(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザービームを発生するレーザー及びレーザービームをビーム経路に沿って目標に対して方向付け、整形及び収束させるための複数の光学素子を有するレーザービーム送出システムにおいてレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するためのレーザービームの補償及び再配置のための補償器・再配置器及び方法を提供。【解決手段】補償器・再配置器は、補償器素子と再配置器素子とを有する。補償器素子は、ある範囲の入力角と横方向変位を有する入力レーザービームを受光し、入力レーザービームの成分を均一分布平行成分を持つ整列済みレーザービームに再方向付けする。再配置器素子は、補償器素子からの整列済みレーザービームによって照明され、整列済みレーザービームの成分を、フラットトップレーザービームに再配置するのに最適な分布形状を持つ整形済みレーザービームに再配置する。【選択図】図７Ｄ
2006106703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを発生するレーザー及び前記レーザービームをビーム経路に沿って目標に対して方向付け、整形及び収束させるための複数の光学素子を有するレーザービーム送出システムにおいてレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するための補償器・再配置器において、
ある範囲の入力角と横方向変位を有する入力レーザービームを受光し、前記入力レーザービームの成分を均一分布平行成分を持つ整列済みレーザービームに再配置及び再方向付けするための補償器素子と、
前記補償器素子からの前記整列済みレーザービームによって照明され、前記整列済みレーザービームの成分を、フラットトップレーザービームに再配置するのに最適な分布形状を持つ整形済みレーザービームに再配置する再配置器素子とを有することを特徴とする前記補償器・再配置器。
【請求項２】
前記補償器素子は、全表面にわたって符号化されたコンピュータ発生ホログラミックレンズであることを特徴とする請求項１に記載の補償器・再配置器。
【請求項３】
前記再配置器素子は、コンピュータ発生ホログラフィック径方向対称回折光学素子（ＲＳＤＯＥ）又はコンピュータ発生ホログラフィック非対称回折光学素子（ＮＳＤＯＥ）であることを特徴とする請求項１に記載の補償器・再配置器。
【請求項４】
前記補償器素子が、基板と、前記基板の入力側に配置した視野レンズと、前記基板の出力側に配置した回折光学素子整形器と、前記視野レンズによって規定される開口とを有することを特徴とする請求項１に記載の補償器・再配置器。
【請求項５】
前記補償器素子が、屈折レンズ素子で形成された補償器素子と、前記補償器素子の出力側に配置したコンピュータ発生ホログラフィック回折光学素子整形器とを有し、前記屈折レンズが前記回折光学素子整形器の基板を形成し、前記整形器が開口を形成することを特徴とする請求項１に記載の補償器・再配置器。
【請求項６】
前記補償器素子が、基板と、前記基板の入力側に配置し、一体型視野レンズ素子及び整形器素子を形成する単一回折光学素子と、前記基板の出力側に形成した開口とを有することを特徴とする請求項１に記載の補償器・再配置器。
【請求項７】
前記整形器素子の前記配列済みレーザービーム出力が非円形ガウス分布形状を持つことを特徴とする請求項１に記載の補償器・再配置器。
【請求項８】
前記再配置器素子の前記整形済みレーザービーム出力が円形ガウス分布形状を持つことを特徴とする請求項１に記載の補償器・再配置器。
【請求項９】
レーザービームを発生するレーザー及び前記レーザービームをビーム経路に沿って目標に対して方向付け、整形及び収束させるための複数の光学素子を有するレーザービーム送出システムにおいてレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するための方法において、
ある範囲の入力角と横方向変位を有する入力レーザービームの成分を均一分布平行成分を持つ整列済みレーザービームに再方向付けする工程と、
前記整列済みレーザービームの成分を、フラットトップレーザービームに再配置するのに最適な分布形状を持つ整形済みレーザービームに再配置する工程とを有することを特徴とする前記方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するための方法において、
前記入力レーザービームの成分を再方向付けする工程は、全表面にわたって符号化されたコンピュータ発生ホログラミックレンズによって実行されることを特徴とする前記方法。
【請求項１１】
請求項９に記載のレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するための方法において、
前記整列済みレーザービームの成分を再配置する工程は、コンピュータ発生ホログラフィック径方向対称回折光学素子（ＲＳＤＯＥ）又はコンピュータ発生ホログラフィック非対称回折光学素子（ＮＳＤＯＥ）によって実行されることを特徴とする前記方法。
【請求項１２】
請求項９に記載のレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するための方法において、
前記入力レーザービームの成分を再方向付けする工程は補償器素子によって実行され、前記補償器素子は、基板と、前記基板の入力側に配置した視野レンズと、前記基板の出力側に配置した回折光学素子整形器と、前記視野レンズによって規定される開口とを有することを特徴とする前記方法。
【請求項１３】
請求項９に記載のレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するための方法において、
前記入力レーザービームの成分を再方向付けする工程は、屈折レンズ素子で形成された補償器素子と、前記補償器素子の出力側に配置したコンピュータ発生ホログラフィック回折光学素子整形器とによって実行され、前記屈折レンズが前記回折光学素子整形器の基板を形成し、前記整形器が開口を形成することを特徴とする前記方法。
【請求項１４】
請求項９に記載のレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するための方法において、
前記入力レーザービームの成分を再方向付けする工程は補償器素子によって実行され、前記補償器素子は、基板と、前記基板の入力側に配置し、一体型視野レンズ素子及び整形器素子を形成する単一回折光学素子と、前記基板の出力側に形成した開口とを有することを特徴とする前記方法。
【請求項１５】
請求項９に記載のレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するための方法において、
前記配列済みレーザービームが非円形ガウス分布形状を持つことを特徴とする前記方法。
【請求項１６】
請求項９に記載のレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するための方法において、
前記整形済みレーザービームが円形ガウス分布形状を持つことを特徴とする前記方法。
【請求項１７】
分布形状変換機能を有する光学素子からなり、径方向及び大小に関して可変な横方向ズレを受けるビーム軸を有する入力レーザービームの入力エネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状を有する出力レーザービームに変換するための径方向非対称ビーム形成素子において、
前記分布形状変換機能は、前記入力エネルギー分布形状を前記目標出力エネルギー分布形状に変換するための第１分布形状変換機能と、前記入力レーザービームの横方向ズレが導入された前記出力エネルギー分布形状における歪みを補正するように前記第１分布形状変換機能を修正するために前記第１分布形状変換機能に追加された分布形状補正変換機能とを有することを特徴とする前記径方向非対称ビーム形成素子。
【請求項１８】
前記分布形状補正変換機能は、前記入力レーザービームの横方向ズレから生じるホットスポットに対応する位置で補償用不足エネルギー分布形状を前記目標出力エネルギー分布形状に追加するために前記第１分布形状変換機能に追加される不足分布形状変換機能と、前記入力レーザービームの横方向ズレから生じる不足に対応する位置で補償用ホットスポットエネルギー分布形状を前記目標出力エネルギー分布形状に追加するために前記第１分布形状変換機能に追加されるホットスポット分布形状変換機能との少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１７に記載の径方向非対称ビーム形成素子。
【請求項１９】
前記ビーム形成素子の光学軸は、前記入力レーザービームのビーム軸に対して平行に位置合わせされる一方で、前記入力レーザービームが前記光学素子の光学軸に対して平行且つズレた状態で前記ビーム形成素子を通るように、前記入力レーザービームのビーム軸の最大期待横方向ズレに比例した距離だけ前記入力レーザービームのズレの無いビーム軸からずらされることを特徴とする請求項１７に記載の径方向非対称ビーム形成素子。
【請求項２０】
前記ビーム形成素子は、前記入力レーザービームの現在の横方向ズレに対する前記分布形状変換機能の調整を可能にするために、前記光学素子の光学軸を中心にした前記分布形状変換機能の回転を可能にする回転マウントに支持されることを特徴とする請求項１９に記載の径方向非対称ビーム形成素子。
【請求項２１】
径方向及び大小に関して可変な横方向ズレを受けるビーム軸を有する入力レーザービームの入力エネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状を有する出力レーザービームに変換する方法において、
前記入力レーザービームに対して分布形状変換機能を実施する工程からなり、前記工程は、前記入力エネルギー分布形状を前記目標出力エネルギー分布形状に変換するための第１分布形状変換機能を実施する工程と、前記入力レーザービームの横方向ズレが導入された前記出力エネルギー分布形状における歪みを補正するように前記第１分布形状変換機能を修正するために前記第１分布形状変換機能に追加された分布形状補正変換機能を実施する工程とを有することを特徴とする前記方法。
【請求項２２】
径方向及び大小に関して可変な横方向ズレを受ける入力レーザービームの入力エネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状を有する出力レーザービームに変換する請求項２１に記載の方法において、前記入力レーザービームの横方向ズレから生じるホットスポットに対応する位置で補償用不足エネルギー分布形状を前記目標出力エネルギー分布形状に追加するために前記第１分布形状変換機能に追加される不足分布形状変換機能と、前記入力レーザービームの横方向ズレから生じる不足に対応する位置で補償用ホットスポットエネルギー分布形状を前記目標出力エネルギー分布形状に追加するために前記第１分布形状変換機能に追加されるホットスポット分布形状変換機能との少なくとも１つ実施する工程を有することを特徴とする前記方法。
【請求項２３】
径方向及び大小に関して可変な横方向ズレを受ける入力レーザービームの入力エネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状を有する出力レーザービームに変換する請求項２１に記載の方法において、前記分布形状変換機能及び分布形状補正変換機能は１つのビーム形成素子に組み込まれ、前記ビーム形成素子の光学軸は、前記入力レーザービームのビーム軸に対して平行に位置合わせされる一方で、前記入力レーザービームが前記光学素子の光学軸に対して平行且つズレた状態で前記ビーム形成素子を通るように、前記入力レーザービームのビーム軸の最大期待横方向ズレに比例した距離だけ前記入力レーザービームのズレの無いビーム軸からずらされることを特徴とする前記方法。
【請求項２４】
径方向及び大小に関して可変な横方向ズレを受ける入力レーザービームの入力エネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状を有する出力レーザービームに変換する請求項２３に記載の方法において、前記ビーム形成素子は、前記光学素子の光学軸を中心にした前記分布形状変換機能の回転を可能にする回転マウントに支持され、前記ビーム形成素子の回転によって前記入力レーザービームの現在の横方向ズレに対して前記分布形状変換機能の調整を行う工程を更に有することを特徴とする前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザービーム送出システムにおけるレーザー照準及び熱ドリフト不安定の制御と補正に関し、特にレーザー照準及び熱ドリフト不安定の制御と補正のためにビーム整形を用いる補償器光学系、及びレーザービーム送出システムにおけるレーザー照準及び熱ドリフト不安定の制御と補正に関し、特に横方向へのビーム移動によるレーザービームエネルギー分布形状の歪みを補正するための径方向非対称ビーム形成素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
集束有向レーザービームは、通例、金属、高分子、集積回路、基板、セラミックス、他の材料などの材料に関して、貫通及び微小ブラインドバイアの穿孔、レーザーイメージング、集積回路の基板切断及び修正や特注生産、穿孔、切断、及び、選択材料の除去や他の複雑な機械加工やマイクロマシニング作業など、多様な工程に使用される。このような工程は非常に複雑なものとなり、同時又は逐次作業において、単一又は複数のレーザーや、可視光レーザー、赤外線（ＩＲ）レーザー、紫外線（ＵＶ）レーザーなどの複数タイプのレーザーの同時又は逐次使用を含むことも多い。しかしながら、このようなレーザー工程全般において、レーザーシステムの一般的な目的は、１つ又は多数のレーザービームのエネルギーを制御可能且つ信頼性高く方向付け、集束、集中させて、目標スポットに各ビームを収束、又は、目標の表面上にレーザービームの開口領域を描画することである。
【０００３】
しかしながら、従来技術の従来レーザーシステムに発生する多くの問題は、高信頼且つ制御可能な形でレーザービームを目標位置へ「位置決め」することに対して直接影響を及ぼす。第１の問題は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、「ビーム揺動」又は「位置決め不安定」として言及されることが多いが、レーザービーム１２のビーム軸１０が最適中心線１４から偏差角θずれる径方向偏差であり、しばしば「ポンピングジッタ」とも称されるレーザービームのパルスエネルギー変動に関することが多い。位置決め不安定は、レーザー１６自体の特性と「ポンピングジッタ」のようなレーザー１６の通常作用の両方に本質的に内在するものである。
【０００４】
従来技術の第２の問題は、図２Ａ及び２Ｂに示されるが、「熱ドリフト」と称されることが多いものであり、これもレーザービーム１２のビーム軸１０を最適中心線１４から外れさせる原因となる。熱ドリフトは一般に、レーザーデューティサイクルの変化、動作中の加熱、レーザー１６のパワーレベルの変化によるレーザー１６のパラメータの変化に起因すると考えられる。注意すべきは、「位置決め不安定」がビーム軸１０の最適中心線１４からの角偏差を生じるのに対して、「熱ドリフト」は最適中心線１４に対するビーム軸１０の直線的な径方向ドリフトを生じることである。即ち、レーザービーム１２のビーム軸１０は、最適中心線１４の軸に平行なまま、最適中心線１４から径方向に離れるようにドリフトする。
【０００５】
更に、従来技術の第３の問題は、「ホットスポット」つまりビーム分布形状の歪みを生じる、経時的なビームモード変化の問題である。ビームの分布形状が均一でない場合、あるいは、最適ガウス分布形状を持たない場合、分布形状の形状は実質上好適な「フラットトップ」分布形状に整形できず、マイクロマシニングやマイクロバイア穿孔など、レーザーシステムの行う加工の質に悪影響を及ぼすことになる。この問題は、勿論、位置決め不安定や熱ドリフトと更に組み合わされる。
【０００６】
実際上、マイクロバイア穿孔などのマイクロマシニングに使用される全てのレーザーは位置決め不安定、熱ドリフト及び分布形状歪みを示すので、これらの問題を補正あるいは少なくとも制御しようとする多くの試みがなされている。例えば、従来技術のレーザーシステムは、能動制御されたサーボミラーを使用して「位置決め不安定」及び「熱ドリフト」の影響を補正しようと試みる。このサーボミラーは、レーザービームを再方向付けして「位置決め不安定」及び「熱ドリフト」を補正するように制御される。しかし、この種の方法は、位置決め不安定や熱的不安定性によるビームの実際の経路を検出し、当該ビームの目標最適経路と比較し、その目標経路にビームを向けるようにサーボミラーを制御する必要がある。このような方法は複雑で高価となるだけでなく、位置決め不安定や熱ドリフトの影響を検出して補正するのに固有の時間遅延があり、しかも、機械系公差及び制御系公差によってそれらの方法自体の誤差を持ち込んでしまうので、これらの問題に対する完全に満足のいく解決策を提供することはない。
【０００７】
これらの問題に対する従来技術の他の方策は、レーザービーム経路中に光学素子を用いて位置決め不安定及び熱ドリフトを補正し、マイクロバイア穿孔などのマイクロマシニングのためにビームを最適ガウス分布やフラットトップ分布形状に整形する。しかし、光学ビーム整形システムが悪く照明された場合、即ち、位置決め不安定や熱ドリフトやホットスポットの結果、ある入射角で照明されたり横方向にずれたビームで照明されたりする場合、光学ビーム整形素子はレーザービームを目標分布形状に整形できない。しかし、位置決め不安定と熱ドリフトは、元来、ビームをある入射角であるいはある横方向変位でビーム整形素子に到達させてしまい、その結果ビーム整形素子の照明状態が悪くなり、ビーム分布形状の適当な整形に問題を生じるということは明らかであろう。
【０００８】
位置決め不安定及び熱ドリフトを補正あるいは補償するために光学素子を使用するのに伴って生じる基本的な問題は、ビーム整形素子としてホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）及び標準対称ホログラフィック光学素子（ＳＳＨＯＥ）を使用する場合について図３Ａ及び３Ｂに示される。図３Ａは、例えば、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の場合、特に標準対称ホログラフィック光学素子（ＳＳＨＯＥ）１８あるいは同等のレンズに関して、熱ドリフト効果による径方向の変位の結果を示す。ＳＳＨＯＥ１８は対称なので、ＨＯＥ軸２０に平行なビーム軸１０Ａに沿ってＳＳＨＯＥ１８に入射するレーザービーム１２Ａは、ビーム軸１０Ｂ上のレーザービーム１２ＢとしてＳＳＨＯＥ１８を出射する。なお、ビーム軸１０Ｂはビーム軸１０Ａに同軸で、その直線延長である。より具体的には、ＨＯＥ軸２０に平行だが、ＨＯＥ軸２０から距離Ｄだけ半径方向に変位したビーム軸１０Ａに沿ってＳＳＨＯＥ１８に入射するレーザービーム１２Ａは、ビーム軸１０Ｂとして示す同じビーム軸１０Ａに沿ってＳＳＨＯＥ１８を出射し、ＨＯＥ軸２０に対して距離Ｄだけ半径方向に変位したままとなる。このように、ＳＳＨＯＥ１８や同等の対称レンズは、入射レーザービーム１２のビーム軸１０をＳＳＨＯＥ１８のＨＯＥ軸２０に対して径方向に再方向付けすることはないので、熱ドリフト効果を補正あるいは制御することは不可能である。
【０００９】
図３Ｂを参照すると、「位置決め不安定」の影響を受けたレーザービーム１２Ａは、ＨＯＥ軸２０に対して角偏差θを有するビーム軸１０Ａに沿ってＳＳＨＯＥ１８の入射面２２に入射することになる。即ち、レーザービーム１２Ａは、ＨＯＥ軸２０に対して平行にはならない。ＳＳＨＯＥ１８や同等の対称レンズの対称性のため、レーザービーム１２Ｂは、レーザービーム１２ＡがＳＳＨＯＥ１８に入射したビーム軸１０Ａの延長であるビーム軸１０Ｂに沿ってＳＳＨＯＥ１８の出射面２４を出射することになる。それ故、熱ドリフトの場合のように、従来のＳＳＨＯＥ１８や同等な対称レンズは、位置決め不安定やその結果生じるビーム軸１０の角偏差を補正あるいは制御することは不可能である。
【００１０】
しかしながら、ビームシフト素子への入力ビームにおける不安定性及びズレは、しばしば、マイクロバイア穿孔のためのマイクロマシニングシステムなどの典型的なビーム送出システムでは、当該システムのビーム整形光学系によって生じるレーザービームの歪みによって他の問題がなお生じうる。
【００１１】
例えば、図８Ａから８Ｄに示すような典型的なレーザービーム送出システムでは、レーザー１２は通例、最適ガウスエネルギー分布形状を持つＴＥＭ００シングルモード・レーザービームを発生する傾向のある、ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザー又はダイオード励起ファイバ（ＤＰＦＬ）レーザーからなる。図８Ａから８Ｄに示すような典型的なシステムでは、ビーム整形光学系２６は、最適ガウス分布形状１２ＧＰを持つ出力ビーム１２Ｉをフラットトップ分布形状１２ＦＰ、即ち、特にマイクロマシニング作業に有利な一様なエネルギー分布形状を持つ出力ビーム１２Ｏに再整形するために使用され、典型的には、例えば、回折性又はホログラフィック・ビーム拡散器又は整形光学系からなる。
【００１２】
よく知られているように、レーザー１２の発生する入力ビーム１２Ｉは、励起ダイオード電流変化、調波水晶のズレ、パルス発信周波数や繰返し率の変化など、レーザー１２のパラメータの変化に伴って、数ミクロンから数百ミクロンにわたる量で横方向にドリフトする傾向がある。ビーム整形光学系２６の光学的中心線２６ＣＲに同軸な最適中心線１４からの入力ビーム１２Ｉのビーム軸１０のこのような横方向ドリフトの典型的な結果が図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ及び８Ｄに概略図示されている。図８Ａ及び８Ｂは、入力ビーム１２Ｉのビーム軸１０がビーム整形光学系２６の光学的中心線２６ＣＲに同軸である状況を示し、図８Ｂは、入力ビーム１２Ｉとその結果生じた出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状を重ね合わせて比較している。次に、図８Ｃ及び８Ｄは、入力ビーム１２Ｉのビーム軸１０がビーム整形光学系２６の光学的中心線２６ＣＲに対して横方向にずれている状況を示し、図８Ｄもまた、入出力ビームのエネルギー分布形状を重ね合わせて比較している。
【００１３】
しかしながら、図８Ａから８Ｄに示すように、ビーム整形光学系２６の軸に対する入力ビーム１２Ｉの横方向の各々のズレ、即ち、図８Ａ及び８Ｂの状況と図８Ｃ及び８Ｄの状況との各々のズレは、出力ビーム１２Ｏにおいて不均一なエネルギー分布形状を生じる。図８Ｃ及び８Ｄに示すような典型的な状況では、例えば、入力ビーム１２Ｉの横方向のズレ６４Ｏは出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状における「ホットスポット」６４Ｓと出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状における「不足」６４Ｄのどちらか一方あるいは両方を生じることになる。図示のように、ホットスポット６４Ｓは、目標よりも高いエネルギーレベルのエネルギー分布形状を持つ領域であり、不足６４Ｄは目標よりも低いエネルギーレベルのエネルギー分布形状を持つ領域である。この点に関して注意すべきは、ホットスポット６４Ｓは典型的にはエネルギー分布形状のうち入力ビーム１２Ｉの横方向のズレ６４Ｏの側に形成されるのに対して、不足６４Ｄは通例エネルギー分布形状のうち横方向のズレ６４Ｏとは反対側に生じるということである。
【００１４】
出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状におけるこのような歪みは、レーザーマイクロマシニングシステムなどのレーザービーム送出システムの性能を明白に低下させる。その結果、このようなビーム軸のズレはそれぞれ、出力ビーム１２Ｏの目標フラットトップ分布形状１２Ｆに復帰するためにはビーム送出システムの再調整を必要とする。システムの必要な再調整は、ビーム整形光学系２６を入力ビーム１２Ｉのビーム軸１０の新たな位置へ再調整することと入力ビーム１２Ｉのビーム軸１０をビーム整形光学系２６の光学的中心線２６ＣＲへ再調整することのどちらか一方又は両方によって行われる。どちらの再調整にも著しいシステム休止期間が必要となる。レーザービームの横方向ズレ毎にそのズレの原因に関わらずレーザービームシステム光学系又はレーザービームを再調整する必要があるということは、著しい問題となるということが理解されるであろう。というのも、典型的には、例えば、製造フロアに設置した工業用レーザーシステムの場合、１日に数回あるいは１交替に付き数回も再調整が必要となるからである。
【００１５】
この点では、レーザービームにおける望ましからざる横方向ズレから生じる問題の幾つかに対処するために補償器及び再配置素子を含む非対称光学素子を用いる場合、このような非対称素子は通例ホログラフィック又は回折性光学素子からなるということにも注意せねばならない。このような光学素子は通例一定の特性を持つが、レーザービームの有り得る横方向ズレが一定でないのに拘わらず一定であるので、所与のシステムにおけるレーザービームの有り得る横方向ズレの全範囲に十分対処できるわけではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、従来技術の持つこれらの問題及び関連する問題に対する解決策を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、レーザービームを発生するレーザー及びレーザービームをビーム経路に沿って目標に対して方向付け、整形及び収束させるための複数の光学素子を有するレーザービーム送出システムにおいてレーザー位置決め及び熱ドリフト不安定を制御及び補正するためのレーザービームの補償及び再配置のための補償器・再配置器及び方法を対象とする。
【００１８】
本発明によると、補償器・再配置器は、補償器素子と再配置器素子とを有する。補償器素子は、ある範囲の入力角と横方向変位を有する入力レーザービームを受光し、入力レーザービームの成分を均一分布平行成分を持つ整列済みレーザービームに再方向付けする。再配置器素子は、補償器素子からの整列済みレーザービームによって照明され、整列済みレーザービームの成分を、フラットトップレーザービームに再配置するのに最適な分布形状を持つ整形済みレーザービームに再配置する。
【００１９】
本発明の多様な実施例では、補償器素子は、全表面にわたって符号化されたコンピュータ発生ホログラミックレンズであっても良く、再配置器素子は、コンピュータ発生径方向対称回折光学素子（ＲＳＤＯＥ）又はコンピュータ発生径方向非対称回折光学素子（ＮＳＤＯＥ）であっても良い。
【００２０】
例えば、補償器素子は、基板と、基板の入力側に配置した視野レンズと、基板の出力側に配置した回折光学素子整形器と、視野レンズによって規定される開口とを有しても良い。また、補償器素子は、屈折レンズ素子で形成された補償器素子と、補償器素子の出力側に配置したコンピュータ発生ホログラフィック回折光学素子整形器とを有しても良い。この場合、屈折レンズが回折光学素子整形器の基板を形成し、整形器が開口を形成する。また別の実施例では、補償器素子は、基板と、基板の入力側に配置し、一体型視野レンズ素子及び整形器素子を形成する単一回折光学素子と、基板の出力側に形成した開口とを有しても良い。
【００２１】
本発明の現在の好適な実施例では、整形器素子の配列済みレーザービーム出力は非円形ガウス分布形状を持ち、再配置器素子の整形済みレーザービーム出力は円形ガウス分布形状を持つ。
【００２２】
また、本発明は、入力レーザービームのビーム軸が径方向及び大小に関して可変な横方向ズレを受けるシステムにおいて、入力レーザービームの入力エネルギー分布形状を出力レーザービームの目標出力エネルギー分布形状に変換するための径方向非対称ビーム形成素子を対象とする。
【００２３】
本発明のビーム形成素子は、入力エネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状に変換するための第１分布形状変換機能と、入力レーザービームの横方向ズレが導入された出力エネルギー分布形状における歪みを補正するように第１分布形状変換機能を修正するために第１分布形状変換機能に追加された分布形状補正変換機能とを有する分布形状変換機能を有する光学素子を有する。
【００２４】
現在の好適な一実施例では、径方向非対称ビーム形成素子の分布形状補正変換機能は、不足分布形状変換機能とホットスポット分布形状変換機能との少なくとも１つを有する。不足分布形状変換機能は、入力レーザービームの横方向ズレから生じるホットスポットに対応する位置で補償用不足エネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状に追加するために第１分布形状変換機能に追加される。ホットスポット分布形状変換機能は、同様に、入力レーザービームの横方向ズレから生じる不足に対応する位置で補償用ホットスポットエネルギー分布形状を目標出力エネルギー分布形状に追加するために第１分布形状変換機能に追加される。
【００２５】
本発明によれば、更に、ビーム形成素子の光学軸は、入力レーザービームのビーム軸に対して平行に位置合わせされる一方で、入力レーザービームのビーム軸の最大期待横方向ズレに比例した距離だけ入力レーザービームのズレの無いビーム軸からずらされるので、入力レーザービームは光学素子の光学軸に対して平行且つズレた状態でビーム形成素子を通る。
【００２６】
更に別の実施例では、ビーム形成素子は、入力レーザービームの現在の横方向ズレに対する分布形状変換機能の調整を可能にするために、光学素子の光学軸を中心にした分布形状変換機能の回転を可能にする回転マウントに支持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
ここで、例示によって添付図面を参照しながら本発明を説明する。
【００２８】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２９】
Ａ．  概要
本発明によれば、図４及び図５Ａから５Ｆに概略図示するように、熱ドリフトによる径方向変位と位置決め不安定による角偏差の一方又は両方は、図４に示すように非対称素子（ＮＳＥ）２６によって補正できる。図示のように、ＮＳＥ２６は、例えば、非対称ホログラム光学素子（ＮＳＨＯＥ）や、非対称レンズや非対称屈折素子や非対称回折素子などの同等の光学素子である。図示のように、ＮＳＥ２６はＳＳＨＯＥ１８や同等の対称素子とは違って、ＮＳＥ２６を横切るレーザービーム１２のビーム軸１０の経路は、ＮＳＥ２６をレーザービーム１２が通過中に補正角φだけ屈折又は曲げられる。次に更に論じることになるが、ＮＳＥ２６の一実施例では、角φは入射ビーム軸１０のＮＳＥ２６の中心線軸２８からの径方向変位Δの増加に従って増加する。ＮＳＥ２６の第２実施例では、補正角φはＮＳＥ２６の平面に対する入射レーザービーム１２のビーム軸１０の入射角αの減少に従って増加する。
【００３０】
熱ドリフトによる径方向変位と位置決め不安定による角偏差の一方又は両方を補正するためのドリフト・偏差補正素子３０の実施例は図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃに例示される。
【００３１】
図５Ａは、位置決め不安定によるレーザービーム１２の角偏差を補正するためのドリフト・偏差補正素子３０の一実施例を示す。図示のように、本例では、ドリフト・偏差補正素子３０は、非対称ホログラム光学素子（ＮＳＨＯＥ）や同等の非対称レンズなどの単一ＮＳＥ２６、２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ又は２６Ｓからなる。
【００３２】
まず図５Ａに示すような位置決め不安定による角偏差の幾何学的様相を考慮して、位置決め不安定から生じる角偏差を有するレーザービーム１２を、一点、即ち、レーザー１６から放射されたものと考えると、各レーザービーム１２のビーム軸１０は、ゆらぎの度合いによって決まる角偏差θで当該点から外側に向かって放射され、それはレーザービーム１２がＮＳＥ２６の平面に衝突するまで続く。図５Ａに示す素子配置を考慮すると、ビーム軸１０とＮＳＥ２６Ａの平面との入射角αは、角偏差θが増加するのに従ってある相互関係で減少することが分かる。また、ＮＳＥ２６Ａの中心線軸２８とビーム軸１０がＮＳＥ２６Ａに入射する点との径方向変位Δは、角偏差θが増加するのに従って増加することが分かる。換言すれば、角偏差θは、ＮＳＥ２６Ａに対する入射角αに逆比例すると共に、ＮＳＥ２６Ａの中心線軸２８からの径方向変位Δに比例する。
【００３３】
位置決め不安定による角偏差の補正には、レーザービーム１２のビーム軸１０を適切な方法で方向付ける補正角φで再方向付けすること、即ち、曲げたり屈折したりすることが必要なことは明らかであろう。この点に関して、例えば、補正角φは、ビーム軸１０がＮＳＥ２６Ａを出射するや否やＨＯＥ軸２０と平行になるように構成しても良い。他の例では、補正角φは、第２ＮＳＥ（図示せず）の入射面など、ＮＳＥ２６Ａから所定距離だけ離れた選択点又は領域上にレーザービーム１２を方向付けするように構成しても良い。
【００３４】
どちらの場合も、上述の角偏差幾何学の説明から分かるように、補正角φの大きさは、それ故、径方向変位Δの増加又は入射角αの減少に従って増加しなければならない。それ故、角補正ＮＳＥ２６Ａの第１実施例では、例えばＮＳＨＯＥ又は同等の非対称レンズである角補正ＮＳＥ２６Ａは、補正角φが角補正ＮＳＥ２６Ａの中心軸からの径方向距離に比例して増加するように構成される。上述のように、それ故、ビーム軸１０の角偏差θが大きくなればなるほど、ビーム軸１０の角補正ＮＳＥ２６Ａの中心軸からの径方向変位Δは大きくなり、補正角φも大きくなる。
【００３５】
角補正ＮＳＥ２６Ａの第２実施例では、角補正ＮＳＥ２６Ａは、補正角φが入射角αの減少に従って、即ち、ビーム軸１０の角偏差θの増加に従って増加するように構成される。しかしながら、角偏差θ、入射角α及び径方向変位Δの関係から、この２つの角補正ＮＳＥ２６Ａの実施例は等価であることが分かる。
【００３６】
それ故、図５Ａに示すように、ドリフト・偏差補正素子３０の角補正ＮＳＥ２６Ａは、角偏差θに比例した補正角φでレーザービーム１２を曲げたり屈折させたりすることによって角偏差θを補正する。その結果、ＨＯＥ軸２０に対して平行でないビーム軸１０を持つ如何なるレーザービーム１２も補正角φで曲げられ、ビーム軸１０はＨＯＥ軸２０に平行となるか、又は、ビーム軸１０は選択焦点又は領域に方向付けられる。
【００３７】
角補正ＮＳＥ２６Ａの動作の結果は図５Ｂに示される。図５Ｂは、最適中心線１４を中心にした補正済みビーム１２Ｃの有り得る分布を未補正ビーム１２Ｕの有り得る分布と比較して示すレーザー１６の端面図である。
【００３８】
次に図５Ｃは、熱ドリフトによるレーザービーム１２の径方向変位を補正するドリフト・偏差補正素子３０の一実施例を示す。前述のように、熱ドリフトあるいは同様な径方向変位の原因は、ビーム軸１０の目標最適中心線１４からの角偏差ではなくて最適中心線１４からの径方向変位を生じる。このため、径方向変位、即ち、熱ドリフトは、ＮＳＥ２６に対して約９０°の入射角αを有するビーム軸１０を生じ、径方向変位Δの補正は入射角αではなく径方向変位Δの関数となる。
【００３９】
図示のように、本例では、ドリフト・偏差補正素子３０は、変位補正ＮＳＥ２６Ｂとそれに続くコリメーティングＮＳＥ２６Ｃとからなり、それぞれ、例えば非対称ホログラム光学素子又は同等の非対称レンズであって良い。
【００４０】
本実施例では、上述のように、変位補正ＮＳＥ２６Ｂの補正角φは、変位補正ＮＳＥ２６Ｂの中心線軸２８とレーザービーム１２のビーム軸１０が変位補正ＮＳＥ２６Ｂの平面に入射する点との径方向変位Δに比例して径方向に増加する。ドリフト補正ＮＳＥ２６Ｂの効果は、それ故、ビーム軸１０の径方向変位Δに比例した補正角φ、即ち、レーザービーム１２の熱ドリフトに比例した角で、レーザービーム１２を屈折させたり曲げたりすることである。熱ドリフトから生じるレーザービーム１２のビーム軸１０の変位は径方向であり、レーザービーム１２のビーム軸１０はそれ故最適中心線１４にほぼ平行となるので、ビーム軸１０は通常変位補正ＮＳＥ２６Ｂの入射面に垂直となる。このように、変位補正ＮＳＥ２６Ｂの賦課する補正角φは、変位補正ＮＳＥ２６Ｂから一定距離にある点あるいは小領域上にビーム軸１０を凝縮、即ち、方向付け又は集束させることになる。図５Ｃに図示するように、変位補正ＮＳＥ２６Ｂの焦点は、コリメーティングＮＳＥ２６Ｃとして示されたドリフト・偏差補正素子３０の第２素子の入射面上あるいはその付近にある。
【００４１】
コリメーティングＮＳＥ２６Ｃは、幾つかの点で、角補正ＮＳＥ２６Ａの逆変換に類似である。即ち、図示のように、レーザービーム１２は、それぞれのビーム軸１０が凡そコリメーティングＮＳＥ２６ＣのＨＯＥ軸２０に対して角α、即ち、角偏差θに類似の角となるように、補正ＮＳＥ２６ＢからコリメーティングＮＳＥ２６Ｃに入射する。図示のように、コリメーティングＮＳＥ２６Ｃは、レーザービーム出射コリメーティングＮＳＥ２６Ｃのビーム軸が平行となるように、入射角αに逆比例する補正角φで各入射レーザービーム１２を再方向付けしたり曲げたりする。
【００４２】
変位補正ＮＳＥ２６Ｂとそれに続くコリメーティングＮＳＥ２６Ｃからなるドリフト・偏差補正素子３０は、それ故、まず各レーザービーム１２の径方向変位を減少させるようにレーザービーム１２を再方向付け、所定の距離にある所定の領域にレーザービーム１２を集束又は方向付けし、その後ビーム軸１０の相対角を目標最適中心線１４に対して平行となるように補正することによって、熱ドリフトによる径方向変位を補正することができる。
【００４３】
こうしたドリフト・偏差補正素子３０の動作は図５Ｄに示される。図５Ｄは、最適中心線１４を中心にした補正済みビーム１２Ｃの有り得る分布を未補正ビーム１２Ｕと比較して示す。
【００４４】
次に図５Ｅに示された場合を考えると、位置決め不安定による角偏差と熱ドリフトによる径方向変位は別個に発生することは希で、両方の影響が所与の状況に現存する方が普通であるということが分かるであろう。このように、全てのレーザービーム１２ではないにしても多くのレーザービーム１２は、角偏差と径方向変位の両方を呈し、所与のレーザービーム１２がＮＳＥ２６Ｄに衝突するＮＳＥ２６Ｄの中心線軸２８からの径方向距離は、径方向変位又は角偏差、又は程度の差はあれ、その両方によるものであり得る。
【００４５】
このように、２素子ドリフト・偏差補正素子３０は、例えば、偏差補正ＮＳＥ２６Ａとそれに続く変位補正ＮＳＥ２６Ｂとを用いて構成しても良い。それぞれ上述のように機能し、この組み合わせによって、まずレーザービーム１２の角偏差を補正して、角偏差によって決まる補正角φによって平行ビーム軸１０を持つ出力レーザービーム１２に各レーザービーム１２を再方向付けする。それ故、この第１段では、事実上、角偏差を径方向変位にそして径方向変位を角変位に変え、出力レーザービーム１２は径方向変位のみを示すこととなる。その後の第２段で、最終的なレーザー出力ビーム１２を提供するために、図５Ｃで論じたように径方向変位を補正することになる。
【００４６】
ドリフト・偏差補正素子３０の他の実施例が図５Ｅに示される。これは、角補正ＮＳＥ２６Ａと変位補正ＮＳＥ２６Ｂの両方の特性を単一の角・変位補正ＮＳＥ２６Ｄに組み合わせたものであり、例えば、ＮＳＨＯＥからなる。本例では、補正角φは、衝突レーザービーム１２のＨＯＥ軸２０からの径方向変位と角・変位補正ＮＳＥ２６Ｄへのレーザービーム１２の入射角αの両方の関数となるので、単一角・変位補正ＮＳＥ２６Ｄは角補正ＮＳＥ２６Ａと変位補正ＮＳＥ２６Ｂの両方の機能を実行する。
【００４７】
どちらの実施例でも、ドリフト・偏差補正素子３０の出力はコリメーティングＮＳＥ２６Ｃを通過して平行ビーム１２となり、整形器素子２６Ｓに通される。この点で、コリメーティングＮＳＥ２６Ｃと整形器素子２６Ｓの順番はどのように配置してもよく、これらの素子は、例えば、必要な機能を実行するＮＳＨＯＥやＨＯＥや非球面光学素子やその他の素子からなっても良いことが分かるであろう。
【００４８】
図５Ｅに示す実施例の結果は、最適中心線１４を中心にした補正済みビーム１２Ｃの有り得る分布をドリフト未補正ビーム１２ＵＤ及び角未補正ビーム１２ＵＡと比較して図５Ｆに示す。
【００４９】
Ｂ．  本発明の詳細な説明
レーザービームの角偏差及び径方向ドリフトを補正又は補償する本発明の一般的な方法と装置を説明してきたが、次に、上述の一般的な原理及び装置の現在の好適な実施例を説明する。
【００５０】
図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃを参照すると、以後システム３２として総称する典型的なシステム３２Ａ、３２Ｂ及び３２Ｃの実施例が示されている。それぞれのシステムは、本発明の補償器・再配置器３４を有する。後述のように、補償器・再配置器３４はある範囲の入力角及び横方向変位にわたって入力ビームを受け付け、補償器・再配置器３４からの入力ビームを最終的な出力ビームに整形する後続の素子に最適な出力分布形状を持つ出力ビームを提供するように入力ビームの入力分布形状を「再配置」する。
【００５１】
図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃに示すように、システム３２はレーザービームを発生するレーザー３６を有する。発生したレーザービームは、一般にビーム３８として同定され、ビーム経路４０に沿って１つ以上の目標４２に伝達される。注意すべきは、ある種のシステムでは、ビーム３８は個々にあるいは一群単位で操縦可能な一群のビームレットに分割される場合もあるが、本発明の趣旨として、以降の説明ではビーム３８として総称することである。図示のように、ビーム経路４０は典型的には、ビーム経路４０に沿ってビーム３８を形成、集束及び整形するレンズ４４Ｌ及びミラー４４Ｍなどの多くの光学素子４４を含む。
【００５２】
典型的なレーザーシステム３２の光学素子４４は、例えば、レーザー３６の放射するビーム３８を最初に整形、集束する複数のレンズ４４Ｌの組立品であるアップテレスコープ組立品４４ＬＴを有する。アップテレスコープ組立品４４ＬＴの後段には補償器・再配置器３４が続いても良い。補償器・再配置器３４は、下記に詳述するが、整形済み分布形状３８ＳＰを持つ最終整形済みビーム３８Ｓに再配置する後続の整形器４６に最適なものとして選択される再配置済み分布形状３８ＲＰを持つ再配置済みビーム３８Ｒに補償器・再配置器３４への入力ビーム３８Ｉを再配置する１つ以上の素子からなっても良い。マイクロバイア穿孔用のシステム３２における現在好適な一実施例では、例えば、再配置済み分布形状３８ＲＰは円形ガウス分布形状であり、整形済み分布形状３８ＳＰは典型的には「フラットトップ」分布形状、即ち、ビーム３８の直径にわたってほぼ均一なエネルギー分布を持つ分布形状となる。その後、後続の開口４８がビーム３８Ｓを更に整形、特にビーム３８Ｓの横分布形状像を整形する。
【００５３】
最後に、図示のように、ビーム経路３８は、ビーム３０又はビームレット３０Ｂを再方向付け操縦するための、固定ミラー４４Ｍとガルバノ制御された可動ミラー４４Ｍとを更に有し、典型的には、ビーム３０又はビームレット３０Ｂを最終的に整形、集束するためのＦθレンズなどの最終レンズ４４Ｌを有することになる。
【００５４】
Ｃ．  補償器・再配置器３４
上述のように、本発明によれば、ビーム経路４０は、入力分布形状３８ＩＰを持つ入力ビーム３８Ｉを受け付け、最終的な分布形状に再配置する後続の整形器４６に最適な再配置済み分布形状３８ＲＰを有する再配置済みビーム３８Ｒを提供するように入力ビーム３８Ｉの分布形状を「再配置」する。本発明の現在の好適な一実施例では、補償器・再配置器３４は補償器３４Ｃ素子を有し、その補償器３４Ｃ素子は、典型的にはある範囲の入力角及び横方向変位を持つビーム又はビーム成分を有する入力ビーム３８Ｉを受け付け、本質上均一に分布されて平行であり、例えば、後続の再配置器３４Ｒ素子を均一に照明する非円形分布形状を持つビーム成分を有する整列済みビーム３８Ａを発生する。その後、再配置器３４Ｒは出力された整列済みビーム３８Ａを円形ガウス分布形状などの最適再配置済み分布形状３８ＲＰを持つ再配置済みビーム３８Ｒに再配置する。再配置済みビーム３８Ｒはその後、整形器４６によって、例えばフラットトップ分布形状を持つ整形済みビーム３８Ｓに再配置されても良い。
【００５５】
Ｄ．  補償器３４Ｃ
補償器・再配置器３４の現在の好適な一実施例では、補償器３４Ｃ素子は、コンピュータ発生ホログラム素子、つまり、「ＣＧＨ」であり、異なる入力角且つ異なる横方向変位で入力ビーム３８Ｉによって照明可能であり、再配置器３４Ｒを照明する均一分布で平行な整列済みビーム３８Ａに入力ビーム３８Ｉを形成する。現在の実施例では、例えば、補償器３４Ｃへの入力ビーム３８Ｉは本質上如何なる分布形状を持ってもよく、整列済み分布形状３８ＡＰは、例えば、非円形分布形状でよい。
【００５６】
本発明の現在の好適な一実施例では、補償器３４Ｃは、その全表面にわたって符号化されたホログラフィックレンズとして実現される。補償器３４Ｃの符号化面又はその如何なる部分も、それ故、入力ビーム３８Ｉを整列済みビーム３８Ａに再配置するのに必要な全ての情報を有するので、補償器３４Ｃは、補償器３４Ｃの表面の何処が入力ビーム３８Ｉによって照明されているかに拘わらず入力ビーム３８Ｉを再配置することになる。しかし注意すべきことは、後述するように、補償器３４Ｃは他の形式で実現しても良いということである。
【００５７】
図５Ａ〜５Ｆを参照して上述した補償器３４Ｃの実現及び動作を詳細に考えると、熱ドリフトによる径方向変位と位置決め不安定による角偏差の一方又は両方は、非対称素子（ＮＳＥ）２６を具体化、実現する補償器３４Ｃによって補正できる。上述のように、ＮＳＥ２６は、例えば、非対称ホログラム光学素子（ＮＳＨＯＥ）、即ち、ある種のＣＧＨ素子、又は、非対称レンズや非対称屈折素子や非対称回折素子などの同等の光学素子である。上述のように、ＮＳＥ２６はＳＳＨＯＥ１８や同等の対称素子とは異なり、ＮＳＥ２６を横切るレーザービーム１２のビーム軸１０の経路は、レーザービーム１２がＮＳＥ２６を通過する間に補正角φで屈折されたり曲げられたりする。例えば、上述のように、ＮＳＥ２６の一実施例では、角φは、入射ビーム軸１０のＮＳＥ２６の中心線軸２８からの径方向変位Δの増加に従って増加する。ＮＳＥ２６の別の実施例では、補正角φは、ＮＳＥ２６の平面に対する入射レーザービーム１２のビーム軸１０の入射角αの減少に従って増加する。
【００５８】
ここで図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄを参照すると、横方向ドリフト及び角誤差の補正及び補償を実行する単一又は複数の補償器３４Ｃ素子の現在の好適な代替実施例が示される。当業者には分かることであるが、単一又は複数の補償器３４Ｃ素子は、単一及び複数のＮＳＥ２６による様々な形式に関して本明細書において上述した原理、構造及び素子を用いて実現することができる。単一又は複数の補償器３４Ｃ素子は、例えば、多機能屈折光学素子（ＭＦＤＯＥ）、集積多機能屈折光学素子（ＩＭＦＤＯＥ）、多機能ホログラフィック光学素子（ＭＦＣＧＨ）、多機能フレネルプリズム（ＭＦＦＺＰ）、他のＣＧＨ、目標機能を実施可能な光学組立品として具体化できる。
【００５９】
例えば、図７Ａに示す補償器３４Ｃは、入力側５０Ｉに視野レンズ５２を、出力側５０ＯにＤＯＥ整形器５４を備えた基板５０からなり、視野レンズ５２とＤＯＥ整形器５４はホログラフィック光学素子からなり、また、視野レンズ５２は開口５６を規定する。視野レンズ５２とＤＯＥ整形器５４は、典型的には、上述のように、横方向ドリフト及び角誤差の補正及び補償を実行するように構成されたＣＧＨ素子であり、開口５６は補償器３４Ｃを通過するビームを整形し、入力ビーム３０Ｉのうち、視野レンズ５２とＤＯＥ整形器５４の範囲外にある部分を阻止する。
【００６０】
次に図７Ｂは開口５６を有する補償器３４Ｃを示すが、ＤＯＥ整形器５４は、視野レンズ５２を構成する屈折レンズ素子の出力面上のＣＧＨ素子として実現される。図示のように、本実施例は、視野レンズ５２を構成する屈折レンズが基板として機能するので、別個の基板５０を必要としない。
【００６１】
図７Ｃは基板５０を用いる補償器３４Ｃの一実施例を示し、視野レンズ５２と整形器５４は、基板５０の入力側５０Ｉに搭載した単一化合物又は複合体のホログラフィックＤＯＥレンズ素子に統合される。また、本実施例は、基板５０の出力側５０Ｏに形成した開口６０を有する。
【００６２】
最後に図７Ｄは補償器３４Ｃの一実施例を示し、視野レンズ５２と整形器５４は、ここでも、基板５０の入力側５０Ｉに搭載した単一化合物又は複合体のホログラフィックＤＯＥレンズ素子に統合される。ただし、本例では、開口５６は、入力側５０Ｉで視野レンズ５２・整形器５４素子を取り囲むＤＯＥ偏向開口によって形成される。当業者には分かることであるが、偏向開口は機能上は開口であるが、入力ビーム３０Ｉのうち、視野レンズ５２・整形器５４素子の範囲外にある部分は偏向除外する。
【００６３】
Ｅ．  再配置器３４Ｒ
ここで図７Ｅを参照すると、補償器３４Ｃと連係して補償器・再配置器３４で使用可能な再配置器３４Ｒの一実施例が示されている。
【００６４】
上述のように、補償器３４Ｃは入力ビーム３８Ｉによって照明されるが、入力ビーム３８Ｉの成分は異なる入力角と異なる横方向変位を有しているので、再配置器３４Ｒを照明する均一分布で平行な配列済みビーム３８Ａに当該入力ビーム３８Ｉを形成することになる。例えば、配列済みビーム３８Ａが非円形ガウス分布形状を持つならば、再配置器３４Ｒは配列済みビーム３８Ａを、例えば円形ガウス分布形状である分布形状３８ＲＰとして示された最適分布形状を持つ再配置済みビーム３８Ｒに再配置する。再配置済みビーム３８Ｒはその後、整形器４６によって、フラットトップ分布形状などの整形済み分布形状３８ＳＰを持つ整形済みビーム３８Ｓに再配置される。
【００６５】
現在の好適な一実施例では、再配置器３４Ｒは、均一分布で平行な配列済みビーム３８Ａを補償器３４Ｃから受け付け、非円形ガウス分布形状を持っても良い配列済みビーム３８Ａの分布形状を平行化、収束及び再配置して、円形ガウス分布形状などの整形器４６にとっての目標分布形状を持つ再配置済みビーム３８Ｒを形成する径方向対称屈折光学素子（ＲＳＤＯＥ）又は非対称屈折光学素子（ＮＳＤＯＥ）として実現されるＣＧＨである。
【００６６】
本発明の補償器・再配置器３４の素子構成のうちの幾つかは既に論じてきたが、補償器・再配置器３４が多くの方法で配置した多くの素子から構成可能であることは上述説明から分かるであろう。しかし、現在好適な補償器・再配置器３４の構成は、ＤＯＥ素子とそれに続くＣＧＨ素子を持つ２素子設計である。この２素子構成では、２素子の光学系間の間隔は最適距離を５０ｍｍとする凡そ５０ｍｍから１５００ｍｍであり、補償器・再配置器３４の最適正味開口は凡そ０．４ｍｍから２５ｍｍである。
【００６７】
最後に、本発明の上述光学素子は市販のものであり、例えば、アラバマ州ハンツビルのＭＥＭＳオプティカル、フィンランドのヘプタゴン、スイス・ヌーシャテルのＳＵＳＳマイクロオプティックス、又は、ノースカロライナ州シャーロットのデジタルオプティックス社から入手可能又はそれらによって製造可能である。
【００６８】
上述の発明には、本明細書に含まれた発明の精神及び範囲から逸脱することなく変更を加えられるので、上述の説明や付属図面で示した材料の全ては、本明細書において発明概念を説明する単なる例として解釈されるべきものであり、発明を制限するものとして解釈されるべきではない。
【００６９】
〔第２の実施形態〕
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、前記第１の実施形態と図１ないし図７についての説明は重複する部分が多いので、説明は適宜省略し、本実施形態に係る部分について主に説明する。
【００７０】
従来技術の上述の問題に対処するため、
１）熱ドリフトによる径方向変位と位置決め不安定による角偏差のどちらか一方あるいは両方を非対称素子によって補正する。  
２）補償器及び再配置非対称素子の形で径方向（横方向）変位及び位置決め不安定を補正する。  
３）横方向（径方向）にドリフトしたレーザービームを再位置合わせし、ビーム整形素子の出力ビームのエネルギー分布形状から「ホットスポット」を除去し、ビーム整形素子の出力ビームの目標エネルギー分布形状を回復する。  
などの方法があり、この方法を実施するための装置や素子がある。この内、１）及び２）は第１の実施形態において図１ないし図７を参照して説明した通りであるので、説明は省略する。
【００７１】
そこで、以下、前記３）に対応する実施形態、すなわち、横方向ズレ歪みを補正するための径方向非対称回折及びホログラフィックビーム形成光学素子によるビーム整形について説明する。
【００７２】
例えば、最適ガウス分布形状１２ＧＰを持つ入力ビーム１２Ｉをフラットトップ分布形状１２ＦＰを持つ出力ビーム１２Ｏに再整形するためにビーム整形光学系が通常用いられることは前記第１の実施形態において既に述べた。しかし、多くの理由で、ビーム整形光学系へのレーザービーム入力は横方向ズレ、即ち、ビーム整形光学系の光学的中心線に対する径方向のズレを受ける可能性があることも既に述べた。上述のように、入力ビームにおけるこのような横方向ズレは、出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状に望ましからざる「ホットスポット」や「不足」を生じ得る。
【００７３】
また、これも本明細書において上述したことであるが、非対称光学素子を用いて、熱ドリフトによるレーザービームの径方向変位及び位置決め不安定によるレーザービームの角偏差を補正しても良い。また、補償器及び再配置素子を用いて、ビーム整形素子などの後続素子に最適な出力分布形状を持つ出力ビームを提供できるよう入力ビームのエネルギー分布形状を「再配置」しても良い。これらの方法を用いてビーム整形光学系へのレーザービームの横方向ズレから生じる問題に対処して、レーザービームを必要に応じて再方向付けあるいは再整形しても良いが、これらの方法は全ての場合に利用可能なものあるいは好ましいものとは限らない。例えば、別途光学素子を使用することはシステムのコストや複雑性の一方あるいは両方を容認出来ないあるいは不経済なレベルにまで高めるかも知れず、あるいは、システムのエネルギー変換効率を容認できないほど低下させるかも知れない。
【００７４】
また、補償器及び再配置素子を含むこのような非対称光学素子は典型的にはホログラフィック又は回折光学素子からなるが、通常一定特性を持っている。しかし、レーザービームの横方向ズレは一定ではなく、相対的に広範囲な方向及び量にわたって変化するので、ホログラフィック及び回折光学素子では、所与のシステムにおけるレーザービームの有り得る横方向ズレの全範囲に対して十分には対処できない恐れがある。
【００７５】
本発明のこの様相によれば、それ故、ビーム整形光学素子への入力ビームの横方向ズレから生じる問題を、好適には、また、多くの場合において、別途光学素子を必要とすることなく解決しなければならない。また、これらの問題に対する解決策は、好適には、一定特性を持つホログラフィック又は回折光学素子などの固定光学素子によって提供されなければならない。固定光学素子は可変素子よりもコストが低く、複雑さも低いからである。本解決策は、しかしながら、入力ビームの実際の横方向ズレに対して固定光学素子を即座に調整あるいは適応させることができなければならない。実際の横方向ズレは、方向及び量の双方に関して相対的に広範囲にわたって発生する可能性がある。
【００７６】
図９Ａ及び９Ｂは、ガウス分布形状１２ＧＰを持つ入力ビーム１２Ｉをフラットトップ分布形状１２ＦＰを持つ出力ビーム１２Ｏに再整形するためのビーム整形変換機能６２Ｔを有する非対称ビーム形成光学素子６２を示す。このとき、入力ビーム１２Ｉのビーム軸１０はビーム整形光学素子６２の光学軸に対して横方向ズレ６４を有する。
【００７７】
図９Ａ及び９Ｂに概略図示するように、ビーム形成変換機能６２Ｔとして非対称ビーム形成光学素子６２に実現されるエネルギー分布形状変換機能は、入力ガウス分布形状１２ＧＰを非対称分布形状１２ＮＰに変換するように設計される。後述するように、非対称分布形状１２ＮＰと対応ビーム形成変換機能６２Ｔは、入力ビームの横方向ズレによって導入されたビーム形成歪みの予想範囲を補償するように設計される。この点及び次の説明の点では、ビーム形成変換機能６２Ｔは、入力ビーム１２Ｉのガウス分布形状１２ＧＰ、入力ビーム１２Ｉの横方向ズレの予想範囲、及び、出力ビーム１２Ｏに目標フラットトップ分布形状１２ＦＰを生ずるのに必要な非対称分布形状１２ＮＰによって決定され、それらの関数となる。
【００７８】
ビーム形成変換機能６２Ｔによって実行される変換機能は、図９Ａ及び９Ｂを参照して、また、ガウス分布形状１２ＧＰと非対称ビーム形成光学素子６２の好学中心線６２Ｃを中心とするビーム軸１０とを有する入力ビーム１２Ｉの照明によってビーム形成変換機能６２Ｔから生じる非対称分布形状１２Ｎを考慮して説明しても良い。入力ビーム１２Ｉから非対称分布形状１２ＮＰを持つ出力ビーム１２Ｏを発生するビーム形成変換機能６２Ｔは、非対称分布形状１２ＮＰが非対称ビーム形成光学素子６２に対する入力ビーム１２Ｉの横方向ズレによって生じる歪みを補償する特徴を有するように設計される。
【００７９】
図９Ａ及び９Ｂに示すような代表的な場合には、非対称分布形状１２ＮＰは事実上、重畳された補償分布形状１２ＣＰを有するフラットトップ分布形状１２ＦＰからなり、補償分布形状１２ＣＰの具体的な形は、入力ビーム１２Ｉのドリフトによって出力ビーム１２Ｏの分布形状に導入される具体的な歪みによって決まる。典型的な例では、例えば、補償分布形状１２ＣＰは、重畳された非対称ホットスポット分布形状１２ＨＰと重畳された非対称不足分布形状１２ＤＰの一方又は両方を有し、入力ビームの横方向ズレによって導入される予想歪みによって決まる。
【００８０】
典型的な補償分布形状１２ＣＰの成分を個々に考えると、非対称不足分布形状１２ＤＰは、入力ビーム１２Ｉのズレのために出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状に生ずるホットスポット６４Ｈを少なくとも意味ある程度まで補償あるいは相殺するように設計される。図示のように、非対称不足分布形状１２ＤＰは、典型的には、潜在的なホットスポット６４Ｈ上にほぼ重畳されるように、変換半径６２Ｒに沿って且つ非対称フラットトップ分布形状１２ＮＰのフラットトップ分布形状１２ＦＰ成分の外周縁に対してビーム形成光学素子６２の光学的中心線６２Ｃからズレている。非対称不足分布形状１２ＤＰは、典型的には、非対称フラットトップ分布形状１２ＮＰの全周に沿って延伸せず、ホットスポット６４Ｈを包含すると期待される部分にのみ沿って延伸する。また、注意すべきことは、変換半径６２Ｒは、典型的には、入力ビーム１２Ｉのビーム軸１０が非対称ビーム形成光学素子６２の光学的中心線６２Ｃに対してずれる径方向あるいは横方向に延伸することである。というのも、この方向には、ホットスポット６４Ｈが通常発生することになるからである。
【００８１】
次に、非対称ホットスポット分布形状１２ＨＰは、入力ビーム１２Ｉのズレのために出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状に生ずる不足６４Ｄを少なくとも意味ある程度まで補償あるいは相殺するように構成される。非対称ホットスポット分布形状１２ＨＰは、典型的には、変換半径６２Ｒに沿って且つ非対称フラットトップ分布形状１２ＮＰのフラットトップ分布形状１２ＦＰ成分の外周縁に向かって非対称ビーム形成光学素子６２の光学的中心線６２Ｃからずれている。非対称ホットスポット分布形状１２ＨＰもまた、典型的には、非対称フラットトップ分布形状１２ＮＰの全周に沿って延伸せず、不足６４Ｄを包含すると期待される部分にのみ沿って延伸する。しかし、この場合に注意すべきことは、変換半径６２Ｒは、典型的には、入力ビーム１２Ｉのビーム軸１０が非対称ビーム形成光学素子６２の光学的中心線６２Ｃに対してずれる径方向あるいは横方向とは反対方向、即ち、非対称不足分布形状１２ＤＰとは凡そ逆方向に延伸することである。というのも、この方向には、不足６４Ｄが通常発生することになるからである。
【００８２】
ビーム形成変換機能６２Ｔを簡単に考察すると、上述のように、ビーム形成変換機能６２Ｔは、入力ビーム１２Ｉのエネルギー分布形状、出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状、及び、入力ビーム１２Ｉの予想横方向ズレから生じると期待される歪みを補償あるいは補正するのに必要な補償分布形状１２ＣＰによって決定される。本例では、それ故、非対称分布形状１２ＮＰに対応させる場合には、ビーム形成変換機能６２Ｔは、ホットスポット変換機能６２ＴＨ及び不足変換機能６２ＴＤの一方あるいは両方からなる追加補償変換機能６２ＣＴを備えたフラットトップ変換機能６２ＴＦからなる。
【００８３】
非対称ビーム形成光学素子６２の動作は、非対称ビーム形成光学素子６２の光学的中心線６２Ｃに対してずれたビーム軸１０を持つ入力ビーム１２Ｉによって非対称ビーム形成光学素子６２が照明される場合に発生する出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状と、ずれていないビーム軸１０を持つ入力ビーム１２Ｉによって照明される場合に発生する出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状とを考慮して説明できる。入力ビーム１２Ｉが非対称ビーム形成光学素子６２に対してずれていない場合、生じる出力ビーム１２Ｏは、従って、具体的なビーム形成変換機能６２Ｔによって決まる、追加非対称ホットスポット分布形状１２ＨＰ及非対称不足分布形状１２Ｄの一方又は両方を備えたフラットトップ分布形状１２ＦＰからなる非対称分布形状１２ＮＰを持つことになる。しかし、注意しなければならないことは、入力ビーム１２Ｉが横方向にずれていない場合、エネルギー分布形状の歪みは存在しないかも知れないので、ビーム形成変換機能６２Ｔが存在しない歪みを補正しようとして出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状に歪みを持ち込むかも知れないということである。この考察は以下において更に論じることとする。
【００８４】
しかし、ビーム形成光学素子６２がビーム形成光学素子６２の光学的中心線６２Ｃからずれた入力ビーム１２Ｉによって照明される場合、生じる出力ビーム１２Ｏはフラットトップ分布形状１２Ｆを持つことになる。このような結果の生じる理由は、ビーム形成変換機能６２Ｔの補償変換機能６２ＣＴ成分がホットスポット６２Ｈ及び不足６４Ｄなどの歪みを出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状に導入して入力ビーム１２Ｉの横方向ズレから生じる歪みを補償あるいは相殺するからである。
【００８５】
次に、本発明の更なる様相を考察すると、入力ビーム１２Ｉのビーム軸１０の横方向ズレ６４はシステムを通るビームのズレのない経路に対して、即ち、非対称ビーム形成光学素子６２の光学的中心線６２Ｃに対して方向及び大きさにおいて大きく変化する可能性があることは本明細書において上述した。しかし、ビーム形成変換機能６２Ｔは非対称なので、入出力ビームのエネルギー波形に与えるビーム形成変換機能６２Ｔの影響は、ビーム形成変換機能６２Ｔに対する横方向ズレ６４の大きさだけでなく径方向にも左右されることになる。
【００８６】
別の言い方では、出力エネルギー分布形状におけるホットスポット及び不足の周方向位置は入力ビームの横方向ズレの径方向によって決まると述べた。このように、出力ビームエネルギー分布形状におけるホットスポット及び不足の位置は、横方向ズレの径方向に比例する出力ビームの軸を中心に回転するように見えることになる。ビーム形成変換機能６２Ｔは非対称なので、ビーム形成変換機能６２Ｔの回転位置が一定ならば、横方向ズレの径方向における変動は、生じるホットスポットや不足のビーム形成変換機能６２Ｔの回転位置に対する回転方向のズレや変化として現れることになる。ビーム形成変換機能６２Ｔと横方向ズレの回転方向の不整合は、ビーム形成変換機能６２Ｔによるホットスポット及び不足の未補正、及び、ビーム形成変換機能６２Ｔによる更なるホットスポットや不足の導入さえ生じる可能性がある。
【００８７】
また、上述したように、入力ビーム１２Ｉが非対称ビーム形成光学素子６２の軸に合致している場合、即ち、入力ビームに横方向ズレがない場合、ビーム形成変換機能６２Ｔは、実際には、横方向ズレの欠如のために現実には存在しない不足やホットスポットを補正しようとしてホットスポットや不足を導入してしまい、除去しようとしている歪みを導入してしまう可能性がある。
【００８８】
非対称ビーム形成光学素子６２は、それ故、入力ビームの横方向ズレの方向及び大きさにおける変動に適応して、出力ビームにおける歪みを補正しないで導入してしまう非対称ビーム形成光学素子６２で入力ビームを位置合わせすることを避けるように設計されなければならない。
【００８９】
また、非対称ビーム形成光学素子６２は、好適には、複雑性やコストを低下させるために、回折又はホログラフィックビーム拡散器あるいは整形光学系などの固定光学素子から構成される。しかし、その結果、所与の非対称ビーム形成光学素子６２は、相対的に小さな範囲の横方向ズレの大きさや角度でしか補償効果を提供しないかも知れない。
【００９０】
これらの問題は、しかし、非対称ビーム形成光学素子６２の設計によって対処可能である。例えば、まず、横方向ズレが存在しない状態を含む横方向ズレの大小における変動を考えると、現在の好適な一実施例では、非対称ビーム形成光学素子６２はオフセットマウント６８によって支持される。図９Ｃに示すように、オフセットマウント６８は、非対称ビーム形成光学素子６２、即ち、ビーム形成変換機能６２Ｔの光学的中心線６４Ｃが公称ビーム軸１０に平行となるが、公称ビーム軸に対してオフセット７０だけずれるように非対称ビーム形成光学素子６２を支持する。また、入力ビーム１２Ｉの期待される最大横方向ズレ６４にほぼ等しくあるいはそれよりも若干大きくオフセット７０を選択して、光学的中心線６４Ｃに対して最大横方向ズレ６４の場合でもビーム軸１０が光学的中心線６４Ｃに一致しないようにする。
【００９１】
また、ビーム形成変換機能６２Ｔは、好適には、横方向ズレ６４の期待される方向及び期待される大きさに十分適合できる「幅」や「直径」を持つように設計される。別の言い方をすれば、ビーム形成変換機能６２Ｔは、最大期待横方向ズレ６４に等しい半径あるいはそれよりも若干大きな半径を有し、そのため最大期待横方向ズレ６４に適合するのに必要な幅を提供できるように設計される。
【００９２】
オフセットマウント６８によってビーム形成変換機能６２Ｔのオフセットを与えるので、入力ビーム１２Ｉは常にビーム形成変換機能６２Ｔの光学的中心線６４Ｃと外径との間でビーム形成変換機能６２Ｔを通過することになる。この結果、最大横方向ズレ６４の場合でも横方向ズレ６４の方向に関わらず入力ビーム１２Ｉがビーム形成変換機能６２Ｔを通過することを保証する。また、オフセット７０は入力ビーム１２Ｉの最大横方向ズレ６４よりも大きいので、入力ビーム１２Ｉが光学的中心線６４Ｃに一致することはなく、補正すべき歪みが無いためにビーム形成変換機能６２Ｔによって不本意な歪みを導入してしまうことを回避できる。
【００９３】
最後にこの点に関して注意すべきことは、入力ビーム１２Ｉの横方向ズレ６４の歪み効果は、典型的には、横方向ズレ６４の大小に従って増加することである。しかし、その代わりに、補償変換機能６２ＣＴの成分素子、例えば、ホットスポット変換機能６２ＴＨ及び不足変換機能６２ＴＤの一方あるいは両方の効果も同様に横方向ズレ６４の増加と共に増加するように設計されるので、補償変換機能６２ＣＴの補正効果は横方向ズレの大小に追随する。
【００９４】
本発明の上述の様相の結果、ビーム形成変換機能６２Ｔの軸に対する入力ビームのズレの大小における変動の影響は自己補償する傾向を持つことになる。即ち、ズレの大小における減少や増加は、入力ビームをホットスポット変換機能６２ＴＨ及び不足変換機能６２ＴＤの一方あるいは両方に沿って径方向内側あるいは外側に移動させて、ズレ補償効果を減少あるいは増加させる。このように、ビーム形成変換機能６２Ｔが最大期待ズレの大きさに適合できる限り、大抵の場合には、更なる複雑性無しにズレの大小に十分適合できることになる。しかし、注意すべきことは、ビーム形成変換機能６２Ｔは過大なズレに適合するように設計しない方が概して好ましいということである。というのも、そのような設計は、より小さなズレ範囲における変換機能とズレとの「適合」を低下させるからである。
【００９５】
次に、入力ビームの横方向ズレの径方向における変動の影響を考えると、このような横方向のズレの径方向における変動は、ビーム形成変換機能６２Ｔの回転方向位置に対して出力エネルギー分布形状に現れる歪みの回転方向の見かけ上のズレ又はオフセットとして現れることは本明細書において既に上述した。例えば、変換機能の非対称ホットスポット分布形状１２ＨＰ及び非対称不足分布形状１２ＨＤ成分の周方向「傾斜」は相対的に「急峻」なので、相対的に小さな回転方向のズレが大きな影響を持つ可能性がある。このことは、例えば、ホットスポット変換機能６２ＴＨ及び不足変換機能６２ＴＤの両成分が存在する場合や、変換機能が回転方向に非対称である場合には特に懸念される。
【００９６】
本発明によれば、入力ビームの横方向ズレのために出力分布形状に現れる歪みとビーム形成変換機能６２Ｔの回転方向位置のために出力分布形状に現れる歪みの間のこのような見かけ上の回転方向ズレの影響は、好適には、光学的中心線６４Ｃを中心にビーム形成変換機能６２Ｔを回転させることによって調節される。本発明によれば、それ故、図９Ｄに示すように、非対称ビーム形成光学素子６２は回転ベアリング７２によってオフセットマウント６８に支持される。回転ベアリング７２によって、非対称ビーム形成光学素子６２は、横方向にずれた入力ビーム１２Ｉとビーム形成変換機能６２Ｔとの最適な回転方向の位置関係を達成すべく、ビーム形成変換機能６２Ｔの光学的中心線６４Ｃを中心に回転可能とされる。
【００９７】
この点で注意しなければならないのは、ビーム形成変換機能６２Ｔの非対称とビーム形成変換機能６２Ｔの適当な整形によって、通例、ビーム形成変換機能６２Ｔは横方向ズレ６４の径方向における変動だけでなく横方向ズレ６４の様々な大小も補償するように調整可能となるということである。
【００９８】
それ故、本発明によれば、入力ビーム１２Ｉ及び出力ビーム１２Ｏのエネルギー波形に対するビーム形成変換機能６２Ｔの効果は、非対称ビーム形成光学素子６２に対する入力ビームの横方向ズレの大小及び角方向の両方によって決まることになる。更に本発明によれば、出力ビームのエネルギー分布形状に歪みを生じる入力ビーム１２Ｉの可変な横方向及び回転方向ズレの影響は、入力ビームに対して一定量だけオフセットされ、入力ビームに対して長手方向に回転するエネルギー分布形状変換機能を持つビーム整形素子によって目標エネルギー分布形状を持つ出力ビームを生じるように補償可能となる。更に本発明によれば、エネルギー分布形状変換機能がホットスポット分布形状変換成分及び不足分布形状変換成分の一方あるいは両方を有する場合、目標出力ビームエネルギー分布形状を達成するための入力ビーム１２Ｉとビーム形成変換機能６２Ｔとの最適な横方向及び回転方向の関係は、入力ビーム１２Ｉに対するビーム形成変換機能６２Ｔの回転方向位置を調整することによって調整可能に達成することができる。
【００９９】
図９Ｃ及び図９Ｄのビーム形成変換機能６２Ｔの例
図９Ｄに示すような本発明の更なる様相では、目標出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状を得るために可変横方向ドリフトを受けた入力ビーム１２Ｉに対するビーム形成変換機能６２Ｔの位置合わせ及び再位置合わせは簡単に自動化することができる。この方法では、部分ミラー７６が出力ビーム１２Ｏの経路に搭載されて、電荷結合素子や感光性抵抗材料からなるセンサなどの光学センサ７８にビーム１２の像を反射し、光学センサ７８はその像によってスペクトルの適当な部分で出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状を監視できる。例えば、光学センサ７８はハママツコープの製造販売するような２次元位置感知型検出器である。出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状を示す像は、その後、プロセッサ・コントローラ８０に通される。プロセッサ・コントローラ８０は、出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状が目標分布形状に一致しているかどうかを判定する。プロセッサ・コントローラ８０が出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状を許容公差内で目標分布形状に一致していないと判定すれば、プロセッサ・コントローラ８０は回転ベアリング７２を適当な駆動機構８２を介して駆動して、入力ビーム１２Ｉとビーム形成変換機能６２Ｔの間の回転方向位置が目標出力ビーム１２Ｏのエネルギー分布形状を生じるまで非対称ビーム形成光学素子６２を回転する。
【０１００】
最後に、上述のような本発明は図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ及び１０Ｄに更に図解される。図１０Ａ及び１０Ｂは、本発明による２つの典型的な非対称ビーム形成光学素子の位相表面図であり、図１０Ｃ及び１０Ｄは対応する横断面図である。
【０１０１】
本発明は、図１１Ａから１１Ｅに更に図解される。図１１Ａから１１Ｅは本発明によるレーザービームのエネルギー分布形状の横断面図を示す。例えば、図１１Ａは左側にはホットスポットを持つが概して許容できるエネルギー分布形状を持つビームを示す。図１１Ｂは右にドリフトしているビームを示し、本発明の光学素子によってビームを右にドリフトしてビーム分布形状が改善している。図１１Ｃは１００ミクロンの距離だけ右にドリフトしたビームを示し、説明した非対称ビーム形成光学素子に最適である。図１１Ｄはビームが１５０ミクロンだけ右にドリフトし続けた場合を示し、その結果分布形状の右側が「上昇」し始めている。最後に図１１Ｅはビームが２００ミクロン右にドリフトした場合を示し、図１１Ａに示したものの鏡像となる状況になる。これらの例は、従って、図示したような本発明の非対称ビーム形成光学素子が例えば上限２００ミクロンのビームドリフトまでは許容可能なビーム分布形状を提供し、そこまで適応可能であることを示す。
【０１０２】
上述の発明には、本明細書に含まれた発明の精神及び範囲から逸脱することなく変更を加えられるので、上述の説明や付属図面で示した材料の全ては、本明細書において発明概念を説明する単なる例として解釈されるべきものであり、発明を制限するものとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１Ａ】位置決め不安定によるレーザービームの角偏差の説明図である。
【図１Ｂ】位置決め不安定によるレーザービームの角偏差の説明図である。
【図２Ａ】熱ドリフトによるレーザービームの径方向ドリフトの説明図である。
【図２Ｂ】熱ドリフトによるレーザービームの径方向ドリフトの説明図である。
【図３Ａ】レーザービームの径方向変位及び角偏差の説明図である。
【図３Ｂ】レーザービームの径方向変位及び角偏差の説明図である。
【図４】角偏差又は径方向変位を補正するための本発明の方法の説明図である。
【図５Ａ】レーザービームの角偏差及び径方向ドリフトを補正するための光学素子及び光学素子の組み合わせを示す説明図である。
【図５Ｂ】レーザービームの角偏差及び径方向ドリフトを補正するための光学素子及び光学素子の組み合わせを示す説明図である。
【図５Ｃ】レーザービームの角偏差及び径方向ドリフトを補正するための光学素子及び光学素子の組み合わせを示す説明図である。
【図５Ｄ】レーザービームの角偏差及び径方向ドリフトを補正するための光学素子及び光学素子の組み合わせを示す説明図である。
【図５Ｅ】レーザービームの角偏差及び径方向ドリフトを補正するための光学素子及び光学素子の組み合わせを示す説明図である。
【図５Ｆ】レーザービームの角偏差及び径方向ドリフトを補正するための光学素子及び光学素子の組み合わせを示す説明図である。
【図６Ａ】本発明が実現されるシステムの説明図である。
【図６Ｂ】本発明が実現されるシステムの説明図である。
【図６Ｃ】本発明が実現されるシステムの説明図である。
【図７Ａ】典型的な補償器及び再配置器の説明図である。
【図７Ｂ】典型的な補償器及び再配置器の説明図である。
【図７Ｃ】典型的な補償器及び再配置器の説明図である。
【図７Ｄ】典型的な補償器及び再配置器の説明図である。
【図７Ｅ】典型的な補償器及び再配置器の説明図である。
【図８Ａ】ビーム整形光学系の軸に位置合わせした入力レーザービーム及びビーム整形光学系の軸に対して横方向にずらせた入力レーザービームのためのビーム整形光学系の説明図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示した状況に対して入出力ビームエネルギー分布形状の重ね合わせ比較説明図である。
【図８Ｃ】ビーム整形光学系の軸に位置合わせした入力レーザービーム及びビーム整形光学系の軸に対して横方向にずらせた入力レーザービームのためのビーム整形光学系の説明図である。
【図８Ｄ】図８Ｃに示した状況に対して入出力ビームエネルギー分布形状の重ね合わせ比較説明図である。
【図９Ａ】非対称ビーム形成光学素子の動作を示す図である。
【図９Ｂ】非対称ビーム形成光学素子の動作を示す図である。
【図９Ｃ】オフセットマウントに搭載された非対称ビーム形成光学素子を示す図である。
【図９Ｄ】回転ベアリングを用いてオフセットマウントに搭載した非対称ビーム形成光学素子を示す図である。
【図１０Ａ】本発明による２つの典型的な非対称ビーム形成光学素子の位相表面及び対応横断面図である。
【図１０Ｂ】本発明による２つの典型的な非対称ビーム形成光学素子の位相表面及び対応横断面図である。
【図１０Ｃ】本発明による２つの典型的な非対称ビーム形成光学素子の位相表面及び対応横断面図である。
【図１０Ｄ】本発明による２つの典型的な非対称ビーム形成光学素子の位相表面及び対応横断面図である。
【図１１Ａ】本発明によるレーザービームのエネルギー分布形状を示す横断面図である。
【図１１Ｂ】本発明によるレーザービームのエネルギー分布形状を示す横断面図である。
【図１１Ｃ】本発明によるレーザービームのエネルギー分布形状を示す横断面図である。
【図１１Ｄ】本発明によるレーザービームのエネルギー分布形状を示す横断面図である。
【図１１Ｅ】本発明によるレーザービームのエネルギー分布形状を示す横断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2006106703.tif 000011
【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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