JPH03210521A - 回折を用いたビーム形成装置 - 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】 ［産業上の利用分野〕 本発明は例えばダイオードレーザ等における回折を用い
たビーム形成装置に関する。

〔従来の技術および発明が解決しようとする課題〕ガス
レーザは長い間高度に平行な光源として用いられてきた
。最近までは、コヒーレントな平行光線のビームが望ま
れる時は、このようなレーザに代るものは殆どなかった
。しかしながら最近では、可視波長において動作する半
導体ダイオードレーザが利用できるようになってきた。

このようなレーザは従来型のガス放電レーザに対して、
特に非常に小形であるという利点を示している。

ガスレーザと比較した時、可視波長のダイオードレーザ
の顕著な問題点はそれらが示す非常に程度の低い平行度
である。この問題は、発散角度が異なる次元において異
なっている、すなわち、ビームが楕円であるという事実
によって複雑となっている。このことはさらにダイオー
ドレーザは非点収差を示すという事実によって複雑とな
っている。すなわち、発散の見かけ上の原点が異なる次
元において異なっている。このようなレーザを典型的な
状態で用いるために、光を平行にするか収束するかいず
れかの装置が要求される。

（課題を解決するための手段および作用）本発明におい
ては、非点収差光源のためのビーム形成装置が、各々回
折能力を有する第１および第２のレンズを利用する。第
１のレンズは第１の次元におけるレンズを形成し、第２
のレンズは第１の次元に垂直な第２の次元におけるビー
ムを形成する。

［実施例〕 本発明は可視波長において動作するダイオードレーザに
関連して記載されるが、しかし、この技術の熟練者は容
易に他の波長で動作するレーザに応用可能であると認め
るであろう。可視波長は現在入手できるダイオードレー
ザから選択されている。その理由は発散および非点収差
の問題は可視波長を発生するものに対してより大きいか
らである。さらに、この発明は他の非点収差光源に用い
られ得る。

第２図は典型的なダイオードレーザ１０の出カバターン
を示す。図のように、光出力１２は、垂直軸１６よりも
水平軸１４に沿って顕著に広い楕円状のパターンを形成
する。この関連における用語水平および垂直の使用は、
レーザを９０度向回転ることによって反転されるように
全く任意である。

第３Ａ図および第３Ｂ図はダイオードレーザの出力特性
を概略説明する。第３Ａ図は第２図のレーザの出力ビー
ムの平面図である。このような出力の広がりの典型的な
測定は、ビーム軸上のそれの１／２に出力の強さが一下
する点における角度である。このことは最大値の半分に
おける全幅すなわちＦＷＨＭとして知られている。第３
Ａ図において、水平法がりに対するＦＷＨＭはθ□と名
付けられる。典型的なダイオードレーザでは、この値は
約３０度である。同様に第３Ｂ図においては、θＶが垂
直軸に沿った第２図のレーザの出力に対するＦＷｆ（Ｍ
を示す。θ９の典型的な値は約７度である。

さらに、水平および垂直発散の原点１８および２０は非
点収差距ＨＡだけオフセットがある。ダイオードレーザ
における典型的なＡの値は２０から５０マイクロメート
ルの範囲である。

第４図はレーザダイオードに対する従来技術のコリメー
タを図解する。この全アセンブリは、レーザ２１．３個
の球状のコリメートレンズ２２．２４、および２６、円
筒状レンズ２８、および２個のアナモルフィックプリズ
ム３０および３２を含む。

レンズ２２．２４、および２６は光をより少なく広がる
方向に平行にし、その他の次元においては光をおよそ平
行にする。ここで用いられるように、その他とは垂直方
向である。レンズ２８は光を水平次元において平行にす
るが、ビームを楕円状のままにしておく。プリズム３０
および３２は、次いで、光の分布を円形パターンへと再
形成する。第４図の装置は高価であるばかりでなく、非
常に巨大なものとなる。従って、ガスレーザに対してダ
イオードレーザの形状についての利点を大きくくつがえ
す。

第４図の構造に替るものとして、光を平行にしまたは収
束するため、異なる焦点距離の２つの屈折する円筒状レ
ンズが用いられる。残念ながら、これはい（つかの理由
で実用的でない。要求される開口数が極度に高く、この
ようなレンズの製作は非実用的である。さらに、このよ
うなレンズは巨大であり、追加の問題点が生ずる。レン
ズの巨大なため、要求されるように一緒に密接して、そ
れらを位置決めすることが難しい。このような厚いレン
ズを通して均一性を保つこともまた困難である。終りに
、厚いレンズはそれを通過する光からより多くのエネル
ギーを吸収する。結果として、熱膨張によるレンズの歪
が問題となる。

屈折レンズに代るものとして、回折レンズが用いられる
。レーザーダイオードの平行化に特によく適した回折レ
ンズの１つの型はブレーズドフェイズゾーンプレー）　
（ｂｌａｚｅｄ　ｐｈａｓｅ　ｚｏｎｅ　Ｐｌａｔｅ）
として知られている型式のものである。ブレーズドフェ
イズゾーンプレートは複数の回折帯を有し、該回折帯の
各々はレンズの光軸と非垂直な角度をなす表面を有し、
該回折帯の各々は隣接する回折帯から光学的ステップに
よって分離されている。

このようなレンズはレーザダイオードからの光の平行化
によ（通している。回折レンズは非常に薄くできるから
、開口数が高くても、屈折レンズの厚さによる不利益は
避けられる。その上、屈折装置の６要素と比較して、レ
ーザダイオードビームを平行化するに単に２個の回折要
素が要求されるのみである。さらに、多くの場合におい
て回折レンズの大きな不利益の１つは、回折は波長の関
数であるため起こる多量の色収差である。レーザの出力
波長は厳格に制御されているから用いられる波長はあら
かじめ知られ、回折レンズは、それらが用いられる特別
なレーザに適合するよう正確に設計することができる。

回折レンズを論議する時、設計波長として知られた特別
な波長の光で動作するよう設計されねばならないという
ことを認めるべきである。さらに、屈折レンズと異なり
、それらは、第１のあらかじめ選択された距離の点すな
わち前方共役点から現われる光に効率的に動作するのみ
であり、第２のあらかじめ選択されたレンズからの距離
の点、すなわち後方共役点における焦点へ光を集める。

前方および後方共役点からレンズへの距離は、それぞれ
前方および後方共役距離として知られている。

第１図はレーザダイオードコリメーション（平行化：　
ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）のための回折レンズ装置を示
す。レンズ３４は水平次元における光を集中する。

レンズ３６は次に垂直方向の光を集中する。レンズ３６
はビームがレンズ３６に到達する時、ビームが円形であ
るように位置決めされる。レンズ３６は次いで水平およ
び垂直の両方向において、光の焦点が同じ点に到達する
ような光出力によって設計される。代りに、もし好都合
であれば、レンズ３４は、線焦点を生ずる有限距離より
は無限距離に共役点を有することができる。同様に、レ
ンズ３６の後方共役点は点焦点に光をもたらさないで平
行出力を無限点に供給され得る。代りに、レンズの１つ
または両方はビームを発散し続けるようにできる。多様
な可能性のために、レンズはビームを平行化するという
よりはビームを形成すると言われることができる。

第５図はレンズの１つの断面図を示す。このレンズは中
央回折帯３８、および回折帯４０および回折帯４２のよ
うな複数の追加の回折帯を含む。

これらの回折帯はレンズの表面に沿っている直線状回折
帯である。回折帯の外形の曲率は、前方共役点から現れ
、回折帯の任意の点を通過し、後方共役点へ移動する光
が、通過する回折帯の部分に無関係に等しい光進路長（
光学的進路長）を有するようになっている。これらの目
的のために、光進路長は、物理的な複数の進路長および
提携する屈折の複数の指数の積の和となるよう規定され
る。

回折帯は選択された位置で光学的ステップによって終端
されている。そして、それにより前方共役点から後方共
役点への合計先進路長が設計波長に等しい距離迄増加し
、該光学的ステップの底部は底部４６のように平面中ま
たは円筒表面上のいずれかに配置され、一方該光学的ス
テップの頂は頂４８のように平行平面または円筒状表面
に沿って配置されるようになっている。典型的には、こ
れらの表面は平面であるが、もし屈折能力をレンズの回
折能力に付加したければ、円筒形状が選択され得る。円
筒の軸はその構造に対して平行か垂直のいずれかである
ことが可能である。さらに、平滑な表面４９を非平面に
することによって屈折能力が加えられる。よい近位を得
るために、各ステップはレンズの設計波長であるλの光
学的高さを有することができ、光学的高さはＨＸ　（ｎ
＋ｎｚ）で規定され、ここにＨは該ステップの物理的な
高さ、ｎｌはレンズ材料の屈折の指数であり、ｎ２はレ
ンズを取り囲む媒体の屈折の指数である。

多くの環境においては、円形曲線は適切な性能を提供す
るために双曲線に対する充分よい近位を用いるが、回折
帯の外形そのものは双曲線状が好ましい。多くの場合、
曲線に対して直線の近位でさえ用いられ得る。当該技術
の熟練者は容易に、中央回折帯３８からより離れた回折
帯は中央回折帯３８に接近しているものよりも累進的に
一層狭くなっているとわかるであろう０本発明において
は、レンズの幅は、ダイオードからそれらが装着されて
いる距離におけるＦＷＩＩＭの少なくとも２倍に等しい
ことが望ましい。このことは、大きな広がりを有する次
元における平行化のためのレンズは極度に高い開口数を
有するということを要求する。

結論は次の如くである。すなわち、ふち部に近い回折帯
は非常に狭く、それにより製造に非常に困難がともなう
。

第６図はこのようなレンズの製造を簡単化する設計を図
解する。第６図のレンズにおいては、それらが中央回折
帯５０から外側へ動くにつれて回折帯が累進的に小さく
なる。しかしながら回折帯５２と回折帯５４の間には、
光進路長における変化を２λに等しくするように光学的
ステップ５６が光学的高さを有する。回折帯５４の幅は
第５図に示される型のレンズの２つの回折帯の幅に等し
い。従って回折帯５４はスーパーゾーンとして知られる
。さらに、スーパーゾーン５８および６０は第５図のレ
ンズの型の３つの回折帯に対応するスーパーゾーンであ
る。スーパーゾーンが対応する第５図のレンズの回折帯
が同筒であるかに関しては理論的に制限はない。その数
は特別な設計の要求によって決定される。一般には、ス
ーパーゾーン型レンズは回折能力を有するレンズである
と規定される。そして回折能力は複数の回折帯によって
与えられ、ここに、回折帯は連携する光学的ステップを
有し、そしてそこでは、少なくとも１つの光学的ステッ
プがＪλの光進路長の変化を生じ、少なくとも１つの光
学的ステップかにλの光進路長の変化を生ずる。Ｊおよ
びＫは相異なる整数である。

上述のように、回折帯は構造化された表面として形成さ
れる。代りに、円滑な表面を有する回折レンズは異なる
屈折指数を有する２つの材料を一緒に固着することによ
り、またはレンズ材料の屈折指数を変える微量の添加物
を有するレンズのドープ部分によって形成され得る。こ
のようなレンズにおいては、構造はレンズの内部番こあ
る。

第７図は第６図の曲線状回折帯の外形に直線状の近位を
用いたレンズの断面図である。その他については、第７
図のレンズは第６図のレンズと同様である。

第８図は好ましい曲線に対して外形が階段状の近位をさ
れた回折帯を利用したレンズを示す。このようなレンズ
はマイクロリソグラフィ処理によって製造される。

上述のすべてのレンズの組は直線状回折帯を有する２つ
の分離した薄い回折レンズよりはる力弓こ利用される。

しかしながら、他の実施例も可能である。例えば２つの
レンズを単一のブロックの反対側の表面に設けることが
できる。他の代りの実施例においては、屈折能力が回折
能力に追加して提供され得る。このような装置において
は、１つのレンズの回折能力と屈折能力が１つの次元に
おいてビーム形成を、その他の次元において収差修正を
提供でき、一方では、同じ機能が次元を反転した第２の
レンズによって遂行される。同様な効果はここに記した
直線状回折帯よりもあらかじめ定められた曲線を有する
回折帯を利用することによって達成される。

■ ダイオードレーザビーム形成レンズの一組が６８３ナノ
メートルの出力波長を有するダイオードレーザと共に動
作するよう設計された。第１のレンズは３．４６４１ミ
リメートルの前方共役距離と５０６．８２５　ミリメー
トルの後方共役距離を有した。

第２のレンズは１０．２８９ミリメートルの前方共役距
離と５００　ミリメートルの後方共役距離を有した。

各レンズは１．４８９の屈折指数を有するアクリルプラ
スチックからなり、１０個迄の従来型の回折帯に対応す
るスーパーゾーンを有した。回折帯の外形は好適な曲線
に対する直線状近似であった。この−組のレンズは２０
１　マイクロメートルの直径を有する円形のスポットを
生ずるよう設計され、該スポットのふちは光の強度が最
も明るい点の２０パーセントに降下する点であるように
設計されている。この−組のレンズによって作られる実
際のスポットは３３８マイクロメートルの大きい軸と２
０９マイクロメートルの小さい軸を有する楕円状であっ
た。

実験的に、レンズは最適の性能を達成するために種度に
精密に位置決めされねばならないということが決定され
た。この精密な位置決めの要求は移動および回転の両位
置決めに適用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるビーム形成装置の斜視図、第２図
は可視波長のダイオードレーザの典型的な出力ビームを
示す斜視図、 第３Ａ図および第３Ｂ図は典型的な可視波長ダイオード
レーザの非点収差を示す概略断面図、第４図は従来技術
のビーム形成装置の側面図、第５図は回折能力を有する
レンズの一部の側面図、 第６図は回折能力を有し、スーパーゾーンを利用したレ
ンズの一部の側面図、 第７図は回折能力を有し、スーパーゾーンを利用し、所
望の回折帯の外形を直線近似をしたレンズの側面図、お
よび 第８図は回折能力を有し、所望の回折帯の外形に階段状
近４以を利用したレンズの側面図である。 図において、 １０・・・ダイオードレーザ、 １２・・・光出力、 １４・・・水平軸、 １６・・・垂直軸、 １８、２０・・・原点、 ２１・・・レーザ、 ２２、２４．２６・・・コリメートレンズ、２８・・・
円筒状レンズ、 ３０、３２・・・アナモルフィックプリズム、３４、３
６・・・レンズ、 ３８・・・中央回折帯、 ４０４２・・・回折帯、 ５０・・・中央回折帯、 ５２、５４・・・回折帯、 ５６・・・光学的ステップ、 ５８、６０・・・スーパーゾーン、 である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ビームがそれに沿って進む１つの光軸を有するダイ
   オードレーザのためのビーム形成装置であって、該装置
   は、 該光軸を横切り、第１の次元において該ビームを形成す
   るためのものである、回折能力を有する第１のレンズ手
   段、 該光軸を横切り、該第１の次元に対して直角な第２の次
   元において該ビームを形成するためのものである、回折
   能力を有する第２のレンズ手段、を具備するビーム形成
   装置。 ２、該レンズ手段の各々における該回折能力は複数の直
   線状の回折帯によって供給され、該第１のレンズ手段の
   該回折帯は該第２のレンズ手段の該回折帯に対し垂直で
   ある請求項１記載のビーム形成装置。 ３、該回折帯は光学的ステップによって分離されており
   、各光学的ステップは該装置に対し設計された波長であ
   るλに等しい該ビームに対する光学的進路長の変化を提
   供する請求項２記載のビーム形成装置。 ４、該回折帯は光学的ステップによって分離され、各レ
   ンズの該光学的ステップのいくつかはＪλに等しい該ビ
   ームに対する光学的進路長における変化を提供し、各レ
   ンズの該光学的ステップのいくつかはＫλに等しい光学
   的進路長における変化を提供し、ここにλは該装置に対
   する設計波長であり、ＪおよびＫは相異なる整数である
   請求項２記載のビーム形成装置。 ５、該回折帯は直線状の外形を有する請求項２記載のビ
   ーム形成装置。 ６、該回折帯は双曲線状の外形を有する請求項２記載の
   ビーム形成装置。 ７、該回折帯は階段状の外形を有する請求項２記載のビ
   ーム形成装置。