產生用於處理基底的光束的光學系統的製作方法
2023-06-04 09:45:41 2
專利名稱：產生用於處理基底的光束的光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種產生用於處理布置在基底平面中的基底的光束的光學系統，其中該光束在垂直於光束傳播方向的第一維度上具有束長度並且在垂直於第一維度和光傳播方向的第二維度上具有束寬度，其中相對於束寬度，束長度較大，該光學系統包括第一光學布置，第一光學布置在第一維度上確定多個光通道，該多個光通道彼此相鄰布置並且在第一維度上將光束分成多個部分場，其中部分場在第一維度上以彼此疊加的方式入射在基底平面上。
背景技術：
從WO 2006/066706A2已知這種光學系統。
在引言中提及的這種類型的光學系統用於例如熔化(melting)材料，尤其是在矽的光引起結晶的領域中。一個具體的應用是平板屏幕製造，其中，為了使矽結晶，使用光束處理具有非晶矽層的基底。在這種情況中，使用的基底具有相對大的尺寸，例如在大於 30cmX大於50cm的範圍中。通過引言中所提及的這種類型的光學系統，相應產生的光束具有第一維度(以後通過X指示)的束長度，所述束長度大約與基底的寬度(例如大約30cm) 一致。在垂直於X維度的維度(以後通過Y指示)中，期望光束儘可能細，其中為了獲得儘量高的能量密度用於處理基底，期望Y方向上的束寬度為幾微米。
因此應用到基底的光束相應地具有較大的、X維度上的束長度與Y維度上的束寬度的比，依據束長度，其可大於5000，甚至大於10000。
在這種情況中，用於處理基底而使用的光束必須基本滿足兩個要求，具體地，首先光束的強度分布在X維度上必須僅可能均勻，並且在Y維度上光束的強度分布應該具有最大可能的邊緣陡度。
特別地，迄今為止，還沒有滿意地解決(大)X維度上的光束的均勻性問題。從引言中引用的文件WO 2006/066706A2中已知的光學系統具有光學布置，該光學布置確定了多個光通道，該多個光通道在第一維度上彼此相鄰布置並且在第一維度上將光束分成在第一維度上部分重疊的多個部分場，其中部分場在第一維度上以彼此疊加的方式入射到基底中。在已知的光學系統中，確定光通道的光學布置被實施為具有一個或者兩個元件的蠅眼聚光器的形式。蠅眼聚光器被實施為圓柱透鏡陣列，即在X方向上彼此相鄰地布置多個單獨(individual)的圓柱透鏡，其中每個單獨的圓柱透鏡確定一個光通道，其中光束在穿過多個光通道時被分成對應數目的部分場。接著，通過下遊的聚光器光學單元，單獨部分場在 X維度上再次疊加在基底上，結果，在X維度上實現光束的強度分布的混合，並因此實現均勻性。
在已知的光學系統的情況中，X維度的強度分布的均勻性不是最佳的。在已知的光學系統的情況中，光束(通常是雷射光束，其具有X維度上的尺寸&、第二維度上的尺寸 YL>由光源預先確定的第一維度上的發散度Dx、以及第二維度上的發散度Dy)入射到蠅眼聚光器形式的第一光學布置上。具體的，已經觀察到基底上的光束中的幹涉效應和拍頻效應，其損害使用光束處理基底的結果。 發明內容
針對上述背景，本發明的目的是開發一種引言中提及的類型的光學系統，其能夠避免以上所提及的缺點。該光學系統意在能夠產生用於處理基底的光束，該光束具有大束長度和小束寬度，並且該光束在X維度上的強度分布甚至更加均勻。
關於介紹中所提及的系統，通過以下事實實現本發明的這個目的第二光學布置在光傳播方向上布置在第一光學布置的上遊，所述第二光學布置在第一維度上具有這樣的寬度，並且擴展入射到第二光學布置上的光束在第一維度中的角譜，使得第二光學布置在第一維度中的集光率是光學系統在第一維度中的總集光率的50%到100%，從而第一光學布置的幾乎所有光通道被光均勻地照明。
在根據本發明的光學系統的情況中，第二光學布置布置在將入射光束分成部分場的第一光學布置的上遊，所述第二光學布置預處理入射到第二光學布置上的光束，使得光束隨後在第一維度上以擴展的角譜和大範圍入射到第一光學布置上。因此，在根據本發明的光學系統的情況中，與已知的光學系統相比，光束不以光束的預定自然發散度而是以被第二光學布置大大增加的發散度或者孔逕入射到第一光學布置的單獨光通道中。在已知的光學系統的情況中，第一光學布置的單獨光通道僅被不充分地填充光，結果在基底平面中導致幹涉和拍頻效應。比較而言，在根據本發明的光學系統的情況中，由於預先擴展入射光束的角譜，第一光學布置的單獨光通道被更均勻地填充光，即光束以預均勻化的方式進入確定了光通道的第一光學布置。因此第二光學布置帶來入射光束的附加的光混合，導致下遊的第一光學布置可甚至更有效地均勻化光束。通過第二光學布置，優選引入X維度中所需的全部集光率，準確地講，在單一級中，即通過第二光學布置。因此，通過根據本發明的光學系統產生的光束的強度分布在基底平面中比已知的光學系統的情況均勻得多，結果，使用光束處理基底的結果得到改進。
這裡第一維度上的集光率和第一維度上的總集光率分別被理解為在所述X維度中的一維集光率和總集光率。在這種情況中，通過以下等式給出第一光學布置的集光率 LLffx =LLffx = DX*NAX，其中Dx是第一光學布置在第一維度中的範圍，並且NAx是第一光學布置在第一維度中的數值孔徑。
在一個優選構造中，第二光學布置的集光率是光學系統的集光率的70%到 100 %，優選80 %到100 %，更優選90 %到100 %。
通過第二光學布置引入到系統中的集光率越高，線性光束在基底平面中的強度分布越均勻。
在一個優選的構造中，第二光學布置的光學特性被設計為使得從第二光學布置的沿著第一維度的任意部分區域出射的光分別至少近似包括整個角度信息並且近似進入第一光學布置的每個光通道中。
在這個構造中，換言之，通過第一光學布置的尺寸，第一光學布置被第二光學布置的孔徑完全照明。相應地，在這種構造的情況中，入射到第二光學布置上的光束的每個空間模式分布在整個第一光學布置上，即由其確定的全部光通道上。這裡「部分區域」應理解為第二光學布置的具有第一維度中的範圍的最小區域，來自該最小區域的出射光包含基本完整的或者完整的角度信息。這樣的部分區域通常表示為「單位區域(pitch)」。
在另一優選構造中，第二光學布置設計為通過位置調整來改變入射光束在第二維度上的束寬度，尤其是通過圍繞光傳播方向的旋轉。
在這種情況中，如下是有利的第二光學布置不僅有助於光束在X維度上的均勻化，而且還實現第二功能，即改變入射光束第二維度中的束寬度。結果，在Y維度中，也可以以控制的方式並在單一級中引入小集光率。入射光束在第二維度中的束寬度的可變性是可取的，因為束寬度是依賴於基底的處理的參數。以上所提及的構造避免用在Y中擴展束的附加光學布置，例如如WO 2006/066706A2中所描述的。
在另一優選構造中，第二光學布置具有至少一個光學元件，該光學元件具有在第一維度中具有一維地散射和/或衍射效果的結構。
這樣的光學元件可以是折射或者衍射型的。
在一個優選的構造中，所述至少一個光學元件是衍射光學元件。
優選地，具有散射和/或衍射效果的結構具有形成非周期部分結構的結構元件， 其中每個部分結構形成一個以上所提及的部分區域，從該部分區域分別出射的光至少近似包含整個角度信息。
在此構造中，第二光學布置的所述至少一個光學元件具有由單獨結構元件形成的非周期部分結構。關於距離和/或尺寸(在第一維度的方向上)彼此不同的多個結構元件分別形成部分結構，其中每個單獨部分結構形成「節點」或者一個以上所提及的部分區域， 從所述部分區域出射的光分別包含整個或者基本整個角度信息。由於部分結構彼此之間的非周期性，現在在光束實際進入第一光學布置之前有利地避免了周期幹涉，該周期幹涉僅可以被第一光學布置混合消除到一定程度，並且因此可能導致基底平面中的殘餘調製。這尤其適用於如下情況第一光學布置的光通道本身或多或少地具有周期結構。
在另一優選構造中，在第一維度上，具有散射和/或衍射效果的光學元件的結構的各個相鄰部分結構之間的距離和/或部分結構的尺寸是不同的。
在這個構造中，在一個非常簡單的實現中，具有在第一維度上具有一維衍射效果的結構的至少一個光學元件可被實施為線光柵，其中光柵的單獨線之間的線距離在線與線之間隨機地變化。從而，多個這樣的線分別形成部分結構或部分區域，其分別獨立地向光施加全部角度信息。
根據該構造，第二光學布置通過位置調整來改變入射光束在第二維度上的束寬度，就以上所提及的構造而言，一維光柵非常有利，這是因為為了在第二維度上增加束寬度或者減少束寬度，僅需要以圍繞光傳播方向的軸可旋轉的方式將該光柵(如在另一優選構造中所提供的)安裝在光學系統中。一旦一維光柵的線從0°位置(光柵的線垂直於X維度)開始旋轉，則該光柵也具有Y方向的衍射效果，結果，Y維度的束寬度被增加。以此方式，利用一維光柵，在Y方向上，從高斯強度分布，可設置在Y維度上具有相應的束寬度的更寬的大禮帽型強度分布(即，具有平臺和大邊緣陡度的強度分布)。
在另一優選構造中，選擇具有散射和/或衍射效果的光學元件的結構的各個相鄰部分結構之間的距離的平均距離，使得來自入射到第二光學布置上的光束的每個橫向相干單元的光被近似在整個束長度上從第一光學布置引導到基底平面上。
由於通常由雷射束形成光束，所以光束在第一維度的方向上具有預定的橫向相干長度。這裡橫向相干長度應被理解為在第一維度上彼此分隔開且確實能夠彼此幹涉的兩個部分光線之間的距離。單獨橫向相干單元在第一維度上的範圍對應於橫向相干長度。在來自單獨相干單元的光僅入射到第一光學布置的一個或者幾個光通道中的情況中，這可能在基底平面上導致幹涉現象。在以上所提及的構造中，相對比的，光學元件的部分結構之間的平均距離被選擇為使得在很好的近似中光束的每個相干單元均勻地照明基底。因此，來自每個相干單元的光到達基底的每個位置，並且由於在統計上累積的相位而因此允許最小化光斑對比度(其由於單獨雷射模式的行為而具有隨機性質)。
更加優選的是，具有散射和/或衍射效果的光學元件的結構的各個相鄰部分結構之間的距離的平均距離被選擇為使得最小化基底上的第一光學布置產生的幹涉對比度。
通過此方法，將光學元件的部分結構之間的平均距離與第一光學布置配合，在作為蠅眼聚光器的第一光學布置的構造的情況中，這可能導致幹涉效應，然而可以通過適配部分結構之間的平均距離來消除或者至少降低該幹涉效應。不同於光斑對比度，幹涉對比度具有確定性的性質並且是基於相干部分光線在基底平面中的疊加。
在另一優選構造中，各個相鄰部分結構之間的距離的平均距離滿足以下關係
光束的橫向相干長度1。<部分結構之間的平均距離。
在另一優選構造中，各個相鄰部分結構之間的距離的平均距離滿足以下關係
1/3 <平均距離/光束的橫向相干長度1。< 5，
優選1 <平均距離/光束的橫向相干長度1。< 3。
在另一優選構造中，第二光學布置具有聚光器光學單元，其中具有在第一維度上具有一維的散射和/或衍射效果的結構的至少一個光學元件與聚光器光學單元一起產生第一光學布置的均勻照明。
在這種情況中，這是有利的在光學散射元件/衍射光學元件與聚光器光學單元的相互作用中穿過第二光學布置的光束在X維度上具有大邊緣陡度的強度分布。
第一光學布置優選具有至少一個圓柱透鏡陣列，其中單獨圓柱透鏡的圓柱軸取向在第二維度上，並且其中單獨圓柱透鏡優選為平凸圓柱透鏡。
在這個本身已知的構造中，第一光學布置的單獨光通道由單獨圓柱透鏡形成。但是，與已知的光學系統不同，通過上遊的第二光學布置顯著更完全地照明了單獨圓柱透鏡， 該第二光學布置用於以經預均勻化的光束將優選基本全部集光率引入到系統中。
在此情況中，更優選的是，為了在第一維度上橫向界定入射光束，分別通過楔形光透射邊緣區域界定圓柱透鏡陣列，該楔形光透射邊緣區域的表面例如在第二維度中相對於垂直於光傳播方向的平面傾斜。
兩個楔形光透射區域界定圓柱透鏡陣列的光學可用區域，其也具有對光束在基底平面中的強度分布的均勻性的正面影響。如以上所介紹的，如果僅第一光學布置的被光儘可能填充的光通道貢獻於基底平面中的光束，則光束在基底中的均勻性得到提高。這裡所提供的用於界定入射到圓柱透鏡陣列上的光束的方法相對於傳統光闌具有由於吸收的熱輸入明顯減少的優點。由於楔形光透射邊緣區域，入射在所述邊緣區域上的光偏轉到例如 Y維度上，並且可以被無害地轉移到光捕獲器中。
在另一優選的構造中，第一光學布置具有帶有至少一個雙凹透鏡的聚光器光學單兀。
以上所提及的確定第一光學布置的光通道的圓柱透鏡陣列與聚光器光學單元一起在X維度上展開形成(aufsparmen)基底平面中的光束。所述第一光學布置的聚光器光學單元中的至少一個雙凹透鏡可有利地用於進一步在X維度上優化基底平面中的光束在邊緣區域中的均勻性。這是因為在基底平面中光束的均勻性可例如具有二次分布，其可以通過雙凹透鏡的相應彎曲度來補償，所述彎曲度相應地適配於光束的均勻性的非恆定分布的校正。可以保持有多個具有不同彎曲度的這種透鏡，可將它們可替換地引入系統中。
在另一優選構造中，光學系統具有第三光學布置，其在第二維度上將入射光束聚焦到基底上，其中第三光學布置由反射鏡構造。
因此，用於產生處理基底的光束的光學系統由兩個子系統構造，在兩個子系統中的一個子系統僅在X維度上整形光束，從而依據在X維度上具有最佳均勻性的束長度整形光束並且在兩個子系統中的另一子系統整形光束在基底平面中的束寬度，其中通過聚焦獲得最小束寬度。對於非常大的束長度與束寬度的比，相對於折射布置，為了將光束聚焦到基底上而使用反射鏡是有利的，這是因為由於折射依賴於入射角或反射角的正弦，所以折射布置導致成像的非線性。
在這種情況中，優選的是，第三光學布置具有至少兩個圓柱反射鏡，該兩個圓柱反射鏡的各自的圓柱軸在第一維度上，其中第一反射鏡是凸反射鏡並且第二反射鏡是凹反射^Ml O
這個方法的優點是工作距離(即基底與基底上遊的最後一個光學元件之間的距離)可選擇得較大，並且成像質量同時較高。在由凸反射鏡和凹反射鏡構成的布置的情況下，通過改變入射角度、反射鏡半徑和距離，可在寬限制內設置工作距離和成像比例，並且同時可補償慧差和球面像差。優選地，從光傳播方向上看凸反射鏡和凹反射鏡彼此直接跟隨。
第三光學布置的上述構造也被認為是沒有權利要求1的特徵部分的獨立發明。
在另一優選構造中，存在用於在第二維度上進行光束界定的光學元件，其中用於光束界定的光學元件的透射區域可以變化地設置。
如以上所提及的，必須以依賴於所要處理的基底的方式改變光束的各種參數。因此，必須從基底到基底改變例如束寬度或者包含在光束中的能量和/或能量密度。由於Y 維度上的可調節的束界定，作用在基底上的光能量可變化。如果例如用於束界定的光學元件的透射區域增大，則入射在基底上的能量增加。然而，用於束界定的光學元件的透射區域的增大可能破壞光能量和光能量密度的時間穩定性，結果，基底的處理結果可能因此被破壞。這與以下事實關聯光束在Y維度中的強度分布沒有大邊緣陡度的情況中，光束在Y維度中的雖然輕微的位移也體現在用於束界定的光學元件所透射的能量的變化中。光束的位移可能由光束路徑位置的波動產生，但光束中的強度分布也可能在整個過程中波動。與以上所提及的方法相聯繫的，從而可特別有利地使用以上所提及的構造，根據以上所提及的構造，第二光學布置通過位置調整可改變入射光束在第二維度上的束寬度。這是因為如果增大用於束界定的光學元件的透射區域，則可通過第二光學布置同時增大入射光束的束寬度，結果，在用於束界定的光學元件的透射區域中擴展了光束的強度分布，從而甚至在用於束界定的光學元件的大透射區域的情況中，光束的位置或分布形狀的波動也不有害地影響基底平面中的光束在Y維度上的均勻性。束界定元件可布置在第三光學布置中，但也可在系統的其它地方。
從以下說明和附圖中呈現其它優點和特徵。
不言而喻，以上所提及的以及以下將解釋的特徵不僅可以以分別指出的組合使用，還可以以其它組合使用，或者本身獨立使用，而不偏離本發明的範圍。
附圖中示出了本發明的示例實施例，並且參照附圖更加詳細地描述本發明的示例實施例。在附圖中
圖1示出產生用於處理基底的光束的光學系統的示意圖，其中在)(Z平面中示出該系統；
圖2示出圖1中的光學系統的光學元件的示例實施例，其中在XY平面中示出該光學元件；
圖3示出圖2中的光學元件在X方向的側視圖4在)(Z平面的圖示中示出圖1中的光學系統的部分的、相對於圖1的放大比例圖。
圖5在^平面的圖示中示出圖4中的部分；
圖6在^平面的圖示中示出圖5中的光學布置的光學元件的另一示例實施例；
圖7示出圖5中的光學布置的部分的基本圖示，其示出束寬度與圖1中的光學系統的用於束限制的光學元件的透射區域的適配。
具體實施方式
圖1示意性地示出產生用於處理基底的光束的光學系統，所述光學系統用附圖標記10表示。
具體的，系統10用於通過光束表面(areally)熔化基底上的層的設備中。更具體的，光學系統10用於為了平板屏幕(flat screen)製造而使由非晶矽構成的矽層結晶的設備中。
這種用於表面熔化基底上的層的設備中的光學系統10是整個光學系統的一部分，該整個光學系統除了光學系統10之外甚至還具有其他光學單元(未示出)，例如光源 (尤其是雷射器)、擴束光學部件、脈衝乘法器和展寬器、以及衰減器等。在這樣的整個光學系統中，從光傳播方向上看，依照圖1的光學系統10在X維度(將在以下解釋)上可以是基底上遊的最後一個光學上起作用的(optically active)單元，如這裡所示。系統10被相應地顯示為，從光傳播方向上看，從進入光學系統10的虛擬光進入平面12，直到基底(未示出)所在的基底平面14。
光學系統10被設計為在基底平面14中產生在第一維度(其在以後表示為X維度)上具有束長度L並且在第二維度(其在以後表示為Y維度)上具有束寬度B(參見圖 5)的光束，其中束長度L遠大於束寬度B。束長度L大於100mm，例如約300mm，並且束寬度 B小於50 μ m,尤其是小於10 μ m,例如大約5 μ m。
在圖1中，由Z表示既垂直於X維度也垂直於Y維度的光傳播方向。圖1在)(Z平面中示出光學系統10，在圖1中，為了圖示的目的繪出了坐標系統16。
從光傳播方向上看，光學系統10具有第一光學布置18和第一光學布置18上遊的第二光學布置20。
第一光學布置18具有光學元件22和光學元件24。光學元件22在X維度中確定多個光通道沈，多個光通道沈彼此相鄰布置並且在X維度中將入射光束分成多個部分場。 在圖1所示的示例實施例中，光學元件22確定總計七個這樣的光通道。然而，可以存在多得多的光通道。同樣地，光學元件M在X維度中確定彼此相鄰布置的多個光通道觀，在依照圖1的示例實施例中同樣存在七個這樣的光通道28。
光學元件22和光學元件M都分別實施為圓柱透鏡陣列形式，其中單獨的圓柱透鏡的各自圓柱軸在Y維度上延伸，即垂直於圖1中所示的平面。
如圖1中明顯的，形成光通道沈和觀的單獨圓柱透鏡分別被實施為平凸形式。在這種情況中，光學元件22的圓柱透鏡的凸光出射側與光學元件M的圓柱透鏡的凸光進入側相對。
光學元件22和M的光通道沈和觀在X維度上將入射到光學元件22和M的光束分成多個部分場，並且在圖1中示例性地示出了三個部分場30、32和34。
光學元件22和M構成的布置也被表示為(雙)蠅眼聚光器。除了蠅眼聚光器之外，第一光學布置18還具有附加的聚光器光學單元36，聚光器光學單元36具有平凸型透鏡 38和雙凹面透鏡40。第一光學布置18僅在X維度上對入射光束起作用，同時它在Y維度上不影響或者基本不影響入射光束。透鏡38和40相應地實施為圓柱軸在Y維度上的圓柱透鏡。
通過聚光器光學單元36，在X維度上將由光束通過第一光學布置18的單獨光通道 26,28而產生的部分場30、32、34疊加在基底平面14上。由於入射在第一光學布置18上的光束在第一維度上被分成彼此相鄰布置的多個部分場，並且所述部分場在第一維度上疊加在基底平面14上，所以入射在基底平面上的光束14在X維度上的強度分布被均勻化，這是因為來自每個光通道26、28的光與來自光通道沈、28中的其它通道的光混合。然而，如果沒有通過光束入射到單獨光通道沈、觀上對光通道沈、觀充分填充光，則通過第一光學布置18實現的光混合不是最佳的。
為了實現這一點，在光學系統10中設置第二光學布置20。
第二光學布置20在第一維度X上具有這樣的範圍並且在第一維度X上擴展入射到第二光學布置20上的光束42的角譜，使得第二光學布置20在第一維度X中的集光率 (etendue)是光學系統10在第一維度X中的總集光率的50%到100%，從而第一光學布置 18的幾乎所有光通道沈、觀都被光均勻地照明。優選地，第二光學布置20的集光率是光學系統10的總集光率的70%到100%，優選80%到100%，更優選90%到100%。因此，第二光學布置20在單個級(stage)中至少近似引入光學系統10的全部集光率，結果，至少幾乎第一光學布置18的所有光通道沈、觀都被光均勻的「填充」。
在所示的示例實施例中，通過以下事實實現這一點第二光學布置20具有存在一維(精確的說在X維度上)散射和/或衍射效果的光學元件44，尤其是衍射光學元件。通過LLWx = dx*NAx給出光學元件44位置處的集光率LLWx，其中Dx是光學元件44在X維度上的範圍並且NAx是光學元件44的數值孔徑。由於入射光束42在光學元件44處的散射和衍射，光束42的角譜被擴展，從而從光學元件44的任意部分區域出射的光沿著第一維度至少近似入射在第一光學布置18的光學元件22的每個光通道沈中。圖1中針對三個部分區域46、48和50示出了這一點。從每個部分區域46、48和50出射的光入射在光學元件 22的所有光通道沈上，並因此也入射在光學元件M的所有光通道28上。換句話說，通過光學元件44，入射光束42被重新整形，使得入射光束42以預均勻化(prehomogenized)的方式入射到第一光學布置18中。以上所提及的部分區域應被分別理解為光學元件44的包含完整角度信息的最小區域。這樣的部分區域還被表示為「單位區域(pitch)」。
不言而喻，以任何期望的方式選擇圖1中通過示例示出的沿著X維度的部分區域 46,48和50，即X維度上的部分區域分布在整個光學元件44上。從光學元件44在X維度上的整個範圍看，從元件44出射的光幾乎完全填充光通道，至少80%的範圍。
第二光學布置20還具有聚光器光學單元52，其將由光學元件44分散地散射和/ 或衍射的光束42引導到第一光學布置18上。這裡的聚光器光學單元52具有兩個平凸透鏡M和56。第二光學布置20對第一光學布置18產生在X維度上總體均勻(尤其是大禮帽型(top-hat-type))的照明，即第一光學布置18在X維度的整個範圍上，光束在第二光學布置20的出口或者在第一光學布置18的光學元件22的入口處具有強度分布，該強度分布在光學元件22的範圍上具有在X維度上延伸的強度平臺(plateau)，其中陡峭邊緣在兩側與所述平臺相連。結果，第一光學布置18在其X維度的尺寸上以光學元件44的孔徑照明。即，通過第二光學布置20將來自雷射器的入射光束42的每個空間模式分布在第一光學布置18的光學元件22的整個範圍上。這樣，如上所述，光學元件44幾乎將X維度中所需的全部集光率引入光學系統10中，結果，第一光學布置18的單獨光通道沈、觀幾乎被完全填充或者照明。
光學元件44優選被實施為一維光柵，尤其為線光柵。在這種情況中，光學元件44 具有結構元件，所述結構元件被實施為線、槽等，並且在第一維度X的方向上彼此之間被不同地間隔開和/或具有不同的尺寸。多個這樣的結構元件分別形成部分結構58，其中每個部分結構58表示對應的部分區域46、48或50，從部分區域46、48和50出射的光包含全部角度信息。因此，部分結構58形成以上所提及的部分區域，從該部分區域出射的光進入到每個光通道沈、28中。部分結構58在Y維度上垂直於它們的有效方向(X維度)延伸。在這種情況下，光柵的單獨部分結構58的距離和/或尺寸不是恆定的，即由結構元件形成的光學元件44的部分結構58是非周期的。這已經消除了從第二光學布置20出射的光束在進入第一光學布置18之前的幹涉調製，否則，該幹涉調整可從光學元件22、M及其基本周期性的結構轉移到基底平面14中。
在這種情況中，選擇光柵的部分結構58在X維度上的平均距離或者尺寸，使得將來自入射光束42在X維度上的每個橫向相干單元的光幾乎在X維度的整個束長度L上從第一光學布置18引導到基底平面14中。而且，利用最小化基底平面14上的幹涉對比度的條件，選擇光柵的部分結構58之間的平均距離，該幹涉對比度由第一光學布置18導致，並且來自於光通道26、28的周期性結構。
在這種情況下，光柵的部分結構58之間的平均距離滿足以下關係
光束的橫向相干長度1。<部分結構58之間的平均距離。
優選地，各個相鄰的部分結構之間的距離的平均距離滿足以下關係
1/3 <部分結構58之間的平均距離/光束42的橫向相干長度1。< 5，其中更優選
1 <部分結構58之間的平均距離/光束42的橫向相干長度1。< 3。
這裡橫向相干長度1。應該被理解為光的在第一維度X上彼此分隔開且仍然確實能夠彼此幹涉的兩個部分光線之間的距離。
如果入射到光學系統10中的光束42是脈衝式的，其中，在這樣的情況中，脈衝加長模塊(未示出)設置在光學系統10的上遊，則可規定給脈衝加長模塊配備偏移(offset) 元件(例如板和楔)，使得連續的子脈衝在不同的位置和/或以不同的角度進入光學系統 10。在這種情況中，優先選擇位置偏移和/或角度偏移，使得通過光學系統10的子脈衝的不同路徑在基底平面14中導致不同幹涉圖案。由於子脈衝以時間偏移方式到達基底平面 14，所以它們不能彼此幹涉，因此可以通過這些偏移元件進一步減少基底平面14中的幹涉對比度。
具有一維散射或衍射效果的光學元件44還是繞著Z方向可旋轉的。結果，可以將使具有一維散射或者衍射效果的光學元件44的結構從僅X維度的範圍帶到一位置，在該位置具有一維效果的該結構在Y維度上也呈現效果分量，這可被用於增加或者相應地減少光束在基底平面14中的束寬度B，將在以後描述這一點。
依照圖1，透鏡M、56，光學元件22、24的圓柱透鏡陣列以及透鏡38被實施為平凸型式。相對比的，透鏡40被實施為雙凹型。雙凹透鏡40的彎曲被適配於校正光束在基底平面14中的均勻性的非恆定分布。因此，可以在X維度是適配或補充入射在基底14上的光束的強度的二次分布。這是因為，關於X維度，入射在基底平面14上的光束的強度可朝向邊緣減小或增強，此減小或增強通常具有二次分布。通過在透鏡40的光入射側60和光出射側62上的折射屈光力的相應適配分布，這裡可在X維度上提高邊緣區域中的均勻性。
參考圖2和3描述光學系統10的另一方面。圖2和3示出光學元件22在XY平面(圖2)和H平面(圖3)中的平面視圖。
在圖2中，光學元件22的具有圓柱透鏡陣列的區域用附圖標記64表示。圖1僅示出光學元件22的圓柱透鏡陣列64的區域。參照圖2，例如，通過楔形光透射邊緣區域66、 68在X維度的兩側上界定區域64，該楔形光透射邊緣區域66、68的相應表面70和72在Y 維度上傾斜。結果，例如入射到楔形邊緣區域66、68上的光在Y方向上偏轉，從而來自楔形邊緣區域66和68的光不入射到第二光學元件M中或者光學元件M的圓柱透鏡陣列中。 通過楔形邊緣區域66和68偏轉的光可以在光捕獲器(light trap)中變得無害，例如在光學元件10的另一光束路徑中的光束界定元件中，以下將介紹。參照圖3，兩個楔形邊緣區域 66和68彼此反向傾斜，而且這兩個楔形邊緣區域66和68也可同向傾斜，且還可以彼此平行。在楔形邊緣區域66和68中，入射到光學元件22上的光束的束界定防止了如下情況 光學元件M的一個或者多個光通道觀不被完全填充或均勻照明，如以上已經介紹的，其可導致損害基底平面14中的光束的均勻性。
光學系統10的以上說明涉及入射光束42在X維度上的整形。以下說明光學系統 10的第三光學布置74，該第三光學布置74在Y維度上整形入射光束42，以便將具有期望束寬度B的光束42聚焦到基底平面14上。在圖1中，通過單線76以概要的方式示出了第三光學布置74。
圖4與圖1同樣地在)(Z平面中示出了第三光學布置74，更精確地，從圖1中的第一光學布置18的聚光器單元36 (被簡化地示出)起。圖5在H平面中示出了第三光學布置74，在TL平面中第三光學布置74起作用(active)。
第三光學布置74具有反射元件，並且包括反射鏡82和反射鏡84。由於圖4是)(Z 平面中的圖示，所以圖4中反射鏡82和84被示為線，並且反射鏡82和84在)(Z平面中不起作用。
用於在Y維度上束界定的光學元件86布置在反射鏡82的上遊。
元件86也可布置在系統10中的別處，例如也可在第二光學布置20的上遊。
光學元件86具有在Y方向上可變化調節的透射區域88。入射光束被引導到光學元件86的透射區域88上，並且通過反射鏡82和84，光學元件86的透射區域88以縮小的方式成像到基底平面14中。通過設置透射區域88在Y維度上的尺寸，可設置基底平面14 中的束寬度B，即如果想要增加基底平面14中的束寬度B，則為了此目的在Y維度上增大光學元件86的透射區域88。
然而，不能僅簡單地通過增大光學元件86的透射區域88來實現基底平面14中的束寬度B的控制的增大；而是，為了此目的，入射到光學元件86上的光束還必須適配於增大的透射區域88。這是因為，在Y維度上，也必須以控制的方式引入Y維度的集光率的一小部分。下面參考圖7更詳細地說明這一點。
圖7示出用於在Y維度上束界定的光學元件86，其中兩個透射區域88a和88b被設置為具有不同的尺寸。
而且，圖7示出入射到光學元件86上的相應光束的兩個束分布90a和90b。
考慮光學元件86的透射區域88被設置用於根據透射區域88a (即以狹窄方式)進行束界定的情況，並且如果具有根據束分布90a的束分布或者強度分布的光束入射到光學元件86上，則所述光束在Y維度上的輕微位移實際上對基底平面14中的光束強度的穩定性沒有影響。比較而言，如果光學元件86的透射區域88被設置為圖7中的透射區域88b， 即光學元件86的透射區域88較大，並且如果具有束分布90a的同一光束入射到光學元件 86上，則甚至光束在Y維度上的輕微位移或者波動都將有害地影響束質量，尤其是強度在Y 維度上的時間穩定性。因此，在光學系統10的情況中，規定使入射到光學元件86上的光束的束寬度適配於透射區域88的尺寸。
在光學系統10的情況中，通過以下事實實現這一點第二光學布置20的光學元件44是圍繞Z方向可旋轉的。在光學元件44圍繞Z方向旋轉時，具有一維效果的散射或衍射結構58導致Y維度上以控制的方式可調的束擴展，這是因為具有一維效果的結構元件 58此時在Y維度上也具有分量。通過圖7中的束分布90b表示通過旋轉光學元件44產生的束分布。作為光束的束擴展的結果，大致以具有中等強度平臺和大邊緣陡度的大禮帽形式形成Y維度上的束分布90b。結果，甚至在光學元件86的較大透射區域88b的情況下，在基底平面14中，關於基底平面14中的光束質量及其時間穩定性，也沒有不利地出現光束在 Y維度中的位置的波動。
可通過增加光源處的能量來補償由於光束的擴展而導致的基底平面14中的能量和能量強度的降低。
圖6示出了光學系統10的另一方面。
如已提及的，關於將光束在Y維度上聚焦到基底平面14中，由反射元件構造第三光學布置74。
這裡圖6示出第三光學布置的示例實施例，其中根據圖5的反射鏡82和84都被實施為彎曲反射鏡，其中反射鏡82被實施為凸反射鏡，並且反射鏡84為凹反射鏡。反射鏡 82和84彼此直接跟隨。
特別地，反射鏡82和84實施為圓柱軸在X維度的方向(垂直於圖6的製圖平面) 延伸的圓柱反射鏡。在第三光學布置74中使用至少一個凸和至少一個凹反射鏡具有以下優點工作距離(即基底平面14和最後一個光學元件84之間的距離)可被選擇為大於至少還使用折射元件成像的成像系統的情況。通過改變光束在反射鏡82和84上的入射角， 通過改變反射鏡半徑和/或通過改變反射鏡距離，可在寬界限中設置光學布置74的工作距離A以及成像比，並且通過這種布置還可以比折射型布置的情況更容易地補償成像中的慧差以及球面像差。
權利要求
1.一種光學系統，用於產生處理布置在基底平面(14)中的基底的光束，其中所述光束在垂直於所述光束的傳播方向(Z)的第一維度(X)上具有束長度(L)，以及在垂直於所述第一維度(X)並且垂直於所述光傳播方向(Z)的第二維度(Y)上具有束寬度(B)，其中相對於所述束寬度(B)，所述束長度(L)較大，所述光學系統包括第一光學布置(18)，所述第一光學布置(18)確定多個光通道06 ；觀)，所述多個光通道06 ；28)在所述第一維度(X)上彼此相鄰布置並且在所述第一維度(X)上將所述光束分成多個部分場(30，32，34)，其中所述部分場(30，32，34)在所述第一維度(X)上以彼此疊加的方式入射到所述基底平面(14) 中，其特徵在於在所述光傳播方向上，所述第一光學布置(18)的上遊布置第二光學布置 (20)，所述第二光學布置在所述第一維度(X)上具有這樣的範圍並且擴展入射到所述第二光學布置(18)上的光束0 在第一維度(X)上的角譜，使得所述第二光學布置OO)在所述第一維度(X)上的集光率是所述光學系統在所述第一維度(X)上的總集光率的50%到 100%，從而所述第一光學布置(18)的至少幾乎所有光通道06 ；28)都被光均勻地照明。
2.如權利要求1所述的光學系統，其特徵在於所述第二光學布置OO)的集光率是所述光學系統的總集光率的70%到100%，優選80%到100%，更優選90%到100%。
3.如權利要求1或2所述的光學系統，其特徵在於所述第二光學布置00)的光學特性被設計為使得從所述第二光學布置00)的沿著所述第一維度(X)的任意部分區域06， 48，50)出射的光至少近似包含整個角度信息並且至少近似地進入所述第一光學布置(18) 的每個光通道06，觀)。
4.如權利要求1至3中的任一項所述的光學系統，其特徵在於所述第二光學布置(20)被設計為通過位置調整來改變所述入射光束0 在所述第二維度(Y)上的束寬度 ⑶。
5.如權利要求4所述的光學系統，其特徵在於所述第二光學布置00)被設計為通過圍繞所述光傳播方向的旋轉來改變所述入射光束0 在所述第二維度(Y)上的束寬度 ⑶。
6.如權利要求1至5中的任一項所述的光學系統，其特徵在於所述第二光學布置 (20)具有至少一個光學元件(44)，所述光學元件04)具有在所述第一維度(X)上具有一維散射和/或衍射效果的結構。
7.如權利要求6所述的光學系統，其特徵在於所述至少一個光學元件G4)是衍射光學元件。
8.如權利要求3、6或7所述的光學系統，其特徵在於所述具有散射和/或衍射效果的結構具有形成非周期部分結構(58)的結構元件，其中每個部分結構(58)形成所述部分區域06，48，50)中的一個，從所述部分區域06，48，50)分別出射的光至少近似包含整個角度信息。
9.如權利要求8所述的光學系統，其特徵在於在所述第一維度(X)上，所述光學元件 (44)的具有散射和/或衍射效果的結構的各個相鄰部分結構(58)之間的距離和/或所述部分結構(58)的尺寸是不同的。
10.如權利要求9所述的光學系統，其特徵在於選擇所述光學元件04)的具有散射和/或衍射效果的結構的各個相鄰部分結構(58)之間的距離的平均距離，使得來自於入射到所述第二光學布置00)上的光束0 的每個橫向相干單元的光被近似在整個束長度(L)上從所述第一光學布置(18)引導到所述基底平面(14)中。
11.如權利要求9或10所述的光學系統，其特徵在於選擇所述光學元件04)的具有散射和/或衍射效果的結構的各個相鄰部分結構(58)之間的距離的平均距離，使得由所述第一光學布置(18)在所述基底平面(14)中產生的幹涉對比度被最小化。
12.如權利要求11所述的光學系統，其特徵在於各個相鄰部分結構(58)之間的距離的平均距離滿足以下關系所述光束的光的橫向相干長度1。<所述部分結構(58)之間的平均距離。
13.如權利要求12所述的光學系統，其特徵在於各個相鄰部分結構(58)之間的距離的平均距離滿足以下關係1/3 <所述部分結構(58)之間的平均距離/所述光束的光的橫向相干長度1。< 5，優選1 <所述部分結構(58)之間的平均距離/所述光束的光的橫向相干長度1。< 3。
14.如權利要求4至13中的任一項所述的光學系統，其特徵在於具有在所述第一維度(X)中具有一維散射和/或衍射效果的結構的光學元件G4)圍繞所述光傳播方向的軸 (7)是可旋轉的。
15.如權利要求4至14中的任一項所述的光學系統，其特徵在於所述第二光學布置 (20)具有聚光器光學單元(52)，其中具有在所述第一維度(X)中具有一維散射和/或衍射效果的結構的所述至少一個光學元件G4)與所述聚光器光學單元(5 —起產生所述第一光學布置(18)的均勻照明。
16.如權利要求1至15中的任一項所述的光學系統，其特徵在於所述第一光學布置 (18)具有至少一個圓柱透鏡陣列(64)，其中單獨圓柱透鏡的圓柱軸取向在所述第二維度上，並且其中所述單獨圓柱透鏡優選為平凸圓柱透鏡。
17.如權利要求16所述的光學系統，其特徵在於為了在所述第一維度(X)上橫向界定所述入射光束，通過楔形光透射邊緣區域(66，68)分別界定所述圓柱透鏡陣列 64)。
18.如權利要求17所述的光學系統，其特徵在於所述楔形光透射邊緣區域(66，68) 的表面(70,7 在所述第二維度(Y)上相對於垂直於所述光傳播方向(Z)的平面傾斜。
19.如權利要求16至18中的任一項所述的光學系統，其特徵在於所述第一光學布置 (18)具有帶有至少一個雙凹透鏡GO)的聚光器光學單元(36)。
20.如權利要求19所述的光學系統，其特徵在於為了校正所述基底平面(14)中的光束的均勻性的非恆定分布而適配所述雙凹透鏡GO)的彎曲度。
21.如權利要求1至20中的任一項所述的光學系統，其特徵在於第三光學布置(74) 在所述第二維度(Y)上將所述入射光束聚焦到所述基底平面中，其中所述第三光學布置 (74)由多個反射鏡(82，84)構成。
22.如權利要求21所述的光學系統，其特徵在於所述第三光學布置(74)具有至少兩個圓柱反射鏡(82，84)，所述至少兩個圓柱反射鏡(82，84)的相應圓柱軸在所述第一維度 (X)上延伸，其中所述第一反射鏡(82)是凸反射鏡並且所述第二反射鏡(84)是凹反射鏡。
23.如權利要求1至22中的任一項所述的光學系統，其特徵在於存在用於在所述第二維度(Y)上界定光束的光學元件(86)，其中所述用於光束界定的光學元件(86)的透射範圍(88)可變化地設置。
全文摘要
本發明涉及一種光學系統，該光學系統用於產生處理布置在基底平面(14)中的基底的光束，其中所述光束在垂直於所述光束的傳播方向(Z)的第一維度(X)上具有束長度(L)，以及在垂直於所述第一維度(X)並且垂直於所述光傳播方向(Z)的第二維度(Y)上具有束寬度(B)，其中相對於所述束寬度(B)，所述束長度(L)較大，所述光學系統包括第一光學布置(18)，所述第一光學布置(18)確定多個光通道(26；28)，所述多個光通道(26；28)在所述第一維度(X)上彼此相鄰布置並且在所述第一維度(X)上將所述光束分成多個部分場(30，32，34)，其中所述部分場(30，32，34)在所述第一維度(X)上以彼此疊加的方式入射到所述基底平面(14)中。在所述光傳播方向上，所述第一光學布置(18)的上遊布置第二光學布置(20)，所述第二光學布置在所述第一維度(X)上具有這樣的範圍並且擴展入射到所述第二光學布置(18)上的光束(42)在第一維度(X)上的角譜，使得所述第二光學布置(20)在所述第一維度(X)上的集光率是所述光學系統在所述第一維度(X)上的總集光率的50％到100％，從而所述第一光學布置(18)的至少幾乎所有光通道(26；28)都被光均勻地照明。
文檔編號G02B27/09GK102498428SQ201080040777
公開日2012年6月13日 申請日期2010年7月20日 優先權日2009年7月31日
發明者H.明茲, J.萬格勒, M.曾津格, M.萊 申請人:卡爾蔡司雷射器材有限責任公司