パウエルレンズ
パウエルレンズとは何ですか？
パウエルレンズは、均一な強度のレーザラインを生成するために使用される光学部品です。これを達成するために、独自の円筒非球面形状を採用しています。パウエルレンズは、マシンビジョンやフローサイトメトリーなどのさまざまな用途に使用されます。
ほとんどのレーザは、円形または楕円形のビーム (断面図) を放射します。通常、ビーム全体の強度プロファイルは、ガウス分布、またはそれに非常に近い分布になります。このガウス強度分布は多くのアプリケーションにとって有益です。ただし、均一な強度分布 (「フラットトップ」とも呼ばれることが多い) の方が望ましい場合もあります。
ガウスビームを均一な強度分布 (1次元と2次元の両方) に変換するにはいくつかの方法があります。最も強力で柔軟なのはパウエルレンズに基づく方法です。フラットトップビームがなぜ必要になる場合があるのか、パウエルレンズがどのように機能するのか、他のテクノロジーに比べてどのような利点があるのかを見てみましょう。
ガウスビーム – メリットとデメリット
この図は円形のガウスビームを示しています。このビームは、端よりも中心ではるかに強度が高くなります。ガウスビームはほとんどのレーザの基礎となる物理学の自然な結果であり、これがガウスビームが非常に一般的である理由です。
ほとんどのレーザは、ガウス強度分布を持つ丸い断面のビームを自然に生成します。このビームは、端よりも中心の方がはるかに明るくなります。比較のために、円形と正方形の両方の均一強度ビームが示されています。
ガウス分布ビームは、いくつかの理由から均一強度ビーム (円形または正方形のいずれか) よりもメリットが多いことがわかっています。重要なメリットとして、ガウスビームは同じ直径の均一な円形ビームよりも小さなスポットに集光できることが挙げられます。これは、多くのアプリケーションで非常に大きなメリットとなります。たとえば、ほとんどの材料加工用途では、集光ビームが小さくなると微細な形状を生成する能力が向上します。多くのレーザベースの顕微鏡技術では、集光スポットサイズが小さくなると画像の解像度が向上します。
ただし、特にレーザがラインビーム (幅よりも長さが長いビーム) に形成されている場合には、その逆が当てはまるケースもあります。ラインビームは多くの照明タスクで使用されます。シーンまたはオブジェクトを均一に照らすことで後の画像処理が簡素化され、画像のコントラストと解像度が向上するため、こうした場合は均一な強度が理想的です。
ガウスビームの変換
ガウスビームのユニークな特性として、従来の光学系を使用してビームを集光、拡大、またはその他の方法で再形成しても、ガウス強度プロファイルが維持されることがあります。これは、実際に取り除くことがかなり難しい特性です。
ガウスビームを均一な強度分布を持つビームに変換する最も簡単で直接的な方法は、ビームをビーム中央の最も均一な部分以外のすべてをブロックする開口に通過させるやり方です。ただし、このアプローチには2つのデメリットがあり、一つはレーザ出力の大部分 (最大 75%) が廃棄されること、もう一つは結果として得られるビームがそれほど均一にならないことがあります。
ガウスビームを均一な強度プロファイルに変換する最も簡単な方法は、ビームの中心部分を選択して残りを破棄するやり方です。ただし、このアプローチでは最も品質の低い結果となります。
大量の光を放出せずにガウスビームをフラットトップ分布に変換することはより困難です。ただし、回折技術と屈折技術の両方を用いることでこの変換を行うことは可能です。
回折光学系は、さまざまな回折次数間の干渉を生成し、レーザビーム内の光を空間的に再分布させることで機能します。これにより、フラットトップに近いビームプロファイルを含むほぼあらゆる強度プロファイルに加え、さまざまなパターンを生成できます。
均一なラインビームを作成するための回折光学系には2つの大きなデメリットがあります。第一に、回折光学系はあまり効率的ではありません。かなりの量の光が失われ、不要な回折次数になります。第二に、通常、回折光学系は波長に非常に敏感です。これは、半導体レーザで使用する場合に特に問題になります。
レンズレットアレイは純粋な屈折型のアプローチです。レンズレットアレイは、入力ビームよりもはるかに小さい複数のレンズを含む光学系です。それぞれのレンズレットによって生成される出力パターンはファーフィールドで重なり合い、望ましい均一な強度分布を形成します。
円筒形レンズレットアレイの2つの構成。
レンズレットアレイを使用して最終的なビームの高度な均一性を達成することは非常に困難です。通常、強度にはかなりの量の高周波リップルが存在します。さらに、レンズレットアレイの製造には特殊な工具も必要となるため、その有用性は大量生産用途に限定されます。
パウエルレンズ
パウエルレンズは、回折光学系とレンズレットアレイの両方の制限を克服する別のタイプの屈折光学系です。パウエルレンズは、ガウス入力ビームを均一な強度分布を持つ発散ビームに効率よく変換するために特別に成形された非球面のシリンドリカルレンズです。パウエルレンズはシリンドリカルレンズの一種であるため、ビームを1次元のみで均一化します。
パウエルレンズ。
この図では、パウエルレンズの表面の形状を示し、その動作を従来のシリンドリカルレンズの動作と比較しています。パウエルレンズでは、中央の「ホットスポット」を除去するために光の方向を中心からビームの端に向け直します。シリンドリカルレンズもビームを1次元で扇状に広げますが、そのガウス分布は維持されます。したがって、端よりも中心の方がはるかに明るいラインビームが生成されます。
パウエルレンズ (左) を従来のシリンドリカルレンズ (右) と比較します。どちらの光学系も、丸いガウス分布のレーザビームを発散する扇形の光に変換し、投影される表面に線を形成します。パウエルレンズは光をビームの中心から端に移動させて均一な強度のラインを生成しますが、シリンドリカルレンズはビームのガウス分布を維持するため、ビームのラインは中心ではるかに明るくなります。
パウエルレンズは、性能のほぼすべての側面において回折光学系よりも優れた結果をもたらします。最も重要なのは、パウエルレンズはより効率的であり (光の損失が少ない)、目的の領域外に光がほとんどない急峻なエッジパターンを生成する点です。
このパウエルレンズは入力波長の影響もほとんど受けません。これにより、ユニット間の波長変動や、これらの光源の固有の帯域幅や波長温度依存性の影響を受けないため、半導体レーザでも使用できるようになります。その結果、半導体レーザの波長選択やビン分けを行うことなく、生産ビームホモジナイザーでパターン全体にわたって±5%の全体的な強度均一性を常に達成できるようになります。
ただし、パウエルレンズは完璧なわけではありません。それぞれのレンズは特定の入力ビーム直径に合わせて設計されており、ビームが大きくても小さくても最適な結果は得られません。また、各レンズは (円筒面に垂直な軸上の) アライメントにも敏感です。位置ずれがあると、投影されたラインの強度均一性が低下します。
パウエルレンズの仕様を理解する
パウエルレンズの円筒非球面を高精度で製造することは困難であり、パウエルレンズの品質はメーカーによって異なります。これは、パウエルレンズの実際の性能がその設計値から大幅に逸脱している可能性があることを示唆しています。このため、公開仕様の解釈方法を知ることが重要になります。
パウエルレンズの主な仕様は、その動作波長、意図された入力ビーム直径 (入力ビームはガウス分布であるため、1/e ²強度ポイントになるように定義)、および出力ビームのファンの角度です。次の図にはこれらが模式的に示されています。出力ビームはガウス分布ではなく均一となるよう意図されているため、ファンの角度は (1/e² 出力ポイントではなく) 出力がピーク値の80%に低下した点で測定されます。
パウエルレンズの主な公称仕様は、その入力ビームの直径と出力ビームのファン角度です。
通常、パウエルレンズの最も重要な性能パラメータは強度均一性です。製造上のばらつきや公差の影響により、強度のばらつき (特にビーム端) や非フラップトップのプロファイル、周期構造、散乱が生じる可能性があります。
通常、出力レンズのファン角度は強度がピーク値の80%に低下した点から測定されます。強度均一性の仕様はメーカーごとに異なります。
ほとんどのメーカーは、前の図に示されている式を使用してラインの均一性を定義しています。ただし、通常、この仕様はラインの中央の80%のみに適用されます (前の図にも示されています)。しかし、ビームのエッジを除外すると、実際のパフォーマンスが非現実的な形で表現されます。通常は、これが不均一性が最も顕著になる部分であるためです。
対照的に、Coherentでは、強度均一性の仕様がラインの長さの100%にわたって適用されます。同じことが、ラインの真直度と含まれている出力 (80%と1/e²ピークパワーポイント間のラインに含まれる出力比率) に関する仕様にも当てはまります。これはより厳格で、満たすことが困難な仕様です。結果として、Coherentパウエルレンズによって優れた測定精度、SN比、そしてユニット間の一貫性が実現します。