平行光を作る

質問

大学で露光の研究をしています。
露光用の対物レンズ出射後のレーザ光を集光させずに平行光にして露光を行おうとしています。そのため対物レンズの手前60cmにレンズを2枚いれて対物レンズの後側焦点の位置に焦点を合わせて平行光を得ようと考えています。
しかし、どうしても平行光を得ることができません。
使用している対物レンズのNAは0.6で後側焦点距離は10mmです。レンズの入れる位置が遠すぎるのが原因でしょうか？それとも、もっとがんばればできるのでしょうか？
教科書を見る限りでは簡単にできそうなのですが・・・

回答No.4

walkingdic · ベストアンサー

>対物レンズによりNd:YVO4レーザは集光させ、He-Cdレーザは対物レンズ透過後に平行光にしたいのです。
どの程度の平行光線にしたいのですか。通常そういう事をすればひどい収差が出るので、ご希望の品質の平行光が得られるかどうかはわかりません。

試してみるのであれば、まず対物レンズに逆方向から平行光を入れてください。そうすれば前側焦点位置がわかります。光は可逆なので、その焦点位置にＨｅ－Ｃｄの焦点を結ぶようにＨｅ－Ｃｄのレンズを配置すればよいです。
あとＮＡも同じにして下さい。
つまり逆方向から入れて集光した光のＮＡと同じＮＡの光を作るようにレンズの焦点距離を決めます。

レーザー光そのままだと多分ＮＡが小さくなりすぎますので、一度エキスパンダーで拡大してレンズに入れることになるのではと思います。

そのためHe-Cdレーザを対物レンズの焦点位置に集光させようとしています。
Nd:YVO4レーザを対物レンズにより集光した位置にて露光を行う為、対物レンズのあとにレンズ入れることはできません。

>レンズを2枚挟む理由は2枚のレンズ間の距離を変えることで焦点位置を任意に変更できると考えたからです。
焦点位置を変えるためであればレーザー光は大体平行光になっているから１枚で十分です。

２枚必要なのは組みレンズとして焦点距離を変えたい場合や、結像光学系で焦点位置を変えたい場合などです。
あと、今回はＮＡもあわせなければならないので、それであれば２枚のレンズは焦点距離を変える手段として有効です。

補足

何度もすいません。

>どの程度の平行光線にしたいのですか。
完全な平行光として出射したいです。やはり収差の原因により難しいのでしょうか？

対物レンズの後側焦点位置は10mm、前側焦点位置は3mmとなっています。

できれば対物レンズの近くレンズを入れ、焦点距離の短いレンズを使用したいのですが顕微鏡を改造した光学系を使用しているためできません。同じ理由でビームエキスパンダも入れることができません。

やはり近い距離で同じぐらいのNAのレンズをはさむしか方法がないのでしょうか？

回答No.6

Willyt

>>そのためには平行光線が必要・・・
ガウスビームではだめということでしょうか？

　ガウスビームとはどんなビームなのか分かりません(^_^;)

　ただ、点光源ではないものの位置に焦点を持って来ても、これは絶対に平行線を作り出すことは不可能ですよね。ですから、点ではない光源から出る光を一度レンズを通して精度が要求する程度に絞る必要があります。そのためにはその光束は平行光線でなければなりません。それを実現するには光源をじゅうぶん遠くに置く必要がありますが、遠いと光が二乗に反比例して弱くなりますね。ですからそれでもいいならどんどん遠くに置けばいいということになりますが、それではダメなのでしょう？

お礼

ありがとうございます。なんとか解決できそうです。
親身になって相談にのっていただき感謝します。本当にありがとうございました。

回答No.5

walkingdic

>完全な平行光として出射したいです。
完全なというのがどの程度のことなのか具体的数値がないとわかりませんが、波面収差にしてλ程度必要と言うことであればまず無理です。

>やはり収差の原因により難しいのでしょうか？
はい。

>対物レンズの後側焦点位置は10mm、前側焦点位置は3mmとなっています。
>やはり近い距離で同じぐらいのNAのレンズをはさむしか方法がないのでしょうか？
前側焦点距離が３ｍｍであればその位置に集光するようにすればよいです。
別にレンズの位置が問題になるわけではありません。
たとえばｆ＝２００ｍｍのレンズを使うのであればそのレンズによる焦点位置が前側焦点位置に来ればよいわけです。
ＮＡの話はレンズの径とその手前でレーザー光を拡大できれば必要なＮＡは得られます。
顕微鏡の改造と言われていますが、全体をイメージできないのでＨｅ－Ｃｄの出射光でなぜ拡大できないのかわかりません。

回答No.3

am3141592

光学系の軸を合わせるのって結構難しいのでは？レーザーならそのまま向きを変えて取り出したが簡単と思いますが。素人なので、聞き流して下さい。

回答No.2

walkingdic

>対物レンズの手前60cmにレンズを2枚いれて対物レンズの後側焦点の位置に焦点を合わせて平行光を得よう
どのようにしようとしているのかがわかりません。。。。レンズの焦点距離は？そして何故２枚入れているのですか。

対物レンズと平凸レンズでの並行光線の作り方は、レーザー光を対物レンズに導入し、集光したあと広がり、その次に平凸レンズを入れて平行にします。
この時ね平凸レンズの前側焦点位置と対物レンズの後ろ側焦点位置が一致したあたりで平行光線になります。
平凸レンズは収差を小さくするように平面部分を対物レンズ側にします。

平たく言えばレーザー光を拡大するビームエキスパンダと同じですね。

どの程度の平行度が必要なのかによって、対物レンズの選択や平凸レンズの代りに組みレンズを使うなどの収差に対する注意が必要で、また光強度を均一にしたい場合には対物レンズ焦点位置にピンホールを置くなどの工夫も必要になります。

では。

補足

回答ありがとうございます。

光源にはHe-CdレーザとNd:YVO4レーザの2つを使用しています。
対物レンズによりNd:YVO4レーザは集光させ、He-Cdレーザは対物レンズ透過後に平行光にしたいのです。
そのためHe-Cdレーザを対物レンズの焦点位置に集光させようとしています。
Nd:YVO4レーザを対物レンズにより集光した位置にて露光を行う為、対物レンズのあとにレンズ入れることはできません。

He-Cdレーザを対物レンズの焦点位置に集光させる方法としてHe-Cdレーザの光軸にレンズをはさみました。
レンズを2枚挟む理由は2枚のレンズ間の距離を変えることで焦点位置を任意に変更できると考えたからです。

回答No.1

Willyt

ご苦労様です。

　ご質問の中に光源のことが書かれていませんが、平行光を実現するには焦点に置く光源は点光源であることが前提になっていますよね。しかしこれは不可能ですから一度光源の光を一点に集める必要があります。そのためには平行光線が必要になってしまうという矛盾が生じてしまいますね。

　そこで光源の前にハニカム状の斷面を持った細長い筒を置いて光にそこを通過させるというのはどうでしょうか？　筒が長いほど光束は平行に近くなりますよね。

補足

回答ありがとうございます。

光源ですがNd:YVO4レーザとHe-Cdレーザを使用しています。
Nd:YVO4レーザは対物レンズにより集光させHe-Cdレーザは対物レンズ透過後に平行光にしたいのです。

He-Cdレーザのみを平行光にしたいためHe-Cdレーザの光軸にレンズを挟んでいます。

>そのためには平行光線が必要・・・
ガウスビームではだめということでしょうか？