JPH01191801A - 集光レンズ - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

集光光学系は、Ｚｎ５ｅ％ＧａＡｓなどの多結晶をレン
ズにして使う。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

アキシコンはＭａｌ、ｓｏｄによって発明された。

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。

つまり、半径上で見ると、出射光は平行になっている。

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。

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。

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。

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。

アキシコンだけでも、それなりの用途はある。

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。

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。

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
。

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。

アキシコンの円錐底角をαとする。屈折率をｎとする。

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。

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
。

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。

円環の大きさを自由に変化させたいという要望もある。

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。

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。

（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。

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。

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。

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
。

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。

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。

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
。

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。

（３）構　成 本発明の集光レンズの断面を第１図に示す。

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。

光軸まわりに回転対称である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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
。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

そして円錐底角をそれぞれα、βとするのである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

ただし、光量の比は、Ｄｌ、Ｄｏの比によって適当に決
められる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

これは都合のよい事である。

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。

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。

（→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。

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。

（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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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。