[go: up one dir, main page]

JPH01191801A - Condenser lens - Google Patents

Condenser lens

Info

Publication number
JPH01191801A
JPH01191801A JP63017576A JP1757688A JPH01191801A JP H01191801 A JPH01191801 A JP H01191801A JP 63017576 A JP63017576 A JP 63017576A JP 1757688 A JP1757688 A JP 1757688A JP H01191801 A JPH01191801 A JP H01191801A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
axicon
light
lens
convex
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP63017576A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Miki Kusao
幹 草尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP63017576A priority Critical patent/JPH01191801A/en
Publication of JPH01191801A publication Critical patent/JPH01191801A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Laser Surgery Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 (1)技術分野 この発明は、レーザ光を同心円状に集光する集光レンズ
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (1) Technical Field The present invention relates to a condensing lens that condenses laser light concentrically.

Co2レーザの光は、強力であって、加工能率が高いの
で、切断、溶接などの用途に使われる。
Co2 laser light is powerful and has high processing efficiency, so it is used for purposes such as cutting and welding.

機械加工装置の他に、医療用装置にもC02レーザが広
く使われる。
In addition to machining equipment, C02 lasers are also widely used in medical equipment.

CO2レーザの光は10.6μmの波長を持つので、石
英ガラスファイバで導波する事ができない。しかし、結
晶質光ファイバを使って、C02レーザの光も自由に導
波できるようになってきた。
Since CO2 laser light has a wavelength of 10.6 μm, it cannot be guided by a silica glass fiber. However, it has become possible to freely guide C02 laser light using crystalline optical fibers.

大出力のCO2レーザ光は、ミラーを用いて導波する事
ができる。
High-power CO2 laser light can be guided using a mirror.

集光光学系は、Zn5e%GaAsなどの多結晶をレン
ズにして使う。
The focusing optical system uses polycrystals such as Zn5e%GaAs as lenses.

CO2レーザの光を用いて、任意の形状に、板材を切り
抜く事ができる。この場合は、切断線にそって、レーザ
ビームを三次元的に走査しなければならない。
Using CO2 laser light, a board can be cut into any desired shape. In this case, the laser beam must be scanned three-dimensionally along the cutting line.

(イ)従来技術 レーザ加工機に使用されるレーザ光のビーム強度分布は
、通常ガウス型をしている。
(B) Prior art The beam intensity distribution of laser light used in laser processing machines is usually Gaussian.

このビームを、平凸レンズあるいはメニスカスレンズな
どによって微小スポットに集光している。
This beam is focused onto a minute spot using a plano-convex lens or a meniscus lens.

集光するのは、ビームのエネルギー密度ヲ高め、切断点
をできるだけ細くするためである。
The purpose of focusing is to increase the energy density of the beam and make the cutting point as narrow as possible.

リング状に被加工物を加工(切断、溶接又は熱処理)し
ようとする場合は、ワーク台を円軌跡にそって動かすか
、又は加工ヘッドを円軌跡にそって走査する事によって
行っている。
When processing (cutting, welding, or heat treating) a workpiece into a ring shape, it is carried out by moving the work table along a circular path or by scanning the processing head along a circular path.

しかしながら゛、走査機構を設ける事は、コスト、重量
、スペースなどの点で問題がある。また走査するのに時
間がかかる。
However, providing a scanning mechanism poses problems in terms of cost, weight, space, etc. It also takes time to scan.

走査機構があれば、任意の形状の加工ができるが、それ
だけにコスト高になる。
If there is a scanning mechanism, it is possible to process any shape, but this increases the cost.

もしも、加工すべき対象が円形である、と決まっていれ
ば、C02レーザのビームを円形に整形して照射するよ
うにすればよいわけである。
If the object to be processed is determined to be circular, the C02 laser beam can be shaped into a circular shape and irradiated.

(ロ)アキシコン アキシコン(axicon )は、レンズとは違って、
光を一点に集光させず、ある長さをもつ領域に集光させ
るものである。これは、平坦面と、円錐面とを組合わせ
た光学部品である。
(b) Axicon An axicon is different from a lens.
Rather than focusing light on one point, it focuses light on an area with a certain length. This is an optical component that combines a flat surface and a conical surface.

アキシコンはMal、sodによって発明された。Axicons were invented by Mal, sod.

J、 H,McLeod : J、 Opt、 Soc
、 Am、 44 (1954) 592J、 H,M
cLeod : J、Opt、 Soc、 Am、 5
0 (1960) 166球面を使わずに円錐面を使う
。このため、出射光は全て円錐形になる。円錐は互に頂
角を同一とする相似形である。
J, H, McLeod: J, Opt, Soc.
, Am, 44 (1954) 592J, H,M
cLeod: J, Opt, Soc, Am, 5
0 (1960) 166 Use a conical surface instead of a spherical surface. Therefore, all the emitted light has a conical shape. Cones are similar shapes with the same apex angle.

つまり、半径上で見ると、出射光は平行になっている。In other words, when viewed on the radius, the emitted light is parallel.

軸に近い出射光は光軸を速く切る。軸に遠い出射光は光
軸を遅く切る。
Outgoing light close to the axis cuts the optical axis quickly. Outgoing light that is far from the axis cuts the optical axis slowly.

このために、−点に光が集まらない。つまり焦点が存在
しない。そのかわり、集光線分が生ずる。
For this reason, light does not gather at the negative point. In other words, there is no focus. Instead, a condensed line segment is generated.

平行光を入射した時に、出射光が光軸を切るが、光軸を
切る範囲が線分になる。これをfocal 1ineと
いう。焦点ではなく焦線分とでもいうべきものである。
When parallel light is incident, the emitted light cuts the optical axis, and the range that cuts the optical axis becomes a line segment. This is called focal 1ine. It should be called a focal line segment rather than a focal point.

第4図にアキシコンの一例を示す。これは凸アキシコン
で、平坦面と円錐凸面とよりなる。この他に、凹アキシ
コンもある。
Figure 4 shows an example of an axicon. This is a convex axicon, consisting of a flat surface and a conical convex surface. In addition to this, there is also a concave axicon.

アキシコンだけでも、それなりの用途はある。The axicon alone has its uses.

しかし、凸レンズとアキシコンとを組合わせると、出射
光をリング状にする事ができる。
However, by combining a convex lens and an axicon, the emitted light can be shaped into a ring.

アキシコンだけでは、出射光が半径方向に於て平行にな
ってしまい、どこまでいっても収束しない。そこで凸レ
ンズをアキシコンの前又は後に置くと、これを収束させ
る事ができる。収束点が光軸上にないので、収束光は光
軸まわりの円環状になるのである。
If the axicon is used alone, the emitted light will become parallel in the radial direction and will not converge no matter how far it goes. Therefore, by placing a convex lens in front of or behind the axicon, this can be converged. Since the convergence point is not on the optical axis, the convergent light forms a ring around the optical axis.

第5図にその′ようを組合せを示す。レンズUと、凸ア
キシコンWとを組合わせている。平行光が凸レンズUに
よって絞られ、アキシコンWにより円環Cのようになる
Figure 5 shows such a combination. A lens U and a convex axicon W are combined. The parallel light is condensed by the convex lens U, and becomes like a ring C by the axicon W.

アキシコンには結像作用がない。円環Cの生ずる面とレ
ンズUの距離は、このレンズの焦点距離fに等しい。
The axicon has no imaging effect. The distance between the surface where the torus C is formed and the lens U is equal to the focal length f of this lens.

アキシコンの円錐底角をαとする。屈折率をnとする。Let the base angle of the axicon be α. Let n be the refractive index.

このアキシコンによって、出射光は入射光に対して、(
n−1)αだけ曲がる。
Due to this axicon, the outgoing light is (
n-1) Bend by α.

従って、αが小さく、レンズUとアキシコンWが近接し
ている時、 円環Cの半径Rcは、 Rc= (n−1)αF        (1)となる
Therefore, when α is small and the lens U and axicon W are close to each other, the radius Rc of the ring C is Rc=(n-1)αF (1).

ところがこれでは、円環の半径が一義的に決まつてしま
う。
However, in this case, the radius of the ring is uniquely determined.

円環の大きさを自由に変化させたいという要望もある。There is also a desire to freely change the size of the ring.

これに対し、第6図に示すようなアキシコンの組合わせ
がRiouxによって提案された。
On the other hand, a combination of axicons as shown in FIG. 6 was proposed by Rioux.

M、 Rioux、 R,Tremblay & P、
 A、 Bdlanger : APPl。
M, Rioux, R, Tremblay & P,
A, Bdlanger: APPl.

0pt、局(1978) 1532 第6図に於て、凸レンズUと、凹アキシコンv1凸アキ
シコンWが組合わされている。凸アキシコン、凹アキシ
コンの円錐底角αは等しい。これらを合体させると、単
なる平板となるから、レンズUだけの集光作用だけが残
る。ところが凸アキシコンから凹アキシコンを離してゆ
くと、焦点面に円環Cが生じ、この半径Rcは となる。アキシコンの距離dを大きくするとRcを大き
くすることができる。つまり、Rcを可変にできるので
ある。
0pt, Bureau (1978) 1532 In FIG. 6, a convex lens U and a concave axicon v1 and a convex axicon W are combined. The cone base angles α of the convex axicon and concave axicon are equal. When these are combined, they become a simple flat plate, so only the light focusing effect of the lens U remains. However, when the concave axicon is moved away from the convex axicon, a ring C is formed on the focal plane, and its radius Rc becomes. By increasing the axicon distance d, Rc can be increased. In other words, Rc can be made variable.

(2)式は、凹アキシコンVの中心を通る光が出射する
時、光軸に対して(n−1)αの角をなす事から容易に
分る。
Equation (2) can be easily understood from the fact that when light passing through the center of the concave axicon V is emitted, it forms an angle of (n-1)α with respect to the optical axis.

に) 発明が解決すべき問題点 従来のアキシコン・レンズによるリング集光系は、1重
の円環しか得る事ができない。
B) Problems to be Solved by the Invention The conventional ring focusing system using an axicon lens can only obtain a single ring.

異なった直径の円環を2つ得ようとする場合は、レンズ
・アキシコンを交換しなければならない。
If two rings of different diameters are to be obtained, the lens axicon must be exchanged.

従って、被処理物を、2重の同心円にそってドーナツ状
に切断、熱処理したいという場合は、いちどリング集光
系を使って円環状に光を照射し、さらに別のリング集光
系を使って、円環状に光を再び照射しなければならない
Therefore, if you want to heat-treat the workpiece by cutting it into a donut shape along two concentric circles, first use a ring condensing system to irradiate light in an annular shape, and then use another ring condensing system to irradiate the object with light. Then, the light must be irradiated again in an annular manner.

たとえば、第3図に示すように、半径r1の小さい円環
Cと、半径r2の円環Bにそって、レーザ光を照射した
いという場合を考える。
For example, as shown in FIG. 3, consider a case where it is desired to irradiate a laser beam along a small circular ring C with a radius r1 and a circular ring B with a radius r2.

第5図、第6図のリング集光系を使って、小円環Cにレ
ーザ光を当てる事ができる。大円環Bにもレーザ光を当
てる事ができる。しかし、同時に円環B%Cにレーザ光
を当てる事はできない。いずれかを先にし、光学系を取
りかえてから、他の円環にレーザ光を当てる事になる。
Using the ring focusing system shown in FIGS. 5 and 6, the small ring C can be irradiated with a laser beam. The laser beam can also be applied to the great torus B. However, the laser beam cannot be applied to the ring B%C at the same time. One of the rings should be replaced first, and the optical system should be replaced before applying the laser beam to the other ring.

同心円状にレーザ光を当てる場合、途中でリング集光系
を取り替える手数がかかる。これでは、汎用性の高いビ
ーム走査系を使って、円環状にビームを走査させる方が
簡単である。アキシコンを使う事による利点が失われる
When applying laser light concentrically, it takes time to replace the ring condensing system midway through the process. In this case, it is easier to scan the beam in an annular manner using a highly versatile beam scanning system. The benefits of using an axicon are lost.

本発明は、このような同心円状の円環B、Cにそう加工
を容易にすることを目的とする。
An object of the present invention is to facilitate the processing of such concentric rings B and C.

(3)構 成 本発明の集光レンズの断面を第1図に示す。(3) Configuration FIG. 1 shows a cross section of the condensing lens of the present invention.

これはレンズとアキシコンを複合させたような光学部品
である。これは光軸を含む断面図である。
This is an optical component that is a combination of a lens and an axicon. This is a sectional view including the optical axis.

光軸まわりに回転対称である。It is rotationally symmetrical around the optical axis.

集光レンズAの前面は、曲率半径Hの凸レンズ面S1に
なっている。後面はアキシコン面S2になっている。と
ころが単純なアキシコンではなく、直径D1まではFQ
Gというように中央が突出した凸アキシコンとなってい
る。
The front surface of the condenser lens A is a convex lens surface S1 with a radius of curvature H. The rear surface is an axicon surface S2. However, it is not a simple axicon, but an FQ up to the diameter D1.
It has a convex axicon with a protruding center like G.

直径D1から、DoまではFl:、GHというように凹
アキシコンとなっている。
The diameter from D1 to Do is a concave axicon such as Fl: and GH.

アキシコン面S2が、内側で凸、外側で凹のアキシコン
になっているところが本発明の集光レンズの特徴である
。凸アキシコンFQGの円錐底角をα、凹アキシコンE
F、GHの円錐底角をβとする。
A feature of the condensing lens of the present invention is that the axicon surface S2 is an axicon that is convex on the inside and concave on the outside. The conical base angle of the convex axicon FQG is α, and the concave axicon E
Let β be the cone base angle of F and GH.

第2図に本発明の集光レンズAに平行光が入射した場合
の光線束の分布を示す。
FIG. 2 shows the distribution of light beams when parallel light is incident on the condenser lens A of the present invention.

平行光が入射するというのは、C02レーザの光がその
まま、或はミラー導波路、光ファイバを経てレンズに入
射する場合を意味している。レンズなどで整形しないの
で、はぼ平行光である。ビーム強度の分布は、半径方向
にガウス分布している事が多い。
The incident of parallel light means that the C02 laser light enters the lens directly or via a mirror waveguide or optical fiber. Since the light is not shaped by a lens, it is almost parallel light. The beam intensity distribution often has a Gaussian distribution in the radial direction.

凸レンズ面S1があるので、このレンズは焦点面を持つ
。焦点距離fは、凸レンズ面S1の曲率半径Rと、屈折
率nによって決まる。
Since there is a convex lens surface S1, this lens has a focal plane. The focal length f is determined by the radius of curvature R of the convex lens surface S1 and the refractive index n.

近軸光線近似を用いると、 f’ = −(31 である。これは簡単に証明する事ができる。また、曲率
半径が前後ともにRである両凸レンズの焦点距離がR/
2(n−1)である事からも明らかである。
Using the paraxial ray approximation, f' = -(31) This can be easily proven.Also, the focal length of a biconvex lens whose radius of curvature is R at both the front and rear is R/
This is clear from the fact that 2(n-1).

このように、焦点距離fが存在するという事は、第6図
ではなく、第5図のアキシコンのカテゴリーに近いとい
う事である。
In this way, the existence of a focal length f means that the axicon category is closer to that of FIG. 5, rather than that of FIG. 6.

さて、内側の凸アキシコンFQ、Gを通った内方の光線
は、焦点面で、L、M点を通る。これは断面であるので
、実際には、焦点面で半径r1の円環Cを描くことにな
る。
Now, the inward rays that have passed through the inner convex axicons FQ and G pass through points L and M on the focal plane. Since this is a cross section, a ring C with radius r1 is actually drawn on the focal plane.

アキシコンFQGは、円錐面であるが、円錐面は一点に
光を集めるという作用がない。光を集める作用は凸レン
ズ面S1にある。そして、Slの曲率半径Hによって焦
点面が決まってしまう。FQを通った光束は光軸を横切
って、反対側のM点に収束する。
The axicon FQG has a conical surface, but the conical surface does not have the effect of concentrating light on one point. The function of collecting light is on the convex lens surface S1. Then, the focal plane is determined by the radius of curvature H of Sl. The light flux passing through the FQ crosses the optical axis and converges at point M on the opposite side.

反対にQGを通った光束は、光軸を横切って焦点面のL
点に収束する。円環Cの半径r1は、次のように求めら
れる。
On the other hand, the light flux that passes through QG crosses the optical axis and reaches L of the focal plane.
converge to a point. The radius r1 of the circular ring C is determined as follows.

光軸を通った光線に注目する。これはQ点で、光軸に対
して(n−1)αの角をなす。これは、FQ、GQが光
軸に直角な面に対してαだけ傾いているからである。
Pay attention to the rays passing through the optical axis. This is point Q, which forms an angle of (n-1)α with the optical axis. This is because FQ and GQ are tilted by α with respect to a plane perpendicular to the optical axis.

内部で光線と、FQ%GQ面に立てた法線のなす角はα
である。外部ではこの法線と出射光線とのなす角はnα
である。法線が光軸に対してαだけ傾いている。このた
め出射光は光軸に対して(n−1)αの角をなす。
The angle between the ray and the normal to the FQ%GQ plane is α
It is. Outside, the angle between this normal and the outgoing ray is nα
It is. The normal is tilted by α with respect to the optical axis. Therefore, the emitted light forms an angle of (n-1)α with respect to the optical axis.

また、QOは焦点距離fにほぼ等しい。これは集光レン
ズAの厚みを無視した近似である。
Furthermore, QO is approximately equal to the focal length f. This is an approximation that ignores the thickness of the condenser lens A.

したがって rl = (n −1) cXf’       (4
)である。ここでjan (n−1)αを(n−1)α
と近似している。
Therefore, rl = (n −1) cXf' (4
). Here, jan (n-1)α is (n-1)α
It is similar to

凸アキシコンFQGの直径はDlである。入射レーザ光
のうち、直径D1の部分は、内円環C上に収束するとい
う事になる。
The diameter of the convex axicon FQG is Dl. This means that a portion of the incident laser beam having a diameter D1 is converged on the inner ring C.

さて、外側の凹アキシコンEF%GHを通った光束は、
より外側へ屈折し、同じく、焦点面で大きい円環Bを描
く。
Now, the light flux passing through the outer concave axicon EF%GH is
It is refracted further outward, and similarly draws a large ring B on the focal plane.

EFを通った光束は、K点に収束する。GHを通った光
束はN点に収束する。これらは、光軸を横ぎる事なくに
%N点に収束する。この断面以外の任意の断面に於ても
同じような光束の収束が起っている。このため、凹アキ
シコンによって、大円環Bが描かれる事になる。
The light flux passing through EF converges on point K. The light flux passing through GH converges on point N. These converge to the %N point without crossing the optical axis. Similar convergence of the light beam occurs in any cross section other than this one. Therefore, the great torus B is drawn by the concave axicon.

この円環の半径r2は、F点、G点での光束の傾きから
求める事もできるが、それはやや煩雑である。凹アキシ
コンが中心軸まであると仮定しても、円環Bに収束する
点は変わらない。この仮定により、P点から出た光がど
のように発散するかを考えればよい。P点はEF%GH
の延長線の交点である。
The radius r2 of this ring can also be determined from the inclination of the luminous flux at points F and G, but this is somewhat complicated. Even if we assume that the concave axicon extends to the central axis, the point that it converges on the ring B remains the same. Based on this assumption, it is sufficient to consider how the light emitted from point P diverges. P point is EF%GH
is the intersection of the extension lines of

凹アキシコンの円錐底角がβであるので、中心点Pを出
た光は、光軸に対して(n−1)βの角をなす。
Since the cone base angle of the concave axicon is β, the light exiting the center point P makes an angle of (n-1)β with the optical axis.

そして、距離POはほぼfに等しいのであるから、 r2 = (n−1)βf(5) となる。この証明は、直感的、単純であって分りやすい
Since the distance PO is approximately equal to f, r2 = (n-1)βf(5). This proof is intuitive, simple, and easy to understand.

実際には存在しないP点を使わず、F又はEを通る光線
が、K点を通る事から、同じことを証明する事ができる
The same thing can be proven because a ray passing through F or E passes through point K without using point P, which actually does not exist.

例えばF点を通る光線を考える。これは光軸からD1/
2だけ離れている。レンズ面S1に立てた法線と光線の
なす角は である。レンズ内に入ると屈折し、光軸とR の角をなす光線となる。これは凸レンズS1の作用であ
る。
For example, consider a ray passing through point F. This is D1/from the optical axis.
Only 2 minutes apart. The angle between the normal to the lens surface S1 and the ray is . When it enters the lens, it is refracted and becomes a ray that makes an angle R with the optical axis. This is the effect of the convex lens S1.

アキシコン面EF’は、光軸に垂直な面に対してβだけ
前傾している。このためF点でのレンズから空間へ向け
ての入射角が となる。
The axicon plane EF' is tilted forward by β with respect to the plane perpendicular to the optical axis. Therefore, the angle of incidence from the lens toward space at point F is as follows.

ここで、入射角、出射角というのは境界面に立てた法線
と、入射光、出射光のなす角である。幾何光学の通常の
定義に従っている。
Here, the incident angle and the outgoing angle are the angles formed by the normal line to the boundary surface and the incident light and the outgoing light. It follows the usual definition of geometric optics.

すると、出射角は(8)をn倍したものとなり、となる
。ただし、角度が小さいので、sinθ−θという近似
を使っている。
Then, the exit angle is (8) multiplied by n, and becomes. However, since the angle is small, an approximation of sin θ-θ is used.

ところが出射面EFはβだけ傾いているから、出射光が
光軸となす角は(9)からβをさし引いて、となる。こ
れに焦点距離fを乗じ、さらにD1/2を加えるとrl
となる。
However, since the exit surface EF is tilted by β, the angle that the output light makes with the optical axis is (9) minus β. Multiplying this by the focal length f and further adding D1/2, rl
becomes.

である。fの定義(3)を入れると、 rlン(n−1)βf       Q2+となる。こ
れは(5)と同一である。
It is. Inserting the definition (3) of f, we get rln(n-1)βf Q2+. This is the same as (5).

第1図、第2図では、内側に円錐底角αの凸アキシコン
、外側に円錐底角βの凹アキシコンを形成している。
In FIGS. 1 and 2, a convex axicon with a conical base angle α is formed on the inside, and a concave axicon with a conical base angle β is formed on the outside.

しかし、rl、r2の式から分るように、α、βが同一
であれば、凸アキシコンでも、凹アキシコンでも同じ円
環を描く事が明らかである。
However, as can be seen from the equations of rl and r2, if α and β are the same, it is clear that both convex and concave axicons draw the same ring.

凹アキシコンの場合、光軸を横切らず、凸アキシコンの
場合、光軸を横切る、という事が違うだけである。
The only difference is that in the case of a concave axicon, it does not cross the optical axis, and in the case of a convex axicon, it does cross the optical axis.

そこで、本発明に於ては、内側を凸又は凹アキシコンと
し、外側を凸又は凹アキシコンとする。
Therefore, in the present invention, the inner side is a convex or concave axicon, and the outer side is a convex or concave axicon.

そして円錐底角をそれぞれα、βとするのである。The base angles of the cone are then α and β, respectively.

内側のアキシコンを先に記し、外側のアキシコンを後に
記すものとする。第1図、第2図のものは 凸凹アキシコン であるが、この他に 凸曲アキシコン 凹凸アキシコン 日日アキシコン が可能である。2重の円環とするには α\β          03) でさえあればよい。それぞれのアキシコンを第7図〜第
9図に示す。
The inner axicon shall be written first, and the outer axicon later. The axicons in FIGS. 1 and 2 are concave and convex axicons, but in addition to these, convex curved axicons, concave and convex axicons, and day-to-day axicons are possible. To make it a double ring, it is only necessary that α\β 03). Each axicon is shown in FIGS. 7 to 9.

ただし、凸アキシコンを使うと、光が光軸をいったん横
切るので、焦点面で面と光が斜めになってしまう。垂直
に光が当たるというわけにはゆかない。
However, when a convex axicon is used, the light crosses the optical axis once, so the surface and light become oblique at the focal plane. It is not possible for the light to hit vertically.

もしも、レーザ光が垂直に当たるのが望ましいのであれ
ば、門口アキシコン構造が望ましい。
If it is desired that the laser beam be directed vertically, a portal axicon structure is preferable.

門口アキシコン構造のなかでも DI  : 2rt          (+4)DI
  +  D□ :  2r2       (15)
であるようなものが最も良いという事になる。
Among the gate axicon structures, DI: 2rt (+4) DI
+ D□: 2r2 (15)
It follows that the best option is the one where .

に)作 用 CO2レーザの平行ビームを、集光レンズAに入射させ
る。中心部の直径がDlの部分を通った光は、半径r1
の小円環Cにそって集光される。
b) Operation The parallel beam of the CO2 laser is made incident on the condenser lens A. The light that passes through the part whose center diameter is Dl has a radius r1
The light is focused along the small ring C.

周縁部の直径がD1〜D2の部分を通った光は、半径r
2の小円環Bにそって集光される。
The light that has passed through the portion whose peripheral diameter is D1 to D2 has a radius r
The light is focused along the small ring B of No. 2.

従って、第3゛図に示すように、被加工物を、円環B%
Cにそって同時に加熱する事ができる。ドーナツ状に切
断、溶接、熱処理などの加工を行う事ができるのである
Therefore, as shown in Fig. 3, the workpiece is circularly B%
It is possible to simultaneously heat along C. It can be processed into donut shapes by cutting, welding, and heat treatment.

第2図では、平行ビームを凸レンズ面S1に当て、アキ
シコン面S2から出た光を焦点面に集光させている。
In FIG. 2, a parallel beam is applied to the convex lens surface S1, and the light emitted from the axicon surface S2 is focused on the focal plane.

これとは逆にしてもよい。すなわち、レンズを前後反対
にし、アキシコン面ジに平行ビームを入射させて、凸レ
ンズ面S1から出た光を焦点面に集光させるものである
。このようにしても、rl、r2の二重円環に集光させ
る事ができる。
This may be reversed. That is, the lens is reversed from front to back, a parallel beam is made incident on the axicon surface, and the light emitted from the convex lens surface S1 is focused on the focal plane. Even in this case, the light can be focused on the double ring of rl and r2.

ただし、光量の比は、Dl、Doの比によって適当に決
められる。
However, the ratio of light amounts is appropriately determined by the ratio of Dl and Do.

実際には、レーザビームはガウシアンビームである事が
多いので、面積の比 と、光量の比が等しくはない。しかし、レーザビームの
強度分布P (r)が分かつていれば、内円環Cを通る
光のパワーPcか によって与えられ、外円環Bを通る光のパワー几が、 によって与えられる。PcとPBの比を変えるためには
、円錐FQGを、角度αは一定に保ったまま、より狭く
したり、より拡げたりする。つまり、変曲点F、Gを、
内側へ動かしたり、外側へ動かしたりする。
In reality, the laser beam is often a Gaussian beam, so the area ratio and light amount ratio are not equal. However, if the intensity distribution P (r) of the laser beam is known, the power Pc of the light passing through the inner ring C is given by Pc, and the power Pc of the light passing through the outer ring B is given by. To change the ratio of Pc and PB, the conical FQG is made narrower or wider while keeping the angle α constant. In other words, the inflection points F and G are
Move inward or outward.

動かすといっても、アキシコン面はダイヤモンドバイト
で研削するのであるから、いったんこの集光レンズを作
ってしまえば、光量の比を変える事ができない。
Even though it is moved, the axicon surface is ground with a diamond cutting tool, so once this condensing lens is made, the ratio of light intensity cannot be changed.

レンズを作ってしまえば、f%r1%r2は定数となる
。つまり、同じ形状に加工する場合にしか使えない。専
用の光学部品となる。
Once the lens is made, f%r1%r2 becomes a constant. In other words, it can only be used when processing into the same shape. This is a dedicated optical component.

しかし、同一の加工を数多く繰返す場合、本発明の集光
レンズは極めて有効である。
However, when the same processing is repeated many times, the condensing lens of the present invention is extremely effective.

C02レーザの光が十分に強力でさえあれば、二重円環
状の加工を、ビーム走査機構を使わずに行う事ができる
のである。
As long as the light from the C02 laser is sufficiently powerful, it is possible to process a double ring shape without using a beam scanning mechanism.

加工の目的から、rl、r2がまず決まる。これは、焦
点距離fと関係づけられるが、fとRとの関係があるの
で、屈折率が消去できて rl  = αR(19 r2  = βR(21 と書くこともできる。これから、α、β、Rを適当に決
める。未知数の数が式の数よりひとつ多いので、α、β
、Rの決定にはひとつの自由度がある。
From the purpose of processing, rl and r2 are first determined. This is related to the focal length f, but since there is a relationship between f and R, the refractive index can be eliminated and it can also be written as rl = αR (19 r2 = βR (21). From this, α, β, Decide R appropriately. Since the number of unknowns is one more than the number of equations, α, β
, R has one degree of freedom in determining.

これは都合のよい事である。This is convenient.

屈折率nは、任意である。しかし、現実には、材料が決
まってしまうので、nは自由に選ぶことができない。C
02レーザの光をよく通す事のできるのは、Zn5e%
GaAsやアルカリハライド結晶などである。
The refractive index n is arbitrary. However, in reality, since the material is determined, n cannot be freely selected. C
02 Zn5e% can pass the laser light well.
These include GaAs and alkali halide crystals.

しかし、屈折率nが制限されていても差支えのない事で
ある。α、β、Rは自由に選べるのであるから、これら
を決めて、nが決定されると、焦点距離fが決まる。f
は、レンズと被加工物の距離であるから、これらの定数
によって決定されたとしてもいつこうに差支えのない事
である。
However, there is no problem even if the refractive index n is limited. Since α, β, and R can be selected freely, once these are determined and n is determined, the focal length f is determined. f
Since is the distance between the lens and the workpiece, there is no problem even if it is determined by these constants.

(→実施例 Zn5e多結晶を材料として、本発明の集光レンズを作
った。定数は次のとおりである。
(→Example A condensing lens of the present invention was made using Zn5e polycrystal as a material. The constants are as follows.

レンズ外直径   Do     63.5mmレンズ
凸アキシコン直径D13’7.9mmレンズ中心部肉厚
    tc      15.Own凸アギアキシコ
ン底角  α      5゜凹アキシコン底角   
 β      10゜焦点距離  f’   127
 mm 内円環半径  rl    15.5mm外円環半径 
  r2  31.Oram400WC02レーザ光を
照射し、アクリル板を焦点面に置きパーンパターンを調
べた。この結果、±1.0IMlの精度でリング状にレ
ーザ光を集光できている事が分った。
Lens outer diameter Do 63.5mm Lens convex axicon diameter D13' 7.9mm Lens center wall thickness tc 15. Own convex axicon base angle α 5゜concave axicon base angle
β 10° focal length f' 127
mm Inner ring radius rl 15.5mm Outer ring radius
r2 31. Oram400WC02 laser light was irradiated, the acrylic plate was placed on the focal plane, and the pan pattern was examined. As a result, it was found that the laser beam could be focused into a ring shape with an accuracy of ±1.0 IMl.

(り)効 果 本発明のアキシコンレンズを用いると平行す光ビームを
、焦点面に於て、二重の同心円環状に集光することがで
きる。
(i) Effects By using the axicon lens of the present invention, parallel light beams can be focused into a double concentric ring shape at the focal plane.

CO2レーザ光の集光レンズとして用いると、二重の同
心円を同時に加工(切断、溶接、熱処理)する事ができ
る。
When used as a condensing lens for CO2 laser light, double concentric circles can be processed (cutting, welding, heat treatment) at the same time.

たとえば、鋼板をドーナツ状に切断するような場合で、
ドーナツ形状(rl、r2)が一定であって、量産しな
ければならない時には特に有用である。
For example, when cutting a steel plate into a donut shape,
This is particularly useful when the donut shape (rl, r2) is constant and must be mass-produced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の集光レンズの一例を示す断面図。 第2図は第1図の集光レンズに平行光を入射させた場合
の光束の収束を示す図。 第3図は二重円環を示す図。 第4図はアキシコンの原理図。 第5図はアキシコン、凸レンズにより平行光を円環状に
集光できる事を示す図。 第6図は凸レンズ、凹アキシコン、凸アキシコンにより
平行光を円環状に集光できる事を示す図。 第7図は本発明の他の例であるハロアキシコンの光線分
布図。 第8図は本発明の他の例である凹凸アキシコンの光線分
布図。 第9図は本発明の他の例である日日アキシコンの光線分
布図。 発  明 者   草    尾      幹特許出
願人  住友電気工業株式会社 出願代理人  弁理士 川 瀬 茂 樹2−第    
 7     図 第     8     図 第     9     図
FIG. 1 is a sectional view showing an example of the condensing lens of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the convergence of a luminous flux when parallel light is incident on the condenser lens of FIG. 1. FIG. 3 is a diagram showing a double ring. Figure 4 shows the principle of an axicon. Figure 5 is a diagram showing that parallel light can be condensed into an annular shape using an axicon or a convex lens. FIG. 6 is a diagram showing that parallel light can be focused into an annular shape using a convex lens, a concave axicon, and a convex axicon. FIG. 7 is a ray distribution diagram of a haloaxicon which is another example of the present invention. FIG. 8 is a ray distribution diagram of an uneven axicon which is another example of the present invention. FIG. 9 is a ray distribution diagram of a sun-day axicon, which is another example of the present invention. Inventor Miki Kusao Patent applicant Sumitomo Electric Industries Co., Ltd. Application agent Patent attorney Shigeru Kawase 2nd-No.
7 Figure 8 Figure 9

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 軸まわりに回転対称であつて、一方の面が凸球面S_1
で、他方の面がアキシコン面S_2であつて、アキシコ
ン面S_2は直径D_1の円によつて内外2つのアキシ
コン面に分割されており、内側アキシコンは凹又は凸ア
キシコンであり、外側アキシコンは凹又は凸アキシコン
であり、内側アキシコンと外側アキシコンの円錐底角が
異なる事を特徴とする集光レンズ。
It is rotationally symmetric around the axis and one surface is a convex spherical surface S_1
The other surface is an axicon surface S_2, and the axicon surface S_2 is divided into two inner and outer axicon surfaces by a circle with a diameter D_1, the inner axicon is a concave or convex axicon, and the outer axicon is a concave or convex axicon. A condensing lens that is a convex axicon and has different cone base angles for the inner and outer axicons.
JP63017576A 1988-01-28 1988-01-28 Condenser lens Pending JPH01191801A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP63017576A JPH01191801A (en) 1988-01-28 1988-01-28 Condenser lens

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP63017576A JPH01191801A (en) 1988-01-28 1988-01-28 Condenser lens

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH01191801A true JPH01191801A (en) 1989-08-01

Family

ID=11947737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP63017576A Pending JPH01191801A (en) 1988-01-28 1988-01-28 Condenser lens

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH01191801A (en)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007327966A (en) * 2007-07-24 2007-12-20 Fuji Xerox Co Ltd Light source module and position measuring system using it
JP2009082958A (en) * 2007-09-28 2009-04-23 Sunx Ltd Laser beam machining apparatus and axicon lens
JP2010051999A (en) * 2008-08-27 2010-03-11 Toshiba Corp Laser irradiation apparatus
JP2010518367A (en) * 2007-02-02 2010-05-27 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト A method of generating a refraction of a beam bundle structured in the form of a fan coaxially, and an optical measuring device having a refractive light deflection element
USRE43881E1 (en) 1998-10-16 2012-12-25 Reliant Technologies, Inc. Tissue cooling rod for laser surgery
JP2013171802A (en) * 2012-02-22 2013-09-02 Stanley Electric Co Ltd Led lighting device and light guide lens
JP2013195302A (en) * 2012-03-21 2013-09-30 Toyota Central R&D Labs Inc Distance measurement device
JP2014518720A (en) * 2011-05-24 2014-08-07 カール ツアイス メディテック アクチエンゲゼルシャフト System for determining the topography of the cornea of the eye
GB2512323B (en) * 2013-03-26 2017-11-01 Wellburn Daniel Laser beam intensity profile modulator for top hat beams
CN113866992A (en) * 2021-09-10 2021-12-31 华中科技大学 A Spherical Harmonic Axicon for Generating Diffraction-Free Beams in the Terahertz Band

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USRE43881E1 (en) 1998-10-16 2012-12-25 Reliant Technologies, Inc. Tissue cooling rod for laser surgery
USRE46208E1 (en) 1998-10-16 2016-11-22 Reliant Technologies, Llc Method for cryogenically treating tissue below the skin surface
JP2010518367A (en) * 2007-02-02 2010-05-27 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト A method of generating a refraction of a beam bundle structured in the form of a fan coaxially, and an optical measuring device having a refractive light deflection element
JP2007327966A (en) * 2007-07-24 2007-12-20 Fuji Xerox Co Ltd Light source module and position measuring system using it
JP2009082958A (en) * 2007-09-28 2009-04-23 Sunx Ltd Laser beam machining apparatus and axicon lens
JP2010051999A (en) * 2008-08-27 2010-03-11 Toshiba Corp Laser irradiation apparatus
JP2014518720A (en) * 2011-05-24 2014-08-07 カール ツアイス メディテック アクチエンゲゼルシャフト System for determining the topography of the cornea of the eye
JP2017080599A (en) * 2011-05-24 2017-05-18 カール ツアイス メディテック アクチエンゲゼルシャフト System for determining topography of cornea of eye
JP2013171802A (en) * 2012-02-22 2013-09-02 Stanley Electric Co Ltd Led lighting device and light guide lens
JP2013195302A (en) * 2012-03-21 2013-09-30 Toyota Central R&D Labs Inc Distance measurement device
GB2512323B (en) * 2013-03-26 2017-11-01 Wellburn Daniel Laser beam intensity profile modulator for top hat beams
CN113866992A (en) * 2021-09-10 2021-12-31 华中科技大学 A Spherical Harmonic Axicon for Generating Diffraction-Free Beams in the Terahertz Band

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6587136B2 (en) Method for making marks in a transparent material by using a laser
KR101004497B1 (en) Apparatus comprising a beam forming unit for inducing radiant energy into a material composed of a low absorbing material
JPH0412039B2 (en)
JP2720811B2 (en) Laser focusing method and apparatus
JP6970877B2 (en) Fiber coupling device
JPH01191801A (en) Condenser lens
JPH11138896A (en) Laser marker and marking method, mark viewer and viewing method
JP2005028428A (en) Laser beam machining device
JP2000005892A (en) Laser processing method
WO2021145205A1 (en) Laser device, and laser processing device in which same is used
CN113305426A (en) Bessel beam lens for laser cutting
JP2000275568A (en) Beam mode converting optical system
JPWO2007119838A1 (en) YAG laser, fiber laser lens and laser processing apparatus
JPH0767633B2 (en) Coaxial multi-focus laser beam concentrator
JP2003340588A (en) Method and apparatus for processing inside transparent material
CN210010591U (en) Laser head device for large aspect ratio machining
JPS63108318A (en) Laser processing equipment
JPH0722685A (en) Focus composition method of beam and its focus composition device
JPH0498214A (en) Laser light irradiation device
JPS605394B2 (en) Laser irradiation device
JP2001009580A (en) Laser light condensing device
JP7780862B2 (en) Laser processing device, optical system of laser processing device
JPS6036253Y2 (en) Dental medical laser handpiece
JP3177775B2 (en) Photosynthesis method and synthetic emission optical system
JP2000275570A (en) Beam mode converting optical system