CN109073790A - 光学透镜和光学透镜的制造方法 - Google Patents

光学透镜和光学透镜的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明所涉及的光学透镜具备入射面以及与入射面相向的出射面，用于形成环状的激光，入射面和出射面具有共同的光轴，并且与光轴正交，入射面具有凹的圆锥形状，出射面具有凸形状。

Description

光学透镜和光学透镜的制造方法
技术领域
本发明涉及一种包括能够形成环状激光的圆锥面的光学透镜和光学透镜的制造方法。
背景技术
单面为凸形状或凹形状的圆锥面的透镜被称为锥透镜(axicon lens)。该锥透镜用于通过将从光源出射的光沿着其光轴聚光来制作环状激光。由锥透镜成形的环状激光能够成形为具有直径随着照射距离变长而变大、但是环的宽度保持固定的特性。
该特性接近光束不会通过传播而扩展的贝塞尔光束的特征，形成环的激光的强度与照射距离无关地相等。另外，还能够成形具有深的焦点深度的激光。基于这些特性，锥透镜用于外科手术时的角膜物质的切除等，广泛应用于激光显微镜、激光加工装置等。
在使用由上述的锥透镜成形的环状激光的情况下，一般是与其它透镜相组合来使用，例如使环状激光入射到成对的锥透镜来平行化(准直)、或者使环状激光入射到球面透镜等。
另外，为了得到环状激光，需要用光学透镜支架等调整锥透镜的位置使得激光的光轴穿过锥透镜的圆锥顶点。
然而，在上述的方法中，需要多片透镜，而且针对各个透镜需要保持构件。因此，具有花费成本的缺点。
另外，为了设为所要求的环形状，需要将各个透镜以使光轴一致的方式配置，且精密地进行其间隔、设置角度等的位置调整。然而，非常难以使圆锥顶点与光轴一致。另外，由于设置多片透镜，还具有花费劳力和时间、调整误差大这样的缺点。
因此，作为包括圆锥面而不需要多片透镜的以往的光学装置，存在具备如下导光板的光学装置：该导光板在出射面具有构成为圆锥形状的第一凹部，在与出射面相反的面具有圆柱状的第二凹部(例如参照专利文献1)。
另外，作为使位置调整容易的以往的光学装置，存在具备如下透镜的光学装置：该透镜在与光轴正交的第一方向具有凸透镜的特性，在与光轴及第一方向正交的第二方向具有凹透镜的特性(例如参照专利文献2)。
专利文献1：日本专利第5360172号公报
专利文献2：日本特开2001-282446号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在以往技术中存在如下问题。专利文献1所涉及的发明是使用导光板来构成的。通过这样的结构，第一圆锥形状的凹部使入射的激光进行全反射，因此无法成形环状激光。
另外，专利文献2所涉及的发明在第一方向和第二方向上均不是圆锥形状。因此，通过专利文献2也无法成形环状激光。
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于得到一种能够廉价地制造、且能够通过位置调整容易的结构来形成环状激光的、包括圆锥面的光学透镜和光学透镜的制造方法。
用于解决问题的方案
本发明所涉及的光学透镜具备第一面以及与第一面相向的第二面，用于形成环状的激光，第一面和第二面具有共同的光轴，并且与光轴正交，第一面具有凹的圆锥形状，第二面具有凸形状。
另外，本发明所涉及的光学透镜的制造方法具有如下工序：将用于形成第一面的第一模具与用于形成第二面的第二模具以使中心轴一致的方式相向配置，通过压制成型或注塑成型来制造透镜。
发明的效果
根据本发明，具备如下结构：能够利用一个透镜和保持构件来使从光源发出的光成形为环状激光、并且能够通过压制成型或注塑成型来制造透镜。其结果，能够得到一种能够廉价地制造、且能够通过位置调整容易的结构来形成环状激光的、包括圆锥面的光学透镜和光学透镜的制造方法。
附图说明
图1是将本发明的实施方式1所涉及的包括圆锥面的光学透镜与三维坐标轴一起示出的立体图。
图2是本发明的实施方式1所涉及的包括圆锥面的光学透镜的x-z截面图。
图3是针对本发明的实施方式1所涉及的包括圆锥面的光学透镜示出从光源入射的激光的折射的x-z截面图。
图4是用于通过压制成型来制造本发明的实施方式1所涉及的包括圆锥面的光学透镜的说明图。
图5是本发明的实施方式2所涉及的包括圆锥面的光学透镜的x-z截面图。
图6是针对本发明的实施方式2所涉及的包括圆锥面的光学透镜示出从光源入射的激光的折射的x-z截面图。
图7是本发明的实施方式3所涉及的具备包括圆锥成分的非球面形状的入射面的光学透镜的x-z截面图。
图8是本发明的实施方式4所涉及的包括圆锥面的光学透镜的x-z截面图。
图9是针对本发明的实施方式4所涉及的包括圆锥面的光学透镜示出从光源入射的激光的折射的x-z截面图。
(附图标记说明)
1：光学透镜；2：光源；3：入射面(第一面或第二面)；4：出射面(第二面或第一面)；5：支架；6：模具；7：玻璃；8：主体。
具体实施方式
下面，使用附图来说明本发明的包括圆锥面的光学透镜和光学透镜的制造方法的优选实施方式。此外，在各图中使用相同的符号的结构表示实质上相同的结构。另外，在以下的实施方式中，还可以将透镜的入射面和出射面倒置来设置于光轴。
实施方式1.
图1是将本发明的实施方式1所涉及的包括圆锥面的光学透镜1与三维坐标轴一起示出的立体图。图1中的X方向是从光源2出射的激光前进的方向，是光轴方向。
本实施方式1中的光学透镜1包括圆形的入射面3和出射面4及其侧面。入射来自光源2的激光的入射面3具有凹的圆锥形状的面。另一方面，出射面4具有凸的球面形状。此外，入射面3被设置成朝向光源2。
在该图1中，对于保持透镜1的保持构件、用于位置调整的光学透镜支架和台子、用于冷却透镜1的空冷或水冷装置等，省略了图示。
图2是本发明的实施方式1所涉及的包括圆锥面的光学透镜1的x-z截面图。如图2所示，入射面3在中心具有X轴方向的光轴O，而且包括以光轴O为轴的凹的圆锥形状。具体地说，在成形于入射面3的相对X轴方向凹陷的圆锥形状的面中，成为圆锥的顶点的点T与光轴O重叠，底面A-A与光轴O正交。
另一方面，出射面4是凸的球面形状，其中心位于光轴O上，球面的成形面B-B与光轴正交。这样，本实施方式1中的包括圆锥面的光学透镜1具有入射面3与出射面4相互平行的锥透镜(axicon lens)与凸的球面透镜成为一体的形状和特性，并且相互平行的面相对于光轴正交。
接着，使用图3来详细说明透镜的尺寸和从光源2出射的光的路径。图3是针对本发明的实施方式1所涉及的包括圆锥面的光学透镜1示出从光源入射的激光的折射的x-z截面图。
从光源2出射的激光通过准直透镜等被成形为与光轴O平行的激光，到达光学透镜1的入射面3。此时，激光的直径d必须小于入射面3的圆锥形状的最大直径D。
在构成圆锥面的x-z截面的等腰三角形中，将针对圆锥的顶点T的顶角设为θ。根据要求的环形状激光的环径，顶角θ能够取
90°≤θ＜180°
的范围的值。
到达入射面3的激光在入射到入射面3之后，作为顶角θ与玻璃的折射率n的函数，光路被折射。此时，将折射的光路与光轴的角度设为α/2。之后，透过透镜内的激光成为以光轴为中心的环状。
透过了透镜内的激光接着到达出射面4。在此，本实施方式1中的出射面4如上述那样成形为凸的球面形状。因此，基于该特性，根据折射率n和表面的曲率，激光的光路被折射。
之后，激光向空气层出射，环状激光朝向凸的球面形状的焦点fs，其宽度t减小，在焦点上宽度t为0，之后宽度t增加且逐渐扩散。
环状激光的直径根据距透镜的距离而不同。因此，通过将透镜的圆锥的顶角θ和球面形状的曲率设计为适当的值，能够得到所需的直径的环状激光。
此外，本实施方式1的透镜由玻璃构成，例如通过压制成型(press molding)来制造。或者，还能够通过磨削和研磨来制造圆锥面，对于球面的圆弧通过研磨来制造。另外，根据光源的种类、输出以及波长，还能够选择注塑成型的聚碳酸酯等树脂透镜。
图4是用于通过压制成型来制造本发明的实施方式1所涉及的包括圆锥面的光学透镜1的说明图。更具体地说，是示出了压制成型中的模具6和玻璃7的示意图。
在压制成型的情况下，为了使模具6转印到玻璃7，模具6的模具面在用于形成入射面3的上模具6a中成为凸型的圆锥面，在用于形成出射面4的下模具6b中成为使透镜形状翻转后的凹型的形状。
将这些模具6a、6b例如配置成如图4所示那样一边使用圆筒形状的主体8使中心轴一致、一边使一方上下滑动。然后，在模具6a、6b间夹入玻璃7，在高温下施加压力，由此制作透镜1。
在此，模具6a、6b以及主体8例如能够以数μm的精度来制作。因此，通过高精度地制作模具6a、6b与主体8的嵌合，能够使以往难以对准位置的圆锥形状的中心轴与凸的球面形状的中心轴高精度地一致。
另外，通过将玻璃7的体积、或者模具6和主体8的形状设计成使成形后的玻璃7与主体8的内部壁面相接地被填充，透镜外径的中心与透镜的中心轴一致，不需要定心加工(centering and edging processing)。
如上，根据实施方式1，能够用1个透镜来实现要求的环状激光。因此，不需要多片透镜和各自的保持构件，能够减少部件件数来降低成本。并且，也不需要多个透镜的位置调整。
另外，在通过压制成型或者注塑成型来制作透镜的情况下，能够使圆锥形状的中心轴与凸的球面形状的中心轴高精度地一致，因此也能够降低因调整引起的误差。并且，通过以使透镜外径的中心与透镜的中心轴一致的方式设计玻璃的体积、模具和主体形状，也能够不需要定心加工。
实施方式2.
在之前的实施方式1中，以利用压制成型的制造为前提来说明了出射面4形成为凸的球面形状的、包括圆锥面的光学透镜1。与此相对，在本实施方式2中，说明将出射面4设为凸的非球面形状的情况。通过将出射面4设为非球面，能够成形进一步消除像差的光路。
图5是本发明的实施方式2所涉及的包括圆锥面的光学透镜1的x-z截面图。以后，以与之前的实施方式1的不同点为中心进行说明。
在之前的实施方式1中，将凸的球面形状用作出射面4。然而，在仅由球面构建的透镜中，例如在需要大口径的透镜的情况等，随着口径变大而球面像差变大，成为焦点模糊这样的弊病的根源。因此，在本实施方式2中，通过将出射面4设为非球面，能够消除像差。
接着，使用图6来说明透镜的尺寸和从光源2出射的光的路径。
图6是针对本发明的实施方式2所涉及的包括圆锥面的光学透镜1示出从光源入射的激光的折射的x-z截面图。
此外，在图6中，图6的(a)示出截面图，并且图6的(b)示出非球面形状下的焦点fs附近的放大图。并且，为了与图6的(b)进行比较，图6的(c)示出在之前的实施方式1中说明的球面形状下的焦点fs附近的放大图。
从光源2出射的激光到达出射面4为止的光路与之前的实施方式1中的图3所示的路径同样。在此，本实施方式2中的出射面4形成为非球面形状。因此，基于非球面形状的特性，根据折射率n和表面形状，激光的光路被折射。之后，激光向空气层出射，环状激光与非球面形状相应地朝向某一点fs，其宽度t减小并会聚。
在此，例如在使用大口径的透镜的情况下，在如之前的实施方式1那样的凸的球面透镜中，如图6的(c)所示，在焦点位置产生像差。与此相对，在如本实施方式2那样的非球面透镜中，如图6的(b)所示，能够使光束会聚到焦点fs，能够消除球面像差。而且，本实施方式2中的环状激光在会聚的点fs上宽度t为0，之后宽度t再次增加且逐渐扩散。
如上，根据实施方式2，通过将出射面4设为非球面形状，即使在例如使用大口径的透镜的情况下，也能够得到无像差且宽度薄的环形状。会聚的点fs的位置和环状激光的直径根据非球面形状而不同。因此，通过适当地设计透镜的圆锥的顶角θ和非球面形状的曲率，能够得到所需的直径的环状激光。
此外，本实施方式2的透镜由玻璃构成，以之前的图4中示出的压制成型为前提。另外，根据光源的种类、输出以及波长，还能够选择注塑成型的聚碳酸酯等树脂透镜。
在压制成型的情况下，为了使模具6转印到玻璃7，模具面在入射面3的模具中成为凸型的圆锥面，在出射面4的模具中成为使非球面透镜的形状翻转后的凹型的形状。
实施方式3.
本实施方式3说明如下情况：将在之前的实施方式1中设为凸的球面形状的出射面4设为平面，在入射面3构成包括圆锥成分的非球面形状。通过将出射面4设为平面，能够将压制成型中使用的模具6设为简易的构造，另外，能够消除因模具6的嵌合引起的误差。此外，也如在[具体实施方式]的开头中说明的那样，还可以将入射面和出射面倒置来设置于光轴。
图7是本发明的实施方式3所涉及的具备包括圆锥成分的非球面形状的入射面的光学透镜1的x-z截面图。以后，以与之前的实施方式1的不同点为中心进行说明。
如图7作为截面图示出的那样，入射面3在中心具有X轴方向的光轴O，包括以光轴O为轴的凸的非球面形状。在此，非球面形状是在凸的球面或非球面形状上重叠锥透镜的圆锥成分而成的形状。另外，出射面4是平面。此时，入射面3与出射面4平行。
上述的形状能够由以下所示的奇数次非球面式表示，α1r1项的α1为0以外的值。
[数1]
此外，上式中的各系数是指以下的内容。
z：光轴方向的坐标
r：距光轴的距离
c：曲率半径的倒数
k：圆锥系数(conic coefficient)
α1～α8：非球面系数
在之前的实施方式1中，将圆锥面用作入射面3，将凸的球面形状用作出射面4。因此，压制成型中使用的模具是高价的，另外，形状越复杂则价格越高。并且，在压制成型中，通过使用模具来能够成形高精度的透镜，另一方面，由于模具的嵌合而在透镜的入射面和出射面产生少许误差。
因此，通过将出射面4设为平面、且在入射面3成形包括圆锥成分的非球面形状，能够使模具形状单纯化。其结果，能够降低模具中花费的费用，进而还能够降低因模具的嵌合引起的误差。
如上，根据实施方式3，具备在将出射面设为平面形状的基础上将入射面形成为包括圆锥成分的非球面形状的透镜构造。其结果，能够谋求模具的成本降低和因模具的嵌合引起的误差的降低。
此外，本实施方式3的透镜由玻璃构成，通过之前的图4中示出的压制成型来制造。另外，根据光源的种类、输出以及波长，还能够选择注塑成型的聚碳酸酯等树脂透镜。
在压制成型的情况下，为了使模具6转印到玻璃7，模具面在入射面3的模具中成为使奇数次非球面的透镜的形状翻转后的凹型的形状，在出射面4的模具中成为平面形状。
实施方式4.
在之前的实施方式1中，以利用压制成型的制造为前提来说明了出射面4形成为凸的球面形状的、包括圆锥面的光学透镜1。与此相对，在本实施方式4中，说明将出射面4设为凸的圆锥形状的情况。通过将出射面4设为圆锥形状，能够更容易地成形平行的环状激光。
图8是本发明的实施方式4所涉及的包括圆锥面的光学透镜1的x-z截面图。以后，以与之前的实施方式1的不同点为中心进行说明。
在之前的实施方式1中，将凸的球面形状用作出射面4。然而，在由球面构建的透镜中，无法得到平行的环状激光。通过使用另一个锥透镜，能够成形平行的环状激光。但是，难以将入射面3的圆锥顶点T与另一个锥透镜的顶点设置于相同的光轴。
因此，在本实施方式4中，采用了将出射面4设为凸的圆锥面的结构。通过具备这样的结构，能够在加压阶段将入射面3的圆锥顶点T与出射面4的圆锥顶点对准成形在相同的光轴。其结果，不需要高级的位置调整而能够得到平行的环状激光。
如图8作为截面图示出的那样，出射面4在中心具有X轴方向的光轴O，而且包括以光轴O为轴的凸的圆锥形状。具体地说，在成形于出射面4的在X轴方向上凸出的圆锥形状的面，成为圆锥的顶点的点K与光轴O重叠，底面B-B与光轴正交。
此时，其特征在于，成形于入射面3的圆锥的底面A-A与成形于出射面4的圆锥的底面B-B平行。这样，本透镜的入射面3与出射面4具有如下特性：彼此具有圆锥形状的锥透镜以光轴为旋转中心来排列配置。
接着，使用图9来详细说明透镜的尺寸和从光源2出射的光的路径。图9是针对本发明的实施方式4所涉及的包括圆锥面的光学透镜1示出从光源入射的激光的折射的x-z截面图。
从光源2出射的激光到达出射面4为止的光路与之前的实施方式1中的图3所示的路径同样。在此，本实施方式4中的出射面4成形为与入射面3相对的凸的圆锥形状。
设计成：成形于入射面3的顶点T处的顶角θ与成形于出射面4的顶点K处的顶角θ的角度相同，出射面4的激光与光轴平行。另外，设计成：成形于出射面4的圆锥形状的最大直径D’大于到达出射面4时的环的直径。
由此，光路在向空气层出射时，成为平行的环状激光。环状激光的直径根据顶角θ以及圆锥的顶点T与K的距离而不同。因此，通过适当地设计透镜的圆锥的顶角θ和各个距离，能够得到所需的直径的环状激光。
在此，在凸的球面透镜中，根据距出射面4的距离，得到的环状激光的直径不同。与此相对，在锥透镜中，不管相对于出射面4处于什么样的位置，都能够得到相同的宽度的环状激光。
如上，根据实施方式4，具备在入射面和出射面使用具有相同的顶角且配置于同一光轴上的锥透镜的透镜构造。其结果，能够容易地得到平行的环状激光。
此外，本实施方式4的透镜由玻璃构成，例如通过之前的图4中示出的压制成型来制造。另外，根据光源的种类、输出以及波长，还能够选择注塑成型的聚碳酸酯等树脂透镜。
在压制成型的情况下，为了使模具6转印到玻璃7，模具面成为入射面3是凸型、出射面4是凹型的圆锥面。通过高精度地制作该模具6，能够消除光轴的偏移。

Claims (7)

1.一种光学透镜，具备第一面以及与所述第一面相向的第二面，用于形成环状的激光，
所述第一面和所述第二面具有共同的光轴，并且与所述光轴正交，
所述第一面具有凹的圆锥形状，
所述第二面具有凸形状。
2.根据权利要求1所述的光学透镜，其中，
所述第二面具有形成为作为球面的一部分的球面形状的所述凸形状。
3.根据权利要求1所述的光学透镜，其中，
所述第二面具有形成为非球面形状的所述凸形状。
4.根据权利要求1所述的光学透镜，其中，
所述第二面具有形成为圆锥形状的所述凸形状，
所述第一面的圆锥形状的顶角与所述第二面的圆锥形状的顶角是相同的大小。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学透镜，其中，
所述第一面的所述圆锥形状的顶角为90°以上且小于180°。
6.一种光学透镜，具备第一面以及与所述第一面相向的第二面，用于形成环状的激光，
所述第一面和所述第二面具有共同的光轴，并且与所述光轴正交，
所述第一面具有平面形状，
所述第二面由包括奇数次的项的非球面式表示，具有包括圆锥成分的凸的非球面形状。
7.一种光学透镜的制造方法，是根据权利要求1至6中的任一项所述的光学透镜的制造方法，具有如下工序：
将用于形成所述第一面的第一模具与用于形成所述第二面的第二模具以使中心轴一致的方式相向配置，通过压制成型或注塑成型来制造透镜。
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