TWI393919B - 光束整形器 - Google Patents

Description

光束整形器

本發明是有關於一種光學元件，且特別是有關於一種光束整形器(beam shaper)。

一般光束的(例如雷射光束)強度(intensity)在空間分布上大多呈高斯分佈，即一般光束的強度都是從光軸(optical axis)向外遞減，所以在空間分布上，光束的強度通常不是均勻分布。

為了使光束的強度可以均勻分布，目前光學技術已發展出一種能改變光束強度分布的光學元件，也就是光束整形器。光束整形器能整形光束，以使光束的強度在空間分布上得以均勻分布，而目前的光束整形器主要都是利用折射或繞射的方式來整形光束。

本發明提供一種光束整形器，其能整形光束。

本發明提供一種光束整形器，包括一反射元件以及多個反射鏡。反射元件配置於入射光束的傳遞路徑上，並具有多面反射入射光束的反射面。這些反射面能將入射光束分割成多條反射光束。這些反射鏡分別配置於這些反射光束的傳遞路徑上。這些反射鏡能反射這些反射光束，以使這些反射光束的光斑重疊而形成一整形光斑。反射元件位於整形光斑與這些反射鏡之間。

綜上所述，本發明是利用反射元件與多個反射鏡來反射入射光束與反射光束，以形成的整形光斑，進而整形入射光束。

為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1是本發明一實施例之光束整形器的立體示意圖。請參閱圖1，本實施例的光束整形器100可以整形強度在空間分布上呈高斯分佈的光束，以產生在空間分布上強度為均勻分布的光束。

具體而言，光束整形器100能整形一入射光束L1，其中入射光束L1的強度在空間分布上是呈現高斯分佈，而入射光束L1例如是雷射光束(laser beam)。此外，入射光束L1可具有圓形光斑(circular light spot)S1(如圖1所示)或橢圓形光斑。

光束整形器100包括一反射元件110以及多個反射鏡120。反射元件110配置於入射光束L1的傳遞路徑上，並且具有多面反射面112。這些反射面112能反射入射光束L1，並可將入射光束L1分割成多條反射光束L2。

詳細而言，入射光束L1皆會照射到每面反射面112，而每面反射面112被入射光束L1所照射到的部分會反射部分入射光束L1。如此，入射光束L1得以被這些反射面112分割成這些反射光束L2。

這些反射鏡120分別配置於這些反射光束L2的傳遞路徑上，並且能反射這些反射光束L2，以使這些反射光束L2的光斑(light spot)可以重疊而形成一整形光斑S2。此外，反射元件110位於整形光斑S2與這些反射鏡120之間，如圖1所示。

詳細而言，這些反射鏡120分別對應這些反射面112，以接收從反射元件110而來的反射光束L2，進而反射這些反射光束L2。這些反射鏡120不僅可以反射這些反射光束L2，同時還可以集中這些反射光束L2，讓這些反射光束L2可以匯聚在一起。如此，這些反射光束L2的光斑可以重疊，進而形成整形光斑S2。

更詳細地說，這些反射光束L2在一聚焦點113聚焦後再發散，而整形光斑S2為在聚焦點113聚焦之後成型，整形光斑S2可為加工件之表面位置，例如一加工件須鑽孔，在本實施例即可鑽成為四方形孔，如用高斯即無法成四方形孔。在本實施例中，反射元件110的形狀實質上可以是金字塔形，而這些反射面112的形狀為三角形。也就是說，反射面112的數量為四個，且這些反射面112可以構成金字塔的頂端。因此，反射元件110可以將入射光束L1分割成四條反射光束L2。

承上述，為了讓這些反射鏡120能個別反射這些反射光束L2，反射鏡120的數量可以等於反射面112的數量，例如反射鏡120的數量可以是四個。這樣每一條反射光束L2皆能被其中一個反射鏡120反射。

其次，當反射元件110的形狀實質上為金字塔形時，這些反射鏡120可以呈環狀分布排列，並且分布於反射元件110的周圍。如此，這些反射鏡120得以分別對應這些反射面112，以反射這些反射光束L2。

另外，光束整形器100可以更包括一基座130，而反射元件110固設於基座130上，其中基座130的形狀可以是板狀體(如圖1所示)或柱狀體，且基座130與反射元件110可以是一體成型。

圖2是圖1中反射光束的光斑示意圖，其中圖2所示的這些扇形光斑S3是這些反射光束L2投射至圖1所示的參考平面P1而形成。請參閱圖1與圖2，由於入射光束L1可以被分割成四條反射光束L2，因此入射光束L1所具有的圓形光斑S1亦會被分割成四個扇形光斑S3。也就是說，每條反射光束L2的光斑為扇形光斑S3。

此外，在本實施例中，圓形光斑S1更可以被等角度地分割成四個扇形光斑S3。也就是說，這些扇形光斑S3的弧度實質上皆為90度，即這些扇形光斑S3的弧線A所對應的角度皆為90度。

圖3是圖1中整形光斑的示意圖。請參閱圖2與圖3，透過這些反射鏡120，這些扇形光斑S3可以重疊而形成整形光斑S2，其中整形光斑S2的形狀實質上可以是矩形。詳細而言，每個扇形光斑S3具有一對直線邊緣E1以及一連接於這些直線邊緣E1的交角(corner)C。在同一個扇形光斑S3中，這些直線邊緣E1實質上彼此垂直。

由於入射光束L1的強度在空間分布上是呈現高斯分佈，因此在同一個扇形光斑S3中，強度是從交角C朝向弧線A遞減，所以扇形光斑S3的強度在交角C最大，在弧線A最小。

當這些扇形光斑S3重疊時，這些直線邊緣E1會成為整形光斑S2的邊緣，這些弧線A會位在整形光斑S2內並且彼此重疊，而這些交角C則會位在整形光斑S2的角落。其次，在圖1可知，在聚焦點113再發散，故交角C會成形在四個角落上，能均勻分布能量。如此，整形光斑S2在其邊緣處、中央位置或角落處等任意位置的強度大致上相近，即整形光斑S2在空間分布上的強度為均勻分布。

圖4是圖1中線I-I的剖面示意圖。在本實施例中，這些反射鏡120與反射元件110之間的距離實質上皆可以彼此相等，而這些反射鏡120可以是啁啾反射鏡(chirp mirror)，其中啁啾反射鏡可以縮短雷射光束的脈衝寬度(pulse width)。舉例而言，當入射光束L1為雷射光束時，啁啾反射鏡每反射一次反射光束L2，即可縮短一次反射光束L2的脈衝寬度。

在本實施例中，這些反射光束L2更可以在這些反射鏡120與這些反射面112之間來回傳遞。也就是說，這些反射光束L2可以來回反射於這些反射鏡120與這些反射面112之間，直到整形光斑S2形成。因此，當這些反射鏡120為啁啾反射鏡時，這些啁啾反射鏡可以多次反射這些反射光束L2，進而大幅縮短這些反射光束L2的脈衝寬度。

此外，這些反射鏡120的角度可以被調整，以改變光束整形器100的工作距離，也就是改變整形光斑S2與反射元件110之間的距離。詳細而言，各個反射鏡120具有一反射鏡面122，而當這些反射鏡120的角度被調整時，反射鏡面122的法線N1與反射面112的法線N2之間的夾角B可以被改變，以至於這些反射光束L2的傳遞路徑亦會改變。如此，整形光斑S2與反射元件110之間的距離亦可以被改變，即光束整形器100的工作距離可以被改變。

綜上所述，本發明是利用反射元件所具有的多面反射面來將入射光束分割成多條反射光束，並利用多個反射鏡來集中這些反射光束，進而讓這些反射光束的光斑重疊。由此可知，本發明是利用反射的方式來形成強度均勻分布的整形光斑。

其次，本發明的光束整形器可以整形具有圓形光斑或橢圓形光斑的入射光束，以形成矩形形狀的整形光束。因此，本發明的光束整形器具有可以改變入射光束的光斑之形狀的特性。

雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。

100．．．光束整形器

110．．．反射元件

112．．．反射面

113．．．聚焦點

120．．．反射鏡

122．．．反射鏡面

130．．．基座

A．．．弧線

B．．．夾角

C．．．交角

E1．．．直線邊緣

L1．．．入射光束

L2．．．反射光束

N1、N2．．．法線

P1．．．參考平面

S1．．．圓形光斑

S2．．．整形光斑

S3．．．扇形光斑

圖1是本發明一實施例之光束整形器的立體示意圖。

圖2是圖1中反射光束的光斑示意圖。

圖3是圖1中整形光斑的示意圖。

圖4是圖1中線I-I的剖面示意圖。

100．．．光束整形器

110．．．反射元件

112．．．反射面

113．．．聚焦點

120．．．反射鏡

130．．．基座

L1．．．入射光束

L2．．．反射光束

P1．．．參考平面

S1．．．圓形光斑

S2．．．整形光斑

Claims (19)

1. 一種光束整形器，包括：一反射元件，配置於一入射光束的傳遞路徑上，該反射元件具有多面反射該入射光束的反射面，且該些反射面能將該入射光束分割成多條反射光束，其中該些反射面的形狀為三角形；以及多個反射鏡，於每一該多條反射光束的傳遞路徑上設有一該反射鏡，該些反射鏡能反射多條反射光束，以使多條反射光束的光斑重疊而形成一整形光斑，該整形光斑之形狀與該多條反射光束的光斑之形狀不同，其中該反射元件位於該整形光斑與該些反射鏡之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光束整形器，更包括一基座，該反射元件固設於該基座上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光束整形器，其中該基座的形狀為板狀體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光束整形器，其中該些反射鏡與該反射元件之間的距離實質上皆彼此相等。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光束整形器，其中該些反射鏡呈環狀分布排列。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光束整形器，其中該些反射鏡的數量等於該些反射面的數量。
7. 一種光束整形器，包括：一反射元件，配置於一入射光束的傳遞路徑上，該反射元件具有多面反射該入射光束的反射面，且該 些反射面能將該入射光束分割成多條反射光束，其中該些反射面的形狀為三角形；以及多個反射鏡，於每一該反射光束的傳遞路徑上設有一該反射鏡，該些反射鏡能反射多條反射光束，以使多條反射光束的光斑重疊而形成一整形光斑，該整形光斑之形狀與該多條反射光束的光斑之形狀不同，其中該反射元件位於該整形光斑與該些反射鏡之間；其中該些反射鏡的數量為四個。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光束整形器，其中該整形光斑的形狀實質上為矩形。
9. 一種光束整形器，包括：一反射元件，配置於一入射光束的傳遞路徑上，該反射元件具有多面反射該入射光束的反射面，且該些反射面能將該入射光束分割成多條反射光束，其中該些反射面的形狀為三角形；以及多個反射鏡，於每一該反射光束的傳遞路徑上設有一該反射鏡，該些反射鏡能反射多條反射光束，以使多條反射光束的光斑重疊而形成一整形光斑，該整形光斑之形狀與該多條反射光束的光斑之形狀不同，其中該反射元件位於該整形光斑與該些反射鏡之間；其中各該反射光束的光斑為一扇形光斑。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光束整形器，其中該些扇形光斑的弧度實質上皆為90度。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光束整形器，其中該入射光束具有一圓形光斑。
12. 如申請專利範圍第11項所述之光束整形器，其中該入射光束為一雷射光束。
13. 一種光束整形器，包括：一反射元件，配置於一入射光束的傳遞路徑上，該反射元件具有多面反射該入射光束的反射面，且該些反射面能將該入射光束分割成多條反射光束，其中該些反射面的形狀為三角形；以及多個反射鏡，於每一該反射光束的傳遞路徑上設有一該反射鏡，該些反射鏡能反射多條反射光束，以使多條反射光束的光斑重疊而形成一整形光斑，該整形光斑之形狀與該多條反射光束的光斑之形狀不同，其中該反射元件位於該整形光斑與該些反射鏡之間；其中該些反射鏡為啁啾反射鏡。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光束整形器，其中該些反射光束能在該些反射鏡與該些反射面之間來回傳遞。
15. 如申請專利範圍第1項所述之光束整形器，其中該多個反射鏡的角度可以被調整，以改變光束整形器的工作距離。
16. 如申請專利範圍第1項所述之光束整形器，其中該整形光斑所形成之位置為一加工件之表面。
17. 如申請專利範圍第16項所述之光束整形器，其中該整形光斑係一四方形區域。
18. 如申請專利範圍第1項所述之光束整形器，其中該整形光斑係由該多條反射光束聚焦後發散所形成。
19. 如申請專利範圍第9項所述之光束整形器，其中該扇形光斑重疊成該整形光斑，可使光束在空間分布的強度均勻分布。