TWI832116B - 用於使雷射光均勻化的裝置以及複數個此種裝置的配置 - Google Patents

用於使雷射光均勻化的裝置以及複數個此種裝置的配置 Download PDF

Info

Publication number
TWI832116B
TWI832116B TW110142904A TW110142904A TWI832116B TW I832116 B TWI832116 B TW I832116B TW 110142904 A TW110142904 A TW 110142904A TW 110142904 A TW110142904 A TW 110142904A TW I832116 B TWI832116 B TW I832116B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
microlens array
microlens
microlenses
laser light
plane
Prior art date
Application number
TW110142904A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202234126A (zh
Inventor
漢寧 卡里斯
佛羅里恩 賽克
米克海爾 艾凡南寇
Original Assignee
德商Ｌｉｍｏ顯示有限責任公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 德商Ｌｉｍｏ顯示有限責任公司 filed Critical 德商Ｌｉｍｏ顯示有限責任公司
Publication of TW202234126A publication Critical patent/TW202234126A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI832116B publication Critical patent/TWI832116B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0062—Stacked lens arrays, i.e. refractive surfaces arranged in at least two planes, without structurally separate optical elements in-between
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G02B27/0961—Lens arrays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0043—Inhomogeneous or irregular arrays, e.g. varying shape, size, height
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/005—Arrays characterized by the distribution or form of lenses arranged along a single direction only, e.g. lenticular sheets

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

本發明係關於一種用於使雷射光（2.1至2.m）均勻化的裝置（1.1至1.m），其包含： 一第一微透鏡陣列（3），其包含在一第一方向上並排配置之複數個微透鏡（30.1至30.n）； 一第二微透鏡陣列（4），其包含在該第一方向上並排配置之複數個微透鏡（40.1至40.n）， 其中該第二微透鏡陣列（4）配置於來自該第一微透鏡陣列（3）之該雷射光（2.1至2.m）的波束傳播方向上且該第二微透鏡陣列（4）之透鏡頂點的平面（41）相對於該第一微透鏡陣列（3）之透鏡頂點的平面（31）以一角度|α|傾斜，且其中該些微透鏡陣列（3、4）形成為使得在該第一方向上並排配置之該些微透鏡（30.1至30.n、40.1至40.n）的焦距自第一微透鏡（30.1、40.1）開始至第n微透鏡（30n、40n）改變，其中一光學楔形片（5）在該波束傳播方向上配置於該第二微透鏡陣列（4）之後且該些微透鏡陣列（3、4）中之該些微透鏡（30.1至30.n、40.1至40.n）之該些焦距經選擇以使得該裝置（1.1至1.m）之一焦平面（6）處於該第二微透鏡陣列（4）與該光學楔形片（5）之間的一氣隙（7）中。

Description

用於使雷射光均勻化的裝置以及複數個此種裝置的配置
本發明係關於一種用於使雷射光均勻化的裝置，其包含：第一微透鏡陣列，其具有在第一方向上並排配置之複數個微透鏡；第二微透鏡陣列，其具有在第一方向上並排配置之複數個微透鏡，其中第二微透鏡陣列配置為在雷射光之波束傳播方向上與第一微透鏡陣列間隔開，且第二微透鏡陣列之透鏡頂點的平面相對於第一微透鏡陣列之透鏡頂點的平面以角度|α|傾斜，且其中微透鏡陣列形成為使得在第一方向上並排配置之微透鏡的焦距自第一微透鏡開始至第n微透鏡變化。此外，本發明係關於一種複數個此種用於使雷射光均勻化的裝置的配置。
自WO 2008/043491 A1已知一種用於雷射光之均勻化的裝置，其具有單體結構。裝置具有兩個間隔開的微透鏡陣列，第二微透鏡陣列之透鏡頂點的平面相對於第一微透鏡陣列之透鏡頂點的平面以角度α傾斜。兩個微透鏡陣列中之微透鏡分別根據其直徑及焦距而定序。自第一微透鏡陣列中之第一微透鏡及第二微透鏡陣列中之第一微透鏡（其距離為指派至彼此之兩個微透鏡陣列中之所有微透鏡之間的最短距離）開始，直徑及焦距分別在第一方向上增大，微透鏡在該第一方向上並排配置。此意指第一微透鏡陣列中之最末微透鏡及第二微透鏡陣列中之最末微透鏡具有彼此最大直徑或焦距及最大距離。
用於雷射光之均勻化的此裝置之缺點在於第一微透鏡陣列中之微透鏡的焦點位於第二微透鏡陣列中之微透鏡的表面上或第二微透鏡陣列之玻璃基板中。此情形導致如下事實：視雷射光源之操作參數而定，尤其視強度、第二微透鏡陣列之照明及波束發散度而定，雷射光之能量密度可極快速地發生，其可導致到達第二微透鏡陣列中之微透鏡的塗層之毀壞臨限值或第二微透鏡陣列之玻璃基板之毀壞臨限值。此可在使用高能量雷射輻射，諸如用於材料處理，尤其用於矽之結晶時導致第二微透鏡陣列之不可逆毀壞。
此外，在用於雷射光之均勻化的先前技術裝置中，存在如下問題：隨著第二微透鏡陣列之透鏡頂點之平面的傾斜角α增大，視典型地為高斯（Gaussian）的照明類型而定，發生物理掃描效應。此導致沿著作業平面中之所得線形強度分佈的強度輪廓的非期望、基本上線性增大或減小。此宏觀不均勻性導致工件加工不均勻，應不惜一切代價避免此類情況。
此外，自WO 2008/043491 A1已知之用於使雷射光均勻化的裝置的單體結構不准許後續調整，尤其用於精細調整作業平面中之線長度的距離之調整。
本發明的任務是提供一種開頭提及之類別的用於雷射光之均勻化的裝置以及複數個此種裝置的配置，其在雷射裝置中的操作期間可導致光學組件中及光學組件上之較低能量密度，且可分別有效地減少微觀及宏觀不均勻性。
此任務之解決方案係藉由具有請求項1之特徵化部分之特徵的開頭提及之類別的用於雷射光之均勻化的裝置來提供。相對於配置，此任務係藉由具有請求項10之特徵的配置來解決。附屬項係關於本發明的有利的其他實施例。
根據本發明之用於使雷射光均勻化的裝置之特徵在於光學楔形片在波束傳播方向上配置於第二微透鏡陣列之後，且微透鏡陣列中之微透鏡的焦距經選擇以使得裝置之焦平面處於第二微透鏡陣列與光學楔形片之間的氣隙中。根據本發明之非單體雷射光均勻化裝置之第一及第二微透鏡陣列分別具有曲率半徑、直徑及焦距，其在第一方向上改變以使得可有效地抑制干擾誘發之微觀不均勻性。由於裝置之焦平面在雷射光之波束傳播方向上位於在第二微透鏡陣列之後及光學楔形片前方的氣隙中，因此此處呈現之用於使雷射光均勻化的裝置亦適合於出現極高雷射功率（尤其極高脈衝能量）的應用。此係由於可有效地防止高能量輸入至裝置之光學組件中，尤其至第二微透鏡陣列之玻璃基板或第二微透鏡陣列之塗層中。由於焦平面位於第二微透鏡陣列與光學楔形片之間的氣隙內，因此亦可有效地防止過量能量輸入至光學楔形片中。此外，歸因於裝置之非單體設計，第一微透鏡陣列及第二微透鏡陣列為兩個物理分離組件。此情形使得可有利地補償微透鏡陣列相對於彼此之軸偏誤差，且亦改變微透鏡陣列之間的距離。藉由改變距離，作業平面中之所得線長度可在一定程度上變化。
在一有利實施例中，微透鏡陣列以一種方式設計，該方式使得在第一方向上彼此緊靠地配置之微透鏡的焦距自第一微透鏡開始至第n微透鏡連續地增大。此實施例尤其實現微透鏡陣列之更簡單製造。
在一較佳實施例中，提出第一微透鏡陣列中之微透鏡之數目對應於第二微透鏡陣列中之微透鏡之數目，使得第二微透鏡陣列中之微透鏡中之每一者與第一微透鏡陣列中之微透鏡相關聯。自此可見，在裝置操作期間，已穿過第一微透鏡陣列中之第i微透鏡（i = 1...n）的雷射光之部分波束亦至少大部分地穿過第二微透鏡陣列中之第i微透鏡（i = 1...n），使得就此而言給出微透鏡之指派。
在一個尤其較佳實施例中，提出微透鏡形成為圓柱形透鏡，其圓柱形軸各自定向於垂直於第一方向且垂直於界定雷射光之波束傳播方向之第三方向的第二方向上。因此，圓柱形透鏡之圓柱形軸尤其平行於彼此而定向。舉例而言，亦可使用圓柱形微透鏡（例如對於第二微透鏡陣列）或球形微透鏡，其中尤其在球形設計的情況下，整體光學設計之複雜度甚至進一步增大。因此，使用圓柱形透鏡在實際應用中更加有利。
在一較佳實施例中，可規定光學楔形片具有平行於第二微透鏡陣列之透鏡頂點之平面定向的光入射表面。因此，光學楔形片之光入射表面亦相對於第一微透鏡陣列之透鏡頂點之平面以角度|α|傾斜。此情形導致如下事實：由第二微透鏡陣列造成之角偏移由光學楔形片補償，且僅產生所得平行偏移。
特定而言，可藉由調整第一微透鏡陣列中之微透鏡之曲率半徑或焦距來實現第二微透鏡陣列與光學楔形片之間的氣隙內的明確界定的共同焦平面，其配置於第二微透鏡陣列之後距離dL處。較佳地，第一微透鏡陣列中之第i微透鏡之焦距 為： 其中 表示玻璃厚度，且 表示第二微透鏡陣列之玻璃基板之折射率，且其中 表示第二微透鏡陣列中之第i微透鏡之焦距，且其中dL為第二微透鏡陣列與光學楔形片之間的距離，且其中：i = 1...n。藉由此公式，可基於第二微透鏡陣列中之總共n個微透鏡之光學特性而極容易地計算第一微透鏡陣列中之總共n個微透鏡之所有焦距。分母典型地具有負號，使得第一微透鏡陣列中之所有微透鏡之焦距 具有正號，且這些微透鏡因此在形狀上凸出。較佳地保持：
在一較佳實施例中，提出對於第一微透鏡陣列中之微透鏡與第二微透鏡陣列中之微透鏡之間的距離 ： 其中 表示第i微透鏡與第i+1微透鏡之間的中心至中心距離， 表示第二微透鏡陣列中之第i微透鏡之焦距，且β表示第二微透鏡陣列之數值孔徑，其中：i = 1...n-1。因此，典型地在微米或毫米範圍內之距離 藉由遞歸公式而判定，且尤其視第二微透鏡陣列中之微透鏡之光學特性（焦點及數值孔徑）及幾何特性（中心至中心距離）而定。
在一有利實施例中，提出傾角α經選擇以使得保持： 其中β表示數值孔徑且 表示第二微透鏡陣列之折射率。較佳地，|α|應＜ 15°，此係由於成像誤差可以更大角度出現，此將必須藉由額外量測適當地補償。
在一有利實施例中，光學楔形片可能經設計以可平移移動及/或可圍繞在第二方向上延伸的軸旋轉。以此方式，光學楔形片有可能例如在用雷射裝置處理工件期間藉助於動態調整，尤其旋轉及/或平移，精細地調整雷射光之光學路徑長度，該雷射裝置具有此處呈現之用於使雷射光均勻化的至少一個裝置。特定而言，此可能實時地影響待處理之工件之所得表面品質。
應注意，此時亦有可能結合折射光學楔形片而非微透鏡陣列來使用對應微鏡陣列。在此情況下，尤其有利的係利用平行於曲度頂點之入射雷射光射中微鏡陣列，藉此減少散光。
根據本發明之配置包含如請求項1至9中任一項之用於使雷射光均勻化的複數個裝置，其中裝置配置為在第一方向上彼此相鄰，且彼此相鄰的裝置形成為使得第二微透鏡陣列之透鏡頂點的平面相對於第一微透鏡陣列之透鏡頂點的平面交替地以角度+α及以角度-α傾斜。
在一較佳實施例中，提出偶數個裝置並排配置。在能夠在作業平面中產生線性強度分佈之雷射裝置中，以此方式實施之用於雷射光之均勻化的偶數個裝置之配置導致作業平面中之雷射光之偶數個線性強度輪廓之疊加，該些線性強度輪廓具有帶有不同正負號之相同斜率。以此方式，亦可以尤其有利的方式補償線性宏觀不均勻性，使得作業平面中之所得強度輪廓再次均勻化。
亦可替代地藉由使雷射光預均勻化來達成宏觀不均勻性之消除，此係由於在大致均勻地照明固定物時，掃描效應不再具有顯著影響。接著，例如，僅一個裝置或奇數個裝置可用以使雷射光均勻化。
此外，有可能的係，亦可藉由例如雷射光之高斯波束輪廓（尤其對應於魏普分佈（Weibull distribution））之不對稱調適來達成宏觀不均勻性之消光。出於此目的，波束輪廓之不對稱性必須經調適成寬度調變具有傾角之微透鏡陣列中之微透鏡。
出於清楚起見，已在圖式中之每一者中繪製笛卡耳（Cartesian）座標系統。在每一情況下，y軸垂直於圖式平面延伸。
在下文更詳細地描述用於使雷射光2.1至2.m均勻化的裝置1.1至1.m以及由m ≥ 2數目個此種裝置1.1至1.m形成之配置103之細節之前，首先在下文參考圖1闡述一些基礎原理，以此方式，可藉助於配備有配置103之雷射裝置100在作業平面105中產生雷射光2.1至2.m之線形強度分佈。圖1以示意性極簡形式展示對應雷射裝置100之結構，且沒有明確地描繪例如個別雷射波束或甚至雷射裝置100之光學組件的細節，尤其光學組件之光學功能表面之特定形狀。
典型地，雷射裝置100具有雷射光源101，其具有複數個雷射模組101.1、101.2、...、101.m或雷射發射體，其中藉由這些雷射模組101.1、101.2、...、101.m或雷射發射體在操作期間發射之雷射光2.1至2.m較佳地具有類似但未必相同的波束輪廓。雷射光源101之雷射模組101.1、101.2、...、101.m或雷射發射體在操作期間照明波束轉換裝置102，其包含用於波束整形之複數個光學裝置，其經設計以在角度空間中產生至少在區段中為線形之強度分佈。此波束轉換裝置102在相當不同之實施例中自先前技術已知且因此在此處不進一步闡述。在此波束整形之後，雷射光2.1至2.m穿過m ≥ 2數目個用於使雷射光2.1至2.m均勻化的裝置1.1至1.m之配置103（其將在下文更詳細地闡述），且隨後配置在雷射光2.1至2.m之波束傳播方向上之至少一個傅立葉（Fourier）裝置。此傅立葉透鏡104用於在波束傳播方向上配置於傅立葉透鏡104之後且待處理之工件所位於之作業平面105中在立體空間中產生雷射光2.1至2.m之線形強度分佈的目的。此處之特殊特徵為藉由使用較佳m ≥ 2偶數個用於使雷射光2.1至2.m均勻化的裝置1.1至1.m之配置103，可以使得可藉由疊加雷射光2.1至2.m之個別線來在作業平面105中產生線形強度分佈的方式而調整雷射光2.1至2.m之各個別線之線長度及側面形狀。可藉由使雷射光2.1至2.m之個別線彼此疊加來產生雷射光2.1至2.m之線形強度分佈。因此，雷射光2.1至2.m之複合部分線導致作業平面105中之均勻線形強度分佈。
在下文中，參考圖2至圖5，將更詳細地闡述用於使雷射光2.1、2.2均勻化的兩個裝置1.1、1.2之配置103的其他細節。在此上下文中，圖2及圖3展示用於使雷射光2.1、2.2均勻化的兩個裝置1.1、1.2之兩個不同組態，其形成配置103。
大體而言，配置103可較佳地具有偶數m ≥ 2個此種裝置1.1至1.m。如圖2及圖3中可見，在x方向上並排配置之兩個裝置1.1、1.2各自經組態以相對於在其之間延伸的y-z平面鏡像對稱。此處所展示之兩個組態的彼此不同之處在於裝置1.1、1.2之位置互換。
兩個裝置1.1、1.2中之每一者具有第一微透鏡陣列3，其具有在第一方向（x方向）上並排配置且形成為圓柱形透鏡之n數目個微透鏡30.1至30.n，該些圓柱形透鏡的圓柱形軸線實質上平行於彼此而定向。此外，兩個裝置1.1、1.2中之每一者具有第二微透鏡陣列4，其在雷射光2.1、2.2之波束傳播方向（z方向）上配置於距第一微透鏡陣列3一距離處且包含n數目個微透鏡40.1至40.n，其亦在第一方向（x方向）上彼此緊靠地配置且形成為圓柱形透鏡，該些圓柱形透鏡的圓柱形軸線實質上平行於彼此而定向。經設計為圓柱透鏡之微透鏡30.1至30.n、40.1至40.n之圓柱形軸線各自在垂直於第一方向（x方向）且垂直於第三方向（z方向）的第二方向（y方向）上延伸，該第三方向界定雷射光2.1、2.2之波束傳播方向。
第一微透鏡陣列3中之微透鏡30.1至30.n之數目n對應於第二微透鏡陣列4中之微透鏡40.1至40.n之數目n。換言之，第二微透鏡陣列4中之微透鏡40.1至40.n中之每一者對應於相關聯之第一微透鏡陣列3中之微透鏡30.1至30.n，使得在裝置1.1、1.2之操作期間，已穿過第一微透鏡陣列3中之第i微透鏡30.i（i = 1...n）之雷射光2.1、2.2之部分波束20、21至少大部分穿過第二微透鏡陣列4中之第i微透鏡40.i（i = 1...n）。此情形在圖5中詳細地展示。為了簡化說明，已針對實施例之描述選擇微透鏡陣列3、4，其具有n = 7數目個微透鏡30.1至30.n、40.1至40.n。應理解，此數目僅為例示性的。
舉例而言，在替代實施例中，亦可使用圓柱形或球形微透鏡30.1至30.n、40.1至40.n，其中尤其在球形設計之情況下，整體光學設置之複雜度進一步增大。
此外，用於使雷射光2.1、2.2均勻化之兩個裝置1.1、1.2各自具有光學楔形片5，其與第二微透鏡陣列4間隔開且因此在雷射光2.1、2.2之波束傳播方向上配置於第二微透鏡陣列4之後。
如尤其圖2及圖3中可見，在此處所展示之兩個組態中，在每一情況下，第二微透鏡陣列4之透鏡頂點之平面41相對於第一微透鏡陣列3之透鏡頂點之平面31以角度|α|傾斜，使得第一微透鏡陣列3中之微透鏡30.1至30.n距其所對應之第二微透鏡陣列4中之微透鏡40.1至40.n之距離變化。藉此，在第一裝置1.1中，在兩個組態中，第二微透鏡陣列4之透鏡頂點之平面41相對於第一微透鏡陣列3之透鏡頂點之平面31以角度+α傾斜，且在第二裝置1.2中，第二微透鏡陣列4之透鏡頂點之平面41相對於第一微透鏡陣列3之透鏡頂點之平面31以角度-α相對地傾斜。
用於使雷射光2.1、2.2均勻化的兩個裝置1.1、1.2的微透鏡陣列3、4經設計以使得裝置1.1、1.2各自具有在第二微透鏡陣列4與光學楔形片5之間的氣隙7中的焦平面6。為此目的，在此處所展示之實施例性實例中的微透鏡陣列3、4形成為使得微透鏡30.1至30.n、40.1至40.n之焦距或直徑（當在第一方向（x方向）上查看時）自第一微透鏡30.1、40.1開始至第n微透鏡30n、40n連續地增大。大體而言，微透鏡陣列3、4可以一種方式設計，該方式使得微透鏡30.1至30.n、40.1至40.n之焦距或直徑（當在第一方向（x方向）上查看時）自第一微透鏡30.1、40.1至第n微透鏡30n、40n增大，使得根據第一方向上之焦距或直徑的微透鏡30.1至30.n、40.1至40.n之上升或降序並未為強制的，但其為較佳的，尤其出於製造原因。
歸因於第二微透鏡陣列4之透鏡頂點之平面41相對於第一微透鏡陣列3之透鏡頂點之平面31以角度|α|傾斜，第一微透鏡陣列3中之第一微透鏡30.1（最短焦距）距第二微透鏡陣列4中之第一微透鏡40.1（最短焦距）之距離分別為兩個裝置1.1、1.2之兩個微透鏡陣列3、4之間的最小距離。相比之下，第一微透鏡陣列3中之第n微透鏡30.n（最大焦距）距第二微透鏡陣列4中之第n微透鏡40.n（最大焦距）之距離為裝置1.1、1.2之兩個微透鏡陣列3、4之間的最大距離。
歸因於第二微透鏡陣列4與光學楔形片5之間的氣隙7中的焦平面6之位置，有利的係達成尤其第二微透鏡陣列4中及光學楔形片5中之光學功能組件之玻璃基板中的能量密度，且亦其表面上的能量密度可顯著減小。因此，此處呈現之用於使雷射光2.1、2.2均勻化的裝置1.1、1.2或由其形成的配置103亦可用於在高功率下使雷射光2.1、2.2均勻化，而不對裝置1.1、1.2或由其形成的配置103之尤其第二微透鏡陣列4及光學楔形片5的光學功能組件之玻璃基板及表面造成損壞。
光學楔形片5具有平行於第二微透鏡陣列4之透鏡頂點之平面41定向且因此亦相對於第一微透鏡陣列3之透鏡頂點之平面31以角度|α|（亦即，在第一裝置1.1之情況下角度+α，以及在第二裝置1.2之情況下角度-α）傾斜的光入射表面50。光學楔形片5可以有利方式用於精細調整雷射光2.1、2.2之光學路徑長度，且因此亦用於精細調整及補償可能的微觀不均勻性。藉由此措施，可以有利方式實時地改良待藉助於雷射裝置100處理之工件之表面品質。出於此目的，光學楔形片5可在毫秒範圍內移動。由於此處呈現之用於雷射光2.1、2.2之均勻化的裝置1.1、1.2並不為單體的，線長度之調整以及微透鏡陣列3、4之去中心化誤差之補償亦可能在特定限制內。
可藉由調整第一微透鏡陣列3中之微透鏡30.1至30.n之曲率半徑或焦距來實現第二微透鏡陣列4與光學楔形片5之間的氣隙7內的明確界定的共同焦平面6，其配置於第二微透鏡陣列4之後距離dL處。藉此，第一微透鏡陣列3中之總共n個微透鏡30.1至30.n中之第i者的焦距 可計算如下：
在此公式中， 表示玻璃厚度，且 表示第二微透鏡陣列4之玻璃基板之折射率。此外， 表示第二微透鏡陣列4中之總共n個微透鏡40.1至40.n中之第i者的焦距，其中保持始終 ＞ 。
較佳地保持：
如上文所提及，在波束傳播方向上配置於第二微透鏡陣列4之後的光學楔形片5具有光入射表面50，其平行於第二微透鏡陣列4之透鏡頂點之平面41配置且因此亦相對於第一微透鏡陣列3之透鏡頂點之平面31以角度|α|傾斜。以此方式，可以有利方式確保雷射光2.1、2.2之個別部分波束之相位差以便最小化由干擾引起之微觀不均勻性。此外，藉助於光學楔形片5，可以簡單方式校正藉由第二微透鏡陣列4施加之角度偏移。
傾斜角α應有利地滿足以下標準： 此處β表示第二微透鏡陣列4之數值孔徑，其對於所有微透鏡40.1至40.n為相同的。可原則上任意選擇其最薄點處之光學楔形片5之厚度。較佳地，|α|應＜ 15°，此係由於成像誤差可以更大角度出現，此將必須藉由額外量測以適合之方式補償。
可藉由遞歸關係分別判定典型地在微米及毫米範圍內之兩個微透鏡陣列3、4之距離 ，其中保持： 在此公式中， 表示第二微透鏡陣列4中之第i微透鏡40.i與第i+1微透鏡40.i+1（i = 1...n-1）之間的中心至中心距離。
陣列103較佳地具有本文中呈現之m ≥ 2偶數個裝置1.1至1.m。圖2及圖3中展示之配置103例示性地具有兩個此種裝置1.1、1.2，其形成為相對於在其之間延伸的y-z平面鏡像對稱。在當前情況下，此意指對於根據圖2之第一組態，第一裝置1a之第一微透鏡陣列3中之第一微透鏡30.1鄰近於第二裝置1b之第一微透鏡陣列3中之第一微透鏡30.1配置。對於圖3中展示之第二組態，其中兩個裝置1.1、1.2之位置相較於圖2中展示之組態反轉，結果為第一裝置1a之第一微透鏡陣列3中之第n微透鏡30.n鄰近於第二裝置1b之第一微透鏡陣列3中之第n微透鏡30.n配置。相同情形適用於在兩個組態中之第二微透鏡陣列4中之微透鏡40.1至40.n。
以此處描述之方式實施的配置103導致作業平面105中雷射光2.1、2.2之兩個線性強度輪廓疊加，其具有帶有不同正負號之相同斜率。因此，可補償線性宏觀不均勻性以使得作業平面105中之所得強度輪廓再次均勻化。
若配置103具有m ＞ 2偶數個此種裝置1.1至1.m，則其以圖6中所說明的方式排列，始終維持相鄰裝置1.1至1.m之鏡像對稱，雷射光2.1、2.2、...、2.m可穿過該些相鄰裝置。此意指相互相鄰之裝置1.1至1.m以一種方式形成，該方式使得第二微透鏡陣列4之透鏡頂點之平面41相對於第一微透鏡陣列3之透鏡頂點之平面31交替地以角度+α及以角度-α傾斜。
可替代地藉由使雷射光2.1至2.m預均勻化來達成宏觀不均勻性之消除，此係由於在大致均勻地照明固定物1.1至1.m時，掃描效應不再具有顯著影響。接著，例如，針對雷射光2.1至2.m之均勻化，僅可使用裝置1.1至1.m中之一者或奇數個之裝置1.1至1.m。
此外，有可能藉由例如高斯波束輪廓之不對稱調整來達成宏觀不均勻性之消除。為此，波束輪廓之不對稱性必須經調適成寬度調變微透鏡陣列3、4中之微透鏡30.1至30.n、40.1至40.n，其具有傾斜角。
工件之加工過程對於強度波動極為敏感（因此抑制干擾誘發之強度波動亦為有利的），該工件之加工過程典型地藉由雷射裝置100實施，該雷射裝置具有用於雷射光2.1至2.m之均勻化的此種裝置1.1至1.m或m ≥ 2偶數個此種裝置1.1至1.m之陣列103。雖然即使藉由此處呈現之用於雷射光2.1至2.m之均勻化的裝置1.1至1.m或藉由由其形成的配置103仍將不可能完全抑制這些強度波動，但其僅以劇烈衰減形式出現。
為了進一步改良待在作業平面105中加工之工件上的雷射光2.1至2.m之光學特性，光學楔形片5可在加工過程期間圍繞y軸旋轉。此產生如下可能：對所得線性強度分佈施加時間相依角度偏移，使得產生作業平面105之雷射線可例如在毫秒範圍內來回移動，從而使得待加工之工件上的週期圖案失去對比度。換言之，此為對光學路徑長度之實時操控。此外，藉由改變第二微透鏡陣列4距第一微透鏡陣列3之距離，作業平面105中之線長度可在特定範圍內變化。
1.1~1.m:裝置 2.1～2.m:雷射光 3:第一微透鏡陣列 4:第二微透鏡陣列 5:光學楔形片 6:焦平面 7:氣隙 20:部分波束 21:部分波束 30.1~30.n:微透鏡 31:平面 40.1~40.n:微透鏡 41:平面 50:光入射表面 100:雷射裝置 101:雷射光源 101.1～101.m:雷射模組 102:波束轉換裝置 103:配置 104:傅立葉透鏡 105:作業平面 dL:距離 +α:角度 -α:角度
本發明之其他特徵及優勢將參考隨附圖式自較佳實施例之以下描述變得顯而易見。本文中展示： [圖1]為雷射裝置之示意性極簡表示，可藉助於該雷射裝置在作業平面中產生線形強度分佈， [圖2]為用於使第一配置中之雷射光均勻化之兩個裝置之組態的俯視圖， [圖3]為用於使第二配置中之雷射光均勻化之兩個裝置之組態的俯視圖， [圖4]為根據圖2及圖3之用於使雷射光均勻化之兩個裝置中之第一者的俯視圖， [圖5]為展示穿過兩個間隔開的微透鏡及光學楔形片之雷射光之兩個部分波束之波束路徑的詳細視圖， [圖6]為具有m ＞ 2數目個用於使雷射光均勻化之裝置之配置的俯視圖。
1.1:裝置
1.2:裝置
3:第一微透鏡陣列
4:第二微透鏡陣列
5:光學楔形片
6:焦平面
7:氣隙
30.1~30.n:微透鏡
31:平面
40.1~40.n:微透鏡
41:平面
50:光入射表面
103:配置
+α:角度
-α:角度

Claims (10)

  1. 一種用於使雷射光(2.1至2.m)均勻化的裝置(1.1至1.m)，其包含：一第一微透鏡陣列(3)，其具有在一第一方向上並排配置之複數個微透鏡(30.1至30.n)；一第二微透鏡陣列(4)，其包含在該第一方向上並排配置之複數個微透鏡(40.1至40.n)，其中該第二微透鏡陣列(4)配置於來自該第一微透鏡陣列(3)之該雷射光(2.1至2.m)的波束傳播方向上且該第二微透鏡陣列(4)之透鏡頂點的平面(41)相對於該第一微透鏡陣列(3)之透鏡頂點的平面(31)以一角度|α|傾斜，且其中該些微透鏡陣列(3、4)形成為使得在該第一方向上並排配置之該些微透鏡(30.1至30.n、40.1至40.n)的焦距在第一微透鏡(30.1、40.1)至第n微透鏡(30n、40n)之間變化，其特徵在於一光學楔形片(5)在該波束傳播方向上配置於該第二微透鏡陣列(4)之後，且該些微透鏡陣列(3、4)中之該些微透鏡(30.1至30.n、40.1至40.n)之該些焦距經選擇以使得該裝置(1.1至1.m)之一焦平面(6)處於該第二微透鏡陣列(4)與該光學楔形片(5)之間的一氣隙(7)中，其中該光學楔形片(5)經設計以平移移動及/或圍繞在一第二方向上延伸之一軸旋轉。
  2. 如請求項1之裝置(1.1至1.m)，其中該些微透鏡陣列(3、4)以一種方式形成，該方式使得在該第一方向上並排配置之該些微透鏡(30.1至30.n、40.1至40.n)之該些焦距自該些第一微透鏡(30.1、40.1)開始至該些第n微透鏡(30n、40n)連續地增大。
  3. 如請求項1或2之裝置，其中該第一微透鏡陣列(3)中之微透鏡(30.1至30.n)之數目對應於該第二微透鏡陣列(4)中之微透鏡(40.1至40.n) 之數目，使得該第二微透鏡陣列(4)中之該些微透鏡(40.1至40.n)中之每一者與該第一微透鏡陣列(3)中之一微透鏡(30.1至30.n)相關聯。
  4. 如請求項1或2之裝置(1.1至1.m)，其中該些微透鏡(30.1至30.n、40.1至40.n)形成為圓柱形透鏡，該些圓柱形透鏡的圓柱形軸各自定向於垂直於該第一方向且垂直於界定該雷射光(2.1至2.m)之該波束傳播方向之一第三方向的該第二方向上。
  5. 如請求項1或2之裝置(1.1至1.m)，其中該光學楔形片(5)具有平行於該第二微透鏡陣列(4)之該些透鏡頂點之該平面(41)而定向的一光入射表面(50)。
  6. 如請求項1或2之裝置(1.1至1.m)，其中該第一微透鏡陣列(3)中之第i微透鏡(30.i)之焦距
    Figure 110142904-A0305-02-0020-1
    為有效的：
    Figure 110142904-A0305-02-0020-2
     其中d G 表示玻璃厚度，且n G 表示該第二微透鏡陣列(4)之一玻璃基板之折射率，且其中f (i)表示該第二微透鏡陣列(4)之該第i微透鏡(40.i)之該焦距，且其中d L為該第二微透鏡陣列(4)與該光學楔形片(5)之間的距離，且其中i=1...n。
  7. 如請求項1或2之裝置(1.1至1.m)，其中對於該第一微透鏡陣列(3)中之該些微透鏡(30.1至30.n)與該第二微透鏡陣列(4)中之該些微透鏡(40.1至40.n)之間的距離
    Figure 110142904-A0305-02-0020-3
    ，保持：
    Figure 110142904-A0305-02-0020-4
     其中p (i)表示第i微透鏡(40.i)與第i+1微透鏡(40.i+1)之間的中心至中心距離，且f (i)表示該第i微透鏡(40.i)之焦距，且β表示該第二微透鏡陣列(4) 之數值孔徑，其中i=1...n-1。
  8. 如請求項1或2之裝置(1.1至1.m)，其中傾斜的該角度α經選擇以使得：
    Figure 110142904-A0305-02-0021-5
     其中β表示該第二微透鏡陣列(4)之數值孔徑，且n G 表示該第二微透鏡陣列(4)之折射率。
  9. 一種針對複數個如請求項1至8中任一項所述之用於使雷射光(2.1至2.m)均勻化的裝置(1.1至1.m)之配置(103)，其中該些裝置(1.1至1.m)配置成在該第一方向上彼此相鄰，且其中該些裝置(1.1至1.m)形成為使得該第二微透鏡陣列(4)之該些透鏡頂點之該平面(41)相對於該第一微透鏡陣列(3)之該些透鏡頂點之該平面(31)交替地以一角度+α及以一角度-α傾斜。
  10. 如請求項9之配置(103)，其中偶數個該些裝置(1.1至1.m)並排配置。
TW110142904A 2020-05-26 2021-11-18 用於使雷射光均勻化的裝置以及複數個此種裝置的配置 TWI832116B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020114077.0A DE102020114077A1 (de) 2020-05-26 2020-05-26 Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht und Anordnung einer Mehrzahl derartiger Vorrichtungen
PCT/EP2021/054444 WO2021239278A1 (de) 2020-05-26 2021-02-23 Vorrichtung zur homogenisierung von laserlicht und anordnung einer mehrzahl derartiger vorrichtungen
WOPCT/EP2021/054444 2021-02-23

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202234126A TW202234126A (zh) 2022-09-01
TWI832116B true TWI832116B (zh) 2024-02-11

Family

ID=74732921

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110142904A TWI832116B (zh) 2020-05-26 2021-11-18 用於使雷射光均勻化的裝置以及複數個此種裝置的配置

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20240069252A1 (zh)
JP (1) JP7382504B2 (zh)
KR (1) KR20220035975A (zh)
CN (1) CN114514085A (zh)
DE (1) DE102020114077A1 (zh)
TW (1) TWI832116B (zh)
WO (1) WO2021239278A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117120508A (zh) 2022-03-23 2023-11-24 株式会社Lg化学 聚碳酸酯树脂及其制备方法
KR102580415B1 (ko) * 2023-03-20 2023-09-18 국방과학연구소 레이저 조명기용 레이저 균질화 장치
CN116088188B (zh) * 2023-04-07 2023-06-16 季华实验室 激光强度均匀化装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008017947A1 (de) * 2008-04-09 2009-10-15 Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg Vorrichtung, Anordnung und Verfahren zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts
US20100033829A1 (en) * 2006-10-10 2010-02-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device for Homogenizing Radiation by Means of Irregular Microlens Arrays
CN103592727A (zh) * 2012-08-17 2014-02-19 超科技公司 具有高收光效率的基于发光二极管的光刻发光器
TWI579596B (zh) * 2015-02-25 2017-04-21 豪威科技股份有限公司 用於ｌｃｏｓ顯示器之空間交錯的偏振轉換器及用於將具有複數線性偏振狀態的輸入光束轉換到具有單一共同極化狀態的輸出光束之方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL8901077A (nl) * 1989-04-28 1990-11-16 Koninkl Philips Electronics Nv Optische belichtingsstelsel en projectie-apparaat voorzien van een dergelijk stelsel.
DE19813127A1 (de) * 1997-03-27 1998-10-01 Fraunhofer Ges Forschung Laservorrichtung
JP3888486B2 (ja) * 1997-07-25 2007-03-07 フジノン株式会社 投射型表示装置
JP3969197B2 (ja) * 2002-06-06 2007-09-05 石川島播磨重工業株式会社 レーザ照射装置
DE10308708A1 (de) * 2003-02-28 2004-09-09 Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co.Kg Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Objektes mit Laserstrahlung, Bearbeitungsvorrichtung für die Bearbeitung eines Objektes sowie Druckvorrichtung für das Drucken von Bildinformationen
JP2005049593A (ja) * 2003-07-28 2005-02-24 Sony Corp プロジェクター
JP4291230B2 (ja) * 2004-08-06 2009-07-08 株式会社日本製鋼所 結晶化膜の形成方法及びその装置
KR20070099581A (ko) * 2007-06-29 2007-10-09 헨처-리쏘췐코 파텐트페어발퉁스 게엠베하 운트 코. 카게 광 균일화 장치
US8148663B2 (en) * 2007-07-31 2012-04-03 Applied Materials, Inc. Apparatus and method of improving beam shaping and beam homogenization
DE102009009366A1 (de) * 2009-02-18 2010-08-19 Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung
JP5980043B2 (ja) * 2012-08-22 2016-08-31 住友重機械工業株式会社 レーザ照射装置
CN105008983B (zh) * 2012-12-21 2018-08-07 瑞尔D斯帕克有限责任公司 用于定向显示器的超透镜组件
DE102013102553B4 (de) * 2013-03-13 2020-12-03 LIMO GmbH Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung
CN103926804B (zh) * 2014-04-21 2015-10-28 北京理工大学 一种用于深紫外光刻照明系统的chirp式复眼匀光单元
WO2016116290A1 (en) * 2015-01-19 2016-07-28 Philips Lighting Holding B.V. Optical device with a collimator and lenslet arrays

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100033829A1 (en) * 2006-10-10 2010-02-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device for Homogenizing Radiation by Means of Irregular Microlens Arrays
DE102008017947A1 (de) * 2008-04-09 2009-10-15 Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg Vorrichtung, Anordnung und Verfahren zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts
CN103592727A (zh) * 2012-08-17 2014-02-19 超科技公司 具有高收光效率的基于发光二极管的光刻发光器
TWI579596B (zh) * 2015-02-25 2017-04-21 豪威科技股份有限公司 用於ｌｃｏｓ顯示器之空間交錯的偏振轉換器及用於將具有複數線性偏振狀態的輸入光束轉換到具有單一共同極化狀態的輸出光束之方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021239278A1 (de) 2021-12-02
JP2023503139A (ja) 2023-01-26
JP7382504B2 (ja) 2023-11-16
KR20220035975A (ko) 2022-03-22
TW202234126A (zh) 2022-09-01
CN114514085A (zh) 2022-05-17
DE102020114077A1 (de) 2021-12-02
US20240069252A1 (en) 2024-02-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI832116B (zh) 用於使雷射光均勻化的裝置以及複數個此種裝置的配置
US11759886B2 (en) Laser line illumination
KR101647279B1 (ko) 마이크로렌즈 어레이를 이용하여 라인을 생성하기 위한 광학적 설계
KR102380615B1 (ko) Euv 투영 리소그래피용 조명 시스템
US8270084B2 (en) Device for beam shaping
JP7412357B2 (ja) 光学的配置とレーザシステム
KR20070118023A (ko) 레이저 방사선의 균일한 각 분포를 발생시키기 위한 장치
US11878368B2 (en) Laser machining system
EP2069850A1 (en) Optical system suitable for processing multiphoton curable photoreactive compositions
WO2019149352A1 (en) Laser diode based line illumination source and laser line illumination
KR20090029748A (ko) 광 균일화 장치 및 가공 면에 선형 강도 분포를 발생시키기위한 레이저 장치
KR20070057074A (ko) 광 균일화 장치 및 상기 광 균일화 장치를 구비한 조명장치 또는 포커싱 장치
US9625727B2 (en) Device for homogenizing a laser beam
US11333897B2 (en) Apparatus for forming a homogeneous intensity distribution with bright or dark edges
US20240066630A1 (en) Laser device for generating laser radiation and 3d printing device comprising such a laser device
KR20210131510A (ko) 라인 빔 형성 장치
KR102666258B1 (ko) 레이저 머시닝 시스템
TWI834736B (zh) 雷射加工系統
US20210364769A1 (en) Laser device
KR20180100003A (ko) 레이저빔 성형 장치
TW202417934A (zh) 用於將輸入雷射光束轉換成線狀輸出射束之光學組件
KR20220051066A (ko) 레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법
CN116265168A (zh) 激光加工设备
CN118091965A (zh) 光学组件和光学系统
CN112513706A (zh) 用于激光辐射的转变设备