(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光強度分布を有するレーザ光が入射され、前記入射されたレーザ光の、進行方向に直交する第１方向の波面収差を、回折限界より大きくし、前記進行方向及び前記第１方向に直交する第２方向の波面収差を、回折限界以下とする、非球面のシリンドリカルレンズ、又は、非球面のトーリックレンズである、光学素子。
【請求項２】
所定の光強度分布を有するレーザ光が入射され、前記入射されたレーザ光の、進行方向に直交する第１方向の波面収差を、回折限界より大きくし、前記進行方向及び前記第１方向に直交する第２方向の波面収差を、回折限界以下とし、
前記第１方向に沿った前記レーザ光の波面収差のプロファイルが、前記第１方向において連続し、
前記第１方向に沿った前記レーザ光の波面収差の曲率プロファイルにおいて、曲率が、第１位置において極大値をとり、第２位置及び第３位置において、前記第１位置における極大値より小さい値をとり、
前記第１位置は、前記第１方向に沿って前記第２位置と前記第３位置との間の位置であり、かつ、前記第２位置及び前記第３位置よりも、前記レーザ光の光軸に近い位置である、光学素子。
【請求項３】
前記第１方向における波面収差の最大値と最小値との差が、前記レーザ光の波長以上である、請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１方向に沿った前記レーザ光の波面収差のプロファイルが、前記第１方向において連続する、請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１方向に沿った前記レーザ光の波面収差の曲率プロファイルにおいて、曲率が、第１位置において極大値をとり、第２位置及び第３位置において、前記第１位置における極大値より小さい値をとり、
前記第１位置は、前記第１方向に沿って前記第２位置と前記第３位置との間の位置であり、かつ、前記第２位置及び前記第３位置よりも、前記レーザ光の光軸に近い位置である、請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記レーザ光の前記第１方向に沿った長さが、前記光学素子の前記第１方向に沿った長さより短いレーザ光を出射する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
非球面のシリンドリカルレンズ、又は、非球面のトーリックレンズである、請求項２に記載の光学素子。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の前記光学素子と、
前記光学素子に前記レーザ光を射出する光源と、を有する、レーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及びレーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、光強度に分布を有しており、例えばシングルモードレーザは、ガウシアンプルファイルとなっている。ガウシアンプロファイルの場合、光強度は、光軸付近において高くなり、光軸から離れるに従って低くなる。しかし、用途によっては、均一な光強度を有するレーザが求められる場合がある。例えば特許文献１には、パウエルレンズを用いてトップハット変換を行うことにより、一方向に長いライン状のレーザ光の光強度を均一にする技術が記載されている。また、特許文献２には、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element 回折光学素子）を用いる旨も記載されている。ＤＯＥを用いた場合にも、レーザ光の光強度を均一にすることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４８２６２９９号公報
【特許文献２】特表２００２−５２０６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、パウエルレンズは、レーザ光を幾何光学的に絞り込むものであり、波動光学的に、すなわちレーザ光の回折などを考慮した設計となっていない。従って、レーザ光に回折が発生する場合においては、パウエルレンズでは適切に光強度を一様にできないおそれがある。レーザ光に回折が発生する場合とは、例えば、ライン状のレーザ光において、ラインに沿ったレーザ幅が、レンズの幅より短い場合などである。また、ＤＯＥは、回折が発生した場合でも機能するが、構造が微細であるため製造が難しく、また、光強度分布がレーザ光の波長変化に対して影響されやすいなど、改善の余地がある。【０００５】
従って、本発明は、レーザ光の光強度の不均一を適切に抑制する光学素子及びレーザ照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る光学素子は、所定の光強度分布を有するレーザ光が入射され、前記入射されたレーザ光の、進行方向に直交する第１方向の波面収差を、回折限界より大きくし、前記進行方向及び前記第１方向に直交する第２方向の波面収差を、回折限界以下とする。【０００７】
前記光学素子は、前記第１方向における波面収差の最大値と最小値との差が、前記レーザ光の波長以上となることが好ましい。【０００８】
前記光学素子は、前記第１方向に沿った前記レーザ光の波面収差のプロファイルが、前記第１方向において連続することが好ましい。【０００９】
前記光学素子は、前記第１方向に沿った前記レーザ光の波面収差の曲率プロファイルにおいて、曲率が、第１位置において極大値をとり、第２位置及び第３位置において、前記第１位置における極大値より小さい値をとり、前記第１位置は、前記第１方向に沿って前記第２位置と前記第３位置との間の位置であり、かつ、前記第２位置及び前記第３位置よりも、前記レーザ光の光軸に近い位置であることが好ましい。【００１０】
前記光学素子は、前記レーザ光の前記第１方向に沿った長さが、前記光学素子の前記第１方向に沿った長さより短いレーザ光を出射することが好ましい。【００１１】
また、前記光学素子は、非球面のシリンドリカルレンズ、又は、非球面のトーリックレンズであることが好ましい。【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るレーザ照射装置は、前記光学素子と、前記光学素子に前記レーザ光を射出する光源と、を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザ光の光強度の不均一を適切に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態にかかるレーザ照射装置の模式図である。
【図２】図２は、本実施形態にかかるレーザ照射装置の模式図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る光学素子の模式図である。
【図４】図４は、光軸方向から見たレーザ光の強度分布を示す模式図である。
【図５】図５は、比較例における波面を説明する説明図である。
【図６】図６は、本実施形態における波面を説明する説明図である。
【図７】図７は、本実施形態に係るレーザの光強度分布の一例を示す図である。
【図８】図８は、方向Ｘにおける波面とレーザの光強度分布を示す図である。
【図９】図９は、光学素子ユニットの他の例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、実施例における波面の形状を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【００１６】
（レーザ照射装置の構成）
図１及び図２は、本実施形態にかかるレーザ照射装置の模式図である。図１に示すように、本実施形態にかかるレーザ照射装置１は、光源１０と、光学素子ユニット１２とを有する。光源１０は、レーザ光Ｌ１を発光し、発光したレーザ光Ｌ１を光学素子ユニット１２に射出する。レーザ光Ｌ１は、所定の光強度分布を有する。本実施形態では、レーザ光Ｌ１は、シングルモードのレーザ光であり、光強度分布がガウス分布となっている。レーザ光Ｌ１の波長は、４０５ｎｍ以上６６０ｎｍ以下であるが、この範囲に限られず任意の波長であってもよい。なお、ガウス分布とは、例えば以下の式（１）を示す分布である。
【００１７】
【数１】
0006496894.tif 000002
【００１８】
なお、式（１）において、Ｄ（ｘ）が、Ｘ方向の所定位置におけるレーザ光の強度分布を指し、α１は、係数である。
【００１９】
以下、レーザ光Ｌ１の進行方向を方向Ｚとし、方向Ｚに直交する平面に沿った１つの方向を、方向Ｘとし、方向Ｚに直交する平面に沿った他の１つの方向を、方向Ｙとする。すなわち、方向Ｙは、レーザ光Ｌ１の進行方向に直交する第１方向であり、方向Ｘは、方向Ｚ及び方向Ｙに直交する第２方向である。また、以下、レーザ光Ｌ１の方向Ｚに沿った中心軸、すなわち光軸を、光軸ＡＸとする。図１は、方向Ｙが紙面上方向を向いた図であり、図２は、方向Ｘが紙面上方向を向いた図である。
【００２０】
光学素子ユニット１２は、複数の光学素子を有するユニットであり、光源１０よりも方向Ｚ側に設けられる。本実施形態では、光学素子ユニット１２は、複数の光学素子として、コリメートレンズ２０と、光学素子２２と、収束レンズ２４とを有する。コリメートレンズ２０と、光学素子２２と、収束レンズ２４とは、光源１０側から方向Ｚに沿ってこの順で配列している。
【００２１】
コリメートレンズ２０は、光源１０から出射されたレーザ光Ｌ１が入射し、入射したレーザ光Ｌ１を平行光に調整して出射する。光源１０から出射されたレーザ光Ｌ１は、発散光である。コリメートレンズ２０は、発散光であるレーザ光Ｌ１を、平行光に調整して出射する。平行光となってコリメートレンズ２０から出射されてレーザ光Ｌ１は、方向Ｚに進行して、光学素子２２に入射する。
【００２２】
図３は、本実施形態に係る光学素子の模式図である。図３に示すように、光学素子２２は、レンズであり、透明なガラス又は樹脂などで構成されている。光学素子２２は、レーザ光Ｌ１に所定の波面収差を付与する光学素子である。
【００２３】
光学素子２２は、入射面３０と出射面３２とを有する。入射面３０は、光学素子２２のコリメートレンズ２０側（光源１０側）の表面であり、出射面３２は、光学素子２２の方向Ｚ側の表面である。すなわち、出射面３２は、方向Ｚにおいて入射面３０と対向する面（入射面３０の反対側の表面）である。
【００２４】
光学素子２２は、コリメートレンズ２０（光源１０）からのレーザ光Ｌ１が、入射面３０から入射される。入射面３０から入射されたレーザ光Ｌ１は、光学素子２２の内部３１を進行して、出射面３２からレーザ光Ｌ２として出射される。レーザ光Ｌ２は、方向Ｙに沿って所定のプロファイルの波面収差を有する。レーザ光Ｌ２の方向Ｙに沿った波面収差は、回折限界より大きい。一方、レーザ光Ｌ２は、方向Ｘに沿った波面収差が、回折限界以下である。言い換えれば、光学素子２２は、コリメートレンズ２０にコリメートされて入射面３０から入射されたレーザ光Ｌ１を、出射面３２からレーザ光Ｌ２として射出する。光学素子２２は、このレーザ光Ｌ２を、方向Ｙにおいて所定の波面収差が生じ、方向Ｘにおいて回折限界性能を持つ（回折限界性能以下の波面収差となる）レーザ光にする特性を有する。なお、回折限界とは、言い換えれば、無収差である。ここでの無収差とは、波面収差が、マレシャルの許容値以下の値であることを意味する。すなわち、回折限界の値は、マレシャルの許容値であるといえる。マレシャルの許容値は、波面収差の二乗平均根（ｒｍｓ値）が、レーザ光Ｌ１の１波長の０．０７倍以下の値を指す。光学素子２２により付与される波面収差の詳細については、後述する。なお、図３におけるレーザ光Ｌ１は、入射面３０から内部３１に入射された際に、上記のようなレーザ光Ｌ２となるように位相が変化するが、屈折が無視できるほど小さくなっている。ただし、レーザ光Ｌ１は、入射面３０から内部３１に入射された際に、無視できるレベル以上に屈折してもよい。また、レーザ光Ｌ２の波長は、レーザ光Ｌ１の波長と同じままである。
【００２５】
本実施形態では、光学素子２２は、入射面３０が、非球面のシリンドリカル形状である。そして、光学素子２２は、入射面３０が、レーザ光Ｌ２に対し、方向Ｙにおける波面収差を回折限界より大きくし、方向Ｘにおける波面収差を回折限界以下とするような形状となっている。入射面３０は、図１に示すように、方向Ｙに沿った軌跡が円弧に近い非球面の曲線状（凹形状）であり、図２に示すように、方向Ｘに沿った軌跡が直線状である。すなわち、入射面３０は、軸方向が方向Ｘとなる非球面の円筒状である。また、光学素子２２は、出射面３２が、方向Ｚに直交する平面状となっている。
【００２６】
本実施形態では、入射面３０が、レーザ光Ｌ２に対し、方向Ｙにおける波面収差を回折限界より大きくし、方向Ｘにおける波面収差を回折限界以下とするような形状であったが、これに限られない。すなわち、入射面３０が平面状である一方、出射面３２が、レーザ光Ｌ２に対し、方向Ｙにおける波面収差を回折限界より大きくし、方向Ｘにおける波面収差を回折限界以下とするような形状（例えば非球面）であってもよい。また、入射面３０及び出射面３２の両方が平面状でなく非球面であり、これらの両方の面により、方向Ｙにおける波面収差を回折限界より大きくし、方向Ｘにおける波面収差を回折限界以下とするように設計してもよい。すなわち、光学素子２２は、レーザが透過する表面（例えば入射面３０及び出射面３２の少なくともいずれか）が、レーザ光Ｌ２に対し、方向Ｙにおける波面収差を回折限界より大きくし、方向Ｘにおける波面収差を回折限界以下とするような形状であればよい。
【００２７】
収束レンズ２４は、光学素子２２から出射されたレーザ光Ｌ２が入射する。収束レンズ２４は、入射したレーザ光Ｌ２を、レーザ光Ｌ３として、照射対象物１００に焦点位置が合うように収束させて出射する。すなわち、収束レンズ２４からのレーザ光Ｌ３は、焦点位置Ｐｆにある照射対象物１００に向けて照射される。焦点位置Ｐｆは、レーザ光Ｌ３のビームウェストの位置（ビーム半径が最小となる位置）であるともいえる。レーザ照射装置１は、以上のような構成となっている。
【００２８】
図４は、光軸方向から見たレーザの強度分布を示す模式図である。図４は、光学素子２２から出射されたレーザ光Ｌ３の強度分布を、方向Ｚから見た場合の模式図である。図４は、焦点位置Ｐｆにおけるレーザ光Ｌ３の強度分布を示している。図４に示すように、焦点位置Ｐｆにおけるレーザ光Ｌ３は、方向Ｙに沿った長さＬＹが、方向Ｘに沿った長さＬＸより大きい、ライン状となっている。レーザ光Ｌ３は、焦点位置において、方向Ｙの長さが、方向Ｘの長さよりも、３倍以上９０倍以下であることが好ましい。ただし、レーザ光Ｌ３の方向Ｘ、Ｙにおける長さの比率は、これに限られない。なお、ここでのレーザ光Ｌ３の方向Ｘの長さとは、レーザ光Ｌ３の、光強度が所定値以上となる領域（例えば光軸における強度に対して１／２倍以上となる領域）の、方向Ｘに沿った最大長さである。同様に、ここでのレーザ光Ｌ３の方向Ｙの長さとは、レーザ光Ｌ３の、光強度が所定値以上となる領域（例えば光軸における強度に対して１／２倍以上となる領域）の、方向Ｙに沿った最大長さである。
【００２９】
また、長さＬＸは、光学素子２２や収束レンズ２４の方向Ｘに沿った長さ（方向Ｘに沿った射出瞳の長さ）より短く、長さＬＹも、光学素子２２や収束レンズ２４の方向Ｙに沿った長さ（方向Ｙに沿った射出瞳の長さ）より短い。すなわち、レーザ光Ｌ２は、収束レンズ２４により、方向Ｘ及び方向Ｙの両方について絞られている。本実施形態での射出瞳位置は、収束レンズ２４の出射面である。ただし、レーザ光Ｌ２は、方向Ｙにおいて絞られていなくてもよい。また、レーザ光Ｌ３は、必ずしもライン状でなくてもよい。
【００３０】
このように収束レンズ２４から出射されたレーザ光Ｌ２は、レーザ光Ｌ３として、照射対象物１００に照射される。照射対象物１００は、レーザ照射装置１の用途により任意である。例えば、レーザ照射装置１が、フローサイトメータに用いられる場合、照射対象物１００はサンプル（細胞）となる。この場合、レーザ照射装置１は、方向Ｘが鉛直方向に沿うように、レーザ光Ｌ３を照射する。すなわち、レーザ光Ｌ３は、鉛直方向に短く水平方向に長い形状となる。そして、鉛直方向上方から滴下される照射対象物１００（蛍光物質が添加された細胞サンプル）に、鉛直方向に短く水平方向に長い形状のレーザ光Ｌ２が照射される。フローサイトメータは、サンプル中の蛍光物質によるレーザ光Ｌ２の散乱光を測定して、計測を実行する。ただし、レーザ照射装置１の用途は、フローサイトメータに限られず任意である。
【００３１】
（トップハット変換について）
ここで、光源１０からのレーザ光Ｌ１は、所定の光強度分布（ここではガウス分布）を有しており、位置によって光強度が不均一となっている。しかし、レーザ光Ｌ２の方向Ｙに沿った光強度の分布を、トップハット変換により均一とすることが求められる場合がある。
【００３２】
従来のトップハット変換の技術としては、例えば照明用途において、照明光学系における拡散板のような素子に照明光を透過して、トップハット変換を行うものがある。しかし、この場合、エテンデューが大きくなり、レーザ光を絞ることができなくなったり、スペックル発生によってノイズが大きくなったりという問題があった。なお、エテンデューとは、発光面積と光の広がり角との積である。照明用途においては、スペックル発生が特に問題となる。また、レーザ加工などの分野においては、拡散板を用いると絞り込むことができないため、加工効率が低下するなども問題となる。
【００３３】
また、形状計測などの分野では、レーザ光をライン状にして用いる場合がある。このような場合、レーザ光のラインに沿った方向、すなわち図４の例での方向Ｙには、レーザ光の強度を出来るだけ均一にすることが求められる場合がある。また、レーザ光の幅方向（レーザ光のラインを横切る方向）、すなわち図４の例での方向Ｘには回折限界を保つ、すなわちガウシアンプロファイルのままであることが求められる場合がある。さらに、スペックルなどのノイズは、方向Ｙでのレーザ光の強度を均一にすること、及び方向Ｘでの回折限界を保つことを妨害しない程度に、低くすることが求められる場合がある。このような要求に対応するため、従来、例えばパウエルレンズが用いられていた。
【００３４】
パウエルレンズとは、１面が特殊な円筒面形状のレンズであり、上記要求を満たすことが可能である。しかし、パウエルレンズは、研磨加工上の限界があるため、照度分布のユニフォーミティ（Uniformity）がゼロにならなくなるという問題がある。これを解決するために、レンズを高次非球面化することがあるが、研磨で高次非球面形状を生成することができない。高次非球面形状を実現するには、研削加工された金型を使用したガラス又はプラスチック成型でレンズを製造する必要がある。また、研磨よりも研削の方が、装置規模が大きくなり、さらに、金型加工成形の評価などのプロセスが必要となる。従って、高次非球面化した場合は、通常のパウエルレンズよりも製造が困難となり、コストも高くなる。なお、ユニフォーミティ（Uniformity）とは、照度分布がどのくらい均一化を表す評価量であり、例えば、以下の式（２）に基づき表される。
【００３５】
Ｕ＝（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／（Ｌｍａｘ＋Ｌｍｉｎ）  ・・・（２）
【００３６】
式（２）において、Ｕは、ユニフォーミティ（Uniformity）であり、Ｌｍａｘは、照度の最大値であり、Ｌｍｉｎは、照度の最小値である。すなわち、式（２）の例において、ユニフォーミティは、照度の最大値と最小との差を、照度の最大値と最小値との和で除したものとなる。
【００３７】
さらに、従来のパウエルレンズや非球面レンズを用いたトップハット変換は、幾何光学的な基準に基づき設計されている。幾何光学的な基準に基づき設計した場合、光を、進行方向を向いた直線の束とみなす。そして、その直線に沿って光エネルギが運ばれ、焦点面の単位面積を通過する光エネルギを均一とするように、レンズの面形状が設計される。しかし、例えば、ライン幅（図４の例では方向Ｘに沿った長さ）やライン長さ（図４の例では方向Ｙに沿った長さ）が小さいレーザ光を生成する場合、幾何光学的な基準に基づいた設計では、トップハット変換が適切になされないおそれがある。具体的に説明すると、光のライン幅は、際限なく小さくできるわけではなく、回折限界という関係に基づいて下限がある。ここで、光の波長を波長λとし、ライン幅の半値を、半値幅ｗ０とし、絞り込み半角を絞り込み半角θとする。ライン幅の半値とは、光軸での光強度を１とした場合に、強度が１／ｅ２となる光軸からの距離である。この場合、波長λと半値幅ｗ０と絞り込み半角θとは、以下の式（３）のような関係となる。式（３）によると、波長λが決まっている場合、ライン幅を小さくするには、絞り込み半角θを大きくする必要があることが分かる。
【００３８】
【数２】
0006496894.tif 000003
【００３９】
また、射出瞳の径を射出瞳径φとし、光学系の出口からライン状の光が生成される位置までの距離を、距離ＷＤとする。この場合、絞り込み半角θと射出瞳径φと距離ＷＤとは、以下の式（４）のような関係がある。
【００４０】
｛φ／（２・ＷＤ）＞θ｝・・・（４）
【００４１】
式（４）によると、距離ＷＤを長くするためには射出瞳径φを大きくする必要がある。例えば、波長λを４８８ｎｍとし、半値幅ｗ０を５μｍとし、距離ＷＤを３０ｍｍとすると、射出瞳径φは、１．８６ｍｍ以上となる必要がある。この場合に光のライン長さを０．１ｍｍとすると、ライン長さが射出瞳径φより短くなり、ライン長さ方向においても、光が絞り込まれる。このような場合、回折など、光の波としての性質を考慮する必要が生じる。しかし、幾何光学的な基準に基づくレンズ設計では、光の回折を考慮しない。従って、従来のパウエルレンズや非球面レンズを用いたトップハット変換では、回折により、光の分布を適切に制御できない可能性が生じる。また、パウエルレンズなどにおいて、射出瞳から出射された光は、広がりつつ進行することが前提となっている。従って、この場合、光のライン長さに沿った方向には、焦点位置がなく、この場合の光は、フレネル領域にあるといえる。フレネル領域とは、フラウンホーファー回折による計算と実際の光強度が一致しない領域である。そのため、パウエルレンズからの光は、レンズ表面の微細な傷や異物による光の位相や揺らぎが伝播してゆく過程で、広がってゆく。これがユニフォーミティ（Uniformity）に影響して、製造欠陥などを招く可能性も懸念される。
【００４２】
このように、パウエルレンズなどは、光の回折を考慮しないため、適切にトップハット変換できない可能性がある。
【００４３】
一方、回折を考慮する場合に、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element 回折光学素子）を用いる技術も提案されている。ＤＯＥは、例えば、表面に、光波長程度の高さの段差を複数設けた形状の素子である。ＤＯＥを用いた場合、射出瞳の大きさにあまり影響されずに、焦点面の大きさを決定でき、設計の自由度もパウエルレンズより高い。例えば、ＤＯＥを用いると、任意の光強度分布を設計できたり、光軸に対して傾斜した面や曲面に対しても設計可能であったりする。また、ＤＯＥを用いる場合の光は、フラウンホーファー領域にあるため、パウエルレンズのように、傷や異物の影響を受け難い。なお、フラウンホーファー領域とは、フラウンホーファー回折による計算と実際の光強度が一致する領域である。
【００４４】
しかし、ＤＯＥの製造には、例えば１μｍ以下の微細な加工が必要となり、その加工評価も必要とされ、加工や評価が困難となる。そのため、ＤＯＥは、製造コストも高くなる。また、ＤＯＥは、照度分布が、光の波長変化に対して敏感であり、不要回折光をゼロにできないという問題もある。不要回折光をゼロと出来ない場合、光の利用効率を高くできなかったり、スペックルが発生したりするおそれがある。特に、加工については、パターニングや高速エッチングが必要となり、評価については、ナノメートル単位の段差を測定する必要があるため、装置規模が大きくなり、コストが高くなる。
【００４５】
また、フラウンホーファー領域では、瞳と焦点面とがフーリエ変換で結ばれる関係となり、それを利用する技術も開示されている（米国特開２０１６０２６６３９３号公報を参照）。この技術においては、焦点面での均一な強度分布を実現するための瞳面での分布を算出して、それに基づき光学素子の表面を設計している。この場合の光学素子の表面は、滑らかな面となっているため、ＤＯＥにおける問題は解消できる。しかし、逆フーリエ変換の場を作り出すために、複数の非球面光学素子が必要となり、また、必要な位相反転を得るための伝播距離や、絞り込みレンズも必要となる。また、調整についても、単一な光学素子に比べ困難となる。
【００４６】
このように、ＤＯＥを用いた場合、回折を考慮する場合でもトップハット変換が可能であるが、製造上や性能上での問題がある。また、フーリエ変換を利用する技術においても、より単純な構造が求められている。従って、製造をより容易としつつ、回折を考慮する場合でもトップハット変換を行うことができる技術が求められている。
【００４７】
そこで、本発明者は、光学素子２２を用いて、レーザ光Ｌ２に対し方向Ｙに沿った波面収差を与えることにより、トップハット変換を行って、レーザ光Ｌ２の方向Ｙに沿った光強度分布を均一化できることを想起した。すなわち、ガウス分布のレーザに非点収差を与えると、そのレーザ光をライン状とすることが可能であるが、この場合、レーザ光の光強度分布は、方向Ｙに沿ってもガウス分布となり、不均一となる。従って、本発明者は、例えばこの非点収差に加えて、波面収差を付与することを想起した。
【００４８】
（波面収差について）
波面収差とは、基準となる理想波面に対する、光（ここではレーザ光Ｌ２）の波面のズレ量（収差）である。波面とは、等位相の光線（ここではレーザ光Ｌ２）の点を結ぶ面（光線に垂直な面）であり、図３の例では、波面Ｗとなる。ここでの理想波面は、平行光の波面となるため、理想波面は平面状である。すなわち、本実施形態における波面収差は、平面状の波面からのずれを示している。なお、波面収差は、光の位相から導出されるものであり、光の回折も考慮した収差といえる。
【００４９】
本実施形態で付与される波面収差を説明する前に、一般的な球面収差が発生した場合の波面について説明する。球面収差は、球面レンズなどで発生する収差である。図５は、比較例における波面を説明する説明図である。図５は、球面レンズによる球面収差が発生した場合の波面プロファイルの一例を示している。図５の左側のグラフの横軸は、方向Ｙの位置を示す。図５の左側のグラフの曲線Ｍ１は、球面収差が与えられた場合の、方向Ｙに沿ったレーザ光の波面のプロファイルの一例を示す。曲線Ｍ１に示すように、比較例のような球面収差が発生した場合の波面は、光軸ＡＸ上の位置Ｙ０から離れるに従って、一定の低い値をとり、所定位置まで離れると大きくなっている。また、曲線Ｍ２は、曲線Ｍ１の波面の曲率の、方向Ｙに沿ったプロファイルである。曲線Ｍ２に示すように、球面収差が発生した場合の波面の曲率は、光軸ＡＸ上の位置Ｙ０において最小となり、位置Ｙ０から離れるに従って大きくなっている。すなわち、この場合のレーザ光の波面の曲率は、光軸ＡＸ上の位置Ｙ０付近で小さくなり、その周囲が大きくなっている。
【００５０】
ここで、曲率とは、曲線や曲面の曲がり具合を指す量であり、曲率半径の逆数を指す。曲率半径とは、曲線や曲面の局所的な曲がり具合を近似した円の半径である。すなわち、波面（波面収差）の曲率半径は、波面のプロファイルの局所的な曲がり具合を近似した円の半径であり、波面の曲率は、その曲面半径の逆数である。ここで、τ（ｙ）を、方向Ｙにおけるレーザ光の波面のプロファイルとし、方向Ｙにおけるτ（ｙ）の曲率のプロファイルを、ρ（ｙ）とする。この場合、波面の曲率であるρ（ｙ）は、例えば、以下の式（５）のように表される。
【００５１】
【数３】
0006496894.tif 000004
【００５２】
τ（ｙ）は波面であり、その大きさは、レーザ光Ｌ２の波長のオーダーである。一方、ｙは、方向Ｙの位置であり、その大きさは、ｍｍ単位のオーダーである。従って、τ（ｙ）の一階微分は小さくなる。そのため、τ（ｙ）を表す式（５）は、次の式（６）のようにみなすことも可能である。
【００５３】
【数４】
0006496894.tif 000005
【００５４】
ここで、通常のレンズでは、光軸付近においては収差が小さくなる。そして、例えば曲線Ｍ２に示すように、レンズを透過したレーザ光は、波面の曲率が、光軸付近で最小値となり、光軸から離れるに従って大きくなることが一般的である。また、収差が大きいと、レーザ光の位相のずれが大きくなる。従って、例えば曲線Ｍ１の位置Ｙ０近傍のプロファイルが示すように、通常のレンズは、収差を小さくする領域を大きくするように設計されている。しかし、このような場合、レーザ光の光強度分布が不均一を解消できない場合がある。例えば、図５の右側のグラフの曲線Ｍ３は、曲線Ｍ１のような波面となるレーザ光の、焦点位置における光強度分布を示している。曲線Ｍ３に示すように、曲線Ｍ１のような波面となるレーザ光の光強度分布は、方向Ｙに沿って不均一となっている。
【００５５】
それに対し、発明者は、あえて波面収差を付与することにより、レーザ光の方向Ｙに沿った光強度の不均一を抑制することを想起した。すなわち、本実施形態における光学素子２２は、方向Ｙに沿った強度分布の不均一を抑制するような波面となるように、レーザ光Ｌ２に波面収差を付与する。以下、方向Ｙに沿った強度分布の不均一を抑制する波面について説明する。
【００５６】
図６は、本実施形態における波面を説明する説明図である。図６の曲線Ａ１は、光学素子２２により方向Ｙに沿った波面収差を与えられたレーザ光Ｌ２の、方向Ｙに沿った波面のプロファイルの例を示している。曲線Ａ２は、光学素子２２により方向Ｙに沿った波面収差を与えられたレーザ光Ｌ２の、方向Ｙに沿った波面の曲率プロファイルを示している。曲線Ａ０は、レーザ光Ｌ２の、射出瞳上（ここでは収束レンズ２４の出射面上）における光強度分布を示している。なお、レーザ光Ｌ２は、射出瞳上では波面収差を付与済みであるが、光強度分布については、まだ均一となるように変化しておらず、ガウス分布のままとなっている。従って、レーザ光Ｌ２の射出瞳上における光強度分布は、光軸ＡＸ上の位置Ｙ０において、光強度が最大値となり、位置Ｙ０から離れるに従って、光強度が小さくなっている。
【００５７】
ここで、本実施形態におけるレーザ光Ｌ２の波面収差のプロファイルは、レーザ光Ｌ２のプロファイルから、平面状の理想波面のプロファイル、すなわち一定値を差し引いたものである。従って、曲線Ａ１に示すレーザ光Ｌ２の波面のプロファイルは、レーザ光Ｌ２の波面収差のプロファイルということもできる。曲線Ａ１に示すように、レーザ光Ｌ２の波面（波面収差）は、光軸ＡＸ上の位置Ｙ０において極小値をとり、方向Ｙに沿った他の位置より小さく、位置Ｙ０から離れるに従って大きくなっている。また、レーザ光Ｌ２の波面プロファイルは、光軸ＡＸを隔てて線対称な形状となっている。また、レーザ光Ｌ２の波面（波面収差）のプロファイルは、方向Ｙに沿って連続、かつ、微分可能となっている。また、レーザ光Ｌ２の波面（波面収差）の最小値と最大値との差である値ＷＡ０は、レーザ光Ｌ２の１波長以上の長さとなっている。
【００５８】
また、曲線Ａ２に示すように、レーザ光Ｌ２の波面（波面収差）の曲率プロファイルにおいて、波面（波面収差）の曲率は、光軸ＡＸ付近、より詳しくは、光軸ＡＸ上における値が、それよりも光軸ＡＸから離れた位置における値よりも、大きくなっている。また、波面（波面収差）の曲率は、Ｙ方向に沿って滑らかに連続しており、微分可能である。また、レーザ光Ｌ２の波面（波面収差）の曲率プロファイルは、光軸ＡＸを隔てて線対称な形状となっているが、それに限られない。ここで、図６に示すように、第１位置Ｙ１を、方向Ｙにおいて第２位置Ｙ２と第３位置Ｙ３との間の位置とする。この第１位置Ｙ１は、第２位置Ｙ２及び第３位置Ｙ３よりも、光軸ＡＸ（すなわち位置Ｙ０）に近い。本実施形態では、第１位置Ｙ１は、位置Ｙ０、すなわち光軸ＡＸ上であり、第２位置Ｙ２及び第３位置Ｙ３は、第１位置Ｙ１からの距離が等しい。この場合、曲線Ａ２に示すように、レーザ光Ｌ２の波面（波面収差）の曲率は、第１位置Ｙ１（ここでは位置Ｙ０）において上に凸のピーク値（極大値）となり、第１位置Ｙ１から離れるに従って、小さくなっている。また、波面の曲率は、第２位置Ｙ２及び第３位置Ｙ３における値が、第１位置Ｙ１における値よりも小さくなっており、下に凸のピーク値（極小値）となっている。すなわち、レーザ光Ｌ２の波面の曲率プロファイルは、第１位置Ｙ１においてピーク値（極大値）を有し、第１位置Ｙ１から離れるに従って、第２位置Ｙ２、第３位置Ｙ３まで値が小さくなっている。そして、波面の曲率プロファイルは、第２位置Ｙ２、第３位置Ｙ３から、さらに第１位置Ｙ１から離れるに従って、値が大きくなっている。このように、レーザ光Ｌ２の波面の曲率は、光軸ＡＸ付近の値が、周囲の値よりも大きくなっている。また、本実施形態では、第１位置Ｙ１は、光軸ＡＸ上にあったが、第２位置Ｙ２及び第３位置Ｙ３よりも光軸ＡＸに近ければ、光軸ＡＸ上になくてもよい。このような特徴を持った曲線Ａ２を曲率とした波面プロファイルによると、方向Ｙに沿った光強度を均一にすることが可能になる。
【００５９】
ここで、レーザ光Ｌ２の射出瞳上における光強度分布（曲線Ａ０）において、光強度が、位置Ｙ０における光強度の１／ｅ２倍となる位置を、位置Ｙｇとする。そして、位置Ｙ０から位置Ｙｇまでの方向Ｙに沿った長さを、長さＤｇとする。そして、位置Ｙ０から第３位置Ｙ３までの方向Ｙに沿った長さを、長さＤｍとする。また、位置Ｙｈを、位置Ｙ０（第１位置Ｙ１）と第３位置Ｙ３との間の位置であって、その位置Ｙｈにおける曲率が、位置Ｙ０（第１位置Ｙ１）における曲率と第３位置Ｙ３における曲率との平均値になる位置とする。そして、位置Ｙ０（第１位置Ｙ１）から位置Ｙｈまでの長さを、長さＤｈとする。ここでの第３位置Ｙ３は、曲率のピーク値（極値）をとる位置Ｙ０以外の位置であって、位置Ｙ０（光軸ＡＸ）に最も近い位置である。この場合、レーザ光Ｌ２の波面の曲率は、長さＤｈが、長さＤｇより小さいことが望ましい。
【００６０】
また、レーザ光Ｌ２の射出瞳上における光強度分布（曲線Ａ０）において、光強度が、位置Ｙ０における光強度の１／２倍となる位置を、位置Ｙｆとする。そして、位置Ｙ０から位置Ｙｆまでの長さを、長さＤｆとする。また、射出瞳の位置、すなわち、光学素子２２や収束レンズ２４の、方向Ｙにおける端部の位置を、位置Ｙｒとする。そして、位置Ｙ０から位置Ｙｒまでの長さを、長さＤｒとする。この場合、長さＤｆは、射出瞳位置におけるレーザ光Ｌ２の方向Ｙの長さを指す。そして、長さＤｒは、光学素子２２や収束レンズ２４の中心から端部までの長さ、すなわち半径を指す。この場合、長さＤｆは、長さＤｒより小さいことが好ましい。すなわち、この長さＤｆと長さＤｒとの関係は、レーザ光Ｌ２の強度が１／２倍以上となる領域の方向Ｙに沿った長さＤｆが、射出瞳の長さＤｒより小さくなるように、レーザ光Ｌ２が方向Ｙにおいて絞られることを意味している。
【００６１】
光学素子２２は、レーザ光Ｌ２の波面プロファイルが曲線Ａ１となるように、すなわち、レーザ光Ｌ２の波面の曲率プロファイルが曲線Ａ２となるように、レーザ光Ｌ２に、方向Ｙに沿った波面収差を付与する。光学素子２２は、このように波面収差を付与することで、レーザ光Ｌ２の方向Ｙに沿った光強度分布が不均一となることを抑制する。図７は、本実施形態に係るレーザの光強度分布の一例を示す図である。図７の曲線Ａ３は、レーザ光Ｌ２の波面プロファイルが曲線Ａ１の特徴を満たすように、レーザ光Ｌ２に波面収差を付与した場合の、レーザ光Ｌ２の方向Ｙに沿った光強度分布の一例を示している。さらに言えば、曲線Ａ３は、焦点位置におけるレーザ光Ｌ２の光強度分布を示している。曲線Ａ３に示すように、レーザ光Ｌ２は、焦点位置において、方向Ｙに沿った光強度分布の不均一性が抑制されていることが分かる。すなわち、レーザ光Ｌ２は、焦点位置における方向Ｙに沿った光強度分布が、レーザ光Ｌ１の光強度分布や、比較例に係るレーザの光強度分布（図５の曲線Ｍ３を参照）よりも、均一となっている。
【００６２】
光学素子２２は、このように方向Ｙに沿ってレーザ光Ｌ２に波面収差を与えるが、上述のように、方向Ｘに沿っては波面収差を与えない（無収差とする）。図８は、方向Ｘにおける波面とレーザの光強度分布を示す図である。図８の横軸は、方向Ｘにおける位置であり、位置Ｘ０は、方向Ｘにおける光軸ＡＸ上の位置である。曲線Ｂ１は、光学素子２２により方向Ｘに沿って無収差とされた場合のレーザ光Ｌ２の波面（波面収差）である。曲線Ｂ１に示すように、レーザ光Ｌ２の方向Ｘに沿った波面（波面収差）は、方向Ｘに沿って一定となっており、方向Ｘに沿った全ての位置において、小さな値（マレシャルの許容値以下の値）となっている。また、曲線Ｂ０は、レーザ光Ｌ２の方向Ｘに沿った光強度分布を示しており、焦点位置における光強度分布である。本実施形態では、レーザ光Ｌ２は、方向Ｘに沿っては波面収差を与えられないが、方向Ｙよりも絞られている。従って、レーザ光Ｌ２の方向Ｘに沿った光強度分布は、レーザ光Ｌ１と同じガウス分布から、絞られた分だけ幅が狭くなっている。
【００６３】
このように、光学素子２２は、方向Ｙに沿って波面収差を与えつつ、方向Ｘに沿っては無収差とするように、レーザ光Ｌ２を出射している。レーザ光Ｌ２にこのような傾向の波面収差を与えるための表面（本実施形態では入射面３０は、例えば以下の式（７）を満たすような形状となっている。
【００６４】
ｚ＝τ（ｙ）／（１−ｎ）      ・・・（７）
【００６５】
ここで、ｚは、方向Ｚにおける入射面３０の表面座標を示す。τ（ｙ）は、方向Ｙにおける所定位置ｙにおける、レーザ光Ｌ２の波面（波面収差）を示す。ｎは、レーザ光Ｌ１（レーザ光Ｌ２）の波長での、光学素子２２の屈折率を示す。すなわち、式（７）は、入射面３０の方向Ｚにおける表面座標を、方向Ｙに沿った各位置において示すプロファイルを表している。また、入射面３０の方向Ｚにおける表面座標は、方向Ｘに沿っては一定となっている。光学素子２２は、入射面３０がこのような表面形状となっている場合に、出射面３２から出射するレーザ光Ｌ２を、方向Ｙに沿って波面収差を与えつつ、方向Ｘに沿っては無収差とすることができる。ただし、式（７）で規定される入射面３０の表面形状は、一例である。入射面３０の表面形状は、方向Ｙに沿って波面収差を与えつつ、方向Ｘに沿っては無収差とするものであれば、任意の形状であってよい。方向Ｙに沿って波面収差を与えつつ、方向Ｘに沿っては無収差とするような入射面３０の表面形状は、一義的に定まるわけではなく、ＤＬＳ（Dumped Least Square）法などの、非線形最適化手法を用いて決定してよい。すなわち、レーザ光Ｌ２にこのような傾向の波面収差を与えるための表面の形状は、複数挙げられる場合もある。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態に係る光学素子２２は、所定の光強度分布を有するレーザ光Ｌ１が入射される。そして、光学素子２２は、入射されたレーザ光Ｌ１の、方向Ｚに直交する方向Ｙ（第１方向）における波面収差を、回折限界より大きくし、方向Ｚ及び方向Ｙに直交する方向Ｘ（第２方向）の波面収差を、回折限界以下とする。
【００６７】
ここで、レーザ光Ｌ２は、焦点位置における方向Ｙに沿った光強度分布の不均一を抑制することが求められる場合がある。本実施形態に係る光学素子２２は、レーザ光Ｌ２に、方向Ｙにおいて回折限界より大きい所定の波面収差を付与し、方向Ｘにおいてレーザ光Ｌ２の波面収差を回折限界以下とした状態で、出射する。光学素子２２は、レーザ光Ｌ２に方向Ｙに沿った波面収差を与えることで、レーザ光Ｌ２の焦点位置における光強度分布の不均一を抑制することができる。
【００６８】
また、光学素子２２は、方向Ｙにおける波面収差（波面）の最大値と最小値との差が、レーザ光Ｌ２の波長以上となるように、レーザ光Ｌ２に波面収差を付与する。この光学素子２２は、方向Ｙにおける波面収差を、このように大きくすることで、レーザ光Ｌ２の光強度分布の不均一をより好適に抑制することができる。
【００６９】
また、光学素子２２は、方向Ｙに沿ったレーザ光Ｌ２の波面収差（波面）のプロファイルが、方向Ｙにおいて連続するように、レーザ光Ｌ２に波面収差を付与する。この光学素子２２は、レーザ光Ｌ２の方向Ｙに沿った波面のプロファイルを連続させる（なめらかにする）ので、レーザ光Ｌ２の方向Ｙに沿った光強度分布の不均一を抑制しつつ、そのような波面を実現させるレンズの表面形状を、連続かつ微分可能なシンプルな形状とすることができる。
【００７０】
また、光学素子２２は、方向Ｙに沿ったレーザ光Ｌ２の波面収差（波面）の曲率プロファイルにおいて、曲率が、第１位置Ｙ１において極大値をとり、第２位置Ｙ２及び第３位置Ｙ３において、第１位置Ｙ１における極大値より小さい値をとるように、レーザ光Ｌ２に波面収差を付与する。ここで、第１位置Ｙ１は、方向Ｙに沿って第２位置Ｙ２と第３位置Ｙ３との間の位置であり、かつ、第２位置Ｙ２及び第３位置Ｙ３よりも、レーザ光Ｌ２の光軸ＡＸに近い位置である。光学素子２２は、光軸ＡＸに近い位置において、波面の曲率をこのように大きくすることで、レーザ光Ｌ２の光強度分布の不均一をより好適に抑制することができる。
【００７１】
また、光学素子２２は、レーザ光Ｌ２の方向Ｙに沿った長さが、光学素子２２の方向Ｙに沿った長さより短いレーザ光Ｌ２を出射する。この光学素子２２は、出射するレーザ光Ｌ２が、方向Ｙに沿って絞られている。この場合、レーザ光Ｌ２は、回折の影響が顕著となる。それに対し、この光学素子２２は、回折の影響も考慮された波面収差を、レーザ光Ｌ２に付与している。従って、この光学素子２２は、レーザ光Ｌ２が絞られている場合に、レーザ光Ｌ２の光強度分布の不均一を好適に抑制することができる。また、レーザ光Ｌ２は、方向Ｙに沿った長さが、方向Ｘに沿った長さより長い。すなわち、光学素子２２は、ライン状のレーザ光Ｌ２において、長軸方向である方向Ｙにおいて波面収差を与えることで、長軸方向におけるレーザ光Ｌ２の光強度分布の不均一を好適に抑制することができる。
【００７２】
また、光学素子２２は、非球面のシリンドリカルレンズである。非球面とは、球面でない曲面を指す。光学素子２２は、非球面のシリンドリカルレンズであるため、レーザ光Ｌ２の光強度分布の不均一を抑制した状態で、ライン状のレーザ光Ｌ２を適切に出射することができる。なお、非球面のレンズの曲面Ｅのプロファイルは、例えば、次の式（８）のように表されるが、この式は一例である。
【００７３】
【数５】
0006496894.tif 000006
【００７４】
なお、式（８）において、ｙは、方向を指し、α２、α３、α４、α５、及びｋは、係数である。
【００７５】
このように、本実施形態に係る光学素子２２は、表面が連続しており微分可能な、なめらかな面となっている。また、ライン状のレーザ光を生成するための光学素子として、光学素子２２を１つだけ有していればよく、さらに言えば、ライン状とするための光学面（本実施形態の例では入射面３０）が１つだけであればよい。また、光学素子２２は、レーザ光Ｌ２の長さＬＹを、方向Ｙに沿った射出瞳の長さ以下とすることが可能である。すなわち、光学素子２２は、回折の影響を考慮して、トップハット変換を行うことができる。また、光学素子２２は、表面がなめらかな面であるため、不要光が発生せず、光の利用効率の低下やスペックルの発生を抑制できる。また、光学素子２２は、表面がなめらかな面であるため、ＤＯＥに比べて、光の波長に対する敏感さを小さくすることができ、製造装置の規模を小さくしたりできる。すなわち、光学素子２２は、製造を容易に行うことができる。また、光学素子２２からの光をフラウンホーファー領域とするため、傷や異物の影響を受け難い。このように、光学素子２２は、従来のパウエルレンズや非球面レンズが持つ問題と、ＤＯＥが持つ問題とを解決でき、さらに両者が持つ利点を両方備えることができる。
【００７６】
なお、光学素子２２は、非球面のシリンドリカルレンズに限られない。例えば、光学素子ユニット１２は、コリメートレンズ２０を有さない場合がある。この場合、光学素子２２にコリメート、すなわち発散光を平行光に調整する機能を付与する。この場合の光学素子２２は、トーリック形状となる。トーリック形状とは、方向Ｘ及び方向Ｙの両方において曲面であり、曲率が異なる形状を指す。すなわち、この場合、光学素子２２は、非球面のトーリックレンズとなる。光学素子２２を非球面のトーリックレンズとすることで、適切にコリメートしつつ、レーザ光Ｌ２の光強度分布の不均一を抑制することができる。
【００７７】
また、図９は、光学素子ユニットの他の例を示す模式図である。光学素子ユニットは、コリメートレンズ２０を有さない例以外にも、他の構造を採ることができる。図９は、収束レンズ２４を有さず、光学素子２２Ａに収束機能を付与した場合を示している。図９に示す光学素子ユニット１２Ａは、コリメートレンズ２０と、光学素子２２Ａとを有する。光学素子２２Ａは、コリメートレンズ２０で平行光とされたレーザ光Ｌ１が、入射面３０から入射する。光学素子２２Ａは、出射面３２Ａが、平面でなく凸形状となっている。従って、光学素子２２Ａは、波面収差を付与したレーザ光Ｌ２を、出射面３２Ａにおいて収束させることができる。また、収束レンズ２４を有さない場合でも、収束機能を有さない光学素子２２（出射面３２が平面状の光学素子２２）を用いてもよい。この場合、コリメートレンズ２０から出射されたレーザ光Ｌ１を収束光とすることで、焦点位置に適切にレーザ光Ｌ２を照射することができる。すなわち、光学素子ユニット１２は、波面収差を付与する光学素子２２を有していればよく、さらに、コリメート機能及び収束機能が付与されていればより好ましい。
【００７８】
（実施例）
次に、実施例について説明する。本実施例では、以下の目標値を満たし、かつ、方向Ｙに沿って本実施形態のような波面収差を付与してＸ方向には回折限界以下の波面収差とした場合の、波面プロファイルの例を説明する。本実施例では、レーザ光の波長が５３２ｎｍであり、光学系の出口からライン状の光が生成される位置までの距離ＷＤが、４０ｍｍであるとする。また、焦点位置Ｐｆにおけるレーザ光の方向Ｘに沿った長さＬＸの目標値を、１０μｍとし、焦点位置Ｐｆにおけるレーザ光の方向Ｙに沿った長さＬＹの目標値を、０．２ｍｍ以上とする。また、照度分布のユニフォーミティ（Uniformity）の目標値を、０．１％以下とし、結合効率の目標値を、５０％以上とする。結合効率とは、光源の出力に対する利用可能な光量の比を指すが、光学素子ユニット１２から射出される光量と利用可能な光量との比であってもよい。なお、これらの条件は、レーザ光Ｌ２の１／ｅ２幅における値である。
【００７９】
また、光源からのレーザ光の方向Ｘに沿った発散角を、１０°とし、方向Ｙに沿ったレーザ光の発散角を、５°とする。これらの発散角は、半値全幅における値である。このような発散角のレーザ光を、方向Ｙに沿って絞りこみ、上述のような目標値を達成し、かつ、本実施形態のような波面収差を付与する。
【００８０】
この場合、方向Ｚに沿った各位置における、ビームウェスト以外のレーザ光の半径ｗ（ｚ）は、次の式（９）となる。
【００８１】
【数６】
0006496894.tif 000007
【００８２】
ここで、ｚは、光軸ＡＸに沿ったビームウェストの距離であり、ｗ１は、ビームウェストの半径である。式（９）において、λを５３２ｍｍとし、ｗ１を５μｍとし、ｚを４０ｍｍとすると、射出瞳での半径ｗ（ｚ）は、約１．３５ｍｍとなる。また、レーザ光の発散角が１０°であるため、コリメートレンズ２０の焦点距離も、約９ｍｍとなる。また、コリメートレンズ２０の有効半径Ｒｙを、２ｍｍとする。
【００８３】
本実施例においては、この場合の波面（波面収差）のプロファイルであるτ（ｙ）を、次の式（１０）のように、偶数次のベキで表す。ここで、波面の位相の係数Φ（ｙ）は、次の式（１１）であるとする。
【００８４】
【数７】
0006496894.tif 000008
【数８】
0006496894.tif 000009
【００８５】
図１０は、実施例における波面の形状を示すグラフである。これらの式（１０）、（１１）を用いた非線形最適化の結果、各次における係数ａ２ｎは、次のようになる。すなわち、係数ａ２が、８．７９８６４となり、係数ａ４が、−５．８６３６５となり、係数ａ６が、３．７８２６７となり、係数ａ８が、−１．６２８９９となり、係数ａ１０が、０．４３６８２６となり、係数ａ１２が、−０．０６４４６８２となり、係数ａ１４が、０．００３９７３６１となる。本実施例では、この係数を持つ波面と波面の曲率とを算出した。本実施例における波面は、図１０の曲線Ｃ１のようになり、波面の曲率は、図１０の曲線Ｃ２のようになる。また、図１０の曲線Ｃ１は、ガウス分布である。
【００８６】
図１０の曲線Ｃ１に示すように、本実施例での波面プロファイルは、図６に示す曲線Ａ１のプロファイルと同様の形状になっている。また、曲線Ｃ１の最小値と最大値との差は、レーザ光Ｌ２の１５波長分程度の長さとなっている。また、図１０の曲線Ｃ２に示すように、本実施例での波面の曲率プロファイルは、図６に示す曲線Ａ２のプロファイルと同様の形状になっている。また、長さＤｈは、約０．３９ｍｍとなり、長さＤｇは、約０．６７ｍｍとなる。また、長さＤｍは、約０．８７２ｍｍとなる。
【００８７】
実施例においては、曲線Ｃ２のような曲率プロファイルを有する波面収差を付与するため、Ｙ方向に沿った光強度分布が、図７のようになり、レーザ光の光強度分布の不均一を抑制していることが分かる。また、Ｘ方向に沿った光強度分布が、図８のようになる。また、実施例によると、焦点位置Ｐｆにおけるレーザ光の長さＬＸの算出値が、１０μｍとなり、焦点位置Ｐｆにおけるレーザ光の長さＬＹの算出値が、２．８ｍｍとなり、ユニフォーミティ（Uniformity）の算出値が、０．０４％となり、結合効率の算出値が、６０％となった。このように、実施例によると、各目標値も達成できていることが分かる。
【００８８】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００８９】
１  レーザ照射装置
１０  光源
１２  光学素子ユニット
２０  コリメートレンズ
２２  光学素子
２４  収束レンズ
３０  入射面
３２  出射面
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３  レーザ光
【要約】
レーザ光の光強度の不均一を適切に抑制する。光学素子（２２）は、所定の光強度分布を有するレーザ光（Ｌ１）が入射され、入射されたレーザ光（Ｌ１）の、進行方向に直交する第１方向の波面収差を、回折限界より大きくし、進行方向及び第１方向に直交する第２方向の波面収差を、回折限界以下とする。【図１】
0006496894.tif 000010
【図２】
0006496894.tif 000011
【図３】
0006496894.tif 000012
【図４】
0006496894.tif 000013
【図５】
0006496894.tif 000014
【図６】
0006496894.tif 000015
【図７】
0006496894.tif 000016
【図８】
0006496894.tif 000017
【図９】
0006496894.tif 000018
【図１０】
0006496894.tif 000019