JP5907591B2

JP5907591B2 - ビームエクスパンダ

Info

Publication number: JP5907591B2
Application number: JP2011149713A
Authority: JP
Inventors: 清原　元輔; 元輔清原; 耕輔清原; 恭二成相
Original assignee: 株式会社清原光学
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: JP2013015742A

Description

本発明は、平行光の幅を広げるビームエクスパンダに関する。

従来のビームエクスパンダは、入射する平行光ビームの幅を広げて平行光ビームとして出射する装置であり、２枚のレンズによって構成されている（たとえば、特許文献１参照）。なお、この方式では、３次球面収差を制御できる。

特開２００９−１７００７４号公報

入射する平行光ビームの幅を広げて平行光ビームとして出射する場合、入射した平行光ビームのビーム径をさらに大きくするには、入射した平行光ビームを平行光ビームで出射するビームエクスパンダを２つ用意し、つまり、第１のビームエクスパンダと第２のビームエクスパンダとを用意し、第１のビームエクスパンダと第２のビームエクスパンダとを縦列接続する縦列接続型ビームエクスパンダが考えられる。

上記縦列接続型ビームエクスパンダでは、第１のビームエクスパンダのビーム径拡張率がたとえば２倍であり、第２のビームエクスパンダのビーム径拡張率がたとえば３倍であれば、上記縦列接続型ビームエクスパンダの全体として、２×３＝６倍のビーム径拡張率を得ることができる。

しかし、上記縦列接続型ビームエクスパンダは、本質的に３次球面収差の制御しかできないので、全長が比較的長いという問題がある。

本発明は、平行光ビームを入射し平行光ビームを出射するビームエクスパンダにおいて、入射した平行光ビームの直径に対する出射した平行光ビームの直径の比率であるビーム径拡張率を比較的大きくすることができ、しかも、３次と５次の球面収差を制御でき、これによって、ビームエクスパンダの全長を比較的短くすることができるビームエクスパンダを提供することを目的とする。

本発明は、平行光ビームを球面光ビームに変えるＰ−Ｓコンバータと、上記Ｐ−Ｓコンバータが出射した球面光ビームを平行光ビームに変えるＳ−Ｐコンバータとを有し、上記Ｐ−Ｓコンバータの仮想点光源位置と上記Ｓ−Ｐコンバータの仮想点光源位置とを一致させるように、上記Ｐ−Ｓコンバータに対して、上記Ｓ−Ｐコンバータの光軸上の位置が設定されているビームエクスパンダである。

本発明によれば、平行光ビームを入射し平行光ビームを出射するビームエクスパンダにおいて、入射した平行光ビームの直径に対する出射した平行光ビームの直径の比率であるビーム径拡張率を比較的大きくすることができ、しかも、ビームエクスパンダの全長を比較的短くすることができるという効果を奏する。

本発明の実施例１であるビームエクスパンダ１００を示す図である。本発明の実施例１であるビームエクスパンダ１００を構成するＰ−Ｓコンバータ１０を示す図である。本発明の実施例１であるビームエクスパンダ１００を構成するＳ−Ｐコンバータ２０を示す図である。

発明を実施するための形態は、以下の実施例である。

図１は、本発明の実施例１であるビームエクスパンダ１００を示す図である。

ビームエクスパンダ１００は、Ｐ−Ｓコンバータ１０と、Ｓ−Ｐコンバータ２０とを有し、Ｐ−Ｓコンバータ１０が平行光ビームＰ１を受け、球面光ビームＳ２を作り、球面光ビームＳ２をＳ−Ｐコンバータ２０が受けて平行光ビームＰ２を作る。つまり、Ｐ−Ｓコンバータ１０とＳ−Ｐコンバータ２０との間のビームは、球面光ビームＳ２である。

また、Ｐ−Ｓコンバータ１０の仮想点光源位置Ｏ１とＳ−Ｐコンバータ２０の仮想点光源位置Ｏ２とが一致するように、Ｐ−Ｓコンバータ１０に対して、Ｓ−Ｐコンバータ２０の光軸上の位置が設定されている。

なお、幅Ｄ１は、ビームエクスパンダ１００に入射した平行光ビームＰ１の幅であり、幅Ｄ２は、ビームエクスパンダ１００が出射した平行光ビームＰ２の幅である。

図２は、ビームエクスパンダ１００を構成するＰ−Ｓコンバータ１０を示す図である。

Ｐ−Ｓコンバータ１０は、第１の凹レンズＬ１と第１の凸レンズＬ２とを有し、最も簡単なビームコンバータである。第１の凹レンズＬ１は、平行光ビームＰ１を球面光ビームＳ１に変え、第１の凸レンズＬ２は、球面光ビームＳ１を球面光ビームＳ２に変える。

図３は、ビームエクスパンダ１００を構成するＳ−Ｐコンバータ２０を示す図である。

Ｓ−Ｐコンバータ２０は、第２の凹レンズＬ３と、第２の凸レンズＬ４とを有し、最も簡単なビームコンバータである。第２の凹レンズＬ３は、Ｐ−Ｓコンバータ１０が出射した球面光ビームＳ２を球面光ビームＳ３に変え、第２の凸レンズＬ４は、球面光ビームＳ３を、平行光ビームＰ２に変える。

ビームエクスパンダの長さＬＮ１は、ビームエクスパンダ１００の全長であり、レンズＬ１からレンズＬ４までの長さである。そして、球面光ビームＳ１の曲率半径は、点Ｏ１から点Ｑ１までの長さであり、点Ｑ１は、平行光ビームＰ１がレンズＬ１に入射する位置である。

次に、ビームエクスパンダ１００の動作について説明する。

Ｐ−Ｓコンバータ１０の仮想点光源位置Ｏ１は、球面光ビームＳ２の延長上にある（球面光ビームＳ２の交点にある）。また、Ｓ−Ｐコンバータ２０の仮想点光源位置Ｏ２を求める場合、図３に示す平行光ビームＰ２を、図３中、上から下に照射し（レンズＬ４から見て、レンズＬ３と反対側から照射し）、焦点を結ぶ位置が、Ｓ−Ｐコンバータ２０の仮想点光源位置Ｏ２である。

そして、Ｐ−Ｓコンバータ１０の仮想点光源位置Ｏ１とＳ−Ｐコンバータ２０の仮想点光源位置Ｏ２とを一致させるには、Ｐ−Ｓコンバータ１０の光軸上の位置を調整し、つまり、図１に示す状態で、Ｐ−Ｓコンバータ１０の入力側に平行光ビームＰ１を入力しているときに、Ｓ−Ｐコンバータ２０の位置を光軸上で移動した結果、レンズＬ４から出る光が平行光になれば、Ｐ−Ｓコンバータ１０の仮想点光源位置Ｏ１とＳ−Ｐコンバータ２０の仮想点光源位置Ｏ２とが一致した状態である。

また、ビームエクスパンダの長さＬＮ１は、どの次数の収差まで無視できるかによる。つまり、入力側の口径Ｄ１がたとえば、１００ｍｍであり、出力側の口径Ｄ２がたとえば、３００ｍｍ程度である場合、ビーム広がり角度（ビームエクスパンダ１００の端の光線が光軸となす角度）が０．１ラジアンであれば、３次の球面収差まで、無視することができる設計が可能である。入力側の口径Ｄ１がたとえば、１００ｍｍであり、出力側の口径Ｄ２がたとえば、３００ｍｍ程度である場合、ビーム広がり角度が０．２ラジアンであれば、５次の球面収差まで、無視することができる設計が可能である。

また、ビーム広がり角度が０．１ラジアンであれば、ビームエクスパンダの長さＬＮ１は、１５００ｍｍ必要であり、ビーム広がり角度が０．２ラジアンであれば、ビームエクスパンダの長さＬＮ１は、７４０ｍｍ必要である。

たとえば、直径１００ｍｍの平行入射ビームを、直径１５０ｍｍの平行光で出射させる場合、０．１ラジアンのビーム広がり角度であれば、ビームエクスパンダの長さＬＮ１として１５００ｍｍが必要である。

２要素のビームエクスパンダでは、２つのレンズのパワーとベンディングとの４つの自由度があるが、長さと倍率が２つのパワーを決める。その球面収差は、ベンディングがある値であるときに最小値を取るベンディングの２次関数である。したがって、大きい凸レンズの球面収差を最小にし、入射側の凹レンズのベンディングを調節して、３次球面収差を消す。この場合、５次収差＋高次収差を調節する自由度は残らない。

ビームエクスパンダ１００では、２要素からの出力ビーム（Ｐ−Ｓコンバータ１０の場合）、または入力ビーム（Ｓ−Ｐコンバータ２０の場合）に広がり角の自由度（平行ビームではないという自由度）を与えることによって、５次収差＋高次収差を調節する。この５次収差＋高次収差を、Ｐ−Ｓコンバータ１０とＳ−Ｐコンバータ２０とによって打ち消すようにするので、５次の球面収差までを無視できるようになり、広がり角を大きくすることができ、ビームエクスパンダの長さＬＮ１を短縮することができる。

上記実施例において、平行光ビームを球面光ビームに変えるＰ−Ｓコンバータ１０と、Ｐ−Ｓコンバータ１０が出射した球面光ビームを平行光ビームに変えるＳ−Ｐコンバータ２０とが設けられているので、入射した平行光ビームの直径に対する出射した平行光ビームの直径の比率であるビーム径拡張率を比較的大きくすることができ、しかも、ビームエクスパンダを２つ用意し、これら２つのビームエクスパンダを互いに縦列接続する縦列接続型ビームエクスパンダの全長よりも、ビームエクスパンダの全長を比較的短くすることができる。また、Ｐ−Ｓコンバータ１０の仮想点光源位置Ｏ１とＳ−Ｐコンバータ２０の仮想点光源位置Ｏ２とを互いに一致させるように、Ｐ−Ｓコンバータ１０に対して、Ｓ−Ｐコンバータ２０の光軸上の位置が設定されているので、ビームエクスパンダ１００に入射された平行光ビームを平行光ビームで出射することができる。

ビームエクスパンダ１００では、３次球面収差を補正している。つまり、Ｐ−Ｓコンバータ１０において、２つのレンズＬ１、Ｌ２のベンディングを調整する（焦点距離を変えずに曲率半径を変える）ことによって、３次収差を消している。

また、レンズＬ１とＬ２との間の光線の勾配（球面光ビームＳ１の勾配）と、Ｐ−Ｓコンバータ１０を出た後の光線の勾配（球面光ビームＳ２の勾配）との比を調整することによって、５次収差の値が決まる。なお、上記比と５次収差との関係を計算で求めることができる。一方、Ｓ−Ｐコンバータ２０において、２つのレンズＬ３、Ｌ４のベンディングを調整することによって、３次収差を消している。また、レンズＬ３とＬ４との間の光線の勾配（球面光ビームＳ３の勾配）と、Ｓ−Ｐコンバータ２０に入る前の光線の勾配（球面光ビームＳ２の勾配）との比を調整することによって、５次収差の値が決まる。

そこで、Ｐ−Ｓコンバータ１０の残存高次収差と、Ｓ−Ｐコンバータ２０の残存高次収差とが打ち消し合うように、Ｐ−Ｓコンバータ１０とＳ−Ｐコンバータ２０との間の勾配を選ぶと、５次収差まで消えたビームエクスパンダ１００ができる。つまり、＋の残存５次収差と、−の残存５次収差とを組み合わせれば、＋の残存５次収差と−の残存５次収差とが互いに打ち消し合い、残存５次収差が少なくなり、この組み合わせが適切であれば、残存５次収差が０になる。実際には残存５次収差を僅かに残し、７次収差と合わせた残存収差が少なくなるようにする。

ここで、コマ（光が斜めに入射されたときにおける収差）および高次のコマ（光線追跡を使ったメリット関数による収差）については、ＰＳコンバータ１０とＳＰコンバータ２０のそれぞれで消すことはせずに、組み合わせた状態で＋のコマ収差と−のコマ収差とを組み合わせれば、互いに打ち消し合う。このときに、高次のコマ収差ほどよく打ち消し合うようにして、３次のコマ収差は僅かに残す。

このようにして、球面収差が５次程度まで消え、コマ収差もある程度消えたビームエクスパンダを得ることができる。

ビームエクスパンダ１００は、高次収差まで補正されているので、このようなことを考慮しないで設計されたビームエクスパンダに比べて、全長を短くすることができる。つまり、ビームエクスパンダに使用するレンズを４枚に増やし、収差の打ち消しによって、ＰＳコンバータ１０とＳＰコンバータ２０内部で３次次収差を消去し、収差の打ち消しによって、全体の５次収差を消去する。また、（ビームエクスパンダ１００の口径）／（ビームエクスパンダ１００の全長）が０．２以下であれば、ビームエクスパンダ１００の口径が５００ｍｍ程度でも、波面収差を全面に亘って、０．０１波長以下に抑えることができる。

ビームエクスパンダ１００において、Ｐ−Ｓコンバータ１０、Ｓ−Ｐコンバータ２０のそれぞれが、ダブレット、つまり、２枚のレンズからなる複合レンズである。

この間に、タブレットのＳ−Ｓコンバータを挿入し、トリプレットコンバータ型のビームエクスパンダを作ることもできる。これによって、Ｐ−Ｓ、Ｓ−Ｓ、Ｓ−Ｐとなる。コンバータ間の接合に１つ自由度があるので、トリプルコンバータ型では２つの自由度が生じる。これを使うと５次と７次の球面収差を消すことができて、残存収差は９次以上になる。

上記実施例において、７次球面収差まで補正すると、実験的には、ビームエクスパンダ１００の全長ＬＮ１を、出射ビーム径（Ｄ２）の約２倍まで短くすることができた。

ビームエクスパンダ１００において、Ｐ−Ｓコンバータ１０の仮想点光源位置Ｏ１とＳ−Ｐコンバータ２０の仮想点光源位置Ｏ２とを一致させるように、Ｐ−Ｓコンバータ１０に対して、Ｓ−Ｐコンバータ２０の光軸上の位置が設定されているので、ビームエクスパンダ１００の全長ＬＮ１を、従来例のビームエクスパンダの全長よりも短くすることができる。

また、ビームエクスパンダ１００の長さＬＮ１と、球面光ビームＳ１（Ｐ−Ｓコンバータ１０を構成するレンズ間の球面光ビーム）の曲率半径との比を選択することによって、高次収差を補正することができる。逆に言えば、高次収差を補正することができるように、ビームエクスパンダ１００の長さＬＮ１と、球面光ビームＳ１の曲率半径との比が選択されている。

１００…ビームエクスパンダ、
１０…Ｐ−Ｓコンバータ、
２０…Ｓ−Ｐコンバータ、
Ｐ１、Ｐ２…平行光ビーム、
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…球面光ビーム、
ＬＮ１…ビームエクスパンダの長さ、
Ｏ１…Ｐ−Ｓコンバータ１０の仮想点光源位置、
Ｏ２…Ｓ−Ｐコンバータ２０の仮想点光源位置。

Claims

平行光ビームを球面光ビームに変えるＰ−Ｓコンバータと；
上記Ｐ−Ｓコンバータが出射した球面光ビームを平行光ビームに変えるＳ−Ｐコンバータと；
を有し、上記Ｐ−Ｓコンバータの仮想点光源位置と上記Ｓ−Ｐコンバータの仮想点光源位置とを一致させるように、上記Ｐ−Ｓコンバータに対して、上記Ｓ−Ｐコンバータの光軸上の位置が設定され、上記Ｐ−Ｓコンバータを構成するレンズの焦点距離を変えずに曲率半径を変えることによって、３次収差を消し、また、上記Ｓ−Ｐコンバータを構成するレンズの焦点距離を変えずに曲率半径を変えることによって、３次収差を消していることを特徴とするビームエクスパンダ。