JPH09258012A - Optical element for generating laser beam and laser beam generating device - Google Patents

Optical element for generating laser beam and laser beam generating device

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JPH09258012A
JPH09258012A JP7077796A JP7077796A JPH09258012A JP H09258012 A JPH09258012 A JP H09258012A JP 7077796 A JP7077796 A JP 7077796A JP 7077796 A JP7077796 A JP 7077796A JP H09258012 A JPH09258012 A JP H09258012A
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JP
Japan
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laser beam
optical axis
optical element
optical
generating
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Application number
JP7077796A
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Japanese (ja)
Inventor
Takahiko Nakano
貴彦 中野
智彦 ▲吉▼田
Tomohiko Yoshida
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element for generating a laser beam and a laser beam generating device capable of intensifying the intensity of a middle peak after ensuring a focal depth to some extent. SOLUTION: After a laser beam of a spherical wave transmitted from a semiconductor laser element 1 is converted into a plane wave by a collimator lens 2, it is made incident on an optical element 3 for generating a laser beam. A surface having light refracting action in the optical element 3 for generating a laser beam, that is a surface of a light outgoing side, is formed by two ridges D', D" when viewed on a cross section cut by a plane including the optical axis (z-axis) to form such a laser beam being converted out of the optical axis.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、スポット径が比較
的小さく、同じスポット径の通常のレーザビームに比べ
て焦点深度が格段に大きいレーザビームを発生すること
ができるレーザビーム発生用光学素子及びこのレーザビ
ーム発生用光学素子を備え、レーザ加工機、レーザプリ
ンタ、光ピックアップ及びバーコードリーダ等の機器に
応用した場合に好適なレーザビーム発生装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser beam generation optical element capable of generating a laser beam having a relatively small spot diameter and a remarkably large depth of focus as compared with an ordinary laser beam having the same spot diameter. The present invention relates to a laser beam generation device including the laser beam generation optical element and suitable when applied to a device such as a laser processing machine, a laser printer, an optical pickup, and a bar code reader.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、レーザビームを用いる光学系で
は、光軸に対し強度分布がガウス分布になる、いわゆる
ガウスビームが用いられてきた。図9はガウスビームを
集光させる光学系を示している。この光学系では、レー
ザビーム21を集光する手段として、対物レンズ22が
用いられている。また、図10はこの対物レンズ22を
光軸4方向からみた図であり、図中の線は等高線を示し
ている。対物レンズ22の断面形状は下記(1)式で表
され、光軸4との交点で連続な曲線になっている。
2. Description of the Related Art Hitherto, in an optical system using a laser beam, a so-called Gaussian beam, in which the intensity distribution becomes a Gaussian distribution with respect to the optical axis, has been used. FIG. 9 shows an optical system that focuses the Gaussian beam. In this optical system, an objective lens 22 is used as a means for condensing the laser beam 21. Further, FIG. 10 is a view of the objective lens 22 seen from the direction of the optical axis 4, and the lines in the drawing show contour lines. The cross-sectional shape of the objective lens 22 is represented by the following equation (1), and has a continuous curve at the intersection with the optical axis 4.

【0003】[0003]

【数1】 [Equation 1]

【0004】但し、C0:基準となる球面の曲率 K:円錐定数 am:非球面係数 Z:光軸方向の距離 r:光軸に垂直な方向の距離 ガウスビームを通常の集光光学系を用いて集光すると、
スポット径が最小になる位置におけるビームの中心強度
に対し、ビ一ムの中心強度が80%以上である範囲、い
わゆる焦点深度Zは、下記(2)式に示されるようにス
ポット径が最小になる位置におけるビーム径(ピーク強
度の1/e2になる位置でのビームの半径)ω0の2乗に
比例することが良く知られている。
Where C 0 : curvature of a reference spherical surface K: conic constant a m : aspherical surface coefficient Z: distance in the direction of the optical axis r: distance in the direction perpendicular to the optical axis When condensed using,
The range in which the beam center intensity is 80% or more of the beam center intensity at the position where the spot diameter is the minimum, that is, the so-called depth of focus Z, is such that the spot diameter becomes the minimum as shown in the following equation (2). It is well known that it is proportional to the square of the beam diameter at the position (the radius of the beam at the position where 1 / e 2 of the peak intensity) ω 0 .

【0005】Z=±1.44ω0 2/λ …(2) 但し、λ:波長 この(2)式より、スポット径を小さくすると焦点深度
Zは非常に浅くなることが分かる。このため、上記光学
系を用いたレーザ加工機、レーザプリンタ、レーザビー
ムプリンタ、光ピックアップ及びバーコードリーダ等の
機器のように、理論限界近くまで細いビームに集光する
必要のある用途では、焦点位置の微調整を行わなければ
ならないという煩わしさがあった。
Z = ± 1.44ω 0 2 / λ (2) where λ: wavelength From the equation (2), it can be seen that the focal depth Z becomes very shallow when the spot diameter is reduced. For this reason, in applications that need to condense into a narrow beam near the theoretical limit, such as laser processing machines, laser printers, laser beam printers, optical pickups and bar code readers using the above optical system, focus There was an inconvenience that the position had to be finely adjusted.

【0006】例えば、図11に示すレーザ加工機の場合
を例にとって説明すると、同図(a)に示すように、レ
ーザビーム発生装置100から出射されるレーザビーム
は、ミラー101によって光路を90゜変換された後、対
物レンズ102によって集光され、集光スポットがその下
方の加工対象物106に導かれる。
For example, the case of the laser processing machine shown in FIG. 11 will be described as an example. As shown in FIG. 11A, the laser beam emitted from the laser beam generator 100 has an optical path of 90 ° by a mirror 101. After the conversion, the light is condensed by the objective lens 102, and the condensed spot is guided to the processing object 106 therebelow.

【0007】同図(b)は集光スポット部を拡大して示
しており、この図から明かなように、従来の光学系で
は、焦点深度が小さいため、加工対象物106の凹凸107や
厚さdに応じて光学系の焦点位置を微調整する必要があ
った。即ち、焦点深度が小さいため、目的の箇所に集光
スポットを効率よく導くために、煩わしい焦点位置の微
調整が必要であった。
FIG. 1B shows the condensed light spot portion in an enlarged manner. As is clear from this drawing, the conventional optical system has a small depth of focus, so that the unevenness 107 and the thickness of the object 106 are reduced. It is necessary to finely adjust the focal position of the optical system according to the distance d. That is, since the depth of focus is small, a troublesome fine adjustment of the focus position is required in order to efficiently guide the condensed spot to a target location.

【0008】同様に、レーザビームプリンタにおいては
感光体の位置調節を精密に行うことにより焦点位置の微
調整を行う必要がある。また、バーコードリーダにおい
てはバーコードを置く位置を微調整する必要がある。ま
た、光ピックアップにおいては焦点調節用の可動機構が
必要になる。
Similarly, in a laser beam printer, it is necessary to finely adjust the focal position by precisely adjusting the position of the photosensitive member. In a barcode reader, it is necessary to finely adjust the position where the barcode is placed. In addition, the optical pickup needs a movable mechanism for focus adjustment.

【0009】このように、従来一般の集光光学系におい
ては、焦点位置の微調整やそれに伴う機構が必要にな
る、といった種々の問題点があった。
As described above, there have been various problems in the conventional general condensing optical system, such as the necessity of fine adjustment of the focal position and a mechanism associated therewith.

【0010】これらの問題を解決するため、焦点深度が
非常に大きく、かつスポット径が比較的小さいレーザビ
ームとして、光軸に対し垂直な動径方向の電界分布が、
第1種0次ベッセル関数状であるベッセルビーム(非回
折性ビーム)が考案されている。ベッセルビームの詳細
については、 (1)J.Durnin:J.Opt.Soc.Am.
A4(1987)651.(2)上原:応用物理(19
90)746等に詳しく記述されている。
In order to solve these problems, as a laser beam having a very large depth of focus and a relatively small spot diameter, an electric field distribution in the radial direction perpendicular to the optical axis is obtained.
A Bessel beam (non-diffractive beam) having a zero-order Bessel function of the first kind has been devised. For details of the Bessel beam, see (1) Durnin: J.M. Opt. Soc. Am.
A4 (1987) 651. (2) Uehara: Applied physics (19
90) 746 and the like.

【0011】図12は基本的なベッセルビームを発生す
る光学系の一従来例を示す。この光学系は、半導体レー
ザ素子11、コリメートレンズ12及び円錐レンズであ
るアキシコン13によって構成されている。以下にその
動作を説明する。
FIG. 12 shows a conventional example of an optical system for generating a basic Bessel beam. This optical system includes a semiconductor laser element 11, a collimator lens 12, and an axicon 13 which is a conical lens. The operation will be described below.

【0012】半導体レーザ11から出射された球面波の
レーザ光Aはコリメートレンズ12により平面波に変換
された後、アキシコン13に入射する。アキシコン13
では、光軸14を含む面内で切った断面でみると光軸1
4で区画される半平面における、光を屈折する効果を有
する面の稜線B’,B”を表す曲線はそれぞれ直線から
なり、屈折後の光の進行方向は光軸からの高さによらず
一定である。即ち、屈折後の光は平面波A’,A”とな
り、光軸で区画される2つの半平面でそれぞれ進行方向
が異なることになる。
The laser light A of the spherical wave emitted from the semiconductor laser 11 is converted into a plane wave by the collimator lens 12 and then enters the axicon 13. Axicon 13
In the section taken along the plane including the optical axis 14, the optical axis 1
Curves representing the ridges B 'and B "of the surface having the effect of refracting light in the half plane defined by 4 are straight lines, and the traveling direction of the light after refraction is independent of the height from the optical axis. That is, the refracted light becomes plane waves A ′ and A ″, and the traveling directions of the two half planes defined by the optical axis are different.

【0013】屈折する面を表す関数は光軸に対し回転対
称であるので、光軸を含む断面内で考えれば良い。この
断面内では、アキシコン13の屈折する面を表す関数は
光軸で交わる傾きの異なる2つの直線であり、光軸上に
於いて関数論的な意味で不連続となる。
Since the function representing the surface to be refracted is rotationally symmetric with respect to the optical axis, it may be considered in a section including the optical axis. In this cross section, the function representing the refracting surface of the axicon 13 is two straight lines intersecting at the optical axis and having different inclinations, and is discontinuous in the functional axis on the optical axis.

【0014】なお、図13はアキシコン13を光軸14
方向からみた図であり、図中の線は等高線を示してい
る。アキシコン13の断面形状は、下記(3)式で表さ
れる。
In FIG. 13, the axicon 13 is shown with an optical axis 14
FIG. 3 is a diagram viewed from a direction, and lines in the figure indicate contour lines. The cross-sectional shape of the axicon 13 is represented by the following equation (3).

【0015】Z=±αr+β …(3) 但し、Z:光軸方向の距離 r:光軸に垂直な方向の距離 α,β:正の定数 上記の断面形状故、図12に示すように、アキシコン1
3を出射したレーザビームは、光軸14で区画される半
平面内では稜線B’により屈折され、光軸14に対し角
度θで交差する方向に進む平面波A’となる。同様に、
光軸14で区画される反対側の半平面内では稜線B”に
より屈折され、光軸14に対しやはり角度θで交差する
方向に進む平面波A”となる。但し、平面波A”の進行
方向は光軸に対し平面波A’と軸対称の方向である。
Z = ± αr + β (3) However, Z: distance in the optical axis direction r: distance in the direction perpendicular to the optical axis α, β: positive constants Due to the above cross-sectional shape, as shown in FIG. Axicon 1
The laser beam emitted from 3 is refracted by the ridgeline B ′ in a half plane defined by the optical axis 14, and becomes a plane wave A ′ traveling in a direction crossing the optical axis 14 at an angle θ. Similarly,
In the opposite half plane defined by the optical axis 14, the plane wave A ″ is refracted by the ridge line B ″ and travels in a direction that also crosses the optical axis 14 at an angle θ. However, the traveling direction of the plane wave A ″ is a direction axially symmetric with the plane wave A ′ with respect to the optical axis.

【0016】ホログラムを用いることによっても上記ア
キシコン13と光学的に等価な光学素子を作ることがで
きる。図14(a)、(b)、(c)はホログラムを用い
た光学素子をそれぞれ示す。
By using a hologram, an optical element optically equivalent to the axicon 13 can be produced. 14A, 14B, and 14C show optical elements using holograms, respectively.

【0017】即ち、図14(a)のように、フレネルレ
ンズと同様、屈折面の厚さを光路差が波長λの1/2に
なる毎に基準面17に戻せば良い。この場合、同図
(a)に示すように、断面が鋸歯状の厚みを持ったホロ
グラム16となる。
That is, as shown in FIG. 14A, similarly to the Fresnel lens, the thickness of the refracting surface may be returned to the reference surface 17 every time the optical path difference becomes 1/2 of the wavelength λ. In this case, the hologram 16 has a sawtooth-shaped cross section as shown in FIG.

【0018】より単純なホログラムとして、同図
(b)、(c)に示すものが考えられる。同図(b)に
示すものでは、フレネルの帯板のように光路差が波長λ
の1/2になる半径を周期として厚さを変えており、同
図(c)に示すものでは、光路差が波長λの1/2にな
る半径を周期として透過率を反転している。即ち、透過
部と非透過部をこの周期で交互に設けている。同図
(b)、(c)の場合、ホログラム16は同心円の集ま
りになることは明らかである。なお、同図(b)、
(c)において、同図(a)と対応する部分には同一の
符号を付してある。
As a simpler hologram, the holograms shown in FIGS. 2B and 2C can be considered. In the case shown in FIG. 6B, the optical path difference is equal to the wavelength λ like a Fresnel strip plate.
The thickness is changed with a radius of 1/2 of the cycle as a cycle, and in the example shown in FIG. 7C, the transmittance is inverted with a radius of 1/2 of the wavelength λ as a cycle. That is, the transmissive portion and the non-transmissive portion are alternately provided in this cycle. In the cases of FIGS. 2B and 2C, it is clear that the hologram 16 is a set of concentric circles. In addition, FIG.
In (c), parts corresponding to those in (a) of the figure are designated by the same reference numerals.

【0019】図15はアキシコン13と光学的に等価な
ホログラム16を光軸4方向からみた図である。この場
合、ホログラム16を出射した光の進行方向は光軸4に
垂直な方向のどの位置でも同じになるので、ホログラム
16のパターンは光軸4に垂直な方向で等ピッチの同心
円の集合したものになる。
FIG. 15 is a view of the hologram 16 which is optically equivalent to the axicon 13 as seen from the optical axis 4 direction. In this case, since the traveling direction of the light emitted from the hologram 16 is the same at any position in the direction perpendicular to the optical axis 4, the pattern of the hologram 16 is a set of concentric circles of equal pitch in the direction perpendicular to the optical axis 4. become.

【0020】図12に示す光学系では、光軸14を含む
断面でみた、光軸14に対し垂直な方向の電界分布は、
上記平面波A’、A”が互いに干渉して第1種0次ベッ
セル関数に比例するベッセルビームが形成される。
In the optical system shown in FIG. 12, the electric field distribution in the direction perpendicular to the optical axis 14 as seen in a cross section including the optical axis 14 is
The plane waves A ′ and A ″ interfere with each other to form a Bessel beam proportional to the 0th-order Bessel function of the first kind.

【0021】図16は、この基本的なベッセルビームと
ガウスビームの光軸方向で見た集光スポット径の変化
を、スポット径が40μmのビームの場合を例にとっ
て、対比して示しており、図中(1)はベッセルビーム
を、(2)はガウスビームをそれぞれ表している。ま
た、表1は図16で示される両ビームの光軸方向におけ
る具体的なスポット径を示している。
FIG. 16 shows the changes in the focused spot diameters of the basic Bessel beam and the Gaussian beam as seen in the optical axis direction, in comparison with the case of a spot diameter of 40 μm. In the figure, (1) represents a Bessel beam, and (2) represents a Gaussian beam. Further, Table 1 shows specific spot diameters in the optical axis direction of both beams shown in FIG.

【0022】[0022]

【表1】 [Table 1]

【0023】なお、表1中のガウスビームの焦点深度は
上記(2)式に基づいて計算した。また、ベッセルビー
ムの場合の焦点深度も、ガウスビームと同様に、スポッ
ト径が最小になる位置におけるビームの中心強度に対
し、ビ一ムの中心強度が80%以上である範囲と定義さ
れる(図4の△θ=0のグラフより中心強度が80%以
上である範囲を実測した)。
The depth of focus of the Gaussian beam in Table 1 was calculated based on the above equation (2). In addition, the depth of focus in the case of a Bessel beam is also defined as a range in which the central intensity of the beam is 80% or more with respect to the central intensity of the beam at the position where the spot diameter is the minimum (similar to the Gaussian beam). The range in which the central intensity is 80% or more was measured from the graph of Δθ = 0 in FIG. 4).

【0024】図16から明かなように、ベッセルビーム
では、光軸方向(mm)の位置にかかわらず、集光スポ
ット径は40μmと一定であるの対し、ガウスビームで
は集光スポット径が40μmである領域は、光軸方向が
150mmの極限られた領域になっている。従って、この
点及び表1中に示す数値からも明かなように、ベッセル
ビームでは、ガウスビームよりも焦点深度を格段に大き
く(深く)できることがわかる。
As is apparent from FIG. 16, in the Bessel beam, the focused spot diameter is constant at 40 μm regardless of the position in the optical axis direction (mm), whereas in the Gaussian beam, the focused spot diameter is 40 μm. In some areas, the optical axis direction is
It is an extremely limited area of 150 mm. Therefore, as is clear from this point and the numerical values shown in Table 1, it can be seen that the Bessel beam can have a significantly larger (deeper) depth of focus than the Gaussian beam.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のベッ
セルビームでは、アキシコン13の動径方向における光
強度は、図17に示すようになり、動径方向において、
多数の副ピークを持っている。
By the way, in the above Bessel beam, the light intensity in the radial direction of the axicon 13 is as shown in FIG.
It has many sub-peaks.

【0026】このため、中央スポットの強度は全光強度
の数%程度であるのが普通である。
For this reason, the intensity of the central spot is usually about several percent of the total light intensity.

【0027】それ故、上記のようなベッセルビームを発
生するレーザビーム発生装置は、レーザ加工機等のよう
に、副ピークは不要で中央スポットのピーク強度のみが
高いことが要求される機器に用いることができなかっ
た。一般に、レーザビームでは焦点深度と中央スポット
のピーク強度とはトレードオフの関係があり、完全に両
立させることはできないためベッセルビームのままで中
央スポットのピーク強度をガウスビーム並に高くするこ
とは不可能である。
Therefore, the laser beam generator for generating a Bessel beam as described above is used for a device such as a laser beam machine, which is not required to have a sub-peak and requires only a high peak intensity of the central spot. I couldn't. In general, there is a trade-off relationship between the depth of focus and the peak intensity of the central spot in a laser beam, and it is not possible to achieve both at the same time. It is possible.

【0028】レーザビーム発生装置を多くの用途、例え
ばレーザ加工機、レーザプリンタ、光ピックアップ及び
バーコードリーダ等の機器に応用する場合は、焦点深度
はベッセルビーム程深くする必要はなく、従来のガウス
ビームよりやや深いだけで非常に有用な結果が得られ
る。即ち、これらの機器に応用するには、焦点深度を深
くするよりもむしろ中央ピークの強度が高く、副ピーク
が無いことの方が、加工能力を高めたり、検出精度の向
上等を図る上で望ましいからである。よって、上記のベ
ッセルビームは、この点で問題点を有していた。
When the laser beam generator is used in many applications, such as laser beam machines, laser printers, optical pickups, and bar code readers, the focal depth does not need to be as deep as the Bessel beam, and the conventional Gaussian beam is used. Just a little deeper than the beam gives very useful results. That is, in order to apply to these devices, the intensity of the central peak is higher than the depth of focus, and the absence of the sub-peak is more effective in improving the processing capability and the detection accuracy. This is because it is desirable. Therefore, the above-described Bessel beam has a problem in this point.

【0029】本発明はこのような現状に鑑みてなされた
ものであり、焦点深度を或る程度確保した上で、副ピー
クの発生を抑止でき、中央スポットのピークの強度を高
くできる新規なレーザビーム発生用光学素子及びこのレ
ーザビーム発生用光学素子を備えたレーザビーム発生装
置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a novel laser capable of suppressing the occurrence of a sub-peak and increasing the intensity of the central spot peak while securing a certain depth of focus. An object of the present invention is to provide a beam generation optical element and a laser beam generation device including the laser beam generation optical element.

【0030】[0030]

【課題を解決するための手段】本発明のレーザビーム発
生用光学素子は、光軸を含む任意の面内において、該光
軸により区画される半平面内のビームが該光軸外でそれ
ぞれ収束するように該ビームを出射する光学素子で構成
されており、そのことにより上記目的が達成される。
In the optical element for generating a laser beam according to the present invention, in an arbitrary plane including the optical axis, beams within a half plane defined by the optical axis converge outside the optical axis. As described above, the above-mentioned object is achieved by the optical element which emits the beam.

【0031】好ましくは、前記光学素子がレンズであ
り、該レンズの光軸を含む任意断面における該光軸で区
画される半平面内の稜線を表す曲線が、非線形関数であ
り、かつ該曲線が該光軸で非連続である。
Preferably, the optical element is a lens, and a curve representing a ridgeline in a half plane defined by the optical axis in an arbitrary section including the optical axis of the lens is a non-linear function, and the curve is It is discontinuous on the optical axis.

【0032】また、好ましくは、前記光学素子が前記レ
ンズと光学的に等価なホログラムである。
Preferably, the optical element is a hologram which is optically equivalent to the lens.

【0033】また、本発明のレーザビーム発生装置は、
請求項1〜請求項3記載のいずれかの光学素子を備えて
おり、そのことにより上記目的が達成される。
The laser beam generator of the present invention is
The optical element according to any one of claims 1 to 3 is provided, whereby the above object is achieved.

【0034】ここで、光学素子がレンズである場合、そ
の稜線の関数としては、例えば3次以上の高次関数で、
かつ非連続な関数を用いることができる。
Here, when the optical element is a lens, the function of the ridge is, for example, a higher-order function of the third order or higher,
And a discontinuous function can be used.

【0035】以下、図1を参照しつつ作用について説明
する。
The operation will be described below with reference to FIG.

【0036】図12に示されるような通常のベッセルビ
ームの場合、長焦点レーザビーム(以下ガウスビームに
比べて焦点深度の大きいレーザビームを長焦点レーザビ
ームと称する)を形成する光束は光軸と交差する平行光
である。この時、光束内部の単位空間当たりの光強度は
光軸方向に見た時一定である。
In the case of an ordinary Bessel beam as shown in FIG. 12, a light beam forming a long focus laser beam (hereinafter, a laser beam having a larger depth of focus than a Gaussian beam is referred to as a long focus laser beam) is the optical axis. It is parallel light that intersects. At this time, the light intensity per unit space inside the light beam is constant when viewed in the optical axis direction.

【0037】これに対し、本発明のレーザビーム発生用
光学素子によれば、例えば、図1に示されるように、レ
ーザビームを形成する光束C’、C”が光軸4と交差
し、かつ、光軸外4で収束する光束であるため、光束
C’、C”内部の単位空間当たりの光強度は光軸方向に
向上する。即ち、このレーザビーム発生用光学素子3に
よれば、光束C’、C”が共に収束点E’、点E”に向
けて絞られた形で進行するため、単位空間当たりの光強
度をベッセルビームの場合に比べて向上できるのであ
る。従って、この収束する光束C’、C”の交差によっ
て形成される集光スポットのピーク強度も、ベッセルビ
ームの場合に比べて向上できる。
On the other hand, according to the laser beam generating optical element of the present invention, for example, as shown in FIG. 1, the light beams C ′ and C ″ forming the laser beam intersect the optical axis 4, and Since the light beams converge on the off-optical axis 4, the light intensity per unit space inside the light beams C ′ and C ″ improves in the optical axis direction. That is, according to the laser beam generating optical element 3, since the light fluxes C ′ and C ″ both travel toward the convergence points E ′ and E ″, the light intensity per unit space is It can be improved compared to the case of the beam. Therefore, the peak intensity of the converging spot formed by the intersection of the converging light fluxes C ′ and C ″ can be improved as compared with the case of the Bessel beam.

【0038】一方、レーザビーム発生用光学素子3を出
射したレーザビームは、図1に示すように2つの光束
C’、C”に分けられる。一方の光束C’は光軸4と交
差し、かつ、光軸4外の点E’に向かって収束する光束
となり、他方の光束C”は光軸4と交差し、かつ、光軸
4外の点E”に向かって収束する光束となる。ここで、
E’とE”とは光軸4に対して互いに対称な位置にある
ため、光束C’、C”は交差することになる。このた
め、互いに交差している部分では、光束C’、C”の波
面が互いに干渉して、光軸4に対し垂直な方向に第1種
0次ベッセル関数に類似した振幅分布を持つ長焦点レー
ザビームが形成される。即ち、ガウスビームに比べて焦
点深度が格段に大きなレーザビームが形成される。
On the other hand, the laser beam emitted from the laser beam generating optical element 3 is divided into two light beams C ′ and C ″ as shown in FIG. 1. One light beam C ′ intersects the optical axis 4, Further, it becomes a light beam that converges toward a point E ′ outside the optical axis 4, and the other light beam C ″ becomes a light beam that intersects the optical axis 4 and converges toward a point E ″ outside the optical axis 4. here,
Since E ′ and E ″ are symmetrical with respect to the optical axis 4, the light beams C ′ and C ″ intersect. For this reason, at the intersecting portions, the wavefronts of the light beams C ′ and C ″ interfere with each other, and the long focal point having an amplitude distribution similar to the 0th-order Bessel function of the first kind in the direction perpendicular to the optical axis 4. A laser beam is formed, that is, a laser beam having a far greater depth of focus than a Gaussian beam is formed.

【0039】このため、本発明のレーザビーム発生用光
学素子を備えたレーザビーム発生装置を用いれば、実用
上十分な焦点深度でかつ、中央スポットの強度の高いレ
ーザビームが得られる。それ故、例えば、レーザ加工機
に応用した場合は、加工物の凹凸に対応した焦点位置の
微調整をする必要がない。
Therefore, by using the laser beam generator equipped with the laser beam generating optical element of the present invention, a laser beam having a practically sufficient depth of focus and a high central spot intensity can be obtained. Therefore, for example, when applied to a laser processing machine, it is not necessary to finely adjust the focus position corresponding to the unevenness of the workpiece.

【0040】また、レーザビームプリンタに応用した場
合は、感光体の位置調節を簡素化することができる。
When applied to a laser beam printer, the position adjustment of the photoconductor can be simplified.

【0041】また、バーコードリーダに応用した場合
は、バーコードの位置が変化しても読み取り装置を動か
すことなくバーコードを読むことができる。
When applied to a bar code reader, the bar code can be read without moving the reading device even if the position of the bar code changes.

【0042】また、光ピックアップに応用した場合は、
焦点調節用の可動機構を用いることなく光ディスクの信
号を読みとることができる。
When applied to an optical pickup,
The signal of the optical disk can be read without using a movable mechanism for focus adjustment.

【0043】また、ホログラムを用いれば簡単に上記レ
ーザビーム発生用光学素子を実現することが可能であ
る。
Further, by using a hologram, it is possible to easily realize the above laser beam generating optical element.

【0044】[0044]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を参照しながら具体的に説明する。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.

【0045】(実施形態1)図1は本発明レーザビーム
発生装置の実施形態1を示す。このレーザビーム発生装
置は、半導体レーザ素子1、コリメートレンズ2及びレ
ーザビーム発生用光学素子(本発明レーザビーム発生用
光学素子)3で構成されている。
(First Embodiment) FIG. 1 shows a first embodiment of a laser beam generator according to the present invention. This laser beam generator comprises a semiconductor laser element 1, a collimator lens 2, and a laser beam generating optical element (laser beam generating optical element of the present invention) 3.

【0046】半導体レーザ素子1から出射された球面波
のレーザビームCはコリメートレンズ2により平面波に
変換された後、レーザビーム発生用光学素子3に入射す
る。レーザビーム発生用光学素子3の光を屈折する作用
を有する面、即ち出射側の面は、光軸4(z軸)を含む
平面で切った断面で見たとき、2つの稜線D’、D”で
形成されている。
The laser beam C of the spherical wave emitted from the semiconductor laser device 1 is converted into a plane wave by the collimator lens 2 and then enters the laser beam generating optical device 3. The surface of the laser beam generating optical element 3 having the function of refracting light, that is, the surface on the emission side, has two ridgelines D ′ and D ′ when viewed in a section cut by a plane including the optical axis 4 (z axis). Is formed.

【0047】ここで、一方の稜線D’で屈折された光の
進行方向の光軸4となす角θは、ベッセルビームと異な
り、光軸4からの高さrにより変化する。よって、θは
rの関数であり、以下θ(r)で表す。
Here, unlike the Bessel beam, the angle θ formed with the optical axis 4 in the traveling direction of the light refracted at the one ridge D ′ changes depending on the height r from the optical axis 4. Therefore, θ is a function of r and is represented by θ (r) below.

【0048】本発明のレーザビーム発生用光学素子3
は、光軸外で収束するようなレーザビームを形成する光
学素子である。このため、θ(r)は光軸4から離れる
ほど大きくなる。
Laser Beam Generating Optical Element 3 of the Present Invention
Is an optical element that forms a laser beam that converges off the optical axis. Therefore, θ (r) increases as the distance from the optical axis 4 increases.

【0049】図1に示す幾何学的関係により、θ(r)
は、一例として下記(4)式で表される。
From the geometrical relationship shown in FIG. 1, θ (r)
Is expressed by the following equation (4) as an example.

【0050】 θ(r)=θ0−△θ(R−r)/R …(4) 但し、R:は光学素子3の外径(半径) △θ:収束の強さを決める定数であり、r=Rの位置で
屈折されて収束点E’に向かう直線と、r=0の位置で
屈折されて収束点E’に向かう直線とがなす角度 他方の稜線D”で屈折された光においても、同様に上記
(4)式の関係が成立する。なお、稜線D”で屈折され
た光は収束点E”で収束する。また、実際の光学系は光
軸4に対して回転対称であるため、図1に示す断面以外
の光軸4を含む面でみた任意の断面についても同様に
(4)式の関係が成立する。
Θ (r) = θ 0 −Δθ (R−r) / R (4) where R: is the outer diameter (radius) of the optical element 3 Δθ: is a constant that determines the strength of convergence. , An angle formed by a straight line refracted at the position of r = R toward the convergence point E ′ and a straight line refracted at the position of r = 0 toward the convergence point E ′ In the light refracted at the other ridge D ″ Similarly, the relationship of the above formula (4) is established. Note that the light refracted at the ridge D ″ converges at the convergence point E ″. Further, the actual optical system is rotationally symmetric with respect to the optical axis 4. Therefore, the relationship of the equation (4) is similarly established for any cross section seen from a plane including the optical axis 4 other than the cross section shown in FIG.

【0051】上記の稜線D’、D”を表す関数f
(r),g(r)はそれぞれ下記(5)式、(6)式で
表され、光軸上では微分不可能な関数となる。
A function f representing the above-mentioned edge lines D'and D "
(R) and g (r) are expressed by the following equations (5) and (6), respectively, and are functions that cannot be differentiated on the optical axis.

【0052】[0052]

【数2】 [Equation 2]

【0053】[0053]

【数3】 (Equation 3)

【0054】以下に図2を参照しつつ、上記(5)、
(6)式の導出過程について説明する。図2に示す幾何
学的関係により、下記(7)式が成立する。
With reference to FIG. 2 below, the above (5),
The process of deriving the equation (6) will be described. The following equation (7) is established by the geometrical relationship shown in FIG.

【0055】θ1=π−α,θ2=θ1+θ …(7) このθは上記(2)式のθ(r)である。Θ 1 = π−α, θ 2 = θ 1 + θ (7) This θ is θ (r) in the above equation (2).

【0056】今、稜線D’に相当する曲線の関数として
下記(8)式のものを想定する。
Now, assume that the function of the curve corresponding to the ridge D'is expressed by the following equation (8).

【0057】z=f(r) …(8) この曲線の接線5は関数z=f(r)を微分すれば得ら
れるので、下記(9)式で表される。
Z = f (r) (8) Since the tangent line 5 of this curve can be obtained by differentiating the function z = f (r), it is expressed by the following equation (9).

【0058】z=f′(r)・r+m …(9) 但し、mはこの接線5とz軸との交点である。Z = f '(r) .r + m (9) where m is the intersection of the tangent line 5 and the z axis.

【0059】ここで、接線5の傾きf′(r)は、図2
に示す幾何学的関係により、下記(10)式で表され
る。
Here, the inclination f '(r) of the tangent line 5 is as shown in FIG.
It is expressed by the following equation (10) according to the geometrical relationship shown in.

【0060】f′(r)=tanα(r) …(10) ここで、屈折率をnとすると、スネルの法則より、下記
(11)式の関係が成立する。
F ′ (r) = tan α (r) (10) Here, assuming that the refractive index is n, the following equation (11) is established according to Snell's law.

【0061】nsinθ1=sinθ2 …(11) この(11)式に上記(7)式の関係を代入すると、下
記(12)式が成立する。
N sin θ 1 = sin θ 2 (11) When the relationship of the above equation (7) is substituted into this equation (11), the following equation (12) is established.

【0062】 nsin(π−α)=sin(π−α+θ) …(12) (12)式を整理すると、下記(13)式になる。Nsin (π−α) = sin (π−α + θ) (12) When formula (12) is rearranged, the following formula (13) is obtained.

【0063】 nsinα=sin(α−θ) …(13) また、α=α(r),θ=θ(r)であるから、(1
3)式は下記(14)式に書き改められる。
Nsin α = sin (α−θ) (13) Since α = α (r) and θ = θ (r), (1
Equation (3) can be rewritten as equation (14) below.

【0064】 nsinα(r)=sin{α(r)−θ(r)} =sinα(r)cosθ(r)−cosα(r)sinθ (r) …(14) (14)式の両辺をsinα(r)で割ると、下記(1
5a),(15b)式が成立する。
Nsinα (r) = sin {α (r) −θ (r)} = sinα (r) cosθ (r) −cosα (r) sinθ (r) (14) (14) Both sides of the formula are sinα. Dividing by (r) gives (1
Expressions 5a) and (15b) are established.

【0065】 n=cosθ(r)−{tanα(r)}-1・sinθ(r) …(15a) {n−cosθ(r)}/sinθ(r)=−{tanα(r)}-1 …(15b) よって、 tanα(r)=−sinθ(r)/{n−cosθ(r)} …(16) となる。N = cos θ (r) − {tan α (r)} −1 · sin θ (r) (15a) {n-cos θ (r)} / sin θ (r) = − {tan α (r)} −1 (15b) Therefore, tan α (r) = − sin θ (r) / {n−cos θ (r)} (16)

【0066】(16)式に上記(10)式の関係を代入
すると、下記(17)式が成立する。
Substituting the relationship of the above equation (10) into the equation (16), the following equation (17) is established.

【0067】 f′(r)=−sinθ(r)/{n−cosθ(r)} …(17) よって、稜線D’は、上記(17)式を積分した、上記
(5)式で表される関数となる。
F ′ (r) = − sin θ (r) / {n−cos θ (r)} (17) Therefore, the ridge line D ′ is represented by the above formula (5) by integrating the above formula (17). Is a function that is

【0068】同様に、稜線D”は、上記(6)式で表さ
れる。
Similarly, the ridgeline D ″ is represented by the above equation (6).

【0069】ここで、θ(r)の与えかたによっては、
式中の不定積分が実行できない場合があるが、その場合
には、数値積分を行うことによつて、関数の形が決定で
きる。
Here, depending on how θ (r) is given,
In some cases, the indefinite integral in the formula cannot be executed. In that case, the form of the function can be determined by performing the numerical integration.

【0070】一例として、s=△θ/R,t=θ0−△
θ,θ(r)=sr+tとおくと、上記f(r)は、下
記(18)式に書き改められる。
As an example, s = Δθ / R, t = θ 0 −Δ
When θ and θ (r) = sr + t are set, the above f (r) can be rewritten as the following equation (18).

【0071】 f(r)=−(1/s)・log{n−cos(sr+t)}+c …(18 ) ここで、f(0)=z0とすると、下記(19)式が成
立する。
F (r) = − (1 / s) · log {n−cos (sr + t)} + c (18) Here, when f (0) = z 0 , the following formula (19) is established. .

【0072】 f(0)=z0=−(1/s)・log(n−cost)+c …(19) よって、積分定数cは下記(20)式で表される。F (0) = z 0 = − (1 / s) · log (n−cost) + c (19) Therefore, the integration constant c is expressed by the following equation (20).

【0073】 c=z0+(1/s)・log(n−cost) …(20) 従って、上記(5)式は下記(21)式に書き改められ
る。
C = z 0 + (1 / s) · log (n-cost) (20) Therefore, the above equation (5) can be rewritten as the following equation (21).

【0074】 z=f(r)=−(1/s)・log{n−cos(sr+t)} +(1/s)・log(n−cost)+z0 …(21) なお、図3はレーザビーム発生用光学素子3を光軸4方
向からみた図であり、中心が不連続で、その他の部分が
連続な曲面になっている。また、図中の線は等高線であ
る。
Z = f (r) = − (1 / s) · log {n-cos (sr + t)} + (1 / s) · log (n-cost) + z 0 (21) FIG. 3 shows It is the figure which looked at the optical element 3 for laser beam generation from the direction of the optical axis 4, and the center is discontinuous and the other part is a continuous curved surface. The lines in the figure are contour lines.

【0075】さて、上記形状の屈折面を有するレーザビ
ーム発生用光学素子3を出射したレーザビームは、図1
に示すように2つの光束C’、C”に分けられる。一方
の光束C’は光軸4と交差し、かつ、光軸4外の点E’
に向かって収束する光束となり、他方の光束C”は光軸
4と交差し、かつ、光軸4外の点E”に向かって収束す
る光束となる。ここで、E’とE”とは光軸4に対して
互いに対称な位置にあるため、光束C’、C”は交差す
ることになる。このため、互いに交差している部分で
は、光束C’、C”の波面が互いに干渉して、光軸4に
対し垂直な方向に第1種0次ベッセル関数に類似した振
幅分布を持つ長焦点レーザビームが形成される。即ち、
ガウスビームに比べて焦点深度が格段に大きなレーザビ
ームが形成される。
Now, the laser beam emitted from the laser beam generating optical element 3 having the refracting surface having the above-mentioned shape is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, it is divided into two light beams C ′ and C ″. One light beam C ′ intersects the optical axis 4 and is located at a point E ′ outside the optical axis 4.
The other light flux C ″ is a light flux that converges toward the optical axis 4 and the other light flux C ″ intersects the optical axis 4 and converges toward a point E ″ outside the optical axis 4. Here, since E ′ and E ″ are symmetrical to each other with respect to the optical axis 4, the light beams C ′ and C ″ intersect. For this reason, at the intersecting portions, the wavefronts of the light beams C ′ and C ″ interfere with each other, and the long focal point having an amplitude distribution similar to the 0th-order Bessel function of the first kind in the direction perpendicular to the optical axis 4. A laser beam is formed, i.e.
A laser beam having a far greater depth of focus than a Gaussian beam is formed.

【0076】ここで、上記レーザビーム発生用光学素子
3により集光スポットのピーク強度が向上する理由につ
いて説明する。図12に示されるような通常のベッセル
ビームの場合、長焦点レーザビームを形成する光束は光
軸と交差する平行光である。この時、光束内部の単位空
間当たりの光強度は光軸方向に見た時一定である。
Here, the reason why the peak intensity of the focused spot is improved by the laser beam generating optical element 3 will be described. In the case of an ordinary Bessel beam as shown in FIG. 12, the light flux forming the long focus laser beam is parallel light intersecting the optical axis. At this time, the light intensity per unit space inside the light beam is constant when viewed in the optical axis direction.

【0077】これに対し、本発明のレーザビーム発生用
光学素子3では、図1に示されるように、長焦点レーザ
ビームを形成する光束C’、C”が光軸4と交差し、か
つ、光軸外4で収束する光束であるため、光束C’、
C”内部の単位空間当たりの光強度は光軸方向に向上す
る。即ち、このレーザビーム発生用光学素子3によれ
ば、光束C’、C”が共に収束点E’、点E”に向けて
絞られた形で進行するため、単位空間当たりの光強度を
ベッセルビームの場合に比べて向上できるのである。従
って、この収束する光束C’、C”の交差によって形成
される集光スポットのピーク強度も、ベッセルビームの
場合に比べて向上できる。
On the other hand, in the laser beam generating optical element 3 of the present invention, as shown in FIG. 1, the light beams C ′ and C ″ forming the long focus laser beam intersect the optical axis 4, and Since the light beam converges on the off-axis axis 4, the light beam C ′,
The light intensity per unit space inside C ″ is improved in the optical axis direction. That is, according to this laser beam generating optical element 3, both the light fluxes C ′ and C ″ are directed toward the convergence point E ′ and the point E ″. The light intensity per unit space can be improved as compared with the case of the Bessel beam because it travels in a narrowed state. The peak intensity can also be improved compared to the case of the Bessel beam.

【0078】集光スポットのピーク強度を具体的に数値
計算した例を以下に示す。レーザビーム発生用光学素子
3のビーム発生開口部からの光束を上記(5)式、
(6)式で示すような形で光軸4外に収束させる場合を
考える。この時、ビーム発生開口部での動径方向の振幅
分布U(r)は下記(22)式で表される。
An example of numerical calculation of the peak intensity of the focused spot is shown below. The luminous flux from the beam generating opening of the laser beam generating optical element 3 is expressed by the above formula (5),
Consider a case where the light is converged to the outside of the optical axis 4 in the form shown by the equation (6). At this time, the amplitude distribution U (r) in the radial direction at the beam generating aperture is expressed by the following equation (22).

【0079】 U(r)=J0{β(r)・r} …(22) 但し、β(r)=(2π/λ)sinθ(r) この開口部での動径方向の振幅分布U(r)を下記(2
3)式で示されるフレネル積分を行い、下記(24)式
で表される、光軸方向に見た集光スポットのピーク強度
Iの変化をシミュレーションした。
U (r) = J 0 {β (r) · r} (22) where β (r) = (2π / λ) sin θ (r) Amplitude distribution U in the radial direction at this opening (R) below (2
Fresnel integration represented by the equation (3) was performed to simulate a change in the peak intensity I of the focused spot viewed in the optical axis direction, represented by the following equation (24).

【0080】[0080]

【数4】 (Equation 4)

【0081】但し、A:定数 k=2π/λ r:z=0における動径座標を表す ρ:z=zにおける動径座標を表す i:虚数 I(z,ρ)=|E(z,ρ)|2 …(24) なお、上記(22)式及び(23)式は、”A.J.C
ox and Joseph D′Anna;Opt.
Lett.Vol.17,No.4(1922)232”に記
載されているので、ここでは具体的な説明は省略する。
However, A: constant k = 2π / λ r: radial coordinate at z = 0 ρ: radial coordinate at z = z i: imaginary number I (z, ρ) = | E (z, ρ) | 2 (24) In addition, the above equations (22) and (23) are expressed by “A.J.C.
ox and Joseph D'Anna; Opt.
Lett. Vol. 17, No. 4 (1922) 232 ″, so a detailed description is omitted here.

【0082】図4は上記のシュミレーションの結果を示
す。図4より、ベッセルビームを形成する場合のよう
に、光束が平行光(△θ=0)である場合に比ベ、光束
の収束の度合い(△θ)が大きくなるにつれて、集光ス
ポットのピーク強度が向上していることがわかる。
FIG. 4 shows the result of the above simulation. From FIG. 4, as compared with the case where the light flux is parallel light (Δθ = 0) as in the case of forming a Bessel beam, the peak of the focused spot increases as the degree of convergence of the light flux (Δθ) increases. It can be seen that the strength is improved.

【0083】例えば、△θ=0、即ちベッセルビームの
ピーク強度に比べて、△θ=3θ0/4の長焦点レーザ
ビームの中央スポットのピーク強度は約9倍に向上す
る。この時の長焦点レーザビームの光軸に垂直な方向の
強度分布は図5に示すようになり、図12の従来のベッ
セルビームの強度分布に類似しているが、光軸4から離
れた位置において不必要な副ピークが抑制されているこ
とがわかる。
[0083] For example, △ θ = 0, i.e., as compared to the peak intensity of the Bessel beam, △ theta = peak intensity of the central spot of the long focal laser beam 3q 0/4 is increased about 9 times. The intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis of the long focus laser beam at this time is as shown in FIG. 5, which is similar to the intensity distribution of the conventional Bessel beam of FIG. 12, but at a position away from the optical axis 4. It can be seen that the unnecessary sub-peak is suppressed in.

【0084】次に、図6に従いこのようなレーザビーム
発生装置をレーザビーム加工機に用いた場合の効果につ
いて説明する。ここで、実際に利用される焦点深度はレ
ーザビームを照射する対象物106の凹凸107の大きさと厚
さdの合計に対応する深さがあればで十分であり、必ず
しもビーム発生開口部から対象物106までのすべての光
路である必要は無い。従って、幾何光学的に決まる長焦
点レーザビームの領域の中でビーム発生開口部から離れ
た領域、即ち照射する対象物の近傍に長焦点レーザビー
ムが形成できればよい。
Next, the effect of using such a laser beam generator in a laser beam processing machine will be described with reference to FIG. Here, the depth of focus actually used only needs to be a depth corresponding to the sum of the size and the thickness d of the unevenness 107 of the object 106 to be irradiated with the laser beam. Not all light paths to object 106 need be. Therefore, it is only necessary that a long-focus laser beam can be formed in a region distant from the beam generating aperture in the region of the long-focus laser beam determined geometrically, that is, in the vicinity of the irradiation target.

【0085】このため、焦点深度は上述のベッセルビー
ムほどの大きさは必要としない。一方、本発明のレーザ
ビーム発生用光学素子3により形成されるレーザビーム
の焦点深度は、ガウスビームに比べて格段に大きい。こ
のため、本発明によれば、図6(b)に示すように、加
工対象物106の凹凸107と厚さdの合計に対応する焦点深
度を十分に確保することができる。よって、加工時に光
学系の焦点位置を微調整する必要がない。また、ベッセ
ルビームに比べて中央スポットの光強度を大きくできる
ので、その分、加工効率を向上できる利点がある。
Therefore, the depth of focus does not need to be as large as the Bessel beam described above. On the other hand, the depth of focus of the laser beam formed by the laser beam generating optical element 3 of the present invention is significantly larger than that of the Gaussian beam. Therefore, according to the present invention, as shown in FIG. 6B, it is possible to sufficiently secure the depth of focus corresponding to the total of the unevenness 107 and the thickness d of the processing object 106. Therefore, there is no need to finely adjust the focal position of the optical system during processing. Further, since the light intensity of the central spot can be increased as compared with the Bessel beam, there is an advantage that the processing efficiency can be improved accordingly.

【0086】ここで、本実施形態の場合、レーザ加工機
に必要なピーク強度が8であるとして、△θ=3θ0
4のものを用いた。本光学素子による集光スポット径は
40μmであった。通常のガウスビームであれば焦点深
度は1.48mmとなる筈であるが、本発明の光学素子
を用いることにより焦点深度は9mmと、6倍以上深い
光学系を実現できた。また、中央スポットのピーク強度
はベッセルビームの〜9倍が得られた。
Here, in the case of this embodiment, assuming that the peak intensity required for the laser processing machine is 8, Δθ = 3θ 0 /
4 was used. The focused spot diameter by this optical element was 40 μm. A normal Gaussian beam should have a focal depth of 1.48 mm, but by using the optical element of the present invention, a focal depth of 9 mm, which is 6 times deeper or more, could be realized. Further, the peak intensity of the central spot was up to 9 times that of the Bessel beam.

【0087】なお、本実施形態1のレーザビーム発生装
置を、レーザプリンタ、光ピックアップ及びバーコード
リーダ等の他の機器に応用する場合においても、微調整
が不要になったり、可動機構が不要になる、といった利
点がある。
Even when the laser beam generator of the first embodiment is applied to other devices such as a laser printer, an optical pickup and a bar code reader, fine adjustment becomes unnecessary and a movable mechanism becomes unnecessary. There is an advantage such as.

【0088】(実施形態2)図7は本発明レーザビーム
発生装置の実施形態2を示す。この実施形態2では、レ
ーザビーム発生用光学素子として、上記のレーザビーム
発生用光学素子3と光学的に等価なホログラム3’を使
用しており、その他の構成については図1と同様であ
る。従って、対応する部分に同一の符号を付し、具体的
な説明については省略する。
(Second Embodiment) FIG. 7 shows a second embodiment of the laser beam generator according to the present invention. In the second embodiment, a hologram 3'which is optically equivalent to the laser beam generating optical element 3 is used as the laser beam generating optical element, and the other configurations are the same as those in FIG. Therefore, corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0089】なお、図8はこのホログラム3’を光軸4
方向からみた図であり、このホログラム3’では、ホロ
グラム3’を出射した光の進行方向は、光軸4に垂直な
方向の各位置で異なり、光軸4から離れるほど回折角は
大きくなる。このため、ホログラム3’のパターンは、
光軸4方向にピッチが小さくなる同心円の集まりになっ
ている。
It should be noted that FIG. 8 shows this hologram 3'as an optical axis 4
In the hologram 3 ′, the traveling direction of the light emitted from the hologram 3 ′ is different at each position in the direction perpendicular to the optical axis 4, and the diffraction angle increases as the distance from the optical axis 4 increases. Therefore, the pattern of hologram 3'is
It is a collection of concentric circles whose pitch decreases in the direction of the optical axis 4.

【0090】このようなホログラム3’を作製する方法
としては、上記のベッセルビームを形成するアキシコン
13と等価なホログラムを作る方法をそのまま適用する
ことができる。即ち、屈折面の厚さを光路差が波長の1
/2になる毎に基準面に戻す方法により、断面が鋸歯状
の厚みを持ったホログラム、または、光路差が波長の1
/2になる半径を周期として透過率を反転するか、厚さ
を変えて作成したホログラムを用いれば良い。
As a method of producing such a hologram 3 ', the method of producing a hologram equivalent to the axicon 13 for forming the above Bessel beam can be applied as it is. That is, the thickness of the refracting surface is equal to 1
A hologram with a sawtooth-shaped cross section or an optical path difference of 1 wavelength
The transmittance may be inverted with a radius of / 2 as the period, or a hologram formed by changing the thickness may be used.

【0091】本実施形態2においても、中央スポットの
光強度がベッセルビームよりも大きく、かつ焦点深度が
ガウスビームに比べて格段に大きいレーザビームを形成
することができるので、上記実施形態1同様の効果を奏
することができる。
Also in the second embodiment, it is possible to form a laser beam in which the light intensity of the central spot is larger than that of the Bessel beam and the depth of focus is significantly larger than that of the Gaussian beam. It is possible to exert an effect.

【0092】[0092]

【発明の効果】以上のように、本発明のレーザビーム発
生用光学素子を用いれば、焦点深度が大きく、かつ中央
スポットの光強度が大きいレーザビームを得ることがで
きる。
As described above, by using the laser beam generating optical element of the present invention, it is possible to obtain a laser beam having a large depth of focus and a large light intensity at the central spot.

【0093】このため、このレーザビーム発生用光学素
子を備えたレーザビーム発生装置を、例えば、レーザ加
工機に応用した場合は、加工物の凹凸に対応した焦点位
置の微調整をする必要がない。即ち、煩わしい調整作業
が不要になる。また、中央ピークの高いレーザビームが
得られる。この結果、加工効率の優れたレーザ加工機を
実現できる。
Therefore, when the laser beam generator equipped with this laser beam generating optical element is applied to, for example, a laser beam machine, it is not necessary to finely adjust the focal position corresponding to the unevenness of the workpiece. . That is, the troublesome adjustment work becomes unnecessary. Further, a laser beam having a high center peak can be obtained. As a result, a laser processing machine with excellent processing efficiency can be realized.

【0094】また、レーザビームプリンタに応用する場
合は、感光体の位置調節を簡素化することができる利点
がある。
When applied to a laser beam printer, there is an advantage that the position adjustment of the photoconductor can be simplified.

【0095】また、バーコードリーダに応用する場合
は、バーコードの位置が変化しても読み取り装置を動か
すことなくバーコードを読むことができる利点がある。
When applied to a bar code reader, there is an advantage that the bar code can be read without moving the reading device even if the position of the bar code changes.

【0096】また、光ピックアップに応用する場合は、
焦点調節用の可動機構が不要になるので、コストダウン
と装置構成の簡潔化が図れる。
When applied to an optical pickup,
Since a movable mechanism for focus adjustment is not necessary, cost reduction and simplification of the device configuration can be achieved.

【0097】また、特にホログラムでレーザビーム発生
用光学素子を構成する場合は、このレーザビーム発生用
光学素子を容易に作製できる利点がある。
In particular, when the laser beam generating optical element is composed of a hologram, there is an advantage that the laser beam generating optical element can be easily manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明レーザビーム発生装置の実施形態1を示
す模式図。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of a laser beam generator of the present invention.

【図2】図1のレーザビーム発生用光学素子の稜線を関
数の形で求めるために使用される説明図。
FIG. 2 is an explanatory view used for obtaining a ridge line of the laser beam generating optical element of FIG. 1 in a function form.

【図3】図1のレーザビーム発生用光学素子を光軸方向
からみた図。
FIG. 3 is a view of the laser beam generating optical element of FIG. 1 seen from the optical axis direction.

【図4】図1のレーザビーム発生用光学素子における集
光スポットのピーク強度と光軸方向との関係を示すグラ
フ。
4 is a graph showing the relationship between the peak intensity of a focused spot and the optical axis direction in the laser beam generating optical element of FIG.

【図5】図1のレーザビーム発生用光学素子における動
径方向で見た集光スポットの強度の変化を示すグラフ。
5 is a graph showing changes in the intensity of a focused spot viewed in the radial direction in the laser beam generating optical element of FIG.

【図6】本発明のレーザビーム発生装置をレーザ加工機
に応用した場合を示す、(a)は模式図、(b)は
(a)の部分拡大図。
6A and 6B show a case where the laser beam generator of the present invention is applied to a laser processing machine, FIG. 6A is a schematic view, and FIG. 6B is a partially enlarged view of FIG. 6A.

【図7】本発明レーザビーム発生装置の実施形態2を示
す模式図。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a second embodiment of the laser beam generator of the present invention.

【図8】図7のレーザビーム発生用光学素子を光軸方向
からみた図。
FIG. 8 is a view of the laser beam generating optical element of FIG. 7 viewed from the optical axis direction.

【図9】ガウスビームを形成する光学系を示す模式図。FIG. 9 is a schematic diagram showing an optical system that forms a Gaussian beam.

【図10】図9の光学系で使用される対物レンズを光軸
方向からみた図。
FIG. 10 is a view of an objective lens used in the optical system of FIG. 9 viewed from the optical axis direction.

【図11】ガウスビームを形成する光学系をレーザ加工
機に応用した場合を示す、(a)は模式図、(b)は
(a)の部分拡大図。
11A and 11B show a case where an optical system for forming a Gaussian beam is applied to a laser beam machine, FIG. 11A is a schematic view, and FIG. 11B is a partially enlarged view of FIG. 11A.

【図12】ベッセルビームを形成する光学系を示す模式
図。
FIG. 12 is a schematic diagram showing an optical system that forms a Bessel beam.

【図13】図11の光学系で使用されるアキシコンを光
軸方向からみた図。
FIG. 13 is a diagram of an axicon used in the optical system of FIG. 11, viewed from the optical axis direction.

【図14】(a)、(b)、(c)はそれぞれ相異な
る、アキシコンと光学的に等価なホログラムを示すそれ
ぞれ示す模式図。
14A, 14B, and 14C are schematic diagrams respectively showing holograms which are different from each other and are optically equivalent to an axicon.

【図15】アキシコンと光学的に等価なホログラムを光
軸方向からみた図。
FIG. 15 is a diagram of a hologram optically equivalent to an axicon, as viewed from the optical axis direction.

【図16】ベッセルビームとガウスビームの光軸方向に
おける集光スポットの強度の変化を示すグラフ。
FIG. 16 is a graph showing changes in the intensity of a focused spot in the optical axis directions of the Bessel beam and the Gaussian beam.

【図17】ベッセルビームを形成する光学系における集
光スポットのピーク強度と動径方向との関係を示すグラ
フ。
FIG. 17 is a graph showing the relationship between the peak intensity of the focused spot and the radial direction in the optical system that forms the Bessel beam.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体レーザ素子 2…コリメートレンズ 3…レーザビーム発生用光学素子 3’…ホログラムからなるレーザビーム発生用光学素子 4…光軸 C’,C”…光束 D’,D”…稜線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser element 2 ... Collimating lens 3 ... Optical element for laser beam generation 3 '... Optical element for laser beam generation consisting of hologram 4 ... Optical axis C', C "... Luminous flux D ', D" ... Ridge line

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光軸を含む任意の面内において、該光軸
により区画される半平面内のビームが該光軸外でそれぞ
れ収束するように該ビームを出射する光学素子からなる
レーザビーム発生用光学素子。
1. A laser beam generator comprising an optical element that emits a beam within a half plane defined by the optical axis so that the beams are converged outside the optical axis in an arbitrary plane including the optical axis. Optical element.
【請求項2】 前記光学素子がレンズであり、該レンズ
の光軸を含む任意断面における該光軸で区画される半平
面内の稜線を表す曲線が、非線形関数であり、かつ該曲
線が該光軸で非連続である請求項1記載のレーザビーム
発生用光学素子。
2. The optical element is a lens, and a curve representing a ridgeline in a half plane divided by the optical axis in an arbitrary section including the optical axis of the lens is a non-linear function, and the curve is the The laser beam generating optical element according to claim 1, wherein the optical element is discontinuous along the optical axis.
【請求項3】 前記光学素子が前記レンズと光学的に等
価なホログラムである請求項1記載のレーザビーム発生
用光学素子。
3. The laser beam generating optical element according to claim 1, wherein said optical element is a hologram optically equivalent to said lens.
【請求項4】 請求項1〜請求項3記載のいずれかの光
学素子を備えたレーザビーム発生装置。
4. A laser beam generator comprising the optical element according to any one of claims 1 to 3.
JP7077796A 1996-03-26 1996-03-26 Optical element for generating laser beam and laser beam generating device Pending JPH09258012A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002210730A (en) * 2001-01-19 2002-07-30 Tokyo Instruments Inc Method for laser-aid working
JP2007327966A (en) * 2007-07-24 2007-12-20 Fuji Xerox Co Ltd Light source module and position measuring system using it
US8873157B2 (en) 2011-09-21 2014-10-28 Konica Minolta Advanced Layers, Inc. Inner-focus zoom lens system

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Effective date: 20020612