JPH10186115A - Optical element for generating laser beam and laser beam generator - Google Patents

Optical element for generating laser beam and laser beam generator

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JPH10186115A
JPH10186115A JP34158996A JP34158996A JPH10186115A JP H10186115 A JPH10186115 A JP H10186115A JP 34158996 A JP34158996 A JP 34158996A JP 34158996 A JP34158996 A JP 34158996A JP H10186115 A JPH10186115 A JP H10186115A
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JP
Japan
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laser beam
optical axis
optical element
optical
intensity
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JP34158996A
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Takahiko Nakano
貴彦 中野
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Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam generator capable of increasing the peak intensity of a center spot while securing the depth of a focus to some extent and fixing peak intensity in the depth of the focus as much as possible. SOLUTION: A laser beam C of a spherical wave projected from a semiconductor laser element 1 is converted into a plane wave by a collimator lens 2 and made incident on a laser beam generating optical element 30. The ridge line of the element 30 is divided into four sections 31, 31, 32, 32 and the incident beam is divided into beams C1', C1" projected from the sections 31, 31 and beams C2', C2" projected from the sections 32, 32. The beams C1', C1" intersect with an optical axis and are converged on convergent points E1', E1" other than the optical axis and the beams C2', C2" also intersect with the optical axis and are converged on convergent points E2', E2" other than 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 an optical element for generating a laser beam capable of generating a laser beam having a relatively small spot diameter and a remarkably large focal depth as compared with a normal laser beam having the same spot diameter. The present invention relates to a laser beam generating device which is provided with the laser beam generating optical element and is suitable for application to devices such as a laser beam 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7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8はこの対物レンズ22を光
軸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. 7 shows an optical system for focusing a Gaussian beam. In this optical system, an objective lens 22 is used as a means for condensing the laser beam 21. FIG. 8 is a view of the objective lens 22 viewed from the optical axis direction, and the lines in the figure indicate 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 center intensity of the beam is 80% or more of the center intensity of the beam at the position where the spot diameter is minimum, the so-called depth of focus Z, is such that the spot diameter is minimized as shown in the following equation (2). It is well known that the beam diameter at a certain position (the radius of the beam at a position where the peak intensity is 1 / e 2 ) is proportional to the square of 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9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, taking the case of a laser processing machine shown in FIG. 9 as an example, as shown in FIG. 1A, a laser beam emitted from a laser beam generator 100 is:
After the optical path is changed by 90 ° by the mirror 101, the light is condensed by the objective lens 102, and the condensed spot is guided to the processing object 106 thereunder.

【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, etc.

【0011】図10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. 10 shows an example of a conventional 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11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。
FIG. 11 shows the axicon 13 connected to the 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10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) where Z: distance in the optical axis direction r: distance in the direction perpendicular to the optical axis α, β: positive constant Because of the above 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。但し、その詳細はここでは省略する。
By using a hologram, an optical element optically equivalent to the axicon 13 can be produced. However, the details are omitted here.

【0017】図10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. 10, the electric field distribution in a direction perpendicular to the optical axis 14 when viewed in a section including the optical axis 14 is as follows.
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.

【0018】図12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13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. 12 shows the change in the focused spot diameter of the basic Bessel beam and Gaussian beam as viewed in the optical axis direction in comparison with a case where the spot diameter is 40 μm. In the figure, (1) represents a Bessel beam, and (2) represents a Gaussian beam. Table 1 shows specific spot diameters in the optical axis direction of both beams shown in FIG.

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】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15中の△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 focal depth of the Gaussian beam in Table 1 was calculated based on the above equation (2). The depth of focus in the case of the Bessel beam is also defined as a range in which the center intensity of the beam is 80% or more of the center intensity of the beam at the position where the spot diameter is minimized, similarly to the Gaussian beam ( From the graph of △ θ = 0 in FIG.
%).

【0021】図12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 apparent from FIG. 12, the focused spot diameter of the Bessel beam is constant at 40 μm regardless of the position in the optical axis direction (mm), whereas the focused spot diameter of the Gaussian beam 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 understood that the depth of focus of the Bessel beam can be much larger (deeper) than that of the Gaussian beam.

【0022】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13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。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。
By the way, in the above-mentioned Bessel beam, the light intensity in the radial direction of the axicon 13 is as shown in FIG. 13, and has a number of sub-peaks in the radial direction. For this reason, the intensity of the central spot is usually about several percent of the total light intensity.

【0023】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 the above-described Bessel beam is used for an apparatus such as a laser beam machine which does not require a sub-peak and requires only a high peak intensity at the center spot. I couldn't do that. 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.

【0024】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 applied to many uses, for example, a laser processing machine, a laser printer, an optical pickup, and a bar code reader, the focal depth does not need to be as deep as the Bessel beam. Very useful results can be obtained just slightly deeper than the beam. 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.

【0025】以上の問題点を解決するものとして、本願
出願人が特願平8−70777号で先に提案したレーザ
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
素子を用いたレーザビーム発生装置がある。
In order to solve the above problems, a laser beam generating optical element proposed by the present applicant in Japanese Patent Application No. 8-70777 and a laser beam generating apparatus using the laser beam generating optical element have been proposed. There is.

【0026】図14は、このレーザビーム発生装置を示
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3で構成されている。
FIG. 14 shows this laser beam generator. This laser beam generating device includes a semiconductor laser element 1, a collimating lens 2, and an optical element 3 for generating a laser beam.

【0027】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 spherical laser beam C 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.

【0028】なお、稜線D’、D”を表す式やその導出
過程は、特願平8−70777号に記載されているが、
その内容は後述の本発明と同様であるので、ここでは省
略する。
The equations representing the ridge lines D 'and D "and the derivation process thereof are described in Japanese Patent Application No. 8-70777.
Since the contents are the same as those of the present invention described later, they are omitted here.

【0029】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
4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。
The laser beam emitted from the laser beam generating optical element 3 having the refraction surface having the above-mentioned shape is shown in FIG.
As shown in FIG. 4, the light flux is divided into two light fluxes C ′ and C ″. One light flux C ′ intersects with the optical axis 4 and converges toward a point E ′ outside the optical axis 4, and the other light flux C ′. The light beam C "intersects the optical axis 4 and converges toward a point E" outside the optical axis 4. Here, E 'and E "are symmetrical with respect to the optical axis 4. , The light beams C ′ and C ″ intersect with each other. Therefore, the wavefronts of the light beams C ′ and C ″ interfere with each other at the portion where they cross each other, and the optical axis 4
A long-focus laser beam having an amplitude distribution similar to the first-order zero-order Bessel function in the direction perpendicular to the laser beam is formed. That is, a laser beam having a significantly larger depth of focus than a Gaussian beam is formed.

【0030】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10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 laser beam generating optical element 3 improves the peak intensity of the focused spot will be described. In the case of a normal Bessel beam as shown in FIG. 10, the light beam forming the long-focus laser beam is a parallel light crossing 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.

【0031】これに対し、レーザビーム発生用光学素子
3では、図14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, as shown in FIG. 14, the light beams C ′ and C ″ forming the long focal point laser beam intersect with the optical axis 4 and are out of the optical axis. 4, the light intensity per unit space inside the light beams C ′ and C ″ is improved 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.

【0032】図15は、集光スポットのピーク強度を具
体的に数値計算したシュミレーション結果を示す。図1
5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. 15 shows the result of a simulation in which the peak intensity of the condensed spot is specifically calculated numerically. FIG.
From FIG. 5, the peak intensity of the condensed spot increases as the degree of convergence of the light beam (△ θ) increases, as compared with the case where the light beam is parallel light (△ θ = 0) as in the case of forming a Bessel beam. It can be seen that is improved.

【0033】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16に示すようになり、図13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。
[0033] 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. At this time, the intensity distribution of the long focal point laser beam in the direction perpendicular to the optical axis is as shown in FIG. 16 and is similar to the intensity distribution of the conventional Bessel beam of FIG. It can be seen that unnecessary side peaks are suppressed in the above.

【0034】次に、図17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 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.

【0035】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、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、
図17(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。
For this reason, the focal depth does not need to be as large as the above-mentioned Bessel beam. On the other hand, the depth of focus of the laser beam formed by the laser beam generating optical element 3 is much larger than that of a Gaussian beam. For this reason,
As shown in FIG. 17B, a sufficient depth of focus corresponding to the sum of the unevenness 107 and the thickness d of the processing target 106 can be secured. 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.

【0036】[0036]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本願出
願人が特願平8−70777号で先に提案したレーザビ
ーム発生装置をレーザ加工機、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、以下に示すようにまだまだ改善する余地がある。
However, the laser beam generator proposed by the present applicant in Japanese Patent Application No. 8-70777 is applied to devices such as a laser beam machine, a laser printer, an optical pickup and a bar code reader. If so, there is still room for improvement as shown below.

【0037】即ち、図15に示すように、本願出願人が
先に提案したレーザビーム発生装置では、光軸方向に見
た集光スポットのピーク強度が最大になる光軸方向の位
置の前後では光強度の変化が大きくなっている。
That is, as shown in FIG. 15, in the laser beam generator proposed earlier by the present applicant, before and after the position in the optical axis direction where the peak intensity of the condensed spot viewed in the optical axis direction becomes maximum. The change in light intensity is large.

【0038】ここで、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では、焦
点深度内のピーク強度はできるだけ一定であるほうが望
ましい。その理由は、焦点深度内のピーク強度がほぼ一
定であると、焦点位置等の微調整が不要になるからであ
る。
Here, a laser processing machine, a laser printer,
In devices such as an optical pickup and a barcode reader, it is desirable that the peak intensity within the depth of focus be as constant as possible. The reason is that if the peak intensity within the depth of focus is substantially constant, fine adjustment of the focus position and the like becomes unnecessary.

【0039】即ち、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、レーザビームプリンタに応用した場合は、感光体の
位置調整を簡素化することができる、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無くバーコードを読むことができ
る、光ピックアップに応用した場合は、焦点調整用の可
動機構を用いる必要がない、といった利点を有するから
である。
That is, when applied to a laser beam machine, there is no need to finely adjust the focal position corresponding to the unevenness of the workpiece. When applied to a laser beam printer, the position adjustment of the photosensitive member is simplified. When applied to a barcode reader, the barcode can be read without moving the reader even if the position of the barcode changes.When applied to an optical pickup, a movable mechanism for focus adjustment This is because there is an advantage that it is not necessary to use

【0040】よって、本願出願人が先に提案したレーザ
ビーム発生装置では、まだまだ改善する余地があるのが
現状である。
Therefore, at present, there is still room for improvement in the laser beam generator proposed by the present applicant.

【0041】本発明はこのような現状に鑑みてなされた
ものであり、焦点深度をある程度確保した上で、中央ス
ポットのピーク強度を高くし、かつ焦点深度内のピーク
強度をできるだけ一定に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を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is necessary to secure a certain depth of focus, increase the peak intensity of the center spot, and make the peak intensity within the depth of focus as constant as possible. To provide a laser beam generating optical element capable of performing laser beam generation, and a laser beam generating apparatus suitable for use in devices such as a laser processing machine, a laser printer, an optical pickup, and a bar code reader, including the laser beam generating optical element. With the goal.

【0042】[0042]

【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の異な
る位置でそれぞれ収束するように、該半平面内より複数
のビームを出射する光学素子からなり、そのことにより
上記目的が達成される。
According to the optical element for generating a laser beam of the present invention, in an arbitrary plane including an optical axis, a beam in a half plane defined by the optical axis is positioned at a different position outside the optical axis. The optical element emits a plurality of beams from within the half plane so as to converge in each case, thereby achieving the above object.

【0043】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が、複数の区画から構成されて
おり、該稜線の各区画の形状は、互いに異なる非線形関
数で表され、かつ各区画が互いに関数論的に非連続であ
る。
Preferably, the optical element is a lens, and a ridge in a half plane defined by the optical axis in an arbitrary cross section including the optical axis of the lens is constituted by a plurality of sections. The shape of each section is represented by a different non-linear function, and each section is functionally discontinuous with each other.

【0044】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 optically equivalent to the lens.

【0045】また、本発明のレーザビーム発生装置は、
上記いずれかの光学素子を備えてなり、そのことにより
上記目的が達成される。
Further, the laser beam generating apparatus of the present invention
Any one of the above optical elements is provided, thereby achieving the above object.

【0046】以下、図1及び図4を参照しつつ本発明の
作用について説明する。なお、図1はレーザビーム発生
用光学素子30の半平面内の稜線が2つの区画31、3
2で構成されている場合を示す。
The operation of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 shows that the ridge line in the half plane of the laser beam generating optical element 30 has two sections 31 and 3.
2 is shown.

【0047】図1に示す光学系では、区画31から出射
したレーザビームを形成する光束C1’、C1”が光軸
(Z軸)と交差し、かつ光軸外の収束点E1’、E1”
に収束している。また、区画32から出射したレーザビ
ームを形成する光束C2’、C2”は光軸と交差し、か
つ光軸外の収束点E2’、E2”に収束している。
In the optical system shown in FIG. 1, the light beams C1 'and C1 "forming the laser beam emitted from the section 31 intersect with the optical axis (Z-axis) and converge points E1' and E1" off the optical axis.
Has converged. The light beams C2 'and C2 "forming the laser beam emitted from the section 32 intersect with the optical axis and converge at convergence points E2' and E2" off the optical axis.

【0048】ここで、光束C1’、C1”の交差によっ
て形成される集光スポットの光軸方向に見た変化は、図
4に示すように強度分布(1)となる。同様に、光束C
2’、C2”の交差によって形成される集光スポットの
光軸方向に見た変化は、図4中の強度分布(2)とな
る。
Here, the change in the condensed spot formed by the intersection of the light fluxes C1 'and C1 "as viewed in the optical axis direction becomes an intensity distribution (1) as shown in FIG.
The change in the focused spot formed by the intersection of 2 ′ and C2 ″ as viewed in the optical axis direction is the intensity distribution (2) in FIG.

【0049】強度分布(1)、(2)がそれぞれのピー
ク位置が異なる位置にある時、この2つの強度分布
(1)、(2)を重ね合わせることによって、ピーク強
度が高く、かつ光軸方向の強度がほぼ一定した強度分布
(3)が得られ、本発明では、このような強度分布
(3)を得るため、上記のような構成を採用している。
When the intensity distributions (1) and (2) are located at different peak positions, the two intensity distributions (1) and (2) are superposed to provide a high peak intensity and an optical axis. An intensity distribution (3) having a substantially constant intensity in the direction is obtained. In the present invention, in order to obtain such an intensity distribution (3), the above configuration is employed.

【0050】このような強度分布(3)を有する故、図
15と比較してみれば明らかなように、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
の強度が高く、光軸方向の強度がほぼ一定な長焦点レー
ザビームが得られる。
Because of having such an intensity distribution (3), it is apparent from comparison with FIG. 15 that the use of the laser beam generating apparatus provided with the laser beam generating optical element of the present invention makes it practically practical. A long focal length laser beam having a sufficient depth of focus, a high intensity of the central spot, and a substantially constant intensity in the optical axis direction can be obtained.

【0051】この結果、例えば、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。
As a result, for example, when the laser beam generator of the present invention is applied to a laser beam machine, there is no need to finely adjust the focal position corresponding to the unevenness of the workpiece.

【0052】また、本発明のレーザビーム発生装置をレ
ーザビームプリンタに応用した場合は、感光体の位置調
整を簡素化することができる。
When the laser beam generator of the present invention is applied to a laser beam printer, the adjustment of the position of the photosensitive member can be simplified.

【0053】また、本発明のレーザビーム発生装置をバ
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無くバーコードを
読むことができる。
When the laser beam generator of the present invention is applied to a bar code reader, the bar code can be read without moving the reader even if the position of the bar code changes.

【0054】また、本発明のレーザビーム発生装置を光
ピックアップに応用した場合は、焦点調整用の可動機構
を用いること無く信号を読みとることができる。
When the laser beam generator of the present invention is applied to an optical pickup, signals can be read without using a movable mechanism for adjusting the focus.

【0055】また、レンズと光学的に等価なホログラム
を用いれば、簡単に上記のレーザビーム発生用光学素子
を作製することが可能になる。
When a hologram optically equivalent to a lens is used, the above-described laser beam generating optical element can be easily manufactured.

【0056】なお、区画の形状については、後述の実施
形態で明らかにする。
The shape of the section will be clarified in an embodiment described later.

【0057】[0057]

【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.

【0058】(実施形態1)図1及び図2は本発明のレ
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30で構成されて
いる。ここでレーザビーム発生用光学素子30は、光軸
(Z軸)を含む任意断面における光軸で区画される半平
面内の稜線が、2つの区画31、32で形成されたレン
ズで構成されている。2つの区画31、32の形状は、
互いに異なる非線形関数で表され、かつ各区画31、3
2は互いに非連続である。また、2つの半平面の稜線
は、光軸で互いに非連続になっている。即ち、図1にお
いて、2つの区画31、31も光軸において互いに非連
続になっている。なお、図2はこのレーザビーム発生用
光学素子30を光軸方向から見た状態を示している。
(Embodiment 1) FIGS. 1 and 2 show Embodiment 1 of a laser beam generator according to the present invention. This laser beam generator includes a semiconductor laser element 1, a collimating lens 2, and an optical element 30 for generating a laser beam. Here, the laser beam generating optical element 30 is configured by a lens in which a ridge line in a half plane defined by the optical axis in an arbitrary cross section including the optical axis (Z axis) is formed by two sections 31 and 32. I have. The shape of the two sections 31, 32 is
Each of the sections 31, 3 is represented by a different nonlinear function and
2 are non-continuous with each other. The ridges of the two half planes are discontinuous with each other on the optical axis. That is, in FIG. 1, the two sections 31, 31 are also discontinuous with each other in the optical axis. FIG. 2 shows the laser beam generating optical element 30 viewed from the optical axis direction.

【0059】上記構成において、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30に入射する。レーザビーム発生用光学素
子30は、上記のように4つの区画31、31、32、
32に分割されているため、入射ビームは、図1に示す
ように、区画31、31から出射される光束C1’、C
1”と、区画32、32から出射される光束C2’、C
2”に分割される。
In the above configuration, the spherical laser beam C emitted from the semiconductor laser element 1 is converted into a plane wave by the collimating lens 2 and then enters the laser beam generating optical element 30. The laser beam generating optical element 30 includes four sections 31, 31, 32,
As shown in FIG. 1, the incident beam is split into the light beams C1 ′ and C1 ′ emitted from the sections 31 and 31.
1 "and the light fluxes C2 ', C2 emitted from the sections 32, 32
2 ".

【0060】ここで、光束C1’、C1”は光軸と交差
し、かつ光軸外の収束点E1’、E1”に収束してい
る。また、光束C2’、C2”も、光軸と交差し、かつ
光軸外の収束点E2’、E2”に収束している。
Here, the light fluxes C1 'and C1 "cross the optical axis and converge at convergence points E1' and E1" outside the optical axis. The light beams C2 'and C2 "also intersect with the optical axis and converge at convergence points E2' and E2" outside the optical axis.

【0061】次に、光束C1’、C1”又は光束C
2’、C2”を形成するレーザビーム発生用光学素子3
0の稜線の具体的な形状、即ち区画31、32の稜線3
1、32を表す関数について説明する。
Next, the light flux C1 ', C1 "or the light flux C
Laser beam generating optical element 3 forming 2 ′, C2 ″
The specific shape of the ridge line 0, that is, the ridge line 3 of the sections 31 and 32
The functions representing 1 and 32 will be described.

【0062】まず、レーザビーム発生用光学素子30の
稜線は、半径R1の位置で上記2つの区画31、32に
分割されており、区画31、32の稜線31、32で屈
折された光束C1’、C2”の進行方向のZ軸(光軸)
となす角度θ31、θ32は、光軸からの距離rの関数であ
り、下記(4)式、(5)式でそれぞれ表される。
First, the ridge line of the laser beam generating optical element 30 is divided into the two sections 31 and 32 at the position of the radius R1, and the light beam C1 'refracted by the ridge lines 31 and 32 of the sections 31 and 32. , C2 ″ traveling direction Z axis (optical axis)
The angles θ 31 and θ 32 are functions of the distance r from the optical axis, and are expressed by the following equations (4) and (5).

【0063】 θ31(r)=θ1−△θ1(R−r)/R (0≦r≦R1) …(4) θ32(r)=θ2−△θ2(R−r)/R (R1≦r≦R) …(5) 但し、 R:レーザビーム発生用光学素子の外径(半径) θ1:稜線31が区画されなかった場合、r=Rで屈折
されて収束点E1’に向かう光がZ軸となす角度 θ2:稜線32が区画されなかった場合、r=Rで屈折
されて収束点E2’に向かう光がZ軸となす角度 △θ1、△θ2:収束の強さを決める定数であり、稜線
31、32がそれぞれ区画されなかった場合、r=Rの
位置で屈折されて収束点E1’、E2’に向かう直線と
r=0の位置で屈折されて収束点E1’、E2’に向か
う直線とがなす角度 上記稜線31、32を表す関数f31(r)、f32
(r)は、下記(6)式、(7)式でそれぞれ表され
る。
Θ 31 (r) = θ 1 −Δθ 1 (R−r) / R (0 ≦ r ≦ R 1) (4) θ 32 (r) = θ 2 −Δθ 2 (R−r) / R (R 1 ≦ r ≦ R) (5) where: R: outer diameter (radius) of the laser beam generating optical element θ1: when the ridgeline 31 is not sectioned, light is refracted at r = R and heads toward the convergence point E1 ′. Is the angle formed by the Z axis θ2: the angle formed by the light refracted at r = R and directed toward the convergence point E2 ′ when the ridgeline 32 is not partitioned Δθ1, Δθ2: constants that determine the intensity of convergence When the ridge lines 31 and 32 are not partitioned, respectively, the light is refracted at the position of r = R and is directed toward the convergence points E1 ′ and E2 ′ and the light is refracted at the position of r = 0 and the convergence points E1 ′ and E2 Function f31 (r), f32 representing ridgelines 31, 32 above
(R) is represented by the following equations (6) and (7).

【0064】[0064]

【数2】 (Equation 2)

【0065】上記(6)式、(7)式の導出過程は同様
であるので、以下に図3を参照しつつ(6)式の導出過
程を代表して説明する。図3に示す幾何学的関係によ
り、下記(8)式が成立する。
Since the derivation process of the above equations (6) and (7) is the same, the derivation process of the equation (6) will be described below with reference to FIG. The following equation (8) is established by the geometric relationship shown in FIG.

【0066】 θ1’=π−α’,θ2’=θ1’+θ31 …(8) 今、稜線31に相当する曲線の関数として下記(9)式
のものを想定する。
Θ 1 ′ = π−α ′, θ 2 ′ = θ 1 ′ + θ 31 (8) It is assumed that the following equation (9) is used as a function of a curve corresponding to the ridgeline 31.

【0067】z=f31(r) …(9) この曲線の接線5は関数z=f31(r)を微分すれば
得られるので、下記(10)式で表される。
Z = f31 (r) (9) Since the tangent line 5 to this curve can be obtained by differentiating the function z = f31 (r), it is expressed by the following equation (10).

【0068】 z=f′31(r)・r+m …(10) 但し、mはこの接線5とz軸との交点である。Z = f′31 (r) · r + m (10) where m is the intersection of the tangent 5 and the z-axis.

【0069】ここで、接線5の傾きf′(r)は、図3
に示す幾何学的関係により、下記(11)式で表され
る。
Here, the slope f '(r) of the tangent line 5 is calculated as shown in FIG.
Is expressed by the following equation (11) according to the geometric relationship shown in FIG.

【0070】 f′31(r)=tanα’(r) …(11) ここで、屈折率をnとすると、スネルの法則より、下記
(12)式の関係が成立する。
F′31 (r) = tanα ′ (r) (11) Here, assuming that the refractive index is n, the following equation (12) holds according to Snell's law.

【0071】 nsinθ1’=sinθ2’ …(12) この(12)式に上記(8)式の関係を代入すると、下
記(13)式が成立する。
N sin θ 1 ′ = sin θ 2 ′ (12) By substituting the relationship of the above equation (8) into the equation (12), the following equation (13) is established.

【0072】 nsin(π−α’)=sin(π−α’+θ31) …(13) (13)式を整理すると、下記(14)式になる。Nsin (π−α ′) = sin (π−α ′ + θ 31 ) (13) When the expression (13) is rearranged, the following expression (14) is obtained.

【0073】 nsinα’=sin(α’−θ31) …(14) また、α’=α’(r),θ31=θ31(r)であるか
ら、(14)式は下記(15)式に書き改められる。
Nsin α ′ = sin (α′−θ 31 ) (14) Since α ′ = α ′ (r) and θ 31 = θ 31 (r), the expression (14) is given by the following expression (15). Rewritten as an expression.

【0074】 nsinα’(r)=sin{α’(r)−θ31(r)} =sinα’(r)cosθ31(r)−cosα’(r)sinθ31(r) …(15) (15)式の両辺をsinα’(r)で割ると、下記
(16a),(16b)式が成立する。
N sin α ′ (r) = sin {α ′ (r) −θ 31 (r)} = sin α ′ (r) cos θ 31 (r) −cos α ′ (r) sin θ 31 (r) (15) ( By dividing both sides of the expression (15) by sinα ′ (r), the following expressions (16a) and (16b) are established.

【0075】 n=cosθ31(r)−{tanα’(r)}-1・sinθ31(r) …(16a) {n−cosθ31(r)}/sinθ31(r)=−{tanα’(r)}-1 …(16b) よって、 tanα’(r)=−sinθ31(r)/{n−cosθ31(r)} …(17) となる。N = cos θ 31 (r) − {tan α ′ (r)} − 1 · sin θ 31 (r) (16a) {n−cos θ 31 (r)} / sin θ 31 (r) = − {tan α ′ (R)} −1 (16b) Therefore, tan α ′ (r) = − sin θ 31 (r) / {n-cos θ 31 (r)} (17)

【0076】(17)式に上記(11)式の関係を代入
すると、下記(18)式が成立する。
When the relationship of the above equation (11) is substituted into the equation (17), the following equation (18) is established.

【0077】f′31(r)=−sinθ1r)/{n
−cosθ1r)} …(18)よって、稜線31は、
上記(18)式を積分した、上記(6)式で表される関
数となる。
F′31 (r) = − sin θ1r) / {n
−cos θ1r)} (18) Therefore, the ridgeline 31 is
A function represented by the above equation (6) is obtained by integrating the above equation (18).

【0078】ここで、θ31(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 the way of giving θ 31 (r), the indefinite integration in the equation may not be executed. In this case, the form of the function is determined by performing the numerical integration. it can.

【0079】一例として、s=△θ31/R,t=θ1−
△θ31,θ31(r)=sr+tとおくと、上記f31
(r)は、下記(19)式に書き改められる。
As an example, s = △ θ 31 / R, t = θ 1-
If Δθ31, θ 31 (r) = sr + t, the above f31
(R) is rewritten as the following equation (19).

【0080】 f31(r)=−(1/s)・log{n−cos(sr+t)}+C …( 19) ここで、f31(0)=z0とすると、下記(20)式
が成立する。
F31 (r) = − (1 / s) · log {n−cos (sr + t)} + C (19) Here, if f31 (0) = z 0 , the following equation (20) is established. .

【0081】 f31(0)=z0=−(1/s)・log(n−cost)+C …(20 ) よって、積分定数Cは下記(21)式で表される。F31 (0) = z 0 = − (1 / s) · log (n-cost) + C (20) Accordingly, the integration constant C is expressed by the following equation (21).

【0082】 C=z0+(1/s)・log(n−cost) …(21) 従って、上記(6)式は下記(22)式に書き改められ
る。
C = z 0 + (1 / s) · log (n-cost) (21) Accordingly, the above equation (6) can be rewritten as the following equation (22).

【0083】 z=f31(r)=−(1/s)・log{n−cos(sr+t)} +(1/s)・log(n−cost)+z0 …(22) ここで、一般に、θ1≠θ2、△θ1≠△θ2であり、
半径R1においてθ31(R1)≠θ32(R1)となる。
従って、稜線32の曲線の関数をz=f32(r)とす
ると、f31(R1)≠f32(R1)となり、レーザ
ビーム発生用光学素子3の稜線31、32は半径R1の
位置において不連続(関数的に不連続)となる。
Z = f31 (r) = − (1 / s) · log {n−cos (sr + t)} + (1 / s) · log (n−cost) + z 0 (22) Here, in general, θ1 ≠ θ2, △ θ1 ≠ △ θ2,
At the radius R1, θ 31 (R1) ≠ θ 32 (R1).
Therefore, if the function of the curve of the ridgeline 32 is z = f32 (r), f31 (R1) ≠ f32 (R1), and the ridgelines 31 and 32 of the laser beam generating optical element 3 are discontinuous at the position of the radius R1 ( Functionally discontinuous).

【0084】なお、光束C1’、C1”又は光束C
2’、C2”の交差によって形成される集光スポットの
ピーク強度を計算する方法については、特願平8−70
777号に記載されているので、ここでは省略する。
The light flux C1 ', C1 "or the light flux C1
A method for calculating the peak intensity of the converging spot formed by the intersection of 2 ′ and C2 ″ is disclosed in Japanese Patent Application No. 8-70.
No. 777, the description is omitted here.

【0085】さて、光束C1’、C1”が収束する点E
1’、E1”は、光束C2’、C2”が収束する点E
2’、E2”と異なるので、図4に示すように、光束C
1’、C1”の交差によって形成される集光スポットの
光軸方向に見た変化を、強度分布(1)とし、光束C
2’、C2”の交差によって形成される集光スポットの
光軸方向に見た変化を、強度分布(2)とすると、強度
分布(1)、(2)はそれぞれのピーク位置が異なる。
強度分布1、2のピーク位置がわずかに異なっている
時、2つの強度分布(1)、(2)の重ね合わせによっ
て、ピーク強度が高く、かつ光軸方向の強度がほぼ一定
した強度分布(3)が得られる。
The point E at which the light beams C1 'and C1 "converge.
1 ′ and E1 ″ are points E at which the light fluxes C2 ′ and C2 ″ converge.
2 ′, E2 ″, and as shown in FIG.
The change in the converged spot formed by the intersection of 1 ′ and C1 ″ as viewed in the optical axis direction is defined as an intensity distribution (1), and the light flux C
Assuming that the change in the condensed spot formed by the intersection of 2 ′ and C2 ″ in the optical axis direction is an intensity distribution (2), the intensity distributions (1) and (2) have different peak positions.
When the peak positions of the intensity distributions 1 and 2 are slightly different from each other, the superposition of the two intensity distributions (1) and (2) results in an intensity distribution in which the peak intensity is high and the intensity in the optical axis direction is almost constant ( 3) is obtained.

【0086】本実施形態1のレーザビーム発生装置によ
れば、実用上十分な焦点深度でかつ、中央スポットの強
度が高く、光軸方向の強度がほぼ一定な長焦点レーザビ
ームが得られる。この結果、例えば、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、
レーザビームプリンタに応用した場合は、感光体の位置
調整を簡素化することができる、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
装置を動かすこと無くバーコードを読むことができる、
光ピックアップに応用した場合は、焦点調整用の可動機
構を用いること無く信号を読みとることができる、とい
った効果を奏することができる。
According to the laser beam generator of the first embodiment, a long focal length laser beam having a practically sufficient depth of focus, a high intensity of the central spot, and a substantially constant intensity in the optical axis direction can be obtained. As a result, for example, when the laser beam generator of the present invention is applied to a laser beam machine, it is not necessary to finely adjust the focal position corresponding to the unevenness of the workpiece.
When applied to a laser beam printer, the position adjustment of the photoconductor can be simplified.When applied to a barcode reader, the barcode is read without moving the reading device even if the position of the barcode changes. be able to,
When applied to an optical pickup, it is possible to obtain an effect that a signal can be read without using a movable mechanism for focus adjustment.

【0087】上記実施形態1では、半平面内の稜線が2
つに区画されている場合について説明したが、3つ以上
に区画することも可能である。以下にレーザビーム発生
用光学素子3の稜線が複数(n個、n≧2)の区画に分
かれている場合の、m番目の稜線を表す関数について説
明する。
In the first embodiment, the ridge line in the half plane is 2
Although the description has been given of the case where the image is divided into three, it is also possible to divide the image into three or more. The function representing the m-th ridgeline when the ridgeline of the laser beam generating optical element 3 is divided into a plurality of (n, n ≧ 2) sections will be described below.

【0088】まず、m番目の稜線で屈折された光束の進
行方向のZ軸となす角度θ3m(r)は下記(23)式で
表される。
First, the angle θ 3m (r) formed between the light beam refracted at the m-th ridge line and the Z-axis in the traveling direction is expressed by the following equation (23).

【0089】 θ3m(r)=θm−△θm(R−r)/R …(23) 但し、 Rm−1≦r≦Rm(2≦m≦n) 0≦r≦R1(m=1) Rn=R(m=n) θm:m番目の稜線が区画されなかった場合、r=Rで
屈折されて収束点Em’に向かう光がZ軸となす角度 △θm:収束の強さを求める定数であり、m番目の稜線
が区画されなかった場合、r=Rの位置で屈折されて収
束点Em’に向かう直線とr=0の位置で屈折されて収
束点Em’に向かう直線とがなす角度 従って、m番目の稜線を表す関数f3m(r)は下記
(24)式で表される。
Θ 3m (r) = θm− △ θm (R−r) / R (23) where Rm−1 ≦ r ≦ Rm (2 ≦ m ≦ n) 0 ≦ r ≦ R1 (m = 1) Rn = R (m = n) θm: When the m-th ridge line is not partitioned, the angle formed by the light refracted at r = R and directed toward the convergence point Em ′ with the Z axis Δθm: Obtain the convergence strength When the m-th ridge line is not partitioned, a straight line refracted at the position of r = R toward the convergence point Em ′ and a straight line refracted at the position of r = 0 toward the convergence point Em ′ Therefore, the function f3m (r) representing the m-th edge is represented by the following equation (24).

【0090】[0090]

【数3】 (Equation 3)

【0091】この導出過程は、上記(6)式の場合と同
様である。
This deriving process is the same as in the case of the above equation (6).

【0092】この場合も、θm−1≠θm、△θm−1
≠△θmであり、半径Rm−1においてθ3m-1(Rm−
1)≠θ3m(Rm−1)となる。従って、f3m−1
(Rm−1)≠f3m(Rm−1)となり、稜線は半径
R1において不連続である。
Also in this case, θm-1 ≠ θm, △ θm-1
≠ △ θm, and θ 3m-1 (Rm−
1) It becomes ≠ θ 3m (Rm-1). Therefore, f3m-1
(Rm-1) ≠ f3m (Rm-1), and the ridge is discontinuous at the radius R1.

【0093】(実施形態2)図5及び図6は本発明のレ
ーザビーム発生装置の実施形態2を示す。本実施形態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30と光学的に等価なホログラ
ム30’を使用しており、その他の構成については実施
形態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。なお、図
6はこのホログラム30’を光軸方向から見た状態を示
している。
(Embodiment 2) FIGS. 5 and 6 show Embodiment 2 of the laser beam generator of the present invention. Embodiment 2
In this embodiment, a hologram 30 ′ optically equivalent to the laser beam generating optical element 30 is used as the laser beam generating optical element, and the other configuration is the same as that of the first embodiment. Therefore, corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 6 shows a state in which the hologram 30 'is viewed from the optical axis direction.

【0094】ホログラム30’を出射した光の進行方向
は、光軸に垂直な方向の各位置で異なり、光軸から離れ
るほど回折角は大きくなる。このため、ホログラム3
0’のパターンは、光軸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。
The traveling direction of the light emitted from the hologram 30 'is different at each position in the direction perpendicular to the optical axis, and the diffraction angle increases as the distance from the optical axis increases. Therefore, the hologram 3
The pattern of 0 'is a group of concentric circles having a smaller pitch in the optical axis direction.

【0095】このようなホログラム30’としては、具
体的には以下のようなものを用いればよい。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又は光
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、厚さを変えたホログラムを用いることができ
る。
[0095] As such a hologram 30 ', specifically, the following may be used. A method in which the thickness of the refraction surface is returned to the reference surface every time the optical path difference becomes 1/2 of the wavelength, and a hologram having a sawtooth-shaped cross section or a radius at which the optical path difference becomes 1/2 of the wavelength is set as a period. A hologram in which the transmittance is inverted or the thickness is changed can be used.

【0096】このホログラム30’は上記のレーザビー
ム発生用光学素子30とは光学的に等価であるため、本
実施形態2のレーザビーム発生装置をレーザ加工機、レ
ーザビームプリンタ、バーコードリーダ、光ピックアッ
プに応用する場合は、上記実施形態1で説明したのと同
様の効果を奏することができる。
Since the hologram 30 'is optically equivalent to the laser beam generating optical element 30, the laser beam generating apparatus of the second embodiment can be used as a laser beam machine, laser beam printer, bar code reader, optical When applied to a pickup, the same effects as described in the first embodiment can be obtained.

【0097】加えて、ホログラムはレンズに比べて容易
に作製できるので、より安価なレーザビーム発生用光学
素子を実現できる利点がある。
In addition, since a hologram can be easily manufactured as compared with a lens, there is an advantage that a cheaper optical element for generating a laser beam can be realized.

【0098】[0098]

【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、ピーク強度が高く、かつ光軸
方向の強度がほぼ一定した強度分布を有するレーザビー
ムを発生することができる。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
の強度が高く、光軸方向の強度がほぼ一定な長焦点レー
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 generate a laser beam having a high peak intensity and an intensity distribution in which the intensity in the optical axis direction is almost constant. . For this reason, if a laser beam generating apparatus equipped with the laser beam generating optical element of the present invention is used, a long focal length with a practically sufficient depth of focus, a high intensity of the central spot, and a substantially constant intensity in the optical axis direction is obtained. A laser beam can be obtained.

【0099】この結果、例えば、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ので、
加工効率を向上できる。
As a result, for example, when the laser beam generator of the present invention is applied to a laser beam machine, there is no need to finely adjust the focal position corresponding to the unevenness of the workpiece.
Processing efficiency can be improved.

【0100】また、本発明のレーザビーム発生装置をレ
ーザビームプリンタに応用した場合は、感光体の位置調
整を簡素化することができるので、装置構成の小型、か
つ簡素化を図る上で有利である。
When the laser beam generator of the present invention is applied to a laser beam printer, the adjustment of the position of the photoreceptor can be simplified, which is advantageous in reducing the size and simplification of the device configuration. is there.

【0101】また、本発明のレーザビーム発生装置をバ
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無くバーコードを
読むことができるので、読み取り効率を向上できる。
When the laser beam generator of the present invention is applied to a bar code reader, the bar code can be read without moving the reader even if the position of the bar code changes, so that the reading efficiency is improved. it can.

【0102】また、本発明のレーザビーム発生装置を光
ピックアップに応用した場合は、焦点調整用の可動機構
を用いること無く信号を読みとることができるので、装
置構成の小型、かつ簡素化を図る上で有利である。
When the laser beam generating apparatus of the present invention is applied to an optical pickup, signals can be read without using a movable mechanism for focus adjustment, so that the structure of the apparatus can be reduced in size and simplified. Is advantageous.

【0103】また、特に請求項3記載のレーザビーム発
生用光学素子によれば、この光学素子がホログラムであ
るので、容易に作製することができる。
Further, according to the laser beam generating optical element of the third aspect, since this optical element is a hologram, it can be easily manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the 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、模式的側面図。
FIG. 1 is a schematic side view showing a first embodiment of a laser beam generator according to the present invention.

【図2】本発明レーザビーム発生装置の実施形態1を示
す、レーザビーム発生用光学素子を光軸方向から見た
図。
FIG. 2 is a diagram illustrating a laser beam generating optical element according to a first embodiment of the present invention, as viewed from an optical axis direction.

【図3】本発明レーザビーム発生装置の実施形態1を示
す、レーザビーム発生用光学素子の稜線を関数の形で求
めるために仕様される説明図。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing Embodiment 1 of the laser beam generating apparatus of the present invention, which is used to obtain a ridge line of a laser beam generating optical element in the form of a function.

【図4】本発明レーザビーム発生装置の実施形態1を示
す、集光スポットのピーク強度と光軸方向の位置との関
係を示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a peak intensity of a condensed spot and a position in an optical axis direction according to the first embodiment of the laser beam generator of the present invention.

【図5】本発明レーザビーム発生装置の実施形態2を示
す、模式的側面図。
FIG. 5 is a schematic side view showing Embodiment 2 of the laser beam generator of the present invention.

【図6】本発明レーザビーム発生装置の実施形態2を示
す、ホログラムを光軸方向から見た図。
FIG. 6 is a diagram illustrating a second embodiment of the laser beam generator according to the present invention, in which a hologram is viewed from an optical axis direction.

【図7】ガウスビームを形成する光学系を示す模式的側
面図。
FIG. 7 is a schematic side view showing an optical system that forms a Gaussian beam.

【図8】図7の光学系で使用される対物レンズを光軸方
向から見た図。
FIG. 8 is a view of an objective lens used in the optical system of FIG. 7 as viewed from an optical axis direction.

【図9】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。
9A and 9B show a case where an optical system for forming a Gaussian beam is applied to a laser beam machine. FIG. 9A is a schematic diagram, and FIG. 9B is a partially enlarged view of FIG.

【図10】ベッセルビームを形成する光学系を示す模式
的側面図。
FIG. 10 is a schematic side view showing an optical system that forms a Bessel beam.

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

【図12】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. 12 is a graph showing a change in intensity of a focused spot in the optical axis direction of a Bessel beam and a Gaussian beam.

【図13】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. 13 is a graph showing a relationship between a peak intensity of a condensed spot and a radial direction in an optical system that forms a Bessel beam.

【図14】本願出願人が先に提案したレーザビーム発生
装置を示す模式的側面図。
FIG. 14 is a schematic side view showing a laser beam generating device previously proposed by the present applicant.

【図15】図14のレーザビーム発生装置に装置された
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の位置との関係を示すグラフ。
FIG. 15 is a graph showing a relationship between a peak intensity of a converging spot and a position in an optical axis direction in a laser beam generating optical element provided in the laser beam generating apparatus of FIG.

【図16】図14のレーザビーム発生装置に装置された
レーザビーム発生用光学素子における動半方向で見た集
光スポットの強度の変化を示すグラフ。
FIG. 16 is a graph showing a change in intensity of a converged spot as viewed in the moving half direction in a laser beam generating optical element provided in the laser beam generating apparatus of FIG.

【図17】図14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。
17A and 17B show a case where the laser beam generator of FIG. 14 is applied to a laser beam machine. FIG. 17A is a schematic diagram, and FIG. 17B is a partially enlarged view of FIG.

【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 30 レンズからなるレーザビーム発生用光学素子 31、32 レーザビーム発生用光学素子の稜線の区画 30’ ホログラム REFERENCE SIGNS LIST 1 semiconductor laser element 2 collimating lens 30 laser beam generating optical element 31 and 32 composed of lens 31 ridge ridge section of laser beam generating optical element 30 hologram

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の異なる
位置でそれぞれ収束するように、該半平面内より複数の
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 plurality of beams from a half plane defined by the optical axis in an arbitrary plane including the optical axis such that the beams converge at different positions outside the optical axis. An optical element for generating a laser beam, comprising an optical element that emits light.
【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
面内の稜線が、複数の区画から構成されており、該稜線
の各区画の形状は、互いに異なる非線形関数で表され、
かつ各区画が互いに関数論的に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 ridge line in a half plane defined by the optical axis in an arbitrary cross section including the optical axis of the lens is constituted by a plurality of sections. Compartment shapes are represented by different nonlinear functions,
2. The laser beam generating optical element according to claim 1, wherein each section is functionally discontinuous with respect to each other.
【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1〜3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 claim 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102590923A (en) * 2012-03-01 2012-07-18 清华大学深圳研究生院 Lens, hologram projection production system and method thereof
JP2014232265A (en) * 2013-05-30 2014-12-11 株式会社リコー Optical element, projection optical system, and object detection device
JP2017510535A (en) * 2014-01-27 2017-04-13 コーニング インコーポレイテッド Edge chamfering by mechanical processing of laser cut glass

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Effective date: 20030213