CN111566542B - 平行光产生装置 - Google Patents

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Abstract

在与透镜(2)的光轴(10)垂直的面内，圆柱面不具有曲率的方向为透镜(2)的母线方向，圆柱面具有曲率的方向且与母线方向正交的方向为透镜(2)的曲率方向，光源(1)配置在透镜(2)的入射面(3)侧的母线方向上的焦点位置(21)，将透镜(2)的母线方向上的发散角与透镜(2)的曲率方向上的发散角不同的光向透镜(2)的入射面(3)射出。

Description

平行光产生装置
技术领域
本发明涉及具备透镜的平行光产生装置，该透镜将从入射面入射的光转换成平行光，从出射面射出平行光。
背景技术
近年来，能够高效照明的光源受到关注，例如实现了使用LED(Light EmittingDiode)或激光器的固体照明等光源。
从光源射出的光伴随着传播而扩散。因此，为了将从光源射出的光有效地传输至后级的光学系统或照射面，要求通过减小从光源射出的光的发散角，从而将从光源射出的光转换成接近平行光的光。
例如，在以下的专利文献1中公开了将从光源射出的光转换成平行光的平行光产生装置。
该平行光产生装置使用非球面单透镜作为对光进行准直的透镜，并将射出发散角较大的光的光源配置到该透镜的入射面侧的焦点位置，由此将从光源射出的光转换成平行光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平2-235010号公报
发明内容
发明要解决的问题
由于以往的平行光产生装置如以上那样构成，因此，为了减小从透镜射出的光的发散角，需要充分地增长透镜的焦距，扩宽光源与透镜的间隔。此外，由于扩宽光源与透镜的间隔，因此，为了有效地利用从光源射出的光能，需要使用有效口径较大的透镜。
因此，存在如下问题：如果要减小从透镜射出的光的发散角，则平行光产生装置变得大型，如果要使平行光产生装置变得小型，则无法减小从透镜射出的光的发散角。
以下，对上述的问题具体进行说明。
以往的平行光产生装置具备的光源不是点光源，而是具有有限大小的发光点的光源。
当设光源的水平方向的发光半宽为wh、光源的垂直方向的发光半宽为wv、透镜的焦距为f时，由透镜准直后的光的水平方向上的发散半角θho以及由透镜准直后的光的垂直方向上的发散半角θvo如以下的式(1)那样表示。垂直方向是与水平方向正交的方向。
Figure BDA0002568094300000021
Figure BDA0002568094300000022
因此，在使用焦距f的透镜对从光源射出的光进行了准直的情况下，光源的水平方向的发光半宽wh及垂直方向的发光半宽wv分别变得越大，则准直后的水平方向上的发散半角θho及垂直方向上的发散半角θvo分别变得越大。
光源的发光宽度通常无法由用户自由地变更，因此，为了减小发散角，需要增长透镜的焦距f。由于光源配置在透镜的入射面侧的焦点位置，因此，越增长焦距f，光源与透镜的间隔越宽。
这里，设想使用水平方向上的发散角θhi×2与垂直方向上的发散角θvi×2不同的光源的情况。
在水平方向上的发散半角θhi及垂直方向上的发散半角θvi中的垂直方向上的发散半角θvi较大的情况下，透镜的入射面上的光线的发光半宽wv1如以下的式(2)那样表示。
wv1＝wv+f×Tan(θvi) (2)
在使用焦距f的透镜的情况下，需要使用具有与焦距f成正比例的有效口径Φ的透镜，当增长焦距f时，需要使用具有更大的有效口径Φ的透镜。
在使用焦距f的透镜的情况下，为了有效地利用发散半角θvi内的能量，透镜的有效口径Φ优选为2×wv1以上。
在透镜的有效口径Φ比2×wv1小的情况下，发散半角θvi内的能量的一部分由于晕影而损失，因此，无法有效地利用发散半角θvi内的能量。
针对具有满足正弦条件的厚度的透镜，替换光线的发光半宽wv1的计算式。具体而言，将式(2)中的f×Tan(θvi)替换为f×Sin(θvi)。但是，在焦距f、发散半角θvi及光线的发光半宽wv1之间存在关系是不变的。
根据式(1)和式(2)的关系，针对水平方向的发光半宽为wh且垂直方向的发光半宽为wv的光源，焦距f、透镜的有效口径Φ(≧2×wv1)、准直后的水平方向上的发散半角θho及垂直方向上的发散半角θvo无法独立地决定，处于权衡的关系。
即，为了减小准直后的发散半角θho、θvo，需要增长焦距f，扩宽有效口径Φ较大的透镜与光源的间隔。当使用焦距f较短的透镜时，无法减小发散半角θho、θvo。因此，平行光产生装置的小型化、较小的发散角、以及较高的光利用效率这些要求难以全部满足。
本发明是为了解决上述的问题而完成的，其目的在于，得到一种平行光产生装置，无需为了减小发散角而使用增长焦距且具有更大的有效口径的透镜。
用于解决问题的手段
本发明的平行光产生装置具备：光源，其射出光；以及透镜，该透镜的供从光源射出的光入射的入射面为凸面，该透镜的将从入射面入射的光射出的出射面为圆柱面，该透镜将从入射面入射的光转换成平行光，从出射面射出平行光，在与透镜的光轴垂直的面内，圆柱面不具有曲率的方向为透镜的母线方向，圆柱面具有曲率的方向且与母线方向正交的方向为透镜的曲率方向，光源配置在透镜的入射面侧的母线方向上的焦点位置，将透镜的母线方向上的发散角与透镜的曲率方向上的发散角不同的光向透镜的入射面射出。
发明的效果
根据本发明，在与透镜的光轴垂直的面内，圆柱面不具有曲率的方向是透镜的母线方向，圆柱面具有曲率的方向且与母线方向正交的方向是透镜的曲率方向，光源配置在透镜的入射面侧的母线方向上的焦点位置，构成为将透镜的母线方向上的发散角与透镜的曲率方向上的发散角不同的光向透镜的入射面射出。因此，具有如下效果：得到无需为了减小发散角而使用增长焦距且具有更大的有效口径的透镜的平行光产生装置。
附图说明
图1A是示出实施方式1的平行光产生装置的俯视图，图1B是示出实施方式1的平行光产生装置的侧视图。
图2A是示出实施方式1的平行光产生装置的光源1的俯视图，图2B是示出实施方式1的平行光产生装置的光源1的侧视图。
图3A是示出透镜2的曲率方向上的光线30a的说明图，图3B是示出透镜2的母线方向上的光线30b的说明图。
图4是示出由平凸透镜准直后的x-z面上的发散半角θho及y-z面上的发散半角θvo与焦距之间的关系式的说明图。
图5是示出平凸透镜中的x方向的有效口径及y方向的有效口径与焦距之间的关系式的说明图。
图6A是示出实施方式2的平行光产生装置的俯视图，图6B是示出实施方式2的平行光产生装置的侧视图。
图7A是示出实施方式3的平行光产生装置的光源40的俯视图，图7B是示出实施方式3的平行光产生装置的光源40的侧视图。
图8A是示出实施方式4的平行光产生装置的俯视图，图8B是示出实施方式4的平行光产生装置的侧视图。
具体实施方式
以下，为了更加详细地说明本发明，按照附图对其具体实施方式进行说明。
实施方式1.
图1是示出实施方式1的平行光产生装置的结构图。
图1A是示出实施方式1的平行光产生装置的俯视图，图1B是示出实施方式1的平行光产生装置的侧视图。
图2A、2B是示出实施方式1的平行光产生装置的光源1的结构图。
图2A是示出实施方式1的平行光产生装置的光源1的俯视图，图1B是示出实施方式1的平行光产生装置的光源1的侧视图。
在图1A、1B及图2A、2B中，z方向是平行光产生装置的光轴方向。
x方向是与光轴方向正交的平行光产生装置的水平方向，y方向是与光轴方向及x方向分别正交的平行光产生装置的垂直方向。
光源1是将光向透镜2射出的光源。
透镜2是如下的光学元件：使从光源1射出的光入射的入射面3为凸面，使从入射面3入射的光射出的出射面4为圆柱面，将从入射面3入射的光转换成平行光并从出射面4射出平行光。
由透镜2转换后的平行光不限于严格的平行光，也包括大致平行的光。
在与透镜2的光轴10垂直的面内，作为出射面4的圆柱面不具有曲率的方向为透镜2的母线方向，圆柱面具有曲率的方向且与母线方向正交的方向为透镜2的曲率方向。
图1A示出射出面4具有曲率的方向即透镜2的曲率方向，图1B示出射出面4不具有曲率的方向即透镜2的母线方向。
在该实施方式1中，如图1B所示，光源1的端面的位置与透镜2的入射面3侧的母线方向上的焦点位置21一致。
光源1是将如下的光向透镜2的入射面3射出的光源，该光在透镜2的母线方向上的发散角与透镜2的曲率方向上的发散角不同。
在该实施方式1中，示出图1B所示的母线方向上的发散角比图1A所示的曲率方向上的发散角宽的例子。
在图1A及图2A中，30a示出从光源1射出的光中的透镜2的曲率方向上的光线。
在图1B及图2B中，30b示出从光源1射出的光中的透镜2的母线方向上的光线。
此外，光源1是与透镜2的曲率方向相当的x方向的发光宽度1a大于与透镜2的母线方向相当的y方向的发光宽度1b的光源。
光源1内的位置22是光向与透镜2的曲率方向相当的x方向射出的假想出射点。
焦点位置21是光源1的端面的位置，光源1的端面的位置是光向与透镜2的母线方向相当的y方向射出的出射点。
因此，如图2A、2B所示，光源1是光向x方向射出的假想出射点与光向y方向射出的出射点不同的具有象散的光源。
在该实施方式1中，对将半导体激光器用作光源1的例子进行说明。
图1A及图2A所示的光线30a的发散半角θh1是从光源1射出的光的最小的发散半角，例如为2～15°的角度。
图1B及图2B所示的光线30b的发散半角θv1是从光源1射出的光的最大的发散半角，例如为15～45°的角度。
光源1中的x方向的发光宽度1a为几μm到几100μm的范围，光源1中的y方向的发光宽度1b为1μm到几μm的范围。
如图2A及图2B所示，作为光源1的半导体激光器，具有几μm到20μm左右的象散，光向x方向射出的假想出射点与光向y方向射出的出射点不同。因此，从光源1放射的x-z面上的光从比光源1的端面的位置靠内侧的位置22被射出。
透镜2是具备入射面3和出射面4且中心厚度为d的光学元件，通过折射率n的玻璃而形成。
透镜2能够通过研磨、模塑成形、蚀刻等通常的透镜的制作方法来制作。
虽然在图1A、1B所示的透镜2中未图示，但也可以在透镜2的入射面3及出射面4各个的表面上实施防止从光源1射出的光的反射的防反射膜。此外，也可以准备光量监视器等，利用被入射面3及出射面4分别反射的光。
透镜2的入射面3是关于光轴10轴对称的凸面，透镜2的出射面4是圆柱面。
作为出射面4的圆柱面在与透镜2的光轴10垂直的面内，具备如图1A所示那样具有曲率的方向和如图1B所示那样不具有曲率的方向。
如图1A所示，圆柱面在具有曲率的方向上是凸面，如图1B所示，圆柱面在不具有曲率的方向上是平面。
透镜2的入射面3在x-z面上，曲率半径为Rh1，在y-z面上，曲率半径为Rv1。
透镜2的出射面4在x-z面上，曲率半径为Rh2，在y-z面上，曲率半径为Rv2。
在该实施方式1中，示出了入射面3是关于光轴10轴对称的凸面的例子，因此，Rh1＝Rv1。
此外，在该实施方式1中，示出了作为出射面4的圆柱面在y-z面上是平面的例子，因此，Rv2＝∞。
关于透镜2的曲率方向上的光线30a，在透镜2的入射面3中的x-z面上的曲率半径Rh1、出射面4中的x-z面上的曲率半径Rh2、透镜2的中心厚度d、以及透镜2的折射率n之间，满足以下的式(3)的关系。
Figure BDA0002568094300000071
在式(3)中，以入射面3与光轴10的交点为基准，如果入射面3的曲率中心的位置位于光源1侧，则曲率半径Rh1的符号为正，如果入射面3的曲率中心的位置位于与光源1对置的一侧，则曲率半径Rh1的符号为负。
在图1A、1B的例子中，入射面3为凸面，以入射面3与光轴10的交点为基准，入射面3的曲率中心的位置位于与光源1对置的一侧，因此，曲率半径Rh1的符号为负。另外，如果入射面3为凹面，则入射面3的曲率中心的位置成为，光源1侧，因此，曲率半径Rh1的符号成为正。
以出射面4与光轴10的交点为基准，如果曲率中心的位置位于光源1侧，则曲率半径Rh2的符号为正，如果曲率中心的位置位于与光源1对置的一侧，则曲率半径Rh2的符号为负。
在图1A、1B的例子中，出射面4为凸面，以出射面4与光轴10的交点为基准，出射面4的曲率中心的位置位于光源1侧，因此，曲率半径Rh2的符号为正。另外，如果出射面4为凹面，则出射面4的曲率中心的位置成为与光源1对置的一侧，因此，曲率半径Rh2的符号成为负。
关于透镜2的母线方向上的光线30b，母线方向上的焦距f及前侧(光源1侧)焦距FFLv分别如以下的式(4)那样表示。
Figure BDA0002568094300000072
Figure BDA0002568094300000073
在式(4)中，h1是透镜2的母线方向上的光源1侧的主点位置，符号从入射面3与光轴10的交点朝向透镜2的内部的方向为正。
在曲率半径Rv2＝∞的情况下，式(4)被简化，如以下的式(5)那样表示。
Figure BDA0002568094300000074
Figure BDA0002568094300000075
因此，在图1B的例子中，母线方向上的焦距f与前侧焦距FFLv相同。
接着，参照图3A、3B对平行光产生装置的动作进行说明。
图3A是示出透镜2的曲率方向上的光线30a的说明图，图3B是示出透镜2的母线方向上的光线30b的说明图。
从光源1射出的光一边扩散一边向透镜2的入射面3入射，在从入射面3到出射面4之间在透镜2的内部传播，并从出射面4射出。
从光源1射出的光中的透镜2的曲率方向上的光线30a与透镜2的母线方向上的光线30b因透镜2而受到不同的作用。
在该实施方式1中，为了简化说明，针对透镜2的曲率方向，仅考虑光线30a，针对透镜2的母线方向，仅考虑光线30b。
透镜2的曲率方向上的光线30a假设从光源1的内部的位置22射出，通过入射面3中的曲率半径Rh1的凸面使该光线30a聚光并发散，将光束直径放大。
放大了光束直径的光线30a通过出射面4中的曲率半径Rh2的凸面而减小了发散角，将该光线30a向透镜2的外部射出。
以下，使用光线矩阵对光线30a的动作进行说明。例如在以下的非专利文献1中公开了光线矩阵。
非专利文献1：Lasers，A.E.Siegman，University Science Books、Mill Valley
从光源1射出的曲率方向上的光线30a传播与光源1至透镜2的入射面3的距离相当的前侧焦距FFLv，并向透镜2入射。
关于透镜2的动作，能够作为光线30a通过透镜2中的各个光学要素而受到的作用来说明。
作为由各个光学要素对光线30a给予的作用，考虑由透镜2的入射面3给予的作用、由透镜2的内部给予的作用、以及由透镜2的出射面4给予的作用。
由透镜2的入射面3给予的作用是由曲率半径为Rh1且折射率为n的电介质边界面给予的作用。
由透镜2的内部给予的作用是由中心厚度为d的电介质内部给予的作用。
由透镜2的出射面4给予的作用是由曲率半径为Rh2且折射率为n的电介质边界面给予的作用。
对以列向量记述的曲率方向上的光线30a给予的作用能够以2行2列的矩阵来记述。
以下的式(6)是在从光源1射出之后到入射到透镜2的入射面3为止的期间受到的作用。
以下的式(7)是由透镜2的入射面3给予的作用。
以下的式(8)是由透镜2的内部给予的作用。
以下的式(9)是由透镜2的出射面4给予的作用。
Figure BDA0002568094300000091
Figure BDA0002568094300000092
Figure BDA0002568094300000093
Figure BDA0002568094300000094
在式(6)～(9)中，r是向各光学要素入射的光线30a的光轴高度。如图3A所示，例如，如果光学要素为入射面3，则r＝r1，例如如果光学要素为出射面4，则r＝r2。
θ是向各光学要素入射的光线30a与光轴10所成的角，例如，如果光学要素为入射面3，则θ＝θh1，例如，如果光学要素为出射面4，则θ＝θh2。
r’是被光学要素给予了作用的光线30a的光轴高度。
θ’是被光学要素给予了作用的光线30a与光轴10所成的角。
以下，将表示光学要素的作用的2行2列的矩阵的(1，1)成分表示为A，将该矩阵的(1，2)成分表示为B，将该矩阵的(2，1)成分表示为C，将该矩阵的(2，2)成分表示为D。
例如，当着眼于式(7)中的2行2列的矩阵时，A＝1，B＝0，C＝(n-1)/nRh1，D＝1/n。
从光线30a入射到透镜2的入射面3之后到从透镜2的出射面4射出为止，由各光学要素给予光线30a的作用能够如以下的式(10)所示那样表示为式(7)～(9)中的2行2列的矩阵的积。
Figure BDA0002568094300000101
当向式(10)中的2行2列的矩阵代入式(3)的关系并进行整理后，成为以下的式(11)。
Figure BDA0002568094300000102
在满足式(3)的理想的放大系统的情况下，如式(11)所示，入射面3中的曲率方向上的光线30a的光束半径wh1大致成为Rh2/Rh1倍。因此，出射面4中的曲率方向上的光线30a的光束半径wh2大致成为(Rh2/Rh1)×wh1。这里，忽略式(11)中的(d/n)×θ。
此外，入射面3中的曲率方向上的光线30a的发散半角θh1成为Rh1/Rh2倍。因此，出射面4中的曲率方向上的光线30a的发散半角θh2成为(Rh1/Rh2)×θh1。
因此，能够通过曲率半径Rh1与曲率半径Rh2的比率来减小曲率方向上的光线30a的发散角。
能够通过曲率半径Rh1与曲率半径Rh2的比率来减小曲率方向上的光线30a的发散角是指，能够与式(1)无关地决定曲率方向上的光线30a的发散角。即，能够与光源1的发光半宽wh及焦距f无关地决定曲率方向上的光线30a的发散角。
从光源1射出之后到从透镜2的出射面4射出为止，由各光学要素给予光线30a的作用能够如以下的式(12)那样表示。
在式(12)中，通过式(6)中的2行2列的矩阵与式(11)中的2行2列的矩阵之积表示出由各光学要素给予光线30a的作用。
Figure BDA0002568094300000111
这里，当比较式(11)与式(12)时，在光源1与透镜2的入射面3之间，光线30a的光束直径从r被增大到r+FFLv×θ。但是，在透镜2的入射面3与出射面4之间，可知光线30a的光束直径及发散角各自没有改变。
根据式(12)，可清楚曲率方向上的光线30a的发散角与焦距f及前侧焦距FFLv无关。
因此，可清楚曲率方向上的光线30a的发散角不依赖于光源1与透镜2的光轴方向的距离。
在该实施方式1中，具有如下优点：不仅光源1与透镜2之间的光轴方向的位置偏移对光线30a的倾斜的影响较小，光源1与透镜2之间的x方向的位置偏移对光线30a的倾斜的影响也较小。
以下，通过考虑了位置偏移的光线矩阵，来说明光源1与透镜2之间的x方向的位置偏移对光线30a的倾斜的影响较小这样的优点。
从光线30a入射到透镜2的入射面3之后到从透镜2的出射面4射出为止，由各光学要素给予光线30a的作用在考虑位置偏移时，从式(11)改为式(13)。
Figure BDA0002568094300000121
Figure BDA0002568094300000122
在式(13)中，Δ是光源1与透镜2之间的x方向的位置偏移量，Δ’是透镜2相对于光源1的倾斜。
对式(13)进行整理，成为以下的式(14)，可知位置偏移量Δ对曲率方向上的光线30a的发散角不造成影响。
Figure BDA0002568094300000123
Figure BDA0002568094300000124
到此为止，对透镜2的曲率方向上的光线30a进行了说明，以下对透镜2的母线方向上的光线30b进行说明。
由于母线方向上的光源1的端面配置在光源1侧的焦距成为FFLv的位置，因此，通过入射面3的曲率半径Rv1的凸面及出射面4的平面，对透镜2的母线方向上的光线30b进行准直。
以下，使用光线矩阵来说明光线30b的动作。
从光源1射出的母线方向上的光线30b传播与光源1至透镜2的入射面3的距离相当的前侧焦距FFLv，并向透镜2入射。
透镜2的动作能够作为光线30b通过透镜2中的各个光学要素而受到的作用来说明。
作为由各个光学要素给予光线30b的作用，考虑由透镜2的入射面3给予的作用、由透镜2的内部给予的作用、以及由透镜2的出射面4给予的作用。
由透镜2的入射面3给予的作用是由曲率半径为Rv1且折射率为n的电介质边界面给予的作用。
由透镜2的内部给予的作用是由中心厚度为d的电介质内部给予的作用。
由透镜2的出射面4给予的作用是由曲率半径为Rv2且折射率为n的电介质边界面给予的作用。
对以列向量记述的母线方向上的光线30b给予的作用能够以2行2列的矩阵来记述。
以下的式(15)是由透镜2的入射面3给予的作用。
以下的式(16)是由透镜2的内部给予的作用。
以下的式(17)是由透镜2的出射面4给予的作用。
母线方向上的光线30b在从光源1射出之后到入射到透镜2的入射面3为止的期间受到的作用与曲率方向上的光线30a同样地由式(6)表示。
Figure BDA0002568094300000131
Figure BDA0002568094300000132
Figure BDA0002568094300000133
从光线30b入射到透镜2的入射面3之后到从透镜2的出射面4射出为止，由各光学要素给予光线30b的作用能够如以下的式(18)所示那样表示为式(15)～(17)中的2行2列的矩阵之积。
Figure BDA0002568094300000134
作为曲率半径Rv2＝∞，当对式(18)进行整理后，成为以下的式(19)。
Figure BDA0002568094300000135
光源1侧的主点位置h1为式(19)的(D-1)/C，前侧焦距FFLv为式(19)的(D-2)/C。
前侧焦距FFLv与式(5)所示的前侧焦距FFLv相同。
从光源1射出之后到从透镜2的出射面4射出为止，由各光学要素给予光线30b的作用能够如以下的式(20)那样表示。
在式(20)中，通过式(6)中的2行2列的矩阵与式(19)中的2行2列的矩阵之积表示出由各光学要素给予光线30b的作用。
Figure BDA0002568094300000141
根据式(20)，可清楚从光源1放射的母线方向上的光线30b在从出射面12射出之后成为平行光。
由于透镜2的曲率方向上的光线30a及透镜2的母线方向上的光线30b受到以上那样的作用，因此，用户能够与母线方向上的发散角的要求值匹配地决定母线方向上的焦距f及前侧焦距FFLv。
如式(5)所示，母线方向上的焦距f的决定相当于决定母线方向上的入射面3的曲率半径Rv1和透镜2的折射率n。在该实施方式1中，Rh1＝Rv1，因此，决定母线方向上的入射面3的曲率半径Rv1相当于决定曲率方向上的入射面3的曲率半径Rh1。
此外，用户能够与曲率方向上的发散角的要求值匹配地决定曲率方向上的出射面4的曲率半径Rh2和厚度d。
以下，公开光源1及透镜2的具体例来说明实施方式1中的平行光产生装置的效果。
首先，作为实施方式1中的平行光产生装置的比较对象，考虑如下的平行光产生装置：将波长808nm的半导体激光器用作光源1，代替透镜2而使用轴对称的平凸透镜来对光进行准直。
此时，设x-z面上的发散半角为8.5°，y-z面上的发散半角为25.5°，x方向的发光宽度为200μm，y方向的发光宽度为1μm。此外，设由平凸透镜准直后的x-z面上的发散半角及y-z面上的发散半角分别为1°以内。
图4是示出由平凸透镜准直后的x-z面上的发散半角θho及y-z面上的发散半角θvo与焦距之间的关系式的说明图。
图5是示出平凸透镜中的x方向的有效口径及y方向的有效口径与焦距之间的关系式的说明图。
当使用式(1)及式(2)时，为了得到1°作为准直后的x-z面上的发散半角，如图4所示，需要使用焦距为5.7mm的平凸透镜。此外，在焦距为5.7mm的情况下，如图5所示，需要使用y方向的有效口径为5.5mm的平凸透镜。
接着，假设该实施方式1中的平行光产生装置与比较对象的平行光产生装置同样地将波长808nm的半导体激光器用作光源1。
此外，作为透镜2而使用如下透镜：入射面3中x-z面上的曲率半径Rh1及y-z面上的曲率半径Rv1分别为-0.2mm，出射面4中的x-z面上的曲率半径Rh2为1.7mm，出射面4中的y-z面上的曲率半径Rv2为∞。
此外，作为透镜2，使用中心厚度d为4.3mm且折射率n为1.8的透镜。
此时，y方向即母线方向上的焦距f及前侧焦距FFLv为0.25mm，透镜2的y方向的有效口径为0.24mm即可。此外，透镜2的x方向的有效口径将入射面侧设为0.27mm且将出射面侧设为2.3mm即可。省略有效口径的详细的计算内容。
因此，该实施方式1中的平行光产生装置与比较对象的平行光产生装置相比，在得到相同的1°的发散半角时，能够缩短y方向即母线方向上的焦距f，并且能够减小有效口径。因此，该实施方式1中的平行光产生装置与比较对象的平行光产生装置相比，能够实现小型化。
在该实施方式1中，x方向即曲率方向的发光宽度比y方向即母线方向的发光宽度宽，因此，根据曲率方向上的光束直径来决定透镜2的有效口径。上述的入射面3中的曲率半径Rh1、Rv1及出射面4中的曲率半径Rh2、Rv2只不过是一例，当然也可以是其他值。通过进一步缩短母线方向的焦距f，也能够更加小型化。
此外，对该实施方式1中的平行光产生装置的优点(1)、(2)进行说明。
(1)具有不产生由象散引起的发散角的增大的优点。
在使用轴对称的透镜2的情况下，当使透镜2的焦点位置21与作为光源1的半导体激光器的端面一致时，在x方向即曲率方向上产生对焦偏移，发散角增大。
为了校正象散，存在如下方法：使用在曲率方向与母线方向上具有不同的焦距的透镜2，使曲率方向上的焦点位置与半导体激光器的内部的位置22一致，使母线方向上的焦点位置21与半导体激光器的端面一致。但是，半导体激光器的曲率方向上的光的假想出射点的位置即位置22具有偏差，并且，依赖于半导体激光器输出而变化。使曲率方向上的光的假想出射点的位置22变化的原因有多个，因此，难以抑制因象散引起的发散角的增大。
在该实施方式1中的平行光产生装置中，如已经说明的那样，曲率方向上的发散角不依赖于光源1与透镜2之间的前侧焦距FFLv。因此，通过在母线方向上的焦点位置21配置光源1的端面，具有如下优点：即便存在象散，并且具有偏差或半导体激光器的输出依赖性，曲率方向上的发散角也不会增大。
(2)具有能够缓和光源1与透镜2之间的曲率方向的定位精度的优点。
在使用以往的准直法的情况下，当在曲率方向及母线方向上产生位置偏移时，根据式(20)可知，产生光线的射出方向会从理想的射出方向倾斜的状况。
为了抑制光线的倾斜，透镜2相对于光源1的定位要求高精度。例如，要求几μm到几10μm左右的定位精度。
这里，相对于半导体激光器的芯片外形而言的发光点的位置精度在母线方向上具有高精度，但在曲率方向上的精度低。这是因为，母线方向被严格地进行了厚度控制，与此相对，曲率方向依赖于从晶圆切成芯片时的精度，曲率方向例如成为几μm到几10μm的切出精度。
因此，相对于芯片的外形，曲率方向的发光点位置会产生偏差，例如，即便在以外形基准高精度地组装了芯片和透镜的情况下，曲率方向的发光点与透镜2的相对位置也会产生偏差。
在该实施方式1中，即便产生了因芯片切出位置的偏差引起的曲率方向的位置偏移，对光线的射出方向的倾斜造成的影响也较小，因此，能够缓和光源1与透镜2之间的曲率方向的定位精度。
在以上的实施方式1中，在与透镜2的光轴10垂直的面内，圆柱面不具有曲率的方向为透镜2的母线方向，圆柱面具有曲率的方向且与母线方向正交的方向为透镜2的曲率方向。而且，光源1配置在透镜2的入射面3侧的母线方向上的焦点位置21，构成为将透镜2的母线方向上的发散角与透镜2的曲率方向上的发散角不同的光向透镜2的入射面3射出。因此，得到无需为了减小发散角而使用增长焦距且具有更大的有效口径的透镜2的平行光产生装置。
在该实施方式1中，示出将半导体激光器用作光源1的例子，但作为光源1，也可以使用与半导体激光器不同的种类的激光器、或者激光器以外的光源。
在该实施方式1中，示出母线方向的出射点为光源1的端面的例子，但母线方向的出射点不限于光源1的端面，只要在光学上视作母线方向的出射点的位置光学地配置透镜2的焦点位置21即可。
例如，为了防止光源1的端面的劣化，有时在端面的附近形成通常被称为窗的构造，在由于该窗的影响而将母线方向上的光学的出射点配置到光源1的内部等的情况下，与内部的出射点匹配地配置透镜2即可。
此时，即便在曲率方向的出射点由于象散而形成在与母线方向的出射点不同的光源1的内部的位置22的情况下，在该实施方式1中，也不产生焦点偏移。
在该实施方式1中，示出透镜2的入射面3是关于光轴10轴对称的凸面的例子，但不限于关于光轴10轴对称的凸面。如果观察式(4)至式(20)，可清楚不必是Rh1＝Rv1。
即，由于式(12)使用Rh1进行记述，式(20)使用Rv1进行记述，因此，即便在Rh1≠Rv1的情况下，也能够直接应用式(12)及式(20)，不必是Rh1＝Rv1。
在该实施方式1中，采用透镜2的入射面3是关于光轴10轴对称的凸面的例子的原因是，与关于光轴10未轴对称的凸面相比，期待透镜2的制作变得容易。
通过将透镜2的入射面3设为曲率半径在曲率方向和母线方向上不同的环形面，能够提高用于更好地校正像差的设计上的自由度。
在该实施方式1中，示出透镜2的出射面4为圆柱面且曲率方向的面为凸面的例子，但曲率方向的面也可以是球面，还可以是非球面。通过将曲率方向的面设为非球面，期待能够更好地校正由光学系统产生的像差。
该实施方式1中的曲率方向的动作等效于通过作为出射面4的电介质边界面对形成在作为入射面3的电介质边界面的焦点位置的光源像进行准直。该曲率方向的动作与如下动作不同：以往的包括轴对称以外的透镜在内的准直透镜通过作为出射面的电介质边界面，对基于作为入射面的电介质边界面得到的光源的成像位置的光源像进行准直。
因此，可清楚即便未严格地满足式(3)，也能够得到实施方式1的效果。但是，作为出射面4的电介质边界面的焦点位置位于如下范围的情况下，得到实施方式1的效果，其中，该范围是比作为入射面3的电介质边界面的光源1的成像位置更接近作为入射面3的电介质边界面的焦点面的范围。
此外，在该实施方式1中，示出透镜2的出射面4中的母线方向的面为平面的例子，但母线方向的面不必是完全的平面，也可以是凹面或凸面。即便母线方向的面为凹面或凸面，也得到同样的效果。
例如，在母线方向的面为凸面的情况下，能够使入射面3和出射面4分担折射量，因此，期待能够进一步减小像差。在母线方向的面为平面的情况下，与为凹面或凸面的情况相比，期待透镜2的制作变得容易，因此，在实施方式1中采用。
在该实施方式1中，示出透镜2的材料为玻璃的例子，但透镜2的材料不限于玻璃，例如也可以为塑料或晶体。
为了使光线在透镜2的内部暂时地聚光，例如也可以选择透镜2的材料，使得产生二次谐波等产生在光强度中非线性地产生的现象。
在该实施方式1中，示出设置为光源1与透镜2之间的距离成为前侧焦距FFLv的例子，但光源1与透镜2之间的距离也可以不与前侧焦距FFLv严格地一致。如果从透镜2射出的母线方向上的发散角处于要求值的范围内，则可清楚即便光源1与透镜2之间的距离相对于前侧焦距FFLv偏移也没有问题。
例如，根据式(12)，从透镜2射出的曲率方向上的发散角成为(Rh1/Rh2)×θh1。
此外，根据式(20)，光源1与透镜2之间的距离相对于前侧焦距FFLv偏移的情况下的从透镜2射出的母线方向上的发散角成为(Δ/f)×θv1。Δ是位置偏移量，该发散角能够通过将式(20)的FFLv代入FFLv+Δ而求出。
因此，在曲率方向上的发散角与母线方向上的发散角相同的情况下，以下的式(21)成立。
Figure BDA0002568094300000181
此时，式(21)的左边即(Rh1/Rh2)×θh1和式(21)的右边即(Δ/f)×θv1)是用户的要求值。
因此，如果从透镜2射出的母线方向上的发散角处于要求值(＝(Δ/f)×θv1)的范围内且为式(21)成立的位置偏移量Δ，则即便光源1和透镜2之间的距离相对于前侧焦距FFLv偏移也没有问题。
关于式(21)的右边的焦距f及从光源1沿母线方向射出的光的发散半角θv1，分别作为伴随着用户的要求值的设计值而为已知值。因此，能够容易地判别实际的位置偏移量Δ是否为式(21)成立的位置偏移量Δ。
实施方式2.
在实施方式1中，示出平行光产生装置具备向透镜2射出光的光源1的例子。
在该实施方式2中，说明平行光产生装置具备在曲率方向上具有多个发光点的光源40的例子。
图6A、6B是示出实施方式2的平行光产生装置的结构图。
图6A是示出实施方式2的平行光产生装置的俯视图，图6B是示出实施方式2的平行光产生装置的侧视图。
在图6A、6B中，与图1A、1B相同的标号表示相同或相当的部分，因此省略说明。
光源40例如是由半导体激光器阵列实现且在曲率方向上具有多个发光点的光源。
与实施方式1中的光源1的端面的位置同样，光源40的端面的位置与透镜2的入射面3侧的母线方向上的焦点位置21一致。
图6A所示的透镜2的曲率方向的形状与图1A所示的透镜2的曲率方向的形状不同，但图6A所示的透镜2和图1A所示的透镜2在入射面3为关于光轴10轴对称的凸面这一点是相同的。
在该实施方式2中，透镜2的曲率方向的形状也可以与图1A所示的透镜2的曲率方向的形状相同。
图6B所示的透镜2的母线方向的形状与图1B所示的透镜2的母线方向的形状相同。
接着，对平行光产生装置的动作进行说明。
从光源40中的多个发光点射出的曲率方向上的各个光线30a从透镜2的入射面3入射。
从光源40中的多个发光点射出的各个光线30a通过透镜2中的曲率半径Rh1的入射面3及曲率半径Rh2的出射面4，分别被放大光束直径。
由于光源40的端面的位置与透镜2的入射面3侧的母线方向上的焦点位置21一致，因此，从光源40射出的母线方向上的光线30b通过透镜2中的曲率半径Rv1的入射面3及出射面4的平面而被准直。
因此，在该实施方式2中也与实施方式1同样，从光源40射出的曲率方向上的光线30a在透镜2的入射面3被放大光束直径之后，在透镜2的出射面4被减小发散角。此外，从光源40射出的母线方向上的光线30b通过透镜2的入射面3和出射面4而转换成平行光。
在该实施方式2中也与实施方式1同样，得到无需为了减小发散角而使用增长焦距且具有更大的有效口径的透镜2的平行光产生装置。
这里，在透镜单纯地对从作为半导体激光器阵列的光源40的多个发光点射出的光进行准直的情况下，从透镜射出的光束图案成为阵列状，空间的均匀性较低。
但是，在该实施方式2中，透镜2具有作为关于光轴10轴对称的凸面的入射面3、以及作为圆柱面的出射面4。
此外，在该实施方式2中，将光源40和透镜2配置为，使得光源40的x方向与透镜2的圆柱面的曲率方向一致，光源40的y方向与透镜2的圆柱面的母线方向一致。
此外，在该实施方式2中，将光源40和透镜2配置为，使得光源40的端面的位置与透镜2的入射面3侧的母线方向上的焦点位置21一致。
因此，从光源40的多个发光点射出的曲率方向上的光线30a分别能够在以发散角变小的方式进行动作的同时使光束重叠。因此，从透镜2输出空间上均匀的光束。
此外，在该实施方式2中，透镜2具有作为关于光轴10轴对称的凸面的入射面3、以及作为圆柱面的出射面4。因此，在曲率方向上，在出射面后存在光源40的共轭位置，生成光源像。该共轭像在组装光源40和透镜2之后，在评价光源40的曲率方向的位置依赖性时是有用的。例如，在产生了光源的输出下降时，能够在不追加光学系统的状态下直接观察在阵列状光源的哪个位置存在不良情况。
空间上均匀的光束在不使用均匀光学系统等而直接用于照明的情况下等，特别有用。此外，从光源40的多个发光点射出的光所产生的光束分别重叠地配置，因此，作为将激光器用于照明时的问题的斑点也能够在不追加均匀光学系统的状态下降低。
作为半导体激光器阵列的光源40所具有的象散受到半导体激光器内的温度分布的影响。
半导体激光器阵列的发热密度在中心部和端部不同，因此，在半导体激光器阵列的中心部和端部，温度分布发生变化。半导体激光器内的温度分布的变化成为象散的大小按照每个发光点而产生偏差的原因。
但是，在该实施方式2中，即便按照每个发光点而存在象散的偏差，也能够抑制发散角的增大，因此，能够将从多个发光点射出的光分别转换成平行光。
在该实施方式2中，设想光源40所具有的多个发光点的曲率方向上的配置周期是固定的。
但是，即便在光源40具有的多个发光点的曲率方向上的配置周期不同的情况下或者在多个发光点的曲率方向的发光宽度不同的情况下，不将透镜形状形成为与配置周期或发光宽度匹配的复杂形状，也能够将从多个发光点射出的光分别转换成平行光。
实施方式3.
在实施方式2中，示出平行光产生装置具备在曲率方向上具有多个发光点的光源40的例子。
在该实施方式3中，说明平行光产生装置具备如下光源40的例子：该光源40的填充因数F.F.为0.5以上且小于1，该填充因数是根据多个发光点的各自的发光宽度与多个发光点的配置周期而决定的。
图7A是示出实施方式3的平行光产生装置的光源40的俯视图，图7B是示出实施方式3的平行光产生装置的光源40的侧视图。在图7A、7B中，与图6A、6B相同的标号表示相同或相当的部分，因此省略说明。
光源40的填充因数F.F.由以下的式(22)定义。
Figure BDA0002568094300000211
在式(22)中，w是多个发光点的各自的发光宽度，p是多个发光点的配置周期。
具备在曲率方向上具有多个发光点的光源40的平行光产生装置在光源40的填充因数F.F.处于0.5≦F.F.＜1的范围的情况下特别适合。
该实施方式3的平行光产生装置的结构及动作与实施方式2的平行光产生装置的结构及动作相同，因此省略详细的说明。
首先，作为实施方式3的平行光产生装置的比较对象，设想代替透镜2而使用阵列状的准直透镜的平行光产生装置。
这里，考虑如下情况：使用由关于光源40的多个发光点的光轴而轴对称的透镜构成的阵列状的准直透镜，来分别减小从各个发光点射出的光的发散角。
从阵列状的准直透镜射出的光的发散半角θho理想上成为以下的式(23)。
Figure BDA0002568094300000221
在阵列状的准直透镜的入射面中，当将焦距f决定为使从光源40的多个发光点射出的光不重叠时，焦距f成为以下的式(24)。
Figure BDA0002568094300000222
在式(24)中，θhi是从光源40的某个发光点射出的曲率方向上的光的发散半角。
当将式(22)及式(24)代入式(23)并对式进行整理后，成为以下的式(25)。
Figure BDA0002568094300000223
根据式(25)可知，从光源40的某个发光点射出的曲率方向上的光的发散半角θhi与从阵列状的准直透镜射出的光的发散半角θho受到光源40的填充因数F.F.的限制。
例如，在光源40的填充因数F.F.为0.5的情况下，式(25)的右边成为0.5×(1-0.5)＝1。式(25)的右边为1是指，向准直透镜入射的光的发散半角θhi与从准直透镜射出的光的发散半角θho相同，光的发散半角未通过准直透镜而变小。
此外，在光源40的填充因数F.F.大于0.5且小于1的情况下，式(25)的右边变得比1大。例如，在填充因数F.F.为0.8的情况下，式(25)的右边成为0.8×(1-0.8)＝4。
式(26)的右边比1大是指，从准直透镜射出的光的发散半角θho变得比向准直透镜入射的光的发散半角θhi大，光的发散半角θho未通过准直透镜而变小。
另一方面，在该实施方式3的平行光产生装置中，与实施方式1、2同样，决定从透镜2射出的光的发散半角，而不依赖于前侧焦距FFLv。
从透镜2射出的光的发散半角不依赖于前侧焦距FFLv是指，不依赖于光源40的填充因数F.F.地决定从透镜2射出的光的发散半角。
因此，无论光源40的填充因数F.F.是什么值，该实施方式3的平行光产生装置都能够将从光源40的多个发光点射出的光分别转换成平行光。
在实施方式3的平行光产生装置的比较对象的平行光产生装置中，当使用填充因数F.F.处于0.5≦F.F.＜1的范围的光源40时，无法通过准直透镜而减小光的发散半角。因此，在比较对象的平行光产生装置中，无法使用填充因数F.F.处于0.5≦F.F.＜1的范围的光源40。
当考虑比较对象的平行光产生装置无法使用处于0.5≦F.F.＜1的范围的光源40时，该实施方式3的平行光产生装置在需要使用处于0.5≦F.F.＜1的范围的光源40的情况下特别适合。
实施方式4.
在实施方式1～3中，示出具备入射面3为凸面且出射面4为圆柱面的透镜2的平行光产生装置。
在该实施方式4中，针对具备如下透镜2的平行光产生装置进行说明：如图8A及图8B所示，作为凸面的入射面3为菲涅耳透镜，如图8A所示，曲率方向上的出射面4为菲涅耳透镜。
图8是示出实施方式4的平行光产生装置的结构图。
图8A是示出实施方式4的平行光产生装置的俯视图，图8B是示出实施方式4的平行光产生装置的侧视图。
在图8A、8B中，示出图1A、1B所示的平行光产生装置的透镜2中的入射面3及出射面4为菲涅耳透镜的例子，但图6A、6B所示的平行光产生装置的透镜2中的入射面3及出射面4也可以为菲涅耳透镜。
即便由菲涅耳透镜形成作为凸面的入射面3，菲涅耳透镜也针对从光源1或光源40射出的光给予与实施方式1～3中的入射面3同样的作用。
此外，即便由菲涅耳透镜形成曲率方向上的出射面4的凸面，菲涅耳透镜也针对从入射面3入射的光给予与实施方式1～3中的出射面4同样的作用。
因此，即便由菲涅耳透镜形成作为凸面的入射面3，且由菲涅耳透镜形成曲率方向上的出射面4，也得到具有与实施方式1～3同样的效果的平行光产生装置。
此外，通过由菲涅耳透镜形成作为凸面的入射面3，与入射面3为凸面的情况相比，能够使入射面3的厚度变薄。
此外，通过由菲涅耳透镜形成曲率方向上的出射面4，与出射面4为凸面的情况相比，能够使出射面4的厚度变薄。
此外，通过由菲涅耳透镜形成入射面3或出射面4，从而能够通过外观观察而容易判别以透镜的光轴为中心的旋转角，能够提高光源与透镜的组装精度。
在图8中，示出透镜2的入射面3及出射面4的双方为菲涅耳透镜的例子，但透镜2的入射面3或出射面4中的一方也可以为菲涅耳透镜。
另外，在本申请发明在该发明的范围内，能够进行各实施方式的自由组合或各实施方式的任意的结构要素的变形、或者在各实施方式中能够省略任意的结构要素。
产业利用性
本发明适于具备将从入射面入射的光转换成平行光并从出射面射出平行光的透镜的平行光产生装置。
标号说明
1光源，1a x方向的发光宽度，1b y方向的发光宽度，2透镜，3入射面，4出射面，10光轴，21焦点位置，22光源内的位置，30a曲率方向上的光线，30b母线方向上的光线，40光源。

Claims (11)

1.一种平行光产生装置，其特征在于，
所述平行光产生装置具备：
光源，其射出光；以及
透镜，该透镜的供从所述光源射出的光入射的入射面为凸面，该透镜的将从所述入射面入射的光射出的出射面为圆柱面，
在与所述透镜的光轴垂直的面内，所述圆柱面不具有曲率的方向为所述透镜的母线方向，所述圆柱面具有曲率的方向且与所述母线方向正交的方向为所述透镜的曲率方向，
所述光源配置在所述透镜的入射面侧的所述母线方向上的焦点位置，将所述透镜的母线方向上的发散角与所述透镜的曲率方向上的发散角不同的光向所述透镜的入射面射出；
其中，在所述透镜的曲率方向上，从所述透镜入射的光通过所述入射面在所述透镜内部被会聚、放大后，在所述出射面被转换为所述平行光，并从所述出射面射出，
在所述透镜的母线方向上，所述入射面将从所述透镜入射的光转换为平行光，从所述出射面射出所述平行光。
2.根据权利要求1所述的平行光产生装置，其特征在于，
所述光源是所述曲率方向的发光宽度比所述母线方向的发光宽度大的光源。
3.根据权利要求1所述的平行光产生装置，其特征在于，
所述光源是光向所述透镜的曲率方向射出的假想出射点与光向所述透镜的母线方向射出的出射点不同的具有象散的光源。
4.根据权利要求1所述的平行光产生装置，其特征在于，
使用半导体激光器作为所述光源。
5.根据权利要求1所述的平行光产生装置，其特征在于，
所述光源在所述曲率方向上具有多个发光点。
6.根据权利要求5所述的平行光产生装置，其特征在于，
使用半导体激光器阵列作为所述光源。
7.根据权利要求5所述的平行光产生装置，其特征在于，
所述光源是填充因数为0.5以上且小于1的光源，该填充因数是根据所述多个发光点的各自的发光宽度和所述多个发光点的配置周期而决定的。
8.根据权利要求1所述的平行光产生装置，其特征在于，
所述透镜的入射面是关于所述光轴而轴对称的凸面。
9.根据权利要求1所述的平行光产生装置，其特征在于，
所述透镜的所述入射面为菲涅耳透镜。
10.根据权利要求1所述的平行光产生装置，其特征在于，
所述透镜的所述曲率方向上的所述出射面为菲涅耳透镜。
11.根据权利要求1所述的平行光产生装置，其特征在于，
所述透镜的所述入射面为菲涅耳透镜，所述透镜的所述曲率方向上的所述出射面为菲涅耳透镜。
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