JP2006047763A - Beam homogenizer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はレーザやＬＥＤなどの光源から発せられたガウス分布状の光ビームを、球面レンズを用いて平均化するようにしたビームホモジナイザに関するものである。 The present invention relates to a beam homogenizer that averages a Gaussian light beam emitted from a light source such as a laser or LED using a spherical lens.
レーザやＬＥＤなどの光源から発せられたビームを使用して、各種の作業をする光学装置は多くの分野で使用されている。そしてこれらの装置ではビームの品質を向上するためビーム形状を整形し、ガウス分布的な光強度を平均化することが実施されている。
従来、この整形を行うためのホモジナイザとして、例えば凸レンズのシリンドリカルレンズと凹レンズのシリンドリカルレンズを交互に連続して一体に配置したマルチシリンドリカルレンズを設置することが提案されている（特許文献１）。このような一体型のシリンドリカルレンズを使用すると、凸と凹のシリンドリカルレンズ境界部分に生じる光の散乱を低減出来るので整形の効率化を図ることが出来る。しかしこのようなマルチシリンドリカルレンズを設置して、ビーム内部の中心部光束と周辺部光束を混合して光強度を平均化するようにしたとしても、非球面レンズからの射出光束となるため広角化などの加工をしようとすると多くの困難が伴う。
また周辺部の光束を補強して中心部の光束と同等の光強度になるようにしているものとして、円柱レンズを２つ使用するものが提案されている（特許文献２）。これはレーザビームで照射面にラインを描画していくとき、エネルギー密度が中央部に比べて両端部が低下してしまうのを補うため、２つ目の円柱レンズでライン両端部を中央側に折り重ねるようにする事で解決している。この折り重ねを実施することでビーム内部の光強度をあたかも平均化したかのような働きが得られるから、ラインの両端部側を補強するホモジナイザと見ることが出来る。しかしラインの両端部を円柱レンズの作用によって折り曲げることが前提となるため、ラインの長さを広角化し自由に延長したいという要求には自ずと限界が生じる。このように従来のホモジナイザによるビームの整形は、光強度を単純に平均化するか、或いは広角化などの加工までは考慮されていないものであった。
Conventionally, as a homogenizer for performing this shaping, for example, it has been proposed to install a multi-cylindrical lens in which convex cylindrical lenses and concave cylindrical lenses are alternately and continuously arranged (Patent Document 1). When such an integrated cylindrical lens is used, light scattering occurring at the boundary between the convex and concave cylindrical lenses can be reduced, so that the shaping efficiency can be improved. However, even if such a multi-cylindrical lens is installed to mix the central beam and peripheral beam in the beam and average the light intensity, the beam is emitted from the aspherical lens, resulting in a wider angle. When trying to process such as, many difficulties are involved.
Further, as one that reinforces the luminous flux in the peripheral portion so as to have the same light intensity as the luminous flux in the central portion, a lens that uses two cylindrical lenses has been proposed (Patent Document 2). This is because when the line is drawn on the irradiation surface with the laser beam, the energy density is compensated for the lower end of the end compared to the center. The problem is solved by folding. By performing this folding, the light intensity inside the beam can be obtained as if it were averaged, so that it can be regarded as a homogenizer that reinforces both ends of the line. However, since it is assumed that both ends of the line are bent by the action of the cylindrical lens, there is a limit to the demand for widening the length of the line and extending it freely. As described above, the beam shaping by the conventional homogenizer does not take into consideration the processing such as simply averaging the light intensity or widening the angle.
本発明は上記問題を解決したビームホモジナイザを求めることである。即ち、ビームの中心部光束と周辺部光束を球面レンズを用いて混合し、その光強度分布を平均化すると共に、広角化などの加工が容易に行えるようにすることである。 The present invention seeks a beam homogenizer that solves the above problems. In other words, the central beam and the peripheral beam of the beam are mixed using a spherical lens, the light intensity distribution is averaged, and processing such as widening can be easily performed.
上記目的を達成するため本発明は、光強度がガウス分布状になる光ビームを発する光源と、この光源からの光ビームを受けたときその第１面で球面収差を作り、第２面で射出角の大きさを変更してビーム内部の中心部光束と周辺部光束を混合し光強度分布を平均化するようにしたメニスカスアフォーカルレンズを、光源光軸上に設置して構成したことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは前記請求項１記載のビームホモジナイザにおいて、メニスカスアフォーカルレンズの後段光軸上にメニスカス凹レンズを設置し、メニスカスアフォーカルレンズで平均化されたビームを受けて広角化するようにしたことを特徴とする。
請求項３の発明によるものは前記請求項２記載のビームホモジナイザにおいて、メニスカスアフォーカルレンズとメニスカス凹レンズ間の光軸上に凹レンズを設置し、メニスカスアフォーカルレンズで平均化されたビームを受けて広角化し、この広角化したビームをメニスカス凹レンズの入射光束とするようにした事を特徴とする。
請求項４の発明によるものは前記請求項３記載のビームホモジナイザにおいて、メニスカスアフォーカルレンズ、凹レンズ、メニスカス凹レンズを、シリンドリカルレンズとしたことを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention provides a light source that emits a light beam having a Gaussian light intensity and a spherical aberration on the first surface when the light beam is received from the light source, and an emission on the second surface. A meniscus afocal lens that is designed to average the light intensity distribution by changing the size of the angle and mixing the central beam and the peripheral beam inside the beam, and is configured on the light source optical axis. And
According to a second aspect of the present invention, in the beam homogenizer according to the first aspect, a concave meniscus lens is disposed on the rear optical axis of the meniscus afocal lens, and the beam averaged by the meniscus afocal lens is received to widen the angle. It is characterized by doing so.
According to a third aspect of the present invention, in the beam homogenizer according to the second aspect, a concave lens is disposed on the optical axis between the meniscus afocal lens and the meniscus concave lens, and a wide angle is received by receiving the beam averaged by the meniscus afocal lens. The widened beam is used as the incident light beam of the meniscus concave lens.
According to a fourth aspect of the present invention, in the beam homogenizer according to the third aspect, the meniscus afocal lens, the concave lens, and the meniscus concave lens are cylindrical lenses.
本発明は光強度がガウス分布状のビームを発する光源からのビームを、メニスカスアフォーカルレンズで受けるようにしたことを特徴とする。それによってレーザなどの光源からのビーム内部中心部光束と周辺部光束を混合し、光強度分布の平均化と広角化などの加工を容易に行うことが出来る。また基本的には光源の光軸上にメニスカスアフォーカルレンズを設置するだけという単純な構造であり、しかも非球面レンズを使用しない球面レンズだけでのビーム平均化であるから、全体として経済的にも安価なものとする事が出来る。 The present invention is characterized in that a meniscus afocal lens receives a beam from a light source that emits a beam having a Gaussian distribution of light intensity. As a result, the inner central beam and the peripheral beam from a light source such as a laser can be mixed, and processing such as averaging and widening the light intensity distribution can be easily performed. Basically, it has a simple structure in which a meniscus afocal lens is simply installed on the optical axis of the light source, and the beam is averaged only with a spherical lens that does not use an aspheric lens. Can also be made inexpensive.
以下に本発明に係わるビームホモジナイザについて図面を参照しながら説明する。 The beam homogenizer according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１はビームホモジナイザを設置した光学装置のブロック図である。レーザやＬＥＤなどで構成する光源１からの光は、レンズ２を経て後に詳述するホモジナイザ３で整形され照射面４に向かう。照射面４にはビームが投影される基材、例えば各種感材やプリント基板等が設置される。
図２はホモジナイザ３を示す斜視略図で、内部にメニスカスアフォーカルレンズ５が収容される。このメニスカスアフォーカルレンズ５は光源１の光軸６上に設置され、光源１からの光束７受けると第１面で球面収差を起こし、第２面から射出されるときその射出角の大きさを変更するよう構成する。
FIG. 1 is a block diagram of an optical apparatus provided with a beam homogenizer. Light from the light source 1 composed of a laser, LED, or the like passes through the lens 2 and is shaped by a homogenizer 3 described in detail later and travels toward the irradiation surface 4. On the irradiation surface 4, a base material on which a beam is projected, for example, various photosensitive materials and a printed circuit board are installed.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing the homogenizer 3, in which a meniscus afocal lens 5 is accommodated. The meniscus afocal lens 5 is installed on the optical axis 6 of the light source 1 and receives a light beam 7 from the light source 1 to cause spherical aberration on the first surface, and when the light exits from the second surface, the size of the exit angle is set. Configure to change.
図３は本発明によるホモジナイザで光ビームを平均化する原理を示した説明図である。図Ａは通常の凸レンズ８を図２のメニスカスアフォーカルレンズ５の位置に設置したときの光路説明図である。凸レンズ８の第１面８ａに入射した光源１からの光束７が照射面４に向かうとき、例えば中心光軸６に近い位置８ａ１に入射した光７ａは、光軸６上の位置ｐ１に一旦焦点を結んで照射面４の光軸に近い位置、例えば４ａに投影される。同じように凸レンズ第１面上の位置８ａ２に入射した光７ｂは、光軸６上の位置ｐ２に一旦焦点を結び照射面４の位置４ｂに投影される。凸レンズ８の位置８ａ３、８ａ４に入射した光７ｃ、７ｄも光軸６上の位置ｐ３、ｐ４に焦点を結んだ後、照射面４の位置４ｃ、４ｄにそれぞれ投影される。図では便宜上、凸レンズ８の光軸６より上端側に入射した光束７ａ〜７ｄだけを示しているが、下端側に入射した光束も同様に照射面４に向かう。このように凸レンズ８の第１面８ａは、光軸６上の位置ｐ１〜ｐ４に光束７ａ〜７ｄが一旦焦点を結ぶような球面収差を持つ。この収差によって照射面上では光強度分布の状況に強弱の差が発生する。つまりレンズ第１面８ａの光軸６に近い側の位置８ａ１に入射した光７ａは光軸６に近い側の照射面位置４ａに投影され、光軸６に遠い側のレンズ第１面位置８ａ４に入射した光７ｄは光軸６から遠い側の照射面位置４ｄに投影される。従って照射面４に投影される光の強度は光軸６に近い側４ａは強く、遠い側４ｄでは弱くなる。この時のガウス分布状の光強度を図３Ａの右端にグラフＧ１として示した。このグラフＧ１のようなガウス分布現象はレンズ８が持つ球面収差の大きさによっては一層冗長される。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing the principle of averaging light beams with a homogenizer according to the present invention. FIG. A is an optical path explanatory diagram when a normal convex lens 8 is installed at the position of the meniscus afocal lens 5 of FIG. When the light beam 7 from the light source 1 incident on the first surface 8a of the convex lens 8 goes to the irradiation surface 4, for example, the light 7a incident on the position 8a1 close to the central optical axis 6 is once focused on the position p1 on the optical axis 6. Are projected onto a position close to the optical axis of the irradiation surface 4, for example, 4a. Similarly, the light 7b incident on the position 8a2 on the first surface of the convex lens is once focused on the position p2 on the optical axis 6 and projected onto the position 4b on the irradiation surface 4. Lights 7c and 7d incident on the positions 8a3 and 8a4 of the convex lens 8 are also focused on the positions p3 and p4 on the optical axis 6 and then projected onto the positions 4c and 4d on the irradiation surface 4, respectively. For the sake of convenience, only the light beams 7a to 7d incident on the upper end side from the optical axis 6 of the convex lens 8 are shown in the figure, but the light beams incident on the lower end side are also directed toward the irradiation surface 4. As described above, the first surface 8a of the convex lens 8 has spherical aberration such that the light beams 7a to 7d are once focused at the positions p1 to p4 on the optical axis 6. Due to this aberration, a difference in intensity occurs in the state of light intensity distribution on the irradiated surface. That is, the light 7 a incident on the position 8 a 1 on the side close to the optical axis 6 of the lens first surface 8 a is projected on the irradiation surface position 4 a on the side close to the optical axis 6, and the lens first surface position 8 a 4 on the side far from the optical axis 6. 7d is incident on the irradiation surface position 4d on the side far from the optical axis 6. Accordingly, the intensity of the light projected on the irradiation surface 4 is strong on the side 4a close to the optical axis 6 and weak on the far side 4d. The light intensity in the Gaussian distribution at this time is shown as a graph G1 on the right end of FIG. 3A. The Gaussian distribution phenomenon as shown in the graph G1 is further redundant depending on the magnitude of the spherical aberration of the lens 8.
図３Ｂはメニスカスアフォーカルレンズ５を図２のように光軸６上設置したときの光路説明図である。レンズ５の第１面５ａは図Ａの凸レンズ第１面８ａと同様の凸面となっていて、第２面５ｂは凹面となっている。このようなメニスカスアフォーカルレンズ５に図Ａと同様の光束７が入射すると、例えば光軸６から近い側の第１面位置５ａ１から入射した光７ａは、図Ａと同じように球面収差によって光軸６上の位置Ｐ１に向かって進んでいき、第２面５ｂから射出されるときその射出角の大きさが変更され、その光路は図では途中が省略されているが照射面４の光軸６から遠い側の位置、例えば４ｄに投影される。同様に第１面５ａの光軸に近い位置５ａ２から入射した光７ｂも図Ａと同じように球面収差によって光軸６上の位置Ｐ２に向かって進んでいくが、第２面５ｂから射出される時その射出角の大きさが変更され、照射面の光軸６から離れた位置４ｃに投影される。また第１面の位置５ａ３から入射した光７ｃも球面収差によって光軸６上の位置Ｐ３に向かうが、第２面５ｂから射出されるとき変更されて照射面の光軸６から近い位置４ｂに投影される。第１面５ａの光軸６から遠い位置５ａ４に入射した光７ｄも第２面５ｂによってその進行方向が変更され、照射面の光軸６に近い位置４ａに投影される。
上記のようにメニスカスアフォーカルレンズ５の第２面５ｂは、第１面５ａの光軸６から遠い位置５ａ４に入射した光７ｄを照射面の光軸６に近い側の位置４ａに投影し、近い側の位置５ａ１に入射した光７ａは光軸から遠い位置４ｄに投影するという凹レンズの作用を持つ。勿論、第２面５ｂの半径や、第２面５ｂから照射面４までの長さＬ２を変えることで、各入射光束７ａ〜７ｄが照射面４に投影される位置４ａ〜４ｄは大きく変化する。そのため上記の例だけでなく投影位置が変化する各種の例が得られるが、入射光の中心部光束、例えば７ａ、７ｂと、周辺部光束、例えば７ｃ、７ｄを第２面５ｂで射出したとき混合されて平均化されるような凹面の構成としておく。
このように本発明はメニスカスアフォーカルレンズ５を光源光軸６上に設置し、その第１面５ａで生成される球面収差現象を積極的に利用し、それを第２面５ｂで受けて射出角の大きさを変更し、照射面４に投影されるビームを整形するようにした。それによってビーム中心部の強い光と周辺部の弱い光が混合されて光強度分布は平均化される。この時の光強度分布の形状を図３Ｂの右端にグラフＧ２として示した。
FIG. 3B is an explanatory diagram of an optical path when the meniscus afocal lens 5 is installed on the optical axis 6 as shown in FIG. The first surface 5a of the lens 5 is a convex surface similar to the convex lens first surface 8a of FIG. A, and the second surface 5b is concave. When a light beam 7 similar to that in FIG. A is incident on such a meniscus afocal lens 5, for example, the light 7a incident from the first surface position 5a1 on the side closer to the optical axis 6 is reflected by spherical aberration as in FIG. When the light beam proceeds toward the position P1 on the axis 6 and is emitted from the second surface 5b, the size of the emission angle is changed, and the optical path is omitted in the drawing, but the optical axis of the irradiation surface 4 is omitted. Projected at a position far from 6, for example, 4d. Similarly, the light 7b incident from the position 5a2 close to the optical axis of the first surface 5a also proceeds toward the position P2 on the optical axis 6 due to spherical aberration as in FIG. A, but is emitted from the second surface 5b. The size of the exit angle is changed and projected onto a position 4c away from the optical axis 6 of the irradiated surface. The light 7c incident from the position 5a3 on the first surface also travels to the position P3 on the optical axis 6 due to spherical aberration, but is changed when the light is emitted from the second surface 5b to a position 4b close to the optical axis 6 on the irradiation surface. Projected. The traveling direction of the light 7d that has entered the position 5a4 far from the optical axis 6 of the first surface 5a is also changed by the second surface 5b and projected onto the position 4a near the optical axis 6 of the irradiation surface.
As described above, the second surface 5b of the meniscus afocal lens 5 projects the light 7d incident on the position 5a4 far from the optical axis 6 of the first surface 5a onto the position 4a on the side closer to the optical axis 6 of the irradiation surface, The light 7a incident on the position 5a1 on the near side has a concave lens action of projecting to the position 4d far from the optical axis. Of course, by changing the radius of the second surface 5b and the length L2 from the second surface 5b to the irradiation surface 4, the positions 4a to 4d at which the incident light beams 7a to 7d are projected onto the irradiation surface 4 change greatly. . Therefore, various examples in which the projection position changes are obtained in addition to the above example, but when the central part light flux of incident light, for example, 7a, 7b, and the peripheral part light flux, for example, 7c, 7d are emitted from the second surface 5b. It is set as the concave surface structure which is mixed and averaged.
As described above, the present invention places the meniscus afocal lens 5 on the light source optical axis 6 and positively utilizes the spherical aberration phenomenon generated on the first surface 5a, and receives it on the second surface 5b for emission. The size of the corner was changed, and the beam projected on the irradiation surface 4 was shaped. As a result, strong light at the center of the beam and weak light at the periphery are mixed and the light intensity distribution is averaged. The shape of the light intensity distribution at this time is shown as a graph G2 at the right end of FIG. 3B.
図４は図３で説明した事を整理するための説明図である。図においてメニスカスアフォーカルレンズ５の中心光軸６から先端部までをＨとし、入射光の高さとする。またレンズ５の第１面５ａの曲率半径をＲ１とし、第２面５ｂの曲率半径をＲ２とする。そして第１面５ａから第２面５ｂまでの長さをＬ１とし、第２面５ｂから照射面４までの長さをＬ２としたとき、
ＨとＲ１ ＝球面収差の大きさ
Ｌ１とＲ２＝射出角の大きさ
Ｒ２とＬ２＝混合の割合
が決められる。従ってＨ、Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２の値を適宜選択することで、必要とする性能を得ることが出来る。例えば
Ｒ１＝２．５ｍｍ
Ｒ２＝１．２ｍｍ
Ｌ１＝３〜４．５ｍｍ
としたとき、光束７の平均化がよく確認できた。
FIG. 4 is an explanatory diagram for organizing the matters described in FIG. In the figure, the distance from the center optical axis 6 to the tip of the meniscus afocal lens 5 is H, and the height of the incident light. The radius of curvature of the first surface 5a of the lens 5 is R1, and the radius of curvature of the second surface 5b is R2. When the length from the first surface 5a to the second surface 5b is L1, and the length from the second surface 5b to the irradiation surface 4 is L2,
H and R1 = spherical aberration magnitude
L1 and R2 = size of the emission angle
R2 and L2 = mixing ratio
Is decided. Therefore, the required performance can be obtained by appropriately selecting the values of H, L1, L2, R1, and R2. For example
R1 = 2.5mm
R2 = 1.2mm
L1 = 3-4.5mm
As a result, the averaging of the luminous flux 7 was well confirmed.
図５は実施例２を説明するためのレンズ構成と光路を示した正面図で、図３Ｂのメニスカスアフォーカルレンズ５で平均化されたビームを受けて広角化するメニスカス凹レンズ１０を光源光軸６上に設置したものである。図においてメニスカスアフォーカルレンズ５の第１面５ａに入射した光束７ａ〜７ｄは、第２面５ｂから射出されその後段に設置されたメニスカス凹レンズ１０の第１面１０ａに入射する。この入射光束７ａ〜７ｄは図３Ｂで説明したようにして既に混合され平均化されているから、凹面として構成された第１面１０ａから入射し凸面で構成された第２面１０ｂから射出されるとき、光束７ａ〜７ｄは光強度が平均化されたままその射出角の大きさが変更され広角化される。例えばメニスカス凹レンズ１０の光軸６に近い側から入射する光を、先の例で説明した混合によって得られた光７ｄとすれば、その光７ｄは照射面４の光軸側の位置、例えば４ａ２に投影される。またレンズ１０の光軸６に近い位置から入射した光７ｃは、照射面４の光軸６に近い位置４ｂ２に投影される。同様に入射光７ｂは照射面４の位置４ｃ２に投影され、レンズ１０の光軸６から離れた位置に入射した光７ａは、照射面４の光軸６から離れた位置４ｄ２に投影される。この照射面４上の位置４ａ２〜４ｄ２などに得られる円形状の像１１ａサイズをφｎ２とすると、図３Ｂに示した照射面上の位置４ａ〜４ｄなどに得られる円形状の像サイズはφｎ１となる。この時の広角化の比率（φｎ１／φｎ２）は図４の場合と同様に、中心光軸６から第１面１０ａ凹レンズ部の高さＨ、第１面１０ａと第２面１０ｂの曲率半径Ｒ１、Ｒ２、第１面１０ａから第２面１０ｂまでの長さＬ１、第２面１０ｂから照射面４までの長さＬ２などによって決められる。
このようなメニスカス凹レンズ１０をメニスカスアフォーカルレンズ５の後段光軸上に設置すれば、メニスカス凹レンズ１０に入射する光束は前記したように既に混合されているから、照射面４上に円形状の内部光強度分布が平均化された広角像１１ａを投影することが出来る。
FIG. 5 is a front view showing a lens configuration and an optical path for explaining the second embodiment. A meniscus concave lens 10 which receives a beam averaged by the meniscus afocal lens 5 in FIG. It is installed above. In the figure, light beams 7a to 7d incident on the first surface 5a of the meniscus afocal lens 5 are emitted from the second surface 5b and incident on the first surface 10a of the meniscus concave lens 10 installed in the subsequent stage. Since the incident light beams 7a to 7d are already mixed and averaged as described with reference to FIG. 3B, they are incident from the first surface 10a configured as a concave surface and emitted from the second surface 10b configured as a convex surface. At that time, the luminous fluxes 7a to 7d are widened by changing the exit angle while the light intensity is averaged. For example, if the light incident from the side close to the optical axis 6 of the meniscus concave lens 10 is the light 7d obtained by the mixing described in the previous example, the light 7d is a position on the optical axis side of the irradiation surface 4, for example, 4a2. Projected on. The light 7c incident from a position close to the optical axis 6 of the lens 10 is projected to a position 4b2 close to the optical axis 6 of the irradiation surface 4. Similarly, the incident light 7b is projected onto a position 4c2 of the irradiation surface 4, and the light 7a incident on a position away from the optical axis 6 of the lens 10 is projected onto a position 4d2 away from the optical axis 6 of the irradiation surface 4. If the circular image 11a size obtained at positions 4a2 to 4d2 on the irradiation surface 4 is φn2, the circular image size obtained at positions 4a to 4d on the irradiation surface shown in FIG. 3B is φn1. Become. The ratio of the widening angle (φn1 / φn2) at this time is the height H of the concave lens portion of the first surface 10a from the central optical axis 6 and the radius of curvature R1 of the first surface 10a and the second surface 10b, as in FIG. , R2, length L1 from the first surface 10a to the second surface 10b, length L2 from the second surface 10b to the irradiation surface 4, and the like.
If such a meniscus concave lens 10 is placed on the rear optical axis of the meniscus afocal lens 5, the luminous flux incident on the meniscus concave lens 10 is already mixed as described above, so that a circular interior is formed on the irradiation surface 4. The wide-angle image 11a in which the light intensity distribution is averaged can be projected.
図６は実施例３を説明するためのレンズ構成と光路を示した正面図で、図５で示したメニスカスアフォーカルレンズ５とメニスカス凹レンズ１０間の光軸上に凹レンズを設置したものである。図Ａにおいてメニスカスアフォーカルレンズ第１面５ａに入射した光束７ａ〜７ｄは第２面５ｂから射出され、第３レンズとしての凹レンズ１２に入射する。このとき図３で説明したように光束７ａ〜７ｄはすでに混合されているから、強度分布が平均化された光束として入射する。この入射した光束が凹レンズ１２から射出されるとき、凹レンズ１２の機能によって射出角が変更されて広角化が進められる。そしてその広角化された光が第２レンズとしてのメニスカス凹レンズ１０入射する。この第２レンズ１０は図５で説明したようにその第１面１０ａが凹面に、第２面１０ｂが凸面になっているから、第２面１０ｂから射出されるとき更に広角化されて照射面４に投影される。例えばメニスカス凹レンズ１０の光軸６から離れた位置に入射した光７ａは照射面４の位置４ｄ３に、光７ｂは位置４ｃ３に、光７ｃは位置４ｂ３に、光７ｄは位置４ａ３に投影される。この投影された円形状の像１１ｂのサイズは、図３Ｂによる像の直径φｎ１に対して広角化によってその直径はφｎ３となる。このφｎ３は図５で説明した像１１ａのφｎ２に対して（φｎ１＜φｎ２＜φｎ３）となる。
広角化について更に説明する。図５において照射面４に像１１ａが投影されたとき、φｎ２の直径を持つ円形状の像１１ａによって描かれる円弧は、図５のメニスカス凹レンズ１０の第１面１０ａ光軸６上の位置ＲＰを基点としたとき約８０〜９０度程度の角度で照射面に投影される。これに対して図６Ａの第３レンズ１２を設置した場合は、広角化が更に進められるからφｎ３の直径を持つ円形状の像１１ｂによって描かれる円弧は、約１６０〜１８０度程度の角度で照射面に投影される。このように第３レンズとしての凹レンズ１２を設置することで、光強度分布が平均化された光で広角化が更に進められた像１１ｂを照射面４上で得ることが出来る。
FIG. 6 is a front view showing a lens configuration and an optical path for explaining the third embodiment, in which a concave lens is installed on the optical axis between the meniscus afocal lens 5 and the meniscus concave lens 10 shown in FIG. In FIG. A, light beams 7a to 7d incident on the first surface 5a of the meniscus afocal lens are emitted from the second surface 5b and incident on the concave lens 12 as the third lens. At this time, since the light beams 7a to 7d are already mixed as described with reference to FIG. 3, the light beams are incident as the light beams whose intensity distribution is averaged. When this incident light beam is emitted from the concave lens 12, the exit angle is changed by the function of the concave lens 12, and the widening is advanced. Then, the wide angle light enters the meniscus concave lens 10 as the second lens. As described with reference to FIG. 5, the second lens 10 has a concave first surface 10a and a second convex surface 10b. Therefore, when the second lens 10 is emitted from the second surface 10b, the angle of the second lens 10 is further widened. 4 is projected. For example, the light 7a incident at a position away from the optical axis 6 of the meniscus concave lens 10 is projected to the position 4d3, the light 7b is projected to the position 4c3, the light 7c is projected to the position 4b3, and the light 7d is projected to the position 4a3. The size of the projected circular image 11b becomes φn3 by widening the diameter φn1 of the image according to FIG. 3B. This φn3 is (φn1 <φn2 <φn3) with respect to φn2 of the image 11a described in FIG.
The widening will be further described. When the image 11a is projected onto the irradiation surface 4 in FIG. 5, the circular arc drawn by the circular image 11a having a diameter of φn2 represents the position RP on the first surface 10a optical axis 6 of the meniscus concave lens 10 in FIG. Projected onto the irradiation surface at an angle of about 80 to 90 degrees when used as a base point. On the other hand, when the third lens 12 of FIG. 6A is installed, the widening of the angle is further advanced, so that the arc drawn by the circular image 11b having a diameter of φn3 is irradiated at an angle of about 160 to 180 degrees. Projected onto a surface. By installing the concave lens 12 as the third lens in this way, an image 11b that has been further widened with light whose light intensity distribution is averaged can be obtained on the irradiation surface 4.
図６Ｂは図６Ａに示した凹レンズ１２のメニスカスアフォーカルレンズ５側に、更にもう１つの凹レンズ１３を第４レンズとして設置したものである。図においてメニスカスアフォーカルレンズ第１面５ａから入射した光束７ａ〜７ｄは、第２面５ｂから射出され第４レンズとしての凹レンズ１３に入射する。このとき図３で説明したように、光束７ａ〜７ｄはすでに混合されているから強度分布は平均化されたものとなっている。第４レンズ１３に入射した光は射出角が変更され、広角化が進められて第３レンズ１２に入射する。そして一層広角化が進められ第２レンズとしてのメニスカス凹レンズ１０に入射し、さらなる広角化が進められて照射面４に像１１ｃとして投影される。例えば第２レンズ１０の光軸６から離れた位置に入射した光７ａは照射面４の位置４ｄ４に投影され、光７ｂは位置４ｃ４に、光７ｃは位置４ｂ４に、光７ｄは位置４ａ４に投影される。この投影される円形状の像１１ｃサイズは、図３Ｂの像φｎ１に対して第４レンズ１３、第３レンズ１２、第２レンズ１０によって広角化が進められるからφｎ４の直径となる。このφｎ４は（φｎ１＜φｎ２＜φｎ３≒φｎ４）であり、その円弧は図５の光軸６上基点ＲＰから約２２０〜２４０度程度の角度で投影される。このように第４レンズとしての凹レンズ１３を設置することで、更に一層の広角化した像１１ｃを照射面４上で得ることが出来る。 In FIG. 6B, another concave lens 13 is installed as a fourth lens on the meniscus afocal lens 5 side of the concave lens 12 shown in FIG. 6A. In the figure, light beams 7a to 7d incident from the first surface 5a of the meniscus afocal lens are emitted from the second surface 5b and incident on the concave lens 13 as the fourth lens. At this time, as described with reference to FIG. 3, since the light beams 7a to 7d are already mixed, the intensity distribution is averaged. The light incident on the fourth lens 13 is changed in the emission angle, and the light is made wider to enter the third lens 12. Then, the angle is further widened and enters the meniscus concave lens 10 as the second lens, and the angle is further widened and projected onto the irradiation surface 4 as an image 11c. For example, the light 7a incident at a position away from the optical axis 6 of the second lens 10 is projected onto the position 4d4 of the irradiation surface 4, the light 7b is projected onto the position 4c4, the light 7c is projected onto the position 4b4, and the light 7d is projected onto the position 4a4. Is done. The projected circular image 11c has a diameter of φn4 because the widening of the image φn1 in FIG. 3B is advanced by the fourth lens 13, the third lens 12, and the second lens 10. This φn4 is (φn1 <φn2 <φn3≈φn4), and the arc is projected at an angle of about 220 to 240 degrees from the base point RP on the optical axis 6 in FIG. By installing the concave lens 13 as the fourth lens in this way, an image 11c having a wider angle can be obtained on the irradiation surface 4.
図７は実施例４を示した斜視略図で、図２のメニスカスアフォーカルレンズ５をメニスカスアフォーカルのシリンドリカルレンズ１４としたもので、第１面を１４ａ、第２面を１４ｂとして示してある。このようにすると照射面４に得られる投影像１５はライン状となる。図では横型のライン像１５ａとしてあるが、メニスカスアフォーカルシリンドリカルレンズ１４を光軸６中心にして回転させることで、縦型のライン像１５ｂとすることが出来る。ライン状の像１５にしたとしてもシリンドリカルレンズ自身がメニスカスアフォーカルレンズとなっているので、入射光７の光強度分布を平均化することが出来る。それによって像１５の長さ方向での光強度は光軸近辺の中心部も周辺部も平均化によって同じとなる。従ってプリント基板などを照射面としたとき、レーザ光源からのビームでライン像を投影すると、平滑化と平均化によって均一幅で均一深さのラインとなる。
またこの図は、図３Ｂに示したメニスカスアフォーカルレンズ５をシリンドリカルレンズ１４とした例として示してあるが、前記した図５のメニスカス凹レンズ１０、図６Ａの凹レンズ１２、図６Ｂの凹レンズ１３をそれぞれシリンドリカルレンズとして設置すれば、図５、図６Ａ、Ｂの像１１ａ、１１ｂ、１１ｃによって作り出される円弧を図７に示した像１５の長さとして得ることが出来る。それによってこれをライン発生機として例えば室内に設置したとき、図５の例では室内の天井全体を照射面４とするラインを発生し投影することが出来る。また図６Ａの場合には天井と壁面の一部を照射面４とするラインを発生し投影することが出来る。図６Ｂの例では天井と壁面と床面の一部を照射面４とするラインを発生して投影することが出来る。このようにホモジナイザとして機能させると同時に、広角化の機能を持たせることが容易となる。それもこの場合、ラインの中心部光と周辺部光は同じ幅であり、光強度も一定のものとして得ることが出来る。
FIG. 7 is a schematic perspective view showing Example 4, in which the meniscus afocal lens 5 of FIG. 2 is a meniscus afocal cylindrical lens 14, and the first surface is shown as 14a and the second surface is shown as 14b. If it does in this way, the projection image 15 obtained on the irradiation surface 4 will become a line shape. Although the horizontal line image 15a is shown in the figure, the vertical line image 15b can be obtained by rotating the meniscus afocal cylindrical lens 14 about the optical axis 6. Even if the line-shaped image 15 is used, the cylindrical lens itself is a meniscus afocal lens, so that the light intensity distribution of the incident light 7 can be averaged. As a result, the light intensity in the length direction of the image 15 becomes the same in the central portion and the peripheral portion near the optical axis by averaging. Therefore, when a printed circuit board or the like is used as an irradiation surface, when a line image is projected with a beam from a laser light source, a line having a uniform width and a uniform depth is obtained by smoothing and averaging.
Further, this figure shows an example in which the meniscus afocal lens 5 shown in FIG. 3B is a cylindrical lens 14. However, the meniscus concave lens 10 shown in FIG. 5, the concave lens 12 shown in FIG. 6A, and the concave lens 13 shown in FIG. If it is installed as a cylindrical lens, the arc created by the images 11a, 11b, and 11c of FIGS. 5, 6A, and B can be obtained as the length of the image 15 shown in FIG. Accordingly, when this is installed as a line generator, for example, indoors, in the example of FIG. 5, a line having the entire ceiling in the room as the irradiation surface 4 can be generated and projected. In the case of FIG. 6A, it is possible to generate and project a line having the irradiation surface 4 with a part of the ceiling and the wall surface. In the example of FIG. 6B, it is possible to generate and project a line having the irradiation surface 4 as a part of the ceiling, the wall surface, and the floor surface. In this way, it becomes easy to function as a homogenizer and at the same time have a function of widening the angle. In this case as well, the central portion light and the peripheral portion light of the line have the same width, and the light intensity can be constant.
図８は図３Ａの右端に示したグラフＧ１の説明図である。図においてｈ１、ｈ２・・・は図３で７ａ〜７ｄなどで示した各光束を示していて、その高さＨ１が光の強度を表している。従ってｈ１、ｈ２・・・の各ピーク値を結んでいけば図３Ａのガウス分布状のグラフＧ１となる。図の例では次の図９と比較するため、便宜的にｈ１からｈ６までの底面部を長さとするライン状として示してあるが、その中心部では光束ｈ４、ｈ５が最高ピーク値となっていて、周辺部ではｈ１、ｈ６が最小ピーク値となっている。
図９は図７の例に基づきライン状の像１５ａを投影したときの光強度を示している。この像１５ａは図に示したように光束ｈ１、ｈ２・・ｈ４、ｈ５・・・は平均化された強度分布となっている。
FIG. 8 is an explanatory diagram of the graph G1 shown at the right end of FIG. 3A. In the figure, h1, h2,... Indicate the respective light beams indicated by 7a to 7d in FIG. 3, and the height H1 indicates the light intensity. Therefore, if the peak values of h1, h2,... Are connected, a Gaussian distribution graph G1 of FIG. 3A is obtained. In the example of the figure, for comparison with the following FIG. 9, for convenience, the bottom part from h1 to h6 is shown as a line shape having a length, but the light beams h4 and h5 have the highest peak values at the center. In the peripheral portion, h1 and h6 are minimum peak values.
FIG. 9 shows the light intensity when a line-shaped image 15a is projected based on the example of FIG. In this image 15a, the luminous fluxes h1, h2,... H4, h5.
１・・・光源 ２・・・レンズ ３・・・ホモジナイザ ４・・・照射面 ５・・・メニスカスアフォーカルレンズ ６・・・中心光軸 ７・・・光束 ８・・・凸レンズ １０・・・メニスカス凹レンズ １１・・・投影像 １２・・・第３レンズ １３・・・第４レンズ １４・・・メニスカスアフォーカルシリンドリカルレンズ １５・・・投影像 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source 2 ... Lens 3 ... Homogenizer 4 ... Irradiation surface 5 ... Meniscus afocal lens 6 ... Center optical axis 7 ... Light beam 8 ... Convex lens 10 ... Meniscus concave lens 11 ... projected image 12 ... third lens 13 ... fourth lens 14 ... meniscus afocal cylindrical lens 15 ... projected image
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006319147A (en) * | 2005-05-13 | 2006-11-24 | Hitachi Koki Co Ltd | Laser marking machine |
| JP2012123941A (en) * | 2010-12-06 | 2012-06-28 | Sharp Corp | Light-emitting device, vehicular headlight, and lighting device |
| JP2013109357A (en) * | 2012-12-21 | 2013-06-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Light collecting optical system and laser processing device |
| WO2019092833A1 (en) * | 2017-11-09 | 2019-05-16 | 株式会社彩世 | Optical element and laser irradiation device |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59119311A (en) * | 1982-12-27 | 1984-07-10 | Fujitsu Ltd | Conversion lens for light intensity distribution |
| JPS6292912A (en) * | 1985-10-18 | 1987-04-28 | Nippon Kogaku Kk <Nikon> | Illuminating optical system |
| JPS63188115A (en) * | 1987-01-30 | 1988-08-03 | Nikon Corp | Beam shaping optical system |
| JPH04263131A (en) * | 1991-02-18 | 1992-09-18 | Ricoh Co Ltd | Beam shaping apparatus |
| JPH11249011A (en) * | 1998-02-27 | 1999-09-17 | Minolta Co Ltd | Projector optical system |
| JP2000305039A (en) * | 1999-04-16 | 2000-11-02 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Beam shaping device |
| JP2002208159A (en) * | 2001-01-12 | 2002-07-26 | Minolta Co Ltd | Light beam irradiating optical system and optical pickup |
-
2004
- 2004-08-05 JP JP2004229464A patent/JP4693027B2/en active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59119311A (en) * | 1982-12-27 | 1984-07-10 | Fujitsu Ltd | Conversion lens for light intensity distribution |
| JPS6292912A (en) * | 1985-10-18 | 1987-04-28 | Nippon Kogaku Kk <Nikon> | Illuminating optical system |
| JPS63188115A (en) * | 1987-01-30 | 1988-08-03 | Nikon Corp | Beam shaping optical system |
| JPH04263131A (en) * | 1991-02-18 | 1992-09-18 | Ricoh Co Ltd | Beam shaping apparatus |
| JPH11249011A (en) * | 1998-02-27 | 1999-09-17 | Minolta Co Ltd | Projector optical system |
| JP2000305039A (en) * | 1999-04-16 | 2000-11-02 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Beam shaping device |
| JP2002208159A (en) * | 2001-01-12 | 2002-07-26 | Minolta Co Ltd | Light beam irradiating optical system and optical pickup |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006319147A (en) * | 2005-05-13 | 2006-11-24 | Hitachi Koki Co Ltd | Laser marking machine |
| JP2012123941A (en) * | 2010-12-06 | 2012-06-28 | Sharp Corp | Light-emitting device, vehicular headlight, and lighting device |
| JP2013109357A (en) * | 2012-12-21 | 2013-06-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Light collecting optical system and laser processing device |
| WO2019092833A1 (en) * | 2017-11-09 | 2019-05-16 | 株式会社彩世 | Optical element and laser irradiation device |
| EP3709074A4 (en) * | 2017-11-09 | 2021-06-16 | Ayase Co., Ltd. | Optical element and laser irradiation device |
| US11460710B2 (en) | 2017-11-09 | 2022-10-04 | Ayase Co., Ltd. | Optical element and laser irradiation device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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