JPH0421845B2

JPH0421845B2 -

Info

Publication number: JPH0421845B2
Application number: JP57210912A
Authority: JP
Inventors: Akyoshi Suzuki; Hideki Ine; Kazuo Takahashi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1982-12-01
Filing date: 1982-12-01
Publication date: 1992-04-14
Also published as: US4621890A; JPS59101619A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、光学装置特にレーザー等の指向性の
良い光源を外乱の影響に関わり無く効率的に一般
光学系の中に導く光学装置に関する。

近年レーザーは、測定機及び加工機等、種々
様々の機器に用いられ欠くことのできない素子と
しての地位を築くに至つている。レーザーの持つ
特異性は高輝度性、単色性、指向性の良さであ
る。ところでこの特異性の一つである指向性の良
さは逆にレーザーの設定位置に対する精度、経時
変化等について厳しい要求をもたらすことが通例
であり、この要求に充分応えるようにしなければ
ならない。

光学系、例えばレーザー光を集光させる光学系
において、光学系とレーザーを近接して配置でき
ない場合がある。このとき一般にレーザーを載置
する台と光学系とはミラー系等の光学系で互いに
結ばれるが離れている為、この両者が同期せずに
振動して射出角が変化する可能性が考えられる。
またレーザーの発振位置の安定性が悪く、経時変
化が射出角について発生する可能性も考えられ
る。

いま第１図に示す様にレーザー１が光学系２に
よつて物体３の上に集光されているとする。この
時レーザー１が理想的に光軸に対して平行に射出
口７より光１０を射出するとして、光学系３の前
にそのビーム径と同じピンホール４を配置する必
要があるとする。

この時、振動またはレーザーの経時変化で射出
角がずれたとすると、レーザー光１１はピンホー
ル４の開口からずれて物体３の上に集光されなく
なる。数値例として、レーザー１としてHe−Ne
レーザー５ｍＷ、レーザー１とピンホール４との
距離を1600mmとする。５ｍＷレーザーのビーム径
は0.81mmよりピンホール径を0.81とすると
1600tanθ＝0.81θ＝1.74より射出角が約２分ずれ
ただけで光は完全にピンホール４を通過しなくな
る。

本発明は前述の様にレーザーが光学系から離れ
て置かれて、振動あるいはレーザーの経時変化に
より射出角がずれた場合においてもピンホールに
よつてけられることなく、光を物体に集光するこ
とを保証する光学装置を提供することを目的とす
る。本発明によれば従来、射出角のずれを考慮し
てレーザーを光学系のすぐそばに置かざるを得な
かつたものを光学系と離して置くことが可能とな
る。

更に本発明に従えばｍradの単位で広がり、長
距離伝播するとその径の変化が無視できなくなる
レーザーのビーム形状を再び細く変換する事も、
又可能となる。

上述の目的を達成するため本発明では、アフオ
ーカル光学系で、平行光束を射出するレーザの光
射出位置と所定の光学系の瞳位置を共役関係とす
ることを特徴とする。ところで光源像を所定光学
系の瞳位置に形成させることはケーラー照明とし
て知られているが、これは指向性の無い発散光源
に対してのみ適用されるものであり、レーザー等
の指向性の良い光源に対しては、一般にケーラー
照明という概念が成立せず、ケーラー照明は不要
である。すなわち、本発明はレーザー光源を用い
てケーラー照明を行なうという概念とは本質的に
全く異なるものである。

最初に本発明の基礎となるアフオーカルコンバ
ーターを説明する。まず第２図ａで示す様にレー
ザー１とピンホール４との距離の1/4の値の焦点
距離の二枚の薄肉レンズ５，６を考える。レンズ
５の前側焦点位置をレーザー１の射出口７と、レ
ンズ６の後側焦点位置をピンホール４の位置と一
致する様配置する。この時レンズ５，６の焦点距
離はレーザー１とピンホール４との距離の1/4の
為レンズ５の後側焦点とレンズ６の前側焦点はレ
ーザー１とピンホール４との中間の位置８で一致
する。この時レンズ５，６は平行光束を入射する
と平行光束を射出する等倍のアフオーカルコンバ
ーター（第１光学系）も構成している。従つて、
光学系２（第２光学系）には平行光束が入射す
る。

この時第２図ｂに示す様にレーザー１の射出口
７とピンホール４とは結像関係にある。このこと
によりレーザーの射出角が第３図に示す様に光軸
に平行な状態からずれてもピンホール４を通過し
て物体３上に光学系２により集光される。以上の
アフオーカルコンバーターを使うことによりレー
ザー光が射出する位置が動かない様な振動も補償
されレーザ光はピンホールによつてけられること
なく物体３上に集光可能となる。又、レーザー１
の射出口７とピンホール４との結像（共役）関係
をアフオーカル光学系を用いて形成し、光学系２
へ平行光束を入射させている為、振動によつて光
学系２とアフオーカル光学系との間隔が変化して
も光学系２の光学特性を劣化させることがない。

なお、レンズ５，６を薄肉レンズとして説明し
たが、厚肉レンズでもレンズ５の前側焦点とレー
ザー射出口７が一致し、レンズ６の後側焦点とピ
ンホール４とが一致し、且つレンズ５の後側焦点
とレンズ６の前側焦点と一致するようにすれば良
い。

なお、光学系がレーザーと相対的に移動する場
合にも本発明を用いればレーザーの射出口の位置
がアフオーカルコンバーターにより空間的に別の
位置に結像するので、都合が良い。すなわち、光
学系のピンホールをレーザーの射出口の像近傍に
置けば、レーザーの射出角の変化に影響を受けな
い。また光学系が移動した場合でも相対的にピン
ホールとレーザーが近づいたことに相当するの
で、ピンホールによるけられがおこりにくくな
る。

レーザービームの射出角のずれる最大角を△
θ、ビーム径をｘ、ピンホールの径をｙとすれ
ば、レーザーの射出口のアフオーカルコンバータ
ーによる像とピンホールとをずらすことができる
最大値は、ピンホールの基準位置を像の位置と一
致させた場合、（ｙ−ｘ）／2tan△θである。例
えばｘ＝0.81mm、ｙ＝１mm、△θ＝10′で±32.7mm
という値が得られる。

アフオーカルコンバーターを用いず第１図のよ
うにレーザーから直接ピンホールに入れるとする
と△θにピンホール迄の距離がかかり、射出角の
高度の安定性が要求されることになつてしまう。

前記実施例中単レンズ５，６でアフオーカルコ
ンバーターを構成したが単レンズ５，６をそれぞ
れ複数枚のレンズで構成してもレーザーの射出口
とピンホールとの結像関係を保つたアフオーカル
コンバーターとすることによつて何ら違いはな
い。

またレーザーとピンホールの1/4の焦点距離を
持つた光学系によるアフオーカルコンバーターだ
けでなくそれ以外のレーザーの射出口とピンホー
ルとが結像関係となるアフオーカルコンバーター
を使用することによつて物体３に集光することは
保証される。ここでビーム径ａの平行光で入射し
たビームがビーム径ｂの平行光として出射するア
フオーカルコンバーターをｂ／ａ＝βとすれば、「β 倍のアフオーカルコンバーター」と呼ぶとする。
この時に平行光ではあるが光軸に対して△θなる
角度で入射した光は、アフオーカルコンバーター
を通過後、△θ／βなる角度で射出することが知られている。

第２図ａ，ｂ及び第３図で説明したのは光学系
５，６の焦点距離の等しいβ＝１の等倍のアフオ
ーカルコンバーターであるが、βは必ずしも１に
限る必然性はない。

通常アフオーカルコンバーターはmradのオー
ダーで広がつていくレーザービームの伝播形状を
変換するのに良く用いられる。例えば2mradの広
がりを持つレーザーに10倍のアフオーカルコンバ
ーターをセツトする場合を考える。この時ビーム
径は10倍となるが、伝播の広がり角は0.2mradと
なり、ビームの深度が増大する。従来のアフオー
カルコンバーターでは、こうした伝播角の広がり
の減少と共にビーム径の太くなる事で、ピンホー
ルに対するずれが相対的に小さくなる事を利用し
てレーザー光源のセツトに対する制約を緩和して
いた。

上記のようにアフオーカルコンバーターの作用
に加えてレーザーの射出口とピンホールの結像関
係を付け加えれば、レーザーのセツテインング誤
差の影響及び振動に対する感度は両者共ますます
小さくなり都合が良い。

次に第４図を用いて1/β倍とβ倍の２つのアフ
オーカルコンバーターを使う場合を考えてみる。
光学系２１の後側焦点と光学系２２の後側焦点を
一致させた1/β倍のアフオーカルコンバーター３
１と光学系２３の後側焦点と光学系２４の前側焦
点を一致させたβ倍のアフオーカルコンバーター
３２の２つのアフオーカルコンバーターでレーザ
ー１の射出口７とピンホール４とを結像関係とす
ることとする。ここでピンホールではなく、物体
面の結像について考える。

レーザーの射出角が変動するのに伴ない、光学
系２で集光された物体３上でのスポツトの位置も
変化する。ピンホール４を射出する角度が光軸に
対して△θとし、光学系２の焦点距離をｆとすれ
ば、光軸に対して平行で射出している場合（△θ
＝０）の光学系２により物体３上に集光されるス
ポツトの位置からのずれ量は一般にはftan△θ、
（ｆ−θレンズではｆ△θ）である。

この集光位置のずれは、射出角の変化がレーザ
ーの経時変化が原因の場合には補正を行なうこと
ができない。しかしながら、レーザー１と光学系
３との振動モードが異なる為にレーザーの射出角
がずれ、集光位置がずれる場合には、２つのコン
バーターの組合せは効果を発揮する。第４図で示
したアフオーカルコンバーター３１をレーザー１
と同一の振動を受ける位置に配置し、アフオーカ
ルコンバーター３２と光学系２をやはり同一の振
動を受ける位置に置く。

この結果、光学系２で結像されるビームのずれ
量を少なくすることができる。

以下、これを説明する。いまβ＞１として1/β
倍のアフオーカルコンバーター３１とβ倍のアフ
オーカルコンバーター３２によりルーザーの射出
口７とピンホール４を結像関係に置く。ここでレ
ーザー１が振動してもアフオーカルコンバーター
３１も同期して振動する為、アフオーカルコンバ
ーター３１を出た光は振動による変化分△θだけ
の変化をする。すなわち、レーザーと３１との相
対関係が変化しないのでビームはコンバーターの
角度増幅の影響を受けず、射出したビームは初期
状態より△θだけ傾きをもつてβ倍のアフオーカ
ルコンバーター３２に入る。

この結果、アフオーカルコンバーター３２を射
出する場合は△θ／βとなり、前述の第３図の実施例の場合と比べ1/β倍の小さい角度変化となる。
これを光学系２を用いて物体面に集光すると初期
状態からのずれ量はftan△θ／βとなり、ずれ量も約1/β倍小さくなる。

次に本発明の一実施例を第５図及び第６図を用
いて説明する。本発明は、先に説明したアフオー
カルコンバーターに改良を加えたものであり、以
下、３枚以上のレンズを使うことにより、１枚の
レンズの焦点距離を変るだけでアフオーカルコン
バーターとしての状態を変化させずにレーザーの
射出口とピンホールを距離を変えて共役関係に維
持できる光学系を説明する。

第５図において、レンズ４１，４２，４３は各
各正、負、正のパワーをもつ例をあげてある。

またこれらを薄肉化したものを第６図に示す。

第６図に示されるようにレンズ４１の後側焦点
とレンズ４３の前側焦点とは一致し、この一致す
る位置にレンズ４２を配置する。

レンズ４１へ入射する平行光５１は、レンズ４
１の後側焦点５２に集光され、集光された光線は
レンズ４２に高さゼロの光線として入射する為、
レンズ４２のパワーに何ら影響されず、レンズ４
３により平行光５３として射出する。

一方、点５４で示すようなレンズ４１から有限
な距離にあるレーザー射出口の結像については光
線６１で示す様にレンズ４２の通過する高さがゼ
ロでないためレンズ４２のパワーの影響を受け、
パワーに応じた点５５で光軸を横切る。

このことは、レンズ４２の焦点距離を変えるこ
とによりアフオーカルコンバーターとしての性能
を変化させずに結像関係とする物点５４と像点５
５の位置関係を変化させることができることを示
している。本実施例では、レンズ４２をズームレ
ンズ又は、交換レンズ等とすることにより焦点距
離を変えるだけでレーザー射出口とピンホール間
隔を任意に設定することが可能となる。

更に、レーザー射出口とピンホールが光学的な
所定位置からずれて配置されてもレンズ４２の焦
点距離を変えるだけで、調整できる。

ここで第６図に示す様に薄肉系に対し数値例を
あげる。レンズ４１，４２，４３の焦点距離を
各々f₄₁，f₄₂，f₄₃，レンズ４１，４２の間隔、レ
ンズ４２，４３の間隔を各々d₁₂，d₂₃とする。

いま結像関係としたいレーザー射出口とピンホ
ール間隔を前述の例同様1600mmとし、レーザー射
出口からレンズ４１までの距離を300mmとし、f₄₁
＝f₄₃＝d₁₂＝d₂₃＝100mmとすればf₄₂≒−8.3mmとな
り、またf₄₁＝f₄₃＝d₁₂＝d₂₃＝500mmとすればf₄₂≒
625mmとなる。

上記数値例でf₄₁＝f₄₃＝d₁₂＝d₂₃＝100mmの例で
は、レンズ４３からピンホールまでの距離は1600
−300−100−100＝1100mmであるが、この距離が
900mm又は1400mmとなつた時にはレンズ４２の焦
点距離f₄₂を各々−10mm、−５mmとすることによ
り、レーザーの射出口とピンホールとを結像関係
とすることができる。

本実施例において、f₄₁，f₄₃を小さくすれば、
全長の短いコンパクトな補償光学系を構成でき
る。

なお、レンズ４２を厚肉化させて焦点距離を変
えると主点位置が変わり、この変化によりアフオ
ーカルコンバーターの全長は若干変化するが、レ
ーザー射出口とピンホールとの距離に比べると微
小量であり、実質的にアフオーカルコンバーター
の全長は変化しない。

ところで、以上レーザー射出口の結像対象をピ
ンホールとしてみたが、ピンホールを特に設置す
る替わりにその位置を光学系２の瞳位置と考えて
も同等の効果を得ることが当業者に明かである。

逆に言えば前述のピンホールによつて光学系２
の瞳が形成されると考えられる。

以上、本発明によればレーザー射出口と光学系
の瞳位置（ピンホール）を光学的に共役関係とし
たアフオーカルコンバーターとして、一方の後ろ
側焦点と他方の前側焦点とを互いに一致させた一
対の正のレンズと前記各焦点が一致する場所に配
した負のレンズとを有する光学系をを用いること
により、振動、レーザー射出角の経時変化等の外
乱が生じても光を集光することを保証でき、ま
た、負のレンズの作用により、アフオーカルな系
を維持しつつ所望の位置にレーザーの射出口の共
役点を設定できるので、アフオーカルコンバータ
ーの配置位置の自由度を広げることができる。

なお本発明は最終光学系が集光光学系となる場
合に限らず、集光光学系が中間光学系となる場合
にも適用できることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の図、第２図ａ，ｂは本発明の
基礎と成るアフオーカルコンバーターの図で第２
図ａはアフオーカル系を、第２図ｂはレーザーの
射出口とピンホールとの共役関係を表わす図、第
３図は第２図のアフオーカルコンバーターの機能
を説明する図、第４図は本発明の基礎と成るアフ
オーカルコンバーターの応用例を示す図、第５図
は本発明の一実施例を示す図、第６図は第５図の
実施例の結像状態を示す図、図中、１はレーザー、２は集光光学系、３は物
体又は中間像面、４はピンホールである。

Claims

【特許請求の範囲】１平行光束を射出するレーザと、前記平行光束
を受ける第１の光学系と、該第１の光学系からの
光束を受ける第２の光学系とを有する光学装置で
あつて、前記第１の光学系が前記レーザの光射出
位置と前記第２の光学系の瞳位置とを共役関係に
せしめるアフオーカル光学系により構成され、該
アフオーカル光学系が一方の後ろ側焦点と他方の
前側焦点とを互いに一致させた一対の正のレンズ
と前記各焦点が一致する場所に配した負のレンズ
とを有することを特徴とする光学装置。２光路中、前記第２光学系の手前にピンホール
が設けられ、該ピンホールが前記第２の光学系の
瞳として機能することを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の光学装置。３前記負のレンズが交換レンズ又はズームレン
ズにより構成されることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の光学装置。