JP2003520359A - レーザーダイオードライン照明光学系 - Google Patents

レーザーダイオードライン照明光学系

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JP2003520359A
JP2003520359A JP2001553628A JP2001553628A JP2003520359A JP 2003520359 A JP2003520359 A JP 2003520359A JP 2001553628 A JP2001553628 A JP 2001553628A JP 2001553628 A JP2001553628 A JP 2001553628A JP 2003520359 A JP2003520359 A JP 2003520359A
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リチャードソン、マシュー・オー
サン、ハイイン
クルーガー、クリストファー・ジョン
カレン、ダニエル・ダブリュ
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コヒーレント・インク
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2036—Broad area lasers

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Abstract

(57)【要約】 照明装置は、第１及び第２の相互直交軸に光出力を与える半導体レーザーを含む。光出力は第１及び第２の軸に相互に直交する方向へ伝搬する。光学系は半導体レーザーと協働するように構成されており、伝搬方向に対して直交する第１焦点と交差する位相において伝搬方向でそれぞれ離間した第１及び第２の焦点における第１及び第２軸へ光出力を集束させる。集束されたダイオードレーザー光出力は、第１軸に幅を、第２軸に長さを有する光のラインに形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の技術分野 本発明は一般にダイオードレーザーからの照明を整形するための光学系に関す
る。本発明は特にダイオードレーザーからの光を狭幅ラインに投影する光学系に
関する。
【０００２】 従来技術の説明 ダイオードレーザーは、ディスプレイシステム、光印刷系システム及び光記録
システムなどの様々なグラフィックスアプリケーションにおける照明源として一
般に用いられている。このようなアプリケーションのために、ダイオードレーザ
ーの特性アスティグマティック光出力を、２軸対称スポット又は照明領域へ集束
可能な対称アナスティグマティック形式に光学的に整形する様々な光学系が提案
されてきた。例えば、ダイオードレーザーから投影された光の極めて小さな均一
スポットは、感光媒体上に対応する小スポットを記録するのに用いることができ
る。一つの領域上に記録された複数の小スポットは、グラフィック画像またはパ
ターンを記録するのに用いることができる。特定の順序や間隔をなす小スポット
のラインは、データを光学的に記録するのに用いることができる。
【０００３】 ダイオードレーザー光を６．０マイクロメータ（μｍ）を越えない幅を有する
微小ラインの形態へ投影できるならば、ダイオードレーザー照明についての他の
アプリケーションも可能である。このようなアプリケーションは、レーザー微細
溶接及びレーザー機械アライメントを含む。
【０００４】 発明の概要 一つの局面においては、本発明は半導体レーザーの光出力を微小ラインに投影
するための照明装置を与えることを目的としている。このラインは、好ましくは
約６．０μｍ未満の幅を有する。本発明の装置の１つの好適実施形態は、第1及
び第２の互いに直交する軸に光出力を与える半導体レーザーを含む。この光出力
は第1及び第２の軸に対して相互に直交する方向に伝搬する。本発明の装置は、
半導体レーザーと協働して、伝搬方向で離間された第1及び第２の焦点の各々に
おいて第1及び第２の軸に光出力を集束させるように構成された光学系を含む。
伝搬方向に直交する第1の焦点に交差する平面において、集束半導体レーザー光
出力は、第1軸に幅を、第２軸に長さを有する光のラインに形成される。
【０００５】 第２焦点よりも第１焦点のほうが光学系に近接していることが好ましい。ダイ
オードレーザーは、速軸及び遅軸で異なる発散特性を有する光出力を射出する半
導体レーザーとしてもよい。速軸及び遅軸は上述した第1軸及び第２軸にそれぞ
れ対応する。半導体レーザーは、垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）
としてもよい。このようなレーザーは基本的に対称な光出力を有し、この場合、
上述の第1及び第２軸はそれぞれ光学系のＹ及びＸ軸にそれぞれ対応する。
【０００６】 好適実施形態においては、光学系は、伝搬方向に逐次番号順に離間された第1
、第２、及び第３レンズを含む。第1及び第３レンズは、第1及び第２軸の双方に
正の視度を有する。第２レンズは第1軸に零の視度を有し、且つ第２軸に正の視
度を有する。第１レンズは、その集点距離にほぼ等しい距離で半導体レーザーか
ら離間されている。第２レンズは、第２軸集点距離よりも大きな距離で半導体レ
ーザーから離間されている。第３レンズは第１レンズの焦点距離よりも大きな焦
点距離を有し、第２レンズは第３レンズの焦点距離よりも大きな第２軸焦点距離
を有する。第１焦点は、第２焦点よりも光学系に近接している。
【０００７】 上記に例示した光学系を組み込む本発明のライン照明光学系の一例においては
、半導体は単一モードエッジ発光ダイオードレーザーである。約３．０μｍの幅
を有する光のラインは、光学系から約０．２３インチ（約０．５８ｃｍ）の距離
に投影される。光の投影ラインは約１７０．０μｍの長さを有する。光学系の第
１と第２の後部焦点距離は、それぞれ約０．２３インチ（約０．５８ｃｍ）と約
０．８０インチ（約２．０３ｃｍ）である。３．０μｍライン幅及び本明細書で
言及される他の全てのライン幅は、ラインの１／ｅ２点を交差するところで測定
される。
【０００８】 添付図面は本明細書に組み込まれてその一部をなし、本発明の好適実施形態を
模式的に図示し、且つ上述の一般的説明及び後述の好適実施形態の詳細な説明と
共に本発明の原理の説明に役立つ。
【０００９】 本発明の詳細な説明 ここで図面を参照すると、図１はエッヂ発光ダイオードレーザー１０からの光
出力の例を模式的に示す。ダイオードレーザー１０はマウント又はヒートシンク
１２上に支持されている。ダイオードレーザー光出力は出力アパーチュア１６か
らビーム１４として出射する。約６３８ナノメートル（ｎｍ）で出射するダイオ
ードレーザーの場合、出力アパーチュア１６はその高さが約１．０マイクロメー
タ（μｍ）であり、一方、その幅は、単一モードダイオードレーザーについては
約３．０μｍと約４．０μｍとの間、また多重モードダイオードレーザーについ
ては少なくとも約８０μｍとし得る。
【００１０】 ビーム１４は、遅（水平）軸Ｘで約８．０°の包含角にて発散（光線１４Ｘ参
照）してアパーチュア１６の幅に整合し、この遅軸Ｘに直交する速（垂直）軸Ｙ
で約３１．０°の包含角にて発散する（光線１４Ｙ参照）。ビーム１４は、Ｘ及
びＹ軸に相互に直交するＺ軸に概ね沿って伝搬する。異なる発散の結果、ビーム
１４は、ダイオードレーザー１０の出力アパーチュア１６に比較的に近接するダ
イオードレーザー１０内の点１８にて速軸に基点を生じるように出現し、一方、
遅軸においてはダイオードレーザー１０の更に内方の点２０に基点を生じるよう
に出現する。ビームの非点収差は、点１８と点２０との間の距離Ｄに応じて定量
化し得る。距離Ｄは、単一モードダイオードレーザーについての約６．０μｍか
ら多重モードダイオードレーザーについての約５０．０μｍまで変動し得る。
【００１１】 ここで図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、本発明によるダイオードレーザーライ
ン照明光学系の１つの好適実施形態２２は、ダイオードレーザー１０と、その光
出力（ビーム１４）を整形する光学系２４とを含む。
【００１２】 図２Ａ及び図２Ｂは照明光学系２２をそれぞれその遅軸及び速軸において示す
。光学系２４は、正の視度を有する第１軸対称レンズ２６と、遅軸のみに正の視
度を有する円筒形レンズ２８と、正の視度を有する第２軸対称レンズ３０とを含
む。本明細書で用いられる用語「軸対称」は、速軸と遅軸との双方に同一の正の
視度を有する。好適にはレンズ３０は、レンズ２６のものよりも長い有効焦点距
離を有する。レンズ２８は、レンズ３０のものよりも長い焦点距離を有する。
【００１３】 レンズ２６は、ダイオードレーザー１０において予期される最大非点収差より
も相当に大きな（例えば数桁以上大きな）有効焦点距離を有することが好ましい
。レンズはダイオードレーザー１０からレンズの有効焦点距離に概ね等しい距離
に配置されている。レンズ２６はビーム１４を速軸と遅軸との双方に有効コリメ
ートする。ここで用語「有効コリメート」とは、ビーム１４の非点収差がレンズ
２６により補正されないものと認識されたい。レンズ２８は、遅軸においては、
コリメートビームをレンズ２８とレンズ３０との間の焦点ＩＦへもたらし、一方
、速軸においては、ビームをコリメート状態にとどめる。レンズ３０は、遅軸内
で発散ビームを、速軸内でコリメートビームを受ける。従って、速軸における光
は鮮鋭焦点ＦＡへもたらされ、遅軸における光はレンズ３０の射出面３０Ｂから
焦点ＦＡよりも更に離間された焦点ＦＢへもたらされる。この結果は、焦点ＦＡ
におけるＸ−Ｙ平面（図２Ａ及び図２Ｂにおける点線３２）において、速軸焦点
スポットサイズにより規定された速軸内の幅と、レンズ３０の射出面３０Ａから
距離Ａにおける遅軸におけるビーム幅Ｗにより規定された遅軸における長さとを
有する光のラインＬが存する。遅軸におけるビーム幅と速軸における焦点スポッ
トサイズとの間の比は、少なくとも２０：１にせねばならず、好ましくは５０：
１である。
【００１４】 焦点ＦＡ及びＦＢの距離Ａ及びＢはそれぞれ速軸と遅軸とにおける光学系２４
の後部焦点距離を意味し得る。明らかに光学系２４は速軸において有するよりも
短い後部焦点距離を遅軸に有する。即ち、光学系２４の視度は、遅軸よりも速軸
におけるほうが大きい。距離ＡとＢとの間の差は、光学系２４がアスティグマテ
ィックであり、ビーム１４がダイオードレーザー１０のアパーチュア１６から射
出されたときのビーム１４の非点収差よりも相当に大きい程度として規定できる
。Ｂは少なくともＡの約２倍以上であることが好ましい。
【００１５】 ライン照明器２２の一例においては、ダイオードレーザー１０が単一モードの
エッヂ射出ダイオードレーザーである。このようなダイオードレーザーは日本の
日立製作所から部品番号ＨＬ６７２０Ｇとして商業的に入手可能である。レンズ
２６は、開口数０．５５及び有効焦点距離４．５１ミリメートル（ｍｍ）の凸凸
レンズである。レンズ２６の凸面２６Ｂは、球面収差を低減するために非球面で
ある。このようなレンズは、フロリダ州OrlandoのGeltec, Inc.から部品番号３
５０２３０として商業的に入手可能である。レンズ２６の凸面２６Ａは、ダイオ
ードレーザー１０のアパーチュア１６から焦点距離の約１倍のところにその主平
面がくるように位置している。レンズ２８は、有効焦点距離５０．０ｍｍの平凸
円筒レンズであり、その凸面２８Ａがレンズ２６の凸面２６Ｂから約９．１ｍｍ
の距離になるように位置している。レンズ３０は、開口数約０．５及び有効焦点
距離８．０ｍｍの凸凸レンズである。レンズ２６の凸面３０も球面収差を低減す
るように非球面である。このようなレンズは、フロリダ州OrlandoのGeltec, Inc
.から部品番号３５０２４０として商業的に入手可能である。レンズ３０の表面
３０Ａはレンズ２８の平面２８Ｂから６１ｍｍの距離に位置している。平面３２
における光のラインＬは、５０：１よりも大きなアスペクト比のためには、１／
ｅ２点を横切る約３μｍの幅と約１７０μｍの長さとを有する。
【００１６】 照明装置２２を用いる方法においては、照明対象は、光のラインＬで照明され
るべき焦点ＦＡにおいて平面３２に配置される。これは図３に模式的に示してあ
り、ここでは照明光学系２２及び平面３２を斜視図で描いてある。単純化のため
に、光学系２４はハウジング２５内に収容されたものとして模式的に描いてある
。光学系により集束された第１及び第２の軸光線１４Ｘ及び１４Ｙは、レンズ３
０の射出面３０Ｂから出射するように描いてある。ダイオードレーザー１０は、
ハウジング１１内に収容されて、そこからダイオードレーザーへの電力接続のた
めに延出するリード線１３を有する構成として模式的に描いてある。この構成は
、商業的に入手可能なダイオードレーザーの標準的なものである。対象は、照明
されつつ固定的に保持できる。代替的に、拡がりのある対象は、それを照明しな
がら、平面３２を通って移動させてもよい。これは例えば、毛管等の内部の流動
性液体媒体を照明するため、或いは可動感光記録媒体上の長い「トラック」を記
録するために実行できる。このような場合、移動はラインＬの方向でなされる（
即ち、Ｘ軸の方向においては二重矢印Ｘにより示す如きである）。
【００１７】 ダイオードレーザー１０に関する上述の光学系２４の構成は、本発明による光
学系の１例にすぎない。当業者は、本発明の要旨及び目的から逸脱することなく
、レンズ又は光学素子の個数がより多く又はより少なくされた他の光学系を工夫
できるであろう。例えば、光学系は、素子２８として負の視度を有するレンズを
用いることにより短縮し得る。しかしながら、ライン幅は若干増大するであろう
。
【００１８】 更に、本発明は、アスティグマティック光出力を有するエッヂ発光ダイオード
レーザー（半導体レーザー）を含むものとして説明したが、本発明の原理は、基
本的にアスティグマティック光出力を有するものとして知られる垂直キャビティ
面発光半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）にも同様に適用可能である。
【００１９】 本発明を好適及び他の実施形態で説明したが、本発明は説明及び図示の実施形
態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ規定されるも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はエッヂ発光ダイオードレーザーのアスティグマティック光出力を模式的
に示す。
【図２】 図２Ａ及び図２Ｂは本発明によるダイオードレーザーライン照明光学系の好適
実施形態を模式的に示す。
【図３】 図３は図２Ａ及び図２Ｂのレーザーを用いる１つの好適な方法を模式的に示す
。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年３月１８日（２００２．３．１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クルーガー、クリストファー・ジョン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 95602、オーバーン、オーロ・バレー・ロ ード 24368 (72)発明者 カレン、ダニエル・ダブリュ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 95603、オーバーン、シエラ・ビュー・サ ークル 839 Ｆターム(参考） 5F073 AB27 BA09 EA18

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 照明装置であって、 第１及び第２の相互に直交する軸に光出力を与え、この光出力が前記第１及び
    第２の軸に対して相互に直交する方向へ伝搬する半導体レーザーと、 この半導体レーザーと協働するように構成され、前記伝搬方向で離間した第１
    及び第２の焦点の各々において前記第１及び第２軸へ前記光出力を集束させる光
    学系とを備え、 前記伝搬方向に対して直交する第１焦点と交差する平面において、前記集束さ
    れたダイオードレーザー光出力が、前記第１軸に幅を、前記第２軸に長さを有す
    る光のラインに形成される照明装置。
  2. 【請求項２】 請求項１の照明装置において、前記半導体レーザーが、エッ
    ヂ発光ダイオードレーザーであり、且つ前記第１及び第２の軸が前記ダイオード
    レーザーの相互に直交する速軸及び遅軸の各々に対応する照明装置。
  3. 【請求項３】 前記第１焦点が、第２焦点よりも前記光学系に近接している
    請求項２の照明装置。
  4. 【請求項４】 前記光学系が少なくとも１つの円筒レンズを含む請求項１の
    照明装置。
  5. 【請求項５】 前記光のラインが、約６．０マイクロメートル未満の幅を有
    する請求項１の照明装置。
  6. 【請求項６】 前記ラインの長さの前記ラインの幅に対する比が、少なくと
    も２０：１である請求項５の照明装置。
  7. 【請求項７】 前記ラインの長さの前記ラインの幅に対する比が、少なくと
    も５０：１である請求項５の照明装置。
  8. 【請求項８】 前記光のラインの幅が、約３．０マイクロメートルである請
    求項１の照明装置。
  9. 【請求項９】 前記ラインの長さの前記ラインの幅に対する比が、少なくと
    も２０：１である請求項１の照明装置。
  10. 【請求項１０】 前記ラインの長さの前記ラインの幅に対する比が、少なく
    とも５０：１である請求項１の照明装置。
  11. 【請求項１１】 照明装置であって、 第１及び第２の相互に直交する軸に光出力を与え、この光出力が前記第１及び
    第２の軸に対して相互に直交する方向へ伝搬する半導体レーザーと、 前記第1と第２の軸にそれぞれ第1と第２の後部焦点距離を有する光学系であり
    、前記半導体レーザーと協働するように構成され、前記伝搬方向で離間した第１
    及び第２の焦点の各々において前記第１及び第２軸に前記光出力を集束させ、前
    記第1焦点が前記第２焦点よりも前記光学系に近接する光学系とを備え、 前記伝搬方向に対して直交する第１焦点と交差する平面において、前記集束さ
    れたダイオードレーザー光出力が、前記第１軸に幅を、前記第２軸に長さを有す
    る光のラインに形成される照明装置。
  12. 【請求項１２】 前記光のラインが、約６．０マイクロメートル未満の幅を
    有する請求項１１の照明装置。
  13. 【請求項１３】 前記光のラインの幅が、約３．０マイクロメートルである
    請求項１１の照明装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１１の照明装置において、前記半導体レーザーが、
    エッヂ発光ダイオードレーザーであり、且つ前記第１及び第２の軸が前記ダイオ
    ードレーザーの相互に直交する速軸及び遅軸の各々に対応する照明装置。
  15. 【請求項１５】 前記エッヂ発光ダイオードレーザーが、単一モードダイオ
    ードレーザーである請求項１４の照明装置。
  16. 【請求項１６】 前記エッヂ発光ダイオードレーザーが、多重モードダイオ
    ードレーザーである請求項１４の照明装置。
  17. 【請求項１７】 前記半導体レーザーは、垂直キャビティ面発光レーザーで
    ある請求項１１の照明装置。
  18. 【請求項１８】 前記第２後部焦点距離が、前記第１後部焦点距離の少なく
    とも２倍である請求項１１の照明装置。
  19. 【請求項１９】 請求項１１の照明装置において、前記光学系が、前記伝搬
    方向に逐次番号順に離間された第1、第２、及び第３レンズを含み、前記第1及び
    第３レンズの各々は、第1及び第２軸の各々に正の視度を有し、前記第２光学素
    子は第1軸に零の集光力を有し、且つ第２軸に正の集光力を有するレンズである
    照明装置。
  20. 【請求項２０】 請求項１９の照明装置において、前記第１レンズが、第１
    の焦点距離を有し、且つこの第1焦点距離にほぼ等しい距離で前記半導体レーザ
    ーから離間されており、前記第２レンズが、前記第２軸に第２の焦点距離を有し
    、且つこの第２焦点距離よりも大きな距離で前記第３レンズから離間されており
    、前記第３レンズが、第３の焦点距離を有し、この第３焦点距離は前記第２焦点
    距離よりも大きく、前記第２焦点距離は前記第３焦点距離よりも大きい照明装置
    。
  21. 【請求項２１】 前記光学系が少なくとも１つの円筒レンズを含む請求項１
    １の照明装置。
  22. 【請求項２２】 前記ラインの長さの前記ラインの幅に対する比が、少なく
    とも２０：１である請求項１１の照明装置。
  23. 【請求項２３】 前記ラインの長さの前記ラインの幅に対する比が、少なく
    とも５０：１である請求項１１の照明装置。
  24. 【請求項２４】 照明装置であって、 第１及び第２の相互に直交する第１及び第２の軸に光出力を与えるエッヂ発光
    ダイオードレーザーであり、その光出力が前記第１及び第２の軸に対して直交す
    る方向へ概ね伝搬し、前記光出力は前記第１及び第２軸でそれぞれ第１及び第２
    の角度で発散し、その第１角度は前記第２角度よりも大きいエッヂ発光ダイオー
    ドレーザーと、 前記第1と第２の軸にそれぞれ第1と第２の後部焦点距離を有する光学系であり
    、前記半導体レーザーと協働するように構成され、前記伝搬方向で離間した第１
    及び第２の焦点の各々において前記第１及び第２軸へ前記光出力を集束させ、前
    記第1焦点が前記第２焦点よりも前記光学系へ近接する光学系とを備え、 前記伝搬方向に対して直交する第１焦点と交差する平面において、前記集束さ
    れたダイオードレーザー光出力が、前記第１軸に幅を、前記第２軸に長さを有す
    る光のラインに形成され、前記幅が約６．０マイクロメートル未満である照明装
    置。
  25. 【請求項２５】 請求項２４の照明装置において、前記光学系が、前記伝搬
    方向に逐次番号順に離間された第1、第２、及び第３レンズを含み、前記第1及び
    第３レンズの各々は、第1及び第２軸の各々に正の視度を有し、前記第２光学素
    子は第1軸に零の集光力を有し、且つ第２軸に正の集光力を有するレンズである
    照明装置。
  26. 【請求項２６】 請求項２５の照明装置において、前記第１レンズが、第１
    の焦点距離を有し、且つこの第1焦点距離にほぼ等しい距離で前記半導体レーザ
    ーから離間されており、前記第２レンズが、前記第２軸に第２の焦点距離を有し
    、且つこの第２焦点距離よりも大きな距離で前記第３レンズから離間されており
    、前記第３レンズが、第３の焦点距離を有し、この第３焦点距離は前記第２焦点
    距離よりも大きく、前記第２焦点距離は前記第３焦点距離よりも大きい照明装置
    。
  27. 【請求項２７】 前記光学系が少なくとも１つの円筒レンズを含む請求項２
    ４の照明装置。
  28. 【請求項２８】 前記ラインの長さの前記ラインの幅に対する比が、少なく
    とも２０：１である請求項２４の照明装置。
  29. 【請求項２９】 前記ラインの長さの前記ラインの幅に対する比が、少なく
    とも５０：１である請求項２４の照明装置。
JP2001553628A 2000-01-19 2000-09-27 レーザーダイオードライン照明光学系 Withdrawn JP2003520359A (ja)

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