【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
単色放射集束法およびこの方法を実施する光学位相素子
技術分野
不発明は光学機器、特に単色放射の変換月複青光学素子の製造に関するものであ
り、さらに詳しくは、呈色放射の具京さおよびこの方法を其旌する光学位相素子
に関するものである。
従来技術
所望のスポットの内部に強力ζ放射を集中下る事がレーザの出現によって可能と
なり、レーザは現在、揮々の分野でますます応用されている。しかしレーザは自
蔵型ユニットとはみなされず、はとんど常に特定目的システムの一部を成す。レ
ーザ光線は、特定強度分布を生じるべき特定のスポットに放射されなければなら
ない。従って、レーザ光線制御技術がレーザテクノロジー一般と同程度の速度で
発達しているのは極めて当然である。
レーザ光線が単１ノンズ、または円筒レンズ、または鏡面によって特定のスポッ
トに指向される従来型の光学法では、近代技術の種々の要求を満たす事はできな
い。このような方法は、レーザ光線の振幅と位相が知られているという利点を実
際上活用する事ができない。これらの方法は集束区域において特定の強度分布を
生じる事ができない。例えば、円筒レンズと鏡面は放射を線分上に集束する事が
できるが、この線分に沿った強度分布は放射強度分布に依存し、制御不能である
。従ってこのような光学素子は線分に沿った均一強度分布を生じる事ができない
。集束放射強度のガウス分布の場合、線分に沿って集束されたこの分布は均一分
布から１０乃至１００もの倍率をもって相違する。ざらにこれらの光学素子は、
この素子に対する取射入射角度がＥ意で５る場合、所望の具京を竺じる事ができ
ない。
スモヤンナーに基づく亘色互射某京日が業界において公知である。これは一定の
原理に対応して揺動する鏡面を具備する複雑な電子−機械＠！でるる（５ｊえば
、国際熱処理会議−７９議事録、ロンドン、１９８０、トラフオードはか、高エ
ネルギーレーザを使用する熱処理、３２−３８頁参照）。揺動鏡面が集束光線を
特定通路に沿って進行させる。しかしこのスキャンナーは同時に集束放射強度の
特定分布を生じる事ができない。このスキャンナーは、その明白な利点にもかか
わらず、信頒性が低く高価であるため広く使用されていない。
放射を集束するさらに簡単な方法が知られている。この放射法は、マスクを通し
てレーザ光線を物体に指向し、このマスクがレンズによって特定形状の集束区域
を形成する（例えば、Ｇ、レディ、レーザの工業的用途、１９８１、モスコー、
ロシャ語翻訳版、ミール出版、４５９頁参照）。この方法は簡単で便利ではある
が、光線の大部分がマスク上で失われるので効率的でない。さらにこの方法は、
得られたバタンに沿って特定の光線強度分布を生じる事ができない。
ガウス強度分布による単色放射集束法（例えば、光学通信、第４８巻、第１号、
１９８３、Ｙ、カワムラほか、ガウスレーザ光線から正方形フラットトップ強度
照射を生じる問屋な光学製置、４４−４６頁１照）は、藁束放射強度が均一に分
布された正方形フラットトップ強度照射区域を生じる。レーザ光線は、４面プリ
ズムまたは直角ピラミッドから成る集束素子によって照射区域に指向される。ガ
ウスレープ光線は４部分または４ビームに分割され、これらのビームを正方形内
部に再結合する事により、正方形照射区域上に殆ど均一な強度分布を生じる。
しかしこの方法は、ビーム分離技術に基づいた他の方法と同様に、真に計算され
た強度分布をもって一つの区域上に集束する問題を解決する事ができない。正方
形照射区域の場合でも、その照射不均一性は、正方形の寸法、焦点距離、および
入射放射の種々のパラメータに依存している。さらに、集束区域における複数ビ
ーム部分の再結合は干渉縞を生じ、これは多くの用途において重大な欠点を成す
。
ホログラフィ−は、深いまたは平坦なホログラムを通して集束区域に向かって単
色放射を指向し、特定スポットにおいて所望の強度分布を得る単色放射変換法を
成す。
しかしホログラムを再構築するため（こは、参照波面を必要とし、これを作る事
が複雑な作業である事を注意しなければならない。また平坦なホログラムは非常
に低い、約３３％の回折効率を有する。
ホログラムによる表面処理法も公知である（例えば、ソ連邦発明者証第２２４．
７１４号Ｃ１，２１ａ ５３１００″発見、発明、工業試料および商標°第２６
号、１９６８参照）。
しかしこの方法は、放射ニネルギーの大部分がゼロ回折次数にそらされるので極
めて伝い。
現在のところ、高エネルギーレーザ用に所望なＣＯ２レーザ（λ−１０．６μＩ
Ｔｌ）月の深いホログラムは、適当な記録媒体がないのでまだ製造する事ができ
ない。
また、フレネル、ガボア、レイリー−ウッド、ソレットのゾーンプレートなどの
種々のゾーンプレートを使用した単色放射集束法が公知である（例えば、応用光
学、第６巻、第２号、１９６７、ホルマンおよびチャウ、ホログラフィ−に基づ
くゾーンプレート理論、３１７−３２２頁参照）。この方法は波を変調する位相
ゾーンプレートによって波面を生じるにある。しかし、ゾーンプレートは焦点区
域における強度分布を変更する事ができず、計算された強度分布を生じる事はな
おさらできない。
さらに、このようなゾーンプレートは、複数の焦点を生じ、放射エネルギーの一
部のみが主焦点に残される。
しかしまた、放射波面を位相変調する単色放射集束法と、この方法を実施する光
学位相素子力松知である。この素子は、それぞれ連続レリーフを伺えた反射性ま
たは透明の環状ゾーンを有するプレートである（例えば、ソ連邦化学アカデミー
報告、第１１３巻、第４号、１９５７、Ｇ、 Ｇ、スリウザレフ、位相層を備え
た光学システム、７８０−７８３頁、３よび応用光学、第９巻、第８号、１９７
０、モノファームレンズ、Ａ、Ａ、 ジョルタンｌ： カ、！１８３−１８８７
頁参照）。二〇万ａと装置は放射を一つの焦点に指口する事ができ、その理論的
効率は１００％に近い。しかし、このような光学位相素子は通常のレンズと比較
していくつかの利点を有するが、レンズと同じく、特定の集束区域と、８カビー
ムの特定の強度分布とを生じる事ができず、また入射光線ビームのパラメータが
考慮されていない。
公知の方法は、波面の各点がらの放射を全焦点区域に導入するにある。この方法
を実施するための単色放射集束装置は光学位相素子−キノフオームである（例え
ば、Ｉ Ｂ Ｍ Ｊ、Ｒｅｓ、Ｄｅｖｅｌｏ＋］、 、 １９６９ 、 ３月号
、Ｌ、Ｂ。
リセムほか、″キノフオーム：新しい波面再構築装置”、４、１−５１頁参照）
。キノフオームはこのキノフオームを通して集束区域に伝達される放射をチャネ
ルするレン■表昭６２−５０２７７９ （６）
ズと共に使用される。これは、キノフオームの各点から出た放射を全集束区域に
指向する回折素子である。
キノフオームは、キノフオーム面に対して平行な面の中に配置された複数のばら
ばらの点から成る画像を生じる。集束放射強度または出力放射強度の均一分布に
さらに近い分布をうるために画像点の数を増大する試みは、千ノフγ−ムの構造
をさらに複雑にする結果とプ：った。
モノフ（−ムは全放射を一つの回折次数に指向し２、この乙射の約７８％がこの
次数の中に入るが、残りの２２％は背景を成し、これ力（この装置の使用を著し
く制限する。
フーリニ変換に基づくモノフ
Monochromatic radiation focusing method and optical phase element implementing this method
Technical field
The invention relates to the manufacture of optical instruments, in particular double-blue optical elements for the conversion of monochromatic radiation.
In more detail, the details of the color radiation and the optical phase element used in this method are described.
It is related to.
Conventional technology
With the advent of lasers, it has become possible to concentrate intense ζ radiation inside a desired spot.
Lasers are now being increasingly applied in various fields. However, the laser
They are not considered storage units and are almost always part of a special purpose system. Re
The laser beam must be emitted to a specific spot to produce a specific intensity distribution.
do not have. Therefore, laser beam control technology has the same speed as laser technology in general.
It is only natural that they are developing.
The laser beam is directed to a specific spot by a single lens, cylindrical lens, or mirror surface.
Conventional optical methods, which are oriented toward
stomach. Such a method has the advantage that the amplitude and phase of the laser beam are known.
It cannot be used practically. These methods create a specific intensity distribution in the focused area.
It cannot occur. For example, a cylindrical lens and a mirror surface can focus radiation onto a line segment.
Yes, but the intensity distribution along this line depends on the radiant intensity distribution and is uncontrollable.
. Therefore, such optical elements cannot produce a uniform intensity distribution along a line segment.
. For a Gaussian distribution of focused radiation intensity, this distribution focused along a line segment is a uniform segment
They differ from cloth by a factor of 10 to 100. Generally speaking, these optical elements are
If the incident angle to this element is 5, the desired shape can be obtained.
do not have.
A certain amount of color reciprocal shots based on sumoyanna are known in the industry. This is a constant
A complex electronic machine with a mirror surface that oscillates according to the principle @! Deruru (5j if
, Proceedings of the International Heat Treatment Conference-79, London, 1980.
Heat treatment using energy lasers, see pages 32-38). The oscillating mirror surface focuses the beam of light
Proceed along a specific path. However, this scanner simultaneously
A specific distribution cannot be generated. Despite its obvious advantages, this scanner
However, it is not widely used because it has low reliability and is expensive.
Even simpler methods of focusing radiation are known. This radiation method is used through a mask.
The mask directs the laser beam onto the object, and the lens creates a focused area of a specific shape.
(e.g., G. Reddy, Industrial Applications of Lasers, 1981, Moscow;
(See Rocha translation, Mir Publishing, p. 459). This method is easy and convenient
However, it is not efficient as most of the light rays are lost on the mask. Furthermore, this method
It is not possible to produce a specific light intensity distribution along the resulting batten.
Monochromatic radiation focusing method using Gaussian intensity distribution (e.g., Optical Communication, Vol. 48, No. 1,
1983, Y., Kawamura et al., Square flat top intensity from Gaussian laser beam.
Optical equipment that generates irradiation, pp. 44-46 (see 1), ensures that the radiant intensity of the straw bundle is evenly distributed.
A clothed square flat top results in an intense irradiation area. The laser beam is
The irradiation area is directed by a focusing element consisting of a pyramid or a rectangular pyramid. Ga
The Usrep ray is divided into four parts or four beams, and these beams are arranged within a square.
By recombining the parts, an almost uniform intensity distribution is produced over the square illuminated area.
However, this method, like other methods based on beam separation techniques, is not truly computational.
It is not possible to solve the problem of focusing on one area with a specific intensity distribution. square
Even for a shaped illuminated area, its illumination non-uniformity depends on the square dimensions, focal length, and
It depends on various parameters of the incident radiation. In addition, multiple beams in the focal area
Recombination of the beam parts produces interference fringes, which constitutes a significant drawback in many applications.
.
Holography is a simple method of moving a hologram through a deep or flat hologram toward a focused area.
A monochromatic radiation conversion method that directs color radiation and obtains the desired intensity distribution at a specific spot.
I will do it.
However, in order to reconstruct the hologram (this requires a reference wavefront, and it is difficult to create this
It must be noted that this is a complex task. Also, flat holograms are very
It has a diffraction efficiency of about 33%.
Holographic surface treatment methods are also known (for example, USSR Inventor's Certificate No. 224.
No. 714 C1, 21a 53100'' Discovery, Invention, Industrial Sample and Trademark °26
No., 1968).
However, this method is extremely difficult because most of the radiation energy is diverted to the zero diffraction order.
Tell me the first time.
At present, the desired CO2 laser (λ-10.6μI) for high-energy lasers is
Tl) Deep holograms of the moon cannot yet be produced as there is no suitable recording medium.
do not have.
We also offer Fresnel, Gabor, Rayleigh Wood, Sollet zone plates, etc.
Monochromatic radiation focusing methods using various zone plates are known (e.g. for applied optics).
Science, Vol. 6, No. 2, 1967, Holman and Chau, Based on Holography.
(See Zone Plate Theory, pp. 317-322). This method modulates the phase of the wave
A wave front is created by a zone plate. However, the zone plate
cannot change the intensity distribution in the area and will not produce the calculated intensity distribution.
I can't tell you more.
Additionally, such zone plates create multiple focal points and unify the radiant energy.
is left in the main focus.
But there is also a monochromatic radiation focusing method that phase modulates the radiation wavefront, and an optical method for implementing this method.
My degree is Sōmoto Rikimatsutomo. This element has a reflective or continuous relief pattern.
or a plate with a transparent annular zone (for example, the USSR Academy of Chemistry
Report, Vol. 113, No. 4, 1957, G., G. Surizarev, Equipped with a phase layer.
Optical Systems, pp. 780-783, 3 and Applied Optics, Vol. 9, No. 8, 197
0, Monofirm lens, A, A, Joltan l: Ka,! 183-1887
(see page). 200,000 amps and a device can direct the radiation to one focal point, and the theoretical
Efficiency is close to 100%. However, such optical phase elements are compared with ordinary lenses.
Although it has several advantages, like the lens, it has a specific focusing area and 8 cavities.
It is not possible to generate a specific intensity distribution of the beam, and the parameters of the incident light beam are
Not considered.
The known method consists in introducing radiation from each point of the wavefront into the entire focal area. this method
A monochromatic radiation focusing device for implementing this is an optical phase element - kinoform (e.g.
B, IB M J, Res, Develo+], 1969, March issue
,L,B.
(See Rithem et al., “Kinoform: A new wavefront reconstruction device,” 4, pp. 1-51)
. The kinoform channels radiation that is transmitted through this kinoform to the focal area.
Rusuru Ren ■ Table 62-502779 (6)
used in conjunction with This directs the radiation emitted from each point of the kinoform into the entire focusing area.
It is a oriented diffraction element.
A kinoform consists of multiple pieces arranged in a plane parallel to the kinoform plane.
Produces an image consisting of discrete points. Focused radiant intensity or uniform distribution of output radiant intensity
Attempts to increase the number of image points to obtain an even closer distribution are
This results in further complications.
The monophm directs all radiation into one diffraction order2, and about 78% of this radiation
However, the remaining 22% constitutes the background, which is the most important factor in the use of this device.
limit.
Monoph based on Fourini transformation
【−ムの計算は、そのモノフ２−ムの寸法および製
造された重役について乏しい制限を加える。従ってモノフγ−ムよる取射集束は
常に近似値である。
キノフオームは垂直入射放射のみを集束するように設計され、得られた画像は一
つの面の中に配置されなければならない。Ｃ０２レーザ（λ−１も、６μｍ）用
にキノフオームを設計する事は、キノフオームが高エネルギー密度に耐える事の
できない繊細な構造の故に困難である。またキノフオームは、その中に使用され
たレンズが赤外帯域において不確実または高価過ぎるので強力なビームの集束に
は不適当である。
〔発明の概要〕
本発明は所望の形状の曲線および平坦な図形に対して全エネルギー集中をもって
放射を集束し、前記の曲線に沿ってまた平坦図形区域にいて出力放射の所望の強
度分布を得る事のできる単色放射集束法およびこの方法を実施する光学位相素子
を提供するにある。
本発明によれば、単色放射をその波面の位相変調によって集束する方法において
、位相変調は、入力草色放射の位相および強度と集束区域中の所望の強度分布と
に応じて、生じた波面の点と前記集束区域の点との間に対応間係を成し、前記集
束区域の各点を酊記波面の各点に対応させる琴によって前記の目的が達成される
。
またこれは、単色放射集束用位相光学素子が反射プレートまたは透過プレートと
して構成され、前記プレートの１面に複数のゾーンを配置され、前記の各ゾーン
の中に連続レリーフが形成され、前記レリーフの高さと前記ゾーンの形状は、入
力単色放射の位相および強度と、集束区域における出力放射の所望の強度分布と
に依存することによって達成札れる。
好ましくは、前記素子は平坦曲線上に集束を生じる際に反射プレートとして形成
され、前記の各ゾーンの前記レリーフの高さと前記ゾーンの形状は下記の式に依
存し、Ｚ （ｕ、ｖ）は、面ＯＵＶ中に配置された前記光学位相素子の点（Ｕ、
Ｖ）における前記レリーフの高さであり、軸線ＯＺは前記面ＯＵＶに対して垂直
であり、軸線ＯＵは前記面ＯＵＶに対する前記入力単色放射の射影と逆方向にあ
り、
λは前記入力単色放射の波長であり、
ｍ−１，２，３，−、Ｍ。
φ（ｕ、ｖ）は下記式を満足させる関数であり、ここに、ｔは下記の関係によっ
て定義される前記平坦白線上の正規パラメータ、
ｕ−ｘ （ｔ）、ｖ−ｙ （ｔ）、ｚ−ｆ。
θは前記入力単色放射と前記軸線ＯＺとの間の角度、
Ｌは前記平坦曲線の長さ、Ｌ≠０゜
Ｒは前記入力単色放射の横断面の半径、σは前記入力単色放射のガウス強度分布
パラメータ、
ｆは焦点距離とする。
また望ましくは、前記素子は平坦曲線上に集束を生じる際に、透過プレートとし
て形成され、前記の各ゾーンの前記レリーフの高さと前記ゾーンの形状は下記の
式に依存し、
Ｚ（＋、ｖ）＝ （’７（ｕｃｏｓ９．ｖ）セ卜”Ｉ ｎ Ｃ粘’−Ｃ０３ｐこ
こに、
Ｚ （ｕ、ｖ）は、面ＯＵ ｖ ｃ：＋に配置された前記光学位相素子の、也（
Ｕ、Ｖ）における前記レリーフの高さであり、軸線ＯＺは前記面ＯＵ Ｖに対し
て垂直であり、軸線ＯＵは前記面ＯＵＶに対する前記入力単色放射の射影と逆方
向にあり、
】は前記入力単色放射の波長であり、
ローコ、２，３． ・−・１Ｍ。
ｎは前記透過プレートの屈折指数、
θ’ −ａｒｃｓ ｉｎ （ｓ ｉｎθ／ｎ）φ（ｕ、ｖ）は下記方程式を満足
させる関数であり、ここに、ｔは下記の関係によって定義される前記平坦曲線上
の正規パラメータ、
１８表昭６２−５０２７７９ （７）
ｕ−ｘ （ｔ）、ｖ−ｙ （ｔ）、ｚ−ｆ。
０＜ｔ＜Ｌ。
■は出力単色放射の強度、
○は前記入力単色放射と前記軸線ＯＺとの間の角度、
Ｌは前記平坦曲線の長さ、
Ｒは前記入力単色放射の横断面の半径、σは前記入力単色放射のガウス強度分布
パラメータ、
ｆは焦点距離であるとする。
また望＝シ＜は、前記素子は線分上に集束を生じる際に前記反射プレートとして
形成され、前記の各ゾーンの前記レリーフの高さと前記ゾーンの形状は下記の式
に依存し、
Ｚ （ｕ、ｖ）は、面ＯＵＶ中に配置された前記光学位相素子の点（Ｕ、 Ｖ）
における前記レリーフの高さであり、軸線ｏＺは前記面ＯＵＶに対して垂直であ
り、軸線ＯＵは前記面ＯＵＶに対する前記入力単色放射の射影と逆方向にあり、
θは前記入力単色放射と前記軸線ＯＺとの間の角度、２は前記入力単色放射の波
長であり、
ｍ−１，２，３，・・・１Ｍ。
φ（ｕ、ｖ）は下記の方程式を満足させる関数、Ｃは前記線分と、面ＯＵＺの９
にあ７て前記軸線ｏＺと角度（ＩＩ／２）−〇を成す打線との角度、１ （ｔ）
は前記出力単色放射の強度、ｔは前記線分上の正規パラメータ、
Ｑ＜ｔ＜Ｌ。
Ｌは前記線分の長さ、Ｌ＃−０、
（ｕ、ｖ）は前記面ＯＵＶに対する前記線分の末端の射影の座標、
Ｒは前記入力単色放射の横断面の半径、σは前記入力単色放射のガウス強度分布
パラメータ、ｆは焦点距離とする。
前記素子が線分上に集束を生じる場合、透過プレートとして形成され、前記の各
ゾーンの前記レリーフの高さと前記ゾーンの形状は下記の式に依存し、ここに、
Ｚ （ｕ、ｖ）は、面ＯＵＶ中に配置された前記光学位相素子の点（ｕ、’ｖ）
における前記レリーフの高さであり、軸線ＯＺは前記面ＯＵＶに対して垂直であ
り、軸線ＯＵは前記面ＯＵＶに対する前記入力単色放射の射影と逆方向にあり、
ｅは前記入力単色放射と前記ｔｉｉｉ線ｏＺとの間の角度、λは前記入力単色放
射の波長であり、
ｒｎ−１＋ ２． ３．−、 ｂｉ。
ｎ−前記透過プレートの屈折指数、
ｅ′胃ａｒｃｓ ｉｎ （ｓ ｉｎｅ／ｎ）、φ（ｕ、ｖ）は下記の方程式を満
足させる関数、αは前記線分と、面ＯＵＺの中にあって前記軸線ｏＺと角度（ｎ
／２）−〇を成す軸線との角度、１ （ｔ）は前記出力単色放射の強度、ｔは前
記線分上の正規パラメータ、
０＜ｔ＜Ｌ。
Ｌは前記線分の長さ、Ｌ≠０、
（ｕ、ｖ）は前記面ＯＵＶに対する前記線分の末端の射影の座標、
Ｒは前記入力単色放射の横断面の半径、σは前記入力単色放射のガウス強度分布
パラメータ、ｆは焦点距離とする事が好ましい。
前記素子が前記素子の光学軸線上に配置された線分上に集束を生じる場合、反射
プレートとして形成され、前記の各ゾーンの前記レリーフの高さと前記ゾーンの
形状は下記の式に仮存し、
Ｚ （ｕ、ｖ）は、面○Ｕ〜′中に配置さｎｌこ前記光学位相素子の点（Ｕ、Ｖ
）にお１ブる前記レリーフの高さであり、軸線ＯＺは前記面○ＵＶに対して垂直
であり、ｍ−１，２，３，・・・１Ｍ。
λは前記入力単色放射の波長であり、
ｒ−４ｕ２＋ｖ２゜
Ｚ（ρ）は下記方程式からめられる関数、１ （ｔ）は軸線ＯＺ上に配置された
線分に沿った出力単色放射の強度分布、
ｔは前記線分」二の正規パラメータ、
ｆ＜ｔ＜ｆ＋Ｌ。
ｆは焦点距離、
Ｊ （ｒ）は前記入力単色放射の強度、Ｌは前記線分の長さとする事が好ましい
。
前記素子が１面上の複数の線分上に集束を生じる場合、反射プレートとして形成
され、前記の各ゾーンの前記レリーフの高さと前記ゾーンの形状は下記の式に依
存し、但し、 （ｕ ｃｏｓθ、ｖ）ＥＧｊ、（ｊ＝、１，２Ｚ （ｕ、ｖ）は
、面ＯＵ Ｖ甲に配置された前記光学位相素子の点（ｕ、ｖ）における前記レリ
ーフの高さであり、軸線○Ｚは前記面○ＵＶに対して垂直であり、軸線ＯＵ ｒ
ｒ記面ＯＵＶに対する前記入力単色放射の射影と逆方向にあり、
Ｎは前記線分の数、
λは前記入力単色放射の波長であり、
θは前記入力単色放射と前記軸線ＯＺとの間の角度、ｍ−１，２，３，−、Ｍ。
Ｇｊ（ｊ−１，２，・・・、Ｎ）は、下記の式を畠たす点（ｕ、ｖ）を含む前記
の面ＯＵ Ｖ上の区域、Ωｊ≦ａｒｃｔｇ （ｕ、ｖ）＜Ωｊ＋１゜ａ ｒ ｃ
ｔ ｇ２（ｕ、ｖ）は前記の軸線ＯＵと点（ｕ。
■）の位置ベクトルとの間の角度、
Ω −０，Ωｊ＋１−Ωｊ＋２Ｉ［Ｌ ｊ／Ｌ （ｊ−１，２■
、・・・、Ｎ）。
Ｌｉはｊ番目の線分の長さ、
Ｌは複数の前記線分の全長、
６、（ｕ、Ｖ）は下記方程式を満足する関数、ｔカ
ａ、はｊ番目の前記線分と前記軸線ＯＵとの間の角度、コ
ｆは焦点距離、
（ｕ、、ｖ、）は前記面ＯＵＶに対する前記ｊ番目のコＪ
線分の末端の射影の座標、
ｔ、はｊ番目の線分のパラメータ、
□＜ｔ、＜Ｌ、。
Ｊ
Ｉは前記の出力単色放射の強度、
σは前記入力単色放射のガウス強度分布パラメータとする事が好ましい。
前記素子が１面上の複数の線分上に集束を生じる場合、透過プレートとして形成
され、前記の各ゾーンの前記レリーフの高さと前記ゾーンの形状は下記の式に依
存し、但し、 （ｕ ｃｏｓθ、ｖ）ＥＧｊ、（ｊ＝１，２Ｚ （ｕ、ｖ）は、
面○Ｕ〜′中に配置されに前記光学位相素子の点（ｕ、ｖ）に３げろ前記レリー
フの高さであり、軸線ＯＺは前記面ＯＵＶに対して垂直であり、軸線ＯＵは前記
面ＯＵＶに対する前記入力単色放射の射影と逆方向にあり、
Ｎは前記線分の数、
Ｏは前記入力単色放射と前記軸線ＯＺとの間の角度、λは前記入力単色放射の波
長であり、
ｍ−１，２，３，・・・１Ｍ。
○’ −ａｒｃｓ ｉｎ （ｓ ｉｎｅ／ｎ）ｎは前記透過プレートの屈折指数
、
Ｇｊは、下記の式を満たす点（ｕ、ｖ）を含む前記の面ＯＵＶ上の区域、
Ωｊ≦ａｒｃｔｇ２ （ｕ、ｖ）＜Ωｊ＋１゜ａ ｒ ｃ ｔ ｇ２（ｕ、 ｖ
）は前記の軸線ＯＵと点（ｕ。
■）の位置ベクトルとの間の角度、
Ω１−Ｏ１Ωｊ＋１−Ωｊ＋２Ｉ［Ｌｊ／Ｌ （ｊ−１，２、・・・、Ｎ）。
Ｌｊは１番目の線分の長さ、
Ｌは複数の前記線分の全長、
φ、（ｕ、Ｖ）は下記方程式を満足する関ヒ、ａ、はｊ番目の前記線分と前記軸
線ＯＵとの間の角度、ｆは焦点距離、
（ｕｊ、ｖｊ）は前記面ＯＵＶに対する前記ｊ番目の線分の末端の射影の座標、
ｔ、はｊ番目の線分のパラメータ、
Ｏ＜ｔ、＜Ｌ、。
Ｊ
■は前記の出力単色放射の強度、
σは前記入力単色放射のガウス強度分布パラメータとする事が好ましい。
前記素子が複数の点上に集束を生じる場合、反射プレートとして形成され、前記
の各ゾーンの前記レリーフの高さと前記ゾーンの形状は下記の式に依存し、ｃｏ
ｓθ、ｖ）＜２ＩＩｊ／Ｎ （ｊ＝１．２． ・−、Ｎ）ここに、
Ｚ（ｕ、ｖ）は、面ＯＵ Ｖ中に配置された前記光学位相素子の点（ｕ、ｖ）に
３げる゛前記レリーフの高さであり、軸線ＯＵは前記面ＯＵ Ｖに対するＦｉ記
大入力単色放射射影と逆方向にあり、軸線ＯＺ（ま前記面○ＵＶに対して垂直で
あり、
Ｎは前記複数の点の数、
■）の位置ベクトルとの間の角度、
Ｎは前記複数の点の点数、
（ＩＪ、、Ｖ、）は前記面ＯＵＶに対する前記複数の点ｊ
のｊ番目の点の射影の座標、
ｆ、は前記の複数の点の前記ｊ番目の点から前記面ＯＵＶまでの距離、
λは前記入力単色放射の波長、
θは前記入力単色放射と前記軸線ｏＺとの成す角度、Ｒは前記入力単色放射の横
断面半径、
ｍ−１，２，３，・・・１Ｍとする事が好ましい。
前記素子が長方形上に集束を生じる場合、反射プレートとして形成され、前記の
各ゾーンの前記レリーフの高さと前記ゾーンの形状は下記の式に依存し、Ｚ （
ｕ、ｖ）は、面ＯＵ Ｖ中に配置された前記光学位相素子の点（Ｕ、Ｖ）におけ
る前記レリーフの高さであり、軸線Ｏ２はη２面ＯＵＶに対して垂直であり、軸
線○Ｕは前記面ＯＵ Ｖに対する前記入力単色放射の射影と逆方向にあり、
λは前記人力単色放射の波長であり、
θは前記入力単色放射と前記軸線ＯＺとの間の角度、φ（ｕ、ｖ）は下記の方程
式によって決定される関斂、Ｅ （ｕ、ｖ）は前記の入力単色放射の強度分布、
■は前記の出力単色放射の強度、
Ｘ１３’は面ｚ−ｆの座標、
Ｆは前記の長方形によって占められる面ＯＸＹ上の区域、
ｆは焦点距離、
Ｒは前記に入力単色放射の横断面半径とする事が好ましい。
以下、不発明を図面に示す臭施例について詳細に説明する。
第１図は不発明による反射プレートと、このプレートに放射され平面白線上に集
束された呈色放射との全体図、第２図は本発明による第１図のプレートの断面図
、第３図は本発明により円弧上に集束する反射プレート上のゾーンの境界を示す
平面図、
第４図は本発明による円弧状の集束区域、第５図は本発明１？より伴焼円弧に集
束する場合の第３図と類似の図、
第６図は本発明による伴焼円弧状の集束区域の図、第７図は本発明により出力放
射の均一強度分布を遊する線分に集束する場合の反射プレート上のゾーン境界を
示す平面図、
第８図は本発明により出力放射の均一強度分布を遊する線分としての集束区域の
図、
第９図は本発明により出力放射の不均一強度分布を有する線分に集束する第７図
と類似の図、第１０図は本発明により出力放射の不均一強度分布を有する線分状
の集束区域を示す図、
第１１図は本発明によりＴ状に配置された複数の線分に集束する反射プレート上
のゾーン境界を示す平面図、第１２図は本発明によりＴ状に￥置された複数の線
分から成る集束区域を示す図、
第１３図は本発明によりだ字４状に配置された複数の線分に藁束する場合の男１
１図と類似の図、第１４図は本発明により数字４状に配置された複数の線分から
成る集束区域を示す図、
第１５図は本発明によりＯ状に配置され１こ複数の点に集束する反射プレート上
のゾーン境界を示す図、第１６図は本発明によりＯ状に配置された複数の点から
成る集束区域を示す図、
第１７図は本発明により数字４状に装置された複数の点に集束する場合の第１５
図と類似の図、第１８図は本発明により数字４状に配置された複数の点から成る
集束区域を示す図、
第１９図は本発明により長方形に集束する場合の反射プレート上のゾーン境界を
示す平面図１、また第２０図は本発明による長方形から成る集束区域を示す図で
ある。
本発明の最も好ましい実施態様
単色放射の集束法は、入力単色放射の位相と強さおよび集束区域の所望の強度に
依存して、入力波面の各点と集束区域の各点との間に対応関係を成して集束区域
の各点を入力波面の点に対応させる事によって単色放射の波面を位相変調にする
にある。
鳳色放射を集束させる光学位相素子は反射プレートまたはヨ過プレートとして形
成され、これはその１面に複数ゾーンを有し、各ゾーンが連続レリーフを伺え、
レリ。
−フの高さと各ゾーンの形状は入力重色放射の位相および強度と集束区域におけ
る出力放射の所望の強度分布とに依存している。
第１図について述べれば、反射プレート１が単色放射２を所望の県東区域３に集
束する。
光学位相素子は放射アイコナールのみを変換するのであるから、このような光学
素子の特性は入力単色放射のアイコナールと、出力放射、すなわち所望の強度分
布を有する放射のアイコナールとによって決定される。
Φｏ （ｕ、ｖ、Ｚ）を面Ｚ−０に配置された光学位相素子上の入射放射のアイ
コナールとし、Φ１ （ｕ、ｖ。
Ｚ）を所望の強度分布を有する放射のアイコナールとし、Ｌｌ、Ｖを所望の光学
素子の面における座標とし、軸線ｏｚを面ｏｕｖに対して垂直とする。
アイコナールΦｏ （ｕ、ｖ、Ｚ）を有する視野を、アイコナールΦ１ （ｕ、
Ｖ、 ｚ）を有する視野に変換する鏡面Ｚ−Ｚ／ｕ、ｖ）の方程式は下記であ
る。
Φｏ （ｕ、ｖ、 Ｚ）−Φ１ （ｕ、ｖ、Ｚ）一定数 （１）レリーフの高く
ない光学要素の場合、面Ｚ−ｏに近いアイコナールをめれば十分である。光学位
相素子に対する放射の垂直入射あ場合、および垂直に近い反射の場合、下記の式
が得られる。
Φｏ （ｕ、ｖ、 Ｚ）−β（ｕ、ｖ）−Ｚ。
０１（ｕ、 ｖ、 Ｚ） ！−φ（ｕ、 ｖ） ＋Ｚ。
ここに、軸線ＯＺは入射放射と反対方向であり、β（ｕ。
■）−Φｏ 、（ｕ、 ｖ、 Ｏ） 、φ（ｕ、 ｖ）−Φ１（ｕ。
ｖ、Ｏ）。
式（１）から、所望の鏡面の方程式を得る。
ここに、Ｚ （ｕ、ｖ）は点（Ｕ、Ｖ）における鏡面の高さである。
方程式（２）は、アイコナールを変換する事のできる平滑な鏡面を表す。波長λ
を有する単色放射が使用される時、アイコナールはλによって割り切れる量に等
しい精度をもって決定する事ができる。従って、一定量の定数を選び、または面
ＯＵＶの挿々の点においてλによって割り切れる種々の定数値を選ぶ時、レリー
フの高さＺ（ｕ、ｖ）と反射プレート１の各区域の形状を得る：ここに、ｆＡｌ
はＡの分数部分、
ｍは反射プレート１のレリーフ高さを決定する整数パラメータである。
ｍが小である場合、最大レリーフ高さはｍλ／２に等しく、十分に大なるｍの場
合、これは平滑な鏡面となる。
すなわち、方程式（３）は方程式（２）と同一の面を表す。
ゾーン５を画成する境界４（第２図）は、面ＯＵＶにおいて下記式（４）によっ
て与えられる。
方程式（３）は各ゾーン５の中の平滑なレリーフ６を表し、これは所望の集束区
域における単色放射の正確な集束を与える。
透過プレートの場合、ゾーン５の境界４は反射プレート１の場合と同様の形状を
有する。
この反射（透過）プレート１は、単色放射がプレート１に対して垂直であれその
他の任意角度であれ、単色放射を集束する。この場合のレリーフの高さは下記の
ようにして決定される。
入射放射は軸線ＯＺと角度Ｏを成し、軸線○Ｕは面○ＵＶに対する入射ビーム射
影に対して反対方向である。
そこで、Φｏ （ｕ、ｖ、Ｚ） ＝β（ｕ、ｖ） −Ｚ ｃ ｏ ｓＯｌまた反
射視野のアイコナールは下記式によって表される。
ｑ）１（ｕ、ｖ、ｚ） ＝ ’７（ｕ、ｖ） ＋ Ｚ ｃｏｓ Ｑ、 （５）平
滑鏡面の方程式は下記の形をとる。
この場合、反射プレート１のレリーフ６の高さとゾーン５の形状は下記の形をと
る。
ｍが小の場合、最大レリーフ高さはｍλ／ ２ ｃ ｏ ｓθ、これに対してｎ
ｌが十分に大の場合、方程式（７）によって定義される面は方程式（６）によっ
て定義される面と一ン５の形状は下記の方程式に依存する事を照明する事ここに
、ｎはプレートの屈折指数である。
ｅ’−ａｒｃｓｉｎ （ｓｉｎ○／ ｎ ） （９）このように、前記の反射プ
レートと透過プレートは所′ｌＩ′８ノ（口Ｈ６２−５０２７７９（１１）望の
アイコナール変換を実施する。入力放射のアイコナールΦｏ （ｕ、ｖ、Ｚ）が
公知であるから、関数φ（電」。
■）−Φ１（ｕ、ｖ、Ｚ）をめる事によりアイコナールΦ】、（ｕ、 、ｖ、Ｚ
）をめればよい。そのためには、その集束区域と強度分布を調べなければならな
い。集束区域は数部分に分割され、それぞれの部分がそれ自体の強度分布を有す
る事を注意しなげればならない。この場合、プレートは集束区域の部分数に対応
する部分に分割され、プレートの各部分が放射を集束区域のそｎぞれの部分に指
向するものとみなされる。プレートの各部分について個別に計算を冥施する。従
って集束区域は単位と・みなしても、全体的原理を制限しない。
同一の、しかし面Ｚ’＝ｆにある白線または区域に放射が集束される場合、垂直
放射のアイコナールとしての関数Φｏ （ｕ、ｖ、 ）の計算が斜方向入射にも
適用される事が重要である。この場合、関数φ（ｕ、ｖ）は下記の式からめられ
る。
ψ（ｕ、ｖ） ＝ ’ｉ’ （ｕ ｃｏａ ９．ｖ） −ｕ ｓｉｎ Ｏ，（ｉ
ｏ）またこの式はまず垂直入射を処理し、つぎに斜方向入射を処理する事を可能
にする。垂直入射の場合の結果が公知であれば、式（７）、（８）と共に式（１
０）によって、斜入射の場合の反射プレー１−または透過プレートの面の形状を
計算する事ができる。
垂直入射の場合、焦点面はプレートに対して平行である。斜方向入射の場合、入
射ビームが軸線ＯＺと角度ｅを成し、軸線ＯＵが面ＯＵＶに対するビーム入射の
射影と反対方向に向けられているとき、焦点面は面Ｚ’−ｆし、また軸線ＯＵ’
は軸線ＯＵと角度ｅを成す。
平坦な波面を有する入射放射の場合、β（ｕ、ｖ） −−ｕｓｉｎｅであって、
入力放射が反射プレートに対して角度θで入射するとき、式（７）と（１０）を
月いて、反射プレートのレリーフ６の高さと区域５の形状とをめる。
また式（８）と（１０）を用いて、透過プレートのレリーフ６の高さとゾーン５
の形状とをめる。
ここに、φ（ｕ、ｖ）は、光学素子に対する入力放射の垂直入射の場合について
計算された反射視野のアイコナールである。下記は垂直入射に対するφ（ｕ、ｖ
）をめる方法である。式（１１）または（１２）を用いて、斜方向入射の場合の
レリーフ高さをめる。
キルヒホフのスカラー線積分を用いて、関数φ（Ｕ。
■）を計算する。
！
Ｊ （ｕ、ｖ）は入力単色放射の強度分布、１ （ｘ、ｙ、Ｚ）は８力単色放射
の強度、Ｒは入力単色放射の断面半径、
ｆは焦点距離である。
方程式（１３）の種々の変形を用いて、種々の、特異集束区域とこれらの区域に
おける強度分布について関数φ（ｕ、ｖ）をめる事ができる。
入力単色放射のガウス強度分布について、（σはガウス強度分布パラメータ）
式（１３）は下記の式によって与えられる。
つぎに、強度が均一に分布された平坦曲線の場合を考察する。これは下記によっ
て与えられる。
ｘ−ｘ （ｔ）、ｙ−ｙ （ｔ）、Ｚ−ｆ。
Ｌは焦点曲線の長さ、Ｌ≠０゜
ｆは焦点距離、
ｘ、ｙは面Ｚ−ｆにおける座標、軸線Ｘは軸線ＯＵに対して平行とし、軸線○Ｙ
は軸’ＡＯＶに対して平行とし、ｔは平坦白線上の正規パラメータである。
式（１４）を用いて、座標（ｘ、（ｔ）、’３’ｏ （ｔ）。
ｆ）を有する平坦白線上の点の強度を下記の式がらめる。
ここに、Ｉ （ｔ）は出力単色放射の強度である。
出力放射１（ｔ）−Ｉ一定数（値Ｉはエネルギー保存の法則から決定される）の
所望の強度分布に対して、関数φ（ｕ、ｖ）は下記の式からめられる。
反射プレートのレリーフ６の高さとゾーン５の形状をめる１こめには式（１１）
と（１７）が用いられるのに対して、透過プレートのこれらの値をめるためには
式（１２）と（１７）が用いられる。
第３図について述べれば、円弧７（第４図）上に集束する場合の反射プレート（
透過プレート）ユ上のゾーン５を分割する境界４を略字する。第５閏は、共役円
弧８（呪６図）上に集束する場合の反射プレート（通過プレート）１上のゾーン
５を分割する境界４を略字する。
以下において、線分に沿った出力放射の所望の強度分布がＩ （ｔ）であるとき
に線分に集束する場合を検討する。面Ｚ−ｆ中に配置された線分が軸線ＯＵと角
度αを成す。値ｔは正規パラメータであって、線分に沿って０からＬまで変動す
る。ここにＬはこの線分の長さである。
線分に集束する際に関数φ（ｕ、ｖ）の満たす関係をめるために式（１４）を用
いる。この関係は下記のとうりである。
ここに、
（ｕｏ、Ｖｏ）は、面ｏＵＶ上の線分の未満の射影の座標である。
反射プレートのレリーフ６の高さとゾーン５の形状をめるために式（１１）と（
１８）を用いるのに対して、通過プレートのこれらの値をめるためには式（１２
）と（１８）を用いる。
故に、例えば、下記の式（１９）は、均一に分布された強度を有する入力放射を
、同じく均一に分布された強度の出力放射を有する線分状に集束する反射プレー
トのレリーフ６の高さとゾーン５の形状を限定する。ここに、し、すべての値は
ミリメートルである。
第７図は、出力放射の均一な強度分布を有する線分９（第８図）に集束する際の
反射プレート（透過プレート）１のゾーン５を分割する境界４を示す。第９図は
、出力放射の不均一な強度分布を有する線分１０（第１０図）に集束する際の反
射プレート（透過プレート）１のゾーン５を分割する境界４を示す。
プレート軸線上に配置された集束区域としての線分の場合、すなわち軸線ＯＺの
場合、ｆ＜Ｚ＜ｆ＋Ｌである。
こに、Ｌｌｌｉ線分の長さ、ｆは焦点距離である。
関数φ（ｕ、ｖ）をめるためには、対称性の故に、φ（ｕ、ｖ）−φ（ｒ）であ
る事を注意しなければならない。ここに、ｒ”４’ｕ２÷ｖ２゜関数φ（ｒ）は
下記の式からめられる。
ここに、関数（ρ）は下記の式からめられる。
ここに、Ｉ （ｔ）は線分に沿って出力放射の強度分布である。
式（２０）と（２１）を用いて、反射プレートのレリーフ６の高さとゾーン５の
形状をめる。これらは下記の式（２２）によって変動する。
複数の線分に集束する場合を考察しよう。複数の焦点線分は焦点面Ｚ−ｆ中に配
置されたＮ線分を含み、軸線○Ｚは面ＯＵ■に対して垂直とする。線分の長さを
Ｌｊとし、面ＯＵＶ上の線分の末端の射影の座標を（Ｕ、。
ｖ、）とし、ここにｊ＝１，２．−、Ｎ０ブレー１−４７）面を複数部分Ｇｊ
（ｊ−１，２，・・・、Ｎ）に分割する。プレート・の１部分Ｇ〕がこのプレー
トに対する放射入射（入力放射）をｊ番目の線分に集束する。線分に沿った出力
放射の均一な強度分布を成丁ため、複数部分Ｇｊへの分割は、１つの部分Ｇｊに
対する放射エネルギー入射がＬｊに比例するように成される。ビームに沿って軸
対称的強度分布を有する放射の場合、例えばガヮス弘度分布を有するビームの場
合、複数線分に分割しｊ番目の線分の中心角がＬｊに比例するようにする事によ
って前記の条件が満たされる。この場合、部分Ｇｊは下記の式を満足させる点ｕ
、ｖを有する。
Ωｊ≦ａｒｃｔｇ２ （ｕ、ｖ）＜Ωｊ＋ｌ （２Ｂ）ここに、ａ ｒ ｃ ｔ
ｇ２（ｕ、ｖ）は軸線ＯＵと点（ｕ。
■）の半径ベクトルの間のラジアン角度であり、これは下記の区間内にある。
ここにＬはすべての線分の全長り一Σ Ｌｊ、Ｌ≠０である。
この場合、反射プレートのレリーフ６の高さとゾーン５の形状は下記の方程式に
よって変動する。
ここｌ臥 （ｕ ｃｏｓｅ、ｖ）ＥＧｊ。
またミ退プレートの前記値は下記の方程式によって変動する。
ここに、（ｕ ｃａｓｅ、ｖ）ＥＧｊ。
関数φｊ （ｕ、ｖ）は下記の式を満たず。
ここに、ｔ、はｊ番目の線分上のバラメークであって、Ｏ＜ｔ、＜Ｌｊ。
Ｉは出力単色放射の強度である。
従って、例えば下記の式（２８）は、
均一強度分布を有する放射を均一強度分布のＴ状に配置された線分に集束する反
射プレートのレリーフ６の高さとゾーン５の形状を定義する。この場合、λ−０
，００５、ｆ−２００，９−０″′、すヘテノ値ハミリメートルである。
第１１図は、Ｔ状の複数線分１１（第１２図）に集束する際の反射（透過）プレ
ート１上のゾーン５を分割する境界４を示す。第１３図は、数字４状の複数線分
１２（第１４図）に集束する際の反射プレート（透過プレート）上のゾーン５を
分割する境界４を示す。
集束ターゲットが複数の点である場合、所望の画像は、それぞれ面ＯＵＶから距
離ｆ、（ｊ−１，２，・・・、Ｎ）、に配置されたＮ点を含む。面ＯＵＶへのこ
れらの点の射影は座標ｕ −、ｖ −（３＝ １．２＋ ・・・、Ｎ）である。
等コＪ
量のエネルギーがすべての点に集束される。プレートの面は部分Ｇｊ（ｊ−１，
２，・・・、Ｎ）に分割される。プレートの各部分が、これにヌーする放射入射
をそれぞれの画像点に集束する。レリーフの形状は、プレートの各部分に対する
すべての放射入射を、その入射角度に応じて特定の画像点に指向するように計算
される。プレートの各部分は扇形であって、すなわち１つの部分Ｇｊは下記ここ
に、ａ ｒ ｃ ｔ ｇ２（ｕ、ｖ）は区間［０，２１１］における軸線ＯＵと
点（ｕ、ｖ）の半径ベクトルとの成す角度である。このような複数部分への分割
は、軸対称強度分布を有するビームに？いて画像点間の均一なエネルギー分布を
可能とする。
プレートの部分Ｇｊから反射された放射をｊ＠目の画像点に集束させるためには
、面ＯＵＶにおける放射アイコナールは下記の式に等しくなければならない（こ
こに、現在使用されている強力なレーザの大部分は平面波面を有する。レーザビ
ームは、面ＯＵＶに垂直な軸線ＯＺに対して角度ｅで落ち、軸線○Ｕは面ＯＵＶ
に対する入射ビームの射影と逆方向にある。従って、面ＯＵＶにおける入射波面
のアイコナールはｂ（ｕ、ｖ）−−ｕｓｉｎ○となる。定数の値を選ぶ事により
、レリーフの高さがｍλ／ ２ ＣＯＳθを超えない反射プレート面を得る事が
できる。このようなプレートのレリーフ６の高さとゾーン５の形状（ここに、（
ａ ｃｏｓθ、■）６Ｇｊ）は下を己である。
＋ＡＩ はへの分数部分を示し、
ｍは最大レリーフ高さを示す整数パラメータである。
しかし、プレートは任意形状の複数部分Ｇｊに分割する事ができる。故に、入力
放射の任意の強度分布に対１７て焦点において任意の強度分布を得る事ができる
。
第１５図は、Ｏ状を成す複数の点１３（第１６図）に集束する場合の反射プレー
ト（透過プレート）１上のゾーン５を分割す・る境界４を示す。第１７図は、数
字４状を成す複数の点１４（第１８図）に集束する場合の反射ブレ、−ト（透過
プレート）１上のゾーン５を分割する境界４を示す。
長方形に対して集束ｒる場合を考察する場合、集束（出力）放射の均一強度分布
を有する長方形に対する集束を調べる事が特に望ましい。座標Ｘとｙを有する面
Ｚ−ｆ中の長方形の場合、軸線ＱＸは軸線ＯＵに対して平行、軸線ＯＹは軸線Ｏ
Ｖに対して平行であり、関数φ（ｕ、ｖ）は下記の方程式を満足させる。
ここに、Ｉは出力放射の強度、
Ｆは長方形によって占められる面ＯＸＹの区域である。
式（１１）と（１８）を用いて、特定の強度分布を有する放射を長方形に集束す
る反射プレートのレリーフ６例えば、下記の式（３２）は、
５×２０の寸法を有する長方形に対して均一分布放射を集束する反射プレートの
レリーフ６の高さとゾーン５の形状を表す。ここに、λ−０，００５、ｆ−２０
０、θ−Ｏ”とし、すべての値はミリメートルである。
第１９図は、長方形１５（第２０図）に集束する際に反射プレート１上のゾーン
５を分割する境界４を示す。
反射プレートまたは透過プレートの前記の実施例から明らかなように、これらの
プレートは、エネルギー損失を伴う事なく、従って全エネルギーを集中して、入
射放射のエネルギーを所望の空間区域に指向する。これらのプレートは、入射放
射のアイコナールを、出力放射強度の所望の分布を保証するアイコナールに変換
する。故に、これらのプレートは放射の強度を不変に保持する。すなわちエネル
ギーの素質を伴わない。
前記の反射プレートまたは透過プレートは公知の方法によりて製造する事ができ
る。特に、写真層中間キャリアを含む技術を使用する事ができる。この場合、ま
ずコンビ二−タ制御精密フτト・ブ、ロック上で振幅マスクを製造する。このマ
スクにおいて、写真濃度はレリーフ高さに比例している。つぎに、このマスクを
通して接触法または投影法によって星光剤を＝光する。月光中に吸収される光量
に応じて感光剤がその特性を変更する。その結果、例えばゼラチンのこの感光剤
の表面においてレリーフが変調される。しかし、光学素子の特定の製造プロセス
に適合するため、平滑レリーフ形状の代わりに多階調レリーフを使用する事がで
きる。例えば写真平版はレリーフ中に約１０の高さ階調を生じる事ができる。多
階調を有するゾーンプレートは、各ゾーンにおいて連続レリーフを有するゾーン
プレートよりも有効性が低いが、この差異は階調数の増大と共に減少する。
本発明によって作られた光学位相素子は、焦点区域において連続強度分布によっ
て形成された画像を生じる事ができるが、このような画像は公知の装置によって
は得られない。出力放射強度の分布は、光学位相素子のレリーフの選択によって
制御する事ができる。このようにして任意所望の予選穴された連続強度分布を得
る事ができる。本発明による光学位相素子は、斜入射放射の集束の問題を解決す
る事ができる。
オレージョンによって各種の製品を製造し種々の素材を処理するためのレーザ装
置において、半導体の急冷のためにマイクロエレクトロニクスにおいて、フでト
ケミストリーにおいて、外科手術において、複雑な視力修正用に眼科治療におい
て、また実際に光の複素集束を必要とするすべての用途において使用する事がで
きる。
故に、本発明は、複雑な機械的走査装置と比較して遥かに簡単なスキャンナーを
有する新規な表面熱処理装置を提供するために使用する事ができる。
表面硬化処理においては、被処理面全体における放射強度の分布が極めて重要で
ある。この場合、所望の強度分布を有する線分に放射を集束する事のできる光学
素子は、最大硬貨を得るために処理プロセスを制御する手段を成す事により特に
有効である。放射強度分布の高度の均一性が必要とされる場合に本発明の光学素
子は特に宵効である。
この種の光学素子は、特に脆いまたは小型の製品のマーク付け、および高速マー
ク付けにおいて広く利用する事ができる。
放射を線分状に集束する事のできる光学位相素子は、医療分野で、特に走査装置
の使用が問題を生じまたは不可能な眼科で使用する事が好まし７い。
不規則形状の反射鏡面を迅速に形成するための順応光学分野は、線分上に放射を
集束する事のできる本発明の光学素子のもう１つの応用分野である。この分野は
、順うメータを有する区域に放射を集束する事のできる自己調節系を含む。
ＦＩＧ、 ２
Ｆｌ６．４
Ｆｌ（３，Ｂ
国際調査報告 [The calculation of the monoform is based on the dimensions and manufacturing of the monoform.
imposes scant restrictions on created executives; Therefore, the focusing by the monoform γ-me is always an approximation. The kinoform is designed to focus only normally incident radiation, and the resulting image must be placed in one plane. Designing kinoforms for C02 lasers (λ-1, also 6 μm) is difficult due to the delicate structure of kinoforms, which cannot withstand high energy densities. Kinoforms are also unsuitable for focusing intense beams because the lenses used in them are unreliable or too expensive in the infrared range. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention focuses radiation with total energy concentration onto curves and flat figures of desired shape, and focuses radiation along said curves and in areas of the flat figures to a desired intensity of output radiation.
The object of the present invention is to provide a monochromatic radiation focusing method capable of obtaining a power distribution and an optical phase element for implementing this method. According to the invention, in a method for focusing monochromatic radiation by phase modulation of its wavefront, the phase modulation is performed at a point on the resulting wavefront depending on the phase and intensity of the input grass-colored radiation and a desired intensity distribution in the focusing area. and a point in the focal area, and
The above objective is achieved by the koto, which makes each point of the soku area correspond to each point of the choki wave front. This also means that the monochromatic radiation focusing phase optical element is combined with a reflection plate or a transmission plate.
A plurality of zones are arranged on one side of the plate, a continuous relief is formed in each zone, and the height of the relief and the shape of the zone are determined by the input.
This is achieved by depending on the phase and intensity of the output monochromatic radiation and the desired intensity distribution of the output radiation in the focal area. Preferably, said element is formed as a reflective plate when focusing on a flat curve, and the height of said relief of each said zone and the shape of said zone depend on the following formula:
where Z (u, v) is the height of the relief at the point (U, V) of the optical phase element arranged in the plane OUV, and the axis OZ is perpendicular to the plane OUV. , the axis OU is in the opposite direction to the projection of the input monochromatic radiation onto the surface OUV.
where λ is the wavelength of the input monochromatic radiation, m-1,2,3,-,M. φ(u,v) is a function that satisfies the following formula, where t is expressed by the following relationship.
The normal parameters on the flat white line defined by: u-x (t), v-y (t), z-f. θ is the angle between the input monochromatic radiation and the axis OZ, L is the length of the flat curve, L≠0° R is the radius of the cross section of the input monochromatic radiation, σ is the Gaussian intensity of the input monochromatic radiation The distribution parameter, f, is the focal length. Preferably, the element also functions as a transmission plate when focusing on a flat curve.
The height of the relief in each zone and the shape of the zone depend on the following formula: C03p
Here, Z (u, v) is the height of the relief at also (U, V) of the optical phase element arranged on the plane OU v c:+, and the axis OZ is on the plane OU V. and the axis OU is in the opposite direction to the projection of the input monochromatic radiation onto the surface OUV.
] is the wavelength of the input monochromatic radiation, loco, 2, 3.・-・1M. n is the refractive index of the transmission plate, θ' − arcs in (s in θ/n) φ (u, v) is a function that satisfies the following equation, where t is the refractive index of the flat surface defined by the following relationship: Normal parameters on the curve, Table 18 Sho 62-502779 (7) u-x (t), v-y (t), z-f. 0<t<L. is the intensity of the output monochromatic radiation, ○ is the angle between the input monochromatic radiation and the axis OZ, L is the length of the flat curve, R is the radius of the cross section of the input monochromatic radiation, σ is the input monochromatic radiation Gaussian intensity distribution parameters, f is the focal length. In addition, Z ( u, v) are the heights of the relief at the point (U, V) of the optical phase element placed in the plane OUV, and the axis oZ is perpendicular to the plane OUV.
, the axis OU is in the opposite direction to the projection of the input monochromatic radiation onto the surface OUV, θ is the angle between the input monochromatic radiation and the axis OZ, and 2 is the waveform of the input monochromatic radiation.
The length is m-1, 2, 3,...1M. φ(u, v) is a function that satisfies the following equation, C is the angle between the line segment and the striking line that is located at 9 of the plane OUZ and forms an angle (II/2)-〇 with the axis oZ, 1 (t) is the intensity of the output monochromatic radiation, t is the normal parameter on the line segment, Q<t<L. L is the length of the line segment, L#-0, (u, v) are the coordinates of the projection of the end of the line segment onto the plane OUV, R is the radius of the cross section of the input monochromatic radiation, σ is the input Gaussian intensity distribution of monochromatic radiation. Let f be the focal length parameter. If the element produces a focus on a line segment, it is formed as a transparent plate, and the height of the relief of each zone and the shape of the zone depend on the following formula, where Z (u, v) , is the height of the relief at the point (u,'v) of the optical phase element located in the plane OUV, and the axis OZ is perpendicular to the plane OUV.
, the axis OU is in the opposite direction to the projection of the input monochromatic radiation onto the plane OUV, e is the angle between the input monochromatic radiation and the tiii line oZ, and λ is the angle between the input monochromatic radiation and the
rn-1+ 2.3. -, bi. n - refractive index of the transmission plate, e' arcs in (sine/n), φ(u,v) satisfies the following equation:
The function to be added, α is the angle between the line segment and an axis that is in the plane OUZ and forms an angle (n/2)−〇 with the axis oZ, 1 (t) is the intensity of the output monochromatic radiation, t is before
Regular parameters on the marked line segment, 0<t<L. L is the length of the line segment, L≠0, (u, v) are the coordinates of the projection of the end of the line segment onto the plane OUV, R is the radius of the cross section of the input monochromatic radiation, σ is the input monochromatic radiation The Gaussian intensity distribution parameter of radiation, f, is preferably the focal length. If the element produces a focusing on a line segment located on the optical axis of the element, it is formed as a reflection plate, and the height of the relief of each zone and the shape of the zone are given by the following formula: , Z (u, v) is the height of the relief located at the point (U, V) of the optical phase element located in the plane ○U~', and the axis OZ is the height of the relief located in the plane ○U~' Perpendicular to UV, m-1, 2, 3,...1M. λ is the wavelength of the input monochromatic radiation, r-4u2+v2゜ Z(ρ) is a function determined from the following equation, 1(t) is the intensity distribution of the output monochromatic radiation along a line segment placed on the axis OZ, t is a normal parameter of the line segment, f<t<f+L. Preferably, f is the focal length, J (r) is the intensity of the input monochromatic radiation, and L is the length of the line segment. If the element produces focusing on a plurality of line segments in one plane, it is formed as a reflection plate, and the height of the relief of each zone and the shape of the zone are determined according to the following formula:
However, (u cos θ, v)EGj, (j=, 1,2Z (u, v) is the relative position at the point (u, v) of the optical phase element arranged on the plane OU V
The axis ○Z is perpendicular to the surface ○UV and is in the opposite direction to the projection of the input monochromatic radiation onto the surface OUV, and N is the number of the line segments. , λ is the wavelength of the input monochromatic radiation, θ is the angle between the input monochromatic radiation and the axis OZ, m-1,2,3,-,M. Gj (j-1, 2,..., N) is the area on the surface OU V containing the point (u, v) that satisfies the following formula, Ωj≦arctg (u, v)<Ωj+1゜a r c t g2 (u, v) is the angle between the axis OU and the position vector of the point (u.);
Ω −0, Ωj+1−Ωj+2I[L j/L (j−1, 2, . . . , N). Li is the length of the jth line segment, L is the total length of the plurality of line segments, 6, (u, V) are functions that satisfy the following equation, t, a is the jth line segment and the axis line, OU, f is the focal length, (u,, v,) is the coordinate of the projection of the end of the j-th line segment to the plane OUV, and t is the parameter of the j-th line segment. , <t, <L,. Preferably, J I is the intensity of the output monochromatic radiation, and σ is a Gaussian intensity distribution parameter of the input monochromatic radiation. If the element produces focusing on a plurality of line segments in one plane, it is formed as a transmission plate, and the height of the relief of each zone and the shape of the zone are determined by the following formula:
However, (u cos θ, v) EGj, (j=1,2Z (u, v) is located in the plane ○U~' and has three points at the point (u, v) of the optical phase element. Said lelly
the axis OZ is perpendicular to the plane OUV, the axis OU is in the opposite direction to the projection of the input monochromatic radiation onto the plane OUV, N is the number of the line segments, O is the The angle between the input monochromatic radiation and the axis OZ, λ is the wave of the input monochromatic radiation
The length is m-1, 2, 3,...1M. ○' - arcs in (sine/n)n is the refractive index of the transmission plate, Gj is the area on the plane OUV that includes the point (u, v) that satisfies the following formula, Ωj≦arctg2 (u, v)<Ωj+1゜a r c t g2(u, v) is the angle between the aforementioned axis OU and the position vector of the point (u.), Ω1−O1Ωj+1−Ωj+2I[Lj/L (j−1,2 ,...,N). Lj is the length of the first line segment, L is the total length of the plurality of line segments, φ, (u, V) is the relationship that satisfies the following equation, a is the jth line segment and the axis
the angle with the line OU, f is the focal length, (uj, vj) are the coordinates of the projection of the end of the jth line segment onto the surface OUV, t is the parameter of the jth line segment, O<t ,<L,. Preferably, J is the intensity of the output monochromatic radiation, and σ is a Gaussian intensity distribution parameter of the input monochromatic radiation. If the element produces focusing on multiple points, it is formed as a reflection plate, and the height of the relief of each zone and the shape of the zone depend on the following formula, cosθ,v)<2IIj/N (j=1.2.・-, N) Here, Z(u, v) is 3 points of the relief at the point (u, v) of the optical phase element arranged in the plane OU V. The axis OU is in the opposite direction to the large input monochromatic radiation projection of Fi on the surface OU V, and the axis OZ (also perpendicular to the surface ○UV, N is the number of the plurality of points, ), N is the number of the plurality of points, (IJ,,V,) is the coordinate of the projection of the j-th point of the plurality of points j onto the surface OUV, f is the The distance from the j-th point of the plurality of points to the surface OUV, λ is the wavelength of the input monochromatic radiation, θ is the angle between the input monochromatic radiation and the axis oZ, and R is the lateral direction of the input monochromatic radiation.
It is preferable that the cross-sectional radius is m-1, 2, 3, . . . 1M. If the element produces a rectangular focusing, it is formed as a reflection plate, and the height of the relief of each zone and the shape of the zone depend on the following formula, Z (u, v) is the plane OU V At the point (U, V) of the optical phase element located in
is the height of the relief, the axis O2 is perpendicular to the η2 plane OUV, and the axis
Line ○U is in the opposite direction to the projection of the input monochromatic radiation onto the surface OU V, λ is the wavelength of the human monochromatic radiation, θ is the angle between the input monochromatic radiation and the axis OZ, φ( u, v) are the following equations
where E (u, v) is the intensity distribution of said input monochromatic radiation, is the intensity of said output monochromatic radiation, X13' is the coordinate of the plane z-f, and F is the area occupied by said rectangle. It is preferable that the area on the plane OXY where f is the focal length, and R is the radius of the cross section of the input monochromatic radiation. Hereinafter, odor embodiments showing the invention in the drawings will be described in detail. Figure 1 shows a reflecting plate according to the invention, and the radiation that is emitted from this plate is concentrated on a plane white line.
2 is a cross-sectional view of the plate of FIG. 1 according to the invention; FIG. 3 is a top view showing the boundaries of zones on the reflective plate that are focused into arcs according to the invention; FIG. , FIG. 4 shows the arc-shaped focusing area according to the present invention, and FIG. 5 shows the present invention 1? Gathered into the Banyaki arc
FIG. 6 is a diagram similar to FIG. 3 in the case of bundling, FIG.
FIG. 8 is a plan view showing the zone boundaries on the reflecting plate when the uniform intensity distribution of the output radiation is focused on a floating line segment; FIG. , FIG. 9 is a diagram similar to FIG. 7 in which the output radiation is focused into a line segment with a non-uniform intensity distribution according to the invention, and FIG. 10 is a diagram similar to FIG. FIG. 11 is a plan view showing the zone boundaries on the reflective plate that are focused into a plurality of line segments arranged in a T-shape according to the present invention, and FIG. 12 is a diagram showing the zone boundaries arranged in a T-shape according to the invention. FIG. 13 is a diagram similar to FIG. 1 when straw is bundled into multiple line segments arranged in a square shape according to the present invention, and FIG. FIG. 15 is a diagram illustrating a focusing area consisting of a plurality of line segments arranged in a figure 4 according to the invention; FIG. , FIG. 16 is a diagram showing a focusing area consisting of a plurality of points arranged in an O-shape according to the present invention, and FIG. 17 is a diagram showing a focusing area consisting of a plurality of points arranged in a figure 4 according to the present invention. FIG. 18 is a diagram showing a focusing area consisting of a plurality of points arranged in the shape of a number 4 according to the invention, and FIG. 19 is a diagram showing the zone boundaries on a reflector plate when focusing in a rectangular shape according to the invention. 1 and 20 show a rectangular focusing area according to the invention. Most Preferred Embodiment of the Invention The method of focusing monochromatic radiation provides a correspondence between each point of the input wavefront and each point of the focusing area, depending on the phase and intensity of the input monochromatic radiation and the desired intensity of the focusing area. The wavefront of monochromatic radiation is phase modulated by associating each point of the focusing area with a point on the input wavefront. The optical phase element that focuses the orange radiation can be shaped as a reflector plate or a transverse plate.
It has multiple zones on one side, and each zone has a continuous relief. − The height of the filter and the shape of each zone are determined by the phase and intensity of the input heavy color radiation and the focus area.
depends on the desired intensity distribution of the output radiation. Referring to FIG.
bundle. Since an optical phase element converts only the eikonal of the radiation, the characteristics of such an optical element are the conversion between the eikonal of the input monochromatic radiation and the output radiation, that is, the desired intensity component.
Determined by the iconal of the radiation with the cloth. Φo (u, v, Z) is the eye of the incident radiation on the optical phase element placed in the plane Z-0.
Let Φ1 (u, v. Z) be the eikonal of the radiation with the desired intensity distribution, Ll, V be the coordinates in the plane of the desired optical element, and the axis oz be perpendicular to the plane ouv. The equation for the specular surface Z-Z/u, v) that transforms a field of view with an eikonal Φo (u, v, Z) into a field of view with an eikonal Φ1 (u, V, z) is:
Ru. Φo (u, v, Z) - Φ1 (u, v, Z) constant number (1) In the case of an optical element that does not have high relief, it is sufficient to find the eikonal close to the plane Z-o. optical degree
In the case of normal incidence of radiation on the phase element and in the case of near-normal reflection, the following equations are obtained: Φo (u, v, Z) − β (u, v) − Z. 01(u, v, Z)! −φ(u, v) +Z. Here the axis OZ is in the opposite direction to the incident radiation, β(u.) − Φo, (u, v, O), φ(u, v) − Φ1(u. v, O). From equation (1), the equation of the desired mirror surface is obtained. Here, Z (u, v) is the height of the mirror surface at the point (U, V). Equation (2) represents a smooth mirror surface on which the eikonal can be transformed. When monochromatic radiation with wavelength λ is used, the eikonal is equal to the quantity divisible by λ.
can be determined with great precision. Therefore, when choosing a constant quantity, or choosing various constant values that are divisible by λ at discrete points of the surface OUV, the release
Obtain the height Z(u, v) of the relief plate and the shape of each area of the reflection plate 1: where fAl is the fractional part of A and m is an integer parameter determining the relief height of the reflection plate 1. If m is small, the maximum relief height is equal to mλ/2, and for a sufficiently large m
In this case, this results in a smooth mirror surface. That is, equation (3) represents the same surface as equation (2). Boundary 4 (Fig. 2) defining zone 5 is calculated by the following formula (4) in the plane OUV.
given. Equation (3) represents a smooth relief 6 within each zone 5, which corresponds to the desired focal area.
gives precise focusing of monochromatic radiation in the area. In the case of the transmission plate, the boundary 4 of the zone 5 has a similar shape as in the case of the reflection plate 1. This reflective (transmissive) plate 1 is suitable for monochromatic radiation even if it is perpendicular to the plate 1.
Focus monochromatic radiation at any other angle. The height of the relief in this case is determined as follows. The incident radiation forms an angle O with the axis OZ, and the axis ○U is the incident beam radiation on the plane ○UV.
It is in the opposite direction to the shadow. Therefore, Φo (u, v, Z) = β (u, v) −Z co sOl and the opposite
The eikonal of the firing field is expressed by the following formula. q) 1(u, v, z) = '7(u, v) + Z cos Q, (5) flat
The equation of a smooth mirror takes the following form. In this case, the height of the relief 6 of the reflection plate 1 and the shape of the zone 5 are as follows.
Ru. If m is small, the maximum relief height is mλ/2 co sθ, whereas if nl is large enough, the surface defined by equation (7) is reduced by equation (6).
It should be noted that the surface defined by the surface and the shape of the line 5 depend on the following equation: where n is the refractive index of the plate. e’-arcsin (sin○/n) (9) In this way, the above reflection plate
The rate and the transmission plate perform the desired eikonal transformation as required. Since the eikonals Φo (u, v, Z) of the input radiation are known, the function φ(electron) ) - Φ1 (u, v, Z), we can find the eikonal Φ], (u, , v, Z).To do this, we must investigate its focal area and intensity distribution.
stomach. The focusing area is divided into several parts, each part having its own intensity distribution
You must be careful that In this case, the plate is divided into parts corresponding to the number of parts of the focusing area, and each part of the plate directs radiation to a respective part of the focusing area.
It is considered to be directed toward Calculate each part of the plate separately. subordinate
Even if the focal area is considered as a unit, it does not limit the overall principle. It is important that the calculation of the function Φo (u, v, ) as the eikonal for normal radiation also applies to oblique incidence, if the radiation is focused on the same white line or area in the plane Z' = f. It is. In this case, the function φ(u,v) can be calculated from the following equation:
Ru. ψ(u,v) = 'i' (u coa 9.v) -u sin O, (io) This formula also allows us to first treat normal incidence and then oblique incidence. . If the results in the case of normal incidence are known, the shape of the surface of the reflection plate 1- or the transmission plate in the case of oblique incidence can be calculated using equations (7) and (8) as well as equation (10). . For normal incidence, the focal plane is parallel to the plate. For oblique incidence,
When the incident beam forms an angle e with the axis OZ and the axis OU is oriented in the opposite direction to the projection of the beam incidence onto the plane OUV, the focal plane is in the plane Z'-f and the axis OU' is the same as the axis OU. form an angle e. For incident radiation with a flat wavefront, β(u,v) −usine, and when the input radiation is incident on the reflection plate at an angle θ, then substituting equations (7) and (10), The height of the relief 6 of the reflection plate and the shape of the area 5 are determined. Also, the height of the relief 6 of the transmission plate and the shape of the zone 5 are calculated using equations (8) and (10). where φ(u,v) is the eikonal of the reflected field calculated for the case of normal incidence of the input radiation on the optical element. The following is a method to calculate φ(u,v) for normal incidence. Calculate the relief height in the case of oblique incidence using equation (11) or (12). Calculate the function φ(U.) using Kirchoff's scalar line integral. ! J (u, v) is the intensity distribution of the input monochromatic radiation, 1 (x, y, Z) is the intensity of the 8-power monochromatic radiation, R is the cross-sectional radius of the input monochromatic radiation, and f is the focal length. Using different variants of equation (13), we can define different singular focusing areas and these areas.
A function φ(u,v) can be set for the intensity distribution at . For a Gaussian intensity distribution of input monochromatic radiation, (σ is a Gaussian intensity distribution parameter) Equation (13) is given by: Next, consider the case of a flat curve with uniformly distributed intensities. This is due to the following
given. x-x (t), y-y (t), Z-f. L is the length of the focal curve, L≠0゜ f is the focal length, x, y are the coordinates in the plane Z-f, the axis X is parallel to the axis OU, and the axis ○Y is parallel to the axis 'AOV where t is a normal parameter on the flat white line. Using equation (14), the intensity of a point on the flat white line having the coordinates (x, (t), '3'o (t). f) is determined by the following equation. where I (t) is the intensity of the output monochromatic radiation. For a desired intensity distribution of output radiation 1(t)-I constant (value I is determined from the law of conservation of energy), the function φ(u,v) can be found from the following equation: Equations (11) and (17) are used to calculate the height of the relief 6 of the reflection plate and the shape of the zone 5, whereas equation (12) is used to calculate these values for the transmission plate. ) and (17) are used. Referring to FIG. 3, the boundary 4 dividing the zone 5 on the reflection plate (transmission plate) when focused on the circular arc 7 (FIG. 4) is abbreviated. The fifth leap is a conjugate circle
The boundary 4 that divides the zone 5 on the reflecting plate (passing plate) 1 when converging on the arc 8 (see Figure 6) is abbreviated. In the following we consider the case of focusing on a line segment when the desired intensity distribution of the output radiation along the line segment is I (t). A line segment placed in the plane Z-f is at an angle with the axis OU
degree α. The value t is a normal parameter and varies from 0 to L along the line segment.
Ru. Here, L is the length of this line segment. Equation (14) is used to determine the relationship satisfied by the function φ(u, v) when converging to a line segment.
There is. This relationship is as follows. Here, (uo, Vo) are the coordinates of the subprojection of the line segment on the plane oUV. Equations (11) and (18) are used to calculate the height of the relief 6 and the shape of the zone 5 of the reflection plate, whereas equations (12) and (18) are used to calculate these values for the passage plate. 18) is used. Thus, for example, equation (19) below indicates that a reflector plate that focuses input radiation with uniformly distributed intensity into a line segment with output radiation that also has uniformly distributed intensity.
The height of the relief 6 and the shape of the zone 5 are limited. Here, all values are in millimeters. FIG. 7 shows the boundary 4 dividing the zone 5 of the reflection plate (transmission plate) 1 in focusing into a line segment 9 (FIG. 8) with a uniform intensity distribution of the output radiation. Figure 9 shows the reaction when focusing on a line segment 10 (Figure 10) with a non-uniform intensity distribution of the output radiation.
The boundary 4 dividing the zone 5 of the radiation plate (transmission plate) 1 is shown. In the case of a line segment as a focusing zone located on the plate axis, ie the axis OZ, f<Z<f+L. Here, the length of the Llli line segment and f are the focal length. To calculate the function φ(u, v), due to symmetry, φ(u, v) − φ(r).
You must be careful that Here, the r''4'u2÷v2° function φ(r) can be calculated from the following formula. Here, the function (ρ) can be calculated from the following formula. Here, I (t) is calculated along the line segment. This is the intensity distribution of the output radiation.Using equations (20) and (21), calculate the height of the relief 6 of the reflection plate and the shape of the zone 5.These vary according to the following equation (22). Let us consider the case of focusing on a line segment.Multiple focal line segments are arranged in the focal plane Z-f.
The axis ○Z is perpendicular to the plane OU. Let the length of the line segment be Lj, let the coordinates of the projection of the end of the line segment on the plane OUV be (U,.v,), where j=1, 2. -, NO Brake 1-47) Divide the surface into multiple parts Gj (j-1, 2, . . . , N). 1 part G of the plate] is this play.
The radiation incident on the target (input radiation) is focused on the jth line segment. In order to achieve a uniform intensity distribution of the output radiation along the line segment, the division into multiple parts Gj is reduced to one part Gj.
The radiant energy incident thereon is made proportional to Lj. In the case of radiation with an axisymmetric intensity distribution along the beam, e.g.
If so, divide it into multiple line segments and make the central angle of the j-th line segment proportional to Lj.
The above conditions are satisfied. In this case, part Gj has points u and v that satisfy the following equation. Ωj≦arctg2 (u, v)<Ωj+l (2B) where a r c t g2 (u, v) is the radian angle between the axis OU and the radius vector of the point (u.), which is It is within the section. Here, L is the total length of all line segments, Σ Lj, and L≠0. In this case, the height of the relief 6 of the reflection plate and the shape of the zone 5 are determined by the following equation:
Therefore, it fluctuates. Kokol 臥 (u cose, v) EGj. The value of the migratory plate also varies according to the equation below. Here, (u case, v)EGj. The function φj (u, v) does not satisfy the following formula. Here, t is a variation on the j-th line segment, and O<t,<Lj. I is the intensity of the output monochromatic radiation. Therefore, for example, Equation (28) below is a reaction that focuses radiation with a uniform intensity distribution onto line segments arranged in a T-shape with a uniform intensity distribution.
Define the height of the relief 6 of the projection plate and the shape of the zone 5. In this case, the values are λ-0,005, f-200,9-0″', and the total value is hamimeters. Figure 11 shows the reflection when converging on multiple T-shaped line segments 11 (Figure 12). (transparent) pre
Boundary 4 dividing zone 5 on zone 1 is shown. FIG. 13 shows the boundary 4 that divides the zone 5 on the reflection plate (transmission plate) when converging into a plurality of line segments 12 (FIG. 14) in the form of the number 4. If the focus target is multiple points, the desired images are each at a distance from the plane OUV.
It includes N points located at distances f, (j-1, 2, . . . , N). Surface OUV
The projections of these points are coordinates u −, v − (3=1.2+ . . . , N). Equivalent J amounts of energy are focused at all points. The surface of the plate is divided into portions Gj (j-1, 2, . . . , N). Each part of the plate focuses the radiation incident on it onto a respective image point. The shape of the relief is calculated to direct all radiation incident on each part of the plate to a specific image point depending on its angle of incidence. Each part of the plate is sector-shaped, i.e. one part Gj is given below, where a r c t g2(u,v) is the radius vector of the axis OU and the point (u,v) in the interval [0,211] It is the angle formed by Does such division into multiple parts result in a beam with an axisymmetric intensity distribution? This enables uniform energy distribution between image points. In order to focus the radiation reflected from part Gj of the plate onto the j@th image point, the radiation eikonal in the plane OUV must be equal to
Most of the powerful lasers currently in use have plane wavefronts. laser beam
The beam falls at an angle e to the axis OZ perpendicular to the plane OUV, the axis ○U being in the opposite direction to the projection of the incident beam onto the plane OUV. Therefore, the iconal of the incident wavefront in the plane OUV is b(u,v)--usin○. By choosing the value of the constant, it is possible to obtain a reflection plate surface whose relief height does not exceed mλ/2 COSθ. The height of the relief 6 of such a plate and the shape of the zone 5 (here, (a cos θ,)6Gj) are the same below. +AI indicates the fractional part to and m is an integer parameter indicating the maximum relief height. However, the plate can be divided into multiple sections Gj of arbitrary shapes. Therefore, for any given intensity distribution of input radiation, an arbitrary intensity distribution can be obtained at the focal point. Figure 15 shows the reflection plate when it focuses on multiple points 13 forming an O shape (Figure 16).
The boundary 4 dividing the zone 5 on the transmission plate 1 is shown. Figure 17 shows the number
The boundary 4 that divides the zone 5 on the transparent plate 1 is shown when the reflection blur is focused on a plurality of points 14 (FIG. 18) forming a 4-shape. When considering the case of focusing on a rectangle, it is particularly desirable to investigate focusing on a rectangle with a uniform intensity distribution of the focused (output) radiation. In the case of a rectangle in a plane Z-f with coordinates satisfy. where I is the intensity of the output radiation and F is the area of the plane OXY occupied by the rectangle. Using equations (11) and (18), we focus radiation with a specific intensity distribution into a rectangle.
For example, equation (32) below describes the height of the relief 6 and the shape of the zone 5 of the reflection plate that focuses uniformly distributed radiation onto a rectangle with dimensions 5x20. where λ-0,005, f-20 0, θ-O'', all values are in millimeters. Boundary 4 is shown dividing zone 5. As is clear from the above embodiments of reflective or transmitting plates, these plates can concentrate the entire energy in the input beam without any energy loss.
Directing the radiant energy to a desired spatial area. These plates
Convert the eikonal of the radiation into an eikonal that guarantees the desired distribution of output radiant intensity. These plates therefore keep the intensity of the radiation unchanged. i.e. energy
Not accompanied by ghee qualities. The reflection plate or transmission plate described above can be manufactured by a known method.
Ru. In particular, techniques involving photographic layer intermediate carriers can be used. In this case,
The amplitude mask is manufactured on a combinatorially controlled precision foot block. This ma
In masks, the photographic density is proportional to the relief height. Next, put this mask on
Through the contact method or projection method = light up the starlight agent. The photosensitizer changes its properties depending on the amount of light absorbed in the moonlight. As a result, the relief is modulated on the surface of this photosensitizer, for example gelatin. However, to suit the specific manufacturing process of the optical element, multi-tone relief can be used instead of the smooth relief shape.
Wear. For example, photolithography can produce about 10 height gradations in relief. Zone plates with multiple tones are less effective than zone plates with continuous relief in each zone, but this difference decreases with increasing number of tones. The optical phase element made according to the present invention has a continuous intensity distribution in the focal area.
images formed by the method, but such images cannot be obtained by known devices. The distribution of the output radiation intensity can be controlled by the selection of the relief of the optical phase element. In this way we obtain any desired qualifying hole continuous intensity distribution.
can be done. The optical phase element according to the invention solves the problem of focusing of obliquely incident radiation.
can be done. Laser equipment for manufacturing various products and processing various materials by oscillation.
in microelectronics for rapid cooling of semiconductors, in plastic chemistry, in surgery, and in ophthalmology for complex vision correction.
It can also be used in virtually any application that requires complex focusing of light.
Wear. Therefore, the present invention can be used to provide a novel surface heat treatment device with a much simpler scanner compared to complex mechanical scanning devices. In surface hardening treatment, the distribution of radiation intensity over the entire surface to be treated is extremely important. In this case, optical elements capable of focusing the radiation onto a line segment with the desired intensity distribution are particularly effective by constituting a means of controlling the treatment process in order to obtain maximum coinage. The optical element of the present invention is useful when a high degree of uniformity of the radiation intensity distribution is required.
The child is especially effective in the evening. This type of optics is particularly useful for marking fragile or small products, and for high-speed marking.
It can be widely used in attaching. Optical phase elements capable of focusing radiation into a line are preferably used in the medical field, particularly in ophthalmology, where the use of scanning devices is problematic or impossible. Adaptive optics for the rapid formation of irregularly shaped reflective mirror surfaces is another field of application for optical elements of the invention capable of focusing radiation onto line segments. This field includes self-regulating systems that can focus radiation onto an area with a meter attached to it. FIG, 2 Fl6.4 Fl (3, B International search report