JP2003344762A - Shaping lens for laser beam and method of designing shaping lens for laser beam - Google Patents

Shaping lens for laser beam and method of designing shaping lens for laser beam

Info

Publication number
JP2003344762A
JP2003344762A JP2002149101A JP2002149101A JP2003344762A JP 2003344762 A JP2003344762 A JP 2003344762A JP 2002149101 A JP2002149101 A JP 2002149101A JP 2002149101 A JP2002149101 A JP 2002149101A JP 2003344762 A JP2003344762 A JP 2003344762A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lens
phase correction
power
intensity conversion
gaussian
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002149101A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takayuki Hirai
隆之 平井
Takeshi Okada
岡田  健
Takashi Fuse
敬司 布施
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP2002149101A priority Critical patent/JP2003344762A/en
Publication of JP2003344762A publication Critical patent/JP2003344762A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Lenses (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shaping lens for laser beam and method of designing the shaping lens in which multiformity does not appear in a rear propagation position in a beam homogenizer in which a beam having a Gaussian type intensi ty distribution such as a CO<SB>2</SB>laser is converted into a substantially homogeneous distribution with an intensity conversion lens and converted into a parallel beam with a phase correction lens. <P>SOLUTION: The power distribution I<SB>2</SB>(s) after the output is shaped with the phase correction lens is not of a top-hat but of a super Gaussian cexpä-(s/ω)<SP>2m</SP>}, (m=5 to 50). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は炭酸ガスレ−ザビ
ームなど中央で高密度周辺部で低密度なビームを精密な
加工に利用するため、ある範囲でほぼ一様なパワーにし
その装置を出射した後でもパワー分布乱れが殆ど起こら
ないように整形するためのレンズの組み合わせに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention utilizes a low density beam such as a carbon dioxide gas laser beam in the center and high density in the peripheral portion for precise processing. However, it relates to a combination of lenses for shaping so that the power distribution is hardly disturbed.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭酸ガスレ−ザビームは高いエネルギー
をもつので、熱加工、表面処理、微細穴開け加工などに
利用される。例えば熱加工の分野では、金属などの表面
焼き入れ処理(エンジンカムの処理など)などに用いら
れる。またプリント基板の微細穴開けにも炭酸ガスレ−
ザビームを利用することが期待される。炭酸ガスレ−ザ
は赤外光を発生するのでレンズは赤外に透明なZnSe
レンズなどを用いる。
2. Description of the Related Art Since carbon dioxide laser beams have high energy, they are used for thermal processing, surface processing, fine perforation processing and the like. For example, in the field of thermal processing, it is used for surface hardening treatment of metals and the like (engine cam treatment, etc.). In addition, carbon dioxide gas can be used for making fine holes in printed circuit boards.
Expected to use ZaBeam. Since the carbon dioxide laser emits infrared light, the lens is made of ZnSe which is transparent to infrared light.
A lens is used.

【0003】パルス発振する炭酸ガスレ−ザビームを多
数のビームに分岐させて特別なレンズでプリント基板に
照射して一挙に多数の穴を穿孔することもあり、一本の
ビームを走査させて順次経時的に穴を穿つこともある。
A carbon dioxide laser beam that oscillates in a pulsed manner may be branched into a large number of beams and a special lens may irradiate the printed circuit board to form a large number of holes at once. There are times when you want to make holes.

【0004】ここで問題にするのはビーム内部での半径
方向のパワー分布である。炭酸ガスレ−ザから出たビー
ムは広がりのあるビームである。ズーム光学系を用いて
平行ビームにすることもできるし、コリメータレンズで
広がりの寸法を変更することもできる。
The problem here is the radial power distribution inside the beam. The beam emitted from the carbon dioxide laser is a divergent beam. It is possible to use a zoom optical system to form a parallel beam, and it is also possible to change the divergence size with a collimator lens.

【0005】しかしどのようにレンズでサイズ変更して
も、レーザ光は平行ビームにした場合パワーは中心で高
く周辺部で低いような内高外低のパワー分布となってい
る。角度方向の乱れは少なくて軸まわり対称性がある。
単純にガウス分布で近似できるようなパワー分布をもつ
事が多い。レーザビームは両側の共振器で繰り返し反射
させて励振するから理想的にはガウス分布になる。中心
でパワー密度が高く周辺で低いというガウス分布でも充
分に利用できるという用途も多い。
However, no matter how the size is changed by the lens, when the laser beam is made into a parallel beam, the power distribution is such that the power is high in the center and low in the peripheral portion, that is, inside and outside. There is little disturbance in the angular direction and there is symmetry about the axis.
Often has a power distribution that can be simply approximated by a Gaussian distribution. Since the laser beam is repeatedly reflected and excited by the resonators on both sides, it ideally has a Gaussian distribution. There are many applications where a Gaussian distribution with a high power density at the center and a low power density at the periphery can be fully used.

【0006】しかし高いエネルギーのレ−ザビームを熱
加工、穴穿孔に用いると不都合な事がある。例えば穴開
けに用いると、中心ではきちんと穴が貫通するが周辺部
では貫通しないことがある。また半球状の窪みになって
しまうこともある。一定直径の穴を綺麗にレ−ザビーム
によって穿つにはビームのパワー密度がある半径範囲
(r<a)で一定であるということが望まれる。ある範
囲で一定パワーになるようにする光学部品が幾つか提案
されている。
However, it may be inconvenient to use a laser beam having a high energy for heat processing and hole drilling. For example, when used for drilling, the hole may penetrate properly at the center but may not penetrate at the peripheral part. It may also become a hemispherical depression. In order to cleanly drill a hole having a constant diameter with a laser beam, it is desired that the power density of the beam be constant within a certain radius range (r <a). There have been proposed some optical components for keeping constant power in a certain range.

【0007】 「ビーム分割法」 カライドスコープ、セグメントミラーなどである。レー
ザビームを広げ幾つもの微小な正方形格子をもつ光学部
品に通し、正方形格子によって平行正方形ビームを作
り、ある距離の点で一つに重ね合わせるものである。正
方形格子をSij(xi、yj)で表現する。xiはi
列のx座標、yjはj行のy座標である。これらの正方
形格子の光を全て一つの正方形に重ね合わせるのだか
ら、その密度Smは、
“Beam splitting method” A kaleidoscope, a segment mirror, and the like. The laser beam is expanded and passed through an optical component that has several minute square gratings, and a parallel square beam is created by the square gratings and superposed on one another at a certain distance. The square lattice is represented by Sij (xi, yj). xi is i
The x coordinate of the column and yj are the y coordinates of the j rows. Since all the lights of these square gratings are superposed on one square, the density Sm is

【0008】 Sm(x,y)=ΣSij(xi,yj)=PM (1) [0008]       Sm (x, y) = ΣSij (xi, yj) = PM (1)

【0009】となる。Pは平均パワー密度、Mは正方形
格子の数である。高密度部分からも低密度部分からも等
しくビームパワーがやってくるのだから、正方形部分の
エネルギー密度は平均パワーのM倍で均一になる。これ
は原理は理解しやすいが、できたものは平行ビームでな
い。ある焦点面において正方形の等密度ビームが得られ
るというだけである。さらに光学系によってビームを遠
くへ運搬するとビームが乱れてしまい使いにくいもので
ある。つまり位相関係が完全に乱れておりその焦点面で
しか熱加工、穴開けに使う事ができないという難点があ
る。パワー密度を空間的に均一にするといっても位相の
揃った平行ビームでないと前後の位置ズレによってビー
ムが乱れ実際には利用できない。
[0009] P is the average power density and M is the number of square grids. Since the beam powers equally come from the high density portion and the low density portion, the energy density of the square portion becomes M times as high as the average power. This is easy to understand in principle, but the result is not a parallel beam. It only gives a square isopycnic beam at some focal plane. Furthermore, if the beam is carried far away by the optical system, the beam will be disturbed and it is difficult to use. In other words, the phase relationship is completely disordered, and there is a drawback that it can only be used for thermal processing and drilling at the focal plane. Even if the power density is made spatially uniform, if the beams are not parallel beams with the same phase, the beams will be disturbed due to the positional shift between the front and the rear, and they cannot be actually used.

【0010】 USP3、476、463(Justin
L.Kreuzer)は、二つの非球面レンズL1、L2を組み合
わせてある半径Rの円内でパワーを均一にし位相も揃っ
たレ−ザビームを生成するようなものを提案している。
初めのレンズL1はガウス分布を一様分布に引き直すた
めの前面は平坦面、後面は凹面型のレンズである。二番
目のレンズL2はビームを平行にするためのレンズで前
面が凸面型で後面は平坦面レンズである。何れのレンズ
も半径はRである。半径Rの部分でL1後面は軸直角、
L2前面は軸直角である。L1の外周r=Rを通ったビ
ームはL2の外周r=Rを通るようになっている。だか
らr=Rを通るビームは軸平行である。
USP 3,476,463 (Justin
L. Kreuzer) has proposed a method in which two aspherical lenses L1 and L2 are combined to generate a laser beam having uniform power and a uniform phase within a circle having a radius R.
The front surface of the first lens L1 is a flat surface, and the rear surface thereof is a concave lens for redrawing the Gaussian distribution into a uniform distribution. The second lens L2 is a lens for collimating the beam and has a convex front surface and a flat rear surface. The radius of each lens is R. At the radius R, the rear surface of L1 is perpendicular to the axis,
The L2 front surface is perpendicular to the axis. The beam passing through the outer periphery r = R of L1 passes through the outer periphery r = R of L2. So the beam through r = R is axis-parallel.

【0011】第1レンズL1によってガウスビームを均
一の分布に変換する。それは中心部のビームを広げるよ
うに屈折させる。周辺部のビームは捨ててしまう。周辺
部のビームパワーは広がりが大きくしかも分散してパワ
ーが弱いので、集光するのが難しい。それで捨ててしま
うのである。ガウスビームの中心を広げたので2番目の
レンズの前面では均一分布となっている。第2レンズで
均一とするための第1レンズのビームの屈折角が半径の
関数として決まる。屈折角が決まるとその屈折角を実現
するための第1レンズの後面の彎曲を計算することがで
きる。周辺の光を捨ててしまうので、第1レンズは一つ
の凹部を有する凹レンズである。変曲点(2階微係数が
0)はリング状に存在するが凹レンズであり単純な形状
である。
The first lens L1 transforms the Gaussian beam into a uniform distribution. It refracts the central beam to expand it. The peripheral beam is discarded. Since the beam power of the peripheral portion is large and is dispersed and weak, it is difficult to focus the beam. It throws it away. Since the center of the Gaussian beam is expanded, there is a uniform distribution in front of the second lens. The refraction angle of the beam of the first lens for homogenization with the second lens is determined as a function of radius. Once the refraction angle is determined, the curvature of the rear surface of the first lens for realizing the refraction angle can be calculated. The first lens is a concave lens having a single concave because it discards ambient light. Although the inflection point (the second derivative is 0) exists in a ring shape, it is a concave lens and has a simple shape.

【0012】第2レンズL2においては傾斜したビーム
を軸に平行なビームに直す。傾斜角がわかっておりそれ
を平行ビームに直すためのレンズの面の傾斜角は一義的
に決まる。だから第2レンズの面の彎曲も計算すること
ができる。第2レンズは一つの凸部をもつ凸レンズであ
る。
In the second lens L2, the tilted beam is converted into a beam parallel to the axis. The tilt angle is known, and the tilt angle of the surface of the lens for converting it into a parallel beam is uniquely determined. Therefore, the curvature of the surface of the second lens can also be calculated. The second lens is a convex lens having one convex portion.

【0013】丁度半径r=Rで微係数が0となるように
選んでいるからレンズ面内に変曲点(2階微係数が0)
が存在しない。第1レンズの後曲面を半径座標rの関
数としてZ(r)とし、第2レンズの前面の曲面を
半径座標rの関数としてZ (r)とする。r=R
の外周部で微係数が0だから
Just to make the derivative coefficient 0 at radius r = R
Since it is selected, an inflection point in the lens surface (the second derivative is 0)
Does not exist. The radius of the rear surface of the first lens is r1Seki
Z as a number1(R1) And the curved surface of the front surface of the second lens
Radial coordinate rTwoZ as a function of Two(RTwo). r = R
Since the differential coefficient is 0 at the outer periphery of

【0014】r=RでWith r 1 = R

【数13】 =Rで[Equation 13] r 2 = R

【数14】 [Equation 14]

【0015】ある。しかも第2レンズの後面での出力が
一定値 I だとしているので
There is. Moreover, since the output on the rear surface of the second lens is a constant value I,

【0016】 I(r)=I 0≦r≦R (4)I 2 (r 2 ) = I 0 ≦ r 2 ≦ R (4)

【0017】なのである。レンズ半径はRであるから、
>Rという部分は存在しない。
Therefore, Since the lens radius is R,
There is no part of r 2 > R.

【0018】これは第1レンズL1によってビームを広
げるだけで狭めるということはない。だからレンズの広
がり半径Rに含まれるビームだけしか利用しない。だか
ら入射ビームの半径Rまでの光量を半径Rのレンズで均
一にするということである。入射ビームのパワー分布を
(r)とすると、その半径Rの領域(πR)に
入る光量の平均値を第2レンズの均一出力Iとして得て
いるのである。
This does not narrow the beam only by expanding it by the first lens L1. Therefore, only the beam included in the divergence radius R of the lens is used. Therefore, the light amount up to the radius R of the incident beam is made uniform by the lens having the radius R. Assuming that the power distribution of the incident beam is I 1 (r 1 ), the average value of the amount of light entering the region of radius R (πR 2 ) is obtained as the uniform output I of the second lens.

【0019】[0019]

【数15】 [Equation 15]

【0020】第1レンズの半径Rに入る光量を半径Rの
第2レンズの全体にわたって均一分布を実現するもので
ある。2枚目レンズの直後の出力I(r)はレンズ
面内全体にわたって均一である。このレンズのよいとこ
ろは、第2レンズのr=Rでの微係数が0でありそれ
以上の微係数が負になる部分を作らないということであ
る。第1レンズのr=Rまでに入射する光だけを屈折
させるから第1レンズでは全部発散型のビーム屈折にな
る。つまり外向きに光線を屈折させるだけである。そう
なると第2レンズは発散型を平行型のビームに変換させ
るだけだから、第2レンズは凸面だけとなり凹面部を全
く含まず、第2レンズの形状が単純でしかも正確に決ま
る。だから第2レンズを通過したあとのビームの平行性
が高い。良質の均一ビームを生成できる。
The amount of light entering the radius R of the first lens is uniformly distributed over the entire second lens having the radius R. The output I 2 (r 2 ) immediately after the second lens is uniform over the entire lens surface. What is good about this lens is that the second lens has a differential coefficient of 0 at r 2 = R and no further negative differential coefficient is formed. Since only the light incident on the first lens up to r 1 = R is refracted, the first lens is totally divergent. In other words, it only refracts the light rays outward. Then, the second lens only converts the divergent type into a parallel type beam, so that the second lens has only a convex surface and does not include a concave surface portion at all, and the shape of the second lens is simple and accurate. Therefore, the parallelism of the beam after passing through the second lens is high. A good quality uniform beam can be generated.

【0021】しかし反面これは第1レンズのr=Rま
でに入射したビームしか利用できない。R<rに入射
した光は全部無駄になる。これが難点である。その点は
分かりにくいので詳しく説明する。(2)、(3)のよ
うに、第1レンズL1,第2レンズL2に共通の半径で
レンズ面微係数がともに0になるところが必ず存在す
る。r=rといってもよい。
On the other hand, however, this can use only the beam incident on the first lens up to r 1 = R. All light incident on R <r 1 is wasted. This is a drawback. Since that point is difficult to understand, I will explain it in detail. As in (2) and (3), there is always a portion where both the lens surface differential coefficients become 0 at a radius common to the first lens L1 and the second lens L2. It may be said that r 1 = r 2 .

【0022】それをここでは「額輪」と定義する。ここ
ではr=R、r=Rが額輪である。額輪の内部を額
内といい(r<R)、その外側を額外とよぶ(r>R)
ことにしよう。第1レンズの額内(r<R)に入射す
る光を額内光といい、その光量を額内光量Qと呼ぶ。
第1レンズの額外(r>R)に入射する光を額外光と
いいその光量を額外光量Qとよぶ。
Here, it is defined as "frame ring". Here, r 1 = R and r 2 = R are the rings. The inside of the frame is called the forehead (r <R), and the outside is called the outside of the frame (r> R)
Let's decide The light that enters the forehead of the first lens (r 1 <R) is called the forehead light, and the amount of light is called the forehead light amount Q e .
The light incident on the outside of the forehead (r 1 > R) of the first lens is referred to as the forehead light, and the light amount thereof is referred to as the forehead light amount Q f .

【0023】[0023]

【数16】 [Equation 16]

【0024】[0024]

【数17】 [Equation 17]

【0025】従来例は額輪(r=R)がレンズの縁
(r=D)と同一であり(R=D)額縁輪となってい
る。それは第2レンズの設計を容易にするのであるが、
額外光Q を全部捨ててしまうという欠点がある。額外
光は密度が小さくて広い範囲にばらついているから第2
レンズ面の設計を難しくする。は額外光を捨てて第2
レンズの設計を容易にしているのである。
In the conventional example, the frame (r = R) is the edge of the lens.
Same as (r = D) and (R = D)
It It facilitates the design of the second lens,
Forehead light Q fHas the drawback of throwing away all. Outside the forehead
Light has a low density and is scattered over a wide range.
Make the lens surface design difficult. Second throws out extraneous light
It facilitates lens design.

【0026】それは額外光を無駄にするという欠点があ
る、ということを述べた。それだけでなくて、額輪とレ
ンズ縁が同一(R=D)なので、必ず(5)の関係が成
り立ち、それが拘束条件となってしまう。(5)は額内
光の平均値が、第2レンズのあとの均一光の値と同一と
いうことである。レーザビームパワーは大体ガウシアン
分布をするので中央で強く周辺部で弱い。より多くのレ
ーザ光を有効利用しようとするとRを大きくするので均
一光の値Iが下がってしまう。均一光量Iはレーザ加工
に必要なパワーなので加工の種類によって下限に限定が
ある。弱い均一光量Iでは役に立たない。
It has been mentioned that it has the disadvantage of wasting extraneous light. Not only that, but since the forehead and the lens edge are the same (R = D), the relationship of (5) is always established, which becomes a constraint condition. (5) means that the average value of the in-frame light is the same as the value of the uniform light after the second lens. Since the laser beam power has a Gaussian distribution, it is strong at the center and weak at the periphery. If more laser light is to be used effectively, R will be increased and the value I of uniform light will decrease. Since the uniform light amount I is the power required for laser processing, the lower limit is limited depending on the type of processing. A weak uniform light intensity I is useless.

【0027】強い均一光量Iが必要だとすれば額を狭く
(Rを小さく)しなければならない。額を狭くすると額
外のパワーは全部無駄になるからレーザパワー利用効率
が著しく減退する。そのような二律背反の関係にある。
それはが額内だけ(D=R、r<R、Z(R)’=
0、Z(R)’=0)だけを利用できるようなレンズ
系を採用しているからに他ならない。
If a strong uniform light quantity I is required, the forehead must be narrowed (R must be small). When the forehead is narrowed, all the power outside the forehead is wasted, and the laser power utilization efficiency is significantly reduced. There is such a trade-off relationship.
Only within the forehead (D = R, r <R, Z 1 (R) '=
It is nothing but a lens system that can utilize only 0, Z 2 (R) ′ = 0).

【0028】 特開平10−153750号「レーザ
ビーム整形光学部品」は拡大縮小が可能で、しかもある
半径w内で一定値の出力、その外で0出力を与えるよう
な2枚レンズの光学部品を提案している。しかもそれは
額内だけでなく額外のパワーをもあつめて有効利用でき
るようなレンズである。だから2枚目レンズのRより大
きい部分での形状の設計がむずかしい。そこで幾何光学
ではなくて波動光学的な手法を用いている。
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-153750 “Laser Beam Shaping Optical Component” is a two-lens optical component that is capable of enlarging and reducing and that gives a constant output within a certain radius w and 0 output outside of it. is suggesting. What's more, it is a lens that can be used effectively by collecting not only the power within the frame but also the power outside the frame. Therefore, it is difficult to design the shape of the portion of the second lens larger than R. Therefore, a wave-optical method is used instead of geometrical optics.

【0029】1枚目レンズL1の半径座標をrとし、
L1背後での光の電界複素振幅をa (r)で表現
し、2枚目レンズL2の半径座標をrとしてL2の前
面での光の電界複素振幅をa(r)とし、L1レン
ズの後面の高さ(彎曲面)をh (r)とし、L2レ
ンズの前面の高さ(彎曲面)をh(r)とし、レン
ズ間の距離をd、平行入射レーザビームのL1前面での
強度分布(振幅の二乗)をI(r)、L2後面での
出射ビームの強度分布をI(r)とし
The radius coordinate of the first lens L1 is r1age,
Let the electric field complex amplitude of the light behind L1 be a 1(R1) Express
And the radius coordinate of the second lens L2 is rTwoAs in front of L2
The electric field complex amplitude of the light on the planeTwo(RTwo) And L1 Ren
The height of the rear surface (curved surface) is h 1(R1) And L2
The height (curved surface) of the front of the hTwo(RTwo) And then Ren
D is the distance between the edges of the parallel incident laser beam in front of L1.
The intensity distribution (square of the amplitude) is I1(R1), On the back of L2
The intensity distribution of the output beam is ITwo(RTwo)age

【0030】[0030]

【数18】 [Equation 18]

【0031】[0031]

【数19】 [Formula 19]

【0032】[0032]

【数20】 [Equation 20]

【0033】によって計算する。nはレンズの屈折率で
ある。ただし2枚目レンズの後面で半径w内でのパワー
を均一とするという条件があるから、2枚目レンズの直
後の出力I(r)は
Calculate by n is the refractive index of the lens. However, since there is a condition that the power within the radius w is made uniform on the rear surface of the second lens, the output I 2 (r 2 ) immediately after the second lens is

【0034】 I(r)=I r≦w (11) I(r)=0 r>w (12)I 2 (r 2 ) = I r 2 ≦ w (11) I 2 (r 2 ) = 0 r 2 > w (12)

【0035】としようとしている。山高帽に似ているの
でそのようなI(r)の分布をトップハット型(TO
P HAT)という。2wがトップハットの直径である。
I am trying to do so. Since it resembles a bowler hat, the distribution of such I 2 (r 2 ) is a top hat type (TO
P HAT). 2w is the diameter of the top hat.

【0036】第1レンズL1前面での振幅が{I(r
)}1/2である。(8)は第1レンズLを前面か
ら後面へ通過するときの位相差kh(r)(n−
1)を与えることによってレンズL1の屈折を計算にい
れている。つまりexp{jkh(r)(n−
1)}というのはスネルの法則の波動光学的な表現なの
である。
The amplitude on the front surface of the first lens L1 is {I 1 (r
1 )} 1/2 . (8) is the phase difference kh 1 (r 1 ) (n− when passing through the first lens L 1 from the front surface to the rear surface.
The refraction of lens L1 is accounted for by giving 1). That is, exp {jkh 1 (r 1 ) (n−
1)} is a wave-optical expression of Snell's law.

【0037】(10)は第2レンズの前面での振幅と後
面での振幅{I(r)}1/2を関係づけるもの
で、やはりスネルの法則を表現している。(9)のJ
(kr /d)は0次ベッセル関数である。
(10) is the amplitude on the front surface of the second lens and the rear
Amplitude in plane {ITwo(RTwo)}1/2To relate
And after all, it expresses Snell's law. J of (9)0
(Kr 1rTwo/ D) is the 0th-order Bessel function.

【0038】(9)がL1から自由空間を経て光が伝搬
するときの振幅の変化を表現するものでそこが波動光学
の精髄だといってよい。それはキルヒホッフ・ホイヘン
スの式を変形したものである。ただしそのままでは積分
ができないので多くの近似をしている。
(9) expresses the change in amplitude when light propagates from L1 through free space, and it can be said that this is the essence of wave optics. It is a modification of the Kirchhoff Huygens formula. However, since it cannot be integrated as it is, many approximations are made.

【0039】2つのレンズ面の点(x,y)、(x
,y)の距離{(x−x +(y−y
+d1/2を2次関数近似しており正確な式でな
い。それもexp()のなかにある距離は2次関数近似
しているが、分母の距離については単純に軸線上距離d
によって置き換えており0次近似となっている。そのよ
うな近似をしないととても計算ができない。そのような
近似をしても計算は容易でなく計算量はなお多い。
Two lens surface points (x1, Y1), (X
Two, YTwo) Distance {(x1-XTwo) Two+ (Y1-YTwo)
Two+ DTwo}1/2Is approximated by a quadratic function
Yes. The distance in exp () is also a quadratic function approximation.
However, the denominator distance is simply the axial distance d
It is replaced by and becomes a 0th-order approximation. That's it
Calculations cannot be done without such approximation. like that
Even if it is approximated, the calculation is not easy and the amount of calculation is still large.

【0040】そのような近似を含みつつ、上の式によっ
てL1レンズの厚みh(r)とL2レンズの厚みh
(r)を求めることができる。そのような純波動光
学的な計算によって二つのレンズの曲面の形状を計算し
ている。得られたビームはI (r)となるはずで半
径w以内で均一値をとるトップハット型の均一ビームに
なる。
While including such an approximation,
L1 lens thickness h1(R1) And the thickness h of the L2 lens
Two(RTwo) Can be asked. Such pure wave light
By calculating the geometrical shapes of the curved surfaces of the two lenses
ing. The beam obtained is I Two(RTwo) Should be half
A top-hat type uniform beam with a uniform value within the diameter w
Become.

【0041】上の式をみるとスネルの法則がexp{j
kh(r)(n−1)}の形ではいっているから、
L1レンズが光を発散させる(額内)ということと、光
を集光させる(額外)ということが区別できない。任意
の半径のビームのパワーを取り込む形になっている。だ
から額外の入射ビームをも利用できる複雑な第2レンズ
(凸面だけでなく凹面をも含む)をも設計できるはずで
ある。幾何光学のように額内、額、額外というものが明
確に区別されない。それに近似を多く含むので因果関係
を正確に辿りにくいという欠点がある。
Looking at the above equation, Snell's law is expressed as exp {j
Since it is in the form of kh 2 (r 2 ) (n−1)},
It cannot be distinguished that the L1 lens diverges light (inside the forehead) and condenses light (outside the forehead). It is designed to capture the power of a beam of any radius. Therefore, it should be possible to design a complicated second lens (including not only a convex surface but also a concave surface) that can utilize an incident beam outside the forehead. There is no clear distinction between in-frame, out-of-frame and out-of-frame as in geometric optics. Since it contains many approximations, it is difficult to trace the causal relationship accurately.

【0042】[0042]

【発明が解決しようとする課題】本発明者はで提案さ
れた手法にしたがって、第2レンズL2(位相補正レン
ズ)の直後でトップハット分布、
According to the method proposed by the present inventor, the inventor has a top hat distribution immediately after the second lens L2 (phase correction lens),

【0043】 I(r)=C (r≦w)、I(r)=0(r>w) (13)I 2 (r 2 ) = C (r 2 ≦ w), I 2 (r 2 ) = 0 (r 2 > w) (13)

【0044】となるようなレンズを作製した。そして図
1のような光学系で穴開け加工に利用しようとした。こ
れまで第1レンズL1,第2レンズL2といっていた
が、時に第1レンズを強度変換レンズ、第2レンズL2
を位相補正レンズと呼ぶ。計算式にサフィックスが多い
と分かりにくいので、第1レンズL1(強度変換レン
ズ)の半径座標rをrとし、第2レンズL2(位相補
正レンズ)の半径座標rをsということにする。
A lens having the following condition was produced. And I tried to use it for drilling with the optical system as shown in FIG. Up to now, the first lens L1 and the second lens L2 have been called, but sometimes the first lens is the intensity conversion lens and the second lens L2.
Is called a phase correction lens. Since it is difficult to understand if the calculation formula has many suffixes, the radius coordinate r 1 of the first lens L1 (intensity conversion lens) is set to r, and the radius coordinate r 2 of the second lens L2 (phase correction lens) is set to s.

【0045】r=r、r=s (14)R 1 = r, r 2 = s (14)

【0046】である。しかし以後もこれらの表記は時に
混用する。
It is However, these notations are sometimes mixed after that.

【0047】図1に於いてレーザ装置から出たレーザビ
ームは拡大しながらズーム光学系に入り、ここで2枚の
レンズ(強度変換レンズL1、位相補正レンズL2)に
よって均一パワー密度をもつ平行ビームに変換してい
る。その後マスクの穴を通して広げ集光レンズによって
集光し像面に照射するような構造となっている。実際に
は像面というのはプリント基板などの被処理物である。
これをビームホモジナイザー(Beam Homogenizer)とい
っている。パワー密度を均一にする装置なのでホモジナ
イザーと呼ぶのである。
In FIG. 1, the laser beam emitted from the laser device enters the zoom optical system while expanding, and the two beams (intensity conversion lens L1 and phase correction lens L2) form a parallel beam having a uniform power density. Has been converted to. After that, the structure is such that it is expanded through a hole in the mask and condensed by a condenser lens to irradiate the image plane. Actually, the image plane is an object to be processed such as a printed circuit board.
This is called a beam homogenizer. It is called a homogenizer because it is a device that makes the power density uniform.

【0048】の波動光学手法によって製作したビーム
ホモジナイザーの二枚目のレンズL2の後でのビームパ
ワーを二次元的実測した。その結果が図2(a)であ
る。微小な凹凸は多数存在するが半径70mmの円にお
いて大体一定のパワーを持ち、その外部でのパワーは0
となっている。それは目的としたパワー分布であって所
望の分布が得られているのである。
The beam power after the second lens L2 of the beam homogenizer manufactured by the wave optics method was measured two-dimensionally. The result is shown in FIG. Although there are many minute irregularities, a circle with a radius of 70 mm has a roughly constant power, and the power outside the circle is 0.
Has become. That is the desired power distribution, and the desired distribution is obtained.

【0049】しかし、第2レンズL2から100mm離
隔した場所でパワーを測定すると図2(b)のように半
径70mm程度の円に入ってはいるが、一方の端でのパ
ワーが非連続に大きくなっている。とても均一な分布と
はいえない。二枚目のレンズのすぐあとに被処理物をも
ってくるというようなことは現実には無理な事で、第2
レンズのずっと後ろへ被処理物を置き処理をするのだか
ら、後方でのパワー分布の乱れは重大な問題となる。
However, when the power is measured at a position 100 mm away from the second lens L2, the power is discontinuously large at one end although it is within a circle with a radius of about 70 mm as shown in FIG. 2 (b). Has become. It cannot be said that the distribution is very uniform. In reality, it is impossible to bring the object to be processed immediately after the second lens.
Since the object to be processed is placed far behind the lens, the disturbance of the power distribution in the rear is a serious problem.

【0050】二枚目のレンズL2(位相補正レンズ)で
は平行なビームにしているから図2のように一旦均一分
布になれば永久に均一分布になるように思われよう。と
ころがそうでなかった。軸線方向のパワー分布が変化す
る事が判明した。軸線方向のパワー変化は予期しないも
のであった。
Since the second lens L2 (phase correction lens) forms parallel beams, it seems that once the uniform distribution is achieved, the distribution becomes permanently uniform. But it wasn't. It was found that the power distribution in the axial direction changes. The axial power change was unexpected.

【0051】平行なビームといってもレンズの計算には
誤差がある。だから平行でないものも含まれる。だから
軸線方向にパワー分布が異なってくるのであろう。それ
はレンズ設計の誤差ということもあるが、それだけでな
くてビームの回折現象も関与しているのではないかと思
われる。つまり誤差と回折がビームホモジナイザーの後
方でのビーム崩れ(パワー不均一分布)をもたらしてい
るのであろう。
There is an error in the calculation of the lens even though it is a parallel beam. Therefore, some are not parallel. Therefore, the power distribution will be different in the axial direction. It may be an error in the lens design, but it seems that not only that but also the phenomenon of beam diffraction. In other words, the error and diffraction may cause the beam collapse (power non-uniform distribution) behind the beam homogenizer.

【0052】図3にある範囲で均一分布をもつビームを
多数のガウス分布ビームの重ね合わせによって表現した
ものを示す。図3(b)は厳密なトップハット(ステッ
プ)型(I(r)=C (r≦w)、I
(r)=0(r>w))のビームをガウスビーム
重ね合わせによって近似したものである。
FIG. 3 shows a beam having a uniform distribution in a certain range, which is expressed by superimposing a large number of Gaussian distribution beams. FIG. 3B shows a strict top hat (step) type (I 2 (r 2 ) = C (r 2 ≦ w), I
2 (r 2 ) = 0 (r 2 > w)) is approximated by Gaussian beam superposition.

【0053】ステップ型の場合は無限の数の細い広がり
をもったガウスビームの和によって近似される。無限数
としなければ肩の部分r=wの非連続を表現すること
ができない。無限数のビームの重ね合わせで近似される
というのがステップ型の出力の難点であった。そのよう
に微小のピッチで多数のガウスビームを存在させなけれ
ばならないとすると、その間での回折が顕著に起こる。
回折は格子間隔が狭く同等ビーム数が多いほどに激しく
起こる。無限小格子幅のガウスビームの重ねあわせとな
ると旺盛な回折が起こり、その回折のために平行ビーム
であるのにパワー分布に乱れが発生するのであろう、と
本発明者は考えた。
In the case of the step type, it is approximated by the sum of an infinite number of Gaussian beams having a narrow spread. If it is not an infinite number, the discontinuity of the shoulder portion r 2 = w cannot be expressed. The problem with step-type output was that it was approximated by superposition of an infinite number of beams. If a large number of Gaussian beams must be present at such a minute pitch, diffraction will occur significantly between them.
Diffraction occurs more intensely as the grating spacing is narrower and the number of equivalent beams is larger. The present inventor has considered that vigorous diffraction occurs when superposed Gaussian beams having an infinitesimal small grating width, and the power distribution may be disturbed due to the diffraction even though the beams are parallel beams.

【0054】しかしそれは仮説にすぎない。包括的な一
つのまとまりあるビームを果たして微小ガウスビームの
重ね合わせで近似してよいのか?微小ガウスビームとし
て初めて陽に出現するビームの回折が本当に起こるの
か、それが本当に効いているのかどうかは今なおよくわ
からない。
However, that is just a hypothesis. Is it possible to achieve one comprehensive beam by approximating it by superposition of minute Gaussian beams? It is still unclear whether the diffraction of the beam that first appears as a minute Gaussian beam really occurs or whether it really works.

【0055】よくわからないのであるが第2レンズL2
の後方でステップ型(トップハット)の非連続な分布を
強制するのでそのようなホモジナイザー後方でのビーム
崩れ不均一が起こるのであろうと本発明者は考えた。
The second lens L2 is not surely understood.
The present inventor has thought that such a beam collapse nonuniformity may occur behind the homogenizer because it imposes a stepped (top hat) non-continuous distribution behind.

【0056】[0056]

【課題を解決するための手段】本発明者はステップ型の
出力の急峻な肩r=wの非連続によって軸線方向のビ
ームパワー乱れが発生するのだろうと思う。そこでステ
ップの肩をよりなだらかなものにすれば良いのだと考え
た。その根拠は図3の(a)のように肩部分がなだらか
であれば、より少ない有限数のガウス関数によって近似
することができる。広がりの大きいガウスビームは回折
も小さくてガウス型の広がりを維持することができる。
ガウスビームというのはそれだけ優れたビーム形状だと
も言えるのである。平行ビームであれば幅も殆ど変わら
ないが、拡散、収縮ビームであってもガウス型を維持す
るのである。だからレンズによって平行ビームにしてし
まえば広いガウスビームはその形状を変えずに伝搬する
ことができる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventor believes that the discontinuity of the steep shoulders r 2 = w of the step-type output causes the beam power disturbance in the axial direction. Therefore, I thought that it would be better to make the shoulder of the step smoother. The reason for this can be approximated by a smaller finite number of Gaussian functions if the shoulder portion is gentle as shown in FIG. A Gaussian beam with a large divergence has a small diffraction and can maintain a Gaussian divergence.
It can be said that a Gaussian beam is an excellent beam shape. If it is a parallel beam, the width is almost the same, but even if it is a diverging or contracting beam, it remains Gaussian. Therefore, if a parallel beam is made by a lens, a wide Gaussian beam can propagate without changing its shape.

【0057】そのような着想によって本発明者は肩部が
なだらかになっており、非連続のないビーム分布を得る
ようにレンズ設計をした。そのようにすれば第2レンズ
L2直後でパワー均一という条件は完全には満たされな
いが、その後の軸線方向の伝搬によってパワー分布が殆
ど変わらないようにできる。実際にレンズL2の直後に
被処理物を置くということは不可能で、第2レンズの後
100mmぐらいの後方に被処理物を置くのだからその
方が望ましい訳である。
Based on such an idea, the present inventor designed the lens so that the shoulder has a gentle slope and a beam distribution without discontinuity is obtained. By doing so, the condition of uniform power immediately after the second lens L2 is not completely satisfied, but the power distribution can be made almost unchanged by the subsequent propagation in the axial direction. Actually, it is impossible to place the object to be processed immediately after the lens L2, and since the object to be processed is placed about 100 mm behind the second lens, this is preferable.

【0058】本発明は、第2レンズ直後のパワー分布を
完全なステップにせずに、m=5〜50のスーパーガウ
シアンにすることによってレンズ後方での回折によるパ
ワー偏奇を防ぐようにした。つまりレンズ直後でのパワ
ー分布をI(r)とすると、
According to the present invention, the power distribution immediately after the second lens is not made into a complete step, but is set to a super Gaussian of m = 5 to 50 so as to prevent power deviation due to diffraction behind the lens. That is, if the power distribution immediately after the lens is I 2 (r 2 ),

【0059】 I(r)=cexp{−(r/ω)2m} m=5〜50 (1 5) I 2 (r 2 ) = cexp {− (r 2 / ω) 2m } m = 5 to 50 (15)

【0060】 I(s)=cexp{−(s/ω)2m} m=5〜50 (16 ) I 2 (s) = cexp {− (s / ω) 2m } m = 5 to 50 (16)

【0061】とするのである。(15)、(16)は同
じ式の異なる表現にすぎない。cは比例定数である。ω
が広がりを表すパラメータである。トップハットの半径
wと区別するためにωを用いている。これはパワーであ
るから光の振幅でいえば、その平方根でありexp{−
(r/ω)}とするのである。(15)、(16)
式に本発明の根幹が余すところなく表現されている。本
発明は(15)、(16)式にあるといってよいぐらい
である。
That is, (15) and (16) are just different expressions of the same formula. c is a proportional constant. ω
Is a parameter indicating the spread. Ω is used to distinguish it from the radius w of the top hat. Since this is power, the amplitude of light is its square root, and exp {-
(R 2 / ω) m }. (15), (16)
The formula fully expresses the basis of the present invention. The present invention can be said to be in the expressions (15) and (16).

【0062】m=1であればそれはガウス関数であり、
初めのガウスビームと同じ分布を示す。ガウス関数とい
うのは無限階微分可能な連続性に優れた関数である。中
央にピークをもつなだらかな分布関数である。その2乗
であるm=2も無限階微分可能である。その2乗である
m=4も無限階微分可能である。m=2もm=4も特別
な呼び名はない。それを一般化したexp{−(r/
ω)2m}は個々には呼び名はないが、纏めてスーパー
ガウス関数と呼ぶ。mは整数であり、m=1のときだけ
呼び名がある。mが有限な整数であればこの関数は依然
として無限階微分可能である。
If m = 1, it is a Gaussian function,
It shows the same distribution as the original Gaussian beam. The Gaussian function is an infinitely differentiable function with excellent continuity. It is a smooth distribution function with a peak in the center. The square m = 2 is also infinitely differentiable. The square, m = 4, is also infinitely differentiable. There is no special name for m = 2 or m = 4. A generalized exp {-(r /
ω) 2m } is not called individually, but is collectively called a super Gaussian function. m is an integer, and is called only when m = 1. This function is still infinitely differentiable if m is a finite integer.

【0063】mが増えると分布がr≦ωの範囲に局在す
るようになる。だからm=1の丸みを帯びた関数が、m
が増えるにしたがって角型に変化してくる。角型になっ
て前述のステップに近づくが、mが有限であれば連続で
あり、しかも無限階微分可能である。mが無限大の極限
で前述のステップ関数(I(r)=I(r
ω)、I(r)=0(r>ω))になる。mを無
限大∞にしたのが先述の(トップハット)である。そ
のために無限小のガウスビームの重ねあわせとなって回
折の影響が強く現れて、レンズ後方で不均一分布になる
(図2(b))のである、と本発明者は考える。
As m increases, the distribution becomes localized within the range of r ≦ ω. Therefore, the rounded function with m = 1 is m
As the number increases, it becomes square. It becomes a square shape and approaches the above steps, but if m is finite, it is continuous and infinitely differentiable. In the limit of infinite m, the above step function (I 2 (r 2 ) = I (r 2
ω), I 2 (r 2 ) = 0 (r 2 > ω)). It is the above-mentioned (top hat) that made m infinity ∞. Therefore, the present inventor thinks that the influence of diffraction appears strongly due to superposition of infinitely small Gaussian beams, resulting in a non-uniform distribution behind the lens (FIG. 2B).

【0064】本発明は、第2レンズL2(位相補正レン
ズ)の後面でのパワー分布をトップハットでなくスーパ
ーガウシアンとする。入射ビームが広がりbのガウスビ
ームとし、位相補正レンズL2の後面でのパワー分布I
(r)をスーパーガウシアンとして、それを実現で
きる第1レンズ(強度変換レンズ)L1の面と第2レン
ズL2(位相補正レンズ)の面の形状を幾何光学的な手
法によって計算する。そして後方位置dにおいてパワー
均一性を評価して次数mを決定する。以下の手順の意味
は後ほど述べる。
In the present invention, the power distribution on the rear surface of the second lens L2 (phase correction lens) is set to Super Gaussian instead of Top Hat. The incident beam is a Gaussian beam with a spread b, and the power distribution I on the rear surface of the phase correction lens L2
Let 2 (r 2 ) be a super Gaussian, and calculate the shapes of the surface of the first lens (intensity conversion lens) L1 and the surface of the second lens L2 (phase correction lens) that can realize it by a geometrical optics method. Then, at the rear position d, the power uniformity is evaluated to determine the order m. The meaning of the following procedure will be described later.

【0065】a.強度変換レンズL1の曲面G(r)の
設計 微分方程式 (π−1−2)exp(−r/b)rdr=cexp{−(s/ω)2m }sds (17)
A. Design of curved surface G (r) of intensity conversion lens L1 Differential equation (π −1 b −2 ) exp (−r 2 / b 2 ) rdr = cexp {− (s / ω) 2m } sds (17)

【0066】を解いて、強度変換レンズL1の半径rと
位相補正レンズの半径sの関係を求める。強度変換レン
ズのrから出たビームが位相補正レンズの半径sの点に
至るという関係がある。rとsの関係がこれによって求
まる。
By solving, the relationship between the radius r of the intensity conversion lens L1 and the radius s of the phase correction lens is obtained. There is a relation that the beam emitted from r of the intensity conversion lens reaches the point of the radius s of the phase correction lens. This gives the relationship between r and s.

【0067】強度変換レンズL1の面の形状G(r)をThe shape G (r) of the surface of the intensity conversion lens L1 is

【0068】[0068]

【数21】 [Equation 21]

【0069】によって計算し決定する。Calculated and determined by

【0070】b.位相補正レンズL2の曲面H(s)の
設計 位相補正レンズL2の面の形状H(s)を
B. Design the curved surface H (s) of the phase correction lens L2

【0071】[0071]

【数22】 [Equation 22]

【0072】によって決定する。It is determined by

【0073】c.スーパーガウシアン次数mの決定 mが余分のパラメータである。ホモジナイザーの後方一
定距離dにおけるパワー均一性を評価基準として最適の
mを決定する。最適のmは、後方基準距離dによって異
なる。だから予め共通最適のmというものが存在しな
い。レンズの形状が決まってから波動光学的な手段によ
って後方一定距離dにおける均一性を評価する。
C. The decision m of the super Gaussian order m is an extra parameter. The optimum m is determined by using the power uniformity at a constant distance d behind the homogenizer as an evaluation criterion. The optimum m depends on the rear reference distance d. Therefore, there is no common optimum m in advance. After the shape of the lens is determined, the uniformity at the rearward constant distance d is evaluated by a wave optical means.

【0074】位相補正レンズの後面の振幅をA(x
)、位相をφ(x,y)とし、
The amplitude of the rear surface of the phase correction lens is A (x 1 ,
y 1 ) and the phase is φ (x 1 , y 1 ),

【0075】 φ(x,y)=1 (20) Φ (x 1 , y 1 ) = 1 (20)

【0076】 A(x,y)=cexp{−(s/ω)} (21) A (x 1 , y 1 ) = cexp {− (s / ω) m } (21)

【0077】 s=x +y (22) S 2 = x 1 2 + y 1 2 (22)

【0078】によって位相補正レンズ直後の初期条件を
与え、位相補正レンズより後方dの位置での振幅をA
(x,y)、位相をφ(x,y)とし
The initial condition immediately after the phase correction lens is given by, and the amplitude at the position d behind the phase correction lens is A
(X 2 , y 2 ), the phase is φ (x 2 , y 2 ) ,

【0079】[0079]

【数23】 [Equation 23]

【0080】によって計算し、後方dでの振幅の均一性
を評価することによってスーパーガウシアン次数mを5
〜50の間の一つの値に決定する。
The super Gaussian order m is set to 5 by evaluating the homogeneity of the amplitude in the backward d.
Decide on a single value between ~ 50.

【0081】[0081]

【発明の実施の形態】[A.レンズ設計方法(幾何光学
による)]図4によって本発明のレンズ系の設計方法を
説明する。図4には二つのレンズが示される。第1のレ
ンズL1は強度変換レンズである。それはガウスビーム
をほぼ均一分布であるスーパーガウシアン分布に変換す
るものである。先述の従来例でも強度変換レンズを用い
ているがそれは全くの均一分布(トップハット)にする
ものであった。本発明はそうでなくて均一に近いが完全
に均一でなくスーパーガウシアン分布とするのである。
強度変換レンズL1によってビームを曲げ第2レンズL
2の位相補正レンズの前面でスーパーガウシアン分布を
実現させる。位相補正レンズL2はパワー密度がほぼ一
定になったビームを平行ビームにするものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION [A. Lens Design Method (By Geometrical Optics)] A lens system design method of the present invention will be described with reference to FIG. Two lenses are shown in FIG. The first lens L1 is an intensity conversion lens. It transforms a Gaussian beam into a super-Gaussian distribution, which is a nearly uniform distribution. Although the above-mentioned conventional example also uses the intensity conversion lens, it has a completely uniform distribution (top hat). This is not the case for the present invention, which is not uniform but is not completely uniform and has a super Gaussian distribution.
The second lens L that bends the beam by the intensity conversion lens L1
A super Gaussian distribution is realized in front of the 2 phase correction lens. The phase correction lens L2 converts a beam having a substantially constant power density into a parallel beam.

【0082】だから強度変換レンズL1の設計は、ガウ
シアン分布をある一定距離離れた位相補正レンズL2前
面でスーパーガウシアンにするという作用があり、その
設計指針は明確である。中央部に局在したビームを広げ
るのであるから、強度変換レンズL1は中心付近では凹
レンズになる(額内r<R)。そこまでは先述の従来例
と同じである。しかし広がりのあるガウスビームをで
きるだけたくさん利用しようとするので、周辺部(額外
r>R)の光を中心方向へ屈折させる必要がある。
Therefore, the design of the intensity conversion lens L1 has an effect of making the Gaussian distribution super Gaussian in front of the phase correction lens L2 which is separated by a certain distance, and its design guideline is clear. Since the beam localized in the central portion is expanded, the intensity conversion lens L1 becomes a concave lens near the center (r <R in the forehead). Up to that point, it is the same as the above-mentioned conventional example. However, in order to utilize as many Gaussian beams as possible, it is necessary to refract light in the peripheral portion (outside the forehead r> R) toward the center.

【0083】そのために凹レンズに終わらずさらに周辺
部は薄くなり、強度変換レンズL1は断面図がB字に近
いものになる。その点で従来例と違う。周辺部の光を
有効利用するので位相補正レンズのRより外側でωより
内側の面の形状が極めて難しいことになる。
Therefore, not only the concave lens but also the peripheral portion is further thinned, and the intensity conversion lens L1 has a cross-section close to a letter B. In that respect, it differs from the conventional example. Since the light in the peripheral portion is effectively used, the shape of the surface outside R of the phase correction lens and inside ω is extremely difficult.

【0084】強度変換レンズL1によってパワーはほぼ
均一になるが、額外光も利用するからビームの方向が様
々である。それを平行ビームに補正する必要がある。傾
きのあるビームを補正して平行ビームに直すのが後段の
位相補正レンズである。
Although the power is made substantially uniform by the intensity conversion lens L1, the direction of the beam is various because extra-frame light is also used. It is necessary to correct it to a parallel beam. The phase correction lens in the latter stage corrects the tilted beam to convert it into a parallel beam.

【0085】位相補正レンズの方は、ほぼ均一のビーム
を平行ビームにするのだから中央部では凸レンズに近似
し、周辺部では凹周部を有する。位相補正レンズの断面
図形状は逆Bの字がたで、強度変換レンズと相補的な形
状になっている。
The phase-correcting lens has a substantially uniform beam formed into a parallel beam, and therefore has a concave portion at the peripheral portion and a convex lens portion at the central portion. The cross-sectional shape of the phase correction lens has an inverted B shape and is a shape complementary to the intensity conversion lens.

【0086】レーザからくる入射ビームI(r)はガ
ウスビームという仮定をする。だから中心からの距離r
だけの関数として入射ビームを記述できる。入射ビーム
(r)と書くことができる。強度変換レンズL1の
入力面は平坦面とする。出力面は凹凸があり、その凹凸
を半径rの関数としてG(r)と書く。その凹凸関数G
(r)によって中央のビームを広げ周辺のビームを中央
部へ引き込む。
It is assumed that the incident beam I 1 (r) coming from the laser is a Gaussian beam. So the distance r from the center
The incident beam can be described as a function of It can be written as the incident beam I 1 (r). The input surface of the intensity conversion lens L1 is a flat surface. The output surface has irregularities, and the irregularities are written as G (r) as a function of the radius r. The uneven function G
By (r), the central beam is expanded and the peripheral beams are drawn into the central portion.

【0087】丁度Lだけ離れた位相補正レンズHの前面
でほぼ均一分布のスーパーガウシアン分布I(s)と
なるようにする。sというのは位相補正レンズでの半径
方向座標である。位相補正レンズは前面が凹凸をもち、
後面は平坦面とする。位相補正レンズの前面の凹凸をH
(s)とする。結局、G(r)とH(s)を決めるのが
レンズ設計の目的だということになる。それは従来例
と共通するが額外光も集光し利用する点でと相違す
る。
The super Gaussian distribution I 2 (s) having a substantially uniform distribution is set on the front surface of the phase correction lens H which is separated by just L. s is a radial coordinate in the phase correction lens. The front of the phase correction lens has unevenness,
The rear surface is flat. H on the front surface of the phase correction lens
(S). After all, the purpose of lens design is to determine G (r) and H (s). Although it is common to the conventional example, it is different in that it also collects and uses extra-forehead light.

【0088】[A1.強度変換レンズL1の面形状G
(r)の計算]レーザビームをコリメータなどで適当に
広がった平行ビームに変換させる。それが入力分布I
(r)である。強度変換レンズL1でrの点でのビーム
が、Lだけ離れた位相補正レンズL2の前面でsの点に
屈折されるものとする。rとsの関係はそのようなもの
である。強度変換レンズによって、強度変換レンズでr
のビームが、位相補正レンズのsへ屈折される。強度変
換レンズでのrまでの入射ビームが、位相補正レンズの
中心からsまでのスーパーガウシアンI(s)となる
のだから、強度変換レンズ中心からrまでI(r)を
積分したものと、位相補正レンズ中心からsまでI
(s)を積分したものが恒に同一である。
[A1. Surface shape G of the intensity conversion lens L1
Calculation of (r)] A laser beam is converted into an appropriately spread parallel beam by a collimator or the like. That is the input distribution I 1
(R). It is assumed that the beam at the point r at the intensity conversion lens L1 is refracted at the point s on the front surface of the phase correction lens L2 separated by L. The relationship between r and s is such. R by the intensity conversion lens
Beam is refracted to s of the phase correction lens. Since the incident beam up to r in the intensity conversion lens becomes the super Gaussian I 2 (s) from the center of the phase correction lens to s, it is assumed that I 1 (r) is integrated from the center of the intensity conversion lens to r. , I from the center of the phase correction lens to s
The integral of 2 (s) is always the same.

【0089】[0089]

【数24】 [Equation 24]

【0090】これがビームパワー保存則である。ビーム
パワー保存則が強度変換レンズでの半径位置rと、位相
補正レンズので半径位置sの関係を与える。円周方向に
は同一の分布をもつと仮定しているから、角度方向に積
分してしまい2πが付いている。積分表示で書いている
が、積分記号をとって微分表示することもできる。
This is the law of conservation of beam power. The law of conservation of beam power gives the relationship between the radial position r in the intensity conversion lens and the radial position s in the phase correction lens. Since it is assumed that they have the same distribution in the circumferential direction, they are integrated in the angular direction and have 2π. Although it is written in the integral display, it is also possible to display the derivative by taking the integral symbol.

【0091】入射ビーム(レ−ザビームあるいはそれを
をコリメートしたもの)は広がりbが既知のガウスビー
ムである。それを
The incident beam (laser beam or its collimated beam) is a Gaussian beam having a known spread b. It

【0092】 I(r)=(bπ)−1exp(−r/b) (2 5) I 1 (r) = (b 2 π) −1 exp (−r 2 / b 2 ) (25)

【0093】となる。初めの(bπ)−1は規格化定
数である。ガウスビームは振幅の二乗がガウス関数とな
るのであって、振幅自体はexp(−r/b)の関数形
をもつ。
It becomes The first (b 2 π) −1 is a normalization constant. The square of the amplitude of the Gaussian beam is a Gaussian function, and the amplitude itself has a functional form of exp (-r / b).

【0094】変換後のスーパーガウシアンは次数mは5
〜50とするが、mはその間の一つの値に決める。ωは
広がり(ビームウエスト)であるが、それは所望の値を
予めきめておく。
The converted super Gaussian has an order m of 5
Although it is set to 50, m is set to a value in the range. ω is the divergence (beam waist), which is set to a desired value in advance.

【0095】 I(s)=cexp{−(s/ω)2m} (26) I 2 (s) = cexp {− (s / ω) 2m } (26)

【0096】cは規格化定数であり、(ωπ)−1
近い値であるが解析的に示すことができない。そのよう
な規格化定数は、I(r)、I(s)の0から無限
大までの積分が1になるようにするものであるが、別段
1にならずそのほかの共通の定数になるようにしてもよ
い。ビームパワーの保存を要求する(24)は右辺のガ
ウシアンは積分できる。右辺のスーパーガウシアンは解
析的に積分できないがコンピュータによって数値計算す
ることができる。
C is a normalization constant, which is a value close to (ω 2 π) −1 but cannot be analytically shown. Such a normalization constant is such that the integral of I 1 (r) and I 2 (s) from 0 to infinity is 1, but it is not special 1 but other common constants. It may be. In (24), which requires conservation of beam power, Gaussian on the right side can be integrated. The super Gaussian on the right side cannot be analytically integrated, but can be numerically calculated by a computer.

【0097】[0097]

【数25】 [Equation 25]

【0098】これがrとsの関係を決定する方程式であ
る。強度変換レンズの屈折作用のために、強度変換レン
ズの半径rの点を通過したビームがLだけ離れた位相補
正レンズのsの点を通るのだから、強度変換レンズの半
径rでのビームの内向き傾き角をΦとすると、
This is the equation that determines the relationship between r and s. Because of the refraction of the intensity conversion lens, the beam that has passed through the point of radius r of the intensity conversion lens passes through the point of s of the phase correction lens that is separated by L. If the tilt angle is Φ,

【0099】tanΦ=(s−r)/L (28)TanΦ = (s−r) / L (28)

【0100】である。これが二つのレンズ間でのビーム
角度を決める式である。
It is This is the formula that determines the beam angle between the two lenses.

【0101】強度変換レンズの前面で平行ビームだった
ものが後面の半径rの点での内向き傾斜角Φのビームに
なるのだから、図6は強度変換レンズでの光線の屈折角
の関係を示す。そのΦの傾きを与えるレンズの表面の内
向き勾配εを容易に求めることができる。スネルの法則
から
Since what is a parallel beam on the front surface of the intensity conversion lens becomes a beam with an inward inclination angle Φ at the point of the radius r on the rear surface, FIG. 6 shows the relationship between the refraction angles of the light rays on the intensity conversion lens. Show. The inward gradient ε of the lens surface that gives the inclination of Φ can be easily obtained. From Snell's law

【0102】 nsinε=sin(ε+Φ) (29)[0102] nsinε = sin (ε + Φ) (29)

【0103】という関係が成り立つ。nはレンズ屈折率
である。ここからrの点でのレンズ表面の内向き勾配ε
(r)を求めることができる。内向きの勾配ε(r)の
正接tanεが、強度変換レンズの表面G(r)の微分
に等しい
The following relationship holds. n is a lens refractive index. An inward gradient ε of the lens surface at a point r from here
(R) can be obtained. The tangent tan ε of the inward gradient ε (r) is equal to the derivative of the surface G (r) of the intensity conversion lens.

【0104】G(r)’=tanε (30)G (r) '= tan ε (30)

【0105】(29)からFrom (29)

【0106】[0106]

【数26】 [Equation 26]

【0107】(27)、(28)、(29)、(31)
から、rに関してG(r)の微分方程式が得られるか
ら、それを積分してG(r)の面の式を得ることができ
る。それは数値計算によって正確にできる。見通しをよ
くするために、近似式を作ってみると。
(27), (28), (29), (31)
From, a differential equation of G (r) with respect to r is obtained, which can be integrated to obtain the equation of the surface of G (r). It can be done accurately by numerical calculation. Try to make an approximate formula to improve the visibility.

【0108】[0108]

【数27】 [Equation 27]

【0109】というようになる。これをrによって積分
することによって強度変換レンズの後面の形状G(r)
を計算することができる。(32)において(n−1)
Lは定数で、変数は(s−r)であるが、sをrの関数
として与える式は(24)、(27)である。
It becomes like this. By integrating this by r, the shape G (r) of the rear surface of the intensity conversion lens
Can be calculated. In (32), (n-1)
L is a constant and the variable is (s−r), but the equations that give s as a function of r are (24) and (27).

【0110】[0110]

【数28】 [Equation 28]

【0111】これによって強度変換レンズの面形状が決
定される。額内(r<D)では強度変換レンズはビーム
を発散させるのだからr<sである。額輪r=Rでs=
rであり前述の従来例は額輪半径Rをレンズの半径D
に等しくしている。だからr<sの範囲だけで積分の計
算をしている。額輪でレンズ面は軸線に直交する。G’
(R)=0。
As a result, the surface shape of the intensity conversion lens is determined. Within the forehead (r <D), the intensity conversion lens diverges the beam, so r <s. Forehead ring r = R and s =
r is the radius of the forehead ring R is the radius of the lens D
Is equal to. Therefore, the integral is calculated only in the range of r <s. The lens surface of the forehead is orthogonal to the axis. G '
(R) = 0.

【0112】本発明はそうでなくて額外(r>D)まで
も計算にいれており、そのときはr>sである。入射ガ
ウスビームは額外にひろがりその寄与が長く残る。
The present invention is not so, and even the amount outside the frame (r> D) is included in the calculation, and then r> s. The incident Gaussian beam spreads out of the forehead and its contribution remains for a long time.

【0113】[A2.位相補正レンズL2の面形状H
(s)の計算]位相補正レンズは前面が傾斜面H(s)
で後面は平坦面である。図7は位相補正レンズの屈折角
の関係を示す。前面に角度Φで半径sの点に入射してき
た光を屈折させて平行ビームにすればよい。Φの傾きの
ものを平行ビームにするのだから面の内外向き傾斜角を
ηとすると、スネルの法則から
[A2. Surface shape H of the phase correction lens L2
Calculation of (s)] The front surface of the phase correction lens is an inclined surface H (s)
The rear surface is flat. FIG. 7 shows the relationship between the refraction angles of the phase correction lens. Light incident on the front surface at an angle Φ and a radius of s may be refracted into a parallel beam. Since a beam with an inclination of Φ is made into a parallel beam, if the inward and outward inclination angle of the surface is η, from Snell's law

【0114】 nsinη=sin(Φ+η) (34)[0114] nsin η = sin (Φ + η) (34)

【0115】が成り立つ。位相補正レンズの前面の形状
をH(s)とする。これは窪みの形状であり高さではな
い。窪み形状を求めるようにするとG(r)とH(s)
が相補的になりわかりやすい。その微分のマイナスがη
の正接に等しい。
The following holds. The shape of the front surface of the phase correction lens is H (s). This is the shape of the depression, not the height. G (r) and H (s) can be obtained by finding the shape of the depression.
Is complementary and easy to understand. The negative of the derivative is η
Is equal to the tangent of.

【0116】[0116]

【数29】 [Equation 29]

【0117】これも正確な式であり、(27)、(2
8)、(29)、(31)から、r、s、Φ、をsの関
数として求め、sによって積分すれば正確な位相補正レ
ンズの形状が求められる。これも近似式を与えておこ
う。
This is also an accurate expression, and (27), (2
From 8), (29), and (31), r, s, and Φ are obtained as a function of s, and integrated by s, the accurate shape of the phase correction lens is obtained. I will give an approximate expression for this as well.

【0118】[0118]

【数30】 [Equation 30]

【0119】これをsによって積分することによって、
位相補正レンズの前面の形状を決定することができる。
sに対するrの関係は(15)によって与えられる。
By integrating this by s,
The shape of the front surface of the phase correction lens can be determined.
The relationship of r to s is given by (15).

【0120】[0120]

【数31】 [Equation 31]

【0121】こうして強度変換レンズ、位相補正レンズ
の面の形状G(r)、H(s)が計算される。解析的な
関数にならないのでそれらは非球面レンズの表現によっ
て表す。非球面レンズの式は球面成分と偶数次非球面成
分A,A、…の和によって曲面を表現するが、球面
成分を0として、非球面成分だけで表現するとすればそ
れは単にG(r)をrの偶数次多項式(G(r)=ΣA
2m)として表現しているという事に過ぎない。偶
数次であるのはレンズは軸線に対して対称で奇数次成分
が0だからである。多項式の次数と近似の次数は同一に
なる。多項式の数が多ければ多いほど精度が高くなる
が、計算の時間も多大になる。だから曲面は非球面レン
ズ表現として、適当な有限の次数の多項式で表現する。
Thus, the surface shapes G (r) and H (s) of the intensity conversion lens and the phase correction lens are calculated. Since they are not analytic functions, they are represented by the aspherical lens representation. The expression of an aspherical lens expresses a curved surface by the sum of a spherical surface component and even-ordered aspherical surface components A 2 , A 4 , ... If the spherical surface component is represented by 0 and it is expressed only by the aspherical surface component, it is simply G (r ) Is an even polynomial of r (G (r) = ΣA
It is only expressed as m r 2m ). The lens is even-ordered because the lens is symmetric with respect to the axis and the odd-ordered component is zero. The polynomial order and the approximation order are the same. The greater the number of polynomials, the higher the accuracy, but the longer the calculation time. Therefore, the curved surface is expressed by a polynomial of an appropriate finite degree as an aspherical lens expression.

【0122】(33)と(37)は良く似た式である。
積分の変数がrかsかの違いにすぎない。これは強度変
換レンズのr点ででたビームは位相補正レンズのsに到
るとする場合、その面での勾配が同一だということであ
る。だから強度変換レンズと位相補正レンズが相補的な
形状になるのである。しかしr=sでないから完全にぴ
ったり凹凸がはまりこむというのではなくて、対向面が
良く似ているということである。
(33) and (37) are very similar expressions.
The only difference is whether the integration variable is r or s. This means that if the beam at point r of the intensity conversion lens reaches s of the phase correction lens, the gradient on that surface is the same. Therefore, the intensity conversion lens and the phase correction lens have complementary shapes. However, since r = s is not true, the irregularities do not fit perfectly, but the opposing surfaces are very similar.

【0123】これについても前述の従来例は額内(r
<D)だけの計算をしているので、s<rである。額輪
r=Dがレンズの半径に一致するから、そこで計算を中
止している。額輪Dでは面は軸線に直交する。H’
(R)=0。額外(r>R)からの寄与もこれに入って
くる。入射ガウスビームは広がっているから額外からの
寄与がいつまでも残るのであるが、強度変換レンズの場
合はrがそのまま増えるだけだから曲面の狂いは少なく
誤差も小さい。しかし位相補正レンズの場合はdrの増
加分に対し、dsの増加分が極めて少ないからその少な
い部分にガウスビーム入力の殆どがあたりそれを平行に
するという困難がある。
Also in this case, the above-mentioned conventional example is within the frame (r
Since only <D) is calculated, s <r. Since the forehead ring r = D coincides with the radius of the lens, the calculation is stopped there. On the forehead D, the plane is orthogonal to the axis. H '
(R) = 0. This also includes contributions from outside the frame (r> R). Since the incident Gaussian beam is divergent, the contribution from outside the forehead remains forever, but in the case of the intensity conversion lens, r simply increases as it is, and the error of the curved surface is small and the error is small. However, in the case of the phase correction lens, since the increment of ds is extremely small with respect to the increment of dr, most of the Gaussian beam input hits the small portion and it is difficult to make it parallel.

【0124】だから位相補正レンズのR<s≦ωあたり
での微係数H(s)’が極めて大きくなり、狂いがでて
誤差も大きくなる。実は100mm伝搬位置での分布の
乱れは位相補正レンズのR<s≦ωあたりでのH(s)
の誤差が原因だろうと思われる。(33)と(37)は
形が似ているが、sがωのあたりでの挙動が全く違うの
である。位相補正レンズのR<s≦ωでの誤差が問題
で、スーパーガウシアンの採用によってその誤差が緩和
されるということである。本発明の意味は実は位相補正
レンズのR<s≦ωのあたりでの精度があがり易いの
で、位相補正レンズ後方距離dの伝搬後の均一性に優れ
るのである。
Therefore, the differential coefficient H (s) 'around R <s ≦ ω of the phase correction lens becomes extremely large, causing a deviation and an error. In fact, the disturbance of the distribution at the 100 mm propagation position is H (s) around R <s ≦ ω of the phase correction lens.
It seems that the error is due to. The shapes of (33) and (37) are similar, but the behavior when s is around ω is completely different. The error of R <s ≦ ω of the phase correction lens is a problem, and the adoption of Super Gaussian reduces the error. The meaning of the present invention is that the accuracy of the phase correction lens around R <s ≦ ω is likely to increase, so that the uniformity of the back distance d of the phase correction lens after propagation is excellent.

【0125】[B.波動光学による回折の解析]スーパ
ーガウシアンの次数mを決めると、上述の幾何光学的に
手法によって強度変換レンズと位相補正レンズのレンズ
面の形状を完全に決めることができる。しかしここで問
題にするのは、位相補正レンズの後方50mmとか10
0mmでのパワー分布である。位相補正レンズでは綺麗
なステップ型(トップハット)のパワー分布になってい
たとしても、その後方100mmで均一パワー分布でな
いというのではレーザ加工用ビームとして望ましくな
い。
[B. Analysis of Diffraction by Wave Optics] When the order m of Super Gaussian is determined, the shapes of the lens surfaces of the intensity conversion lens and the phase correction lens can be completely determined by the geometrical optics method described above. However, the problem here is 50 mm behind the phase correction lens or 10
It is a power distribution at 0 mm. Even if the phase correction lens has a clean step type (top hat) power distribution, it is not desirable as a beam for laser processing if the power distribution is not uniform 100 mm behind it.

【0126】均一分布(トップハット型)から分布が不
均一に乱れるのは回折のためであろうと本発明者は考え
る。回折によってパワー分布が均一から不均一分布にな
ってしまうのであろうとおもう。
The inventor considers that the uneven distribution of the distribution from the uniform distribution (top hat type) may be due to diffraction. I think that the power distribution will change from uniform to non-uniform due to diffraction.

【0127】これまでの幾何光学的な考察では、光線を
追跡するのであるから回折の影響を論ずることができな
い。レンズの後方で実際にパワー分布がどうなるのか?
つまり光の振幅がどうなるのかということは幾何光学で
はわからない。
In the conventional geometrical optics consideration, since the ray is traced, the influence of diffraction cannot be discussed. What actually happens to the power distribution behind the lens?
In other words, geometric optics does not know what the amplitude of light will be.

【0128】回折によってパワーが光路方向にどのよう
に変動するかということは波動光学によらなければわか
らないと、本発明者は思う。
The present inventor thinks that it is not possible to know how the power varies in the optical path direction due to diffraction without using wave optics.

【0129】波動光学はホイヘンスの原理に基づくもの
であり、ある平面で振幅が分かっていればその後方での
任意の位置の光の振幅を波動の重ね合わせとして与える
ものである。原理は単純であるが計算は容易でない。ま
た境界条件を与えるのが難しい。レンズは厚みがあるか
らレンズから出た光の振幅を扱うにはレンズ面に沿った
境界条件を与えるべきである。
The wave optics is based on the Huygens principle, and if the amplitude is known on a certain plane, the amplitude of light at an arbitrary position behind it is given as a superposition of waves. The principle is simple, but the calculation is not easy. It is also difficult to give boundary conditions. Since the lens is thick, boundary conditions along the lens surface should be given in order to handle the amplitude of light emitted from the lens.

【0130】図10(a)は幾何光学の解析、図10
(b)は波動光学の解析を示す。図10(a)のように
幾何光学によれば、レンズの厚みも正しく評価すること
ができる。厚みを正しく評価できるから位相変化を厳密
に計算することができる。しかし光線解析であるから位
相補正レンズの後での回折を評価することができない。
図10(b)のように波動光学によると、位相補正レン
ズの後での回折現象をより正確に記述でき望ましい。し
かし波動光学だけによって伝搬解析するのは難しい。
FIG. 10A is a geometrical optics analysis, FIG.
(B) shows an analysis of wave optics. According to the geometrical optics as shown in FIG. 10A, the thickness of the lens can be correctly evaluated. Since the thickness can be evaluated correctly, the phase change can be calculated exactly. However, since it is a ray analysis, the diffraction after the phase correction lens cannot be evaluated.
According to the wave optics as shown in FIG. 10B, it is desirable that the diffraction phenomenon after the phase correction lens can be described more accurately. However, it is difficult to analyze the propagation only by wave optics.

【0131】図11のように位相補正レンズでコリメー
トしたとき、波動光学ではレンズの厚みを0として扱う
ので、図11の破線の部分で、位相が同一で強度がスー
パーガウシアンという扱いをする。しかし実際には、レ
ンズにはサグ(切削深さ)があってそれによる影響が特
にレンズの外周部で顕著に現れるのである。だから波動
光学手法はレンズは厚みを0として初期の境界面を平坦
面とする。原理的にはレンズ面に沿った境界条件を与え
て計算すればよいのであるが、それは難しい。
When collimating with a phase correction lens as shown in FIG. 11, the wave optics treats the lens thickness as 0. Therefore, in the broken line portion of FIG. 11, the phase is the same and the intensity is super Gaussian. However, in reality, the lens has a sag (cutting depth), and the influence of the sag is remarkable particularly in the outer peripheral portion of the lens. Therefore, in the wave optics method, the lens has a thickness of 0 and the initial boundary surface is a flat surface. In principle, calculation should be performed by giving a boundary condition along the lens surface, but that is difficult.

【0132】いくつかの原因がある。計算そのものも難
しいし、複雑な曲率をもつレンズ面を単純な境界条件と
して与えるのは難しい。そのために波動光学の計算はレ
ンズを厚みのない1枚の平面をみなして、そこから出発
した光の振幅の変化の重ね合わせによって計算するとい
うことにならざるをえない。
There are several causes. The calculation itself is difficult, and it is difficult to give a lens surface having a complicated curvature as a simple boundary condition. For this reason, wave optics must be calculated by considering the lens as a single plane with no thickness, and superimposing changes in the amplitude of light starting from the plane.

【0133】だから波動光学の計算によってレンズ面を
決定する式を得る事ができない。レンズ面の決定は既に
述べたように幾何光学的な手法によって求める。空間座
標において光を定義するには振幅を位相を決める必要が
ある。本発明では位相補正レンズの後100mmとか5
0mmでの光を評価するために、波動光学によって振幅
を、幾何光学によって位相を決める。
Therefore, the equation for determining the lens surface cannot be obtained by the wave optics calculation. The lens surface is determined by the geometrical optics method as described above. To define light in spatial coordinates, it is necessary to determine the amplitude and phase. In the present invention, 100 mm or 5 after the phase correction lens
To evaluate the light at 0 mm, the amplitude is determined by wave optics and the phase is determined by geometric optics.

【0134】先述にように幾何光学手法で、強度変換レ
ンズ、位相補正レンズを設計できる。しかしそれはなお
一つのパラメータmをもっていた。それはスーパーガウ
シアンの次数mである。だから幾何光学的にレンズG
(r)、H(s)を決めたといってもなおmが自由度パ
ラメータとして存在する。更に進んで、どのmが最適な
のか?という評価をしなくてはならない。それは回折に
よって100mm後とか50mm後(一般に後方dの位
置)でもパワー分布に乱れが発生しないという評価基準
によって評価するべきである。
As described above, the intensity conversion lens and the phase correction lens can be designed by the geometrical optics method. But it still had one parameter m. It is of super Gaussian order m. So geometrically lens G
Even if (r) and H (s) are determined, m still exists as a degree of freedom parameter. Going further, which m is optimal? Must be evaluated. It should be evaluated by an evaluation criterion that the power distribution is not disturbed even after 100 mm or 50 mm (generally, the position at the rear d) due to diffraction.

【0135】その評価はもちろん妥当なものであるが、
実際にパワーを光検出器で測定するとするにはいろいろ
な次数mのスーパーガウシアンをもつレンズを実際に製
作し、レーザビームを通して位相補正レンズの後100
mmでのパワーを測定するということになる。そのため
に実際にレンズを製作しなければならない。
The evaluation is, of course, valid,
In order to actually measure the power with a photodetector, lenses having super Gaussians of various orders m are actually manufactured, and a laser beam is passed through the phase correction lens to obtain 100
This means measuring the power in mm. Therefore, the lens has to be actually manufactured.

【0136】炭酸ガスレ−ザの赤外ビーム(10.6μ
m)を通すレンズは通常のガラスでは吸収が多く役にた
たない。赤外で吸収の少ないZnSeをレンズ材料とし
て使うことになる。ZnSeは多結晶でよいが、これは
作りにくい材料であり高価なレンズとなる。それを次数
mのことなるごとにたくさん製作してレーザパワー分布
を実測するということは難しい。
Infrared beam of carbon dioxide laser (10.6 μ
A lens that passes through m) is not so useful in ordinary glass because of its large absorption. ZnSe, which has little absorption in the infrared, will be used as a lens material. Although ZnSe may be polycrystalline, it is a material that is difficult to make and is an expensive lens. It is difficult to measure a laser power distribution by making a lot of it every order m.

【0137】計算によって位相補正レンズ後方100m
mでのパワー分布を求めたいものである。そのような計
算を波動光学的な手法によって実行する。つまり本発明
はレンズの設計には幾何光学を用い、レンズの評価には
波動光学を用いる、という相補的な手法を採用しようと
するものである。
100 m behind the phase correction lens by calculation
We want to find the power distribution at m. Such a calculation is performed by a wave-optical method. That is, the present invention intends to adopt a complementary method in which geometrical optics is used for lens design and wave optics is used for lens evaluation.

【0138】レンズの設計も評価も幾何光学だけ、ある
いは波動光学だけでできれば一貫性があってよいのであ
るが、波動光学には曲面レンズを取り扱うのが難しいと
いう欠点があり、レンズの面の設計には使えない。幾何
光学はビームを追跡するだけだからレンズ後方でのパワ
ー分布の計算には不適である。
The design and evaluation of the lens may be consistent if they can be made only by geometrical optics or only wave optics, but wave optics has a drawback that it is difficult to handle a curved lens, and the design of the lens surface is difficult. Can not be used for. Since geometrical optics only traces the beam, it is not suitable for calculating the power distribution behind the lens.

【0139】そのようなわけでレンズの評価に波動光学
を利用しようとするのである。波動光学によって位相補
正レンズの後方、任意の距離における光のパワー分布を
容易に計算することができる。後方でもトップハット型
の分布が保持されるのが望ましいのであるが、それを波
動光学によって計算することができる。スーパーガウシ
アンの次数mがパラメータとして残っているから、どの
ようなmが最適かということを波動光学的な計算によっ
て求めることができるというわけである。
Therefore, the wave optics is used to evaluate the lens. With the wave optics, the power distribution of light at an arbitrary distance behind the phase correction lens can be easily calculated. It is desirable that the top-hat distribution be retained even in the rear, which can be calculated by wave optics. Since the order m of Super Gaussian remains as a parameter, it is possible to obtain what kind of m is optimum by wave optics calculation.

【0140】図9は波動光学解析におけるビーム伝搬を
示す説明図である。ビームの伝搬方向をz方向とする。
z軸に直交する面1、面2を想定する。面1、面2はz
方向にdだけは離れた二つの面(xy面)である。面1
の振幅をA(x,y)、面2での振幅をA(x
)とし、面1の位相をφ(x、y)、面2の位
相をφ(x,y)とする。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing beam propagation in wave optical analysis. The propagation direction of the beam is the z direction.
A plane 1 and a plane 2 orthogonal to the z axis are assumed. Surface 1 and surface 2 are z
In the direction, only d is two planes (xy plane) that are separated from each other. Surface 1
Is A (x 1 , y 1 ), and the amplitude on the surface 2 is A (x 2 ,
y 2 ), the phase of surface 1 is φ (x 1 , y 1 ), and the phase of surface 2 is φ (x 2 , y 2 ).

【0141】キルヒホッフ・ホイヘンスの式はいくらか
の近似をして
The Kirchhoff-Huygens formula can be approximated by some

【0142】[0142]

【数32】 [Equation 32]

【0143】 U(x,y)=A(x,y)exp{jφ(x,y)}(39) U (x 1 , y 1 ) = A (x 1 , y 1 ) exp {jφ (x 1 , y 1 )} (39)

【0144】 U(x,y)=A(x,y)exp{jφ(x,y)}(40) U (x 2 , y 2 ) = A (x 2 , y 2 ) exp {jφ (x 2 , y 2 )} (40)

【0145】という関係を与える。A(x,y)は振幅
であり、φ(x,y)は位相である。このような式によ
って位相補正レンズの後方100mmを評価面として、
評価面でのパワー分布を波動光学によって解析する。評
価面は100mmと限定されず、目的によって位相補正
レンズの後方200mmだったり50mmだったりす
る。実際に位相補正レンズの後方どれだけの距離に被処
理物を置くかということによって評価面が変わる(位相
補正レンズと評価面との距離dが変わる)。
The following relationship is given. A (x, y) is the amplitude and φ (x, y) is the phase. With such an expression, 100 mm behind the phase correction lens as an evaluation surface,
The power distribution on the evaluation surface is analyzed by wave optics. The evaluation surface is not limited to 100 mm, and may be 200 mm or 50 mm behind the phase correction lens depending on the purpose. The evaluation surface changes depending on how much distance the object to be processed is actually placed behind the phase correction lens (the distance d between the phase correction lens and the evaluation surface changes).

【0146】位相補正レンズ後面を面2としてここで位
相が揃っており、振幅はスーパーガウシアン分布をして
いるとする。
It is assumed that the rear surface of the phase correction lens is the surface 2 where the phases are aligned and the amplitude has a super Gaussian distribution.

【0147】 (位相補正レンズの後面A(x,y)) φ(x,y)=0 (41) A(x,y)=cexp{−(s/b)2m} (42)(Rear surface of phase correction lens A (x 1 , y 1 )) φ (x 1 , y 1 ) = 0 (41) A (x 1 , y 1 ) = cexp {− (s / b) 2m } (42)

【0148】 (位相補正レンズの後ろ100mmの面A(x,y;評価面) φ(x,y) (43) A(x,y) (44)(Surface A (x 2 , y 2 ; Evaluation Surface) 100 mm Behind the Phase Correction Lens φ (x 2 , y 2 ) (43) A (x 2 , y 2 ) (44)

【0149】という関係にある。d=100mmとし
て、式(38)〜(40)に、(41)、(42)を代
入して、A(x,y)での振幅、位相を求めること
ができる。その振幅や位相からビームパワーの均一性を
評価する。あまりに不均一であるとビームホモジナイザ
ーとして不適である。実際の使用に耐える程に均一性が
あればそれは合格ということになる。実際にレンズを製
作したのは多くないが、波動光学的な手法によって10
0mm伝搬位置での均一性を評価してスーパーガウシア
ンの次数mが5〜50であれば、100mm伝搬位置で
もパワーは均一であることがわかった。
There is a relationship of By setting d = 100 mm and substituting (41) and (42) into the equations (38) to (40), the amplitude and phase at A (x 2 , y 2 ) can be obtained. The uniformity of the beam power is evaluated from the amplitude and phase. If it is too uneven, it is not suitable as a beam homogenizer. If it is uniform enough to withstand actual use, it is a pass. There are not many lenses actually manufactured, but it is possible to use 10
The uniformity at the 0 mm propagation position was evaluated, and it was found that the power was uniform even at the 100 mm propagation position if the super Gaussian order m was 5 to 50.

【0150】50を超えるとトップハット(r<wで一
定値I、r>wで0)に近くなって不連続性のために1
00mm伝搬位置での分布が図2(b)のように不均一
になってしまう。mが5以下だとビームは中央で高密
度、周辺で低密度という密度差が顕著になってレーザ加
工を良好に行えないことがある。だからスーパーガウシ
アンの次数mは5〜50が望ましい。実際に次数mをど
うするのか?ということは位相補正レンズの後方どれだ
けの距離dに被処理物を実際に置くのかということによ
って決めるべきである。
When it exceeds 50, the value becomes close to the top hat (a constant value I when r <w, 0 when r> w) and 1 for discontinuity.
The distribution at the 00 mm propagation position becomes non-uniform as shown in FIG. If m is 5 or less, the density of the beam is high in the center and low in the periphery, and the density difference is significant, and laser processing may not be performed well. Therefore, the order m of Super Gaussian is preferably 5 to 50. What to do with the order m? This should be decided depending on how much distance d behind the phase correction lens the object is actually placed.

【0151】[C.幾何光学による位相補正レンズ、強
度変換レンズのより詳しい設計方法]目的パワー密度を
スーパーガウシアンとした場合でも、r=ωのあたりで
の位相補正レンズの曲面の計算に誤差がでやすい。それ
は入射ガウスビームが額外(r>R)に広く広がってお
りそれらを集光させて位相補正レンズの狭いr=ωの近
傍で全部を平行光に変換しようとするからである。その
場合に本来近似式である(37)を使うのが良くないの
である。位相補正レンズの全体の計算は正確な式による
か、位相補正レンズのr=ωの近傍だけでも正確な式に
よって積分計算をすれば100mm伝搬位置での不均一
の問題がさらに緩和される。正確な式をここに導くよう
にする。
[C. More detailed design method of phase correction lens and intensity conversion lens by geometrical optics] Even when the target power density is Super Gaussian, an error is likely to occur in the calculation of the curved surface of the phase correction lens around r = ω. This is because the incident Gaussian beam spreads widely outside the forehead (r> R) and they are condensed to try to convert them all into parallel light near the narrow r = ω of the phase correction lens. In that case, it is not good to use (37) which is originally an approximate expression. The whole calculation of the phase correction lens is performed by an accurate formula, or the integral calculation is performed by an accurate formula even only in the vicinity of r = ω of the phase correction lens, so that the problem of nonuniformity at the 100 mm propagation position is further alleviated. Try to lead the exact formula here.

【0152】式(28)、スネルの法則(34)、(3
5)は正確な表現である。それを(36)に近似するの
はsinΦをtanΦと同視し、cosΦを1とみなし
ているということでかなり荒い近似なのである。それは
強度変換レンズでも同じことなのである。r−sが小さ
い内はまあまあ良い近似であるが、r−sが大きい場合
もある。額内でも強度変換レンズの勾配が大きいとき、
額外のrの大きい時などである。r−sが大きくなると
前の項を無視できず、それを無視して計算したものは誤
差が出てくるのである。
Equation (28), Snell's law (34), (3
5) is an accurate expression. The approximation of (36) with sin Φ is regarded as tan Φ and cos Φ is regarded as 1, which is a fairly rough approximation. The same applies to intensity conversion lenses. A small rs is a good approximation, but rs may be large in some cases. When the gradient of the intensity conversion lens is large even within the forehead,
For example, when r is large outside the frame. If r-s becomes large, the previous term cannot be ignored, and an error will occur in the calculation calculated by ignoring it.

【0153】近似をなくしてより正確な式を立てたい。
それは位相を揃えるという位相補正レンズの原点に基づ
く限定からなされる。強度変換レンズ前面から位相補正
レンズの後面までの光学距離は一定の筈である。強度変
換レンズのr点から位相補正レンズのs点までの直線距
離をuとする。それはrsを結ぶ直線が軸線とΦの角度
をなし、高さが(s−r)なのであるから
I would like to formulate a more accurate formula by eliminating the approximation.
It is made by the limitation based on the origin of the phase correction lens that the phases are aligned. The optical distance from the front surface of the intensity conversion lens to the rear surface of the phase correction lens should be constant. Let u be the linear distance from the r point of the intensity conversion lens to the s point of the phase correction lens. Because the straight line connecting rs makes an angle of Φ with the axis and the height is (s-r).

【0154】 u=(s−r)cosecΦ (45)[0154] u = (s−r) cosecΦ (45)

【0155】である。強度変換レンズの前面から位相補
正レンズの後面までの距離をL+qとする。強度変換レ
ンズの後面から位相補正レンズの前面までの軸線距離は
Lである。qが軸線上(r=0,s=0)での強度変換
レンズ、位相補正レンズの厚みの和である。軸線上の光
学距離(屈折率×距離の和)は、L+nqである。強度
変換レンズのr点からΦの角度をなして飛び、位相補正
レンズのs点にゆく光はr点とs点の距離uは自由空間
を伝搬し、L+q−ucosΦはレンズ中を伝搬するこ
とになる。r,s点を経る光学距離はu+n(L+q−
ucosΦ)となる。それらが等しいのであるから
It is The distance from the front surface of the intensity conversion lens to the rear surface of the phase correction lens is L + q. The axial distance from the rear surface of the intensity conversion lens to the front surface of the phase correction lens is L. q is the sum of the thicknesses of the intensity conversion lens and the phase correction lens on the axis (r = 0, s = 0). The optical distance on the axis (refractive index × distance) is L + nq. Light that travels at an angle of Φ from the r point of the intensity conversion lens and travels to the s point of the phase correction lens propagates in free space at the distance u between the r point and the s point, and L + q-ucosΦ propagates in the lens. become. The optical distance through the points r and s is u + n (L + q-
ucosΦ). Because they are equal

【0156】 u+n(L+q−ucosΦ)=L+nq (46)[0156] u + n (L + q-ucosΦ) = L + nq (46)

【0157】これが本当の位相補正である。This is the true phase correction.

【0158】[0158]

【数33】 [Expression 33]

【0159】つまりThat is,

【0160】[0160]

【数34】 [Equation 34]

【0161】これと(35)式から近似のない正確な式
を求めることができる。(35)を二乗して、
From this and the equation (35), an accurate equation without approximation can be obtained. Square (35),

【0162】[0162]

【数35】 [Equation 35]

【0163】平方根にしてsで積分すると位相補正レン
ズの曲面H(s)を得る。
A curved surface H (s) of the phase correction lens is obtained by taking the square root and integrating with s.

【0164】(a)s≦R(額内)であれば、位相補正
レンズは
(A) If s ≦ R (within forehead), the phase correction lens is

【0165】[0165]

【数36】 [Equation 36]

【0166】であるし、[0166]

【0167】(b)額外(s>R)であれば、位相補正
レンズは、
(B) If the amount is outside the frame (s> R), the phase correction lens

【0168】[0168]

【数37】 [Equation 37]

【0169】となる。位相補正レンズの正確な式は(5
0)、(51)のようになる。これは位相が揃うという
条件を入れた正確な式である。それを(37)のような
近似をしていたというわけである。s−rが大きいとき
にかなりの誤差を発生する。僅かな誤差でも積分するか
ら段々に増えてゆく。それが積み重なって大きい誤差を
生じたと考えることができる。
It becomes: The exact formula of the phase correction lens is (5
It becomes like 0) and (51). This is an accurate expression with the condition that the phases are aligned. That is, it was approximated as in (37). A large error occurs when s-r is large. Since even a slight error is integrated, it gradually increases. It can be considered that they accumulated and caused a large error.

【0170】(50)や(51)の被積分関数の分母に
おいて、レンズの中心付近でr、sが小さくs−rが小
さいと後ろの項が大きいので、前のn−1を無視でき
たのであるが、中心から外れs−rがかなり大きい正数
になるとn−1を無視するのは正しくない。またs、
rが額輪を越えるとs−rがかなり大きい負数になる。
すると前のn−1を無視できず、曲面積分H(s)に
影響を持つようになってくるのである。可視光の石英な
どではn=1.4だからn−1=1程度で小さいが、
赤外光のためのZnSeではn=2.4程度もあるか
ら、n−1=4.7ぐらいでかなり大きい値になり無
視できない。
In the denominator of the integrand of (50) or (51), if r and s are small and s-r is small near the center of the lens, the rear term is large, so the previous n 2 -1 can be ignored. However, it is not correct to ignore n 2 -1 when the center-of-center s-r becomes a large positive number. Also s,
When r exceeds the ring, s-r becomes a large negative number.
Then, the previous n 2 −1 cannot be ignored, and the surface integral H (s) is affected. In the case of visible light such as quartz, n = 1.4, so n 2 −1 = 1 is small, but
Since ZnSe for infrared light has a value of about n = 2.4, it becomes a considerably large value at about n 2 −1 = 4.7 and cannot be ignored.

【0171】だから額輪(s=R)に近い領域や額外
(s>R)での計算では近似式でなくて(50)、(5
1)の式を用いるべきなのである。sとrの関係は(2
7)によって与えられる。(50)、(51)はやや計
算しにくい形をしているが、コンピュータを用いるなら
簡単に計算できる。これは位相が揃うようにという条件
を課して求めた正確な式であり近似を含まない。この計
算によって設計すると、位相が位相補正レンズの後面で
完全に揃っているから100mm伝搬位置でのビーム乱
れはよほど軽減されるはずである。
Therefore, in the calculation in a region close to the forehead ring (s = R) or outside the frame (s> R), it is not an approximate expression (50), (5
The formula in 1) should be used. The relation between s and r is (2
Given by 7). Although (50) and (51) are slightly difficult to calculate, they can be easily calculated by using a computer. This is an accurate expression obtained by imposing a condition that the phases are aligned and does not include approximation. When designed by this calculation, since the phases are perfectly aligned on the rear surface of the phase correction lens, the beam turbulence at the 100 mm propagation position should be greatly reduced.

【0172】そのような近似計算による誤差が影響を持
つという点では強度変換レンズにおいてむしろ重大な問
題を発生する。僅かな面角度のズレでもビーム角度Φが
ずれるが、それがレンズ間距離Lによって拡大され、位
相補正レンズ面ではLΔΦの誤差を発生するからであ
る。強度変換レンズL1でも曲面G(r)の正確な式は
位相補正レンズと同じような式になり、
In the point that the error due to such an approximate calculation has an influence, a rather serious problem occurs in the intensity conversion lens. This is because the beam angle Φ shifts even with a slight deviation of the surface angle, but it is expanded by the inter-lens distance L, and an error of LΔΦ occurs on the phase correction lens surface. Even in the intensity conversion lens L1, the accurate expression of the curved surface G (r) is similar to that of the phase correction lens,

【0173】(c)r≦R(額内)であれば、強度変換
レンズは
(C) If r ≦ R (within forehead), the intensity conversion lens is

【0174】[0174]

【数38】 [Equation 38]

【0175】であるし、(b)額外(r>R)であれ
ば、強度変換レンズは
If (b) out of the frame (r> R), the intensity conversion lens is

【0176】[0176]

【数39】 [Formula 39]

【0177】となる。強度変換レンズの正確な式は(5
2)、(53)のようになる。それを(33)のような
近似をしていたというわけである。それはあくまで近似
で、僅かな誤差を含みそれが積み重なって大きい誤差を
生じたと考えることができる。
It becomes: The exact formula of the intensity conversion lens is (5
2) and (53). That is, it was approximated by (33). It is only an approximation, and it can be considered that a small error is included and they are accumulated to generate a large error.

【0178】従来例のホモジナイザーの後方伝搬位置
で不均一になる原因は、回折の影響もあろうが、むしろ
主な原因は近似計算による誤差の積み重ねであろうと考
えられる。すると目的ビーム分布Iをスーパーガウシ
アンとしてIの連続性を高めるだけでなく、正確な積
分式によってレンズの曲面G(r)、H(s)を計算す
ることによって綺麗に位相が揃い、後方伝搬位置でのパ
ワー不均一が減少するものと思われる。
The cause of the non-uniformity in the backward propagation position of the homogenizer of the conventional example may be the influence of diffraction, but rather the main cause is considered to be the accumulation of errors due to approximation calculation. Then, not only the continuity of I 2 is increased by using the target beam distribution I 2 as super Gaussian, but also the curved surfaces G (r) and H (s) of the lens are calculated by an accurate integration formula, so that the phases are neatly aligned, It is believed that the power nonuniformity at the propagation position is reduced.

【0179】[0179]

【実施例】これまで説明した方法によって、非球面ホモ
ジナイザーの設計を行った。入射レーザとして、波長λ
=10.6μmの炭酸ガスレ−ザを用いた。これをコリ
メータレンズ系によってビーム径(1/e)φ15m
mのガウスビームとした(b=15mm)。強度変換レ
ンズL1と位相補正レンズL2の距離Lを170mmと
した。目的の一つは、出射ビームをφ15mm(1/e
)の強度がスーパーガウシアンの程度の均一な分布と
なるようにすることである(ω=15mm)。もう一つ
の目的は位相補正レンズL2の後方100mm(d=1
00mm)でのパワー分布が崩れないということであ
る。
Example An aspherical homogenizer was designed by the method described above. As an incident laser, wavelength λ
A carbon dioxide gas laser of = 10.6 μm was used. Beam diameter (1 / e 2 ) φ15m of this with a collimator lens system
m Gaussian beam (b = 15 mm). The distance L between the intensity conversion lens L1 and the phase correction lens L2 is 170 mm. One of the purposes is to make the output beam φ15 mm (1 / e
2 ) The intensity is to have a uniform distribution on the order of Super Gaussian (ω = 15 mm). Another purpose is 100 mm (d = 1) behind the phase correction lens L2.
This means that the power distribution at 00 mm) does not collapse.

【0180】スーパーガウシアンの次数をm=30とし
た。表1にビーム径、ビームウエスト、曲率半径などレ
ーザの条件を示す。
The order of Super Gaussian was set to m = 30. Table 1 shows laser conditions such as beam diameter, beam waist, and radius of curvature.

【0181】[0181]

【表1】 [Table 1]

【0182】スーパーガウシアンはm=30とする。幾
何光学的な手法によって強度変換レンズの曲面(非球面
レンズ)L1と、位相補正レンズの曲面(非球面レン
ズ)L2とを決定することができる。非球面レンズの曲
面は
Super Gaussian is set to m = 30. The curved surface (aspherical lens) L1 of the intensity conversion lens and the curved surface (aspherical lens) L2 of the phase correction lens can be determined by a geometrical optical method. The curved surface of an aspheric lens

【0183】[0183]

【数40】 [Formula 40]

【0184】表現される。rはレンズの中心から周辺部
へかけての半径でありパラメータである。cは曲率であ
る。Kは補正の係数でK=0ならば完全な球面のレンズ
で曲率半径が1/cとなる。だから前半は球面レンズの
式であり、後半部が非球面の係数を表現する。レンズは
中心対称性がありrの奇数次の係数は0である(A2i
+1=0)。だからr、r,…r20というように
偶数次の係数A、A、…A20だけを求めればよ
い。どの次数まで計算するかというのは自由であるが、
ここではrの20乗の項A20まで計算している。
Expressed. r is the radius from the center of the lens to the peripheral portion and is a parameter. c is the curvature. K is a correction coefficient, and if K = 0, the lens has a perfect spherical surface and the radius of curvature is 1 / c. Therefore, the first half is the expression for spherical lenses, and the second half expresses the aspherical coefficient. The lens has central symmetry, and the odd-order coefficient of r is 0 (A 2i
+ 1 = 0). So r 2, r 4, ... coefficients of even-order and so r 20 A 2, A 4, may be obtained only ... A 20. It is up to you which degree you want to calculate,
Here, the term A 20 of r to the 20th power is calculated.

【0185】非球面係数A、A、…A20の単位は
ここではmm−1、mm−3、…、mm−19である。
Dはレンズ全体の直径(mm)で、CAは曲面部の直径
(mm)である。CTはレンズ中心での厚みである。E
Tはレンズの縁の厚み、ET’はレンズの曲面部最外部
での厚みである。
The units of the aspherical coefficients A 2 , A 4 , ... A 20 are mm -1 , mm -3 , ..., mm -19 here.
D is the diameter (mm) of the entire lens, and CA is the diameter (mm) of the curved surface portion. CT is the thickness at the center of the lens. E
T is the thickness of the edge of the lens, and ET 'is the thickness at the outermost part of the curved surface of the lens.

【0186】[L1強度変換レンズ][L1 intensity conversion lens]

【0187】[0187]

【表2】 [Table 2]

【0188】20乗以上の項は計算していない。強度変
換レンズの非球面係数は以上である。それは強度変換レ
ンズで屈折したビームが位相補正レンズでm=30のス
ーパーガウシアンのパワー分布を持つように決めたもの
である。c=0であるから球面成分は0であり非球面係
数だけで定義されている。
Terms above the 20th power are not calculated. The aspherical surface coefficient of the intensity conversion lens is above. It is determined that the beam refracted by the intensity conversion lens has a super Gaussian power distribution of m = 30 by the phase correction lens. Since c = 0, the spherical component is 0 and is defined only by the aspherical coefficient.

【0189】これでは分かりにくいので、図15に強度
変換レンズの後ろ面の形状G(r)を彎曲を示す。縦軸
は後面の高さであり、横軸が半径rの位置を示すもので
ある。中心部に近い部分ではrの2乗で立ち上がる凹面
となりr=6mmでG(r)が最大0.1mm程度とな
る。7mm以上では面が後退しはじめ凸面になってく
る。r=9mmでGが負になる。r=15mmで−0.
1mm、r=20mmで約−0.3mm、r=22.5
mmで約−0.45mm程度である。
Since this is difficult to understand, FIG. 15 shows a curve of the shape G (r) of the rear surface of the intensity conversion lens. The vertical axis represents the height of the rear surface, and the horizontal axis represents the position of radius r. In the portion near the center, it becomes a concave surface that rises with the square of r, and when r = 6 mm, G (r) is about 0.1 mm at maximum. When it is 7 mm or more, the surface starts to recede and becomes a convex surface. G becomes negative at r = 9 mm. When r = 15 mm, the value is −0.
About 1 mm, r = 20 mm, about -0.3 mm, r = 22.5
It is about -0.45 mm in mm.

【0190】[0190]

【表3】 [Table 3]

【0191】位相補正レンズは前面を曲面とするが、平
面からの後ろ向きのずれをここでは表現している。だか
ら強度変換レンズと凹凸の傾向が似ているようである
が、実は反対なのである。強度変換レンズG(r)と位
相補正レンズH(s)はr点のビームがs点に行くとい
う拘束条件において常に勾配が等しい(G’=H’)の
で、前面の平面からのズレとして表現した方が対応関係
が分かりやすいのである。
Although the front surface of the phase correction lens is a curved surface, the backward displacement from the plane is represented here. Therefore, it seems that the tendency of unevenness is similar to that of the intensity conversion lens, but it is actually the opposite. The intensity conversion lens G (r) and the phase correction lens H (s) always have the same gradient (G '= H') under the constraint condition that the beam at the r point goes to the s point, and thus are expressed as a deviation from the front surface. It is easier to understand the correspondence if you do.

【0192】位相補正レンズのc=0だから球面成分は
0である。レンズの直径、曲面直径、厚みなどは両者で
ほぼ同一になるようにしている。図16に位相補正レン
ズの前面の曲面を半径sの関数として示す。
Since c = 0 of the phase correction lens, the spherical component is 0. The lens diameter, curved surface diameter, thickness, etc. are made substantially the same. FIG. 16 shows the curved surface of the front surface of the phase correction lens as a function of the radius s.

【0193】位相補正レンズは強度変換レンズと相補的
であるが、それでもかなり形状が異なる。中央部ではr
(またはs)の2乗で立ち上がる凸面となる。6.1m
mで最大0.012mmをとる。それより外側では面が
後退し、初めてs=7.6mmでH=0を切る。s=8
mm〜9mmでH(s)は急激に下がり−0.11mm
になる。ここで位相補正レンズについてはs=9mmま
でしか図示していないが、目的とするスーパーガウシア
ンビームの広がり(1/e)ωが15mmφであるか
ら、半径で7.5mmの広がりしかない。
Although the phase correction lens is complementary to the intensity conversion lens, it is still quite different in shape. R in the center
It becomes a convex surface that rises as the square of (or s). 6.1m
The maximum value for m is 0.012 mm. Outside of that, the surface recedes and H = 0 is cut at s = 7.6 mm for the first time. s = 8
H (s) drops sharply at mm-9mm-0.11mm
become. Here, the phase correction lens is shown only up to s = 9 mm, but since the target spread (1 / e 2 ) ω of the super Gaussian beam is 15 mmφ, there is only a spread of 7.5 mm in radius.

【0194】位相補正レンズの前面ではそのようなパワ
ー分布となっているから位相補正レンズは9mm以内の
領域しか使用していない。それでここでは9mmまでし
か図示していないのである。それより外側の形状は任意
である。実際には切削量を減らすためそれより外側は殆
ど切削しない。そのため位相補正レンズは中央と周辺部
に凸部があるような形状(図11)のようになるが、周
辺部の凸部はあまり意味がない。
Since the front surface of the phase correction lens has such a power distribution, the phase correction lens uses only the area within 9 mm. Therefore, only up to 9 mm is shown here. The outer shape is arbitrary. In actuality, the amount of cutting is reduced so that the outside is hardly cut. Therefore, the phase correction lens has a shape with convex portions at the center and the peripheral portion (FIG. 11), but the convex portion at the peripheral portion is not so meaningful.

【0195】レーザビーム強度の測定にはPromet
ec社製レーザスコープUFF100を用いた。そのレ
ーザスコープは先端部に10〜300μmのピンホール
が加工された銅製のニードルを250〜1500RPM
で回転させながらレーザ光をスキャンして強度分布を測
定する。
Promet for measuring the laser beam intensity
A laser scope UFF100 manufactured by ec was used. The laser scope has a copper needle with a pinhole of 10 to 300 μm processed at the tip of 250 to 1500 RPM.
The intensity distribution is measured by scanning the laser light while rotating with.

【0196】レーザ光の品質指標としてもちいたM
は、Coherent社製モードマスターBMS−6
Bを用いて測定した。
M used as a quality indicator of laser light
2 is a mode master BMS-6 manufactured by Coherent
It measured using B.

【0197】図12に位相補正レンズの直後でのレーザ
光の強さを示す。左はレーザビームを白地で示す。φ1
5mmのほぼ均一パワーの円形のビーム(ω=7.5m
m)となっている。右はある直径方向にビームパワー変
化を測定したものである。横軸はμmであり設計どおり
7000μmまでほぼ均一パワーで7000μm〜80
00μmで急激にパワーが低下するようになっている。
それはスーパーガウシアンの分布(ω=7.5mm)と
対応している。
FIG. 12 shows the intensity of laser light immediately after the phase correction lens. The left side shows the laser beam on a white background. φ1
A circular beam with a nearly uniform power of 5 mm (ω = 7.5 m
m). On the right, the beam power change is measured in a certain diameter direction. The horizontal axis is μm, and as designed, up to 7,000 μm, with almost uniform power, 7,000 μm to 80
The power drops sharply at 00 μm.
It corresponds to the distribution of Super Gaussian (ω = 7.5 mm).

【0198】図13は二次元的なパワーの測定結果を示
す。(a)が位相補正レンズを出た直後の二次元パワー
分布である。図12と同じものを測定しているのである
が、x方向にもy方向にもどの方向にもφ15mm内部
でほぼ均一であることがわかる。図13の(b)は位相
補正レンズの後方100mm伝搬後のパワー分布の測定
結果を示す。位相補正レンズ直後に比較し少しは崩れて
いるが、それでもだいたいφ15mmの均一円形ビーム
を維持している。
FIG. 13 shows the two-dimensional power measurement result. (A) is a two-dimensional power distribution immediately after leaving the phase correction lens. Although the same thing as in FIG. 12 is measured, it can be seen that it is almost uniform within φ15 mm in both the x direction, the y direction and any direction. FIG. 13B shows the measurement result of the power distribution after propagating 100 mm behind the phase correction lens. Although it is slightly distorted compared to immediately after the phase correction lens, it still maintains a uniform circular beam with a diameter of 15 mm.

【0199】図14は100mm伝搬位置でのある直径
方向に挙度分布の実測値と計算値を比較して示してあ
る。実線が実測結果、破線が計算(解析)結果を示す。
図12に比べるとφ15mmの周辺で少しパワーが落ち
ているがそれでもφ15mmでほぼパワーが一定だとい
える。解析によるものと実測によるものがよく一致して
いることがわかる。
FIG. 14 shows a comparison between measured and calculated values of the gradient distribution in a certain diameter direction at the 100 mm propagation position. The solid line shows the measurement result, and the broken line shows the calculation (analysis) result.
Compared to FIG. 12, the power drops slightly around φ15 mm, but it can be said that the power is still almost constant at φ15 mm. It can be seen that the analysis results and the actual measurements are in good agreement.

【0200】[0200]

【発明の効果】非球面レンズである強度変換レンズL1
と位相補正レンズL2を組み合わせて、炭酸ガスレ−ザ
などのガウスビームを、ほぼ均一分布をもつスーパーガ
ウシアンビームに変換するようにしている。完全にトッ
プハットにすると位相補正レンズより後方でパワー分布
が乱れるのであるが、周辺部で少し裾を引くようなスー
パーガウシアンを目的のパワー分布にするので、ホモジ
ナイザー出射後、100mmあるいは200mmでも均
一パワー分布があまり乱れない。
The intensity conversion lens L1 which is an aspherical lens
And a phase correction lens L2 are combined to convert a Gaussian beam such as a carbon dioxide gas laser into a super Gaussian beam having a substantially uniform distribution. If the top hat is completely made, the power distribution will be disturbed behind the phase correction lens, but since the desired power distribution is Super Gaussian with a slight skirt around the periphery, even after 100 mm or 200 mm the homogenizer exits, a uniform power distribution is achieved. The distribution is not so disturbed.

【0201】スーパーガウシアンを採用することによっ
てレンズの非連続性を減少させ回折の影響を減らすこと
ができるようになっている。ガウスビームの幅bより外
側の微弱で広がった光を強度変換レンズで集光すると
き、厳密なトップハットだとそれら前部を位相補正レン
ズのごくごく狭い範囲に集める必要がある。そのために
位相補正レンズのレンズの曲率変化が著しくなり誤差が
増える。そのために位相補正レンズの直後で位相が揃わ
ず、そのためにそれから100mm、200mmとか後
方でパワー不均一が目立つということになる。
By adopting Super Gaussian, the discontinuity of the lens can be reduced and the influence of diffraction can be reduced. When the intensity conversion lens collects light that is weak and spread outside the Gaussian beam width b, if it is a strict top hat, it is necessary to collect those front parts in a very narrow range of the phase correction lens. Therefore, the curvature of the lens of the phase correction lens changes remarkably and the error increases. For this reason, the phases are not aligned immediately after the phase correction lens, and for that reason, power nonuniformity is noticeable 100 mm, 200 mm, or the rear thereof.

【0202】本発明はトップハットでなく、ωの境界の
部分でなだらかなパワー密度変化としているので、位相
補正レンズの曲率変化を抑制できそれだけより正確にな
る。そのために位相補正レンズの後でのビームの乱れが
少なくなるのである。
According to the present invention, since the power density changes gently at the boundary of ω instead of the top hat, the change in curvature of the phase correction lens can be suppressed and the accuracy becomes higher. Therefore, the turbulence of the beam after the phase correction lens is reduced.

【0203】 強度変換レンズ、位相補正レンズの設計
は幾何光学的手法で行い、ホモジナイザー出射後の回折
によるパワー乱れは波動光学的な手法で解析している。
波動光学的な手法によって回折を評価し、最適のスーパ
ーガウシアンの次数mを決定できる。初めのレーザのガ
ウシアンビームの広がりbと、目的とする均一ビームの
広がりωが様々であるから、実施例(b=15mm、ω
=15mm、d=100mm)のようにm=30が最適
とは限らない。しかし、どのようなb、ωの組み合わせ
でも、波動光学的手法によって出射後100mm後での
パワー分布を計算し、mについて優劣を比較できる。だ
から最適のm、最適の強度変換レンズ、位相補正レンズ
を与えることができる。
The intensity conversion lens and the phase correction lens are designed by a geometrical optical method, and the power disturbance due to diffraction after the homogenizer is emitted is analyzed by a wave optical method.
Diffraction can be evaluated by a wave-optical method to determine the optimum super Gaussian order m. Since the spread b of the Gaussian beam of the first laser and the target spread ω of the uniform beam are various, the embodiment (b = 15 mm, ω
= 15 mm, d = 100 mm), m = 30 is not always optimum. However, for any combination of b and ω, the power distribution 100 mm after the emission can be calculated by the wave optics method, and the superiority or inferiority of m can be compared. Therefore, the optimum m, the optimum intensity conversion lens, and the optimum phase correction lens can be provided.

【0204】本発明は、波動光学だけによらず、幾何光
学だけによらず、両者を折衷して最適のレンズの設計を
可能にしている。
The present invention makes it possible to design an optimum lens by eclectically combining both the wave optics and the geometrical optics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】レーザ装置、ズーム光学系、強度変換レンズ、
位相補正レンズよりなるビームホモジナイザー、転写光
学系よりなるレーザ穴開け光学系の構成図。
FIG. 1 is a laser device, a zoom optical system, an intensity conversion lens,
FIG. 3 is a configuration diagram of a beam homogenizer including a phase correction lens and a laser perforation optical system including a transfer optical system.

【図2】位相補正レンズ後面でトップハット型(r≦b
で一定値I、r>bで0)のパワー分布を要求して強度
変換レンズ、位相補正レンズを設計したとき位相補正レ
ンズの直後のパワー分布(a)と、位相補正レンズの後
方100mm伝搬位置でのパワー分布(b)を示す2次
元パワー分布実測図。100mm伝搬位置で均一分布か
ら大きく乱れている。
FIG. 2 is a top-hat type (r ≦ b
When the intensity conversion lens and the phase correction lens are designed by requesting a power distribution of a constant value I, 0 for r> b, the power distribution immediately after the phase correction lens (a) and the propagation position 100 mm behind the phase correction lens 2D power distribution measurement diagram showing the power distribution (b) in FIG. The distribution is largely disturbed from the uniform distribution at the 100 mm propagation position.

【図3】軸を少しずつずらせた多数の微小ガウス分布の
集合として均一分布を近似した図。(a)均一分布から
かなりずれており、端部で分布が裾を引いている場合は
ビーム径の比較的大きい数少ないガウスビームによって
近似でき回折の影響も少ないということを示す。(b)
均一分布により近くて端部での分布の切れが良くて、回
折の影響が大きくなることを示す。
FIG. 3 is a diagram in which a uniform distribution is approximated as a set of many minute Gaussian distributions whose axes are slightly shifted. (A) When the distribution deviates considerably from the uniform distribution and the distribution has a tail at the end, it can be approximated by a few Gaussian beams having a relatively large beam diameter and the influence of diffraction is small. (B)
It shows that the distribution is closer to the uniform distribution and the distribution is well cut off at the edges, and the influence of diffraction becomes large.

【図4】入射ガウスビームを均一分布へ引き直す強度変
換レンズと、均一分布になったが軸線に対し傾斜してい
るビームを軸線に平行なビームに直す位相補正レンズと
よりなる非球面ビームホモジナイザーの光学系図。
FIG. 4 is an aspherical beam homogenizer including an intensity conversion lens that reshapes an incident Gaussian beam into a uniform distribution and a phase correction lens that converts a beam having a uniform distribution but tilted with respect to the axis into a beam parallel to the axis. Optics diagram.

【図5】入射ガウシアンビームの中央部の光を拡大し、
周辺部の光は集光させて均一パワーに変換する強度変換
レンズの設計手法を示す図。
FIG. 5 magnifies the light in the center of the incident Gaussian beam,
The figure which shows the design method of the intensity conversion lens which condenses the light of a peripheral part and converts it into uniform power.

【図6】強度変換レンズにおける入射光、出射光、レン
ズ傾斜角の角度の関係を示すための光学系図。
FIG. 6 is an optical system diagram showing a relationship among incident light, emitted light, and a lens inclination angle in the intensity conversion lens.

【図7】位相補正レンズにおける入射光、出射光の角
度、レンズ傾斜角の角度の関係を示すための光学系図。
FIG. 7 is an optical system diagram showing the relationship between the angles of incident light and emitted light and the lens tilt angle in the phase correction lens.

【図8】入射平行ビームが強度変換レンズで傾斜角Φを
与えられ、強度変換レンズのr点を出たビームが軸線と
傾斜角Φをなして位相補正レンズのs点に伝搬し、位相
補正レンズで平行ビームになることを説明する図。
FIG. 8: The incident parallel beam is given a tilt angle Φ by the intensity conversion lens, and the beam exiting the r point of the intensity conversion lens forms the tilt angle Φ with the axis and propagates to the s point of the phase correction lens for phase correction. The figure explaining that it becomes a parallel beam with a lens.

【図9】波動光学解析におけるビーム伝搬を示し、第1
面での振幅をa(x,y)として、それから距離
dだけ離れた第2面での振幅をa(x,y)とす
ることを示す説明図。
FIG. 9 shows beam propagation in wave optics analysis, first
The amplitude of a plane as a 1 (x 1, y 1 ), then diagram the amplitude of the second surface indicates that the a 2 (x 2, y 2 ) spaced by distance d.

【図10】レンズの厚みを正確に考慮できる幾何光学の
取扱い(a)とレンズを厚み0として取り扱う波動光学
の取扱い(b)を示すための図。
FIG. 10 is a diagram showing a geometrical optics treatment (a) in which the lens thickness can be accurately taken into consideration and a wave optics treatment (b) in which the lens is treated as having a thickness of 0.

【図11】レンズの厚みを0として扱う波動光学解析時
の問題を説明する図。
FIG. 11 is a diagram illustrating a problem in a wave optical analysis in which the lens thickness is treated as 0.

【図12】実施例において製造されたホモジナイザーの
位相補正レンズ直後でのビーム強度を示す写真(a)、
ある直径に沿ったビームパワー強度測定結果を示すグラ
フ。
FIG. 12 is a photograph (a) showing the beam intensity immediately after the phase correction lens of the homogenizer manufactured in Example.
The graph which shows the beam power intensity measurement result along a certain diameter.

【図13】本発明の実施例にかかるホモジナイザーの位
相補正レンズ直後の二次元的なパワー分布の測定結果を
示す図(a)と位相補正レンズより100mm伝搬後の
二次元パワー分布測定結果を示す図(b)。
13A is a diagram showing a measurement result of a two-dimensional power distribution immediately after the phase correction lens of the homogenizer according to the example of the present invention, and FIG. 13A is a diagram showing a measurement result of the two-dimensional power distribution after 100 mm propagation from the phase correction lens. Figure (b).

【図14】実施例における装置の位相補正レンズより1
00mm伝搬位置でのパワー分布の解析結果(破線)と
実測結果(実線)を示すグラフ。
FIG. 14 shows a phase correction lens 1 of the device in the embodiment.
The graph which shows the analysis result (broken line) and the measurement result (solid line) of the power distribution in a 00 mm propagation position.

【図15】実施例における強度変換レンズの後面の彎曲
を示す図。
FIG. 15 is a diagram showing the curvature of the rear surface of the intensity conversion lens in the example.

【図16】実施例における位相補正レンズの前面の彎曲
を示す図。
FIG. 16 is a diagram showing the curvature of the front surface of the phase correction lens in Example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 強度交換レンズ 2 位相補正レンズ 3 額外 4 額輪 5 額内 1 intensity interchangeable lens 2 Phase correction lens 3 outside 4 frame Within 5 forehead

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 布施 敬司 大阪府大阪市此花区島屋一丁目1番3号住 友電気工業株式会社大阪製作所内 Fターム(参考) 2H087 KA26 LA26 PA02 PA17 PB02 QA01 QA05 QA18 QA21 QA33 QA42 RA03 RA12    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Keiji Fuse             Lives 1-3-3 Shimaya, Konohana-ku, Osaka City, Osaka Prefecture             Tomo Denki Kogyo Co., Ltd. Osaka Works F term (reference) 2H087 KA26 LA26 PA02 PA17 PB02                       QA01 QA05 QA18 QA21 QA33                       QA42 RA03 RA12

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 中心部で高密度で周辺部で低密度のパワ
ー分布を有し、中心からrの点で(π−1−2)ex
p(−r/b)のガウシアン型パワー分布をもつ入
射レーザビームI(r)を、一定半径範囲s≦ωで完
全に均一でなくほぼ均一であるパワー分布の平行ビーム
に整形するレンズの組であって、中央部ではビーム径を
拡大し周辺部ではビームの径を縮小し、幅ωでほぼ均一
な分布である中心からsの点でのパワー分布I(s)
をスーパーガウシアンcexp{−(s/ω)2m
(m=5〜50)(cは定数)とするような曲面G
(r)をもつ強度変換レンズL1と、それから距離L離
隔して置かれ強度変換されたレーザビームを屈折させ軸
線に平行なビームとする曲面H(s)を有する位相整合
レンズL2とよりなり、強度変換レンズL1の中心Oか
らrまで入射ビームパワーを積分したものが位相補正レ
ンズL2のレンズの中心からsまで出射ビームパワーを
積分したものに等しい 【数1】 として、強度変換レンズL1の半径座標rと位相補正レ
ンズL2の半径座標sの関係を決め、強度変換レンズL
1の面の形状G(r)を 【数2】 によって計算し決定してあり、位相補正レンズの面の形
状H(s)を 【数3】 によって決定してあるを特徴とするレ−ザビーム整形用
レンズ。
1. A power distribution having a high density in a central portion and a low density in a peripheral portion and (π −1 b −2 ) ex at a point r from the center.
The incident laser beam I 1 (r) having a Gaussian power distribution of p (−r 2 / b 2 ) is shaped into a parallel beam having a power distribution that is not completely uniform but almost uniform in a certain radius range s ≦ ω. In a set of lenses, the beam diameter is expanded in the central part and reduced in the peripheral part, and the power distribution I 2 (s) at a point s from the center, which is a substantially uniform distribution with a width ω
Super Gaussian cexp {-(s / ω) 2m }
Curved surface G such that (m = 5 to 50) (c is a constant)
An intensity conversion lens L1 having (r), and a phase matching lens L2 having a curved surface H (s) which is placed at a distance L from the lens and refracts the intensity-converted laser beam to form a beam parallel to the axis, The integral of the incident beam power from the center O to the center r of the intensity conversion lens L1 is equal to the integral of the outgoing beam power from the center of the lens of the phase correction lens L2 to s. As a relationship between the radius coordinate r of the intensity conversion lens L1 and the radius coordinate s of the phase correction lens L2,
The surface shape G (r) of 1 is given by The shape H (s) of the surface of the phase correction lens is calculated by A laser beam shaping lens characterized by being determined by.
【請求項2】 中心部で高密度で周辺部で低密度のパワ
ー分布を有し、中心からrの点で(π−1−2)ex
p(−r/b)のガウシアン型パワー分布をもつ入
射レーザビームI(r)を、一定半径範囲s≦ωで完
全に均一でなくほぼ均一であるパワー分布の平行ビーム
に整形するレンズの組であって、中央部ではビーム径を
拡大し周辺部ではビームの径を縮小し、幅ωでほぼ均一
な分布である中心からsの点でのパワー分布をスーパー
ガウシアンcexp{−(s/ω)2m}(m=5〜5
0)(cは定数)とするような曲面G(r)をもつ強度
変換レンズL1と、それから距離L離隔して置かれ強度
変換されたレーザビームを屈折させ軸線に平行なビーム
とする曲面H(s)を有する位相整合レンズL2との形
状を設計する方法であって、強度変換レンズL1の中心
Oからrまで入射ビームパワーを積分したものが位相補
正レンズL2のレンズの中心からsまで出射ビームパワ
ーを積分したものに等しい 【数4】 として、強度変換レンズL1の半径座標rと位相補正レ
ンズL2の半径座標sの関係を幾何光学的に決め、強度
変換レンズL1の面の形状G(r)を 【数5】 によって計算し、位相補正レンズの面の形状H(s)を 【数6】 によって計算して幾何光学的に決定し、 位相補正レン
ズの後面の振幅をA(x ,y)、位相をφ(x
)とし、φ(x,y)=1、A(x,y
=cexp{−(s/ω)}、s=x +y
によって位相補正レンズ直後の初期条件を与え、位相補
正レンズより後方dの位置での振幅をA(x
)、位相をφ(x,y)とし、 【数7】 によって計算し、後方dでの振幅の均一性を評価するこ
とによってスーパーガウシアン次数mを5〜50の間の
一つの値に決定し、その次数mをもつ強度変換レンズ
と、位相補正レンズを製造するようにした事を特徴とす
るレ−ザビーム成形用レンズの設計方法。
2. A power having a high density in the central part and a low density in the peripheral part.
Has a distribution, and at the point r from the center (π-1b-2) Ex
p (-rTwo/ BTwo) With Gaussian power distribution
Laser beam I1Complete (r) within a certain radius range s ≤ ω
Parallel beam with power distribution that is not uniform but nearly uniform
It is a set of lenses that are shaped into
Expanded and reduced the beam diameter at the periphery, almost uniform in width ω
The power distribution at the point s from the center
Gaussian cexp {-(s / ω)2m} (M = 5-5
0) (c is a constant) the strength with a curved surface G (r)
The conversion lens L1 and the intensity that is placed a distance L away from it
A beam parallel to the axis that refracts the converted laser beam
With a phase matching lens L2 having a curved surface H (s)
Center of the intensity conversion lens L1
The integral of incident beam power from O to r is complementary
Output beam power from the center of the positive lens L2 to s
Equal to the integral of [Equation 4] As the radial coordinate r of the intensity conversion lens L1 and the phase correction
The relationship of the radius coordinate s of the lens L2 is determined geometrically and the strength is determined.
The shape G (r) of the surface of the conversion lens L1 is [Equation 5] And calculate the surface shape H (s) of the phase correction lens by [Equation 6] Calculated by the method of geometrical optics
The amplitude of the rear surface of the 1, Y1), The phase is φ (x1
y1), And φ (x1, Y1) = 1, A (x1, Y1)
= Cexp {-(s / ω)m}, STwo= X1 Two+ Y1 Two
The initial condition immediately after the phase correction lens is given by
The amplitude at the position d behind the positive lens is A (xTwo
yTwo), The phase is φ (xTwo, YTwo)age, [Equation 7] To evaluate the homogeneity of the amplitude in the backward d.
By and the super Gaussian degree m between 5 and 50
Intensity conversion lens with one value and its order m
And that the phase correction lens is manufactured.
Laser beam forming lens design method.
【請求項3】 中心部で高密度で周辺部で低密度のパワ
ー分布を有し、中心からrの点で(π−1−2)ex
p(−r/b)のガウシアン型パワー分布をもつ入
射レーザビームI(r)を、一定半径範囲s≦ωで完
全に均一でなくほぼ均一であるパワー分布の平行ビーム
に整形するレンズの組であって、中央部ではビーム径を
拡大し周辺部ではビームの径を縮小し、幅ωでほぼ均一
な分布である中心からsの点でのパワー分布I(s)
をスーパーガウシアンcexp{−(s/ω)2m
(m=5〜50)(cは定数)とするような曲面G
(r)をもつ強度変換レンズL1と、それから距離L離
隔して置かれ強度変換されたレーザビームを屈折させ軸
線に平行なビームとする曲面H(s)を有する位相整合
レンズL2とよりなり、強度変換レンズL1の中心Oか
らrまで入射ビームパワーを積分したものが位相補正レ
ンズL2のレンズの中心からsまで出射ビームパワーを
積分したものに等しい 【数8】 として、強度変換レンズL1の半径座標rと位相補正レ
ンズL2の半径座標sの関係を決め、r=sとなるリン
グを額縁(r=s=R)とし、強度変換レンズL1の面
の形状G(r)をr≦R(額内)では、 【数9】 で計算し、額外(r>R)であれば強度変換レンズは、 【数10】 として計算し、位相補正レンズの面の形状H(s)をs
≦R(額内)であれば、 【数11】 で計算し、額外(s>R)であれば位相補正レンズは、 【数12】 として計算して決定されていることを特徴とするレ−ザ
ビーム整形用レンズ。
3. A power distribution having a high density in the central portion and a low density in the peripheral portion, and (π −1 b −2 ) ex at a point r from the center.
The incident laser beam I 1 (r) having a Gaussian power distribution of p (−r 2 / b 2 ) is shaped into a parallel beam having a power distribution that is not completely uniform but almost uniform in a certain radius range s ≦ ω. In a set of lenses, the beam diameter is expanded in the central part and reduced in the peripheral part, and the power distribution I 2 (s) at a point s from the center, which is a substantially uniform distribution with a width ω
Super Gaussian cexp {-(s / ω) 2m }
Curved surface G such that (m = 5 to 50) (c is a constant)
An intensity conversion lens L1 having (r), and a phase matching lens L2 having a curved surface H (s) which is placed at a distance L from the lens and refracts the intensity-converted laser beam to form a beam parallel to the axis, The integral of the incident beam power from the center O of the intensity conversion lens L1 to r is equal to the integral of the outgoing beam power from the center of the lens of the phase correction lens L2 to s. As a result, the relationship between the radial coordinate r of the intensity conversion lens L1 and the radial coordinate s of the phase correction lens L2 is determined, the ring with r = s is a frame (r = s = R), and the surface shape G of the intensity conversion lens L1 is G. If r ≦ R (within the forehead) of (r), then If it is out of the frame (r> R), the intensity conversion lens is And calculate the surface shape H (s) of the phase correction lens as s
If ≦ R (within the amount), then If it is out of the frame (s> R), the phase correction lens is A laser beam shaping lens characterized by being calculated as follows.
JP2002149101A 2002-05-23 2002-05-23 Shaping lens for laser beam and method of designing shaping lens for laser beam Pending JP2003344762A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002149101A JP2003344762A (en) 2002-05-23 2002-05-23 Shaping lens for laser beam and method of designing shaping lens for laser beam

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002149101A JP2003344762A (en) 2002-05-23 2002-05-23 Shaping lens for laser beam and method of designing shaping lens for laser beam

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2003344762A true JP2003344762A (en) 2003-12-03

Family

ID=29767378

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002149101A Pending JP2003344762A (en) 2002-05-23 2002-05-23 Shaping lens for laser beam and method of designing shaping lens for laser beam

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2003344762A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012022252A (en) * 2010-07-16 2012-02-02 Hamamatsu Photonics Kk Method of designing laser beam forming optical element and method of manufacturing laser beam forming optical element
WO2013108450A1 (en) * 2012-01-16 2013-07-25 浜松ホトニクス株式会社 Method for designing laser-light-shaping optical component, method for producing laser-light-shaping optical component, and laser-light-shaping optical system
KR101834282B1 (en) * 2014-02-26 2018-03-06 엔라이트 인크. Square pulse laser lift off
JP2019049659A (en) * 2017-09-11 2019-03-28 キヤノン株式会社 Illumination optical system, exposure equipment and manufacturing method of article
CN115032790A (en) * 2022-06-07 2022-09-09 之江实验室 Laguerre-Gaussian vortex beam generation and detection method based on cross phase and lens phase combined diffraction device
US11977239B2 (en) 2020-07-10 2024-05-07 Sumitomo Electric Hardmetal Corp. Diffractive optical device

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012022252A (en) * 2010-07-16 2012-02-02 Hamamatsu Photonics Kk Method of designing laser beam forming optical element and method of manufacturing laser beam forming optical element
DE112012005681B4 (en) 2012-01-16 2022-02-24 Hamamatsu Photonics K.K. Method of forming a laser light-shaping optical component, method of manufacturing a laser light-shaping optical component, and laser light-shaping optical system
JP2013145344A (en) * 2012-01-16 2013-07-25 Hamamatsu Photonics Kk Design method of optical component for laser beam shaping, manufacturing method of optical component for laser beam shaping, and optical system for laser beam shaping
CN104094161A (en) * 2012-01-16 2014-10-08 浜松光子学株式会社 Method for designing laser-light-shaping optical component, method for producing laser-light-shaping optical component, and laser-light-shaping optical system
US9373927B2 (en) 2012-01-16 2016-06-21 Hamamatsu Photonics K.K. Method for designing laser-light-shaping optical component, method for producing laser-light-shaping optical component, and laser-light-shaping optical system
CN104094161B (en) * 2012-01-16 2016-08-10 浜松光子学株式会社 The method for designing of laser shaping optics, the manufacture method of laser shaping optics and laser shaping optical system
WO2013108450A1 (en) * 2012-01-16 2013-07-25 浜松ホトニクス株式会社 Method for designing laser-light-shaping optical component, method for producing laser-light-shaping optical component, and laser-light-shaping optical system
KR101834282B1 (en) * 2014-02-26 2018-03-06 엔라이트 인크. Square pulse laser lift off
JP2019049659A (en) * 2017-09-11 2019-03-28 キヤノン株式会社 Illumination optical system, exposure equipment and manufacturing method of article
US10545395B2 (en) 2017-09-11 2020-01-28 Canon Kabushiki Kaisha Illumination optical system, exposure apparatus, and method of manufacturing article
US11977239B2 (en) 2020-07-10 2024-05-07 Sumitomo Electric Hardmetal Corp. Diffractive optical device
CN115032790A (en) * 2022-06-07 2022-09-09 之江实验室 Laguerre-Gaussian vortex beam generation and detection method based on cross phase and lens phase combined diffraction device
CN115032790B (en) * 2022-06-07 2023-12-12 之江实验室 Laguerre-Gaussian vortex beam generation and detection method based on cross phase and lens phase combined diffraction device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3807374B2 (en) Batch multi-point homogenizing optical system
US20120223218A1 (en) Diffractive optical element and measuring apparatus
TWI312600B (en) Method and apparatus for modifying the spread of a laser beam
KR101236586B1 (en) Diffraction type beam homogenizer optical system using wedge
JP2003114400A (en) Laser optical system and laser machining method
JP5909369B2 (en) Method for designing optical component for laser beam shaping, and method for manufacturing optical component for laser beam shaping
JP2003344762A (en) Shaping lens for laser beam and method of designing shaping lens for laser beam
EP3492960A1 (en) Arched collimating lens forming a disk-like illumination
JP6816322B1 (en) Laser device, projection type image display device and sensing device
US20100059677A1 (en) Aspheric Lenses for Imaging
JP5460502B2 (en) Method for designing optical component for laser beam shaping, and method for manufacturing optical component for laser beam shaping
CN110858031A (en) LED display screen lens design method, computer equipment and storage medium
JP2014102119A (en) Wavefront aberration measurement method, wavefront aberration measurement apparatus and optical system manufacturing method
RU2680615C1 (en) Method for determining deformations of wavefront of light beam caused by waviness of surfaces of optical system
JP3988733B2 (en) DOE homogenizer transfer optical system and laser beam irradiation method
US20150036216A1 (en) Method for optimizing an intensity of a useful light distribution
JP2013033204A (en) Diffraction optical element and measurement apparatus
CN116224607B (en) Structured light projector and 3D structured light module
JPH0339625B2 (en)
RU2753627C1 (en) Method for determining wave aberrations of optical system
CN111316154A (en) Optical element and laser irradiation device
JP7024160B1 (en) Diffractive optical device and laser irradiation device
WO2023021605A1 (en) Method for designing diffractive element and method for manufacturing diffractive element
Terlo et al. Investigation of spline approximation approach of surface data for synthesis of high-efficient beam shapers
JP6788497B2 (en) Measuring device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Effective date: 20041019

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

A131 Notification of reasons for refusal

Effective date: 20071113

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080109

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080708

A02 Decision of refusal

Effective date: 20090727

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02