JP3727681B2 - ビーム拡大用レンズ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光学要素、例えばビームの拡大用、特にレーザのビームの拡大用のレンズに関し、特に、単一の光学要素であって幾つかのセグメントから成り、該セグメントの各個が、頂縁部において比較的小なる半径をもつプリズムに類似しており１次元円錐と表現されることができる１次の面を有するもの、に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械による映像産業は、普通には、物体の精密な位置合わせ用および３次元形状の決定用のレーザビーム投射システムを用いる。レーザ線のパターンが対象物に投射されその結果得られるビーム偏向が表面形態を決定するのに用いられる。レーザビームはレーザの前面へ円筒状レンズを設置することにより容易に１つのラインへ拡大されることができるが、代表的な正規分布形のレーザビームをレンズのシリーズへ拡大することは、投射ラインに沿って強度の正規分布を生じさせる。このことは、普通に用いられるシリコン検出器についての限界形成の問題を生じさせる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ｐｏｗｅｌｌに付与された米国特許第４８２６２９９号は、単一の光学要素であって、均一な強度のレーザのラインを投射する単一の光学要素を記述しており、これは、四折格子と組合わされて、そのようなラインのグリッドを投射するのに用いられることができる。
【０００４】
このパウエルによる光学要素は有用ではあるが、試験対象の物体についてより多くの情報を得るためには、レーザビームを少くとも２つの交差する方向に投射することが好適である。このような用途のためには、また精密な位置合せの目的のためには、レーザの交差が望ましい。交差形のビームの分布を実現するのに普通に用いられる方法は、レーザビームをマスク上に映像形成するのにレンズを用い、光の多くの部分を除去することを包含する。しかし、これらのシステムは、複雑なものであり、また、投射されるラインの長さに沿う不均一性の影響を受ける。
【０００５】
本発明の１つの目的は、ビーム、特にレーザのビームの拡大用の新しいレンズを提供することにある。
本発明の他の１つの目的は、レーザビームを均一な交差状、他の星状、または複数腕状に拡大することができる新しいレンズを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
簡潔に述べると、本発明による光学要素は、円筒状のセグメントの複数個（４個であることが好適ではあるが必須ではない）であって該円筒状のセグメントはその円筒の軸が単一の平面内において実質的に均一な星状または部分的に星状の配置を形成するよう相互に結合されている。各セグメントは少くとも２つの表面、すなわち１次と２次の表面を有する。１次の表面は比較的に尖鋭な頂縁部を有し（ｘ，ｙ，ｚ）直交座標系において、下記の関係式で規定される曲線に一致するよう形状づけられ：
ｚ＝ｃｙ² ／〔１＋｛１−（１＋Ｑ）ｃ² ｙ² ｝^1/2 〕
ここに、ｚとｙはｘから独立しており、ｃは頂点における曲率であり、Ｑは−１より小なる円錐定数である。
【０００７】
「比較的に尖鋭」という規定は、小なる曲率半径であることをあらわし、下記において説明される。これは米国特許第４８２６２９９号におけるものと同じである。
頂縁部の交差は１つの頂点を規定する。光学要素がビーム投射器、これは拡大器として知られているものであるが、として用いられていると、ビームは、頂点に指向されて結果としての光学的ラインの適正な分布（拡大）を実現すべきである。
【０００８】
本発明による光学要素はレーザビームの拡大用として最も効果的であるが、他の、狭い幅の平行ビームと連携して用いられることもできる。
【０００９】
【実施例】
図１は、従来形のレーザビームラインの拡大装置であって、単一の２次元光学要素としての、２つの表面すなわち１次の面１０と２次の面１２をもつ円筒状レンズを用いるもの、を示す。１次面は頂縁部１４を有し、レーザビーム１６の中心部分を縁部におけるよりもより迅速に発散させるように形状づけられ、それにより、結果として得られるより均一な強度のラインを発生させる。この効果をもたらす表面形状は、頂縁部１４における小なる曲率半径と比較的大なる円錐定数を有する。このことは、レーザビームの中心（強度も最も大なる）が小なる曲率半径に遭遇し、それによりビームの外方縁部よりも大なる発散を経験する結果をもたらすが、該ビームの外方縁部は、代表的なガウス分布のレーザビームにおいては、当然のこととして強度が小である。
【００１０】
１次の面１０の形状はｘ，ｙ，ｚ直交座標系においては２次元表現：
ｚ＝ｃｙ² ／〔１＋｛１−（１＋Ｑ）ｃ² ｙ² ｝^1/2 〕
により表現され、ここにｙおよびｚはｘに対し独立しており、ｃは頂縁部における曲率、Ｑは円錐定数である。
２次の面は単にレーザラインの発散を増大させるのみであり、均一性には影響を与えない。２次の面は平面状（平坦）であるかまたは凹面円筒状であることが可能である。
【００１１】
レンズから１ｍの距離において２０°の発散を有するそのような拡大されたビームの強度分布が図２に示される。図２は、形状のプロットを、図３は従来形の光学要素により拡大されたビームの斜視図的なプロットである。拡大されたビームの輪郭は、比較的良好な均一性を有する。プロットの面積、スループット、および最大強度もまた、図２および図３に示されている。
【００１２】
試験によれば、前記の従来形の円筒状レンズに各個がもとづく複数のセグメントを組合わせることにより、均一の発散する十字状またはその他の星状の光学的形状が投射されることができることが確認されている。各セグメントは均一の強度のラインを発生させ、したがって、例えば、図４に示される配置におけるこれらの円筒状要素の４個を組合わせることにより、１つのレーザビームを均一の強度の発散する十字状に拡大することができるレンズを製作することができる。材料と屈折率が与えられると、十字状についての発散の量と均一性は、四分割体の曲率半径と円錐定数によって決まる。
【００１３】
図４においては、４個の円筒状の光学的セグメント１７が接着され、それにより頂縁部１８は頂縁部の交点における頂点２０をもったユニフォームな十字形を形成する。
【００１４】
図４に示される本発明によるレンズの具体例についての説明が図５および図６を参照しつつ行われる。図５においては、関係式により規定される１次元表面形状および頂縁部における曲率がｃであるものが説明される。図６においては、レーザビームの十字形投射装置が説明される。
【００１５】
図５に示されるレンズは、４個のセグメントから成る。各セグメントは特定の関係式により規定される１次元円錐である形状を有する。各セグメントは頂縁部ラインを有し、該頂縁部ラインは図ではほとんど不連続状にみえるが、実際には、極度に小なる曲率半径（関係式においてはｃとして規定される）と−１より小なる円錐定数（関係式においてはＱとして規定される）を有する等式で特定化される円錐形である。
【００１６】
図５における個別のセグメントは、実際、１つの方向にのみレンズ倍率を有し他の方向においては単に窓である点において、円筒形である。個別のセグメントは図においては本当に円筒であるようにはみえないが、それは単に、１次元表面形状は、頂縁部ラインにおける曲率半径が厳格であることにより、不連続性を有するようにみえるようなものであるからという理由からである。もし曲率半径がより大であり円錐の厳格さがより小であれば、形状は、実際、より円筒形にみえるはずである。次いで、各光学的に円筒形のセグメントは正確な物理的形状に切断され研摩され、それにより星形または部分的に星形の配置に接着されることが可能になる。
【００１７】
本発明を有効化するために実行された試験において、代表的なヘリウム−ネオンレーザであって、最大強度の１／ｅ² において自然ビーム発散０．８mmを有するものが、図４の要素の中心と位置合せされ（最初に１次の面を接合させる）、それにより、各四分割体は、光の４分の１を受理した。円筒状四分割体の４個を、軸が他に対して直角になるように装着することにより、光の半分は１つの水平ラインへと拡大され、残りの半分は１つの垂直ラインへと拡大される。
【００１８】
屈折率１．５２（ガラス形のＢＫ７）、曲率半径０．６３mm、および円錐係数−７を有するそのような要素の強度分布が図７および図８に示されるが、図７は、形状のプロットをあらわし、その場合に、実線は図面の平面内にある軸に対応し、破線は、他の軸に対応し、図８は、拡大された十字形のビームの斜視図的なプロットをあらわす。プロットの面積、スループット、および最大強度は、図４に示される。十字形は、２０°の発散を有する。
【００１９】
他の試験においては、光学要素は４個のセグメントであって、各個が屈折率１．５２（ＢＫ７）、曲率半径２．７mm、および円錐定数−１２５を有するもの、から成るものであった。レーザおよび光学的配置は最初の試験におけると同様であった。結果として得られた十字形は５°の発散を有していた。
【００２０】
本発明による光学要素のセグメントの１次の面の例として理論的に許容可能であるものが、米国特許第４８２６２９９号の第１６図に示されており、この米国特許は参考として本明細書に組み入れられる。
十字形の場合についての四分割体の位置合せは、臨界的なものであるが、それは２つの対抗する円筒の軸の間の角度的な位置合せ誤差が、明瞭な十字形でなく、二重映像生成の効果をもたらす可能性があるからである。
【００２１】
図９は、レーザビーム拡大装置として用いられる、本発明による光学要素またはレンズの単一の円筒状セグメントの代替の実施例を示す。図９は、１次の面を、図４の１次の面と同じ曲率の凹形の面として示す。このもののような四分割体は、相互に９０°において接着されて発散する十字形を発生させるようにすることができる。レーザビームが頂縁部（実際のレンズにおける頂点）へ指向され、頂縁部（ビームの中心）においては最大の度合いで、ビームの外側領域においてはより小なる度合いで拡大されること観察することができる。
【００２２】
図９のセグメントを用いた本発明の一実施例が図１０に示される。
この形態は、図１１に示されるように、入来するビームに正面を向けるようにされるか、背面を向けるよう方向づけられるか、のいずれかであることが可能であるが、図１１は、レーザビーム拡大装置として用いられる本発明による光学要素を示す。レーザビーム２２は、レンズの頂点２４へ指向される。レンズは、レンズの面が入射レーザビームに垂直であるように位置づけられることが好適である。
１次の面がビームに直面する場合には、２次の面を平面状でなく凹状であるように設計することにより、発散を増大させることが可能である。
【００２３】
図４の実施例においては、セグメントの１次の面と２次の面は、頂縁部において相互に最も離隔している。図９および図１０の実施例においては、これらの面は頂縁部において相互に最も接近している。前記の２つの形式のセグメントが組合わされている要素を製造することを考慮することも可能である。
【００２４】
光学要素が十字形状の形態、すなわち、単一の平面内に均一に分布する４個のセグメントから成るもの、を有することは必要ではない。図１２において概略的に実線で表示されるセグメントの数は、相異なっている、例えば、図１２に示されるように２，３，５または６である、ことが可能である。図１２における２セグメントのＶ形配置が部分的に星状の配置を構成すること、が注意されるべきである。拡大されたビームの強度の均一性は、４個のセグメントの場合と全く同様に良好であるとはいえないが、許容可能といえるものである。
【００２５】
セグメントの数は、製造上の問題によってのみ制限される。明らかなことであるが、セグメントの数が多いほど、各拡大されたアームの強度はより小となるが、それはビームがより多くの部分に分割されるからである。また、セグメントの軸が同一の角度、すなわち十字形の場合は９０°、３つの腕をもつ星形の場合は１２０°、５つのセグメント（腕）の場合は７２°、で配置されることは絶対的には必要ではない。拡大されたビーム腕が相互を不鮮明にしないことが重要である。この問題を回避するには、対抗するセグメントの円筒の軸は正確に位置合せされているか、または角度的に充分にオフセットしていることが必要である。
【００２６】
図１３および図１４は、２つのセグメントから成るＶ形の、または部分的に星状のレンズを示す。頂縁部と位置合せされたセグメントの円筒の軸は、図１４に点線で示される。
【００２７】
理論的には、特に要求される表面の精度を実現する製造方法が利用可能であれば、本発明における要素はモノリシックのブロックとして製造されることができる。実際には、個別のセグメントを製造して例えば光学的セメントを用いて結合することが、より適切である。
【図面の簡単な説明】
【図１】米国特許第４８２６２９９号に示される従来形のレーザビームのラインの拡大装置を示す図である。
【図２】図１のレーザビームのラインの拡大装置により投射されたラインの長さに沿う強度の分布を示す図であって、プロフイルプロットとして示されるものである。
【図３】同じく強度の分布を示す図であって、拡張されたビームの斜視的なプロットとして示されるものである。
【図４】本発明によるレンズの具体例の斜視図である。
【図５】本発明によるレンズの具体例を示す図であって、関係式により規定される１次元表面形状および頂縁部における曲率がｃであるものを説明する図である。
【図６】本発明によるレンズの具体例の作動状況を示す図であって、レーザビームの十字形投射装置を説明する図である。
【図７】図４の要素の強度の分布を示す図であって、プロフイルプロットとして示されるものである。
【図８】同じく強度の分布を示す図であって、拡張された十字形ビームの斜視的なプロットとして示されるものである。
【図９】ビーム拡大装置として用いられる本発明によるレンズのセグメントの他の具体例を示す図である。
【図１０】図５に示されるセグメントを用いる本発明によるレンズを示す図である。
【図１１】本発明による光学要素を用いるレーザビームの拡大装置を示す図である。
【図１２】本発明による要素の他の形状を概略的に示す図である。
【図１３】２つのセグメントを有する本発明による光学要素を示す斜視図である。
【図１４】同じく光学要素の平面図である。
【符号の説明】
１０…１次の面
１２…２次の面
１４…頂点
１６…レーザビーム
１８…頂縁部
２０…頂点
２２…レーザビーム
２４…頂点

Claims (16)

1. 光学要素であって、該光学要素は相互に結合された複数の円筒状セグメントを具備しそれにより該円筒状セグメントの円筒軸は単一の平面内において交差し、各セグメントは少くとも１次の表面および２次の表面を有し、１次の表面は、比較尖鋭な頂縁部を有しｘｙｚ直交座標系において下記の関係式により規定される曲線に一致するよう形成されており：
   ｚ＝ｃｙ² ／〔１＋｛１−（１＋Ｑ）ｃ² ｙ² ｝^1/2 〕
   ここにｙおよびｚはｘから独立しており、ｃは頂点における曲率、Ｑは−１より小なる円錐定数である、
   ことを特徴とする光学要素。
2. 各セグメントの２次の表面は、平坦円筒状および凹面円筒状から成る形状群から選択される、請求項１記載の光学要素。
3. 各セグメントの１次及び２次の表面は頂縁部において相互に最も離間している、請求項２の記載の光学要素。
4. 各セグメントの１次および２次の表面は頂縁部において相互に最も接近している、請求項２記載の光学要素。
5. 幾つかのセグメントの１次および２次の表面は頂縁部において相互に最も接近しており、他のセグメントの１次および２次の表面は頂縁部において最も離隔している、請求項２記載の光学要素。
6. レーザビームを均一な強度の星状の形状に拡大するビーム投射装置であって、該ビーム投射装置は、
   レーザビーム源、および、
   複数の円筒状セグメントを有する光学要素であって、該円筒状セグメントは相互に結合され円筒セグメントの円筒軸が交差して単一の面内において星状のまたは部分的に星状の配置を形成し、各セグメントが少くとも１次の表面および２次の表面を有し、第１の表面が比較的尖鋭な頂縁部を有し（ｘｙｚ）直交座標系において下記の関係式で規定される曲線に一致するよう形成されており：
   ｚ＝ｃｙ² ／〔１＋｛１−（１＋Ｑ）ｃ² ｙ² ｝^1/2 〕
   該星状の配置は頂縁部の交差点において１つの頂点を規定し、
   該光学要素は、頂点がレーザビームのなかにあるようにレーザビーム源に対して位置している、
   ことを特徴とするビーム投射装置。
7. 各セグメントの２次の表面は、平坦円筒状および凹面円筒状から成る形状群から選択される、請求項６記載のビーム投射装置。
8. 各セグメントの１次および２次表面は、頂縁部において相互に最も離隔している、請求項７記載のビーム投射装置。
9. 各セグメントの１次および２次の表面は、頂縁部において相互に最も接近している、請求項７記載のビーム投射装置。
10. 幾つかのセグメントの１次および２次の表面は頂縁部において相互に最も接近しており、他のセグメントの１次および２次の表面は頂縁部において最も離隔している、請求項７記載のビーム投射装置。
11. １次の表面はレーザビームの源へ向って方向づけられている、請求項８記載のビーム投射装置。
12. １次の表面は、レーザビームの源へ向って方向づけられている、請求項９記載のビーム投射装置。
13. １次の表面はレーザビームの源へ向って方向づけられている、請求項１０記載のビーム投射装置。
14. ２次の表面はレーザビームの源へ向って方向づけられている、請求項８記載のビーム投射装置。
15. ２次の表面はレーザビームの源へ向って方向づけられている、請求項９記載のビーム投射装置。
16. ２次の表面はレーザビームの源へ向って方向づけられている、請求項１０記載のビーム投射装置。

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