JP4693027B2 - ビームホモジナイザ - Google Patents

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。

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。
特開平１０−２５３９１６号公報 特開２０００−２１５７０５号公報

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。

上記目的を達成するため本発明は、
平行光束であると共に光強度が光軸を中心としたガウス分布状になる光ビームを発する光源と、
第１面としての光ビームの入射面が前記光源側に凸で第２面としての光ビームの出射面が光源側に凹であり、前記第1面は入射した前記光ビームの光軸からの半径方向距離が大きくなるに従って結像位置が光源側に近づく一定の曲率半径Ｒ１を有し、前記第２面は前記第1面に入射した光ビームの光軸からの半径方向距離が大きくなるに従って結像位置が光軸に近づくような一定の曲率半径Ｒ２をそれぞれ有したメニスカスアフォーカルレンズと、
該メニスカスアフォーカルレンズの後段光軸上に設けられた凹レンズとメニスカス凹レンズとを光源光軸上に設置して構成され、
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前記凹レンズで受けて広角化し、この広角化したビームを前記メニスカス凹レンズの入射光束としてさらに広角化するようにしたことを特徴とする。

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と共に、凹レンズとメニスカス凹レンズとでビームを広角化す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と凹レンズとメニスカス凹レン ズと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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ホモジナイザを設置した光学装置のブロック図。 ホモジナイザの内部を示した斜視略図。 本発明による整形の原理を説明する図。 図３の補足説明図。 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。 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。 実施例４を示す斜視略図。 ガウス分布状の光強度を持つビーム形状の説明図。 平均化されたビーム形状の説明図。

符号の説明

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

Claims (1)

1. 平行光束であると共に光強度が光軸を中心としたガウス分布状になる光ビームを発する光源と、
   第１面としての光ビームの入射面が前記光源側に凸で第２面としての光ビームの出射面が光源側に凹であり、前記第1面は入射した前記光ビームの光軸からの半径方向距離が大きくなるに従って結像位置が光源側に近づく一定の曲率半径Ｒ１を有し、前記第２面は前記第1面に入射した光ビームの光軸からの半径方向距離が大きくなるに従って結像位置が光軸に近づくような一定の曲率半径Ｒ２をそれぞれ有したメニスカスアフォーカルレンズと、
   該メニスカスアフォーカルレンズの後段光軸上に設けられた凹レンズとメニスカス凹レンズとを光源光軸上に設置して構成され、
   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前記凹レンズで受けて広角化し、この広角化したビームを前記メニスカス凹レンズの入射光束としてさらに広角化するようにしたことを特徴とするビームホモジナイザ。