專利名稱：用于使光束成型的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使光束成型的裝置，包括至少兩個光學(xué)功能界面，這些光學(xué)功能界面在要成型的光束的傳播方向上一個接一個地排列，這樣光束可以先后穿過至少兩個光學(xué)功能界面。并且包括設(shè)置在至少一個光學(xué)功能界面上的兩組折射或衍射成像元件。
背景技術(shù)：
前面提到的這種裝置例如可用于對激光束，特別是由受激準分子激光器發(fā)出的激光進行均勻化。例如由DE 199 15 000 A1已知一種用于對受激準分子激光進行均勻化的裝置，包括由球形柱面透鏡組成的兩組透鏡陣列。其中這些透鏡陣列形成了兩個相隔一定間距的光學(xué)功能界面，要成型的光束可以一個接一個地穿過這些界面，柱面透鏡被連續(xù)設(shè)置在相隔一定間距的光學(xué)功能界面上，使得一條與第一個光學(xué)功能界面基本垂直入射的分光束穿過第一個光學(xué)功能界面上的柱面透鏡，然后緊接著穿過第二個光學(xué)功能界面上與所述柱面透鏡中心對齊的一個柱面透鏡，這樣穿過這兩個光學(xué)功能界面的分光束可以經(jīng)由一個設(shè)計為傅里葉透鏡的聚光透鏡疊加到處理平面上。這個裝置證明是有缺點的，球形柱狀透鏡被一個挨一個地設(shè)置在一起，這樣在它們之間就出現(xiàn)了一個未被定義的過渡區(qū)域，當光束穿過這個過渡區(qū)域時將不受控制或無法被控制。這種方式的缺點是一方面導(dǎo)致了激光光束的強度分布在處理平面上受到影響，另一方面光學(xué)功能界面的整個平面在光束成型過程中不能被充分利用。
由US 6,239,913 B1已知了一種開始時所提到的類型的裝置，其中在兩個光學(xué)功能界面上分別設(shè)置了一組凸柱面透鏡和一組凹柱面透鏡。凸柱面透鏡和凹柱面透鏡彼此交替，這樣整個界面都由凸和凹透鏡結(jié)構(gòu)完全覆蓋了。根據(jù)該美國專利所實現(xiàn)的裝置可以在圖1a，1b和圖2a中看到。在這些圖中用笛卡爾坐標系清楚地畫出了這些裝置的概要。
在圖1a和圖1b中可以看到一條要被成型的激光束1，它在Z軸的正方向上運動。激光束1穿過兩個透鏡陣列2，3，所述透鏡陣列分別在射入面上具有光學(xué)功能界面4，5，在射出面上具有光學(xué)功能界面6，7。穿過透鏡陣列2，3的激光束通過一個設(shè)計為傅里葉透鏡、用作雙凸透鏡的透鏡裝置8，被聚焦到處理平面9上。激光光束1的各個分光束都會被疊加到處理平面9上。從圖1a和圖1b中可以看出，射入面上光學(xué)功能界面4，5具有類似柱面透鏡的結(jié)構(gòu)，其軸線在X軸方向上延伸，而在結(jié)構(gòu)透鏡陣列2，3的射出面上的光學(xué)功能界面6，7具有類似柱面透鏡的結(jié)構(gòu)，其圓柱軸線在Y軸方向上延伸。
在圖2a中，可以清楚地看到激光束1相對于X軸方向穿過透鏡陣列2，3的射出面上的光學(xué)功能界面6，7的光束成型過程。特別是只畫出了從透鏡陣列2，3射出的一段，從圖2a中可以得知，射出面上的光學(xué)功能界面6，7分別具有交替的凸柱面透鏡10，11和凹柱面透鏡12，13。借助于作為例子所示出的分光束14a，14b和15a，15b可以看出，在第一個透鏡陣列2的凸柱面透鏡10的相應(yīng)位置上出現(xiàn)的分光束14a，14b和15a，15b以同樣的出射角度離開凸柱面透鏡10，然后穿過分別與相應(yīng)的凸柱面鏡面10中心對齊的第二透鏡陣列3的柱面透鏡11。從第二透鏡陣列3的凸柱面透鏡11射出的分光束14a，14b和15a，15b以相同的角度離開凸柱面透鏡11，以使這些分光束從用作傅里葉透鏡的透鏡裝置8聚焦到處理平面9上的相同位置。這在圖2a的右側(cè)可以清楚地看出來。通過傅里葉透鏡，使穿過不同的凸透鏡10，11的分光束可以重疊起來。
穿過第一透鏡陣列2的凹柱面透鏡12的分光束16a，16b和17a，17b被證明還是存在問題的。分別穿過凹柱面透鏡12之一的分光束17a，16b在第二透鏡陣列3處穿過不同的凸柱狀透鏡11，結(jié)果導(dǎo)致它們出現(xiàn)在處理平面9上不同的位置。然而在相鄰的第一透鏡陣列2的凹柱面透鏡12的相同位置處的分光束17a，17b是以相同的角度射入透鏡陣列3，并且在處理平面9的相同位置上疊加，如在圖2a的右側(cè)示出的那樣?？梢钥吹剑┻^第一透鏡陣列2的凹柱面透鏡12的分光束16a，16b和17a，17b基本上分布在激光光束在處理平面9中相互疊加的范圍內(nèi)。由此在處理平面9內(nèi)得到了一個強度分布，如圖2b所示。在這個強度分布中，在當中部分有一個比較平坦的平頂區(qū)域18，并且在外部有兩個強度尖峰19，向上突出到平頂區(qū)域18的水平線之上，在強度尖峰19處向外分別緊接著下降沿20。這些外部的強度尖峰19在不同的應(yīng)用中表現(xiàn)為外部的干擾。比較均勻的強度分布，尤其是不出現(xiàn)強度尖峰19的強度分布，是特別理想的期望值。
本發(fā)明所提出的問題是提供一種如開始時所提到的類型的裝置，該裝置能夠比較充分地利用光學(xué)功能界面，從而產(chǎn)生更好的可供利用的強度分布。
根據(jù)本發(fā)明，這通過具有權(quán)利要求1的特征部分所述特征的開始時所提到的類型的裝置來實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
根據(jù)本發(fā)明，在成像元件組的至少一組中，至少兩個成像元件具有不同的特性。通過這些不同的特性，一個元件組內(nèi)的至少兩個，特別是多個成像元件例如可以避免疊加在分光束的一個強度分布邊緣范圍內(nèi)，以致出現(xiàn)干擾強度尖峰。通過這種方式，利用本發(fā)明的裝置可以在工作平面內(nèi)產(chǎn)生一個比圖2b中所示的現(xiàn)有技術(shù)更適合某些應(yīng)用的強度分布。例如本發(fā)明的裝置適用在平版印刷中。
當成像元件設(shè)計為衍射成像元件時，例如可以將其設(shè)計為類似光柵的結(jié)構(gòu)、周期性折射率變化或者類似結(jié)構(gòu)。
當成像元件設(shè)計為折射成像元件時，可以將其設(shè)計為透鏡，其中特別是可以設(shè)計為柱面透鏡或類似柱面透鏡的透鏡。
可以使一個元件組中的至少兩個透鏡的孔徑不同。附加地或者替代地，可以使一個元件組中的至少兩個透鏡的焦距不同。附加地或者替代地，可以使一個元件組中的至少兩個透鏡的光學(xué)功能界面的形狀不同。附加地或者替代地，可以使一個元件組中的至少兩個透鏡的數(shù)字孔徑不同。采用上面所述的措施可以使要被成型的光束的入射到光學(xué)功能界面上的分光束不會這樣在處理平面上疊加，導(dǎo)致在強度分布中出現(xiàn)干擾的強度尖峰。
例如可以使這兩組成像元件中的第一組包括凸透鏡，而第二組包括凹透鏡。其中特別是可以將凹透鏡設(shè)計為凹柱面透鏡，將凸透鏡設(shè)計為凸柱面透鏡。可以將凹柱面透鏡和凸柱面透鏡相互交錯地設(shè)置，其中柱面透鏡，無論是凹柱面透鏡還是凸柱面透鏡，都在相同的方向上延伸。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在成像元件組的至少一組中，設(shè)置了至少兩種類型的成像元件，每種類型分別設(shè)置有多個成像元件，其中第一種類型中的每一個成像元件相對于第二種類型中的每一個成像元件具有不同的特性。例如可以在光學(xué)功能界面中的至少一個界面上將第一類凸柱面透鏡、凹柱面透鏡和第二類凸柱面透鏡、凹柱面透鏡分別相鄰交替設(shè)置。通過這種排列方式可以相對于第二個光學(xué)功能界面的凹透鏡的頂點垂線，使第一個光學(xué)功能界面的凹透鏡的頂點垂線設(shè)置在垂直于光束傳播方向的方向上。通過這種方式，例如可以使在第一個光學(xué)功能界面的相鄰凹柱面透鏡的相同區(qū)域出現(xiàn)的分光束在穿過第二個光學(xué)功能界面后傳播方向被偏轉(zhuǎn)，使其不會疊加到處理平面上。通過這種方式，參照圖2a和圖2b所描述的在很多應(yīng)用中作為干擾的強度尖峰就不會產(chǎn)生了。
根據(jù)本發(fā)明，還可以使第一光學(xué)界面上的柱面透鏡的圓柱軸線基本平行于第二光學(xué)界面上的柱面透鏡的圓柱軸線。
此外，這種裝置還可以具有包括成像元件的第三個和第四個光學(xué)功能界面。特別是可以在第三和第四個光學(xué)功能界面上設(shè)置其圓柱軸線相互平行，并且垂直于第一和第二個光學(xué)功能界面上的柱面透鏡的圓柱軸線的柱面透鏡。此外，還可以為第三和第四個光學(xué)功能界面的柱面透鏡配備兩種不同類型的例如凹柱面透鏡，這樣也避免了例如穿過凹柱面透鏡的分光束在垂直于傳播方向的第二個方向上疊加到處理平面上，從而在第二個方向上也避免了在處理平面上的強度分布中出現(xiàn)強度尖峰。
此外，根據(jù)本發(fā)明還可以在要被成型的光束的傳播方向上，在至少兩個光學(xué)功能界面之后設(shè)置一個用作傅立葉透鏡的透鏡，這樣要被成型的光束的穿過各個成像元件的分光束可以疊加到處理平面上。


本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點借助于下面參考附圖所述的優(yōu)選實施例會更加清楚。如圖所示圖1a本發(fā)明所述的裝置以及根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的裝置的側(cè)面圖；圖1b描述圖1a中的箭頭1b的示意圖；圖2a根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于使光束成型的裝置的側(cè)面圖；圖2b用圖2a中所示的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的強度分布圖；圖3a本發(fā)明所述裝置的詳細的側(cè)面圖；圖3b用圖3a中所示的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的強度分布圖。
具體實施例方式
圖1a和圖1b中示出了如圖2a所示的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的裝置以及如圖3a所示的根據(jù)本發(fā)明的裝置。圖1a和圖1b中統(tǒng)一用從1到9的一位數(shù)附圖標記來標注根據(jù)圖2a所示的現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)說明的組件。此外，用從21到29的兩位數(shù)附圖標記來標注的相同部件表示根據(jù)圖3a所示的本發(fā)明所述裝置的各個部件。特別是根據(jù)本發(fā)明，在圖1a和1b中，激光束21沿著Z軸的正方向穿過透鏡陣列22，23，緊接著由一個用作傅立葉透鏡的透鏡裝置28聚焦到處理平面29上。與現(xiàn)有技術(shù)相類似，透鏡陣列22，23在其射入面上具有光學(xué)功能界面24，25，在其射出面上具有光學(xué)功能界面26，27。
在圖3a中具體示出了與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別。另一方面圖3a僅顯示了圖2a中的XZ平面，這樣只能識別出設(shè)置在射出面上的光學(xué)功能界面26，27。而在射入面上設(shè)置的光學(xué)功能界面24，25可以按照和界面26，27類似的方式被構(gòu)造。
第二透鏡陣列23的光學(xué)功能界面27基本上和圖2a中的第二透鏡陣列的光學(xué)功能界面7相對應(yīng)。而且這里也提供了凸柱面透鏡31，它和凹柱面透鏡33交替設(shè)置。特別是這里所有的凸柱面透鏡都具有相同的寬度，這意味著它在X方向上的擴展a對于每個凸柱面透鏡31都是一樣大的。此外，設(shè)置在各凸柱面透鏡31之間的凹柱面透鏡33也是同樣大的，這意味著在X方向上的擴展b也都一樣大。
和圖2a中所示的現(xiàn)有技術(shù)不同的是透鏡陣列22。在射出面上設(shè)置的光學(xué)功能界面26上有兩種在X方向上寬度不同的凸柱面透鏡30，30’。較寬的一類柱面透鏡30在X方向上的擴展為a+Δx，因此要比a大Δx。兩種類型中較小的那一類柱面透鏡30’在X方向上的擴展為a-Δx，因此在X方向上要比a小Δx。這些柱面透鏡30，30’的頂點在Z方向上與凸柱面透鏡31的頂點中心對齊。此外，在第一類凸柱面透鏡30和第二類柱面透鏡30’之間分別設(shè)置一個凹柱面透鏡32，其中每個凹柱面透鏡32的擴展b同樣大，并且和第二透鏡陣列23的凹柱面透鏡陣列33的擴展b相一致。
通過選擇擴展值a+Δx，a-Δx和b，可以在X方向上分別將第一透鏡陣列22的凹柱面透鏡32的頂點相對于第二透鏡陣列23的凹柱面透鏡33的相應(yīng)頂點垂線進行平移。
通過這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)光束21的分光束34a，34b以相同的角度入射到第一透鏡陣列22的相鄰的凹柱面透鏡32的相同段上，雖然這些分光束以相同的角度射出，但是盡管如此也不能被透鏡裝置28聚焦到處理平面29上的同一位置。其原因在于，由于第一透鏡陣列22的凹柱面透鏡32的頂點垂線相對于第二透鏡陣列23的相應(yīng)的凹柱面透鏡33有偏移，這就使得分光束不能在相應(yīng)的位置射入第二透鏡陣列23的凸柱面透鏡31。出于這種原因，分光束以不同的角度射出第二透鏡陣列23，這樣就會被用作傅立葉透鏡的透鏡裝置28聚焦成不同的點。這在圖3a的右側(cè)清楚地示出了。
由于穿過凹柱面透鏡32的光束不是全部都疊加到處理平面29上的相同位置，因此就不會在平頂區(qū)域18和下降沿20之間出現(xiàn)外部的強度尖峰19，就像基于圖2a的裝置在圖2b中清楚地顯示的那樣。更確切地說，借助于本發(fā)明所述的裝置可以達到和圖3b中所示的強度分布，該強度分布具有由中間的平頂區(qū)域35出發(fā)、與其直接相接的下降沿36。在這種情況下下降沿36可能會沒有圖2b中所示強度分布的下降沿20那樣陡峭。盡管如此，圖3b中所示的強度分布還是明顯要比圖2b中的強度分布更適合于多種應(yīng)用。
在本發(fā)明中，在第一透鏡陣列22中還可以不是設(shè)置兩種不同類型的凸柱面透鏡30，30’，而是例如設(shè)置三種、四種或更多種的類型。所有這些類型的凸柱面透鏡可以具有不同的寬度，例如a+Δx和a-Δx，a+2Δx和a-2Δx，a+3Δx和a-3Δx等等。通過這種方式可以得到三種或者更多種不同類型的凹柱面透鏡32的頂點垂線相對于凹柱面透鏡33的頂點垂線的偏移。這產(chǎn)生了不是兩個，而是三個或者更多的不同的分光束射入點。通過不同類型的凸柱面透鏡30，30’的數(shù)目等等，用本發(fā)明的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的強度分布的形狀能夠根據(jù)可滿足的預(yù)定目標進行相應(yīng)的調(diào)整。
此外，在本發(fā)明中，不僅凸柱面透鏡30，30’在X方向上的擴展可以被改變，而且凹柱面透鏡32在X方向上的擴展也能被改變。此外還存在一種可能性，即在第二透鏡陣列23中采用了不同大小的凸或者凹柱面透鏡31，33。此外，還存在一種可能性，即也是在透鏡陣列22，23的入射面一側(cè)的光學(xué)功能界面24，25設(shè)置了不同類型的凸柱面透鏡和/或凹柱面透鏡，以在Y方向上實現(xiàn)與X方向上相似的效果。
如前面所提到的，借助于圖3a所闡明的修正，出現(xiàn)了不同類型的柱面透鏡的不同孔徑。通過這些不同的孔徑特別能夠?qū)崿F(xiàn)相互對應(yīng)的柱面透鏡的頂點垂線之間的偏移。在本發(fā)明中還存在這樣一種可能性，即透鏡的其他特性可以被改變。例如存在這樣的可能性，在第一透鏡陣列22的射出面一側(cè)的光學(xué)功能界面26上設(shè)置有兩種類型的凸柱面透鏡和/或兩種類型的凹柱面透鏡，它們具有不同的焦距。通過這種方式能夠保證，例如穿過兩個相鄰的凹柱面透鏡的分光束在處理平面中不會被聚焦到同一點上。
此外，還存在著一種可能性，即改變柱面透鏡的形狀。特別是柱面透鏡可以具有非球面的形狀。因此會出現(xiàn)這種可能性，即提供兩種類型的具有不同非球面形狀的凸柱面透鏡。此外，也可以提供兩種類型的具有不同非球面形狀的凹柱面透鏡。
此外，還存在這樣一種可能性，即設(shè)置兩種類型的具有不同數(shù)字的孔徑的凹和/或凸柱面透鏡。
此外，還存在這樣一種可能性，即在一種凹或者凸柱面透鏡中相對于相應(yīng)的相鄰柱面透鏡確定地改變柱面透鏡的形狀。
通過上述所有的措施能使根據(jù)本發(fā)明的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)預(yù)定目標的確定調(diào)節(jié)。
此外，還存在這樣一種可能性，即作為折射成像元件的替代或者附加，在光學(xué)功能界面上采用衍射成像元件。可以在光學(xué)功能界面24，25，26，27上設(shè)置凸柱面透鏡和凹柱面透鏡30，31，32，33，作為折射成像元件。作為衍射成像元件，例如可以使用類似光柵的結(jié)構(gòu)，或者使用周期性折射率變化或者類似的結(jié)構(gòu)。此外還存在這樣一種可能性，即設(shè)置兩組衍射成像元件，其中在這兩組中的至少一組中，至少兩個成像元件分別具有不同的特性。通過這種方式也可以實現(xiàn)用本發(fā)明的裝置所能達到的強度分布。
權(quán)利要求
1.用于使光束成型的裝置，包括-至少兩個光學(xué)功能界面(24，25，26，27)，這些光學(xué)功能界面在要被成型的光束(21)的傳播方向(z)上一個接一個地排列，這樣光束(21)能先后穿過至少兩個光學(xué)功能界面(24，25，26，27)，-兩組折射或者衍射成像元件，它們被設(shè)置在光學(xué)功能界面(24，25，26，27)中的至少一個光學(xué)功能界面上，其特征在于-在上述兩組成像元件中的至少一組中，至少兩個成像元件具有不同的特征。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，衍射成像元件被設(shè)計為類似光柵的結(jié)構(gòu)、周期性折射率變化或者類似的結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，折射成像元件被設(shè)計為透鏡。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，透鏡被設(shè)計為柱面透鏡(30，30’，31，32，33)或者類似于柱面透鏡的透鏡。
5.如權(quán)利要求3或4中任一項所述的裝置，其特征在于，一組中的至少兩個透鏡具有不同的孔徑。
6.如權(quán)利要求3至5中任一項所述的裝置，其特征在于，一組中的至少兩個透鏡具有不同的焦距。
7.如權(quán)利要求3至6中任一項所述的裝置，其特征在于，一組中的至少兩個透鏡具有不同的光學(xué)功能界面形狀。
8.如權(quán)利要求3至7中任一項所述的裝置，其特征在于，一組中的至少兩個透鏡具有不同的數(shù)字孔徑。
9.如權(quán)利要求3至8中任一項所述的裝置，其特征在于，兩組成像元件中的第一組包括凸透鏡，而兩組成像元件中的第二組包括凹透鏡。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，凹透鏡被設(shè)計為凹柱面透鏡(32，33)，凸透鏡被設(shè)計為凸柱面透鏡(30，30’，31)。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，凹柱面透鏡(32，33)和凸柱面透鏡(30，30’，31)相互交替地設(shè)置，其中柱面透鏡，不管是凹的還是凸的柱面透鏡(30，30’，31，32，33)，都要沿著同樣的方向(X，Y)延伸。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項所述的裝置，其特征在于，在成像元件組中的至少一組中，具有至少兩種類型的成像元件，每種類型分別具有多個成像元件，其中第一種類型中的每一個成像元件相對于第二種類型中的每一個成像元件具有不同的特征。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，在光學(xué)功能界面(24，25，26，27)中的至少一個光學(xué)功能界面上分別相鄰并交替地設(shè)置了第一種類型的凸柱面透鏡(30)，凹柱面透鏡(33)，第二種類型的凸柱面透鏡(30’)，凹柱面透鏡(32)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，相對于第二光學(xué)功能界面(27)的凹透鏡(33)的頂點垂線，第一個光學(xué)功能界面(26)的凹柱面透鏡(32)的頂點垂線設(shè)置在與光束(21)的傳播方向(Z)垂直的方向(X)上。
15.如權(quán)利要求5至14中任一項所述的裝置，其特征在于，第一個光學(xué)功能界面(26)上的柱面透鏡(30，30’，32)的圓柱軸線基本平行于第二個光學(xué)功能界面(27)上的柱面透鏡(31，33)的圓柱軸線。
16.如權(quán)利要求1至15中任一項所述的裝置，其特征在于，該裝置具有包括成像元件的第三和第四個光學(xué)功能界面。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，在第三和第四個光學(xué)功能界面(24，25)上設(shè)置了柱面透鏡，其圓柱軸線相互平行，并且垂直于第一和第二個光學(xué)功能界面(26，27)上的柱面透鏡(30，30’，31，32，33)的圓柱軸線。
18.如權(quán)利要求1至17中任一項所述的裝置，其特征在于，在要被成型的光束(21)的傳播方向(Z)上，在至少兩個光學(xué)功能界面(24，25，26，27)后面設(shè)置了一個用作傅立葉透鏡的透鏡裝置(28)，要被成型的光束(21)的穿過單個成像元件的分光束能夠疊加到一個處理平面(29)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使光束成型的裝置，包括至少兩個光學(xué)功能界面(24，25，26，27)，這些光學(xué)功能界面在要被成型的光束(21)的傳播方向(Z)上一個接一個地排列，這樣光束(21)可以先后穿過至少兩個光學(xué)功能界面(24，25，26，27)，在這些光學(xué)功能界面(24，25，26，27)中的至少一個光學(xué)功能界面上設(shè)置了兩組折射或衍射成像元件，其中在這些組的至少一組中，至少兩個成像元件具有不同的特性。
文檔編號G02B3/06GK1573418SQ20041005931
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者豪席爾德·德克 申請人:翰茲-利索茲切科專利管理有限公司及兩合公司