JP2013029748A - Aspherical homogenizer and method of designing aspherical lens for homogenizer - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aspherical homogenizer for use in laser processing or the like, which is hardly affected by tilt errors.SOLUTION: In a homogenizer comprising one lens which refracts and reduces an incident beam which is parallel and has a Gaussian distribution as an energy distribution, to form a beam having a uniform energy distribution in an image surface within a range of a diameter smaller than a diameter of the incident beam, both surfaces of the lens are aspherical, or one surface is aspherical and the other is concave.

Description

本発明は、金属の切断、溶接、熱処理などに用いられる炭酸ガスレーザーやYAGレーザーなど高出力レーザーに好適な非球面モジナイザー及びそれに用いる非球面レンズの設計方法に係り、特に、レーザーから出たビームを均一パワー分布に変換する1枚レンズからなる非球面ホモジナイザー及びホモジナイザー用非球面レンズの設計方法に関する。   The present invention relates to an aspherical modifier suitable for a high-power laser such as a carbon dioxide laser and a YAG laser used for cutting, welding, and heat treatment of metal, and a design method for an aspherical lens used therefor, in particular, a beam emitted from the laser. The present invention relates to an aspherical homogenizer composed of a single lens that converts the power into a uniform power distribution and a method for designing an aspherical lens for homogenizer.

レーザーから出力されるビームはパワー分布が均一でなく、中央部でパワーが大きく、周辺部に行くにしたがってパワーが減少する。   The beam output from the laser has a non-uniform power distribution, has a large power at the center, and decreases as it goes to the periphery.

このようなレーザーを金属の加工等に用いる場合、中央部のみが加工速度が速く均一な加工ができない場合が生じる。そのため、均一に加工するためにはある空間範囲でパワーが均一であることが要求される。そのためガウス分布をしているビーム(ガウシアンビーム)をある範囲で均一にして、いわゆるトップハット型にする手法が知られているが、そのためには、通常は2枚のレンズを必要としている。   When such a laser is used for metal processing or the like, only the central portion has a high processing speed, and uniform processing may not be possible. Therefore, in order to process uniformly, it is required that the power is uniform in a certain spatial range. For this reason, there is known a technique in which a beam having a Gaussian distribution (Gaussian beam) is made uniform in a certain range to form a so-called top hat type, but for this purpose, usually two lenses are required.

そのような状況の中、1枚の非球面レンズを用いて、レーザーから出てくるガウスビームをトップハット型のビームに変換する光学系(ホモジナイザー)が提案されている(特許文献1参照)。   Under such circumstances, there has been proposed an optical system (homogenizer) that converts a Gaussian beam emitted from a laser into a top-hat beam using a single aspheric lens (see Patent Document 1).

特許文献1では、最終ビーム径は初めのガウスビーム径よりも小さく、位相はそろっておらず、平行光ではないものの、加工用途には十分で、レンズが軸線に対してチルトにも強い、とする技術が提案されている。   In Patent Document 1, the final beam diameter is smaller than the initial Gaussian beam diameter, the phases are not aligned, and it is not parallel light, but it is sufficient for processing applications and the lens is resistant to tilt with respect to the axis. Techniques to do this have been proposed.

特許3960295号公報Japanese Patent No. 3960295

上記のホモジナイザーではチルトに強いとして、0.5度までチルトした場合のデータが一実施例として開示されているが、それ以上にチルトした場合の性能変化については一切触れられていない。一般に、レンズをチルト0.5度以内になるように鏡筒に設置するのは困難であり、最大2度程度チルトしても性能が著しく悪化しないようにする必要がある。   Although the above-mentioned homogenizer is strong against tilt, data when tilted to 0.5 degrees is disclosed as an example, but no mention is made of performance changes when tilted beyond that. In general, it is difficult to install the lens in the lens barrel so that the tilt is within 0.5 degrees, and it is necessary to prevent the performance from deteriorating significantly even if the lens is tilted up to about 2 degrees.

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、両方の面が非球面あるいは、片方の面が非球面でもう片方の面が凹の球面であるレンズからなるチルト誤差低減非球面ホモジナイザーの提供を目的とする。   The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and is a tilt error reducing aspheric homogenizer comprising a lens in which both surfaces are aspherical or one surface is aspherical and the other surface is concave spherical. The purpose is to provide.

本発明者らは、鋭意検討した結果、両方の面が非球面、あるいは片方の面が非球面でもう片方の面が凹の球面であるレンズとすることで、上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成した。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that both surfaces can be aspherical, or that one surface can be aspherical and the other surface can be a concave spherical lens to solve the above problem. The present invention has been completed.

すなわち、本発明のホモジナイザーは、平行でエネルギー分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折縮小させて、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲において像面に均一エネルギー分布のビームを形成するための1枚のレンズからなるホモジナイザーにおいて、前記レンズが、両面非球面であることを特徴とする。   That is, the homogenizer of the present invention is a method for refracting and reducing an incident beam having a parallel and Gaussian energy distribution to form a uniform energy distribution beam on the image plane in a diameter range smaller than the diameter of the incident beam. In the homogenizer comprising a single lens, the lens is a double-sided aspherical surface.

また、本発明の他のホモジナイザーは、平行でエネルギー分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折縮小させて、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲において像面に均一エネルギー分布のビームを形成するための1枚のレンズからなるホモジナイザーであって、前記レンズが、片面が非球面、もう一方の面が凹の球面であることを特徴とする。   In addition, another homogenizer of the present invention refracts and reduces an incident beam having a parallel and Gaussian energy distribution to form a beam having a uniform energy distribution on the image plane in a diameter range smaller than the diameter of the incident beam. The lens is characterized in that the lens is an aspherical surface on one side and a concave spherical surface on the other side.

本発明のホモジナイザー用非球面レンズの設計方法は、一方の面の非球面形状を設定し、他方の面を輪帯状に複数の領域に分割し、前記分割した各領域をそれぞれ異なる曲率をもった球面であって、中心から外に行くに従って球面収差が少なくなるように球面の曲率を設定し、前記球面の曲率を設定した各領域同士を隣り合った領域の球面と滑らかに結ぶ非球面式で近似して繋ぎ合せ、一枚で、平行でエネルギー分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折縮小させて、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲において像面に均一エネルギー分布のビームを形成可能なレンズとすることを特徴とする。   The design method of the aspherical lens for homogenizer of the present invention sets the aspherical shape of one surface, divides the other surface into a plurality of regions in a ring shape, and each of the divided regions has a different curvature. It is a spherical surface, and the curvature of the spherical surface is set so that the spherical aberration decreases as it goes from the center, and each region where the curvature of the spherical surface is set is smoothly connected to the spherical surface of the adjacent region. Approximate splicing, single beam can refract and reduce incident beam with parallel and Gaussian energy distribution to form a uniform energy distribution beam on the image plane in a diameter range smaller than the incident beam diameter It is a lens.

また、本発明の他のホモジナイザー用非球面レンズの設計方法は、一方の面の凹球面形状を設定し、他方の面を輪帯状に複数の領域に分割し、前記分割した各領域をそれぞれ異なる曲率をもった球面であって、中心から外に行くに従って球面収差が少なくなるように球面の曲率を設定し、前記球面の曲率を設定した各領域同士を隣り合った領域の球面と滑らかに結ぶ非球面式で近似して繋ぎ合せ、一枚で、平行でエネルギー分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折縮小させて、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲において像面に均一エネルギー分布のビームを形成可能なレンズとすることを特徴とする。   Further, according to another method of designing an aspheric lens for homogenizer of the present invention, a concave spherical shape of one surface is set, the other surface is divided into a plurality of regions in a ring shape, and each of the divided regions is different. A spherical surface having a curvature, the curvature of the spherical surface is set so that the spherical aberration decreases as it goes from the center, and each region where the curvature of the spherical surface is set is smoothly connected to the spherical surface of the adjacent region. A beam of uniform energy distribution on the image plane in the range of diameter smaller than the diameter of the incident beam by refracting and reducing the incident beam that is parallel and Gaussian distribution with a single piece by approximating with an aspherical system. It is characterized by making it a lens which can form.

本発明の非球面ホモジナイザー及びホモジナイザー用非球面レンズの設計方法によれば、チルトによる性能の変化を低減でき、安定したレーザー光を照射できるホモジナイザーを提供できる。また、ここで用いる非球面レンズは、このプレス成形により製造可能であり、その場合には、容易に非球面レンズを歩留まり良く製造できる。   According to the design method of the aspherical homogenizer and the aspherical lens for homogenizer of the present invention, it is possible to provide a homogenizer that can reduce the change in performance due to tilt and can irradiate a stable laser beam. Moreover, the aspherical lens used here can be manufactured by this press molding. In that case, the aspherical lens can be easily manufactured with a high yield.

本発明の第1のホモジナイザーの概略構成及び光線パワー分布を例示した図である。It is the figure which illustrated schematic structure and light power distribution of the 1st homogenizer of the present invention. 本発明の第1のホモジナイザーの製造フローである。It is a manufacturing flow of the 1st homogenizer of this invention. 本発明の第2のホモジナイザーの概略構成及び光線パワー分布を例示した図である。It is the figure which illustrated schematic structure and light power distribution of the 2nd homogenizer of this invention. 本発明の第2のホモジナイザーの製造フローである。It is a manufacturing flow of the 2nd homogenizer of this invention. 本発明の第1のホモジナイザー(実施例1)のR2面における曲率半径とザイデルのコマ収差係数の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the curvature radius in R2 surface of the 1st homogenizer (Example 1) of this invention, and Seidel's coma aberration coefficient. 本発明の第1のホモジナイザー(実施例1)の輪帯状の各領域に対する球面収差の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship of the spherical aberration with respect to each ring-shaped area | region of the 1st homogenizer (Example 1) of this invention. 本発明の第1のホモジナイザー(実施例1)の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution of the 1st homogenizer (Example 1) of this invention. 本発明の第1のホモジナイザー(実施例1)を0.5度チルトした場合の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution at the time of tilting 0.5 degree | times of the 1st homogenizer (Example 1) of this invention. 本発明の第1のホモジナイザー(実施例1)を2度チルトした場合の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution at the time of tilting the 1st homogenizer (Example 1) of this invention twice. 本発明の第2のホモジナイザー(実施例2)の輪帯状の各領域に対する球面収差の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship of the spherical aberration with respect to each ring-shaped area | region of the 2nd homogenizer (Example 2) of this invention. 本発明の第2のホモジナイザー(実施例2)の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution of the 2nd homogenizer (Example 2) of this invention. 本発明の第2のホモジナイザー(実施例2)を0.5度チルトした場合の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution at the time of tilting the 2nd homogenizer (Example 2) of this invention 0.5 degree | times. 本発明の第2のホモジナイザー(実施例2)を2度チルトした場合の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed light power distribution at the time of tilting the 2nd homogenizer (Example 2) of this invention twice. 従来例のホモジナイザーの光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution of the homogenizer of a prior art example. 従来例のホモジナイザーを0.5度チルトした場合の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution at the time of tilting the homogenizer of a prior art example 0.5 degree. 従来例のホモジナイザーを2度チルトした場合の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution at the time of tilting the homogenizer of a prior art example twice. 従来例と同一スペックで設計した本発明のホモジナイザーの概略構成及び光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed schematic structure and light power distribution of the homogenizer of this invention designed by the same specification as a prior art example. 従来例と同一スペックで設計した本発明のホモジナイザーの光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution of the homogenizer of this invention designed by the same specification as a prior art example. 従来例と同一スペックとなるように本発明の設計方法で設計したホモジナイザーを0.5度チルトした場合の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution when the homogenizer designed by the design method of this invention so that it may become the same specification as a prior art example is tilted 0.5 degree | times. 従来例と同一スペックとなるように本発明の設計方法で設計したホモジナイザーを2度チルトした場合の光線パワー分布を示した図である。It is the figure which showed the light power distribution at the time of tilting the homogenizer designed by the design method of this invention twice so that it may become the same specification as a prior art example. 従来例と同一スペックとなるように本発明の設計方法で設計したホモジナイザーのR22面における曲率半径とザイデルのコマ収差係数の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the curvature radius in R22 surface of the homogenizer designed by the design method of this invention so that it might become the same specification as a prior art example, and Seidel's coma aberration coefficient. 従来例と同一スペックとなるように本発明の設計方法で設計したホモジナイザーの輪帯状の各領域に対する球面収差の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship of the spherical aberration with respect to each ring-shaped area | region of the homogenizer designed with the design method of this invention so that it might become the same specification as a prior art example.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1のホモジナイザーの概略構成及び光線のパワー分布を例示した図である。ここで、上段はホモジナイザーの概略構成に加えレーザー光線が集光していく状態を示しており(図1(a−1)は図1(a)のレンズ部分を拡大したもの)、下段は集光位置におけるパワー分布を示したものである(図1(b−1)は図1(b)のスポット部分を拡大したもの)。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a first homogenizer and a power distribution of light rays according to the present invention. Here, the upper part shows a state in which the laser beam is condensed in addition to the schematic configuration of the homogenizer (FIG. 1 (a-1) is an enlarged view of the lens portion of FIG. 1 (a)), and the lower part is the condensing element. The power distribution at the position is shown (FIG. 1 (b-1) is an enlarged view of the spot portion of FIG. 1 (b)).

図1において、ホモジナイザー1は鏡筒に収容された両非球面レンズ2とカバーガラス3から構成される(図1(a))。図1において両非球面レンズ2の左側の面(R1面)は凸の非球面であり、集光位置において、中心から外に行くに従って、球面収差が小さくなるように設計される。図1においてレンズ右側の面(R2面)は凸の非球面であり、チルトによる影響が最小となるように設定される。   In FIG. 1, a homogenizer 1 is composed of both aspherical lenses 2 and a cover glass 3 housed in a lens barrel (FIG. 1 (a)). In FIG. 1, the left surface (R1 surface) of both aspherical lenses 2 is a convex aspherical surface, and is designed so that the spherical aberration becomes smaller from the center toward the outside at the condensing position. In FIG. 1, the surface on the right side of the lens (R2 surface) is a convex aspheric surface, and is set so that the influence of tilt is minimized.

R1面とR2面の設計方法は、まずR2面をチルトによる影響ができるだけ小さくなるような非球面形状を任意に設定する。そのときR1面は、R2面の曲率半径を算出する際に得られる曲率半径を持った球面形状とする。その後、R1面を輪帯状に複数の領域(例えば、5つの領域)に区切り、それぞれの領域を光軸上に曲率中心をもつようなそれぞれ異なる曲率をもった球面とし、中心から外に行くに従って球面収差が傾向的に少なくなるように設定する。最後に、R1面の区切った各領域同士を隣り合った領域の面と滑らかに結ぶ非球面式で近似して繋ぎ合わせた形状として設計できる。また、最初に設定したR2面の非球面形状を必要に応じて調整してもよい。この設計方法のフローを図2に示した。   As a design method for the R1 surface and the R2 surface, first, the R2 surface is arbitrarily set to an aspherical shape so that the influence of tilt is minimized. At this time, the R1 surface has a spherical shape having a curvature radius obtained when calculating the radius of curvature of the R2 surface. Thereafter, the R1 surface is divided into a plurality of regions (for example, five regions) in a ring shape, and each region is formed into a spherical surface having a different curvature such that the center of curvature is on the optical axis, and as it goes away from the center It is set so that spherical aberration tends to be reduced. Finally, it can be designed as a shape obtained by approximating and joining the regions separated by the R1 surface by an aspherical expression that smoothly connects the surfaces of adjacent regions. Moreover, you may adjust the aspherical shape of R2 surface set initially as needed. The flow of this design method is shown in FIG.

なお、R2面をチルトによる影響が小さくなるようにするには、R1面とR2面のベンディングによってR2面におけるザイデルのコマ収差係数が小さくなるような曲率半径を探し出し、その曲率半径をR2面非球面の近軸曲率半径に設定しスポット径が最小となるよう非球面係数を決定する。実際に非球面形状を決定する際はプレス成形のし易さ等も考慮して行うこととなる。   In order to reduce the influence of tilt on the R2 surface, the radius of curvature is searched for such that the Seidel coma coefficient in the R2 surface is reduced by bending of the R1 surface and the R2 surface, and the curvature radius is set to the non-R2 surface. The aspherical coefficient is determined so as to minimize the spot diameter by setting the paraxial radius of curvature of the spherical surface. When determining the aspherical shape, it is necessary to consider the ease of press molding.

複数の領域に区切る手法としては、第n番目の領域の最大径をD(n)maxとすると、第n番目の領域の始まりが第n−1番目の領域のD(n−1)maxと境界領域で繋がるように第n番目の領域を光軸方向にオフセットさせることで行う。但し、D(0)=0とする。光学設計ソフト(製造元:Radiant ZEMAX,LLC、商品名:ZEMAX)のユーザー定義面「マルチゾーン面」を使用すれば輪帯状の複数の領域を容易に設定できる。   As a method of dividing into a plurality of regions, if the maximum diameter of the nth region is D (n) max, the beginning of the nth region is D (n−1) max of the n−1th region. This is done by offsetting the nth region in the optical axis direction so as to be connected at the boundary region. However, D (0) = 0. If a user-defined surface “multi-zone surface” of optical design software (manufacturer: Radiant ZEMAX, LLC, trade name: ZEMAX) is used, a plurality of annular zones can be easily set.

そのとき、球面収差が傾向的に少なくなるようにするには、領域番号(n)と各領域の径方向中間位置での球面収差の絶対量|SA´(n)|からなる分布の近似直線y=ax+bの傾きaがa<0(負)となるように各領域の曲率半径を設定する。なお、a>0(正)であれば、傾向的に多くなっていると判断する。   At that time, in order to reduce the spherical aberration in a tendency, the approximate straight line of the distribution composed of the area number (n) and the absolute amount of spherical aberration | SA ′ (n) | The curvature radius of each region is set so that the slope a of y = ax + b is a <0 (negative). If a> 0 (positive), it is determined that the number is increasing.

(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2のホモジナイザーの概略構成及び光線のパワー分布を例示した図である。ここで、上段はホモジナイザーの概略構成に加えレーザー光線が集光していく状態を示し(図3(a−1)は図3(a)のレンズ部分を拡大したもの)、下段は集光位置におけるパワー分布を示したものである(図3(b−1)は図3(b)のスポット部分を拡大したもの)。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram illustrating the schematic configuration of the second homogenizer of the present invention and the light power distribution. Here, the upper stage shows a state where the laser beam is condensed in addition to the schematic configuration of the homogenizer (FIG. 3 (a-1) is an enlarged view of the lens portion of FIG. 3 (a)), and the lower stage is at the condensing position. The power distribution is shown (FIG. 3 (b-1) is an enlarged view of the spot portion of FIG. 3 (b)).

図3において、ホモジナイザー11は鏡筒に収容された片面非球面−片面凹球面レンズ12とカバーガラス13から構成される。図3においてレンズ左側の面(R11面)は凸の非球面であり、集光位置において、中心から外に行くに従って、球面収差が小さくなるように設計される。図3においてレンズ右側の面(R12面)は凹球面であり、チルトによる影響が最小となるように設定される。   In FIG. 3, the homogenizer 11 includes a single-sided aspherical-single-sided concave spherical lens 12 and a cover glass 13 housed in a lens barrel. In FIG. 3, the surface on the left side of the lens (R11 surface) is a convex aspheric surface, and is designed so that the spherical aberration decreases from the center toward the outside at the condensing position. In FIG. 3, the surface on the right side of the lens (R12 surface) is a concave spherical surface, and is set so that the influence of tilt is minimized.

R11面とR12面の設計方法は、まずR12面をチルトによる影響ができるだけ小さくなるような凹球面形状を任意に設定する。そのときR11面は、R12面の曲率半径を算出する際に得られる曲率半径を持った球面形状とする。その後、R11面を輪帯状に複数の領域(例えば、5つの領域)に区切り、それぞれの領域を光軸上に曲率中心をもつようなそれぞれ異なる曲率をもった球面とし、中心から外に行くに従って球面収差が傾向的に少なくなるように設定する。最後に、R11面の区切った各領域同士を隣り合った領域の面と滑らかに結ぶ非球面式で近似して繋ぎ合わせた形状として設計できる。また、最初に設定したR12面の凹球面形状を必要に応じて調整してもよい。この設計方法のフローを図4に示した。   As a design method for the R11 surface and the R12 surface, a concave spherical shape is first arbitrarily set so that the influence of the tilt is minimized on the R12 surface. At that time, the R11 surface has a spherical shape having a curvature radius obtained when calculating the curvature radius of the R12 surface. After that, the R11 surface is divided into a plurality of regions (for example, five regions) in a ring shape, and each region is formed into a spherical surface having different curvatures having a center of curvature on the optical axis, and as it goes away from the center. It is set so that spherical aberration tends to be reduced. Finally, it can be designed as a shape obtained by approximating and joining the regions separated by the R11 surface by an aspherical expression that smoothly connects the surfaces of adjacent regions. Moreover, you may adjust the concave spherical surface shape of R12 surface set initially as needed. The flow of this design method is shown in FIG.

ここでのR11面とR12面の設計は、上記第1の実施形態と同様の手法により行えばよい。ただし、R12面は、第1の実施形態とは異なり凹球面であり、この面のチルトによる影響が小さくなるようにするには、R11面とR12面のベンディングによってR12面におけるザイデルのコマ収差係数が小さくなるような曲率半径を探し出し、凹球面(R12面)の曲率半径として設定すればよい。   The design of the R11 plane and the R12 plane here may be performed by the same method as in the first embodiment. However, unlike the first embodiment, the R12 surface is a concave spherical surface. In order to reduce the influence of the tilt of this surface, Seidel's coma aberration coefficient on the R12 surface can be reduced by bending the R11 surface and the R12 surface. Finding a radius of curvature such that the radius of curvature is small and setting it as the radius of curvature of the concave spherical surface (R12 surface).

図1に示した通りのホモジナイザーを構成した。このとき、レンズ2は上述の第1の実施形態で説明した手法で実際に設計を行い、その結果を以下に示す。
なお、図1に示したレンズと集光位置の距離は75.34mmであり、間にカバーガラスが設けられている。レンズは屈折率nd1.58091、アッベ数νd59.4の光学ガラスからなり、表面にはフッ化マグネシウムMgFの反射防止コーティングが、中心波長が1070nmとなるようにコートされている。トップハットのスポット径は62μmである。図1のレンズ左側の面(R1面)は、凸の非球面であり、近軸曲率半径は62.5mm、円錐定数Kは0、非球面式は下記に示すとおりである。
A homogenizer as shown in FIG. 1 was constructed. At this time, the lens 2 is actually designed by the method described in the first embodiment, and the result is shown below.
The distance between the lens shown in FIG. 1 and the condensing position is 75.34 mm, and a cover glass is provided between them. Lens consists refractive index Nd1.58091, the optical glass of the Abbe number Nyudi59.4, the surface anti-reflection coating of magnesium fluoride MgF 2 is the center wavelength is coated so as to be 1070 nm. The spot diameter of the top hat is 62 μm. The left surface (R1 surface) of FIG. 1 is a convex aspherical surface, the paraxial radius of curvature is 62.5 mm, the conic constant K is 0, and the aspherical expression is as follows.

設計手法として図2のフローで示した通り設計した。具体的には、
(1)R2面の設定方法は、先ず近軸曲率半径の設定を行うことから始めるが、ザイデルのコマ収差係数が最良となる曲率半径は70mmと27.8mmの凹形状(レンズとしては凸凹形状)であるところを、プレス成形のし易さや形状測定の便宜を図りつつもコマ収差係数が小さくなる−170.59mmの凸形状(レンズとしては両凸形状)とする。図5にR2面における曲率半径とザイデルのコマ収差係数の関係を示す。次に、上述の近軸曲率半径を固定した状態でスポット径が最小となるように非球面係数を調整することでR2面の非球面形状が得られる。そのときR1面はベンディングによってR2面と一緒に得られた曲率半径を持った球面形状とする。
The design method was as shown in the flow of FIG. In particular,
(1) The method for setting the R2 surface starts by first setting the paraxial radius of curvature, but the curvature radii at which Seidel's coma coefficient is the best are 70 mm and 27.8 mm concave shapes (the lens has a concave and convex shape) ) Is made a convex shape (a biconvex shape as a lens) of −170.59 mm in which the coma aberration coefficient becomes small while facilitating the press molding and the convenience of the shape measurement. FIG. 5 shows the relationship between the radius of curvature in the R2 plane and Seidel's coma coefficient. Next, the aspherical shape of the R2 surface is obtained by adjusting the aspherical coefficient so that the spot diameter is minimized while the above-mentioned paraxial curvature radius is fixed. At this time, the R1 surface has a spherical shape with a radius of curvature obtained together with the R2 surface by bending.

(2)R1面を複数の領域に分割するには、光学設計ソフト(製造元:Radiant ZEMAX,LLC、商品名:ZEMAX)のユーザー定義面「マルチゾーン面」を使用し、分割の径は中心から1.5mm、2.0mm、3.0mm、4.5mm、5.0mmを設定し、分割した各領域の曲率半径は上記(1)でR2面の計算で一緒に得られたR1面の曲率半径56.55mmを仮で一律に与えている。   (2) To divide the R1 surface into a plurality of regions, use a user-defined surface “multi-zone surface” of optical design software (manufacturer: Radiant ZEMAX, LLC, product name: ZEMAX), and the diameter of the division is from the center. 1.5mm, 2.0mm, 3.0mm, 4.5mm, 5.0mm are set, and the radius of curvature of each divided region is the curvature of the R1 surface obtained together with the calculation of the R2 surface in (1) above. A radius of 56.55 mm is given uniformly.

(3)分割した領域を球面とし、中心から外側に行くに従って球面収差が少なくなるように各球面の曲率半径を設定する方法は、先ず第1番目の曲率半径を、その領域の球面収差をSA1、径をD1、焦点距離をf、そして、トップハットのスポット径をDsとするときに、D1の領域で形成される集光位置でのスポット径がDsと一致する条件、すなわちSA1=f*Ds/D1で求められるSA1に大体一致するように調整する。第2以降の曲率半径は基本的には球面収差が徐々に少なくなるよう調整するが、最終的には、第1番目の曲率半径を含めて光線パワー分布が所望の形状になるように調整を行う。調整後の曲率半径は中心から62.5mm、54.0mm、56.0mm、54.7mm、56.0mm、曲率半径調整後における輪帯状の各領域に対する球面収差の関係を図6に示す。   (3) A method of setting the radius of curvature of each spherical surface so that the divided region is a spherical surface and the spherical aberration is reduced from the center toward the outer side. First, the first radius of curvature is set, and the spherical aberration in the region is SA1. , Where the diameter is D1, the focal length is f, and the spot diameter of the top hat is Ds, the condition that the spot diameter at the condensing position formed in the region of D1 matches Ds, that is, SA1 = f * Adjustment is made so as to roughly match SA1 obtained by Ds / D1. Basically, the second and subsequent curvature radii are adjusted so that the spherical aberration gradually decreases, but finally the adjustment is made so that the light beam power distribution has a desired shape including the first curvature radius. Do. The radius of curvature after adjustment is 62.5 mm, 54.0 mm, 56.0 mm, 54.7 mm, and 56.0 mm from the center. FIG. 6 shows the relationship of the spherical aberration with respect to each zone-shaped region after adjustment of the radius of curvature.

(4)これら分割した各面を隣り合った面と滑らかに結ぶ非球面式で近似する方法は、近似前形状の径に対するサグ量のデータ(点群データ)に対して下記に示す非球面式で近似を行うことであるが、その非球面式の近軸曲率半径は第1番目の領域の曲率半径62.5mmとし、円錐定数Kは0とし、そして非球面係数A1〜A14の算出はサグ量から球面成分(y/r)/{1+((1−K)・y/r1/2 }を差し引いた非球面成分によるサグ量と係数A1〜A14からなる連立方程式を解く事によって行った。 (4) A method of approximating these divided surfaces with an aspherical surface that smoothly connects adjacent surfaces is the following aspherical equation with respect to sag amount data (point cloud data) with respect to the diameter of the shape before approximation. The paraxial curvature radius of the aspherical expression is 62.5 mm, the conic constant K is 0, and the calculation of the aspheric coefficients A1 to A14 is sag. Solves simultaneous equations consisting of sag amount and coefficients A1 to A14 by aspherical component obtained by subtracting spherical component (y 2 / r) / {1 + ((1−K) · y 2 / r 2 ) 1/2 } from quantity Went by things.

Z(y)=(y/r)/{1+((1−K )・y/r1/2
+A・y +A・y +A・y +A・y +A・y
+A・y+A・y +A・y +A・y +A10・y10
+A11・y11 +A12・y12 +A13・y13 +A14・y14

(R1面の非球面式)

Figure 2013029748
Z (y) = (y 2 / r) / {1 + ((1−K) · y 2 / r 2 ) 1/2 }
+ A 1 · y + A 2 · y 2 + A 3 · y 3 + A 4 · y 4 + A 5 · y 5
+ A 6 · y 6 + A 7 · y 7 + A 8 · y 8 + A 9 · y 9 + A 10 · y 10
+ A 11 · y 11 + A 12 · y 12 + A 13 · y 13 + A 14 · y 14

(R1 surface aspherical)
Figure 2013029748

図1のレンズ右側の面(R2面)も凸の非球面であり、近軸曲率半径は−170.59mm、円錐定数Kは0、非球面式は下記に示すとおりである。   The right side surface (R2 surface) of FIG. 1 is also a convex aspherical surface, the paraxial radius of curvature is −170.59 mm, the conic constant K is 0, and the aspherical formula is as follows.

Z(y)=(y/r)/{1+((1−K )・y/r1/2
+A・y +A・y+A・y +A10・y10

(R2面の非球面式)

Figure 2013029748
Z (y) = (y 2 / r) / {1 + ((1−K) · y 2 / r 2 ) 1/2 }
+ A 4 · y 4 + A 6 · y 6 + A 8 · y 8 + A 10 · y 10

(R2 surface aspherical)
Figure 2013029748

このホモジナイザーにおいて、レンズのチルトを0度、0.5度、2度と傾けていった場合のパワー分布をそれぞれ図7、図8、図9に示す。
図7から図9のチルトによる強度変化をX軸、Y軸別にまとめたものを表3に示す。なお、Y軸はチルトするほうの軸、X軸はチルトの中心軸である。強度変化の指標をチルト0度に対するチルト後の強度変化量の割合として定義し、光線パワー分布のトップハット中央部および周辺部それぞれについて算出した。
In this homogenizer, the power distribution when the tilt of the lens is tilted at 0 degree, 0.5 degree, and 2 degrees is shown in FIGS. 7, 8, and 9, respectively.
Table 3 shows a summary of changes in intensity due to tilt in FIGS. 7 to 9 for the X and Y axes. Note that the Y axis is the tilt axis, and the X axis is the tilt center axis. The intensity change index was defined as the ratio of the amount of intensity change after tilt with respect to the tilt of 0 degree, and was calculated for each of the top hat central portion and the peripheral portion of the light power distribution.

Figure 2013029748
Figure 2013029748

表3から、本件のホモジナイザーは、チルトが0.5度おきても強度変化は−4%以内、チルトが2度おきた場合でもトップハット周辺部の強度変化は−13%以内であるためチルトに強いことがわかる。トップハット中央部の強度は通常十分にあるものなので、中央部の強度が多少変化しても加工としては問題ない。   From Table 3, the homogenizer of this case is tilted because the intensity change is within −4% even when the tilt is 0.5 degrees, and the intensity change in the top hat periphery is within −13% even when the tilt is 2 degrees. It is understood that it is strong. Since the strength of the central portion of the top hat is usually sufficient, there is no problem in processing even if the strength of the central portion changes slightly.

実施例2として、第2の実施形態に記載の片面が非球面、もう一方の面が凹球面のレンズを使用した場合を挙げる。   As Example 2, a case where a lens having one aspherical surface and the other surface having a concave spherical surface described in the second embodiment is used.

図3に示した通りのホモジナイザーを構成した。このとき、レンズ12は上述の第2のホモジナイザーで説明した手法で実際に設計を行い、その結果を以下に示す。
なお、図3に示したレンズと集光位置の距離は75.34mmであり、間にカバーガラスが設けられている。レンズは屈折率nd1.58091、アッベ数νd59.4の光学ガラスからなり、表面にはフッ化マグネシウムMgFの反射防止コーティングが、中心波長が1070nmとなるようにコートされている。トップハットのスポット径は62μmである。図3のレンズ左側の面(R11面)は、凸の非球面であり、近軸曲率半径は28.03mm、円錐定数Kは0、非球面式は下記に示すとおりである。
A homogenizer as shown in FIG. 3 was constructed. At this time, the lens 12 is actually designed by the method described in the second homogenizer and the result is shown below.
The distance between the lens shown in FIG. 3 and the condensing position is 75.34 mm, and a cover glass is provided between them. Lens consists refractive index Nd1.58091, the optical glass of the Abbe number Nyudi59.4, the surface anti-reflection coating of magnesium fluoride MgF 2 is the center wavelength is coated so as to be 1070 nm. The spot diameter of the top hat is 62 μm. The left surface (R11 surface) of FIG. 3 is a convex aspherical surface, the paraxial radius of curvature is 28.03 mm, the conic constant K is 0, and the aspherical formula is as follows.

設計手法として図4のフローで示した通り設計した。具体的には、
(1)R12面の設定方法は、ザイデルのコマ収差係数が最良となる曲率半径70mmの凹形状とする。図5にR12面における曲率半径とザイデルのコマ収差係数の関係を示す。そのときR11面はベンディングによってR12面と一緒に得られた曲率半径を持った球面形状とする。
The design method was as shown in the flow of FIG. In particular,
(1) The R12 surface is set to have a concave shape with a radius of curvature of 70 mm, which gives the best Seidel coma aberration coefficient. FIG. 5 shows the relationship between the radius of curvature on the R12 surface and the Seidel coma aberration coefficient. At this time, the R11 surface has a spherical shape with a radius of curvature obtained together with the R12 surface by bending.

(2)R11面を複数の領域に分割するには、光学設計ソフト(製造元:Radiant ZEMAX,LLC、商品名:ZEMAX)のユーザー定義面「マルチゾーン面」を使用し、分割の径は中心から2.0mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、5.0mmを設定し、分割した各領域の曲率半径は上記(1)でR12面の計算で一緒に得られたR11面の曲率半径26.93mmを仮で一律に与えている。   (2) To divide the R11 surface into a plurality of regions, use a user-defined surface “multi-zone surface” of optical design software (manufacturer: Radiant ZEMAX, LLC, product name: ZEMAX), and the diameter of the division is from the center. 2.0 mm, 3.0 mm, 3.5 mm, 4.0 mm, 5.0 mm are set, and the radius of curvature of each divided area is the curvature of the R11 surface obtained together with the calculation of the R12 surface in (1) above. A radius of 26.93 mm is given temporarily.

(3)分割した領域を球面とし、中心から外側に行くに従って球面収差が少なくなるように各球面の曲率半径を設定する方法は、先ず、第1番目の曲率半径を、その領域の球面収差をSA1、径をD1、焦点距離をf、そして、トップハットのスポット径をDsとするときに、D1の領域で形成される集光位置でのスポット径がDsと一致する条件、すなわちSA1=f*Ds/D1で求められるSA1と大体一致するように調整する。第2以降の曲率半径は基本的には球面収差が徐々に少なくなるよう調整するが、最終的には、第1番目の曲率半径を含めて光線パワー分布が所望の形状になるように調整を行う。調整後の曲率半径は中心から28.03mm、27.12mm、27.33mm、27.19mm、27.25mm、曲率半径調整後における輪帯状の各領域に対する球面収差の関係を図10に示す。   (3) A method of setting the radius of curvature of each spherical surface so that the divided region is a spherical surface and the spherical aberration decreases as going from the center to the outside. First, the first radius of curvature is set to the spherical aberration of the region. When SA1, the diameter is D1, the focal length is f, and the spot diameter of the top hat is Ds, the condition that the spot diameter at the condensing position formed in the region of D1 matches Ds, that is, SA1 = f * Adjust so that it roughly matches SA1 obtained by Ds / D1. Basically, the second and subsequent curvature radii are adjusted so that the spherical aberration gradually decreases, but finally the adjustment is made so that the light beam power distribution has a desired shape including the first curvature radius. Do. The radius of curvature after adjustment is 28.03 mm, 27.12 mm, 27.33 mm, 27.19 mm, 27.25 mm from the center, and FIG. 10 shows the relationship of the spherical aberration with respect to each ring-shaped region after adjustment of the radius of curvature.

(4)これら分割した各面を隣り合った面と滑らかに結ぶ非球面式で近似する方法は、近似前形状の径に対するサグ量のデータ(点群データ)に対して下記に示す非球面式で近似を行うことであるが、その非球面式の近軸曲率半径は第1番目の領域の曲率半径28.03mmとし、円錐定数Kは0とし、そして非球面係数A1〜A14の算出はサグ量から球面成分(y/r)/{1+((1−K)・y/r1/2 }を差し引いた非球面成分によるサグ量と係数A1〜A14からなる連立方程式を解く事によって行った。 (4) A method of approximating these divided surfaces with an aspherical surface that smoothly connects adjacent surfaces is the following aspherical equation with respect to sag amount data (point cloud data) with respect to the diameter of the shape before approximation. The paraxial radius of curvature of the aspherical formula is 28.03 mm in the first region, the conic constant K is 0, and the calculation of the aspherical coefficients A1 to A14 is sag. Solves simultaneous equations consisting of sag amount and coefficients A1 to A14 by aspherical component obtained by subtracting spherical component (y 2 / r) / {1 + ((1−K) · y 2 / r 2 ) 1/2 } from quantity Went by things.

Z(y)=(y/r)/{1+((1−K )・y/r1/2
+A・y +A・y +A・y +A・y +A・y
+A・y+A・y +A・y +A・y +A10・y10
+A11・y11 +A12・y12 +A13・y13 +A14・y14

(R11面の非球面式)

Figure 2013029748
Z (y) = (y 2 / r) / {1 + ((1−K) · y 2 / r 2 ) 1/2 }
+ A 1 · y + A 2 · y 2 + A 3 · y 3 + A 4 · y 4 + A 5 · y 5
+ A 6 · y 6 + A 7 · y 7 + A 8 · y 8 + A 9 · y 9 + A 10 · y 10
+ A 11 · y 11 + A 12 · y 12 + A 13 · y 13 + A 14 · y 14

(R11 surface aspherical)
Figure 2013029748

図3のレンズ右側の面(R12面)は凹球面であり、Rは70mmである。   The right side surface (R12 surface) of FIG. 3 is a concave spherical surface, and R is 70 mm.

このホモジナイザーにおいて、レンズのチルトを0度、0.5度、2度と傾けていった場合のパワー分布をそれぞれ図11、図12、図13に示す。
図11から図13のチルトによる強度変化をX軸、Y軸別にまとめたものを表5に示す。なお、Y軸はチルトするほうの軸、X軸はチルトの中心軸である。強度変化の指標をチルト0度に対するチルト後の強度変化量の割合として定義し、光線パワー分布のトップハット中央部および周辺部それぞれについて算出した。
In this homogenizer, the power distribution when the tilt of the lens is tilted at 0, 0.5, and 2 degrees is shown in FIGS. 11, 12, and 13, respectively.
Table 5 summarizes the intensity changes due to tilt in FIGS. 11 to 13 for the X-axis and Y-axis. Note that the Y axis is the tilt axis, and the X axis is the tilt center axis. The intensity change index was defined as the ratio of the amount of intensity change after tilt with respect to the tilt of 0 degree, and was calculated for each of the top hat central portion and the peripheral portion of the light power distribution.

Figure 2013029748
Figure 2013029748

表5から、本件のホモジナイザーは、チルトが0.5度おきても強度変化は−4%以内、チルトが2度おきた場合でもトップハット周辺部の強度変化は−25%以内であるためチルトに強いことがわかる。中央部の強度は十分にあるものなので、中央部の強度変化が多少変化しても加工としては問題ない。   From Table 5, the homogenizer of this case is tilted because the intensity change is within -4% even when the tilt is 0.5 degrees, and the intensity change in the periphery of the top hat is within -25% even when the tilt is 2 degrees. It is understood that it is strong. Since the strength of the central portion is sufficient, there is no problem in processing even if the strength change in the central portion changes somewhat.

比較例Comparative example

特許文献1の実施例1のレンズ(片面非球面、片面平面)について、そのチルトを0度、0.5度、2度と傾けていった場合のパワー分布をそれぞれ図14、図15、図16に示す。   With respect to the lens (single-sided aspherical surface, single-sided flat surface) of Example 1 of Patent Document 1, the power distribution when the tilt is tilted at 0 degree, 0.5 degree, and 2 degrees is shown in FIGS. 16 shows.

図14から図16のチルトによる強度変化をX軸、Y軸別にまとめたものを表6に示す。なお、Y軸はチルトするほうの軸、X軸はチルトの中心軸である。強度変化の指標をチルト0度に対するチルト後の強度変化量の割合として定義し、トップハット部の中央部および周辺部それぞれについて算出した。   Table 6 shows a summary of changes in intensity due to tilt in FIGS. 14 to 16 for the X and Y axes. Note that the Y axis is the tilt axis, and the X axis is the tilt center axis. The intensity change index was defined as the ratio of the intensity change amount after tilt with respect to the tilt of 0 degree, and was calculated for each of the central portion and the peripheral portion of the top hat portion.

Figure 2013029748
Figure 2013029748

(実施例3)
一方、本件の設計方法で特許文献1のレンズと同等の特性となる両凸の両非球面レンズを設計し、その概略構成及び光線のパワー分布を図17に示した。ここで、上段はホモジナイザーの概略構成に加えレーザー光線が集光していく状態を示し(図17(a−1)は図17(a)のレンズ部分を拡大したもの)、下段は集光位置におけるパワー分布を示したものである(図17(b−1)は図17(b)のスポット部分を拡大したもの)。
(Example 3)
On the other hand, a biconvex aspherical lens having the same characteristics as the lens of Patent Document 1 was designed by the design method of the present invention, and its schematic configuration and light power distribution are shown in FIG. Here, the upper stage shows a state where the laser beam is condensed in addition to the schematic configuration of the homogenizer (FIG. 17 (a-1) is an enlarged view of the lens portion of FIG. 17 (a)), and the lower stage is at the condensing position. The power distribution is shown (FIG. 17 (b-1) is an enlarged view of the spot portion of FIG. 17 (b)).

このレンズのチルトを0度、0.5度、2度と傾けていった場合のパワー分布をそれぞれ図18、図19、図20に示す。   18, 19, and 20 show power distributions when the tilt of the lens is tilted at 0 degree, 0.5 degree, and 2 degrees, respectively.

図17に示したレンズと集光位置の距離は53mmであり、レンズは屈折率nd1.45846、アッベ数νd67.8の光学ガラスからなり、表面にはフッ化マグネシウムMgFの反射防止コーティングが、中心波長が355nmとなるようにコートされている。トップハットのスポット径は30μmである。図17においてレンズ左側の面(R21面)は、凸の非球面であり、近軸曲率半径は33.5mm、円錐定数Kは0、非球面式は下記に示すとおりである。 The distance between the lens shown in FIG. 17 and the condensing position is 53 mm, the lens is made of optical glass having a refractive index of nd1.445846 and an Abbe number νd67.8, and an antireflection coating of magnesium fluoride MgF 2 is formed on the surface. It is coated so that the center wavelength is 355 nm. The spot diameter of the top hat is 30 μm. In FIG. 17, the surface on the left side of the lens (R21 surface) is a convex aspherical surface, the paraxial radius of curvature is 33.5 mm, the conic constant K is 0, and the aspherical formula is as shown below.

設計手法として実施例1と同様の方法で設計した。具体的には、
(1)R22面の設定方法は、先ず近軸曲率半径の設定を行うことから始めるが、ザイデルのコマ収差係数が最良となる曲率半径は50mmと18mmの凹形状(レンズとしては凸凹形状)であるところを、プレス成形のし易さや形状測定の便宜を図りつつもコマ収差係数が小さくなる−156.21mmの凸形状(レンズとしては両凸形状)とする。図21にR22面における曲率半径とザイデルのコマ収差係数の関係を示す。次に、上述の近軸曲率半径を固定した状態でスポット径が最小となるように非球面係数を調整することでR22面の非球面形状が得られる。そのときR21面はベンディングによってR22面と一緒に得られた曲率半径を持った球面形状とする。
The design method was the same as in Example 1. In particular,
(1) The method of setting the R22 surface starts by first setting the paraxial radius of curvature, but the radius of curvature at which Seidel's coma aberration coefficient is the best is a concave shape of 50 mm and 18 mm (concave and convex as a lens). A certain point is set to a convex shape of 156.21 mm (a biconvex shape as a lens) in which the coma coefficient becomes small while making the press molding easy and the convenience of shape measurement. FIG. 21 shows the relationship between the radius of curvature on the R22 surface and Seidel's coma aberration coefficient. Next, the aspherical shape of the R22 surface is obtained by adjusting the aspherical coefficient so that the spot diameter is minimized while the above paraxial curvature radius is fixed. At this time, the R21 surface has a spherical shape having a radius of curvature obtained together with the R22 surface by bending.

(2)R21面を複数の領域に分割するには、光学設計ソフト(製造元:Radiant ZEMAX,LLC、商品名:ZEMAX)のユーザー定義面「マルチゾーン面」を使用し、分割の径は中心から2.0mm、4.0mm、6.0mm、8.0mm、10.0mmを設定し、分割した各領域の曲率半径は上記(1)でR22面の計算で一緒に得られたR21面の曲率半径33.5mmを仮で一律に与えている。   (2) To divide the R21 surface into a plurality of regions, use the user-defined surface “multi-zone surface” of the optical design software (manufacturer: Radiant ZEMAX, LLC, product name: ZEMAX), and the diameter of the division starts from the center. 2.0 mm, 4.0 mm, 6.0 mm, 8.0 mm, and 10.0 mm are set, and the radius of curvature of each divided region is the curvature of the R21 surface obtained together with the calculation of the R22 surface in (1) above. A radius of 33.5 mm is given uniformly.

(3)分割した領域を球面とし、中心から外側に行くに従って球面収差が少なくなるように各球面の曲率半径を設定する方法は、先ず、第1番目の曲率半径を、その領域の球面収差をSA1、径をD1、焦点距離をf、そして、トップハットのスポット径をDsとするときに、D1の領域で形成される集光位置でのスポット径がDsと一致する条件、すなわちSA1=f*Ds/D1で求められるSA1に大体一致するように調整する。第2以降の曲率半径は基本的には球面収差が徐々に少なくなるよう調整するが、最終的には、第1番目の曲率半径を含めて光線パワー分布が所望の形状になるように調整を行う。調整後の曲率半径は中心から33.5mm、33.49mm、33.484mm、33.485mm、33.43mm、曲率半径調整後における輪帯状の各領域に対する球面収差の関係を図22に示す。   (3) A method of setting the radius of curvature of each spherical surface so that the divided region is a spherical surface and the spherical aberration decreases as going from the center to the outside. First, the first radius of curvature is set to the spherical aberration of the region. When SA1, the diameter is D1, the focal length is f, and the spot diameter of the top hat is Ds, the condition that the spot diameter at the condensing position formed in the region of D1 matches Ds, that is, SA1 = f * Adjust so that it roughly matches SA1 obtained by Ds / D1. Basically, the second and subsequent curvature radii are adjusted so that the spherical aberration gradually decreases, but finally the adjustment is made so that the light beam power distribution has a desired shape including the first curvature radius. Do. The radius of curvature after adjustment is 33.5 mm, 33.49 mm, 33.484 mm, 33.485 mm, 33.43 mm from the center, and FIG. 22 shows the relationship of the spherical aberration with respect to each ring-shaped region after adjustment of the radius of curvature.

(4)これら分割した各面を隣り合った面と滑らかに結ぶ非球面式で近似する方法は、近似前形状の径に対するサグ量のデータ(点群データ)に対して下記に示す非球面式で近似を行うことであるが、その非球面式の近軸曲率半径は第1番目の領域の曲率半径33.5mmとし、円錐定数Kは0とし、そして非球面係数A1〜A14の算出はサグ量から球面成分(y/r)/{1+((1−K )・y/r1/2 }を差し引いた非球面成分によるサグ量と係数A1〜A14からなる連立方程式を解く事によって行った。 (4) A method of approximating these divided surfaces with an aspherical surface that smoothly connects adjacent surfaces is the following aspherical equation with respect to sag amount data (point cloud data) with respect to the diameter of the shape before approximation. The paraxial radius of curvature of the aspherical formula is 33.5 mm, the conic constant K is 0, and the calculation of the aspherical coefficients A1 to A14 is sag. Solves simultaneous equations consisting of sag amount and coefficients A1 to A14 by aspheric component obtained by subtracting spherical component (y 2 / r) / {1 + ((1−K) · y 2 / r 2 ) 1/2 } from quantity Went by things.

Z(y)=(y/r)/{1+((1−K)・y/r1/2
+A・y +A・y +A・y +A・y +A・y
+A・y+A・y +A・y +A・y +A10・y10
+A11・y11 +A12・y12 +A13・y13 +A14・y14

(R21面の非球面式)

Figure 2013029748
Z (y) = (y 2 / r) / {1 + ((1−K) · y 2 / r 2 ) 1/2 }
+ A 1 · y + A 2 · y 2 + A 3 · y 3 + A 4 · y 4 + A 5 · y 5
+ A 6 · y 6 + A 7 · y 7 + A 8 · y 8 + A 9 · y 9 + A 10 · y 10
+ A 11 · y 11 + A 12 · y 12 + A 13 · y 13 + A 14 · y 14

(R21 surface aspherical)
Figure 2013029748

図17においてレンズ右側の面(R22面)も凸の非球面であり、近軸曲率半径は−156.21mm、円錐定数Kは0、非球面式は下記に示すとおりである。   In FIG. 17, the surface on the right side of the lens (R22 surface) is also a convex aspherical surface, the paraxial radius of curvature is −156.21 mm, the conic constant K is 0, and the aspherical expression is as follows.

Z(y)=(y/r)/{1+((1−K)・y/r1/2
+A・y +A・y+A・y +A10・y10

(R22面の非球面式)

Figure 2013029748
Z (y) = (y 2 / r) / {1 + ((1−K) · y 2 / r 2 ) 1/2 }
+ A 4 · y 4 + A 6 · y 6 + A 8 · y 8 + A 10 · y 10

(R22 surface aspherical)
Figure 2013029748

図18から図20のチルトによる強度変化をX軸、Y軸別にまとめたものを表9に示す。なお、Y軸はチルトするほうの軸、X軸はチルトの中心軸である。強度変化の指標をチルト0度に対するチルト後の強度変化量の割合として定義し、トップハット部の中央部および周辺部それぞれについて算出した。   Table 9 summarizes the intensity changes due to tilt in FIGS. 18 to 20 for the X-axis and Y-axis. Note that the Y axis is the tilt axis, and the X axis is the tilt center axis. The intensity change index was defined as the ratio of the intensity change amount after tilt with respect to the tilt of 0 degree, and was calculated for each of the central portion and the peripheral portion of the top hat portion.

Figure 2013029748
Figure 2013029748

表6と表9の比較から、比較例として挙げた特許文献1の実施例1のホモジナイザーは同一スペックで設計した本件のホモジナイザーと比較して、強度変化の割合がX断面中央部で2倍以上大きく、本発明と比較してチルトに弱いことがわかる。   From the comparison between Table 6 and Table 9, the homogenizer of Example 1 of Patent Document 1 cited as a comparative example has a strength change ratio of more than double at the center of the X section compared to the homogenizer of the present case designed with the same specifications. It is large and it is understood that it is weak against tilt as compared with the present invention.

実施例1の非球面レンズを既存の方法(例えば特開2011−132059号に記載の方法)でプレス成形で製造し、ホモジナイザーに組み込み評価し、設計性能が得られることを確認した。   The aspherical lens of Example 1 was manufactured by press molding using an existing method (for example, the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-132059), incorporated into a homogenizer and evaluated, and it was confirmed that design performance was obtained.

上述の実施例1では、片面が凸の非球面もう一方の面が凸の非球面としたが、これに限定されるものではなく、各面の非球面の組合せは凸−凸、凸−凹、凹−凸でも設計可能である。同様に実施例2では、片面が凸の非球面もう一方の面が凹の球面としたが、これに限定されるものではなく、非球面側が凹であっても設計可能である。   In the first embodiment described above, an aspheric surface having one convex surface is a convex aspheric surface on the other surface, but the present invention is not limited to this. The combination of the aspheric surfaces on each surface is convex-convex, convex-concave It is also possible to design a concave-convex shape. Similarly, in Example 2, the aspherical surface having one convex surface is a concave spherical surface, but the present invention is not limited to this, and the design is possible even when the aspherical surface is concave.

以上に示したように、本発明によりレンズがチルトしても出力特性の変動が少ないホモジナイザーが得られた。さらに本件のレンズはプレス成形で安価に精度良く製造できるため、レーザー加工装置のコストダウンにも貢献できる。   As described above, according to the present invention, a homogenizer with little fluctuation in output characteristics even when the lens is tilted was obtained. Furthermore, since the lens of the present invention can be manufactured accurately at low cost by press molding, it can contribute to the cost reduction of the laser processing apparatus.

本発明のホモジナイザーは、レーザービームを利用した加工装置に用いられる。   The homogenizer of the present invention is used in a processing apparatus using a laser beam.

1…非球面ホモジナイザー、2…両面非球面レンズ、3…カバーガラス、11…非球面ホモジナイザー、12…片面非球面レンズ、13…カバーガラス、21…非球面ホモジナイザー、22…両面非球面レンズ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Aspherical homogenizer, 2 ... Double-sided aspherical lens, 3 ... Cover glass, 11 ... Aspherical homogenizer, 12 ... Single-sided aspherical lens, 13 ... Cover glass, 21 ... Aspherical homogenizer, 22 ... Double-sided aspherical lens

Claims (6)

平行でエネルギー分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折縮小させて、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲において像面に均一エネルギー分布のビームを形成するための1枚のレンズからなるホモジナイザーであって、
前記レンズが、両面非球面であることを特徴とする非球面ホモジナイザー。
This is a homogenizer consisting of a single lens for refracting and reducing a parallel incident beam with a Gaussian energy distribution to form a uniform energy distribution beam on the image plane in a diameter range smaller than the diameter of the incident beam. And
An aspherical homogenizer, wherein the lens is a double-sided aspherical surface.
平行でエネルギー分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折縮小させて、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲において像面に均一エネルギー分布のビームを形成するための1枚のレンズからなるホモジナイザーであって、
前記レンズが、片面が非球面、もう一方の面が凹の球面であることを特徴とする非球面ホモジナイザー。
This is a homogenizer consisting of a single lens for refracting and reducing a parallel incident beam with a Gaussian energy distribution to form a uniform energy distribution beam on the image plane in a diameter range smaller than the diameter of the incident beam. And
An aspheric homogenizer, wherein the lens is an aspherical surface on one side and a concave spherical surface on the other side.
前記レンズの片面側の非球面が、輪帯状に複数の領域に分割されたそれぞれ異なる曲率をもった球面で形成され、これら球面が中心から外に行くに従って球面収差が小さくなるように設計され、かつ、前記各領域同士を隣り合った領域の球面と滑らかに結ぶ非球面式で近似して繋ぎ合わせた請求項1又は2記載の非球面ホモジナイザー。   The aspherical surface on one side of the lens is formed of spherical surfaces each having a different curvature divided into a plurality of regions in a ring shape, and the spherical aberration is designed to decrease as the spherical surface goes away from the center, 3. The aspherical homogenizer according to claim 1 or 2, wherein the respective regions are connected by approximation with an aspherical expression that smoothly connects the spherical surfaces of adjacent regions. 前記レンズがプレス成形で得られる請求項1乃至3のいずれか1項記載の非球面ホモジナイザー。   The aspherical homogenizer according to any one of claims 1 to 3, wherein the lens is obtained by press molding. 一方の面に任意の非球面形状を設定し、
他方の面を輪帯状に複数の領域に分割し、
前記分割した各領域をそれぞれ異なる曲率をもった球面であって、中心から外に行くに従って球面収差が少なくなるように球面の曲率を設定し、
前記球面の曲率を設定した各領域同士を隣り合った領域の球面と滑らかに結ぶ非球面式で近似して繋ぎ合せ、
一枚で、平行でエネルギー分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折縮小させて、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲において像面に均一エネルギー分布のビームを形成可能なレンズとすることを特徴とするホモジナイザー用非球面レンズの設計方法。
Set an arbitrary aspheric shape on one side,
The other surface is divided into a plurality of regions in a ring shape,
Each of the divided areas is a spherical surface having a different curvature, and the curvature of the spherical surface is set so that the spherical aberration decreases as going outward from the center,
Approximately connecting each region where the curvature of the spherical surface is set with an aspherical expression that smoothly connects the spherical surfaces of adjacent regions,
A single lens that refracts and reduces an incident beam that is parallel and has a Gaussian energy distribution to form a lens with a uniform energy distribution on the image plane in a diameter range smaller than the diameter of the incident beam. Design method of aspherical lens for homogenizer.
一方の面に任意の凹球面形状を設定し、
他方の面を輪帯状に複数の領域に分割し、
前記分割した各領域をそれぞれ異なる曲率をもった球面であって、中心から外に行くに従って球面収差が少なくなるように球面の曲率を設定し、
前記球面の曲率を設定した各領域同士を隣り合った領域の球面と滑らかに結ぶ非球面式で近似して繋ぎ合せ、
一枚で、平行でエネルギー分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折縮小させて、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲において像面に均一エネルギー分布のビームを形成可能なレンズとすることを特徴とするホモジナイザー用非球面レンズの設計方法。
Set an arbitrary concave spherical shape on one side,
The other surface is divided into a plurality of regions in a ring shape,
Each of the divided areas is a spherical surface having a different curvature, and the curvature of the spherical surface is set so that the spherical aberration decreases as going outward from the center,
Approximately connecting each region where the curvature of the spherical surface is set with an aspherical expression that smoothly connects the spherical surfaces of adjacent regions,
A single lens that refracts and reduces an incident beam that is parallel and has a Gaussian energy distribution to form a lens with a uniform energy distribution on the image plane in a diameter range smaller than the diameter of the incident beam. Design method of aspherical lens for homogenizer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110731019A (en) * 2017-06-12 2020-01-24 罗伯特·博世有限公司 Method for cutting a separator foil, separator foil and battery cell
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