JP2000507716A - 光線発射に関連するシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回析光学素子（１７）を用いて表面又は空間に明瞭な光線を分配するためのシステムであって、少なくとも１つのレーザー光源（１４）、光学フィルター手段、好ましくはモード選択的フィルター（１６）、回析光学部材（１７）、及び場合によっては光学カップリング素子（１５）と合焦点素子（１８）を包含し、該光源、該手段、該部材、及び該素子は共通のユニット内部に配置及び固定されており、該モード選択的フィルター（１６）は、該レーザー光源（１４）からの光線がモード選択的フィルター（１６）を通過した後には実質的に単一モードになるように構成されているシステム。

Description

【発明の詳細な説明】 光線発射に関連するシステム 技術分野 本発明は、回折光学素子を用いて表面又は空間に明瞭な光線（well-defined b eam）を分配するためのシステムに関する。 発明の背景 周知のように、レーザー光源から放射される光線の空間的及び時間的コヒーレ ンシー（space and time coherency）は、「通常」の熱的光源(例えば通常の電 球)からの光線よりも非常に高い。レーザー光線（laser beam）のこうした特徴 は非常に貴重であり、この特徴によって、近年の光学技術は、例えばＣＤ技術な ど通じて、社会に重要な様々な新規応用分野を産み出している。特に気体レーザ ー、例えばよく知られるHeNe（ヘリウムネオン）レーザーやアルゴンイオンレー ザーは、電磁波スペクトルの可視領域に、非常に優れた空間的コヒーレンシーを 示し、これらのレーザー光線の光線幅は回転対象性におけるガウス分布（rotati on symmetrically Gaussian distribution）を有し、波形の先端（wave fronts ）が均一（平面又は球面）で非点収差（astigmatism）が無い。このような明瞭 な光線としての特性（well-defined beam characteristics）は、気体レーザー を、例えばキノフォーム(kinoform)などの回折光学素子（diffraction optical elements）(DOE)とともに用いる際などに非常に貴重である。キノフォームに入 射する光線は、明瞭であり制御されていることが理想的である。 もう１つのタイプのレーザーが半導体レーザー（即ちダイオードレ ーザー）であり、ダイオードレーザーは、装置のサイズが小さいこと、変調（mo dulate）が可能であること、消費電力が小さいこと、長寿命であることなどから 、非常に興味深い。ダイオードレーザーは、これらの特徴が求められるいくつか の用途で用いられているが、現在気体レーザーが用いられている用途の中にも、 気体レーザーの代わりにダイオードレーザーを用いることが望まれている用途が 多い。ダイオードレーザーへの代替をしない理由は、ダイオードレーザーは、光 線の品位（beam quality）が劣ること、非点収差と楕円率（ellipticity atasti gmatism）の大きいこと、及び光線の断面の強度分布（intensity distribution across the beam）が不定であること、にある。しかし、ダイオードレーザーは 回折光学部材に関連して用いるのに理想的である場合が多い。このことは特にダ イオードレーザーの装置の小さいという点について当てはまり、装置が小さいの で、回折光学素子(DOE)とダイオードレーザー装置を、小さくてコンパクトなユ ニットにまとめることができる。しかし、ダイオードレーザーの光線の品位（be am quality）は回折光学素子(DOE)とともに用いるのには理想的ではない。そこ で、本発明は、光線の品位を向上することによって回折光学部材に照射できるよ うにし、こうしてダイオードレーザーの理想的な機能を実現するものである。 設計された所定の時間にキノフォームから出てくるように想定された光線と実 際にキノフォームから出てくる光線とがどの程度一致するかは、キノフォームの 設計においてキノフォームに入射することが想定された光線と実際にキノフォー ムに入射する光線とがどの程度一致 するかに依存する。こうして、明瞭な光線がキノフォームに入射することは、明 瞭な光線がキノフォームから出てくるための１つの要件であり、従って、高品位 の光線がキノフォームから出るようにするための基本的で重要な１つの要件であ る。品位の非常に高い光線を照射されることが必要な回折光学素子の１例は、光 線の形状を整える目的（beam shaping purposes）で形成されたキノフォームで ある。キノフォームは半透明な板（translucent plate）からなり、好ましくは プラスチック製又はガラス製である。このような板であるキノフォームを通過す る光の位相（light phase）は、その断面方向にわたって、コンピューターであ らかじめ計算されたとおりに変化する。このように光の位相を擾乱（phase agit ation）させるためには、キノフォームを構成する板に、その擾乱に対応する屈 折率の変化を与えるか、又は、その板の片面に厚み約１ミクロンの浅いレリーフ を設ける。キノフォームは光線の９０％までを透過させるが、これは、光線の効 力（light effect）が中程度、例えば数ｍＷの場合には重要である。レリーフを 設けるための通常の方法においては、まず、電子線リソグラフィーやレーザーリ ソグラフィーによってレリーフの原型を作成し、この原型から金属製の「マスタ ー」を作成する。このマスターを板に押印することによってレリーフを設けるこ とができる。 レーザー光線の品位を向上させるためにはいろいろな方法があり、例えば、タ イプの異なる種々のフィルター処理を用いる方法があり、フィルター処理を用い る方法としては、小さな開口部（small aperture）（１〜１００ミクロンの）を 通過させて合焦点させる方法 や、単一モード光ファイバーを用いる方法、などがある。レーザー光線の品位の 程度によって、フィルターを用いる程度を変える必要がある。上記のように、気 体レーザーは光線の品位が高いが、理想的ではない。常にわずかな量の散乱光（ scattered light）がある。従って、気体レーザーも、例えば小さな開口部（sma ll aperture）などを用いて一定のフィルター処理を行なうことにより、光線の 品位を確実に高めることが必要である。ダイオードレーザーは気体レーザーより も光線の品位がかなり劣るので、例えば単一モード光ファイバーなどを用いて、 より高度なフィルター処理を行なうことが必要である。 単一モード光ファイバーを用いることの利点は、単一モード光ファイバーを通 過した光線の特徴は数学的に明確に定義できるので、単一モード光ファイバーか らどのような光線が出てくるのかを確実に予測できることである。 光線にフィルター処理を行なうことにより、数学的に単純に記述された既知の 光線をキノフォームに照射できる。フィルター処理によって得られる明確に定義 された明瞭な光線（well-defined beam）の利点は、キノフォームを設計する際 の計算が簡単になり、また、キノフォームを設計する前に入射光線の測定を行な う必要がないことにある。「明確に定義された明瞭な光線」（well-defined bea m）とは、実質的にガウス分布を示す回転対象性強度断面（substantially Gauss ian rotation symmetrical intensity cross-section）を有し、波形の先端（wa ve front）が平面又は球面であることを意味する。 発明の目的と発明の特徴 本発明の主な目的は、表面又は空間に所望の空間的分布をもつレーザー光線を 発生させるシステムを提供することである。レーザー光線はレーザー装置から発 生するが、レーザー装置から出たままの光線は、回折光学部材に入射するには光 線の品位が不十分である。 ダイオードレザー、光線増強器（beam enhancer）及び回折光学部材（例えば 、光線の形状を整えるキノフォーム）を組み合わせたシステムを供給することは 取るに足らない問題ではない。そのようなシステムにおいては、基本的機能に対 応する上記の構成部材類が安定なユニットにまとめられていること必要である。 また、装置が安定していることが必要なだけでなく、長期間確実に且つ連続的に 作動する実用システムに装置全体を一体的に組み込むためには、装置の寸法が小 さくなければならない。 本発明は、例えば測定技術関連の分野に応用することができる。また、発明に よる装置を用いれば、例えば集会や会合（workshopassemblies）又は建築現場で 用いるポインティングデバイスに好適な、例えば十字、ブレース（brace）又は リングなどの形状のパターンを形成することができる。ポインティングデバイス に対する同様な需要は、医学的診断の分野においても見出される。湾曲した物体 を直接測定する際に、本発明による装置で発生した１本以上の光線を用いてその 物体の像を描き、像の再生用平面に線を投影し、投影された線を検討することが できる。 本発明による装置を用いて、より均一な強度分布を持つ、投光によって描いた 長方形（illumination rectangle）を得ることもできる。こ れによって、例えば、シャドーグラフ法（shadow method）などにより、あらゆ る種類の測定に使用することができる。 また、本発明による装置を用いて、例えばロゴタイプや商標のような非常に複 雑なパターンも投影することができる。 多くの応用分野で用いることができるようにするために（即ち、例えば、断面 がガウス分布でなく“シルクハット”型（top hat type）の分布を示す光線を得 るために）、構成部材類は、装置中の所定の位置に配置され、実質的に永久に動 かないように非常に高い精度で固定される。横方向の組み付け精度は２〜５ミク ロンであるべきであり、また、縦方向と回転方向にも高い組み付け精度が要求さ れる。本発明による装置から発射される光線の強度を最大にするため、また、理 想的な光学フィルター機能を得るため、また、回折光学素子への入射によって所 望の光線の分布を得るため、また、回折光学素子を光線円錐体（illumination c one）における所定の位置に正確に配置するために、非常に高い組み付け精度が 必要である。 キノフォームを用いてパターンを形成するなど、他の応用分野においては、装 置中のあらかじめ計算された位置に部材類を配置する必要はない。 装置中の望ましくない反射光線及び拡散光線を除去するための管理は、装置中 に部材類を安定かつ均一に配置することと同様に重要なことである。装置中の各 部材類を別々のユニットに配置すると、これらを達成することができない。しか し、各部材類を１つにまとめたユニットにおいては、装置中の部材類の反射面を 光線の進路に対して傾斜 （tilting or bevelling）させたり、光学接着剤（optical cement）のような屈 折率適合媒体（refractive index fitting medium）によって部材類を１つにま とめたりすることによって、上記を達成することが可能になる。 本発明の要旨は、光線の発生、光線品位（beam quality）の改善及び光線の分 配を行う部材類を共通の安定したユニットに統合し、配置することにある。この 構成は、重要な部材類をあらかじめ計算された所定の位置に配置して永久的に固 定すること、及び、反射及び拡散による光学的干渉を充分減少させること、を可 能にするための必須要件である。 回折光学素子を用いて表面又は空間に明瞭な光線を分配するための本発明のシ ステムの１つの態様において、該システムは、少なくとも１つのレーザー光源、 光学フィルター手段、好ましくはモード選択的フィルター、回折光学部材、及び 場合によっては光学カップリング素子と合焦点素子を包含し、該光源、該手段、 該部材、及び該素子は共通のユニット内部に配置及び固定されており、該モード 選択的フィルターは、該レーザー光源からの光線がモード選択的フィルターを通 過した後には実質的に単一モードになるように構成されている。 本発明のシステムのある実施態様においては、レーザー光源はレーザーダイオ ードからなり、モード選択的フィルターは単一モード光ファイバーであり、回折 光学素子はキノフォームである。 多くの場合、回折光学素子は、その表面のレリーフが放射モードの軸に直角にな るようにするため、放射モードにおける所定の位置に配 置され、且つ、所定の方向に配置されていなければならない。回折光学素子の横 方向の位置とその角度は、回折光学素子に当たるレーザー光線のサイズと直接的 に関連するように正確に設定されることが必要である。また、回折光学素子の位 置は、温度変化から独立していなければならない。 ある実施態様においては、回折光学素子と合焦点素子が１つの回折光学素子中 に形成されている。また、ある実施態様においては、単一モード光ファイバーの 両端が斜角面である。 １つの好ましい態様において、本発明による装置は、少なくとも１つのレーザ ー光源、光学カップリング手段、モード選択的フィルター、回折光学部材、及び 合焦点素子がこの順序で配置されてケーシング内に収容されてなるシステムを包 含する。該光源、該手段、該部材、及び該素子は共通のユニット内に配置及び固 定されており、該モード選択的フィルターは、レーザー光源からの光線がモード 選択的フィルターを通過した後には実質的に単一モードになるように構成されて いる。 他の好ましい態様においては、保持具によって保持された回折光学素子が、モ ード選択的フィルターと屈折率を合わせてあり、また、光ファイバーの両端が斜 角面である。 図面の簡単な説明 本発明を添付の図面を参照してより詳細に説明する。 図１は本発明の１つの実施態様を示すブロック図である。 図２は図１の実施態様をより詳細に示した概略図である。 図３は好ましいユニットの１つの実施態様を示す図である。 実施態様に基づく詳細な説明 図１は、所望の空間的分布をもつレーザー光線を発生させる本発明の装置のブ ロック図である。装置（１０）は、レーザー光源（１１）、光学フィルター（１ ２）（実質的にはモード選択的フィルター）、及び位相調節ユニット（phase af fecting unit）（１３）という３つの主要部分を有する。レーザー光源（１１） は１次光線（primary beam）を発生させ、モード選択フィルター（１２）は、１ 次光線から光線モードを選択し、位相調節ユニット（１３）は、回折光学部材か ら出る光線の断面における位相の分布を決定する。 上記のフィルター装置はまた、多くの部材類から構成されていてもよく、且つ 、それらの部材類が、１つの部材で構成される単純なフィルターよりも、レーザ ーダイオードの出力がより多く該フィルターを通過できるようするものであって もよい。そのような場合においては、例えば、プリズム、レンズ、キノフォーム などが種々の形態や組合せで用いられていてもよい。そのような部材類の組合せ を用いない場合、フィルターを通過する出力部分は、典型的には約２５〜３０％ である。フィルターを通過する出力部分は、部材類を組合せて用いることにより 大きく向上する。 回折光学部材に接続された状態か、またはそれに近接したところに置かれた状 態で、通常はレンズからなる合焦点素子あるいは平行化素子（collimating elem ent）が設けられる。この合焦点素子あるいは平 行化素子は、フィルター装置と回折光学板との間、あるいは回折光学板の後ろの 光路中に配置することができる。また、回折光学機能は、レンズの片側表面上に レリーフ層を設けることによりレンズ内に統合できる。また、別のやり方として は、キノフォームのデザイン計算を行なう際に合焦点特性を加えることもできる 。 図２に記載の態様において、レーザー光源１１は少なくとも１つのレーザーダ イオード１４（好ましくは従来型のレーザーダイオード）、及び少なくとも１つ の光学カップリング手段１５、例えば、カップリングレンズを含んでいる。モー ド選択的フィルター１２は、光学フィルターを含み、この光学フィルターは、こ の態様においては少なくとも１つの光ファイバー１６からなっている。位相調節 ユニット（phase affecting unit）１３は、少なくともキノフォーム１７と合焦 点フィルター１８を含む。 この態様においては、カップリングレンズ１５を用い、カップリングレンズ１ ５が、レーザーダイオード１４から放射された光線（矢印で示す）を合焦点して 光ファイバー１６に導入する。光ファイバー１６は好ましくは単一モードタイプ である。光線が光ファイバー中を適当な距離にわたって通過した後、完全な光線 （perfect beam）が光ファイバーから得られる。光ファイバー１６自体が選択的 放射モードをもつため、上記の完全な光線には楕円性（ellipticity）及び非点 収差が無い。カップリングレンズに最も近い光ファイバー末端からの反射は、レ ンズを通して容易にレーザーダイオードに到達し、光線放射にに振動（oscillat ions）を引き起こし得る。この問題を避けるために、 光ファイバー末端の表面は斜角面になっており、また、該末端には光ファイバー と屈折率を合せた平行面ガラス板（図示せず）が設けられている。 光ファイバーから放出された光線クラスターは、光線を横切るように配置され ているキノフォーム１７を連続的に通過する。この態様においては、キノフォー ムは、平行面ガラス板の光ファイバーから見て反対側の表面上に設けられたレリ ーフからなっている。このレリーフは、光ファイバーから放出される光線の拡散 及びキノフォームに入射する光線の断面サイズに適合するように計算されて製造 されており、光ファイバーから放出される光線に正確な位相分布が与えられる。 光ファイバー及びキノフォームを通過したレーザー光線は、さらに回折による光 線形状再形成及び合焦点を経て所定の光線分配を与えるような強度及び位相分布 を与えられている。なお、キノフォームへの入り口側での反射光は、光ファイバ ーの出口から戻ってダイオードレーザーに到達し得るが、これは、光ファイバー の末端を斜角面としたり、キノフォームを担持するガラス板と光ファイバーの屈 折率を合せることにより減少できる。 図３は本発明の装置の１つの実施態様を示す。装置１０は、接続末端部２０と 光線発射末端部２１を備えたケーシング１９を包含する。レーザーダイオード１ ４からの熱の輸送を促進するために冷却体２２が設けられている。ケーシング１ ９は、内包する部材類を支持するための保持部材２３〜２７を更に含む。すなわ ち、保持部材２３はカップリングレンズ１５を支持し、保持部材２４は光ファイ バー１６を支 持し、保持部材２６はキノフォーム１７を支持し、保持部材２７は合焦点レンズ １８を支持する。ダイオードレーザー１４を作動させるために接触電極２８を使 用する。 光ファイバー１６の各末端部には、プラグ２９とプラグ３０、即ちいわゆるフ ァイバーフェルール（fibre ferrule）が設けられている。受け部２３から延び る部分３１は、フェルール２９を受けとめてレンズ１５に対する位置決めをする 。フェルール３０は保持部材２５により位置決めされる。また、光ファイバー１ ６を支持する保持部材２４は、光ファイバー１６を所定の位置に保持する保持部 材３２を含む。 接触電極２８は、レーザーダイオード１４にエネルギーを供給するエネルギー 源に接続することができる。１つの実施態様においては、エネルギー源は、例え ば、ケーシング内に配置されたバッテリーであってもよい。ケーシングの少なく とも１端は、組立及び保守を簡単にするために、他の装置などへ着脱可能になっ ている。 保持具２６によって保持されたキノフォームの横方向の位置とその角度が、キ ノフォームに当たるレーザー光線のサイズと直接的に関連するように正確に設定 されていることが必要である。また、キノフォームの位置が温度変化から独立し ていることが必要である。 以上、本発明の１つの好ましい実施態様のみについて説明してきたが、本願請 求の範囲の範囲内で幾つもの改変及び変形が可能であることは明らかである。 符号の説明 １０ 装置 １１ レーザー光源 １２ モード選択的フィルター １３ 位相調節ユニット １４ ダイオードレーザー １５ 光学カップリング手段 １６ 光ファイバー／光フィルター １７ キノフォーム １８ 合焦点レンズ １９ ケーシング ２０、２１ 端部 ２２ 冷却体 ２３〜２７ 保持部材 ２８ 接触電極 ２９、３０ ファイバーフェルール ３１ 保持具 ３２ 保持具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルド アーエフ セーゲルスタード，ス ヴェルケル スウェーデン国、エス―412 70 ゲーテ ブルグ、レンゲスライデン 28

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回折光学素子（１７）を用いて表面又は空間に明瞭な光線を分配するための システムであって、少なくとも１つのレーザー光源（１４）、光学フィルター手 段、好ましくはモード選択的フィルター（１６）、回折光学部材（１７）、及び 場合によっては光学カップリング素子（１５）と合焦点素子（１８）を包含し、 該レーザー光源（１４）、該光学フィルター手段（１６）、該回折光学部材（１ ７）、及び場合によって用いられる該光学カップリング素子（１５）と合焦点素 子（１８）は共通の安定なユニット（１９）内部に配置及び固定されており、該 モード選択的フィルター（１６）は、該レーザー光源（１４）からの光線がモー ド選択的フィルター（１６）を通過した後には実質的に単一モードになるように 構成されている、 ことを特徴とするシステム。 ２．該レーザー光源（１４）がダイオードレーザーからなることを特徴とする請 求項１に記載のシステム。 ３．該モード選択的フィルター（１６）が単一モード光ファイバーであることを 特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。 ４．該単一モード光ファイバーと屈折率を合わせた平行面ガラス板をさらに包含 することを特徴とする請求項３に記載のシステム。 ５．回折光学素子（１７）がキノフォームであることを特徴とする請求項１〜４ のいずれかに記載のシステム。 ６．回折光学素子（１７）が、１つの放射モードにおける所定の位置に配置され ていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。 ７．回折光学素子（１７）が所定の方向、好ましくは、回折光学素子（１７）が 放射モードの軸に直角になるような方向に配置されていることを特徴とする請求 項６に記載のシステム。 ８．回折光学素子（１７）と合焦点素子（１８）とが１つの回折光学素子中に形 成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。 ９．該単一モード光ファイバーの両端が斜角面であることを特徴とする請求項３ に記載のシステム。 １０．回折光学素子（１７）の横方向の位置とその角度が、回折光学素子（１７ ）に当たるレーザー光線のサイズと直接的に関連するように正確に設定されてい ることを特徴とする請求項１に記載のシステム。 １１．回折光学素子（１７）の位置が温度変化から独立していることを特徴とす る請求項１０に記載のシステム。 １２．回折光学素子（１７）を用いて表面又は空間に明瞭な光線を分配するため の装置であって、少なくとも１つのレーザー光源（１４）、例えばレーザーダイ オード；カップリングレンズの形態を有する光学カップリング手段（１５）；モ ード選択的フィルター（１６）、例えば単一モード光ファイバー；回折光学部材 （１７）、例えばキノフォーム；及び合焦点素子（１８）、例えばレンズ、がこ の順序で配置されてなるシステムを包含し、該レーザー光源（１４）、該光学カ ップリング手段（１５）、該モード選択的フィルター（１６）、及び該回折光学 部材（１７）は保持部材（２３〜２７、３１）によって共通の安定なユニット（ １９）内に配置及び固定されており、該モード選択的フィルター（１６）は、該 レーザー光源（１４）からの光線がモード選択的フィルター（１６）を通過した 後には実質的に単一モードになるように構成されている、 ことを特徴とする装置。 １３．保持具によって保持された回折光学素子（１７）が、該モード選択的フィ ルター（１６）と屈折率を合わせてあることを特徴とする請求項１２に記載の装 置。 １４．該光ファイバーの両端が斜角面であることを特徴とする請求項１３に記載 の装置。