CN111344627B - 光束变换光学系统以及光源装置 - Google Patents

Abstract

提供一种小型且放大倍率较大的光束变换光学系统以及光源装置。本公开的一个方式中的光束变换光学系统(20)具备第1光学元件(21)和第2光学元件(22)。第1光学元件(21)由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有第1光学面(211)和第2光学面(212)。第1光学面(211)具有正的屈光力。第2光学元件(22)由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有第3光学面(221)和第4光学面(222)。第3光学面(221)具有负的屈光力。在第1光学元件(21)和第2光学元件(22)之间，具有激光光线(30)进行聚光的聚光区域(50)。

Description

光束变换光学系统以及光源装置

技术领域

本公开涉及一种对从光源射出的激光光线的光强度分布进行变换，并且将激光光线变换成线光束的光束变换光学系统以及光源装置。

背景技术

近年来，将从光源出射的激光光线变换成线状的线光束(line beam)的光束变换光学系统的研究在不断推进。以往的光束变换光学系统例如在专利文献1中示出了。对于专利文献1的光束变换光学系统，已知一种在光源侧配置对光线角度进行扩大的发散元件，并在其后级配置对光强度进行变换的均化器这样的远焦的光学系统。此外，发散元件通过凹透镜和凸透镜的组合而构成，均化器示出了由多个圆柱透镜构成的光束变换光学系统。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-187968号公报

发明内容

另一方面，即使在这样的光束变换光学系统中也强烈需要对小型化的要求。然而，在以往的光束变换光学系统中，由于是在发散元件的后级配置了均化器的远焦的光学系统，因此，为了使发散元件中的发散角增大，必须将多个凹透镜在光轴方向上进行多级配置，存在光束变换光学系统大型化这样的问题。

因此，本公开的目的在于解决这样的问题，提供一种小型且发散角大的光束变换光学系统以及光源装置。

本公开的一个方式中的光束变换光学系统具备第1光学元件、和配置于其后级的第2光学元件。第1光学元件由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有第1光学面和第2光学面。第1光学面具有正的屈光力。第2光学元件由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有第3光学面和第4光学面。第3光学面具有负的屈光力。在第1光学面和第3光学面之间，具有激光光线进行聚光的聚光区域。

此外，本公开的一个方式中的光源装置具备：光源，其射出激光光线；以及光束变换光学系统，其对激光光线的光强度分布进行变换，并且将激光光线变换成线光束。光束变换光学系统具备：第1光学元件；以及配置于其后级的第2光学元件。第1光学元件由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有第1光学面和第2光学面。第1光学面具有正的屈光力。第2光学元件由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有第3光学面和第4光学面。第3光学面具有负的光焦度。在第1光学元件和第2光学元件之间，具有激光光线进行聚光的聚光区域。

通过这样的结构，本公开提供一种小型且发散角较大的光束变换光学系统以及光源装置。

附图说明

图1A是表示本公开的实施方式中的光源装置的、从上方观察到的主要部分结构的示意图。

图1B是表示本公开的实施方式中的光源装置的、从侧方观察到的主要部分结构的示意图。

图2是表示向本公开的设计例中的光束变换光学系统入射的激光光线的光强度分布的图。

图3是表示从本公开的设计例中的光束变换光学系统出射的激光光线的光强度分布的图。

图4是向本公开的设计例中的光束变换光学系统入射的激光光线的光线图。

图5是表示本公开的光束变换光学系统的变形例的组装结构的示意图。

具体实施方式

以下，使用附图说明本公开的实施方式所涉及的具备光束变换光学系统的光源装置。此外，以下说明的实施方式均表示本公开的优选的一具体例。因此，以下实施方式中示出的形状、结构要素、结构要素的配置以及连接形态等是一例，并不是旨在对本公开进行限定。因此，将以下实施方式中的结构要素中的、并未记载于表示本发明的最上位概念的独立权利要求的结构要素作为任意的结构要素来说明。

此外，各图是示意图，并不必是严格地图示的内容。在各图中，针对实质上同一构造赋予了同一符号，并省略或简略化了重复的说明。

以下，使用附图来说明本公开的一方式的光源装置。图1A以及图1B中表示光源装置100的主要部分结构。图1A是从上方观察光源装置100而得的示意图。图1B是从侧方观察光源装置100而得的示意图。

光源装置100具备光源10和光束变换光学系统20。

光源10在内部具有激光发信机11和准直透镜12。从激光发信机11出射的激光光线30由准直透镜12变换成平行光束。也就是说，从光源10射出的激光光线30是平行光束。光源10还可以在准直透镜12的后级设置光圈13。光圈13对从准直透镜12出射的激光光线30的光束直径进行限制。

光束变换光学系统20具备第1光学元件21和第2光学元件22。光源装置100中，按照光源10、第1光学元件21、第2光学元件22的这种顺序在Z轴方向上进行配置。

第1光学元件21由具有正的屈光力的圆柱透镜构成。此外，这里所谓正的屈光力，是指当光入射到具有该屈光力的光学元件的情况下，使从该光学元件出射的光会聚。此外，所谓负的屈光力，是指当光入射到具有该屈光力的光学元件的情况下，使从该光学元件出射的光扩散。第1光学元件21具有：入射激光光线30的第1光学面211、和出射激光光线30的第2光学面212。第1光学面211是具有相对于X轴方向的正的屈光力的凸面形状的圆柱面。第2光学面212是不具有相对于X轴方向的屈光力的平面。第1光学面211的圆柱面由非球面构成。通过将第1光学面211设为非球面，获得了将激光光线30的光强度分布从高斯型变换成平顶型的作用。此外，所谓平顶型的光强度分布，意味着在以光轴40为中心的给定像高的范围内光强度分布成为一定。所谓给定像高的范围内能够设为例如像高的百分之70以下的范围。所谓光的强度分布一定，意味着给定像高的范围内的光强度的最小值存在于相同范围内的最大值的90％以上的范围内。此外，第2光学面212还可以设为具有屈光力的圆柱面。

此外，第1光学元件21优选通过光学玻璃构成。光学玻璃能够应对高输出的激光光线30。

第2光学元件22由具有负的屈光力的圆柱透镜构成。第2光学元件22具有：入射激光光线30的第3光学面221、和出射激光光线30的第4光学面222。第3光学面221是具有相对于X轴方向的负的屈光力的凹面形状的圆柱面。第4光学面222是不具有相对于X轴方向的屈光力的平面。第3光学面221的圆柱面由非球面构成。通过将第3光学面221设为非球面，获得了将激光光线30的光强度分布从高斯型变换成平顶型的作用。此外，第4光学面222还可以设为具有屈光力的圆柱面。

此外，第2光学元件22优选地通过光学玻璃构成。光学玻璃能够应对高输出的激光光线30。

此外，第1光学面211的母线方向和第3光学面221的母线方向一致。这里所谓的母线方向的一致，是指在作为光源装置100的光学特性的容许范围内的母线方向的偏差是容许的。第1光学面211和第3光学面221的母线方向的偏差的容许范围能够设为±0.3°。

此外，在第1光学元件21中光束强度变换并未充分进行的情况下，能够利用第2光学元件22对该不足量进行补充。

接下来，说明从光源10出射的激光光线30的变化。从光源10出射的激光光线30如图1A所示那样，通过透过第1光学元件21而被变换成聚光光束。成为聚光光束的激光光线30在穿过聚光区域50之后成为发散光束。此外，所谓聚光区域50表示从第1光学元件21出射的聚光光束的光束直径成为最小并形成光束腰的部分。透过聚光区域50而成为了发散光束的激光光线30通过第2光学元件22而发散角被扩大。此外，第1光学元件21和第2光学元件22在它们的母线方向上并不具有屈光力。因此，如图1B所示那样，激光光线30即使透过了第1光学元件21、第2光学元件22，光束直径在Z轴方向上也未变化。因此，从光源10出射的激光光线30通过透过光束变换光学系统20被变换成在X轴方向上延伸的线光束。

此外，光束变换光学系统20通过将基于第1光学元件21的非球面形状的光强度变换作用、和基于第2光学元件22的非球面形状的光强度变换作用进行组合，将从光束变换光学系统20出射的激光光线30的光强度分布设为平顶型的光强度分布。

接下来，表示光束变换光学系统20的设计例。在设计例中，第1光学元件21以及第2光学元件22在光轴上的元件间距离L是2.4236195mm。向光束变换元件入射的激光光线30的波长是1μm。

表1中表示第1光学元件21的光学设计数据。

[表1]

表中的折射率示出了对波长1μ的激光光线30的折射率。表中的元件厚度示出了图1A的第1光学元件21中的光轴上的元件厚度D1。

表2中表示第2光学元件22的光学设计数据。

[表2]

表中的折射率示出了对波长1μ的激光光线30的折射率。表中的元件厚度示出了图1A的在光轴上的第2光学元件22的厚度D2。

图2中表示向设计例的光束变换光学系统20入射的激光光线30的光强度分布。纵轴表示光强度。纵轴的值是将光强度的最大值设为1而标准化了的值。横轴表示相距光轴的像高。根据图2，向光束变换光学系统20入射的激光光线30光束直径是1.2mm，光强度分布是高斯型。

图3中表示从设计例的光束变换光学系统20出射的激光光线30的光强度分布。该光强度分布是从第2光学元件22的第4面起相距1000mm的位置处的光强度分布。纵轴表示光强度。纵轴的值是将光强度的最大值设为1而标准化了的值。横轴表示相距光轴40的像高。根据图3，从光束变换光学系统20出射的激光光线30被变换成在以光轴40为中心的约1600mm的宽度中光强度分布为一定的线光束。

图4中表示向光束变换元件入射的激光光线30的光线图。激光光线30中的线间隔对应于光强度分布。表示出：如果线间隔窄，则光强度分布紧密，如果光线间隔宽则光强度分布稀疏。表示出：向第1光学元件21入射的激光光线30是光轴附近的光强度高、外缘侧的光强度低的高斯型的光强度分布。表示出：从第2光学元件22出射的激光光线30从光轴附近起直到外缘为止的线间隔一定，且是低高斯型的光强度分布。

此外，第1光学元件21通过非球面设计而具有纵的球面像差。纵的球面像差被设定成：从第1光学元件21出射的激光光线30的光轴侧的光线和外缘侧的光线的平行度相近。第2光学元件22通过非球面设计而具有纵的球面像差。纵的球面像差被设定成：从第2光学元件22出射的激光光线30的光线间隔相近。

这样，本公开的光束变换光学系统20通过从第1光学元件21出射的激光光线30的最外缘光线的聚光角，来决定向第2光学元件22入射的激光光线30的发散角。也就是说，由于能够通过增大第1光学元件21的开口数NA来增大聚光角，因此，即使未将第2光学元件22设为如以往那样的多级结构，也能够在光束变换光学系统20中形成发散角大的线光束。

对于光束变换光学系统20，由于光束变换光学系统20能够利用第1光学元件21和第2光学元件22的2片组合的结构来构成，因此能够实现发散角大且小型的光束变换光学系统20。此外，由于第1光学元件21以及第2光学元件22均是圆柱构造，因此光学元件的形成变得容易。由此，光学元件能够通过使用了成形模具的压制加工来成形。若使用压制加工，则量产时的成形偏差能够降低。

此外，第1光学元件21的第2光学面212是平面。因此，即使在压制成形时产生了第2光学面212相对于第1光学元件21的偏差，也不会影响光学特性。也就是说，第1光学元件21的透镜成形是容易的。此外，第2光学元件22的第4光学面222是平面。因此，即使在压制成形时产生了第4光学面222相对于第3光学面221的偏差，也不会影响光学特性。也就是说，第2光学元件22的透镜成形是容易的。

此外，在如光束变换光学系统20那样利用少的透镜组数来增大发散角的结构中，在第1光学元件21和第2光学元件22的对位中要求高的精度。图5中表示光束变换光学系统的变形例的组装结构的示意图。光束变换光学系统70设为将第1光学元件21和第2光学元件22插入镜筒60来进行定位的构造。镜筒60由具有贯通孔61的筒状金属形成，贯通孔61中的一个开口61A的侧对应于第1光学元件21的外形。贯通孔61中的另一个开口61B的侧对应于第2光学元件22的外形。在贯通孔61的内侧、也就是插入的第1光学元件21和第2光学元件22之间的部分，配置有在内周方向上突出的突出部62。第1光学元件21和第2光学元件22在由贯通孔61的内周面引导的状态下被插入，因此，相互的母线方向的偏差被抑制。此外，第1光学元件21和第2光学元件22通过与突出部62抵接来决定第1光学元件21和第2光学元件22的间隔。因此，通过使用镜筒60，第2光学元件22相对于第1光学元件21的定位变得容易，能够使量产阶段中的光束变换光学系统20的光学特性稳定。

产业上的可利用性

本发明具有使光束变换光学系统的部件个数减少的效果，特别地，在要求小型化的车载用途中是有效的。

-符号说明-

10 光源

20、70 光束变换光学系统

21 第1光学元件

211 第1光学面

212 第2光学面

22 第2光学元件

221 第3光学面

222 第4光学面

30 激光光线

50 聚光区域

61 贯通孔

60 镜筒

100 光源装置。

Claims (6)

1.一种光束变换光学系统，对从光源射出的激光光线的光强度分布进行变换，并且将所述激光光线变换成线光束，

所述光束变换光学系统具备：

第1光学元件；以及

第2光学元件，其配置于所述第1光学元件的后级，

所述第1光学元件由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有入射所述激光光线的第1光学面、和出射所述激光光线的第2光学面，

所述第1光学元件具有正的屈光力，

所述第1光学面具有正的屈光力，

所述第2光学元件由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有入射所述激光光线的第3光学面、和出射所述激光光线的第4光学面，

所述第2光学元件具有负的屈光力，

所述第3光学面具有负的屈光力，

在所述第1光学面和所述第3光学面之间，具有所述激光光线进行聚光的聚光区域。

2.根据权利要求1所述的光束变换光学系统，其中，

所述第2光学面和所述第4光学面是平面。

3.根据权利要求1所述的光束变换光学系统，其中，

所述光束变换光学系统还具备：具有贯通孔的镜筒，

所述第1光学元件和所述第2光学元件被配置于所述贯通孔内，由所述镜筒进行支承。

4.一种光源装置，具备：

光源，其射出激光光线；以及

光束变换光学系统，其对所述激光光线的光强度分布进行变换，并且将所述激光光线变换成线光束，

所述光束变换光学系统具备：

第1光学元件；以及

第2光学元件，其配置于所述第1光学元件的后级，

所述第1光学元件由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有入射所述激光光线的第1光学面、和出射所述激光光线的第2光学面，

所述第1光学元件具有正的屈光力，

所述第1光学面具有正的屈光力，

所述第2光学元件由圆柱透镜构成，该圆柱透镜具有入射所述激光光线的第3光学面、和出射所述激光光线的第4光学面，

所述第2光学元件具有负的屈光力，

所述第3光学面具有负的屈光力，

在所述第1光学元件和所述第2光学元件之间，具有所述激光光线进行聚光的聚光区域。

5.根据权利要求4所述的光源装置，其中，

所述第2光学面和所述第4光学面是平面。

6.根据权利要求4所述的光源装置，其中，

所述光源装置还具备：具有贯通孔的镜筒，

所述第1光学元件和所述第2光学元件被配置于所述贯通孔内，由所述镜筒进行支承。

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