JP2006505823A - 光変換デバイス - Google Patents

Abstract

コリメートされる又は集束される光エミッタを備え、例えば、レーザ、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器型レーザ）あるいは１個又は複数個のＬＥＤからの光を伝搬面に変換するデバイスである。コリメートされる又は集束される光エミッタ３からの光束２の光路中に、回転対称の二重反射部材５の全体又は一部又は複数部を同軸的に固定配置することにより、二重反射部材５の周囲３６０度に延在し所望の角度を有する伝搬面１７の中で、光を屈折させるようにした。

Description

本発明は、例えば、レーザ、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器型レーザ）あるいは１個又は複数のＬＥＤからの光を伝搬面に変換するデバイスであって、コリメートさせる又は集束させる光エミッタからなるデバイスに関する。

本発明のデバイスは、例えば、面光を発生させるのに用いることができ、その面光は、完全に平坦あるいは所望の程度上方又は下方に向いた円錐形状を有する。そのデバイスは、例えば建築工事や道路工事等に用いることができる。

上記の目的のためには光源を備えたデバイスが使用されており、そのデバイスは、回転プリズム又はミラーにより光束の角度を変化させ、デバイスが３６０度回転することにより回転する光束がそのデバイスの周囲に伝搬面を形成する。

これら公知のデバイスの問題は、回転時に回転部材が光束を不正確に角度を変化させないように非常に精度の高い製造技術を必要とすることにある。さらに、それらを回転するには、少なくとも１個のモータが必要である。

別の問題として、それらは４つの窓の中に配置されており、そのため、それらの窓を保持するための４つのかど柱が必要であり、それは光の面の伝搬を妨害するという問題がある。米国特許３８２０９０３号公報には、回転部材とモータの問題点を解決する提案がなされている。すなわち、回転部材に代えて円錐形の反射プリズムを用いることにより、レーザ光束を９０度屈折させ、プリズムの周囲３６０度に面を形成している。

反射用の円錐体を用いることの問題は、入射光束に対する円錐体による角度ずれに対しデバイスが非常に敏感であるという点にある。なぜなら、わずかな角度ずれは伝搬面で拡大されるからである。図１ｂを参照されたい。角度の誤差は、反射の法則に従い２倍になる。わずかな角度誤差であっても、長い距離では位置に対し大きな誤差を与える。

これらの問題は、請求項１に係るデバイスにより解決することができる。この解決法による利点は、二重反射部材が取り付け誤差の影響をほぼ完全に受けないことにある。回転対称の二重反射部材は、いわゆるペンタプリズムに類似した働きをする。ペンタプリズムでは、入射光と出射光との間の角度は、並進横道（translation sideways）又は偏向に関係なく一定である。相互に連結固定され角度αをなす２つの反射面を備えた本体は入射光を２α偏向させる、すなわち、入射角に関係なく反射面のなす角度を２倍にする（図１ｂ）。

光束の伝搬面において角度βだけ本体が回転すると、第１反射部で光束は角度２β偏向する。この偏向は第２表面における反射により相殺され、そこで同じ角度βだけ回転する。この理論は、別の反射面のペアについても繰り返される。入射角の偏向についての独立性は、ミラー本体を任意の偶数の反射面、すなわち、偶数面のそれぞれで反射する部材、以後二重反射部材と呼ばれる、と関係付けることができる。

別の利点は、いかなる回転部材又はモータも不要である。さらに、光束の偏向と窓は、同じ方法、すなわち二重反射部材で結合される。

光エミッタと二重反射部材との間の光路に、二重反射部材方向への入射角を調整する手段を設けることが好ましい。それは、伝搬面の二重反射部材からの角度に影響を与える。一のデバイス及び同じデバイスを簡単な方法で取り付け、水平面又は、所望の角度を有する円錐形の伝搬面（上方又は下方）を発生させることができることはもちろん大きな利点である。

これは、いくつかの可能な方法により行うことができる。一つの方法は、１又は２つのアキシコンレンズを同軸的に位置決めするが、少なくとも１つのアキシコンレンズを二重反射部材の中心軸と一致する一の軸に沿って交換可能に取り付ける。一のアキシコンレンズの軸方向への移動は、レンズの通常の焦点面におけるリングの大きさを変化させる。そのようにして、平行光束円錐体の角度が調整される。

アキシコンレンズは、いくらかの像誤差を与える。この誤差は、符号が反対の円錐角を有する２つのアキシコンレンズを用いることにより補償することができる。

別の方法によっても、ズームレンズに同軸的に二重反射部材を設けることができる。リングの大きさは一定にすることができる。円錐体の角度は、ズームレンズの焦点距離が変化するので、ズーム時には変化する。

コリメートされるエミッタが、リング全体又はその一部分あるいは複数部分からなる形状に、例えば、反射型又は屈折型のアキシコンレンズあるいはフレスネル型のアキシコンレンズにより光を放射することが好ましい。完全包囲の光束を用いる方法が必要でない場合、二重反射部材の一部分又は複数部分を光からブロックすることができる。

別の実施形態では、電気駆動式の２軸のマイクロメカニカルミラーを使用する。コリメートされた光はミラーに当たるが、そのミラーは、光束が円錐体のマントルを表すように、すなわちリングが二重反射部材の中に描かれるような所定の角度が有している。

図１ａは、エミッタ３から放射され集束レンズ又はコリメータ４によりコリメートされた光束２を９０度の角度で屈折させる円錐プリズム１を用いた公知技術を示している。図１ｂは、図１ａにおいて、プリズム１の取り付けにずれがあった場合の影響を示している。プリズム１の角度誤差αは、光束２に対して２αの角度ずれを与える。

図２ａは、本発明における二重反射部材５の装置を示している。光束２は、第１反射面６に当たり角度γで屈折する。次いで光束は第２の反射面７で反射し、角度γで屈折する。入射光と出射光との間の角度θは、図２ｂに示すように、並進横道又は傾斜に関係なく一定である。

もちろん、その反射のいずれもが同じ大きさである必要はなく、その代わり、第１の反射面では小さな角度で屈折し、第２の反射面では大きな角度で反射するというように、二重反射部材５を、設計することができる。

図２ｂでは、二重反射部材５は、図面上において角度βだけずれて取り付けられている。図の右側では光束２は第１の反射面６に当たり、角度（γ＋２β）で屈折する。その後、光束２は第２の反射面で７に当たり、角度（γ−２β）で屈折する。このように、入射光束と出射光束との間の角度は、誤差が互いに打ち消されてθとなる。

図の左側では、光束２は第１の反射面６に当たり、角度（γ−２β）で屈折する。その後、光束は第２の反射面７で反射され、角度（γ＋２β）で屈折する。全体としては、左側でも、入射光束と出射光束との間の角度はθである。

二重反射部材５は回転対称であるので、右側の端部位置から、図面の垂直方向に角度誤差を発生させることなく（すなわち、光束２は第１と第２の反射面で角度γで反射される）、図の左側の端部位置へ（それぞれ−２βと２βである）、屈折の角度誤差は連続的に変化する（それぞれ−２βと２βである）が、入射光束と出射光束との間の全角度は、常に二重反射部材５の周囲の角度θである。

図３は、二重反射部材（不図示）からの伝搬面の角度を変化させるための第１の実施形態に係る装置を示している。エミッタ３は、集束レンズ又はコリメータ４によりコリメートされた光束２を放射する。その後、光束は、反射型又は回折型又はフレスネル型の、移動可能に取り付けられたアキシコンレンズ８に入射する。

焦点平面１０においては、光束は互いに集合して光リング１１を形成する。装置の直下の像を参照されたい。中間の像における光路はテレセントリック（telecentric）であることが好ましい。すなわち、メイン光束が光軸と平行である。その装置を用いると、得られる錐角は、レンズ間のわずかな焦点誤差の影響を受けなくなる。その後、第２のコリメータレンズ１２を設け、光束２をリーブ瞳孔（leave pupil）１３の方向に偏向させる。二重反射部材５を、リーブ瞳孔１３が二重反射部材５の中で終わるように配置することが好ましい。全ての構成部材を互いに同軸的に配置する。

図４は、共通軸に沿って集束レンズ又はコリメータ４に接近するようにアキシコンレンズ８が装置されている点のみが図３とは相違する。この方法では、光リング１１は、より大きな直径を持った状態で焦点平面に形成される。装置の下の像を参照されたい。光束２は、その後、コリメータレンズ１２を通過し、そこで図３に示したよりも大きな角度で屈折する。

焦点平面における光リングの大きさを変化させたい場合には、必要によりアキシコンレンズを交換することもできる。

それにより、二重反射部材５に、図３における設定とは異なる別の入射角で光束が入射する結果、二重反射部材５からの伝搬面は、図３における設定とは異なる別の角度を有する。

図５は、二重反射部材（不図示）からの伝搬面の角度を変化させるための第２の実施形態に係る装置を示している。エミッタ３は、集束レンズ又はコリメータ４によりコリメートされた光束２を放射する。その後、光束は、固定状態に取り付けられ、反射型、回折型又はフレスネル型である第１のアキシコンレンズ８に入射し、さらに反射型、回折型又はフレスネル型の第２のアキシコンレンズ９を通過する。

焦点平面１０において、光束は収斂し光のリング１１を形成する。装置の直下の像を参照されたい。中間像における光路は、テレセントリック（telecentric）、すなわち、主光束が光軸に平行であることが好ましい。このような配置をとることにより、得られる円錘角は、レンズ間のわずかな焦点誤差の影響を受けにくくなる。その後、第２のコリメートレンズ１２を設け、光束２をリーブ瞳孔１３の方向に屈折させる。二重反射部材５を、リーブ瞳孔１３が、二重反射部材５の中に納まるように配置することが好ましい。構成部材は、すべて互いに同軸的に装置される。

図６に示した装置は、第２のアキシコンレンズが共通軸に沿って、かつ固定されたアキシコンレンズ８から離間して配置されている以外は、図５に示した装置と同様である。この装置では、大きな直径の光リング１１が焦点平面１０に形成される。装置の下の像を参照されたい。その後、光束２は、コリメートレンズ１２を通過し、そこで図５に示された角度よりは大きな角度で屈折する。

このようにして、図７に示されたのとは異なる入射角を持つ光が二重反射部材５に当たることにより、二重反射部材５からの伝搬面は図５の場合とは別の角度を持つことになる。

図３から６に示した装置によれば、下向きの角度を有する円錐形状の伝搬面を平坦な水平伝搬面（角度なし）によって形成するように下向きの所定の角度を与え、上向きの角度を有する円錐形状の伝搬面を形成するように上向きの所定の角度を与えることにより、伝搬面を設定する。

図７は、第３の実施形態に係る別の装置を示すもので、光束２の伝搬面の二重反射部材５からの角度を規定できる可能性を示すものである。装置は、エミッタ３，コリメータ４、そして焦点平面１０の中に光の像１１を形成するための１個又は２個のアキシコンレンズ８，９とから構成されている。この場合、像は円であり、装置の下の像を参照されたい。

さらに、ズームレンズ１４は、光束２の出射角を規定するために配置されている。すべての部材は同軸的に配置されている。ズームレンズの設定を変えて、光束の角度を変化させる。

図８は、ズームレンズ１４の別の設定を示しており、ズームレンズ１４からの光束２の出射角が異なる。この場合、二重反射部材５に対する光束２の入射角を設定することにより、伝搬面の角度を設定することができる。

図９は、本発明の別の装置を示している。この場合も、部材は同軸的に配置されている。装置は、エミッタ３、コリメータ４、そして屈折型光像発生器１５から構成され、その発生器は、例えば直径の異なる３つのリング１１を形成する。

リングは、形状により、例えば装置の下に示すように、内側の点線リング、中間の実線リング、外側の破線リング等により、あるいは光リング１１の色により互いに区別することができる。

異なる光像１１の光束２は、異なる直径を有しており、コリメートレンズ１２に入射し、そこで光束が異なる角度で反射される。ここで、光束が二重反射部材５の中で異なる入射角を有しており、それにより二重反射部材５からの角度が異なる伝搬面を与えるように、光束が反射される。

例えば、中間の光リングは平坦な水平の伝搬面を与え、他の２つの光リングは、それぞれ下向きと上向きの円錐形状の伝搬面、例えば、それぞれ１度上向きと１度下向きを示す伝搬面を与える。

図１０は、例えば屈折部材を用いて部分的な光像１１も形成可能なことを示している。光束２を停止させ、かつ伝搬面が完全に包囲することのないように、二重反射部材５をマスクしても形成することができる。

図１１は、図５に示す本発明の実施の形態を示すものであり、二重反射部材５も記載されている。二重反射部材５を通過する光束２の光路も示されている。焦点平面１０に異なる３つの光像１１が存在すると、それらは３つの異なる伝搬面１７を形成する。

仮想のこれらの面を中心軸の方向にスケッチすると（１８）、それらは中心点１６で交わる。この中心点は、仮想の”ヒンジ”又は”ハブ”として働き、そこから、１以上の仮想の伝搬面１７が始まり、そこから上方又は下方に傾斜する。

図１２は、本発明の別の実施の形態を示すものであり、それは電気駆動式の２軸マイクロメカニカルミラー２０を用いる。エミッタ３からコリメートされた光束２はミラー２０に入射する。光束２が円錐の口を形成するように、すなわち、二重反射部材５の中にリングが描かれるように、ミラーはエレクトロニクス（不図示）により角度を与えられる。

光束２の一部２２は、二重反射部材５の底部で反射し、互いに直交するように配置された２つの光ダイオード２１に入射する。図１３を参照されたい。フィードバック機構により、光のリングとその中心決めの調整はエレクトロニクス（不図示）により行うことができる。

図１４は、多くの円弧の例を示している。

図１５は、図１２に示した発明の変形例に係る第２の実施形態を示している。マイクロメカニカルミラー２０と二重反射部材５の間に１個又は２個のアキシコンレンズを用いる例を示している。もちろん、代わりに、ズームレンズを用いることもできる。

公知の反射部材とその問題点を示す。 公知の反射部材とその問題点を示す。 本発明に係る二重反射部材の働きを示す。 本発明に係る二重反射部材の働きを示す。 第１の位置に伝搬面の所望の角度を設定する本発明の第１の実施形態に係る装置を示す。焦点面における光像を図の下方に示す。 図３において、第２の位置における装置を示す。対応する光像を図の下方に示す。 第１の位置に伝搬面の所望の角度を設定する本発明の第２の実施形態に係る装置を示す。焦点面における光像を図の下方に示す。 図５において、第２の位置における装置を示す。対応する光像を図の下方に示す。 第１の位置に伝搬面の所望の角度を設定する本発明の第３の実施形態に係る装置を示す。焦点面における光像を図の下方に示す。 図７において、第２の位置における装置を示す。対応する光像を図の下方に示す。 第１の位置に伝搬面の所望の角度を設定する本発明の第４の実施形態に係る装置を示す。焦点面における光像を図の下方に示す。 図７において、部分的な光像を与える別の装置である。 光路がどのようにして二重反射部材の中に入るかを示す一例である。焦点面より後ろでは、光束の中心光束、いわゆるメイン光束を、わかりやすく示している。 側面から見た、２軸マイクロメカニカルミラーを備えた本発明の第１の実施形態を示す。 上から見た図１０の実施形態を示す。 二重反射部材のいくつかの実施形態である。 側面から見た、２軸マイクロメカニカルミラーを備えた本発明の第２の実施形態を示す。 上から見た図１５の実施形態を示す。

Claims (8)

1. コリメートされる又は集束される光エミッタを備え、例えば、レーザ、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器型レーザ）あるいは１個又は複数個のＬＥＤからの光を伝搬面に変換するデバイスであって、
   コリメートされる又は集束される光エミッタ３からの光束２の光路中に、回転対称の二重反射部材５の全体又は一部分又は複数部分を同軸的に固定配置することにより、二重反射部材５の周囲３６０度に延在し所望の角度を有する伝搬面１７の中で、光を屈折させるようにしたことを特徴とするデバイス。
2. 設定手段（８，９，１４，２０，２１）がコリメートされる光エミッタ３と二重反射部材５との間の光束２の光路に配置され、その設定手段（８，９，１４，２０，２１）が、二重反射部材５の方向への光２の入射角を決定し、そしてそれにより伝搬面１７の角度を決定する請求項１記載のデバイス。
3. 上記設定手段が、同軸的に配置された１以上のアキシコンレンズ（８，９）を備えており、そのアキシコンレンズの少なくとも１つは、二重反射部材５の軸と共通する軸に沿って置換可能に配置されている請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 上記アキシコンレンズ（８，９）が、屈折型、回折型又はフレスネル型である請求項３記載のデバイス。
5. 上記設定手段が、二重反射部材５と同軸的に配置されたズームレンズ１４である請求項１又は２に記載のデバイス。
6. 上記コリメートされるエミッタ３がリング形状１１の光を放射するか、あるいは所望形状の光を形成するために屈折型、回折型又はフレスネル型の部材を設ける請求項１から５のいずれか一つに記載のデバイス。
7. 上記二重反射部材５の一部分又は複数部分を光２からブロックし、伝搬面１７の一部分又は複数部分を除くようにした請求項１から６のいずれか一つに記載のデバイス。
8. 電気駆動式の２軸マイクロメカニカルミラー２０にコリメートされた光２を入射させるものであって、ミラー２０を操作して、光束２を円錐のマントル面を描くように屈折させて二重反射部材５に到達するようにした請求項１から４のいずれか一つに記載のデバイス。
   
   
   

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