JP2006527857A - 多数のエミッタを備えた半導体レーザユニットの光を作業面に投影するための投影装置およびその投影装置を備えた照明装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、多数のエミッタを備えた半導体レーザユニット（１）の光を作業面に投影するための投影装置であって、前記半導体レーザユニット（１）から出射する光をその拡散方向（Ｚ)に対して実質的に垂直な少なくともひとつの方向（Ｙ)へ少なくとも部分的にコリメートするためのコリメーション手段（６）と、少なくとも部分的にコリメートされた前記光を作業面に少なくとも部分的に集束させまたは投影させるための集束手段とを含む投影装置において、前記投影装置（２，１２）はコリメーション手段（６）から出射する光に対する入射面と、光が集束手段に向けて出射することができる出射面とを備えた導光手段（８，１３）を有しており、その際に投影装置（２，１２）は少なくとも２つのエミッタからの光が前記入射面に入射することができるように構成されている、ことを特徴とする投影装置に関する。さらに、本発明は前記形式の投影装置を備えた照明装置に関する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、多数のエミッタを備えた半導体レーザユニットの光を作業面に投影するための投影装置であって、前記半導体レーザユニットから出射する光をその拡散方向に対して実質的に垂直な少なくとも１つの方向へ少なくとも部分的にコリメートするためのコリメーション手段と、少なくとも部分的にコリメートされた前記光を作業面に少なくとも部分的に集束させまたは投影させるための集束手段とを含む投影装置に関する。さらに本発明は、作業面の予め設定可能な区域を照らすための照明装置であって、半導体レーザユニットと前記形式の投影装置とを含む照明装置に関する。

前記形式の投影装置および照明装置は、米国特許第６４３３９３４号明細書から公知である。該特許において記載された照明装置では、多数のエミッタを備えたレーザダイオード・バーが半導体レーザユニットとして使用されており、これらのエミッタは互いに間隔をあけて第１の方向に並置されている。この第１方向とはいわゆる遅軸であり、レーザダイオード・バーから出射する光のダイバージェンスは速軸と呼ばれるそれに垂直な方向におけるダイバージェンスよりも小さい。レーザダイオード・バーに続いて、投影装置は速軸方向のダイバージェンスをコリメートするためのコリメーション手段として機能する速軸コリメートレンズを備えている。それに続くのはシリンドリカルレンズの２つのアレイであり、それらのシリンドリカル軸は速軸方向に延びる。これらのシリンドリカルレンズのそれぞれはレーザダイオード・バーのエミッタのそれぞれに係属しており、光の遅軸成分のコリメーションおよび集束を行う。これらの両シリンドリカルレンズ・アレイによって、遅軸に関してエミッタの近接場像が生成されるが、この像では個別エミッタの光が重複しない。この近接場像は、その他のコリメーションおよび集束レンズ、あるいは視野レンズによって、作業面に投影される。そのような作業面として挙げられるのは、たとえば印刷分野用の変調器の変調面である。

前記の技術水準に従う照明装置および投影装置における欠点とみなされるのは、レーザダイオード・バーの個別エミッタは相関しているのが通常であるため、エミッタのそれぞれが発せられた光の特に遅軸方向に均一でない強度分布を極めて頻繁に示すことである。そのような相関関係にあるエミッタの例が図５ａに示されており、たとえば遅軸方向のエミッタの拡散に関する２つのエミッタの強度分布１４が図５ａにおいてＸとして図示されている。視野レンズとして構成された対応焦点レンズによって個別エミッタの光が作業面において重なる場合、図５ｂから見てとれる総強度分布１５が生じる。この総強度分布１５では個別エミッタの強度分布１４が加算されるため、たとえば図５ｂにおける総強度分布１５はその左側ではその右側よりも明らかに大きな強度を有する。たとえば印刷業界の場合には正方形の強度分布が必要とされることが通例であるため、前記のような強度分布はほとんど受け入れられない。

国際公開第０３／０００５１０３号パンフレットから公知なのは、前記の問題を少なくとも部分的に解消できるレーザダイオード・バーから出射する光を焦点面に投影するための装置である。この装置では、速軸コリメートレンズと遅軸コリメーションを行うレンズアレイとの間に、あるいは前記速軸コリメートレンズの代わりに、多数の導波管を有する櫛歯状導波管手段が挿入されている。その際に、これらの導波管のそれぞれはエミッタのそれぞれに割当てられて設けられる。導波管のそれぞれにおいて、各エミッタの光はそれが少なくとも部分的に均一化されるように、頻繁に前後に反射される。この均一化によって各エミッタの強度分布１４は部分的に補正できるため、したがって、各エミッタの強度分布が重なるときには、最終的には技術水準である正方形を有する強度分布が生じる。前記の国際特許出願に従う実施形態における欠点は、特に、多数の光学部品を使用することであって、これは一方では照明装置の製造コストを増加させ、他方ではその効率を低下させる。多数の光学部品によって、より大きな減損が生じるからである。

本発明が対象とする課題は構造がより簡素であり、さらに作業面における光の均等な強度分布を提供できる冒頭に述べた形式の投影装置および照明装置の創造である。

これは、投影装置に関しては請求項１の特徴を備えた冒頭に述べた形式の投影装置によって、また照明装置に関しては請求項１３の特徴を備えた冒頭に述べた形式の照明装置によって達成される。従請求項は、本発明の好ましい実施形態に関するものである。

請求項１によれば、投影装置はコリメーション手段から出射する光に対する入射面と、光が集束手段に向けて出射することができる出射面とを備えた導光手段を有しており、投影装置は少なくとも２つのエミッタからの光が前記入射面に入射することができるように構成されている。好適には、前記導光手段は少なくとも２つのエミッタからの光が導光手段内で少なくとも部分的に混合することができるように構成されている。特に導光手段内の少なくとも２つのエミッタからの光の混合は、拡散方向に垂直な方向においてのみ行われる。ここで対象となるのは、たとえば遅軸方向である。好適には、投影装置は半導体レーザユニットの実質的に全エミッタからの光が導光手段の入射面に入射することができるように構成される。本発明に従えば、導光手段において単独エミッタの光が自ら重なり、場合によって均質化されるだけでなく、２つまたは複数のエミッタ、特に全エミッタの光が重なり、あるいは混合されることが達成できる。このようにして、一方では前記の国際特許出願から公知の従来技術におけるよりもはるかに効率的な重なりが生じる。他方では、使用すべき部品個数を大幅に減らすことができる、というのは特に全エミッタが重なるならば、エミッタのそれぞれに個別のシリンドリカルレンズを係属させるレンズアレイが不要となるからである。特にレンズアレイは、冒頭に述べた形成の投影装置の製造コストの主要部分を占めている。

本発明の好ましい実施形態に従えば、導光手段は実質的に光の拡散方向に延びる少なくとも部分的に透明な平行平面として構成されている。その際に、第１の方向の入射面の拡張はそれに垂直な第２の方向における拡張よりも小さくすることができる。特に遅軸方向の入射面の拡張は、速軸方向における拡張よりも小さくすることができる。遅軸方向の導光手段の極めて小さな拡張によって、光の遅軸成分に関する反射数は明確に増すため、遅軸成分の極めて大きな混合が行われる。場合によっては、全エミッタの光が入射面に入射すべきときには、集束レンズを遅軸成分に関して入射面の前に配置して、全エミッタの光を遅軸方向に比較的細い入射面に結合しなければならない。

本発明の変更形態に従って、導光手段は実質的に光の拡散方向に延びる少なくとも部分的に透明な本体として構成されており、該本体は拡散方向の中央において、その半導体レーザユニットに面した側における拡張よりも小さな、拡散方向に垂直な方向における拡張を示す。特に該本体は、遅軸方向に比較的広い入射面を有し得るため、全エミッタの光は付加的な集束レンズなしに前記入射面に結合できる。

しかし、入射面に続いて該本体はそれが遅軸方向の極めて僅かな厚みとなるまで、遅軸方向に細くなる。この縮小によってさらに遅軸成分の反射数が著しく増加するため、遅軸成分の十分な混合が行われることになる。

好適には、導光手段の本体は、その半導体レーザユニットとは反対側の出射側では、その中央における拡張よりも拡散方向に垂直な方向により大きな拡張を有する。細い中央に接続する本体のこの拡大によって、出射面から出射する光が既に部分的にコリメートされており、光が集束手段によって作業面に投影される前に付加的なコリメートレンズを通過する必要がなくなる。こうして、その他の部材が省略できるため、投影装置は最低個数の光学要素から構成される。それによって、投影装置内の損失が最小化できる。さらに、製造コストが低減できる。

導光手段の両実施形態において、光の速軸成分が著しく阻害されることなく導光手段を通過することが提供できるため、速軸成分のコリメーションは実質的に影響されない。

本発明に従えば、導光手段の入射面および／または側面および／または出射面を形状変化させることができる。入射面および／または側面および／または出射面の形状変化は、好適には粗野化、特に適切な粗野化によって実現できる。このような形状変化によって混合が改善できる、なぜならば、当該面における相当恣意的または無秩序な伝播が行われるからである。

従来技術の場合と同様に、コリメーション手段は速軸コリメートレンズとして構成することができる。同様に従来技術に類似して、集束手段は特に視野レンズとして機能できる第１の集束レンズおよび第２の集束レンズを含む。

請求項１３に従う本発明の照明装置は、本発明に従う投影装置によって特徴づけられる。

特に可能なのは、本発明に従う照明装置において半導体レーザユニットおよび投影装置が共通の担体上に配置されることである。こうして、半導体レーザユニットおよび投影装置は工場側で完全に予め組立てることができる。

本発明に従う照明装置は、従来技術と同様に、レーザダイオード・バーを備えた半導体レーザユニットを含むことができる。

本発明の詳細な特徴および長所は、下記の添付図面を参照した好適な複数の実施例に関する以下の説明により明らかとなる。

図１〜図４においては、概観上の便宜を図るためにデカルト座標系が図示されている。
図１から分かるのは、本発明に従う照明装置は共通の担体３上に配置された半導体レーザユニット１と投影装置２とを含むことである。半導体レーザユニット１は、図示された実施例においてレーザダイオード・バー４と対応する冷却体５とを含む。レーザダイオード・バーは、通常は１つの方向、図示された実施例ではＸ方向に並置されたエミッタを有する。さらにレーザダイオード・バーは、エミッタが並置されているＸ方向においてそれに垂直なＹ方向におけるよりも小さなダイバージェンスを有する。この理由から、Ｙ方向は速軸、またＸ方向は遅軸と呼ばれる。

レーザダイオード・バー４から、図１の光は実質的に正のＺ方向に出射する。投影装置２は、そのレーザダイオード・バー４に面した側に、速軸コリメートレンズとして構成されたコリメーション手段６を有する。この速軸コリメートレンズは、実質的にはＸ方向のシリンドリカル軸を有するシリンドリカルレンズである。コリメーション手段６は、レーザダイオード・バー４から出射するレーザ光をＹ方向にコリメートする。

正のＺ方向において速軸コリメートレンズに接続するのは、そのシリンドリカル軸がＹ方向に延びる別のシリンドリカルレンズ７である。シリンドリカルレンズ７は、コリメーション手段６から出射する光を正のＺ方向においてシリンドリカルレンズ７の後方に配置される導光手段８へ集束させる機能を果たす。導光手段８は、図１〜図３に図示された実施例においては、少なくとも部分的に透明な材料からなる比較的薄い平行平面として構成されており、実質的にＺ方向に延びる。その際に、導光手段８のＸ方向の寸法はＹ方向およびＺ方向のそれよりもはるかに小さい。シリンドリカルレンズ７および導光手段８は、特にレーザダイオード・バー４のいくつかのエミッタからの光、特にレーザダイオード・バー４の全エミッタからの光が入射面、すなわち図１においてシリンドリカルレンズ７に向いた導光手段８の側に入射するように、配置されている。レーザダイオード・バー４のエミッタからの光は導光手段内でＺ方向に進むが、特に側面からの進行は全反射のために著しく阻止されるため、導光手段８に入射した光は図１の右先端において該手段を離れて正のＺ方向に進む。

導光手段８の正のＺ方向後方には別のシリンドリカルレンズ９が配置されており、該レンズは導光手段８から出射する光をＸ方向に少なくとも部分的にコリメートする。シリンドリカルレンズ９のシリンドリカル軸はＹ方向に延びる。

シリンドリカルレンズ９の正のＺ方向後方では、投影装置２は２つの集束レンズ１０，１１を具備しており、それらは光を図示されていない作業面に集束および投影させることができる。第１集束レンズ１０は、Ｙ方向のシリンドリカル軸を持つシリンドリカルレンズとして構成されている。第２集束レンズ１１は、球面レンズとして構成されている。これらの集束レンズ１０，１１を別形態とすることも可能であり、たとえばそれらを一体構造のレンズに構成することができる。さらに球面集束レンズ１１の代わりに、Ｘ方向のシリンドリカル軸を有するシリンドリカルレンズが使用できる。最終的に、集束レンズ１０，１１の使命はコリメーション機能を果たすシリンドリカルレンズ９と共働して、導光手段８から出射する光を作業面の所定区域に投影させることにある。

導光手段８によって達成されるのは、作業面におけるレーザダイオード・バー４の異なるエミッタの光の重なりが生じて照明された面全体にわたる極めて均一な強度分布が得られるように、レーザダイオード・バー４のいくつかのエミッタから出射する光が導光手段内で偶然に重なることである。特に導光手段８はレーザダイオード・バー４から出射する光の速軸成分が導光手段によって影響されないように構成されているため、遅軸方向にのみ光の混合が、特に光の恣意的または無秩序な混合が行われる。

各エミッタから出射する光がたとえば全エミッタにおいて左側に存在する強度突出部（図５ａの個別エミッタの強度分布１４を参照）が、作業面における重なりにおいて左側の極めて有害な総強度突出（図５ｂの個別エミッタの総強度分布１５を参照）に移行する従来技術とは異なり、本発明に従う投影装置２ではレーザダイオード・バー４の異なるエミッタから出射する光は、たとえば全エミッタがそれらの左側において強度突出を示す場合でも、作業面で行われる光の重なりが左側での強度突出を示さないように恣意的かつ無秩序に重なる（図５ｃにおける本発明に従う投影装置２を通過した後の総強度分布１６を参照）。

この恣意的かつ無秩序な重なり効果は、特に導光手段８の入射面および／または側面が適切に粗野化されることによって高められる。たとえばＹ方向に対称軸を持つ正弦構造を設けることができるため、導光手段８を通過する光の遅軸成分のみが影響されて、速軸成分は影響されない。

正弦状あるいは円筒状の構造の代わりに、偶然の恣意的構造も製作することができる。
さらに、出射面を適切に粗野化して、遅軸成分の混合を促進することもできる。

本発明に従う照明装置の図４から見てとれる実施形態では、同一部材には同一符号が付けられている。半導体レーザユニット１は、図１〜図３に従う実施形態の半導体レーザユニットと同じである。投影装置１２は投影装置２と同じ機能を果たすが、所要部材が少ない。図１〜図３からのコリメーション手段６に対応するコリメーション手段６の後方には別のシリンドリカルレンズはなく、導光手段８とは異なる形状を有する導光手段１３が直接的に配置されている。導光手段１３はそのＺ方向の前端および後端にその中央部よりも大きなＸ方向の幅を有しており、特にレーザダイオード・バー４に面した入射面は作業面に面した出射面よりもＸ方向に大きな拡張を有する。特に、Ｘ方向の入射面は出射面のほぼ２倍の幅を持つことができる。

図４に従う実施形態では、投影装置１２も遅軸のコリメーションを行う導光手段１３後方に配置される第２のシリンドリカルレンズを備えていない。導光手段１３の出射面に対して正Ｚ方向に接続するのは集束レンズ１０，１１であり、それらは図１〜図３に従う投影装置２の集束レンズ１０，１１と同じ機能を果たす。

導光手段１３の特殊形状のゆえに、導光手段１３の前後のシリンドリカルレンズ７，９が省略できる。特に導光手段１３のＸ方向の入射面は極めて広いため、レーザダイオード・バー４の複数、特にすべてのエミッタの光が該入射面に入射することができる。ほぼ中央区域における導光手段１３のＸ方向の幅の縮小によって、光の遅軸成分に関する効率的な混合が達成される。出射側への導光手段の拡大によって、出射面から出射する光は対応して構成された集束レンズ１０，１１によって作業面に集束し投影できるように、少なくとも部分的にコリメートされている。したがって、図４に従う実施形態は導光手段１３についてより高い製造コストを必要とするが、全体としては所要部材が少ないため、投影装置１２は投影装置２よりも少ない損失しか生じない。

導光手段１３は入射面および／または側面および／または出射面に関して導光手段８と同様に形状変化を行って、遅軸成分に関する光の混合を促進することができる。さらに、集束レンズ１０，１１の構造を変える、たとえば一体のレンズに統合することもできる。

本発明に従う投影装置を備えた本発明に従う照明装置の斜視図である。 図１における矢印ＩＩに沿った正面図である。 図１における矢印ＩＩＩに沿った正面図である。 本発明に従う投影装置の別の実施形態を備えた本発明に従う照明装置の別の実施形態の斜視図である。 レーザダイオード・バーの個別エミッタの強度分布の概略図である。 図５ａに従う強度分布の重なりの概略図である。 本発明に従う照明装置によって達成できる総強度分布の概略図である。

Claims (15)

1. 多数のエミッタを備えた半導体レーザユニット（１）の光を作業面に投影するための投影装置であって、
   前記半導体レーザユニット（１）から出射する光をその拡散方向（Ｚ)に対して実質的に垂直な少なくとも１つの方向（Ｙ)へ少なくとも部分的にコリメートするためのコリメーション手段（６）と、
   少なくとも部分的にコリメートされた前記光を作業面に少なくとも部分的に集束させまたは投影させるための集束手段とを含む投影装置において、
   前記投影装置（２，１２）はコリメーション手段（６）から出射する光に対する入射面と、光が集束手段に向けて出射することができる出射面とを備えた導光手段（８，１３）を有しており、投影装置（２，１２）は少なくとも２つのエミッタからの光が前記入射面に入射することができるように構成されていることを特徴とする投影装置。
2. 前記導光手段（８，１３）は少なくとも２つのエミッタからの光が導光手段（８，１３）内で少なくとも部分的に混合することができるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の投影装置。
3. 導光手段（８，１３）内の少なくとも２つのエミッタからの光の混合は、少なくとも拡散方向（Ｚ)に垂直な方向（Ｘ)において行うことができることを特徴とする請求項２記載の投影装置。
4. 投影装置（２，１２）は、半導体レーザユニット（１）の実質的に全エミッタからの光が導光手段（８，１３）の入射面に入射することができるように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の投影装置。
5. 導光手段（８）は、実質的に光の拡散方向（Ｚ)に延びる少なくとも部分的に透明な平行平面として構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投影装置。
6. 第１の方向の入射面の拡張はそれに垂直な第２の方向における拡張よりも小さいことを特徴とする請求項５記載の投影装置。
7. 前記導光手段は、実質的に光の拡散方向（Ｚ)に延びる少なくとも部分的に透明な本体として構成されており、該本体は拡散方向（Ｚ)の中央において、その半導体レーザユニット（１）に面した側における拡張よりも小さな、拡散方向（Ｚ)に垂直な方向（Ｘ)における拡張を示すことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投影装置。
8. 導光手段（１３）の本体は、その半導体レーザユニット（１）とは反対側の出射側では、その中央における拡張よりも拡散方向（Ｚ）に垂直な方向（Ｘ)により大きな拡張を有することを特徴とする請求項７記載の投影装置。
9. 導光手段（８，１３）の入射面および／または側面および／または出射面が形状変化されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の投影装置。
10. 入射面および／または側面および／または出射面の形状変化は、粗野化、特に適切な粗野化によって実現できることを特徴とする請求項９記載の投影装置。
11. コリメーション手段（６）は速軸コリメートレンズとして構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の投影装置。
12. 前記集束手段は、第１の集束レンズ（１０）と、第２の集束レンズ（１１）とを含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の投影装置。
13. 半導体レーザユニット（１）と半導体レーザユニット（１）の光を作業面に投影するための投影装置（２，１２）とを含む、作業面の予め設定可能な区域を照らすための照明装置であって、前記投影装置は、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の投影装置（２，１２）である、ことを特徴とする照明装置。
14. 半導体レーザユニット（１）および投影装置（２，１２）が共通の担体（３）上に配置される、ことを特徴とする請求項１３記載の照明装置。
15. 半導体レーザユニット（１）とレーザダイオード・バー（４）とを含む、ことを特徴とする請求項１３または１４のいずれか一項に記載の照明装置。
    
    

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