JPH0843610A

JPH0843610A - ビーム拡大用レンズ

Info

Publication number: JPH0843610A
Application number: JP7049721A
Authority: JP
Inventors: Amanda Bewsher; ビューシャーアマンダ
Original assignee: CANADA
Current assignee: CANADA
Priority date: 1994-05-16
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 1996-02-16
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: US5523889A; JP3727681B2

Abstract

(57)【要約】【目的】単一の光学要素が複数のセグメントから成
り、各セグメントが、頂縁部において比較的小なる曲率
半径をもつプリズムに類似し１次元円錐により表現され
ることができる１次の表面を有するようにすることによ
り、レーザビーム等の拡大用として有用なレンズを実現
する。【構成】レーザビーム（１６）を複数の方向へ発散さ
せ、例えば比較的ユニフォームな十字形を生成するもの
が、幾つかの円筒状のセグメントを有する。各セグメン
トは少くとも２つの表面、すなわち１次の面（１０）と
２次の面（１２）を有する。１次の面は比較的尖鋭な頂
縁部（１４）を有し、ｘ，ｙ，ｚ直交座標において関係
式ｚ＝ｃｙ²／〔１＋｛１−（１＋Ｑ）ｃ
²ｙ²｝^1/2〕により規定される曲線に合致するよう形
成される。ここにｚおよびｙはｘから独立しており、ｃ
は頂縁部の曲率、Ｑは−１より小なる円錐定数である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学要素、例えばビーム
の拡大用、特にレーザのビームの拡大用のレンズに関
し、特に、単一の光学要素であって幾つかのセグメント
から成り、該セグメントの各個が、頂縁部において比較
的小なる半径をもつプリズムに類似しており１次元円錐
と表現されることができる１次の面を有するもの、に関
する。

【０００２】

【従来の技術】機械による映像産業は、普通には、物体
の精密な位置合わせ用および３次元形状の決定用のレー
ザビーム投射システムを用いる。レーザ線のパターンが
対象物に投射されその結果得られるビーム偏向が表面形
態を決定するのに用いられる。レーザビームはレーザの
前面へ円筒状レンズを設置することにより容易に１つの
ラインへ拡大されることができるが、代表的な正規分布
形のレーザビームをレンズのシリーズへ拡大すること
は、投射ラインに沿って強度の正規分布を生じさせる。
このことは、普通に用いられるシリコン検出器について
の限界形成の問題を生じさせる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】Ｐｏｗｅｌｌに付与さ
れた米国特許第４８２６２９９号は、単一の光学要素で
あって、均一な強度のレーザのラインを投射する単一の
光学要素を記述しており、これは、四折格子と組合わさ
れて、そのようなラインのグリッドを投射するのに用い
られることができる。

【０００４】このパウエルによる光学要素は有用ではあ
るが、試験対象の物体についてより多くの情報を得るた
めには、レーザビームを少くとも２つの交差する方向に
投射することが好適である。このような用途のために
は、また精密な位置合せの目的のためには、レーザの交
差が望ましい。交差形のビームの分布を実現するのに普
通に用いられる方法は、レーザビームをマスク上に映像
形成するのにレンズを用い、光の多くの部分を除去する
ことを包含する。しかし、これらのシステムは、複雑な
ものであり、また、投射されるラインの長さに沿う不均
一性の影響を受ける。

【０００５】本発明の１つの目的は、ビーム、特にレー
ザのビームの拡大用の新しいレンズを提供することにあ
る。本発明の他の１つの目的は、レーザビームを均一な
交差状、他の星状、または複数腕状に拡大することがで
きる新しいレンズを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】簡潔に述べると、本発明
による光学要素は、円筒状のセグメントの複数個（４個
であることが好適ではあるが必須ではない）であって該
円筒状のセグメントはその円筒の軸が単一の平面内にお
いて実質的に均一な星状または部分的に星状の配置を形
成するよう相互に結合されている。各セグメントは少く
とも２つの表面、すなわち１次と２次の表面を有する。
１次の表面は比較的に尖鋭な頂縁部を有し（ｘ，ｙ，
ｚ）直交座標系において、下記の関係式で規定される曲
線に一致するよう形状づけられ：ｚ＝ｃｙ²／〔１＋｛１−（１＋Ｑ）ｃ²ｙ²｝^1/2〕ここに、ｚとｙはｘから独立しており、ｃは頂点におけ
る曲率であり、Ｑは−１より小なる円錐定数である。

【０００７】「比較的に尖鋭」という規定は、小なる曲
率半径であることをあらわし、下記において説明され
る。これは米国特許第４８２６２９９号におけるものと
同じである。頂縁部の交差は１つの頂点を規定する。光
学要素がビーム投射器、これは拡大器として知られてい
るものであるが、として用いられていると、ビームは、
頂点に指向されて結果としての光学的ラインの適正な分
布（拡大）を実現すべきである。

【０００８】本発明による光学要素はレーザビームの拡
大用として最も効果的であるが、他の、狭い幅の平行ビ
ームと連携して用いられることもできる。

【０００９】

【実施例】図１は、従来形のレーザビームラインの拡大
装置であって、単一の２次元光学要素としての、２つの
表面すなわち１次の面１０と２次の面１２をもつ円筒状
レンズを用いるもの、を示す。１次面は頂縁部１４を有
し、レーザビーム１６の中心部分を縁部におけるよりも
より迅速に発散させるように形状づけられ、それによ
り、結果として得られるより均一な強度のラインを発生
させる。この効果をもたらす表面形状は、頂縁部１４に
おける小なる曲率半径と比較的大なる円錐定数を有す
る。このことは、レーザビームの中心（強度も最も大な
る）が小なる曲率半径に遭遇し、それによりビームの外
方縁部よりも大なる発散を経験する結果をもたらすが、
該ビームの外方縁部は、代表的なガウス分布のレーザビ
ームにおいては、当然のこととして強度が小である。

【００１０】１次の面１０の形状はｘ，ｙ，ｚ直交座標
系においては２次元表現：ｚ＝ｃｙ²／〔１＋｛１−（１＋Ｑ）ｃ²ｙ²｝^1/2〕により表現され、ここにｙおよびｚはｘに対し独立して
おり、ｃは頂縁部における曲率、Ｑは円錐定数である。
２次の面は単にレーザラインの発散を増大させるのみで
あり、均一性には影響を与えない。２次の面は平面状
（平坦）であるかまたは凹面円筒状であることが可能で
ある。

【００１１】レンズから１ｍの距離において２０°の発
散を有するそのような拡大されたビームの強度分布が図
２に示される。図２は、形状のプロットを、図３は従来
形の光学要素により拡大されたビームの斜視図的なプロ
ットである。拡大されたビームの輪郭は、比較的良好な
均一性を有する。プロットの面積、スループット、およ
び最大強度もまた、図２および図３に示されている。

【００１２】試験によれば、前記の従来形の円筒状レン
ズに各個がもとづく複数のセグメントを組合わせること
により、均一の発散する十字状またはその他の星状の光
学的形状が投射されることができることが確認されてい
る。各セグメントは均一の強度のラインを発生させ、し
たがって、例えば、図４に示される配置におけるこれら
の円筒状要素の４個を組合わせることにより、１つのレ
ーザビームを均一の強度の発散する十字状に拡大するこ
とができるレンズを製作することができる。材料と屈折
率が与えられると、十字状についての発散の量と均一性
は、四分割体の曲率半径と円錐定数によって決まる。

【００１３】図４においては、４個の円筒状の光学的セ
グメント１７が接着され、それにより頂縁部１８は頂縁
部の交点における頂点２０をもったユニフォームな十字
形を形成する。

【００１４】図４に示される本発明によるレンズの具体
例についての説明が図５および図６を参照しつつ行われ
る。図５においては、関係式により規定される１次元表
面形状および頂縁部における曲率がｃであるものが説明
される。図６においては、レーザビームの十字形投射装
置が説明される。

【００１５】図５に示されるレンズは、４個のセグメン
トから成る。各セグメントは特定の関係式により規定さ
れる１次元円錐である形状を有する。各セグメントは頂
縁部ラインを有し、該頂縁部ラインは図ではほとんど不
連続状にみえるが、実際には、極度に小なる曲率半径
（関係式においてはｃとして規定される）と−１より小
なる円錐定数（関係式においてはＱとして規定される）
を有する等式で特定化される円錐形である。

【００１６】図５における個別のセグメントは、実際、
１つの方向にのみレンズ倍率を有し他の方向においては
単に窓である点において、円筒形である。個別のセグメ
ントは図においては本当に円筒であるようにはみえない
が、それは単に、１次元表面形状は、頂縁部ラインにお
ける曲率半径が厳格であることにより、不連続性を有す
るようにみえるようなものであるからという理由からで
ある。もし曲率半径がより大であり円錐の厳格さがより
小であれば、形状は、実際、より円筒形にみえるはずで
ある。次いで、各光学的に円筒形のセグメントは正確な
物理的形状に切断され研摩され、それにより星形または
部分的に星形の配置に接着されることが可能になる。

【００１７】本発明を有効化するために実行された試験
において、代表的なヘリウム−ネオンレーザであって、
最大強度の１／ｅ²において自然ビーム発散０．８mmを
有するものが、図４の要素の中心と位置合せされ（最初
に１次の面を接合させる）、それにより、各四分割体
は、光の４分の１を受理した。円筒状四分割体の４個
を、軸が他に対して直角になるように装着することによ
り、光の半分は１つの水平ラインへと拡大され、残りの
半分は１つの垂直ラインへと拡大される。

【００１８】屈折率１．５２（ガラス形のＢＫ７）、曲
率半径０．６３mm、および円錐係数−７を有するそのよ
うな要素の強度分布が図７および図８に示されるが、図
７は、形状のプロットをあらわし、その場合に、実線は
図面の平面内にある軸に対応し、破線は、他の軸に対応
し、図８は、拡大された十字形のビームの斜視図的なプ
ロットをあらわす。プロットの面積、スループット、お
よび最大強度は、図４に示される。十字形は、２０°の
発散を有する。

【００１９】他の試験においては、光学要素は４個のセ
グメントであって、各個が屈折率１．５２（ＢＫ７）、
曲率半径２．７mm、および円錐定数−１２５を有するも
の、から成るものであった。レーザおよび光学的配置は
最初の試験におけると同様であった。結果として得られ
た十字形は５°の発散を有していた。

【００２０】本発明による光学要素のセグメントの１次
の面の例として理論的に許容可能であるものが、米国特
許第４８２６２９９号の第１６図に示されており、この
米国特許は参考として本明細書に組み入れられる。十字
形の場合についての四分割体の位置合せは、臨界的なも
のであるが、それは２つの対抗する円筒の軸の間の角度
的な位置合せ誤差が、明瞭な十字形でなく、二重映像生
成の効果をもたらす可能性があるからである。

【００２１】図９は、レーザビーム拡大装置として用い
られる、本発明による光学要素またはレンズの単一の円
筒状セグメントの代替の実施例を示す。図５は、１次の
面を、図４の１次の面と同じ曲率の凹形の面として示
す。このもののような四分割体は、相互に９０°におい
て接着されて発散する十字形を発生させるようにするこ
とができる。レーザビームが頂縁部（実際のレンズにお
ける頂点）へ指向され、頂縁部（ビームの中心）におい
ては最大の度合いで、ビームの外側領域においてはより
小なる度合いで拡大されること観察することができる。

【００２２】図９のセグメントを用いた本発明の一実施
例が図１０に示される。この形態は、図１１に示される
ように、入来するビームに正面を向けるようにされる
か、背面を向けるよう方向づけられるか、のいずれかで
あることが可能であるが、図１１は、レーザビーム拡大
装置として用いられる本発明による光学要素を示す。レ
ーザビーム２２は、レンズの頂点２４へ指向される。レ
ンズは、レンズの面が入射レーザビームに垂直であるよ
うに位置づけられることが好適である。１次の面がビー
ムに直面する場合には、２次の面を平面状でなく凹状で
あるように設計することにより、発散を増大させること
が可能である。

【００２３】図４の実施例においては、セグメントの１
次の面と２次の面は、頂縁部において相互に最も離隔し
ている。図９および図１０の実施例においては、これら
の面は頂縁部において相互に最も接近している。前記の
２つの形式のセグメントが組合わされている要素を製造
することを考慮することも可能である。

【００２４】光学要素が十字形状の形態、すなわち、単
一の平面内に均一に分布する４個のセグメントから成る
もの、を有することは必要ではない。図１２において概
略的に実線で表示されるセグメントの数は、相異なって
いる、例えば、図１２に示されるように２，３，５また
は６である、ことが可能である。図１２における２セグ
メントのＶ形配置が部分的に星状の配置を構成するこ
と、が注意されるべきである。拡大されたビームの強度
の均一性は、４個のセグメントの場合と全く同様に良好
であるとはいえないが、許容可能といえるものである。

【００２５】セグメントの数は、製造上の問題によって
のみ制限される。明らかなことであるが、セグメントの
数が多いほど、各拡大されたアームの強度はより小とな
るが、それはビームがより多くの部分に分割されるから
である。また、セグメントの軸が同一の角度、すなわち
十字形の場合は９０°、３つの腕をもつ星形の場合は１
２０°、５つのセグメント（腕）の場合は７２°、で配
置されることは絶対的には必要ではない。拡大されたビ
ーム腕が相互を不鮮明にしないことが重要である。この
問題を回避するには、対抗するセグメントの円筒の軸は
正確に位置合せされているか、または角度的に充分にオ
フセットしていることが必要である。

【００２６】図１３および図１４は、２つのセグメント
から成るＶ形の、または部分的に星状のレンズを示す。
頂縁部と位置合せされたセグメントの円筒の軸は、図１
４に点線で示される。

【００２７】理論的には、特に要求される表面の精度を
実現する製造方法が利用可能であれば、本発明における
要素はモノリシックのブロックとして製造されることが
できる。実際には、個別のセグメントを製造して例えば
光学的セメントを用いて結合することが、より適切であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】米国特許第４８２６２９９号に示される従来形
のレーザビームのラインの拡大装置を示す図である。

【図２】図１のレーザビームのラインの拡大装置により
投射されたラインの長さに沿う強度の分布を示す図であ
って、プロフイルプロットとして示されるものである。

【図３】同じく強度の分布を示す図であって、拡張され
たビームの斜視的なプロットとして示されるものであ
る。

【図４】本発明によるレンズの具体例の斜視図である。

【図５】本発明によるレンズの具体例を示す図であっ
て、関係式により規定される１次元表面形状および頂縁
部における曲率がｃであるものを説明する図である。

【図６】本発明によるレンズの具体例の作動状況を示す
図であって、レーザビームの十字形投射装置を説明する
図である。

【図７】図４の要素の強度の分布を示す図であって、プ
ロフイルプロットとして示されるものである。

【図８】同じく強度の分布を示す図であって、拡張され
た十字形ビームの斜視的なプロットとして示されるもの
である。

【図９】ビーム拡大装置として用いられる本発明による
レンズのセグメントの他の具体例を示す図である。

【図１０】図５に示されるセグメントを用いる本発明に
よるレンズを示す図である。

【図１１】本発明による光学要素を用いるレーザビーム
の拡大装置を示す図である。

【図１２】本発明による要素の他の形状を概略的に示す
図である。

【図１３】２つのセグメントを有する本発明による光学
要素を示す斜視図である。

【図１４】同じく光学要素の平面図である。

【符号の説明】

１０…１次の面１２…２次の面１４…頂点１６…レーザビーム１８…頂縁部２０…頂点２２…レーザビーム２４…頂点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学要素であって、該光学要素は相互に
結合された複数の円筒状セグメントを具備しそれにより
該円筒状セグメントの円筒軸は単一の平面内において交
差し、各セグメントは少くとも１次の表面および２次の
表面を有し、１次の表面は、比較尖鋭な頂縁部を有しｘ
ｙｚ直交座標系において下記の関係式により規定される
曲線に一致するよう形成されており：ｚ＝ｃｙ²／〔１＋｛１−（１＋Ｑ）ｃ²ｙ²｝^1/2〕ここにｙおよびｚはｘから独立しており、ｃは頂点にお
ける曲率、Ｑは−１より小なる円錐定数である、ことを
特徴とする光学要素。
【請求項２】各セグメントの２次の表面は、平坦円筒
状および凹面円筒状から成る形状群から選択される、請
求項１記載の光学要素。
【請求項３】各セグメントの１次および２次の表面は
稜において相互に最も離隔している、請求項２記載の光
学要素。
【請求項４】各セグメントの１次および２次の表面は
頂縁部において相互に最も接近している、請求項２記載
の光学要素。
【請求項５】幾つかのセグメントの１次および２次の
表面は頂縁部において相互に最も接近しており、他のセ
グメントの１次および２次の表面は頂縁部において最も
離隔している、請求項２記載の光学要素。
【請求項６】レーザビームを均一な強度の星状の形状
に拡大するビーム投射装置であって、該ビーム投射装置
は、レーザビーム源、および、複数の円筒状セグメント
を有する光学要素であって、該円筒状セグメントは相互
に結合され円筒セグメントの円筒軸が交差して単一の面
内において星状のまたは部分的に星状の配置を形成し、
各セグメントが少くとも１次の表面および２次の表面を
有し、第１の表面が比較的尖鋭な頂縁部を有し（ｘｙ
ｚ）直交座標系において下記の関係式で規定される曲線
に一致するよう形成されており：ｚ＝ｃｙ²／〔１＋｛１−（１＋Ｑ）ｃ²ｙ²｝^1/2〕該星状の配置は頂縁部の交差点において１つの頂点を規
定し、該光学要素は、頂点がレーザビームのなかにある
ようにレーザビーム源に対して位置している、ことを特
徴とするビーム投射装置。
【請求項７】各セグメントの２次の表面は、平坦円筒
状および凹面円筒状から成る形状群から選択される、請
求項６記載のビーム投射装置。
【請求項８】各セグメントの１次および２次表面は、
頂縁部において相互に最も離隔している、請求項７記載
のビーム投射装置。
【請求項９】各セグメントの１次および２次の表面
は、頂縁部において相互に最も接近している、請求項７
記載のビーム投射装置。
【請求項１０】幾つかのセグメントの１次および２次
の表面は頂縁部において相互に最も接近しており、他の
セグメントの１次および２次の表面は頂縁部において最
も離隔している、請求項７記載のビーム投射装置。
【請求項１１】１次の表面はレーザビームの源へ向っ
て方向づけられている、請求項８記載のビーム投射装
置。
【請求項１２】１次の表面は、レーザビームの源へ向
って方向づけられている、請求項９記載のビーム投射装
置。
【請求項１３】１次の表面はレーザビームの源へ向っ
て方向づけられている、請求項１０記載のビーム投射装
置。
【請求項１４】２次の表面はレーザビームの源へ向っ
て方向づけられている、請求項８記載のビーム投射装
置。
【請求項１５】２次の表面はレーザビームの源へ向っ
て方向づけられている、請求項９記載のビーム投射装
置。
【請求項１６】２次の表面はレーザビームの源へ向っ
て方向づけられている、請求項１０記載のビーム投射装
置。