JPH04145412A - 集光装置 - Google Patents

集光装置

Info

Publication number
JPH04145412A
JPH04145412A JP26863090A JP26863090A JPH04145412A JP H04145412 A JPH04145412 A JP H04145412A JP 26863090 A JP26863090 A JP 26863090A JP 26863090 A JP26863090 A JP 26863090A JP H04145412 A JPH04145412 A JP H04145412A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
lens
optical element
annular
convex lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP26863090A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH0827436B2 (ja
Inventor
Tatsuhiko Hidaka
日高 建彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP26863090A priority Critical patent/JPH0827436B2/ja
Publication of JPH04145412A publication Critical patent/JPH04145412A/ja
Publication of JPH0827436B2 publication Critical patent/JPH0827436B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野1 本発明は集光装置に関し、特に主にレーザ光を利用する
いろいろな産業、医療分野に適用可能で、レーザから放
圧された、比較的幅の広い平行光を極めて鋭い、針状の
光ビーム(非回折光と称する)に変換し、なおかつ、か
なり長距離までそのままの状態に保つ集光装置に関する
[従来の技術1 従来から、レーザ光は、極めて狭い空間に対するエネル
ギ集中能力があるので、いわゆるレーザ加工(レーザメ
ス等、医療への応用も含む)において広く使われるよう
になっている。一般に、レーザ本体からの出力光は単位
体積当りのエネルギ密度に限界があるので、ある程度の
太さをもった平行光となっている。この様な広がりをも
ったレーザ光を実際に加工に応用するには、レンズある
いは金属球面鏡を使って集光しなければならなかった。
ところで、そのようなレンズ等を使うとエネルギが集中
される空間が極めて制限される。第5図にその様子を示
す。第5図において、レンズLの直径をD、焦点距離を
f、波長をえとすると、絞り込まれた焦点位置でのビー
ムの太さ(全幅)Wは W=λF となり、また、これとほぼ同じ太さのビーム径をもつ進
行方向の距離β(p!、はエネルギ密度が1/2に低下
する集光される範囲)は β;λF2 の程度である。ここでFばF=f/dである。すなわち
、進行方向にρ程度の範囲内でしかエネルギが集中され
ない。具体的には、波長1μm 、 F=lOのレンズ
を使うと、ρ=100μmとなる。このような事情はレ
ーザ光の実際の応用において大きな制約となる。なぜな
ら、この範囲内にレンズと加工対象物の距離を精密に保
たねばならないからである。これはとくに医療(例えば
、レーザメス)応用において問題となる。すなわち、人
体は弾力性に冨んでいるので、変形しやすく、100μ
mの範囲内でレンズと加工対象物を常に精密に固定する
のは至難の技であるからである。
そこで最近、上に述べたような困難性を解決し得る新し
い技術が提案された。この技術は一般に非回折光発生技
術と称されている(参考文献1:上原喜代冶: “非回
折性レーザービーム”、応用物理 第59巻、pp74
6−750(1990) )。
この新しい技術を使うと、原理的には、無限に細い針状
の光を無限の距離まで伝送することが可能であり、現在
の技術における問題点は解決する。このような、無限に
細い針状の光を非回折光と呼んでいる。非回折光生成の
原理は説明を簡略化するため、ここでは省略する(参考
文献lを参照のこと)。実際上は、無限に細いビーム光
を作ることは不可能であるが、実用上充分な細いビーム
光を充分距離の範囲で作成可能になった。
[発明が解決しようとする課題1 しかしながら、上述した従来の非回折光利用技術にはま
だ解決すべき課題が残っている。すなわち、現在まで公
表されている非回折光を形成する集光装置には、例えば
第6図のようなものがある。ここで、Lは焦点距離fを
持つ凸レンズ、Sは直径d、はばδを持つ円環状スリッ
ト、Bは生成された極めて細い非回折光である。
このように、従来技術は、ある太さをもった平す光のご
く一部を円環状のスリットによって切取り、そこから放
射されるごく僅かな光を利用する第1の方法(参考文献
2 : J、Durnin、 J、J。
Miceki、Jr、、 & J、H,Eberly:
 ”Diffraction−FreeBeams 、
 Physical Review Letters、
 Vol、5g。
pp1499−1501 (1987)、 ) 、ある
いけもとのレーザ自体の共振器を円環状にして、そのレ
ーザ自身が放射する光を利用する第2の方法などであっ
た(参考文献3 : K、Uehara、 & H,K
ikuchi:+Generation of Nea
rly Diffraction−FreeLaser
 Beams″Applied Physics、 V
ol、84g。
pp125−129 (1989)、および前記参考文
献1を参照)。
しかし、上記の第1の方法ではレーザ光のエネルギのご
く一部分しか利用されない。また、第2の方法でもレー
ザ光のかなりの部分を無駄にしてしまうという重大な解
決すべき課題があった。
本発明の目的は、上述の点に鑑み、入射光のエネルギを
無駄にしないで、比較的幅の広い平行入射光を極めて鋭
い、針状の光ビームに変換し、なおかつ、かなりの長距
離までそのままの状態に保つことが可能な集光装置を提
供することにある。
[課題を解決するための手段] かかる目的を達成するため、本発明は、非回折光を生成
する集光装置であって、平行光線を受光して、所定距離
離れた位置で円環状に焦点を結ぶ第1の光学素子と、該
第1の光学素子の8射光を受光して、非回折光を生成す
る第2の光学素子とを具備することを特徴とする。
また、本発明はその一形態として、前記第1の光学素子
は、ある凸レンズをその外縁部の一点を中心に回転させ
たような断面形状を有する光学レンズであることを特徴
とする。
また、本発明は他の形態として、前記第1の光学素子は
、その外縁部とその中心が密で、該外縁部と該中心の中
間位置が最も粗、どなるように形成されたフレネルゾー
ンプレートであることを特徴とする。
[作 用1 本発明では、上記構成により非回折光を生成するために
従来提案されていた極めて細い円環状のスリットを使う
必要がなくなり、エネルギ効率が飛躍的に改善される。
また、レーザ本体に何等の加工(レーザ共振器を円環状
の共振器に換える、等)をする必要も無くなる。
[実施例1 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
■!上1里旦 上述のように、従来では、第6図に示すように、非回折
光を生成するには、あたかも円環状の無限に細い光源か
ら放射されるような拡散光と、それを平行光に屈折させ
る凸レンズLが必要であった。そして、そのような光を
極めて細い円環状のスリットSで作っていた。
これに対して、本発明の第1実施例では第1図に示す構
成により針状の光ビームを得る。第1図において、Ll
は口径がD/2、焦点距離ででその外縁部(0点)を回
転軸として360℃回転させた特殊形状の凸レンズであ
り、L2は焦点距離f′を持つ・別の普通の形状の凸レ
ンズであり、Bはこれらのレンズにより生成された非回
折光である。
! すなわち、上記の凸レンズL1はある特殊な断面形
状を持つ凸レンズである。その凸レンズL、は凸部の中
心がa、 a’ であり、焦点距離fを持ち、さらにC
(凸レンズの外縁部)を中心軸として回転させた、真ん
中が凹んでいる、アンパンのような形状のレンズである
。このようなレンズL、に入射する平行光はfの位置e
、e’で直径D/2の円環状に集光されることは明白で
ある。このようにして、光エネルギの利用率の極めて悪
い細い円環状のスリット(第6図参照)を使ったのと同
等の円環状の光源を形成8来、かつこのようなレンズL
1はエネルギ効率100%であることも明白である。よ
って、本実施例ではこのようなレンズを使って、非回折
光を効率よ(生成できる。
殴見呈叉1旦 第2図は本発明の第2実施例の構成を示す0本実施例は
いわゆるフレネルゾーンプレートを使って、上述のレン
ズL1と同じ作用効果を得るものである。
第2図において、zPは軸はずしフレネルゾーンプレー
トであって、外径りを持つ平行光はフレネルゾーンプレ
ートZPによって円環状の焦点eに結像する。フレネル
ゾーンプレートzPはC軸に関して軸対称であるので、
集光される光は直径dをもつ円環状となる。L2はf′
をもつ普通の形状の凸レンズである。
すなわち、このフレネルゾーンプレートZPは軸Cに関
して回転対象であり、ある任意の直径で切断したとき、
第2図のように、上半分はe点に集光され、下半分はe
′点に集光される。そのようなフレネルゾーンプレート
ZPは以下の様にして作成される。まず、第2図のよう
にz、 r座標を指定する。円環状の焦点のz、 r座
標軸上の位置をf、 d/2とする。フレネルゾーンプ
レートzP上で平行光が透過すべき部分は、中心; r
o=d/2を透過部分として、 [57777丁” −f]/λ− Int([、rz−7F石下” −f]/ λ )≦0
.5である。ここで、Int  ()は()内を整数化
(少数点以下切捨て)する演算を示す。この条件を満た
す範囲を透過的にし、それ以外の領域を遮断的にする。
実際はこれがさらにC軸を中心として軸対象となる。こ
のようなフレネルゾーンプレートzPを使って入射平行
光を距離fのところで直径dの円環に集光出来る。従っ
て、これらのフレネルゾーンプレートzP、あるいは第
1図で示したようなレンズし、を使えば第6図での円環
状スリットを使ったのと同じ光源が得られ、かつ平行光
の利用率を円環状スリットよりもはるかに高くすること
が出来る。
1夫並立 次に、第2図の構成で実施した具体的な実験例を示す。
使用したレーザは633nmの波長の光ビームを発振出
力するHe−Neレーザであり、その平行出射光の外径
は2mmであった。試作したフレネルゾーンプレートz
pはd=1mm 、 f=4mm 、外径D=1.5m
mである。そのフレネルゾーンプレートzPの顕微鏡写
真の一部を模写したものを第3図(A)〜(D)に示す
。このフレネルゾーンプレートZPの後方に別の、焦点
距離f′=lOmmの凸レンズL2を配置し、第6図と
同じ構成にし、生成されているであろう非回折光Bを顕
微鏡およびCCDカメラを用いて観察した。その結果を
第4図に示す。第4図のスポットはレンズL2の後端か
ら50mm離れた位置での、生成された非回折光Bの像
パターンである。
このときの非回折光Bの外径(口径)は約lOμmであ
った。この値は理論的に予測される値とばぼ一致した。
それゆえ、実際に非回折光Bが生成されている事が確認
された。
[発明の効果1 以上説明したように、本発明によれば、通常の構造のレ
ーザから放射される平行光を効率よく極めて細い針状の
ビームに変換できる。それゆえ、現在普通に使われてい
る、凸レンズを一組使った従来の集光装置に比べて、レ
ンズと加工対象物との距離の関係の制約が格段にゆるく
なり、実用上の効果は極めて大きい、また、円環状のス
リットを使った従来の集光装置に比べてレーザ光を無駄
にすることなく、さらに高強度の光ビームが得られる効
果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例の集光装置の構成例を示す
構成図、 第2図は本発明の第2実施例の集光装置の構成例を示す
構成図、 第3図(A1−(C1は第2図のフレネルゾーンプレー
トの拡大率を変えた顕微鏡写真の一部を模写した模写図
、同図(D)は参考のためのスケールを示す図、 第4図は第2図の構成で実施した実験側で得られた非回
折光の一例を示す模写図、 第5図は従来の一般的な集光装置の構成例を示す構成図
、 第6図は従来の改良された集光装置の構成例を示す構成
図である。 Ll・・・中央部が凹んで外縁部と中央部の間が環状の
凸状になっている特殊形状の凸レンズ、 L2・・・中央部が最大の肉厚となっている普通の形状
の凸レンズ、 ZP・・・上記凸レンズL1と同様の機能を有するフレ
ネルゾーンプレート、 B・・・非回折光、 e、e・・・円環状の焦点。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)非回折光を生成する集光装置であつて、平行光線を
    受光して、所定距離離れた位置で円環状に焦点を結ぶ第
    1の光学素子と、 該第1の光学素子の出射光を受光して、非回折光を生成
    する第2の光学素子と を具備することを特徴とする集光装置。 2)前記第1の光学素子は、ある凸レンズをその外縁部
    の一点を中心に回転させたような断面形状を有する光学
    レンズであることを特徴とする請求項1に記載の集光装
    置。 3)前記第1の光学素子は、その外縁部とその中心が密
    で、該外縁部と該中心の中間位置が最も粗となるように
    形成されたフレネルゾーンプレートであることを特徴と
    する請求項1に記載の集光装置。
JP26863090A 1990-10-05 1990-10-05 集光装置 Expired - Lifetime JPH0827436B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP26863090A JPH0827436B2 (ja) 1990-10-05 1990-10-05 集光装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP26863090A JPH0827436B2 (ja) 1990-10-05 1990-10-05 集光装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH04145412A true JPH04145412A (ja) 1992-05-19
JPH0827436B2 JPH0827436B2 (ja) 1996-03-21

Family

ID=17461219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP26863090A Expired - Lifetime JPH0827436B2 (ja) 1990-10-05 1990-10-05 集光装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0827436B2 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5963359A (en) * 1995-01-31 1999-10-05 Oki Electric Industry Co., Ltd. Wavelength conversion device employing non-diffracting beam
WO2012161332A1 (ja) * 2011-05-24 2012-11-29 日本電気株式会社 集光型太陽光発電装置
CN102981275A (zh) * 2012-10-30 2013-03-20 泉州师范学院 一种产生近似无衍射线结构光的光学系统
CN105676423A (zh) * 2016-01-25 2016-06-15 武汉华工激光工程有限责任公司 一种透镜组件及得到无衍射光束的方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006313213A (ja) * 2005-05-09 2006-11-16 Olympus Corp 照明用光学系及び顕微鏡照明装置

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5963359A (en) * 1995-01-31 1999-10-05 Oki Electric Industry Co., Ltd. Wavelength conversion device employing non-diffracting beam
WO2012161332A1 (ja) * 2011-05-24 2012-11-29 日本電気株式会社 集光型太陽光発電装置
JPWO2012161332A1 (ja) * 2011-05-24 2014-07-31 日本電気株式会社 集光型太陽光発電装置
CN102981275A (zh) * 2012-10-30 2013-03-20 泉州师范学院 一种产生近似无衍射线结构光的光学系统
CN105676423A (zh) * 2016-01-25 2016-06-15 武汉华工激光工程有限责任公司 一种透镜组件及得到无衍射光束的方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0827436B2 (ja) 1996-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI273288B (en) Multipoint lump homogenizing optical system
JPH0412039B2 (ja)
EP0476931B1 (en) Phase shift device and laser apparatus utilizing the same
JPH0764003A (ja) 走査光学系
US5285320A (en) Mirror for changing the geometrical form of a light beam
CN109590606A (zh) 一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法
JPH04145412A (ja) 集光装置
JPS6221223A (ja) 軟x線用投影結像装置
JPH10282450A (ja) バイナリーオプティクス及びそれを用いたレーザ加工装置
JPS5949514A (ja) 環状照明装置
JP2924142B2 (ja) レーザ装置
US4964704A (en) Optical system for use of a laser processing machine
JPS63188115A (ja) ビ−ム整形光学系
JP2002283085A (ja) レーザ装置
EP0236521B1 (en) Reflection type optical device
JPS6368288A (ja) 線状ビ−ム取出装置
JP2001009580A (ja) レーザ光集光装置
JPH10197709A (ja) バイナリーオプティクス及びそれを用いたレーザ加工装置
JPH0569172A (ja) レーザー加工用マスク照射装置
JP2605796B2 (ja) 光束整形装置
KR20080072785A (ko) 원통형 빔 발생장치
CN109839683A (zh) 一种无衍射贝塞尔光束非球面透镜
JPH10227993A (ja) ベッセルビーム発生方法及びそれを用いた光走査装置
JPH10135571A (ja) 半導体レーザの集光光学系
JPH0239019A (ja) 光源装置

Legal Events

Date Code Title Description
EXPY Cancellation because of completion of term