DE102020207460A1

DE102020207460A1 - Lichtquellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102020207460A1
Application number: DE102020207460.7A
Authority: DE
Inventors: Shigeyuki Mori; Masahiro Mori
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2020-12-24
Also published as: CN112091420A; US10976024B2; US20200400277A1; JP2020204734A

Abstract

Eine Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Lichtquelleneinheit, einen Kollimator, einen Erststufenspiegel, einen Zweitstufenspiegel, eine Kondensorlinse und eine Lichtleitfaser. Der Erststufenspiegel reduziert eine Vielzahl paralleler Strahlen in einer Zeilenrichtung, indem er ein Spaltenintervall zwischen der Vielzahl paralleler Strahlen verengt. Der Zweitstufenspiegel reduziert die Vielzahl paralleler Strahlen in Spaltenrichtung, indem er das Zeilenintervall zwischen der Vielzahl paralleler Strahlen verengt. Die Anzahl der Stufen des Erststufenspiegels und die Anzahl der Stufen des Zweitstufenspiegels unterscheiden sich voneinander, und eine Breite jeder der Vielzahl von Spiegelflächen des Erststufenspiegels und eine Breite jeder der Vielzahl von Spiegelflächen des Zweitstufenspiegels unterscheiden sich voneinander.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Lichtquellenvorrichtung und insbesondere auf eine Lichtquellenvorrichtung wie etwa einen Laseroszillator, der eine Vielzahl von Laserdioden (LDs) als Lichtquelle verwendet.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei einer Lichtquellenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, wie er in der ungeprüften japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-76781 offenbart ist, wird, um mehr Licht zu integrieren, der Lichtquellen-Lichtstrom, der in Zeilen- und Spaltenrichtung angeordnet ist, in Zeilenrichtung durch einen stufenförmigen Spiegel reduziert. 5 ist eine schematische Darstellung einer Lichtquellenvorrichtung gemäß Stand der Technik, wie er in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2011-76781 offenbart ist.
In 5 wird ein von der Lichtquelle 71 emittierter Lichtstrahl durch eine Kollimatorlinse 73, die entsprechend der Lichtquelle 71 angeordnet ist, in einen parallelen Strahl umgewandelt. Um den Spaltenabstand zwischen den Lichtquellen-Lichtströmen der Lichtquellengruppe 72, die zu einem parallelen Strahl wird, zu verringern, ist auf der optischen Achse jeder Lichtquelle 71 ein reflektierender Spiegel 75 angeordnet. Der reflektierende Spiegel 75 ist von einem stufenförmigen Spiegelhalter gehalten, um ein Bündel von Lichtstrahlen, die von der Lichtquellengruppe 72 in Zeilenrichtung emittiert werden, zu reduzieren.
ÜBERSICHT
Eine Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Lichtquelleneinheit, einen Kollimator, einen Erststufenspiegel, einen Zweitstufenspiegel, eine Kondensorlinse und eine Lichtleitfaser.
Die Lichtquelleneinheit hat eine Vielzahl von Laserdioden, die in einer Zeilenrichtung und einer die Zeilenrichtung schneidenden Spaltenrichtung angeordnet sind.
Der Kollimator hat eine Vielzahl von Kollimatorlinsen, die so angeordnet sind, dass sie der Vielzahl von Laserdioden entsprechen, so dass eine Vielzahl von Strahlen, die von der Vielzahl von Laserdioden emittiert werden, parallel zueinander sind.
Der Erststufenspiegel hat eine Vielzahl von Spiegelflächen, die auf den optischen Achsen der Vielzahl von parallelen Strahlen angeordnet sind, die durch den Kollimator parallelgerichtet werden, und die die Vielzahl von parallelen Strahlen in einer Zeilenrichtung reduzieren, indem sie ein Spaltenintervall der Vielzahl von parallelen Strahlen verengen, um die Vielzahl von parallelen Strahlen zu reflektieren.
Der Zweitstufenspiegel hat eine Vielzahl von Spiegelflächen, die auf den optischen Achsen der Vielzahl paralleler Strahlen angeordnet sind, und reduziert die Vielzahl paralleler Strahlen in Spaltenrichtung, indem er ein Zeilenintervall der Vielzahl paralleler Strahlen verengt, um die Vielzahl paralleler Strahlen zu reflektieren.
Die Kondensorlinse kondensiert die Vielzahl paralleler Strahlen, die in Zeilen- und Spaltenrichtung durch den Erststufenspiegel und den Zweitstufenspiegel reduziert werden.
Ein Ende der Lichtleitfaser ist in einem Brennpunkt der Kondensorlinse angeordnet, um einen durch die Kondensorlinse gebündelten Strahl zu extrahieren.
Die Anzahl der Stufen des Erststufenspiegels und die Anzahl der Stufen des Zweitstufenspiegels sind voneinander verschieden, wobei sich eine Breite jeder der Vielzahl von Spiegelflächen des Erststufenspiegels und eine Breite jeder der Vielzahl von Spiegelflächen des Zweitstufenspiegels voneinander unterscheiden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Lichtquellenvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2A ist eine schematische Darstellung einer Abmessung der Lichtquellenvorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform;
2B ist eine schematische Darstellung einer Abmessung der Lichtquellenvorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform;
3 ist eine Querschnittsansicht eines parallelen Laserstrahls gemäß der beispielhaften Ausführungsform;
4A ist eine schematische Darstellung eines Stufenspiegelwinkels gemäß der beispielhaften Ausführungsform;
4B ist eine schematische Ansicht, die einen Stufenspiegelwinkel anhand eines Vergleichsbeispiels veranschaulicht;
4C ist eine schematische Ansicht, die einen Stufenspiegelwinkel anhand eines Vergleichsbeispiels veranschaulicht; und
5 ist eine schematische Darstellung einer Lichtquellenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In einer Konfiguration einer Lichtquellenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik wird ein Lichtquellenlichtstrom mit Hilfe eines stufenförmigen Spiegels in einer Zeilenrichtung integriert. Um mehr Licht zu sammeln, ist es hier notwendig, das Licht in einer Spaltenrichtung zu integrieren. Wenn jedoch eine Laserdiode als Lichtquelle verwendet wird, hat der Strahl eine elliptische Form. Wenn das Licht daher einfach mit zwei stufenförmigen Spiegeln in Zeilen- und Spaltenrichtung gebündelt wird, ist in dem einen stufenförmigen Spiegel die Breite einer Spiegeloberfläche im Verhältnis zu dem Strahl klein, wodurch der Strahl freiliegt. Andernfalls ist die Breite der Spiegelfläche im Verhältnis zu dem Strahl groß, so dass die Konvergenz unzureichend sein kann.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung anhand der Zeichnungen beschrieben. In jeder Zeichnung veranschaulicht ein XYZ-Koordinatensystem ein Beispiel für ein rechtwinkliges Koordinatensystem in der Lichtquellenvorrichtung LA. Weiterhin zeigt ein ma- und mb-Koordinatensystem ein Beispiel für ein Koordinatensystem von parallelen Strahlen L, die in Zeilen- und Spaltenrichtung angeordnet sind ( und . Zum Beispiel ist eine ma-Richtung eine Zeilenrichtung und eine mb-Richtung eine Spaltenrichtung. Weiterhin dienen die Zeilenrichtung und die Spaltenrichtung als Referenz einer Anordnungsrichtung der Laserdiode 1a in der Lichtquelleneinheit 1, ist die Zeilenrichtung eine Richtung (Querrichtung), in der sich Zeilen erstrecken, und ist die Spaltenrichtung eine Richtung, in der sich Spalten erstrecken. Die Zeilenrichtung und die Spaltenrichtung des parallelen Strahls L ändern sich in Bezug auf das XYZ-Koordinatensystem aufgrund der Reflexion durch den Erststufenspiegel 3 und den Zweitstufenspiegel 4.
Beispielhafte Ausführungsform
1 ist eine schematische Ansicht der Lichtquellenvorrichtung LA gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Lichtquellenvorrichtung LA umfasst die Lichtquelleneinheit 1, den Kollimator 2, den Erststufenspiegel 3, den Zweitstufenspiegel 4, die Kondensorlinse 5 und die Lichtleitfaser 6.
Wie in 1 dargestellt, umfasst die Lichtquelleneinheit 1 zahlreiche Laserdioden (LDs) 1a, die in Zeilenrichtung und in der die Zeilenrichtung schneidenden Spaltenrichtung angeordnet sind.
Der Kollimator 2 hat eine Vielzahl von Kollimatorlinsen 2a, die in Zeilen- und Spaltenrichtung in der gleichen Anzahl wie eine Vielzahl von Laserdioden 1a angeordnet sind. Das heißt, dass zahlreiche Kollimatorlinsen 2a so angeordnet sind, dass sie einer Vielzahl von Laserdioden 1a entsprechen. Die Kollimatorlinsen 2a sind so angeordnet, dass die von den entsprechenden Laserdioden 1a emittierten Strahlen jeweils zu parallelem Licht werden.
Der parallele Strahl L ist ein paralleler Strahl, der von Laserdioden 1a emittiert und durch entsprechende Kollimatorlinsen 2a ausgebildet wird.
Die Vielzahl paralleler Strahlen L, die durch zahlreiche in Zeilen- und Spaltenrichtung angeordnete Kollimatorlinsen 2a hindurchgehen, wird in Zeilenrichtung durch einen ersten Stufenspiegel 3 reduziert und in Spaltenrichtung durch einen zweiten Stufenspiegel 4 weiter reduziert. Parallele Strahlen L, die in Zeilen- und Spaltenrichtung reduziert sind, werden durch die Kondensorlinse 5 in dem Brennpunkt 5a der Kondensorlinse 5 kondensiert. Ein Ende 6a der Lichtleitfaser 6 ist im Brennpunkt 5a der Kondensorlinse 5 angeordnet, um einen durch die Kondensorlinse 5 kondensierten Strahl zu extrahieren. Dementsprechend werden parallele Strahlen L am Ende 6a der Lichtleitfaser 6 kondensiert und breiten sich durch die Lichtleitfaser 6 aus.
Der Erststufenspiegel 3 und der Zweitstufenspiegel 4 sind durch Bearbeitung eines Elements wie Aluminium derart ausgebildet, dass die Spiegeloberfläche stufenförmig angeordnet ist.
2A und 2B sind schematische Darstellungen der Abmessungen der Lichtquellenvorrichtung LA in der beispielhaften Ausführungsform. In 2A und 2B hat, wie in 3 dargestellt, der parallele Strahl L einen Halbwert-Strahldurchmesser Dx des parallelen Strahls L in Zeilenrichtung und einen Halbwert-Strahldurchmesser Dy des parallelen Strahls L in Spaltenrichtung. Die Laserdiode 1a und Kollimatorlinse 2a sind in Zeilenrichtung im Anordnungsintervall Px und in Spaltenrichtung im Anordnungsintervall Py angeordnet.
In 2A gibt das Bezugszeichen Nx die Anzahl der in Zeilenrichtung angeordneten Laserdioden 1a und Kollimatorlinsen 2a an. Das Bezugszeichen Ny bezeichnet die Anzahl der Laserdioden 1a und Kollimatorlinsen 2a, die in Spaltenrichtung angeordnet sind. In 2A ist als Beispiel die Anordnung in 1 vereinfacht, wobei die Laserdioden 1a und die Kollimatorlinsen 2a in einer Matrix mit 6 Zeilen und 4 Spalten angeordnet sind. Zum Beispiel wird von der Laserdiode 1a, die in einer ersten Zeile und einer ersten Spalte angeordnet ist, ein paralleler Strahl L11 emittiert. Der parallele Strahl L61 wird von der Laserdiode 1a emittiert, die in einer sechsten Zeile und einer ersten Spalte angeordnet ist. Der parallele Strahl L14 wird von der Laserdiode 1a emittiert, die in der ersten Zeile und in einer vierten Spalte angeordnet ist. Der parallele Strahl L64 wird von der Laserdiode 1a emittiert, die in der sechsten Zeile und in der vierten Spalte angeordnet ist.
Der Erststufenspiegel 3 hat die Länge (Breite) W1 des Spiegels in einer Kurzseitenrichtung und die Länge (Höhe) H1 des Spiegels in einer Längsrichtung. Das Bezugszeichen P1 bezeichnet ein Anordnungsintervall einer Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3, das Bezugszeichen P3 bezeichnet ein Stufenintervall des Spiegels des Erststufenspiegels 3 und das Bezugszeichen N1 bezeichnet die Anzahl der Spiegelstufen des Erststufenspiegels 3. Der Erststufenspiegel 3 ist auf einer optischen Achse einer Vielzahl von parallelen Strahlen L angeordnet, die von einer Vielzahl von Kollimatoren 2 in paralleles Licht umgewandelt werden, und reduziert ein Spaltenintervall zwischen einer Vielzahl von parallelen Strahlen L, wodurch eine Vielzahl von parallelen Strahlen L einer Vielzahl von Kollimatoren 2 in Zeilenrichtung reduziert und reflektiert wird.
In 2B hat der Zweitstufenspiegel 4 die Länge (Breite) W2 des Spiegels in der Kurzseitenrichtung und die Länge (Höhe) H2 des Spiegels in der Längsrichtung. Das Bezugszeichen P2 bezeichnet ein Anordnungsintervall einer Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4, das Bezugszeichen P4 bezeichnet ein Stufenintervall eines Spiegels des Zweitstufenspiegels 4 und das Bezugszeichen N2 bezeichnet die Anzahl der Spiegelstufen des Zweitstufenspiegels 4. Der Zweitstufenspiegel 4 ist auf einer optischen Achse einer Vielzahl paralleler Strahlen L angeordnet und reduziert ein Zeilenintervall zwischen einer Vielzahl von parallelen Strahlen L, wodurch eine Vielzahl von parallelen Strahlen L einer Vielzahl von Kollimatoren 2 über den Erststufenspiegel 3 in Spaltenrichtung reduziert und reflektiert werden.
Damit die Integration der parallelen Strahlen L nicht unzureichend ist, muss gleichzeitig eine Vielzahl von Beziehungsgleichungen erfüllt sein. Zum Beispiel hängt die Breite W1 der Spiegelfläche des Erststufenspiegels 3 von dem Halbwert des Strahldurchmessers Dx ab, der die Breite der parallelen Strahlen L in der Querrichtung (Zeilenrichtung) ist. Die Breite W2 der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 hängt von dem Halbwert des Strahldurchmessers Dy ab, der die Breite der parallelen Strahlen L in vertikaler Richtung (Spaltenrichtung) ist. Weiterhin hängt die Anzahl N1 der Spiegelstufen des Erststufenspiegels 3 und die Anzahl N2 der Spiegelstufen des Zweitstufenspiegels 4 von der Anzahl der Anordnungen von Laserdioden 1a ab. Zudem hängen die Höhe H1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 und die Höhe H2 der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 von einem Anordnungsintervall und der Anzahl der Anordnungen von Laserdioden 1a und den Halbwert der Strahldurchmesser Dx und Dy ab, die die Breiten der parallelen Strahlen L in der Querrichtung und der Vertikalrichtung sind. Im Folgenden werden die jeweiligen Beziehungsgleichungen beschrieben.
Zwischen der Anzahl N1 der Spiegelstufen des Erststufenspiegels 3 und der Anzahl Nx der Anordnungen aus Laserdiode 1a und Kollimatorlinse 2a in Zeilenrichtung muss die folgende Beziehungsgleichung erfüllt sein. $N1 \geq Nx$
Wenn Gleichung (1) nicht erfüllt ist, reicht die Anzahl N1 der Spiegelstufen des Erststufenspiegels 3 nicht aus, wobei ganze parallele Strahlen L, die in der Zeilenrichtung angeordnet sind, von dem Erststufenspiegel 3 reflektiert werden und nicht auf den Zweitstufenspiegel 4 gelenkt werden können.
Zwischen dem Anordnungsintervall P1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 und dem Anordnungsintervall Px zwischen der Laserdiode 1a und der Kollimatorlinse 2a in Zeilenrichtung muss die folgende Beziehungsgleichung erfüllt sein. $P1 = Px$
Das heißt, das Anordnungsintervall P1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 ist dasselbe wie das Anordnungsintervall Px der Laserdioden 1a in Zeilenrichtung.
Wenn Gleichung (2) nicht erfüllt ist, kann das Zentrum der optischen Achse paralleler Strahlen L, die in Zeilenrichtung angeordnet sind, nicht in der Mitte der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 in Breitenrichtung reflektiert werden, wobei eine Komponente, die die Reflexion nicht ausführen kann, zunimmt.
Zwischen der Breite W1 der Spiegelfläche des Erststufenspiegels 3 und dem Halbwert des Strahldurchmessers Dx der parallelen Strahlen L in Zeilenrichtung muss die folgende Beziehungsgleichung erfüllt sein. $Dx \times 0,5 \leq W1 \leq Dx \times 1, 4$
Das heißt, die Breite W1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 beträgt 50% oder mehr und 140% oder weniger des Halbwerts des Strahldurchmessers Dx der parallelen Strahlen L in Zeilenrichtung.
Der von der Laserdiode 1a emittierte Strahl ist ein Gaußscher Strahl. Wenn der Wert der Breite W1 erhöht wird, obwohl die Leistung des parallelen Strahls pro Laserdiode, der reflektiert werden kann, erhöht wird, da eine gewisse Verkleinerung der in Zeilenrichtung angeordneten Strahlen in diesem Maße reduziert wird, wird der effektive Durchmesser der Kondensorlinse 5 nicht angepasst, wodurch es schwierig ist, eine kondensierte Sollleistung zu erhalten.
Wenn andererseits die Breite W1 verringert wird, nimmt der Grad der Verkleinerung zu und der effektive Durchmesser der Kondensorlinse 5 wird angepasst. Da jedoch das Verhältnis des äußeren Strahls, der von der Spiegeloberfläche nicht reflektiert werden kann, zunimmt, wird es schwierig, die kondensierte Sollleistung zu erhalten. Der Grund, warum Gleichung (3) erfüllt werden muss, wird weiter erläutert.
Der effektive Durchmesser der Kondensorlinse 5 ist DI, $DI = Dx \times Nx$
$W1 = Dx$
Es wird davon ausgegangen, dass, wenn die Gleichungen (4) und (5) erfüllt sind und die Effizienz des von der Lichtleitfaser 6 emittierten Lichts in Bezug auf das von der Laserdiode 1a emittierte Licht 70% oder mehr beträgt, eine Sollleistung durch die Lichtleitfaser 6 erzielt werden kann.
Wenn gleichzeitig ein Wert der Breite W1 des Spiegels des Erststufenspiegels 3 größer als der Halbwert des Strahldurchmessers Dx in Zeilenrichtung gemacht wird, nimmt eine Vignettierungskomponente durch den Spiegel ab, wobei jedoch der Strahldurchmesser nach der Integration zunimmt und DI überschreitet. Somit nimmt der Verlust beim Durchgang durch die Kondensorlinse 5 zu. $W1 = Dx \times 1,4$
Wenn Gleichung (6) erfüllt ist, steigt der Verlust um 24%.
Wenn außerdem der Wert der Breite W1 kleiner als der Halbwert des Strahldurchmessers Dx in Zeilenrichtung ist, nimmt die Vignettierungskomponente durch den Spiegel zu, so dass der Verlust beim Durchgang durch den Erststufenspiegel 3 zunimmt. $W1 = Dx \times 0,5$
Wenn Gleichung (7) erfüllt ist, steigt der Verlust um 27%.
Tatsächlich verursacht der von der Laserdiode 1a emittierte Strahl an der Vorder- und Rückseite der Kollimatorlinse 2a und an der Vorder- und Rückseite der Kondensorlinse 5 jeweils einen Reflexionsverlust von etwa 1%. Weiterhin tritt ein Transmissionsverlust von etwa 1% auf jeder Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 und des Zweitstufenspiegels 4 auf. Weiterhin tritt ein Reflexionsverlust von 1% oder mehr auch an der Stirnfläche der Lichtleitfaser 6 auf.
Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, dass bei Erfüllung der Gleichungen (6) und (7) ein Gesamtverlust von mehr als 30 % entsteht, so dass es praktisch schwierig ist, den oben beschriebenen Sollwert der Leistungseffizienz von 70 % tatsächlich zu erreichen. Daher muss Gleichung (3) erfüllt sein.
In diesem Fall ist eine Konfiguration vorgesehen, so dass, wenn Gleichung (4) erfüllt ist, die Effizienz, die vor und nach der Glasfaser 6 erforderlich ist, um die Sollleistung zu erreichen, 70 % beträgt. Ein Koeffizient, der sich auf den Halbwert des Strahldurchmessers Dx in der Zeilenrichtung in Gleichung (3) bezieht, kann sich jedoch je nach Konstruktionsmerkmalen ebenfalls ändern.
Die Höhe H1 des Spiegels des Erststufenspiegels 3, der Halbwert des Strahldurchmessers Dy des Parallelstrahls L in Spaltenrichtung, das Anordnungsintervall Py in Spaltenrichtung und die Anzahl Ny der Anordnungen sollten die folgende Beziehungsgleichung erfüllen. $H1 \geq Py \times (Ny - 1) + Dy$
Wenn Gleichung (8) nicht erfüllt ist, können sämtliche parallelen Strahlen L, die in Spaltenrichtung angeordnet sind, nicht reflektiert und auf den Zweitstufenspiegel 4 gelenkt werden. Das heißt, die Höhe H1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 ist gleich oder größer als ein numerischer Wert, den man durch Addition des Halbwertes des Strahldurchmessers Dy der parallelen Strahlen L in Spaltenrichtung zu einem Produkt aus dem Anordnungsintervall Py und einer Zahl, die durch Subtraktion von eins von der Zahl Ny der Anordnung der Laserdiode 1a in Spaltenrichtung ermittelt wird, erhält.
Zwischen dem Stufenabstand P3 zwischen den Spiegeln des Erststufenspiegels 3 und dem Anordnungsintervall P1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 muss die folgende Beziehungsgleichung erfüllt sein. $P3 < P1$
Durch Erfüllung von Gleichung (8.5) werden parallele Strahlen L in der Zeilenrichtung integriert und auf den Zweitstufenspiegel 4 gerichtet, wenn sie von dem Erststufenspiegel 3 reflektiert werden.
Zwischen der Anzahl N2 der Spiegelstufen des Zweitstufenspiegels 4 und der Anzahl Ny der Anordnung aus Laserdiode 1a und Kollimatorlinse 2a in Spaltenrichtung muss die folgende Beziehungsgleichung erfüllt sein. $N2 \geq Ny$
Wenn Gleichung (9) nicht erfüllt ist, reicht die Anzahl N2 der Spiegelstufen des Zweitstufenspiegels 4 nicht aus, wobei sämtliche parallelen Strahlen L, die in Spaltenrichtung angeordnet sind, von dem Zweitstufenspiegel 4 nicht reflektiert und auf die Kondensorlinse 5 gerichtet werden können. Daher ist die Anzahl N1 der Spiegelstufen des Erststufenspiegels 3 gleich oder größer als die Anzahl Nx der Anordnungen von Laserdioden 1a der Lichtquelleneinheit 1 in Zeilenrichtung und die Anzahl N2 der Spiegelstufen des Zweitstufenspiegels 4 gleich oder größer als die Anzahl Ny der Anordnungen von Laserdioden 1a der Lichtquelleneinheit 1 in Spaltenrichtung. Da sich der Halbwert des Strahldurchmessers Dx des parallelen Strahls L in Zeilenrichtung von dem Halbwert des Strahldurchmessers Dy des parallelen Strahls L in Spaltenrichtung unterscheidet, wird die Anzahl der Anordnungen der Spiegel des Erststufenspiegels 3 und des Zweitstufenspiegels 4 in Zeilen- und Spaltenrichtung geändert, so dass die Halbwerte der Strahldurchmesser Dx und Dy der integrierten Strahlen nach der Integration durch den Zweitstufenspiegel 4 in Zeilen- und Spaltenrichtung ausgerichtet werden können. Daher unterscheidet sich die Anzahl N1 der Spiegelstufen des Erststufenspiegels von der Anzahl N2 der Spiegelstufen des Zweitstufenspiegels. Wenn der Halbwert des Strahldurchmessers Dx des kondensierten Strahls in Zeilenrichtung gleich dem Halbwert des Strahldurchmessers Dy des kondensierten Strahls in Spaltenrichtung ist, kann der integrierte Strahl auf der Lichtleitfaser 6 durch die kreisförmige Kondensorlinse 5 leicht kondensiert werden. Um die vertikalen und transversalen Richtungen der parallelen Strahlen L besser zu verstehen, sind in 2B der Halbwert des Strahldurchmessers Dx in Zeilenrichtung und der Halbwert des Strahldurchmessers Dy in Spaltenrichtung unterschiedlich dargestellt.
Zwischen dem Anordnungsintervall P2 der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 und dem Anordnungsintervall Py der Laserdiode 1a und der Kollimatorlinse 2a in Spaltenrichtung muss folgende Beziehungsgleichung erfüllt sein. $P2 = Py$
Das heißt, das Anordnungsintervall P2 der Spiegelflächen des Zweitstufenspiegels 4 ist dasselbe wie das Anordnungsintervall Py der Laserdioden 1a in Spaltenrichtung.
Wenn Gleichung (10) nicht erfüllt ist, kann das Zentrum der optischen Achse von parallelen Strahlen L, die in Spaltenrichtung angeordnet sind, nicht in der Mitte der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 in Breitenrichtung reflektiert werden, wobei eine Komponente, die die Reflexion nicht ausführen kann, zunimmt. Das Anordnungsintervall P1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 und das Anordnungsintervall P2 der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 sind nicht speziell eingeschränkt, solange benachbarte Laserdioden 1a breit genug sind, um keine physikalischen Interferenzen zu verursachen. Wenn das Anordnungsintervall Px der Laserdioden 1a in Zeilenrichtung und das Anordnungsintervall Py der Laserdioden 1a in Spaltenrichtung zueinander ausgerichtet werden, kann ein Platz der Lichtquelleneinheit 1 eingespart werden. Deshalb ist es in diesem Fall notwendig, das Anordnungsintervall P1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 mit dem Anordnungsintervall P2 der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 auszurichten.
Da der Halbwert des Strahldurchmessers Dx des Parallelstrahls L in Zeilenrichtung und der Halbwert des Strahldurchmessers Dy des Parallelstrahls L in Spaltenrichtung kaum gleich werden, sind die Breite W1 des Erststufenspiegels 3 und die Breite W2 des Zweitstufenspiegels 4 nahezu unterschiedlich. Zwischen der Breite W2 der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 und dem Halbwert des Strahldurchmessers Dy des Parallelstrahls L in Spaltenrichtung muss die folgende Gleichung erfüllt sein. $Dy \times 0,5 \leq W2 \leq Dy \times 1,4$
Das heißt, die Breite W2 der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 beträgt 50% oder mehr und 140% oder weniger des Halbwertes des Strahldurchmessers Dy des parallelen Strahls L in der Zeilenrichtung. Da sich die Breite W1 des Erststufenspiegels 3 und die Breite W2 des Zweitstufenspiegels 4 voneinander unterscheiden, kann eine geeignete Breite für jeweils den Halbwert des Strahldurchmessers Dx des Parallelstrahls L in Zeilenrichtung und den Halbwert des Strahldurchmessers Dy des Parallelstrahls L in Spaltenrichtung ausgebildet werden. Dementsprechend kann verhindert werden, dass die Breite der Spiegelfläche klein gegenüber dem Parallelstrahl L ist und der Parallelstrahl L über die Spiegelfläche herausragt oder dass die Breite der Spiegelfläche groß gegenüber dem Parallelstrahl L ist und der Parallelstrahl L nicht ausreichend konvergiert.
Wie oben beschrieben, ist der von der Laserdiode 1a emittierte Strahl ein Gaußscher Strahl. Wenn ein Wert der Breite W2 zunimmt, steigt die Leistung des parallelen Strahls, der pro Laserdiode reflektiert werden kann. Ein Grad der Reduktion des in Spaltenrichtung angeordneten Strahls nimmt jedoch in diesem Umfang ab. Daher wird der effektive Durchmesser der Kondensorlinse 5 nicht angepasst, und es wird schwierig, die kondensierte Sollleistung zu erhalten. Wenn andererseits die Breite W2 reduziert wird, nimmt der Reduktionsgrad zu, und der effektive Durchmesser der Kondensorlinse 5 wird eingepasst. Da jedoch das Verhältnis des äußeren Strahls, der von der Spiegeloberfläche nicht reflektiert werden kann, zunimmt, ist es schwierig, die kondensierte Sollleistung zu erhalten.
Der Grund, warum Gleichung (11) erfüllt sein muss, wird im Folgenden beschrieben.
Unter Voraussetzung des effektiven Durchmessers DI der Kondensorlinse 5 gilt $DI = Dy \times Ny$
$W2 = Dy$
Wenn die Gleichungen (12) und (13) erfüllt sind und die Effizienz des von der Lichtleitfaser 6 emittierten Lichts in Bezug auf das von der Laserdiode 1a emittierte Licht 70% oder mehr beträgt, kann die Sollleistung mit der Lichtleitfaser 6 erreicht werden.
Wenn zu diesem Zeitpunkt der Wert der Breite W2 des Spiegels des Zweitstufenspiegels 4 größer als der Halbwert des Strahldurchmessers Dy gemacht wird, nimmt eine Vignettierungskomponente durch den Spiegel ab, wobei jedoch ein Strahldurchmesser nach der Integration zu nimmt und den effektiven Durchmesser DI übersteigt. Somit nimmt der Verlust beim Durchgang durch die Kondensorlinse 5 zu. $W2 = Dy \times 1,4$
Wenn Gleichung (14) erfüllt ist, steigt der Verlust um 24%.
Wenn außerdem der Wert der Breite W2 kleiner als der Halbwert des Strahldurchmessers Dy ist, nimmt die Vignettierungskomponente durch den Spiegel zu, so dass der Verlust beim Durchgang durch den Zweitstufenspiegel 4 zunimmt. $W2 = Dy \times 0,5$
Wenn Gleichung (15) erfüllt ist, steigt der Verlust um 27%.
Wie oben beschrieben, ist es, wenn die Gleichungen (14) und (15) erfüllt sind, praktisch schwierig, den oben beschriebenen Sollwert der Leistungseffizienz von 70% tatsächlich zu erreichen. Daher muss Gleichung (11) erfüllt sein.
Gleichzeitig ist eine Konfiguration vorgesehen, bei der die erforderliche Sammeleffizienz vor und nach der Glasfaser 6 70% beträgt, um die Sollleistung zu erreichen, wenn Gleichung (11) erfüllt ist. Bei Verwendung desselben Konzepts ist es jedoch nicht immer notwendig, Gleichung (12) zu erfüllen oder einen numerischen Wert von 70% der Sammeleffizienz zu erhalten, wobei ein Koeffizient, der sich auf den Halbwert des Strahldurchmessers Dx in Gleichung (11) bezieht, je nach Konstruktionsbedingungen geändert werden kann.
Zwischen der Höhe H2 der Spiegelfläche des Zweitstufenspiegels 4, der Anzahl Nx der Anordnungen paralleler Strahlen L in Zeilenrichtung und der Breite W1 der Spiegelfläche des Erststufenspiegels 3 muss die folgende Gleichung erfüllt sein. $H2 \geq Nx \times W1$
Wenn Gleichung (16) nicht erfüllt ist, können sämtliche in Zeilenrichtung angeordneten parallelen Strahlen L nicht reflektiert und auf die Kondensorlinse 5 gelenkt werden. Das heißt, die Höhe H2 der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 ist gleich oder größer als ein Zahlenwert eines Produkts aus der Anzahl Nx der Anordnungen von Laserdioden D1 in der Zeilenrichtung und der Breite W1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3.
Ein paralleler Strahl L, der nicht in der Höhenrichtung der Spiegeloberfläche integriert ist, fällt auf den Erststufenspiegel 3, während ein in der Höhenrichtung der Spiegeloberfläche integrierter Strahl auf den Zweitstufenspiegel 4 fällt. Daher sind die Höhen H1 und H2 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 und des Zweitstufenspiegels 4 oft unterschiedlich. Das heißt, die Höhen H1 und H2 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 und des Zweitstufenspiegels 4 unterscheiden sich voneinander. Durch die Bestimmung eines Anordnungsintervalls der Laserdioden 1a in Abhängigkeit von der Breite des parallelen Strahls L und der Anzahl der Anordnungen der Laserdioden 1a können die Höhen der Spiegelflächen des jeweiligen Erststufenspiegels 3 und Zweitstufenspiegels 4 zueinander ausgerichtet werden.
Zwischen dem Stufenintervall P4 des Spiegels des Zweitstufenspiegels 4 und dem Anordnungsintervall P2 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 muss die folgende Beziehungsgleichung erfüllt sein. $P4 < P2$
Durch Erfüllung der Gleichung (17) wird der parallele Strahl L in Spaltenrichtung integriert und auf die Kondensorlinse 5 gerichtet, wenn er durch den Zweitstufenspiegel 4 reflektiert wird.
Wenngleich in 2A eine Längsachsenrichtung des elliptischen Parallelstrahls L in Zeilenrichtung und eine Kurzachsenrichtung des elliptischen Parallelstrahls L in Spaltenrichtung angeordnet ist, kann die Längsachsenrichtung in Spaltenrichtung angeordnet sein. Wenn jedoch die Längsachsenrichtung in Spaltenrichtung angeordnet ist, wird das Verhältnis der Breite zur Höhe der Spiegelfläche des Erststufenspiegels 3 groß, weshalb es schwierig ist, die Genauigkeit zu garantieren. Daher ist es vorzuziehen, dass die Längsachsenrichtung in Zeilenrichtung angeordnet ist.
4A ist eine schematische Darstellung eines Stufenspiegelwinkels in der beispielhaften Ausführungsform. 4B und 4C sind schematische Ansichten eines Stufenspiegelwinkels in der beispielhaften Ausführungsform. Es ist vorzuziehen, dass der Reflexionswinkel θ1 des Erststufenspiegels 3 und des Zweitstufenspiegels 4 45° beträgt, wie in 4A dargestellt. Wenn zum Beispiel, wie in 4B dargestellt, der Reflexionswinkel θ2 kleiner als 45° ist, kann ein Intervall zwischen parallelen Strahlen L nicht ausreichend reduziert werden. Wenn weiterhin, wie in 4C dargestellt, der Reflexionswinkel θ3 größer als 45° ist, wird der Abstand zwischen den parallelen Strahlen L übermäßig verringert. Wenn zudem der reflektierte parallele Strahl L mit einem anderen Abschnitt als der Spiegeloberfläche kollidiert, kann die Leistung weiter reduziert werden.
Es ist vorzuziehen, dass ein flacher Abschnitt zwischen den Spiegelflächen des Erststufenspiegels 3 und des Zweitstufenspiegels 4 keine Spiegelfläche ist, sondern eine raue Oberfläche, die rauer ist als die Spiegelfläche. Da der äußere Strahl des parallelen Strahls L dem flachen Abschnitt entspricht, wenn der flache Abschnitt die Spiegeloberfläche ist, kann das reflektierte und zurückgeworfene Licht die Laserdiode 1a nachteilig beeinflussen. Da die Oberfläche rauer als die Spiegeloberfläche gemacht wird, entsteht eine unregelmäßige Reflexion, wobei durch Streuung des Lichts eine nachteilige Wirkung auf die Laserdiode 1a vermieden werden kann. Darüber hinaus kann die Erzeugung des zurückgestrahlten Lichts vermieden werden, selbst wenn eine absorbierende Beschichtung oder ähnliches außer der rauen Oberfläche ausgeführt wird. Es ist jedoch vorzuziehen, dass die Spiegeloberfläche rau ist, da die Spiegeloberfläche während eines Beschichtungsvorgangs von der Beschichtung eingefangen werden kann.
Wie oben beschrieben, umfasst die Lichtquellenvorrichtung LA nach der beispielhaften Ausführungsform die Lichtquelleneinheit 1 und den Kollimator 2.
Die Lichtquelleneinheit 1 hat eine Vielzahl von Laserdioden 1a, die in einer Zeilenrichtung und einer die Zeilenrichtung schneidenden Spaltenrichtung angeordnet sind.
Der Kollimator 2 hat die gleiche Anzahl von Kollimatorlinsen 2a wie die Laserdioden 1a, die so angeordnet sind, dass die von den jeweiligen Laserdioden 1a emittierten Strahlen zu parallelem Licht werden.
Außerdem hat die Lichtquellenvorrichtung LA einen Erststufenspiegel 3 und einen Zweitstufenspiegel 4.
Der Erststufenspiegel 3 ist auf den optischen Achsen einer Vielzahl paralleler Strahlen 7 angeordnet, die durch den Kollimator 2 in paralleles Licht umgewandelt wurden, und reduziert ein Spaltenintervall einer Vielzahl paralleler Strahlen 7, wodurch zahlreiche parallele Strahlen 7 von dem Kollimator 2 in Zeilenrichtung reduziert und reflektiert werden.
Der Spiegel 4 der zweiten Stufe ist auf den optischen Achsen einer Vielzahl paralleler Strahlen 7 angeordnet und reduziert und reflektiert den parallelen Strahl 7 von dem Kollimator 2 in Spaltenrichtung, indem er den Zeilenabstand zwischen einer Vielzahl von parallelen Strahlen 7 verringert.
Außerdem umfasst die Lichtquellenvorrichtung LA die Kondensorlinse 5 und die Lichtleitfaser 6.
Die Kondensorlinse 5 kondensiert Strahlen, die in Zeilen- und Spaltenrichtung durch einen Erststufenspiegel 3 und einen Zweitstufenspiegel 4 reduziert werden.
Ein Ende 6a der Lichtleitfaser 6 ist in dem Brennpunkt 5a der Kondensorlinse 5 angeordnet, um einen durch die Kondensorlinse 5 gebündelten Strahl zu extrahieren.
Die Anzahl N1 der Stufen des Erststufenspiegels 3 und die Anzahl N2 der Stufen des Zweitstufenspiegels 4 sind voneinander verschieden, wobei die Breite W1 der Spiegeloberfläche des Erststufenspiegels 3 und die Breite W2 der Spiegeloberfläche des Zweitstufenspiegels 4 voneinander verschieden sind.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Lichtquellenvorrichtung LA sind die Anzahl N1 der Stufen des Erststufenspiegels 3 und die Anzahl N2 der Stufen des Zweitstufenspiegels 4 voneinander verschieden, wobei die Breite W1 der Spiegelfläche des Erststufenspiegels 3 und die Breite W2 der Spiegelfläche des Zweitstufenspiegels 4 voneinander verschieden sind. Dementsprechend kann der Strahl L, der von der Lichtquelleneinheit 1 emittiert und durch den Kollimator 2 in paralleles Licht umgewandelt wird, effizient in der Zeilenrichtung integriert und dann in der Spaltenrichtung weiter integriert werden. Infolgedessen ist es möglich, eine Lichtquellenvorrichtung LA bereitzustellen, die mehr von der Laserdiode 1a emittiertes Licht an dem Ende 6a der Lichtleitfaser 6 durch die Kondensorlinse 5 sammeln kann.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der Lichtquellenvorrichtung der vorliegenden Offenbarung mehr Licht konvergiert werden.
Die Lichtquellenvorrichtung der vorliegenden Offenbarung kann Strahlen einer größeren Anzahl von Laserdioden integrieren als bei dem Stand der Technik und kann für Anwendungen wie z.B. einen Bearbeitungslaser-Oszillator angewendet werden, der eine hohe Leistung erfordert, wie z.B. ein Direktdiodenlaser.

Claims

Lichtquellenvorrichtung umfassend: eine Lichtquelleneinheit, die eine Vielzahl von Laserdioden aufweist, die in einer Zeilenrichtung und einer die Zeilenrichtung schneidenden Spaltenrichtung angeordnet sind; einen Kollimator, der eine Vielzahl von Kollimatorlinsen aufweist, die entsprechend der Vielzahl von Laserdioden angeordnet sind, wobei der Kollimator eine Vielzahl von Strahlen parallelrichtet, die von der Vielzahl von Laserdioden emittiert wird; einen Erststufenspiegel, der eine Vielzahl von Spiegelflächen aufweist, die auf den optischen Achsen einer Vielzahl von parallelen Strahlen angeordnet sind, die durch den Kollimator parallelgerichtet sind, und der die Vielzahl von parallelen Strahlen in der Zeilenrichtung reduziert, indem er ein Spaltenintervall der Vielzahl von parallelen Strahlen verengt, um die Vielzahl von parallelen Strahlen zu reflektieren; einen Zweitstufenspiegel, der eine Vielzahl von Spiegelflächen aufweist, die auf den optischen Achsen der Vielzahl paralleler Strahlen angeordnet sind, und der die Vielzahl paralleler Strahlen in der Spaltenrichtung reduziert, indem er ein Zeilenintervall der Vielzahl paralleler Strahlen verengt, um die Vielzahl paralleler Strahlen zu reflektieren; eine Kondensorlinse, die die Vielzahl von parallelen Strahlen, die in Zeilen- und Spaltenrichtung durch den Erststufenspiegel und den Zweitstufenspiegel reduziert sind, kondensiert; und eine Lichtleitfaser, deren eines Ende in einem Brennpunkt der Kondensorlinse angeordnet ist, um einen durch die Kondensorlinse gebündelten Strahl zu extrahieren, wobei sich die Anzahl der Schritte des Erststufenspiegels und die Anzahl der Schritte des Zweitstufenspiegels voneinander unterscheiden, und sich eine Breite jeder der Vielzahl von Spiegelflächen des Erststufenspiegels und eine Breite jeder der Vielzahl von Spiegelflächen des Zweitstufenspiegels voneinander unterscheiden.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich eine Länge des Erststufenspiegels in Längsrichtung und eine Länge des Zweitstufenspiegels in Längsrichtung voneinander unterscheiden.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der sich ein Anordnungsintervall der Vielzahl von Spiegelflächen des Erststufenspiegels und ein Anordnungsintervall der Vielzahl von Spiegelflächen des Zweitstufenspiegels voneinander unterscheiden.
Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Anzahl der Stufen des Erststufenspiegels größer oder gleich der Anzahl der Anordnungen der Vielzahl von Laserdioden in Zeilenrichtung ist und die Anzahl der Stufen des Zweitstufenspiegels größer oder gleich der Anzahl der Anordnungen der Vielzahl von Laserdioden in Spaltenrichtung ist.
Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Anordnungsintervall der Vielzahl von Spiegelflächen des Erststufenspiegels gleich einem Anordnungsintervall der Vielzahl von Laserdioden in Zeilenrichtung ist und ein Anordnungsintervall der Vielzahl von Spiegelflächen des Zweitstufenspiegels gleich einem Anordnungsintervall der Vielzahl von Laserdioden in Spaltenrichtung ist.
Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der eine Länge des Erststufenspiegels in Längsrichtung größer oder gleich einem numerischen Wert ist, den man durch Addieren eines Halbwertes des Strahldurchmessers der Vielzahl von parallelen Strahlen in Spaltenrichtung zu einem Produkt aus einem Anordnungsintervall und einer Zahl erhält, die durch Subtrahieren von Eins von der Anzahl der Anordnung der Vielzahl von Laserdioden in Spaltenrichtung ermittelt wird.
Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine Länge des Zweitstufenspiegels in Längsrichtung größer oder gleich einem numerischen Wert eines Produkts aus der Anzahl der Anordnungen der Vielzahl von Laserdioden in Zeilenrichtung und einer Breite jeder der Vielzahl von Spiegelflächen des Erststufenspiegels ist.
Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der eine Breite der Vielzahl von Spiegelflächen des Erststufenspiegels 50% oder mehr und 140% oder weniger eines Halbwertes des Strahldurchmessers der Vielzahl paralleler Strahlen in der Zeilenrichtung beträgt, und eine Breite der Vielzahl von Spiegelflächen des Zweitstufenspiegels 50% oder mehr und 140% oder weniger eines Halbwertes des Strahldurchmessers der Vielzahl paralleler Strahlen in Spaltenrichtung beträgt.
Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der eine Längsachsenrichtung der Vielzahl von parallelen Strahlen in Zeilenrichtung und eine Kurzachsenrichtung der Vielzahl von parallelen Strahlen in Spaltenrichtung angeordnet ist.
Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Erststufenspiegel und der Zweitstufenspiegel einen Reflexionswinkel von 45° haben.
Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der Erststufenspiegel und der Zweitstufenspiegel jeweils einen flachen Abschnitt mit einer Oberfläche haben, die rauer ist als die Vielzahl von Spiegeloberflächen zwischen der Vielzahl von Spiegeloberflächen und der Vielzahl von Spiegeloberflächen.