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JP6852895B2 - Beam expander - Google Patents
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Description

この発明は、例えばレーザビームを受けて、ビーム光を一軸方向に拡大する、もしくはビーム光の径を全体的に拡大することができるビームエクスパンダーに関する。 The present invention relates to a beam expander capable of receiving, for example, a laser beam and expanding the beam light in a uniaxial direction or expanding the diameter of the beam light as a whole.

例えば、半導体レーザ素子から出射されるレーザビームは、そのビーム光に直交する断面が、一般的に2:1程度の楕円形となる例が多い。このような楕円形状のビーム光を、より真円に近づける手段として、凸レンズを二枚、もしくは凸レンズと凹レンズを一枚ずつ組み合わせたビームエクスパンダーが提案されている。また、凸レンズとシリンドリカルレンズを組み合わせたビームエクスパンダーの提案もなされている。 For example, a laser beam emitted from a semiconductor laser element often has an elliptical cross section orthogonal to the beam light, which is generally about 2: 1. As a means for bringing such an elliptical beam light closer to a perfect circle, a beam expander in which two convex lenses or one convex lens and one concave lens are combined has been proposed. In addition, a beam expander that combines a convex lens and a cylindrical lens has also been proposed.

さらに、特許文献1の図7には、二枚のシリンドリカルレンズを用いたビームエクスパンダーが開示されている。この特許文献1に示す例は、投写型表示装置(プロジェクター)の光源として半導体レーザ素子が用いられており、半導体レーザ素子からの楕円形状のビーム光を、前記二枚のシリンドリカルレンズを用いて、真円に近づける例が示されている。 Further, FIG. 7 of Patent Document 1 discloses a beam expander using two cylindrical lenses. In the example shown in Patent Document 1, a semiconductor laser element is used as a light source of a projection type display device (projector), and an elliptical beam light from the semiconductor laser element is emitted from the two cylindrical lenses. An example of getting closer to a perfect circle is shown.

すなわち、半導体レーザ素子からのビーム光は、凸レンズによるコリメートレンズを介して平行化され、平行化されたビーム光は、第1のシリンドリカルレンズと第2のシリンドリカルレンズを介して、ビーム光の短軸側を軸方向に拡大(エクスパンド)している。
一方、ビーム光の長軸側は、第1と第2のシリンドリカルレンズを、そのまま透過させており、これにより、半導体レーザ素子からの楕円形状のビーム光は、真円に近いものとなる。
That is, the beam light from the semiconductor laser element is parallelized via the collimating lens by the convex lens, and the parallelized beam light is passed through the first cylindrical lens and the second cylindrical lens, and the short axis of the beam light. The side is expanded in the axial direction.
On the other hand, on the long axis side of the beam light, the first and second cylindrical lenses are transmitted as they are, so that the elliptical beam light from the semiconductor laser element becomes close to a perfect circle.

一方、特許文献2には、ビーム光の入射側が凹円錐面になされ、出射側が凸円錐面になされた光学素子(プリズム)を利用して、入射ビーム光を環状断面(輪帯状)のビーム光に拡大する例が示されている。
特許文献2に示された環状断面レーザ光ビーム生成器は、多光子顕微鏡との組み合わせにより、高い解像能を得ようとするものであり、これは光軸の中央部へのレーザ光の照射は避けて、レーザ光の照射領域をリング状(輪帯状)に広げることを目的とするものである。
On the other hand, in Patent Document 2, an optical element (prism) in which the incident side of the beam light is formed into a concave conical surface and the outgoing side is formed into a convex conical surface is used to convert the incident beam light into a beam light having an annular cross section (ring band shape). An example of expanding to is shown.
The annular cross-section laser beam generator shown in Patent Document 2 seeks to obtain high resolution in combination with a multiphoton microscope, which irradiates the central portion of the optical axis with laser light. Is intended to avoid and expand the irradiation area of the laser beam in a ring shape (ring band shape).

特許第3767623号公報Japanese Patent No. 3767623 特開2003−344285号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-344285

ところで、特許文献1に開示されたビームエクスパンダーを含めて、前記した凸レンズを二枚、もしくは凸レンズと凹レンズを組み合わせた従来のビームエクスパンダーにおいては、いずれも組み合わされるレンズ同志の焦点調整が必要である。
したがって、光学系や焦点調整の機構が複雑化し、必然的にビームエクスパンダー部分の構成が大型化し、コストの高騰も免れないものとなる。
By the way, in the conventional beam expander in which two convex lenses or a combination of a convex lens and a concave lens are combined, including the beam expander disclosed in Patent Document 1, it is necessary to adjust the focus of the combined lenses. is there.
Therefore, the optical system and the focus adjustment mechanism become complicated, the configuration of the beam expander portion inevitably becomes large, and the cost rise is inevitable.

なお、特許文献1の図9には、前記したプロジェクターの光学系において、円錐形の透明体(プリズム)が用いられ、この透明体の円錐の頂点近傍を球面状に加工した例が示されている。
これは、後で説明するこの発明に係るビームエクスパンダーの光学素子の構成に近似した点として捕らえることできる。しかしながら、特許文献1に開示のプロジェクターの光学系と、この発明に係るビームエクスパンダーの光学系とは、円錐の頂点部分への光入射の方向が逆であるなど、両者の作用効果が異なることは明らかである。
Note that FIG. 9 of Patent Document 1 shows an example in which a conical transparent body (prism) is used in the optical system of the projector described above, and the vicinity of the apex of the cone of the transparent body is processed into a spherical shape. There is.
This can be regarded as a point that approximates the configuration of the optical element of the beam expander according to the present invention, which will be described later. However, the optical system of the projector disclosed in Patent Document 1 and the optical system of the beam expander according to the present invention are different in their action and effect, such as the direction of light incident on the apex of the cone is opposite. Is clear.

一方、特許文献2に開示された環状断面レーザ光ビーム生成器は、円錐面を備えたプリズムを利用することで、レーザビームをリング状に広げることを目的としており、冒頭に記述したようにビーム光を一軸方向に拡大する、もしくはビーム光の径を全体的に拡大させようとするこの発明に係るビームエクスパンダーとは、解決しようとする課題が異なることは明らかである。 On the other hand, the annular cross-section laser light beam generator disclosed in Patent Document 2 aims to spread the laser beam in a ring shape by using a prism having a conical surface, and as described at the beginning, the beam. It is clear that the problem to be solved is different from that of the beam expander according to the present invention, which attempts to expand the light in a uniaxial direction or to expand the diameter of the beam light as a whole.

そこで、この発明が解決しようとする主要な課題は、平行化された光軸上に光学素子を配置することで、容易に光ビームを一軸方向に拡大、もしくはビーム径を全体的(二軸方向)に拡大することができるビームエクスパンダーを提供する点にある。
また、拡大された光ビームの光軸の中央部付近における光強度の低下を効果的に補う構成を採用することで、比較的均一な光強度特性を有する光ビームを得ることができるビームエクスパンダーを提供しようとするものである。
Therefore, the main problem to be solved by the present invention is to easily expand the light beam in the uniaxial direction or increase the beam diameter as a whole (biaxial direction) by arranging the optical elements on the parallelized optical axes. ) Is to provide a beam expander that can be expanded.
In addition, a beam expander that can obtain a light beam with relatively uniform light intensity characteristics by adopting a configuration that effectively compensates for the decrease in light intensity near the center of the optical axis of the magnified light beam. Is intended to provide.

前記した課題を解決するためになされたこの発明に係るビームエクスパンダーの形態は、断面が円弧状の内側凹部および円弧状の外側凸部が形成されて、内面側が光ビームの入射面になされると共に、外面側が光ビームの出射面になされた光学素子が備えられ、入射される光ビームの中心が、前記内側凹部に投射されて、前記出射面側においてビーム径を拡大した光ビームを得ることを特徴とする。 In the form of the beam expander according to the present invention made to solve the above-mentioned problems, an inner concave portion having an arcuate cross section and an outer convex portion having an arcuate cross section are formed, and the inner surface side is an incident surface of a light beam. At the same time, an optical element having an outer surface side formed on the exit surface of the light beam is provided, and the center of the incident light beam is projected onto the inner recess to obtain a light beam having an enlarged beam diameter on the exit surface side. It is characterized by.

また、この発明に係るビームエクスパンダーの形態として、前記光学素子は、互いに同一厚さの光透過性平面板がV字状に交差し、交差部の内面および外面のそれぞれに沿って、前記内側凹部および外側凸部が形成された屋根型形状の光学素子であって、前記ビーム径を一軸方向に拡大したことを特徴とする。 Further, as a form of the beam expander according to the present invention, in the optical element, light-transmitting flat plates having the same thickness intersect with each other in a V shape, and the inner surface thereof is along the inner surface and the outer surface of the intersection. It is a roof-shaped optical element in which a concave portion and an outer convex portion are formed, and is characterized in that the beam diameter is enlarged in the uniaxial direction.

また、この発明に係るビームエクスパンダーの他の形態として、前記光学素子は、凹円錐面からなる光ビームの入射面と、凸円錐面からなる光ビームの出射面とを有し、凹円錐面と凸円錐面との間の厚さが均一に形成されると共に、凹円錐面の内面および凸円錐面の外面のそれぞれに沿って、前記内側凹部および外側凸部が形成され、前記ビーム径を二軸方向に拡大したことを特徴とする。 Further, as another embodiment of the beam expander according to the present invention, the optical element has an incident surface of a light beam formed of a concave conical surface and an exit surface of a light beam formed of a convex conical surface, and has a concave conical surface. The thickness between the convex conical surface and the convex conical surface is uniformly formed, and the inner concave portion and the outer convex portion are formed along the inner surface of the concave conical surface and the outer surface of the convex conical surface, respectively, to reduce the beam diameter. It is characterized by being enlarged in the biaxial direction.

この場合、前記ビームエクスパンダーを構成する光学素子の厚さをt、光学素子の内側凹部の曲率半径をR1、光学素子の前記出射面に直交する線の片側の開き角をθ、光学素子の素材の屈折率nにより定められる屈折角をαとしたとき、光学素子の外側凸部の曲率半径R2が、下記式1で求められる値に設定されていることが望ましい。
R2=R1+t−(t・cosθ)/(n・cosα)……式1
In this case, the thickness of the optical element constituting the beam expander is t, the radius of curvature of the inner concave portion of the optical element is R1, the opening angle of one side of the line orthogonal to the exit surface of the optical element is θ, and the optical element When the refraction angle determined by the refractive index n of the material is α, it is desirable that the radius of curvature R2 of the outer convex portion of the optical element is set to a value obtained by the following equation 1.
R2 = R1 + t− (t · cos θ) / (n · cos α) …… Equation 1

前記したこの発明に係るビームエクスパンダーによると、前記した光学素子を用いることにより、光ビーム径を拡大することができ、しかもビームエクスパンダーの構成を簡素化させることに寄与できるものとなる。 According to the beam expander according to the present invention described above, by using the optical element described above, the light beam diameter can be expanded and the configuration of the beam expander can be simplified.

加えて、前記光学素子の断面がそれぞれ球面もしくは非球面である円弧状の内側凹部および円弧状の外側凸部が形成されているので、前記内側凹部に入射される光ビームは、外側凸部に向かって緩やかに拡大されて出射される。これにより、光軸の中央部付近における光強度の低下を効果的に補うことができ、比較的均一な光強度特性を有する光ビームを得ることが可能となる。 In addition, since an arcuate inner recess and an arcuate outer convex portion in which the cross section of the optical element is spherical or aspherical, respectively, are formed, the light beam incident on the inner concave portion is formed on the outer convex portion. It is gradually enlarged toward and emitted. As a result, it is possible to effectively compensate for the decrease in light intensity in the vicinity of the central portion of the optical axis, and it is possible to obtain a light beam having relatively uniform light intensity characteristics.

この発明に係る第1形態のビームエクスパンダーを示した斜視図である。It is a perspective view which showed the beam expander of the 1st form which concerns on this invention. 同じく第2形態のビームエクスパンダーを示した斜視図である。It is also a perspective view which showed the beam expander of the 2nd form. 入射ビームを拡大する基本概念を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the basic concept which expands an incident beam. この発明に係る入射ビームの拡大作用を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the magnifying action of the incident beam which concerns on this invention. 光学素子の主要なパラメータを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the main parameter of an optical element. 光学素子の外側凸部の曲率半径を求める例を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the example which obtains the radius of curvature of the outer convex part of an optical element. 光学素子の各部の好ましい数値の一例を示した模式図である。It is a schematic diagram which showed an example of preferable numerical value of each part of an optical element.

この発明に係るビームエクスパンダーについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
先ず図1は、第1形態のビームエクスパンダー(一軸エクスパンドタイプ)について、その基本構成を斜視図で示している。この図1に示す例は、同一厚さの光透過性平面板をV字状に交差させた屋根型形状の光学素子1Aが用いられる。
The beam expander according to the present invention will be described based on the embodiment shown in the figure.
First, FIG. 1 shows a perspective view of the basic configuration of the beam expander (uniaxial expand type) of the first form. In the example shown in FIG. 1, a roof-shaped optical element 1A in which light-transmitting flat plates having the same thickness are crossed in a V shape is used.

そして、V字状交差部の内面に沿って、断面が円弧状の内側凹部2が形成されている。また、V字状交差部の外面に沿って同様に断面が円弧状の外側凸部3が形成されている。
すなわち、この実施の形態における内側凹部2および外側凸部3は、それぞれ円筒体の軸方向に沿った形態と同様に、軸方向に長い凹面形状および軸方向に長い凸面形状を構成している。
この屋根型形状の光学素子は、光学素子1AのV字状の内面側が、光ビームの入射面4になされると共に、外面側が光ビームの出射面5になされている。
Then, an inner recess 2 having an arcuate cross section is formed along the inner surface of the V-shaped intersection. Further, an outer convex portion 3 having an arcuate cross section is formed along the outer surface of the V-shaped intersection.
That is, the inner concave portion 2 and the outer convex portion 3 in this embodiment form a concave shape that is long in the axial direction and a convex shape that is long in the axial direction, respectively, as in the form along the axial direction of the cylindrical body.
In this roof-shaped optical element, the V-shaped inner surface side of the optical element 1A is formed on the incident surface 4 of the light beam, and the outer surface side is formed on the emitting surface 5 of the light beam.

例えば半導体レーザ素子からのレーザ光は、図示せぬ凸レンズ等によるコリメートレンズを介して平行化され、平行化された光ビーム(入射ビーム6a)の中心が、図1に示す光学素子1Aの円弧状の内側凹部2に投射される。
これにより、入射ビーム6aは光学素子1Aによって、ビーム径が一軸方向に拡大された光ビーム(出射ビーム6b)を得ることができる。
For example, the laser beam from the semiconductor laser element is parallelized via a collimating lens such as a convex lens (not shown), and the center of the parallelized light beam (incident beam 6a) is the arc shape of the optical element 1A shown in FIG. It is projected onto the inner recess 2 of the lens.
As a result, the incident beam 6a can obtain a light beam (emission beam 6b) whose beam diameter is enlarged in the uniaxial direction by the optical element 1A.

前記した第1形態のビームエクスパンダーを構成する光学素子1Aによると、後でその作用を説明するとおり、入射ビーム6aはV字状に交差した円弧状の稜線に直交する方向(一軸方向)に拡大した出射ビーム6bを得ることができる。
したがって、一例として図1に示したように、若干縦長の入射ビーム6aを、縦横寸法がほぼ等しい出射ビーム6bに変換することができる。
According to the optical element 1A constituting the beam expander of the first form described above, the incident beam 6a is oriented in a direction orthogonal to the arcuate ridge line intersecting in a V shape (uniaxial direction) as described later. An enlarged emission beam 6b can be obtained.
Therefore, as shown in FIG. 1 as an example, the slightly vertically long incident beam 6a can be converted into an emitted beam 6b having substantially the same vertical and horizontal dimensions.

図2は、第2形態のビームエクスパンダー(二軸エクスパンドタイプ)について、その基本構成を斜視図で示している。この図2に示す例は、凹円錐面からなる光ビームの入射面4と、凸円錐面からなる光ビームの出射面5とを有し、凹円錐面4と凸円錐面5との間の厚さが均一に形成された円錐プリズムによる光学素子1Bが用いられる。
そして、凹円錐面の内面に沿って、断面が球面もしくは非球面である円弧状の内側凹部2が形成されている。また、凸円錐面の外面に沿って同様に断面が球面もしくは非球面である円弧状の外側凸部3が形成されている。
すなわち、凹円錐面と凸円錐面の各頂点部分には、球面もしくは非球面状の内側凹部2および外側凸部3がそれぞれ形成されている。
FIG. 2 shows a perspective view of the basic configuration of the beam expander (biaxial expand type) of the second form. The example shown in FIG. 2 has an incident surface 4 of a light beam formed of a concave conical surface and an exit surface 5 of a light beam formed of a convex conical surface, and is located between the concave conical surface 4 and the convex conical surface 5. An optical element 1B having a conical prism having a uniformly formed thickness is used.
Then, along the inner surface of the concave conical surface, an arcuate inner concave portion 2 having a spherical or aspherical cross section is formed. Further, an arc-shaped outer convex portion 3 having a spherical or aspherical cross section is formed along the outer surface of the convex conical surface.
That is, spherical or aspherical inner concave portions 2 and outer convex portions 3 are formed at the apex portions of the concave conical surface and the convex conical surface, respectively.

前記したように、例えば半導体レーザ素子からのレーザ光は、コリメートレンズを介して平行化され、平行化された光ビーム(入射ビーム6a)の中心が、図2に示すように光学素子1Bの円弧状の内側凹部2に投射される。
これにより、入射ビーム6aは光学素子1Bによって、ビーム径が二軸方向に拡大された光ビーム(出射ビーム6b)を得ることができる。
As described above, for example, the laser beam from the semiconductor laser element is parallelized via the collimating lens, and the center of the parallelized light beam (incident beam 6a) is the circle of the optical element 1B as shown in FIG. It is projected onto the arc-shaped inner recess 2.
As a result, the incident beam 6a can obtain an optical beam (emission beam 6b) whose beam diameter is expanded in the biaxial direction by the optical element 1B.

前記した第2形態のビームエクスパンダーを構成する光学素子1Bによると、後でその作用を説明するとおり、入射ビーム6aは二軸(縦横方向)に拡大したビーム光、すなわち、ビーム径を全体的に拡大した出射ビーム6bを得ることができる。
したがって、一例として図2に示したように、ほぼ真円に近い入射ビーム6aが到来した場合には、そのまま縦横方向(二軸方向)に拡大されて、ほぼ真円に近い拡大された出射ビーム6bに変換することができる。
According to the optical element 1B constituting the beam expander of the second form described above, as will be described later, the incident beam 6a is a beam light expanded in two axes (vertical and horizontal directions), that is, the entire beam diameter is increased. It is possible to obtain an emitted beam 6b that is magnified to.
Therefore, as shown in FIG. 2 as an example, when the incident beam 6a that is close to a perfect circle arrives, it is enlarged as it is in the vertical and horizontal directions (biaxial direction), and the enlarged exit beam that is close to a perfect circle. It can be converted to 6b.

図3は、入射ビームを拡大して出射する基本概念を説明する模式図であり、この図3に示す例は、交差部がV字状に直線的に交差した場合を示している。また図4は、図1に示した屋根型形状の光学素子1A、および図2に示した円錐プリズムの光学素子1Bによる光学特性を示すものであり、前記した円弧状の内側凹部2および円弧状の外側凸部3を備えたこの発明に係るビームエクスパンダーの光学特性を示すものである。なお、図3および図4は、それぞれの光学素子1A,1Bの中央部において、ビーム光の透過軸に沿って切断した切断面の端面形状を示している。 FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a basic concept of magnifying and emitting an incident beam, and the example shown in FIG. 3 shows a case where the intersections intersect linearly in a V shape. Further, FIG. 4 shows the optical characteristics of the roof-shaped optical element 1A shown in FIG. 1 and the optical element 1B of the conical prism shown in FIG. 2, and the arc-shaped inner recess 2 and the arc-shaped The optical characteristics of the beam expander according to the present invention provided with the outer convex portion 3 of the above are shown. Note that FIGS. 3 and 4 show the shape of the end face of the cut surface cut along the transmission axis of the beam light at the central portion of each of the optical elements 1A and 1B.

図3に示すように屋根型形状の交差部がV字状に交差する光学素子、および円錐プリズムによる円錐面の頂点がV字状に交差する光学素子においては、共に交差部および頂点において直線状に交差するので、その交点は断面が鋭角となる。そのため、入射ビーム6aにおける中央部付近の光路は、光学素子のV字状の交差位置(交点)において、図3に示されるように、二手のいずれかに分けられる。
これにより、出射ビーム6bにおける中央部は、符号7で示すようにその光量が低いもの(光量低下部7)となる。これは、前記した特許文献2に開示された入射ビームをリング状(輪帯状)に広げる例と同様の作用となる。
As shown in FIG. 3, in the optical element in which the roof-shaped intersections intersect in a V shape and the optical element in which the vertices of the conical surface by the conical prism intersect in a V shape, both the intersections and the vertices are linear. Since it intersects with, the intersection has a sharp cross section. Therefore, the optical path near the central portion of the incident beam 6a is divided into either of two hands at the V-shaped intersection position (intersection point) of the optical element, as shown in FIG.
As a result, the central portion of the emitted beam 6b has a low light intensity (light intensity reduction portion 7) as indicated by reference numeral 7. This has the same effect as the example of spreading the incident beam disclosed in Patent Document 2 in a ring shape (ring band shape).

そこで、図4に示すように円弧状の内側凹部2、および円弧状の外側凸部3を備えた光学素子によると、光学素子1A、1Bに入射した入射ビーム6aにおける中央部付近の光路は、内側凹部2においてそのまま直進し、ビームの中心部から離れるにしたがって放射方向に屈折する度合いが大きくなる。そして、円弧状の外側凸部3において屈折されて、入射ビーム6aが拡大された平行な出射ビーム6bとして出射される。 Therefore, according to the optical element provided with the arc-shaped inner concave portion 2 and the arc-shaped outer convex portion 3 as shown in FIG. 4, the optical path near the central portion of the incident beam 6a incident on the optical elements 1A and 1B is It goes straight in the inner recess 2 as it is, and the degree of refraction in the radial direction increases as the distance from the center of the beam increases. Then, it is refracted at the arc-shaped outer convex portion 3, and the incident beam 6a is emitted as an enlarged parallel emission beam 6b.

これにより、図4に示すこの発明に係るビームエクスパンダーは、図3に示した例に比較して、光軸の中央部付近における光強度の低下を効果的に補うことができ、比較的均一な光強度特性を有する出射ビーム6bを得ることが可能となる。
すなわち、この発明に係るビームエクスパンダーによると、例えば半導体レーザ素子から得られるいわゆるガウス分布状の光強度分布を有する入射ビームについて、その中央部の光強度を適度に低下させて、より均一な光強度分布を有する出射ビームを得ることに寄与できるものとなる。
As a result, the beam expander according to the present invention shown in FIG. 4 can effectively compensate for the decrease in light intensity near the central portion of the optical axis as compared with the example shown in FIG. 3, and is relatively uniform. It is possible to obtain an emitted beam 6b having various light intensity characteristics.
That is, according to the beam expander according to the present invention, for an incident beam having a so-called Gaussian light intensity distribution obtained from a semiconductor laser device, for example, the light intensity at the center thereof is appropriately reduced to make the light more uniform. It can contribute to obtaining an emitted beam having an intensity distribution.

図5A〜図5Cは、前記したビームエクスパンダーを構成する光学素子1A,1Bについて、各部のパラメータと、円弧状の内側凹部2および外側凸部3の曲率半径との好ましい関係を説明するものである。
なお、図5A〜図5Cは、図4に示した光学素子の内側凹部2および外側凸部3を含む部分を、そのまま模式図として示したものである。
5A to 5C explain the preferable relationship between the parameters of each part and the radii of curvature of the arcuate inner concave portion 2 and the outer convex portion 3 with respect to the optical elements 1A and 1B constituting the beam expander described above. is there.
5A to 5C are schematic views of the portion of the optical element shown in FIG. 4 including the inner concave portion 2 and the outer convex portion 3.

図5Aには光学素子1A,1Bの各部のパラメータについて示しており、光学素子の厚さをt、光学素子の内側凹部2の曲率半径をR1、光学素子の前記出射面5に直交する線の片側の開き角をθ、光学素子の素材の屈折率nにより定められる屈折角をα、光学素子の外側凸部3の曲率半径をR2として示している。 FIG. 5A shows the parameters of each part of the optical elements 1A and 1B. The thickness of the optical element is t, the radius of curvature of the inner recess 2 of the optical element is R1, and the line orthogonal to the exit surface 5 of the optical element. The opening angle on one side is shown as θ, the refraction angle determined by the refractive index n of the material of the optical element is shown as α, and the radius of curvature of the outer convex portion 3 of the optical element is shown as R2.

図5Aに示す光学素子1A,1Bの構成において、前記厚さt、内側凹部2の曲率半径R1、出射面5に直交する線の片側の開き角θ、屈折率nを任意に決めて、これによって決められる外側凸部3の曲率半径R2を求める計算式は、図5Bに基づいて以下のとおり導き出すことができる。 In the configuration of the optical elements 1A and 1B shown in FIG. 5A, the thickness t, the radius of curvature R1 of the inner recess 2, the opening angle θ on one side of the line orthogonal to the exit surface 5, and the refractive index n are arbitrarily determined. The calculation formula for obtaining the radius of curvature R2 of the outer convex portion 3 determined by FIG. 5B can be derived as follows based on FIG. 5B.

なお、図5Bに示す三角形ABCと、三角形A´B´C´は相似形であり、それぞれの三角形の各線分A,B,CとA´、B´、C´は次のとおりである。
A:曲率半径R1の光軸上の中心点と、この中心点から開き角θで延びた直線が出射面5と交差する点までの線分の長さ
B:線分Aの前記出射面5との交差点から、線分Aと直交する線が光軸と交差する点までの線分の長さ
C:前記線分AとBの光軸上の点の間の線分の長さ
A´:内側凹部2が光軸と交差する点と、この交差点から開き角θで延びた直線が出射面5と交差する点までの線分の長さ
B´:線分A´の前記出射面5との交差点から、線分A´と直交する線が光軸と交差する点までの線分の長さ
C´:前記線分A´とB´の光軸上の点の間の線分の長さ
The triangle ABC and the triangle A'B'C'shown in FIG. 5B are similar figures, and the line segments A, B, C and A', B', C'of each triangle are as follows.
A: Length of the line segment from the center point on the optical axis of the radius of curvature R1 to the point where the straight line extending from this center point at the opening angle θ intersects the exit surface 5 B: The exit surface 5 of the line segment A. Length C from the intersection with the line to the point where the line orthogonal to the line A intersects the optical axis: The length A'between the points on the optical axis of the line A and B. : The length of the line segment from the point where the inner recess 2 intersects the optical axis and the point where the straight line extending from this intersection at the opening angle θ intersects the emission surface 5 B': The emission surface 5 of the line segment A' Length of the line from the intersection with and to the point where the line orthogonal to the line A'intersects the optical axis C': The line between the points on the optical axis of the line A'and B' length

前記したとおり、図5Bに示す三角形ABCと、三角形A´B´C´は相似形であるので、
A:A´=B:B´
A´=A・B´/B
B=Atanθから
A´=B´/tanθ
B´=B−t・tanαから
A´=A−t・tanα/tanθ
sinα=sinθ/n
tanα=sinα/cosαの関係から
A´=A−(t・cosθ)/(n・cosα)
A´=R2
A=R1+tから
R2=R1+t−(t・cosθ)/(n・cosα)……式1
なお前記式1は、円弧状の内側凹部2と円弧状の外側凸部3が、それぞれ断面形状が球面になされる例で示している。
As described above, since the triangle ABC shown in FIG. 5B and the triangle A'B'C'are similar figures,
A: A'= B: B'
A'= A ・ B'/ B
From B = Atanθ to A'= B'/ tanθ
From B'= Bt ・ tanα to A'= At ・ tanα / tanθ
sinα = sinθ / n
From the relationship of tanα = sinα / cosα, A'= A− (t · cosθ) / (n · cosα)
A'= R2
From A = R1 + t to R2 = R1 + t- (t · cos θ) / (n · cos α) …… Equation 1
The above formula 1 shows an example in which the arc-shaped inner concave portion 2 and the arc-shaped outer convex portion 3 each have a spherical cross-sectional shape.

そして図5Cは、前記t=15、R1=10、θ=25゜、n=1.5とした時の前記R2の値を式1に基づいて求め、具体的な数値を各部にそれぞれ記入した状態で示している。この場合、n=1.5の時、α=16.36゜であり、したがって理想的なR2の数値は、前記式1より、次に示す結果となる。
R2=R1+t−t・cosθ/n・cosα=15.554
Then, in FIG. 5C, the value of R2 when t = 15, R1 = 10, θ = 25 °, and n = 1.5 was obtained based on Equation 1, and specific numerical values were entered in each part. Shown in state. In this case, when n = 1.5, α = 16.36 °, and therefore the ideal value of R2 is the result shown below from the above equation 1.
R2 = R1 + tt ・ cosθ / n ・ cosα = 15.554

以上説明したとおり、この発明に係るビームエクスパンダーによると、例えば図1に例示した光学素子1Aを利用することにより、入射ビームを一軸方向に拡大することができる。したがって、冒頭で説明した例えば楕円形状のビーム光を、より真円に近づける手段として効果的に利用することができる。
また、図1に例示した光学素子1Aを2つ用いて、入射ビームをX軸方向とY軸方向に拡大することもでき、用途や要求に応じて複数の光学素子1Aの軸方向を任意に設定して組み合わせることもできる。
As described above, according to the beam expander according to the present invention, the incident beam can be expanded in the uniaxial direction by using, for example, the optical element 1A illustrated in FIG. Therefore, for example, the elliptical beam light described at the beginning can be effectively used as a means for bringing the beam light closer to a perfect circle.
Further, the incident beam can be expanded in the X-axis direction and the Y-axis direction by using the two optical elements 1A illustrated in FIG. 1, and the axial directions of the plurality of optical elements 1A can be arbitrarily set according to the application and the requirement. It can also be set and combined.

また、この発明に係るビームエクスパンダーによると、図2に例示した光学素子1Bも含めて、レーザポインター、光学的な振動センサ、位置検出センサ、さらにはレーザ光を利用した通信装置(レーザ光を拡散させて伝送する前段階のビーム径の拡大機能)にも、効果的に利用することができ、同時に前記した発明の効果の欄に記載した作用効果を得ることができる。 Further, according to the beam expander according to the present invention, including the optical element 1B illustrated in FIG. 2, a laser pointer, an optical vibration sensor, a position detection sensor, and a communication device using a laser beam (laser beam). It can also be effectively used for the function of expanding the beam diameter in the previous stage of diffusion and transmission), and at the same time, the action and effect described in the above-mentioned effect column of the present invention can be obtained.

1A 光学素子(一軸エクスパンドタイプ)
1B 光学素子(二軸エクスパンドタイプ)
2 内側凹部
3 外側凸部
4 入射面
5 出射面
6a 入射ビーム
6b 出射ビーム
7 光量低下部
1A optical element (uniaxial expand type)
1B optical element (biaxial expand type)
2 Inner concave part 3 Outer convex part 4 Incident surface 5 Exit surface 6a Incident beam 6b Exit beam 7 Light intensity reduction part

Claims (4)

断面が円弧状の内側凹部および円弧状の外側凸部が形成されて、内面側が光ビームの入射面になされると共に、外面側が光ビームの出射面になされた光学素子が備えられ、
入射される光ビームの中心が、前記内側凹部に投射されて、前記出射面側においてビーム径を拡大した光ビームを得ることを特徴とするビームエクスパンダー。
An optical element is provided in which an inner concave portion having an arcuate cross section and an outer convex portion having an arcuate cross section are formed, the inner surface side is an entrance surface of a light beam, and the outer surface side is an emission surface of a light beam.
A beam expander characterized in that the center of an incident light beam is projected onto the inner recess to obtain a light beam having an enlarged beam diameter on the exit surface side.
前記光学素子は、互いに同一厚さの光透過性平面板がV字状に交差し、交差部の内面および外面のそれぞれに沿って、前記内側凹部および外側凸部が形成された屋根型形状の光学素子であって、
前記ビーム径を一軸方向に拡大したことを特徴とする請求項1に記載のビームエクスパンダー。
The optical element has a roof-shaped shape in which light-transmitting flat plates of the same thickness intersect each other in a V shape, and the inner concave portion and the outer convex portion are formed along the inner surface and the outer surface of the intersection. It is an optical element
The beam expander according to claim 1, wherein the beam diameter is expanded in the uniaxial direction.
前記光学素子は、凹円錐面からなる光ビームの入射面と、凸円錐面からなる光ビームの出射面とを有し、凹円錐面と凸円錐面との間の厚さが均一に形成されると共に、凹円錐面の内面および凸円錐面の外面のそれぞれに沿って、前記内側凹部および外側凸部が形成され、
前記ビーム径を二軸方向に拡大したことを特徴とする請求項1に記載のビームエクスパンダー。
The optical element has an incident surface of a light beam formed of a concave conical surface and an exit surface of a light beam formed of a convex conical surface, and the thickness between the concave conical surface and the convex conical surface is uniformly formed. At the same time, the inner concave portion and the outer convex portion are formed along the inner surface of the concave conical surface and the outer surface of the convex conical surface, respectively.
The beam expander according to claim 1, wherein the beam diameter is expanded in a biaxial direction.
前記光学素子の厚さをt、光学素子の内側凹部の曲率半径をR1、光学素子の前記出射面に直交する線の片側の開き角をθ、光学素子の素材の屈折率nにより定められる屈折角をαとしたとき、光学素子の外側凸部の曲率半径R2が、下記式1で求められる値に設定されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のビームエクスパンダー。
R2=R1+t−(t・cosθ)/(n・cosα)……式1
Refraction determined by t for the thickness of the optical element, R1 for the radius of curvature of the inner recess of the optical element, θ for the opening angle on one side of the line orthogonal to the exit surface of the optical element, and n for the refractive index of the material of the optical element. The beam according to any one of claims 1 to 3, wherein the radius of curvature R2 of the outer convex portion of the optical element is set to a value obtained by the following equation 1 when the angle is α. Expander.
R2 = R1 + t− (t · cos θ) / (n · cos α) …… Equation 1
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