JPH07175013A - 光ビーム・エキスパンダー - Google Patents

光ビーム・エキスパンダー

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JPH07175013A
JPH07175013A JP6249480A JP24948094A JPH07175013A JP H07175013 A JPH07175013 A JP H07175013A JP 6249480 A JP6249480 A JP 6249480A JP 24948094 A JP24948094 A JP 24948094A JP H07175013 A JPH07175013 A JP H07175013A
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JP
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light beam
reflecting surface
reflecting
beam expander
expander
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JP6249480A
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Peter R Hall
ピーター・レジナルド・ホール
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British Aerospace PLC
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    • G02B27/0977—Reflective elements
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    • G—PHYSICS
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    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
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Abstract

(57)【要約】 【目的】単一の要素を機械加工することによって得られ
るレーザー・ビーム・エキスパンダーを提供すること。 【構成】レーザー機械加工装置に好適に使用されるビー
ム・エキスパンダーは、単一の金属の要素10から形成さ
れる凸放物面７と凹放物面８を有する。該エキスパンダ
ーには、凸面７上での入射ビームの位置を変えそれによ
ってシステムの倍率を変えるために入力−出力軸に添っ
て移動可能に配設された平面鏡12によって光のズーム機
能があたえられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばレーザー機器の
ためにレーザー・ビームの直径を拡大する目的で使用す
るほぼ同焦点でほぼ円錐形の二つの反射面を有するビー
ム・エキスパンダーに関する。
【０００２】
【従来技術】EP−Ａ−096193は、一方は凸面鏡で他方は
凹面鏡の二つの別個の同焦点の鏡を含むビーム・エキス
パンダーを開示している。これらの鏡は、非球面または
他の円錐曲線を示すものであってもよい。同特許で開示
されたビーム・エキスパンダーの倍率は変えることがで
きない。すなわち、ズーム機能は備えていない。US4812
030 は、ズーム機能を有する反射光学系を開示してい
る。このカセグレン式光学系では、動力駆動式反射鏡を
相対的に動かすことによって倍率を変化させることがで
きる。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】本発明の一つの目的
は、単一の要素を機械加工することによって得られるレ
ーザー・ビーム・エキスパンダーを提供することにあ
る。また、本発明の他の目的は、動力駆動式光学素子の
移動を必要としない手段によって可変倍率（あるいはズ
ーム機能）が得られるレーザー・ビーム・エキスパンダ
ーを提供することにある。本明細書においては、円錐形
という用語は、円錐曲線を形成する曲線およびその回転
によって得られる面を意味し、凸および凹放物線、凸お
よび凹楕円、ならびにそれによって得られる面の円環体
展開およびその一部を含む。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の第一の発明によ
れば、光ビームを受ける円錐形の輪郭の第一の反射面お
よび第一の反射面で反射された光ビームを受けてさらに
先へ反射する同焦点で円錐形の輪郭の第二の反射面を有
し、一方の反射面は凸面また他方の反射面は凹面である
光ビーム・エキスパンダーにおいて、前記第一および第
二の反射面は単一の要素で形成されることを特徴とする
光ビーム・エキスパンダーが提供される。本発明の第二
の発明によれば、光ビームを受ける円錐形の輪郭の第一
の反射面および第一の反射面で反射された光ビームを受
けてさらに先へ反射する同焦点で円錐形の輪郭の第二の
反射面を有する光ビーム・エキスパンダーにおいて、前
記システムがさらに第一の反射面上で受けた光ビームの
位置を調節するための可変倍率手段を有し、それによっ
て前記エキスパンダーの倍率を調節することを特徴とす
る光ビーム・エキスパンダーが提供される。可変倍率手
段は、例えば可動平面鏡を有するものとすることがで
き、また、反射面は、別個の要素または単一の要素で形
成されるものとすることができる。
【０００５】
【作用】本発明を用いれば、モノリシック（一体構造）
で一片の金属を機械加工することによって得られるビー
ム・エキスパンダーが構成され、ビームの方向の安定
性、視準整正（平行化）の安定性、およびヒートシンク
機能の卓越性という大きな効果を挙げることができる。
相対的に移動する屈折レンズまたは鏡（あるいはその両
方）を用いて焦点距離あるいは倍率を変化させる既知の
光学系にはいくつかの欠点がある。例えば、ズーム処理
中では、限られた数の点に関してしかすなわち一組の特
定の倍率でしか収差の真のズーム安定性を得ることがで
きない。他の倍率では、収差がわずかに増大するすなわ
ち不安定となる。本発明は、この問題をかなり軽減する
ものである。
【０００６】
【実施例】以下、添付の図面を参照しながら、例として
本発明のいくつかの実施例について説明する。図１にお
いて、凸放物面反射鏡１と凹放物面反射鏡２は、共通の
焦点３をもつ。アパーチャーの対称軸「Ａ」に平行な方
向に進む入力ビーム４は、まず凸反射鏡１によって外側
に反射され、次に凹反射鏡２によって反射されて、直径
が拡大した平行なビーム５として現われる。現われたビ
ーム５は、入力ビーム４と平行であるが反対の方向に進
む。図１から、この装置を通る光路は焦点３を通らない
ことが理解されよう。入力ビーム４は平行化されるが、
図１のシステムは正弦条件に大きく違反する。この特徴
が、以下に述べるように可変倍率エキスパンダーに用い
られて効果を挙げることになる。図１に示す種類のビー
ム・エキスパンダーは、ダイヤモンド丸削りの技術で単
一の金属の要素から製造することができ、ビームを反射
するのに必要な放物面の部分のみすなわち図１の１Ａお
よび２Ａで示す部分のみで構成される。図１の凸反射鏡
１と凹反射鏡２の交差部分６を子細に検討すると、交差
部分６付近では入射ビームが入ってきたときとほぼ同じ
直径で出ていくことがわかる。入射光線が交差部分６か
ら離れれば離れるほど、入ってきたときと出ていくとき
の広がりの差が大きくなる。この拡大比は面の場所によ
って変化するが、変化率はビーム光の分布に影響しない
程度まで十分小さくすることができる。図１のビーム・
エキスパンダーは制御できる量だけ正弦条件に違反する
ことはすでに述べた。このことは、入力ビームを入力面
上で移動させると、出力ビームは回転対称軸に対する平
行性は維持しながら直径を変えること、すなわちズーム
・システムが得られることを意味する。既知のシステム
とは異なり、このシステムでは入力の位置にかかわらず
ズーム効果が得られる。
【０００７】次に図２を参照して、図示の実施形態は、
凸放物面７と交差部分９によってこの凸面に接続された
同焦点の凹放物面８を有する。二つの面と交差部分は、
例えば一本ダイヤモンド・バイト丸削り旋盤を用いて単
一の金属の要素から形成される。これによってモノリシ
ック（一体的）な構造が得られ、熱膨張が生じても均一
な心合わせと焦点合わせを行なうことができる。交差部
分９は、局所的に厚くされるため、反射面７と８の間の
熱の移動が促進される。入力光路11に添って進む入射ビ
ームは、第一の平面鏡12で屈折してから凸放物面７上の
選ばれた位置に装置の回転対称軸に平行な向きで入射す
る。反射されたビームは、第二の凹面８へ向かい、さら
に第二の平面鏡13で屈折してから入力光路11および入力
／出力軸15と同一線上の光路14に添って出ていく。平面
鏡12、13は、適当な機械的または電気機械的手段（図示
せず）によって入力／出力軸15にそって互いに近づいた
り遠ざかったりできるように取り付けられる。これによ
って、凸放物面鏡７上への入力ビームの入射位置を調節
して凹放物面鏡８によって反射されるビームを好適に捕
捉することができる。図２に示す位置では、約×４の倍
率が得られる。平面鏡12、13を互いに近づけると、倍率
を約1.5 ×まで下げることができる。倍率の上限値は、
これらの部品が配置される機械の大きさのみによってき
まる。下限値は、入力および出力用屈折鏡が至近点（×
１近く）で衝突しないようにするために任意の値に設定
される。
【０００８】上に述べた構成によっていくつかの効果が
得られる。両屈折面とも同じ方向を向いておりまた同一
の光軸に対して同心的である。したがって、両者を同時
に製造することができ、また両面の相対的な心合わせの
精度を高めることができる。システムの性能を完全なも
のにするためには心合わせの精度が重要である。モノリ
シック（一体的）な構造によって両者のその後の相互移
動は無視することができ、長期的な安定性が得られる。
とくに、第２の可変倍率エキスパンダーの場合には、シ
ステムによってビームが入力の方向と平行な方向に戻さ
れるため、とくに小型化しようとすれば二つの平面鏡し
か必要とせずにすみ、しかもそれによって同一線上に入
力ビームと出力ビームが得られることになる。このよう
に構成することによって、部品の数がきわめて少なくま
たすべての倍率で好適に軸上補正が行なえる小型のズー
ム・システムが得られ、少ないコストで性能のすぐれた
小型システムの実現が可能となる。さらに、このシステ
ムは、きわめて簡単なズーム機構を提供するものであ
る。既知の多くのズーム機構では鏡の代わりにレンズを
必要とし、その結果コストが高くなりしかも機能性が低
下しているのが実情である。
【０００９】図３〜図６は、本発明にもとづくビーム・
エキスパンダーの他の実施例を示す図である。図３にお
いて、凹円環体放物面反射鏡16および凸円環体放物面反
射鏡17は、それぞれの円形の焦点18が互いにまたその円
環体母線と同一線上にあるように配置される。平行化さ
れたビームが凸面17に入射し、反射されて凹面16へ向か
い、そこで再平行化されまた反射されて入射ビームの方
向とは反対で平行な方向へ向かう。このように構成する
と矢および正接部分の両者における曲率を異ならせて各
部分での倍率が異なるようにし、それによってアパーチ
ャーをアナモルフィックなものとすることができる。図
４および図５の実施例は、平行な入力光線を焦点に収斂
する出力光線に変えるシステムである。したがって、図
４においては、凹楕円面19および凸放物面20は、凸面20
の焦点が凹面19の一方の焦点と一致するように配置され
ている。平行な入力光線は、凸面20によって発散するよ
うに反射され、凹楕円面19によって楕円面19の同焦点で
ないほうの焦点へ収斂される。出力光線の発散角θは、
入力ビームの光軸ＡからのオフセットＤに比例する。図
５においては、凹放物面21および凸楕円面22は、凹面21
の焦点が凸面22の一方の焦点と一致するように配置され
ている。ここでは、平行な入力光線は、凹面21から反射
されて凸面22へ向かい、発散ビームとして現われる。こ
の場合も、入力光線の光軸ＡからのオフセットＤは、発
散角θに関係する。図６においては、凹楕円面23の一方
の焦点が凸楕円面24の一方の焦点と一致している。光軸
Ａに対して角θで入射して凹面23の焦点へ収斂する光線
は、凹面および凸面で反射されてθに比例する発散角ψ
で現われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一の実施例を示す光学装置の概略
線図。
【図２】 ズーム機能を有する本発明の第二の実施例を
示す光学装置の概略線図。
【図３】 二つの円環体放物線反射鏡を含む本発明の第
三の実施例の横断面を概略線図。
【図４】 一つの凹楕円面反射鏡と一つの凸放物面反射
鏡を含む本発明の第四の実施例の概略線図。
【図５】 一つの凹放物面反射鏡と一つの凸楕円面反射
鏡を含む本発明の第五の実施例の概略線図。
【図６】 一つの凸楕円面反射鏡と一つの凹楕円面反射
鏡を含む本発明の第六の実施例の概略線図。
【符号の説明】
１：円錐形の輪郭の第一の反射面 ２：円錐形の輪郭の第二の反射面 ４：光ビーム ７：円錐形の輪郭の第一の反射面 ８：円錐形の輪郭の第二の反射面
フロントページの続き (72)発明者 ピーター・レジナルド・ホール イギリス国．ハートフオードシヤー・エス ジイ４・０テイピイ．ヒツチン．ウイルバ リー・ウエイ．42

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光ビームを受ける円錐形の輪郭の第一の
    反射面（１）および第一の反射面で反射された光ビーム
    （４）を受けてさらに先へ反射する同焦点で円錐形の輪
    郭の第二の反射面（２）を有し、一方の反射面が凸面ま
    た他方の反射面が凹面である光ビーム・エキスパンダー
    において、前記第一および第二の反射面（１）、（２）
    が単一の要素で形成されることを特徴とする光ビーム・
    エキスパンダー。
  2. 【請求項２】 光ビームを受ける円錐形の輪郭の第一の
    反射面（７）および第一の反射面で反射された光ビーム
    を受けてさらに先へ反射する同焦点で円錐形の輪郭の第
    二の反射面（８）を有し、一方の反射面が凸面また他方
    の反射面が凹面である光ビーム・エキスパンダーにおい
    て、さらに第一の反射面（７）上で受けた光ビームの位
    置を調節するための可変倍率手段を有し、それによって
    前記エキスパンダーの倍率を調節することを特徴とする
    光ビーム・エキスパンダー。
  3. 【請求項３】 両反射面（７）、（８）が単一の要素
    （10）で形成される請求項２に記載の光ビーム・エキス
    パンダー。
  4. 【請求項４】 前記第一の反射面（７）と第二の反射面
    （８）の間の前記単一の要素（10）の中間部分は、断面
    積が大きくされて前記要素を通る熱の移動が高められる
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ビーム・エキス
    パンダー。
  5. 【請求項５】 可変倍率手段が可動平面鏡（12）を有す
    る請求項２〜４のいずれか一項に記載の光ビーム・エキ
    スパンダー。
  6. 【請求項６】 第一の反射面が凸放物面（７）であり、
    第二の反射面が凹放物面（８）である請求項１〜５のい
    ずれか一項に記載のビーム・エキスパンダー。
  7. 【請求項７】 第一の反射面（17）が凸円環体放物面で
    あり、第二の反射面（16）が同心状の凹円環体放物面で
    ある請求項１〜５のいずれか一項に記載のビーム・エキ
    スパンダー。
  8. 【請求項８】 正接および矢部分における前記反射面
    （16、17）の曲率が異なり、それによって異なる倍率が
    得られる請求項７に記載のビーム・エキスパンダー。
  9. 【請求項９】 前記第一および第二の反射面の一方が放
    物面（20）であり、他方が楕円面（19）である請求項１
    〜５のいずれか一項に記載のビーム・エキスパンダー。
  10. 【請求項１０】 前記反射面（23）、（24）が各々楕円
    面である請求項１〜５のいずれか一項に記載のビーム・
    エキスパンダー。
JP6249480A 1993-10-16 1994-10-14 光ビーム・エキスパンダー Pending JPH07175013A (ja)

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GB939321408A GB9321408D0 (en) 1993-10-16 1993-10-16 Optical apparatus
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EP (1) EP0649042B1 (ja)
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GB (1) GB9321408D0 (ja)

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