JPH0868936A - アフォ−カル結像光学装置およびその光学装置を用いたレ−ザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は光学系の全長を短くでき、しかも
転送距離を長くできるようにしたアフォ−カル結像光学
装置を提供することにある。 【構成】 所定の物体面Ａの像を倍率Ｍで変換して所定
の結像面Ｂに転送するアフォ−カル結像光学装置におい
て、上記物体面と上記結像面との間には焦点距離がｆ
₁ 、ｆ₂ 、ｆ₃ に設定された第１乃至第３の３つの光学
素子１１〜１３が所定の設定条件で同一光軸上に順次配
置されてなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は望遠鏡やビ−ム成形光
学系などに用いられるアフォ−カル結像光学装置および
その光学装置を用いたレ−ザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアフォ−カル結像光学装置は、図
７に示すように焦点距離がｆa とｆbの第１のレンズ１
と第２のレンズ２を同一光軸上に所定の間隔で配置して
なり、物体面Ａの物体の像を結像面Ｂに倍率Ｍで転送す
る機能を有している。このときの結像条件は、２つのレ
ンズ１、２の配置条件をつぎのように選ぶことで実現さ
れる。

【０００３】 ｄa ＝ｄ …（１）式 ｄb ＝ｆa ＋ｆb …（２）式 ｄc ＝（１−Ｍ）・ｆb −Ｍ² ・ｄ …（３）式 Ｍ＝−ｆb ／ｆa …（４）式 ただし、 ｄa ；物体面Ａと第１のレンズ１間の距離、 ｄb ；第１のレンズ１と第２のレンズ２との間の距離、 ｄc ；第２のレンズ２と結像面Ｂとの間の距離、 Ｍ ；結像倍率、 ｆa ；第１のレンズ１の焦点距離、 ｆb ；第２のレンズ２の焦点距離 である。

【０００４】ところで、このような２つのレンズ１、２
から構成されたアフォ−カル結像光学装置によると、転
送像は物体像の倒立像となっている。そのため、正立像
を得るためには２つの結像光学装置を直列に配置しなけ
ればならないから、装置が大型化するということがあっ
た。

【０００５】また、第１のレンズ１と第２のレンズ２と
の２枚組みの構成であると、以下のようなことがある。
つまり、物体面Ａと結像面Ｂとの間の距離である、像の
転送距離をＬとすると、この距離Ｌは以下のようにな
る。 Ｌ＝ｄa ＋ｄb ＋ｄc ＝（１−Ｍ）・ｄb ＋（１−Ｍ² ）・ｄ ここで、Ｍ＜０を考慮すると、ｄ＝０のときに最大とな
り、Ｌmax は、 Ｌmax ＝（１−Ｍ）・ｄb となる。

【０００６】これより、転送距離Ｌはレンズ間距離ｄb
の（１−Ｍ）倍に制約されることになる。たとえば、図
８に示すように倍率を10倍（Ｍ＝−10）としてｄb ＝１
ｍ程度とすると、ｆａ＝90mm、ｆb ＝900mm とすれば、
ｄb ＝0.99ｍであるから、転送距離Ｌの最大値は10.9ｍ
に制約されることになり、その転送距離が十分でないと
いうことがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の２
つのレンズからなるアフォ−カル結像光学装置は、正立
像を得るためには２つの装置を直列に配置しなければな
らず、また十分な転送距離が得られないなどのことがあ
った。

【０００８】この発明は上記事情に基づきなされたもの
で、第１の目的は、正立像あるいは倒立像を得ることが
できるだけでなく、転送距離を長くできるようにしたア
フォ−カル結像光学装置を提供することにある。

【０００９】第２の目的は、上記アフォ−カル結像光学
装置によってレ−ザ発振器から出力されたレ−ザ光を一
定のビ−ム径で遠くへ転送できるようにしたレ−ザ装置
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の手段
は、所定の物体面の像を倍率Ｍで変換して所定の結像面
に転送するアフォ−カル結像光学装置において、上記物
体面と上記結像面との間には焦点距離がｆ₁ 、ｆ₂ 、ｆ
₃ に設定された第１乃至第３の３つの光学素子が下記
（Ａ）式〜（Ｄ）式の条件で同一光軸上に順次配置され
てなることを特徴とするアフォ−カル結像光学装置にあ
る。

【００１１】

【数２】

【００１２】ただし、 ｄ₁ ；物体面と第１の光学素子との間の距離、 ｄ₂ ；第１の光学素子と第２の光学素子との間の距離、 ｄ₃ ；第２の光学素子と第３の光学素子との間の距離、 ｄ₄ ；第３の光学素子と結像面との間の距離。

【００１３】この発明の第２の手段は、レ−ザ発振器を
有し、このレ−ザ発振器から出力されたレ−ザ光の光路
上に、このレ−ザ光を転送するために請求項１に記載さ
れたアフォ−カル光学装置が配置されてなることを特徴
とするレ−ザ装置にある。

【００１４】

【作用】上記第１の手段によれば、３つの光学素子のう
ちの１つを所定のものに選択することで、物体面の像を
結像面に倒立あるいは正立のいずれかの状態で結像させ
ることができ、しかもその転送距離を十分に拡大するこ
とができる。上記第２の手段によれば、第１の手段の結
像光学装置でレ−ザ光を転送するため、そのレ−ザ光の
光束断面形状を変えることなく遠くへ転送できる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１は、物体面Ａと結像面Ｂとの間には光学素
子としての凸レンズからなる第１のレンズ１１、凹レン
ズからなる第２のレンズ１２および凸レンズからなる第
３のレンズ１３が光軸を一致させて所定の間隔で配置さ
れたアフォ−カル結像光学装置である。

【００１６】図２は物体面Ａと結像面Ｂとの間に光学素
子としてそれぞれ凸レンズからなる第１のレンズ１１
ａ、第２のレンズ１２ａおよび第３のレンズ１３ａが所
定の間隔で配置されたアフォ−カル結像光学装置であ
る。

【００１７】第１乃至第３の各レンズ１１〜１３、１１
ａ〜１３ａの焦点距離をｆ₁ 〜ｆ₃とすると、図１に示
すようにｆ₁ 、ｆ₃ ＞０、ｆ₂ ＜０であることで倒立型
の結像光学系が構成され、図２に示すようにｆ₁ 、ｆ
₂ 、ｆ₃ ＞０とすることで正立型の結像光学系が構成さ
れる。

【００１８】図１と図２に示す結像光学装置は物体面Ａ
の像を結像面Ｂに所定の倍率Ｍで変換して転送するため
のものであって、図１に示す第１乃至第３のレンズ１１
〜１３と、図２に示す第１乃至第３のレンズ１１ａ〜１
３ａは下記（５）式〜（８）式の条件で配置されてい
る。

【００１９】

【数３】

【００２０】ただし、 ｄ₁ ；物体面と第１の光学素子との間の距離、 ｄ₂ ；第１の光学素子と第２の光学素子との間の距離、 ｄ₃ ；第２の光学素子と第３の光学素子との間の距離、 ｄ₄ ；第３の光学素子と結像面との間の距離。つまり、
この発明は、物体面Ａと結像面Ｂとの間に３つの光学素
子が上記（５）〜（８）式の条件で配置されている構成
が特徴となっている。

【００２１】つぎに、図３（ａ）を参照して転送距離に
関する作用を図５との比較により説明する。図３に示す
構成は、図１に示す構成と同様、倒立型の結像光学系で
あって、図５の構成との比較を容易にするため、ｄ₁ ＝
ｄa 、ｆa ＝ｆ₁ とし、倍率はともにＭとした。このと
き、第２のレンズ１２と第３のレンズ１３とを対として
考えると、次式が成立する。

【００２２】 １／ｆ＝１／ｆ₂ ＋１／ｆ₃ −（ｄ₃ ／ｆ₂ ）・ｆ₃ …（９）式 ｈ₁ ＝（ｆ／ｆ₂ ）・ｄ₃ …（10）式 ｈ₂ ＝（ｆ／ｆ₂ ）・ｄ₃ …（11）式 ただし、 ｆ ；レンズ対ｆ₂ 、ｆ₃ の合成焦点、 ｈ₁ ；レンズ対ｆ₂ 、ｆ₃ の第１主平面の位置、 ｈ₂ ；レンズ対ｆ₂ 、ｆ₃ の第２主平面の位置。 上記（９）式に上記（７）式を代入すると、 Ｍ＝ｆ／ｆ₁ …（12）式 となる。

【００２３】上記（12）式と図５の構造の倍率Ｍを示す
（４）式とを比較すると、ｆ＝ｆ_bであることが分か
る。また、上記（10）式と（11）式より、ｈ₁ ＞０、ｈ
₂ ＜０であることを考慮すると、図３（ａ）に示す構成
は図３（ｂ）に示すようなアフォ−カル結像光学系と等
価である。同図において４は、第２のレンズ１２、第３
のレンズ１３を対としたときの第１主平面であり、５は
第２主平面である。

【００２４】図３（ｂ）に示す構成において、（ｄc ＝
ｄ₄ ＋ｈ₂ ）であり、ΔＬ₁ は、 ΔＬ₁ ＝ｄb −（ｄ₂ ＋ｄ₃ ） ＝ｄ₃ −ｈ₁ ＝ｄ₃ ・｛１−（ｆb ／ｆ₃ ）｝ …（13）式 となる。ΔＬ₁ は図７に示す２枚組みのアフォ−カル結
像光学系と、この発明の３枚組みの光学系との、光学系
全長の差を示す。

【００２５】また、図３（ｂ）においてΔＬ₂ は、 ΔＬ₂ ＝（ｄa ＋ｄb ＋ｄc ）−（ｄ₁ ＋ｄ₂ ＋ｄ₃ ＋ｄ₄ ） ＝ｄ₃ −（ｈ₁ ＋ｈ₂ ） ＝ｄ₃ ｛１−ｆb ・（１／ｆ₂ −１／ｆ₃ ）｝ …（14）式 となる。

【００２６】ΔＬ₂ はレンズを２枚組の光学系と、３枚
組の光学系との物体面Ａの像の転送距離の差を示す。上
記（13）式と（14）式により、次の条件を満たせば、従
来の２枚組よりもこの発明の３枚組のアフォ−カル光学
系の全長を短くし、しかも転送距離を大きくできること
が分かる。 ｆ₃ ＜ｆb …（14）式 １／ｆ₂ ＋１／ｆ₃ ＜１／ｆb …（15）式 以上より、具体的な作用を示すと図４のようになる。こ
のとき、図７に示す従来の２枚組構造と比較するため、
Ｍ＝−10、ｄ₁ ＝０、ｆa ＝90mm、ｆb ＝900mm とし
た。つまり、図４においては、ｆ₁ ＝90mm、ｆ₂ ＝−30
mm、ｆ₃ ＝300mmとしており、このときΔＬ₁ ＝−560mm
、ΔＬ₂ ＝7840mmとなる。

【００２７】したがって、この発明の構成によれば、図
７に示す従来の構成に比べて光学系の全長を約４割の長
さにすることができ、転送距離は約１．７倍に拡大され
ることになる。

【００２８】しかも、第２のレンズを凹レンズとする
か、あるいは凸レンズとするかによって光学系を倒立型
あるいは正立型のいずれかを選択することができる。上
記実施例では各レンズが薄肉単レンズの場合について説
明したが、上記各レンズが厚肉レンズである場合あるい
は２枚以上の組み合わせレンズで構成されている場合に
も、この発明を適用することができる。そのときの構成
を図５に示す。

【００２９】すなわち、図５において２１〜２３は第１
乃至第３の厚肉あるいは組み合わせレンズを示し、これ
らの有効あるいは合成焦点距離をｆ₁ 〜ｆ₃ とする。２
１ａ、２１ｂは第１のレンズの第１の主平面と第２の主
平面であり、２２ａ、２２ｂは第２のレンズ２２の第１
の主平面と第２の主平面、２３ａ、２３ｂは第３のレン
ズ２３の第１の主平面と第２の主平面である。そして、
ｄ₁ 〜ｄ₄ を図に示すように定義し、これらの値を
（５）式〜（８）式のように設定すれば、上記一実施例
と同様の作用効果を得ることができる。

【００３０】図６（ａ）〜（ｃ）は上述した結像光学装
置の応用例を示す。図６（ａ）はレ−ザ発振器２１の出
射側に結像光学装置５１を配設し、上記レ−ザ発振器２
１から発振出力されたレ−ザ光Ｌを上記結像光学装置５
１に導入することで、所定位置まで導くようにしたもの
である。

【００３１】つまり、レ−ザ発振器２１の出口像が物体
面Ａであり、結像面Ｂで拡大結像させるようにしてい
る。上記結像光学装置５１によってビ−ム拡がり角や回
析によるエネルギの散逸、ビ−ム強度分布の劣化を抑制
できるから、高効率な長距離ビ−ム転送が可能となる。

【００３２】図６（ｂ）はレ−ザ発振器３１から発振出
力されてビ−ム成形手段３２により成形されたレ−ザ光
Ｌを結像光学装置５１に入射させる。この結像光学装置
５１から出射されたレ−ザ光Ｌはレ−ザ増幅器３２に入
射し、増幅されてから出射するようになっている。

【００３３】つまり、レ−ザ発振器３１からの出力ビ−
ム像を、成形手段３２によってレ−ザ増幅器３２の形状
と相似形に成形し、その成形像を物体面Ａとして結像光
学装置５１に入射させ、上記レ−ザ増幅器３２の入射面
を結像面Ｂとし、その像を増幅器３２によって増幅する
ようになっている。

【００３４】このような構成とすることで、ビ−ム拡が
り角および回析の影響を受けることなく増幅器３２へエ
ネルギを入射できるから、増幅効率の向上が計れる。図
６（ｃ）はレ−ザ発振器３１から出力されたレ−ザ光Ｌ
が結像光学装置５１に入射され、その結像光学装置５１
から出射したレ−ザ光Ｌを、反射ミラ−３４で光路をか
えて、たとえば色素レ−ザ発振器などの被励起レ−ザ発
振器３５を励起する励起光として利用するようにした構
成である。この場合、レ−ザ発振器３１の出射面が物体
面Ａであり、被励起レ−ザ発振器３５への入射面が結像
面Ｂとなる。

【００３５】このような構成によれば、レ−ザ光Ｌをそ
の特性を変えることなく十分に遠くへ転送することがで
きるから、被励起レ−ザ発振器２４の配置上の制約を受
けることなく、高効率でのビ−ム転送が可能となる。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように請求項１に記載された
この発明によれば、光学素子を従来の２枚組から３枚組
に変え、これら３枚の光学素子を光軸を一致させるとと
もに、所定の関係を満足する間隔で配置した。

【００３７】それによって、従来のアフォ−カル結像光
学系に比べて全長を短くすることができるばかりか、転
送距離を長くすることができる。さらに、３つの光学素
子の１つを凹レンズあるいは凸レンズとすることで倒立
結像あるいは正立結像のいずれかに設定できるなどのこ
とがある。

【００３８】請求項２に記載されたこの発明によれば、
請求項１に記載されたアフォ−カル光学系をレ−ザ光の
光路上に配置することで、上記レ−ザ光をエネルギ損失
やビ−ム強度分布の劣化などを招くことなく十分に長い
距離を転送することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す倒立型のアフォ−カ
ル結像光学装置の構成図。

【図２】同じく正立型のアフォ−カル結像光学装置の構
成図。

【図３】（ａ）は同じく倒立型のアフォ−カル結像光学
装置の作用説明図、（ｂ）は（ａ）の光学装置の等価
図。

【図４】同じく図３（ａ）に示す光学装置の実際の計算
結果を示す説明図。

【図５】この発明の他の実施例のアフォ−カル結像光学
装置の等価図。

【図６】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれアフォ−カル結像光
学装置を利用したレ−ザ装置の説明図。

【図７】従来の２枚組レンズのアフォ−カル結像光学装
置の構成図。

【図８】同じく実際の計算結果を示す説明図。

【符号の説明】

１１…第１のレンズ（光学素子）、１２…第２のレンズ
（光学素子）、１３…第３のレンズ（光学素子）、３１
…レ−ザ発振器、Ａ…物体面、Ｂ…結像面。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の物体面の像を倍率Ｍで変換して所
   定の結像面に転送するアフォ−カル結像光学装置におい
   て、 上記物体面と上記結像面との間には焦点距離がｆ₁ 、ｆ
   ₂ 、ｆ₃ に設定された第１乃至第３の３つの光学素子が
   下記（Ａ）式〜（Ｄ）式の条件で同一光軸上に順次配置
   されてなることを特徴とするアフォ−カル結像光学装
   置。 【数１】 ただし、 ｄ₁ ；物体面と第１の光学素子との間の距離、 ｄ₂ ；第１の光学素子と第２の光学素子との間の距離、 ｄ₃ ；第２の光学素子と第３の光学素子との間の距離、 ｄ₄ ；第３の光学素子と結像面との間の距離。
2. 【請求項２】 レ−ザ発振器を有し、このレ−ザ発振器
   から出力されたレ−ザ光の光路上に、このレ−ザ光を転
   送するために請求項１に記載されたアフォ−カル光学装
   置が配置されてなることを特徴とするレ−ザ装置。