JP5460502B2 - Method for designing optical component for laser beam shaping, and method for manufacturing optical component for laser beam shaping - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形するレーザ光整形用光学部品であって、一対の非球面レンズを備える非球面レンズ型のレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法に関するものである。 The present invention relates to a laser beam shaping optical component for shaping laser beam intensity distribution into an arbitrary intensity distribution, and a design method and manufacturing of an aspheric lens type laser beam shaping optical component including a pair of aspheric lenses. It is about the method.
一般に、レーザ光は、ガウシアン分布のように、中央近傍が最も強く、周辺へ向けて次第に弱くなる強度分布を有することが多い。しかしながら、レーザ加工などにおいては、空間的に均一な強度分布を有するレーザ光が望まれている。この点に関し、非特許文献1には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布に整形するレーザ光整形用光学部品としてカライドスコープ型のホモジナイザが開示されており、特許文献1〜3には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布に整形するレーザ光整形用光学部品として非球面レンズ型のホモジナイザが開示されている。 In general, laser light often has an intensity distribution that is strongest near the center and gradually weakens toward the periphery, such as a Gaussian distribution. However, in laser processing or the like, a laser beam having a spatially uniform intensity distribution is desired. In this regard, Non-Patent Document 1 discloses a kaleidoscope type homogenizer as an optical component for laser light shaping that shapes the intensity distribution of laser light into a spatially uniform intensity distribution. No. 3 discloses an aspherical lens type homogenizer as a laser light shaping optical component that shapes the intensity distribution of laser light into a spatially uniform intensity distribution.
特許文献1に開示の非球面レンズ型のホモジナイザは、幾何光学的手法により形状が導き出された一対の非球面レンズを備え、ガウシアン分布の強度プロファイルを有する入射レーザ光の強度分布をトップハット状の強度分布に変換するものである。一方、特許文献2に開示の非球面レンズ型のホモジナイザは、波動光学的手法により形状が導き出された一対の非球面レンズを備え、ガウシアン分布の強度プロファイルを有する入射レーザ光の強度分布をトップハット状の強度分布に変換するものである。また、特許文献3に開示の非球面レンズ型のホモジナイザは、一対の非球面レンズを備え、ガウシアン分布の強度プロファイルを有する入射レーザ光の強度分布をスーパーガウシアンとされる強度分布に変換するものである。 The aspherical lens type homogenizer disclosed in Patent Document 1 includes a pair of aspherical lenses whose shapes are derived by a geometrical optical method, and the top hat-shaped intensity distribution of incident laser light having a Gaussian intensity profile. This is converted into an intensity distribution. On the other hand, the aspherical lens type homogenizer disclosed in Patent Document 2 includes a pair of aspherical lenses whose shapes are derived by a wave optical method, and the intensity distribution of incident laser light having an intensity profile of Gaussian distribution is a top hat. It is converted into a shape intensity distribution. In addition, the aspheric lens type homogenizer disclosed in Patent Document 3 includes a pair of aspheric lenses, and converts the intensity distribution of incident laser light having an intensity profile of Gaussian distribution into an intensity distribution of super Gaussian. is there.
これらの特許文献1〜3では、一対の非球面レンズの形状を設計するにあたって、入射レーザ光の強度分布として、ガウシアン関数を用いて算出したガウシアン分布、すなわち理論値を用いている。しかしながら、実際には、ホモジナイザに入射するレーザ光の強度分布は理論値からずれているものである。そのため、特許文献1〜3に開示のホモジナイザの設計方法では、レーザ光整形精度が低く、整形後のレーザ光の所望の強度分布に歪みが生じてしまう。 In these Patent Documents 1 to 3, when designing the shape of a pair of aspherical lenses, a Gaussian distribution calculated using a Gaussian function, that is, a theoretical value, is used as the intensity distribution of incident laser light. However, actually, the intensity distribution of the laser light incident on the homogenizer is deviated from the theoretical value. Therefore, in the homogenizer design methods disclosed in Patent Documents 1 to 3, the laser beam shaping accuracy is low, and the desired intensity distribution of the shaped laser beam is distorted.
そこで、本発明は、一対の非球面レンズを備えるレーザ光整形用光学部品であって、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is an optical component for laser beam shaping that includes a pair of aspheric lenses, and is an optical component for laser beam shaping that can shape the intensity distribution of the laser beam into an arbitrary intensity distribution with higher accuracy. An object of the present invention is to provide a design method and a manufacturing method.
本発明のレーザ光整形用光学部品の設計方法は、一対の非球面レンズを備え、入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光を生成するレーザ光整形用光学部品の設計方法において、入射レーザ光の強度分布を計測する入射光計測工程と、一対の非球面レンズのうちの入射側非球面レンズにおいて、計測した入射レーザ光の強度分布を分布方向に分割して複数の入射光分割領域を求める入射光分割工程と、一対の非球面レンズのうちの出射側非球面レンズにおいて、出射レーザ光の強度分布を分布方向に分割した複数の出射光分割領域であって、所望の強度分布に応じて複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域を求める出射光分割工程と、入射側非球面レンズにおける複数の入射光分割領域の分布方向の位置と出射側非球面レンズにおける対応の複数の出射光分割領域の分布方向の位置とから光路を特定する光路特定工程と、光路から一対の非球面レンズの形状を求める形状決定工程とを含む。 The method of designing an optical component for laser beam shaping according to the present invention is a design of an optical component for laser beam shaping that includes a pair of aspherical lenses and generates emitted laser light in which the intensity distribution of incident laser light is shaped into a desired intensity distribution. In the method, an incident light measurement step of measuring an intensity distribution of incident laser light and an incident-side aspheric lens of a pair of aspheric lenses divide the measured intensity distribution of the incident laser light into a plurality of distribution directions. A plurality of outgoing light splitting regions obtained by splitting the intensity distribution of the outgoing laser light in the distribution direction in the incident light splitting step for obtaining the incoming light splitting region and the outgoing side aspherical lens of the pair of aspherical lenses, Adjusting the height of each of the plurality of incident light dividing regions according to the intensity distribution of the light and adjusting the width and position in the distribution direction to obtain the plurality of outgoing light dividing regions. And an optical path specifying step for specifying an optical path from the position in the distribution direction of the plurality of incident light split regions in the incident side aspheric lens and the position in the distribution direction of the corresponding plurality of output light split regions in the output side aspheric lens; And a shape determining step for determining the shape of the pair of aspheric lenses from the optical path.
また、本発明のレーザ光整形用光学部品の製造方法は、一対の非球面レンズを備え、入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光を生成するレーザ光整形用光学部品の製造方法において、入射レーザ光の強度分布を計測する入射光計測工程と、一対の非球面レンズのうちの入射側非球面レンズにおいて、計測した入射レーザ光の強度分布を分布方向に分割して複数の入射光分割領域を求める入射光分割工程と、一対の非球面レンズのうちの出射側非球面レンズにおいて、出射レーザ光の強度分布を分布方向に分割した複数の出射光分割領域であって、所望の強度分布に応じて複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域を求める出射光分割工程と、入射側非球面レンズにおける複数の入射光分割領域の分布方向の位置と出射側非球面レンズにおける対応の複数の出射光分割領域の分布方向の位置とから光路を特定する光路特定工程と、光路から一対の非球面レンズの形状を求める形状決定工程と、求めた形状に基づいて一対の非球面レンズを成形する成形工程とを含む。 The method for manufacturing an optical component for laser beam shaping according to the present invention includes a pair of aspherical lenses and generates an emitted laser beam in which the intensity distribution of the incident laser beam is shaped into a desired intensity distribution. In the manufacturing method, the incident light measurement step of measuring the intensity distribution of the incident laser beam and the incident-side aspherical lens of the pair of aspherical lenses divide the measured intensity distribution of the incident laser beam in the distribution direction. In the incident light splitting step for obtaining a plurality of incident light splitting regions, and in the exit side aspherical lens of the pair of aspherical lenses, a plurality of outgoing light splitting regions obtained by dividing the intensity distribution of the outgoing laser light in the distribution direction, The output light for obtaining the plurality of output light division regions by adjusting the height of each of the plurality of incident light division regions according to the desired intensity distribution and adjusting the width and position in the distribution direction Splitting step, and an optical path specifying step for specifying the optical path from the position in the distribution direction of the plurality of incident light split regions in the incident side aspheric lens and the position in the distribution direction of the corresponding plurality of output light split regions in the output side aspheric lens And a shape determining step for determining the shape of the pair of aspheric lenses from the optical path, and a molding step for forming the pair of aspheric lenses based on the determined shape.
これらのレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法によれば、入射レーザ光の強度分布を実測し、実測した強度分布に基づいて一対の非球面レンズの形状を設計することとなる。また、実測した入射レーザ光の強度分布を分割した複数の入射光分割領域を求めると共に、出射レーザ光の所望の強度分布に応じて、複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に幅及び位置を調整した複数の出射光分割領域を求め、入射側非球面レンズにおける複数の入射光分割領域の位置と出射側非球面レンズにおける対応の複数の出射光分割領域の位置とから光路を特定し、これらの光路に基づいて一対の非球面レンズの形状を設計する。したがって、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品を得ることができる。 According to these laser light shaping optical component design method and manufacturing method, the intensity distribution of incident laser light is measured, and the shape of a pair of aspheric lenses is designed based on the actually measured intensity distribution. In addition, a plurality of incident light split areas obtained by dividing the actually measured intensity distribution of the incident laser light are obtained, and the height and width of each of the plurality of incident light split areas are adjusted according to the desired intensity distribution of the emitted laser light. And determine the optical path from the position of the multiple incident light split areas on the incident side aspherical lens and the corresponding multiple positions of the outgoing light split areas on the output aspherical lens. Then, the shape of the pair of aspheric lenses is designed based on these optical paths. Therefore, it is possible to obtain an optical component for laser beam shaping that can shape the intensity distribution of the laser beam into an arbitrary intensity distribution with higher accuracy.
上記した出射光分割工程では、複数の入射光分割領域のエネルギーと対応の前記複数の出射光分割領域のエネルギーとがそれぞれ等しくなるように、複数の入射光分割領域の分布方向の幅及び位置を調整して複数の出射光分割領域を求めることが好ましい。 In the outgoing light splitting step described above, the width and position of the plurality of incident light splitting regions in the distribution direction are set such that the energy of the plurality of incident light splitting regions and the corresponding energy of the plurality of outgoing light splitting regions are equal to each other. It is preferable to adjust and obtain a plurality of outgoing light division regions.
上記した形状決定工程では、入射側非球面レンズの形状を光路から求め、出射側非球面レンズの形状を、光路から求めると共に、出射レーザ光の位相を揃えて出射レーザ光が平行光となるように求めることが好ましい。 In the above-described shape determination step, the shape of the incident-side aspheric lens is obtained from the optical path, the shape of the exit-side aspheric lens is obtained from the optical path, and the phase of the emitted laser light is aligned so that the emitted laser light becomes parallel light. It is preferable to obtain it.
これによれば、平行光である入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形することが可能な入射側非球面レンズと、入射側非球面レンズによって整形されたレーザ光の位相を揃え、平行光に変更することが可能な出射側非球面レンズを得ることができる。 According to this, the incident-side aspherical lens capable of shaping the intensity distribution of incident laser light that is parallel light into a desired intensity distribution, and the phase of the laser light shaped by the incident-side aspherical lens are aligned, An exit-side aspherical lens that can be changed to parallel light can be obtained.
また、上記した形状決定工程では、複数の入射光分割領域それぞれにおいて、入射側非球面レンズの入射側の平面に垂直な主軸に対して光路がなす角度から、入射側非球面レンズの出射側の非球面に対する入射レーザ光の入射角を求め、入射側非球面レンズの非球面に対する入射レーザ光の入射角から、入射側非球面レンズの非球面の高低差を求めることが好ましい。 Further, in the above-described shape determining step, in each of the plurality of incident light splitting regions, the angle of the optical path with respect to the principal axis perpendicular to the plane on the incident side of the incident side aspheric lens is determined on the exit side of the incident side aspheric lens. It is preferable to obtain the incident angle of the incident laser light with respect to the aspheric surface, and obtain the height difference of the aspheric surface of the incident side aspheric lens from the incident angle of the incident laser light with respect to the aspheric surface of the incident side aspheric lens.
また、上記した形状決定工程では、複数の出射光分割領域それぞれにおいて、出射側非球面レンズの出射側の平面に垂直な主軸に対して光路がなす角度から、出射側非球面レンズの入射側の非球面に対する出射レーザ光の出射角を求め、出射側非球面レンズの非球面に対する出射レーザ光の出射角から、出射側非球面レンズの非球面の高低差を求めることが好ましい。 Further, in the shape determining step described above, in each of the plurality of outgoing light splitting regions, from the angle formed by the optical path with respect to the principal axis perpendicular to the outgoing side plane of the outgoing side aspherical lens, the incident side of the outgoing side aspherical lens is determined. It is preferable to obtain the exit angle of the exit laser light with respect to the aspheric surface, and obtain the height difference of the aspheric surface of the exit side aspheric lens from the exit angle of the exit laser light with respect to the aspheric surface of the exit side aspheric lens.
また、上記した入射光計測工程では、更に、入射レーザ光の広がり角を計測し、上記した形状決定工程では、入射側非球面レンズの形状を、光路及び計測した入射レーザ光の広がり角から求めることが好ましい。 In the incident light measurement step, the spread angle of the incident laser beam is further measured. In the shape determination step, the shape of the incident-side aspheric lens is obtained from the optical path and the spread angle of the measured incident laser beam. It is preferable.
これによれば、入射レーザ光が広がり角を有する非平行光であっても、この非平行光である入射レーザ光の強度分布をより高精度に所望の強度分布に整形することが可能な入射側非球面レンズを得ることができる。 According to this, even if the incident laser light is non-parallel light having a divergence angle, it is possible to shape the intensity distribution of the incident laser light that is the non-parallel light into a desired intensity distribution with higher accuracy. A side aspherical lens can be obtained.
また、上記した形状決定工程では、出射側非球面レンズの形状を、光路及び出射レーザ光の所望の広がり角から求めることが好ましい。 Further, in the above-described shape determination step, it is preferable to obtain the shape of the emission side aspherical lens from the optical path and the desired spread angle of the emission laser light.
これによれば、任意の広がり角を有する非平行光の出射レーザ光を得たい場合であっても、入射側非球面レンズによって整形されたレーザ光の位相を揃え、所望の広がり角を有する非平行光に、より高精度に変更することが可能な出射側非球面レンズを得ることができる。 According to this, even when it is desired to obtain non-parallel emission laser light having an arbitrary divergence angle, the phases of the laser light shaped by the incident-side aspheric lens are aligned, and the non-parallel light having a desired divergence angle is obtained. An exit-side aspherical lens that can be changed to parallel light with higher accuracy can be obtained.
また、上記した形状決定工程では、複数の入射光分割領域それぞれにおいて、入射側非球面レンズの入射側の平面に垂直な主軸に対して光路がなす角度、及び、計測した入射レーザ光の広がり角から、入射側非球面レンズの平面で入射レーザ光が屈折した屈折入射レーザ光であって、入射側非球面レンズの出射側の非球面に対する当該屈折入射レーザ光の入射角を求め、入射側非球面レンズの非球面に対する屈折入射レーザ光の入射角から、入射側非球面レンズの非球面の高低差を求めることが好ましい。 Further, in the above-described shape determination step, the angle formed by the optical path with respect to the principal axis perpendicular to the plane on the incident side of the incident-side aspherical lens and the measured spread angle of the incident laser light in each of the plurality of incident light dividing regions Thus, the incident laser beam is refracted incident laser light refracted on the plane of the incident-side aspheric lens, and the incident angle of the refractive incident laser beam with respect to the exit-side aspheric surface of the incident-side aspheric lens is obtained. It is preferable to obtain the height difference of the aspherical surface of the incident-side aspherical lens from the incident angle of the refractive incident laser light with respect to the aspherical surface of the spherical lens.
また、上記した形状決定工程では、複数の出射光分割領域それぞれにおいて、出射側非球面レンズの出射側の平面に垂直な主軸に対して光路がなす角度、及び、出射レーザ光の所望の広がり角から、出射側非球面レンズの入射側の非球面に対する光路の屈折角を求め、出射側非球面レンズの非球面に対する光路の屈折角から、出射側非球面レンズの非球面の高低差を求めることが好ましい。 In the shape determining step, the angle formed by the optical path with respect to the principal axis perpendicular to the emission side plane of the emission side aspherical lens and the desired spread angle of the emission laser beam in each of the plurality of emission light dividing regions. From the above, the refraction angle of the optical path with respect to the aspheric surface on the incident side of the exit side aspheric lens is obtained, and the height difference of the aspheric surface of the exit side aspheric lens is obtained from the refraction angle of the optical path with respect to the aspheric surface of the exit side aspheric lens. Is preferred.
本発明によれば、一対の非球面レンズを備えるレーザ光整形用光学部品であって、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品を得ることができる。 According to the present invention, a laser light shaping optical component including a pair of aspheric lenses, which can shape the intensity distribution of laser light into an arbitrary intensity distribution with higher accuracy. Can be obtained.
以下、図面を参照して本発明のレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a designing method and a manufacturing method of a laser beam shaping optical component according to the invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
まず、レーザ加工装置などに用いられる光学装置であって、ホモジナイザ(レーザ光整形用光学部品)を備える光学装置について説明する。図1は、本実施形態の光学装置の一実施形態を示す構成図である。この光学装置1は、レーザ光源2と、空間フィルタ3と、コリメートレンズ4と、ホモジナイザ10とを備えている。 First, an optical apparatus that is used in a laser processing apparatus or the like and that includes a homogenizer (laser light shaping optical component) will be described. FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the optical apparatus of the present embodiment. The optical device 1 includes a laser light source 2, a spatial filter 3, a collimating lens 4, and a homogenizer 10.
レーザ光源2は、例えば、Nd:YAGレーザである。空間フィルタ3は、例えば、倍率10倍の対物レンズと、直径Φ=50μmのピンホールとを備える。コリメートレンズ4は、例えば、平凸レンズである。このように、レーザ光源2から出射したレーザ光が空間フィルタ3及びコリメートレンズ4を通過することにより、強度分布が同心円状のガウシアン分布に整形されることとなる。 The laser light source 2 is, for example, an Nd: YAG laser. The spatial filter 3 includes, for example, an objective lens having a magnification of 10 times and a pinhole having a diameter Φ = 50 μm. The collimating lens 4 is, for example, a plano-convex lens. As described above, the laser light emitted from the laser light source 2 passes through the spatial filter 3 and the collimating lens 4 so that the intensity distribution is shaped into a concentric Gaussian distribution.
ホモジナイザ10は、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものである。ホモジナイザ10は、一対の非球面レンズ11,12を備える。ホモジナイザ10では、入射側非球面レンズ11が、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するように機能し、出射側非球面レンズ12が、整形されたレーザ光の位相を揃え、平行光や任意の広がり角を有する光に変更するように機能する。このホモジナイザ10では、一対の非球面レンズ11,12の非球面の形状設計により、入射レーザ光Oiの強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光Ooを生成することが可能となる。
[第1の実施形態]
The homogenizer 10 is for shaping the intensity distribution of laser light into an arbitrary shape. The homogenizer 10 includes a pair of aspheric lenses 11 and 12. In the homogenizer 10, the incident-side aspherical lens 11 functions to shape the intensity distribution of the laser light into an arbitrary shape, and the emission-side aspherical lens 12 aligns the phase of the shaped laser light so that parallel light or It functions to change to light having an arbitrary divergence angle. In the homogenizer 10, it is possible to generate the outgoing laser light Oo in which the intensity distribution of the incident laser light Oi is shaped into a desired intensity distribution by the aspheric shape design of the pair of aspheric lenses 11 and 12.
[First Embodiment]
以下では、図2を参照して、本発明の第1の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法であって、平行光の入射レーザ光Oiを平行光の出射レーザ光Ooに変更するホモジナイザの設計方法及び製造方法について説明する。図2は、本発明の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法を示すフローチャートである。 In the following, referring to FIG. 2, a homogenizer design method and manufacturing method according to the first embodiment of the present invention, which changes a parallel incident laser beam Oi into a parallel emitted laser beam Oo. The design method and manufacturing method will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a homogenizer design method and manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
まず、入射レーザ光Oiの強度分布を計測する(入射光計測工程)(S01)。強度分布の計測は、例えば、ビームプロファイラを用いて行うことが可能である。 First, the intensity distribution of the incident laser beam Oi is measured (incident light measurement step) (S01). The intensity distribution can be measured using, for example, a beam profiler.
次に、出射レーザ光Ooの所望の強度分布を設定する(S02)。本実施形態では、所望の強度分布を、レーザ加工装置において望まれる空間的に均一な強度分布、すなわち、スーパーガウシアン分布に設定することとする。ここで、所望の強度分布は、出射レーザ光Ooのエネルギー(所望の強度分布の面積)が入射レーザ光Oiのエネルギー(強度分布の面積)と等しくなるように設定される必要がある。例えば、本実施形態のスーパーガウシアン分布の設定は以下のように行えばよい。 Next, a desired intensity distribution of the emitted laser beam Oo is set (S02). In the present embodiment, the desired intensity distribution is set to a spatially uniform intensity distribution desired in the laser processing apparatus, that is, a super Gaussian distribution. Here, the desired intensity distribution needs to be set so that the energy (area of the desired intensity distribution) of the emitted laser beam Oo is equal to the energy (area of the intensity distribution) of the incident laser beam Oi. For example, the super Gaussian distribution of this embodiment may be set as follows.
以下では、出射レーザ光Ooの所望の強度分布の設定原理の理解を容易にするために、入射レーザ光Oiの強度分布は、図3に示すように、同心円状のガウシアン分布(ビームウェスト=5.6mmat 1/e2、ω=2.0mm)であると仮定する。ガウシアン分布は下記(1)式により表されるので、入射レーザ光Oiの半径6mmの範囲内のエネルギーは下記(2)式となる。
この場合、ガウシアン分布は半径0mmを中心として回転対称となるため、1次元解析により非球面形状を設計することになる。なお、実際には、入射レーザ光Oiのエネルギーとしては、ステップS01における実測値を用いればよい。
In the following, in order to facilitate understanding of the principle of setting the desired intensity distribution of the emitted laser beam Oo, the intensity distribution of the incident laser beam Oi has a concentric Gaussian distribution (beam waist = 5) as shown in FIG. .6 mmat 1 / e 2 , ω = 2.0 mm). Since the Gaussian distribution is expressed by the following equation (1), the energy within the radius of 6 mm of the incident laser light Oi is expressed by the following equation (2).
In this case, since the Gaussian distribution is rotationally symmetric about a radius of 0 mm, an aspheric shape is designed by one-dimensional analysis. Actually, the measured value in step S01 may be used as the energy of the incident laser beam Oi.
一方、出射レーザ光Ooの所望の強度分布は、図4に示すように、スーパーガウシアン分布(次数N=8、ω=2.65mm)に設定する。スーパーガウシアン分布は下記(3)式により表されるので、下記(4)式のように出射レーザ光Ooの半径6mmの範囲内のエネルギーが入射レーザ光Oiのエネルギーに等しくなるためには、出射レーザ光Ooの強度均一部の値はE0=0.687に設定することとなる。
なお、本手法に基づけば、整形後の出射レーザ光の所望の強度分布も規定の関数のみならず、任意の強度分布とすることも可能である。
On the other hand, the desired intensity distribution of the emitted laser light Oo is set to a super Gaussian distribution (order N = 8, ω = 2.65 mm) as shown in FIG. Since the super Gaussian distribution is expressed by the following equation (3), in order for the energy within the radius of 6 mm of the emitted laser beam Oo to be equal to the energy of the incident laser beam Oi as expressed by the following equation (4), The value of the uniform intensity portion of the laser light Oo is set to E 0 = 0.687.
Note that, based on this method, the desired intensity distribution of the shaped outgoing laser light can be not only a specified function but also an arbitrary intensity distribution.
図2のフローチャートに戻り、次に、入射側非球面レンズ11において、測定した入射レーザ光Oiの強度分布を分布方向に任意の間隔(幅)で分割して複数の入射光分割領域を求める(入射光分割工程)(S03)。例えば、図5に示すように、測定した入射レーザ光Oiの強度分布を間隔Δr1で略等間隔に7つの入射光分割領域A1〜A7に分割する。 Returning to the flowchart of FIG. 2, next, in the incident-side aspherical lens 11, the intensity distribution of the measured incident laser light Oi is divided at an arbitrary interval (width) in the distribution direction to obtain a plurality of incident light division regions ( (Incident light splitting step) (S03). For example, as shown in FIG. 5, is divided into substantially equal intervals in seven incident light splitting areas A1~A7 the intensity distribution of the incident laser light Oi measured at intervals [Delta] r 1.
次に、出射側非球面レンズ12において、出射レーザ光Ooの強度分布を分布方向に任意の間隔(幅)で分割した出射光分割領域であって、所望の強度分布に応じて複数の入射光分割領域A1〜A7それぞれの強度(高さ)を調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域B1〜B7を求める(出射光分割工程)(S04)。具体的には、複数の出射光分割領域B1〜B7は、以下のように求めればよい。 Next, in the exit-side aspherical lens 12, an exit light split region obtained by splitting the intensity distribution of the exit laser light Oo at an arbitrary interval (width) in the distribution direction, and a plurality of incident lights according to a desired intensity distribution. By adjusting the intensity (height) of each of the divided areas A1 to A7 and adjusting the width and position in the distribution direction, the plurality of outgoing light divided areas B1 to B7 are obtained (outgoing light dividing step) (S04). Specifically, the plurality of outgoing light division regions B1 to B7 may be obtained as follows.
例えば、まず、図6に示すように、出射レーザ光Ooの所望の強度分布を7つの出射光分割領域B1〜B7に分割する。本実施形態では、ガウシアン分布からスーパーガウシアン分布への調整を予め想定し、中心に位置する出射光分割領域B4の間隔が最も大きく、外側に位置ほど出射光分割領域の間隔が小さくなるように所望の強度分布を分割する。 For example, first, as shown in FIG. 6, the desired intensity distribution of the outgoing laser light Oo is divided into seven outgoing light divided regions B1 to B7. In the present embodiment, adjustment from the Gaussian distribution to the super Gaussian distribution is assumed in advance, and the interval between the outgoing light division regions B4 located at the center is the largest, and the interval between the outgoing light division regions is desired to be smaller toward the outer side. Split the intensity distribution.
次に、例えば、図7に示すように、入射光分割領域A1〜A7と出射光分割領域B1〜B7とをそれぞれ1対1に対応させ、入射光分割領域A1〜A7のエネルギーと対応の出射光分割領域B1〜B7のエネルギーとがそれぞれ等しくなるように、強度(高さ)の増減に応じて出射光分割領域B1〜B7それぞれの幅及び位置を調整する。 Next, for example, as shown in FIG. 7, the incident light splitting regions A1 to A7 and the outgoing light splitting regions B1 to B7 are made to correspond to each other one by one, and the energy corresponding to the energy of the incident light splitting regions A1 to A7 is output. The width and position of each of the outgoing light splitting regions B1 to B7 are adjusted according to the increase or decrease in intensity (height) so that the energy of the splitting light splitting regions B1 to B7 becomes equal.
図2のフローチャートに戻り、次に、入射側非球面レンズ11における入射光分割領域A1〜A7の分布方向の位置と、出射側非球面レンズ12における対応の出射光分割領域B1〜B7の分布方向の位置とから、光路を特定する(光路特定工程)(S05)。例えば、図8に示すように、入射側非球面レンズ11における入射光分割領域A1〜A7の半径r1方向の座標と、出射側非球面レンズ12における対応の出射光分割領域B1〜B7の半径r2方向の座標とを結線することにより、入射側非球面レンズ11の非球面11aから出射側非球面レンズ12の非球面12aへの光路P1〜P8を求める。 Returning to the flowchart of FIG. 2, the positions of the distribution directions of the incident light split areas A1 to A7 in the incident side aspheric lens 11 and the distribution directions of the corresponding output light split areas B1 to B7 in the output side aspheric lens 12. The optical path is specified from the position (optical path specifying step) (S05). For example, as shown in FIG. 8, the radius r 1 coordinate direction of the incident light splitting areas A1~A7 the entrance-side aspherical lens 11, the radius of the corresponding emitted light divided regions B1~B7 at the exit side aspherical lens 12 by connecting the r 2 direction of coordinates, determine the optical path P1~P8 of aspherical 11a on the entrance side aspherical lens 11 to the aspheric surface 12a of the exit-side aspheric lens 12.
次に、求めた光路P1〜P8から一対の非球面レンズ11,12の非球面形状を求める(形状決定工程)(S06)。具体的には、一対の非球面レンズ11,12の非球面形状は、以下のように求めればよい。 Next, the aspherical shapes of the pair of aspherical lenses 11 and 12 are obtained from the obtained optical paths P1 to P8 (shape determining step) (S06). Specifically, the aspheric shapes of the pair of aspheric lenses 11 and 12 may be obtained as follows.
図9では、理解を容易にするために、入射レーザ光Oiが入射側非球面レンズ11の平面11bに対して垂直に入射し、出射レーザ光Ooが出射側非球面レンズ12の平面12bに対して垂直に出射するものとする。また、入射側非球面レンズ11の非球面11a上のm番目の座標をr1m、これに対応する出射側非球面レンズ12の非球面12a上のm番目の座標をr2m、これらの座標r1mと座標r2mと結ぶ光路をPmとする。また、入射側非球面レンズ11の座標r1mの非球面11aに対する入射レーザ光Oiの入射角をθ1とし、その屈折角、すなわち、非球面11aに対する光路Pmの出射角をθ1’とする。同様に、出射側非球面レンズ12の座標r2mの非球面12aに対する光路Pmの入射角をθ2’とし、その屈折角、すなわち、非球面12aに対する出射レーザ光Ooの出射角をθ2とする。また、主軸X1,X2に対して光路Pmがなす角度をθとする(主軸X1は入射側非球面レンズ11の入射側平面11bに対して垂直な直線であり、主軸X2は出射側非球面レンズ12の出射側平面12bに対して垂直な直線である。また、主軸X1と主軸X2とは平行である。)。また、入射側非球面レンズ11及び出射側非球面レンズ12の屈折率をn、非球面11aが光軸Xと交差する点11cと非球面12aが光軸Xと交差する点12cとの間隔、すなわち、非球面11aの中心位置(座標r1=0の位置)と非球面12aの中心位置(座標r2=0の位置)との間隔をLとする。 In FIG. 9, for easy understanding, the incident laser light Oi is incident perpendicular to the plane 11 b of the incident-side aspherical lens 11, and the outgoing laser light Oo is incident on the plane 12 b of the outgoing-side aspherical lens 12. And emit vertically. Further, the m-th coordinate on the aspherical surface 11a of the incident-side aspherical lens 11 is r 1m , the m-th coordinate on the aspherical surface 12a of the corresponding exit-side aspherical lens 12 is r 2m , and these coordinates r Let P m be the optical path connecting 1 m and the coordinates r 2 m . Further, the incident angle of the incident laser light Oi for aspheric 11a of coordinates r 1 m of the entrance-side aspherical lens 11 and theta 1, its angle of refraction, i.e., the outgoing angle of the light path P m for the aspheric 11a theta 1 ' To do. Similarly, the incidence angle of the light path P m and theta 2 'to non-spherical 12a of the coordinate r 2m of the exit-side aspheric lens 12, the refraction angle, i.e., the emission angle of the emitted laser light Oo for aspheric 12a theta 2 And The angle formed by the optical path P m with respect to the main axes X 1 and X 2 is θ (the main axis X 1 is a straight line perpendicular to the incident side plane 11b of the incident side aspherical lens 11, and the main axis X 2 is is a straight line perpendicular to the exit side plane 12b of the exit-side aspheric lens 12. Further, it is parallel to the main axis X 1 and the main shaft X 2.). Further, the refractive index of the incident-side aspherical lens 11 and the exit-side aspherical lens 12 is n, and the distance between the point 11c where the aspherical surface 11a intersects the optical axis X and the point 12c where the aspherical surface 12a intersects the optical axis X, That is, let L be the distance between the center position of the aspheric surface 11a (position of coordinates r 1 = 0) and the center position of the aspheric surface 12a (position of coordinates r 2 = 0).
例えば、まず、主軸X1,X2に対して光路Pmがなす角度θは、下記(5)式のように表される。
また、スネルの法則より下記(6)式が成り立ち、これより、入射側非球面レンズ11の非球面11aに対する入射レーザ光の入射角θ1は、下記(7)式のように求められる。
ここで、図9における入射側非球面レンズ11の座標r1m近傍を拡大して、図10に示す。図10では、入射側非球面レンズ11の非球面11a上においてm番目の座標r1mに隣り合うm−1番目の座標をr1m−1とする。すると、図10に示すように、入射側非球面レンズ11において座標r1mとこれに隣り合う座標r1m−1との非球面11aの高低差ΔZ1は、下記(8)式のように表される。
これより、入射側非球面レンズ11において座標r1mと中心位置(座標r1=0)との非球面11aの高低差Z1mは、下記(9)式のように求められる。
これらの作業を全座標、すなわち、全入射光分割領域A1〜A7及び光路P1〜P8に対して行うことにより、入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形するための入射側非球面レンズ11の非球面11aの形状が、図11に示すように求められる。 By performing these operations for all coordinates, that is, all incident light splitting regions A1 to A7 and optical paths P1 to P8, an incident-side aspherical lens for shaping the intensity distribution of the incident laser light into a desired intensity distribution. The shape of 11 aspherical surfaces 11a is obtained as shown in FIG.
図9に戻り、同様に、スネルの法則より、出射側非球面レンズ12の非球面12aに対する出射レーザ光の出射角θ2は、下記(10)式のように求められる。
ここで、図9における出射側非球面レンズ12の座標r2m近傍を拡大して、図12に示す。図12では、出射側非球面レンズ12の非球面12a上においてm番目の座標r2mに隣り合うm−1番目の座標をr2m−1とする。すると、図12に示すように、出射側非球面レンズ12において座標r2mとこれに隣り合う座標r2m−1との非球面12aの高低差ΔZ2は、下記(11)式のように表される。
これより、出射側非球面レンズ12において座標r2mと中心位置(座標r2=0)との非球面12aの高低差Z2mは、下記(12)式のように求められる。
これらの作業を全座標、すなわち、全出射光分割領域B1〜B7及び光路P1〜P8に対して行うことにより、入射側非球面レンズ11によって所望の強度分布に整形されたレーザ光の位相を揃え、平行光に変更した出射レーザ光を生成するための出射側非球面レンズ12の非球面12aの形状が、図13に示すように求められる。 By performing these operations on all coordinates, that is, all the outgoing light splitting regions B1 to B7 and the optical paths P1 to P8, the phase of the laser light shaped into a desired intensity distribution by the incident-side aspherical lens 11 is aligned. The shape of the aspherical surface 12a of the outgoing side aspherical lens 12 for generating outgoing laser light changed to parallel light is obtained as shown in FIG.
図2のフローチャートに戻り、次に、図11に示す形状に基づいて入射側非球面レンズ11の非球面11aを成形し、図13に示す形状に基づいて出射側非球面レンズ12の非球面12aを成形する(成形工程)(S07)。 Returning to the flowchart of FIG. 2, next, the aspherical surface 11a of the incident-side aspherical lens 11 is molded based on the shape shown in FIG.11, and the aspherical surface 12a of the outgoing-side aspherical lens 12 based on the shape shown in FIG.13. Is molded (molding step) (S07).
このように、第1の実施形態のレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法によれば、入射レーザ光Oiの強度分布を実測し、実測した強度分布に基づいて一対の非球面レンズ11,12の形状を設計することとなる。また、実測した入射レーザ光Oiの強度分布を分割した複数の入射光分割領域A1〜A7を求めると共に、出射レーザ光Ooの所望の強度分布に応じて、複数の入射光分割領域A1〜A7それぞれの強度(高さ)を調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整した複数の出射光分割領域B1〜B7を求め、入射側非球面レンズ11における複数の入射光分割領域A1〜A7の位置と出射側非球面レンズ12における対応の複数の出射光分割領域B1〜B7の位置とから光路P1〜P8を特定し、これらの光路P1〜P8に基づいて一対の非球面レンズ11,12の形状を設計する。したがって、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品を得ることができる。
[第2の実施形態]
Thus, according to the design method and the manufacturing method of the laser light shaping optical component of the first embodiment, the intensity distribution of the incident laser light Oi is actually measured, and the pair of aspherical lenses 11 are based on the actually measured intensity distribution. , 12 are designed. Further, a plurality of incident light split regions A1 to A7 obtained by dividing the actually measured intensity distribution of the incident laser light Oi are obtained, and the plurality of incident light split regions A1 to A7 are respectively determined according to a desired intensity distribution of the emitted laser light Oo. A plurality of outgoing light splitting regions B1 to B7 in which the intensity (height) is adjusted and the width and position in the distribution direction are adjusted, and the positions of the incident light splitting regions A1 to A7 in the incident-side aspherical lens 11 are determined. The optical paths P1 to P8 are specified from the positions of the corresponding plurality of outgoing light splitting regions B1 to B7 in the outgoing aspherical lens 12, and the shapes of the pair of aspherical lenses 11 and 12 are determined based on these optical paths P1 to P8. design. Therefore, it is possible to obtain an optical component for laser beam shaping that can shape the intensity distribution of the laser beam into an arbitrary intensity distribution with higher accuracy.
[Second Embodiment]
第1の実施形態では、平行光を平行光に変更するホモジナイザの設計方法及び製造方法を例示したが、本発明の設計方法及び製造方法は、非平行光(広がり角を有する入射レーザ光)を非平行光(広がり角を有する出射レーザ光)に変更するホモジナイザの設計方法及び製造方法にも適用可能である。このように、広がり角を有する入射レーザ光に対してホモジナイザを設計する場合には、入射レーザ光の強度分布に加えて入射レーザ光の広がり角を計測し、実測した強度分布及び広がり角に基づいて非球面レンズの形状を求めればよい。また、広がり角を有する出射レーザ光に対してホモジナイザを設計する場合には、出射レーザ光の所望の強度分布に加えて出射レーザ光の所望の広がり角を設定し、設定した所望の強度分布及び所望の広がり角に基づいて非球面レンズの形状を求めればよい。以下では、本発明の第2の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法であって、非平行光の入射レーザ光Oiを非平行光の出射レーザ光Ooに変更するホモジナイザの設計方法及び製造方法について説明する。 In the first embodiment, the homogenizer design method and manufacturing method for changing parallel light into parallel light have been exemplified. However, the design method and manufacturing method of the present invention uses non-parallel light (incident laser light having a spread angle). The present invention can also be applied to a homogenizer design method and manufacturing method that change to non-parallel light (emitted laser light having a spread angle). Thus, when designing a homogenizer for incident laser light having a divergence angle, in addition to the intensity distribution of the incident laser light, the divergence angle of the incident laser light is measured and based on the actually measured intensity distribution and divergence angle. Thus, the shape of the aspheric lens may be obtained. Further, when designing a homogenizer for outgoing laser light having a divergence angle, in addition to the desired intensity distribution of the outgoing laser light, a desired divergence angle of the outgoing laser light is set, and the desired intensity distribution and What is necessary is just to obtain | require the shape of an aspherical lens based on a desired divergence angle. In the following, a homogenizer design method and manufacturing method according to the second embodiment of the present invention, in which a non-parallel light incident laser beam Oi is changed to a non-parallel light output laser beam Oo, is described. A method will be described.
図14は、本発明の第2の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法を示すフローチャートである。第2の実施形態のホモジナイザの設計方法及び製造方法では、図2に示す第1の実施形態のホモジナイザの設計方法及び製造方法において、ステップS01(入射光計測工程)、ステップS02、及び、ステップS06(形状決定工程)の処理に代えて、ステップS11(入射光計測工程)、ステップS12、ステップS16(形状決定工程)の処理を行う点で第1の実施形態と異なっている。 FIG. 14 is a flowchart showing a homogenizer design method and manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. In the homogenizer design method and manufacturing method of the second embodiment, step S01 (incident light measurement process), step S02, and step S06 in the homogenizer design method and manufacturing method of the first embodiment shown in FIG. Instead of the process of (shape determination process), the process is different from the first embodiment in that the processes of step S11 (incident light measurement process), step S12, and step S16 (shape determination process) are performed.
ステップS11では、上述したステップS01と同様に、入射レーザ光の強度分布を計測する。また、ステップS11では、入射レーザ光の広がり角を計測する。ステップS12では、上述したステップS02と同様に、出射レーザ光の所望の強度分布を設定する。また、ステップS12では、出射レーザ光の所望の広がり角を設定する。ステップS16では、求めた光路に加えて、実測した入射レーザ光の広がり角、及び、設定した出射レーザ光の所望の広がり角に基づいて、一対の非球面レンズ11,12の非球面形状を求める。具体的には、一対の非球面レンズ11,12の非球面形状は、以下のように求めればよい。 In step S11, the intensity distribution of the incident laser beam is measured as in step S01 described above. In step S11, the spread angle of the incident laser beam is measured. In step S12, as in step S02 described above, a desired intensity distribution of the emitted laser light is set. In step S12, a desired spread angle of the emitted laser light is set. In step S16, in addition to the obtained optical path, the aspheric shapes of the pair of aspheric lenses 11 and 12 are obtained based on the actually measured spread angle of the incident laser light and the desired spread angle of the set emission laser light. . Specifically, the aspheric shapes of the pair of aspheric lenses 11 and 12 may be obtained as follows.
図15では、図9において、広がり角を有する入射レーザ光が入射側非球面レンズ11の平面11bに対して非垂直に入射し、広がり角を有する出射レーザ光が出射側非球面レンズ12の平面12bに対して非垂直に出射する点で異なる。ここで、m番目の光路Pmに対応する入射レーザ光であって、入射側非球面レンズ11の平面11bに対する当該入射レーザ光の入射角をθ0とし、その屈折角をθ0’とする。同様に、m番目の光路Pmに対応する出射側非球面レンズ12の非球面12aで屈折するレーザ光であって、出射側非球面レンズ12の平面12bに対する当該レーザ光の入射角をθ3’とし、その屈折角、すなわち、平面12bに対する出射レーザ光の出射角をθ3とする。図15におけるその他のパラメータは、上述した図9におけるパラメータと同一とする。なお、図15では、出射側非球面レンズ12の座標r2m近傍を拡大して示している。 15, in FIG. 9, incident laser light having a divergence angle is incident non-perpendicular to the plane 11 b of the incident-side aspherical lens 11, and outgoing laser light having a divergence angle is the plane of the emission-side aspherical lens 12. The difference is that the light is emitted non-perpendicular to 12b. Here, the incident laser light corresponding to the m-th optical path P m , the incident angle of the incident laser light with respect to the plane 11b of the incident-side aspherical lens 11 is θ 0 , and the refraction angle is θ 0 ′. . Similarly, the laser light refracted by the aspheric surface 12a of the emission side aspherical lens 12 corresponding to the mth optical path Pm, and the incident angle of the laser beam with respect to the flat surface 12b of the emission side aspherical lens 12 is θ 3. and 'a refractive angle, i.e., the emission angle of the emitted laser beam with respect to the plane 12b and theta 3. The other parameters in FIG. 15 are the same as the parameters in FIG. 9 described above. In FIG. 15, the vicinity of the coordinate r 2m of the emission side aspherical lens 12 is shown enlarged.
例えば、まず、主軸X1,X2に対して光路Pmがなす角度θは、上記(5)式のように表される。また、スネルの法則より下記(13)式及び(14)式が成り立ち、これより、入射側非球面レンズ11の平面11bで入射レーザ光が屈折した屈折入射レーザ光であって、入射側非球面レンズ11の非球面11aに対する当該屈折入射レーザ光の入射角θ1は、下記(15)式のように求められる。
ここで、入射側非球面レンズ11の平面11bに対する入射レーザ光の入射角θ0は、計測した入射レーザ光の広がり角に相当する。よって、上記(15)式によれば、入射側非球面レンズ11の非球面11aに対する屈折入射レーザ光の入射角θ1は、主軸X1に対して光路Pmがなす角度θと、計測した入射レーザ光の広がり角θ0から求められることとなる。 Here, the incident angle θ 0 of the incident laser beam with respect to the flat surface 11 b of the incident-side aspherical lens 11 corresponds to the measured spread angle of the incident laser beam. Therefore, according to the above (15), the incident angle theta 1 refracting incident laser light with respect to the aspherical surface 11a on the entrance side aspherical lens 11, and the angle theta formed by the optical path P m to the main axis X 1, measured It is obtained from the spread angle θ 0 of the incident laser light.
そして、ステップS16では、上述したステップS06において、上記(7)式に代えてこの(15)式を用いればよい。これにより、上述した本実施形態と同様に、上記(8)式及び(9)式に基づいて、広がり角を有する入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形するための入射側非球面レンズ11の非球面11aの形状を求めることができる。 In step S16, the equation (15) may be used instead of the equation (7) in step S06. Thereby, similarly to the above-described embodiment, the incident-side aspherical surface for shaping the intensity distribution of the incident laser light having the divergence angle into a desired intensity distribution based on the expressions (8) and (9). The shape of the aspherical surface 11a of the lens 11 can be obtained.
同様に、スネルの法則より、出射側非球面レンズ12の非球面12aに対する光路Pmの屈折角θ2は、下記(16)式のように求められる。
ここで、出射側非球面レンズ12の平面12bに対する出射レーザ光の出射角θ3は、出射レーザ光の所望の広がり角に相当する。よって、上記(16)式によれば、出射側非球面レンズ12の非球面12aに対する光路Pmの屈折角θ2は、主軸X2に対して光路Pmがなす角度θと、出射レーザ光の所望の広がり角θ3から求められることとなる。 Here, the outgoing angle θ 3 of the outgoing laser light with respect to the flat surface 12 b of the outgoing side aspherical lens 12 corresponds to a desired spread angle of the outgoing laser light. Therefore, according to the above equation (16), the refraction angle θ 2 of the optical path P m with respect to the aspheric surface 12 a of the exit-side aspheric lens 12 is equal to the angle θ formed by the optical path P m with respect to the principal axis X 2 , and the output laser light. and thus it obtained from the desired spread angle θ 3 of.
そして、ステップS16では、上述したステップS06において、上記(10)式に代えてこの(16)式を用いればよい。これにより、上述した本実施形態と同様に、上記(11)式及び(12)式に基づいて、入射側非球面レンズ11によって所望の強度分布に整形されたレーザ光の位相を揃え、所望の広がり角を有する出射レーザ光を生成するための出射側非球面レンズ12の非球面12aの形状を求めることができる。 In step S16, the equation (16) may be used instead of the equation (10) in step S06. Thus, similarly to the above-described embodiment, the phase of the laser light shaped into a desired intensity distribution by the incident-side aspherical lens 11 is aligned based on the above formulas (11) and (12), and desired The shape of the aspherical surface 12a of the emitting side aspherical lens 12 for generating outgoing laser light having a divergence angle can be obtained.
なお、入射レーザ光を平行光とすると、すなわち、上記(15)式においてθ0=θ0’=0とすると、上記(7)式となり、出射レーザ光を平行光とすると、すなわち、上記(16)式においてθ3=θ3’=0とすると、上記(10)式となる。 If the incident laser light is parallel light, that is, if θ 0 = θ 0 ′ = 0 in the above equation (15), the above equation (7) is obtained, and if the emitted laser light is parallel light, that is, ( If θ 3 = θ 3 '= 0 in the equation (16), the above equation (10) is obtained.
このように、第2の実施形態のレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法によれば、入射レーザ光が広がり角を有する非平行光であっても、また、任意の広がり角を有する非平行光の出射レーザ光を得たい場合であっても、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品を得ることができる。 Thus, according to the laser beam shaping optical component design method and manufacturing method of the second embodiment, even if the incident laser beam is non-parallel light having a divergence angle, it also has an arbitrary divergence angle. Even when it is desired to obtain non-parallel emitted laser light, a laser light shaping optical component capable of shaping the intensity distribution of the laser light into an arbitrary intensity distribution with higher accuracy can be obtained.
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、入射レーザ光の強度分布及び出射レーザ光の所望の強度分布を同心円状とした。そのため、ピークを起点として半径方向のうちの一方向に対して非球面レンズの非球面形状を行うことにより、非球面形状を高速に算出することが可能である。一方、入射レーザ光の強度分布又は出射レーザ光の所望の強度分布が対称性を有さない場合には、2次元的な操作が必要となる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, in this embodiment, the intensity distribution of the incident laser light and the desired intensity distribution of the emitted laser light are concentric. Therefore, the aspherical shape can be calculated at high speed by performing the aspherical shape of the aspherical lens in one of the radial directions starting from the peak. On the other hand, when the intensity distribution of the incident laser light or the desired intensity distribution of the emitted laser light does not have symmetry, a two-dimensional operation is required.
この場合、図16に示すように、入射レーザ光Oiの強度分布をN×M個に分割すると共に、出射レーザ光Ooの強度分布をN×M個に分割する。その後、上記した本実施形態の出射光分割工程と同様に、入射光分割領域と出射光分割領域とをそれぞれ1対1に対応させ、入射光分割領域のエネルギーと対応の出射光分割領域のエネルギーとがそれぞれ等しくなるように、強度(高さ)の増減に応じて出射光分割領域それぞれの幅及び位置を調整する。この場合、強度が0の任意の位置、あるいは重心位置を起点として、上記調整を行うことが好ましい。 In this case, as shown in FIG. 16, the intensity distribution of the incident laser light Oi is divided into N × M pieces, and the intensity distribution of the emitted laser light Oo is divided into N × M pieces. Thereafter, in the same manner as in the outgoing light splitting process of the present embodiment described above, the incident light splitting area and the outgoing light splitting area are made to correspond one-to-one, and the energy of the incident light splitting area and the energy of the corresponding outgoing light splitting area are matched. And the width and position of each of the outgoing light split regions are adjusted according to the increase / decrease in intensity (height). In this case, it is preferable to perform the above adjustment starting from an arbitrary position where the intensity is 0, or the position of the center of gravity.
この場合、図17(説明を簡略にするために断面形状にて表示)に示すように、求めた入射側非球面レンズの非球面形状の1次成分が0となるように形状補正を行うことが好ましい。この非球面形状の1次成分は、出射側非球面レンズの位置での光軸垂直方向の空間的なシフトを示すものであり、空間的な強度分布に影響しないためである。また、非球面レンズの高低差を小さくすることで、レンズ加工時間を短縮することが可能となる。 In this case, as shown in FIG. 17 (shown in cross-sectional shape for the sake of simplicity), the shape correction is performed so that the obtained first-order component of the aspheric shape of the incident-side aspheric lens becomes zero. Is preferred. This is because the aspherical primary component indicates a spatial shift in the direction perpendicular to the optical axis at the position of the exit-side aspheric lens and does not affect the spatial intensity distribution. In addition, the lens processing time can be shortened by reducing the height difference of the aspherical lens.
本発明の第1の実施形態のホモジナイザの設計方法及び製造方法に基づいて本実施例のホモジナイザ10を作製し、その特性評価を行った。 Based on the homogenizer design method and manufacturing method of the first embodiment of the present invention, the homogenizer 10 of the present example was fabricated and its characteristics were evaluated.
本実施例では、ホモジナイザ10を構成する一対の非球面レンズ11,12の材料としてCaF2(n=1.42)を使用し、一対の非球面レンズ11,12の中心位置における非球面11a,12aの間隔をL=165mmとして設計した。
(評価1)
In this embodiment, CaF 2 (n = 1.42) is used as the material of the pair of aspheric lenses 11 and 12 constituting the homogenizer 10, and the aspheric surfaces 11a and 11a at the center positions of the pair of aspheric lenses 11 and 12 are used. The distance of 12a was designed as L = 165 mm.
(Evaluation 1)
まず、入射側非球面レンズ11のみの特性評価を行った。本評価では、図18に示すように、反射鏡21を用いてコリメートレンズ4からの出力レーザ光を90度光路変更し、入射側非球面レンズ11に入射した。そして、入射側非球面レンズ11からの出射レーザ光の空間モード(強度分布)を、結像レンズ系31を介してビームプロファイラ32によって計測した。また、結像レンズ系31及びビームプロファイラ32によって、入射側非球面レンズ11への入射レーザ光の空間モード(強度分布)も計測した。これらの計測結果を図19に示す。 First, the characteristics of only the incident side aspheric lens 11 were evaluated. In this evaluation, as shown in FIG. 18, the output laser light from the collimating lens 4 was changed by 90 degrees using the reflecting mirror 21 and made incident on the incident-side aspherical lens 11. Then, the spatial mode (intensity distribution) of the laser beam emitted from the incident side aspherical lens 11 was measured by the beam profiler 32 via the imaging lens system 31. Further, the spatial mode (intensity distribution) of the incident laser light to the incident-side aspherical lens 11 was also measured by the imaging lens system 31 and the beam profiler 32. These measurement results are shown in FIG.
なお、本実施例では、上述したように、レーザ光源2から出射したレーザ光を空間フィルタ3及びコリメートレンズ4によって同心円状のガウシアン分布に整形した。これにより、本実施例では、上記したように、1次元解析(中心回転対称な強度分布)によりホモジナイザ10の設計を行った。 In the present embodiment, as described above, the laser light emitted from the laser light source 2 is shaped into a concentric Gaussian distribution by the spatial filter 3 and the collimating lens 4. Thereby, in the present Example, as above-mentioned, the homogenizer 10 was designed by the one-dimensional analysis (central rotation symmetrical intensity distribution).
図19(a)は、入射側非球面レンズ11への入射レーザ光の空間モード(強度分布)の計測結果であり、図19(b)〜(r)は、入射側非球面レンズ11からの出射レーザ光がそれぞれ10mm〜170mm伝搬した後の空間モード(強度分布)の計測結果である。これより、本実施例の入射側非球面レンズ11によれば、レンズ間隔設計値である165mm程度伝播後に、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布、すなわちスーパーガウシアン分布に整形できることが確認された。 FIG. 19A shows the measurement result of the spatial mode (intensity distribution) of the incident laser light to the incident-side aspherical lens 11, and FIGS. 19B to 19R are diagrams from the incident-side aspherical lens 11. It is a measurement result of the spatial mode (intensity distribution) after the emitted laser light has propagated by 10 mm to 170 mm, respectively. Thus, according to the incident-side aspherical lens 11 of this embodiment, the intensity distribution of the laser beam can be shaped into a spatially uniform intensity distribution, that is, a super Gaussian distribution after propagation of about 165 mm, which is a lens interval design value. confirmed.
また、図20に、入射側非球面レンズ11からの出射レーザ光が165mm伝播した後の強度分布の実測値と設計値との比較結果を示す。なお、図20には、入射側非球面レンズ11への入射レーザ光の強度分布の実測値も示す。これより、本実施例の入射側非球面レンズ11によれば、レンズ間隔設計値である165mm伝播後に、レーザ光の強度分布をほぼ設計通りに整形できることが確認された。
(評価2)
FIG. 20 shows a comparison result between the actually measured value and the design value of the intensity distribution after the laser beam emitted from the incident-side aspherical lens 11 has propagated 165 mm. FIG. 20 also shows actual measurement values of the intensity distribution of the incident laser beam applied to the incident-side aspherical lens 11. From this, according to the incident-side aspherical lens 11 of the present example, it was confirmed that the intensity distribution of the laser beam can be shaped almost as designed after propagation of 165 mm which is the lens interval design value.
(Evaluation 2)
次に、入射側非球面レンズ11及び出射側非球面レンズ12の特性評価、すなわち、ホモジナイザ10の特性評価を行った。本評価では、図21に示すように、反射鏡21を用いてコリメートレンズ4からの出力レーザ光を90度光路変更し、ホモジナイザ10に入射した。そして、ホモジナイザ10からの出射レーザ光を反射鏡22を用いて90度光路変更し、その空間モード(強度分布)を、結像レンズ系31を介してビームプロファイラ32によって計測した。この計測結果を図22に示す。 Next, the characteristics evaluation of the incident-side aspherical lens 11 and the emission-side aspherical lens 12, that is, the characteristics evaluation of the homogenizer 10 was performed. In this evaluation, as shown in FIG. 21, the output laser light from the collimating lens 4 was changed by 90 degrees using the reflecting mirror 21 and made incident on the homogenizer 10. Then, the optical path of the laser beam emitted from the homogenizer 10 was changed by 90 degrees using the reflecting mirror 22, and the spatial mode (intensity distribution) was measured by the beam profiler 32 via the imaging lens system 31. The measurement results are shown in FIG.
図22(a)は、本実施例のホモジナイザ10から出射直後の出射レーザ光の空間モード(強度分布)の計測結果であり、図22(b)〜(f)は、本実施例のホモジナイザ10からの出射レーザ光がそれぞれ10mm〜50mm伝搬した後の空間モード(強度分布)の計測結果である。これより、本実施例のホモジナイザ10によれば、入射側非球面レンズ11によって整形された強度分布を有するレーザ光が、出射側非球面レンズ12によって位相を揃え、平行光として出射することにより、10〜50mm伝搬した後もその強度分布を維持できることが確認された。 FIG. 22A shows the measurement result of the spatial mode (intensity distribution) of the emitted laser light immediately after emission from the homogenizer 10 of this embodiment, and FIGS. 22B to 22F show the homogenizer 10 of this embodiment. It is the measurement result of the spatial mode (intensity distribution) after the laser beam emitted from each propagates 10 mm to 50 mm. From this, according to the homogenizer 10 of the present embodiment, the laser light having the intensity distribution shaped by the incident-side aspherical lens 11 is aligned in phase by the emission-side aspherical lens 12, and emitted as parallel light. It was confirmed that the intensity distribution can be maintained even after propagating 10 to 50 mm.
1…光学装置、2…レーザ光源、3…空間フィルタ、4…コリメートレンズ、10…ホモジナイザ(レーザ光整形用光学部品)、11…一対の非球面レンズにおける入射側非球面レンズ、11a…非球面、11b…平面、12…一対の非球面レンズにおける出射側非球面レンズ、12a…非球面、12b…平面、21,22…反射鏡、31…結像レンズ系、32…ビームプロファイラ、A1-A7…入射光分割領域、B1-B7…出射光分割領域、Oi…入射レーザ光、Oo…出射レーザ光、P1-P8…光路、X…光軸。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical apparatus, 2 ... Laser light source, 3 ... Spatial filter, 4 ... Collimating lens, 10 ... Homogenizer (laser light shaping optical component), 11 ... Incident side aspherical lens in a pair of aspherical lenses, 11a ... Aspherical surface , 11b... Plane, 12... Exit side aspheric lens in a pair of aspheric lenses, 12a... Aspheric surface, 12b. ... incident light splitting region, B1-B7 ... outgoing light splitting region, Oi ... incident laser light, Oo ... outgoing laser light, P1-P8 ... optical path, X ... optical axis.
Claims (10)
前記入射レーザ光の強度分布を計測する入射光計測工程と、
前記一対の非球面レンズのうちの入射側非球面レンズにおいて、計測した前記入射レーザ光の強度分布を分布方向に分割して複数の入射光分割領域を求める入射光分割工程と、
前記一対の非球面レンズのうちの出射側非球面レンズにおいて、前記出射レーザ光の強度分布を分布方向に分割した複数の出射光分割領域であって、前記所望の強度分布に応じて前記複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域を求める出射光分割工程と、
前記入射側非球面レンズにおける前記複数の入射光分割領域の分布方向の位置と前記出射側非球面レンズにおける対応の前記複数の出射光分割領域の分布方向の位置とから光路を特定する光路特定工程と、
前記光路から前記一対の非球面レンズの形状を求める形状決定工程と、
を含む、レーザ光整形用光学部品の設計方法。 In a design method of an optical component for laser light shaping, which includes a pair of aspheric lenses and generates outgoing laser light in which the intensity distribution of incident laser light is shaped into a desired intensity distribution,
An incident light measurement step of measuring the intensity distribution of the incident laser light;
In the incident side aspherical lens of the pair of aspherical lenses, an incident light dividing step of dividing a measured intensity distribution of the incident laser light in a distribution direction to obtain a plurality of incident light dividing regions;
In the emission side aspherical lens of the pair of aspherical lenses, there are a plurality of emission light division regions obtained by dividing the intensity distribution of the emission laser light in a distribution direction, and the plurality of emission light splitting regions according to the desired intensity distribution An outgoing light splitting step for obtaining the plurality of outgoing light splitting regions by adjusting the height of each of the incident light splitting regions and adjusting the width and position in the distribution direction;
An optical path specifying step of specifying an optical path from a position in the distribution direction of the plurality of incident light split regions in the incident side aspheric lens and a position in the distribution direction of the corresponding plurality of output light split regions in the output side aspheric lens When,
A shape determining step for determining the shape of the pair of aspheric lenses from the optical path;
A method for designing an optical component for laser beam shaping.
請求項1に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。 In the outgoing light splitting step, the width and position of the plurality of incident light splitting regions in the distribution direction so that the energy of the plurality of incident light splitting regions is equal to the energy of the corresponding outgoing light splitting regions, respectively. To determine the plurality of outgoing light split regions,
The method for designing a laser beam shaping optical component according to claim 1.
前記入射側非球面レンズの形状を前記光路から求め、
前記出射側非球面レンズの形状を、前記光路から求めると共に、前記出射レーザ光の位相を揃えて前記出射レーザ光が平行光となるように求める、
請求項1に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。 In the shape determination step,
The shape of the incident side aspheric lens is determined from the optical path,
Obtaining the shape of the exit-side aspherical lens from the optical path and obtaining the exit laser light to be parallel light by aligning the phase of the exit laser light,
The method for designing a laser beam shaping optical component according to claim 1.
前記入射側非球面レンズの入射側の平面に垂直な主軸に対して前記光路がなす角度から、前記入射側非球面レンズの出射側の非球面に対する前記入射レーザ光の入射角を求め、
前記入射側非球面レンズの非球面に対する前記入射レーザ光の入射角から、前記入射側非球面レンズの非球面の高低差を求める、
請求項1又は3に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。 In the shape determination step, in each of the plurality of incident light division regions,
From the angle formed by the optical path with respect to the principal axis perpendicular to the incident-side plane of the incident-side aspheric lens, the incident angle of the incident laser light with respect to the aspheric surface on the exit side of the incident-side aspheric lens is determined,
From the incident angle of the incident laser light with respect to the aspheric surface of the incident side aspheric lens, the height difference of the aspheric surface of the incident side aspheric lens is obtained.
The method for designing a laser beam shaping optical component according to claim 1 or 3.
前記出射側非球面レンズの出射側の平面に垂直な主軸に対して前記光路がなす角度から、前記出射側非球面レンズの入射側の非球面に対する前記出射レーザ光の出射角を求め、
前記出射側非球面レンズの非球面に対する前記出射レーザ光の出射角から、前記出射側非球面レンズの非球面の高低差を求める、
請求項1又は3に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。 In the shape determination step, in each of the plurality of outgoing light division regions,
From the angle formed by the optical path with respect to the principal axis perpendicular to the plane on the exit side of the exit side aspheric lens, the exit angle of the exit laser beam with respect to the aspheric surface on the entrance side of the exit side aspheric lens is determined.
From the exit angle of the exit laser light with respect to the aspheric surface of the exit side aspheric lens, the height difference of the aspheric surface of the exit side aspheric lens is obtained.
The method for designing a laser beam shaping optical component according to claim 1 or 3.
前記形状決定工程では、前記入射側非球面レンズの形状を、前記光路及び計測した前記入射レーザ光の広がり角から求める、
請求項1に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。 In the incident light measurement step, further, the spread angle of the incident laser light is measured,
In the shape determination step, the shape of the incident-side aspheric lens is obtained from the optical path and the spread angle of the measured incident laser light.
The method for designing a laser beam shaping optical component according to claim 1.
請求項1に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。 In the shape determination step, the shape of the exit-side aspheric lens is obtained from a desired spread angle of the optical path and the exit laser beam.
The method for designing a laser beam shaping optical component according to claim 1.
前記入射側非球面レンズの入射側の平面に垂直な主軸に対して前記光路がなす角度、及び、計測した前記入射レーザ光の広がり角から、前記入射側非球面レンズの平面で前記入射レーザ光が屈折した屈折入射レーザ光であって、前記入射側非球面レンズの出射側の非球面に対する当該屈折入射レーザ光の入射角を求め、
前記入射側非球面レンズの非球面に対する前記屈折入射レーザ光の入射角から、前記入射側非球面レンズの非球面の高低差を求める、
請求項6に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。 In the shape determination step, in each of the plurality of incident light division regions,
From the angle formed by the optical path with respect to the principal axis perpendicular to the plane on the incident side of the incident side aspherical lens and the spread angle of the measured incident laser light, the incident laser beam is projected on the plane of the incident side aspherical lens. Is the refracted incident laser light refracted, and finds the incident angle of the refracted incident laser light with respect to the exit-side aspheric surface of the incident-side aspheric lens,
From the incident angle of the refractive incident laser light with respect to the aspherical surface of the incident-side aspherical lens, the height difference of the aspherical surface of the incident-side aspherical lens is obtained.
The design method of the optical component for laser beam shaping of Claim 6.
前記出射側非球面レンズの出射側の平面に垂直な主軸に対して前記光路がなす角度、及び、前記出射レーザ光の所望の広がり角から、前記出射側非球面レンズの入射側の非球面に対する前記光路の屈折角を求め、
前記出射側非球面レンズの非球面に対する前記光路の屈折角から、前記出射側非球面レンズの非球面の高低差を求める、
請求項7に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。 In the shape determination step, in each of the plurality of outgoing light division regions,
From the angle formed by the optical path with respect to the principal axis perpendicular to the plane of the exit side of the exit side aspheric lens and the desired spread angle of the exit laser beam, the exit side aspheric lens is in contact with the entrance side aspheric surface. Find the refraction angle of the optical path,
From the refraction angle of the optical path with respect to the aspheric surface of the exit side aspheric lens, obtain the height difference of the aspheric surface of the exit side aspheric lens,
The design method of the optical component for laser beam shaping of Claim 7.
前記入射レーザ光の強度分布を計測する入射光計測工程と、
前記一対の非球面レンズのうちの入射側非球面レンズにおいて、計測した前記入射レーザ光の強度分布を分布方向に分割して複数の入射光分割領域を求める入射光分割工程と、
前記一対の非球面レンズのうちの出射側非球面レンズにおいて、前記出射レーザ光の強度分布を分布方向に分割した複数の出射光分割領域であって、前記所望の強度分布に応じて前記複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域を求める出射光分割工程と、
前記入射側非球面レンズにおける前記複数の入射光分割領域の分布方向の位置と前記出射側非球面レンズにおける対応の前記複数の出射光分割領域の分布方向の位置とから光路を特定する光路特定工程と、
前記光路から前記一対の非球面レンズの形状を求める形状決定工程と、
求めた前記形状に基づいて前記一対の非球面レンズを成形する成形工程と、
を含む、レーザ光整形用光学部品の製造方法。 In a method for manufacturing an optical component for laser beam shaping, which includes a pair of aspheric lenses and generates emitted laser beam in which the intensity distribution of incident laser beam is shaped into a desired intensity distribution,
An incident light measurement step of measuring the intensity distribution of the incident laser light;
In the incident side aspherical lens of the pair of aspherical lenses, an incident light dividing step of dividing a measured intensity distribution of the incident laser light in a distribution direction to obtain a plurality of incident light dividing regions;
In the emission side aspherical lens of the pair of aspherical lenses, there are a plurality of emission light division regions obtained by dividing the intensity distribution of the emission laser light in a distribution direction, and the plurality of emission light splitting regions according to the desired intensity distribution An outgoing light splitting step for obtaining the plurality of outgoing light splitting regions by adjusting the height of each of the incident light splitting regions and adjusting the width and position in the distribution direction;
An optical path specifying step of specifying an optical path from a position in the distribution direction of the plurality of incident light split regions in the incident side aspheric lens and a position in the distribution direction of the corresponding plurality of output light split regions in the output side aspheric lens When,
A shape determining step for determining the shape of the pair of aspheric lenses from the optical path;
A molding step of molding the pair of aspheric lenses based on the obtained shape;
A method for manufacturing an optical component for laser beam shaping, comprising:
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