(57)【要約】【課題】  簡単な構成で、矩形の光束形状を円形に変換したり、その逆を行うことが可能な効率の良い光束形状変換装置を提供する。【解決手段】  少なくとも１つの後述する自由曲面を有する光学素子を備えた光束形状変換光学系である。そして、自由曲面は、両べきが同一な偶数次項を有する回転非対称な形状からなる。【選択図】図１
2009080407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの自由曲面を有する光学素子を備えた光束形状変換光学系において、前記自由曲面は、両べきが同一な偶数次項を有する回転非対称な形状からなることを特徴とする光束形状変換光学系。
【請求項２】
前記光学素子は、第１光学素子と、第２光学素子とから構成され、前記２つの光学素子の四隅の部分的パワーは正と負を組み合わせることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記自由曲面は、前記第１光学素子に入射した平行光束が、前記第２光学素子を通過後、平行光束で射出することを特徴とする請求項２に記載の光学系。
【請求項４】
前記自由曲面は、Ｘ2Ｙ2項を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学系に関し、特に、レーザ光線などの平行光線の光束形状を矩形から円形又はその逆の円形から矩形に変換する機能を有する光束形状変換光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光束形状を揃えるために、束ねたオプティカルファイバーの端面やインテグレーターロッドの形状を円形や矩形にしたものがあった。また、特許文献１に示すような回折光学素子や、ホログラフィック光学素子を使用し、光束形状を変更するものがあった。
【特許文献１】特開２００６−２６７２８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、オプティカルファイバーの場合はファイバーの充填率に限界があり、無駄になる光線が多かった。また、インテグレーターロッドの場合は光束が太くなると大型のものが必要になり、小型で安価なものが無かった。さらに、回折光学素子やホログラフィック光学素子は製作が特殊であり、高価になってしまう問題が生じていた。
【０００４】
本発明は、従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、矩形の光束形状を円形に変換したり、その逆を行うことが可能な効率の良い光束形状変換光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明の光束形状変換光学系は、少なくとも１つの自由曲面を有する光学素子を備えた光束形状変換光学系において、前記自由曲面は、両べきが同一な偶数次項を有する回転非対称な形状からなることを特徴とする。
【０００６】
また、前記光学素子は、第１光学素子と、第２光学素子とから構成され、前記２つの光学素子の四隅の部分的パワーは正と負を組み合わせることを特徴とする。
【０００７】
また、前記自由曲面は、前記第１光学素子に入射した平行光束が、前記第２光学素子を通過後、平行光束で射出することを特徴とする。
【０００８】
また、前記自由曲面は、Ｘ2Ｙ2項を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上の本発明の光学系においては、簡単な構成で、矩形の光束形状を円形に変換したり、その逆を行うことが可能な効率の良い光束形状変換光学系を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、実施例に基づいて本発明の光学系について説明する。
【００１１】
図１は、後述する実施例１の光学系１の斜視図である。なお、以下の説明は、結像光学系として説明するが、投影光学系として用いることもできる。
【００１２】
本発明に係る光束形状変換光学系１は、少なくとも１つの後述する自由曲面を有する光学素子を備えた光束形状変換光学系である。そして、自由曲面は、両べきが同一な偶数次項を有する回転非対称な形状からなることが望ましい。
【００１３】
また、光学素子は、第１光学素子と、第２光学素子とから構成され、２つの光学素子の四隅の部分的パワーは正と負を組み合わせることが好ましい。
【００１４】
さらに、自由曲面は、第１光学素子に入射した平行光束が、第２光学素子を通過後、平行光束で射出することが好ましい。
【００１５】
また、自由曲面は、Ｘ2Ｙ2項を有することが好ましい。
【００１６】
以下に、本発明の光学系の実施例１〜３を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。
【００１７】
座標系は、順光線追跡において、例えば図１に示すように、絞りと中心軸２と交差する点を光学面の原点Ｏとし、中心軸２に直交する方向をＹ軸正方向とする。そして、図１の面５側の方向をＺ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００１８】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面は、面間隔、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００１９】
また、後記の構成パラメータ中の屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００２０】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００２１】
Ｚ＝（ｒ2 ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）2 ｝］
∞
＋Σ  Ｃj Ｘm Ｙn   ・・・（ａ）
j=1 
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
また、球面項中、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００２２】
自由曲面項は、
66
Σ  Ｃj Ｘm Ｙn 
j=1 
＝Ｃ1 
＋Ｃ2 Ｘ＋Ｃ3 Ｙ
＋Ｃ4 Ｘ2 ＋Ｃ5 ＸＹ＋Ｃ6 Ｙ2 
＋Ｃ7 Ｘ3 ＋Ｃ8 Ｘ2 Ｙ＋Ｃ9 ＸＹ2 ＋Ｃ10Ｙ3 
＋Ｃ11Ｘ4 ＋Ｃ12Ｘ3 Ｙ＋Ｃ13Ｘ2 Ｙ2 ＋Ｃ14ＸＹ3 ＋Ｃ15Ｙ4 
＋Ｃ16Ｘ5 ＋Ｃ17Ｘ4 Ｙ＋Ｃ18Ｘ3 Ｙ2 ＋Ｃ19Ｘ2 Ｙ3 ＋Ｃ20ＸＹ4 
＋Ｃ21Ｙ5 
＋Ｃ22Ｘ6 ＋Ｃ23Ｘ5 Ｙ＋Ｃ24Ｘ4 Ｙ2 ＋Ｃ25Ｘ3 Ｙ3 ＋Ｃ26Ｘ2 Ｙ4 
＋Ｃ27ＸＹ5 ＋Ｃ28Ｙ6 
＋Ｃ29Ｘ7 ＋Ｃ30Ｘ6 Ｙ＋Ｃ31Ｘ5 Ｙ2 ＋Ｃ32Ｘ4 Ｙ3 ＋Ｃ33Ｘ3 Ｙ4 
＋Ｃ34Ｘ2 Ｙ5 ＋Ｃ35ＸＹ6 ＋Ｃ36Ｙ7 
・・・・・・
ただし、Ｃj （ｊは１以上の整数）は係数である。
【００２３】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００２４】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００２５】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００２６】
実施例１の光学系１の斜視図を図１に示す。また、この実施例の入射側のスポットダイヤグラムを図２、射出側のスポットダイヤグラムを図３に示す。
【００２７】
本実施例の光学系１は、屈折率が１より大きい外形矩形の透明媒体Ｐの例である。
【００２８】
透明媒体Ｐは、自由曲面からなる第１透過面１１と、第１透過面１１に対して面５側に形成される第２透過面１２とを有する。
【００２９】
光学系１の図示しない面３から入射する光束は、結像光学系の場合、順光線追跡の順に、図２に示すように、各光線Ｌijにより矩形に形成され、第１透過面１１を経て、透明媒体Ｐ内に入り、第２透過面１２から外に出て、図３に示すように、円形に変換され、面５では円形になる。
【００３０】
具体的には、図２に示すように、矩形に形成された光束Ａは、四隅の光線Ｌ11，Ｌ1n，Ｌm1，Ｌmnを含む各光線Ｌijが屈折され、図３に示すように、略円形に変換される。
【００３１】
この実施例１の仕様は、
入射瞳形状    □10×10
射出瞳形状    φ10
である。
【００３２】
実施例２の光学系１の斜視図を図４に示す。また、この実施例の入射側のスポットダイヤグラムを図５、射出側のスポットダイヤグラムを図６に示す。
【００３３】
本実施例の光学系１は、屈折率が１より大きい外形矩形の第１透明媒体Ｐ１及び屈折率が１より大きい外形円形の第２透明媒体Ｐ２の例である。
【００３４】
第１透明媒体Ｐ１は、自由曲面からなる第１透過面１１と、第１透過面１１に対して面５側に形成される第２透過面１２とを有する。
【００３５】
第２透明媒体Ｐ２は、自由曲面からなる第３透過面２１と、第３透過面２１に対して面５側に形成される第４透過面２２とを有する。
【００３６】
光学系１の図示しない面３から入射する光束は、順光線追跡の順に、図５に示すように、各光線Ｌijにより矩形に形成され、第１透過面１１を経て、第１透明媒体Ｐ１内に入り、第２透過面１２から外に出て、第３透過面２１を経て、第２透明媒体Ｐ２内に入り、第４透過面２２から外に出て、図６に示すように、円形に変換され、面５では円形になる。
【００３７】
具体的には、図５に示すように、矩形に形成された光束Ａは、四隅の光線Ｌ11，Ｌ1n，Ｌm1，Ｌmnを含む各光線Ｌijが屈折され、図６に示すように、略円形に変換される。
【００３８】
この実施例２の仕様は、
入射瞳形状    □10×10
射出瞳形状    φ10
である。
【００３９】
実施例３の光学系１の斜視図を図７に示す。また、この実施例の入射側のスポットダイヤグラムを図８、射出側のスポットダイヤグラムを図９に示す。
【００４０】
本実施例の光学系１は、屈折率が１より大きい外形矩形の第１透明媒体Ｐ１及び屈折率が１より大きい外形円形の第２透明媒体Ｐ２の例である。
【００４１】
第１透明媒体Ｐ１は、自由曲面からなる第１透過面１１と、第１透過面１１に対して面５側に形成される第２透過面１２とを有する。
【００４２】
第２透明媒体Ｐ２は、自由曲面からなる第３透過面２１と、第３透過面２１に対して面５側に形成される第４透過面２２とを有する。
【００４３】
光学系１の図示しない面３から入射する光束は、順光線追跡の順に、図５に示すように、各光線Ｌijにより矩形に形成され、第１透過面１１を経て、第１透明媒体Ｐ１内に入り、第２透過面１２から外に出て、第３透過面２１を経て、第２透明媒体Ｐ２内に入り、第４透過面２２から外に出て、図６に示すように、円形に変換され、面５では円形になる。
【００４４】
具体的には、図５に示すように、矩形に形成された光束Ａは、四隅の光線Ｌ11，Ｌ1n，Ｌm1，Ｌmnを含む各光線Ｌijが屈折され、図６に示すように、略円形に変換される。
【００４５】
この実施例３の仕様は、
入射瞳形状    □8×6
射出瞳形状    φ5.5
である。
【００４６】
以下に、上記実施例１〜３の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の “ＦＦＳ”は自由曲面を示す。
【００４７】
実施例１
面番号      曲率半径            面間隔  偏心     屈折率  アッベ数
物体面        ∞                  ∞
1        ＦＦＳ[1]（絞り）    1.00            1.5163    64.1
2          ∞                13.00
像  面        ∞
ＦＦＳ[1]
Ｃ13   1.0000E-03 
【００４８】
実施例２
面番号      曲率半径            面間隔  偏心     屈折率  アッベ数
物体面        ∞                  ∞
1        ＦＦＳ[1]（絞り）    1.00            1.5163    64.1
2          ∞                13.00
3        ＦＦＳ[2]（絞り）    1.00            1.5163    64.1
4          ∞                10.00
像  面        ∞
ＦＦＳ[1]
Ｃ13   1.0000E-03 
ＦＦＳ[2]
Ｃ13  -3.0000E-03 
【００４９】
実施例３
面番号      曲率半径            面間隔  偏心     屈折率  アッベ数
物体面        ∞                  ∞
1        ＦＦＳ[1]（絞り）    1.00            1.5163    64.1
2          ∞                13.00
3        ＦＦＳ[2]（絞り）    1.00            1.5163    64.1
4          ∞                 5.00
像  面        ∞
ＦＦＳ[1]
Ｃ4    1.8000E-02    Ｃ13   1.5000E-03 
ＦＦＳ[2]
Ｃ4   -2.0000E-02    Ｃ13  -3.0000E-03 
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１の光学系の斜視図である。
【図２】実施例１の入射側のスポットダイヤグラムである。
【図３】実施例１の射出側のスポットダイヤグラムである。
【図４】本発明の実施例２の光学系の斜視図である。
【図５】実施例２の入射側のスポットダイヤグラムである。
【図６】実施例２の射出側のスポットダイヤグラムである。
【図７】本発明の実施例３の光学系の斜視図である。
【図８】実施例３の入射側のスポットダイヤグラムである。
【図９】実施例３の射出側のスポットダイヤグラムである。
【符号の説明】
【００５１】
１…光学系
２…中心軸
３…面
５…面
【図１】
2009080407.tif 000003
【図２】
2009080407.tif 000004
【図３】
2009080407.tif 000005
【図４】
2009080407.tif 000006
【図５】
2009080407.tif 000007
【図６】
2009080407.tif 000008
【図７】
2009080407.tif 000009
【図８】
2009080407.tif 000010
【図９】
2009080407.tif 000011