DE112017002456T5

DE112017002456T5 - Optische Linse und Herstellungsverfahren für eine optische Linse

Info

Publication number: DE112017002456T5
Application number: DE112017002456.0T
Authority: DE
Inventors: Chisako Oda; Nobutaka Kobayashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2017-05-01
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2017195691A1; JPWO2017195691A1; US20190129074A1; CN109073790A

Abstract

Eine optische Linse (1), die zur Bildung eines ringförmigen Laserstrahls verwendet werden soll, weist Folgendes auf: eine Einfallsfläche (3) und eine Austrittsfläche (4), die der Einfallsfläche (3) zugewandt ist, wobei die Einfallsfläche (3) und die Austrittsfläche (4) eine gemeinsame optische Achse (O) aufweisen und jeweils senkrecht zu der optischen Achse (O) stehen. Die Einfallsfläche (3) weist eine konkave konische Form und die Austrittsfläche (4) eine konvexe Form auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Linse, die eine konische Oberfläche hat, welche einen ringförmigen Laserstrahl bilden kann, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen optischen Linse.
STAND DER TECHNIK
Eine Linse, deren eine Seite eine konische Oberfläche mit einer konvexen Form oder einer konkaven Form ist, wird als „Axicon-Linse“ bezeichnet. Eine Axicon-Linse dient zum Sammeln von Licht, das von einer Lichtquelle entlang einer optischen Achse emittiert wird, um dadurch einen ringförmigen Laserstrahl zu erzeugen. Ein ringförmiger Laserstrahl kann durch die Axicon-Linse so geformt werden, dass sein Durchmesser größer wird, wenn sein Strahlungsabstand größer wird, während die Breite des Ringes konstant bleibt.
Diese Eigenschaft ist nahe bei einem Merkmal eines Bessel-Strahls, der sich bei der Ausbreitung nicht aufspreizt, und die Intensität eines einen Ring bildenden Laserstrahls ist unabhängig vom Strahlungsabstand gleich. Es ist auch möglich, einen Laserstrahl mit großer Tiefenschärfe zu bilden. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Axicon-Linsen zur Entfernung von Hornhautsubstanz während chirurgischer Eingriffe und zu anderen Zwecken verwendet und finden breite Anwendung, z.B. in Lasermikroskopen und Laserbearbeitungsgeräten.
Bei der Verwendung eines ringförmigen Laserstrahls, der mit der oben genannten Axicon-Linse geformt wird, ist es üblich, den ringförmigen Laserstrahl in Kombination mit einer anderen Linse zu verwenden, z.B. indem der ringförmige Laserstrahl in eine Axicon-Linse zur Kollimation eintritt, die mit der oben genannten Axicon-Linse gekoppelt ist, oder indem der ringförmige Laserstrahl in eine sphärische Linse eintritt.
Um einen ringförmigen Laserstrahl zu erhalten, ist es auch erforderlich, mit einem optischen Linsenhalter oder einer anderen Komponente die Position einer Axicon-Linse so einzustellen, dass die optische Achse eines Laserstrahls durch den Scheitel eines Kegels der Axicon-Linse verläuft.
Bei dem oben genannten Verfahren ist jedoch eine Vielzahl von Linsen erforderlich, und für jede der Linsen ist ein Halteelement erforderlich. Daher hat die oben genannte Methode den Nachteil hoher Kosten.
Um die gewünschte Ringform zu bilden, ist es ferner erforderlich, die jeweiligen Linsen mit ihren optischen Achsen in Übereinstimmung miteinander anzuordnen und eine Positionseinstellung für ein Intervall zwischen ihnen, deren Platzierungswinkel und andere derartige Spezifikationen präzise durchzuführen. Es ist jedoch äußerst schwierig, den Scheitel des Kegels mit der optischen Achse in Einklang zu bringen. Darüber hinaus erfordert das Platzieren einer Vielzahl von Linsen Zeit und Arbeit, was zu einem erhöhten Einstellfehler führt.
In Anbetracht dessen gibt es verwandte optische Vorrichtung mit einer konischen Oberfläche, ohne dass eine Vielzahl von Linsen erforderlich ist, eine optische Vorrichtung mit einer Lichtleitplatte, die mit einem ersten konkaven Bereich versehen ist, der so geformt ist, dass er eine konische Form auf einer Austrittsfläche aufweist, und einen zweiten konkaven Bereich mit einer säulenförmigen Form auf einer der Austrittsfläche gegenüberliegenden Oberfläche (siehe z.B. Patentdokument 1).
Darüber hinaus gibt es eine verwandte optische Vorrichtung, die die Positionseinstellung erleichtert, nämlich eine optische Vorrichtung, die eine Linse mit Eigenschaften einer konvexen Linse in einer ersten Richtung senkrecht zu einer optischen Achse und Eigenschaften einer konkaven Linse in einer zweiten Richtung senkrecht zu der optischen Achse und der ersten Richtung aufweist (siehe z.B. Patentliteratur 2).
STAND DER TECHNIK

Patentdokument 1: Japanisches Patent JP 5 360 172 B2
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2001-282 446 A

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Die verwandten Techniken bringen jedoch folgende Probleme mit sich. Das heißt, die Ausführungsform gemäß dem Patentdokument 1 verwendet eine Lichtleiterplatte. Bei einer solchen Konfiguration erzeugt der erste konkave Bereich mit konischer Form eine Totalreflexion von einem eintretenden Laserstrahl, so dass es nicht möglich ist, einen ringförmigen Laserstrahl zu bilden.
Darüber hinaus weist bei der Ausführungsform gemäß dem Patentdokument 2 weder die erste noch die zweite Richtung eine konische Form auf. Daher ist es auch gemäß dem Patentdokument 2 nicht möglich, einen ringförmigen Laserstrahl zu bilden.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf solche Probleme konzipiert und hat die Aufgabe, eine Technik zur Verfügung zu stellen, bei der eine optische Linse mit einer konischen Oberfläche erhalten wird, die in der Lage ist, einen ringförmigen Laserstrahl mit einer Konfiguration zu bilden, die kostengünstig herstellbar ist und die Positionseinstellung erleichtert, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen optischen Linse aufzuzeigen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine optische Linse vorgesehen, die zum Bilden eines ringförmigen Laserstrahls verwendet werden soll, wobei die optische Linse aufweist: eine erste Oberfläche; und eine zweite Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie der ersten Oberfläche zugewandt ist, wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche eine gemeinsame optische Achse aufweisen und jeweils senkrecht zur gemeinsamen optischen Achse stehen, wobei die erste Oberfläche eine konkave konische Form aufweist und wobei die zweite Oberfläche eine konvexe Form aufweist.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Linse vorgesehen, das Folgendes aufweist: Anordnen einer ersten Form zum Bilden der ersten Oberfläche und einer zweiten Form zum Bilden der zweiten Oberfläche derart, dass die Oberflächen einander zugewandt sind und ihre Mittelachsen übereinstimmen und Herstellen einer Linse durch Formpressen oder Spritzgießen.
Effekte der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Konfiguration vorgesehen, die in der Lage ist, das von einer Lichtquelle emittierte Licht mit einer Linse und ihrem Halteelement in einen ringförmigen Laserstrahl zu formen, wobei eine Linse durch Formpressen oder Spritzgießen hergestellt wird. Dadurch ist es möglich, eine optische Linse mit einer konischen Oberfläche zu erhalten, die in der Lage ist, einen ringförmigen Laserstrahl mit einer Konfiguration zu bilden, die kostengünstig herstellbar ist und die Positionseinstellung erleichtert, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen optischen Linse aufzuzeigen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht zusammen mit einem dreidimensionalen Koordinatenachsensystem zur Veranschaulichung einer optischen Linse mit einer konischen Oberfläche gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) der optischen Linse mit der konischen Oberfläche gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) der optischen Linse mit der konischen Oberfläche gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zur Veranschaulichung der Brechung eines von einer Lichtquelle einfallenden Laserstrahls;
4 ist ein erläuterndes Diagramm zur Herstellung der optischen Linse mit der konischen Oberfläche gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Formpressen;
5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) einer optischen Linse mit einer konischen Oberfläche gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 sind Schnittansichten entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) der optischen Linse mit der konischen Oberfläche gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zur Veranschaulichung der Brechung des von der Lichtquelle einfallenden Laserstrahls;
7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) einer optischen Linse mit einer Einfallsfläche mit einer asphärischen Form mit einer konischen Komponente gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Schnittansicht entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) einer optischen Linse mit einer konischen Oberfläche gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) der optischen Linse mit der konischen Oberfläche gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung der Brechung des von der Lichtquelle einfallenden Laserstrahls.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden eine optische Linse mit einer konischen Oberfläche und ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Linse gemäß jeder der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Im Wesentlichen werden die gleichen Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen in den jeweiligen Abbildungen gekennzeichnet. In den folgenden Ausführungsformen kann die Linse auch auf einer optischen Achse platziert werden, wobei ihre Einfallsfläche und ihre Austrittsfläche umgekehrt werden.
Ausführungsform 1
1 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung einer optischen Linse 1 mit einer konischen Oberfläche gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie zur Veranschaulichung der dreidimensionalen Koordinatenachsen. In 1 zeigt die X-Richtung eine optische Achsenrichtung an, in der sich ein von einer Lichtquelle 2 emittierter Laserstrahl bewegt.
Die optische Linse 1 gemäß der ersten Ausführungsform hat eine Einfallsfläche 3 und eine Austrittsfläche 4, die eine kreisförmige Form aufweisen, sowie eine Seitenfläche. Die Einfallsfläche 3, durch der von der Lichtquelle 2 ausgesandten Laserstrahl eintritt, weist eine Oberfläche mit einer konkaven konischen Form auf. Demgegenüber hat die Austrittsfläche 4 eine konvexe Kugelform. Die Einfallsfläche 3 ist so angeordnet, dass sie der Lichtquelle 2 zugewandt ist.
In 1 sind folgende Komponenten nicht abgebildet: ein Halteelement, das zum Halten der Linse 1 dient; ein optischer Linsenhalter und eine Stufe zur Positionseinstellung; eine Luft- oder Wasserkühlvorrichtung zum Kühlen der Linse 1 sowie andere derartige Komponenten.
2 ist eine Schnittansicht der optischen Linse 1 entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) mit der konischen Oberfläche gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 dargestellt, weist die Einfallsfläche 3 eine optische Achse O auf, die sich in Richtung der X-Achse als Zentrum erstreckt, und hat eine konkave konische Form mit der optischen Achse O als Achse. Insbesondere auf der Oberfläche mit einer konischen Form, die in Bezug auf die X-Achsenrichtung konkav ist, die auf der Einfallsfläche 3 geformt wird, überlappt ein Punkt T, der der Scheitel eines Kegels ist, mit der optischen Achse O, und eine Basis A-A liegt senkrecht zur optischen Achse O.
Die Austrittsfläche 4 hat eine konvexe Kugelform und hat das Zentrum auf der optischen Achse O, und eine Formfläche B-B für eine kugelförmige Oberfläche ist senkrecht zur optischen Achse angeordnet. Auf diese Weise weist die optische Linse 1 mit der konischen Oberfläche gemäß der ersten Ausführungsform eine Form und eine Eigenschaft auf, die durch die Integration einer Axicon-Linse und einer konvexen sphärischen Linse miteinander erhalten wird, wobei die Einfallsfläche 3 und die Austrittsfläche 4 parallel zueinander angeordnet sind und die parallel zueinander liegenden Oberflächen senkrecht zur optischen Achse stehen.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 3 die Abmessungen einer Linse und der Weg des von der Lichtquelle 2 abgestrahlten Lichts ausführlich beschrieben. 3 ist eine Schnittansicht der optischen Linse 1 entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) mit der konischen Oberfläche gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung der Brechung eines von einer Lichtquelle einfallenden Laserstrahls.
Der von der Lichtquelle 2 abgegebene Laserstrahl wird als Laserstrahl parallel zur optischen Achse O beispielsweise durch eine Kollimatorlinse gebildet und erreicht die Einfallsfläche 3 der optischen Linse 1. Zu diesem Zeitpunkt muss der Durchmesser d des Laserstrahls kleiner als der maximale Durchmesser D der konischen Form auf der Einfallsfläche 3 sein.
In einem gleichschenkligen Dreieck, das die konische Oberfläche im Schnitt entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) bildet, wird ein Scheitelwinkel für den Scheitel T eines Kegels als θ bezeichnet. Der Scheitelwinkel θ kann einen Wert in einem Bereich von: $90 ° \leq θ< 180 °$
annehmen, und zwar basierend auf dem Ringdurchmesser eines zu erhaltenden ringförmigen Laserstrahls.
Der Laserstrahl, der die Einfallsfläche 3 erreicht hat, tritt in die Einfallsfläche 3 ein und legt dann den optischen Weg unter Brechung gemäß einer mathematischen Funktion des Scheitelwinkels θ und eines Brechungsindexes „n“ des Glases zurück. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Winkel zwischen dem gebrochenen optischen Weg und der optischen Achse a/2. Danach hat der durch die Linse gelaufene Laserstrahl eine Ringform mit der optischen Achse als Zentrum.
Der durch die Linse übertragene Laserstrahl erreicht dann die Austrittsfläche 4. Die Austrittsfläche 4 bei der ersten Ausführungsform ist, wie oben beschrieben, mit einer konvexen Kugelform geformt. Daher wird der optische Weg des Laserstrahls aufgrund seiner Eigenschaften basierend auf dem Brechungsindex „n“ und der Krümmung der Oberfläche gebrochen.
Danach wird der Laserstrahl in einen Luftraum emittiert, und der ringförmige Laserstrahl bewegt sich auf einen Fokuspunkt fs der konvexen Kugelform zu, wobei seine Breite „t“ kleiner wird. Nachdem die Breite „t“ am Fokuspunkt zu 0 geworden ist, weitet sich der Strahl unter Vergrößerung der Breite „t“ auf.
Der Durchmesser des ringförmigen Laserstrahls unterscheidet sich in Abhängigkeit vom Abstand zu der Linse. Durch die Auslegung des Scheitelwinkels θ des Kegels der Linse und der Krümmung der Kugelform auf geeignete Werte ist es daher möglich, einen ringförmigen Laserstrahl mit einem erforderlichen Durchmesser zu erhalten.
Die Linse bei der ersten Ausführungsform ist aus Glas und wird z.B. durch Pressformen hergestellt. In einem anderen Fall ist es möglich, die konische Oberfläche durch Schleifen und Polieren herzustellen und einen Kreisbogen der kugelförmigen Oberfläche durch Polieren herzustellen. Es ist auch möglich, eine Harzlinse aus einem Polycarbonatharz oder einem anderen solchen Harz durch Spritzgießen herzustellen, abhängig von der Art, der Leistung und der Wellenlänge der Lichtquelle.
4 ist ein erläuterndes Diagramm zur Herstellung der optischen Linse 1 einschließlich der konischen Oberfläche gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Pressformen. Genauer gesagt, es ist 4 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung von einer Form 6 und von einem Glas 7, die beim Pressformen verwendet werden sollen.
Um die Gestalt der Form 6 auf das Glas 7 zu übertragen, weisen beim Pressformen die Formoberflächen der Form 6 eine konische Oberfläche mit einer konvexen Form in einer oberen Form 6a zum Bilden der Einfallsfläche 3 und eine konkave Form auf, die durch Umkehren einer Linsenform in einer unteren Form 6b zum Bilden der Austrittsfläche 4 erhalten wird.
Diese Formen 6a und 6b sind so angeordnet, dass eine davon vertikal gleitend verschiebbar ist, wobei die Mittelachsen durch die Verwendung eines Tubus 8 mit einer zylindrischen Form, wie beispielsweise in 4 dargestellt, miteinander übereinstimmen. Darüber hinaus wird ein Glas 7 zwischen den Formen 6a und 6b eingesetzt und unter hoher Temperatur mit Druck beaufschlagt, um so die Linse 1 herzustellen.
In diesem Fall können die Formen 6a und 6b und der Tubus 8 mit Präzision in der Größenordnung von z.B. mehreren µm hergestellt werden. Durch die Herstellung der Formen 6a und 6b und des Tubus 8 mit hoher Passgenauigkeit dazwischen ist es daher möglich, die Mittelachse der konischen Form und die Mittelachse der konvexen Kugelform, deren Positionierung bisher schwierig war, mit hoher Präzision in Übereinstimmung zu bringen.
Das Volumen des Glases 7 oder die Gestalt der Form 6 und des Tubus 8 sind so ausgelegt, dass das geformte Glas 7 den Tubus 8 in Kontakt mit einer Innenwandfläche desselben füllt, um dadurch das Zentrum des Linsenaußendurchmessers und die Mittelachse der Linse so in Übereinstimmung miteinander zu bringen, so dass eine Zentrierung und Kantenbearbeitung nicht mehr erforderlich ist.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der ersten Ausführungsform ein benötigter ringförmiger Laserstrahl mit einer Linse erreicht werden. Dadurch entfällt eine Vielzahl von Linsen und deren Halteelementen, was die Anzahl der Komponenten reduziert und die Kosten senkt. Darüber hinaus ist es nicht mehr erforderlich, die Positionen einer Vielzahl von Linsen einzustellen.
Weiterhin werden bei der Herstellung einer Linse durch Pressformen oder Spritzgießen die Mittelachse der konischen Form und die Mittelachse der konvexen Kugelform mit hoher Präzision in Übereinstimmung gebracht, so dass es auch möglich ist, einen Einstellfehler zu reduzieren. Darüber hinaus ist es möglich, durch die Gestaltung des Glasvolumens und der Gestalt der Form und des Tubus derart, dass das Zentrum des Linsen-Außendurchmessers und die Mittelachse der Linse miteinander in Übereinstimmung gebracht werden, auch auf die Zentrierung und Kantenbearbeitung zu verzichten.
Ausführungsform 2
Bei der ersten Ausführungsform ist die optische Linse 1 mit der konischen Oberfläche und der Austrittsfläche 4 in konvexer Kugelform unter der Annahme beschrieben, dass die optische Linse 1 durch Pressformen hergestellt wird. Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unterdessen ein Fall beschrieben, in dem die Austrittsfläche 4 eine konvexe asphärische Form hat. Es ist möglich, einen optischen Weg mit weniger Aberrationen zu bilden, indem man die Austrittsfläche 4 asphärisch macht.
5 ist eine Schnittansicht der optischen Linse 1 entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) mit einer konischen Oberfläche gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die folgende Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf die Aspekte, die sich von denen der ersten Ausführungsform unterscheiden.
Bei der ersten Ausführungsform wird für die Austrittsfläche 4 eine konvexe Kugelform verwendet. Bei einer Linse, die nur aus einer Kugelfläche besteht, wird dann, wenn beispielsweise eine Linse mit großem Durchmesser benötigt wird, die sphärische Aberration mit größerem Durchmesser größer, was zu der negativen Auswirkung eines verschwommenen Fokuspunktes führt. Vor diesem Hintergrund ist es gemäß der zweiten Ausführungsform möglich, eine Aberration zu beseitigen, indem die Austrittsfläche 4 asphärisch gemacht wird.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 6 die Abmessungen einer Linse und der Weg des von der Lichtquelle 2 emittierten Lichts beschrieben. 6 ist eine Schnittansicht der optischen Linse 1 entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) mit der konischen Oberfläche gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung der Brechung eines von einer Lichtquelle einfallenden Laserstrahls.
In 6 ist eine Schnittansicht als 6(a) dargestellt, während eine vergrößerte Ansicht eines Bereiches in der Nähe des Fokuspunktes fs einer asphärischen Form als 6(b) dargestellt ist. Um einen Vergleich mit 6(b) durchzuführen, wird zusätzlich eine vergrößerte Ansicht eines Bereiches in der Nähe des Brennpunkts fs mit einer bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Kugelform als 6(c) dargestellt.
Der optische Weg, dem der von der Lichtquelle 2 ausgesandte Laserstrahl folgt und dann die Austrittsfläche 4 erreicht, ist der gleiche wie der Weg bei der ersten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist. In diesem Fall wird die Austrittsfläche 4 bei der zweiten Ausführungsform mit einer asphärischen Form gebildet. Aufgrund der Eigenschaften der asphärischen Form wird daher der optische Weg des Laserstrahls basierend auf dem Brechungsindex „n“ und der Oberflächenform gebrochen. Danach wird der Laserstrahl in den Luftraum abgegeben, und der ringförmige Laserstrahl bewegt sich entsprechend der asphärischen Form auf einen bestimmten Punkt fs zu und reduziert dabei seine Breite „t“ und konvergiert in diesem.
Bei der Verwendung von z.B. einer Linse mit großem Durchmesser, verursacht eine solche konvexe sphärische Linse wie bei der ersten Ausführungsform eine Aberration an der Fokusposition, wie in 6(c) dargestellt. Es ist jedoch mit einer solchen asphärischen Linse wie bei der zweiten Ausführungsform möglich, Lichtströme zum Fokuspunkt fs konvergieren zu lassen, wie in 6(b) dargestellt, so dass die sphärische Aberration eliminiert werden kann. Nachdem die Breite „t“ am Konvergenzpunkt bzw. Fokuspunkt fs zu 0 geworden ist, weitet sich der ringförmige Laserstrahl bei der zweiten Ausführungsform wieder auf und die Breite „t“ nimmt wieder zu.
Wie vorstehend beschrieben, ist gemäß der zweiten Ausführungsform die Austrittsfläche 4 mit einer asphärischen Formausgebildet, um so eine Ringform mit geringer Breite ohne Aberration auch dann erhalten zu können, wenn beispielsweise eine Linse mit großem Durchmesser verwendet wird. Die Position des Fokuspunktes fs und der Durchmesser des ringförmigen Laserstrahls unterscheiden sich je nach asphärischer Form. Durch eine geeignete Gestaltung des Scheitelwinkels θ des Kegels der Linse und der Krümmung der asphärischen Form ist es daher möglich, einen ringförmigen Laserstrahl mit einem erforderlichen Durchmesser zu erhalten.
Die Linse bei der zweiten Ausführungsform ist aus Glas und basiert auf dem unter Bezugnahme auf 4 oben beschriebenen Formpressen. Es ist auch möglich, einen Kunstharzlinse aus einem Polycarbonatharz oder einem anderen solchen Harz durch Spritzgießen herzustellen. Die Formgebung hängt von der Art, der Leistung und der Wellenlänge der Lichtquelle ab.
Im Falle des Formpressens weisen die Formoberflächen, welche die Gestalt der Form 6 auf das Glas 7 übertragen, eine konische Oberfläche mit einer konvexen Gestalt in der Form für die Einfallsfläche 3 und eine konkave Gestalt in der Form für die Austrittsfläche 4 auf, die durch Umkehrung der Form der asphärischen Linse erhalten worden ist.
Ausführungsform 3
In einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Fall beschrieben, in dem die Austrittsfläche 4, die bei der ersten Ausführungsform eine konvexe Kugelform aufweist, als ebene Fläche ausgebildet ist, und für die Einfallsfläche 3 eine asphärische Form mit konischer Komponente gebildet wird. Da die Austrittsfläche 4 als ebene Fläche ausgebildet ist, kann die beim Formpressen zu verwendende Form 6 mit einer einfachen Struktur ausgebildet werden, und es ist auch möglich, Fehler durch die Anpassung der Form 6 zu reduzieren. Wie im oberen Teil des Abschnitts „Beschreibung der Ausführungsformen“ beschrieben, kann die Linse auch in der optischen Achse platziert werden, wobei die Einfallsfläche und die Austrittsfläche umgekehrt werden.
7 ist eine Schnittansicht der optischen Linse 1 mit einer Einfallsfläche mit einer asphärischen Form mit einer konischen Komponente gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) gezeichnet ist. Die folgende Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf die Aspekte, die sich von denen der ersten Ausführungsform unterscheiden.
Wie in der Schnittansicht von 7 dargestellt, weist die Einfallsfläche 3 die optische Achse O auf, die sich in X-Achsenrichtung als Mittelpunkt erstreckt, und hat eine konvexe asphärische Form mit der optischen Achse O als Achse. In diesem Fall ist die asphärische Form eine Form, die durch Überlagerung einer konischen Komponente einer Axicon-Linse mit einer konvexen sphärischen oder asphärischen Form erhalten wird. Die Austrittsfläche 4 ist eine ebene Fläche. Die Einfallsfläche 3 und die Austrittsfläche 4 sind hier parallel zueinander.
Die oben genannte Form kann durch die folgende asphärische Formel ungerader Ordnung ausgedrückt werden, und α₁ hat im Term α₁r¹ einen von Null verschiedenen Wert. $z = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) C^{2} r^{2}}} + α_{1} r^{1} + α_{2} r^{2} + α_{3} r^{3} + α_{4} r^{4} + α_{5} r^{5} + α_{6} r^{6} + α_{7} r^{7} + α_{8} r^{8}$
In der oben genannten Formel haben die jeweiligen Koeffizienten folgende Bedeutung.

z: Koordinate in Richtung der optischen Achse
r: Abstand von der optischen Achse
c: Kehrwert des Krümmungsradius
k: Kegelkoeffizient
α₁ - α₈: asphärische Koeffizienten.

Bei der ersten Ausführungsform wird als Einfallsfläche 3 eine konische Oberfläche und als Austrittsfläche 4 eine konvexe Kugelform verwendet. Deshalb wird beim Formpressen zu verwendende Form teuer, und der Preis wird mit zunehmender Komplexität der Form höher. Darüber hinaus kann beim Formpressen eine hochpräzise Linse durch Verwendung einer Form hergestellt werden, während zwischen der Einfallsfläche und der Austrittsfläche der Linse durch die Anpassung der Form ein leichter Fehler entsteht.
Vor diesem Hintergrund ist die Austrittsfläche 4 als ebene Fläche ausgebildet, und die Einfallsfläche 3 wird mit einer asphärischen Form mit einer konischen Komponente ausgebildet, um so die Gestalt der Form vereinfachen zu können. Dadurch ist es möglich, die Kosten für die Form zu reduzieren und einen Fehler durch die Anpassung der Form weiter zu reduzieren.
Wie vorstehend beschrieben, ist gemäß der dritten Ausführungsform eine Linse mit einer solchen Struktur vorgesehen, dass die Austrittsfläche eine flache Form aufweist und die Einfallsfläche eine asphärische Form mit einer konischen Komponente aufweist. Dadurch ist es möglich, die Kosten für die Form zu senken und Fehler durch die Anpassung der Form zu reduzieren.
Die Linse bei der dritten Ausführungsform ist aus Glas und wird mit den oben mit Bezug auf 4 beschriebenen Pressformen hergestellt. Es ist auch möglich, eine Kunstharzlinse aus einem Polycarbonatharz oder einem anderen solchen Harz durch Spritzgießen herzustellen, was von der Art, der Leistung und der Wellenlänge der Lichtquelle abhängt.
Im Falle des Formpressens weisen die Formoberflächen, welche die Gestalt der Form 6 auf das Glas 7 übertragen, eine konkave Form auf, die durch die Umkehrung der Form der Linse mit einer asphärischen Oberfläche ungerader Ordnung in der Form für die Einfallsfläche 3 erhalten wird, und haben eine flache Gestalt in der Form für die Austrittsfläche 4.
Ausführungsform 4
Bei der ersten Ausführungsform wird die optische Linse 1 mit der konischen Oberfläche und der Austrittsfläche 4 in konvexer Kugelform unter der Annahme beschrieben, dass die optische Linse 1 durch Formpressen hergestellt wird. Bei einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unterdessen ein Fall beschrieben, in dem die Austrittsfläche 4 eine konvex konische Form hat. Es ist möglich, einen kollimierten ringförmigen Laserstrahl leichter zu formen, indem man die Austrittsfläche 4 so ausbildet, dass sie eine konische Form hat.
8 ist eine Schnittansicht der optischen Linse 1 mit einer konischen Oberfläche gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) gezeichnet ist. Die folgende Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf die Aspekte, die sich von denen der ersten Ausführungsform unterscheiden.
Bei der ersten Ausführungsform wird für die Austrittsfläche 4 eine konvexe Kugelform verwendet. Es ist jedoch mit einer aus einer Kugelfläche konstruierten Linse nicht möglich, einen kollimierten ringförmigen Laserstrahl zu erhalten. Bei Verwendung einer weiteren Axicon-Linse ist es möglich, einen kollimierten ringförmigen Laserstrahl zu erhalten. Es ist jedoch schwierig, den Kegel-Scheitel T der Einfallsfläche 3 und den Scheitel einer anderen Axicon-Linse auf derselben optischen Achse zu platzieren.
Vor diesem Hintergrund verwendet die vierte Ausführungsform eine Konfiguration, bei der die Austrittsfläche 4 als konvexe konische Fläche ausgebildet ist. Mit einer solchen Konfiguration kann eine Linse geformt werden, bei welcher der Scheitel T des Kegels der Einfallsfläche 3 und der Scheitel des Kegels der Austrittsfläche 4 auf derselben optischen Achse in einem Press-Schritt ausgerichtet werden. Dadurch ist es möglich, einen kollimierten ringförmigen Laserstrahl zu erhalten, ohne dass eine hochgradige Positionsjustierung erforderlich ist.
Wie in der Schnittansicht gemäß 8 dargestellt, weist die Austrittsfläche 4 die optische Achse O auf, die sich in Richtung der X-Achse als Mittelpunkt erstreckt, und hat eine konvexe konische Form mit der optischen Achse O als Achse. Insbesondere auf der Oberfläche mit der konischen Form, die in Bezug auf die X-Achsenrichtung konvex ist und die auf der Austrittsfläche 4 gebildet wird, überlappt ein Punkt K, der der Scheitel des Kegels ist, mit der optischen Achse O, und die Formfläche B-B steht senkrecht zur optischen Achse.
Die Basis A-A des auf der Einfallsfläche 3 gebildeten Kegels und die Formfläche B-B des auf der Austrittsfläche 4 gebildeten Kegels sind parallel zueinander. Auf diese Weise haben die Einfallsfläche 3 und die Austrittsfläche 4 der Linse bei der vierten Ausführungsform das Merkmal, dass Axicon-Linsen mit jeweils konischer Form in ausfluchtung zueinander angeordnet sind, wobei die optischen Achsen als Drehachsen ausgebildet sind.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 9 die Abmessungen der Linse und der Weg des von der Lichtquelle 2 abgestrahlten Lichts ausführlich beschrieben. 9 ist eine Schnittansicht der optischen Linse 1 mit der konischen Oberfläche gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie x-z (x-z-Ebene) gezeichnet ist, zur Veranschaulichung der Brechung eines von einer Lichtquelle einfallenden Laserstrahls.
Der optische Weg, dem der von der Lichtquelle 2 ausgesandte Laserstrahl folgt, bis er die Austrittsfläche 4 erreicht, ist der gleiche wie der Weg bei der ersten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist. In diesem Fall wird die Austrittsfläche 4 bei der vierten Ausführungsform aus einer konvexen konischen Form gebildet, die der Einfallsfläche 3 zugewandt ist.
Der Scheitelwinkel θ am Scheitel T, der auf der Einfallsfläche 3 geformt ist und der Scheitelwinkel θ am Scheitel K, der auf der Austrittsfläche 4 geformt ist, sind gleich groß und so konzipiert, dass ein von der Austrittsfläche 4 emittierter Laserstrahl parallel zur optischen Achse verläuft. Darüber hinaus ist ein maximaler Durchmesser D' der auf der Austrittsfläche 4 gebildeten konischen Form so ausgelegt, dass er größer ist als der Durchmesser des Rings, der entsteht, wenn der Laserstrahl die Austrittsfläche 4 erreicht.
Bei dieser Konfiguration wird der optische Weg zu einem kollimierten ringförmigen Laserstrahl, wenn er in den Luftraum abgegeben wird. Der Durchmesser des ringförmigen Laserstrahls ist je nach dem Scheitelwinkel θ und dem Abstand zwischen den Scheiteln T und K der Kegel unterschiedlich. Durch eine geeignete Gestaltung des Scheitelwinkels θ der Kegel der Linse und des Abstandes dazwischen ist es daher möglich, einen ringförmigen Laserstrahl mit einem gewünschten Durchmesser zu erhalten.
Mit der konvexen kugelförmigen Linse unterscheidet sich der Durchmesser eines zu erhaltenden ringförmigen Laserstrahls je nach dem Abstand von der Austrittsfläche 4, während mit der Axicon-Linse ein ringförmiger Laserstrahl mit gleicher Breite an jeder Stelle von der Austrittsfläche 4 aus erhalten werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß der vierten Ausführungsform eine Linse mit einer solchen Struktur angegeben, dass Axicon-Linsen mit dem gleichen Scheitelwinkel auf der Einfallsfläche und der Austrittsfläche und auf derselben optischen Achse angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, auf einfache Weise einen kollimierten ringförmigen Laserstrahl zu bilden.
Die Linse bei der vierten Ausführungsform besteht aus Glas und wird beispielsweise durch das oben unter Bezugnahme auf 4 beschriebene Formpressen hergestellt. Es ist auch möglich, einen Kunstharzlinse aus einem Polycarbonatharz oder einem anderen solchen Harz durch Spritzgießen herzustellen, was von der Art, der Leistung und der Wellenlänge der Lichtquelle abhängt.
Im Falle des Formpressens weisen die Formoberflächen, welche die Gestalt der Form 6 auf das Glas 7 übertragen, eine konische Oberfläche mit konvexer Form für die Einfallsfläche 3 und eine konische Oberfläche mit konkaver Form für die Austrittsfläche 4 auf. Eine Abweichung in der optischen Achse kann durch die Herstellung der Form 6 mit hoher Präzision eliminiert werden.
Bezugszeichenliste

1: optische Linse
2: Lichtquelle
3: Einfallsfläche (erste Oberfläche oder zweite Oberfläche)
4: Austrittsfläche (zweite Oberfläche oder erste Oberfläche)
5: Halter
6: Form
6a: obere Form
6b: untere Form
7: Glas
8: Tubus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5360172 B2 [0009]
JP 2001282446 A [0009]

Claims

Optische Linse zum Bilden eines ringförmigen Laserstrahls, wobei die optische Linse Folgendes aufweist: - eine erste Oberfläche; und - eine zweite Oberfläche, die so ausgebildet ist, dass sie der ersten Oberfläche zugewandt ist, - wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche eine gemeinsame optische Achse aufweisen und jeweils senkrecht zur gemeinsamen optischen Achse stehen, - wobei die erste Oberfläche eine konkave konische Form aufweist, und - wobei die zweite Oberfläche eine konvexe Form aufweist.
Optische Linse nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche die konvexe Form als Kugelform ausgebildet aufweist, welche einen Bereich einer Kugelfläche bildet.
Optische Linse nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche die konvexe Form als asphärische Form ausgebildet aufweist.
Optische Linse nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche die konvexe Form als konische Form ausgebildet aufweist, und wobei der Scheitelwinkel einer konischen Form auf der ersten Oberfläche und der Scheitelwinkel der konischen Form auf der zweiten Oberfläche gleich groß sind.
Optische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Scheitelwinkel der konischen Form auf der ersten Oberfläche gleich oder größer als 90° und kleiner als 180° ist.
Optische Linse zum Bilden eines ringförmigen Laserstrahls, wobei die optische Linse Folgendes aufweist: - eine erste Oberfläche; und - eine zweite Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie der ersten Oberfläche zugewandt ist, - wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche eine gemeinsame optische Achse aufweisen und jeweils senkrecht zur gemeinsamen optischen Achse stehen, - wobei die erste Oberfläche eine flache Form aufweist, und - wobei die zweite Oberfläche eine konvexe asphärische Form aufweist, die durch eine asphärische Formel mit einem Term ungerader Ordnung ausgedrückt wird und eine konische Komponente aufweist.
Verfahren zur Herstellung der optischen Linsen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das Folgendes umfasst: - Anordnen einer ersten Form zum Bilden der ersten Oberfläche und einer zweiten Form zum Bilden der zweiten Oberfläche so, dass sie einander gegenüberliegen, wobei ihre Mittelachsen in Übereinstimmung miteinander sind; und - Herstellen einer Linse durch Formpressen oder Spritzgießen.