JPH0439647B2 - - Google Patents
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- JPH0439647B2 JPH0439647B2 JP14618084A JP14618084A JPH0439647B2 JP H0439647 B2 JPH0439647 B2 JP H0439647B2 JP 14618084 A JP14618084 A JP 14618084A JP 14618084 A JP14618084 A JP 14618084A JP H0439647 B2 JPH0439647 B2 JP H0439647B2
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- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 25
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 19
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、結像ビーム径を可変にするレーザー
ビーム結像光学系に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a laser beam imaging optical system that allows variable imaging beam diameter.
レーザービームの結像ビーム径は、例えばプリ
ソタ等の用途によつては変更を要することがあ
る。従来の結像ビーム径を可変にするレーザービ
ーム結像光学系は、通常では光源側のビームエキ
スパンダと結像側の結像レンズから成つている。
例えば第１図ａに示すように、レーザー光源１か
ら出射したレーザービームＢは、凸レンズ２，３
から成るビームエキスパンダＬ１によりビーム径
を拡大し、結像レンズ４により結像面Ｓに結像す
る。 The imaging beam diameter of the laser beam may need to be changed depending on the application, such as pre-sotering. A conventional laser beam imaging optical system that changes the imaging beam diameter usually consists of a beam expander on the light source side and an imaging lens on the imaging side.
For example, as shown in FIG. 1a, the laser beam B emitted from the laser light source 1 is
The beam diameter is expanded by a beam expander L1 consisting of a beam expander L1, and an image is formed on an imaging plane S by an imaging lens 4.
通常のガスレーザー等によるビームはTEMoo
モードであり、その強度分布はガウス強度分布を
有しており、その強度分布が中心強度の1/e2とな
る径をもつてビームの大きさとしている。レンズ
の口径が入射ビーム径Ｄの２倍以上あると仮定す
ると、このときのビーム径ｄは、
ｄ＝（４／π）・FNo・λ ……(1)
で表される。ここで、λは入射レーザービームの
波長、FNoはレンズのＦ値であり、ｆをレンズ
の焦点距離とすると、FNoはｆ／Ｄであり、(1)
式を書き直すと次式になる。 Beams from ordinary gas lasers etc. are TEMoo
mode, its intensity distribution has a Gaussian intensity distribution, and the diameter of the intensity distribution is 1/e 2 of the central intensity, which is the size of the beam. Assuming that the aperture of the lens is at least twice the incident beam diameter D, the beam diameter d in this case is expressed as d=(4/π)・FNo・λ (1). Here, λ is the wavelength of the incident laser beam, FNo is the F number of the lens, and if f is the focal length of the lens, FNo is f/D, (1)
Rewriting the formula gives the following formula.
Ｄ・ｄ＝（４／π）・ｆ・λ ……(1)′
ビームを光学系で結像するとき、最小径になる
ところをビームウエストを呼んでいる。いま第２
図において、Waを入射ビームウエスト、Wbを
出射ビームウエスト、F′、Ｆをそれぞれ凸レンズ
５の前側焦点位置、後側焦点位置とする。ここ
で、前側焦点位置F′にビームウエストWaをおく
と、後測焦点位置ＦにビームウエストWbが結像
する。Ｄ（Wa）、Ｄ（Wb）をそれぞれビームウエ
ストWa、ビームウエストWbの位置のビーム径
とすると、(1)′式に基に(2)式か得られる。 D・d=(4/π)・f・λ...(1)' When a beam is imaged by an optical system, the point at which it has the minimum diameter is called the beam waist. Now the second
In the figure, Wa is the incident beam waist, Wb is the output beam waist, and F' and F are the front focal position and rear focal position of the convex lens 5, respectively. Here, when the beam waist Wa is placed at the front focal position F', the beam waist Wb is imaged at the rear focal position F. If D(Wa) and D(Wb) are the beam diameters at the positions of beam waist Wa and beam waist Wb, respectively, then equation (2) can be obtained based on equation (1)'.
Ｄ（Wa）・Ｄ（Wb）＝（４／π）・ｆ・λ ……(2)
第１図ａにおいて、凸レンズ３の焦点距離を
f3、前側焦点距離のビームウエストWhのビーム
径をＤ（Wh）、後側ビームウエストWiの径をＤ
（Wi）、結像レンズ４の焦点距離をf4とし、凸レ
ンズ４の後側焦点距離、つまり焦点面Ｓのビーム
ウエストWjにおけるビーム径をＤ（Wj）とする
と、(2)式により、
Ｄ（Wh）・Ｄ（Wi）＝（４／π）・f3・λ
Ｄ（Wi）・Ｄ（Wj）＝（４／π）・f4・λ
∴Ｄ（Wj）／Ｄ（Wh）＝f4／f3 ……(3)
となり、両凸レンズ３，４の焦点距離f3，f4の比
によりビーム径Ｄ（Wh）がＤ（Wj）に変換される
ことになる。ここで、凸レンズ３を第１図ｂに示
す焦点距離が異なる凸レンズ３′を有するビーム
エキスパンダＬ２に変えると、ビーム径Ｄ（Wj）
も変化する。即ち、凸レンズ３′の焦点距離を
f3′とすると、(3)式よりＤ（Wj）／Ｄ（Wh）＝f4／
f3′となり、f3′＜f3であるエキスパンダＬ２に変
更することにより、焦点面Ｓにおけるビーム径Ｄ
（Wj）は大きくなることが判る。 D(Wa)・D(Wb)=(4/π)・f・λ...(2) In Fig. 1a, the focal length of the convex lens 3 is
f3, the beam diameter of the beam waist Wh at the front focal length is D (Wh), the diameter of the rear beam waist Wi is D
(Wi), the focal length of the imaging lens 4 is f4, and the back focal length of the convex lens 4, that is, the beam diameter at the beam waist Wj of the focal plane S is D(Wj). According to equation (2), D( Wh)・D(Wi)=(4/π)・f3・λ D(Wi)・D(Wj)=(4/π)・f4・λ ∴D(Wj)/D(Wh)=f4/f3 ...(3), and the beam diameter D (Wh) is converted into D (Wj) by the ratio of the focal lengths f3 and f4 of the biconvex lenses 3 and 4. Here, if the convex lens 3 is replaced with a beam expander L2 having a convex lens 3' having a different focal length as shown in FIG. 1b, the beam diameter D(Wj)
also changes. That is, the focal length of the convex lens 3' is
Assuming f3′, from equation (3), D(Wj)/D(Wh)=f4/
f3′, and by changing to the expander L2 where f3′<f3, the beam diameter D at the focal plane S is
It can be seen that (Wj) becomes larger.
このように従来装置においては、ビームエキス
パンダを交換することにより焦点面Ｓにおけるビ
ーム径を変えるようにしているが、エキスパンダ
を交換しなければならないために、偏心精度が悪
くなり再現性に不満が残る。 In this way, in the conventional device, the beam diameter at the focal plane S is changed by replacing the beam expander, but since the expander has to be replaced, the eccentricity accuracy deteriorates and the reproducibility becomes dissatisfied. remains.
本発明の目的は、上述の欠点を解決し、エキス
パンダを交換せずに結像ビーム径を変化させるこ
とができるレーザービーム結像光学系を提供する
ことにあり、その要旨は、結像ビーム径を可変と
するレーザービーム結像光学系において、光軸方
向に移動可能な単一のビーム径調整用レンズと、
該レンズの後方に配置した固定の変倍光学系を有
し、前記ビーム径調整用レンズの移動量は、該レ
ンズにより形成される後方ビームウエストの位置
が変化しない所定の距離としたことを特徴とする
ものである。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks and provide a laser beam imaging optical system that can change the imaging beam diameter without replacing the expander. In a laser beam imaging optical system with variable diameter, a single beam diameter adjustment lens movable in the optical axis direction;
It has a fixed variable magnification optical system placed behind the lens, and the amount of movement of the beam diameter adjusting lens is a predetermined distance that does not change the position of the rear beam waist formed by the lens. That is.
実施例を説明するに先立ち、第２図、第３図に
よりビームウエストの焦点位置からのずれの影響
について述べることにする。いま第２図に示すよ
うに、ビームウエストWaの位置が前側焦点F′か
ら距離ｘずれると、ビーム径、焦点距離ｆによつ
てビームウエストWbの決像位置が後測焦点Ｆか
ら距離x′変化することになる。第３図はこのビー
ムウエストWaが焦点位置F′から距離ｘずれた場
合の入射ビームウエストWa、出射ビームウエス
トWbの位置関係を示しており、凸レンズ５の焦
点距離ｆを50mmとしている。通常の幾何光学的条
件が成立する場合にはｘ・x′＝−f2の関係があ
り、第３図はＤ（Wa）＝0.1mm、Ｄ（Wa）＝0.12mm
の２つの場合について、ずれ量ｘ＋x′の関係をグ
ラフ化している。 Before explaining the embodiments, the influence of the deviation of the beam waist from the focal position will be described with reference to FIGS. 2 and 3. As shown in FIG. 2, when the position of the beam waist Wa is shifted by a distance x from the front focal point F', the determined position of the beam waist Wb is shifted from the rear focal point F by a distance x' depending on the beam diameter and focal length f. It's going to change. FIG. 3 shows the positional relationship between the incident beam waist Wa and the output beam waist Wb when the beam waist Wa is deviated by a distance x from the focal position F', and the focal length f of the convex lens 5 is 50 mm. When the usual geometrical optical conditions hold, there is a relationship x・x'=-f 2 , and Figure 3 shows D(Wa)=0.1mm and D(Wa)=0.12mm.
The relationship between the amount of deviation x+x' is graphed for the two cases.
第３図からＤ（Wa）＝0.1mmの場合にずれ量ｘ＋
x′が同一の値となる幾つかのｘの値を見出すこと
ができる。つまり、凸レンズ５をその光軸に沿つ
てｘだけ移動する場合に、ビームウエストWbの
位置が同一となり得る移動量ｘが複数個存在する
ことになる。例えば、ｘ＝80mmとｘ＝20mmは共に
ｘ＋x′が110mmであり、ｘが80mmであつても20mm
であつてもビームウエストWbはｘ＋x′＝110mmの
位置になる。しかしながら、ビームウエストWb
のビーム径Ｄ（Wb）は異なる値をとり、入射側
ウエストWaの径Ｄ（Wa）＝0.1mmに対して、出射
側ビームウエストWbではビーム径は例えばそれ
ぞれＤ（Wb）＝0.062mm、Ｄ（Wb）＝0.212となり、
変倍比が0.212／0.062＝3.4倍となる。 From Figure 3, when D (Wa) = 0.1 mm, the amount of deviation x +
It is possible to find several values of x such that x' has the same value. In other words, when the convex lens 5 is moved by x along its optical axis, there are a plurality of moving amounts x at which the position of the beam waist Wb can be the same. For example, for both x=80mm and x=20mm, x+x' is 110mm, and even if x is 80mm, 20mm
Even so, the beam waist Wb will be at x+x'=110mm. However, beam waist Wb
The beam diameter D (Wb) of the two takes different values, and the diameter D (Wa) of the incident side waist Wa is 0.1 mm, while the beam diameter of the output side beam waist Wb is, for example, D (Wb) = 0.062 mm and D, respectively. (Wb)=0.212,
The variable magnification ratio is 0.212/0.062=3.4 times.
上述の前提を基に本発明を第４図に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。 Based on the above-mentioned premise, the present invention will be explained in detail based on the embodiment shown in FIG.
レーザー光源１１から出射したレーザービーム
Ｂは、光軸Ｏに沿つて順次に凸レンズ１２，１
３，１４，１５を経て焦点面Ｓに結像する。ここ
で、凸レンズ１２はビーム径調整用レンズ、凸レ
ンズ１３，１４はビームエキスパンダを構成し、
凸レンズ１５は結像レンズの役割を果している。 The laser beam B emitted from the laser light source 11 is sequentially passed through convex lenses 12 and 1 along the optical axis O.
3, 14, and 15, the image is formed on the focal plane S. Here, the convex lens 12 constitutes a beam diameter adjustment lens, and the convex lenses 13 and 14 constitute a beam expander.
The convex lens 15 plays the role of an imaging lens.
焦点面ＳにおけるビームウエストWrのビーム
径Ｄ（Wr）は、(3)式で明らかなように凸レンズ１
３の後側焦点であるビームウエストWsのビーム
径Ｄ（Wa）に依存する。同様にして(2)式から明
らかなように、ビーム径Ｄ（Ws）は凸レンズ１３
の前側焦点であるビームウエストWtのビーム径
Ｄ（Wt）により定まることになる。従つて、ビー
ム径Ｗ（Wt）の大きさを変えれば焦点面Ｓにおけ
るビーム径Ｄ（Wr）を変えることができる。 The beam diameter D (Wr) of the beam waist Wr at the focal plane S is determined by the convex lens 1 as is clear from equation (3).
It depends on the beam diameter D (Wa) of the beam waist Ws which is the rear focal point of No. 3. Similarly, as is clear from equation (2), the beam diameter D (Ws) is the convex lens 13
It is determined by the beam diameter D (Wt) of the beam waist Wt, which is the front focal point. Therefore, by changing the size of the beam diameter W (Wt), the beam diameter D (Wr) at the focal plane S can be changed.
本発明では、第２図、第３図において説明した
ビームウエストと焦点位置とのずれによる変倍を
積極的に利用して、ビームウエストWtにおける
ビーム径Ｄ（Wt）の大きさを可変しようとするも
のであり、その意図のために凸レンズ１２は光軸
Ｏに沿つて移動し得るようになつている。 In the present invention, it is attempted to vary the size of the beam diameter D (Wt) at the beam waist Wt by actively utilizing the magnification change due to the deviation between the beam waist and the focal point position explained in FIGS. 2 and 3. For this purpose, the convex lens 12 is designed to be movable along the optical axis O.
例えば、凸レンズ１２を先の第３図のグラフ図
から求まるような或る定められたレンズ１２′の
位置に移動しても、ビームウエストWtの位置は
移動することなく、ここで形成されるレーザービ
ームＢのビーム径Ｄ（Wt）は、元の位置の場合に
比較して或る定められた倍率で変倍されることに
なる。 For example, even if the convex lens 12 is moved to a certain predetermined lens 12' position as determined from the graph shown in FIG. The beam diameter D (Wt) of the beam B is magnified by a certain predetermined magnification compared to the case at the original position.
このようにしてビーム径調整用レンズの移動の
みで、結像ビーム径を変倍することが可能とな
る。なお実施例においては、主としてビームエキ
スパンダを用いた場合について説明したが、ビー
ム径を縮小するビームコンプレツサを利用した場
合も考え方は同様である。 In this way, it is possible to change the magnification of the imaging beam simply by moving the beam diameter adjusting lens. In the embodiment, the case where a beam expander is mainly used has been explained, but the concept is the same when a beam compressor for reducing the beam diameter is used.
以上説明したように本発明に係るレーザービー
ム結像光学系は、ビーム径調整用レンズを光軸に
沿つて移動するだけで、結像ビーム径を変倍する
ことが可能となり、機構的にも極めて簡素であ
り、従来のビームエキスパンダの交換のような偏
心の虞れもなく高精度の結像ビームが得られる。 As explained above, the laser beam imaging optical system according to the present invention can change the imaging beam diameter by simply moving the beam diameter adjustment lens along the optical axis, and has a mechanical advantage. It is extremely simple, and a highly accurate imaging beam can be obtained without the risk of eccentricity that is required when replacing a conventional beam expander.
第１図はａ，ｂは結像ビーム径を可変する光学
系の説明図、第２図はビームウエストを焦点位置
からずらした場合の結像関係の説明図、第３図は
ビームウエストの焦点位置からのずれと結像位置
との関係のグラフ図、第４図は本発明に係るレー
ザービーム結像光学系の一実施例を示す構成図で
ある。
符号１はレーザー光源、１２，１３，１４，１
５は凸レンズである。
In Figure 1, a and b are explanatory diagrams of the optical system that changes the imaging beam diameter, Figure 2 is an explanatory diagram of the imaging relationship when the beam waist is shifted from the focal position, and Figure 3 is the focal point of the beam waist. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the deviation from the position and the imaging position, and FIG. 4 is a configuration diagram showing an embodiment of the laser beam imaging optical system according to the present invention. Code 1 is a laser light source, 12, 13, 14, 1
5 is a convex lens.
Claims (1)
像光学系において、光軸方向に移動可能な単一の
ビーム径調整用レンズと、該レンズの後方に配置
した固定の変倍光学系を有し、前記ビーム径調整
用レンズの移動量は、該レンズにより形成される
後方ビームウエストの位置が変化しない所定の距
離としたことを特徴とするレーザービーム結像光
学系。1. A laser beam imaging optical system with a variable imaging beam diameter, which includes a single beam diameter adjustment lens that is movable in the optical axis direction and a fixed variable magnification optical system that is placed behind the lens. . A laser beam imaging optical system, wherein the amount of movement of the beam diameter adjusting lens is set to a predetermined distance such that the position of the rear beam waist formed by the lens does not change.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14618084A JPS6125120A (en) | 1984-07-14 | 1984-07-14 | Laser beam image formation optical system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14618084A JPS6125120A (en) | 1984-07-14 | 1984-07-14 | Laser beam image formation optical system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6125120A JPS6125120A (en) | 1986-02-04 |
| JPH0439647B2 true JPH0439647B2 (en) | 1992-06-30 |
Family
ID=15401942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14618084A Granted JPS6125120A (en) | 1984-07-14 | 1984-07-14 | Laser beam image formation optical system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6125120A (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63135915A (en) * | 1986-11-27 | 1988-06-08 | Toshiba Corp | Laser beam transmission path |
| US5040886A (en) * | 1990-01-31 | 1991-08-20 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Matching optics for gaussian beams |
| JP2980938B2 (en) * | 1990-04-12 | 1999-11-22 | 株式会社ニデック | Lens system for condensing semiconductor laser light |
| DE102019210041B4 (en) * | 2019-07-08 | 2021-02-18 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Optical device for a multi-channel opto-mechanical addressing unit |
-
1984
- 1984-07-14 JP JP14618084A patent/JPS6125120A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6125120A (en) | 1986-02-04 |
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