JP2009294247A - Beam transformer - Google Patents
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Description
本発明は、対象物への光の投影パターンを変更するビーム変換器に関する。 The present invention relates to a beam converter that changes a projection pattern of light onto an object.
従来から、ワーク(投影面)上に投影する光のスポット径や光強度分布、ビーム配列を変更するビーム変換器が知られている。このビーム変換器は、複数種類の大きさの端子の半田付けを可能にするためにレーザ半田装置に実装されたり、複数種類の大きさのドットによるマーキングを実現するためにレーザマーカに組み込まれたりしている。 Conventionally, a beam converter that changes the spot diameter, light intensity distribution, and beam arrangement of light projected onto a workpiece (projection surface) is known. This beam converter can be mounted on a laser soldering device to enable soldering of multiple types of terminals, or incorporated into a laser marker to achieve marking with multiple types of sizes of dots. ing.
ワーク上のスポット径の変更は、ズームレンズの位置を調整することで実現されている。具体的には、ズームレンズを構成するレンズ同士の間隔を変えて合成焦点距離を変化させるとともに、レンズ群全体の位置をシフトすることにより焦点面の変位を抑制する。このような機械補正式のズームレンズは、例えば下記特許文献1に記載されている。
2群で焦点移動のないズームレンズを作るには、2群を同時に移動させ、前群のレンズの移動量をカムで補正する必要がある。しかし、このような機械補正型のズームレンズは機構の複雑化を招き、また、機械補正型では焦点面の変位を完全にゼロにすることが難しい。 In order to make a zoom lens with no focal shift in the second group, it is necessary to move the second group simultaneously and correct the movement amount of the lens in the front group with a cam. However, such a mechanical correction type zoom lens causes a complicated mechanism, and it is difficult for the mechanical correction type to completely eliminate the focal plane displacement.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で対象物への光の投影パターンを変更することが可能なビーム変換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a beam converter that can change the projection pattern of light onto an object with a simple configuration.
本発明のビーム変換器は、投射装置から投射された光を受光する入射端面と受光した光を出射する出射端面とを有する複数の光導波路と、出射端面から出射された光を対象物上に投影する対物光学系と、複数の光導波路のうち少なくとも一の光導波路と投射装置との相対位置を変更することで、該少なくとも一の光導波路を投射装置からの光を受光可能な位置に配置する位置決め機構と、を備え、位置決め機構により配置された少なくとも一の光導波路の出射端面における出射光の強度分布が、他の光導波路のうち少なくとも一つの光導波路の出射端面における出射光の強度分布と異なる。 The beam converter according to the present invention includes a plurality of optical waveguides having an incident end face that receives light projected from the projection device and an exit end face that emits the received light, and the light emitted from the exit end face on the object. By changing the relative position of the projection objective optical system and at least one of the plurality of optical waveguides and the projection device, the at least one optical waveguide is disposed at a position where light from the projection device can be received. An intensity distribution of the emitted light at the exit end face of at least one optical waveguide disposed by the positioning mechanism, and an intensity distribution of the emitted light at the exit end face of at least one of the other optical waveguides. And different.
このようなビーム変換器によれば、出射光の強度分布が互いに異なる複数の光導波路が用意され、これらの光導波路のうち少なくとも一の光導波路が投射装置からの光を受光可能な位置に適宜配置される。したがって、対象物上に光を投影する対物光学系を移動させなくても対象物への光の投影パターンを変更できる。すなわち、簡易な構成で投影パターンを変更できる。 According to such a beam converter, a plurality of optical waveguides having different intensity distributions of emitted light are prepared, and at least one of these optical waveguides is appropriately positioned at a position where light from the projection device can be received. Be placed. Therefore, the projection pattern of light onto the object can be changed without moving the objective optical system that projects light onto the object. That is, the projection pattern can be changed with a simple configuration.
本発明のビーム変換器では、複数の光導波路の入射端面がそれぞれ同一方向を向いており、複数の光導波路の出射端面がそれぞれ同一方向を向いており、位置決め機構が、複数の光導波路の配列方向に沿って少なくとも一の光導波路の位置を変更することが好ましい。 In the beam converter of the present invention, the incident end faces of the plurality of optical waveguides are each directed in the same direction, the exit end faces of the plurality of optical waveguides are respectively directed in the same direction, and the positioning mechanism is an array of the plurality of optical waveguides. It is preferable to change the position of at least one optical waveguide along the direction.
この場合、複数の光導波路の入射端面同士及び出射端面同士がそれぞれ同一方向を向いているので、位置決め機構による位置変更は光導波路の配列方向に沿って行えば足りる。その結果、ビーム変換器の構成をより簡単にできる。 In this case, since the incident end faces and the exit end faces of the plurality of optical waveguides face each other in the same direction, it is sufficient to change the position by the positioning mechanism along the arrangement direction of the optical waveguides. As a result, the configuration of the beam converter can be simplified.
本発明のビーム変換器では、複数の光導波路のうち少なくとも二つの光導波路が、投射装置からの光を同時に受光及び出射することが好ましい。 In the beam converter of the present invention, it is preferable that at least two of the plurality of optical waveguides simultaneously receive and emit light from the projection device.
この場合、複数のスポットから成るビーム配列を対象物上に投影することが可能になる。 In this case, it is possible to project a beam array composed of a plurality of spots onto the object.
本発明のビーム変換器では、複数の光導波路のうち少なくとも一の光導波路がモードスクランブル機構を有することが好ましい。 In the beam converter of the present invention, it is preferable that at least one of the plurality of optical waveguides has a mode scramble mechanism.
この場合、モードスクランブル機構を有する光導波路とそれを持たない光導波路とで出射端面における出射光の強度分布が変わるので、これらの光導波路を切り替えることにより対象物への光の投影パターンを変更することが可能になる。 In this case, since the intensity distribution of the outgoing light at the outgoing end face changes between the optical waveguide having the mode scramble mechanism and the optical waveguide not having the mode scramble mechanism, the projection pattern of the light onto the object is changed by switching these optical waveguides. It becomes possible.
本発明のビーム変換器では、複数の光導波路のうち少なくとも二つの光導波路が同一の基材上で一体化されていることが好ましい。 In the beam converter of the present invention, it is preferable that at least two of the plurality of optical waveguides are integrated on the same substrate.
この場合、複数の光導波路のうち二以上の光導波路が一体化されるので、光導波路を移動させるための構成をより簡単にできる。 In this case, since two or more optical waveguides of the plurality of optical waveguides are integrated, the configuration for moving the optical waveguide can be simplified.
このようなビーム変換器によれば、出射光の強度分布が互いに異なる複数の光導波路が用意され、これらのうち少なくとも一の光導波路が投射装置からの光を受光可能な位置に適宜配置されるので、対物光学系を移動させる機構を組み込むことなく、簡易な構成で対象物への光の投影パターンを変更できる。 According to such a beam converter, a plurality of optical waveguides having different intensity distributions of emitted light are prepared, and at least one of these optical waveguides is appropriately disposed at a position where light from the projection device can be received. Therefore, the projection pattern of light onto the object can be changed with a simple configuration without incorporating a mechanism for moving the objective optical system.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same or equivalent elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係るビーム変換器の模式図である。図2は図1のII−II線に沿った光導波体の端面図である。ビーム変換器1は、ワーク(投影面、対象物)Wに投影する光のスポット径を変換することが可能な装置である。ビーム変換器1は、光源11、集光光学系12、光導波体13、位置決め機構14及び対物光学系15を備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram of a beam converter according to the first embodiment. FIG. 2 is an end view of the optical waveguide taken along line II-II in FIG. The
光源11は、光を発する投射装置である。光源11の出射端の径は40μmであり、その開口数(NA)は0.12である。
The
集光光学系12は、光源11から出射された光L1を集光し、後述する光導波路の入射端面に向けて光L2を出射する光部品である。集光光学系12の焦点距離fは20mmであり、有効開口数(有効NA)は0.2である。集光光学系12は、光源11の前方40mm(=2f)の位置に設置されている。この集光光学系12を備えることで、後述する光導波路131〜133に入射する光の量を確保できる。もっとも、このような集光光学系を設けるか否かは任意である。
The condensing
光導波体13は、集光光学系12からの光L2を受光し、後述する対物光学系15に向けて光L3を出射する光部品である。光導波体13は、集光光学系12と40mm(=2f)の距離をおいて設置されている。光導波体13の光伝送方向に沿った長さ(図1における左右方向の長さ)は50mmである。光導波体13は、コア径及びクラッド径が互いに異なる三本の光導波路131〜133とこれらの光導波路を固定する基材134とを含んで構成されている。光導波路131のコア径、クラッド径はそれぞれ200μm、220μmであり、光導波路132のコア径、クラッド径はそれぞれ112μm、125μmであり、光導波路133のコア径、クラッド径はそれぞれ72μm、80μmである。
The
光導波路131〜133は、基材134上に平行に形成された断面V字状の三本の溝にそれぞれ嵌まるように固定されており、その結果、これらの光導波路131〜133は一体化されている。光導波路131〜133はそれぞれ、光L2を受光する入射端面と、光L3を出射する出射端面とを有している。ここで、光導波路131〜133の入射端面をそれぞれ入射端面131a,132a,133aとし、出射端面をそれぞれ入射端面131b,132b,133bとする。各入射端面131a,132a,133aは同一方向(図1における左方向)を向いており、各出射端面131b,132b,133bも同一方向(図1における右方向)を向いている。
The
位置決め機構14は、複数の光導波路131〜133のうち一の光導波路と光源11との相対位置を変更することで、該一の光導波路を光源11からの光を受光可能な位置に配置する制御装置である。位置決め機構14は、ユーザの入力又は所定のプログラムの実行に基づいて、複数の光導波路131〜133の配列方向(図1における上下方向)に沿って光導波体13の位置を変更する。位置決め機構14は、例えば図1に示すように、光導波路133が光源11からの光を受光するように光導波体13の位置を変更する。
The
対物光学系15は、一の光導波路の出射端面(図1の例では光導波路133の出射端面133b)から出射された光L3をワークWに投影する光部品である(ワークWに投影される光を光L4とする)。対物光学系15の光学パラメータ(焦点距離及び有効NA)は集光光学系12のものと同じである。対物光学系15は、光導波体13と40mm(=2f)の距離をおいて設置されている。また、対物光学系15とワークWとの距離も40mm(=2f)であり、この距離は変わらない。
The objective
以上説明したように、第1実施形態によれば、複数の光導波路131〜133のコア径が互いに異なるので、出射端面131b,132b,133bにおける出射光の強度分布も互いに異なる。そして、これらの光導波路131〜133のうち少なくとも一の光導波路が光源11からの光を受光可能な位置に配置される。したがって、ワークW上に光を投影する対物光学系15を移動させなくてもワークWへの光L4の投影パターンを変更できる。特に、第1実施形態によれば光L4のスポット径を変更できる。
As described above, according to the first embodiment, since the core diameters of the plurality of
また、第1実施形態によれば、入射端面131a,132a,133aが同一方向を向くとともに出射端面131b,132b,133bも同一方向を向いているので、位置決め機構14は光導波体13を光導波路の配列方向に沿って移動させれば光導波路を切り替ることが可能である。その結果、ビーム変換器1をより簡易に構成できる。
Further, according to the first embodiment, since the incident end faces 131a, 132a, 133a face the same direction and the exit end faces 131b, 132b, 133b also face the same direction, the
また、第1実施形態によれば、複数の光導波路131〜133が基材134により一体化されているので、これらの光導波路131〜133を移動させるための機構(例えば光導波体13や位置決め機構14など)を簡単にできる。
In addition, according to the first embodiment, since the plurality of
なお、第1実施形態では、光導波路131〜133のコア径を200μm、112μm、72μmとしたが、ビーム変換器に用いる光導波路のコア径はこれらに限定されず、様々なコア径の光導波路を用いてよい。したがって、例えばスポット径のサイズ比が1:10のビーム変換器や、あるいはサイズ比がそれ以上のビーム変換器も製作可能である。
In the first embodiment, the core diameters of the
(第2実施形態)
図3は第2実施形態に係るビーム変換器の模式図である。図4(a)は図3のIVA−IVA線端面図であり、図4(b)は図3のIVB−IVB線端面図である。ビーム変換器2は、第1実施形態における光導波体13に代えて光導波体16を有する。本実施形態の他の構成は第1実施形態と同じなので、説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic diagram of a beam converter according to the second embodiment. 4A is an end view taken along line IVA-IVA in FIG. 3, and FIG. 4B is an end view taken along line IVB-IVB in FIG. The beam converter 2 has an
光導波体16は、集光光学系12からの光L2を受光し、対物光学系15に向けて光L3を出射する光部品である。光導波体16は、集光光学系12と40mm(=2f)の距離をおいて設置されている。また、光導波体16と対物光学系15との距離も40mm(=2f)である。光導波体16の光伝送方向に沿った長さ(図3における左右方向の長さ)は50mmである。光導波体16は、一本の光導波路161と、四本の光導波路162と、これら光導波路161,162を固定する基材163とを含んで構成されている。
The
光導波路161のコア径、クラッド径はそれぞれ200μm、220μmであり、光導波路162のコア径、クラッド径はそれぞれ40μm、50μmである。基材163には、断面がV字状である溝164と、断面が四角形状である溝165とが平行に形成されている。溝165は、その幅が集光光学系12側から対物光学系15側に移るにつれて徐々に広がるように形成されている。光導波路161は溝164に嵌まるように固定されており、光導波路162は溝165に嵌まるように固定されている。その結果、光導波路161,162は一体化されている。
The core diameter and cladding diameter of the
光導波路161の入射端面161a及び光導波路162の入射端面162aは同一方向(図3における左方向)を向いており、光導波路161の出射端面161b及び光導波路162の出射端面162bは同一方向(図3における右方向)を向いている。四つの入射端面162aは上下に二個ずつ配置され全体として略正方形を形成しているが(図4(a)参照)、四つの出射端面162bは上下段にそれぞれ一個、三個ずつ配置されており全体として略三角形を形成している(図4(b)参照)。四本の光導波路162は、光源11からの光を同時に受光及び出射する。
The
以上説明したように、第2実施形態によれば、複数の光導波路162が光源11からの光を同時に受光及び出射するので、複数のスポットから成るビーム配列をワークW上に投影できる。加えて、ビーム変換器2はビーム変換器1と同様の効果も奏する。
As described above, according to the second embodiment, the plurality of
(第3実施形態)
図5は第3実施形態に係るビーム変換器の模式図である。図6は図5に示す光導波体の拡大平面図である。図7(a)及び(b)は光導波路の出射端面における出射光の強度分布を示すグラフである。ビーム変換器3は、第1実施形態における光導波体13に代えて光導波体17を有する。本実施形態の他の構成は第1実施形態と同じなので、説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a schematic diagram of a beam converter according to the third embodiment. FIG. 6 is an enlarged plan view of the optical waveguide shown in FIG. FIGS. 7A and 7B are graphs showing the intensity distribution of outgoing light on the outgoing end face of the optical waveguide. The beam converter 3 has an
光導波体17は、集光光学系12からの光L2を受光し、対物光学系15に向けて光L3を出射する光部品である。光導波体17は、集光光学系12と40mm(=2f)の距離をおいて設置されている。また、光導波体17と対物光学系15との距離も40mm(=2f)である。光導波体17の光伝送方向に沿った長さ(図5における左右方向の長さ)は50mmである。
The
光導波体17は、コア径が100μmである二本の光導波路171と、光導波路171を固定する基材172とを含んで構成されている。これらの光導波路171は基材172上に平行に形成された断面V字状の溝に嵌まるように固定されることで一体化されている。各光導波路171の入射端面171aは同一方向(図5における左方向)を向いており、各出射端面171bも同一方向(図5における右方向)を向いている。
The
二本の光導波路171のうちの一方は、光散乱体173aを含むモードスクランブル機構173を有している。なお、光散乱体の付与以外の手法でモードスクランブル機構を構成してもよい。例えば、GeO2−SiO2ガラスで構成されたコアを有する光ファイバや石英系平面光導波路を高圧水素雰囲気下で保持することでコアガラス内に水素分子を含浸させる。そして、その部分に対して248nm近辺の紫外線を斑状に照射することで、1×10−3程度の屈折率変化が斑状に存在するモードスクランブル機構を生成できる。また、光導波路を直径数十から数百μm程度の光ファイバにより構成した場合には、径が数百μm程度の半球体、もしくは円柱体などを用いて光ファイバに対して側圧を付与することでモードスクランブル機構を構成できる。
One of the two
モードスクランブル機構173の有無により、出射端面171bにおける出力光の強度分布は図7に示すように変わる。図7(a)はモードスクランブル機構173を備えない光導波路171についてのグラフであり、図7(b)はモードスクランブル機構173を備える光導波路171についてのグラフである。図7(a)及び(b)のグラフの縦軸及び横軸は、それぞれ出力光の強度(W/cm2)、配列方向における位置である。なお、グラフでは光導波路171のコア径をφとしている。モードスクランブル機構173を備えない場合には、コアの中心を最高点とする略釣鐘状の強度分布となるのに対し、モードスクランブル機構173を備えた場合には、コアの略全体にわたって高い強度が維持されている。
Depending on the presence / absence of the
以上説明したように、第3実施形態によれば、モードスクランブル機構173を有する光導波路171とそれを持たない光導波路171とで出射端面171bにおける出射光の強度分布が変わる。したがって、対象物への光の投影パターンを変更することが可能になる。
As described above, according to the third embodiment, the intensity distribution of outgoing light at the
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。 The present invention has been described in detail based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be modified in various ways as described below without departing from the scope of the invention.
上記各実施形態では、複数の光導波路が基材に固定されることで一体化していたが、このような一体化を行わなくてもよい。その場合には、位置決め装置は複数の光導波路を個別に制御することで、少なくとも一の光導波路を投射装置からの光を受光可能な位置に配置する。 In each of the above embodiments, the plurality of optical waveguides are integrated by being fixed to the base material. However, such integration may not be performed. In that case, the positioning device individually controls the plurality of optical waveguides, thereby arranging at least one optical waveguide at a position where light from the projection device can be received.
上記各実施形態では、ビーム変換器は光源から出射された光のスポット径やビーム配列を変更する機能を備えていたが、反射光のスポット径やビーム配列を変更してもよい。この場合には、反射光を生み出す光学部品(例えば反射板)が投射装置に該当する。 In each of the above embodiments, the beam converter has a function of changing the spot diameter and beam arrangement of the light emitted from the light source. However, the spot diameter and beam arrangement of the reflected light may be changed. In this case, an optical component (for example, a reflector) that generates reflected light corresponds to the projection device.
1,2,3…ビーム変換器、11…光源(投射装置)、12…集光光学系、13,16,17…光導波体、14…位置決め機構、15…対物光学系、131〜133,161〜162,171…光導波路、131a,132a,133a,161a,162a,171a…入射端面、131b,132b,133b,161b,162b,171b…出射端面、173…モードスクランブル機構、W…ワーク(対象物)。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記出射端面から出射された光を対象物上に投影する対物光学系と、
前記複数の光導波路のうち少なくとも一の光導波路と前記投射装置との相対位置を変更することで、該少なくとも一の光導波路を前記投射装置からの光を受光可能な位置に配置する位置決め機構と、
を備え、
前記位置決め機構により配置された前記少なくとも一の光導波路の出射端面における出射光の強度分布が、他の光導波路のうち少なくとも一つの光導波路の出射端面における出射光の強度分布と異なる、
ビーム変換器。 A plurality of optical waveguides having an incident end face for receiving the light projected from the projection device and an outgoing end face for emitting the received light;
An objective optical system that projects the light emitted from the exit end face onto an object;
A positioning mechanism that arranges the at least one optical waveguide at a position capable of receiving light from the projection device by changing a relative position between at least one of the plurality of optical waveguides and the projection device; ,
With
The intensity distribution of the emitted light at the emission end face of the at least one optical waveguide arranged by the positioning mechanism is different from the intensity distribution of the emitted light at the emission end face of at least one of the other optical waveguides,
Beam converter.
前記複数の光導波路の出射端面がそれぞれ同一方向を向いており、
前記位置決め機構が、前記複数の光導波路の配列方向に沿って前記少なくとも一の光導波路の位置を変更する、
請求項1に記載のビーム変換器。 The incident end faces of the plurality of optical waveguides are each directed in the same direction,
The exit end faces of the plurality of optical waveguides are each directed in the same direction,
The positioning mechanism changes a position of the at least one optical waveguide along an arrangement direction of the plurality of optical waveguides;
The beam converter according to claim 1.
請求項1又は2に記載のビーム変換器。 At least two of the plurality of optical waveguides simultaneously receive and emit light from the projection device,
The beam converter according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか一項に記載のビーム変換器。 At least one of the plurality of optical waveguides has a mode scramble mechanism,
The beam converter as described in any one of Claims 1-3.
請求項1〜4のいずれか一項に記載のビーム変換器。 At least two of the plurality of optical waveguides are integrated on the same substrate,
The beam converter as described in any one of Claims 1-4.
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