JPS59100835A - 集束性光学系の焦点距離測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、集束性光学系、すなわち集束レンズや凹面
鏡等Ω焦点距離を測定する方法および装置に関する。

（従来技術） 従来、集束性光学系の焦点距離を測定する方法としては
、集束レンズの焦点距離測定に関するノーダルスライド
方法が良く知られている。

このノーダルスライド法では、１象の動きを目視する必
要があり、ノーダルポイントの位置出しと、ピントの位
置出しとを交互に行なう必要がある。

このため、迅速な焦点距離測定が困難であり、測定者に
おける目の疲労が著しいという問題があった。

（目的〕 本発明は、上記問題に鑑み、迅速な測定が可能であって
、なおかつ、目視によらず精度良い測定を可能ならしむ
る、新規な、集束性光学系の焦点距離測定方法および装
置の提供を目的としている。

（構成〕 本発明による測定方法においては、レーザー光源による
レーザービームが使用される。

焦点距離を測定されるべき集束性光学系は、レーザービ
ームの光路上において、レーザービームの所定のビーム
ウェストの後方の所定の位置に配置され保持手段によっ
て固定的に保持される。

すると、レーザービームは集束性光学系に入射するが、
光学系の集束性により、集束性の光束となり、新たなビ
ームウェストが形成される。づ−なわち、レーザービー
ムの光路上において、被検集束性光学系の前後に、ビー
ムウェストがあることになる。すなわち、上述の所定の
ビームウェストと新たなビームウェストである。

この新たなビームウェストに対し、その位置と径とが測
定手段により測定される。この測定結果に対して、演算
手段による所定の演算が施され、焦点距離が算出される
。

所定のビームウェストの半径をＷ。１、新たなビームラ
−１−ス）の半径をＷ。２とし、所定のビームウェスト
と被検集束性光学系との間の距離をｄｌ、被検集束性光
学系と新たなビームウェストとの間の距離をｄ２とする
と、被検集束性光学系の焦点距離ｆと、上記”０１’　
”０２１ｄｉｌｄ２との間（・こは、一定の函数関係 ｆ　＝　Ｆ（Ｗｏ１Ｗｏ２ｄ１ｄ２）　　　　　ｆｌｌ
が成り立つ。函数形Ｆは、光学系の種類、すなわち、光
学系が凹面鏡であるかレンズであるか、ある（゛はさら
に、厚いレンズであるか、薄いレンズであるか等に応じ
て定まる。

（１）式の右辺の函数Ｆの変数のうち。Ｗｏ＋は、所定
のビームウェストの半径であるから、予め設定できる。

又、この所定のビームウェストの後方の所定の位置に、
被検集束性光学系を配置面することから、ｄｌも予め定
っている。

そこで、新たなビームウェストの径と位置とを測定する
ことにより、Ｗｏ２とｄ２とが知られることになる。従
って、予め知られているＷ。１．ｄｌと、測定により知
られるＷ。２．ｄ２とに対し、上記１′１１式における
函数形に応じた演算を施すことにより、焦点距離を算出
することができる。

函数形Ｆ、Ｗｏ１．ｄ１は予め知られているから、この
演算は、Ｗｏｌとｄｌとに対する演算式にまとめること
ができ、従って、Ｗｏｌとｄｌとに対して、所定の演算
を施すことによって、所望の焦点距離の値を得ることが
できる。なお、レーザー光源としては、半導能レーザー
、ガスレーザーのいずれも使用可能であるが、出力の安
定性、基本モードの得やすさ等の点からして、ガスレー
ザーの方が適している。

以下、具体的な例に即して、本発明を説明する。

被・険集束性光学系としては、薄い集束レンズを例にと
る。

第１図にお（・て、符号１は、焦点距離を測定さるべき
薄い集束レンズを示す。又、符号２は、ナイフェツジを
有する遮光板、符号３は受光手段、符号４は、遮光板２
に対する位置検出手段、符号５は演算手段、符号６は表
示手段を、それぞれ示している。

レーザービームＢは、図示されないレーザー光源から発
せられ、集束性の光束として、ビームウェス）　ＢＷｌ
を形成し、その後、発散性の光束となって、集束レンズ
１に入射する。

この例においては、ビームウェス）　ＢＷｌの左方てあ
って図示されない光学系によって、レーザービームＢが
集束光束とされ、これによってビームウェス）　ＢＷｌ
が形成されているが、例えば、ガスレーザーを光源とす
るとき、ガスレーザー出射端もビームウェストであるの
で、このような場合、上記出射端を、所定のビームウェ
ストとして利用してもよい。

さ−て、所定のビームウェス）　ＢＷｌの位置は、測定
装置の装置空間に固定的に設定され、その半径”０１も
予め定められて（・る。

又、集束レンズ１の配設位置も、装置空間に固定的であ
るので、図中の距離ｄ１も予め定まっている。集束レン
ズ１は、この配設位置に任意の固定手段（、図示されず
）により固定的に保持される。

集束レンズ１を透過したレーザービームＢは、集束性の
光束となり、新たなビームウェスＩ−ＢＮ２を形成した
のち、受光手段３に入射する。受光手段３は、フォトダ
イオード、光電管等を用℃・て構成することができる。

ここで、レーザービームＢの径、特に半径とは、何をい
うかについて説明する。

レーザービームＢの、進行光軸に直交する光束断面を考
えると、レーザービームＢの光強度分布は、光軸を対称
軸とするガウス分布となっている。

第２図は、この光強度分布を示して（゛る。横１ｌＩＩ
ｒは、光軸に直交する方向の距離を示し、縦軸Ｉは、光
強度を示して（・る。ｒ＝ｏにおける強度を１゜とする
と、この分布は で与えられる。ｒ＝ｒｏのとき、Ｉ＝Ｉ。１０２となる
が、このｒ。なる値をもって、レーザービームＢの半径
と定義されている。ビームウェストＢＷ１　、ＢＮ２の
半径も、この定義に従って定められて（・る。

さて、遮光板２は、ナイフェツジを有し、図示されない
変・位手段により、第１図にお（・て上下方向および左
右方向に変位可能である。

位置検出手段４は、遮光板２の変位量を検出する機能を
有している。

ところで、集束レンズ１と、このレンズによる新たなビ
ームウェス）　ＢＮ２との間の距離を、図の如（ｄ２と
し、ビームウェストＢＷ２の半径をＷ。２とすれば、Ｗ
ｏｌ　１Ｗ０２１ｄ１１ｄ２と、集束レンズ１の焦点距
離ｆとの間に、周知の如く、 なる関係がなり立つ。この関係をｆＫつ（・てとげば となる。ｄｌ　１”０１は、前述の如く、すでに与えら
れているから、新たなビームウェス）　ＢＮ２について
、２その位置ｄ２と、半径Ｗ。２とを測定し、これらの
測定値を（４）式に代入して、（４）式右辺の演算を実
行すれば、その演算結果として、焦点距離ｆを算出する
ことができる。

そこで、次の問題は、上記ｄ２．Ｗｏ２を、どのように
測定するかにある。

まず、ビームウェストＢＷ２の半径をどのようにして測
定するかにろいて説明する。

今、第１図の状態において、遮光板２を、上方へ移動さ
せて、第６図の如く、レーザービームＢの、ｘ＞ｂなる
部分を遮断したとする。ｒｏは、遮断された位置におけ
るビーム半径を示す。さて、ｂ−十ωとした状態は、レ
ーザービームＢが、全く遮光されない状態であり、ｂ−
一■なる状態は、レーザービームＢが、受光手段３に対
して完全に遮光された状態である。

そこで、ｂ＝　＋０１）のときに、受光手段乙の受光す
る光の強度を、１と規格化すれば、第６図に示すごとき
遮光状態での、受光強度は、ｂの函数として、 で与えられる。

このｐ（ｂ）の変化を、第４図に示す。図から明らかな
ように、Ｐ（−ｃｘｖ）＝Ｄ、　Ｐ（＋ｃｏ）＝１　、
　Ｐ（０）＝０．５である。そこで、Ｐ（−ｒｏ）、Ｐ
（ｒｏ）を、（５）式にもとづいて、計算す朴ば、Ｐ（
−ｒ。）＝０．０２２８．Ｐ（＋で０）＝３．９７７２
となる。そこで、受光手段６が、ｐ（ｂ）を出力するよ
うにしておけば、出力が、０．０２２８であるとき、レ
ーザービームＢは、Ｘ　’＞　　ｒｏなる領域が遮光さ
れ、出力が、０．９７７２のときは、ｘ　＞　ｒｏなる
領域が遮光されて（・る。

そこで、受光手段乙の上記出力を、位置検出手段４に印
加し、出力が、０．９７７２となる位置力）ら、出力が
０．０２２８となる位置までの、遮光板２の、第３図上
下方向の変位量りを検知すれば、ビームの半径ｒ。は、
Ｄ／２として与えられる。

遮光板２を１．第、１１図において左右方向へ変位させ
て、レーザービームＢの半径ｒ。の検出を繰返１ならば
、ビームウェス）　ＢＮ２の半径Ｗ。２は、検出量ｒ。

のうちの最小の値として検知され、この最小値を与える
ときの、遮光板２の位置から、ｄ２が知れる。か（して
、新へなビームウェス）　ＢＮ２の半径Ｗ。２と位置ｄ
２とが測定された訳である。

なお、このような、ビーム径測定方法は、すでに、ナイ
フェツジ方式として知られており、その測定精度も極め
て高いことが認められて（・る。

そこで、図示されないモニターにより、ｒｏの測定値を
モニタリンクしながら、遮光板２を第１図で左右方向へ
変化させ、ｒｏの最小値によってビームウェス）　ＢＮ
２の位置が知れた時点で、位置検出手段４から、Ｗｏ２
とｄ２とを出力させて、これを演算手段５に印加し、こ
の演算手段５にお（・て、（４）式の右辺を演算し、そ
の結果を表示手段６に表示すれば、この表示結果として
、集束レンズ１の焦点距離を知ることができる。遮光板
２、受光素子６、位置検出手段４は測定手段を構成する
。

なお、マイクロコンピー−クーを用いて、新たなビーム
ウェス）　ＢＮ２の位置と半径の測定から、演算、表示
にいたる動作を、自動化することも容易である。

遮光板２にかえて、第５図に示す如きディス型の回転セ
クター２１や、第６図に示す如き円筒型のチョッパー２
２を用いることができる。

上記の例では、ナイフェツジ方式により、ビームウェス
ト径を測定する場合を説明したが、ビームウェスト径Ω
測定を、周知の、格子やアパーチュアを用いて測定する
方法で行ってもよいし、受光手段３として、ＣＯＤの如
きイメージセンサ−を用いて、ウェスト径を直接的て測
定しても良い。

なお、特殊な場合として、ｆ＝ｄ１である場合には、（
３１式から明らかなように、ｆ−ｄ２であり、この場合
には、（４）式による演算ではｆを求められないが、こ
の場合には、 π ｆ　−−Ｗｏｌ・Ｗｏ２（６） λ が成立つので、演算式を（４）から（６）へ切換れば良
い。

（効果〕 本発明によれば、新規な、集束光学系の焦点距離測定方
法および装置を提供できる。この方法、装置では、ノー
ダルスライド法のように、像の動きを目視する必要もな
く、又、ノーダルポイントやピントの位置出しとし・っ
た操作も不要であるから、測定が容易である。さらに、
測定操作をマイクロコンピュータ−を用（・て自動化す
ることも容易であり、このようにすれば、迅速且つ精確
、確実な測定を行なうことができる。

又、従来のノーダルスライド方式では、高精度の得られ
なかった、Ｆナンバーの犬なる暗いレンズの焦点距離測
定も高精度で行なうことができるし、レーザーを光源と
して使用される光学系の場合には、使用波長での測定が
自由に行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を説明するだめの図、第２図乃至第４
図は、ナイフェツジ方式によるレーザービーム径の測定
を説明するだめの図、第５図は、第１図における遮光板
２にかわりつるものとしての回転セクターを示す平面図
、第６図は、同じく遮光板２にかわりうるものとしての
円筒型チョッパーを示す斜視図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　レーザービームの光路上において、上記レーザービ
   ームの所定のビームウェストの後方の所定の位置に、集
   束性光学系を配置し、 この集束性光学系に上記レーザービームを入射させ、上
   記集束性光学系により集束する上記レーザービームの新
   たなビームウェストの位置と径とを測定し、 測定結果に所定の演算を施して、上記集束性光学系の焦
   点距離を算出することを特徴とする、集束性光学系の焦
   点距離測定方法。 ２、　レーザー光源と、 レーザー光源からのレーザービームの所定のビームウェ
   ストの後方の所定の位置に、集束性光学系を固定的に保
   持する保持手段と、上記集束′性光学系に入射したレー
   ザービームの、上記集束性光学系による新たなビームウ
   ェストの位置と径とを測定する測定手段と、この測定手
   段による測定結果に、所定の演算を施して、上記集束性
   光学系の焦点距離を算出する演算手段とを有する、集束
   性光学系の焦点距離測定装置。