一些具體實施例中，該可旋轉光學元件可為一雙折射光學元件。在一重定向性光學器件之前的光束路徑中的一旋轉光學元件可有利地最小化雷射系統中的不想要振動。例如，相較於一震盪的平移運動，可用更少的負載循環來實施旋轉運動。

在一進一步具體實施例中，偏轉光學器件配置在一第一底座上，且轉換光學器件配置在一第二底座上。其中第一底座及第二底座彼此分開配置。在一些具體實施例中，第一底座及第二底座之每一者可包含一花崗岩（granite）板，其中相對的花崗岩板彼此分開配置，且特別是彼此無接觸。選擇性地或額外地，第一底座及第二底座之每一者可包括一鑄造版（例如由金屬及/或混凝土製成），及/或一鋼結構。分開的底座具有的優點是，因偏轉光學器件變化而可能出現的振動，可與雷射光束的光束路徑中的後續元件更佳解耦合（decoupled）。

在一進一步有利具體實施例中，光學配置更包含至少一變換（transformation）透鏡構件，其配置在光束路徑中的均勻化光學器件下游。變換透鏡構件特別設計成疊加由均勻化光學器件混合的光束段，並且將其進一步聚焦為線型輸出光束。在此態樣，變換透鏡構件也特別有助於均勻化。為此目的，例如，工作平面可在變換透鏡構件的焦點區中運行。例如，可想像成來自偵測到輻射的每一區的光束段聚焦到沿著線方向的多個（較佳是全部）區中。

變換透鏡構件的一有利具體實施例是（特別是非成像）係採取一傅立葉透鏡的形式，尤其是一菲涅耳區板（Fresnel zone plate）。

輸出光束的性質是受到轉換光學器件（conversion optics）設計的決定性地影響。特別是，轉換光學器件設計影響在於，當輸入雷射光束的輻射位置及/或輻射方向改變時，輸出光束的光分布如何變化。轉換光學器件中的光學處理很複雜，特別是還會影響光分布的空間同調性，這又決定是否形成干擾的干涉偽影（interference artifact）。因此，在轉換光學器件上游的光束路徑中的輻射變化通常對進一步光束路徑中的輻射性質具有特別大的影響。

為了實現輸出光束的一線型光束剖面，若轉換光學器件的輸入孔徑伸長並沿著一輸入孔徑縱向予以縱向延伸，且若輸出孔徑沿著一輸出孔徑縱向延伸，是較佳的。

轉換光學器件較佳設計成使得通過輸出孔徑離開的光束封包具有複數個光束段，這些光束段沿著輸出孔徑縱向彼此相鄰配置。因輸入孔徑伸長，使得輸入雷射光束可能已經具有一伸長的光束剖面，這有利於將輸入雷射光束轉換成具有一線型光束剖面的輸出光束。例如，可想像成提供一預成形(pre-shaping)的光學器件，在輸入雷射光束到達成形光學器件前將其變換，使其具有一橢圓形光束剖面。

轉換光學器件的一有利設計更包括，從輸出孔徑射出的光束封包的相鄰光束段之間的距離大於光束段的一延伸，該延伸之方向垂直於輸出孔徑縱向並垂直於（局部）傳播方向。在以此方式設計的一轉換光學器件中，沿輸入孔徑縱向的輸入光束位置的位移相當小，導致沿輸出孔徑縱向的光束封包的光束重心有較大位移。在此態樣，輸入雷射光束必須僅稍微偏轉（例如藉由一反射鏡裝置，見前述），以實現光束封包的光束重心有較大位移。

較佳是，轉換光學器件進一步設計成，在通過輸入孔徑輻射一同調性輸入雷射光束時（即，在輸入孔徑的整個範圍內呈現出空間同調性的一輸入雷射光束）或在輻射至少部分同調輸入雷射光束時，產生從輸出孔徑射出並呈現出降低空間同調性的一光束封包，較佳是呈現出顯著降低的空間同調性或不同調。這減少或完全避免在光束路徑中後續的均勻化及/或聚焦期間的干涉效應，可進一步減少強度輪廓中的不均勻性。

所描述的空間同調性的減少或消除，特別是可藉以此設計轉換光學器件來實現，即在輸入雷射光束穿過轉換光學器件時，針對輸入雷射光束的相鄰光束段提供不同的光學路徑長度。特別是，轉換光學器件使得一輸入雷射光束的相鄰光束段在穿過轉換光學器件時被導引，如此通過輸出孔徑離開的出射光束封包的光束段行經不同的光學路徑長度，使得光束封包的空間同調性降低，特別是不同調。特別是，轉換光學器件設計成使得在輸入孔徑的相對區域及邊緣區域處進入的光束段的光學路徑長度相差大於輸入雷射光束的同調長度的值。

較佳是，轉換光學器件是板狀並從材料一體成形，該材料對輸入雷射光束的波長係光學上透明。在此情況下，轉換光學器件具有一板前側及一板後側，該板後側基本上平行於板前側延伸。該板的前側及後側因此形成一平板的大邊界表面。特別是，板前側的一區域提供輸入孔徑，而板後側的一區域提供輸出孔徑。該轉換光學器件係有利設計成使得一輸入雷射光束的光束段在通過輸入孔徑耦合之後，藉由在板前側及及板後側處的至少一次（較佳是多次）反射而被引導到輸出孔徑。反射次數特別取決於輸入孔徑處的輻射位置及輻射角度。在此態樣，輸入雷射光束的不同光束段行經不同的光學路徑長度。特別是，反射的發生使得輸入雷射光束的不同（特別是相鄰）光束段其穿過轉換光學器件及作為輸出光束段通過輸出孔徑離開光學器件時重新配置。

均勻化光學器件（homogenizing optics）較佳是運作成使得離開轉換光學器件的光束封包的不同光束段相互混合及/或疊加。為此目的，均勻化光學器件可包含例如至少一透鏡陣列，其中至少一透鏡陣列可包含沿相對圓柱軸延伸的複數個圓柱透鏡。特別是，該等圓柱透鏡係幾何尺寸化成使得光束封包穿過複數個相鄰圓柱透鏡。

開頭所述之目的也藉由一雷射系統實現，該雷射系統設計成產生具有一強度分布的線型輸出雷射光束，在該光束剖面中具有一線型強度輪廓。

該雷射系統包含至少一用於發射輸入雷射光束的雷射光源、及一用於將輸入雷射光束轉換成線型輸出光束的前述類型的光學配置。該光學配置配置成使得由雷射光源供應輸入雷射光束。

雷射光源特別適合或設計用於多模式操作。原則上，來自雷射光源的雷射輻射可直接供應給光學配置。然而，可想像成雷射系統更包含預成形光學器件，藉該預成形光學器件，雷射輻射在進入光學配置之前被成形。例如，該預成形光學器件可形成準直光學器件。例如，該預成形體光學器件可變形運作，使輸入雷射光束具有一橢圓形光束剖面。

以下描述及附圖中，相同參考編號表示相同或相對的特徵件。

圖1示出一用於產生輸出光束12的雷射系統10之示意圖，其具有在一工作平面14中強度不為零的線型光束剖面，沿一線方向（x方向）延伸。

雷射系統10包含至少一用於發射雷射輻射的雷射光源16。雷射光源16較佳是是一多模雷射。選擇性經由作用性的光學器件（未示出），雷射輻射饋送一輸入雷射光束18。例如，作用性的光學器件可具有一準直效應及/或將雷射輻射變換成具有一橢圓光束剖面的輸入雷射光束18。例如，可想像成雷射輻射首先藉偏轉鏡及/或透鏡構件轉換成輸入雷射光束18。

雷射系統10更包含一光學配置20，藉其將輸入雷射光束18轉換成線型輸出光束12。

為了解釋光束的局部幾何關係，圖式中示出一笛卡兒坐標系統（x,y,z）。在所示示例中，輸入雷射光束18沿z方向傳播。由輸出光束12的線型延伸定義的軸沿著x軸（「長軸」）延伸。一垂直於（局部）線方向並垂直於傳播方向的軸係稱為「短軸」（y軸）。

為了處理大面積，可能需要獲得非常伸長的線型強度輪廓。在此態樣，可想像成提供多個所提及類型的彼此相鄰雷射系統（10、10'），並且配置使得強度分布彼此互補以形成一伸長的線。

在本說明書，光學配置20包含多個光學總成，其依序配置在光束路徑中。如圖1中的簡化形式所示，輸入雷射光束18首先穿過一偏轉光學器件22，然後被引導通過一轉換光學器件24，該轉換光學器件將輸入雷射光束18重新整形為一光束封包26。然後光束封包26藉一均勻化光學器件28均勻化，並且與均勻化光學器件28下游的一變換透鏡構件30交互作用，轉換成線型輸出光束12，其沿線方向具有高度均勻的強度。

選擇性地，光學配置可另外包括在光束路徑中變換透鏡構件30下游的準直/聚焦光學器件（未示出）。在一些較佳具體實施例中，所述類型的相鄰雷射系統10、10'之每一者可具有其自己的偏轉光學器件22、22'，且每一者具有其自己的轉換光學器件24、24'，並可共用下游的均勻化光學器件28及/或下游的變換透鏡構件30。換言之，在一些具體實施例（此處未示出）中，均勻化光學器件28及/或變換透鏡構件30可由多個相鄰光束封包26、26'照射。

圖2和圖3示出在一具體實施例中的轉換光學器件24的概略示意說明。在所示的示例中，轉換光學器件24形成為一件式板狀轉換體32，該板狀轉換體由對雷射輻射透明的一材料製成。

轉換體32具有一板前面34及一板後面36，該板後側延伸平行於板前側。板前側34的一區域係用作一光輸入耦合面，並提供轉換光學器件24的一輸入孔徑38，輸入雷射光束18可通過該輸入孔徑以耦合到轉換體32中。板後面36的一區域係用作一光離開表面，並提供可使光束封包26離開的一輸出孔徑40。

如圖3所示，輸入孔徑38伸長且沿一輸入孔徑縱向42延伸。輸出孔徑40亦伸長且沿一輸出孔徑縱向44延伸（見圖2）。

特別是，轉換光學器件運作成使得輸入雷射光束18的相鄰光束段46a、46b、46c在穿過轉換光學器件24時被分成光束封包26的光束段48a、48b、48c，其沿輸出孔徑縱向（44）並排配置（參見圖3）。在所示示例中，這藉板前面34與板後面36之間的轉換體32中的內反射，將通過輸入孔徑38耦合的光束段46a、46b、46c導引到輸出孔徑40來實現。由於光束段46a、46b、46c藉輸入孔徑38在不同位置耦合，所以離開輸出孔徑40的光束封包26的光束段48a、48b、48c已行經不同光學路徑長度。特別是，轉換體32設計成使得不同光束段48a、48b、48c的光學路徑彼此不同，使得光束封包26的空間同調性顯著降低，特別是不同調。這特別是藉由光束段48a、48b、48c的光學路徑長度差異大於雷射輻射的同調長度來實現。

圖4示意說明均勻化光學器件28及變換透鏡構件30的操作。基本上，均勻化光學器件28配置成獲取光束封包26並且混合及疊加光束封包26的不同光束段48a、48b、48c。例如，均勻化光學器件28可具有在光束路徑中彼此下游的兩透鏡陣列50a、50b，其作用在光束段48a、48b、48c以將其混合及疊加。如圖4所示，透鏡陣列50a、50b具有複數個沿相對圓柱軸延伸的圓柱透鏡52。圓柱透鏡52係幾何尺寸化成使得光束封包26穿過複數個相鄰圓柱透鏡52。

在光束路徑中連接在均勻化光學器件28下游的變換透鏡構件30特別設計成疊加混合光束段48a、48b、48c，以形成線型輸出光束12，使得在工作平面14中建立所需的線型強度分布。示例性且較佳是，變換透鏡構件30由一非成像的傅立葉透鏡54形成。傅立葉透鏡54特別配置成使得工作平面14在傅立葉透鏡54的一焦平面中運行（參見圖4）。

特別是在與轉換光學器件24交互作用時，如上所解釋，其較佳是很大程度上抵消輸入雷射光束18的同調性，光束封包26的光束段48a、48b、48c的混合及疊加導致沿（局部）線方向x的輸出光束12已比較均勻。然而，過程中的局部不均勻性可能出現，特別是由於光學器件的干涉效應及/或形狀缺陷、及/或光學器件的雜質（參見前述）。

如以下詳細解釋，藉由在轉換光學器件24的輸入孔徑38處的輸入雷射光束18的輻射位置及/或輻射方向68、68'的時間相關變化，可大致上平滑化不均勻性。為此目的，偏轉光學器件22設計成隨時間改變在轉換光學器件24的輸入孔徑38處的輸入雷射光束18之一輸入光束位置及/或一輸入光束方向68、68'。

圖5示出偏轉光學器件22的一第一具體實施例。偏轉光學器件包含一反射鏡裝置56，其具有可彼此相對傾斜的兩反射鏡58a、58b。反射鏡裝置56配置在輸入雷射光束18的光束路徑中，使得藉由彼此相對傾斜反射鏡58a、58b，可改變轉換光學器件24的輸入孔徑38處的輸入雷射光束18的一輸入光束位置（如圖5中的虛線所繪示）。特別是，反射鏡裝置56定向成使得彼此相對傾斜反射鏡58a、58b導致沿輸入孔徑縱向42（在圖5中沿局部y軸）的輸入光束位置偏移。

圖6示出偏轉光學器件22的一第二具體實施例，其中反射鏡裝置56包含可彼此相對移位的兩反射鏡58a、58b。如圖6中的虛線所示，彼此相對移動反射鏡58a、58b導致沿輸入孔徑縱向42（在圖5中沿局部y軸）的輸入光束18位置改變。

改變沿輸入孔徑縱向42的輸入雷射光束18位置而改變個別光束段46a、46b、46c在轉換體32內行經的光學路徑，使得光束封包26在輸出孔徑40處的光束重心沿輸出孔徑縱向44（與圖5及圖6中的圖示平面正交）偏移。

因此，光束封包26在一改變位置處遇到光束路徑中轉換光學器件24下游的均勻化光學器件28，並因此也在一改變位置（在圖7所示，如光束封包26從一中心參考位置60「向上」位移的一示例）遇到傅立葉透鏡54。光束封包26的此偏移導致傅立葉透鏡52的某些區域（根據圖7的示例中的下部區域）接收較少光束封包26的強度作用，提供輸出光束12的光分布一優先角度（根據圖7中「向下」中的示例）。

藉由來回移動輸入光束位置，輸出光束12的一角分布因此可如一時間函數而改變，使得在傅立葉透鏡54下游（例如，在下游光學系統64）的光束路徑中的雜質62（例如灰塵顆粒）隨時間函數從不同方向照射。由此一雜質62產生的一陰影投射66因此隨時間變化，使得可大致上平滑化陰影投射對強度曲線的影響。

偏轉光學器件22還設計成，選擇性地或額外地改變輸入光束位置，以隨時間改變在轉換光學器件24的輸入孔徑38處的輸入雷射光束18的一輸入光束方向（在圖8中由標有參考編號68、68'的箭頭所示）。特別是，偏轉光學器件在此處設計成改變輸入雷射光束18的輸入光束方向68、68'，使得含有輸入光束方向68、68'及一縱輸入孔徑方向42（正交圖8中的示出平面）的一平面圍繞縱向輸入孔徑方向42來回樞轉（參見圖8）。為此目的，偏轉光學器件22可包含例如對應的反射鏡元件、透鏡及/或其他光學元件（未示出）。

輸入雷射光束18的輸入光束方向68、68'的改變導致在轉換體32內的光束段46a、46b、46c的光學路徑的有利改變，在此情況下特別是指改變離開輸出孔徑40的光束封包26的角分布，即來自輸出孔徑40的光束封包的一光束方向傾斜（圖8中示意性示出）。此外，光束封包26的光強度分布也發生質變。因此，光束封包26在一改變位置處及一改變角度處碰撞均勻化光學器件28及傅立葉透鏡54（參見上述效果）。除其他之外，此一角度變化導致輸出光束12的光束重心的一空間位移。在此態樣，輸出光束12的光束重心可藉由在轉換光學器件24的輸入孔徑38處往復移動輸入光束方向68、68'，在空間上來回將其偏移。如此，可大致上平滑化由於干涉效應引起的不均勻性（在圖9示意性指出）。

圖10以簡化示意圖示出偏轉光學器件22的一第三具體實施例。在此具體實施例中，偏轉光學器件具有一第一透鏡元件70及一第二透鏡元件72，其整體形成一透鏡遠心系統74。在一些較佳具體實施例中，透鏡遠心系統74配置在其底座76上，其與另一底座78空間分離並因此機械式解耦合。另一底座78在此處承載一另一遠心系統80，該遠心系統具有兩另一透鏡元件82、84，並且在此處的光束路徑中後有一另一透鏡88以及轉換光學器件24。在此具體實施例的一些變型中，可省略所述另一透鏡88。遠心系統80和所述另一透鏡88從輸出光束12的所期望雷射線的意義上，較佳將輸入雷射光束引導到轉換光學器件24的輸入孔徑上。在此具體實施例中加入此是透鏡遠心系統74，其中第二透鏡元件72可相對於第一透鏡元件70移動。在一有利具體實施例中，第二透鏡元件72可相對於第一透鏡元件70橫向移位，如圖10下部的箭頭90所示。

在圖10的上部，第二透鏡元件72顯示為處於一中間靜止位置。在此中間靜止位置，透鏡遠心系統74在光學配置20的光學路徑中是中間的，即透鏡遠心系統74實際上對輸入雷射光束18碰撞在轉換光學器件24的輸入孔徑上的位置和方向沒有影響。換言之，透鏡遠心系統74可下降到中間靜止位置，而不會明顯改變輸入雷射光束18入射在轉換光學器件24的輸入孔徑上的位置和方向。如本說明書所示，輸入雷射光束18在一定義的第一位置處並使用一定義的第一光束方向，碰撞在轉換光學器件24的輸入孔徑上。

然而，在圖10的下部，第二透鏡元件72相對於第一透鏡元件70橫向移位，即橫向於光束方向。這在此改變光束方向，其中輸入雷射光束18碰撞到轉換光學器件24的輸入孔徑上。有利的是，遠心系統80沿偏轉方向減少進入轉換光學器件24的光束。偏轉角因此增加。藉由相對於第一透鏡元件70來回滑動第二透鏡元件72，可改變到轉換光學器件24的輸入孔徑上的光束方向。在一些具體實施例中，可使用一或多個鐵芯線圈及/或使用一或多個壓電致動器，以相對於第一透鏡元件70來移動第二透鏡元件72。

圖11以簡化示意圖示出偏轉光學器件22的另一具體實施例。在此具體實施例中，偏轉光學器件22包含一光學元件92，其可旋轉地配置在轉換光學器件24前的光束路徑中。在示意的具體實施例中，光學元件92是一波片，引起輸入雷射光束18的極化旋轉。例如，輸入雷射光束18可為線性極化，如此處垂直箭頭的示意性示出。在一些具體實施例中，波片可為一λ/2片。光學元件92改變輸入雷射光束18的極化方向，如以一角度繪製的一第二箭頭所示。在本說明書，具有改變的極化方向的輸入雷射光束18係入射在另一光學元件94（以具有一光軸96的雙折射元件的形式）上。相對於光軸96旋轉的極化碰撞在雙折射元件94上。由於雙折射，光束被分成一普通子光束98及一異常子光束100。部分光束98、100具有彼此不同的光束方向。部分光束98、100中的能量分量取決於從光學元件92射出的雷射光束的相對極化，並因此在光學元件92相對的旋轉位置上。因此，藉由旋轉光學元件92，可改變輸入雷射光束碰撞到轉換光學器件24（此處未示出）的光束方向。

在此具體實施例的一可選且有利的變體中，一第二可旋轉波片102可沿著光束方向配置在雙折射元件94的下游，以將入射在轉換光學器件24（此處未示出）上的雷射光束的極化返回到輸入端狀態。

在進一步具體實施例中，一旋轉棱鏡及/或一旋轉反射鏡可隨時間使用輸入雷射光束18可變地照射重定向性光學器件24。此外，轉換光學器件22可包括一變形遠心系統。這將輸入雷射光束18重新整形為一強的橢圓光束。由於光束參數守恆，隨著寬度w 減小，角頻譜θ的寬度增加，反之亦然：

以及

因此，光束偏轉基本上影響多個方向分量之一，而另一方向分量可很大程度上保持不受影響。例如，若雷射光束要在雷射線位於x方向上的一工作表面上產生線性雷射照明，若𝛿𝜃/𝜃𝑥 ~1或＞1，而𝛿𝜃/𝜃𝑦 ≪ 1，是有利的。

10,10’:雷射系統 12:輸出光束 14:工作平面 16:雷射光源 18:雷射光束 20:光學配置 22,22’:偏轉光學器件 24,24’:轉換光學器件 26:光束封包 28:均勻化光學器件 30:變換透鏡構件 32:板狀轉換體 34:板前面 36:板後面 38:輸入孔徑 40:輸出孔徑 42:輸入孔徑縱向 44:輸出孔徑縱向 46a,46b,46c,48a,48b,48c:光束段 50a,50b:透鏡陣列 52:圓柱透鏡 54:傅立葉透鏡 56:反射鏡裝置 58a,58b:傾斜反射鏡 60:中心參考位置 62:雜質 64:下游光學系統 66:陰影投射 68,68’:輻射方向 70:第一透鏡元件 72:第二透鏡元件 74:透鏡遠心系統 76:底座 78:底座 80:遠心系統 82,84:透鏡元件 88:透鏡 90:箭頭 92,94:光學元件 96:光軸 98:普通子光束 100:異常子光束 102:第二可旋轉波片

將參考附圖更詳細描述本發明，其中： 圖1解釋在一雷射系統中用於產生線形強度分布的光束路徑； 圖2為一較佳轉換光學器件的概略示意說明； 圖3解釋較佳轉換光學器件中光束路徑的概略示意說明； 圖4解釋均勻化光學器件及變換透鏡構件作用的概略示意說明； 圖5解釋偏轉光學器件的一第一具體實施例的概略示意說明； 圖6解釋偏轉光學器件的一第二具體實施例的概略示意說明； 圖7解釋當改變轉換光學器件處的輸入雷射光束位置時，在均勻化光學器件處及轉換透鏡構件處的光束路徑之示意圖； 圖8解釋當輸入雷射光束方向在輸入孔徑處改變時，轉換光學器件中的光束路徑之示意圖； 圖9解釋當改變轉換光學器件處的輸入雷射光束方向時，在均勻化光學器件處及轉換透鏡構件處的光束路徑之示意圖； 圖10示意偏轉光學器件的一第三具體實施例之示意圖；及 圖11解釋偏轉光學器件的一第四具體實施例的概略示意說明。

18:雷射光束

24:轉換光學器件

26:光束封包

28:均勻化光學器件

38:輸入孔徑

68,68’:輻射方向

Claims (15)

1. 一種光學配置（20），用於將至少一輸入雷射光束（18）轉換成一線型輸出光束（12），其沿一傳播方向（z）傳播，並且在一工作平面（12）中具有沿一線方向（x）延伸且強度不為零的一線型光束剖面，該光學配置（20）包括： –      一轉換光學器件（24），其具有一輸入孔徑（38），至少一輸入雷射光束（18）通過該輸入孔徑可被供應；及一伸長設計的輸出孔徑（40），該轉換光學器件（24）係設計成使得通過該輸入孔徑（38）所供應的該輸入雷射光束（18）轉換成一具有複數個光束段（48a、48b、48c）的光束封包（26），通過該輸出孔徑（40）射出； –      一均勻化光學器件（28），其有助於將該光束封包（26）轉換成該線型輸出光束（12），其中該光束封包（26）的不同光束段（48a、48b、48c）係沿該線方向（x）混合及疊加， 其特徵在於 提供一偏轉光學器件（22），其設計成偏轉至少一輸入雷射光束（18），使得在該轉換光學器件（24）的該輸入孔徑（38）處的至少一輸入雷射光束（18）之一輸入光束位置及/或一輸入光束方向（68、68'）係隨時間函數變化。
2. 如請求項1所述的光學配置（20），其中該偏轉光學器件（22）係設計成以週期性或非週期性循環的移動模式，改變在該輸入孔徑（38）處的該輸入雷射光束（18）的該輸入光束位置及/或該輸入光束方向（68、68'）。
3. 如請求項1或2所述的光學配置（20），其中該偏轉光學器件（22）係設計成沿一輸入孔徑縱向（42）改變該輸入雷射光束（18）的該輸入光束位置，特別是沿該輸入孔徑縱向（42）來回將其偏移。
4. 如前述請求項中任一項所述的光學配置（20），其中該偏轉光學器件（22）係設計成改變該輸入雷射光束（18）的該輸入光束方向（68、68'），使得含有該輸入光束方向（68、68'）及一輸入孔徑縱向（42）的一平面圍繞該輸入孔徑縱向（42）樞轉，特別是來回樞轉。
5. 如前述請求項中任一項所述的光學配置（20），其中該偏轉光學器件（22）包含至少一反射鏡裝置（56），其中該至少一反射鏡裝置（56）包含至少一可位移及/或可傾斜的反射鏡（58a、58b），特別是兩反射鏡（58a、58b）可彼此相對位移及/或傾斜。
6. 如前述請求項中任一項所述的光學配置（20），其中該偏轉光學器件（22）包含一透鏡系統，其具有一第一透鏡（70）及一第二透鏡（72），該第二透鏡（72）相對於該第一透鏡（70）可位移及/或可傾斜。
7. 如前述請求項中任一項所述的光學配置，其中該偏轉光學器件（22）包含至少一可旋轉支撐的光學元件（92）。
8. 如前述請求項中任一項所述的光學配置，其中該偏轉光學器件（22）配置在一第一底座（76）上，其中該轉換光學器件（24）配置在一第二底座（78）上，並且其該第一底座（76）及該第二底座（78）彼此分開配置。
9. 如前述請求項中任一項所述的光學配置（20），其更包含至少一變換透鏡構件（30），特別是採取一傅立葉透鏡（54）的形式，其中該變換透鏡構件（30）配置在該光學路徑中，在該均勻化光學器件（28）後。
10. 如前述請求項中任一項所述的光學配置（20），其中該轉換光學器件（24）的該輸入孔徑（38）係伸長並沿著一輸入孔徑縱向（42）予以縱向延伸，其中該輸出孔徑（40）係伸長並沿著一不同於該輸入孔徑縱向（42）的輸出孔徑縱向（44）延伸。
11. 如請求項10所述的光學配置（20），其中該轉換光學器件（24）構造成使得該光束封包（26）的相鄰光束段（48a、48b、48c）的一間距係大於該等光束段（48a、48b、48c）的一延伸，該延伸垂直於該輸出孔徑縱向（44）並垂直於該傳播方向（z）。
12. 如前述請求項中任一項所述的光學配置（20），其中該轉換光學器件（24）構造成使得該輸入雷射光束（18）的相鄰光束段（46a、46b、46c），在穿過該轉換光學器件（24）時被分成光束封包（26）的光束段（48a、48b、48c），其中當穿過該轉換光學器件（24）時，光束封包（26）的相鄰光束段（48a、48b、48c）覆蓋不同的光學路徑長度，使得該光束封包（26）具有一降低的空間同調性，特別是該光束封包（26）成為不同調的。
13. 如前述請求項中任一項所述的光學配置（20），其中該轉換光學器件（24）是由一單片板狀透明材料形成，其具有一板前側（34）及一板後側（36），該板後側延伸而實質平行於該板前側（34）其，其中該板前側（34）的一區域提供該輸入孔徑（38），而該板後側（36）的一區域提供該輸出孔徑（40），其中該轉換光學器件（24）構造成使得該輸入雷射光束（18）的光束段（46a、46b、46c）在通過該輸入孔徑（38）耦合之後，藉由在該板前側（34）及該板後側（36）處的反射被引導到該輸出孔徑（40）。
14. 如前述請求項中任一項所述的光學配置（20），其中該均勻化光學器件（28）包含具有複數個圓柱透鏡（52）的至少一透鏡陣列（50a、50b），特別是其中該等圓柱透鏡（52）之幾何尺寸使得該光束封包（26）穿過複數個相鄰圓柱透鏡（52）。
15. 一種雷射系統（10），用於產生具有一強度分布的線狀輸出光束（12），在該光束剖面中具有一線型強度輪廓，其包含： –      至少一雷射光源（14），用於發射一輸入雷射光束（18）； –      如前述請求項中任一項所述的一光學配置（20），用於將該輸入雷射光束（18）轉換成該線型輸出光束（12）。

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