JPH0439647B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0439647B2 JPH0439647B2 JP14618084A JP14618084A JPH0439647B2 JP H0439647 B2 JPH0439647 B2 JP H0439647B2 JP 14618084 A JP14618084 A JP 14618084A JP 14618084 A JP14618084 A JP 14618084A JP H0439647 B2 JPH0439647 B2 JP H0439647B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- lens
- imaging
- beam diameter
- diameter
- waist
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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Landscapes
- Laser Beam Printer (AREA)
- Lenses (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、結像ビーム径を可変にするレーザー
ビーム結像光学系に関するものである。
ビーム結像光学系に関するものである。
レーザービームの結像ビーム径は、例えばプリ
ソタ等の用途によつては変更を要することがあ
る。従来の結像ビーム径を可変にするレーザービ
ーム結像光学系は、通常では光源側のビームエキ
スパンダと結像側の結像レンズから成つている。
例えば第１図ａに示すように、レーザー光源１か
ら出射したレーザービームＢは、凸レンズ２，３
から成るビームエキスパンダＬ１によりビーム径
を拡大し、結像レンズ４により結像面Ｓに結像す
る。
ソタ等の用途によつては変更を要することがあ
る。従来の結像ビーム径を可変にするレーザービ
ーム結像光学系は、通常では光源側のビームエキ
スパンダと結像側の結像レンズから成つている。
例えば第１図ａに示すように、レーザー光源１か
ら出射したレーザービームＢは、凸レンズ２，３
から成るビームエキスパンダＬ１によりビーム径
を拡大し、結像レンズ４により結像面Ｓに結像す
る。
通常のガスレーザー等によるビームはTEMoo
モードであり、その強度分布はガウス強度分布を
有しており、その強度分布が中心強度の1/e2とな
る径をもつ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径Ｄ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であり、(1)
式を書き直すと次式になる。
モードであり、その強度分布はガウス強度分布を
有しており、その強度分布が中心強度の1/e2とな
る径をもつ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径Ｄ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であり、(1)
式を書き直すと次式になる。
Ｄ・ｄ＝（４／π）・ｆ・λ ……(1)′
ビームを光学系で結像するとき、最小径になる
ところをビームウエストを呼んでいる。いま第２
図において、Waを入射ビームウエスト、Wbを
出射ビームウエスト、F′、Ｆをそれぞれ凸レンズ
５の前側焦点位置、後側焦点位置とする。ここ
で、前側焦点位置F′にビームウエストWaをおく
と、後測焦点位置ＦにビームウエストWbが結像
する。Ｄ（Wa）、Ｄ（Wb）をそれぞれビームウエ
ストWa、ビームウエストWbの位置のビーム径
とすると、(1)′式に基に(2)式か得られる。
ところをビームウエストを呼んでいる。いま第２
図において、Waを入射ビームウエスト、Wbを
出射ビームウエスト、F′、Ｆをそれぞれ凸レンズ
５の前側焦点位置、後側焦点位置とする。ここ
で、前側焦点位置F′にビームウエストWaをおく
と、後測焦点位置ＦにビームウエストWbが結像
する。Ｄ（Wa）、Ｄ（Wb）をそれぞれビームウエ
ストWa、ビームウエストWbの位置のビーム径
とすると、(1)′式に基に(2)式か得られる。
Ｄ（Wa）・Ｄ（Wb）＝（４／π）・ｆ・λ ……(2)
第１図ａにおいて、凸レンズ３の焦点距離を
f3、前側焦点距離のビームウエストWhのビーム
径をＤ（Wh）、後側ビームウエストWiの径をＤ
（Wi）、結像レンズ４の焦点距離をf4とし、凸レ
ンズ４の後側焦点距離、つまり焦点面Ｓのビーム
ウエストWjにおけるビーム径をＤ（Wj）とする
と、(2)式により、 Ｄ（Wh）・Ｄ（Wi）＝（４／π）・f3・λ Ｄ（Wi）・Ｄ（Wj）＝（４／π）・f4・λ ∴Ｄ（Wj）／Ｄ（Wh）＝f4／f3 ……(3) となり、両凸レンズ３，４の焦点距離f3，f4の比
によりビーム径Ｄ（Wh）がＤ（Wj）に変換される
ことになる。ここで、凸レンズ３を第１図ｂに示
す焦点距離が異なる凸レンズ３′を有するビーム
エキスパンダＬ２に変えると、ビーム径Ｄ（Wj）
も変化する。即ち、凸レンズ３′の焦点距離を
f3′とすると、(3)式よりＤ（Wj）／Ｄ（Wh）＝f4／
f3′となり、f3′＜f3であるエキスパンダＬ２に変
更することにより、焦点面Ｓにおけるビーム径Ｄ
（Wj）は大きくなることが判る。
f3、前側焦点距離のビームウエストWhのビーム
径をＤ（Wh）、後側ビームウエストWiの径をＤ
（Wi）、結像レンズ４の焦点距離をf4とし、凸レ
ンズ４の後側焦点距離、つまり焦点面Ｓのビーム
ウエストWjにおけるビーム径をＤ（Wj）とする
と、(2)式により、 Ｄ（Wh）・Ｄ（Wi）＝（４／π）・f3・λ Ｄ（Wi）・Ｄ（Wj）＝（４／π）・f4・λ ∴Ｄ（Wj）／Ｄ（Wh）＝f4／f3 ……(3) となり、両凸レンズ３，４の焦点距離f3，f4の比
によりビーム径Ｄ（Wh）がＤ（Wj）に変換される
ことになる。ここで、凸レンズ３を第１図ｂに示
す焦点距離が異なる凸レンズ３′を有するビーム
エキスパンダＬ２に変えると、ビーム径Ｄ（Wj）
も変化する。即ち、凸レンズ３′の焦点距離を
f3′とすると、(3)式よりＤ（Wj）／Ｄ（Wh）＝f4／
f3′となり、f3′＜f3であるエキスパンダＬ２に変
更することにより、焦点面Ｓにおけるビーム径Ｄ
（Wj）は大きくなることが判る。
このように従来装置においては、ビームエキス
パンダを交換することにより焦点面Ｓにおけるビ
ーム径を変えるようにしているが、エキスパンダ
を交換しなければならないために、偏心精度が悪
くなり再現性に不満が残る。
パンダを交換することにより焦点面Ｓにおけるビ
ーム径を変えるようにしているが、エキスパンダ
を交換しなければならないために、偏心精度が悪
くなり再現性に不満が残る。
本発明の目的は、上述の欠点を解決し、エキス
パンダを交換せずに結像ビーム径を変化させるこ
とができるレーザービーム結像光学系を提供する
ことにあり、その要旨は、結像ビーム径を可変と
するレーザービーム結像光学系において、光軸方
向に移動可能な単一のビーム径調整用レンズと、
該レンズの後方に配置した固定の変倍光学系を有
し、前記ビーム径調整用レンズの移動量は、該レ
ンズにより形成される後方ビームウエストの位置
が変化しない所定の距離としたことを特徴とする
ものである。
パンダを交換せずに結像ビーム径を変化させるこ
とができるレーザービーム結像光学系を提供する
ことにあり、その要旨は、結像ビーム径を可変と
するレーザービーム結像光学系において、光軸方
向に移動可能な単一のビーム径調整用レンズと、
該レンズの後方に配置した固定の変倍光学系を有
し、前記ビーム径調整用レンズの移動量は、該レ
ンズにより形成される後方ビームウエストの位置
が変化しない所定の距離としたことを特徴とする
ものである。
実施例を説明するに先立ち、第２図、第３図に
よりビームウエストの焦点位置からのずれの影響
について述べることにする。いま第２図に示すよ
うに、ビームウエストWaの位置が前側焦点F′か
ら距離ｘずれると、ビーム径、焦点距離ｆによつ
てビームウエストWbの決像位置が後測焦点Ｆか
ら距離x′変化することになる。第３図はこのビー
ムウエストWaが焦点位置F′から距離ｘずれた場
合の入射ビームウエストWa、出射ビームウエス
トWbの位置関係を示しており、凸レンズ５の焦
点距離ｆを50mmとしている。通常の幾何光学的条
件が成立する場合にはｘ・x′＝−f2の関係があ
り、第３図はＤ（Wa）＝0.1mm、Ｄ（Wa）＝0.12mm
の２つの場合について、ずれ量ｘ＋x′の関係をグ
ラフ化している。
よりビームウエストの焦点位置からのずれの影響
について述べることにする。いま第２図に示すよ
うに、ビームウエストWaの位置が前側焦点F′か
ら距離ｘずれると、ビーム径、焦点距離ｆによつ
てビームウエストWbの決像位置が後測焦点Ｆか
ら距離x′変化することになる。第３図はこのビー
ムウエストWaが焦点位置F′から距離ｘずれた場
合の入射ビームウエストWa、出射ビームウエス
トWbの位置関係を示しており、凸レンズ５の焦
点距離ｆを50mmとしている。通常の幾何光学的条
件が成立する場合にはｘ・x′＝−f2の関係があ
り、第３図はＤ（Wa）＝0.1mm、Ｄ（Wa）＝0.12mm
の２つの場合について、ずれ量ｘ＋x′の関係をグ
ラフ化している。
第３図からＤ（Wa）＝0.1mmの場合にずれ量ｘ＋
x′が同一の値となる幾つかのｘの値を見出すこと
ができる。つまり、凸レンズ５をその光軸に沿つ
てｘだけ移動する場合に、ビームウエストWbの
位置が同一となり得る移動量ｘが複数個存在する
ことになる。例えば、ｘ＝80mmとｘ＝20mmは共に
ｘ＋x′が110mmであり、ｘが80mmであつても20mm
であつてもビームウエストWbはｘ＋x′＝110mmの
位置になる。しかしながら、ビームウエストWb
のビーム径Ｄ（Wb）は異なる値をとり、入射側
ウエストWaの径Ｄ（Wa）＝0.1mmに対して、出射
側ビームウエストWbではビーム径は例えばそれ
ぞれＤ（Wb）＝0.062mm、Ｄ（Wb）＝0.212となり、
変倍比が0.212／0.062＝3.4倍となる。
x′が同一の値となる幾つかのｘの値を見出すこと
ができる。つまり、凸レンズ５をその光軸に沿つ
てｘだけ移動する場合に、ビームウエストWbの
位置が同一となり得る移動量ｘが複数個存在する
ことになる。例えば、ｘ＝80mmとｘ＝20mmは共に
ｘ＋x′が110mmであり、ｘが80mmであつても20mm
であつてもビームウエストWbはｘ＋x′＝110mmの
位置になる。しかしながら、ビームウエストWb
のビーム径Ｄ（Wb）は異なる値をとり、入射側
ウエストWaの径Ｄ（Wa）＝0.1mmに対して、出射
側ビームウエストWbではビーム径は例えばそれ
ぞれＤ（Wb）＝0.062mm、Ｄ（Wb）＝0.212となり、
変倍比が0.212／0.062＝3.4倍となる。
上述の前提を基に本発明を第４図に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。
例に基づいて詳細に説明する。
レーザー光源１１から出射したレーザービーム
Ｂは、光軸Ｏに沿つて順次に凸レンズ１２，１
３，１４，１５を経て焦点面Ｓに結像する。ここ
で、凸レンズ１２はビーム径調整用レンズ、凸レ
ンズ１３，１４はビームエキスパンダを構成し、
凸レンズ１５は結像レンズの役割を果している。
Ｂは、光軸Ｏに沿つて順次に凸レンズ１２，１
３，１４，１５を経て焦点面Ｓに結像する。ここ
で、凸レンズ１２はビーム径調整用レンズ、凸レ
ンズ１３，１４はビームエキスパンダを構成し、
凸レンズ１５は結像レンズの役割を果している。
焦点面ＳにおけるビームウエストWrのビーム
径Ｄ（Wr）は、(3)式で明らかなように凸レンズ１
３の後側焦点であるビームウエストWsのビーム
径Ｄ（Wa）に依存する。同様にして(2)式から明
らかなように、ビーム径Ｄ（Ws）は凸レンズ１３
の前側焦点であるビームウエストWtのビーム径
Ｄ（Wt）により定まることになる。従つて、ビー
ム径Ｗ（Wt）の大きさを変えれば焦点面Ｓにおけ
るビーム径Ｄ（Wr）を変えることができる。
径Ｄ（Wr）は、(3)式で明らかなように凸レンズ１
３の後側焦点であるビームウエストWsのビーム
径Ｄ（Wa）に依存する。同様にして(2)式から明
らかなように、ビーム径Ｄ（Ws）は凸レンズ１３
の前側焦点であるビームウエストWtのビーム径
Ｄ（Wt）により定まることになる。従つて、ビー
ム径Ｗ（Wt）の大きさを変えれば焦点面Ｓにおけ
るビーム径Ｄ（Wr）を変えることができる。
本発明では、第２図、第３図において説明した
ビームウエストと焦点位置とのずれによる変倍を
積極的に利用して、ビームウエストWtにおける
ビーム径Ｄ（Wt）の大きさを可変しようとするも
のであり、その意図のために凸レンズ１２は光軸
Ｏに沿つて移動し得るようになつている。
ビームウエストと焦点位置とのずれによる変倍を
積極的に利用して、ビームウエストWtにおける
ビーム径Ｄ（Wt）の大きさを可変しようとするも
のであり、その意図のために凸レンズ１２は光軸
Ｏに沿つて移動し得るようになつている。
例えば、凸レンズ１２を先の第３図のグラフ図
から求まるような或る定められたレンズ１２′の
位置に移動しても、ビームウエストWtの位置は
移動することなく、ここで形成されるレーザービ
ームＢのビーム径Ｄ（Wt）は、元の位置の場合に
比較して或る定められた倍率で変倍されることに
なる。
から求まるような或る定められたレンズ１２′の
位置に移動しても、ビームウエストWtの位置は
移動することなく、ここで形成されるレーザービ
ームＢのビーム径Ｄ（Wt）は、元の位置の場合に
比較して或る定められた倍率で変倍されることに
なる。
このようにしてビーム径調整用レンズの移動の
みで、結像ビーム径を変倍することが可能とな
る。なお実施例においては、主としてビームエキ
スパンダを用いた場合について説明したが、ビー
ム径を縮小するビームコンプレツサを利用した場
合も考え方は同様である。
みで、結像ビーム径を変倍することが可能とな
る。なお実施例においては、主としてビームエキ
スパンダを用いた場合について説明したが、ビー
ム径を縮小するビームコンプレツサを利用した場
合も考え方は同様である。
以上説明したように本発明に係るレーザービー
ム結像光学系は、ビーム径調整用レンズを光軸に
沿つて移動するだけで、結像ビーム径を変倍する
ことが可能となり、機構的にも極めて簡素であ
り、従来のビームエキスパンダの交換のような偏
心の虞れもなく高精度の結像ビームが得られる。
ム結像光学系は、ビーム径調整用レンズを光軸に
沿つて移動するだけで、結像ビーム径を変倍する
ことが可能となり、機構的にも極めて簡素であ
り、従来のビームエキスパンダの交換のような偏
心の虞れもなく高精度の結像ビームが得られる。
第１図はａ，ｂは結像ビーム径を可変する光学
系の説明図、第２図はビームウエストを焦点位置
からずらした場合の結像関係の説明図、第３図は
ビームウエストの焦点位置からのずれと結像位置
との関係のグラフ図、第４図は本発明に係るレー
ザービーム結像光学系の一実施例を示す構成図で
ある。 符号１はレーザー光源、１２，１３，１４，１
５は凸レンズである。
系の説明図、第２図はビームウエストを焦点位置
からずらした場合の結像関係の説明図、第３図は
ビームウエストの焦点位置からのずれと結像位置
との関係のグラフ図、第４図は本発明に係るレー
ザービーム結像光学系の一実施例を示す構成図で
ある。 符号１はレーザー光源、１２，１３，１４，１
５は凸レンズである。
Claims (1)
- １ 結像ビーム径を可変とするレーザービーム結
像光学系において、光軸方向に移動可能な単一の
ビーム径調整用レンズと、該レンズの後方に配置
した固定の変倍光学系を有し、前記ビーム径調整
用レンズの移動量は、該レンズにより形成される
後方ビームウエストの位置が変化しない所定の距
離としたことを特徴とするレーザービーム結像光
学系。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14618084A JPS6125120A (ja) | 1984-07-14 | 1984-07-14 | レ−ザ−ビ−ム結像光学系 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14618084A JPS6125120A (ja) | 1984-07-14 | 1984-07-14 | レ−ザ−ビ−ム結像光学系 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6125120A JPS6125120A (ja) | 1986-02-04 |
| JPH0439647B2 true JPH0439647B2 (ja) | 1992-06-30 |
Family
ID=15401942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14618084A Granted JPS6125120A (ja) | 1984-07-14 | 1984-07-14 | レ−ザ−ビ−ム結像光学系 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6125120A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63135915A (ja) * | 1986-11-27 | 1988-06-08 | Toshiba Corp | レ−ザ光伝送路 |
| US5040886A (en) * | 1990-01-31 | 1991-08-20 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Matching optics for gaussian beams |
| JP2980938B2 (ja) * | 1990-04-12 | 1999-11-22 | 株式会社ニデック | 半導体レーザー光を集光するためのレンズ系 |
| DE102019210041B4 (de) | 2019-07-08 | 2021-02-18 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Optische Vorrichtung für eine mehrkanalige optomechanische Adressiereinheit |
-
1984
- 1984-07-14 JP JP14618084A patent/JPS6125120A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6125120A (ja) | 1986-02-04 |
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