(57)【要約】【課題】殆ど負担なしで操作され得且つ可能な限り少ない鏡を有する可能な限り堅牢なシステムを開発する。【解決手段】ビーム成形器が、曲率に関して異なる、第２形式の曲率の複数の第３の湾曲鏡面３、３’を備えて成る。少なくとも１つの第２鏡面２、２’は、第２鏡面に直交する平面鏡軸線を備えた平面鏡面９、９’として設計される。少なくとも１つの第２鏡面は、第１鏡面、及び、複数の第３鏡面から選択された１つの第３鏡面が互いに関して共焦点的に位置されるように、第１鏡面と、選択された第３鏡面との間においてビーム経路内に配置される。ビーム成形器は、複数の第３の湾曲鏡面の内の１つを選択する選択手段を備えて成り、各々の場合、出射する平行な光ビームに対する入射する平行な光ビームの直径の比率の可変的な設定のために、平面鏡軸線に沿い、ビーム経路における平面鏡面に対する１つの位置が選択される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行な光ビームの直径を変化させる反射式ビーム成形器であって、ビーム経路内に順々に配置された、
第１の形式の曲率の少なくとも１つの第１の鏡面（１）と、
少なくとも１つの第２の鏡面（２、２’）と、
少なくとも１つの第３の鏡面（３、３’）と、を具備し、
複数の前記鏡面の形状は互いに対して整合することによって、１つの第１の鏡面（１）又は１つの第３の鏡面（３、３’）を介して当該ビーム成形器に入射する平行な光ビームが、それぞれ、１つの第３の鏡面（３、３’）又は１つの第１の鏡面（１）を介して平行な光ビームとして当該ビーム成形器を離脱する反射式ビーム成形器において、
当該ビーム成形器が、曲率に関して異なる、第２の形式の曲率の湾曲する複数の第３の鏡面（３、３’）を具備し、前記２つの形式の曲率の一方が凸状であり且つ他方が凹状であり、
前記少なくとも１つの第２の鏡面（２、２’）が、該第２の鏡面（２、２’）に直交する平面鏡軸線を備えた平面鏡面（９、９’）として設計され、且つ、前記少なくとも１つの第２の鏡面（２）が、前記第１の鏡面（１）、及び、複数の前記第３の鏡面（３、３’）から選択された１つの第３の鏡面が互いに関して共焦点的に位置されるように、前記第１の鏡面（１）と選択された前記第３の鏡面（３、３’）との間において前記ビーム経路内に配置され、
当該ビーム成形器が、出射する平行な光ビームに対する入射する平行な光ビームの直径の比率の可変的な設定のために、前記平面鏡軸線に沿って前記ビーム経路における平面鏡面（９、９’）に対する位置を選択することにより、複数の前記第３の鏡面（３、３’）の内の１つを選択する選択手段を具備することを特徴とする反射式ビーム成形器。
【請求項２】
複数の前記第３の鏡面（３、３’）が、前記平面鏡軸線から、互いに異なる距離にて共通の基礎支持体（６）上に固定して配置され、及び／又は、前記第１の鏡面（１）が、前記基礎支持体（６）上に固定して配置されることを特徴とする請求項１に記載の反射式ビーム成形器。
【請求項３】
前記選択手段が、
複数の前記第３の鏡面（３、３’）の内の１つの選択のために、前記平面鏡軸線に沿い変位され得、及び／又は、傾斜され得ると共に、前記平面鏡面を担持する１つの平面鏡担体、又は、
好適には択一的に複数の所定位置にて前記平面鏡軸線に沿い前記ビーム経路内へと導入され得ると共に、各々の場合に１つの平面鏡面を担持する複数の平面鏡担体、又は、
連結手段を介して択一的に前記ビーム経路内へと連結され得る複数の同様の平面鏡ホルダ（７）であって、１つの平面鏡ホルダ（７）が平面鏡面（９、９’）を備える少なくとも１つの平面鏡を保持し、且つ、各平面鏡によれば、調節なしで異なる第３の鏡面（３、３’）が選択され得る複数の同様の平面鏡ホルダ（７）、
を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の反射式ビーム成形器。
【請求項４】
前記選択手段が、連結手段を介して択一的に前記ビーム経路内へと連結され得る複数の同様の平面鏡ホルダ（７）であって、１つの平面鏡ホルダ（７）が平面鏡面（９、９’）を備える少なくとも１つの平面鏡を保持し、且つ、各平面鏡によれば、調節なしで異なる第３の鏡面（３、３’）が選択され得る複数の同様の平面鏡ホルダ（７）を具備し、
前記連結手段が、前記平面鏡ホルダ（７）上に形成又は配置された第１連結要素（１１、１１’）と、前記基礎支持体（６）上に形成又は配置された第２連結要素（１２）であって、該第２連結要素によれば、前記第１連結要素（１１、１１’）が非確定的な固定方法及び／又は確定的な固定方法で接続され得る第２連結要素（１２）と、を具備することを特徴とする請求項２に記載の反射式ビーム成形器。
【請求項５】
前記第１形式の曲率の前記第１の鏡面（１）の鏡の側部表面に対して、及び、前記第２形式の曲率の複数の前記第３の鏡面（３、３’）の鏡の側部表面に対しては、それぞれの他方の形式の曲率の非球面補正、又は、自由形態の補正が加えられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の反射式ビーム成形器。
【請求項６】
平行な光ビームの直径を変化させる反射式ビーム成形器であって、ビーム経路内に順々に配置された、
第１の形式の曲率の少なくとも１つの第１の鏡面（１）と、
少なくとも１つの第２の鏡面（２、２’）と、
少なくとも１つの第３の鏡面（３、３’）と、を具備し、
複数の前記鏡面の形状は互いに対して整合することによって、１つの第１の鏡面（１）又は１つの第３の鏡面（３、３’）を介して当該ビーム成形器に入射する平行な光ビームが、それぞれ、１つの第３の鏡面（３、３’）又は１つの第１の鏡面（１）を介して平行な光ビームとして当該ビーム成形器を離脱する反射式ビーム成形器において、
空気よりも大きな屈折率を有する材料で作成され且つ前記光ビームの光に対して透明である単体的要素として形成された基礎支持体（１３）であって、該基礎支持体（１３）の基礎面から所定距離にて該基礎支持体（１３）上に形成された少なくとも１つの平面鏡面（１４）を有する基礎支持体（１３）を具備する反射式ビーム成形器。
【請求項７】
前記基礎支持体（１３）上に形成された複数の平面鏡面（１４、１４’）であって、基礎面から異なる距離にて互いに平行であり、その各々が、異なる第３の鏡面（３、３’）に対して割当てられた複数の平面鏡面（１４、１４’）を具備する請求項６に記載の反射式ビーム成形器。
【請求項８】
湾曲する前記第１の鏡面（１）及び湾曲する複数の前記第３の鏡面（３、３’）が、放物面から若しくは放物線状断面を以て円筒鏡から断片的表面として、又は、自由形態の表面として、形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の反射式ビーム成形器。
【請求項９】
入射する前記光ビームの光軸、前記出射光ビームの光軸、及び、前記平面鏡軸線は、互いに対して平行に配置されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の反射式ビーム成形器。
【請求項１０】
前記入射光ビームの光軸及び出射する前記光ビームの光軸が、共通の直線上に、前記平面鏡軸線に対して直交して位置することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の反射式ビーム成形器。
【請求項１１】
平行な光ビームを拡大又は縮小するための、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の１つの反射式ビーム成形器、又は、順次的に配置されて互いに関して所定角度だけ転回された複数のビーム成形器の使用法。
【請求項１２】
前記所定角度は９０°であることを特徴とする請求項１１に記載の反射式ビーム成形器の使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行な光ビームの直径を変化させる反射式ビーム成形器（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｂｅａｍ  ｆｏｒｍｅｒ）に関する。斯かるビーム成形器は、ビーム経路において順々に配置された、第１形式の曲率の少なくとも１つの第１鏡面と、少なくとも１つの第２鏡面と、第２形式の曲率の少なくとも１つの第３鏡面と、を備えて成る。各鏡面の形状は、第１又は第３の鏡面を介してビーム成形器に進入する平行な光ビームが、それぞれ、第３又は第１の鏡面を介し、平行な光ビームとしてビーム成形器を離脱するように、互いに整合される。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、多くの種々の技術的及び非技術的な分野において使用されるレーザビームは、発生源からの出射時には、特定用途に対して必要な形状及び直径を有さないことから、それらは、形状及びサイズに関して適合化される必要がある。このことは、ビーム成形器により実施される。これに対し、現状技術においては、屈折及び反射に基づく種々の解決策が知られている。屈折式ビーム成形器と比較して、反射式システムは、それらが既に本来的に色消しされており、且つ、各収差を補正するための波長に関する適合化が必要とされない、という利点を有している。さらに、高エネルギのレーザに対するビーム成形器は、複数の鏡のみにより実現され得る、と言うのも、例えば、４０ｋＷ以上のパワー入力の場合、レンズは破壊され得るからである。さらに低いパワー定格の場合においても、例えば、ガラス中における不純物又は気泡は、局所的なレーザ光の吸収に繋がり、最悪の場合、レンズの破裂に繋がり得る。但し、構造が軸上にて実施されるとするなら、反射式システムの場合には数枚の鏡が必要であり、且つ、通例は、付加的な鏡に対して個々のホルダも配備される必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、反射式ビーム成形器が記述されている。そこに記述されたシステムは、入射ビームが、同心的に配置された凸状及び凹状の鏡を介して結像面内で結像されるシュバルツシルド望遠鏡の構造に基づいている。その設計態様の故に、上記構造は、球面収差、コマ収差、及び、非点収差に対し、３次まで補正される。特許文献１に記述されたシステムは、２つのシュバルツシルド望遠鏡の組合せ物から成り、第２のものは後向きに構築され、ここで、入射する平行ビームは、先ず凹状表面に衝当し、それはそこから、凸状表面上に結像される結果、凸状鏡の背後に虚像が形成される。上記鏡の全ては、球状に形成される。ビームの拡大のために、入射ビームは先ず、前向きに構成されたシュバルツシルド望遠鏡の凸状鏡から、この望遠鏡の凹状鏡上へと導向され、且つ、点において結像される。後向きに構成されたシュバルツシルド望遠鏡の凸状鏡は、上記凹状鏡と上記像点との間においてビーム経路内に配置され、該凸状鏡はビームを凹状鏡上へと案内し、すると該凹状鏡は、入力ビームと比較して拡大された直径を有する平行な出力ビームを生成する。故に、各鏡は全て、軸外構造を有し、入射ビーム及び出射ビームは、平行に進行し、且つ、互いに関してオフセットされ、両方のビームのベクトル方向は同一である。故に、全体として、このシステムにおいては４枚の鏡が使用され、それらの２枚ずつは同心的に配置され、すなわち、それらは共通の曲率中心を有するが、配置構成は、各々の場合において軸外で行われる。
【０００４】
特許文献２には、ビーム拡大又はビーム縮小のための簡素なシステムが記述されている。該システムは、１つが凸状であり且つ１つが凹状である、２つの放物面形状の鏡から成る。ビームを拡大するために、例えば小径の入射ビームは、各鏡の内の一方の鏡の凸状表面上へと案内され、且つ、上記手段において、これにより、凹放物面鏡の表面上へと直角に導向される。するとそこで、光は、入射ビームと比較して拡大された直径を備える拡大済みビームとして上記鏡を離脱し、且つ、入射ビームと同一方向にさらに進行するが、これに関してオフセットされる。
【０００５】
特許文献３においては、ビーム直径が変化され且つビームはさらに軸上で進行するシステムが記述され、その場合、さらに、出射ビームに対する入射ビームの直径の比率が変化せしめられ得る。ビーム拡大のために、特許文献２に関して既に述べられたように、放物面状凸状鏡に衝当するビームは、偏向されると共に、凹放物面鏡上へと導向される。両方の鏡の表面は共焦点的に配置され、すなわち、凹状鏡の焦点は、凸状鏡の焦点と一致する。両方の放物面状表面は、単体的な金属ブロック上に形成される。各鏡面は放物面状表面なので、出射ビームに対する入射ビームの直径の比率は変化せしめられ得る、と言うのも、入射ビームが放物面状表面に衝当する面積が変化せしめられるからである。このようにして、異なる曲率が利用され得る。これに対しては、２枚の平坦鏡のシステムが使用され、第１の平坦鏡は入射ビームを上記凸状表面上へと導向し、そこから、光は上記凹状鏡へ且つその後に第２の平面鏡上へと導向され、該平面鏡は出射する平行ビームの束を、入力ビーム束と比較して拡大された直径を以て軸上でさらに案内する。２枚の平面鏡を互いに向けて変位させることにより、放物面状の各鏡面の異なる領域が到達され得る結果、異なる拡大形態が設定され得る。不都合なのは、２枚の平面鏡の経路が互いに整合される必要があるので、高価な制御システムを伴うことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，２０５，９０２号
【特許文献２】特開平４−３０１６１３号
【特許文献３】欧州特許第０６４９０４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
故に、本発明の目的は、殆ど負担なしで操作され得且つ可能な限り少ない鏡を有する可能な限り堅牢なシステムであるが、該システムによれば、複数の直径比率が設定され得ると共に、選択的には、大きな技術的負担なしにモジュール式の手法で既存システムのビーム経路内へも結合され得るシステムを開発することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、冒頭に記述された形式の反射式ビーム成形器の場合、上記少なくとも１つの第２鏡面が、鏡平面に対して直交する平面鏡軸線を備えた平面鏡面として設計され、且つ、上記ビーム成形器は、曲率に関して異なる、第２形式の曲率の複数の第３の湾曲鏡面を備えて成る、という点において達成される。上記の２つの形式の曲率の一方は凸状であり且つ他方は凹状である。これに加え、上記ビーム成形器は、出射光ビームに対する入射光ビームの直径の比率の可変的な設定のために、上記平面鏡軸線に沿い、ビーム経路における平面鏡面に対する位置を選択することにより、上記複数の第３の湾曲鏡面の内の１つを選択する選択手段を備えて成る。これに加え、上記第２鏡面は、上記第１鏡面、及び、上記複数の第３鏡面から選択された１つの第３鏡面が該第２鏡面を介して媒介されて互いに関して共焦点的に位置されるように、上記第１鏡面と、選択された第３鏡面との間においてビーム経路内に配置される。
【０００９】
現状技術、特に特許文献３とは対照的に、本発明における平面鏡面は、複数の第３鏡面から選択された１つの第３鏡面と、第１鏡面との間に配置される。この第２鏡面、すなわち、上記平面鏡面は、上記選択手段に対し、又は、該選択手段の一部に対して連結される。故に、ビーム直径における特定の変化率の変更のためには、単一の鏡面の位置の適合化のみが必要とされる。
【００１０】
上記複数の第３の湾曲鏡面の内の１つを選択する上記選択手段は、種々の方法で設計され得る。一方にては、厳密に１つの平面鏡面、すなわち、第２鏡面を配備し、且つ、これを、その故に該平面鏡面を担持する平面鏡担体上に取付けることが可能である。その場合、上記平面鏡担体は、上記平面鏡軸線に沿い変位され、及び／又は、これに対して傾斜され得る結果、複数の第３鏡面間で切換えることが可能であり、すなわち、各々の場合、変位及び／又は傾斜により異なる第３鏡面が選択される。
【００１１】
代替の実施形態において、上記選択手段は、択一的に複数の所定位置にて上記平面鏡軸線に沿い上記ビーム経路内へと導入され得る複数の平面鏡担体であって、各々の場合に１つの平面鏡面を担持する複数の平面鏡担体を備えて成る。故に、選択に依存し、各平面鏡担体の内の１つが、上記ビーム経路内へと連結される。このことは、第１に挙げられた選択肢と比較して、変位が必要とされないので、平面鏡面の位置決めの精度が高められると共に、移行速度も高められ得る、という利点を有している。
【００１２】
第３の選択肢において、本発明は、連結手段を介して択一的に上記ビーム経路内へと連結され得る複数の同様の平面鏡ホルダを提供し、その場合、１つの平面鏡ホルダは平面鏡面を備える少なくとも１つの平面鏡を保持し、且つ、各平面鏡によれば、異なる第３鏡面が選択され得る。これは、例えば、拡大形態がそれほど頻繁には変更される必要がないときに好適である、非常に堅牢な変更例である。もし、入射及び出射するビームが平行であるが逆方向に進行するなら、斯かる鏡ホルダは、例えば、対称的な構造を有し得、すなわち、該鏡ホルダは、２つの平面鏡及び二重の連結手段を以て設計され得る結果、連結に依存して、１つの平面鏡ホルダにより２つの異なる直径比率が設定され得る。複数の平面鏡ホルダを備える上記変更例の利点は、異なる拡大形態の選択に対し、ビーム軸線に沿う変位が行われる必要はなく、異なる鏡ホルダが単純に使用され、連結は調節なしで行われる、ということである。
【００１３】
調節なしの連結のために、上記連結手段は好適には、上記平面鏡ホルダ上に形成され、又は、そこに配置された第１連結要素と、上記基礎支持体上に形成され、又は、そこに配置された第２連結要素とを備えて成る。上記第１連結要素は、例えば、プラグ挿入接続又はネジ接続により、非確定的な繋止、及び／又は、確定的な繋止の方法で、上記第２連結要素に対して接続され得る。
【００１４】
各湾曲鏡面間に接続された平面鏡面を用いることにより、それの位置は、平面鏡軸線に沿う変位により、又は、代替的に、異なる平面鏡面を異なる位置に導入することにより、変化せしめられることで、出射する平行な光ビームの直径に対する入射する平行な光ビームのそれの比率を選択又は設定し得る結果、２つの湾曲鏡面の互いに関する共焦点的な整列が維持され、拡大の設定は平面鏡又は平面鏡面の使用まで単純化され得、その場合、入射及び出射するビーム束もまた、互いに平行に、但し逆方向に進行する。対照的に、現状技術においては、２つの要素が使用される。このようにして、干渉が低減され、さらに、複数の鏡の経路及び位置は互いに対して整合される必要がない。
【００１５】
本発明の特に好適な実施形態において、上記各第３鏡面は、上記平面鏡軸線から、互いに異なる距離にて共通の基礎支持体上に固定して配置される。これに加え、又は、代替的に、上記第１鏡面も上記基礎支持体上に固定して配置される。これは、対応して研削及び研磨されると共に鏡面で覆われた単体的ブロックとして設計され得る。
【００１６】
上記少なくとも１つの第１鏡面及び上記複数の第３鏡面は、主として凸状又は主として凹状であり、その場合、「主として」という表現は、支配的な曲率は凸状又は凹状であるが、例えば、非球面状要素又は自由形態の補正により結像誤差を補正すべく、異なる曲率も局所的に実現され得ることを意味する。
【００１７】
もし上記少なくとも１つの第１の及び複数の第３の鏡面の両方が単体的な基礎支持体上に配置されるなら、これは干渉をさらに低減する、と言うのも、上記第１及び第３の鏡面は互いに関して常に固定して位置決めされる結果、ここでは、ビーム成形における偶発的な調節が、故に、劣化が起こり得ないからである。その場合、上記基礎支持体上には、選択的な平面鏡ホルダに対する第２連結要素が形成される。
【００１８】
操作が容易である本発明の特に堅牢な改変例において、上記基礎支持体は、空気よりも大きな屈折率を有する材料で作成された単体的要素であって、上記光ビームの光に対して透明である単体的要素として形成される。それは、該基礎支持体から所定距離にて該基礎支持体上に形成された少なくとも１つの平面鏡面を備えて成る。但し、種々の拡大形態を設定するために、上記要素は好適には、該単体的要素の上記基礎面から異なる所定距離にて互いに平行に、該単体的要素上に形成された複数の平面鏡面を備えて成り、該平面鏡面の各々は、個々の第３鏡面に対して割当てられる。上記基礎体は、例えば、直方体に形成され得る。例えば、上述の条件を満足するガラスで作成された上記直方体の片面上には、上記第１の湾曲鏡面及び上記複数の湾曲鏡面が形成される。光ビームは、ビーム方向に直交する境界面を介して上記基礎支持体に入射し、上記第１鏡面にて反射され、その場合、全ての内部反射の場合には全反射が好適に利用され、又は、上記直方体の対応側面に対して反射被覆が適用される。光ビームは、平坦な平面鏡面上へと導向され、そこで同様に再び反射され、第３鏡面上へと導向され、その場合、上記第３鏡面の選択は、該第３鏡面に関する上記平面鏡面の位置に依存する。そこから、ビームは再び反射され、再び、境界面を通り直交的に出射する。このようにして、単一要素により、軸上でのビームの拡大又は縮小が達成され得る。
【００１９】
特に好適な実施形態において、上記第１の湾曲鏡面及び上記複数の第３の湾曲鏡面は、放物面から、又は、放物線状断面を以て円筒鏡から作成された断片的表面である。但し、それらは、自由形態の表面としても形成され得る。もし、それらが円筒鏡の断片的表面として形成されるなら、ビーム拡大は、回転対称的、すなわち円形的にではなく、楕円形的にのみ行われる。斯かる場合、好適には複数の反射式ビーム成形器が順次的に相次いで配置され得、その場合、第２のビーム成形器は第１のビーム成形器に関して所定角度、好適には９０°だけ回転して配置される結果、平行な光ビームは、完全に回転対称的に拡大又は縮小される。
【００２０】
コンパクトな設計態様のために、上記入射光ビームの光軸、上記出射光ビームの光軸、及び、上記平面鏡軸線は、好適には、互いに対して平行に配置され、その場合、入射及び出射する光ビームの光軸もまた、共通の直線上に位置し得る。
【００２１】
上記に挙げられた特徴、及び、以下に説明されるべき特徴は、本発明の枠組みから逸脱せずに、述べられた組み合わせにおいてだけでなく、他の組み合わせにおいて、又は、単独でも使用され得る。
【００２２】
本発明は以下において、本発明に必須の特徴を同様に開示する添付図面を参照して例示的にのみさらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】反射式ビーム成形器の基本構造を示す図である。
【図２ａ】斯かるビーム成形器の第１実施形態を示す図である。
【図２ｂ】斯かるビーム成形器の第１実施形態を示す図である。
【図２ｃ】斯かるビーム成形器の第１実施形態を示す図である。
【図３】さらなる反射式ビーム成形器の基本構造を示す図である。
【図４】複数の拡大形態に対する斯かるビーム成形器の構造を示す図である。
【図５】一連の複数のビーム成形器を示す図である。
【図６】一連の複数のビーム成形器の斜視図である。
【図７】反射式ビーム成形器のさらなる実施形態を示す図である。
【図８】放物面状表面を備えるビーム成形器の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１においては、反射式ビーム成形器の第１実施形態の基本構造が示され、これによれば、平行な光ビームの、さらに厳密には平行ビームの平行な束の直径が変化せしめられ得る。上記ビーム成形器は、ビーム経路において順々に配置された、第１形式の曲率の少なくとも１つの第１鏡面１と、少なくとも１つの第２鏡面２、２’と、少なくとも１つの第３鏡面３、３’とを備えて成り、鏡面１、２及び３又は１、２’及び３’は互いに整合される結果、第１鏡面１又は第３鏡面３、３’を介して上記ビーム成形器に進入する平行な光ビームは、それぞれ、第３鏡面３、３’又は第１鏡面１を介して平行な光ビームとして、再び該ビーム成形器を離脱する。
【００２５】
上記ビーム成形器は、第２形式の曲率の複数の第３鏡面３、３’を備えて成る。複数の第３鏡面３、３’は、それらの曲率に関して異なっている。上記の２つの形式の曲率の一方は、主として凸状であり、且つ、上記の２つの形式の曲率の他方は、主として凹状である。例示的にのみ、本件の場合、第１鏡面１は主として凹状に湾曲され、且つ、複数の第３鏡面３、３’は主として凸状に湾曲される。
【００２６】
上記各形式の曲率の鏡面の個数は、固定されない。上記ビーム成形器においては、例えば、複数の主として凹状の鏡面、及び、１つ以上の主として凸状の鏡面も実現され得る。ビームは、上記ビーム成形器に対し、主として凸状の鏡面の内の１つを介して進入する結果として拡大されるか、又は、ビーム縮小のためには、主として凹状の鏡面の内の１つを介して進入し得る。「主として」という表現は、支配的な形式の曲率を表すが、特に鏡の側部表面に対しては、局所的にのみ、例えば、他の形式の曲率を備えて成る非球面補正などの補正も加えられ得る。各鏡面は、放物面から、又は、放物線状断面を以て円筒鏡から作成された断片的表面であり得るが、それらはまた、球面状に、又は、自由形態の表面としても形成され得る。図１に示された例においては、一般性を制限することなく、第１形式の曲率は凹状として選択され、且つ、第２形式の曲率は凸状として選択される。第１鏡１の第１形式の曲率を凸状に選択し、且つ、第３鏡面３、３’による第２形式の曲率を凹状に選択することは、等しく可能である。但し、明瞭化の目的で、この変更例はここでのみ示される。本例においては、厳密に１つの第１鏡面１及び２つの第３鏡面３、３’が表される。このこともまた明瞭化の為だけであり、複数の第１鏡面１及び唯一個の第３鏡面３も存在し得るが、複数の第１鏡面１及び複数の第３鏡面３の両方を配備することも可能である。
【００２７】
少なくとも１つの第２鏡面２は、平面鏡面として設計され、それは、平面鏡面、すなわち、鏡平面に対して直交する平面鏡軸線を備えて成る。第２鏡面２は、第１鏡面１、及び、選択された第３鏡面が、互いに関して共焦点的に位置決めされるように、複数の第３鏡面３、３’の内の最初のものと選択された１つのものとの間において、ビーム経路内に配置される。故に、本件の場合、ここでも選択された第１鏡面１及び第３鏡面３の共焦点的な配向は、第２鏡面２の介在によってのみ生成される。同じことが、さらなる第２鏡面２’及びさらなる第３鏡面３’を以て破線により表された実施形態に対しても同様に当てはまる。このようにして、２つの湾曲鏡面が互いに関して直接的に、介在する鏡なしで、共焦点的に位置決めされる必要がある現状技術と比較して、さらに容易な製造法を以てさらに大きな融通性が達成され得る。
【００２８】
これに加え、上記ビーム成形器は、出射する平行な光ビームに対する入射する平行な光ビームの直径の比率の可変的な設定のために、平面鏡軸線に沿い、ビーム経路中の平面鏡面２、２’に対する位置を選択するために、複数の第３の湾曲鏡面３、３’の内の１つを選択するための選択手段を備えて成る。例えば、図２に示された第２の平面鏡面２が選択されると、第３鏡面３が選択される。上記第２鏡面が、第２鏡面２’が描かれた位置に配置されると、破線により表されたさらなる第３鏡面３’が選択される。この選択は、以下にさらに説明されるように、種々の方法で行われ得る。
【００２９】
上記ビーム成形器にビーム束が入射する方向に依存し、ビーム直径は拡大又は縮小される。もし、ビーム束又は光ビームが、凹状に湾曲された第１鏡面１に衝当するなら、選択された第３鏡面に依存し、それは上記ビーム成形器を、第３鏡面３又はさらなる第３鏡面３’を介して離脱する。鏡面３’に衝当するために、第１鏡面１上での反射の後、光ビームは第３鏡面３までよりも長い経路を踏破する必要がある結果、第３鏡面３を介して出射する光ビームの直径は、さらなる第３鏡面３’を介して出射する光ビームの直径よりも大きい。
【００３０】
逆のビーム案内の場合、種々の直径の入力ビームは、均一でさらに大きい直径の出力ビームへと拡大され得る。図１に示された実施形態は、１つの例のみを表しているが、複数の第３鏡面３、又は、複数の鏡面１も存在し得る結果、例えば、入力ビームの直径は、異なる複数の直径の出力ビームへと拡大され得る。
【００３１】
第３鏡面３、３’の内の一方の選択のために異なる平面鏡面２、２’が使用されることから、調節に関する負担は、互いに直接的に隣接する複数の湾曲鏡を備えた実施形態と比較して低減され得る、と言うのも、調節は、３つの自由度においてのみ行われる必要があるからである。球面状の構成要素の使用と比較して、非球面状の構成要素によれば、ビーム品質を向上し、設置スペースを減少し、且つ、さらに大きなビーム直径と連携することが可能とされる。
【００３２】
上記ビーム経路は、インタフェースの構成に関してシステムのモジュール式の使用をさらに容易とする付加的な傾斜鏡４及び５により、軸上で案内され得る。但し、例えば、第３鏡面３、３’を出射するビームは、光軸に関して中心的に進行せず、それに関してオフセットされる。このビームオフセットは、このシステムを使用する対応デバイスの設計態様において考慮される必要がある。
【００３３】
好適な実施形態において、第３鏡面３、３’は、平面鏡軸線からの複数の距離であって、互いに異なるが明確である複数の距離にて、共通の基礎支持体上に固定して配置される。これにより、調節はさらに容易とされる、と言うのも、その場合には、複数の第３の湾曲鏡面の互いに対する移動が排除されることで、平面鏡面２、２’に対する可能的な位置のさらに正確な調節が確実に可能とされるからである。上記位置決めは、上記第１鏡面も上記基礎支持体上に固定して配置されたときに、さらに正確となる。このことは、第１鏡面１及び複数の第３鏡面３、３’が１つの作業段階において製造されることも許容する。特に、複数の第１鏡面が使用されるとき、各第１鏡面を専ら上記共通の基礎支持体上に、但し好適には各第３鏡面３、３’と併せて、配置することも可能である。
【００３４】
上記選択手段は、種々の方法で実現され得る。
【００３５】
第１の可能性は、複数の第３鏡面３、３’の内の１つの選択のために、平面鏡軸線に沿い変位され得、及び／又は、傾斜され得ると共に、平面鏡面２を担持する平面鏡担体を配備することである。故に、この場合は、単一の平面鏡面２のみが使用されるが、これは、上記変位可能な平面鏡担体により平面鏡軸線に沿い種々の位置へと移動され得る。この場合、図１における番号２及び２’は、１つの同一の平面鏡面の異なる位置を特定している。上記変位は、例えば、位置決めカムを備えたモータにより行われ得る結果、第３鏡面３、３’に対して割当てられた位置は、目標限定された方法で到達され得る。
【００３６】
さらなる可能性は、平面鏡軸線に沿い、好適には択一的に複数の所定位置にてビーム経路内に導入され得ると共に、各々の場合に１つの平面鏡面を担持する複数の平面鏡担体を使用することである。この場合、図１における第２鏡面２及び２’は、その各々がそれ自体の平面鏡担体上に着座すると共に、ビーム経路内へと、配備、摺動又は別様に導入され得る物理的に異なる複数の鏡面である。ここでも、変化はモータ駆動式とされ得ると共に、この変更例は、さらなるスペース及びさらなる材料を必要とするが、個々のビーム直径の比率間におけるさらに短い切換え時間を許容する。
【００３７】
第３の選択肢は、連結手段を介してビーム経路内へと択一的に連結され得る複数の同様の平面鏡ホルダを備えて成り、その場合、１つの平面鏡ホルダは、平面鏡面を備えた少なくとも１つの平面鏡を保持すると共に、各平面鏡により、調節なしで、異なる第３鏡面が選択され得る。
【００３８】
この最後に挙げられた変更例は、以下において図２ａ乃至図２ｃを参照してさらに詳細に説明される。図２ａにおいて、反射式ビーム成形器は、図２ｂに示された平面図に見られ得る軸線ＡＡに沿う断面で表される。図２ｃは、上記反射式ビーム成形器を斜視図で示している。ここで、複数の第３鏡面３、３’及び上記第１鏡面は、いずれも、共通の基礎支持体６上に固定して配置される。基礎支持体として、好適には、ビーム経路の歪曲及び結像誤差を可能な限り低く維持するために、使用に関連する温度範囲において可能な限り低い熱膨張率を有する材料が使用される。図２ｂにおける平面図にて視認されるべく、基礎支持体６の形状は、実質的に、円のセグメントからの断片であって、外周にむけて付加的に切り出された断片に対応する。故に、製造に関しては、１つの円形の単一ブロックから、複数の斯かる基礎支持体６を作製することが可能である。そのとき、第１鏡面１及び複数の第３鏡面３、３’は、単一ブロック全体に対する１つの作業段階において作製され、すなわち、研削され、研磨され、且つ、反射層で覆われ得る、と言うのも、単一ブロックの回転対称性が利用され得るからである。故に製造に関しては、各鏡面を、放物面としてではなく、軸線ＡＡに沿う放物線状断面のみを以て作製することが有用であり、すると、その結果は、１つのビームを互いに直交する２つの方向に拡大又は縮小することが望まれるなら、２つのビーム成形器が相次いで直列に配置される必要があることであり、その場合、２つのビーム成形器は、ビームを、互いに直交する２つの方向に拡大又は縮小するために、互いに関して９０°の角度で傾斜される。当然ながら、第１鏡面１及び第３鏡面３、３’を、例えば完全に放物面状に、異なるように設計することも可能である結果、光ビームは、以前及び以後における円形の断面を以て、完全に回転的に対称的に縮小又は拡大される。
【００３９】
基礎支持体６に対しては、平面鏡ホルダ７が接続される。平面鏡ホルダ７内には平面鏡面９、９’を備えた２枚の平面鏡８、８’が配置され、それらは平面鏡ホルダ７により保持される。図２ａに示された表現において、ビーム経路においては、平面鏡面９を備えた平面鏡８が有効であり、これは、光を第１鏡面１から第３鏡面３まで、又は、その逆に導向する。平面鏡ホルダ７は、平面鏡面９’を備えるさらなる平面鏡担体８’を備えて成り、これは、図２ａにおける表現において有効でなく、且つ、平面鏡ホルダ７の下側部分に対して取付けられる。平面鏡ホルダ７は、２つの外側面１０、１０’を備えて成る。平面鏡ホルダ７は、２つの外側面の一方、ここでは外側面１０を以て、基礎支持体６上に着座する。もし、鏡ホルダ７が取り外されて回転される結果、それがさらなる外側面１０’を以て基礎支持体６上に着座するなら、さらなる平面鏡面９’を備えるさらなる平面鏡８’がビーム経路内に配置される。これにより、さらなる第３鏡面３’が起動されると共に、先の組み合わせと比較して、出力側のビーム直径に対する入力側のビーム直径の比率は変化せしめられる。これが達成されるのは、平面鏡８、８’、さらに厳密には、平面鏡面９、９’は、２つの外側面１０、１０’間の垂直方向接続の中心点から異なる距離に配置されるからであり、さらなる平面鏡面９’はこの中心点に対してさらに接近して配置される結果、さらに遠く位置する鏡面、ここではさらなる第３鏡面３’、が起動される。
【００４０】
外側面１０、１０’、及び、基礎支持体６上の対応する対向表面の巧妙な設計の場合、基本的に、平面鏡ホルダ７を基礎支持体６上に取付けることで十分である。このことは実験室での配置構成に対しては十分であり得るが、実使用においては、非確定的な繋止、及び／又は、確定的な繋止の方法の連結要素を介し、平面鏡ホルダ７が上記基礎支持体に対して接続され得ることが有用であると判明している。この目的のために、平面鏡ホルダ７上には第１連結要素１１、１１’が形成され、且つ、基礎支持体６上には第２連結要素１２が形成される。第１連結要素１１、１１’は、使用される鏡面９、９’に依存して安定的な接続を許容するために、２つの外側面１０、１０’の各々上に形成される。ここで、第１連結要素１１、１１’は、例示的にのみ、スタッドの方法で形成され、第２連結要素１２は溝として形成される。上記スタッド及び溝の寸法は、スタッドが溝内に正確に嵌合するように選択される。非確定的な接続を向上させるために、第１連結要素１１、１１’及び第２連結要素１２は、僅かな締まり嵌めも備え得る。例えば、ネジ接続のような他の形式の接続も想起可能であり、後者は特に、反射式ビーム成形器が、ここで示された直立姿勢ではなく、横たえられた又は吊下された配置で使用されるときに好適とされる。
【００４１】
図２ａに示された鏡ホルダ７は、斯かる鏡ホルダの例示的な実施形態にすぎない。１つの平面鏡面９を備えた１つのみの平面鏡８を含む、又は、現状技術にて知られた別の方法で連結手段が実現される、鏡ホルダも想起可能である。通例は、もし平面鏡８、８’が平面鏡ホルダ７に対して固定して取付けられるなら、第３鏡面３、３’の個数が２個より多ければ、複数の平面鏡ホルダ７が必要とされる。代替的に、各平面鏡８はまた、例えば、ネジ接続により高さ調節可能であるようにも、平面鏡ホルダ７に対して固着され得る。第３鏡面３、３’の内の１つから、又は、それに対してビームを導向するために、平面鏡８が高さに関して固定される必要があるそれぞれの位置は、例えば、停止部及び／又は繋止位置の支援により実現され得、この場合、平面鏡８は好適には、対応する係合を許容するスプリングを備える。
【００４２】
図３においては、反射式ビーム成形器に対する別の形式のビーム案内様式が概説される。ここでは、入射光ビームの光軸Ｉ及び出射光ビームの光軸Ｏが共通の直線上に位置するという、いわゆる軸上構成が表される一方、図１においては、入射光ビームの光軸Ｉ、出射光ビームの光軸Ｏ、及び、平面鏡軸線、すなわち、平面鏡面の法線は、互いに平行に配置されるが、それらは一本の軸線上ではない。図３に示された実施形態の場合、平面鏡軸線は、光軸Ｉ及びＯに対して直交している。図３に示された構成は、１つの第３鏡面３に対してのみ示されており、もし複数の第３鏡面が使用されるなら、各光軸Ｉ、Ｉ’、・・・は、出射光ビームの光軸Ｏに関して平行にオフセットされ、このことは、傾斜鏡４及び５が使用されるときに図１においても当てはまる。一般性を制限することなく、ビーム直径が拡大されるべきことが想定されたが、当然ながら、入力ビームとしてさらに大きな直径を備えるビームを使用し、該直径を減少することも可能である。
【００４３】
ここで、第１鏡面１及び第３鏡面３は、放物面としてではなく、放物線状断面を以て形成されていることから、ビーム直径は１つの空間方向においてのみ変化せしめられる結果、正規分布の強度変化特性及び円形の断面を備える入力ビームの場合、出力ビームは楕円形の断面を有する。図３に示された例において、拡大は、図面の平面内においてのみ生ずる。ビームを再び円形とするためには、順次的に下流とされ且つ好適には９０°だけ回転された同一の鏡システムが再び使用され得る。
【００４４】
但し、製造に関し、放物線状断面による円筒鏡に対応する鏡面は、通常は、放物面の断片的表面を作製するよりも容易である結果、互いに関して所定角度だけ回転して相次いで配置された複数のビーム成形器の順次的な配置は、好適な変更例である。これによれば、傾斜に対して９０°未満の角度も許容されるなら、出射ビームの断面形状を付加的にさらに改変することも可能とされる。もし、複数の第３鏡面３、３’を各々が備えた複数のビーム成形器が相次いで配置されるなら、設定の可能性の完全な利用のためには、各ビーム成形器を互いに変位させる手段を配備することが必要である結果、各ビーム成形器の内の１つの出力ビームに対しては、上流のビーム成形器の出力ビームに対応する入射ビームに対して、下流のビーム成形器の複数の第３鏡面の内の１つが対応して選択される。個々のビーム成形要素の互いに関する変位の代わりに、このことはまた、例えば、複数の変位可能な鏡の形態である、偏向要素によっても達成され得る。
【００４５】
図４においては、図３に示された構成の複数の第３鏡面３、３’への拡張例が、図１において既に説明されたのと同様に示され、ここで、第３鏡面３、３’及び第１鏡面１は、再び、基礎支持体６上に形成される。基本的に、この配置構成は、図２に関して既に記述された平面鏡ホルダ７と共にも使用され得る。
【００４６】
図５は、互いに関して９０°の角度にて回転して配置されるべく、相次いで配置された図４からの２つのビーム成形器の使用を示している。第１の前側のビーム成形器の第１鏡面１．１及び第３鏡面３．１、３．１’は、基礎支持体６．１上に配置され、且つ、第２の後方のビーム成形器の第１鏡面１．２及び第３鏡面３．２、３．２’は、基礎支持体６．２に対して取付けられる。それぞれの第３鏡面３．１、３．１’の選択に対し、上記ビーム成形器は、複数の第２鏡面２．１、２．１’、２．１”、又は、それぞれの複数の位置へと変位され得る１つの平面鏡のいずれかを備えて成る。同じことが、第２のビーム成形器の第２鏡面２．２に対して当てはまる。紙面の平面に対し、水平方向において、すなわち、入射ビーム及び出射ビームの軸線に対して平行である、第１鏡面１．１及び第３鏡面３．１、３．１’の対応してさらに大きな距離の場合、図２に関して既に記述された平面鏡ホルダも使用され得る。
【００４７】
図６には、反射式ビーム成形器の特に有用な実施形態が示される。このビーム成形器は、単体的要素として形成された基礎支持体１３を備えて成り、該単体的要素は、空気より大きい屈折率を有する例えばガラスなどの材料で作成されると共に、そのビーム直径が変化せしめられるべき光ビームの光に対して透明である。基礎支持体１３上には、基礎面から所定距離に配置された少なくとも１つの平面鏡面１４が形成される。ここで、上記基礎面は、該基礎面に配置された基部１５により象徴化される。但し、上記基礎面は平面鏡面に対応することも可能であり、その場合、距離はゼロである。
【００４８】
入射ビームは、例えば前面１６にて基礎支持体１３に入射し、内部的に反射される。これに対しては、適切なガラスの選択及び適切な反射の角度により、全反射の原理が利用され得る。このようにして、上記ビーム成形器を形成する特に簡素な構成要素であって、作製がコスト効率的であり、コンパクトで堅牢である構成要素が帰着する。入射角の故に全反射が可能でない表面に対しては、各々の場合に、単体的な基礎支持体１３の外側部に対して反射層が適用される。当然ながら、これは、不都合な反射を抑制するために、付加的にも適用され得る。図６に示された配置構成においては、２つの斯かるプリズム状のビーム成形器が相次いで直列に配置されており、その場合、例えば、入力ビームが完全な回転対称性を有さないことになる回転誤差のような入力ビームの誤りを補償するために、後側のビーム成形器は、光軸に対応し得る共通軸線の回りにおいて、前側のビーム成形器に関して９０°ではない角度だけ回転される。
【００４９】
図７は、図６において記述されたようなプリズム状の反射式ビーム成形器を示しているが、該成形器は、単一の拡大形態又は減少形態に対して設計された図６からのビーム成形器とは対照的に、複数の拡大形態又は減少形態を許容する。このために、基礎支持体１３上には、ここでは再び基部１５である基礎面から異なる距離にて互いに平行である複数の平面鏡面１４、１４’、・・・が形成され、個々の平面鏡面１４、１４’、・・・の各々は、個々の第３鏡面３、３’、・・・に対して割当てられる。そのとき、それぞれの拡大形態の選択は、入射光ビームの光軸Ｉに対して直交して、すなわち、１つの平面内に延在する２つの方向における、反射式ビーム成形器の、すなわち、基礎支持体１３の相対変位により実施される。高さに関する基礎支持体１３の相対変位によれば、第３鏡面３、３’、・・・の内の別のものが選択され、且つ、それに対して直交した変位、故にここでは上記光軸に対して横方向の変位によれば、それぞれの第３鏡面３、３’、・・・に対して割当てられた対応する平面鏡面１４、１４’、・・・の選択が実施される。上記ビーム成形器自体、又は、入力ビーム、又は、両方が変位され得る。
【００５０】
図８には、第１の湾曲鏡面１及び第３鏡面３、３’が放物面状に形成され、すなわち、回転対称的なビームを、直径が変化せしめられた回転対称的なビームへと戻し変換する、反射式ビーム成形器のさらなる変更例が示される。特に第１鏡面１の位置に関し、図３に示された基礎体６と類似した断面を備えて成る基礎支持体１７が、基部を形成する。基礎支持体１７は、環状であり、且つ、外側表面シェル１８を備えた円筒状セグメントの形状を有している。
【００５１】
第１鏡面１は、基礎支持体１７の内周上に形成される。表面シェル１８に対して接続されると共に、第１鏡面１とは離間した方を向いて基礎支持体１７の側面上に形成された環状表面１９上には、円周部の回りに分散されて、異なる隆起部２０、２０’が形成され、又は、取付けられ、各隆起部は放物面状の形状を有し、且つ、各隆起部上には第３鏡面３、３’が形成される。ここで、少なくとも１つの鏡面２は、象徴的にのみ示される。表面シェル１８に対し、円筒の回転軸線の回りで基礎体１７を回転させることにより、異なる隆起部２０、２０’、すなわち、異なる第３鏡面が選択され得ることから、拡大形態が変化せしめられ得る。各々の場合、第２鏡面２の位置は選択された隆起部２０、２０’に対して適合化されることに注意すべきであり、このことは、高さ調節により、又は、別の第２鏡面を導入することにより実施され得る。当然ながら、上記配置構成は、１つの単一の第３鏡面のみを以ても機能し、この場合、同様に１つのみの第２鏡面が必要とされるか、又は、高さ調節が省略され得る。
【符号の説明】
【００５２】
１    第１鏡面
２、２’    第２鏡面
３、３’    第３鏡面
４、５    傾斜鏡
６    基礎支持体
７    平面鏡ホルダ
８、８’    平面鏡
９、９’    平面鏡面
１０、１０’    外側面
１１、１１’    第１連結要素
１２    第２連結要素
１３    基礎支持体
１４    平面鏡面
１５    基部
１６    前面
１７    基礎支持体
１８    外側表面シェル
１９    環状表面
２０、２０’    隆起部
Ｉ、Ｏ    光軸
【図１】
2016206664.tif 000003
【図２ａ】
2016206664.tif 000004
【図２ｂ】
2016206664.tif 000005
【図２ｃ】
2016206664.tif 000006
【図３】
2016206664.tif 000007
【図４】
2016206664.tif 000008
【図５】
2016206664.tif 000009
【図６】
2016206664.tif 000010
【図７】
2016206664.tif 000011
【図８】
2016206664.tif 000012