JP2009080407A - 光束形状変換光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、矩形の光束形状を円形に変換したり、その逆を行うことが可能な効率の良い光束形状変換装置を提供する。
【解決手段】 少なくとも１つの後述する自由曲面を有する光学素子を備えた光束形状変換光学系である。そして、自由曲面は、両べきが同一な偶数次項を有する回転非対称な形状からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は光学系に関し、特に、レーザ光線などの平行光線の光束形状を矩形から円形又はその逆の円形から矩形に変換する機能を有する光束形状変換光学系に関するものである。

従来、光束形状を揃えるために、束ねたオプティカルファイバーの端面やインテグレーターロッドの形状を円形や矩形にしたものがあった。また、特許文献１に示すような回折光学素子や、ホログラフィック光学素子を使用し、光束形状を変更するものがあった。
特開２００６−２６７２８４号公報

しかしながら、オプティカルファイバーの場合はファイバーの充填率に限界があり、無駄になる光線が多かった。また、インテグレーターロッドの場合は光束が太くなると大型のものが必要になり、小型で安価なものが無かった。さらに、回折光学素子やホログラフィック光学素子は製作が特殊であり、高価になってしまう問題が生じていた。

本発明は、従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、矩形の光束形状を円形に変換したり、その逆を行うことが可能な効率の良い光束形状変換光学系を提供することである。

上記目的を達成する本発明の光束形状変換光学系は、少なくとも１つの自由曲面を有する光学素子を備えた光束形状変換光学系において、前記自由曲面は、両べきが同一な偶数次項を有する回転非対称な形状からなることを特徴とする。

また、前記光学素子は、第１光学素子と、第２光学素子とから構成され、前記２つの光学素子の四隅の部分的パワーは正と負を組み合わせることを特徴とする。

また、前記自由曲面は、前記第１光学素子に入射した平行光束が、前記第２光学素子を通過後、平行光束で射出することを特徴とする。

また、前記自由曲面は、Ｘ²Ｙ²項を有することを特徴とする。

以上の本発明の光学系においては、簡単な構成で、矩形の光束形状を円形に変換したり、その逆を行うことが可能な効率の良い光束形状変換光学系を得ることができる。

以下、実施例に基づいて本発明の光学系について説明する。

図１は、後述する実施例１の光学系１の斜視図である。なお、以下の説明は、結像光学系として説明するが、投影光学系として用いることもできる。

本発明に係る光束形状変換光学系１は、少なくとも１つの後述する自由曲面を有する光学素子を備えた光束形状変換光学系である。そして、自由曲面は、両べきが同一な偶数次項を有する回転非対称な形状からなることが望ましい。

また、光学素子は、第１光学素子と、第２光学素子とから構成され、２つの光学素子の四隅の部分的パワーは正と負を組み合わせることが好ましい。

さらに、自由曲面は、第１光学素子に入射した平行光束が、第２光学素子を通過後、平行光束で射出することが好ましい。

また、自由曲面は、Ｘ²Ｙ²項を有することが好ましい。

以下に、本発明の光学系の実施例１〜３を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。

座標系は、順光線追跡において、例えば図１に示すように、絞りと中心軸２と交差する点を光学面の原点Ｏとし、中心軸２に直交する方向をＹ軸正方向とする。そして、図１の面５側の方向をＺ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

また、各実施例の光学系を構成する光学作用面は、面間隔、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。

また、後記の構成パラメータ中の屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。

また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。

Ｚ＝（ｒ² ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）² ｝］
∞
＋Σ Ｃ_j Ｘ^m Ｙⁿ ・・・（ａ）
^j=1
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
また、球面項中、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ）
である。

自由曲面項は、
₆₆
Σ Ｃ_j Ｘ^m Ｙ^n
j=1
＝Ｃ₁

＋Ｃ₂ Ｘ＋Ｃ₃ Ｙ
＋Ｃ₄ Ｘ² ＋Ｃ₅ ＸＹ＋Ｃ₆ Ｙ²
＋Ｃ₇ Ｘ³ ＋Ｃ₈ Ｘ² Ｙ＋Ｃ₉ ＸＹ² ＋Ｃ₁₀Ｙ³
＋Ｃ₁₁Ｘ⁴ ＋Ｃ₁₂Ｘ³ Ｙ＋Ｃ₁₃Ｘ² Ｙ² ＋Ｃ₁₄ＸＹ³ ＋Ｃ₁₅Ｙ⁴
＋Ｃ₁₆Ｘ⁵ ＋Ｃ₁₇Ｘ⁴ Ｙ＋Ｃ₁₈Ｘ³ Ｙ² ＋Ｃ₁₉Ｘ² Ｙ³ ＋Ｃ₂₀ＸＹ⁴
＋Ｃ₂₁Ｙ⁵
＋Ｃ₂₂Ｘ⁶ ＋Ｃ₂₃Ｘ⁵ Ｙ＋Ｃ₂₄Ｘ⁴ Ｙ² ＋Ｃ₂₅Ｘ³ Ｙ³ ＋Ｃ₂₆Ｘ² Ｙ⁴
＋Ｃ₂₇ＸＹ⁵ ＋Ｃ₂₈Ｙ⁶
＋Ｃ₂₉Ｘ⁷ ＋Ｃ₃₀Ｘ⁶ Ｙ＋Ｃ₃₁Ｘ⁵ Ｙ² ＋Ｃ₃₂Ｘ⁴ Ｙ³ ＋Ｃ₃₃Ｘ³ Ｙ⁴
＋Ｃ₃₄Ｘ² Ｙ⁵ ＋Ｃ₃₅ＸＹ⁶ ＋Ｃ₃₆Ｙ⁷
・・・・・・
ただし、Ｃ_j （ｊは１以上の整数）は係数である。

上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ₂ 、Ｃ₅ 、Ｃ₇ 、Ｃ₉ 、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₂₉、Ｃ₃₁、Ｃ₃₃、Ｃ₃₅・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ₃ 、Ｃ₅ 、Ｃ₈ 、Ｃ₁₀、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₇、Ｃ₁₉、Ｃ₂₁、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₃₀、Ｃ₃₂、Ｃ₃₄、Ｃ₃₆・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。

実施例１の光学系１の斜視図を図１に示す。また、この実施例の入射側のスポットダイヤグラムを図２、射出側のスポットダイヤグラムを図３に示す。

本実施例の光学系１は、屈折率が１より大きい外形矩形の透明媒体Ｐの例である。

透明媒体Ｐは、自由曲面からなる第１透過面１１と、第１透過面１１に対して面５側に形成される第２透過面１２とを有する。

光学系１の図示しない面３から入射する光束は、結像光学系の場合、順光線追跡の順に、図２に示すように、各光線Ｌ_ijにより矩形に形成され、第１透過面１１を経て、透明媒体Ｐ内に入り、第２透過面１２から外に出て、図３に示すように、円形に変換され、面５では円形になる。

具体的には、図２に示すように、矩形に形成された光束Ａは、四隅の光線Ｌ₁₁，Ｌ_1n，Ｌ_m1，Ｌ_mnを含む各光線Ｌ_ijが屈折され、図３に示すように、略円形に変換される。

この実施例１の仕様は、
入射瞳形状 □10×10
射出瞳形状 φ10
である。

実施例２の光学系１の斜視図を図４に示す。また、この実施例の入射側のスポットダイヤグラムを図５、射出側のスポットダイヤグラムを図６に示す。

本実施例の光学系１は、屈折率が１より大きい外形矩形の第１透明媒体Ｐ１及び屈折率が１より大きい外形円形の第２透明媒体Ｐ２の例である。

第１透明媒体Ｐ１は、自由曲面からなる第１透過面１１と、第１透過面１１に対して面５側に形成される第２透過面１２とを有する。

第２透明媒体Ｐ２は、自由曲面からなる第３透過面２１と、第３透過面２１に対して面５側に形成される第４透過面２２とを有する。

光学系１の図示しない面３から入射する光束は、順光線追跡の順に、図５に示すように、各光線Ｌ_ijにより矩形に形成され、第１透過面１１を経て、第１透明媒体Ｐ１内に入り、第２透過面１２から外に出て、第３透過面２１を経て、第２透明媒体Ｐ２内に入り、第４透過面２２から外に出て、図６に示すように、円形に変換され、面５では円形になる。

具体的には、図５に示すように、矩形に形成された光束Ａは、四隅の光線Ｌ₁₁，Ｌ_1n，Ｌ_m1，Ｌ_mnを含む各光線Ｌ_ijが屈折され、図６に示すように、略円形に変換される。

この実施例２の仕様は、
入射瞳形状 □10×10
射出瞳形状 φ10
である。

実施例３の光学系１の斜視図を図７に示す。また、この実施例の入射側のスポットダイヤグラムを図８、射出側のスポットダイヤグラムを図９に示す。

本実施例の光学系１は、屈折率が１より大きい外形矩形の第１透明媒体Ｐ１及び屈折率が１より大きい外形円形の第２透明媒体Ｐ２の例である。

第１透明媒体Ｐ１は、自由曲面からなる第１透過面１１と、第１透過面１１に対して面５側に形成される第２透過面１２とを有する。

第２透明媒体Ｐ２は、自由曲面からなる第３透過面２１と、第３透過面２１に対して面５側に形成される第４透過面２２とを有する。

光学系１の図示しない面３から入射する光束は、順光線追跡の順に、図５に示すように、各光線Ｌ_ijにより矩形に形成され、第１透過面１１を経て、第１透明媒体Ｐ１内に入り、第２透過面１２から外に出て、第３透過面２１を経て、第２透明媒体Ｐ２内に入り、第４透過面２２から外に出て、図６に示すように、円形に変換され、面５では円形になる。

具体的には、図５に示すように、矩形に形成された光束Ａは、四隅の光線Ｌ₁₁，Ｌ_1n，Ｌ_m1，Ｌ_mnを含む各光線Ｌ_ijが屈折され、図６に示すように、略円形に変換される。

この実施例３の仕様は、
入射瞳形状 □8×6
射出瞳形状 φ5.5
である。

以下に、上記実施例１〜３の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の “ＦＦＳ”は自由曲面を示す。

実施例１
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ＦＦＳ[1]（絞り） 1.00 1.5163 64.1
2 ∞ 13.00
像 面 ∞
ＦＦＳ[1]
Ｃ13 1.0000E-03

実施例２
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ＦＦＳ[1]（絞り） 1.00 1.5163 64.1
2 ∞ 13.00
3 ＦＦＳ[2]（絞り） 1.00 1.5163 64.1
4 ∞ 10.00
像 面 ∞
ＦＦＳ[1]
Ｃ13 1.0000E-03
ＦＦＳ[2]
Ｃ13 -3.0000E-03

実施例３
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ＦＦＳ[1]（絞り） 1.00 1.5163 64.1
2 ∞ 13.00
3 ＦＦＳ[2]（絞り） 1.00 1.5163 64.1
4 ∞ 5.00
像 面 ∞
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 1.8000E-02 Ｃ13 1.5000E-03
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -2.0000E-02 Ｃ13 -3.0000E-03

本発明の実施例１の光学系の斜視図である。 実施例１の入射側のスポットダイヤグラムである。 実施例１の射出側のスポットダイヤグラムである。 本発明の実施例２の光学系の斜視図である。 実施例２の入射側のスポットダイヤグラムである。 実施例２の射出側のスポットダイヤグラムである。 本発明の実施例３の光学系の斜視図である。 実施例３の入射側のスポットダイヤグラムである。 実施例３の射出側のスポットダイヤグラムである。

符号の説明

１…光学系
２…中心軸
３…面
５…面

Claims (4)

1. 少なくとも１つの自由曲面を有する光学素子を備えた光束形状変換光学系において、前記自由曲面は、両べきが同一な偶数次項を有する回転非対称な形状からなることを特徴とする光束形状変換光学系。
2. 前記光学素子は、第１光学素子と、第２光学素子とから構成され、前記２つの光学素子の四隅の部分的パワーは正と負を組み合わせることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記自由曲面は、前記第１光学素子に入射した平行光束が、前記第２光学素子を通過後、平行光束で射出することを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 前記自由曲面は、Ｘ²Ｙ²項を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学系。

Images