JPS63316816A - スポット形状可変光学系 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザービームを結像したときのビームサイ
ズを楕円形状にして、その短径、長径サイズを連続的に
可変し得るスポット形状可変光学系に関するものである
。

［従来の技術］ 従来から、レーザービームを結像して楕円形状のビーム
スポットを形成するためには、２個のシリンドリカルレ
ンズの母線を直交して配置することにより行っている。

様々なビームスポットを得るには、各種のシリンドリカ
ルレンズを用意し、ターレット式に交換して組み合わせ
る必要がある。従って、楕円形状のビームスポットの短
径。

長径方向の大きさや比を種々変えるためには、相当数の
レンズ系を用意しなければならない。

通常のガスレーザー等によるビームはＴＥＭｏ。

モードであり、その強度分布はガウス強度分布を呈して
おり、一般に強度分布が中心強度の１　／　ｅ　２とな
る径をもってビームの大きさとしている。レンズの口径
が入射ビームの径りの２倍以上あると仮定すると、この
ときのビーム径ｄは、 ｄ＝　　（４／π）　　＊ＦＮｏ　　・　λ　　　　　
　・（１）で表される。ここで、λは入射レーザービー
ムの波長、　ＦＮｏはレンズのＦ値であり、ｆをレンズ
の焦点距離とすると、ＦＮｏはｆ／Ｄで表される。楕円
形状の焦点を得るためのレーザービーム結像光学系は、
第７図（ａ）の平面図及びこの平面図と直交する方向か
ら見た（ｂ）の側面図に示すように、焦点距離の異なる
第１、第２のシリンドリカルレンズｌ、２をその柱状の
母線同志が直交するように配置する構成となっている。

つまり、第１のシリンドリカルレンズｌは平面内におい
てのみ屈折力を有し、第２のシリンドリカルレンズ２は
側面内においてのみ屈折力を有している。

第７図（ａ）の平面内においては、平行光束の入射レー
ザービームＬは第１のシリンドリカルレンズ１により、
第２のシリンドリカルレンズ２に無関係に結像面に像を
結ぶことになる。同様に。

（ｂ）の側面内においては入射レーザービームＬは第１
のシリンドリカルレンズｌに無関係に、第２のシリンド
リカルレンズ２により結像面に結像される。ここで、当
然のことながらシリンドリカルレンズ１の焦点距離はシ
リンドリカルレンズ２のそれよりも長いので、シリンド
リカルレンズｌの結像ＦＮｏはシリンドリカルレンズ２
の結像ＦＮａよりも大きい、従って、第７図の場合は入
射レーザービームＬが中心対称なガウス強度分布を持つ
ものとすると、平面内に長く側面内に短かい楕円スポッ
トが得られる。

第８図は一般のズームレンズの光学系であり、凸レンズ
３、凹レンズ４、凸レンズ５はアフォーカルコンバータ
を構成しており、凸レンズ３はコンペンセータの役割を
、凹レンズ４はバリエータの役割を果している。凹レン
ズ４は主に変倍レンズとして作用し、この凹レンズ４に
よるピント移動を凸レンズ３を移動させることによって
、凸レンズ５の焦点位置と凹レンズ４からの出射光束の
発散点とを一致させて補正している。凸レンズ５からの
出射光束は平行ビームであり、これを結像レンズ６によ
り結像する。

この第８図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）を見ると、
凸レンズ３と凹レンズ４の位置によってＦＮｏが変化し
ていることが判る。また、（１）式から明らかなように
、第８図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）の順に結像ど
−ム径ｄは大きくなる。しかしながら、このズーム光学
系はピントを像面位置で絶えず合わせるために、それぞ
れ移動量が異なるレンズを複雑な形の曲線カムにより動
かす必要があり、コストが高くなるという欠点がある。

〔発明の目的］ 本発明の目的は、直交する２平面内の一方においてのみ
、それぞれズーム機能を有する２つの光学補正型ズーム
光学系を光軸に沿って順次に配置することによって、構
成の簡素なスポット形状可変光学系を提供することにあ
る。

［発明の概！］ 上述の目的を達成するための本発明の要旨は、直交する
２平面内の一方においてのみズーム機能及び結像機能を
有する第１の光学補正型ズーム光学系と、該第１の光学
補正型ズーム光学系とは直交する方向においてのみズー
ム機能及び結像機能を有する第２の光学補正型ズーム光
学系から成ることを特徴とするスポット形状可変光学系
である。

［発明の実施例］ 本発明を第１図〜第６図に図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。

第１図は本発明に係るスポット形状可変光学系の構成図
であり、光学補正型ズームレンズ系が２組配置された構
成となっている。ただし、２個の光学補正型ズームレン
ズ系はそれぞれ平面内及び側面内においてのみズーム機
能を持っている。第１図（ａ）は平面図であり、（ｂ）
は（ａ）の平面図と直交する方向から見た側面図である
。光軸に沿って配置された凸シリンドリカルレンズｌｏ
、凹シリンドリカルレンズ１１．凸シリンドリカルレン
ズ１２は、平面内においてのみズーム機能を持つ光学補
正型ズームレンズ系を構成し、凸シリンドリカルレンズ
１３．凹シーリントリカルレンズ１４、凸シリンドリカ
ルレンズ１５は、側面内においてのみズーム機能を持つ
光学補正型ズームレンズ系を構成している。

なお光学補正型ズーム光学系とは、不動のレンズを挟ん
で２つの動レンズが一体に連結されて動き、各群パワー
とレンズ間隔を適切に選べば像位置が一定に保たれ、ズ
ーミングの際ピント面が特定の条件以外のところで若干
ずれる性質を持っている。

第１図（ａ）の平面内において、平行光束で入射したレ
ーザービームＬは、シリンドリカルレンズｔｏ、ｔｔ、
１２による光学補正型ズームレンズ系の平面内での焦点
距離が変化し、それに従って（１）式により平面内の結
像ビーム径ｄも変化する。また、レンズ１２を通過した
光はシリンドリカルレンズ１３．１４．１５による側面
内においてのみズーム機能を持つ光学補正型ズームレン
ズ系を無変化で通過し結像面に結像する。同様に、第１
図（ｂ）の側面内において、入射レーザービームＬはシ
リンドリカルレンズ１０．１１．１２による平面内にお
いてのみズーム機能を持つ光学補正型ズームレンズ系を
無変化で通過し、シリンドリカルレンズ１３．１４．１
５による光学補正型ズームレンズ系の側面内での焦点距
離が変化し。

それに伴い（１）式により側面内の結像ビーム径ｄも変
化し結像面に結像する。

このため、シリンドリカルレンズ１０．１１．１２の光
学補正型ズームレンズ系の平面内での焦点距離を連続的
に変化させると、（１）式により平面内での結像ビーム
径ｄが連続的に変化する。また、シリンドリカルレンズ
１３．１４．１５の光学補正型ズームレンズ系の側面内
での焦点距離を連続的に変化させると、（１）式により
側面内での結像ビーム径ｄが連続的に変化する。

ここで注意すべきことは、第８図に示す従来例における
ズーム機構ではピントが像面に常に合っているが、光学
補正型ズームレンズ系の場合には、像面位置にピントが
合致するのは数回しかないことである。ここで、光学補
正型ズームレンズ系のズーム機構を第２図を用いて説明
する。先に述べたように、光学補正型ズームレンズ系は
不動のレンズである凹レンズ１７を挟んで連結した２群
の凸レンズ１６．１８が動き、成る適当なレンズ間隔の
時に像面位置にピントが合う、第２図の場合には、（ａ
）　、　（ｂ）　、　（ｃ）の３回ピントが合っており
、このため（ａ）から（ｂ）　、　（ｂ）から（Ｃ）な
ど成る状７ｇから成る状態に移行するとき、像面位置と
ピントがずれてしまう、これはピントの厳格なスチーム
カメラなどでは大きな問題となるところであるが、本実
施例で扱っているレーザービームの場合にはさほどの問
題とはならない。

第３図はレンズ１９によって一般光が集光される状態（
ａ）と、レーザービームが集光される状態（ｂ）との相
違を表したものである。この第３図（ａ）より明らかな
ように、凸レンズ１９の焦点位置において一般光は一点
に集光されているのに対し、径−〇で入射したレーザー
ビームは（ｂ）に示すようにＷｏ’　に広がってしまう
、つまりレーザービームの場合には、焦点位置において
直径Ｗｏ’　のスポットを作り、焦点位置から前後にず
れればずれるほど、結像ビーム径が大きくなるという性
質を持っている。従って、光学補正型ズームレンズ系を
用いても結像ビーム径が多少大きくなるだけで、結像ビ
ーム径を可変するという機能には問題は生じないことに
なる。

第４図〜第６図は本発明に係るスポット形状可変光学系
をフローサイトメータに応用した実施例を示し、第４図
はフローサイトメータの構成図である。レーザー光源２
０から出射されたレーザービームＬは、スポット形状可
変光学系２１によりフローセル２２の中央部に楕円形状
のスポットを結像し、フローセル２２の中央部を流れる
被検粒子Ａに照射される。被検粒子Ａによる前方散乱光
は集光レンズ２３を介して光検出器２４に入射し、側方
散乱光は集光レンズ２５を介して光検出器２６に入射す
る。

第５図はフローセル２２の断面図を示し、第４図に示す
ように構成されたフローサイトメータにおいて、サンプ
ル流Ｂを無限に細くすることはできないので、被検粒子
ＡがレーザービームスポットＣの中心を常に通過すると
は限らない、レーザービームスボッ）Ｃはガウス状の強
度分布りを持つため、被検粒子Ａが同じ大きさ或いは同
じ蛍光分子を持っていても、その散乱光或いは蛍光の強
度は被検粒子ＡがレーザービームスポットＣを通過する
際の位置によって異なり測定誤差の原因となる。そこで
、第６図に示すようにレーザービームスポットＣの楕円
形状を変えてサンプル流Ｂ全体に一様な強度分布を持つ
ようにしたり、被検粒子Ａか弱い蛍光粒子であればレー
ザービームスポットＣの照射面積を小さくして、強度密
度を大きくしたりする必要がある。

第６図（ａ）はサンプル流Ｂ中の被検粒子Ａを分解能良
く検出する場合のレーザービームスポットＣの照射方法
を示し、（ｂ）は被検粒子Ａが比較的大きな粒子である
場合のレーザービームスポットＣの照射方法を示し、（
Ｃ）は変動係数は大きくなるが被検粒子Ａか弱い蛍光粒
子である場合に有効な照射方法を示している。このよう
にフローサイトメータにおいて、測定対象物に合わせて
スポット形状可変光学系２１により、レーザービームス
ポットＣの形状を連続的に縦、横に変化させ、被検粒子
Ａに対する最適な測定条件下で測定を行うことができる
。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係るスポット形状可変光学
系は、レーザービームの特殊性を考慮し、光学補正型ズ
ーム機構を取り入れることにより、スポット形状を縦横
に変化させることができ、かつ構成が簡素となる利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

図面第１図〜第６図は本発明に係るスポット形状可変光
学系の実施例を示し、第１図（ａ）は平面方向′から見
た構成図、（ｂ）は側面方向から見た構成図、第２図（
ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は光学補正型ズームレン
ズ光学系の説明図、第３図は一般光とレーザービームの
集光の違いの説明図、第４図は本発明を応用したフロー
サイトメータの構成図、第５図はフローセルの断面図、
第６図はサンプル流とレーザービームスポットの関係の
説明図であり、第７図は従来例のシリンドリカルレンズ
光学系の説明図、第８図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ
）は一般のズームレンズの光学系の説明図である。 符号１０．１２．１３．１５は凸シリンドリカルレンズ
、１１．１４は凹シリンドリカルレンズ、２０はレーザ
ー光源、２１はスポット形状可変光学系、２２はフロー
セル、２４．２６は光検出器である。 特許出願人　　　キャノン株式会社 第２図 （Ｑ） （Ｃ） し 第３＠ 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、直交する２平面内の一方においてのみズーム機能及
   び結像機能を有する第１の光学補正型ズーム光学系と、
   該第１の光学補正型ズーム光学系とは直交する方向にお
   いてのみズーム機能及び結像機能を有する第２の光学補
   正型ズーム光学系から成ることを特徴とするスポット形
   状可変光学系。