(57)【要約】  第１の方向（ｙ）に沿ってその長さに従って延び、かつ第１の方向（ｙ）に対して垂直な第２の方向（ｘ）に幅狭であるラインフォーカス（１４）に光ビーム（１２）を変換する方法では、光ビーム（１４）は、少なくとも１つの円錐形光学作動面（２２）上に誘導され、少なくとも１つの円錐形光学作動面（２２）によってラインフォーカス（１４）に変換される。光ビーム（１２）は、光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面（２６）を伴って少なくとも１つの光学作動面（２２）上に誘導される。特に本方法を実施するためのデバイス（１０）、及びリングセグメント形断面を有する光ビームを生成するための光学配置（７０ａ）に対しても同じく説明する。更に別の方法及び更に別のデバイスにより、ラインフォーカスは、球面要素及び／又は円柱要素のみを用いて生成される。【選択図】図１９
2014520281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝播方向に対して横断方向に第１の非リングセグメント形断面を有する入射光ビーム（５２；７２；１０２；１２２）をリングセグメント形断面（１４０；１４０）を有する出射光ビーム（５４；７４；１０４；１２４）に変換するための光学配置であって、
第１の円錐形光学作動面（４６；８０；１０８；１３２）と、
少なくとも１つの第２の円錐形光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）と、
を含み、
前記入射光ビーム（５２；７２；１０２；１２２）は、前記第１の光学作動面（４６；８０；１０８；１３２）及び前記第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）上に順次入射し、
前記第１及び第２の光学作動面（４６，４８；８０，８２；１０８，１１０；１３２，１３４）は、対称軸（５０；８４；１１２；１３６）を定め、
前記入射光ビーム（５２；７２；１０２；１２２）は、それが前記第１の光学作動面（４６；８０；１０８；１３２）及び少なくとも１つの第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）上に前記対称軸（５０；８４；１１２；１３６）に対して軸外で入射するように向けられ、
前記第１の光学作動面及び前記第２の光学作動面（４６，４８；８０，８２；１０８，１１０；１３２，１３４）は、前記光ビーム（５２；７２；１０２；１２２）の第２の光線（５８；９４）よりも短い前記対称軸からの距離で該第１の光学作動面（４６；８０；１０８；１３２）上に入射する該光ビームの第１の光線（５６；９６）が、該第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）上には該第２の光線（５８；９４）よりも長い該対称軸（５０；８４；１１２；１３６）からの距離で入射するように、該入射光ビーム（５２；７２；１０２；１２２）のビーム経路に互いに対して配置される、
ことを特徴とする光学配置。
【請求項２】
前記入射光ビーム（５２；７２；１０２；１２２）の前記第１の断面は、前記少なくとも１つの第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）から出射した後の前記第２の断面（１４０）が、少なくともほぼ円形リングセグメント形であるように、そのサイズに関して適応されることを特徴とする請求項１に記載の光学配置。
【請求項３】
前記第１及び前記少なくとも１つの第２の光学作動面（４６，４８；８０，８２；１０８，１１０；１３２，１３４）上での前記入射光ビーム（５２；７２；１０２；１２２）の入射高さが、該第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）からの出射後の前記第２の断面（１４０）が少なくともほぼ円形リングセグメント形であるように適応されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学配置。
【請求項４】
前記入射光ビーム（５２；７２；１０２；１２２）の前記第１の断面は、前記少なくとも１つの第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）からの出射後の前記第２の断面（１４０）が楕円リングセグメント形であるようにそのサイズに関して適応され、
光学要素（１４２）、特にプリズム又は円柱テレスコープが、前記第２の断面（１４０）を少なくともほぼ円形リングセグメント形の断面に変形するために前記第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）の下流に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学配置。
【請求項５】
前記第１及び前記少なくとも１つの第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）上での前記入射光ビーム（５２；７２；１０２；１２２）の入射高さが、該第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）からの出射後の前記第２の断面（１４０）が楕円リングセグメント形であるように適応され、
光学要素（１４２）、特にプリズム又は円柱テレスコープが、前記第２の断面（１４０）を少なくともほぼ円形リングセグメント形の断面に変形するために前記第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）の下流に配置される、
ことを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の光学配置。
【請求項６】
前記第１の光学作動面（８０；１３２）及び前記少なくとも１つの第２の光学作動面（８２；１３４）は、互いから離れる方向に向く前記対称軸（８４；１３６）の側面上に配置され、
前記第１の光学作動面（８０；１３２）及び前記第２の光学作動面（８２；１３４）上での前記入射光ビーム（７２；１２２）の入射高さが、前記対称軸（８４；１３６）から少なくともほぼ同じ距離にある、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光学配置。
【請求項７】
前記第１の光学作動面（４６；８０；１０８；１３２）及び前記少なくとも１つの第２の光学作動面（４８；８２；１１０；１３４）は、互いに反対の方向の円錐性を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光学配置。
【請求項８】
前記第１の光学作動面（４６；１０８；１３２）は、反射性又は内部全反射性であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光学配置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第２の光学作動面（４８；１１０；１３４）は、反射性又は内部全反射性であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光学配置。
【請求項１０】
前記第１の光学作動面（８０）は、屈折性であることを特徴とする請求項１から請求項７又は請求項９のいずれか１項に記載の光学配置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの第２の光学作動面（８２）は、屈折性であることを特徴とする請求項１から請求項８又は請求項１０のいずれか１項に記載の光学配置。
【請求項１２】
光ビーム（１２）をラインフォーカス（１４）に変換する方法であって、
前記ラインフォーカス（１４）は、第１の方向（ｙ）に沿ってその長さに従って延び、かつ該第１の方向（ｙ）に対して垂直な第２の方向（ｘ）に幅狭であり、
前記光ビーム（１４）は、少なくとも１つの円錐形光学作動面（２２）上に誘導され、それによってそれは、前記ラインフォーカス（１４）に変換され、
前記光ビーム（１２）は、光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面（２６）を伴って前記少なくとも１つの光学作動面（２２）上に誘導される、
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記光ビーム（１２）は、前記少なくとも１つの光学作動面（２２）上に該面の対称軸（２０）に対して軸外で誘導されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記リングセグメント形断面（２６）内の前記光の強度分布が、該リングセグメント形断面の周方向に積分された強度が全ての半径に対して少なくともほぼ同一であるように半径方向に縁部に向けて低下することを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記光の前記強度分布は、半径方向にガウス関数方式で低下することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記リングセグメント形断面（２６）内の前記光の前記強度分布は、前記周方向に前記縁部に向けて低下し、特にガウス関数方式で低下することを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１の方向（ｙ）に沿ってその長さに従って延び、かつ該第１の方向（ｙ）に対して垂直な第２の方向（ｘ）に幅狭であるラインフォーカス（１４）に光ビーム（１２）を変換するための光学デバイス、特に請求項１２から請求項１６のいずれか１項に記載の方法を実施するための光学デバイスであって、
前記光ビーム（１２）がその上に誘導される少なくとも１つの円錐形光学作動面（２２）、
を含み、
前記光ビーム（１２）のビーム経路において、該光ビーム（１２）が光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面（２６）を伴って前記少なくとも１つの光学作動面（２２）上に入射するように該光ビーム（１２）を前処理する光学配置が、該少なくとも１つの光学作動面（２２）の上流に配置される、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの光学作動面（２２）は、屈折面であることを特徴とする請求項１７に記載の光学デバイス。
【請求項１９】
前記光学配置は、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の光学配置（４０；４０ａ；７０；７０ａ；１００；１２０）であることを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載の光学デバイス。
【請求項２０】
光ビーム（３２２；３５２）をラインフォーカス（３２４；３５４）に変換する方法であって、
前記ラインフォーカス（３２４；３５４）は、第１の方向（ｙ）に沿ってその長さに従って延び、かつ該第１の方向（ｙ）に対して垂直な第２の方向（ｘ）に幅狭であり、
前記光ビーム（３２２；３５２）は、光軸（３３０；３５３）を定める光学配置（３２６；３５６）上に誘導され、
前記光ビーム（３２２；３５２）は、実際又は仮想部分リング形フォーカス（３３２；３７４）が前記光軸（３３０；３５３）の外側に生成されるように、該光軸（３３０；３５３）の外側で光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面を伴って前記光学配置（３２６；３５６）上に誘導され、
前記光学配置（３２６；３５６）の下流の前記光ビーム（３２２；３５２）は、前記実際又は仮想部分リング形フォーカス（３３２；３７４）を前記ラインフォーカス（３２４；３５４）に変換する正のレンズ（３３４；３７６）を通して誘導される、
ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記光学配置（３２６）上に入射する前記光ビーム（３２２）から、最初に実際又は仮想フォーカス（３２８）が前記光軸（３３０）上に生成され、該フォーカスは、該光学配置（３２６）によって前記部分リング形フォーカス（３３２）に反転されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記光ビーム（３２２）は、前記光軸（３３０）上の前記フォーカス（３２８）を前記部分リング形フォーカス（３３２）に反転させるために前記光学配置（３２６）において少なくとも一度反射されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記光ビーム（３２２）は、前記光学配置（３２６）において少なくとも一度内部全反射されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記光ビーム（３２２）は、前記実際又は仮想フォーカス（３２８）を前記光軸（３３０）上に生成するために前記光学配置（３２６）において少なくとも一度屈折され、
前記光ビーム（３２２）は、その後に前記光学配置（３２６）において反射される、
ことを特徴とする請求項２２又は請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記光ビーム（３２２）は、前記光学配置（３２６）において発散的に又は収束的に屈折されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記光ビーム（３５２）は、前記部分リング形フォーカス（３７４）を生成するために前記光学配置（３５６）において専ら屈折されることを特徴とする請求項２０又は請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
第１の方向（ｙ）に沿ってその長さに従って延び、かつ該第１の方向（ｙ）に対して垂直な第２の方向（ｘ）に幅狭であるラインフォーカス（３２４；３５４）に光ビーム（３２２；３５２）を変換するための光学デバイス、特に請求項２０から請求項２６のいずれか１項に記載の方法を実施するための光学デバイスであって、
光軸（３３０；３５２）を定める光学配置（３２６；３５６）、
を含み、
前記光学配置（３２６；３５６）の上流には、前記光ビーム（３２２；３５２）が前記光軸（３３０；３５３）の外側で光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面を伴って該光学配置（３２６；３５６）上に入射するように該光ビーム（３２２；３５２）を前処理する光学前処理配置（３４２）が配置され、
前記光学配置（３２６；３５６）は、実際又は仮想部分リング形フォーカス（３３２；３７４）が前記光軸（３３０；３５３）の外側で生成されるように設計され、
前記光学配置（３２６；３５６）の下流には、前記実際又は仮想部分リング形フォーカス（３３２；３７４）を前記ラインフォーカス（３２４；３５４）に変換するように設計された正のレンズ（３３４；３７６）が配置される、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２８】
前記光学配置（３２６）は、最初に前記光軸（３３０）上に実際又は仮想フォーカス（３２８）を前記入射光ビーム（３２２）から生成し、かつ該フォーカスを前記部分リング形フォーカス（３３２）に反転させるように設計されることを特徴とする請求項２７に記載の光学デバイス。
【請求項２９】
前記光学配置（３２６）は、少なくとも１つの反射面（３３８）を有することを特徴とする請求項２７又は請求項２８に記載の光学デバイス。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの反射面（３３８）は、内部全反射性であることを特徴とする請求項２９に記載の光学デバイス。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの反射面（３３８）は、円筒形であることを特徴とする請求項２９又は請求項３０に記載の光学デバイス。
【請求項３２】
前記光学配置（３２６）は、前記少なくとも１つの反射面（３３８）に加えて、少なくとも１つの屈折光学作動面（３３６）を有し、その下流に該少なくとも１つの反射面（３３８）が配置されることを特徴とする請求項２９から請求項３１のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【請求項３３】
前記屈折面（３３６）は、収束的に又は発散的に屈折性であることを特徴とする請求項３２に記載の光学デバイス。
【請求項３４】
前記反射面（３３８）及び前記屈折面（３３６）は、光学構成要素（３４０）上に併存することを特徴とする請求項２９から請求項３１のいずれか１項及び請求項３２又は請求項３３に記載の光学デバイス。
【請求項３５】
前記光学配置（３２６）の前記屈折面（３３６）と前記正のレンズ（３３４）との間の距離が、該屈折面（３３６）の焦点距離と該正のレンズ（３３４）の焦点距離の和に等しいことを特徴とする請求項２９から請求項３１のいずれか１項及び請求項３２から請求項３４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【請求項３６】
前記光学配置（３５６）は、専ら屈折性の面（３５８，３６０，３６２，３６４）を有することを特徴とする請求項２７又は請求項２８に記載の光学デバイス。
【請求項３７】
前記屈折面（３５８，３６０，３６２，３６４）は、球面であることを特徴とする請求項３６に記載の光学デバイス。
【請求項３８】
前記正のレンズと共に前記光学配置（３２６；３５６）は、無限大の全体焦点距離を有することを特徴とする請求項２７から請求項３７のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の態様により、光ビームをラインフォーカスに変換する方法に関し、ラインフォーカスは、第１の方向に沿ってその長さに従って延び、かつ第１の方向に対して垂直な第２の方向に幅狭であり、光ビームは、少なくとも１つの円錐形光学作動面上に誘導され、この面によって光ビームがラインフォーカスに変換される。
【０００２】
本発明は、第２の態様により、光ビームをラインフォーカスに変換するための光学デバイス、特に、上述の方法を実施するための光学デバイスに関する。
【０００３】
本発明は、第３の態様により、光ビームをラインフォーカスに変換する方法に関し、ラインフォーカスは、第１の方向に沿ってその長さに従って延び、かつ第１の方向に対して垂直な第２の方向に幅狭であり、光ビームは、光軸を定める光学配置上に誘導される。
【０００４】
本発明は、第４の態様により、光ビームを第１の方向に沿ってその長さに従って延び、かつ第１の方向に対して垂直な第２の方向に幅狭であるラインフォーカスに変換するための光学デバイス、特に、第３の態様による方法を実施するための光学デバイスに関する。
【０００５】
本発明は、第５の態様により、光伝播方向に対して横断方向に第１の非リングセグメント形断面を有する入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための光学配置に関し、光学配置は、第１の円錐形光学作動面と、少なくとも１つの第２の円錐形光学作動面とを含み、入射光ビームは、第１の光学作動面及び第２の光学作動面上に順次入射し、第１及び第２の光学作動面は、対称軸を定める。
【背景技術】
【０００６】
冒頭でそれぞれ示したタイプの方法、光学デバイス、及び光学配置は、技術書であるＨ．Ｇｒｏｓｓ著「光学系ハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）」、Ｖｅｒｌａｇ  ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ、２００５年、第１巻、第１５．９章（７５１〜７５６ページ）から公知である。
【０００７】
光ビームをラインフォーカスに変換する方法及び対応する光学デバイスは、例えば、特にディスプレイの生産においてアモルファスシリコンからなる層を溶解させるための加工物のレーザ機械加工において、又は例えば半導体スラブ、特に半導体産業のためのウェーハの検査において適用又は使用される。
【０００８】
上記に挙げた技術書は、円錐形光学作動面を用いて如何に光ビームをラインフォーカスに変換することができるかを記載している。技術書に示すように、円錐面を有する光学構成要素は、アキシコンとも呼ばれる。
【０００９】
この技術書は、そこでは屈折構成要素として具現化されたアキシコンが対称軸に関して、すなわち、円錐形光学作動面の円錐軸に関して対称に照明される場合に、アキシコンを用いてラインフォーカスを生成することができることを記載している。次に、アキシコンの下流において、入射光ビームの断面サイズ、アキシコンの材料の屈折率、及びアキシコンの円錐角に依存する長さを有するラインフォーカスが発生する。しかし、この技術書に記載されているように、こうして生成されたラインフォーカス内の光の強度分布は、ラインフォーカスの長さにわたって見ると均一ではない。しかし、ラインフォーカスの長さにわたって均一でない強度分布は、多くの用途、特に加工物の面レーザ機械加工において望ましくない。
【００１０】
文献ＷＯ  ２００５／００３７４６  Ａ１は、半導体スラブ、特に半導体産業のためのウェーハの検査に対するシステムに使用されるようなラインフォーカスを生成するための光学デバイスを記載している。この公知のデバイスを使用すると、レーザによって生成されて最初に例えば矩形断面を有する光ビームは、検査される半導体スラブ上のラインフォーカスに円柱レンズを用いて変換される。この場合に、光ビームは、円柱レンズを傾斜光入射で通過する。この文献は、円柱レンズの代わりに反射要素を使用することもできることを記載している。
【００１１】
しかし、円柱レンズの代わりに反射要素が使用される場合には、これは、通常、一方が発散効果を有し、他方が収束効果を有する２つの円柱ミラーによって達成される。しかし、２つの円柱ミラーが、この公知のデバイスにおいて入射角が約６０度である大きく傾斜した入射に使用される場合には、得られる収差は、非球面板を用いて補正しなければならない。更に、公知のデバイスは、小さい開口数においてしか使用することができない。比較的高い開口数の場合には、２つの円柱ミラーの曲率又は面の傾きは５０°まででなければならず、これは、小さいミラー寸法に起因して多大な労力をかけずには補償することができない大幅な層厚変化を円柱ミラーの製造中の反射層の適用中にもたらす。
【００１２】
同様に、上記に挙げた技術書から公知であるラインフォーカスを生成するための光学デバイスは、技術的難度を伴わずには上述の文献による配置内で円柱レンズの代替物として使用することができない。この目的のためには、光ビームの光ビーム断面の少なくとも半域を遮蔽することが必要になると考えられるが、この遮蔽には望ましくない強度損失が伴う。
【００１３】
冒頭で挙げた技術書は、球面レンズとの組合せでアキシコンを用いて又は２つのアキシコンを用いて、例えば、光伝播方向に対して横断方向に矩形又は円形の断面を有する入射光ビームをリング形断面を有する光ビームに変換することができることも記載している。この場合に、リングセグメント形断面を得るためには、出射光ビームのリング形断面の一部を遮蔽しなければならないと考えられるが、これは、逆に、強度損失を伴ってのみ可能である。
【００１４】
リング形断面を有する出射光ビームに入射光ビームを変換するためのこの技術書に記載されている配置では、２つのアキシコンが反射で作動され、これらの２つのアキシコンは、その共通の対称軸に関して他の光線よりも短い対称軸からの距離で第１のアキシコン上に入射する光線が、第２のアキシコン上にも同じく他の光線よりも短い対称軸からの距離で入射するように配置される。この配置を使用すると、光ビームが両方のアキシコン上に対称軸に関して軸外で入射する時でさえも、かつ入射光ビームが矩形断面を有する時に、八分円を上回って延びるリングセグメント形断面を有する出射光ビームを生成することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】ＷＯ  ２００５／００３７４６  Ａ１
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｈ．Ｇｒｏｓｓ著「光学系ハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）」、Ｖｅｒｌａｇ  ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ、２００５年、第１巻、第１５．９章（７５１〜７５６ページ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
この背景に対して、本発明の目的は、製造することが高価又は困難である光学構成要素をこの目的に対して必要とせずにその長さにわたって可能な限り均一であるラインフォーカスが達成されるような第１の態様による光ビームをラインフォーカスに変換する方法、及び第２の態様による冒頭に示したタイプの光ビームをラインフォーカスに変換するための光学デバイスを開発することである。
【００１８】
本発明は、更に、ラインフォーカスを生成するのに１つ又はそれよりも多くのアキシコンの代わりにより一層簡単に製造することができる球面及び／又は円柱光学作動面を光ビームの変換に対して使用することができるような第３の態様による冒頭に示したタイプの光ビームをラインフォーカスに変換する方法、及び第４の態様による冒頭に示したタイプの光ビームをラインフォーカスに変換するための光学デバイスを開発する目的に基づいている。
【００１９】
本発明は、更に、出射光ビームのリングセグメント形断面が、ビームの各部分を遮蔽することなく、かつ高価の光学要素を使用することなく生成されるような第５の態様による冒頭に示したタイプの入射光ビームを出射光ビームに変換するための光学配置を開発するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
第１の態様による光ビームを冒頭に示したタイプのラインフォーカスに変換するための冒頭に示した方法に関して、その目的は、光ビームが、少なくとも１つの光学作動面上に光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面を伴って誘導されるという事実によって達成される。
【００２１】
第２の態様による光ビームをラインフォーカスに変換するための冒頭に示した光学デバイスに関して、その目的は、光ビームが少なくとも１つの光学作動面上に光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面を伴って入射するように光ビームを前処理する光学配置が光ビームのビーム経路内の少なくとも１つの光学作動面の上流に配置されるという事実によって達成される。
【００２２】
光ビームをラインフォーカスに変換するための本発明による方法及び本発明による光学デバイスは、断面がリングセグメント形のものである光ビームが、少なくとも１つの円錐形光学作動面又はアキシコンに印加される点で、上記に挙げた技術書による方法及び光学デバイスと異なる。少なくとも１つの円錐形光学作動面の照明を断面がリングセグメント形のものである光ビームに限定することにより、ラインフォーカスの幅狭方向の開口数が、ラインフォーカスの長さに沿ったラインフォーカス上の全ての場所において同じであることが確実にされる。
【００２３】
好ましくは、光ビームのリングセグメント形断面は、光ビームの断面が円錐形光学作動面に最適に適応するように円形リングセグメント形状である。
【００２４】
従って、本発明による方法及び本発明によるデバイスは、ラインフォーカスの長さに沿って高い均一性を有するラインフォーカスを生成することを可能にする。
【００２５】
好ましくは、光ビームは、少なくとも１つの光学作動面上にこの面の対称軸に対して軸外で誘導される。
【００２６】
この場合に、ビームの各部分を遮蔽することなく、光ビームの全ての部分ビームがラインフォーカスを生成するのに使用され、その結果、強度損失が回避されることが利点である。
【００２７】
本方法の更に好ましい構成では、リングセグメント形断面内の光の強度分布は、リングセグメント形断面の周方向に積分された強度が全ての半径に対して少なくともほぼ同一であるように、半径方向に内側の区域から外向きに低下する。
【００２８】
光ビームのリングセグメント形断面の半径方向に外側にある長い弧長と比較して半径方向に内側にある短い弧長は、上述の手法により、すなわち、リングセグメント形断面内での半径方向に内向きに増大する光強度によって補償される。この手法の利点は、ラインフォーカスの長さに沿って特に高い均一性を有するラインフォーカスを生成することができる点である。
【００２９】
この場合に、光の強度分布が、半径方向に縁部に向けて低下し、特にガウス関数方式で低下し、及び／又はリングセグメント形断面内の光の強度分布が、周方向に縁部に向けて低下し、特にガウス関数方式で低下すれば更に好ましい。
【００３０】
代替的又は累積的に使用することができる上述の２つの手法は、回折効果が最小にされ、その結果、回折効果に起因する強度変動が回避されるので、ラインフォーカス内の強度分布が特に均一であるという結果を有する。
【００３１】
本発明による光学デバイスの場合には、少なくとも１つの光学作動面は、好ましくは屈折面である。
【００３２】
この構成では、少なくとも１つの光学作動面又はアキシコンは、透過で作動される。
【００３３】
リングセグメント形断面を有する光ビームは、原理的には、光ビーム、例えば、レーザビームから適切な形状の例えばアポディゼーション効果を与える絞りを用いて生成することができる。
【００３４】
しかし、リングセグメント形断面を有する光ビームは、好ましくは、以下に説明するように、光伝播方向に対して横断方向に第１の非リングセグメント形断面、例えば、矩形、楕円形、又は回転対称の断面を有する入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための本発明による光学配置を用いて生成される。
【００３５】
本発明の第３の態様により、光ビームをラインフォーカスに変換するための冒頭に示した方法に関する目的は、光ビームが、光軸の軸外に実際又は仮想部分リング形フォーカスが生成されるように、光軸の軸外で光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面を伴って光学配置上に誘導され、光学配置の下流の光ビームが、実際又は仮想部分リング形フォーカスをラインフォーカスに変換する正のレンズを通じて誘導されるという事実によって達成される。
【００３６】
本発明の第４の態様により、光ビームをラインフォーカスに変換するための冒頭に示した光学デバイスに関する目的は、光ビームが光軸の軸外で光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面を伴って光学配置上に入射するように光ビームを前処理する光学前処理配置が光学配置の上流に配置され、光学配置が、光軸の軸外で実際又は仮想部分リング形フォーカスが生成されるように設計され、実際又は仮想部分リング形フォーカスをラインフォーカスに変換するように設計された正のレンズが光学配置の下流に配置されるという事実によって達成される。
【００３７】
第３の態様による方法及び第４の態様による光学デバイスは、正のレンズによって軸外部分リング形フォーカスをラインフォーカスに変換することができるという基本概念に基づいている。実際又は仮想のものとすることができる光軸の軸外の部分リング形フォーカスは、円錐形光学作動面を必要とせずに容易に製造することができる球面及び／又は円柱面を用いて制御する光学配置によって生成される。第１及び第２の態様の場合と同様に、光学配置は、断面がリングセグメント形である光ビームを用いて照明され、その結果、ラインフォーカスの幅狭方向の開口数は、ここでもまた、ラインフォーカスの長さに沿ったラインフォーカス上の全ての場所において同じである。
【００３８】
下記では、部分リング形フォーカスを生成することができる第３の態様による方法及び第４の態様による光学デバイスの様々な構成を説明する。
【００３９】
本方法の第１の構成では、光学配置上に入射する入射光ビームから最初に実際又は仮想フォーカスが光軸上に生成され、このフォーカスが、光学配置によって部分リング形フォーカスに反転される。
【００４０】
光学デバイスの場合には、光学配置は、相応に最初に照明光ビームから実際又は仮想フォーカスを光軸上に生成し、かつこのフォーカスを部分リング形フォーカスに反転させるように設計される。
【００４１】
本発明による方法の場合には、光軸上のフォーカスの部分リング形フォーカスへの反転は、光ビームが光学配置において少なくとも一度反射されるという事実によって達成される。
【００４２】
光学デバイスの光学配置は、相応に少なくとも１つの反射面を有する。
【００４３】
光軸上のフォーカスを部分リング形フォーカスに反転させるために、光ビームが光学配置において少なくとも一度内部全反射される場合は更に好ましい。
【００４４】
光学デバイスの光学配置の少なくとも１つの反射面は、相応に更に好ましくは内部全反射性である。
【００４５】
この場合に、反射面は、ミラー面又は内部全反射面のいずれとして具現化されるかに関係なく、更に好ましくは円筒形のものである。
【００４６】
本方法の更に別の構成により、実際又は仮想フォーカスを光軸上に生成するために、光ビームは、好ましくは、光学配置において少なくとも一度屈折され、次に、実際又は仮想部分リング形フォーカスを光軸の軸外に生成するために、光ビームは、光学配置において反射される。
【００４７】
この場合に、光ビームは、光学配置において発散屈折又は収束屈折させることができる。
【００４８】
光学デバイスの光学配置は、この目的で、少なくとも１つの反射面に加えて、好ましくは少なくとも１つの屈折光学作動面を有し、その下流にこの少なくとも１つの反射面が配置される。
【００４９】
好ましくは、屈折面は、収束屈折性又は発散屈折性である。
【００５０】
光学デバイスの１つの特に小型の構成では、上述の反射面と屈折面は、光学構成要素上に併存する。
【００５１】
反射面が内部全反射性である場合には、上述の光学構成要素は、光ビームに対して透過的な本体として具現化することができ、その入射側に屈折面を存在させることができ、光伝播方向に延びる本体の側面に反射面を存在させることができ、この場合のこの反射面は、好ましくは円柱面である。
【００５２】
光学配置の屈折面と正のレンズとの間の距離が、屈折面の焦点距離と正のレンズの焦点距離の和に等しい場合は更に好ましい。
【００５３】
光軸上の実際又は仮想フォーカスが光軸の軸外の実際又は仮想部分リング形フォーカスに反転される第３の態様による方法の構成に対する代替として、部分リング形フォーカスは、本方法の更に別の構成に従って光ビームが光学配置において専ら屈折されるという事実によって生成することができる。
【００５４】
この場合に、光学デバイスの光学配置は、好ましくは、専ら屈折性の面を有し、これは、更に好ましくは、少なくとも部分的に球面であり、更に好ましくは、限定的に球面である。
【００５５】
本方法及び光学デバイスのこの実施形態変形では、部分リング形フォーカスは、純球面屈折性の光学配置における十分に大きい収差によって光軸の軸外に生成される。この場合に、収差又は屈折の法則の非線形性に起因して、光学配置の少数のレンズ、好ましくは、１つのレンズしか用いなくても部分リング形フォーカスが光軸の軸外に生成されるように、屈折面は、断面がリングセグメント形の光ビームを用いて軸外の光軸から十分な距離で照明されることが不可欠である。この実施形態変形では、メニスカスの使用が特に適切である。
【００５６】
両方の構成変形において、すなわち、光軸上のフォーカスを反射によって反転させることによって部分リング形フォーカスを生成する場合と、光学配置の純屈折性の設計を使用する場合の両方において、光学配置は、正のレンズと共に、好ましくは、無限大の全体焦点距離を有する。
【００５７】
本発明の第５の態様により、入射光ビームをリングセグメント形断面を有する光ビームに変換するための冒頭に示した光学配置に関する目的は、光ビームの第２の光線よりも短い対称軸からの距離で第１の光学作動面上に入射する光ビームの第１の光線が、第２の光学作動面上には第２の光線よりも長い対称軸からの距離で入射するように、第１の光学作動面と第２の光学作動面が入射光ビームのビーム経路に互いに対して配置されるという事実によって達成される。
【００５８】
従って、第５の態様による入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための本発明による光学配置は、技術書から公知である少なくとも２つの円錐形光学作動面の相対配置に基づく光学配置とは異なる。公知の光学配置の場合には、対称軸に関して別の光線よりも外側で第１の光学作動面上に入射する光ビームの１つの光線は、第２の光学作動面を同じく対称軸からの長い距離で出射し、これは、本発明による光学配置の場合と正反対である。少なくとも２つの円錐形光学作動面の相対配置の本発明による選択により、例えば、矩形の光ビーム断面は、出射光ビームがリングセグメント形断面を有するように変形することができる。
【００５９】
変形された強度分布から断面が望ましいリングセグメント形の出射光ビーム強度分布を取り出すために、少なくとも１つの第２の光学作動面からの出射後の第２の断面が少なくともほぼ円形リングセグメント形であるように、入射光ビームの第１の断面がそのサイズに関して適合され、及び／又は第１及び少なくとも第２の光学作動面上での入射光ビームの入射高さが適合される。
【００６０】
この場合に、２つの円錐形光学作動面しか用いなくても、ラインフォーカスを生成するための円錐形光学作動面の照明に適する出射光ビームのリングセグメント形断面が得られることが利点である。
【００６１】
しかし、上記に対する代替として、この配置はまた、少なくとも１つの第２の光学作動面からの出射後の第２の断面が楕円リングセグメント形であるように、入射光ビームの第１の断面がそのサイズに関して適合され、及び／又は第１及び少なくとも１つの第２の光学作動面上での入射光ビームの入射高さが適合され、第２の断面を少なくともほぼ円形リングセグメント形の断面に変形するために、第２の光学作動面の下流に光学要素、特にプリズム又は円柱テレスコープが配置されるように実現することができる。
【００６２】
第２の光学作動面から出射する光ビームにおいて最初に楕円リングセグメント形の強度分布を取り出すことは、出射光ビームの断面内の半径方向強度分布をより良好に適応させることができ、すなわち、望ましい座標に対する変形座標のより良好な平行性が得られるという利点を有する。更に別の光学要素は、楕円リングセグメント形断面をアキシコンを用いてラインフォーカスを生成するのに適するリングセグメント形断面に変形する。
【００６３】
ラインフォーカスを生成するための本発明による方法の場合と同様に、入射光ビームは、第１の光学作動面及び少なくとも１つの第２の光学作動面上に対称軸に対して軸外で入射するように向けられる。
【００６４】
それによってビームの使用不能部分の遮蔽が回避される。
【００６５】
第１の光学作動面と少なくとも１つの第２の光学作動面とが、互いから離れる方向に向く対称軸の側面上に配置される場合に、並びに第１の光学作動面上での入射光ビームの入射高さと第２の光学作動面上での入射光ビームの入射高さとが、対称軸からの少なくともほぼ同じ距離にある場合に、リングセグメント形断面を有する出射光ビームを得るための光学配置の特に良好な変形挙動が得られる。
【００６６】
第１の光学作動面と少なくとも１つの第２の光学作動面とは、他の光線よりも短い対称軸からの距離で第１の光学作動面上に入射する入射光ビームの光線が、第２の光学作動面上に長い対称軸からの距離で入射し、その逆も同様であるという効果を有する互いに反対の方向の円錐性を有する場合に更に好ましい。
【００６７】
好ましくは、少なくとも２つの光学作動面の場合の円錐性の角度は同一であるが、それはまた、異なるものとすることができる。円錐角は、この場合４５°であるが、本発明による光学配置では、４５°以外の角度も可能である。
【００６８】
更に、光学配置は、純屈折性、純反射性、又は内部全反射性のものとすることができ、又は第１の光学作動面を反射性又は内部全反射性のものとし、少なくとも１つの第２の光学作動面を屈折性のものとすることができ、又はその逆も同様である。
【００６９】
光ビームをラインフォーカスに変換するための本発明による光学デバイスは、好ましくは、上述の構成のうちの１つ又はそれよりも多くによる入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための本発明による光学配置を有する。
【００７０】
本発明の更に別の特徴及び利点は、以下に続く説明から明らかになるであろう。
【００７１】
上述の特徴及び下記で更に説明するものは、それぞれ示す組合せだけでなく、本発明の範囲から逸脱することなく他の組合せで又は単独に使用することができることは言うまでもない。
【００７２】
本発明の例示的な実施形態を図面に例示し、以下では、この図面を参照してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】光ビームをラインフォーカスに変換するための光学デバイスを示す略断面図である。
【図２】光学デバイスのアキシコンを通る断面を図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って取った断面内に示す図である。
【図３】リングセグメント形断面を有する光ビームを光伝播方向に対して横断方向の断面内に示す図である。
【図４】図３に記載の光ビーム内の光の強度分布を示す図である。
【図５】光ビームのリングセグメント形断面内の更に最適化された強度分布の図である。
【図６】従来技術の入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための光学配置を示す断面図である。
【図７】図６に記載の光学配置を用いた光ビームの断面の変換を示す変形座標格子を示す図である。
【図８】本発明による入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための光学配置の断面図である。
【図９】本発明による入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための光学配置の断面図である。
【図１０】本発明による入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための光学配置の断面図である。
【図１１】本発明による入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための光学配置の断面図である。
【図１２】本発明による入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための光学配置の断面図である。
【図１３】本発明による入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための光学配置の断面図である。
【図１４】光ビームを割愛した図１３の光学配置の斜視図である。
【図１５】図８から図１４に記載の光学配置のうちの１つを用いた光ビームの断面の変換を示す変形座標格子を示す図である。
【図１６】取り出される光ビームのリングセグメント形のリングセグメント形断面を更に表した図１５の座標格子を示す図である。
【図１７】図１６とは対照的に楕円リングセグメント形断面を有する出射光ビームが取り出される図１５の座標格子を示す図である。
【図１８】図１に記載の光学デバイスを図１０の光学配置によって拡張したものを示す略断面図である。
【図１９】ビーム光路全体がラインフォーカスの平面の上方に配置された図１８の光学デバイスの修正を示す図である。
【図２０】正のレンズを用いたリング形フォーカスのラインフォーカスへの変換の基本図である。
【図２１】図２０に記載の基本原理に基づく光ビームをラインフォーカスに変換するための光学デバイスの例示的な実施形態を示す略断面図である。
【図２２】図２０の基本原理に基づく光ビームをラインフォーカスに変換するための光学デバイスの更に別の例示的な実施形態を示す略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
図１は、一般的な参照符号１０が付与された光ビーム１２をラインフォーカス１４に変換するための光学デバイスを示している。ラインフォーカス１４は、第１の方向ｙに沿ってその長さに従って延び、第１の方向ｙに対して垂直な第２の方向ｘに幅狭である。図１では、ｙ軸を参照符号１６に示しており、それに対してｘ軸は、作図面と垂直に延びている。ラインフォーカスは、ｘｙ平面に位置する。
【００７５】
光学デバイス１０は、ｙｚ平面内の断面内に示す光学要素１８を有する。
【００７６】
光学要素１８はアキシコンであり、図１にはその半体しか例示していない。図１では、アキシコンの他方の半体を破線に示している。アキシコンの円錐軸に対応する対称軸２０は、ｙ軸に延びている。
【００７７】
光学要素１８は、対称軸２０の回りに回転対称に実施された円錐形光学作動面２２を有し、面２２は、完全に対称軸２０の回りに延び（実線と破線）、又は例えば３６０°よりも小さい、例えば、１８０°の部分的な円周だけにわたって延びるとすることができる。
【００７８】
光学要素１８は、図１に記載の構成では透過で作動されるので、光学作動面２２は、光ビーム１２に対する光入射面である。それに応じて光学作動面２２は屈折性を有する。光学要素１８の光出射面２４は平面であり、アキシコンの底面を構成する。
【００７９】
光ビーム１２をラインフォーカス１４に変換する方法では、光ビーム１２は、円錐形光学作動面２２上に誘導され、光学作動面２２は、ｘ軸の方向に集束効果を有するので、光学作動面２２によってラインフォーカスに変換される。
【００８０】
この場合に、光ビーム１２は、対称軸２０に対して軸外で光学作動面２２上に誘導される。この理由から、光学要素１８をアキシコンの半体としてしか例示しておらず、破線で示すアキシコンの他方の半体は、存在させることはできるが使用されないか、又は最初から対称軸２０に沿って分割されたアキシコンの半体として製造される。
【００８１】
光学作動面２２上に誘導される光ビーム１２は、図２により、光伝播方向に対して横断方向にリングセグメント形の断面２６を有し、この断面は、特にリングセグメント形のものである。従って、入射光ビーム１２の断面２６の断面形状は、光学作動面２２の円錐の輪郭に適合される。
【００８２】
断面がリングセグメント形の光ビーム１２による光学作動面２２の照明は、ラインフォーカス１４上の全ての場所において開口数がｘ方向に同じであることを確実にする。
【００８３】
図３は、ここでもまた、光ビーム１２の断面をそれ自体単独に示している。図３では、光ビーム１２の断面の半径方向に外側の縁部に、参照符号２８を付与しており、光ビーム１２の断面の半径方向に内側の縁部には、参照符号３０を付与している。
【００８４】
半径方向に内側の縁部３０の弧の長さは、半径方向に外側の縁部２８の弧の長さよりも短いので、光ビーム１２は、リングセグメント形断面２６内の光の強度分布が、内側区域から半径方向に外向きに、すなわち、半径方向に内側の縁部３０から半径方向に外側の縁部２８に向けて低下し、リングセグメント形断面２６の周方向（図３の矢印３２）に積分される強度が、半径方向に内側の縁部３０と半径方向に外側の縁部２８の間の全ての半径に対して少なくともほぼ同一であるように供給される。
【００８５】
図４は、半径方向に外側の縁部２８から半径方向に内側の縁部３０に増大するリングセグメント形断面２６内の光の強度分布を示している。
【００８６】
図５は、図４と比較して更に最適化された光ビーム１２のリングセグメント形断面２６内の強度分布を示しており、この場合に、強度分布は、半径方向に半径方向に内側の縁部３０に向けて低下し、半径方向に半径方向に内側の縁部３０に向けて低下し、更に周方向に円周辺部部に向けて低下する。この場合に、強度は、好ましくは、その分布が図４のものにガウス関数を乗じたものに対応するように低下する。光ビーム１２のリングセグメント形断面内のそのような強度分布は、ラインフォーカス１４内の強度分布の均一性に悪影響を及ぼす回折効果が可能な限り回避されるという利点を有する。
【００８７】
リングセグメント形断面２６を生成するために、入射光ビーム１２は、初期光ビーム、例えば、レーザビームから適切な形の絞りを用いて、適切な場合はアポディゼーション効果を与える絞りを用いて生成することができる。しかし、絞りの使用は、断面が、最初は、例えば、矩形、楕円形、又は円形である光ビームのトリミングをもたらすので、絞りを用いた光ビーム１２のビーム成形は、強度損失という欠点を有することになる。
【００８８】
従って、下記では、光伝播方向に対して横断方向に非リングセグメント形断面を最初に有する入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換又は変形することを可能にする様々な実施形態における光学配置の説明を提供する。
【００８９】
本発明による光学配置の例示的な実施形態を解説する前に、最初に図６及び図７を参照して、冒頭に挙げた技術書に開示されているような光学配置の説明を提供する。
【００９０】
図６において参照符号２００が付与された光学配置は、第１のアキシコン２０２と第２のアキシコン２０４を有する。第１のアキシコン２０２は、円錐形光学作動面２０６を有し、第２のアキシコン２０４は、円錐形光学作動面２０８を有する。
【００９１】
この場合に、両方のアキシコン２０２及び２０４は、反射で作動され、すなわち、円錐面２０６及び２０８は反射性である。この場合に、円錐形光学作動面２０６は発散効果を有し、円錐形光学作動面２０８は収束効果を有する。
【００９２】
両方の光学作動面２０６及び２０８は、アキシコン２０２の円錐軸及びアキシコン２０４の円錐軸の両方である対称軸２１０を定める。
【００９３】
光学配置２００が、対称軸２１０を中心とする光ビームで照明される場合には、非リングセグメント形断面ではなくリング形断面を有する光ビームが、出力側に、すなわち、光学作動面２０８を出射した後に生じる。
【００９４】
図６では、光学配置２００は、対称軸２１０に関して対称に照明されず、対称軸２１０に関して軸外で最初に光学作動面２０６上に誘導される入射光ビーム２１２で照明され、光ビームは、そこから光学作動面２０８に反射され、そこから光ビーム２１４が出射する。
【００９５】
図６に記載の光学配置２００の場合には、光学作動面２０６と光学作動面２０８は、光ビーム２１２の第２の光線２１８よりも短い対称軸２１０からの距離で光学作動面２０６上に入射する光線２１６が、第２の光学作動面２０８上にも同じく第２の光線２１８よりも短い対称軸２１０からの距離に入射するように互い対して配置される。
【００９６】
図６では、光学作動面２０６及び２０８上の光線２１６の入射点をそれぞれ参照符号２２０及び２２４で例示しており、光学作動面２０６及び２０８上の光線２１８の入射点をそれぞれ参照符号２２２及び２２６で例示している。
【００９７】
光学作動面２０６上への入射の前に矩形断面を有する入射光ビーム２１２を用いた光学配置２００の軸外照明は、断面の矩形座標格子の図７に示す出射光ビーム２１４の断面の座標格子への変形をもたらす。図７により、光ビーム２１４は、最初は矩形である断面と比較して確かに変形された断面を有するが、それにも関わらず、図７の光ビーム断面内に示す格子線は、光ビーム断面の変形が最大の位置でも小さいことを示している。特に、図６の配置は、リングセグメントが円の八分円を上回って延びる図２及び図３に記載のリングセグメント形、特にリングセグメント形の断面を有する光ビーム２１４を生成するのには使用することができない。
【００９８】
下記では、図８から図１４を参照して、入射光ビームをリングセグメント形断面を有する出射光ビームに変換するための本発明による光学配置の例示的な実施形態の説明を提供する。
【００９９】
図８は、第１の光学要素４２と第２の光学要素４４とを含む光学配置４０を示している。この図では、光学要素４２及び４４を半体アキシコンとして例示しており、光学要素４２は第１の光学作動面４６を有し、第２の光学要素４４は第２の光学作動面４８を有し、光学作動面４６及び４８は、各場合に円錐形である。
【０１００】
２つの光学作動面４６及び４８は、一緒に、両方の光学作動面４６及び４８の円錐軸である対称軸５０を定める。光は、対称軸５０に関して軸外でしか光学要素４２及び４４に印加されないので、光学要素４２及び４４を半体アキシコンとしてしか例示していないが、これらの光学要素は、図１を参照して上述したように、全アキシコンとして具現化することができる。
【０１０１】
光学作動面４６及び光学作動面４８は反射性であり、光学作動面４６は発散反射性を有し、光学作動面４８は収束反射性を有する。
【０１０２】
図６の光学配置２００とは対照的に、図８の光学作動面４６の円錐性と４８の円錐性とは互いに反対の方向にある。
【０１０３】
入射光ビーム５２は、光学作動面４６及び光学作動面４８上に順次誘導され、光学作動面４８から光ビーム５４が出射する。図６の光学配置２００とは対照的に、光ビーム５２の光線５８よりも短い対称軸５０からの距離で光学作動面４６上に入射する光線５６は、光学作動面４８上には光線５８よりも長い対称軸５０からの距離で入射する。図８では、光学作動面４６及び４８上の光線５６の入射点を参照符号６０及び６６で表しており、光学作動面４６及び４８上の光線５８の入射点を参照符号６２及び６４で表している。この図では、光線５６及び５８を光ビーム５２の周辺光線として示している。
【０１０４】
図９は、図８のものと同じ光学要素４２及び４４を含む光学配置４０ａを示すが、ただ１つこの図では、入射光ビーム５２ａは、最初に光学要素４４上に入射し、次に、光学要素４２上に入射し、そこから光ビーム５４ａが出射する。
【０１０５】
図８及び図９の光学配置４０及び４０ａは純反射性であるが、図１０は、純屈折性である光学配置７０を示している。
【０１０６】
光学配置７０もまた、光伝播方向に対して横断方向に非リングセグメント形断面、例えば、矩形、円形、又は楕円形の断面を有する入射光ビーム７２をリングセグメント形断面を有する出射光ビーム７４に変換するように機能する。
【０１０７】
光学配置７０は、光伝播方向に見て第１の光学要素７６と第２の光学要素７８とを有する。光学要素７６及び７８は、半体アキシコンであり、ここでもまた、そのうちで光ビーム７２によって使用される半体しか示していない。
【０１０８】
光学要素７６は、円錐形光学作動面８０を有し、光学要素７８は、円錐形光学作動面８２を有する。光学作動面８０及び８２は、一緒に、２つの円錐面８０及び９２の円錐軸である対称軸８４を定める。両方の面８０及び８２は、屈折性であり、収束効果を有する。図１０から分るように、光学作動面８０及び８２の円錐性は、互いに反対の方向にある。
【０１０９】
更に、光学作動面８０と８２は、互いから離れる方向に向く対称軸８４の側面上に配置され、この配置は、光学作動面８０上での入射光ビーム７２の入射点又は入射高さ８６、８８と、光学作動面８２上での光ビーム７２の入射点又は入射高さ９０及び９２とが、対称軸８４から少なくともほぼ同じ距離にあるように実施される。しかし、この場合に、ここでもまた、入射光ビーム７２の光線９６よりも長い対称軸８４からの半径方向距離で光学作動面８０上に入射する光線９４は、光学作動面８２上では光線９６よりも短い対称軸８４からの半径方向距離で入射し、その逆も同様であることが成り立つ。
【０１１０】
図１１は、光伝播方向に対して横断方向に非リングセグメント形断面を有する入射光ビーム１０２をリングセグメント形断面を有する出射光ビーム１０４に変換するための更に別の光学配置を示している。光学配置１００は、内部全反射によって作動される点で従来の光学配置とは異なる。
【０１１１】
光学配置１００は、１つの構成要素内に２つのアキシコン又は２つの半体アキシコンの組合せで光学要素１０６を有し、より詳しくは、光学要素１０６は、第１の円錐形光学作動面１０８と第２の円錐形光学作動面１１０とを有する。両方の面１０８、１１０は、一緒に、両方の円錐面１０８及び１１０の円錐軸である対称軸１１２を定める。この場合に、光学作動面１０８は、収束効果を有し、第２の光学作動面１１０は、発散効果を有する。両方の光学作動面１０８、１１０は、内部全反射性である。
【０１１２】
対称軸１１２の回りの光学作動面１０８及び１１０の円錐性及び回転対称性の理解を容易にするために、図１１は、破線を用いて光学要素１０６の完全体を示しており、対称軸１１２の下に位置する部分は、光学要素１０６の軸外照明に起因して光ビーム１０２に基づいて使用されない。
【０１１３】
残りの部分に対しては、光学配置１００は、図９の光学配置４０ａに対応し、従って、その説明を参照することができる。
【０１１４】
図１２は、図１１のものと同じ光学要素１０６を有するが、入射光ビーム１０２ａ及び出射光ビーム１０４ａが入れ替えられた光学配置１００ａの形態での光学配置１００の修正を示している。従って、配置１００ａは、図８の光学配置４０に実質的に対応する。
【０１１５】
図１３及び図１４は、図１１及び図１２それぞれの光学配置１００及び１００ａと同じく内部全反射で作動される入射光ビーム１２２をリングセグメント形断面を有する出射光ビーム１２４に変換するための更に別の光学配置１２０を示している。
【０１１６】
この場合に、光学配置１２０は、図１４の斜視図に示す２つの半体アキシコン１２８及び１３０から形成された光学要素１２６を有する。
【０１１７】
光学要素１２６は、両方共に内部全反射性である第１の円錐形光学作動面１３２と第２の円錐形光学作動面１３４とを有する。
【０１１８】
図１０に記載の光学配置７０の場合と同様に、入射光ビーム１２２のビーム経路と出射光ビーム１２４のビーム経路は、光学作動面１３２及び１３４によって定められ、両方の円錐面１３２、１３４の円錐軸である対称軸１３６に関して対称に延びている。
【０１１９】
上述の例示的な実施形態は、純反射型、純屈折型、又は純内部全反射型のものであるが、これらの型の組合せも可能である。
【０１２０】
更に、従来の例示的な実施形態では光学作動面の円錐角を４５°として例示したが、円錐角は、４５°とは異なるものとすることができる。
【０１２１】
光学配置７０及び１２０の実施形態は、それぞれの対称軸に関するその対称性に起因して、例えば、矩形の入力断面を有する光ビームをリングセグメント形の出力断面を有する光ビームに変形するための変形挙動に関して特に好ましい。
【０１２２】
図１５は、例えば、光学配置７０を用いて得られるもののような得られた矩形入力断面を有する光ビームの変形を示している。最初は矩形である座標の変形を示す図１５に表す格子線の比較は、本発明による光学配置を用いて、最初は矩形である座標の湾曲座標への大きく明白な変形が得られることを証明する。
【０１２３】
図１５は、例えば、光学配置７０から出射する光ビーム７４の断面を示すが、この断面は依然としてリングセグメント形のものではない。入射光ビーム７２の断面をそのサイズ、及び／又は第１及び第２の光学作動面８０及び８２それぞれの上での入射光ビーム７２の入射高さに関して適応させることにより、この時点で出射光ビーム７４の断面をリングセグメント形にすることができる。この場合に、上述の光学作動面８０及び８２への入射光ビーム７２の適応化は、第２の光学作動面８２から出射した直後の出射光ビーム７４が少なくともほぼ円形リングセグメント形であるように実施することができる。図１６は、図２のリングセグメント形断面２６に対応するそのようなリングセグメント形断面１４０を示している。しかし、図１６から明らかであるように、座標変形の格子線は、理想的なリングセグメント形のものとして表す断面１４０に対して、その半径方向縁部において正確に平行であるわけではない。
【０１２４】
この場合に、より良好な平行性に関して、それによって出射光ビーム（例えば、図１０の光ビーム７４）の断面内の半径方向エネルギ分布により的確に合わせるために、入射光ビーム（例えば、図１０の光ビーム７２）の断面をそのサイズ及び／又は光学作動面（例えば、図１０の光学作動面８０及び８２）上のその入射高さに関して、第２の光学作動面（例えば、図１０の光学作動面８２）から出射した後の出射光ビーム（例えば、図１０の光ビーム７４）の断面１４０が、図１７に示すように楕円リングセグメント形であるように適応させることができる。図１７は、そのような楕円リングセグメントを変形された視野から非常に正確に取り出すことができることを示している。
【０１２５】
次に、適切な光学ユニット、特にプリズム（図１９を参照されたい）又は円柱テレスコープを用いて、図１に示すラインフォーカス１４を生成するための光学デバイス１０に最適な図２のリングセグメント形断面２６を得るように出射光ビームを後処理することができる。
【０１２６】
図１８は、ラインフォーカス１４を生成するためのデバイス１０を光学配置７０との組合せに示しており、図１８では、図１０と比較して、光学要素７６は、対称軸８４の下方に配置され、光学要素７８は、対称軸８４の上方に配置され、入射光ビーム７２のビーム経路は、それに応じて対称軸８４に関して反転されている。この構成では、ラインフォーカス１４を生成するためのデバイス１０は、全体で３つのアキシコン７６、７８、及び８０を有する。この場合に、光学要素１８上に入射する光ビーム１２は、第２の光学要素７８から出射する光ビーム７４であり、リングセグメント形断面を有する。
【０１２７】
図１９は、光学配置７０と比較して修正され、かつ全ての光学要素がラインフォーカス１４の平面の上方に配置されるように実施された光学配置７０ａとの組合せに図１８のデバイス１０の修正を示している。
【０１２８】
更に、図１９では、光学配置７０ａの第２の光学要素７８とデバイス１０の光学要素１８との間に、この場合はプリズムである更に別の光学要素１４２が設けられている。第１に、光学要素１４２は、図１のもののような得られる光ビーム１２が光学要素１８内で対称軸２０に対してほぼ平行に入射するように出射光ビーム７４をその伝播方向に偏向させるためなどに機能する。第２に、この配置は、図１７を参照して上述したように、出射光ビーム７４が、楕円リングセグメント形断面を有し、光学要素１４２が、この楕円リングセグメント形断面をリングセグメント形断面に変換し、それによって光学要素１８内に入射する光ビーム１２が、図２に記載のリングセグメント形断面を有するように、入射光ビーム７２を光学要素７６及び７８に適応させることを可能にする。
【０１２９】
光ビームをラインフォーカスに変換するためにリングセグメント形に照明される少なくとも１つのアキシコンを利用する光学デバイス及び方法の説明を上記に提供したが、下記では、円錐形光学作動面を有するのではなく、光ビームをラインフォーカスに変換するために円柱光学作動面及び／又は球面光学作動面を使用する光学デバイス及び方法の説明を提供する。
【０１３０】
図２０は、この態様の基本原理を示している。
【０１３１】
図２０は、光軸３０２を定める正のレンズ３００を示している。
【０１３２】
図２０に示す２つの部分ビーム３０６及び３０８を有する光ビーム３０４は、光ビーム３０４がリングフォーカス３１２の形態を有する焦点面３１０から出射する。光ビーム３０４は、正のレンズ３００を通じて誘導され、ラインフォーカス３１４上に結像されるか、又はラインフォーカス３１４に変換される。図１のラインフォーカス１４と同様に、ラインフォーカス３１４は、図２０に座標軸３１６で示すように方向ｙに沿って長さを有し、ラインフォーカス３１４は、それに対して垂直な方向ｘに幅狭であるか又は集束される。
【０１３３】
正のレンズ３００は、リングフォーカス３１２をラインフォーカス３１４に変換する。
【０１３４】
リングフォーカス３１２から出射する光ビーム３０４は、必ずしも光軸３０２と平行に進む必要はなく、図２０に示すように、光軸３０２に対して傾斜したものとすることができる。
【０１３５】
正のレンズ３００を用いたリングフォーカス３１２の結像の結果として、「単純」なレンズを用いて、円錐波面、従って、ラインフォーカス３１４は、この目的で少なくとも１つの円錐形光学作動面又はアキシコンを必要とするが、上述のデバイス１０を用いて生成することができるような方法で同じく生成することも従って可能である。
【０１３６】
原理的には、リングフォーカス３１２は、冒頭に挙げた技術書に記載されているアキシコンと正のレンズとの組合せからなる光学配置によって生成することができる。しかし、アキシコンを用いずに如何にリングフォーカス３１２を生成することができるかの説明を以下に提供する。
【０１３７】
生成されるラインフォーカスは、基板を検査する目的、特にシリコン層を溶解させる目的に使用されることに向けられるので、この場合に、リングフォーカス３１２のうちで図２０の光軸３０２の上側の区域のみが重要であり、すなわち、以下に続く考察は、例えば、半リング又は更に小さい完全リングの一部のみである部分リング形フォーカスに基づいている。
【０１３８】
図２１は、光ビーム３２２を図１に記載の光学デバイス１０によって生成されるラインフォーカス１４に対応するラインフォーカス３２４に変換するための光学デバイス３１２を示している。
【０１３９】
ラインフォーカス３２４は、相応に、方向ｙに対して垂直な方向ｘにおけるラインフォーカスの広がりの倍数だけ長い長さを第１の方向ｙに有する。方向ｘは、図２１の作図面と垂直に延びている。
【０１４０】
光学デバイス３２０は、光ビーム３２２から最初に光軸３３０上のフォーカス３２８を生成する光学配置３２６を有し、光学配置３２６は、次に、光軸３３０上のフォーカス３２８を光軸３３０の軸外の部分リング形フォーカス３３２に反転させる。図２１には、部分リング形フォーカス３３２から部分リングの頂点のみを示している。
【０１４１】
同じく仮想である部分リング形フォーカス３３２は、次に、光学配置３２６の下流に配置された正のレンズ３３４を用いてラインフォーカス３２４に変換される。
【０１４２】
光ビーム３２２から光軸３３０上にフォーカス３２８を生成するために、光学配置３２６は、光伝播方向に見て凹であり、従って、発散屈折性を有する屈折面３３６を有する。屈折面３３６は球面である。
【０１４３】
光軸３３０上のフォーカス３２８を光軸３３０の軸外の部分リング形フォーカス３３２に反転させるために、光学配置３２６は、屈折面３３６の下流に配置された反射面３３８を有する。図示の例示的な実施形態において、反射面３３８は内部全反射面であり、すなわち、光学的に密の媒質から光学的に低密の媒質への遷移をもたらす。
【０１４４】
反射面３３８は、円柱の側面又は円柱の部分側面として具現化される。
【０１４５】
図示の例示的な実施形態において、屈折面３３６及び反射面３３８は、光ビーム３２２の波長に対して透過的な統合光学構成要素３４０上に形成される。この場合に、屈折面３３６は、光学構成要素３４０の入射側を形成し、反射面３３８は、光伝播方向に光学構成要素３４０の側面に沿って延びている。正のレンズ３３４も同じく構成要素３４０内に統合することができる。
【０１４６】
光学デバイス３２０は、光ビーム３２２が図３に示すリングセグメント形断面を伴って光学配置３２６内に入射するように光ビーム３２２を前処理する光学前処理配置３４２を更に有する。
【０１４７】
光学デバイス３２０によって実施される光ビーム３２２をラインフォーカス３２４に変換する方法を以下に説明する。
【０１４８】
リングセグメント形断面を有する光ビーム３２２は平行化され、光軸３３０の軸外で光学配置３２６上に誘導される。屈折面３３６において、光ビーム３２２は、光軸３３０から離れるように屈折される。屈折された光ビーム３２２’の後方延長部が、次に、破線３４２に示すように光軸３３０上に仮想フォーカス３２８を生成する。
【０１４９】
屈折面３３６から、光ビーム３２２’は反射面３３８上に誘導され、次に、そこで光ビーム３２２’は内部全反射される。図２１では、内部全反射された光ビーム３２２’の後方延長部を光軸３３０の軸外の部分リング形フォーカス３３２において交差する破線３４４によって例示している。
【０１５０】
次に、反射光ビーム３２２’は、正のレンズ３３４を通じて誘導される。この場合に、正のレンズ３３４は、仮想部分リング形フォーカス３３２をラインフォーカス３２４に変換する。
【０１５１】
光学デバイス３２０の修正も可能である。この場合に、光軸３３０上にフォーカス３２８を生成するのに、発散的に有効な屈折面３３６の代わりに収束的に有効な屈折面を使用することができる。
【０１５２】
屈折面３３８での光ビーム３２２’の内部全反射の代わりに、ミラー面を使用することも可能である。
【０１５３】
更に、反射面３３８は、円柱の代わりに球面に実施することができる。最後に、屈折面３３６及び反射面３３８はまた、個々の光学構成要素の間に配分することができる。
【０１５４】
屈折面３３６と正のレンズ３３４の間の距離は、この距離が屈折面３３６の焦点距離と正のレンズ３３４の焦点距離との和に等しいように選択される。
【０１５５】
収束レンズ３３４を含む光学配置３２６の全体焦点距離は無限大である。
【０１５６】
正のレンズ３３４は球面である。従って、全体として、屈折面３３６から始まって、球面−円柱−球面というシーケンスで光学作動面の組合せがもたらされる。従って、ラインフォーカス３２４を生成するために円錐形光学作動面を必要としない。
【０１５７】
図２２は、光ビーム３５２をラインフォーカス３５４に変換するための光学デバイスの更に別の例示的な実施形態３５０を示している。光学デバイス３５０は、専ら屈折性の面３５８、３６０、３６２、及び３６４を有する光学配置３５６を有する。
【０１５８】
この場合に、上述の全ての屈折面３５８〜３６４は球面である。
【０１５９】
光ビーム３５２は、ここでもまた、リングセグメント形断面を伴って光学配置３５６を通じて平行に誘導され、光ビーム３５２は、屈折面３５８及び３６０と３６２及び３６４とによって形成されたレンズ３７０と３７２に遙かに軸外に印加される。レンズ３７０及び３７２の通過の後に、部分リング形フォーカス３７４が、光ビーム３５２から屈折面３６４によって出射側に生成され、このフォーカスは、光学配置３５６に続く正のレンズ３７６によってラインフォーカス３５４に変換される。
【０１６０】
光学デバイス３５０の場合には、部分リング形フォーカス３７４の生成は、非近軸領域における収差又は屈折の法則の非線形性に実質的に基づくものであり、すなわち、光ビーム３５２は、光軸３５３から遙かに軸外でレンズ３７０及び３７２を通して誘導される。
【符号の説明】
【０１６１】
１０  光学デバイス
１２  光ビーム
１４  ラインフォーカス
１８  光学要素
７０ａ  光学配置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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2014520281.tif 000026
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