(57)【要約】  少なくとも実質的にコリメートされたレーザビーム（３）からマルチフォーカスプロファイル（２０）を生成する光学装置（１）であって、当該光学装置（１）は、ビーム路（４）を有しており、ビーム路（４）は、複数のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）とフーリエレンズ装置（６）とを順次通過し、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）は、これらのマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のマイクロレンズ（５、５ａ、５ｂ）について画一的なアパーチャａを有しており、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）全体（８）は、実効焦点距離ｆＭＬを有する。当該光学装置（１）は、位置調整機構（１５）を有しており、位置調整機構（１５）によって、ビーム路（４）において、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のうちの少なくともいくつかの相互間の光学的間隔（ｄ、ｄ１、ｄ２、ｔ）を調整可能であり、これにより、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）全体（８）の実効焦点距離ｆＭＬを設定可能であり、位置調整機構（１５）は、複数の位置調整ポジションｉ＝１〜Ｍを有している、ことを特徴とする。ここで、Ｍは、２以上の自然数、ｉは、位置調整ポジションの添え字であり、これらの位置調整ポジションにおいて項（式（Ｉ））2021530740.tif 000036がそれぞれ実質的に端数なく自然数Ｎｉを生じさせ、ここで、λは、レーザビーム（３）の中心波長、ｆＭＬ，ｉは、位置調整ポジションｉにより設定された、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）全体（８）の実効焦点距離ｆＭＬである。本発明によれば、レーザビームから生成される焦点の個数を簡単な手法により変更することができ、その際に均一な強度分布が得られる。
2021530740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも実質的にコリメートされたレーザビーム（３）からマルチフォーカスプロファイル（２０）を生成する光学装置（１）であって、
当該光学装置（１）は、ビーム路（４）を有しており、前記ビーム路（４）は、複数のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）とフーリエレンズ装置（６）とを順次通過し、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）は、当該マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のマイクロレンズ（５、５ａ、５ｂ）について画一的なアパーチャａを有しており、さらに前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）全体（８）は、実効焦点距離ｆＭＬを有する、
光学装置（１）において、
前記光学装置（１）は、位置調整機構（１５）を有しており、前記位置調整機構（１５）によって、前記ビーム路（４）における前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のうちの少なくともいくつかの相互間の光学的間隔（ｄ、ｄ１、ｄ２、ｔ）を調整可能であり、これにより、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）全体（８）の実効焦点距離ｆＭＬを設定可能であり、
前記位置調整機構（１５）は、複数の位置調整ポジションｉ＝１〜Ｍを有しており、ここで、Ｍは、２以上の自然数、ｉは、位置調整ポジションの添え字であり、前記位置調整ポジションにおいて項
【数１】
2021530740.tif 000030
がそれぞれ実質的に端数なく自然数Ｎｉを生じさせ、ここで、λは、前記レーザビーム（３）の中心波長、ｆＭＬ，ｉは、前記位置調整ポジションｉにより設定された前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）全体（８）の実効焦点距離ｆＭＬである、
ことを特徴とする光学装置（１）。
【請求項２】
前記位置調整ポジションｉにおいてそれぞれ
【数２】
2021530740.tif 000031
が成り立ち、好ましくは≦０．１、特に好ましくは≦０．０５である、
請求項１に記載の光学装置（１）。
【請求項３】
前記ビーム路（４）は、少なくとも３つの、好ましくは少なくとも４つの、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）を通過する、
請求項１又は２に記載の光学装置（１）。
【請求項４】
前記光学装置（１）は、少なくとも１つの偏向光学系、特に逆反射器又はミラー（４０）を含み、前記ビーム路（４）は、少なくとも１つのマイクロレンズアレイコンポーネント（ＭＢ１〜ＭＢ２）を複数回通過する、
請求項１から３までのいずれか一項に記載の光学装置（１）。
【請求項５】
前記位置調整機構（１５）は、キャリッジ（１１〜１４；５０）を含み、前記キャリッジ（１１〜１４；５０）上に、少なくとも２つのマイクロレンズアレイコンポーネント（ＭＢ１〜ＭＢ４）が一定の間隔（ｄ＋ｔ）で配置されており、前記キャリッジ（１１〜１４；５０）は、少なくとも１つのさらに他のマイクロレンズアレイコンポーネント（ＭＢ１〜ＭＢ４）に対向して、好ましくは少なくとも２つのマイクロレンズアレイコンポーネント（ＭＢ１〜ＭＢ４）に対向して、ビーム伝播方向（ｚ）に沿って走行可能である、
請求項１から４までのいずれか一項に記載の光学装置（１）。
【請求項６】
前記ビーム路（４）において第１及び第３のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ３）は位置固定されており、前記ビーム路（４）において第２及び第４のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ２、ＭＬＡ４）は走行可能な前記キャリッジ（１１〜１４；５０）上に配置されており、又は、この逆に構成されており、前記第１及び前記第４のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ）の焦点距離ｆ１と、前記第２及び前記第３のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ２、ＭＬＡ３）の焦点距離ｆ２とについて、ｆ２＝ｆ１／３が成り立つ、
請求項５に記載の光学装置（１）。
【請求項７】
前記光学装置（１）はさらに、波長分散素子（１００）、特に格子を有しており、前記波長分散素子（１００）は、前記ビーム路（４）において前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）全体（８）の前方に配置されており、少なくとも実質的にコリメートされた前記レーザビーム（３）を、前記ビーム伝播方向（ｚ）と交差する方向（ｘ）でスペクトル的に拡開するのに適しており、
前記フーリエレンズ装置（６）は、前記ビーム伝播方向（ｚ）と交差する方向（ｘ）で可変の焦点距離（ｆＦＬ）を伴って形成されている、
請求項１から６までのいずれか一項に記載の光学装置（１）。
【請求項８】
前記フーリエレンズ装置（６）は、前記ビーム伝播方向（ｚ）と交差する方向（ｘ）で可変のレンズ曲率を備えた自由曲面レンズ（１０２）として形成されている、
請求項７に記載の光学装置（１）。
【請求項９】
前記位置調整機構（１５）は、モータ駆動型であり、かつ、電子制御装置（１０）を有しており、前記電子制御装置（１０）には種々の前記位置調整ポジションｉがプログラミングされていて、前記電子制御装置（１０）により自動的に前記位置調整ポジションｉに向けて走行可能である、
請求項１から８までのいずれか一項に記載の光学装置（１）。
【請求項１０】
前記光学装置（１）は、さらに移相器（９０）を含み、前記移相器（９０）によりレーザ光において、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）の隣り合うマイクロレンズ（５、５ａ、５ｂ）のビーム束間に位相オフセットｎ*πをもたらすことができ、ここで、ｎは、奇数の自然数である、
請求項１から９までのいずれか一項に記載の光学装置（１）。
【請求項１１】
前記移相器（９０）は、移相器素子（９３）として形成されており、前記移相器素子（９３）において前記ビーム伝播方向（ｚ）と交差する方向（ｘ）に交互に第１の通過素子（９４）と第２の通過素子（９５）とが形成されており、第１の通過素子（９４）を通過することにより第２の通過素子（９５）を通過することに対し、レーザ光において位相オフセットｎ*πがもたらされ、特に前記第１の通過素子（９４）及び前記第２の通過素子（９５）はそれぞれ、前記アパーチャａに応じた幅を有する、
請求項１０に記載の光学装置（１）。
【請求項１２】
前記移相器（９０）は、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）うち１つのマイクロレンズアレイに組み込まれており、特に２つの隣り合うマイクロレンズ（５、５ａ〜５ｂ）の移行部（９２）における前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のプロファイル設定により、レーザ光において位相オフセットｎ*πをもたらす厚さの跳躍的変化（９６）がそれぞれ設けられる、
請求項１０に記載の光学装置（１）。
【請求項１３】
前記光学装置（１）は、さらにビーム成形レンズ（１２０）を含み、前記ビーム成形レンズ（１２０）は、前記ビーム路（４）において前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）の前方に配置されており、特に前記ビーム成形レンズ（１２０）の焦点距離ｆＳＬは、
【数３】
2021530740.tif 000032
により選択されている、
請求項１から１２までのいずれか一項に記載の光学装置（１）。
【請求項１４】
前記位置調整機構（１５）によりさらに、前記ビーム伝播方向（ｚ）と交差する少なくとも１つの方向（ｘ、ｙ）に関して、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のうち少なくとも１つのマイクロレンズアレイの、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のうち少なくとも１つの他のマイクロレンズアレイに対する横方向オフセットΔを設定可能であり、
特に前記位置調整機構（１５）は、複数の横方向位置調整ポジションｊ＝１〜Ｌを有しており、ここで、ｊは、横方向位置調整ポジションの添え字であり、Ｌは、２以上の自然数であり、前記横方向位置調整ポジションのところで、
【数４】
2021530740.tif 000033
が成り立ち、ここで、Δｊは、前記横方向位置調整ポジションｊにおける横方向オフセットである、
請求項１から１３までのいずれか一項に記載の光学装置（１）。
【請求項１５】
前記ビーム路（４）における前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のうち少なくとも２つのマイクロレンズアレイは、それぞれ異なる焦点距離（ｆ１〜ｆ４）を有する、
請求項１から１４までのいずれか一項に記載の光学装置（１）。
【請求項１６】
前記光学装置（１）は、２次元で集束されるマルチフォーカスプロファイル（２２）を生成するように形成されており、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のマイクロレンズ（５、５ａ、５ｂ）は、前記ビーム伝播方向（ｚ）に対し垂直な２つの直線的に独立した方向（ｘ、ｙ）において整列されており、特に前記アパーチャａ及び前記実効焦点距離ｆＭＬ，ｉは、両方の直線的に独立した方向（ｘ、ｙ）において同一である、
請求項１から１５までのいずれか一項に記載の光学装置（１）。
【請求項１７】
請求項１から１６までのいずれか一項に記載の光学装置（１）を動作させるための方法において、
位置調整機構（１５）により、時間的に相前後してそれぞれ異なる位置調整ポジションｉを探索し、前記位置調整ポジションｉにおいて、レーザビーム（３）によりそれぞれ異なるマルチフォーカスプロファイル（２０）を生成し、前記マルチフォーカスプロファイル（２０）は、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のマイクロレンズ（５、５ａ、５ｂ）が整列されている方向（ｘ、ｙ）において、それぞれ異なる焦点数Ｎｉを有する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記位置調整機構（１５）により、Ｎｉが奇数である位置調整ポジションｉも探索する、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記位置調整機構（１５）により、Ｎｉが偶数である位置調整ポジションｉも探索し、前記マルチフォーカスプロファイル（２０）の生成の間に、前記位置調整ポジションｉにおいてビーム路（４）に移相器（９０）を配置し、前記移相器（９０）により、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）の隣り合うマイクロレンズ（５、５ａ、５ｂ）のビーム束間に位相オフセットｎ*πをもたらし、ここで、ｎは、奇数の自然数である、
請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記位置調整機構（１５）により、Ｎｉが偶数である位置調整ポジションｉも探索し、前記ビーム路（４）において、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）の前方にビーム成形レンズ（１２０）を配置し、特に前記ビーム成形レンズ（１２０）の焦点距離ｆＳＬを、
【数５】
2021530740.tif 000034
により選択する、
請求項１７から１９までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記位置調整機構（１５）により、Ｎｉが偶数である位置調整ポジションｉも探索し、その際に前記位置調整機構（１５）により、ビーム伝播方向（ｚ）と交差する少なくとも１つの方向（ｘ、ｙ）に関して、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のうち少なくとも１つのマイクロレンズアレイの、前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）のうち少なくとも１つの他のマイクロレンズアレイに対する横方向オフセットΔを有する横方向位置調整ポジションを設定し、ただし、Δ≠０であり、特に前記ビーム路において、２つのマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ２）だけが光学的間隔ｄをおいて配置されており、ここで、
【数６】
2021530740.tif 000035
である、
請求項１７から２０までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記マルチフォーカスプロファイル（２０）を生成するために、超短レーザパルスを有する、特に５００ｆｓ又はそれよりも短い期間を有する、好ましくは１００ｆｓ又はそれよりも短い期間を有する、パルス化され少なくとも実質的にコリメートされたレーザビーム（３）を使用し、
前記ビーム路（４）において前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）全体（８）の前方に波長分散素子（１００）を配置し、前記波長分散素子（１００）は、少なくとも実質的にコリメートされた前記レーザビーム（３）を、前記ビーム伝播方向（ｚ）と交差する方向（ｘ）でスペクトル的に拡開し、
前記ビーム伝播方向（ｚ）と交差する前記方向（ｘ）で可変の焦点距離（ｆＦＬ）を有するフーリエレンズ装置（６）を、前記ビーム路（４）において前記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４）全体（８）の後方で使用する、
請求項１７から２１までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
請求項１から１６までのいずれか一項に記載の光学装置（１）又は請求項１７から２２までのいずれか一項に記載の方法の、物体（１１０）の積層造形のための使用であって、
少なくとも１つのマルチフォーカスプロファイル（２０）によって、特にマルチフォーカスラインプロファイル（２１；２１ａ、２１ｂ）によって、粉体状材料から成る層が平坦に溶融され又は平坦に焼結される、
物体（１１０）の積層造形のための使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明は、少なくとも実質的にコリメートされたレーザビームからマルチフォーカスプロファイルを生成する光学装置に関し、ここで、光学装置は、ビーム路を有しており、ビーム路は、複数のマイクロレンズアレイとフーリエレンズ装置とを順次通過し、マイクロレンズアレイは、これらのマイクロレンズアレイのマイクロレンズについて画一的なアパーチャａを有しており、さらに、マイクロレンズアレイ全体は、実効焦点距離ｆＭＬを有する。
【背景技術】
【０００２】
かかる装置は、M. Zimmermann等著の"Refractive Micro-optics for Multi-spot and Multi-line Generation", Proceedings of LPM2008the 9th International Symposium on Laser Precision Microfabricationから知られている。
【０００３】
レーザプロセスは、最近の製造プロセスにおいて多種多様に使用される。その場合にレーザ源は、多大なコスト要因を成す。その際にレーザプロセスを並列化することによって、生産性を高めることができる。いわゆるアレイジェネレータ（array generator）によって、１つのレーザビームを複数の部分ビームに分割することができる。
【０００４】
M. Zimmermann等によれば、同一の焦点距離の２つのマイクロレンズアレイを備えたいわゆるフライアイ（fly’s eye）ジオメトリの光学装置が提案されており、それらのマイクロレンズアレイはこの焦点距離に応じて所定の間隔で配置されている。到来するレーザビームは、これら両方のマイクロレンズアレイと１つのフーリエレンズとを通過する。これらのレンズの焦点面において、複数の焦点がほぼ均一に分布する強度で生成される。
【０００５】
レーザプロセスに関する多くの適用事例の場合、必要とされる焦点の個数が製造オーダごとに異なる可能性がある。しかしながら、M. Zimmermann等により公知の光学装置の場合、利用可能な焦点の個数は、使用される両方のマイクロレンズアレイによって決まってしまっている。
【０００６】
独国特許出願公開第１９９６１９１８号明細書には、可変のダブルフォーカス形成モジュールについて記載されている。ここでは、屈折素子が可変の光学ウェッジとして使用される。これらの屈折素子は、互いにシフト可能な２つのシリンダレンズによって形成される。
【０００７】
韓国特許第１００７２０８６８号明細書には、治療目的のレーザシステムについて記載されており、ここでは、１つのレーザビームを複数のレーザスポットに分割するために、１つのマイクロレンズアレイが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９６１９１８号明細書
【特許文献２】韓国特許第１００７２０８６８号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】"Refractive Micro-optics for Multi-spot and Multi-line Generation", M. Zimmermann等著、Proceedings of LPM2008the 9th International Symposium on Laser Precision Microfabrication
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
発明の課題
本発明の課題は、レーザビームから生成される焦点の個数を簡単な手法で変えることができ、その際に均一な強度分布が得られるようにした光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の説明
本発明によればこの課題は、以下のことを特徴とする冒頭で述べた形式の光学装置によって解決される。すなわち、
光学装置は、位置調整機構を有しており、この位置調整機構によって、ビーム路におけるマイクロレンズアレイのうちの少なくともいくつかの相互間の光学的間隔を調整可能であり、これによりマイクロレンズアレイ全体の実効焦点距離ｆＭＬを設定可能であり、
さらに位置調整機構は、複数の位置調整ポジションｉ＝１〜Ｍを有しており、ここで、Ｍは２以上の自然数、ｉは位置調整ポジションの添え字であり、これらの位置調整ポジションにおいて項
【数１】
2021530740.tif 000003
がそれぞれ実質的に端数なく自然数Ｎｉを生じさせ、ここで、λはレーザビームの中心波長、ｆＭＬ，ｉは、位置調整ポジションｉにより設定されたマイクロレンズアレイ全体の実効焦点距離ｆＭＬである。
【００１２】
要約すると本発明は、ビーム路における少なくともいくつかのマイクロレンズアレイ（マルチレンズアレイとも称する）の光学的間隔を調整する目的で、光学装置に位置調整機構を設けることを提案している。これによりマイクロレンズアレイ全体の実効焦点距離を、さらにこれに伴いマルチフォーカスプロファイル（マルチスポットプロファイル）における焦点の個数を設定することができる。位置調整ポジションの適当な選択によって、焦点にわたって均一な強度分布が得られる、ということを達成することができる。
【００１３】
複数のマイクロレンズアレイによって、（少なくとも実質的に）コリメートされたレーザビームから角度スペクトルが生成され、これはフーリエレンズ装置によって焦点面に（一般に出射瞳のところで）結像される。マイクロレンズアレイは、ビーム伝播方向に対し垂直な（少なくとも１つの）方向で複数のマイクロレンズを整列させている。焦点面においてマルチフォーカスプロファイルが均一な焦点間隔で生成され、その際に焦点は（少なくとも）伝播方向に対し垂直な方向で整列されている。最も簡単なケースにおいては、１つの共通のライン上において（たとえばシリンダレンズとして形成された）マイクロレンズも整列されている方向で整列された焦点によって、マルチフォーカスプロファイルが生成される。ただし、マイクロレンズが複数の直線的に独立した方向で整列されている場合には、２次元のマルチフォーカスプロファイル（「格子プロファイル」）を生成することも可能である。ここでは、両方の方向の各々について別個のマイクロレンズアレイ、たとえば９０°で交差させたシリンダレンズアレイ、を設けることができ、又は、両方の方向のための曲率半径を有する共通のマイクロレンズアレイを設けることもできる。両方の方向におけるマルチフォーカスの生成は、基本的に互いに独立している。このため、以下においては、単純化して、マルチフォーカスの生成について１つの方向に関して（又は、伝播方向とこの方向とを含む１つの平面に関して）説明する。
【００１４】
マイクロレンズアレイの４倍のフレネル数ＦＺに対応する項
【数２】
2021530740.tif 000004
が、少なくとも実質的に端数なく（整数の）自然数Ｎｉを生じさせる場合には、マルチフォーカスプロファイルにおける焦点の照射は特に均一であり、すなわち、焦点各々のところでほぼ等しい強度が達せられる（一般に最大強度を有する焦点に対し２０％未満、好ましくは１０％未満の変動幅を伴う）。しかも妨害を及ぼす周縁フィールドは存在しない。
【００１５】
マルチフォーカスラインプロファイルの場合、位置調整ポジションｉに属する自然数Ｎｉは、焦点数と一致する（Ｎｉが奇数のときはそのまま、Ｎｉが偶数のときは移相器と共に、以下の記載を参照）。同様のことは、それぞれマイクロレンズが整列されている空間方向のための２次元のマイクロレンズアレイについて当てはまる。
【００１６】
位置調整機構を介して、マイクロレンズアレイ全体の実効焦点距離ｆＭＬを変更することができ、特に、焦点数を簡単な手法で変更し、次の作業タスクに整合させる目的で、項
【数３】
2021530740.tif 000005
に対する他の自然数を設定することができる。マイクロレンズアレイ全体を、結像ホモジナイザとも称する。
【００１７】
したがって、マイクロフォーカスラインプロファイルを生成する目的で、同一の焦点距離を有する正確に２つのマイクロレンズアレイを選択し、この焦点距離の間隔で配置する必要がない。
【００１８】
位置調整機構は一般に、マイクロレンズアレイコンポーネント及び／又はミラー及び／又は他のビームガイドコンポーネントのためのガイド（たとえばレール）及び／又はキャリッジを有しており、好ましくはこれらのコンポーネントのポジションをチェックするためのセンサも有する。特に好ましくは、位置調整機構のモータ駆動部及び電子制御部が設けられている。位置調整ポジションｉは一般に、機械的な係止部によって、又は、電子的なプログラミングによって固定される。一般に位置調整ポジションを、少なくとも３つの、好ましくは少なくとも５つの、特に好ましくは少なくとも１０個の、種々の焦点数に対して、設定することができる。
【００１９】
実効焦点距離ｆＭＬは、ビーム路におけるマイクロレンズアレイごとにそれぞれ１つのマイクロレンズへのビーム束に関連する。（フーリエレンズ装置が設けられていない）本発明に係る光学装置は、ビーム路におけるマイクロレンズアレイごとにそれぞれ１つのマイクロレンズへのビーム束に関連して、光線行列解析の表記法で、すなわち、変換行列
【数４】
2021530740.tif 000006
として、一般に以下の特性を有する。すなわち、Ｄ＝０；｜Ｃ｜＝１／ｆＭＬ。さらにたいていは（実質的にコリメートされたビームについて）Ａ＜１も成り立ち、その場合にはＡ、Ｃ及びＤに依存してＢが生じる。
【００２０】
位置調整機構によって、マイクロレンズアレイ全体の実効焦点距離ｆＭＬを変化させることができる。２つの（薄い）レンズについてたとえば実効焦点距離ｆＥを、単一レンズの焦点距離ｆ１、ｆ２とそれらのレンズの間隔ｄｓとから、基本関係
【数５】
2021530740.tif 000007
に従い求めることができる。
【００２１】
この基本関係から（必要なケースにおいては繰り返して）、信号路における任意のマイクロレンズアレイ全体（本発明の範囲においては、たいていは３つ又は４つのマイクロレンズアレイを含む）の実効焦点距離ｆＭＬを求めることができる。
【００２２】
個々のマイクロレンズアレイにおいて、単一レンズの焦点距離は画一的である。光学的間隔は、ビーム路に沿った経路長として求められる。
【００２３】
最も簡単なケースにおいては、ビーム路における個々のマイクロレンズアレイは、１つの固有のマイクロレンズアレイコンポーネントにより実現される。ただし、ビーム路における複数のマイクロレンズアレイを単一のマイクロレンズアレイコンポーネントによって実現することも可能であり、このことは、ビーム路がこのマイクロレンズアレイコンポーネントをそれ相応に何度も通過するようにして行われる。
【００２４】
アパーチャ（ピッチとも称する）ａは、ビーム伝播方向と交差する方向での、すなわち、（局所的な）ビーム路と交差する方向での、個々のマイクロレンズの幅である。
【００２５】
光学装置は、レーザ源も併せて含むことが可能であり、このレーザ源は、中心波長λを有する実質的にコリメートされたレーザビームを供給し、このレーザビームがビーム路を通過する。レーザビームの発散が大きくなればなるほど、マルチフォーカスプロファイルにおけるスポットもより大きくなる。レーザビームは少なくとも、フーリエレンズ装置の焦点面におけるスポットが分離されたまま維持される程度まで、コリメートされているのが望ましい。一般にそのためにレーザビームの発散Θが、Θ＜λ／（π*ａ）により、又は、好ましくはΘ＜λ／（２*ａ）により、選択される。
【００２６】
好ましい実施形態
好ましくは、本発明に係る光学装置の１つの実施形態によれば、位置調整ポジションｉにおいてそれぞれ
【数６】
2021530740.tif 000008
が成り立ち、好ましくは≦０．１、特に好ましくは≦０．０５である。項ａ２／（λ*ｆＭＬ，ｉ）が整数を正確に生じさせればさせるほど、一般にマルチフォーカスプロファイルの焦点における強度分布がより均一になる。用途に応じて、たとえばレーザ溶接プロセスのケースにおいては、溶融プールにおける熱輸送を顧慮して、強度分布に対する要求が変化する可能性がある。整数からの偏差が０．２よりも小さければ、たいていはすでに強度の良好な均一分布を達成することができ、これは平坦な溶接などの一般的な用途のためには十分である。
【００２７】
同様に好ましくは１つの実施形態によれば、ビーム路は、少なくとも３つの、好ましくは少なくとも４つの、マイクロレンズアレイを通過する。３つ又は４つのマイクロレンズアレイによって、一方では、より簡単かつコンパクトな構造を、他方では、焦点数をすでにかなりフレキシブルに設定可能としながら、達成することができる。ここで留意されたいのは、本発明に係る光学装置を特殊なケースにおいては、すでに２つのマイクロレンズアレイによって構築することもできる、ということである。
【００２８】
特に好ましい実施形態によれば、光学装置は少なくとも１つの偏向光学系を、特に逆反射器又はミラーを含み、ビーム経路は少なくとも１つのマイクロレンズアレイコンポーネントを複数回通過する、というように構成されている。これによって光学装置を特にコンパクトに構築することができ、安価なものとすることができる。マイクロレンズアレイコンポーネントを複数回通過することによって、このマイクロレンズアレイコンポーネントをビーム路においてそれ相応に何度も利用することができ、このことによってマイクロレンズアレイコンポーネントを節約することができる。
【００２９】
好ましくは１つの実施形態によれば、位置調整機構はキャリッジを含み、このキャリッジ上に、少なくとも２つのマイクロレンズアレイコンポーネントが一定の間隔で配置されており、このキャリッジは、少なくとも１つのさらに他のマイクロレンズアレイコンポーネントに対向して、好ましくは少なくとも２つのマイクロレンズアレイコンポーネントに対向して、ビーム伝播方向に沿って走行可能である。２つのマイクロレンズアレイコンポーネントを１つの共通のキャリッジ上に配置することによって、実効焦点距離ｆＭＬをより簡単に設定できるようにする目的で、光学装置の自由度を所期のように制約し又は予め定めることができる。
【００３０】
この実施形態の好ましい発展形態によれば、以下のように構成されている。すなわち、ビーム路において第１及び第３のマイクロレンズアレイは位置固定されており、ビーム路において第２及び第４のマイクロレンズアレイは走行可能なキャリッジ上に配置されており又はこの逆に構成されており、第１及び第４のマイクロレンズアレイの焦点距離ｆ１と、第２及び第３のマイクロレンズアレイの焦点距離ｆ２について、ｆ２＝ｆ１／３が成り立つ。このケースにおいては、ｄ及びｔは、１／ｆＭＬと共に線形に変化し、すなわち、スポット（焦点）の個数と共に線形に変化し、ただし、和ｄ＋ｔは、１／ｆＭＬと共に一定のまま維持され、ここで、ｄは、第１及び第２のマイクロレンズアレイ間、並びに、第３及び第４のマイクロレンズアレイ間の間隔であり、ｔは第２及び第３のマイクロレンズアレイ間の間隔である。このようにした場合に、キャリッジの所定の位置調整領域にわたり、スポット（焦点）の個数とキャリッジポジションとの間に線形の関係が生じ、このことによって焦点数を特に快適に設定することができる。ここで留意されたいのは、ｆ１とｆ２の他の比率であっても焦点数を依然としてキャリッジポジションを介して設定することはできるが、関係は非線形であり、したがって、通常は特性曲線が使用される、ということである。
【００３１】
特に好ましくは１つの実施形態によれば、以下のように構成されている。すなわち、光学装置はさらに、波長分散素子、特に格子、を有しており、この波長分散素子は、ビーム路においてマイクロレンズアレイ全体の前方に配置されており、少なくとも実質的にコリメートされたレーザビームを、ビーム伝播方向と交差する方向でスペクトル的に拡開するのに適しており、フーリエレンズ装置は、ビーム伝播方向と交差する方向で可変の焦点距離を伴って形成されている。この実施形態の場合、光学装置は、（たとえば超短レーザパルスにおいて発生するような）明らかに異なる波長成分を含むレーザ光も、正確に１つのマルチフォーカスプロファイルに集束させることができる。この光学装置は、（画一的なフーリエレンズ焦点距離のときに発生してしまうような）波長に起因する焦点間隔の相違が、ビーム伝播方向と交差する方向に沿って（この方向に沿ってレーザ光の種々の波長成分も分割されている）それぞれ異なるフーリエレンズ焦点距離によってまさに補償される、というように構成されている。（特に外側の）焦点は、このようにした場合にスペクトル的に不鮮明にされず、シャープに保たれる。有利には、焦点距離の推移はスペクトルの推移に比例する。特に、ビーム伝播方向と交差する方向と共に線形に可変の焦点距離を適用することができ、このために光学格子を使用することができる。
【００３２】
この実施形態の有利な発展形態によれば、フーリエレンズ装置は、ビーム伝播方向と交差する方向で可変のレンズ曲率を備えた自由曲面レンズとして形成されている、というように構成されている。これによって光学装置の比較的簡単な構造が実現される。所望される場合には、フーリエレンズ装置のために複数の非球面レンズ又は自由曲面レンズの組合せも使用することができる。
【００３３】
有利には同様に１つの実施形態によれば、位置調整機構はモータ駆動型であり、電子制御装置を有しており、その際にこの電子制御装置には種々の位置調整ポジションｉがプログラミングされていて、電子制御装置により自動的にそれらの位置調整ポジションｉに向けて走行可能である。これにより、次の加工処理タスクが待機しているときに、種々の焦点数の快適で迅速な切り替えが可能である。
【００３４】
有利にはさらに１つの実施形態によれば、この光学装置はさらに移相器を含み、この移相器によりレーザ光において、マイクロレンズアレイの隣り合うマイクロレンズのビーム束間に位相オフセットｎ*πをもたらすことができ、ここで、ｎは奇数の自然数である。この移相器を用いて、偶数の焦点も生成することができる。項
【数７】
2021530740.tif 000009
により偶数Ｎｉが実質的に端数なく設定されても、ゼロ次が付加的に発生するため、それにもかかわらず奇数（Ｎｉ＋１）の焦点が得られることになる。移相器により弱め合う干渉が達せられ、これによりゼロ次が消去される。一般に位相オフセットはπとなる。
【００３５】
この実施形態の好ましい発展形態によれば、以下のように構成されている。すなわち、移相器は移相器素子として形成されており、この移相器素子においてビーム伝播方向と交差する方向に交互に、第１の通過素子と第２の通過素子とが形成されており、この場合、第１の通過素子を通過することにより第２の通過素子を通過することに対し、レーザ光において位相オフセットｎ*πがもたらされ、特にこの場合、第１の通過素子及び第２の通過素子はアパーチャａに応じた幅をそれぞれ有する。この構造形式は比較的簡単であり、奇数の焦点数と偶数の焦点数との間で簡単な切り替えも可能となり、このことは、移相器素子が必要に応じてビーム路に取り込まれ、又は、ビーム路から取り出されるようにして行われる。第１の通過素子をたとえば「空き」とすることができ、第２の通過素子は、（少なくとも実質的に）コリメートされたレーザ光が通過したときに所望の位相シフトがもたらされるように設定された厚さを有する材料を含み得る。
【００３６】
他の有利な発展形態によれば、移相器がマイクロレンズアレイのうちの１つに組み込まれており、特にこの場合、２つの隣り合うマイクロレンズの移行部におけるマイクロレンズアレイのプロファイル設定により、レーザ光において位相オフセットｎ*πをもたらす厚さの跳躍的変化がそれぞれ設けられる、というように構成されている。この構造形式によれば、別個の移相器素子を節約することができる。マイクロレンズアパーチャの幅にわたり、たとえばマイクロレンズアレイの厚さが徐々に変化し、それによってマイクロレンズアパーチャの幅にわたり位相オフセットｎ*πが作り出され、この厚さの変化が本来のレンズプロファイルによって重畳される。同様に、１つおきに画一的に厚さが追加されたマイクロレンズを形成することもできる。
【００３７】
有利には１つの実施形態によれば、光学装置はさらにビーム成形レンズを含み、このビーム成形レンズは、ビーム路においてマイクロレンズアレイの前方に配置されており、特にこの場合、ビーム成形レンズの焦点距離ｆＳＬは、
【数８】
2021530740.tif 000010
により選択されている。ビーム成形レンズによって、実質的にコリメートされたレーザビームを変形することができ、特にその発散を変化させることができる。ビーム成形レンズは特に、コリメートされたレーザビームを集束させることができ、この場合、ビーム路においてビーム成形レンズの後方に、少なくとも１つのマイクロレンズアレイが配置されている。ビーム成形により、偶数の焦点が設定されるように干渉条件を操作することができる。このことを条件：
【数９】
2021530740.tif 000011
の保持によって達成することができる。特に、ゼロ次の回折次数を消去することができる。
【００３８】
同様に有利には１つの実施形態によれば、以下のように構成されている。すなわち、位置調整機構によりさらに、ビーム伝播方向と交差する少なくとも１つの方向に関して、マイクロレンズアレイのうち少なくとも１つのマイクロレンズアレイの、マイクロレンズアレイのうちの少なくとも１つの他のマイクロレンズアレイに対する、横方向オフセットΔを設定可能であり、特にこの場合、位置調整機構は、複数の横方向位置調整ポジションｊ＝１〜Ｌを有しており、ここで、ｊは横方向位置調整ポジションの添え字であり、Ｌは２以上の自然数であり、これらの横方向位置調整ポジションのところで、
【数１０】
2021530740.tif 000012
が成り立ち、ここで、Δｊは、横方向位置調整ポジションｊにおける横方向オフセットである。横方向オフセット（これはたとえば互いに比較されるマイクロレンズアレイにおける互いに対応するポジションで２つめのマイクロレンズの中心軸線間において測定される）によって、マイクロレンズアレイの間隔を同時に適当に設定すれば、偶数の焦点数が設定されるように、干渉条件を操作することができる。特に、ゼロ次の回折次数を消去することができる。しかも特定の条件の下においては、横方向オフセットを介して、焦点のポジションを横方向にずらすことができる。
【００３９】
同様に有利には１つの実施形態によれば、ビーム路におけるマイクロレンズアレイのうちの少なくとも２つは、それぞれ異なる焦点距離を有する。これによって光学装置をより自由に構成することができる。特にこの構造形式によれば、３つのマイクロレンズアレイをビーム路において、たとえば長い焦点距離−短い焦点距離−長い焦点距離といった順序で、使用することができる。他の選択肢として、たとえば４つ又はそれよりも多くのマイクロレンズアレイがビーム路にある場合に、すべてのマイクロレンズアレイに対し同一の焦点距離を設けることもできる。
【００４０】
同様に好ましくは１つの実施形態によれば、光学装置は、２次元で集束されるマルチフォーカスプロファイルを生成するように形成されており、この場合、マイクロレンズアレイのマイクロレンズは、ビーム伝播方向に対し垂直な２つの直線的に独立した方向において整列されており、特にこの場合、アパーチャａ及び実効焦点距離ｆＭＬ，ｉは、両方の直線的に独立した方向において同一である。これによって２次元の焦点格子を生成することができ、これを用いてたとえば平坦な溶接プロセスをより高速に実施することができる。アパーチャａ及び実効焦点距離ｆＭＬ，ｉを両方の方向で等しく選択した場合には（特にこの場合、それぞれ関連するマイクロレンズアレイの焦点距離が両方の方向で等しく、かつ、少なくともビーム路におけるほぼ同等の位置に配置されている）、両方の方向における位置調整ポジションｉのところで、（同様に、自然数Ｎｉの「端数のない」設定により）同一の焦点数Ｎｉ及び均一な強度分布が得られる。ただし、他の選択肢として、アパーチャａ及び／又は実効焦点距離ｆＭＬ，ｉを両方の方向においてそれぞれ異なるように選択することも可能であり（特にこの場合、それぞれ関連するマイクロレンズアレイの焦点距離が両方の方向でそれぞれ異なっており）、たとえばこの目的は、両方の方向でそれぞれ異なる焦点数を設定すること、及び／又は、両方の方向でそれぞれ異なる焦点間隔を得ることである。しかし、ここで留意されたいのは、焦点の均一な照射を得る目的で、このようにした場合には位置調整ポジションｉのところで、両方の方向ともに項
【数１１】
2021530740.tif 000013
のそれぞれ実質的に端数のない数Ｎｉが達せられなければならない、ということである。一般に、両方の直線的に依存しない方向は、互いに垂直に位置しているが、たとえば六角形の焦点格子の場合には６０°の角度といったように、互いに対向する他の配向を選択することも可能である。
【００４１】
本発明の範囲には、本発明に係る上述の光学装置を動作させるための方法も含まれ、この方法は以下のことを特徴としている。すなわち、位置調整機構により、時間的に相前後してそれぞれ異なる位置調整ポジションｉを探索し、この位置調整ポジションｉにおいて、レーザビームによりそれぞれ異なるマルチフォーカスプロファイルを生成し、このマルチフォーカスプロファイルは、マイクロレンズアレイのマイクロレンズが整列されている方向において、それぞれ異なる焦点数Ｎｉを有する。これによって光学装置がフレキシブルに使用され、すなわち、レーザ放射のためのそれぞれ異なる加工処理タスクに関してそれぞれ異なる焦点数を用いて光学装置が使用され、焦点数を変更するための手間がわずかである。特に、変更のために交換コンポーネントが不要となる。
【００４２】
好ましくは、本発明に係る方法の１つの変形実施形態によれば、位置調整機構によりＮｉが奇数である位置調整ポジションｉも探索するように構成されている。この位置調整ポジションｉにおいてマルチフォーカスレンズプロファイルの生成の間に、ビーム路には移相器が配置されない。これは特に簡単である。
【００４３】
特に好ましくは１つの変形実施形態によれば、位置調整機構により、Ｎｉが偶数である位置調整ポジションｉも探索し、その際、この位置調整ポジションｉにおいてマルチフォーカスプロファイルの生成の間に、ビーム路に移相器を配置し、この移相器により、マイクロレンズアレイの隣り合うマイクロレンズのビーム束間に位相オフセットｎ*πをもたらし、ここで、ｎは奇数の自然数である。移相器を使用することにより、ゼロ次の回折次数が消去されることで、焦点数がＮｉにも一致することが達せられる。ここで留意されたいのは、移相器をマイクロレンズアレイのうちの１つに組み込むことができ、又は、別個の移相器素子とすることができる、という点である。一般に位相オフセットはπとなる。
【００４４】
１つの好ましい変形実施形態によれば、以下のように構成されている。すなわち、位置調整機構により、Ｎｉが偶数である位置調整ポジションｉも探索し、その際にビーム路においてマイクロレンズアレイの前方にビーム成形レンズを配置し、特にこの場合、ビーム成形レンズの焦点距離ｆＳＬを、
【数１２】
2021530740.tif 000014
により選択する。ビーム成形レンズを用いて適当な発散を設定することにより、偶数の焦点が設定されるように干渉条件を操作することができる。このことを条件
【数１３】
2021530740.tif 000015
の保持により簡単な手法で達成することができる。
【００４５】
同様に有利には１つの変形実施形態によれば、位置調整機構によりＮｉが偶数である位置調整ポジションｉも探索し、その際に位置調整機構により、ビーム伝播方向と交差する少なくとも１つの方向に関して、マイクロレンズアレイのうち少なくとも１つのマイクロレンズアレイの、マイクロレンズアレイのうち少なくとも１つの他のマイクロレンズアレイに対する横方向オフセットΔを有する横方向位置調整ポジションを設定し、ここで、Δ≠０であり、特にこの場合、ビーム路において２つのマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ２）だけが光学的間隔ｄをおいて配置されており、ここで、
【数１４】
2021530740.tif 000016
である。
【００４６】
さらに
【数１５】
2021530740.tif 000017
が成り立つことに留意されたい。横方向オフセットによって、マイクロレンズアレイの光学的間隔を同時に適当に設定すれば、偶数の焦点数が設定されるように干渉条件を操作することができる。ビーム路に２つのマイクロレンズアレイだけしか設けられていない光学装置の場合に、上述の条件においてこのことを特に簡単に行うことができる。
【００４７】
有利にはさらに１つの変形実施形態によれば、以下のように構成されている。すなわち、マルチフォーカスラインプロファイルを生成するために、超短レーザパルスを有する、特に５００ｆｓ又はそれよりも短い期間を有する、好ましくは１００ｆｓ又はそれよりも短い期間を有する、パルス化され少なくとも実質的にコリメートされたレーザビームを使用し、ビーム路においてマイクロレンズアレイ全体の前方に、波長分散素子を配置し、この波長分散素子は、少なくとも実質的にコリメートされたレーザビームを、ビーム伝播方向と交差する方向でスペクトル的に拡開し、さらにビーム伝播方向と交差する方向で可変の焦点距離を有するフーリエレンズ装置を、ビーム路においてマイクロレンズアレイ全体の後方で使用する。超短レーザパルスを使用すれば、レーザ光のスペクトル（波長）を拡げることができる。他方では、レーザ光のスペクトルの拡大によって、光学装置の開口数が大きい場合（又は、多数の焦点を生成しようという場合）には特に、外側に位置する焦点が空間的に不鮮明になる可能性がある。波長分散素子及び可変の焦点距離を有するフーリエレンズ装置を使用することによって、外側に位置する焦点が空間的に不鮮明になるのを阻止することができる。ここで留意されたいのは、波長分散素子及び可変の焦点距離を有するフーリエレンズ装置は基本的に、ｃｗ（連続波）からｆｓ（フェムト秒）まであらゆる形式のレーザビームにおいて使用することができ、種々の波長成分に起因する空間的な不鮮明さを、それらの原因に関係なく補償することができる、ということである。
【００４８】
同様に本発明の範囲には、本発明に係る上述の光学装置、又は、本発明に係る上述の方法の、物体の積層造形のための使用も含まれ、この場合、少なくとも１つのマルチフォーカスプロファイルによって、特にマルチフォーカスラインプロファイルによって、粉体状材料から成る層が平坦に溶融され又は平坦に焼結される。本発明の範囲において、表面の平坦な溶融又は焼結のための焦点数をフレキシブルに選択することができ、特に焦点数を介して、加工処理すべき表面の幅に迅速に整合させることができる。これによって、物体を極めて迅速かつ精密に積層造形することができる。この場合、焦点はそれらの個数に左右されることなく常に同等の間隔を有する、ということに留意されたい。位置調整機構を用いて位置調整ポジションを変更することによって、造形すべき１つの層の中で、及び／又は、ある層から次の層へと、及び／又は、ある物体から次の物体へと、焦点数を変更することができる。
【００４９】
本発明のさらに他の利点は、明細書及び図面から明らかになる。同様に、これまでに挙げた特徴及びさらに以下で説明する特徴を、本発明に従いそれぞれ、それ自体単独で又は任意に組み合わせて複数で、適用することができる。図示され説明される実施形態は、確定的に列挙したものとして解されるべきではなく、むしろ本発明を説明するための例示的な特徴を有するものである。
【００５０】
本発明及び図面の詳細な説明
次に、実施例及び概略的な図面に基づき本発明について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】ビーム路に４つのマイクロレンズアレイを備えた本発明に係る光学装置の１つの実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係る光学装置により生成可能なマルチフォーカスラインプロファイルを示す図である。
【図３】本発明に係る光学装置により生成可能な２次元のマルチフォーカスプロファイルを示す図である。
【図４】ミラーと２つのマイクロレンズアレイコンポーネントとを備えた、本発明に係る図１の光学装置に対する第１の代替構造形式を示す図である。
【図５】４つのマイクロレンズアレイコンポーネントと、これらのマイクロレンズアレイコンポーネントのうち２つのコンポーネントのための１つの共通のキャリッジとを備えた、本発明に係る図１の光学装置に対する第２の代替構造形式を示す図である。
【図６】図５の構造形式に関してｄとｔとｆＭＬとの関係について、ｆ２＝ｆ１／３である部分図（ａ）のケースと、ｆ２≠ｆ１／３である部分図（ｂ）のケースとにおいて示す図である。
【図７】設定された種々の４ＦＮの値、すなわち、４ＦＮ＝５（一番上のａ）、４ＦＮ＝７及び７．５（中央のｂ）、４ＦＮ＝９（一番下のｃ）について、本発明に係る光学装置のフーリエレンズ装置の焦点面における強度分布について示すグラフである。
【図８】ビーム路に３つのマイクロレンズアレイを備えた本発明に係る光学装置のさらに他の実施形態を示す部分抜粋図である。
【図９】ビーム路に１つの移相器素子を備えた本発明に係る光学装置のさらに他の実施形態を示す部分抜粋図である。
【図１０】ビーム路における３つのマイクロレンズアレイと、以下のマイクロレンズアレイに組み込まれた移相器、すなわち、厚さが交互に追加された最後尾のマイクロレンズアレイ（ａ）、厚さが鋸歯状に追加された最後尾のマイクロレンズアレイ（ｂ）、及び、厚さが鋸歯状に追加された中央のマイクロレンズアレイ（ｃ）に組み込まれた移相器とを備えた、本発明に係る光学装置のさらに他の実施形態を示す部分抜粋図である。
【図１１】２次元のマルチフォーカスプロファイルを生成する光学装置のための移相器素子を示す上面図である。
【図１２】移相器を備えた本発明に係る光学装置によって生成可能な２次元のマルチフォーカスラインプロファイルを示す図である。
【図１３】波長分散素子と、空間的に可変の焦点距離を有するフーリエレンズ装置とを備えた、本発明に係る光学装置のさらに他の実施形態を示す図である。
【図１４】金属体の積層造形のために粉体状の材料の層を溶融する際に、本発明に従って生成されるマルチフォーカスラインプロファイルを使用することについて示す図であって、部分図（ａ）において、溶融プールがオーバラップしていない場合には列ごとに走査が行われることを示し、部分図（ｂ）において、溶融プールがオーバラップしており列ごとに走査が行われないことを示す図である。
【図１５】任意選択的に、ビーム成形レンズと、マイクロレンズアレイの横方向位置調整部とを装備した、図１に類似した本発明に係る光学装置のさらに他の実施形態を示す図である。
【図１６】本発明に係る光学装置により生成される焦点の個数を、前段に配置されたビーム成形レンズの屈折度に依存して表した概略的なグラフを示す図である。
【図１７】本発明のための２つのマイクロレンズアレイ間における横方向オフセットΔ及び光学的間隔ｄの設定について概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１には、本発明に係る光学装置１の１つの実施形態が示されている。
【００５３】
光学装置１はレーザ源２、ここでは光ファイバ終端、を有しており、そこからシングルモードレーザビーム３が出射する。レーザビーム３は、少なくともビーム伝播方向ｚに対し垂直な方向ｘに関してコリメートされており、光学装置１内でｘ方向に沿ってビーム路４を通過する。
【００５４】
ビーム路４において、レーザビーム３は、ここでは４つのマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４を通過する。各マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４は、ｘ方向に整列されたアパーチャａのマイクロレンズ５を有しており、この場合、ｘ方向に沿って測定されたアパーチャａは、すべてのマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４について等しい。マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４又はそれらのマイクロレンズ５はすべて、それぞれ異なる焦点距離ｆ１〜ｆ４を有することができ、個々のマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４内においては（ｘ方向に沿った曲率に関して）、マイクロレンズ５の焦点距離ｆ１〜ｆ４は画一的である。
【００５５】
任意選択的に、ここではマイクロレンズアレイＭＬＡ２とＭＬＡ３との間に、ミラーを配置することができる（以下の図４を参照）。
【００５６】
マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４によって、個々のマイクロレンズ（アパーチャａを参照）のいずれの点も第１のマイクロレンズアレイＭＬＡ１の平面において所定の角度に結像され、すなわち、角度スペクトルが生成される。この角度スペクトルは、フーリエレンズ６によって焦点面７に結像される。
【００５７】
焦点面７にマルチフォーカスプロファイルが発生する（図２及び図３を参照）。
【００５８】
マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４の焦点距離ｆ１〜ｆ４と、ビーム路４又はｚ方向に沿ったマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４の相対的ポジションとから、マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４全体８の実効焦点距離ｆＭＬが生じる。マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４全体を、結像ホモジナイザとも称する。
【００５９】
光学装置１は位置調整機構１５を有しており、これによってマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４の相互間の間隔のうちの少なくともいくつかを調整することができる。たとえば図１に示されているようにマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４各々のために、ガイド９（たとえばラック）上をモータ駆動で走行可能な（たとえばラックと係合して駆動される歯車を備えた）固有のキャリッジ１１〜１４を設けることができ、その際にこれらのキャリッジを、電子制御装置１０を介して制御することができる。電子制御装置１０には、マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４全体８に対する複数の位置調整ポジションが記憶されており、その際に個々の位置調整ポジションは、キャリッジ１１〜１４のためのｚ方向に関して走行させるべき目標ポジションを含む。他の構造形式において、いくつかのマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４のポジションを、結合及び／又は位置固定しておくことができる（図４、図５も参照）、という点に留意されたい。
【００６０】
位置調整ポジションを変更することによって、マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４全体８の実効焦点距離ｆＭＬを変化させることができる。マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４全体８の実効焦点距離ｆＭＬは、同等の結像特性を有する古典的なホモジナイザの焦点距離ｆ＊に相当する（注：古典的なホモジナイザは、同一の焦点距離ｆ＊の２つのマイクロレンズアレイを有しており、これらのマイクロレンズアレイは互いにその焦点距離ｆ＊の間隔をおいて配置されている）。
【００６１】
本発明の範囲内において、位置調整機構１５は複数の位置調整ポジションｉ＝１〜Ｍを設定することができ、これらの位置調整ポジションについてそれぞれ項
【数１６】
2021530740.tif 000018
が実質的に端数なく（すなわち、剰余なく又はほとんど剰余なく）自然数Ｎｉを生じさせ、ここで、ｆＭＬ，ｉは位置調整ポジションｉにおける実効焦点距離である。一般に種々の位置調整ポジションｉにより、０．２よりもわずかな誤差で、好ましくは０．１よりもわずかな、特に好ましくは０．０５よりもわずかな誤差で、それぞれ異なる自然数Ｎｉがもたらされる。この場合には、実質的に均一に照射されるマイクロフォーカスプロファイルが焦点面７に生じる。
【００６２】
ここで留意されたいのは、フーリエレンズ装置６を省略したとしても、光学装置１を用いて均一に照射される角度スペクトルを得ることができ、すなわち、このように変形された装置を効率的なビームスプリッタとして使用することができる、ということである。
【００６３】
図２には、図１に示したような光学装置により生成されるマイクロフォーカスプロファイル２０、ここではマイクロフォーカスラインプロファイル２１、が示されている。１つのライン上においてｘ方向で上下にここでは５つの焦点が生成され、したがって、これらに属する位置調整ポジションｉはＮｉ＝５を有する。このケースにおいては、マイクロレンズアレイは、ｘ方向のみに並べられたマイクロレンズを有しており、ｙ方向には並べられていない。ｘ方向において、たとえばレーザ源とビーム路における最初のマイクロレンズアレイとの間のシリンダレンズ（図１には詳しくは示されていない）によって、レーザビームが焦点面にフォーカシングされている。
【００６４】
光学装置のマイクロレンズアレイが、たとえば両方の方向ｘ、ｙに関して相応の研削によって、ｙ方向にも整列されたマイクロレンズを有するケースにおいては、光学装置によって２次元のマイクロフォーカスプロファイル２２も生成することができる（図３を参照）。ｘ方向で上下にｙ方向で左右にここでは５×５の焦点が生成され、これらの焦点はここでは正方形の格子として配置されている。
【００６５】
図４には、図１の光学装置１に対応するビーム路４を有する光学装置１の部分抜粋図が、特別な構造形式により示されている。ここでは特に、図１との相違点について説明する。
【００６６】
この構造形式の場合、マイクロレンズアレイＭＬＡ１及びＭＬＡ４は、焦点距離ｆ１を有する単一のマイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ１により実現され、マイクロレンズアレイＭＬＡ２及びＭＬＡ３は、焦点距離ｆ２を有する単一のマイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ２により実現される。ビーム路４は、最初にマイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ１及びＭＢ２を通過し、次いでミラー４０のところで反射させられ、その後、再びマイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ２及びＭＢ１を通過し、続いてビーム路４はフーリエレンズ装置６に到達する。これによって光学装置１を、２つのマイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ２、ＭＢ１だけで間に合わせることができる。
【００６７】
位置調整機構１５をたとえば、マイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ１及びＭＢ２のための、ガイド９上を走行可能なキャリッジ１１、１２によって形成することができ、これらは電子制御装置（ここには図示せず）によって制御される。
【００６８】
この構造形式の場合には、マイクロレンズアレイＭＬＡ３とＭＬＡ４との間の間隔ｄに等しい、マイクロレンズアレイＭＬＡ１とＭＬＡ２との間の間隔ｄ、及び、マイクロレンズアレイＭＬＡ２とＭＬＡ３との間の間隔ｔだけを調整することができる。この場合、ｄ及びｔを互いに独立して調整することができる。
【００６９】
所望の実効焦点距離ｆＭＬのために、マイクロレンズアレイＭＬＡ１及びＭＬＡ４の所与の焦点距離ｆ１及びマイクロレンズアレイＭＬＡ２及びＭＬＡ３の所与の焦点距離ｆ２において、設定すべき間隔ｄ及びｔを以下のようにして得ることができる。
【数１７】
2021530740.tif 000019
及び
【数１８】
2021530740.tif 000020
所望の焦点数Ｎを得る目的で、所望の又は必要とされる焦点距離ｆＭＬは、
【数１９】
2021530740.tif 000021
から得られる。
【００７０】
図５には、図１の光学装置１に対応するビーム路４を有する光学装置１の部分抜粋図が、さらに他の特別な構造形式により示されている。ここでも特に、図１との相違点について説明する。
【００７１】
この構造形式の場合、ビーム路４は、４つのマイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ１〜ＭＢ４を相前後して通過し、これらのコンポーネントは、ビーム路４のためにそれぞれ１つのマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４を有する。マイクロレンズアレイＭＬＡ１及びＭＬＡ４はそれぞれ焦点距離ｆ１を有しており、マイクロレンズアレイＭＬＡ２及びＭＬＡ３はそれぞれ焦点距離ｆ２を有する。マイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ１及びＭＢ３は、ここで位置固定されて配置されており、マイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ２及びＭＢ４は、１つの共通のキャリッジ５０上に（ここではｄ＋ｔの）一定の間隔で配置されている。共通のキャリッジ５０は、電子制御装置（図示せず）により、ビーム伝播方向ｚに延在するガイド９上をモータ駆動で走行可能であり、これによって位置調整機構１５が形成されている。
【００７２】
共通のキャリッジ５０の種々の位置調整ポジションを、係止凹入部５１、５２、５３により設けておくことができ、それらのところでキャリッジ５０のばね付勢された係止部材５４を係合させることができ、それによって個々の位置調整ポジションを容易に見つけることができ、良好に保持できるようになる。
【００７３】
この構造形式の場合にも、ｄ、ｔ及びｆＭＬを求めるために、上述の記載で説明した式１〜３が成り立つ。
【００７４】
共通のキャリッジ５０をｚ方向に走行させることによって、ｄ及びｔを変更することができるが、その際に合計ｄ＋ｔは、同一のまま維持される。ここでｆ２＝ｆ１／３を選択すれば、位置調整機構１５のこの１つの自由度を用いて、焦点数Ｎを広い領域６０にわたり線形にチューニング又は調整することができる。それというのもこのケースにおいては、ｄ及びｔはここではほぼ逆数で線形に１／ｆＭＬによってスケーリングされ、したがって、ｄとｔの合計は１／ｆＭＬの関数としてほぼ一定に維持されるからである（図６の部分図（ａ）を参照）。この図面において、ｄ、ｔ及び（ｄ＋ｔ）／２はそれぞれ、右に向かって書き込まれた大きさ１／ｆＭＬ（単位は１／ｆ１）の関数として、上に向かって書き込まれている（単位はｆ１）。１／ｆＭＬがほぼ０．８／ｆ１〜２．０／ｆ１である部分図（ａ）の領域６０において、上述の線形の関係が生じている。図６の部分図（ｂ）に示されているように、ｆ２＝ｆ１／２、すなわち、ｆ２≠ｆ１／３を選択すると、（ｄ＋ｔ）／２ひいては合計ｄ＋ｔは、１／ｆＭＬの関数として変化し、その結果、キャリッジの位置調整ポジションの関数として、焦点数Ｎの非線形の関係が生じ（領域６１を参照）、この場合であっても焦点数の調整は可能であるが、直感性が少なくなる。
【００７５】
図７には、マルチフォーカスプロファイルの焦点についての強度分布が、項
【数２０】
2021530740.tif 000022
の大きさに依存して示されており、ここで、ＦＮはフレネル数である。右に向かって、ｘ方向におけるポジションがそれぞれ書き込まれており、上に向かって、焦点面におけるレーザ放射の強度（任意単位）が書き込まれている。
【００７６】
（レーザ源の波長λ及びマイクロレンズアレイのアパーチャ／ピッチａに適した実効焦点距離ｆＭＬ，ｉを、位置調整ポジションｉのところで設定することで）４ＦＮを正確にＮｉ＝５と選択した場合には、ほぼ等しい強度を有する５つのピークが生じる（一番上のグラフ（ａ）を参照）。同様のことは４ＦＮ＝９の選択について当てはまり、この場合、ほぼ等しい強度の９つのピークが生じる（一番下のグラフ（ｃ）を参照）。中央のグラフ（ｂ）には、４ＦＮ＝７及び４ＦＮ＝７．５の場合の強度推移が示されている。４ＦＮ＝７の場合にはやはり、ほぼ等しい強度の７つのピークが生じる。ただし、４ＦＮ＝７．５の場合には、９つのピークが得られるものの、両方の外側のピーク７１が小さいながらも目立つ強度を有する。それぞれ参照符号７２が付された第３、第５及び第７のピークは、中庸な大きさの強度を有する。ただし、この強度は、それぞれ参照符号７３が付された第２、第４、第６及び第８のピークの強度よりも明らかに小さい。
【００７７】
４ＦＮの大きさが、すなわち、項
【数２１】
2021530740.tif 000023
が、所望のピーク数Ｎｉを正確に維持すればするほど、生成されるピークに関する強度の分布はより均一になる。
【００７８】
ここで留意されたいのは、Ｎｉ＝５、７及び９の場合に３つの位置調整ポジションにおける焦点の間隔ｇはどこでも等しい、ということであり、その理由は、間隔ｇは、レーザ放射の波長λ、マイクロレンズのアパーチャ（ピッチ）ａ、及び、フーリエレンズ装置の焦点距離ｆＦＬのみに依存するが、ホモジナイザの実効焦点距離ｆＭＬ，ｉには依存しないからである。
【００７９】
図８には、本発明に係る光学装置１のさらに他の実施形態の部分抜粋図が示されている。この実施形態の場合、ビーム路４は、焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３を有する３つのマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２、ＭＬＡ３を通過し、これらのマイクロレンズアレイは、それぞれ個々のマイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ１、ＭＢ２、ＭＢ３を介して実現されている。位置調整機構１５によって、ここではマイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ１とＭＢ３とを担持するキャリッジ１１、１３のポジションを、モータ駆動により電子制御装置（図示せず）を介して調整することができ、したがって、マイクロレンズアレイＭＬＡ１とＭＬＡ２との間の間隔ｄ１、及び、マイクロレンズアレイＭＬＡ２とＭＬＡ３との間の間隔ｄ２を、互いに独立して設定することができる。マイクロレンズアレイコンポーネントＭＢ２は、ここでは位置固定されて形成されている。
【００８０】
所望の実効焦点距離ｆＭＬのために、所与の焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３において設定すべき間隔ｄ１及びｄ２を、以下のようにして得ることができる。
【数２２】
2021530740.tif 000024
及び
【数２３】
2021530740.tif 000025
【００８１】
所望の焦点数Ｎを得る目的で、所望の又は必要とされる焦点距離ｆＭＬはやはり、
【数２４】
2021530740.tif 000026
から得られる。
【００８２】
奇数の焦点数Ｎｉを生成するために、マイクロレンズアレイ全体を、たとえば図１に示したようにフーリエレンズ装置と共にそのまま使用することができる。偶数の焦点数を生成するためには、付加的に移相器９０が使用され、これについては図９の部分抜粋図に示された光学装置１の実施形態を参照されたい。移相器９０は、隣り合うマイクロレンズ５ａ、５ｂのビーム束間の移行部９１において、λ／２の光学的経路長差に応じて位相の跳躍的変化πを生成する。これによって、ゼロ次の回折次数が消去され、これは偶数のＮｉの場合に、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２全体の所望のＮｉの焦点に加えて生成される。
【００８３】
図９に示されている実施形態の場合、ビーム路４において最後のマイクロレンズアレイＭＬＡ２の直後に、移相器素子９３が配置されており、これはマイクロレンズ５、５ａ、５ｂが相前後して整列されているｘ方向において、マイクロレンズ５、５ａ、５ｂ又はそれらに属するビーム束と一列に並んで、第１の通過素子９４及び第２の通過素子９５を交互に形成している。すなわち、通過素子９４、９５は、ｘ方向でアパーチャａに応じて所定の幅を有する。第１の通過素子９４はここでは、ｘ方向でその幅全体にわたり位相オフセット０（なし）をもたらし、第２の通過素子９５はここでは、ｘ方向でその幅全体にわたり位相オフセットπをもたらす。
【００８４】
移相器素子９３をここでは、奇数の焦点を生成するのが望ましいのか、又は、偶数の焦点を生成するのが望ましいのかに従い、必要に応じてビーム路４から取り出す（たとえばｘ方向で抜き出す）ことができ、又は、再びビーム路４に引き入れることができる。このためにやはり、モータ及び電子制御装置を使用することもできる。分かり易くするために、図９には、本発明に従い設けられる位置調整機構は示されていない。
【００８５】
ただし、移相器９０をマイクロレンズアレイに組み込むことも可能である（図１０を参照）。
【００８６】
参照符号（ａ）として左側に示された変形実施形態の場合、ここではマイクロレンズアレイＭＬＡ３に、組み込まれた移相器９０が設けられている。隣り合うマイクロレンズ５ａ、５ｂの移行部９２のところに、ここでは厚さの跳躍的変化９６が施されており、これによって位相オフセットπがもたらされる。組み込まれた移相器９０により設けられたマイクロレンズアレイの追加された厚さは、個々のマイクロレンズ５ｂの幅全体にわたり均一に維持され、交互に位置するマイクロレンズ５ａにはこの追加された厚さは設けられていない。
【００８７】
移相器９０がやはりマイクロレンズアレイＭＬＡ３に組み込まれている、参照符号（ｂ）として中央に示された変形実施形態の場合、隣り合うマイクロレンズ５ａ、５ｂの移行部９２のところに、やはり厚さの跳躍的変化９６が設けられている。ただし、ｘ方向に沿った個々のマイクロレンズ５ａ、５ｂの追加された厚さはここでは、追加された厚さが０（なし）から位相差πに対応する追加された厚さまで、マイクロレンズ５ａ、５ｂの幅全体にわたりここでは線形に増加しながら変化している。この鋸歯状のプロファイル設定は、すべてのマイクロレンズ５ａ、５ｂにおいて設けられている。
【００８８】
参照符号（ｃ）として示されている右側の変形実施形態の場合、移相器９０は中央のマイクロレンズアレイＭＬＡ２に組み込まれている。ここでも、隣り合うマイクロレンズ５ａ、５ｂ間の移行部９２のところに、厚さの跳躍的変化９６が施されている。ｘ方向に沿った個々のマイクロレンズ５ａ、５ｂの追加された厚さはここでは、追加された厚さの初期値ｚ０から、ｚ０と位相差πに対応する厚さとを加えたものに相当する追加された厚さまで、マイクロレンズ５ａ、５ｂの幅全体にわたり線形に増加している。初期値ｚ０は、ｘ方向に関する位相の跳躍的変化の位置を、おおよそマイクロレンズアレイＭＬＡ１の焦点面のところに移行させる役割を果たす。この鋸歯状のプロファイル設定は、やはりすべてのマイクロレンズ５ａ、５ｂにおいて設けられている。
【００８９】
一般に移相器９０は好ましくは、おおよそ個々のマイクロレンズアレイ（又は、個々のサブアパーチャ）の焦点面内に置かれ、又は、さもなければビーム路４において最後のマイクロレンズアレイの直後に置かれる。
【００９０】
ここでもやはり、本発明に従って設けられる位置調整機構は、分かり易くするために、図１０には示されていない、という点に留意されたい。
【００９１】
さらに以下のことに留意されたい。すなわち、本発明に係る光学装置は、２次元のマルチフォーカスプロファイルを生成するために形成されており、これに応じて２つの直線的に独立した方向において、たとえば図１のｘ及びｙにおいて、ビーム伝播方向（図１のｚを参照）に対し垂直に整列されたマイクロレンズをマイクロレンズアレイ内に有しているが、この光学装置において偶数の焦点数を生成するためには、これら両方の方向ｘ、ｙにおいて作用する移相器９０を使用する必要がある（図１１を参照）。移相器素子９３として形成された図１１に示されている移相器９０は、両方の方向ｘ、ｙにおいて交互に第１及び第２の通過素子９４、９５を有している。
【００９２】
図１２には２次元のマルチフォーカスプロファイル２２が示されており、これはｘ方向及びｙ方向でそれぞれ４つの焦点を有しており、したがって、４×４の焦点格子が生成される。このために、図１１に示したような移相器を使用することができる。焦点の間隔ｇは、
【数２５】
2021530740.tif 000027
から得られ、ここで、ｆＦＬはフーリエレンズ装置の焦点距離である、という点に留意されたい。間隔ｇは特に、該当する方向のマイクロレンズアレイ内に整列されたマイクロレンズの個数には、基本的に左右されない。
【００９３】
図１３には、本発明に係る光学装置１のさらに他の実施形態が示されている。分かり易くするために、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２全体８の本発明に従い設けられる位置調整機構は示されていない。
【００９４】
この光学装置１の場合にはレーザ源２として、１００ｆｓのオーダのパルス長を有するパルス化レーザ源が用いられる。このレーザ源２の場合、レーザビーム３は、著しく拡げられた波長範囲、ここではλ１からλ２を経てλ３までの波長範囲、にわたるビーム成分を有する。この場合、λ１＝λ０−Δλ、λ２＝λ０及びλ３＝λ０＋Δλである。ここで、２Δλはスペクトル幅であり、λ０はレーザパルスの中心波長である。
【００９５】
式６からわかるように、焦点面７又はマルチフォーカスプロファイルにおける焦点の間隔ｇは、レーザ放射の波長λに依存する。したがって、目立つ波長強度分布を有するレーザ放射のケースにおいては、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２のマイクロレンズが整列されている方向ｘにおいて、焦点がスペクトル的に不鮮明になるおそれがあり、これは特に、多数の焦点を生成しようという場合、又は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ２全体８の開口数がそれ相応に大きい場合である。
【００９６】
よって、図示されている実施形態の場合には、波長分散素子１００、ここでは反射格子、を用いて、レーザビーム３がスペクトル的に拡開される（ビーム成分λ１、λ２、λ３を参照）。このようにすればレンズ１０１によって、（少なくとも）ｘ方向に関してビーム成分がコリメートされ、ｚ方向で互いに平行に進行し、ただし、ｘ方向では幅Ｄにわたりスペクトル的に分割される。このようにした場合にスペクトル成分λ１、λ２、λ３は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２全体８において結像され（図１を参照）、その際にビーム成分λ１、λ２、λ３のスペクトル分割が、ｘ方向にわたり実質的に維持されたままとなる。
【００９７】
このときフーリエレンズ装置６による結像において、種々のスペクトル成分λ１、λ２、λ２が再び考慮される。式６によれば焦点の間隔ｇは、フーリエレンズ装置６の焦点距離ｆＦＬにも依存する。種々のスペクトル成分λ１、λ２、λ３は、ｘ方向に関してそれぞれ異なる位置でフーリエレンズ装置に到達するので、フーリエレンズ装置の焦点距離をｘ方向において可変に形成することができ、これによって間隔ｇに及ぼされる種々の波長λ１、λ２、λ３の作用が補償される。したがって、ここではフーリエレンズ装置は、ｘ方向すなわちビーム伝播方向ｚと交差する方向で可変の局所的なレンズ曲率を備えた自由曲面レンズ１０２として構成されている。これによって、スペクトル的に不鮮明にされないシャープなマルチフォーカスプロファイル２０を、焦点面７において得ることができる。
【００９８】
図１４には、本発明に従い生成されるマルチフォーカスラインプロファイル２０を３次元の物体１１０の積層造形において使用することについて示されており、この物体は、粉体たとえば金属粉体又はプラスチック粉体を層ごとに局所的に溶融することによって製造される。図１４には、造形すべき１つの層の上面図が示されている。この層をＬ字状の領域において、すなわち、ゾーン１１１ではその幅全体にわたり、ゾーン１１２ではその幅の一部だけにわたり、硬化させようというものであり、したがって、ゾーン１１３では硬化は行われない。
【００９９】
ゾーン１１１において層の粉体を溶融するために、ここでは部分図（ａ）における４つの焦点又は部分図（ｂ）における６つの焦点を有するマルチフォーカスラインプロファイル２１ａが用いられる。これらの焦点によって、部分図（ａ）の変形実施形態においては、ゾーン１１１が列ごとに走査され、溶融プール１１４はここではそれらの整列方向ではオーバラップしていない（１つの列内での整列方向に沿った送り、列を変えるための整列方向に対し垂直な送り）。部分図（ｂ）の変形実施形態においては、溶融プール１１４がそれらの整列方向でオーバラップしており、したがって、この場合には、列ごとに走査を行うことなくゾーン１１１を加工処理することができる（整列方向に対し垂直な方向のみでの送り）。これに対しゾーン１１２における溶融のためには、部分図（ａ）における２つの焦点又は部分図（ｂ）における３つの焦点だけを有するマルチフォーカスラインプロファイル２１ｂが用いられる。マルチフォーカスラインプロファイル２１ｂは、ゾーン１１３が溶融されないよう十分に狭い。マルチフォーカスラインプロファイル２１ａ、２１ｂ間の切り替えは、位置調整機構の位置調整ポジションの変更により行われ、この場合、ホモジナイザの実効焦点距離ｆＭＬが設定される。ここで留意されたいのは、焦点の整列方向に沿ったそれらの焦点の間隔は、各部分図（ａ），（ｂ）内のゾーン１１１及び１１２において等しく、焦点数だけがゾーン１１１と１１２との間で変化する、ということである。マルチフォーカスプロファイルを使用することによって、３次元の物体の造形を加速することができる。
【０１００】
図１５には、図１に類似した本発明に係る光学装置１の１つの実施形態が示されている。したがって、以下においては、重要な相違点についてのみ説明する。
【０１０１】
この光学装置１の場合、ビーム路４において第１のマイクロレンズアレイＭＬＡ１の前方に、ビーム成形レンズ１２０を設けることができ、このレンズは、実質的にコリメートされたレーザビーム３の発散を変化させる。これによって干渉条件（干渉状態）を操作することができ、これを用いることで、焦点面７における焦点の個数を設定することができ、特に偶数の焦点を設定することができる。
【０１０２】
さらに光学装置１の場合、ｚ方向（ビーム伝播方向）でガイド９に沿ってキャリッジ１１〜１４を調整する以外に、すなわち、それらに属するマイクロレンズアレイもｚ方向に沿って調整する以外に、位置調整機構１５を拡張することができる。この目的でさらに他のキャリッジ１４ａを使用することができ、このキャリッジはさらに他のガイド９ａに沿って、ｚ方向と交差して（ｚ方向に対し垂直に）延在するｘ方向に沿って走行可能である。さらに他のガイド９ａは、ここではキャリッジ１４に取り付けられており、マイクロレンズアレイＭＬＡ４がさらに他のキャリッジ１４ａに取り付けられている。したがって、位置調整機構１５を用いることでマイクロレンズアレイＭＬＡ４を、特にモータ駆動で電子制御装置１０により制御して、ｚ方向だけでなくｘ方向においても調整することができる。特に、ｘ方向に関して種々の横方向位置調整ポジションを設定することができる。かくして位置調整機構１５を用いることで、（ここでは）他のマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２、ＭＬＡ３に対し、マイクロレンズアレイＭＬＡ４の横方向オフセットをセットすることができる。これによってやはり干渉条件（干渉状態）を操作することができ、これを用いることで、焦点面７における焦点の個数を設定することができ、特に偶数の焦点を設定することができる。
【０１０３】
図１６により説明されるのは、ビーム成形レンズを使用することで、たとえば溶接すべき被加工物上において、本発明に係る光学装置により生成される焦点の個数に及ぼされる作用についてである。ここでは屈折度（右に向かって逆数で書き込まれた焦点距離ｆＳＬを参照）が異なる多数のビーム成形レンズについて、（上に向かって書き込まれた）焦点数が求められた。この場合、光学装置においてビーム路に、ａ＝０．５ｍｍのピッチで２つのマイクロレンズアレイが設けられた。０から２  １／ｍよりも下までの屈折度１／ｆＳＬの場合、ここではそれぞれ５つの焦点（ピーク）が得られ、２から５  ／１ｍよりも下までの１／ｆＳＬの場合、４つの焦点（ピーク）が得られ、さらに５から６よりも上までの１／ｆＳＬの場合、３つの焦点（ピーク）が得られた。したがって、特に、偶数の焦点を設定することもできる。
【０１０４】
図１７により説明されるのは、ここではそれぞれ５つのマイクロレンズを含む２つのマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２間の横方向オフセットΔのセットについてである。マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、ビーム伝播方向ｚにおいて相前後して配置されており、マイクロレンズは、ｚ方向と交差して（ｚ方向に対し垂直に）延在するｘ方向に沿って整列されている。ｘ方向においてマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、横方向オフセットΔだけ互いにずらされている。横方向オフセットΔをたとえば、両方のマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２のそれぞれ上方の両方のマイクロレンズ５ａ、５ｂ間の凹部のｘポジションを比較することによって、読み取ることができる。
【０１０５】
しかも両方のマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、互いに光学的間隔ｄをおいて配置されている。ビーム伝播方向と交差する方向での横方向オフセットΔと、ビーム伝播方向での光学的間隔ｄとを、同時に適当に設定すれば、マルチフォーカスプロファイルの所望の焦点数を設定することができる。２つのマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２を備えた光学装置のために特に、
【数２６】
2021530740.tif 000028
を設定することができ、これによって偶数Ｎｉの焦点が得られる。
【０１０６】
光学的間隔ｄが、マルチレンズアレイ（マイクロレンズアレイ）全体の実効焦点距離ｆＭＬ，ｉ、すなわち、ｄ＝ｆＭＬ，ｉ、に従って設定される場合には、生成されるマルチフォーカスプロファイルを、焦点数を変化させることなく横方向（ビーム方向と交差する方向）でずらす目的で、すなわち、回折次数Ｂに従いそれ相応の個数のスポット間隔だけずらす目的で、横方向オフセットΔを利用することができる。この場合、
【数２７】
2021530740.tif 000029
が選択され、ここで、Ｂは正又は負の整数である。
【符号の説明】
【０１０７】
１  光学装置
２  レーザ源
３  レーザビーム
４  ビーム路
５  マイクロレンズ
５ａ，５ｂ  マイクロレンズ
６  フーリエレンズ装置
７  焦点面
８  マイクロレンズアレイ全体／ホモジナイザ
９  ガイド
９ａ  さらに他のガイド
１０  電子制御装置
１１〜１４  キャリッジ
１４ａ  さらに他のキャリッジ
１５  位置調整機構
２０  マルチフォーカスプロファイル
２１  マルチフォーカスラインプロファイル
２１ａ  （４つの焦点を有する）マルチフォーカスラインプロファイル
２１ｂ  （２つの焦点を有する）マルチフォーカスラインプロファイル
２２  ２次元のマルチフォーカスプロファイル
４０  ミラー
５０  共通のキャリッジ
５１〜５３  係止凹入部
５４  ばね付勢された係止部材
６０  領域
６１  領域
７１  外側のピーク
７２  第３／第５／第７のピーク
７３  第２／第４／第６／第８のピーク
９０  移相器
９１  移行部（ビーム束）
９２  移行部（通過素子）
９３  移相器素子
９４  第１の通過素子
９５  第２の通過素子
９６  厚さの跳躍的変化
１００  波長分散素子
１０１  レンズ
１０２  自由曲面レンズ
１１０  ３次元の物体
１１１  硬化させるゾーン
１１２  硬化させるゾーン
１１３  硬化させないゾーン
１１４  溶融プール
１２０  ビーム成形レンズ
ａ  アパーチャ／ピッチ
Ｂ  回折次数
ｄ  間隔（ＭＬＡ１とＭＬＡ２との間及びＭＬＡ３とＭＬＡ４との間）
Ｄ  幅（スペクトル的に拡開されたレーザビーム）
ｄ１  間隔（ＭＬＡ１とＭＬＡ２との間）
ｄ２  間隔（ＭＬＡ２とＭＬＡ３との間）
ｆ１〜ｆ４  焦点距離
ｆＭＬ  実効焦点距離（ホモジナイザ）
ｆＦＬ  焦点距離（フーリエレンズ装置）
ｆＳＬ  焦点距離（ビーム成形レンズ）
ＦＮ  フレネル数
ｇ  間隔（焦点）
ＭＢ１〜ＭＢ４  マイクロレンズアレイコンポーネント
ＭＬＡ１〜ＭＬＡ４  マイクロレンズアレイ
ｔ  間隔（ＭＬＡ２とＭＬＡ３との間）
ｘ  方向（ビーム伝播方向に対し垂直）
ｙ  方向（ビーム伝播方向に対し垂直）
ｚ  方向（ビーム伝播方向）
Ｚ０  追加された厚さの初期値
Δ  横方向オフセット
λ  波長（レーザビーム）
λ１、λ２、λ３  波長成分／ビーム成分（レーザビーム）
【図１】
2021530740.tif 000037
【図２】
2021530740.tif 000038
【図３】
2021530740.tif 000039
【図４】
2021530740.tif 000040
【図５】
2021530740.tif 000041
【図６（ａ）】
2021530740.tif 000042
【図６（ｂ）】
2021530740.tif 000043
【図７（ａ）】
2021530740.tif 000044
【図７（ｂ）】
2021530740.tif 000045
【図７（ｃ）】
2021530740.tif 000046
【図８】
2021530740.tif 000047
【図９】
2021530740.tif 000048
【図１０】
2021530740.tif 000049
【図１１】
2021530740.tif 000050
【図１２】
2021530740.tif 000051
【図１３】
2021530740.tif 000052
【図１４（ａ）】
2021530740.tif 000053
【図１４（ｂ）】
2021530740.tif 000054
【図１５】
2021530740.tif 000055
【図１６】
2021530740.tif 000056
【図１７】
2021530740.tif 000057
【国際調査報告】
2021530740.tif 000058
2021530740.tif 000059
2021530740.tif 000060
2021530740.tif 000061