JP4650837B2 - レーザ光学装置 - Google Patents
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Description
レーザビームの断面強度分布はガウス分布(シングルモード)が主流である。これはレンズによって理論的限界(回折限界)まで集光できるという特徴があるが、レーザ加工用途の多様化に伴い、不均一なガウス強度分布ではなく、均一な強度分布や目的に応じた任意の強度分布に対するニーズも高まっている。
このレーザ光学装置1は、レーザビーム2を均一な断面強度分布に整形する回折型ビームホモジナイザ3Aと、このホモジナイザ3Aを通過することで整形された整形ビーム4を所定の倍率で拡大して像面に結像させる拡大光学系6とを備えている。なお、このレーザ光学装置1では、上記ホモジナイザ3Aは、ガウシアン分布のレーザビーム2を正方形断面の均一な強度分布に整形するだけでなく、レーザビーム2を集光する機能を併有している。
このため、対物レンズ系18を構成するレンズの表面コート(ARコート等)が、非常に高エネルギー密度に集光されたビームに4よって損傷したり、特に紫外線領域の短波長ビームの場合にはレンズの構成材料が変色したりする恐れもある。
すなわち、上記した課題は、拡大光学系6の入射側(図2の左側)に配置された対物レンズ系18が正の焦点距離を有することに起因する。従って、対物レンズ系18と結像レンズ系19とからなる結像光学系が、全体として整形ビーム4を拡大ではなく等倍ないし縮小する機能を有する場合にも上記した課題が同様に当てはまるものである。
また、本発明は、ある特定の断面強度分布に整形かつ集光されたレーザビームを結像させるレーザ光学装置について、その結像のための結像光学系を構成する対物レンズ系の損傷ないし劣化を防止するとともに、当該レーザ光学装置の全長を短縮できるようにすることを目的とする。
すなわち、本発明は、レーザビームを所定の断面強度分布に整形しかつ集光するビーム整形光学系と、このビーム整形光学系によって整形かつ集光された整形ビームを所定の倍率で拡大して結像させる拡大光学系とを備えたレーザ光学装置であって、前記拡大光学系が、前記ビーム整形光学系の焦点面の手前に配置された負の焦点距離を有する対物レンズ系と、この対物レンズ系の後方に配置された結像レンズ系とを備えていることを特徴とする。
このため、対物レンズ系を構成するレンズの表面コートが高エネルギー密度に集光された整形ビームによって損傷したり、紫外線領域の短波長ビームの場合にレンズの構成材料が変色したりすることがなく、これらのレンズの損傷を有効に防止することができる。
本発明に係るレーザ光学装置において、前記ビーム整形光学系としては、レーザビームの整形方式や整形後のビームの断面形状は任意であるが、好ましくは、断面強度分布がガウシアン分布のレーザビームをほぼ均一な強度分布に整形するホモジナイズ光学系より構成することができる。
もっとも、回折型ビームホモジナイザを用いた場合には、集光されて進行する回折光と平行光のまま進行するゼロ次光との干渉が低く抑えられることから、干渉による回折光の分布の乱れを防止できるという効果も得られる。
すなわち、本発明は、レーザビームを所定の断面強度分布に整形しかつ集光するビーム整形光学系と、このビーム整形光学系によって整形かつ集光された整形ビームを結像させる結像光学系とを備えたレーザ光学装置であって、前記結像光学系が、前記ビーム整形光学系の焦点面の手前に配置された負の焦点距離を有する対物レンズ系と、この対物レンズ系の後方に配置された結像レンズ系とを備えていることを特徴とする。
また、本発明によれば、結像光学系を構成する対物レンズ系の損傷ないし劣化を防止できるとともに、レーザ光学装置の全長を短縮することができる。
図1は、本発明の実施形態に係るレーザ光学装置1の概略構成を示している。
この図1に示すように、本実施形態のレーザ光学装置1は、レーザ発振器(図示せず)から入射された例えば波長532μmのレーザビーム2を所定の断面強度分布に整形しかつ集光するビーム整形光学系3と、このビーム整形光学系3によって整形された整形ビーム4を所定の倍率で拡大して像面5に結像させる拡大光学系6とを備えている。
この回折型ビームホモジナイザ3Aは、回折型光学部品(DOE:Diffractive Optical Element)をホモジナイザとして応用したものであり、表面に付けられたミクロン単位の微細な凹凸(画素)によって光の回折現象を発生させ、これによってガウシアン分布のレーザビーム2を例えば断面矩形でかつ断面強度分布が均一な整形ビーム4に変換する機能を有している。
前記拡大光学系6は、ホモジナイザ3Aの後方に配置された対物レンズ系8と、その更に後方に配置された結像レンズ系9とからなる。このうち、対物レンズ系8は、負の焦点距離を有しており、ホモジナイザ3Aの焦点面7よりも手前に配置されている。
なお、この場合の「手前」とは、焦点面7よりもホモジナイザ3A側(図1の左側)に位置することを意味する。また、図1には、負の焦点距離を有する対物レンズ系8を機能的に表現するために凹レンズが一つ描かれているが、実際には当該対物レンズ系8は組レンズで構成される。また、この組レンズには収差を取り除くために凸レンズを含んでいてもよい。
なお、図1には、結像レンズ系9を機能的に表現するために凸レンズが一つ描かれているが、この結像レンズ系9も組レンズで構成されることもある。
また、図示していないが、このレーザ光学装置1の像面5にマスクを配置して像転写するようにすれば、テーパーレス微細穴あけなどのレーザ加工が可能となる。更に、転写するマスクのサイズや形状を変化させれば、加工のサイズや形状を変化させることもできる。
この際、負の焦点距離を有する対物レンズ系8がホモジナイザ3Aの焦点面7の手前に配置されていることから、均一な強度分布の整形ビーム4を焦点面7に至る前の断面積が比較的大きい状態で対物レンズ系8に入射させることができる。
従って、対物レンズ系8を構成するレンズの損傷を有効に防止することができ、レーザ光学装置1の長寿命化を図ることができる。また、対物レンズ系8でのビームの収束の心配がないので、より高出力のレーザの使用が可能となり、レーザ光学装置1の応用範囲が広がるという利点もある。
また、負の焦点距離を有する対物レンズ系8は、さほど曲率の大きくない複数の凹レンズで構成することができるので、製造が容易でかつレンズ枚数を比較的少なくできるという利点もある。
例えば、本発明のレーザ光学装置1に使用されるレーザの波長は任意であり、赤外、可視及び紫外のどの波長の光源にも本発明を適用することができる。
更に、図1の実施形態では、回折型ビームホモジナイザ3Aの後方の対物レンズ系8と、その更に後方に配置された結像レンズ系9が、整形ビーム4を所定の倍率で拡大して像面に結像させる拡大光学系6を構成する場合について例示したが、それらのレンズ系8,9により、整形ビーム4を等倍で像面に結像させる等倍光学系や、整形ビーム4を縮小して像面に結像させる縮小光学系を構成することもできる。
〔実施例1〕
この実施例1のレーザ条件、DOEホモジナイザの緒元、対物レンズ系の緒元及び結像レンズ系の緒元はそれぞれ次の通りである。また、この実施例1の概略構成図は図3に示す通りである。この光学装置1の全長は630mmであり、正の焦点距離を有する対物レンズ系を採用していた従来の光学装置1の場合は全長が780mmである。従って、この実施例1の光学装置1では、従来よりも全長を約20%短縮することができた。
・波長:532nm
・モード:TEM00
・1/e2ビーム径:φ6mm
・発散角:0mrad
・基板:石英
・サイズ:φ20mm×5mm厚
・焦点距離:300mm
・均一ビームサイズ:500μm×500μm
・位相:16段階
・画素サイズ:6μm×6μm
・画素数:2000×2000
・パターン領域サイズ:12mm×12mm
・構成:球面レンズ2枚組
・倍率:5倍
・焦点距離:−40mm
・第1レンズ硝材:石英
・第1レンズ直径:φ20mm
・第1レンズ中心厚:6.8mm
・第1レンズ−第1面曲率半径:67.4mm(凸)
・第1レンズ−第2面曲率半径:41.0mm(凹)
・第2レンズ硝材:石英
・第2レンズ直径:φ20mm
・第2レンズ中心厚:2.9mm
・第2レンズ−第1面曲率半径:27.7mm(凹)
・第2レンズ−第2面曲率半径:229.0mm(凹)
・DOE−対物レンズ間距離:225mm
・第1−第2レンズ間距離:37.2mm
・焦点距離:200mm
・硝材:石英
・直径:20mm
・中心厚:5mm
・第1面曲率半径:183.5mm(凸)
・第2面曲率半径:183.5mm(凸)
・対物−結像レンズ間距離:151.7mm
・結像レンズ−像面間距離:196.45mm
図6は、本実施例1に係るレーザ光学装置1のDOE焦点での強度分布(虚像:1mm四方の領域を表示)を示しており、図6(a)はその強度分布の二次元グレイスケール表示、図6(b)はその強度分布の横方向の断面プロフィルである。
また、図7は、本実施例1に係るレーザ光学装置1の像面での強度分布(5mm四方の領域を表示)を示しており、図7(a)はその強度分布の二次元グレイスケール表示、図7(b)はその強度分布の横方向の断面プロフィルである。
図8は、実施例2に係るレーザ光学装置1の概略構成図である。
この実施例2では、図8に示すように、実施例1の場合(図3)に比べて対物レンズと結像レンズの間の距離を変更して、その距離を151.7mmから10mmに短縮した。その他のレーザ条件、DOEホモジナイザの緒元等は実施例1の場合と同様である。その結果、実施例2の光学装置1では全長が488mmになり、実施例1の場合よりも全長を更に短縮することができた。
なお、本実施例2の像面の強度分布は実施例1の場合と同様であった。もっとも、実施例2の場合は、像面での波面がやや発散気味の曲面を持つようになる(波面曲率半径が約400mm)のに対して、実施例1の場合には、それよりも平面に近い波面になる(波面曲率半径が約1000mm)。
図9は、実施例3に係るレーザ光学装置1の概略構成図である。
この実施例3では、図9に示すように、対物レンズと結像レンズとの間に集光ビームを二つに分岐する分岐DOEを配置している。これにより、均一なビームを二点に一括して結像させるレーザ光学装置1が得られた。また、この光学装置1の全長は503mmとなった。
上記分岐DOEの諸元は次の通りである。その他のレーザ条件、DOEホモジナイザの緒元等は実施例1の場合と同様である。もっとも、分岐DOEとしては、本実施例のような単純な二分岐のものだけでなく、その他の様々な分岐パターンのものを採用し得る。
・基板:石英
・サイズ:φ20mm×5mm厚
・分岐数:2
・表面パターン:ライン&スペース
・位相:2段階
・周期:40μm
・対物レンズ−分岐DOE間距離:10mm
・分岐DOE−結像レンズ間距離:10mm
上記構成に係る本実施例3のレーザ光学装置1においても、対物レンズ系を構成する各レンズの表面コートの損傷や、レンズの構成材料の変色等は発生しなかった。
2 レーザビーム
3 ビーム整形光学系
3A 回折型ビームホモジナイザ
4 整形ビーム
5 像面
6 拡大光学系(結像光学系)
7 焦点面
8 対物レンズ系(負の焦点距離)
9 結像レンズ系
18 対物レンズ系(正の焦点距離)
19 結像レンズ系
Claims (7)
- レーザビームを所定の断面強度分布に整形しかつ集光するビーム整形光学系と、このビーム整形光学系によって整形かつ集光された整形ビームを所定の倍率で拡大して結像させる拡大光学系とを備えたレーザ光学装置であって、
前記拡大光学系が、前記ビーム整形光学系の焦点面の手前に配置された負の焦点距離を有する対物レンズ系と、この対物レンズ系の後方に配置された結像レンズ系とを備えていることを特徴とするレーザ光学装置。 - レーザビームを所定の断面強度分布に整形しかつ集光するビーム整形光学系と、このビーム整形光学系によって整形かつ集光された整形ビームを等倍で結像させる結像光学系とを備えたレーザ光学装置であって、
前記結像光学系が、前記ビーム整形光学系の焦点面の手前に配置された負の焦点距離を有する対物レンズ系と、この対物レンズ系の後方に配置された結像レンズ系とを備えていることを特徴とするレーザ光学装置。 - レーザビームを所定の断面強度分布に整形しかつ集光するビーム整形光学系と、このビーム整形光学系によって整形かつ集光された整形ビームを所定の倍率で縮小して結像させる縮小光学系とを備えたレーザ光学装置であって、
前記縮小光学系が、前記ビーム整形光学系の焦点面の手前に配置された負の焦点距離を有する対物レンズ系と、この対物レンズ系の後方に配置された結像レンズ系とを備えていることを特徴とするレーザ光学装置。 - 前記ビーム整形光学系は、断面強度分布がガウシアン分布のレーザビームをほぼ均一な強度分布に整形するホモジナイズ光学系よりなる請求項1又は2に記載のレーザ光学装置。
- 前記ホモジナイズ光学系は、回折型ビームホモジナイザよりなる請求項4に記載のレーザ光学装置。
- 前記ホモジナイズ光学系は、非球面ビームホモジナイザよりなる請求項4に記載のレーザ光学装置。
- 前記対物レンズ系と前記結像レンズ系を有する前記結像光学系が、前記整形ビームを複数のビームに分岐させる回折型分岐素子を含んでいる請求項1〜3のいずれかに記載のレーザ光学装置。
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