JP2953158B2 - Bessel beam generating optical device - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、バーコード読み取り装
置やレーザ描画装置に用いられる、ビームプロファイル
がベッセル関数型のいわゆるベッセルビームの発生光学
装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical device for generating a so-called Bessel beam having a Bessel function type beam profile, which is used in a bar code reading device or a laser drawing device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】動径方向にベッセル関数型の電界分布を
持つ光ビームは、回折を起こさずほぼ一定のビーム径で
伝播することが知られている。従来から用いられている
ガウシアンビームに比較して焦点深度が極めて大きいこ
とから、レーザ読み取り装置やレーザ描画装置への応用
が期待されている。このようなベッセルビームを用いた
レーザバーコード読み取り装置の一例としては本願発明
者による特願平３−１９０４２５号明細書をあげること
ができる。ベッセルビームが回折広がりの無いビームで
あることは、例えば１９８７年４月１７日発行のＰｈｙ
ｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌、第５８
巻、第１５号、第１４９９〜１５０１頁所載のＪ．Ｄｕ
ｒｎｉｎ他著の論文「Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−Ｆｒｅ
ｅ Ｂｅａｍｓ」をあげることができる。このようなベ
ッセル関数型の強度分布を得る方法はいくつかあり、図
２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。2. Description of the Related Art It is known that a light beam having a Bessel function type electric field distribution in a radial direction propagates with a substantially constant beam diameter without causing diffraction. Since the focal depth is extremely large as compared with the conventionally used Gaussian beam, application to a laser reading device and a laser drawing device is expected. An example of such a laser barcode reader using a Bessel beam is disclosed in Japanese Patent Application No. 3-190425 by the present inventor. The fact that the Bessel beam is a beam having no diffraction spread is described in, for example, Phy published on April 17, 1987.
local Review Letters, No. 58
Vol. 15, No. 15, pages 1499 to 1501. Du
rnin et al., Diffraction-Fre
e Beams ". There are several methods for obtaining such a Bessel function type intensity distribution, which are shown in FIGS. 2 (a), 2 (b) and 2 (c).
【０００３】図２（ａ）は円形スリットとレンズを用い
た方法で、レーザビーム１が円形スリット５で回折さ
れ、レンズ７で集光される。レンズ７から図に示した距
離Ｌ1 の間でベッセル関数型ビームになる。遮光板６は
円形スリット５の高次の回折光を遮るために用いてい
る。FIG. 2A shows a method using a circular slit and a lens. A laser beam 1 is diffracted by a circular slit 5 and condensed by a lens 7. The beam becomes a Bessel function type beam between the lens 7 and the distance L 1 shown in the figure. The light shielding plate 6 is used to block high-order diffracted light of the circular slit 5.
【０００４】図２（ｂ）は同心円形干渉縞をもつホログ
ラム８を用いた方法である。ブレーズホログラムを用い
た場合は問題無いが、１次回折効率が低い場合は、オフ
アクシスホログラムにして、０次回折光を遮蔽する必要
がある。FIG. 2B shows a method using a hologram 8 having concentric circular interference fringes. There is no problem when using a blaze hologram, but when the first-order diffraction efficiency is low, it is necessary to use an off-axis hologram to block the zero-order diffracted light.
【０００５】図２（ｃ）は円錐状のアキシコン９を用い
た方法である。これらの詳細は、上記の文献の他に、１
９８８年１０月１日発行のＡｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃ
ｓ誌、第２７巻、第１９号、第３９５９〜３９６２頁所
載のＪ．Ｔｕｒｕｎｅｎ他著の論文「Ｈｏｌｏｇｒａｐ
ｈｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｒａｃ
ｔｉｏｎ−ｆｒｅｅ ｂｅａｍｓ」および、１９８６年
発行のＯＰＴＩＣＡＡＣＴＡ誌第３３巻、第９号、第１
１６１〜１１７６頁所載のＭ．Ｐｅｒｅｚ他著の論文
「Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ ａｎｄ
ｚｏｎｅ ｐｌａｔｅｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ
ｔｈｉｎ ｌｉｎｅａｒ ａｘｉｃｏｎｓ」に述べられ
ている。FIG. 2C shows a method using a conical axicon 9. These details are described in addition to the above literature.
Applied Optical published October 1, 988
s magazine, Vol. 27, No. 19, pp. 3959-3962. A paper by Turunen et al.
hic generation of diffrac
Tion-free beams "and OPTICAACTA magazine, Vol. 33, No. 9, No. 1 published in 1986.
M.P. A paper by Perez et al., "Diffraction patterns and
zone plates produced by
thin linear axes. "
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のベッセ
ルビーム発生方式では、図２からわかるようにベッセル
ビーム領域（図２のＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 ）はベッセルビー
ム発生光学装置の直後から始まる。実際の応用ではベッ
セルビーム発生光学装置の後にビームを走査するための
スキャナを配置するが、この配置により、実際に使える
ベッセルビーム領域の長さが減少し、ベッセルビームの
焦点深度が深いという特徴を減じてしまうという問題が
あった。特に、レーザ描画装置に用いるような場合は、
絞り込みビーム径がミクロンオーダのため、ベッセル領
域の長さも短く、スキャナさえ配置できないという問題
があった。また一方、レーザバーコード読み取り装置に
用いるような場合は、読み取り深度をさらに拡大するた
めに、ベッセル領域を光軸方向に可変したいという要求
があるが、可変できなかった。In [0006] Conventional Bessel beam generating method described above, (L 1, L 2, L 3 in FIG. 2) Bessel beam region as can be seen from Figure 2 immediately after the Bessel beam generating optical system Begin. In a practical application, a scanner for scanning the beam is disposed after the Bessel beam generating optical device, and this arrangement has a feature that the length of the actually usable Bessel beam area is reduced and the depth of focus of the Bessel beam is deep. There was a problem that it would be reduced. In particular, when used in a laser drawing device,
Since the diameter of the focused beam is on the order of microns, the length of the vessel region is short, and there is a problem that even a scanner cannot be arranged. On the other hand, when used in a laser barcode reader, there is a demand to change the Bessel area in the optical axis direction in order to further increase the reading depth, but this has not been possible.
【０００７】この発明の目的は、ベッセルビーム発生装
置から任意の位置にベッセルビームを発生できるベッセ
ルビーム発生装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a Bessel beam generator that can generate a Bessel beam at an arbitrary position from the Bessel beam generator.
【０００８】この発明の他の目的は、ベッセルビーム発
生位置を光軸方向に可変できるベッセルビーム発生装置
を提供することにある。Another object of the present invention is to provide a Bessel beam generating apparatus capable of changing a Bessel beam generating position in the optical axis direction.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明の第１のベッセル
ビーム発生装置は、動径方向にベッセル関数型の電界分
布を持つ光ビームを遠視野領域において参照光と干渉さ
せて得られるホログラムと、前記ホログラムに前記参照
光の共役波面を照射する光学手段とから構成されている
ことを特徴とする。According to a first Bessel beam generator of the present invention, a hologram obtained by causing a light beam having an electric field distribution of a Bessel function type in the radial direction to interfere with reference light in a far field region is provided. Optical means for irradiating the hologram with a conjugate wavefront of the reference light.
【００１０】本発明の第２のベッセルビーム発生装置
は、アキシコンと前記アキシコンに円環状の光ビームを
照射する光学手段とから構成されていることを特徴とす
る。A second Bessel beam generator according to the present invention comprises an axicon and optical means for irradiating the axicon with an annular light beam.
【００１１】本発明の第３のベッセルビーム発生装置
は、同心円形干渉縞をもつホログラムと前記ホログラム
に円環状の光ビームを照射する光学手段とから構成され
ていることを特徴とする。A third Bessel beam generator according to the present invention is characterized by comprising a hologram having concentric circular interference fringes and optical means for irradiating the hologram with an annular light beam.
【００１２】本発明の第４のベッセルビーム発生装置
は、第１のアキシコンまたは同心円形干渉縞をもつホロ
グラムおよび第２のアキシコンまたは同心円形干渉縞を
もつホログラムの組合せで入射ビームを円環状の光ビー
ムに変換する光学手段と、前記円環状の光ビームで照射
される第３のアキシコンまたは同心円形干渉縞をもうホ
ログラムから成るベッセルビーム発生光学装置におい
て、前記第１または前記第２のアキシコンまたは同心円
形干渉縞をもつホログラムの少なくとも１つを光軸方向
に可変にしたことを特徴とする。A fourth Bessel beam generating apparatus according to the present invention converts an incident beam into an annular light by using a combination of a hologram having a first axicon or concentric circular interference fringes and a hologram having a second axicon or concentric circular interference fringes. An optical means for converting a beam into a beam, and a third axicon or a concentric circular interference fringe irradiated by the annular light beam, wherein the first or the second axicon or the concentric circle is formed by a hologram. At least one of the holograms having a shaped interference fringe is made variable in the optical axis direction.
【００１３】[0013]
【作用】図３（ａ）に本発明の作用原理を示す。図２
（ｂ）に示したのと同様にレーザビーム１で同心円干渉
縞を持つホログラム８を照射すると、ホログラム８の直
後から距離Ｌ4 の範囲をベッセル領域とするベッセルビ
ームが発生する。ベッセルビーム領域を過ぎると、図３
（ａ）からわかるようにレーザビームは円環状のビーム
となって伝播する。図３（ｂ）に示すように、この円環
状ビームの領域に８と同じホログラム９を置き、右側か
ら円環状ビームで照射すれば、光線逆行則からわかるよ
うに、ホログラム９から距離ｄ4 離れた位置から距離Ｌ
4 の長さにわたりベッセルビームを発生することができ
る。さらに、円環状ビームの光軸からの位置を可変する
と距離ｄ4 が変化する。つまりベッセルビーム領域を光
軸方向に可変できる。以上の説明ではレーザビームを光
線として説明したが、ホログラム９から相当遠方でベッ
セルビームを得ようとすると、ホログラム光学素子で発
生した円環状ビームの回折が無視できなくなる。このよ
うな場合は、あらかじめ図３（ａ）の光学系でベッセル
ビームを発生させ、その遠方での回折波面を参照波と干
渉させてホログラムを記録し、このホログラムを参照波
の共役波面で照射することでホログラムから遠方にベッ
セルビームを作ることができる。FIG. 3A shows the principle of operation of the present invention. FIG.
When in the the same manner as the laser beam 1 shown in (b) illuminating the hologram 8 with a concentric interference fringes, Bessel beams are generated to the vessel region range of the distance L 4 from immediately after the hologram 8. After passing the Bessel beam region, FIG.
As can be seen from (a), the laser beam propagates as an annular beam. FIG as shown in 3 (b), placing the same hologram 9 and 8 in the region of the annular beam, is irradiated with an annular beam from the right side, as seen from the light retrograde law, the distance d 4 away from the hologram 9 Distance L from the position
A Bessel beam can be generated over a length of four . Further, an annular beam of the distance d 4 when varying the position of the optical axis is changed. That is, the Bessel beam area can be changed in the optical axis direction. In the above description, the laser beam is described as a light beam. However, if it is attempted to obtain a Bessel beam at a considerable distance from the hologram 9, diffraction of an annular beam generated by the hologram optical element cannot be ignored. In such a case, a Bessel beam is generated in advance by the optical system shown in FIG. 3A, a hologram is recorded by causing the diffracted wave front at the far side to interfere with the reference wave, and the hologram is irradiated with the conjugate wave front of the reference wave. By doing so, a Bessel beam can be created far from the hologram.
【００１４】[0014]
【実施例】図１に本発明のベッセルビーム発生光学装置
の実施例の断面図を示す。本実施例はホログラムを用い
た場合を示しているが、３つのホログラムはいずれもア
キシコンであってもよい。図１（ａ）の第１ホログラム
２および第２ホログラム３は円環状のレーザビームを作
るための光学系で、かつ円環状ビームの光軸からの位置
を可変する機能を兼ねている。第１ホログラム２を照射
したレーザビーム１は第１ホログラム２で回折され円環
状ビームとなって第２ホログラム３に入射する。第２ホ
ログラム３に入射した円環状ビームは第２ホログラム３
で回折され光軸に平行な円環状ビームに変換され、第３
ホログラム４に入射する。第３ホログラムに入射した円
環状ビームは回折され、第３ホログラム４から距離ｄ1
離れた位置から距離Ｌの長さに渡りベッセルビームを発
生する。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a Bessel beam generating optical apparatus according to the present invention. Although this embodiment shows a case where a hologram is used, all three holograms may be axicons. The first hologram 2 and the second hologram 3 in FIG. 1A are optical systems for producing an annular laser beam, and also have a function of changing the position of the annular beam from the optical axis. The laser beam 1 irradiating the first hologram 2 is diffracted by the first hologram 2 to become an annular beam and enters the second hologram 3. The annular beam incident on the second hologram 3 is the second hologram 3
Is converted into an annular beam parallel to the optical axis.
The light enters the hologram 4. The toroidal beam incident on the third hologram is diffracted and is separated from the third hologram 4 by a distance d 1.
A Bessel beam is generated over a length L from a distant position.
【００１５】図１（ｂ）はベッセルビームの発生位置を
光軸方向で変えるために、第２ホログラム３を距離ｌ2
だけ第１ホログラム２の方向に移動した状態を示す。こ
の状態では、ベッセルビームは第３ホログラム４から距
離ｄ2 離れた位置から距離Ｌの長さに渡りベッセルビー
ムを発生する。すなわち、ベッセルビームの発生位置が
ｄ1 −ｄ2 だけ移動したことになる。このように、第１
ホログラム２と第２ホログラム３の相対的距離を可変す
ることでベッセルビームの発生位置を容易に可変でき
る。FIG. 1B shows that the second hologram 3 is moved at a distance l 2 to change the position where the Bessel beam is generated in the optical axis direction.
3 shows a state in which it has moved in the direction of the first hologram 2. In this state, the Bessel beam generates a Bessel beam over a distance L from a position at a distance d 2 from the third hologram 4. That is, the position where the Bessel beam is generated has moved by d 1 -d 2 . Thus, the first
By changing the relative distance between the hologram 2 and the second hologram 3, the position where the Bessel beam is generated can be easily changed.
【００１６】[0016]
【発明の効果】この発明により、ベッセルビーム発生装
置から任意の位置にベッセルビームを発生できるベッセ
ルビーム発生装置が得られる。さらに、この発明によ
り、ベッセルビーム発生位置を光軸方向に可変できるベ
ッセルビーム発生装置が得られる。According to the present invention, a Bessel beam generator capable of generating a Bessel beam at an arbitrary position from the Bessel beam generator can be obtained. Further, according to the present invention, it is possible to obtain a Bessel beam generator capable of changing a Bessel beam generation position in the optical axis direction.
【図１】（ａ）は本発明の実施例を示す断面図、（ｂ）
は本発明の実施例においてベッセルビーム発生位置を変
化させた状態を示す断面図である。FIG. 1A is a sectional view showing an embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state where the position where the Bessel beam is generated is changed in the embodiment of the present invention.
【図２】（ａ）は円形スリットとレンズを用いてベッセ
ル関数型の強度分布を得る光学系、（ｂ）は同心円形の
ホログラム光学素子を用いてベッセル関数型の強度分布
を得る光学系、（ｃ）は円錐状のアキシコンを用いてベ
ッセル関数型の強度分布を得る光学系を示す図である。2A is an optical system for obtaining a Bessel function type intensity distribution using a circular slit and a lens, FIG. 2B is an optical system for obtaining a Bessel function type intensity distribution using a concentric circular hologram optical element, (C) is a diagram showing an optical system for obtaining a Bessel function type intensity distribution using a conical axicon.
【図３】本発明の作用原理を説明するための光学系の断
面図である。FIG. 3 is a sectional view of an optical system for explaining the operation principle of the present invention.
１ レーザビーム ２ 第１ホログラム ３ 第２ホログラム ４ 第３ホログラム ５ 円形スリット ６ 遮光板 ７ レンズ ８ ホログラム ９ アキシコン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser beam 2 1st hologram 3 2nd hologram 4 3rd hologram 5 circular slit 6 light-shielding plate 7 lens 8 hologram 9 axicon
Claims (4)
つ光ビームを遠視野領域において参照光と干渉させて得
られるホログラムと、前記ホログラムに前記参照光の共
役波面を照射する光学手段とから構成されていることを
特徴とするベッセルビーム発生光学装置。1. A hologram obtained by causing a light beam having a Bessel function-type electric field distribution in the radial direction to interfere with reference light in a far-field region, and optical means for irradiating the hologram with a conjugate wavefront of the reference light. A Bessel beam generating optical device, comprising:
ビームを照射する光学手段とから構成されていることを
特徴とするベッセルビーム発生光学装置。2. A Bessel beam generating optical device, comprising: an axicon; and optical means for irradiating the axicon with an annular light beam.
ログラムに円環状の光ビームを照射する光学手段とから
構成されていることを特徴とするベッセルビーム発生光
学装置。3. A Bessel beam generating optical apparatus comprising: a hologram having concentric circular interference fringes; and optical means for irradiating the hologram with an annular light beam.
もつホログラムおよび第２のアキシコンまたは同心円形
干渉縞をもつホログラムの組合せで入射ビームを円環状
の光ビームに変換する光学手段と、前記円環状の光ビー
ムで照射される第３のアキシコンまたは同心円形干渉縞
をもうホログラムから成るベッセルビーム発生光学装置
において、前記第１または前記第２のアキシコンまたは
同心円形干渉縞をもつホログラムの少なくとも１つを光
軸方向に可変にしたことを特徴とするベッセルビーム発
生光学装置。4. An optical means for converting an incident beam into an annular light beam by a combination of a hologram having a first axicon or a concentric circular interference fringe and a hologram having a second axicon or a concentric circular interference fringe; In a Bessel beam generating optical device comprising a third axicon or a concentric circular interference fringe illuminated by an annular light beam, the at least one hologram having the first or the second axicon or a concentric circular interference fringe. A Bessel beam generating optical device characterized by having a variable in the optical axis direction.
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