光学重排器件和包括光学重排器件的系统的制作方法

相关申请的相交引用

本申请要求于2018年9月20日向韩国知识产权局(kipo)递交的韩国专利申请no.10-2018-0112550的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

本公开涉及一种光学系统，更具体地，涉及光学重排器件、包括光学重排器件的系统和制造光学重排器件的方法。

背景技术：

各种光学器件用于改变穿过其行进的光的特性。例如，光学器件可以用于改变诸如激光束之类的光的角度和/或分布。当线形光束在垂直方向和水平方向上具有不同的角度分布时，可能期望反转角度分布或将角度分布旋转90度，同时保持光束的整体形状。例如，如果使用透镜拉长光束以形成线光束，则在长轴方向上的角度分布相对较小而在短轴方向上的角度分布相对较大，这限制了形成细线光束。在这种情况下，反转垂直方向上的角度分布和水平方向上的角度分布是有效的。另外，当使用激光二极管阵列产生高功率激光束时，可能期望反转角度分布以使光束聚焦。

技术实现要素：

一种光学重排器件，包括具有基本上六面体形状的光学块。所述光学块包括正面、顶面、第一侧面、底面、第二侧面和背面。所述顶面与所述底面平行。所述光学块被布置成使得当输入光束通过所述正面以与所述正面成直角的方式入射时，所述输入光束在所述顶面、所述底面、所述第一侧面和所述第二侧面中的每个面处被全反射，并且输出光束通过所述正面或所述背面以与所述正面或所述背面成直角的方式被输出。

一种光学重排器件，包括具有六面体形状的光学块。所述光学块包括正面、顶面、第一侧面、底面、第二侧面和背面。所述顶面与所述底面平行。所述光学块被布置成使得所述正面与所述底面之间的面角为45度或135度，所述背面与所述底面之间的面角为45度或135度，所述第一侧面与所述底面之间的面角为60度或120度，所述第二侧面与所述底面之间的面角为60度或120度，所述正面与所述第一侧面之间的面角为90度，且所述正面与所述第二侧面之间的面角为45度或135度。

一种光学重排系统，包括多个光学重排器件，所述多个光学重排器件中的每个光学重排器件包括具有基本上六面体形状的光学块。所述光学块包括正面、顶面、第一侧面、底面、第二侧面和背面。所述顶面与所述底面平行。所述光学块被布置成使得当输入光束通过所述正面以与所述正面成直角的方式入射时，所述输入光束在所述顶面、所述底面、所述第一侧面和所述第二侧面中的每个面处被全反射，并且输出光束通过所述正面或所述背面以与所述正面或所述背面成直角的方式被输出。

所述光束形成系统包括光学重排器件，所述光学重排器件具有基本上六面体形状的光学块。所述光学块包括正面、顶面、第一侧面、底面、第二侧面和背面。所述光学块被布置成使得当输入光束通过所述正面以与所述正面成直角的方式入射时，所述输入光束在所述顶面、所述底面、所述第一侧面和所述第二侧面中的每个面处被全反射，并且输出光束通过所述正面或所述背面以与所述正面或所述背面成直角的方式被输出。聚焦透镜单元被配置为聚焦所述输出光束以产生线形或光斑形状的最终光束。

一种制造光学重排器件的方法，包括：将具有与y轴垂直的顶面和底面的光学块绕x轴旋转45度或-45度，以将所述光学块设置成倾斜状态。所述光学重排器件的第一侧面通过平行于与yz平面相对应的绕z轴被旋转45度或-45度的平面切割倾斜状态下的所述光学块来形成。所述光学重排器件的第二侧面通过平行于与所述yz平面相对应的绕y轴被旋转45度或-45度的平面切割倾斜状态下的所述光学块来形成。所述光学重排器件的正面通过平行于xy平面或xz平面切割倾斜状态下的所述光学块来形成。

附图说明

由于根据结合附图所做的以下详细描述使得本公开及其很多随附方面变得更加清楚理解，因此将容易获得对本公开及其很多随附方面更加完整的理解，在附图中：

图1是示出了根据本公开的示例性实施例的制造光学重排器件的方法的流程图；

图2a和图2b是示出了根据本公开的示例性实施例使用的旋转角和面角的图；

图3是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排器件的图；

图4至图9是示出了根据本公开的示例性实施例的制造光学重排器件的方法的图；

图10和图11是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排器件进行的传播的图；

图12至图15b是示出了根据本公开的示例性实施例的由光学重排器件进行的划分和对角度分布的反转的图；

图16a和图16b是示出了根据本公开的示例性实施例的制造光学重排器件的方法的图；

图17和图18是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排器件的图；

图19至图22是示出了根据本公开的示例性实施例的制造光学重排器件的方法的图；

图23是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排器件的图；

图24a、图24b和图24c是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排系统的图；

图25是示出了根据本公开的示例性实施例的光束形成系统的图；以及

图26至图28是示出了根据本公开的示例性实施例的由图25的光束形成系统使用的光束形成过程的图。

具体实施方式

在下文中将参照附图更充分地描述本公开的各种示例性实施例。贯穿本公开和附图，相同附图标记可以表示相同元件。在省略对各种特征和结构的重复描述的方面来说，可以假设这些特征和结构至少类似于已经在说明书中其他地方描述的对应元件。

在下文中，使用包括例如x轴、y轴和z轴的正交轴集合来描述本公开的示例性实施例。根据该坐标集合，xy平面垂直于z轴，yz平面垂直于x轴，zx平面垂直于y轴。x轴、y轴和z轴用于描述三个正交方向，并且本发明不限于特定的固定方向。除非相反地描述，否则z方向垂直于入射平面和输出平面，其中，输入光束通过该入射平面入射，输出光束通过该输出平面被输出。

在本公开中，“正面”、“顶面”、“第一侧面”、“底面”、“第二侧面”和“背面”并非用于表示六面体的特定固定面，而是表示六面体的相对位置。正面和背面是两个相对的面，顶面和底面是两个相对的面，第一侧面和第二侧面是两个相对的面。

图1是示出了根据本公开的示例性实施例的制造光学重排器件的方法的流程图。

参照图1，具有垂直于y轴的顶面和底面的光学块可以围绕x轴旋转45度或-45度，以将光学块设置成倾斜状态(s100)。光学块可以具有由与诸如透镜、棱镜等光学器件相同的材料形成的六面体形状。光学块的顶面和底面对应于光学重排器件的顶面和底面。因此，根据本公开的示例性实施例的光学重排器件具有彼此平行的顶面和背面。

可以通过平行于与yz平面相对应的围绕z轴被旋转45度或-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件的第一侧面(s200)。

可以通过平行于与yz平面相对应的围绕y轴被旋转45度或-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件的第二侧面(s300)。

在本公开的一些示例性实施例中，第一侧面可以对应于右侧面，第二侧面可以对应于左侧面。备选地，第一侧面可以对应于左侧面，第二侧面可以对应于右侧面。

可以通过平行于xy平面或xz平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件的正面(s400)。

可以通过平行于xy平面或xz平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件的背面(s500)。

可以以所述顺序或以任何其他顺序执行形成第一侧面(s200)、形成第二侧面(s300)、形成正面(s400)和形成背面(s500)。如果在切割过程中保持倾斜状态，则可以提供光学重排器件，而无论切割顺序如何。

在本公开的一些示例性实施例中，正面可以对应于入射平面和输出平面两者，其中，输入光束通过该入射平面入射，输出光束通过该输出平面被输出。在这种情况下，可以省略形成背面(s500)。在本公开的一些示例性实施例中，正面可以对应于入射平面，并且背面可以对应于输出平面。

当期望将光束分成多个部分以旋转光束的各个部分的角度分布同时保持光束的整体形状时，传统的方案使用棱镜阵列或柱面透镜阵列来划分光束，并使用相应的光学器件旋转光束的每个划分部分。在这种情况下，难以正确地处理和布置光学器件。

在一些传统方案中，光束倾斜地入射在两个平行反射镜之间，并且输出光束的输出部分在顺序上取决于两个反射镜的反射次数。尽管这种系统相对简单，但存在这样的问题：当使用高功率光束时，这些部分的损耗率不同并且在反射镜的反射涂层中出现缺陷。

在通过图1的方法制造的光学重排器件中，正面、顶面、第一侧面、底面、第二侧面和背面可以形成面角，使得当输入光束以直角入射通过正面时，输入光束在顶面、底面、第一侧面和第二侧面被全反射，并且输出光束以直角被输出通过正面或背面。在光学重排器件中传播的光束可以以45度的入射角和45度的反射角被全反射。

这样，根据本公开的示例性实施例的光学重排器件可以仅使用垂直入射、垂直透射(verticalpenetration)和全反射来减少光束的光损耗。

另外，通过图1的方法制造的光学重排器件可以将在z方向上传播的输入光束划分成多个部分，针对多个部分中的每个部分反转x方向上的第一轴和y方向上的第二轴，并提供包括在x方向上布置的多个切分光束的输出光束。这样，根据本公开的示例性实施例的光学重排器件可以使用一个光学块高效地实现对输入光束的划分和对角度分布的反转。

此外，可以通过切割一个光学块容易地制造根据本公开的示例性实施例的光学重排器件，并且在形成诸如光束形成系统之类的光学系统时该光学重排器件可以方便地与其他光学器件一起布置。

为了便于说明和描述，将本公开的示例性实施例描述为使用45度的旋转角度，但是本发明构思不限于此。可以通过使用除45度之外的锐角旋转角度的适当组合切割光学块来实现根据本公开的示例性实施例的光学重排器件。

另外，可以通过将光学块设置在垂直于y轴的平行状态并通过将上述切割平面围绕x轴旋转-45度而执行切割过程来制造根据本公开的示例性实施例的光学重排器件。

图2a和图2b是示出了根据本公开的示例性实施例使用的旋转角和面角的图。

参照图2a，当观察旋转轴时，顺时针旋转角度可以被定义为正方向，逆时针旋转角度可以被定义为负方向。提供旋转角度的定义是为了便于说明和描述，并且即使相反地定义旋转角度，也可以提供光学重排器件。

参照图2b，第一平面pn1与第二平面pn2之间的面角可以定义为两条法线ln1和ln2之间的两个角度θa和θb，这两条法线ln1和ln2分别包括在平面pn1和pn2中并且垂直于平面pn1和pn2的相交线lint。除非另有规定，否则本公开中的面角可以表示两个角度θa和θb当中光学重排器件中所包括的那个角度。

图3是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排器件的图。

参照图3，光学重排器件100可以包括六面体形状的光学块，该光学块具有正面s1、顶面s2、第一(右)侧面s3、底面s4、第二(左)侧面部s5和背面s6。顶面s2和底面s4彼此平行。为了便于说明和描述，认为第一侧面s3对应于右侧面，第二侧面s5对应于左侧面。然而，如上所述，在第一侧面s3对应于左侧面并且第二侧面s5对应于右侧面的情况下可以应用相同的描述。

在本公开的一些示例性实施例中，光学重排器件100可以通过图1的方法来提供，并且顶面s2和底面s4可以各自成形为平行四边形或梯形。图3示出了平行四边形情况的非限制性示例。

正面s1、顶面s2、第一侧面s3、底面s4、第二侧面s5和背面s6可以形成面角，使得当输入光束相对于正面s1以直角入射(例如，切向入射)通过正面s1时，输入光束可以在顶面s2、底面s4、第一侧面s3和第二侧面s5处被全反射，并且输出光束可以相对于正面s1或背面s6以直角被输出通过正面s1或背面s6。因为顶面s2和底面s4彼此平行，所以顶面s2与一个面之间的面角是底面s4与这个面之间的面角的补角。在光学重排器件100中传播的光束可以以45度的入射角和45度的反射角被全反射。

图3示出了正面s1与底面s4之间的面角θ1、正面s1与第一侧面s3之间的面角θ2、正面s1与第二侧面s5之间的面角θ3、背面s6与底面s4之间的面角θ4、第一侧面s3与底面s4之间的面角θ5以及第二侧面s5与底面s4之间的面角θ6。对于在输出光束被输出通过背面s6的情况下的垂直输出，背面s6可以与正面s1平行或垂直。当确定六个面角θ1至θ6时，可以明确地确定其余的面角。

如图3所示，根据切割平面，正面s1与底面s4之间的面角θ1可以是45度或135度，背面s6与底面s4之间的面角θ4可以是45度或135度，第一侧面s3与底面s4之间的面角θ5可以是60度或120度，第二侧面s5与底面s4之间的面角θ6可以是60度或120度。另外，根据切割平面，正面s1与第一侧面s3之间的面角θ2可以是90度，并且正面s1与第二侧面s5之间的面角θ3可以是45度或135度。

图4至图9是示出了根据本公开的示例性实施例的制造光学重排器件的方法的图。

参考图4，提供光学块50以用于制造光学重排器件。光学块50可以具有六面体形状，该六面体形状由与通常形成诸如透镜、棱镜等光学器件的材料相同的材料形成。光学块50的顶面s2和底面s4平行并垂直于y轴。在制造过程结束之后，光学块50的顶面s2和底面s4可以分别用作光学重排器件的顶面s2和底面s4。

参照图5，光学块50可以绕x轴旋转45度，以将光学块50设置成倾斜状态。参照图5至图9描述与45度旋转角相对应的倾斜状态的情况，但是本发明构思不限于此。

在本公开的一些示例性实施例中，可以通过将光学块50设置在与-45度旋转角相对应的倾斜状态并且执行上述切割过程来提供光学重排器件。

在本公开的一些示例性实施例中，可以通过将光学块设置在垂直于y轴的平行状态并通过将上述切割平面围绕x轴旋转-45度而执行切割过程来提供根据本公开示例性实施例的光学重排器件。

参照图6，可以通过平行于与yz平面相对应的围绕z轴被旋转45度的平面切割倾斜状态下的光学块50来形成光学重排器件的第一侧面s3，并且可以通过平行于与yz平面相对应的围绕y轴被旋转-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件的第二侧面s5。图7示出了在执行图6的切割过程之后的光学块101a。

参照图8，可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块101a来形成光学重排器件的正面s1，并且可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块101a来形成光学重排器件的背面s6。图9示出了在执行图6和图8的切割过程之后的最终光学重排器件101。

在下文中，参考图9描述光学重排器件101的面角。

可以通过表达式1来获得正面s1的法向矢量v1、顶面s2的法向矢量v2、第一侧面s3的法向矢量v3、底面s4的法向矢量v4、第二侧面s5的法向矢量v5和背面s6的法向矢量v6。

表达式1：

v1＝(0，0，1)或(0，0，-1)

v2＝(0，1，-1)或(0，-1，1)

v3＝(1，-1，0)或(-1，1，0)

v4＝(0，-1，1)或(0，1，-1)

v5＝(1，0，-1)或(-1，0，1)

v6＝(0，0，-1)或(0，0，1)

可以使用根据表达式2的内积获得两个平面之间的面角。

表达式2：

vi·vj＝|vi||vj|cosθ

在表达式2中，vi表示面si的法向矢量，vj表示面sj的法向矢量，θ表示两个面si和sj之间的面角或补角。如上参考图2b所述，除非另外提供，否则面角θ可以对应于两个角度θa和θb当中光学重排器件中包括的那个角度。

针对图9的光学重排器件101使用表达式1和表达式2获得面角，正面s1与底面s4之间的面角θ1为45度，背面s6与底面s4之间的角度θ4为135度，第一侧面s3与底面s4之间的面角θ5为60度，第二侧面s5与底面s4之间的面角θ6为60度，正面s1与第一侧面s3之间的面角θ2为90度，正面s1与第二侧面s5之间的面角θ3为135度。

因为顶面s2和底面s4彼此平行并且背面s6和正面s1平行或垂直以垂直输出通过背面s6，所以当确定至少六个面角θ1到θ6之后，可以明确地确定其余的面角。

图9的光学重排器件101对应于顶面s2和底面s4是平行四边形的情况。顶面s2与底面s4的边之间的角度为约54.74度和与54.74度的补角相对应的约125.26度。

图10和图11是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排器件进行的传播的图。

参照图10，当输入光束bi以直角入射通过正面s1时，输入光束bi可以在顶面s2、底面s4、第一侧面s3和第二侧面s5处被全反射，且输出光束bo可以被输出通过正面s1。在光学重排器件101内部全反射的光束可以相对于每个全反射平面具有45度的入射角和45度的反射角，因此在每个全反射平面处的入射光束和反射光束可以形成90度的角度。

光学重排器件101可以将在z方向上传播的输入光束bi划分成多个部分，针对多个部分中的每个部分反转x方向上的第一轴ax1和y方向上的第二轴ax2，并提供包括在x方向上布置的多个切分光束的输出光束bo。

图10示出了输入光束bi的一部分pbi以及与输出光束bo的切分光束pbo相对应的部分。对于每个部分pbi，第一轴ax1与x轴平行，第二轴ax2与y轴平行。相反，对于每个切分光束pbo，第一轴ax1与y轴平行，第二轴ax2与x轴平行。

当在z方向上观看时，输入光束bi的每个部分pbi的边按照abcd的顺序，但是输出光束bo的每个切分光束pbo的边按照dcba的顺序。这样，光学重排器件101可以将关于输入光束bi的每个部分pbi的角度分布反转或旋转90度，以提供输出光束bo的每个切分光束pbo。

图11示出了输入光束bi中的光pl在光学重排器件101内传播所在的截平面①、②、③和④的光路。

参照截平面①，光pl在点“a”处以直角入射在正面s1上，以45度的角度入射在底面s4和顶面s2上，在底面s4和顶面s2上在z方向和y方向上交替地被全反射，最后在底面s4上的点“b”处被反射。

之后，如截平面②所示，光在点“c”处以45度的角度入射在第一侧面s3上，在此被全反射，然后平行于x轴传播。

之后，如截平面③所示，光在点“d”处以45度角入射在第二侧面s5上，在此被全反射，与平行于x轴传播，然后在点“e”处以45度角入射在底面s4上。

之后，如截平面④所示，光在底面s4和顶面s2处以45度的角度入射，被底面s4和顶面s2交替地全反射，最后通过背面s6上的点“f”以直角输出。

在光学重排器件101内部传播的光可以在每个全反射平面处以45度的入射角和45度的反射角被全反射，因此可以减轻由反射引起的光损耗和涂层问题。

可以在正面s1上形成抗反射涂层ar1，以减少输入光束bi入射期间的光损耗。另外，可以在背面s2上形成抗反射涂层ar2，以减少输出光束bo输出期间的光损耗。

图12至图15b是示出了根据本公开的示例性实施例的由光学重排器件进行的划分和对角度分布的反转的图。

图13a、图13b和图13c示出了图12的光学重排器件102进行的传播，图15a和图15b示出了图14的光学重排器件103进行的传播。

在图12至图15b中，bi指示输入光束，bd指示输入光束bi在与yx平面平行的对角平面上的划分光束，bo指示输出光束，pboi(其中i是正整数)指示输出光束bo的切分光束。在图13a和图13c中，ai、ad和ao分别表示输入光束bi、划分光束bd和输出光束bo的角度分布。图13a、图13b和图15a对应于输入光束bi例如通过光束扩展器而在x方向上伸长的情况，并且图13c和图15b对应于输入光束bi是从多个激光二极管输出并在x方向上布置的一组光的情况。这里，h1指示图12的光学重排器件102的入射平面的厚度，h2指示图14的光学重排器件103的入射平面的厚度。当入射平面与底面形成45度角时，入射平面的厚度是sqrt(2)(2的平方根)乘以光学重排器件的厚度。

当线形的输入光束bi入射在图12的光学重排器件102的正面上时，在正面、对角平面和背面处的光束形状如图13a和图13b所示。保持线光束的长轴但是光束被划分，划分光束被旋转90度，因此可以提供输出光束bo的切分光束pboi。取决于在右侧面上的全反射的位置，线光束依次被分成平行四边形形状的部分，再次被左侧面全反射并输出为四边形形状的切分光束pboi。输出光束bo的端部可以根据输入光束bi的位置而变化，如图13a和图13b所示，因此输入光束bi的入射位置可以基于光学重排器件102的入射平面的厚度h1来确定。图14的光学重排器件103的入射平面的厚度h2是图12的光学重排器件102的入射平面的厚度h1的一半。与图13a和图13b的切分光束pbo1至pbo4相比，图15a的切分光束pbo1至pbo6具有更大的数量、在y方向上的长度更小且相邻切分光束之间的间隔更小。这样，可以基于顶面与底面之间的厚度来调整多个切分光束的数量和宽度。

参照图13c和图15b，当输入光束bi是以线形布置的可以从例如多个激光二极管提供的多束光时，可以基于诸如正面之类的入射平面的厚度来调整输出光束bo的光布置。

图13a和图13c还示出了对应的角度分布ai、ad和ao。这里，可以以与m的平方(即，m²)相同的含义使用角度分布。

在光学领域中，光束参数积(bpp)表示激光束的发散角和激光束的最窄位置处的半径的乘积。这里，m²可以表示关于同一波长真实光束的bpp与理想高斯光束的bpp的比率。这里，m²是表示光束质量的与波长无关的值。

如图13a和图13c所示，根据本公开的示例性实施例的光学重排器件除了对输入光束的划分之外，还可以高效地且同时实现在x方向和y方向上对角度分布的反转。

图16a和图16b是示出了根据本公开的示例性实施例的制造光学重排器件的方法的图。

如参考图4、图5和图6所述，光学块50可以绕x轴旋转45度以将光学块50设置成倾斜状态，可以通过平行于与yz平面相对应的围绕z轴旋转45度的平面切割倾斜状态下的光学块50来形成光学重排器件的第一侧面s3，并且可以通过平行于与yz平面相对应的围绕y轴旋转-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件的第二侧面s5。图16a示出了在执行图6的切割过程之后的光学块101a。

参照图16a，可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块101a来形成光学重排器件的正面s1，并且可以通过平行于yz平面切割倾斜状态下的光学块101a来形成光学重排器件的背面s6。图16b示出了在执行图6和图16a的切割过程之后的最终光学重排器件104。

在图16b的光学重排器件104的情况下，可以使用表达式1和表达式2基本上如上参考图9所述来获得光学重排器件104的面角，其中用(0，1，0)或(0，-1，0)来替换表达式1中的法向矢量v6。

针对图16b的光学重排器件104使用法向矢量的内积来获得面角，正面s1与底面s4之间的面角θ1为45度，背面s6与底面s4之间的角度θ4为45度，第一侧面s3与底面s4之间的面角θ5为60度，第二侧面s5与底面s4之间的面角θ6为60度，正面s1与第一侧面s3之间的面角θ2为90度，正面s1与第二侧面s5之间的面角θ3为135度。

因为顶面s2和底面s4彼此平行并且背面s6与正面s1平行或垂直以垂直输出通过背面s6，所以当确定至少六个面角θ1到θ6之后，可以明确地确定其余的面角。

图16b的光学重排器件104对应于顶面s2和底面s4是平行四边形的情况。在光学重排器件104中，输入光束bi可以通过正面s1在z方向上入射，并且输出光束bo可以通过背面s6在y方向上输出。

图17和图18是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排器件的图。

参照图17，光学块可以绕x轴旋转45度以将光学块设置成倾斜状态，可以通过平行于与yz平面相对应的围绕y轴旋转-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件105的第一侧面s3，并且可以通过平行于与yz平面相对应的围绕z轴旋转45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件105的第二侧面s5。

另外，可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件105的正面s1，并且可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件105的背面s6。

如上针对图17的光学重排器件105所述的，使用法向矢量的内积来获得面角，正面s1与底面s4之间的面角θ1为45度，背面s6与底面s4之间的角度θ4为135度，第一侧面s3与底面s4之间的面角θ5为120度，第二侧面s5与底面s4之间的面角θ6为120度，正面s1与第一侧面s3之间的面角θ2为45度，以及正面s1与第二侧面s5之间的面角θ3为90度。

因为顶面s2和底面s4彼此平行并且背面s6和正面s1平行或垂直以垂直输出通过背面s6，所以当确定至少六个面角θ1到θ6之后，可以明确地确定其余的面角。

图17的光学重排器件105对应于顶面s2和底面s4是平行四边形的情况。在光学重排器件105中，输入光束bi可以通过正面s1在z方向上入射，并且输出光束bo可以通过背面s6在z方向上输出。

参照图18，光学块可以绕x轴旋转45度以将光学块设置成倾斜状态，可以通过平行于与yz平面相对应的围绕y轴旋转-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件106的第一侧面s3，并且可以通过平行于与yz平面相对应的围绕z轴旋转45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件106的第二侧面s5。

另外，可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件106的正面s1，并且可以通过平行于xz平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件106的背面s6。

获得关于图18的光学重排器件106的面角，正面s1与底面s4之间的面角θ1为45度，背面s6与底面s4之间的角度θ4为45度，第一侧面s3与底面s4之间的面角θ5为120度，第二侧面s5与底面s4之间的面角θ6为120度，正面s1与第一侧面s3之间的面角θ2为45度，以及正面s1与第二侧面s5之间的面角θ3为90度。

因为顶面s2和底面s4彼此平行并且背面s6和正面s1平行或垂直以垂直输出通过背面s6，所以当确定至少六个面角θ1到θ6之后，可以明确地确定其余的面角。

图18的光学重排器件106对应于顶面s2和底面s4是平行四边形的情况。在光学重排器件105中，输入光束bi可以通过正面s1在z方向上入射，并且输出光束bo可以通过背面s6在y方向上输出。

图19至图22是示出了根据本公开的示例性实施例的制造光学重排器件的方法的图。

如上参考图5所述，光学块50可以在x轴上旋转45度，以将光学块50设置在倾斜状态。参照图5、图19至图23描述与45度旋转角相对应的倾斜状态的情况，但是本发明构思不限于此。

在本公开的一些示例性实施例中，可以通过将光学块50设置在与-45度旋转角相对应的倾斜状态并且执行上述切割过程来提供光学重排器件。

在本公开的一些示例性实施例中，可以通过将光学块设置在垂直于y轴的平行状态并通过将上述切割平面相对于x轴旋转-45度而执行切割过程来提供光学重排器件。

参照图19，可以通过平行于与yz平面相对应的相对于z轴旋转45度的平面切割倾斜状态下的光学块50来形成光学重排器件的第一侧面s3，并且可以通过平行于与yz平面相对应的相对于y轴旋转45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件的第二侧面s5。图20示出了在执行图19的切割过程之后的光学块107a。

参照图21，可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块107a来形成光学重排器件的正面s1，并且可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块107a来形成光学重排器件的背面s6。根据本公开的示例性实施例，可以通过平行于xz平面切割倾斜状态下的光学块107a来形成光学重排器件的背面s6，或者可以省略用于形成背面s6的切割过程。

图22示出了在执行图19和图21的切割过程之后的最终光学重排器件107。

如上针对光学重排器件107所述的，使用法向矢量的内积来获得面角，正面s1与底面s4之间的面角θ1为45度，背面s6与底面s4之间的角度θ4为135度，第一侧面s3与底面s4之间的面角θ5为60度，第二侧面s5与底面s4之间的面角θ6为120度，正面s1与第一侧面s3之间的面角θ2为90度，以及正面s1与第二侧面s5之间的面角θ3为45度。

因为顶面s2和底面s4彼此平行并且背面s6与正面s1平行或垂直以垂直输出通过背面s6，所以当确定至少六个面角θ1到θ6之后，可以明确地确定其余的面角。

图22的光学重排器件107对应于顶面s2和底面s4是梯形的情况。与图9的其中光学重排器件101内的全反射光束最终在z方向上传播且输出光束bo通过背面s6输出的光学重排器件101相比，在图22的光学重排器件107中，光学重排器件107内的全反射光束最终在z方向上传播且输出光束bo通过正面s1输出。

结果，在光学重排器件107中，输入光束bi可以通过正面s1在z方向上入射，并且输出光束bo可以通过正面s1在z方向上输出。如果输入光束bi通过正面s1的端部以直角入射，则输出光束bo可以通过正面s1的另一端部以直角输出。

图23是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排器件的图。

参照图23，光学块可以相对于x轴旋转45度以将光学块设置成倾斜状态，可以通过平行于与yz平面相对应的相对于y轴旋转-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件108的第一侧面s3，并且可以通过平行于与yz平面相对应的相对于z轴旋转-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件108的第二侧面s5。

另外，可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件108的正面s1，并且可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件108的背面s6。根据本公开的示例性实施例，可以通过平行于xz平面切割倾斜状态下的光学块来形成光学重排器件108的背面s6，或者可以省略用于形成背面s6的切割过程。

如上针对图23的光学重排器件108所述的，使用法向矢量的内积来获得面角，正面s1与底面s4之间的面角θ1为45度，背面s6与底面s4之间的角度θ4为135度，第一侧面s3与底面s4之间的面角θ5为120度，第二侧面s5与底面s4之间的面角θ6为60度，正面s1与第一侧面s3之间的面角θ2为45度，以及正面s1与第二侧面s5之间的面角θ3为90度。

因为顶面s2和底面s4彼此平行并且背面s6和正面s1平行或垂直以垂直输出通过背面s6，所以当确定至少六个面角θ1到θ6之后，可以明确地确定其余的面角。

图23的光学重排器件108对应于顶面s2和底面s4是梯形的情况。与图17的其中光学重排器件104内的全反射光束最终在z方向上传播且输出光束bo通过背面s6输出的光学重排器件101相比，在图23的光学重排器件108中，光学重排器件108内的全反射光束最终在z方向上传播且输出光束bo通过正面s1输出。

结果，在光学重排器件108中，输入光束bi可以通过正面s1在z方向上入射，并且输出光束bo可以通过正面s1在z方向上输出。如上参照图22所述，如果输入光束bi通过正面s1的端部以直角入射，则输出光束bo可以通过正面s1的另一端部以直角输出。

图24a、图24b和图24c是示出了根据本公开的示例性实施例的光学重排系统的图。

图24a示出了在布置光学重排系统300之前的状态，图24b示出了在布置光学重排系统300之后的状态。图24c示出了光学重排系统300的输入光束bi和输出光束bo的示例。

参照图24a和图24b，光学重排系统300可以包括多个光学重排器件101和105，它们相邻且被布置在侧面方向上。为了便于说明，图24a和图24b仅示出了两个光学重排器件，例如左光学重排器件101和右光学重排器件105。以相同的方式，光学重排系统可以包括在侧面方向上布置的三个或更多个光学重排器件。与具有一个大的光学重排器件的光学重排系统相比，通过布置两个或更多个光学重排器件可以减小光学重排系统的整体尺寸。

根据本公开的示例性实施例，每个光学重排器件101和105包括具有正面、顶面、第一侧面、底面、第二侧面和背面的六面体形状的光学块。顶面与底面平行，正面、顶面、第一侧面、底面、第二侧面和背面形成面角，使得当输入光束以直角入射通过正面时，输入光束在顶面、底面、第一侧面和第二侧面被全反射，并且输出光束以直角被输出通过正面或背面。

如本文参照图4至图9所述，光学块可以相对于x轴旋转45度以将光学块50设置成倾斜状态，可以通过平行于与yz平面相对应的相对于z轴旋转45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成左光学重排器件101的第一侧面s3，并且可以通过平行于与yz平面相对应的相对于y轴旋转-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成左光学重排器件101的第二侧面s5。

另外，可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块来形成左光学重排器件101的正面s1，并且可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块来形成左光学重排器件101的背面s6。左光学重排器件101的顶面s2和底面s4平行。

如参考图9所述，针对左光学重排器件101，正面s1与底面s4之间的面角θ1为45度，背面s6与底面s4之间的角度θ4为135度，第一侧面s3与底面s4之间的面角θ5为60度，第二侧面s5与底面s4之间的面角θ6为60度，正面s1与第一侧面s3之间的面角θ2为90度，以及正面s1与第二侧面s5之间的面角θ3为135度。

如参考图17所述，光学块可以相对于x轴旋转45度以将光学块设置成倾斜状态，可以通过平行于与yz平面相对应的相对于y轴旋转-45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成右光学重排器件105的第一侧面s3’，并且可以通过平行于与yz平面相对应的相对于z轴旋转45度的平面切割倾斜状态下的光学块来形成右光学重排器件105的第二侧面s5’。

另外，可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块来形成右光学重排器件105的正面s1’，并且可以通过平行于xy平面切割倾斜状态下的光学块来形成右光学重排器件105的背面s6’。右光学重排器件105的顶面s2’和底面s4’平行。

如本文参考图17所述，针对由光学重排器件105，正面s1’与底面s4’之间的面角θ1为45度，背面s6’与底面s4’之间的角度θ4为135度，第一侧面s3’与底面s4’之间的面角θ5为120度，第二侧面s5’与底面s4’之间的面角θ6为120度，正面s1’与第一侧面s3’之间的面角θ2为45度，正面s1’与第二侧面s5’之间的面角θ3为90度。

结果，左光学重排器件101的右侧面s3可以布置成与右光学重排器件105的右侧面s5’平行，使得左光学重排器件101与右光学重排器件105之间的气隙ag可以具有恒定宽度wd。

参照图24c，输入光束bi可以具有在左光学重排器件101的正面s1和右光学重排器件105的正面s1’中延伸的线形。在这种情况下，输出光束bo的第一组切分光束可以通过左光学重排器件101的背面s6输出，输出光束bo的第二组切分光束可以通过右光学重排器件105的背面s6’输出。

输入光束bi的入射在气隙ag上的部分对应于光的损耗。气隙ag的宽度wd可以设置得尽可能小，因此因气隙ag产生的光损耗可以最小化。

当左光学重排器件101和右光学重排器件105的位置互换时，可以获得相同的输出光束bo。

本发明构思的示例性实施例可以适用于反射镜隧道(tunnel)。反射镜隧道可以具有由与上述光学重排器件的顶面s2、第一侧面s3、底面s4和第二侧面s5相对应的四个反射镜围成的隧道形状。反射镜隧道的前部和后部是敞开的。

反射镜隧道的反射镜镜面可以形成面角，使得当输入光束通过敞开的前部以45度的入射角入射到与底面s4相对应的反射镜镜面时，输入光束可以在四个反射镜镜面处被全反射，输出光束可以通过敞开的后部输出。反射涂层可以形成在四个反射镜镜面上，例如四个反射镜的内表面上。

图25是示出了根据本公开的示例性实施例的光束形成系统的图。

参考图25，光束形成系统1000可以包括输入光束产生器400、光学重排器件100和聚焦透镜单元500。

输入光束产生器400可以产生输入光束bi，该输入光束bi具有在x方向上延伸的线形状或者包括在x方向上布置的多束光。

在本公开的一些示例性实施例中，输入光束产生器400可以包括光束扩展器，该光束扩展器可以扩展在z方向上从光源辐射的光束，以提供在x方向上延伸的具有连续图案的椭圆光束。光束扩展器可以实现为凸透镜、凹透镜、柱面透镜、光束重采样单元等中的一个或多个。

在本公开的一些示例性实施例中，输入光束产生器400可以包括激光二极管阵列，该激光二极管阵列被配置为在z方向上辐射多个激光束。激光二极管阵列可以包括在x方向上布置的多个激光二极管，并且具有切分图案的多个激光束可以在x方向上布置。

根据本公开的示例性实施例的光学重排器件100可以接收具有连续图案或切分图案的输入光束bi，并且如上所述执行对输入光束bi的划分和对角度分布的反转。

光学重排器件100包括六面体形状的光学块，该光学块具有正面、顶面、第一侧面、底面、第二侧面和背面。顶面可以与底面平行。正面、顶面、第一侧面、底面、第二侧面和背面可以形成面角，使得当输入光束bi以直角入射通过正面时，输入光束在顶面、底面、第一侧面和第二侧面被全反射，并且输出光束以直角被输出通过正面或背面。

这样，根据本公开的示例性实施例的光学重排器件100可以仅使用垂直入射、垂直透射和全反射来减少光束的光损耗。

另外，光学重排器件100可以将在z方向上传播的输入光束bi划分成多个部分，针对多个部分中的每个部分反转x方向上的第一轴和y方向上的第二轴，并提供包括在x方向上布置的多个切分光束的输出光束。这样，根据本公开的示例性实施例的光学重排器件100可以使用一个光学块高效地实现对输入光束的划分和对角度分布的反转。

此外，可以通过切割一个光学块而容易地制造光学重排器件100，并且在形成诸如光束形成系统1000之类的光学系统时可以方便地与诸如输入光束产生器400和聚焦透镜单元500之类的其他光学器件一起布置。

聚焦透镜单元500可以聚焦输出光束bo的多个切分光束以产生线形或光斑形状的最终光束fb。聚焦透镜单元500可以实现为凸透镜、凹透镜、柱面透镜、均质化单元(homogenizationunit)等中的至少一个的各种组合。

图26至图28是示出了图25的光束形成系统进行的光束形成过程的图。

图26示出了在x方向上延伸的输入光束bi、输出光束bo和对应的角度分布ai和ao，其可以例如由光束扩展器产生。

图27示出了包括在x方向上布置的多束光的输入光束bi、输出光束bo和对应的角度分布ai和ao，其可以例如通过激光二极管阵列产生。

如图26和图27所示，根据本公开的示例性实施例的光学重排器件100除了对输入光束bi的划分以提供输出光束bo之外，还可以高效地且同时实现在x方向和y方向上对角度分布的反转。

图28示出了由聚焦透镜单元500产生的最终光束fb的示例。图28示出了线光束形状的非限制性最终光束fb和对应的角度分布af。在本公开的一些示例性实施例中，可以实现聚焦透镜单元以提供光斑形状的最终光束。

为了最大化光束聚焦，角度分布可以较小。当聚焦方向上的角度分布较大并且在与聚焦方向垂直的方向上的角度分布较小时，角度分布可以被反转以进行有效聚焦。

例如，可以聚焦来自激光二极管阵列的多个激光束以提供高功率的输出光束。当在阵列的方向上的角度分布较大并且在与阵列垂直的方向上的角度分布较小时，可以使用根据本公开的示例性实施例的光学重排器件100来高效地反转角度分布。

如上所述，根据本公开的示例性实施例的光学重排器件可以使用垂直入射、垂直透射和全反射来减少光束的光损耗。另外，根据本公开的示例性实施例的光学重排器件可以使用一个光学块高效地实现对输入光束的划分和对角度分布的反转。此外，可以通过切割一个光学块容易地制造根据本公开的示例性实施例的光学重排器件，并且在形成诸如光束形成系统之类的光学系统时该光学重排器件可以方便地与其他光学器件一起布置。

本发明构思可以适用于需要反转角度分布的任何光学器件和系统。例如，本发明构思可以适用于半导体制造过程和用于半导体器件的测试器件。

前述是对本公开的示例实施例的说明，且不应被解释为对其的限制。尽管已经描述了本公开的一些示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，可以进行许多修改，而本质上不脱离本发明构思。