JP2000517436A - 光学的なビーム形成システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、それぞれ部分ビーム束を捕捉するそれぞれ複数のレンズを有するレンズアレイとして部分的に構成されていて１つのビーム束内に配置された光学素子を有し、前記レンズのレンズ面（３）が単一光学素子（１）の、光学的に能動的な境界面（２，２’）内に成形されている形式の、光学的なビーム形成システムに関する。ビームパラメータに影響を及ぼすことができると共に、従来技術に基づいて公知のビーム形成システムよりも優れた効率を有し、しかもより簡単に構成されたビーム形成システムを提供するために、本発明は、境界面（２，２’）が、湾曲した基本形状を有していることを提案する。

Description

【発明の詳細な説明】 光学的なビーム形成システム 技術分野： 本発明は、それぞれ部分ビーム束を捕捉する複数のレンズを有するレンズアレ イを備えていて１つのビーム束内に配置された光学素子を有し、前記レンズのレ ンズ面が単一屈折素子の、光学的に能動的な境界面内に成形されている形式の、 光学的なビーム形成システムに関する。 背景技術： 一般に、入射する光束をそのビームパラメータに関して決定的に変更させる光 学素子のユニット配置を、光学的なビーム形成システムと云う。実地において生 じる主たる適用例として、ビーム束の横断面について特定の幾何学的な形状と大 きさ、例えば円形、方形又は格子形など、及び／又はその横断面にわたって特定 された強度分布が要求される。往々にして両特性が同時に影響されねばならない 場合がある。例えばビーム形成システムのための入射ビーム束を供給する光源が 、不均一な強度分布と不規則的な幾何学的寸法とを有するビーム束を供給するけ れども、ビーム形成システムの出射ビーム束に対しては、前記の特性に関して特 定のハンディキャップが与えられる。 従来技術によれば、例えば欧州特許出願公開第０２３２０３７号明細書に基づ いて、光ビーム束を不均一なエネルギ分布をもって入射させ得る光学的なビーム 形成システムが公知であり、その場合、光ビーム束の出射ビーム束はその横断面 にわたって均等な強度分布を有している。このようなビーム形成システムは、ホ モゲナイザー（Homogenisierer）とも呼ばれる。 前記ホモゲナイザーは、例えば導入されたビーム束の全ビーム横断面を捕捉す るポジティブに湾曲された、つまり凸状の境界面を有する収斂レンズのような慣 用の光学素子以外に、いわゆるレンズアレイも有しており、該レンズアレイは、 ビーム横断面の夫々一部分だけ、つまり部分ビーム束だけを捕捉するレンズから 構成されている。 光学的なホモゲナイザーでは、光路内に互いに交差する円筒レンズアレイを配 置した構造形がその地歩を確立している。部分的にはこの円筒レンズアレイは個 々の円筒レンズ素子から構成される。しかしながら、単一ガラスブロック又は単 一プラスチックブロックから研磨加工された単一の扁平な円筒レンズアレイも入 手することが可能である。 従来技術に基づいて公知になっている前記のような単一の光学素子によって、 これまで専らホモゲナイザーを実現できるのは勿論であるが、該ホモゲナイザー は更に、レンズなどのような付加的な光学素子を必要 としている。これに対してホモゲナイザーの場合と同様に、横断面にわたって均 等な強度分布を得るためばかりでなく、任意に成形された入射ビーム束から、特 定の幾何学形状で特定の強度プロフィールを形成するためには、従来技術では、 先ず入射ビームを均質化し、次いで更なるビーム経過中に付加的なビーム形成シ ステムを介在させることが必要である。こうして例えば、吸収フィルタ又はマス クを使用して強度プロフィールを設定することが公知である。幾何学的なビーム 形成は、適当に成形されたマスクを光路内へ挿入することによって得られる。 前記幾何学的な強度ビーム形成システムの欠点は次の通りである。すなわち： 導入されるビームエネルギの大部分が、フィルタ内で、或いはマスクの不透過域 において吸収され、かつ出射するビーム束は、光エネルギとしてはもはや使用さ れないことである。実地において従来技術のビーム形成システムでは、こうして 入射エネルギの９０％以上が失われる。要するに全体として見れば、効率は極め て不良である。 これに加えて、前記のホモゲナイザーを含む公知の光学的なビーム形成システ ムは夫々多数の光学素子から構成されている。従ってその製作及び調整は煩雑で 割高になる。 発明の開示： 本発明の課題は、従来技術の前記欠点を排除すると 共に特に光学的なビーム形成システムを改良して、ビームパラメータに影響を及 ぼして効率を改善し、かつ構造を一層単純にすることである。 前記課題を解決するための本発明の構成手段は、境界面が湾曲した基本形状を 有している点にある。 本発明は、従来公知のビーム形成システムにおいて使用される扁平なレンズア レイ及びその他の光学素子、例えば結像レンズなどが１つ又は若干の少数の単一 光学素子に組込まれるという認識から出発している。この本発明による単一屈折 素子は、光学的に能動的な境界面、例えば１つのレンズの入射側及び出射側の表 面が、湾曲した基本形状を形成しており、該基本形状の表面が、いわば１つのレ ンズアレイの個々のレンズの比較的小さなレンズ面でもって変調され、つまり重 畳されていることを特徴としている。 例えば従来１つのホモゲナイザーにおいて使用された全ての素子を１つの単一 素子に纏めることによって、こうして使用素子数を激減するという明白な利点以 外に更にまた、単一統合によって始めて開示される別の利点が得られる。すなわ ち：湾曲した基本形状を考慮してレンズアレイを任意に形成しかつ方位づけるこ とによって始めて、幾何学形状及び強度分布に関してビームパラメータにほぼ任 意に影響を及ぼすこと、つまり、いわば単一素子においてプログラミングするこ とが可能になる。この場合フィルタ又はマスクのよう な吸収性素子は使用されないので、従来技術に対比して高い効率が得られる。そ の場合吸収損失は概ね無視できるほど僅かである。 全てのビームパラメータに対する所期の影響を含む所望の特性を実現するため には、個々の場合、境界面の幾何学的形状を決定するために或る程度の計算上の 手間が必要にはなるが、しかしながら使用されるコンピュータ容量に関してそれ 以上不利になることはない。むしろ本発明の単一光学素子は、その製作後にそれ 以上調整する必要はなく、その限りでは時の経過につれて再調整することもない 。 原則として本発明は、光学的なビーム形成システムの、以前に必要とされた別 個の素子を１つの光学素子に纏めることを可能にするので有利である。このため に個々の事例に応じて、単一光学素子の、光路内に位置している表面の基本形状 、つまり境界面の基本形状は、凹面状又は凸面状であり、しかも球面状、非球面 状又は円筒形に成形されているのが有利である。１つのレンズアレイのレンズの 、前記基本形状の表面に成形されたレンズ面自体はやはり凹面状又は凸面状、し かも球面状、非球面状又は円筒形状であってもよい。 境界面つまり基本形状は、回転対称形又は楕円形であっても、その他考えられ 得る幾何学的形状をとることができる。１つのレンズアレイの個々のレンズにつ いても、同等のことが当て嵌まる。例えば帯状レンズ を四角形基面に成形することも可能であり、或いはファセット状のレンズを回転 対称形（例えば円形）の基本形状又は楕円形の基本形状に回転対称形に配置して いてもよい。 本発明の有利な構成では、１つのレンズアレイの個々のレンズは、異なった焦 点距離及び／又は異なったアパーチャ（口径）を有している。この手段によって 焦点における強度は、例えばガウスプロフィール又はその他任意の分布を規定で きるように変調される。 設計時に焦点距離、アパーチャ、境界面形状及び光軸配置に関して事実上ほぼ 完全な自由度を有する組合せ可能性によって、ビーム形成、つまりビームパラメ ータが幾何学的形状及び強度に関して、ほぼ任意に本発明の光学素子において組 込まれ、つまりプログラミングされる。 夫々発生する個々の事例の要求に応じて、つまりビーム形成システム内へ導入 されるビーム束と、そこから出るビーム束との間におけるビームパラメータの変 化に応じて、本発明は、本発明の光学素子の境界面だけを、すなわちビーム束の 入射又は出射する表面だけを構成することを可能にする。こうして例えば、レン ズアレイが両境界面に形成されている１つの単一素子を、互いに可動の２つの単 一素子に分離するのが有利であり、これによって全ビーム形成システムの光学特 性の或る程度の可変性が得られる。 更にまた、レンズアレイをレンズマトリックスとして構成し、つまり格子状に 配置された多数のレンズ面を有する二次元アレイとして、或いは例えば多数の円 筒レンズ面をリニアに互いに並列的に配置した一次元アレイとして構成するのも 有利である。前記円筒レンズ面は異なったアパーチャを、すなわち異なった幅及 び互いに相違した焦点距離を有することもできる。 本発明によるビーム形成システムの有利な実施形態では、単一光学素子の両境 界面に円筒レンズアレイが形成されており、該円筒レンズアレイの円筒レンズは 互いに交差して配置されている。このようにすれば、従来技術において多数の円 筒レンズアレイと結像レンズとから構成されているようなホモゲナイザーが、１ つの光学素子で実現される。その場合、後の再調整が排除されるばかりではない 。複数の境界面を省くことによって、そこで生じる不可避的な損失も減少され、 これによって総効率の上昇が得られる。 前記のホモゲナイザーの場合、従来技術において慣用されているような円筒レ ンズアレイは、凸面状の円筒レンズを有することができる。しかしながら円筒レ ンズアレイは凹面状の円筒レンズを有しているのが特に有利である。つまり凸面 状のレンズは原理的には、場合によってはイオン化による損失又は損傷を光学材 料に生ぜしめるほどエネルギ密度を高めるような実焦点を発生するという欠点を 有している。これに対して 凹面状の円筒レンズは仮想焦点を有しているに過ぎず、従って前記効果による損 失は原理的には発生することはない。 原理的には、本発明の単一素子を実際に実現するために一切の光学材料、例え ば高級プラスチック又は高級ガラスを使用することが可能である。その場合、製 作に使用される製作法は、その都度使用される材料に調和されねばならない。異 なった光学面を組合せる際に必要な自由成形面幾何学形状は、コンピュータに支 援された製作法によって変換されるのが有利である。 図面の簡単な説明： 図１は本発明による単一光学素子の第１実施形態の斜視図である。 図２は本発明による単一光学素子の第２実施形態の斜視図である。 図３は本発明による単一光学素子の第３実施形態の端面図である。 発明を実施するための最良の形態： 次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。 図１には、本発明の単一光学素子が斜視図で図示されており、全体として符号 １で示されている。図面では上位の境界面２は光入射面を、また下位の境界面２ ’は光出射面を形成し、或いはその逆を形成している。 両境界面２，２’は凸面一円筒形の基本形状を有し ている。その場合円筒体は交差して配置されている。 上位の境界面２にも、下位の境界面２’にも夫々一次元アレイの凹面状の円筒 レンズ３が成形されている。該円筒レンズ３の円筒縦軸線は、境界面２，２の円 筒縦軸線に対して夫々平行に位置している。 図示の実施形態では単一光学素子１は、特定の光学特性を有するホモゲナイザ ーを既に形成している。円筒レンズ３並びに境界面２，２’の成形によってすで に製作時にビームパラメータの予め特定された影響量が規定される。 この実施形態で特に有利な点は、円筒レンズ３が凹面状であり、かつ単一光学 素子１の内部に実焦点を有していないことである。これによって、光学的な材料 を損傷させる高いエネルギ密度が避けられる。 図２には、図１と同様に、ほぼ同等に構成された単一光学素子が図示されてお り、該単一光学素子も符号１を有している。図１との唯一の相違点は、この境界 面２，２’に成形された円筒レンズ４が、凸面円筒形に形成されていることであ る。 図１及び図２に図示したホモゲナイザーの利点は、該ホモゲナイザーが２つの 光学的に能動的な境界面しか有していず、従って格別高い効率を有していること である。更に該ホモゲナイザーは、複数の光学素子から構成されたホモゲナイザ ーに対比して、全体としてより単純に構成されており、かつ調整の必要もない。 図３には別の実施形態による本発明の屈折素子１の光学的に能動的な境界面５ の軸方向端面図が図示されている。その場合の特殊性は、基本形状つまり境界面 ５が円形に形成されている点にある。本発明によれば図平面に対して直角方向に 湾曲された、つまり例えば球面−凸面状の基本形状を有する円形基本面に、回転 対称にファセット状に形成された個々のレンズ６が成形されている。該レンズは 本発明によれば、やはり球面形、非球面形又は円筒形、凸面形又は凹面形に構成 されており、かつ異なった焦点距離及び／又はアパーチャを有することができる 。同じく境界面５は楕円形であってもよい。 コンピュータで支援して製作することによって、単一光学素子１は、ビームパ ラメータの全ての要求される影響量に対して事実上、比較的僅かな経費で製作す ることができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年８月２６日（１９９８．８．２６） 【補正内容】 請求の範囲 1. １本の光軸に沿って相前後して配置された光学素子が、単一屈折素子として 構成されたレンズアレイを有しており、該レンズアレイにおいて多数の個々のレ ンズ面が、それぞれ前記光軸に対して直角に延びる基本形状の面に配置されてお り、前記の個々のレンズ面が連続的に相互に移行している形式の、光学的なビー ム形成システムにおいて、境界面（２，２’，５）の基本形状が湾曲されている ことを特徴とする、光学的なビーム形成システム。 2. 基本形状が凹面状である、請求項１記載のビーム形成システム。 3. 基本形状が凸面状である、請求項１記載のビーム形成システム。 4. 基本形状が球面状である、請求項１記載のビーム形成システム。 5. 基本形状が非球面状である、請求項１記載のビーム形成システム。 6. 基本形状が円筒形である、請求項１記載のビーム形成システム。 7. 基本形状が回転対称形である、請求項１記載のビーム形成システム。 8. 基本形状が楕円形である、請求項１記載のビーム形成システム。 9. １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面が凹面状である、請 求項１記載のビーム形成システム。 10. １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面が凸面状である、 請求項１記載のビーム形成システム。 11. １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面が球面状である、 請求項１記載のビーム形成システム。 12. １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面が非球面状である 、請求項１記載のビーム形成システム。 13. １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面が円筒形状である 、請求項１記載のビーム形成システム。 14． １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）が回転対称形状である、請求 項１記載のビーム形成システム。 15． １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）が楕円形状である、請求項１ 記載のビーム形成システム。 16． １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）が異なった焦点距離を有して いる、請求項１記載のビーム形成システム。 17． １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）が、 異なったアパーチャを有している、請求項１記載のビーム形成システム。 18． １つのレンズアレイのレンズ（３，４，６）が、異なった方位の光軸を有 している、請求項１記載のビーム形成システム。 19． １つのレンズアレイが一次元アレイである、請求項１記載のビーム形成シ ステム。 20． １つのレンズアレイが二次元アレイである、請求項１記載のビーム形成シ ステム。 21．光路内に位置している単一光学素子（１）の境界面（２，２’，５）に１つ のレンズアレイが配置されている、請求項１記載のビーム形成システム。 22．光路内に相前後して位置している単一光学素子（１）の２つの境界面に、そ れぞれレンズアレイが配置されている、請求項１記載のビーム形成システム。 23．単一光学素子（１）の両境界面（２，２’，５）に円筒レンズアレイが成形 されており、該円筒レンズアレイの円筒レンズが互いに交差して配置されている 、請求項２２記載のビーム形成システム。 24．円筒レンズアレイが凹面状の円筒レンズを有している、請求項２３記載のビ ーム形成システム。 25．円筒レンズアレイが凸面状の円筒レンズを有している、請求項２３記載のビ ーム形成システム。 26．単一光学素子の両境界面（２，２’）が円筒−凸 面状であり、しかも円筒面が交差して配置されている、請求項２３記載のビーム 形成システム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. それぞれ部分ビーム束を捕捉する複数のレンズを有するレンズアレイを備え ていて１つのビーム束内に配置された光学素子を有し、前記レンズのレンズ面が 単一屈折素子の、光学的に能動的な境界面内に成形されている形式の、光学的な ビーム形成システムにおいて、境界面（２，２’，５）が、湾曲された基本形状 を有していることを特徴とする、光学的なビーム形成システム。 2. 基本形状が凹面状である、請求項１記載のビーム形成システム。 3. 基本形状が凸面状である、請求項１記載のビーム形成システム。 4. 基本形状が球面状である、請求項１記載のビーム形成システム。 5. 基本形状が非球面状である、請求項１記載のビーム形成システム。 6. 基本形状が円筒形である、請求項１記載のビーム形成システム。 7. 基本形状が回転対称形である、請求項１記載のビーム形成システム。 8. 基本形状が楕円形である、請求項１記載のビーム形成システム。 9. レンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面 が凹面状である、請求項１記載のビーム形成システム。 10．レンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面が凸面状である、請求項１ 記載のビーム形成システム。 11．レンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面が球面状である、請求項１ 記載のビーム形成システム。 12．レンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面が非球面状である、請求項 １記載のビーム形成システム。 13．レンズアレイのレンズ（３，４，６）のレンズ面が円筒形状である、請求項 １記載のビーム形成システム。 14．レンズアレイのレンズ（３，４，６）が回転対称形状である、請求項１記載 のビーム形成システム。 15．レンズアレイのレンズ（３，４，６）が楕円形状である、請求項１記載のビ ーム形成システム。 16．レンズアレイのレンズ（３，４，６）が異なった焦点距離を有している、請 求項１記載のビーム形成システム。 17．レンズアレイのレンズ（３，４，６）が、異なったアパーチャを有している 、請求項１記載のビーム形成システム。 18．レンズアレイのレンズ（３，４，６）が、異なっ た方位の光軸を有している、請求項１記載のビーム形成システム。 19．レンズアレイが一次元アレイである、請求項１記載のビーム形成システム。 20．レンズアレイが二次元アレイである、請求項１記載のビーム形成システム。 21．光路内に位置している単一光学素子（１）の境界面（２，２’，５）に１つ のレンズアレイが配置されている、請求項１記載のビーム形成システム。 22．光路内に相前後して位置している単一光学素子（１）の２つの境界面に、そ れぞれレンズアレイが配置されている、請求項１記載のビーム形成システム。 23．単一光学素子（１）の両境界面（２，２’，５）に円筒レンズアレイが成形 されており、該円筒レンズアレイの円筒レンズが互いに交差して配置されている 、請求項２２記載のビーム形成システム。 24．円筒レンズアレイが凹面状の円筒レンズを有している、請求項２３記載のビ ーム形成システム。 25．円筒レンズアレイが凸面状の円筒レンズを有している、請求項２３記載のビ ーム成ステム。 26．単一光学素子の両境界面（２，２’）が円筒−凸面状であり、しかも円筒面 が交差して配置されている、請求項２３記載のビーム形成システム。