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JP7657447B2 - Beam forming device and measuring device - Google Patents
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JP7657447B2 - Beam forming device and measuring device - Google Patents

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特許法第30条第2項適用 (1)2020年5月11日に、ウェブサイトのアドレス https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=CLEO_AT-2020-AF3M.2、にて発表 (2)2020年5月15日に、CLEO2020会議(https://event.crowdcompass.com/cleo20)のオンライン会議で、発表番号AF3M-2として発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act (1) Announced on May 11, 2020 at the website address https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=CLEO_AT-2020-AF3M.2 (2) Announced on May 15, 2020 at the online conference of the CLEO2020 conference (https://event.crowdcompass.com/cleo20) under presentation number AF3M-2

本発明は、投光用のビーム形成装置及びこれを組み込んだ計測装置に関し、特にベッセルガウスビームを形成するビーム形成装置等に関する。 The present invention relates to a beam forming device for projecting light and a measurement device incorporating the same, and in particular to a beam forming device that forms a Bessel Gauss beam.

ビーム形成すなわちビームフォーミングは、3次元計測やレーザ加工等の分野における基盤技術である。レーザスキャニングに基づく3次元計測では、縦横の空間分解能はビーム径で決定される。従来のビームフォーミング技術では、この縦横の空間分解能とビーム伝搬距離との間にトレードオフが存在していた。例えば、3次元レーザスキャニングでは、コリメート光が用いられてきた。このようなコリメート光のビーム径は、一般的にセンチメートルのオーダであり、縦横の空間分解能はこれに制限されており、高精細な3次元計測が難しい。一方、光干渉断層計のようなレーザスキャナでは、集光系が用いられており、ビーム径は1mm以下であるが、焦点深度(伝搬距離)はセンチメートルのオーダである。ビームフォーミングにおけるこのようなトレードオフはレーザ加工でも問題になっている。例えば、シリコンや金属への穴開けで、射出側の集光系によって穴のサイズを小さくするとアスペクト比が低下し、アスペクト比を上げようとすると穴のサイズが大きくなる。 Beam forming is a fundamental technology in the fields of three-dimensional measurement and laser processing. In three-dimensional measurement based on laser scanning, the vertical and horizontal spatial resolution is determined by the beam diameter. In conventional beam forming technology, there was a trade-off between the vertical and horizontal spatial resolution and the beam propagation distance. For example, collimated light has been used in three-dimensional laser scanning. The beam diameter of such collimated light is generally on the order of centimeters, and the vertical and horizontal spatial resolution is limited to this, making high-precision three-dimensional measurement difficult. On the other hand, laser scanners such as optical coherence tomography use a focusing system, and although the beam diameter is 1 mm or less, the focal depth (propagation distance) is on the order of centimeters. This trade-off in beam forming is also a problem in laser processing. For example, when drilling a hole in silicon or metal, if the hole size is reduced by the focusing system on the exit side, the aspect ratio decreases, and if the aspect ratio is increased, the hole size increases.

光溶接用の光加工装置として、光ファイバの端部から射出させた光を、アキシコンと2つのコリメータレンズとに順次入射させることにより、対象箇所にリング状に集光させるものが公知となっている(特許文献1)。また、レーザ顕微鏡に用いられるビーム発生装置として、コリメート光をアキシコンを付随させた光ファイバの一端に入射させ、光ファイバの平坦な他端から射出された光を対物レンズを介して試料に入射させるものが公知となっている(特許文献2)。さらに、光ファイバ増幅器のモード変換器として、光ファイバ増幅器の出力部に組み込まれ、ファイバ端に対向するアキシコンと、高発散光を除去するレンズ及び絞りとを備えるものが公知となっている(特許文献3)。 A known optical processing device for optical welding focuses light emitted from the end of an optical fiber into a ring shape at a target location by sequentially making the light incident on an axicon and two collimator lenses (Patent Document 1). A known beam generating device for use in a laser microscope makes collimated light incident on one end of an optical fiber with an axicon attached, and makes the light emitted from the other flat end of the optical fiber incident on a sample via an objective lens (Patent Document 2). A known mode converter for an optical fiber amplifier is also known, which is incorporated in the output section of the optical fiber amplifier and includes an axicon facing the fiber end, and a lens and an aperture for removing highly divergent light (Patent Document 3).

特許文献1の光学系は、光をリング状に集束させるものであり、加工箇所の奥行きが浅い。特許文献2の光学系は、光ファイバの他端に近接した箇所を照明するものである。特許文献3の光学系は、回折限界ビームを形成するものである。 The optical system in Patent Document 1 focuses light into a ring shape, and the depth of the processing area is shallow. The optical system in Patent Document 2 illuminates an area close to the other end of the optical fiber. The optical system in Patent Document 3 forms a diffraction-limited beam.

特開2008-134468号公報JP 2008-134468 A 特開平7-261027号公報Japanese Patent Application Publication No. 7-261027 特開2015-207001号公報JP 2015-207001 A

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、レーザビームフォーミングにおけるトレードオフ問題への対処、すなわちビーム径を細く保って伝搬距離を長くすることを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above background technology, and aims to address the trade-off problem in laser beam forming, i.e., to keep the beam diameter narrow while increasing the propagation distance.

本発明の一側面における投光用のビーム形成装置は、レーザ光を伝搬させ、コア端から光を射出する端部を有する光ファイバと、出射端に配置され、光ファイバのコア端から射出された発散光を受けて円錐面から射出させることによって、ベッセルガウスビームを形成するアキシコンとを備える。ここで、発散光は、実際の点又は仮想的な点から所定の広がり角で射出されるものを意味する。 The beam forming device for light projection according to one aspect of the present invention comprises an optical fiber having an end that propagates laser light and emits light from the core end, and an axicon that is disposed at the emission end and receives divergent light emitted from the core end of the optical fiber and emits it from a conical surface to form a Bessel-Gauss beam. Here, divergent light means light emitted from an actual or virtual point at a predetermined divergence angle.

上記ビーム形成装置では、出射端に配置されたアキシコンの前方にベッセルガウスビームである投光用ビームが生成される。アキシコンの前方に生成される投光用ビームの直径は、レンズ径に依存する径を有するコリメート光より小さくすることができ、伝搬距離は集光系ビームの焦点深度より長くすることができる。このビーム形成装置は、光ファイバのコア端から射出された発散光をアキシコンに入射させるだけの基本構造からなり、極めて簡易な構成でこのようなビームフォーミングを実現できる。これにより、3次元レーザスキャニングでは長距離に渡って高精細な3次元計測が可能になり、レーザ加工の分野では、極細かつ高アスペクト比の穴開けが可能となる。 In the above beam forming device, a projection beam, which is a Bessel Gauss beam, is generated in front of an axicon placed at the output end. The diameter of the projection beam generated in front of the axicon can be made smaller than that of collimated light, which has a diameter that depends on the lens diameter, and the propagation distance can be made longer than the focal depth of the focusing system beam. This beam forming device has a basic structure that simply causes divergent light emitted from the core end of the optical fiber to enter the axicon, and can achieve such beam forming with an extremely simple configuration. This enables high-precision three-dimensional measurements over long distances in three-dimensional laser scanning, and makes it possible to drill extremely thin holes with high aspect ratios in the field of laser processing.

本発明の具体的な側面において、アキシコンは、光ファイバのコア端から射出された発散光が入射する平面を有する。 In a specific aspect of the present invention, the axicon has a plane on which the divergent light emitted from the core end of the optical fiber is incident.

本発明の別の側面において、光ファイバのコア端から射出された発散光は、アキシコンの平面にすべて入射する。この場合、光のロスを低減することができる。 In another aspect of the present invention, all of the divergent light emitted from the core end of the optical fiber is incident on the plane of the axicon. In this case, light loss can be reduced.

本発明の別の側面において、光ファイバのコア端とアキシコンの平面との間に配置される光学素子を含む。この場合、アキシコンに入射する光の状態を調整することができる。なお、光ファイバのコア端とアキシコンの平面との間には、光学素子を配置しなくてもよい。 In another aspect of the present invention, an optical element is disposed between the core end of the optical fiber and the plane of the axicon. In this case, the state of light entering the axicon can be adjusted. Note that it is not necessary to dispose an optical element between the core end of the optical fiber and the plane of the axicon.

本発明の別の側面において、光学素子は、平行平板及びレンズのいずれかである。 In another aspect of the present invention, the optical element is either a parallel plate or a lens.

本発明の別の側面において、光ファイバの射出軸は、アキシコンの対称軸と一致する。この場合、投光用ビームの乱れを低減してビーム径の増加を抑えつつ伝搬距離を長くすることができる。 In another aspect of the present invention, the exit axis of the optical fiber coincides with the axis of symmetry of the axicon. In this case, it is possible to reduce the disturbance of the projection beam and increase the propagation distance while suppressing an increase in the beam diameter.

本発明の別の側面において、アキシコンのウェッジ角は、0.1度以上10度以下である。アキシコンのウェッジ角は、投光用ビームの伝搬距離に影響する。 In another aspect of the present invention, the wedge angle of the axicon is greater than or equal to 0.1 degrees and less than or equal to 10 degrees. The wedge angle of the axicon affects the propagation distance of the projection beam.

本発明の別の側面において、アキシコンの円錐面は、平凸型又はフレネル型で形成することができる。平凸型の場合、回折の影響が生じにくく同心円状の線が入ることもない。フレネル型の場合、アキシコンの厚みを低減し、アキシコンを軽量化することができる。 In another aspect of the present invention, the conical surface of the axicon can be formed as a plano-convex or Fresnel type. In the case of a plano-convex type, the effects of diffraction are less likely to occur and concentric lines do not appear. In the case of a Fresnel type, the thickness of the axicon can be reduced, making the axicon lighter.

本発明の別の側面において、光ファイバの端部は、フェルールに支持されている。この場合、光ファイバの端部をアキシコンに対して高精度にアライメントして配置することが容易になる。また、市販の光ファイバを転用することができ、簡素な構成を実現することができる。 In another aspect of the present invention, the end of the optical fiber is supported by a ferrule. In this case, it is easy to align the end of the optical fiber with high precision relative to the axicon. In addition, a commercially available optical fiber can be used, and a simple configuration can be achieved.

本発明の一側面における計測装置は、強度変調されたレーザ光を出力する光源と、光源からのレーザ光を光ファイバの入射側の端部で受ける上述したビーム形成装置と、ビーム形成装置によって対象に照射され対象から反射された反射光を検出する光検出装置と、光検出装置による反射光の検出タイミングと光源からのレーザ光の出力タイミングとから対象までの距離を決定する信号処理装置とを備える。 A measurement device according to one aspect of the present invention includes a light source that outputs intensity-modulated laser light, the above-mentioned beam forming device that receives the laser light from the light source at the incident end of the optical fiber, a light detection device that detects the reflected light that is irradiated onto the target by the beam forming device and reflected from the target, and a signal processing device that determines the distance to the target from the timing of detection of the reflected light by the light detection device and the timing of output of the laser light from the light source.

上記計測装置では、上述したビーム形成装置を用いており、長距離に亘って高精細な3次元計測を実現することができる。 The above measurement device uses the beam forming device described above, making it possible to achieve high-precision three-dimensional measurements over long distances.

(A)及び(B)は、第1実施形態のビーム形成装置を説明する概念図である。1A and 1B are conceptual diagrams illustrating a beam forming apparatus according to a first embodiment. (A)は、アキシコンから射出される投光用ビームを説明する概念図であり、(B)は、集光レンズを用いた場合の投光用ビームを説明する概念図である。FIG. 1A is a conceptual diagram illustrating a projection beam emitted from an axicon, and FIG. 1B is a conceptual diagram illustrating a projection beam when a condenser lens is used. (A)は、コリメート光を入射させた場合にアキシコンから射出される投光用ビームを示し、(B)は、ベッセルガウスビームと他の種類のビームとを対比する概念図である。FIG. 1A shows a projection beam emitted from an axicon when collimated light is incident thereon, and FIG. 1B is a conceptual diagram comparing a Bessel Gauss beam with other types of beams. 発散光をアキシコンに入射させた場合の投光用ビームについて説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating a projection beam when divergent light is made incident on an axicon. (A)~(F)は、投光用ビームの光軸断面の映像と光軸垂直方向の強度分布とを示す。4A to 4F show an image of a cross section of the projection beam along the optical axis and the intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis. (A)~(F)は、投光用ビームの光軸断面の映像と光軸垂直方向の強度分布とを示す。4A to 4F show an image of a cross section of the projection beam along the optical axis and the intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis. 図1のビーム形成装置を組み込んだ距離計測装置を説明する概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a distance measurement device incorporating the beam forming device of FIG. 1. (A)及び(B)は、図7の距離計測装置による計測結果を示す。8A and 8B show the measurement results obtained by the distance measuring device of FIG. (A)及び(B)は、アキシコンの屈折率と、メインローブの直径又は焦点深度との関係を例示するチャートであり、(C)及び(D)は、アキシコンのウェッジ角と、メインローブの直径又は焦点深度との関係を例示するチャートである。1A and 1B are charts illustrating the relationship between the refractive index of an axicon and the diameter or depth of focus of the main lobe, and 1C and 1D are charts illustrating the relationship between the wedge angle of an axicon and the diameter or depth of focus of the main lobe. 図7の距離計測装置の変形例を説明する図である。8 is a diagram illustrating a modification of the distance measuring device in FIG. 7. 第2実施形態のビーム形成装置を説明する概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a beam forming device according to a second embodiment. (A)及び(B)は、変形例のビーム形成装置を示す図である。13A and 13B are diagrams showing a modified example of a beam forming device. 第3実施形態のビーム形成装置を説明する概念図である。FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a beam forming apparatus according to a third embodiment.

〔第1実施形態〕
以下、図1等を参照して、本発明の第1実施形態に係る投光用のビーム形成装置について説明する。
First Embodiment
Hereinafter, a beam forming device for light projection according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図1(A)に示すように、ビーム形成装置100は、光源10と、光ファイバ20と、アキシコン30とを備える。 As shown in FIG. 1A, the beam forming device 100 includes a light source 10, an optical fiber 20, and an axicon 30.

光源10は、光ファイバ20の入射端部21aにレーザ光を供給する。光源10は、省略可能であり、光源10を省略したもの、つまり光ファイバ20及びアキシコン30を組み合わせたものも、ビーム形成装置100と呼ぶ。光源10は、固体レーザ、気体レーザ、半導体レーザ等を含む各種レーザ装置及びその駆動回路で構成されるが、これらに限るものではなく、レーザ光を発生する様々な装置とすることができる。光源10は、用途に応じた様々な波長のレーザ光を発生することができ、例えば連続光やパルス光を発生する。光源10は、所定の広がりを有する波長帯域内で2以上の波長のレーザ光を発生するものであってもよい。光ファイバ20は、光源10が発生するレーザ光を低損失で伝搬させるものであり、光源10が発生するレーザ光の波長に応じた伝搬特性を有するものが選択される。光ファイバ20は、シングルモードファイバに限らず、マルチモードファイバであってもよい。なお、光源10の出力部(不図示)と光ファイバ20の入射端部21aとは、不図示の光コネクタによって接続されている。 The light source 10 supplies laser light to the incident end 21a of the optical fiber 20. The light source 10 can be omitted, and the combination of the optical fiber 20 and the axicon 30 without the light source 10 is also called the beam forming device 100. The light source 10 is composed of various laser devices including solid-state lasers, gas lasers, semiconductor lasers, etc. and their driving circuits, but is not limited to these and can be various devices that generate laser light. The light source 10 can generate laser light of various wavelengths according to the application, for example, continuous light or pulsed light. The light source 10 may generate laser light of two or more wavelengths within a wavelength band having a predetermined spread. The optical fiber 20 propagates the laser light generated by the light source 10 with low loss, and is selected from those having propagation characteristics according to the wavelength of the laser light generated by the light source 10. The optical fiber 20 is not limited to a single mode fiber, and may be a multimode fiber. The output section (not shown) of the light source 10 and the incident end 21a of the optical fiber 20 are connected by an optical connector (not shown).

図1(B)を参照して、光ファイバ20は、市販の光ファイバを転用したものであり、被覆された光ファイバコード21からなる。光ファイバ20の出射端部21bは、フェルール25に支持されている。光ファイバ20の出射端部21bにおいて、ファイバ本体22は、シースを除いた状態でフェルール25に設けられた挿通孔25aに通されて端面22eを露出させ、コア端面22bを形成している。コア端面22bは、コア22aの端、すなわちコア端に相当する。コア端面22bには反射防止膜が形成されているが、反射防止膜は必須のものではない。また、コア端面22bは、射出軸に対して傾斜したものであってもよい。 Referring to FIG. 1B, the optical fiber 20 is a repurposed commercially available optical fiber, and is made of a coated optical fiber cord 21. The emission end 21b of the optical fiber 20 is supported by a ferrule 25. At the emission end 21b of the optical fiber 20, the fiber body 22 is passed through an insertion hole 25a provided in the ferrule 25 with the sheath removed, exposing the end face 22e and forming the core end face 22b. The core end face 22b corresponds to the end of the core 22a, i.e., the core end. An anti-reflection film is formed on the core end face 22b, but the anti-reflection film is not essential. The core end face 22b may also be inclined with respect to the emission axis.

図1(A)に戻って、アキシコン30は、光ファイバ20のコア端面22bから射出された発散光L1を受けて射出面30bから射出させることによって、ベッセルガウスビームである投光用ビームBPを形成する。アキシコン30は、例えば屈折率約1.33~1.50のガラス、樹脂等で形成され、入射面30aが平面で、射出面30bが凸の円錐面となっている。つまり、アキシコン30は、平凸型である。入射面30aや射出面30bには反射防止膜が形成されている。光ファイバ20のコア端面22bから射出された発散光L1は、アキシコン30の平面つまり入射面30aにすべて入射する。これにより、発散光L1のロスが低減される。アキシコン30は、ホルダ32を有し、ホルダ32に対して光ファイバ20のフェルール25が固定される。フェルール25を利用することにより、光ファイバ20の出射端部21bをアキシコン30に対して高精度にアライメントして配置することが容易になる。アキシコン30は、ビーム形成装置100の出射端35に配置され、アキシコン30の前方に投光用ビームBPが形成される。アキシコン30のウェッジ角αは、5度程度としている。また、光ファイバ20の出射端部21b(つまりコア端面22b)を通る光軸AXがアキシコン30の対称軸と一致しており、光ファイバ20の射出軸EXとも一致している。光ファイバ20の出射端部21bを通る光軸AXをアキシコン30の対称軸と一致させることにより、投光用ビームBPの乱れを低減してビーム径の増加を抑えつつ伝搬距離を長くすることができる。 Returning to FIG. 1A, the axicon 30 receives the divergent light L1 emitted from the core end face 22b of the optical fiber 20 and emits it from the emission face 30b to form the projection beam BP, which is a Bessel Gauss beam. The axicon 30 is formed of, for example, glass or resin with a refractive index of about 1.33 to 1.50, and the entrance face 30a is a flat face and the exit face 30b is a convex conical face. In other words, the axicon 30 is a plano-convex type. An anti-reflection film is formed on the entrance face 30a and the exit face 30b. The divergent light L1 emitted from the core end face 22b of the optical fiber 20 is entirely incident on the flat face of the axicon 30, i.e., the entrance face 30a. This reduces the loss of the divergent light L1. The axicon 30 has a holder 32, and the ferrule 25 of the optical fiber 20 is fixed to the holder 32. By using the ferrule 25, it becomes easy to align the emission end 21b of the optical fiber 20 with the axicon 30 with high accuracy. The axicon 30 is disposed at the emission end 35 of the beam forming device 100, and the projecting beam BP is formed in front of the axicon 30. The wedge angle α of the axicon 30 is about 5 degrees. In addition, the optical axis AX passing through the emission end 21b (i.e., the core end face 22b) of the optical fiber 20 coincides with the axis of symmetry of the axicon 30 and also coincides with the exit axis EX of the optical fiber 20. By aligning the optical axis AX passing through the emission end 21b of the optical fiber 20 with the axis of symmetry of the axicon 30, it is possible to reduce the disturbance of the projecting beam BP and increase the propagation distance while suppressing an increase in the beam diameter.

アキシコン30の材料について詳細に説明する。アキシコン30の材料として、光学ガラス素材であるBK7を用いることができ、BK7は、波長1550nmにおいて屈折率が1.5である。アキシコン30の材料として、合成石英を用いることができ、合成石英は、波長1550nmにおいて屈折率が1.444である。アキシコン30の材料として、アモルファスフッ素樹脂の一種であるAGC社のCYTOP(登録商標)を用いることができ、CYTOPは、波長1550nmにおいて屈折率が1.3335である。アキシコン30の材料として、アクリル樹脂であるPMMAを用いることができ、PMMAは、波長1550nmにおいて屈折率が例えば1.47であるが、同じPMMAであっても屈折率1.4台の様々な材料が存在する。アキシコン30の材料として、OPTEM社の紫外線硬化樹脂1.36RCMを用いることができ、1.36RCMは波長1550nmにおいて屈折率が1.36であるが、同じ紫外線硬化樹脂であっても屈折率1.3台の様々な材料が存在する。アキシコン30の材料として、光造形型3Dプリンタなどで応用される紫外線硬化樹脂を用いることができ(例えばhttps://www.researchgate.net/publication/221925173_Fabrication_and_Applications_of_Microfiber/figures?lo=1参照)、この紫外線硬化樹脂は、波長1550nmにおいて屈折率が1.36である。アキシコン30の製造に用いることができる樹脂として、波長1550nmにおいて屈折率が1.36のものもある(Zhang, Xueliang, et al. "Compact optical microfiber phase modulator." Optics letters 37.3 (2012): 320-322.参照)。 The material of the axicon 30 will be described in detail. The material of the axicon 30 can be BK7, an optical glass material, which has a refractive index of 1.5 at a wavelength of 1550 nm. The material of the axicon 30 can be synthetic quartz, which has a refractive index of 1.444 at a wavelength of 1550 nm. The material of the axicon 30 can be CYTOP (registered trademark) of AGC, which is a type of amorphous fluororesin, which has a refractive index of 1.3335 at a wavelength of 1550 nm. The material of the axicon 30 can be PMMA, an acrylic resin, which has a refractive index of, for example, 1.47 at a wavelength of 1550 nm, but even the same PMMA has various materials with a refractive index of 1.4. The material of the axicon 30 can be OPTEM's UV-curable resin 1.36RCM, which has a refractive index of 1.36 at a wavelength of 1550 nm, but there are various materials with refractive indices in the 1.3 range. The material of the axicon 30 can be a UV-curable resin used in photolithography 3D printers (see, for example, https://www.researchgate.net/publication/221925173_Fabrication_and_Applications_of_Microfiber/figures?lo=1), which has a refractive index of 1.36 at a wavelength of 1550 nm. Some resins that can be used to manufacture the axicon 30 have a refractive index of 1.36 at a wavelength of 1550 nm (see Zhang, Xueliang, et al. "Compact optical microfiber phase modulator." Optics letters 37.3 (2012): 320-322.).

図2(A)は、アキシコン30から射出される投光用ビームBPを説明する概念図であり、図2(B)は、アキシコン30に代えて非球面の集光レンズ3を用いた場合の投光用ビームBDを説明する概念図である。図2(A)に示すように、アキシコン30を用いた投光用ビームBPの場合、光軸AXの近くに細いビーム径の強い中央ピーク(メインローブ)が形成され、その外側に等間隔で環状の複数の弱い周辺ピーク(サイドローブ)が生成される。中央ピークは、光軸AXに沿って長く延び、焦点深度に相当する伝搬距離が長くなっている。一方、集光レンズ3を用いた投光用ビームBDの場合、光軸AXの近くに細いビーム径の強い中央ピークが形成されるが、光軸AXに沿った焦点位置に集中し、焦点深度によって制限された距離領域でしか利用できないことがわかる。 Figure 2(A) is a conceptual diagram explaining the projection beam BP emitted from the axicon 30, and Figure 2(B) is a conceptual diagram explaining the projection beam BD when an aspheric focusing lens 3 is used instead of the axicon 30. As shown in Figure 2(A), in the case of the projection beam BP using the axicon 30, a strong central peak (main lobe) with a thin beam diameter is formed near the optical axis AX, and multiple weak peripheral peaks (side lobes) are generated at equal intervals around the main lobe. The central peak extends long along the optical axis AX, and the propagation distance corresponding to the focal depth is long. On the other hand, in the case of the projection beam BD using the focusing lens 3, a strong central peak with a thin beam diameter is formed near the optical axis AX, but it is concentrated at the focal position along the optical axis AX, and it can be seen that it can only be used in a distance range limited by the focal depth.

図3(A)は、コリメート光を入射させた場合にアキシコン30によって形成される投光用ビームBPについて説明する図である。アキシコン30には、ガウシャンビームが入射し、アキシコン30からは、投光用ビームBPとしてベッセルガウスビームが射出される。ベッセルガウスビームは、以下の式によって表される。

Figure 0007657447000001
: 第0次の第1種ベッセル関数
ω: ビーム半径
n: アキシコンの屈折率
α: アキシコンのウェッジ角
k: 波数
: 入射パワー
z: 伝搬距離
r: 半径距離 3A is a diagram for explaining a projecting beam BP formed by the axicon 30 when collimated light is incident on the axicon 30. A Gaussian beam is incident on the axicon 30, and a Bessel Gauss beam is emitted from the axicon 30 as the projecting beam BP. The Bessel Gauss beam is expressed by the following equation.
Figure 0007657447000001
J 0 : 0th order Bessel function of the first kind ω 0 : Beam radius n : Refractive index of the axicon α : Wedge angle of the axicon k : Wave number I 0 : Incident power z : Propagation distance r : Radial distance

図3(B)は、ベッセルガウスビームと他の種類のビームとを対比する概念図である。グラフ上の領域AR01は、n=1であり、ガウシャンビームに相当する。また、グラフ上の領域AR02は、ω=∞であり、ベッセルビームに相当する。さらに、グラフ上の点状領域AR00は、n=1かつω=∞であり、平面波に相当する。実施形態のビーム形成装置100によって形成される投光用ビームBPは、ベッセルガウスビームであり、n≠1かつω≠∞であり、微小ドットで示す領域AR1に含まれるものである。 3B is a conceptual diagram comparing a Bessel Gauss beam with other types of beams. The area AR01 on the graph is n=1, and corresponds to a Gaussian beam. The area AR02 on the graph is ω 0 =∞, and corresponds to a Bessel beam. Furthermore, the dotted area AR00 on the graph is n=1 and ω 0 =∞, and corresponds to a plane wave. The projector beam BP formed by the beam forming device 100 of the embodiment is a Bessel Gauss beam, n≠1 and ω 0 ≠∞, and is included in the area AR1 indicated by small dots.

図3(A)では、説明の便宜上、アキシコン30にコリメート光が入射するとしている。本実施形態において、光ファイバ20の出射端部21bからの発散光L1をアキシコン30の入射面30aに直接入射させている。本実施形態の場合、コリメートレンズを省略し、アキシコン30にコリメートレンズの機能を持たせているとみることもできる。このような構成を採用する理由について説明する。ベッセルガウスビームの伝搬距離zは、ω/((n-1)・tan(α))、近似的にはω/((n-1)・α)で与えられ、アキシコン30のウェッジ角αを小さくすることで伸ばすことができる。しかし、微小なウェッジ角αを有するアキシコン30を作製するには多くの労力とコストが必要である。一方、光ファイバ20のコア端面22bから射出された発散光L1は、光軸AXから離れるほど減光するが、点光源に近いものであり、一様性が高い。そこで、実施形態のビーム形成装置100では、光ファイバ20と凸のアキシコン30とを組み合わせる構成、すなわち光ファイバ20のコア端面22bから射出された発散光L1を凸のアキシコン30に入射させる構成とする。より詳細に説明すると、本ビーム形成装置100では、光ファイバ20に発散光L1を発生させる負のパワーのレンズ効果を持たせ、アキシコン30の射出面30bに収束機能を持たせるという複レンズ構成により、光ファイバ20による空間的発散とアキシコン30による空間的収束とを互いに打ち消し合うように調整し、残留成分がわずかに収束するようにする。これにより、伝搬距離の長いベッセルガウスビームを生成することができる。具体的な作製例では、アキシコン30として平凸アキシコンレンズ(コニカルレンズ)を用い、ウェッジ角αを5度としている。これにより、2m程度の伝搬距離を確保することができることを実験的に確認した。なお、コリメート光を平凸アキシコンレンズに入射させて2m程度の伝搬距離を確保しようとした場合、平凸アキシコンレンズのウェッジ角は、0.1度程度と非常に小さくする必要があり、平凸アキシコンレンズが極めて高価なものとなる。 In FIG. 3A, for convenience of explanation, it is assumed that collimated light is incident on the axicon 30. In this embodiment, the divergent light L1 from the output end 21b of the optical fiber 20 is directly incident on the input surface 30a of the axicon 30. In this embodiment, the collimator lens is omitted, and the axicon 30 can be considered to have the function of a collimator lens. The reason for adopting such a configuration will be explained. The propagation distance z of the Bessel Gauss beam is given by ω 0 /((n-1)·tan(α)), approximately ω 0 /((n-1)·α), and can be extended by reducing the wedge angle α of the axicon 30. However, it requires a lot of effort and cost to manufacture the axicon 30 with a minute wedge angle α. On the other hand, the divergent light L1 emitted from the core end surface 22b of the optical fiber 20 becomes less bright as it moves away from the optical axis AX, but it is close to a point light source and has high uniformity. Therefore, in the beam forming device 100 of the embodiment, the optical fiber 20 and the convex axicon 30 are combined, that is, the divergent light L1 emitted from the core end face 22b of the optical fiber 20 is made incident on the convex axicon 30. More specifically, in the beam forming device 100, the optical fiber 20 is given a lens effect of negative power that generates the divergent light L1, and the exit face 30b of the axicon 30 is given a converging function, so that the spatial divergence by the optical fiber 20 and the spatial convergence by the axicon 30 are adjusted to cancel each other out, and the residual component is slightly converged. This makes it possible to generate a Bessel-Gauss beam with a long propagation distance. In a specific example, a plano-convex axicon lens (conical lens) is used as the axicon 30, and the wedge angle α is set to 5 degrees. It has been experimentally confirmed that this makes it possible to ensure a propagation distance of about 2 m. In addition, when collimated light is incident on a plano-convex axicon lens to ensure a propagation distance of about 2 m, the wedge angle of the plano-convex axicon lens needs to be very small, about 0.1 degrees, which makes the plano-convex axicon lens extremely expensive.

図4は、光ファイバ20のコア端面22bからの発散光L1をウェッジ角が大きく比較的強い収束性を持たせた平凸タイプのアキシコン30に入射させた場合の投光用ビームBPについて説明する図である。投光用ビームBPは、コリメート光を用いた図3(A)の場合と同様に、ベッセルガウスビームとなっている。投光用ビームBPのうちメインローブBPaが計測等に用いられる。 Figure 4 is a diagram explaining the projector beam BP when divergent light L1 from the core end face 22b of the optical fiber 20 is incident on a plano-convex axicon 30 with a large wedge angle and relatively strong convergence. The projector beam BP is a Bessel-Gauss beam, as in the case of Figure 3(A) using collimated light. The main lobe BPa of the projector beam BP is used for measurement, etc.

図5(A)~5(F)及び6(A)~6(F)は、ビーム形成装置100によって形成される投光用ビームBPすなわちベッセルガウスビームの光軸断面の映像と、ベッセルガウスビームの光軸垂直方向の強度分布とを示す。光軸断面の映像は、InGaAsカメラで投光用ビームBPを撮影したものであり、光軸垂直方向の強度分布は、走査スリット型のビームプロファイラによって計測したものである。計測において、光源10として波長1531.8nmの光を発生する半導体レーザを用い、アキシコン30の直径を1インチとしウェッジ角αを5度とした。図5(A)及び5(B)は、アキシコン30の頂点からInGaAsカメラ等の計測点までの距離が10cmである場合を示し、図5(C)及び5(D)は、アキシコン30の頂点からInGaAsカメラ等の計測点までの距離が25cmである場合を示し、図5(E)及び5(F)は、アキシコン30の頂点からInGaAsカメラ等の計測点までの距離が50cmである場合を示す。図6(A)及び6(B)は、アキシコン30の頂点からInGaAsカメラ等の計測点までの距離が100cmである場合を示し、図6(C)及び6(D)は、アキシコン30の頂点からInGaAsカメラ等の計測点までの距離が150cmである場合を示し、図6(E)及び6(F)は、アキシコン30の頂点からInGaAsカメラ等の計測点までの距離が200cmである場合を示す。 Figures 5(A) to 5(F) and 6(A) to 6(F) show an image of the optical axis cross section of the projector beam BP, i.e., the Bessel Gauss beam, formed by the beam forming device 100, and the intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis of the Bessel Gauss beam. The image of the optical axis cross section was taken by photographing the projector beam BP with an InGaAs camera, and the intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis was measured with a scanning slit type beam profiler. In the measurements, a semiconductor laser generating light with a wavelength of 1531.8 nm was used as the light source 10, the diameter of the axicon 30 was 1 inch, and the wedge angle α was 5 degrees. 5(A) and 5(B) show the case where the distance from the apex of the axicon 30 to the measurement point of the InGaAs camera or the like is 10 cm, 5(C) and 5(D) show the case where the distance from the apex of the axicon 30 to the measurement point of the InGaAs camera or the like is 25 cm, and 5(E) and 5(F) show the case where the distance from the apex of the axicon 30 to the measurement point of the InGaAs camera or the like is 50 cm. 6(A) and 6(B) show the case where the distance from the apex of the axicon 30 to the measurement point of the InGaAs camera or the like is 100 cm, 6(C) and 6(D) show the case where the distance from the apex of the axicon 30 to the measurement point of the InGaAs camera or the like is 150 cm, and 6(E) and 6(F) show the case where the distance from the apex of the axicon 30 to the measurement point of the InGaAs camera or the like is 200 cm.

例えば、アキシコン30の頂点からInGaAsカメラ等の計測点までの距離が50cmである場合、投光用ビームBPのメインローブ(すなわち中央ピーク)の幅は300μmより狭く、距離が200cmである場合、投光用ビームBPのメインローブの幅は1mmより狭いものとなっている。つまり、200cm先でも投光用ビームBPの直径を1mm以下に抑えることができ、横方向に関する位置分解能をかなり高くすることができることがわかる。 For example, when the distance from the apex of the axicon 30 to a measurement point such as an InGaAs camera is 50 cm, the width of the main lobe (i.e., the central peak) of the projector beam BP is narrower than 300 μm, and when the distance is 200 cm, the width of the main lobe of the projector beam BP is narrower than 1 mm. In other words, it is possible to suppress the diameter of the projector beam BP to 1 mm or less even at a distance of 200 cm, and it is clear that the position resolution in the lateral direction can be significantly increased.

図1(A)に示すビーム形成装置100は、レーザ加工に適用することができる。上記実施形態の距離計測装置200は、例えば、光源10を適宜選択することにより極細・高アスペクト比の穴加工に用いることができる。穴加工には多くのニーズがあり、対象となる材質にも様々である。例えば、エンジンの燃料噴射ノズルでは耐熱性に優れるクロムモリブデン鋼や高速度鋼、化繊製造用ノズルでは耐食性に優れるステンレス鋼、微小流路の作製では透明性や耐食性に優れるガラス、冷間成形や引抜き金型では超硬合金、半導体用の貫通配線ではシリコンウエハが挙げられる。 The beam forming device 100 shown in FIG. 1(A) can be applied to laser processing. The distance measuring device 200 of the above embodiment can be used, for example, for drilling extremely fine holes with a high aspect ratio by appropriately selecting the light source 10. There are many needs for hole drilling, and the materials to be drilled are also diverse. For example, chromium molybdenum steel and high speed steel, which have excellent heat resistance, are used for engine fuel injection nozzles, stainless steel, which has excellent corrosion resistance, is used for nozzles for chemical fiber manufacturing, glass, which has excellent transparency and corrosion resistance, is used for the production of microchannels, cemented carbide is used for cold forming and drawing dies, and silicon wafers are used for through wiring for semiconductors.

図7は、図1(A)に示すビーム形成装置100を適宜変更して組み込んだ距離計測装置200を説明するブロック図である。距離計測装置200は、光源装置71と、ビーム形成装置72と、光検出装置74と、波形比較装置75と、信号処理装置78とを備える。 Figure 7 is a block diagram illustrating a distance measurement device 200 incorporating the beam forming device 100 shown in Figure 1 (A) with appropriate modifications. The distance measurement device 200 includes a light source device 71, a beam forming device 72, a light detection device 74, a waveform comparison device 75, and a signal processing device 78.

光源装置71は、レーザダイオード71aと、強度変調器71bと、光増幅器71cと、信号発生器71dとを備える。レーザダイオード71aは、発光源であり、例えば波長1531.8nmのレーザ光を射出する。強度変調器71bは、例えばニオブ酸リチウム結晶を利用した光変調器であり、信号発生器71dから出力信号を受けてレーザ光の透過率を調整することによって強度変調を行う。レーザ光の強度変調は、サイン波型であり、例えば150MHz、300MHz、…といった周波数が用いられた。光増幅器71cは、例えばファイバ増幅器であり、詳細な説明を省略するが、エルビウムがドープされたファイバ増幅部と、励起光源と、励起光源からの光をファイバ増幅部に導くカプラとを有する。信号発生器71dは、サイン波を含む任意の波形の駆動信号を形成する電気回路である。 The light source device 71 includes a laser diode 71a, an intensity modulator 71b, an optical amplifier 71c, and a signal generator 71d. The laser diode 71a is a light source and emits, for example, a laser beam with a wavelength of 1531.8 nm. The intensity modulator 71b is, for example, an optical modulator using lithium niobate crystal, and performs intensity modulation by receiving an output signal from the signal generator 71d and adjusting the transmittance of the laser beam. The intensity modulation of the laser beam is of a sine wave type, and frequencies such as 150 MHz, 300 MHz, etc. are used. The optical amplifier 71c is, for example, a fiber amplifier, and although detailed explanation is omitted, it has an erbium-doped fiber amplifier, an excitation light source, and a coupler that guides light from the excitation light source to the fiber amplifier. The signal generator 71d is an electric circuit that forms a drive signal of any waveform, including a sine wave.

ビーム形成装置72は、図1(A)に示すビーム形成装置100のうち光ファイバ20とアキシコン30とを組み合わせたものである。ビーム形成装置72は、光源装置71から出力された変調光を、アキシコン30の前方に計測用ビームBMとして投光する。計測用ビームBMは、ベッセルガウスビームであり、細いビーム径のままで数m以上の遠方まで到達させることができる。計測用ビームBMは、上記のようにサイン波型の強度変調を受けたものとなっている。 The beam forming device 72 is a combination of the optical fiber 20 and the axicon 30 of the beam forming device 100 shown in FIG. 1(A). The beam forming device 72 projects the modulated light output from the light source device 71 in front of the axicon 30 as a measurement beam BM. The measurement beam BM is a Bessel Gauss beam, and can reach distances of several meters or more while maintaining a narrow beam diameter. The measurement beam BM has been subjected to sine wave type intensity modulation as described above.

光検出装置74は、受光光学系74aと、光増幅器74bと、光選択部74cと、フォトダイオード74dとを備える。受光光学系74aは、集光レンズからなり、対象OBからの反射光RLを取り込んで光増幅器74bのファイバ端に集光させ結合させる。光増幅器74bは、光源装置71の光増幅器71cと同様のものである。光選択部74cは、計測用ビームBMの波長に対応する波長成分を選択的に透過させる。光選択部74cによりバックグラウンドノイズや光増幅器74bからの不要光が除去される。フォトダイオード74dは、光増幅器74bで増幅され光選択部74cを通過した反射光RLを検出し、反射光RLの強度に対応するサイン波型の計測信号を出力する。 The light detection device 74 includes a light receiving optical system 74a, an optical amplifier 74b, a light selection unit 74c, and a photodiode 74d. The light receiving optical system 74a is composed of a condenser lens, and takes in the reflected light RL from the object OB and condenses and couples it to the fiber end of the optical amplifier 74b. The optical amplifier 74b is the same as the optical amplifier 71c of the light source device 71. The optical selection unit 74c selectively transmits the wavelength component corresponding to the wavelength of the measurement beam BM. The optical selection unit 74c removes background noise and unnecessary light from the optical amplifier 74b. The photodiode 74d detects the reflected light RL amplified by the optical amplifier 74b and passed through the optical selection unit 74c, and outputs a sine wave type measurement signal corresponding to the intensity of the reflected light RL.

波形比較装置75は、光源装置71の信号発生器71dが発生する駆動信号を信号分岐部71pから取り込み、光検出装置74のフォトダイオード74dが検出した計測信号を取り込む。波形比較装置75は、光源装置71の信号発生器71dが発生する駆動信号と、光検出装置74のフォトダイオード74dが検出した計測信号とを対比し、駆動信号及び計測信号の位相差を決定する。駆動信号及び計測信号の位相差は、計測用ビームBMの透光の出力タイミングと、反射光RLの受光の検出タイミングとの差に相当し、距離計測装置200から対象OBまでの距離に関する情報を与える。 The waveform comparison device 75 takes in the drive signal generated by the signal generator 71d of the light source device 71 from the signal branching section 71p, and takes in the measurement signal detected by the photodiode 74d of the light detection device 74. The waveform comparison device 75 compares the drive signal generated by the signal generator 71d of the light source device 71 with the measurement signal detected by the photodiode 74d of the light detection device 74, and determines the phase difference between the drive signal and the measurement signal. The phase difference between the drive signal and the measurement signal corresponds to the difference between the output timing of the transmitted light of the measurement beam BM and the detection timing of the received reflected light RL, and provides information regarding the distance from the distance measurement device 200 to the object OB.

信号処理装置78は、コンピュータその他の演算処理部を含み、波形比較装置75によって決定された駆動信号及び計測信号の位相差に基づいて、距離計測装置200から対象OBまでの距離を決定する。信号処理装置78は、波形比較装置75の動作だけでなく、レーザダイオード71a、信号発生器71d等の動作を管理している。 The signal processing device 78 includes a computer and other arithmetic processing unit, and determines the distance from the distance measurement device 200 to the target OB based on the phase difference between the drive signal and the measurement signal determined by the waveform comparison device 75. The signal processing device 78 manages the operation of the laser diode 71a, the signal generator 71d, etc., as well as the operation of the waveform comparison device 75.

図8(A)は、信号発生器71dを300MHzで動作させて実際に距離計測を行った結果を示すチャートである。ここで、所定サイズの対象OBを光軸AX方向に移動させながら実際の距離を設定しつつ、距離計測装置200によって計測された距離をプロットしている。図8(B)は、信号発生器71dを150MHzで動作させて距離計測を行った結果を示すチャートである。強度変調型の計測用ビームBMによって正確な距離測定が可能であることがわかる。 Figure 8 (A) is a chart showing the results of an actual distance measurement performed by operating the signal generator 71d at 300 MHz. Here, the distance measured by the distance measurement device 200 is plotted while moving an object OB of a given size in the direction of the optical axis AX to set the actual distance. Figure 8 (B) is a chart showing the results of a distance measurement performed by operating the signal generator 71d at 150 MHz. It can be seen that accurate distance measurement is possible using the intensity-modulated measurement beam BM.

図9(A)は、アキシコン30の屈折率とアキシコン30によって形成されるメインローブの直径との関係を例示するチャートであり、図9(B)は、アキシコン30の屈折率とアキシコン30によって達成される焦点深度との関係を例示するチャートである。上記チャートは、アキシコン30にビーム半径がr(=1,2,5,10,20mm)のコリメート光を入射させた場合のシミュレーションに基づくものであるが、アキシコン30に発散光を入射させた場合も、アキシコン30の屈折率に応じて、光線の状態に同様の傾向が生じると考えられる。つまり、アキシコン30の屈折率が低いほど焦点深度すなわち伝搬距離を長くできることがわかる。 Figure 9 (A) is a chart illustrating the relationship between the refractive index of the axicon 30 and the diameter of the main lobe formed by the axicon 30, and Figure 9 (B) is a chart illustrating the relationship between the refractive index of the axicon 30 and the focal depth achieved by the axicon 30. The above chart is based on a simulation in which collimated light with a beam radius of r (= 1, 2, 5, 10, 20 mm) is incident on the axicon 30, but it is believed that a similar tendency will occur in the state of the light beam depending on the refractive index of the axicon 30 even when diverging light is incident on the axicon 30. In other words, it can be seen that the lower the refractive index of the axicon 30, the longer the focal depth, i.e., the longer the propagation distance.

図9(C)は、アキシコン30のウェッジ角度とアキシコン30によって形成されるメインローブの直径との関係を例示するチャートであり、図9(D)は、アキシコン30のウェッジ角とアキシコン30によって達成される焦点深度との関係を例示するチャートである。この場合も、アキシコン30にビーム半径がrのコリメート光を入射させた場合を想定している。図1に示すように発散光がアキシコン30に入射する場合、アキシコン30は、発散光の発散を相殺する基本ウェッジ角度(例えば6度~10度程度)に対して、若干の集束機能を付加する微小な追加ウェッジ角度(例えば1度程度)を加算したようなものであると考えることができる。この場合、上記微小な追加ウェッジ角度は、コリメート光に対する図9(C)及び9(D)のウェッジ角に相当する。つまり、追加ウェッジ角度を1度程度以下とし、0度に近づけることで、焦点深度すなわち伝搬距離を長くできることがわかる。 Figure 9(C) is a chart illustrating the relationship between the wedge angle of the axicon 30 and the diameter of the main lobe formed by the axicon 30, and Figure 9(D) is a chart illustrating the relationship between the wedge angle of the axicon 30 and the focal depth achieved by the axicon 30. In this case, it is assumed that collimated light with a beam radius of r is incident on the axicon 30. When divergent light is incident on the axicon 30 as shown in Figure 1, the axicon 30 can be considered as a basic wedge angle (e.g., about 6 degrees to 10 degrees) that offsets the divergence of the divergent light, to which a small additional wedge angle (e.g., about 1 degree) that adds a slight focusing function is added. In this case, the small additional wedge angle corresponds to the wedge angle of Figures 9(C) and 9(D) for the collimated light. In other words, it can be seen that the focal depth, i.e., the propagation distance, can be increased by setting the additional wedge angle to about 1 degree or less and approaching 0 degrees.

図10は、図7に示す距離計測装置200を変形した距離計測装置200を示す。この場合、透過性を有する合波分岐ミラー81と、走査用ミラー82とを追加し、3次元計測を可能にしている。合波分岐ミラー81は、計測用ビームBMの光路と反射光RLの光路とを共通化するものであり、走査用ミラー82は、計測用ビームBMを反射する際に偏角を変化させ、投射方位を調整する。走査用ミラー82は、詳細な説明を省略するが、駆動機構83によって直交する2軸に関して姿勢が制御されており、信号処理装置78は、走査用ミラー82の姿勢を角度情報として管理している。距離計測装置200は、3次元計測を可能にする。 Figure 10 shows a distance measurement device 200 modified from the distance measurement device 200 shown in Figure 7. In this case, a transmissive beam splitting mirror 81 and a scanning mirror 82 are added to enable three-dimensional measurement. The beam splitting mirror 81 shares the optical path of the measurement beam BM with the optical path of the reflected light RL, and the scanning mirror 82 changes the deflection angle when reflecting the measurement beam BM to adjust the projection direction. Although detailed explanations are omitted, the orientation of the scanning mirror 82 is controlled by a drive mechanism 83 with respect to two orthogonal axes, and the signal processing device 78 manages the orientation of the scanning mirror 82 as angle information. The distance measurement device 200 enables three-dimensional measurement.

図10に示す距離計測装置200は、工業製品の外観検査に用いられる3次元レーザスキャナへの適用が考えられる。物体形状測定は多種の分野に需要があり、鋳型の形状測定、加工製品の外観検査、プリント基板上の半田形状検査等に応用されている。これまでのレーザスキャナでは、コリメート光若しくは集束光が用いられてきた。前者を用いたレーザスキャナは、測定距離が長いが縦横分解能が劣る。後者を用いたレーザスキャナは、縦横分解能100μmであるが測定距離は1cm程度である。上記実施形態の距離計測装置200は、中距離(具体的には数m)で1mm以下の縦横分解能を実現することができ、例えば工場の生産ラインで部品の高精細な外観検査に応用することができる。これまで、部品表面の細かい傷、ひび割れ等の検査は、技術者の触感や視覚により行われてきたが、上記実施形態の距離計測装置200の実用化により、スマートファクトリの実現に拍車をかけることが期待できる。 The distance measuring device 200 shown in FIG. 10 can be applied to a three-dimensional laser scanner used for visual inspection of industrial products. Object shape measurement is in demand in many fields, and is applied to mold shape measurement, visual inspection of processed products, solder shape inspection on printed circuit boards, etc. Conventional laser scanners have used collimated light or focused light. Laser scanners using the former have a long measurement distance but poor vertical and horizontal resolution. Laser scanners using the latter have a vertical and horizontal resolution of 100 μm but a measurement distance of about 1 cm. The distance measuring device 200 of the above embodiment can achieve a vertical and horizontal resolution of 1 mm or less at a medium distance (specifically, several meters), and can be applied to high-precision visual inspection of parts, for example, on a factory production line. Until now, inspection of fine scratches, cracks, etc. on the surface of parts has been performed by engineers' touch and vision, but the practical application of the distance measuring device 200 of the above embodiment is expected to spur the realization of smart factories.

以上で説明した第1実施形態のビーム形成装置100は、レーザ光を伝搬させ、コア端面22bから光を射出する出射端部21bを有する光ファイバ20と、出射端35に配置され、光ファイバ20のコア端面22bから射出された発散光L1を受けて円錐面である射出面30bから射出させることによって、ベッセルガウスビームである投光用ビームBP又は計測用ビームBMを形成するアキシコン30とを備える。 The beam forming device 100 of the first embodiment described above includes an optical fiber 20 having an exit end 21b that propagates laser light and emits light from the core end face 22b, and an axicon 30 that is disposed at the exit end 35 and receives divergent light L1 emitted from the core end face 22b of the optical fiber 20 and emits it from an exit face 30b, which is a conical surface, to form a projection beam BP or a measurement beam BM, which is a Bessel Gauss beam.

上記ビーム形成装置100では、アキシコン30の前方にベッセルガウスビームである投光用ビームBPが生成される。アキシコン30の前方に生成される投光用ビームBPの直径は、レンズ径に依存する径を有するコリメート光より小さくすることができ、伝搬距離は集光系ビームの焦点深度より長くすることができる。このビーム形成装置100は、光ファイバ20のコア端面22bから射出された発散光L1をアキシコン30に入射させるだけの基本構造からなり、極めて簡易な構成でこのようなビームフォーミングを実現できる。これにより、3次元レーザスキャニングでは長距離に渡って高精細な3次元計測が可能になり、レーザ加工の分野では、極細かつ高アスペクト比の穴開けが可能となる。 In the beam forming device 100, a projecting beam BP, which is a Bessel Gauss beam, is generated in front of the axicon 30. The diameter of the projecting beam BP generated in front of the axicon 30 can be made smaller than that of a collimated light having a diameter that depends on the lens diameter, and the propagation distance can be made longer than the focal depth of the focusing system beam. This beam forming device 100 has a basic structure that simply causes the divergent light L1 emitted from the core end face 22b of the optical fiber 20 to enter the axicon 30, and can achieve such beam forming with an extremely simple configuration. This enables high-precision three-dimensional measurement over a long distance in three-dimensional laser scanning, and enables extremely thin, high-aspect-ratio hole drilling in the field of laser processing.

〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係るビーム形成装置について説明する。なお、第2実施形態のビーム形成装置は、第1実施形態のビーム形成装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
Second Embodiment
The beam forming apparatus according to the second embodiment will be described below. Note that the beam forming apparatus according to the second embodiment is a partial modification of the beam forming apparatus according to the first embodiment, and a description of the common parts will be omitted.

図11を参照して、第2実施形態のビーム形成装置2100は、光ファイバ20とアキシコン30との間に、光学素子41,42を配置したものとなっている。光学素子41は、ロッド状の光透過部材であり、光学素子42は、平行平板状の光透過部材である。光学素子41は、例えば石英で形成され、光ファイバ20の出射端部21bの端面22eに融着させて一体化させることができる。光学素子42は、例えばガラスや樹脂で形成され、光学素子41の出射面41bとアキシコン30の入射面30aとに挟まれてこれらに接合されている。光ファイバ20とアキシコン30との間に光学素子41,42を配置することで、光ファイバ20の出射端部21bから射出される光の発散角を抑制又は調整することができる。また、光学素子41,42を配置することで、反射光を生じさせる光学面を減らすことができ、反射防止膜を加工する工程を不要とし、反射防止膜による損失を低減することができる。2つの光学素子41,42は、別部材でなく、単一材料からなる一体の部材とすることができる。また、2つの光学素子41,42の一方を省略することもできる。 Referring to FIG. 11, the beam forming device 2100 of the second embodiment has optical elements 41 and 42 arranged between the optical fiber 20 and the axicon 30. The optical element 41 is a rod-shaped light-transmitting member, and the optical element 42 is a parallel plate-shaped light-transmitting member. The optical element 41 is made of, for example, quartz, and can be fused to the end face 22e of the emission end 21b of the optical fiber 20 to be integrated. The optical element 42 is made of, for example, glass or resin, and is sandwiched between the emission face 41b of the optical element 41 and the incidence face 30a of the axicon 30 and joined thereto. By arranging the optical elements 41 and 42 between the optical fiber 20 and the axicon 30, the divergence angle of the light emitted from the emission end 21b of the optical fiber 20 can be suppressed or adjusted. In addition, by arranging the optical elements 41 and 42, the optical surfaces that generate reflected light can be reduced, the process of processing an anti-reflection film is unnecessary, and the loss due to the anti-reflection film can be reduced. The two optical elements 41 and 42 can be an integrated member made of a single material, rather than being separate members. Also, one of the two optical elements 41 and 42 can be omitted.

図12(A)は、図11に示すビーム形成装置2100の変形例を説明する図であり、光学素子41,42に代えて凹レンズ45が配置されている。また、図12(B)は、別の変形例を説明する図であり、光学素子41,42に代えて凸レンズ46が配置されている。この場合、アキシコン30の射出面30bは、凸レンズ46の屈折力によるが、凸の円錐面に限らず、凹の円錐面とすることもできる。凹レンズ45や凸レンズ46は、着脱可能に配置され、アキシコン30によって形成されるベッセルガウスビームのビームサイズや伝搬距離を調整可能にする。 Figure 12 (A) is a diagram explaining a modified example of the beam forming device 2100 shown in Figure 11, in which a concave lens 45 is arranged instead of the optical elements 41 and 42. Also, Figure 12 (B) is a diagram explaining another modified example, in which a convex lens 46 is arranged instead of the optical elements 41 and 42. In this case, the exit surface 30b of the axicon 30 is not limited to a convex conical surface, but can also be a concave conical surface, depending on the refractive power of the convex lens 46. The concave lens 45 and the convex lens 46 are arranged detachably, making it possible to adjust the beam size and propagation distance of the Bessel Gauss beam formed by the axicon 30.

なお、アキシコン30については、実効的なウェッジ角度を可変とすることができる光学装置に置き換えることができる(欧州特許公開第2194404号参照)。このような光学装置を用いることで、アキシコン30から射出させるベッセルガウスビームの収束作用を可変にすることができる。 The axicon 30 can be replaced with an optical device that can change the effective wedge angle (see European Patent Publication No. 2194404). By using such an optical device, the convergence effect of the Bessel Gauss beam emitted from the axicon 30 can be changed.

〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係るビーム形成装置について説明する。なお、第3実施形態のビーム形成装置は、第1実施形態のビーム形成装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
Third Embodiment
The beam forming apparatus according to the third embodiment will be described below. Note that the beam forming apparatus according to the third embodiment is a partial modification of the beam forming apparatus according to the first embodiment, and a description of common parts will be omitted.

図13を参照して、第3実施形態のビーム形成装置3100において、アキシコン30の射出面130bは、フレネル型の光学面であり、図1(A)に示す射出面30bと同等の円錐面として機能を有する。アキシコン30の射出面130bをフレネル面とすることで、アキシコン30を薄型で軽量とすることができる。 Referring to FIG. 13, in the beam forming device 3100 of the third embodiment, the exit surface 130b of the axicon 30 is a Fresnel type optical surface and functions as a conical surface equivalent to the exit surface 30b shown in FIG. 1(A). By making the exit surface 130b of the axicon 30 a Fresnel surface, the axicon 30 can be made thin and lightweight.

〔変形例その他〕
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
[Variations and Others]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention. For example, the following modifications are also possible.

例えば、図10に示す距離計測装置200において、光源装置71は、波長掃引型のパルス発生装置に置き換えることができ、ビーム形成装置72の出力段に回折素子のような空間分散装置を配置することができる。この場合、走査用ミラー82を省略し、或いは走査用ミラー82の回転軸を減らすことができる。 For example, in the distance measurement device 200 shown in FIG. 10, the light source device 71 can be replaced with a wavelength sweep type pulse generator, and a spatial dispersion device such as a diffraction element can be placed at the output stage of the beam forming device 72. In this case, the scanning mirror 82 can be omitted, or the number of rotation axes of the scanning mirror 82 can be reduced.

図7において、光源装置71、光検出装置74、波形比較装置75等は単なる例示であり、様々な要素によって代替することができる。 In FIG. 7, the light source device 71, the light detection device 74, the waveform comparison device 75, etc. are merely examples and can be replaced by various elements.

アキシコン30のウェッジ角αは、ビーム径を絞りつつ伝搬距離を確保する観点で、0.1度以上10度以下としているが、10度から40度といった範囲に設定することもできる。 The wedge angle α of the axicon 30 is set to 0.1 degrees or more and 10 degrees or less in order to ensure the propagation distance while narrowing the beam diameter, but it can also be set to a range of 10 degrees to 40 degrees.

10…光源、 20…光ファイバ、 21…光ファイバコード、 21a…入射端部、 21b…出射端部、 22…ファイバ本体、 22a…コア、 22b…コア端面、 25…フェルール、 25a…挿通孔、 30…アキシコン、 30a…入射面、 30b…射出面、 32…ホルダ、 35…出射端、 71…光源装置、 71a…レーザダイオード、 71b…強度変調器、 71c…光増幅器、 71d…信号発生器、 71p…信号分岐部、 72…ビーム形成装置、 74…光検出装置、 74a…受光光学系、 74b…光増幅器、 74c…光選択部、 74d…フォトダイオード、 75…波形比較装置、 78…信号処理装置、 81…合波分岐ミラー、 82…走査用ミラー、 83…駆動機構、 100…ビーム形成装置、 200…距離計測装置、 AX…光軸、 BD…投光用ビーム、 BM…計測用ビーム、 EX…射出軸、 L1…発散光、 RL…反射光 10...light source, 20...optical fiber, 21...optical fiber cord, 21a...entrance end, 21b...exit end, 22...fiber body, 22a...core, 22b...core end face, 25...ferrule, 25a...insertion hole, 30...axicon, 30a...entrance surface, 30b...exit surface, 32...holder, 35...exit end, 71...light source device, 71a...laser diode, 71b...intensity modulator, 71c...optical amplifier, 71d...signal generator, 71p...signal branching section, 72...beam forming device, 74...optical detection device, 74a...light receiving optical system, 74b...optical amplifier, 74c...light selection section, 74d...photodiode, 75...waveform comparison device, 78...signal processing device, 81...wave-combining/branching mirror, 82...scanning mirror, 83...driving mechanism, 100...beam forming device, 200...distance measuring device, AX...optical axis, BD...projection beam, BM...measurement beam, EX...emission axis, L1...divergent light, RL...reflected light

Claims (8)

レーザ光を伝搬させ、コア端から光を射出する端部を有する光ファイバと、
出射端に配置され、前記光ファイバの前記コア端から射出された発散光を受けて円錐面から射出させることによって、投光用のベッセルガウスビームを形成するアキシコンとを備え、
前記光ファイバの前記コア端と前記アキシコンとの間に配置される光学素子を含み、
前記光学素子は、前記発散光の発散角を大きくする、ビーム形成装置。
an optical fiber that propagates laser light and has an end portion that emits light from a core end;
an axicon disposed at an exit end, which receives divergent light emitted from the core end of the optical fiber and emits the divergent light from a conical surface to form a Bessel-Gauss beam for projection;
an optical element disposed between the core end of the optical fiber and the axicon;
The optical element increases the divergence angle of the divergent light.
前記アキシコンは、前記光ファイバの前記コア端から射出された発散光が前記光学素子を介して入射する平面を有する、請求項1に記載のビーム形成装置。 The beam forming device according to claim 1, wherein the axicon has a plane on which the divergent light emitted from the core end of the optical fiber is incident via the optical element. 前記光ファイバの前記コア端から射出された発散光は、前記アキシコンの前記平面にすべて入射する、請求項に記載のビーム形成装置。 3. The beam forming device according to claim 2 , wherein all of the divergent light emitted from the core end of the optical fiber is incident on the plane of the axicon. 前記光ファイバの射出軸は、前記アキシコンの対称軸と一致する、請求項1~3のいずれか一項に記載のビーム形成装置。 The beam forming device according to any one of claims 1 to 3, wherein the exit axis of the optical fiber coincides with the axis of symmetry of the axicon. 前記アキシコンのウェッジ角は、0.1度以上10度以下である、請求項1~4のいずれか一項に記載のビーム形成装置。 The beam forming device according to any one of claims 1 to 4, wherein the wedge angle of the axicon is 0.1 degrees or more and 10 degrees or less. 前記アキシコンの前記円錐面は、平凸型又はフレネル型で形成される、請求項1~5のいずれか一項に記載のビーム形成装置。 The beam forming device according to any one of claims 1 to 5, wherein the conical surface of the axicon is formed as a plano-convex or Fresnel type. 前記光ファイバの前記端部は、フェルールに支持されている、請求項1~6のいずれか一項に記載のビーム形成装置。 The beam forming device according to any one of claims 1 to 6, wherein the end of the optical fiber is supported by a ferrule. 強度変調されたレーザ光を出力する光源と、
前記光源からの前記レーザ光を前記光ファイバの入射側の端部で受ける請求項1~7のいずれか一項に記載のビーム形成装置と、
前記ビーム形成装置によって対象に照射され対象から反射された反射光を検出する光検出装置と、
前記光検出装置による前記反射光の検出タイミングと前記光源からの前記レーザ光の出力タイミングとから前記対象までの距離を決定する信号処理装置とを備える、計測装置。
a light source that outputs intensity-modulated laser light;
a beam forming device according to any one of claims 1 to 7, wherein the laser light from the light source is received at an end of an incident side of the optical fiber;
a light detection device that detects light irradiated onto an object by the beam forming device and reflected from the object;
a signal processing device that determines a distance to the target based on a detection timing of the reflected light by the light detection device and an output timing of the laser light from the light source.
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