(57)【要約】【課題】可及的に少ない個数の光学素子により機能する屈折式ビーム整形器を開発する。【解決手段】本発明は、屈折式ビーム整形器に関する。斯かるビーム整形器は、当該メニスカスレンズの光軸（４）に沿って配置された数枚のメニスカスレンズ（１）を備えて成る。各々の一枚のメニスカスレンズ（１）は、光ビームの入射又は出射のために凹状に湾曲された表面（２）と、上記光ビームの出射又は入射のために凸状に湾曲された表面（３）とを有する。両方の表面は、それぞれのメニスカスレンズ（１）の光軸（４）に対して平行に該レンズに入射する平行化光ビームが、該入射光ビームと比較して変更された直径を有する平行化光ビームとして再び出射するような曲率を有する。各収差を防止するために、各メニスカスレンズ（１）の上記２つの表面（２、３）の少なくとも一方は所定の非球面形状を有する。【選択図】図７
2014206740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
当該メニスカスレンズの各々の光軸（４）に沿って配置された複数のメニスカスレンズ（１）を具備する屈折式ビーム整形器であって、
前記メニスカスレンズ（１）の各々が、光ビームの入射又は出射のために凹状に湾曲された表面（２）と、前記光ビームの出射又は入射のために凸状に湾曲された表面（３）とを有し、
両方の前記表面が、対応する前記メニスカスレンズ（１）の前記光軸（４）に対して平行に当該メニスカスレンズ（１）に入射する平行化光ビームが、入射する前記光ビームと比較して変更された直径を有する平行化光ビームとして出射するような曲率を有し、
各収差を防止するために、前記メニスカスレンズ（１）の各々の２つの前記表面（２、３）の少なくとも一方が所定の非球面形状を有する屈折式ビーム整形器。
【請求項２】
ｈを前記光軸（４）に対して直交する直線上における前記光軸までの距離であるものとして、非球面状に湾曲された表面（２）及び／又は（３）の各々が、前記直線までの距離として、非球面関数ｚ（ｈ）により記述され、
パラメータとして、凹状に湾曲された前記表面の局所的最小半径ｒと、前記光軸（４）上における対応する前記メニスカスレンズ（１）の中心厚みと、前記メニスカスレンズ（１）の各々が製造される材料と、前記メニスカスレンズ（１）の各々の中心厚みと直径との縦横比と、両方の前記表面（２、３）が非球状に湾曲されるならば、出射する前記光ビームに対する強度分布とが、事前決定されることを特徴とする請求項１に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項３】
出射する前記光ビームに対する前記強度分布が、断面において、ガウス分布に従うか又は略均一である変化特性を有することを特徴とする請求項２に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項４】
凹状に湾曲された前記表面（２）は球面状に形状化され、且つ、凸状に湾曲された前記表面（３）は以下の関係により記述されることを特徴とする請求項２又は３に記載の屈折式ビーム整形器。
【数１】
2014206740.tif 000007
式中、Ｋは円錐定数であり、ｉ及びＮは自然数であり、Ａ2iはｈにおける多項式の係数であり、且つ、Ｒは、円錐曲線表面の頂点から、この円錐曲線表面の直近焦点までの距離であり、前記頂点及び焦点は前記光軸上に位置する結果、前記頂点における前記円錐曲線表面の接線は前記直線に対応する。
【請求項５】
前記縦横比が、０．５及び２の間、好適には１であり、及び／又は、前記半径ｒが、１０ｍｍと、それぞれのメニスカスレンズ（１）の直径の約２倍との間の範囲に在ることを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項６】
前記メニスカスレンズ（１）が、ガラス、プラスチック又は半導体の材料から、好適には、ホウケイ酸クラウンガラス（Ｎ−ＢＫ７）、重フリントガラス（Ｓ−ＴＩＨ６）、石英ガラス、ケイ素、又は、ゲルマニウムから製造されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項７】
複数の前記メニスカスレンズ（１）の内のいくつかは、前記ビームの直径を拡大すべく配置され、且つ、残りは、前記ビームの直径を縮小すべく配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項８】
複数の前記メニスカスレンズ（１）が、整列手段により、所定の許容差の範囲内で、傾斜なしで中心合わせされて相互に対して整列されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項９】
前記メニスカスレンズ（１）の各々が、好適には陽極酸化された、金属製材料で作成されて２つの開口部を備えた管体形状の取付け要素（５）内へと挿入され、
前記取付け要素（５）の両方の前記開口部においては、少なくとも一枚の更なるメニスカスレンズ（１）を備えた対応する更なる取付け要素（５）に対する接続手段がいずれも形成されることを特徴とする請求項８に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１０】
前記メニスカスレンズ（１）が、前記取付け要素（５）に対して、接合され、好適にはＵＶ光下で硬化する接着剤（１１）により接着剤結合され、及び／又は、前記取付け要素（５）に対して半田付けされ、及び／又は、確定的固定方法で接続されることを特徴とする請求項９に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１１】
前記取付け要素（５）内には、好適には環状である、少なくとも１つの停止部（８）であって、少なくとも一枚の前記メニスカスレンズ（１）が該取付け要素（５）内に挿入されたときに滑り落ちることを阻止し、且つ、挿入された前記メニスカスレンズ（１）が傾斜することを阻止する停止部（８）が形成されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１２】
前記取付け要素（５）の内周上の少なくとも１つの部分的領域が、前記メニスカスレンズ（１）に対して正確に嵌合する案内部（１０）であって、該取付け要素（５）内での前記レンズの中心合わせのための案内部（１０）として設計されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１３】
前記取付け要素（５）上には、更なる取付け要素（５）に対する調節不要の接続のための座面（１２、１３）が形成されることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１４】
前記取付け要素（５）の２つの前記開口部の一方が雄型コネクタの形態で形成され且つ２つの前記開口部の他方が雌型コネクタの形態で形成される結果、前記取付け要素（５）が、開口部の各々にてプラグイン接続により、対応する更なる取付け要素（５）に対して接続され得ることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１５】
前記取付け要素（５）の一方の開口部には内部螺条（６）が形成され且つ他方の開口部には外部螺条（７）が形成される結果、前記取付け要素（５）が、開口部の開口部にてネジ接続により、対応する更なる取付け要素（５）に対して接続され得ることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１６】
同一方法で形成された２つの開口部にて２つの取付け要素（５）を接続する少なくとも１つのスペーサリング（１４、１５）を具備する請求項１４又は１５に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１７】
前記取付け要素（５）の両方の開口部には、内部螺条（６）又は外部螺条（７）のいずれかが形成され、２つの取付け部材が、対応するスペーサリング（１４、１５）を介して接続され得ることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１８】
前記取付け要素（５）の両方の開口部にて、更なる取付け要素（５）に係合して螺入されるための突出部を有する同一種類の接続手段が形成される結果、２つの取付け要素（５）の前記突出部が、接続状態において、相互に背後を把持して配置されることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項１９】
目標波長付近における所定範囲に在る実際の波長における各収差を補正するために、好適には、当該波長適合的な補正素子自体の前記取付け要素（５）内に配置された少なくとも１つの波長適合的な補正素子を具備し、
当該屈折式ビーム整形器が、前記目標波長における動作に対して設計され、且つ、前記波長適合的な補正素子が、前記実際の波長において発散又は収束する光ビームを平行化光ビームへと変換すべく形成される請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項２０】
前記波長選択的な補正素子が、第１の外側の、中央の、及び、第２の外側の補正レンズを有し、それらの内の少なくとも一枚の補正レンズが、少なくとも１つの非球状表面を有することを特徴とする請求項１９に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項２１】
２枚の前記外側の補正レンズの内の一方が非球状表面を有し、且つ、２枚の前記外側の補正レンズの内の他方が、残りの２枚と比較して、前記光軸に沿って移動可能であることを特徴とする請求項２０に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項２２】
好適には、当該ズーム素子自体の前記取付け要素（５）内に配置された、連続的な中間倍率を設定するためのズーム素子を具備する請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の屈折式ビーム整形器。
【請求項２３】
前記ズーム素子が、第１の外側の、中央の、及び、第２の外側のズームレンズ群を有し、
前記外側のズームレンズ群及び前記中央のズームレンズ群の１つが、他方の外側のズームレンズ群と比較して、前記光軸に沿い移動可能であり、
移動され得ない前記ズームレンズ群が、好適には、非球状表面を有することを特徴とする請求項２２に記載の屈折式ビーム整形器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折式ビーム整形器に関する。斯かるビーム整形器は、種々の光学の分野において使用されている。視準を維持し乍ら、レーザビームの直径を拡大又は圧縮するビーム整形器、すなわち、所謂るビーム拡大器又はビーム圧縮器は、レーザビームの用法に関して重要な役割を演ずる、と言うのも、特に、多くの用途に対してビーム直径の倍率は非常に重要だからである、と言うのも、この様にすると、レーザビームが結合されるべき光学システムの有効口径が可能的に最適に使用され得るからである。
【背景技術】
【０００２】
このために、屈折式ビーム整形器に関し、現状技術においては種々の光学システムが知られている。それらは通常、少なくとも２枚のレンズを使用すると共に、ケプラー又はガリレオの望遠鏡の原理に基づいている。
【０００３】
故に、例えば、特許文献１には、相互に離間された負レンズ要素及び正レンズ要素から構成された無限焦点ビーム拡大器が記述されている。上記の２つのレンズ要素は、２つの要素の温度関連の屈折率の変化が補償されるように選択された異なる材料から成る。ビームの直径の種々の変化に対しては、種々のレンズ対が記述され、各レンズ表面の曲率は、球面又は非球面であり得る。故に、異なる倍率に対しては異なるレンズ組み合わせが使用されねばならず、且つ、変更の後ごとに、新たな調節が行われねばならない。
【０００４】
特許文献２においては、色収差補正式のズームビーム拡大器が記述されている。これは、個別的に色補正された３つの構成要素対から成り、その場合、１つの構成要素対は固定されると共に、他の２つの構成要素対は、固定された上記構成要素対に対し、且つ、相互に対して移動され得る。この様にして、調節可能な倍率が実現され得るものであり、これは、平行化されたレーザビームを、更に大きな断面積を以て同様に平行化されたレーザビームへと拡大するガリレオ望遠鏡型のビーム拡大器である。
【０００５】
特許文献２において記述されたデバイスに依れば、異なる倍率が可変的に設定され得るが、このシステムは、各々が相互に接合された２枚のレンズから成る３つのレンズ対を必要とするので、合計で６枚のレンズを必要とする。第１に、これにより構造は複雑化され、第２に、それは、少なくとも６枚というレンズの枚数の故に、例えば、別の倍率を設定するために２枚のレンズの一方が交換される特許文献１に記述された解決策よりも不経済である。これに加え、特許文献２に記述された解決策は、高出力を有するレーザと共に使用されるには適していない。これは、レンズ群に対する損傷に帰着し得る、と言うのも、レンズ群を形成するための個々のレンズの接合剤は、レンズのガラスよりも更に繊細に反応するからであり、しかも、ガラスは特に高出力に耐え切れない結果として、この場合には、反射屈折システムへの転換が為される。
【０００６】
現状技術において知られる解決策によると、一方における倍率の大きな融通性、及び、他方におけるビーム整形器の機械的又は熱的な安定性は、可能ではなく、又は、非常に大きな技術的負担によってのみ可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０２４０１９４号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第６９１０６５６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
故に、本発明の目的は、可及的に少ない個数の光学素子により機能する屈折式ビーム整形器を開発するに在る。ビーム整形器の取り扱い経験の無い者でさえも、簡素な方法で種々の倍率を設定し得、特に、拡大倍率又は縮小倍率の変更が、相互に対する各光学素子の新たな調節なしで機能し得るべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成する屈折式ビーム整形器は、以下の特徴を有する。それは、当該各メニスカスレンズの光軸に沿い配置された数枚のメニスカスレンズであって、各々の場合、光ビームの入射又は出射のために凹状に湾曲された表面と、上記光ビームの出射又は入射のために凸状に湾曲された表面とを有する数枚のメニスカスレンズを備えて成る。各メニスカスレンズの両方の表面は、該メニスカスレンズの光軸に対して平行に該レンズに入射する平行化光ビームが、該入射光ビームと比較して変更された直径を有する平行化光ビームとして出射するような曲率を有する。各収差を防止するために、上記２つの表面の少なくとも一方は、所定の非球面形状を有する。最も単純な場合、上記ビーム整形器は単体的な光学素子であり、この様にして形状化された単一枚のメニスカスレンズは既に、固定された拡大又は縮小を実現するに十分である。
【００１０】
上記メニスカスレンズは、光学的に活性である２つの表面が同心的に湾曲される所謂るヌルレンズであり、その場合、非球状表面に関する「同心的」という語句は、当該球状表面までの上記非球状表面上の各点の距離が中心において最小であるという意味において、近似として、その非球面形状に最も近い球状表面に関している。上記レンズの何処にビームが入射するかに依存して、その直径は拡大又は縮小される。もし光ビームが、凹状に湾曲された表面にてメニスカスレンズに入射し、凸状に湾曲された表面にて該レンズを再び出射するなら、ビーム直径は拡大される。他方、もし光ビームが、凸状に湾曲された表面にてレンズに入射すると共に、凹状に湾曲された表面にて該レンズを再び出射するなら、ビーム直径は縮小される。少なくとも一枚のメニスカスレンズは無限焦点素子であること、すなわち、平行化光ビームが、更に厳密には、メニスカスレンズに入射する平行な光ビームの束が、平行化光ビームとして、すなわち、平行である光ビームの束であるが、直径は変更された束として、上記レンズを再び離脱することが確実とされねばならない。
【００１１】
現状技術においては、特に、球面収差、非点収差及びコマ収差を意味する各収差を防止するために、少なくとも、３ｍｍまでの範囲内のビーム直径を拡大し得るためには、少なくとも２枚のレンズが必要とされる一方、斯かる各収差は、上記２つの表面の少なくとも一方が所定条件に従い非球面形状であるならば、防止され得る。球面収差は、防止されるか、又は、仮想的である元は球状の表面から開始するなら、非球面形状化により補正される。２つの球状表面を備えたメニスカスレンズの使用と比較して、本発明に係る屈折式ビーム整形器によれば、特に５ｍｍより大きい開始直径を備えた光ビーム、特にレーザビームもまた、結像エラーを生ぜずに、拡大され得る。
【００１２】
それぞれの表面の非球面形状は、所定の一群のパラメータと、該一群のパラメータが採用される関数とにより定義される。上記２つの表面の一方が球面状に形状化され且つ他方は非球面状に形状化されるか、両方の表面が、故に凹状に湾曲された表面及び凸状に湾曲された表面の両方が非球面状に形状化されることが可能である。各々の１つの非球面状に湾曲された表面は、上記光軸に対して直交する直線までの距離として非球面関数ｚ（ｈ）により適切に記述され、その場合、上記非球面関数ｚ（ｈ）は、種々の方法で定義され得ると共に、球面状に形状化されたレンズを記述する関数の代わりに、補正関数として理解され得る。変数ｈは、上記直線上における上記光軸までの距離を表す。上記所定の一群のパラメータの助力により、且つ、上記光軸に関する上記非球面状に形状化された表面の回転対称性を考慮すると、上記非球面関数は、上記非球面状に湾曲された表面を明確に記述する。上記一群の所定パラメータは、例えば、以下のパラメータを備えて成る。（ｉ）上記凹状に湾曲された表面の局所的最小半径ｒ、（ｉｉ）上記光軸上における上記メニスカスレンズの中心厚み、すなわち、この軸心に沿うレンズの厚み、（ｉｉｉ）上記メニスカスレンズが製造される、例えばガラス又はプラスチックなどの材料、（ｉｖ）縦横比、すなわち、上記メニスカスレンズの直径に対する上記中心厚みの比率、同様に、代替的にはメニスカスレンズの直径。更なる条件として、上記レンズに入射する前に且つ該レンズを出射した後に、各々の場合において光が平行化ビームとして進行する、ということが採用される。
【００１３】
もし、上記凹状表面が球状に湾曲されるなら、局所的半径ｒは、該表面上の全ての点で同一である。もし、上記凹状表面が非球状に湾曲されるなら、半径ｒはもはや一定ではないが、上記光軸の距離全体に亙り変化し、その場合、特定の位置の局所的値は、この位置の直近の曲率から帰着する。下限値、すなわち最小半径は、基本的に自由に選択され得るが、通例は、製造の判断基準を用いて定義される。非球状表面の場合の各局所的半径は、必ずしも同心的ではないことから、必ずしも、共通の中心点には関連しない。
【００１４】
上記凹状表面が非球面状に形状化された場合においてさえ、この表面の最小の局所的半径の仕様は、球状の凸状表面の半径を決定するのに十分である、と言うのも、それはそのときに、各表面の同心的な配置を考慮して中心厚みの事前決定を用いて、この最小半径に関連して明確に定義されるからである。
【００１５】
２つの非球状表面の場合、この仕様は、付加された自由度の故に、各表面を定義する上でもはや十分でなく、此処では、更なる条件として、例えば、断面において出射ビームが、殆ど均一な強度変化特性を有するのか、ガウス分布に従う強度変化特性を有するのかなど、各表面を決定するための変化特性又はパラメータ範囲として、出射光ビームの強度分布が事前決定される。上記光ビームの殆ど均一な強度変化特性は、所謂る超ガウス状分布である、高次のガウス分布に従う強度変化特性により近似される。その形状の故に、この強度変化特性は、トップハット変化特性とも称される。通常のガウス分布と、トップハット変化特性との間の全ての変化特性形状、すなわち、トップハット変化特性以外の低次のガウス分布もまた、必要であるならば、強度分布として事前決定され得る。
【００１６】
非球面関数の複雑さの故に、これは、又は、該関数を記述する各係数は、反復的に決定される。上記一群のパラメータを事前決定すると、各々の場合において関数ｚ（ｈ）により定義される表面が明確に決定されることが確実とされ、その場合、該関数の選択に依存して、これを決定する各係数もまた、選択的に明確に決定され得る。
【００１７】
特に好適な設計態様において、上記凹状に湾曲された表面は球面状に形状化されると共に、上記凸状に湾曲された表面は所定の非球面形状を有し、このことは、メニスカスレンズの各表面の作製の間において機械による凸状表面の更に容易な利用可能性の故に、製造上の利点を有する。上記凸状に湾曲されて非球面状に形状化された表面は、次の関係により記述され得る。
【００１８】
【数１】
2014206740.tif 000003
【００１９】
式中、Ｋは所謂る円錐定数であり、ｉ及びＮは自然数であり、Ａ2iはｈにおける多項式の係数である。Ｒは、仮想的な円錐曲線表面の頂点における該表面の半径、すなわち、直近の焦点からの該頂点の距離を表す。上記円錐曲線表面の頂点及び焦点は、いずれも、上記光軸上に在る。その場合、上記頂点における上記円錐曲線表面の接線は、上記に挙げられた直線と一致する。上記係数、すなわち、円錐定数Ｋ及び半径Ｒは、反復的に決定される。
【００２０】
式（１）により記述された非球面関数ｚ（ｈ）は、非球面状に形状化された表面の形状が如何にして事前決定され得るかの一例にすぎない。非球面形状を事前決定するための別の可能性は、以下の関係を使用することである。
【００２１】
【数２】
2014206740.tif 000004
【００２２】
此処で、ｈ0は、変数ｈに対する標準的な半径である。式（１）及び（２）、及び、これらの式中で使用される残りの変数と同様に、上記多項式の係数Ａi及びＱiは、この点において例証のために明示的な参照が為される国際規格ＩＳＯ  １０１１０−１２に詳細に記述される。
【００２３】
上記非球面関数は先ず、各レンズの表面を、断面においてのみであることから、２次元にて記述する。しかし、メニスカスレンズは、その光軸に関して回転対称的であることから、湾曲表面上の残りの各点は、上記光軸の回りにおける単純な回転により求められる。この意味において、そのときに円錐曲線表面は、球面、回転楕円面、回転放物面、又は、回転双曲面と見做され得、そのときに上記直線又は接線は、対応する接線表面内に在る。
【００２４】
コンパクトな構造及び容易な操作を可能とする好適な設計態様において、上記縦横比は、０．５〜２の間、特に好適には１に在り、この場合にメニスカスレンズの中心厚み及び直径は同一である。補足的に又は代替的に、凹状表面が球面状に形状化されるならば、半径ｒが、又は、非球面状に形状化された表面の場合には、局所的半径が、１０ｍｍと、少なくとも一枚のメニスカスレンズの直径の約２倍との間の範囲内に在り、小さい方の値は局所的最小半径に略々対応するものでもある。
【００２５】
上記メニスカスレンズの材料としては、ガラス、プラスチック又は半導体が考慮され、その場合、具体的な選択は、ビーム整形器が使用される波長又は波長範囲により影響される。故に、例えば、赤外領域における光を発するレーザに対しては、メニスカスレンズがケイ素又はゲルマニウムから製造される屈折式ビーム整形器が好適である。例えば、可視領域においてガラスに対しては、各々の場合においてλd＝５４６ｎｍの波長にて、ｎd＝１．７７３の屈折率を有する重フリントガラス（Ｓ−ＴＩＨ６）又はｎd＝１．５０７の屈折率を有するホウケイ酸クラウンガラス（Ｎ−ＢＫ７）が考慮される、と言うのも、これらは、比較的に安価なガラスだからである。紫外の波長範囲における用途に対し、且つ、大きなレーザ出力に対し、メニスカスレンズのための材料としては、石英ガラスが特に適している。もし、ビーム整形器において数枚のメニスカスレンズが相互に組み合わされるなら、これらは当然乍ら、異なり材料から成り得る。
【００２６】
ビームの直径を変化させる現状技術からのビーム整形器と比較して、本発明に係る屈折式ビーム整形器に依れば、ビーム直径の変更は、単一の光学素子、すなわち上記少なくとも一枚のメニスカスレンズのみにより達成され得る。ビーム直径を変化させる習用の光学システムと比較して、相当の利点とはまた、上記光軸に沿う長手方向の延在範囲、及び、直径の両方に関し、上記少なくとも一枚のメニスカスレンズが更にコンパクトなことである。この様にして、操作は簡素化され、典型的な直径は、例えば、２〜５センチメートルの範囲内に在る。
【００２７】
ビーム直径の単一の固定された拡大倍率又は縮小倍率は、まさに一枚の個別的なメニスカスレンズにより達成され得る。凹状に湾曲された表面が球面状に形状化された、ビーム直径を拡大するビーム整形器において、ガラスの屈折率ｎと、凹状に湾曲された表面の半径ｒと、メニスカスレンズの中心厚みＭとの関数である倍率Ｖは、次の如くである。
【００２８】
【数３】
2014206740.tif 000005
【００２９】
可視領域において、上記に挙げられたガラスが使用されるなら、個別的なメニスカスレンズにより、略々２．５の係数までの倍率が可能であり、赤外領域において、これは３．５の係数までである。
【００３０】
倍率の選択において更に大きな融通性を実現するために、当該各メニスカスレンズの光軸に沿い、数枚のメニスカスレンズが相次いで配置される。例えば、各々の場合に１．５の倍率を有する同一種類の２枚のメニスカスレンズの順次的な配置によれば、２．２５の全体的倍率が達成され得る。
【００３１】
最も単純な場合には、光学台上に、異なる拡大倍率又は縮小倍率を有する２枚以上のレンズが、当該レンズの光軸に沿い相次いで配置されることも可能であり、例えば、４枚のレンズに依れば１６の係数までの倍率、及び、５枚のレンズに依れば３２の係数までの倍率が実現され得る。各レンズの直径は、唯一の制限を構成する。これに加え、光軸上での整列に依存して、メニスカスレンズの各々は、拡大要素又は縮小要素のいずれかとして使用され得、このことは特に、ビーム拡大の選択における大きな融通性に帰着する、と言うのも、この様にすると、個々のメニスカスレンズの実際の倍率の間に在る中間倍率もまた、個別的に、又は、順次に設定され得るからである。故に、まさに５枚のメニスカスレンズにより、６２通りの異なる倍率が設定され得る。
【００３２】
光学台上の配置は可能ではあるが、平行化ビームの品質を維持するためには、一方では光軸の回りにおける各レンズの傾斜、他方では光軸上での中心合わせに関し、各メニスカスレンズの相互に対する手動的で正確な整列が必要とされる。このことは、拡大倍率又は縮小倍率の変更が希にしか必要とされず、又は、全く必要とされない構造に対しては完全に容認可能であり得るが、日々における業務用途において、例えば、拡大倍率が頻繁に変更されるべきであれば、この手順は非実用的であることが判明している。
【００３３】
故に、好適な設計態様において、上記屈折式ビーム整形器は、数枚のメニスカスレンズの、光軸上での、所定の許容差の範囲内で傾斜なしで中心合わせされた相互整列のための整列手段も備えて成り、その場合、この整列は当然乍ら、所定の許容差の範囲内でのみ、傾斜なしでの中心合わせである。
【００３４】
相次いで配置された数枚のメニスカスレンズの全体的システムが考慮されるとき、依然として傾斜なしと区分され得る角度範囲は、共通の光軸に対し、±１．０°の範囲内の誤差を許容する。故に、可及的に多数枚のレンズを相次いで配置し得るために、個々のレンズの傾斜もまた可及的に小さくされるべきであることから、個々のレンズに関し、全体的システム又は平行化ビームの光軸の位置に対する該レンズの光軸の位置の逸脱は、好適には±０．０７°のみである。もし、２枚のみのレンズが相次いで配置されるべきであれば、此処では、±１．０°の最大許容差が使用され得る。
【００３５】
依然として中心合わせされたと区分され得る範囲は、再び、相次いで配置された数枚のメニスカスレンズの全体的システムに基づき、光軸に直交する±１ｍｍの移動の範囲内の誤差を許容する。１つのビーム整形器又は１つのビーム整形システムにおいて可及的に多数枚のメニスカスレンズを一体的に組み合わせ得るために、２枚のメニスカスレンズの間において、許容差は好適には±０．１４０ｍｍに在る。
【００３６】
特に好適な設計態様において、これらの整列手段は、少なくとも一枚のメニスカスレンズが挿入される２つの開口を備えた管体形状の取付け要素を備えて成る。該取付け要素の両方の開口部には、各々の場合において、少なくとも一枚の更なるメニスカスレンズを備えた対応する更なる取付け要素に対する接続手段が形成される。各取付け要素内へと一枚のレンズが挿入され得るが、１つの取付け要素内に数枚のレンズが保持されることも可能である。各取付け要素が一枚のみのレンズを収容するなら、各取付け要素は、同様に非常にコンパクトに設計され得ると共に、種々のメニスカスレンズの組み合わせ、故に、種々の拡大倍率又は縮小倍率の組み合わせに関して可能的に最高であるという程度の融通性を提供し得る。
【００３７】
各取付け要素は、例えば、各取付け要素に対して為される要求に依存して選択され得る種々の材料から製造され得る。もし、作業が室温にて行われ、又は、温度の変動が影響を与えないのであれば、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）及びポリオキシメチレン（ＰＯＭ）のようなプラスチック、ＡＺ９１−Ｄのようなマグネシウム、６０６１Ｔ６のようなアルミニウム合金、ＯＮＳＣ４６４００のような真鍮、１．４３０５のようなステンレス鋼、又は、Ｔｉ6Ａｌ4Ｖのようなチタン合金が使用され得、その場合に金属製材料は好適には陽極酸化もされる。特に、最後に挙げられたチタン合金は、既に上記で挙げられたガラスの熱的特性の故に、該ガラスと共に使用されるに非常に適している、と言うのも、この合金及び上記ガラスは、同様の熱膨張率を有するからである。上記取付け要素に対しては、プラスチックも可能的な材料である。もし上記屈折式ビーム整形器が大きな温度変動に委ねられるなら、各レンズに対する材料、及び、各取付け要素に対する材料は、２種類の構成要素の熱膨張に起因する物理的な歪みであって、結像品質の低下に帰着し得る物理的な歪みが回避されるように、選択されるべきである。
【００３８】
各々の場合に容認可能な許容差の範囲内であるメニスカスレンズが、最小限度の傾斜を以て且つ最小限度の偏心を以て、取付け要素内に保持されることに留意すべきである。故に、取付け要素内への挿入は、永続的な接続を以て工場において実施され、ユーザに対してまで任されるべきではないが、例えば、メニスカスレンズが交換されるべきであれば、斯かる解決策でさえも想起され得る。この場合には、取付け要素に対するメニスカスレンズの純粋な確定的固定接続関係及び／又は摩擦固定接続関係が好適であり得る。但し、レンズ又は取付け要素に対する損傷の故に必要であるなら、取付け要素をメニスカスレンズと一緒に交換することが更に容易であることが多い。故に、結局は、取付け要素に対するメニスカスレンズの永続的な接続が好適である。故に、好適な設計態様において、メニスカスレンズは取付け要素に対して接合される。例えば、このために、ＵＶ光下で硬化する接着剤が使用され得る結果、レンズも取付け要素も熱負荷には委ねられない。上記の２つの部材の半田付け、又は、メニスカスレンズを取付け要素内に永続的に且つ選択的には熱的に安定した方法で固定する他の任意の確定的な物質による結合もまた、試行かつ試験される手段である。
【００３９】
使用の間において、一方ではメニスカスレンズが滑り落ちることを、他方では傾斜することを阻止するために、上記取付け要素内には、このことを厳密に阻止する少なくとも１つの環状停止部が形成される。もし、後時に挿入されるレンズが、最初に挿入されるメニスカスレンズよりも大きな直径を有するなら、この様にして、１つの取付け要素内に、数枚のレンズが相次いで配置されることも可能である。上記環状停止部は、上記取付け要素に対する別体的なインサートとして形成され得るが、それはまた、この取付け要素上に形成されることも可能である結果、上記停止部及び取付け要素は一体片として製造される。傾斜を阻止すべく、上記停止部は、例えば、挿入された状態において、当該平坦表面上に、メニスカスレンズに形成された平坦表面が位置する平坦表面を有し得る。上記レンズの平坦表面は、例えば、凹状に湾曲された表面を含む該メニスカスレンズの側に形成され得る、と言うのも、通常は此処には十分な空間が在るからである。これに加え、上記停止部は全体に亙り環状に形成される必要はなく、例えば、内周上に三点軸受の方法で配置された３つの表面などの、数個の平坦表面を備えた開放リングも想起可能である。
【００４０】
上記取付け要素内でメニスカスレンズを案内すべく、且つ、その中心合わせを確実とするために、上記取付け要素の内周上の少なくとも１つの部分的領域は好適には、上記少なくとも一枚のメニスカスレンズに対して正確に嵌合する案内部として設計される。この案内部は、上記停止部に加え、傾斜を阻止する。従って、上記少なくとも１つの部分的領域に対し、接着剤は適用されない。正確な嵌合にも関わらず、上記取付け要素をすり抜けることにより該取付け要素内へと上記メニスカスレンズを挿入すること、及び、静的摩擦が大き過ぎるが故の挟持を阻止することを可能とするために、上記メニスカスレンズの円筒体縁部は、例えば研磨されるなどして円滑化され、上記案内部に対して配備された表面もまた、円滑化され得る。上記部分的領域を上記取付け要素の内周上で一体片として製造することは、プラスチックのような低コスト材料だけでなく、真鍮又は他の金属製材料による製造に関しても特に好適であるが、代替的に、例えば、上記取付け要素内へと螺入され、挟持され、又は、接着剤結合される別体的なアダプタもまた、案内部として使用され得る。第１の場合、環状の正確に嵌合する案内部は交換可能である結果、１つの取付け要素内へと異なる直径のメニスカスレンズも挿入され得るので、取付け要素は、挿入されるべきレンズに対し、又は、その直径に対し、厳密に整合される必要はない。
【００４１】
上記内周上で、所定の許容差の範囲内で正確に嵌合する上記案内部は、環状に設計される必要はなく、例えば、三点案内部も可能であり、その場合、メニスカスレンズは、例えば各々の場合において相互に１２０°の角度にて上記周部上に配置された３つの別個の部分的領域に着座する。
【００４２】
２つの取付け要素を接続する上記手段は、種々の方法で実現され得るが、その際に、各々の場合において、２つの取付け要素の間の接続構造の作製の後、それらの内部に配置される各メニスカスレンズは相互に整列されることから、個々のメニスカスレンズの光軸は全て共通軸心上に位置することに留意すべきである。
【００４３】
上記接続手段を実現する単純な可能性は、各取付け要素の２つの開口部の一方を雄型コネクタの形態に、且つ、２つの開口部の他方を雌型コネクタの形態に形成することである結果、取付け要素は、各開口部にてプラグイン接続により、対応する更なる取付け要素に対して接続され得る。最も単純な場合、雄型コネクタは雌型コネクタ内に挟持されることから、摩擦固定接続関係が生成される。上記プラグイン接続は、差込式固定機構（ｂａｙｏｎｅｔ  ｌｏｃｋ）として設計されるか、斯かる差込式固定機構により補足されることも可能であり、その場合、２つの取付け要素は、挿入−回転運動により、相互に対して差し込まれる。確実さのために、上記差込式固定機構は、捕捉部を備えて成り得る。
【００４４】
代替的な設計態様において、上記取付け要素は、同一方法で形状化された２つの開口部により設計されることも可能であり、その場合、２つの開口部には、例えば、円周部から内方にオフセットされた突出部を備えた同一種類の接続手段が形成される。その場合、２つの取付け要素は、挿入−回転運動により相互に対して同様に接続される結果、一方の取付け要素の開口部の縁部に形成された上記突出部は、他方の取付け要素上の対応突出部の背後を把持する。この設計態様は、確実さのために、捕捉接続構造により補足されることも可能である。
【００４５】
相互に接続された少なくとも２つの取付け要素から成るビーム整形システムの高い安定性は、例えば、取付け要素の一方の開口部には内部螺条が形成され且つ他方の開口部には外部螺条が形成されるならば、確定的固定接続関係により達成されることも可能である。この様にして、上記取付け要素は、各開口部にて、対応する更なる取付け要素に対してネジ接続により接続され得る。ネジ接続は、容易な取扱いが必要なときに好適である。
【００４６】
２つの取付け要素を相互に対して整列させるために、且つ、２つの取付け要素の傾斜又は傾きを防止することで、相互に対するメニスカスレンズ同士の調節の喪失を防止するために、各取付け要素は好適には、好適に円周方向に環状に又は円錐状に形成されて特に高い安定性を達成する座面を有し、円錐状の設計態様によれば、上記接続の生成が更に容易とされる。上記各座面はまた、それらの縁部上に、相互に対して挿入されるときに上記接続の生成を同様に更に容易とする面取り部も備え得る。
【００４７】
座面は、ネジ接続の場合に特に好適である、と言うのも、この場合には、遊びが更に寛容に設計され得るからであり、該接続の生成が更に円滑とされる。プラグイン接続によれば、各座面は、雄型コネクタ及び雌型コネクタの方法で相互に当接して着座する表面に対応し得る。
【００４８】
雄型コネクタ又は外部螺条を備えた開口部の場合、座面は、この領域において取付け要素の外周又は外側部上に同様に形成され、雌型コネクタ又は内部螺条を備えた開口部の場合、座面は、この領域において取付け要素の内周又は内側部上に形成される。各座面は、例えば金属製取付け要素の場合には研磨されるなどして、適切に円滑化される。
【００４９】
相互に対して接続され得る数個のセグメント、すなわち、メニスカスレンズが自身内に挿入された複数の取付け要素から成る上記屈折式ビーム整形器の構成によれば、両方の種類の接続構造により、ユーザによる個々のメニスカスレンズの相互に対する調節は省略され、特定の調節を行う必要なしで、複数の異なる拡大倍率又は縮小倍率が実現され得る、と言うのも、個々のメニスカスレンズは、それぞれ許容差の範囲内で、それらの取付け要素内で既に傾斜なしで中心合わせされて整列されるからであり、この結果、熟練していない作業員によってさえも、個々のセグメントの組み合わせが可能となる。故に、全体として、種々の倍率を設定するための上記屈折式ビーム整形器の操作は、更に相当に容易とされる。
【００５０】
各取付け要素を、対応する螺条又はプラグイン接続を介して直接的にだけでなく、スペーサリングを介しても相互に接続することは、本発明の有効範囲内である。故に、好適な設計態様において、上記屈折式ビーム整形器は、２つの取付け要素を、同一方法で形成された２つの開口部にて接続する少なくとも１つのスペーサリングを備えて成る。このことは、例えば、光ビームが、最初に拡大されてから、例えば、レーザビームのビーム拡大における中間過程を実現するために、再び縮小されるときに有用であり得る。取付け要素の２つの開口部を同一方法で設計することで、例えば、両方の開口部に内部螺条又は外部螺条を備えることも想起可能である。この場合、上記接続手段は、基本原理としてスペーサリングを備えて成り、これを介して２つの取付け要素は相互に対して接続され得る。もし、取付け要素上に２つの内部螺条が配備されるなら、外部螺条を備えたスペーサリングが内側に配置され、また、取付け要素の２つの開口部に、各々の場合に外部螺条が形成されるとき、２つの取付け要素は、内部螺条を備えたスペーサリングを介して接続される。スペーサリングによれば、同一方法で構成された開口部間のネジ接続が生成されるだけでなく、差込式固定機構を備えた又は備えないプラグイン接続もまた、この様にして実現され得る。
【００５１】
上記屈折式ビーム整形器は好適には、使用に際するときに更に大きな融通性を許容する光学素子により補足され、これらの光学素子は好適には、それら自身の取付け要素内に同様に配置される結果、それらは、所望に応じて、メニスカスレンズを保持する取付け要素と組み合わされ得る。
【００５２】
故に、上記屈折式ビーム整形器は、好適な設計態様において、目標波長の近傍における所定範囲に在る実際の波長における各収差を補正する波長適合的な補正素子を備えて成り、その場合、上記ビーム整形器は上記目標波長における動作に対して設計され、且つ、上記波長適合的な補正素子は、上記実際の波長において発散又は収束する光ビームを平行化光ビームへと変換すべく形成される。
【００５３】
ビーム整形器は、該整形器が、例えば、当該レーザの下流に該ビーム整形器が接続されたレーザの開始波長に対応する目標波長における平行化ビームを、平行化ビームへと戻し変換するように、各レンズ及び個々の光学素子に対する材料の選択に従い設計されるが、上記光が、目標波長から逸脱する実際の波長を有するときには、結像の偏差が生ずる。そのとき、開始光ビームはもはや収束的ではないが、該開始光ビームは、上記実際の波長が上記目標波長よりも長いか短いかに依存して、発散的又は収束的である。上記波長適合的な補正素子によれば、上記実際の波長における発散又は収束ビームは、平行化ビームへと戻し変換される。
【００５４】
好適には、上記波長適合的な補正素子は、３つの、補正レンズ、又は、接合された構成要素の形態の補正レンズ群を備えて成り、その場合、可及的に少ないレンズにて機能することが好適である。特に好適には、上記波長適合的な補正素子は、第１の外側の、中央の、及び、第２の外側の補正レンズを備えて成り、その場合、各補正レンズの内の少なくとも一枚の補正レンズは、好適には外側の各補正レンズの一方は、少なくとも１つの非球状表面を有する。上記（各）非球状表面によれば、目標波長から逸脱する実際の波長により引き起こされる更なる収差が、補正され得る。波長範囲からの種々の波長を、目標波長付近へと適合化することを可能とするために、各補正レンズの内の少なくとも一枚の補正レンズは、他の２枚の補正レンズと比較して、光軸に沿い移動可能に配置される。各外側レンズの内の一方のみが非球状表面を有するなら、これは好適には固定して配置され、すなわち、例えば、取付け要素内に固定的に取入れられるが、そのとき、該レンズと、同様に固定的に配置された中央の補正レンズと比較して、他方の外側補正レンズは移動可能である。この移動は、例えば、写真用の対物レンズに対して公知であるような、取付け要素上の対応する回転可能なリング又はピンにより行われ得る。波長適合的な補正素子において可能である変位長さが大きいほど、目標波長から逸脱する実際の波長に対する補正が可能である波長範囲は大きい。個々の補正レンズは、同一材料から構成され得るが、このことは必須ではない。
【００５５】
上記屈折式ビーム整形器の融通性を高める更なる光学素子はズーム素子であり、これもまた同様に、連続的な中間の拡大倍率又は縮小倍率を設定するための、ビーム整形器の一部である。上記ズーム素子はまた好適には、それ自体の取付け要素内に配置され、これにより、一方では、他の取付け要素に対する接続が更に容易とされ、他方では、該ズーム素子の設定も更に容易とされる。個々のメニスカスレンズの相次ぐ配置によれば、離散的な段階におけるビーム直径の拡大又は縮小のみが達成され得るが、上記ズーム素子の助力によれば、２つの離散的な段階の間の範囲を包含する中間倍率を連続的に設定することが可能であり、その場合、上記ズーム素子の最大倍率が達成されたときには、該ズーム素子は、例えば、ビーム経路から排除されると共に、対応するメニスカスレンズにより交換され得る。
【００５６】
好適には、上記ズーム素子は、第１の外側の、中央の、及び、第２の外側のズームレンズ群を備えて成り、その場合、好適には、上記外側の各ズームレンズ群の一方の群、及び、上記中央のズームレンズ群は、他方の外側のズームレンズ群と比較して、上記光軸に沿い移動され得る。好適には、移動され得ないズームレンズ群は、上記ズーム素子の挿入により引き起こされた収差を補正するための非球状表面を有する。
【００５７】
上記ズーム素子は、実質的に鏡面対称的に構成され得ると共に、個別的なレンズが使用されるのであれば、該ズーム素子は、例えば、第１及び第２の外側のズームレンズ群としては、同一材料で作成された両凸の要素を、及び、中央のズームレンズ群としては、別の材料から作成された両凹の要素を備えて成り得る。但し、この対称性は、静止的である外側のズームレンズ群の外側部における非球状表面により破られる。全てのズームレンズ群が同一の材料から構成されることも可能である。但し、異なる材料が使用されるなら、上記ズーム素子は色収差補正的に補正され得ることから、種々の波長における使用が可能とされる。
【００５８】
一方の外側のズームレンズ群、及び、中央のズームレンズ群は、一体的に移動され、すなわち、結合されるが、変位長さは異なり、上記結合は非線形である。調節は、例えば、ズーム素子が内部に配置される取付け要素の外周上の対応リング又はピンであって、ビーム整形器の各メニスカスレンズに対する更に容易な接続のために配置されたリング又はピンにより実施され得る。
【００５９】
上記にて言及された特徴、及び、以下において説明されるべき特徴は、述べられた組み合わせにおいてだけでなく、本発明の有効範囲から逸脱せずに、他の組み合わせで、又は、単独で適用可能であることは理解される。
【００６０】
本発明は以下において、本発明に必須の特徴を同様に開示する添付図面を参照して、例示的にのみ更に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】ビーム変化特性と共に屈折式ビーム整形器の基本形態を示す図である。
【図２】非球面的な計算に対して最も重要な変数の図解である。
【図３】メニスカスレンズによる屈折式ビーム整形器の第１の設計態様を示す図である。
【図４】メニスカスレンズによる屈折式ビーム整形器の更なる設計態様を示す図である。
【図５】メニスカスレンズによる屈折式ビーム整形器の第３の設計態様を示す図である。
【図６ａ】２通りの設計態様において数枚のメニスカスレンズを備えたビーム整形器を示す図である。
【図６ｂ】２通りの設計態様において数枚のメニスカスレンズを備えたビーム整形器を示す図である。
【図７】メニスカスレンズが取付け要素内に挿入されたビーム整形器を示す図である。
【図８】メニスカスレンズを備えた数個の取付け要素が相互に対して接続されたビーム整形器を示す図である。
【図９】２つの取付け要素を接続する第１のスペーサリングを示す図である。
【図１０】２つの取付け要素を接続する第２のスペーサリングを示す図である。
【図１１】メニスカスレンズを備えると共に、スペーサリングを介して相互に対して部分的に接続された４つの取付け要素を示す図である。
【図１２】両方の開口部が同一方法で形成された取付け要素を示す図である。
【図１３】図１２に示されたような取付け要素を２つ接続した図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
先ず、図１には、屈折式ビーム整形器の基本形態、及び、このビーム整形器によるビーム変化特性が示される。上記ビーム整形器は、少なくとも一枚の、示された例においては厳密に一枚の、メニスカスレンズ１を備えて成る。これは、凹状に湾曲された表面２及び凸状に湾曲された表面３を有する。光ビームは、凹状に湾曲された表面２を通してメニスカスレンズ１に入射してから凸状に湾曲された表面３にてメニスカスレンズ１を出射し得るか、又は、それは、凸状に湾曲された表面３を介してメニスカスレンズ１に入射すると共に、凹状に湾曲された表面２を介して、該レンズを再び出射する。２つの可能的な光路は、対応する矢印により特定される。表面２及び３はいずれも、少なくとも一枚のメニスカスレンズ１の光軸４に平行に該メニスカスレンズに入射する平行化光ビームが、入射した光ビームと比較して変更された直径を有する平行化光ビームとして再び該レンズを出射するような曲率を有する。故に、光路に依存し、平行化ビームの直径は縮小又は拡大される。入射した平行化光ビームが、出射の後でも依然として平行化されると共に、直径全体に亙り同一の強度を有することを確実とするために、２つの表面２、３の少なくとも一方は、収差、特に球面収差、コマ収差及び非点収差を回避する所定の非球面形状を有する。
【００６３】
球状表面の使用と比較して、非球状表面を使用すると、各収差の補正が行われる。基本的に、２つの球状表面によってもビーム整形は可能であるが、そのときには、概算として、小角度に対し、又は、３ｍｍ未満の直径を有するレーザビームに対してのみであり、これは多くの用途に対して十分でない。この故に、２つの球状表面を有する斯かる異なる要素、又は、２枚のレンズを直列接続することは可能でない、と言うのも、開始ビームは既に、第２段階に対しては大きすぎる直径を有し、且つ、各収差が破滅的な方法で顕著になるからである。２つの表面２又は３の少なくとも一方が所定方法で非球面状に形状化されるメニスカスレンズ１を備えたビーム整形器の設計態様によれば、大きな精度を以て、５ｍｍ超のビーム直径も設定され得る。
【００６４】
凹状に湾曲された表面２が非球面状に形状化されるか、又は、凸状に湾曲された表面３が非球面状に形状化される。特定の場合、例えば、各収差が防止されるだけでなく、ビームにおける強度分布が、例えば、ガウス形状変化特性から、所謂る超ガウス状又はトップハット変化特性（ｔｏｐ−ｈａｔ  ｐｒｏｆｉｌｅ）とも称される殆ど均一な変化特性へと変更され、表面２及び３の両方を非球状に形成することも有用であり得る。通常のガウス分布とトップハット変化特性との間の全ての変化特性形状、すなわち、トップハット変化特性以外の低次のガウス分布もまた、必要であるならば、強度分布として事前決定され得る。
【００６５】
非球面状に湾曲された上記表面の各々は、上記光軸に直交する直線までの距離として、非球面関数ｚ（ｈ）により記述され得る。ｈは、この直線上における上記光軸までの距離である。図２には個々の変数が示され、此処では例示的にのみ、凸状に湾曲された表面３が非球面状に形状化される。中心厚みはＭにより、且つ、直径はｄにより表される。非球面関数ｚ（ｈ）は反復的に決定され、その場合、凹状に湾曲された表面の局所的最小半径ｒと、光軸４上におけるそれぞれのメニスカスレンズ１の中心厚みＭと、メニスカスレンズ１が製造される材料と、縦横比、すなわち、それぞれのメニスカスレンズ１の中心厚みＭと直径ｄとの間の比率とが、パラメータとして事前決定される。２つの非球状表面の場合には、定義のためには更なるパラメータが必要とされ、その場合に此処では、更なる領域のパラメータとして、例えば先に記述されたように、出射する光ビームの強度分布も事前決定される。非球面関数ｚ（ｈ）により記述された表面は、これらの仕様により明確に定義され得る。例えば、非球面状に湾曲された上記表面は、次の関係により記述され得る。
【００６６】
【数４】
2014206740.tif 000006
【００６７】
式中、Ｋは円錐定数であり、ｉ及びＮは自然数であり、且つ、Ａ2iはｈにおける多項式の係数である。Ｒは、上記光軸上に位置する頂点における円錐曲線表面の半径であり、すなわち、この円錐曲線表面の頂点から、それの直近焦点までの距離であり、その場合、焦点及び頂点は上記光軸上に位置する。その場合、上記直線は、この頂点における上記円錐曲線表面の接線に対応する。
【００６８】
図３及び図４には、各々の場合、２つの表面２、３の一方のみが非球面状に形状化されたメニスカスレンズ１を備えて成る屈折式ビーム整形器が示される。図５には、非球面状に湾曲された２つの表面２、３をメニスカスレンズ１が有するビーム整形器が示される。
【００６９】
図３及び図４に示されたメニスカスレンズ１において、縦横比は約０．８９であることから、メニスカスレンズ１の直径は、中心厚みよりも僅かだけ大きい。図５に示されたメニスカスレンズ１の場合、縦横比は０．９５に在る。全ての場合においてレンズの直径は２５ｍｍにすぎないことから、それは非常にコンパクトなビーム整形器である。
【００７０】
図３に示されたビーム整形器のメニスカスレンズ１は、１０ｍｍの半径を以て球面状に形状化された凹状に湾曲された表面２を有する。凸状に湾曲された表面３は、非球面状に形状化される。
【００７１】
他方、図４に示されたビーム整形器のメニスカスレンズ１は、非球面状に形状化された凹状に成形された表面２を有するが、凸状に湾曲された表面３は、２２．５ｍｍの半径を以て球面状に形状化される。
【００７２】
図５に示されたビーム整形器の設計態様において、メニスカスレンズ１は非球面状に湾曲された２つの表面を有し、凹状に湾曲された表面２及び凸状に湾曲された表面３の両方が非球面状に形状化される。
【００７３】
全ての３つの場合において、メニスカスレンズ１に対する材料としては、Ｎ−ＢＫ７の略号によっても知られるホウケイ酸クラウンガラスが使用された。ホウケイ酸クラウンガラスと同様に、可視領域においては、重フリントガラス（Ｓ−ＴＩＨ６）も使用可能であり、両方のガラスは安価である。当然乍ら、基本的に、他の全てのガラス、及び、プラスチックもまた、考慮に入る。通常のフリントガラス、又は、例えばＺｅｒｏｄｕｒ（登録商標）も使用され得る。ビーム整形が、ＵＶ領域における波長にて、及び／又は、大きなレーザ出力に対して実施されるなら、石英ガラスも適切である。赤外領域に対しては、幾つかの例を挙げると、メニスカスレンズ１に対する材料としては、ケイ素又はゲルマニウムも考慮に入る。
【００７４】
図３乃至図５に示されたメニスカスレンズ１において、縦横比は約１に在るが、それは好適には、０．５〜２に在る更に大きな範囲において選択され得る。良好な結像品質を達成するために、図３乃至図５に示された例に関し、凹状に湾曲された表面２の局所的半径ｒは、例えば、１０ｍｍと、メニスカスレンズ１の直径の約２倍であることから約５０ｍｍとの間の範囲から選択され得る。その場合、球状に凸状に湾曲された表面３は、凸状に湾曲された該表面３及び凹状に湾曲された表面２が相互に同心的に配置される、又は、対応する各半径が同一の原点から開始する、という条件から帰着する。非球面状に形状化された表面の場合、該非球面状に形状化された表面に最も近い球状表面が、同心的に配置される。
【００７５】
個々のメニスカスレンズ１として、先に記述された上記屈折式ビーム整形器の単純な設計態様により、平行化光ビームの直径は、多くの用途に対し、既に十分に拡大又は縮小され得る。現状技術と対照的に、光学的に活性である２つの表面の少なくとも一方、すなわち、凹状に湾曲された表面２及び／又は凸状に湾曲された表面３の非球面形状の故に、単一レンズにより機能することが可能であり、高いビーム品質が達成され得、その場合、ビーム整形器の製造の間において、現状技術においては必要とされるような、数個の要素の相互に対する入念な調節が省略される。これに加え、現状技術において知られるビーム拡大器においては、相互から空間的に離間された少なくとも２つの光学素子が使用される結果、少なくとも４つの光学活性表面が考慮されるべきであるが、此処までに既に記述された上記屈折式ビーム整形器は、単一の要素のみが使用されるので、少ない個数の光学活性表面により機能する。
【００７６】
例えば、図３乃至図５に関して記述された寸法を以て、存在する経路長内に容易に挿入され得るコンパクトな構成が追求されるなら、単一枚のメニスカスレンズ１により、通例は、可視領域においては２．５以下であり、且つ、赤外領域においては３．５以下である単一の倍率が実現され得る。但し、厳密には、上記のコンパクトな構成によれば、光軸４に沿い数枚のメニスカスレンズ１を相次いで配置することも可能であり、それにより、個々のメニスカスレンズ１と比較して、光ビームの直径の更に大きな変更が帰着する。斯かる例は、図６ａに示される。１．４ｍｍの小径を有して左側から到来するレーザビームが、各メニスカスレンズ１の縦列接続として形成された屈折式ビーム整形器を通過するとき、該レーザビームは、該レーザビームの直径が殆どメニスカスレンズ１の直径の値を達成するまで、拡大される。図６ａに示された配置構成において、ビーム整形器は４枚のメニスカスレンズ１を備えて成るが、該システムは、屈折式ビーム整形器を出射した後の端部において光ビームの直径がどれだけ大きくされるべきかに依存して、更に少ない又は更に多い枚数のメニスカスレンズを備えて成ることも可能である。示された例においては、１６の係数の倍率が生じている。図６ａに示された例における光ビームが、最も右側に配置された第４のメニスカスレンズ１を通過した後で更に拡大されるべきであれば、対応して、更に大きな直径を有するメニスカスレンズも使用され得る。
【００７７】
一枚以上のメニスカスレンズ１を、ビームを縮小すべく配置して、すなわち、システム全体の光軸の回りでメニスカスレンズ１の光軸を１８０°転回させることにより、凸状に湾曲された表面が入射ビームの方向を指向する結果になる、中間倍率を設定する可能性も在る。数枚のメニスカスレンズから成る、斯かるビーム整形器又はビーム整形システムは、図６ｂに示される。此処では、２．１ｍｍの開始直径により開始ビームに対し、５と１／３という係数による倍率が生じている。最後に、ビーム案内部材は反転され、光ビームの直径が全体として縮小される結果になることも可能である。
【００７８】
ビーム整形器における各メニスカスレンズ１は、例えば光学台（ｏｐｔｉｃａｌ  ｂｅｎｃｈ）上に配置され得るが、この様にすると、全てのメニスカスレンズ１の光軸が相互に重ねられて位置すべきことから、所定の許容差の範囲内で、各メニスカスレンズ１は、相互に対し且つビーム入射に関しても中心合わせされるという意味において、相互に対する各メニスカスレンズ１の正確な調節が必要とされる。このことはまた、各レンズの光軸が、最小限度だけ、すなわち、容認可能な許容範囲内で、相互に対して傾斜される、という事実も包含する。さもなければ、更に大きな逸脱は、相当なビーム品質低下に帰着する。従って、非常に正確な調節が必要とされ、これには、相当な時間の負担が伴うと共に、倍率の簡単な変更が困難とされる。
【００７９】
このことを回避するために、少なくとも一枚のメニスカスレンズ１は、例示的にのみレンズが挿入されて図７に示されたような管体形状の取付け要素５内に挿入され得る。取付け要素５は、例えば、一定温度の実験室環境にて使用される真鍮などの、陽極酸化された金属製材料から成り得、特に、Ｔｉ6Ａｌ4Ｖのようなアルミニウム合金又はチタン合金などの材料が使用され得る、と言うのも、それらの熱膨張率は、ガラスのそれと同様に挙動するからである。取付け要素５は、プラスチックからも製造され得る。大きな温度変動に晒される分野での使用に対しては、Ｚｅｒｏｄｕｒ（登録商標）及びＭａｃｏｒ（登録商標）も適切であり、各レンズは、前者の材料からも製造され得る。これらの材料はまた、赤外領域に対し、ゲルマニウム又はケイ素から成るメニスカスレンズ１に対しても非常に有用である、と言うのも、ケイ素及びゲルマニウムの膨張率は、通常のガラスのそれよりも低いからである。もし、屈折式ビーム整形器が大きな温度変動に委ねられるなら、各レンズに対する材料、及び、各取付け要素に対する材料は、２つの構成要素の熱膨張に起因する物理的な歪みであって、結像品質の劣化に帰着し得る物理的な歪みが回避されるように、選択されるべきである。
【００８０】
図７に断面で示された取付け要素５は、管体形状であることから２つの開口を有し、その場合、取付け要素５の両方の開口部には、各々の場合に、少なくとも一枚のメニスカスレンズ１を備えた対応する更なる取付け要素に対する接続手段が形成される。例えば、取付け要素５の２つの開口部の一方は雄型コネクタの形態に形成され得ると共に、２つの開口部の他方は雌型コネクタの形態で形成され得る結果、上記取付け要素は、各開口部において、プラグイン接続を介して、対応する更なる取付け要素５に対して接続され得る。本例においては、取付け要素５の一方の開口部には内部螺条６が形成され、且つ、取付け要素５の他方の開口部には外部螺条７が形成される。この様にして、取付け要素５は、各開口部にてネジ接続を介して、対応する更なる取付け要素５に対して確定的固定方法で接続され得、その場合、数個の取付け要素５が接続されることで、全体的な取付け部材が形成され得る。
【００８１】
相次ぐ種々のメニスカスレンズ１の調節不要の配置により縦列接続を形成することを可能とするために、個々のメニスカスレンズ１は、予め、それぞれの取付け要素５内において調節して固定されねばならない。少なくとも一枚のメニスカスレンズ１が、挿入の間において滑り落ちることを防止すると共に、挿入されたメニスカスレンズが傾斜することを防止すべく、取付け要素５は先ず、高精度を以て製造された少なくとも１つの環状停止部８を有する。その場合、メニスカスレンズ１は、上記取付け要素すなわち取付け部材５内に、例えば上方から挿入され得る結果、メニスカスレンズ１の平坦縁部領域９であって、其処から凹状に湾曲された表面２が形成される領域９が、停止部８に当接する。数枚のメニスカスレンズ１が種々の直径を有すると共に、各停止部が対応して同様に種々の直径を有するなら、これらのレンズは、１つの取付け要素５内に挿入されることも可能である。
【００８２】
取付け要素５内における少なくとも一枚のメニスカスレンズ１の中心合わせを確実とするために、取付け要素５の内周上の少なくとも１つの部分的領域は、正確に嵌合する案内部１０として設計される。この部分的領域は円周的であり得るが、例えば、取付け要素５の内周上の三点軸受又は三点案内部の形態で、３つの部分的領域が形成されることも可能である。図７に示されたような一体片での製造は、厳密に必要なのではない。例えば、螺入され得る対応リングもまた、案内部として配備され得る。メニスカスレンズ１を取付け要素５内に固定するために、それは、例えばＵＶ光の下で硬化する接着剤１１によるなどして、接着剤の助力により取付け要素５に対して接合される。別の方法で硬化する接着剤も使用可能であり、同様に、メニスカスレンズ１は、取付け要素５に対して半田付けされるか、又は、それに対し、確定的な物質による結合の代わりに、確定的固定方法のみで接続されることも可能である。
【００８３】
当然乍ら、案内部１０を使用せずに、中心合わせが行われることも可能である。その場合、取付け要素５は、例えば垂直に位置される結果、メニスカスレンズ１は、許容差の範囲内で既に平坦方法であることから傾斜していない停止部８に対し、好適には、凹状に湾曲された表面２の側における平坦な部分的表面を以て、当接する。上記メニスカスレンズは次に、この停止部上で、許容差の範囲内で中心合わせされた位置が達成されるまで、水平に移動され得る。それは次に、接着剤１１により、この位置において固定される。接着剤１１はまた、予め、対応する領域に既に塗付されることも可能である結果、選択された位置からのメニスカスレンズ１の滑落が困難とされる。もし、メニスカスレンズの所望の端部位置が、停止部８の平坦表面上での移動により設定されたなら、上記接着剤は硬化される。
【００８４】
もし、取付け要素５内のメニスカスレンズ１が、傾斜及び中心合わせに関して調節され且つこの位置で固定されるなら、個々のメニスカスレンズ１の相互に対する別体的な調節を必要とせずに、数個の取付け要素５がネジ接続により接続され得る。斯かる複数の取付け要素５の組み合わせは、例示的にのみ、図８に断面で示される。上記の調節不要の接続は、図７に示されて各開口部の領域に形成された座面１２及び１３により確実とされる。内部螺条６を備えた雌型コネクタ形状開口部の場合における座面１２は、内周的な環状表面として設計される。外部螺条７を備えた雄型コネクタ形状開口部の場合、座面１３もまた外周的な環状表面として設計され、取付け要素５が金属製ならば、両方の座面１２及び１３は好適に研磨される。此処で示された２つの座面１２及び１３によれば、表面の法線は常に光軸に対して直交することから、各表面はこの軸心に対して平行に位置する。この設計態様は必須ではないことから、例えば、内側及び外側の円錐部による円錐形状も可能である。座面１２及び１３はまた、完全に円周的に形成される必要はなく、座面を備えながら、上記周部上で相互に離間された数個の領域の形態の配置構成が同様に可能である。
【００８５】
ビーム直径の特に大きな変更に対し、特に、直径の大きな拡大に対しては、種々の直径を有する複数枚のメニスカスレンズ１を、且つ、このことに依存して、種々の直径を有する複数の取付け要素５も使用することが必要であり得る。その場合、種々の直径を有する各取付け要素５は、例えば、対応するアダプタリングの助力により、相互に対して接続され得る。
【００８６】
これに加え、上記ビーム整形器は、同一方法で形成された２つの開口部にて、２つの取付け部材５を接続する役割を果たす少なくとも１つのスペーサリングも備えて成り得る。これは、例えば、ビームの拡大から、再び縮小への変更が為されるべきときに有用であり得る。この様にして、例えば、ビーム拡大において種々の中間倍率が実現され得る。例えば、図９には第１の斯かるスペーサリング１４が示され、それは、取付け要素５の対応内部螺条６に対して螺着され得る２つの外部螺条７、及び、２つの座面１３を有している。図１０には別の例が示され、そこに示されたスペーサリング１５は、２つの内部螺条６と、１つの座面１６とを有し、光軸に沿うそれらの寸法は、取付け要素又は取付け部材５の２つの座面１２に対応する。この様にして、２個毎の取付け要素５は、それらの外部螺条にて相互に対して接続され得、そのときに、相互に対して接続された数個の取付け要素５は、ビーム整形器に対する全体的な取付け部材を形成する。例えば図１１には、斯かるスペーサリングが使用されたビーム整形器が示される。
【００８７】
図１２には、取付け要素５の更なる設計態様が示される。この設計態様においては、両方の開口部が同一方法で形成され、それらは、該開口部上の接続手段の特定の設計態様の故に、スペーサリングなしで相互に対して組み合わされ得ることで、更に簡単な操作により種々の倍率の構成が更に相当に容易とされる、と言うのも、拡大から縮小への変更の場合にそれぞれの取付け要素５は光軸の回りで１８０°だけ更に回転されねばならないが、組立てに対しては何らの支援も必要とされないからである。
【００８８】
図１２に示された取付け要素５の各開口部には、突出部１７が形成される。各々の場合において、開口部毎に２つの突出部１７が示されるが、対応する寸法設定の場合、３つ以上の突出部１７も配備され得る。各突出部１７は此処では環状のリングセグメントの一部として形成され、その外側面は、金属製取付け要素５及び一体片での製造の場合において好適には研磨されて２つの取付け要素５の調節不要の接続に寄与する座面１３を形成する。但し、突出部１７は、別個に製造されてから取付け要素５に対して接続されることも可能である。図１２に示された表現において、各突出部１７は隆起部１８上に形成又は配置されることで組立てを更に容易にする、と言うのも、２つの取付け要素５は螺入されるときに隆起部１８の領域においてのみ相互に接触する結果、開口部の領域全体ではなく、隆起部１８上の対応表面のみが高精度で製造されるべきだからである。同時に、それらは回転運動を制限する停止部の役割を果たす。隆起部１８の形成は厳密には必要ではないが、それは製造を更に容易とする。
【００８９】
２つの取付け要素５が接続されるとき、それらは先ず、該２つの取付け要素５の相互に対向する開口部のそれぞれの突出部１７が、挿入されたときに相互に邪魔にならない様に、相互に整列され、故に、図１２に示された設計態様においては、第２の取付け要素５が光軸上で９０°だけ回転される。２つの取付け要素５が一体化されたとき、一方の取付け要素５の各座面１３は、他方の取付け要素５の内周上又は停止表面１２上に位置し、逆も同様である。回転運動により、２つの取付け要素５のそれぞれの突出部１７は次に、相互に対して相互係合される結果、２つの取付け要素５は引き離されることが防止され得、各取付け要素は各々の場合、関連する取付け要素５の開口部に臨む自身の下側面にて、他方の取付け要素５の隆起部１８と接触する。安定的な接続が生成されることを確実とするために、回転運動は各隆起部１８により制限される。図１３には、相互に対して接続された２つの取付け要素５が示される。
【００９０】
相互に背後を把持する各突出部による上記接続は、例えば、該突出部１７の座面１３上に、接続状態において内周又は停止表面１２上の対応陥没部に係合する突起部を形成することに依る捕捉接続構造により補足されることも可能である。
【００９１】
各突出部１７はスプリング要素として配備されることも可能である結果、挿入されたとき、２つの突出部１７による確定的固定接続関係に加え、２つの取付け要素５の摩擦固定接続関係も生成される。対応して強力なスプリング作用の場合には、確定的である固定的な相互接続関係は省略されることも可能であり、そのとき、それらを回転運動なしで単純に組み立てれば十分であり、この場合には、雄型コネクタ及び雌型コネクタが同一的に形状化される特定の雌雄接続関係が実現される。
【００９２】
最後に、取付け要素５は、更なる光学素子を保持することも可能であり、これにより、ビーム整形器の融通性が高められる。故に、例えば、好適には取付け要素５自体内に配置される不図示の波長適合的な補正素子であって、当該目標波長に対して上記ビーム整形器が設計された目標波長から逸脱した波長においてさえも該ビーム整形器の動作を可能にする補正素子が配備され得る。同じく不図示であるズーム素子であって、好適には取付け要素５自体内に同様に配置され、且つ、該ズーム素子により中間倍率が連続的に設定され得るズーム素子も配備され得る。
【００９３】
上記に記述された屈折式ビーム整形器は、ユーザに対し、例えばレーザビームのビーム拡大などの多数の倍率を提供し、その場合、倍率を変更するために当該光学システムの新たな調節は必要でない、というコンパクトな光学システムである。
【符号の説明】
【００９４】
１    メニスカスレンズ
２    凹状に湾曲された表面
３    凸状に湾曲された表面
４    光軸
５    取付け要素
６    内部螺条
７    外部螺条
８    停止部
９    縁部領域
１０    案内部
１１    接着剤
１２、１３    座面
１４、１５    スペーサリング
１６    座面
１７    突出部
１８    隆起部
Ｍ    中心厚み
ｄ    直径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
2014206740000001.pdf