JP2007102121A

JP2007102121A - 像変換装置

Info

Publication number: JP2007102121A
Application number: JP2005295637A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Tasai; 邦彦田才
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】高効率でビーム形状の変換が可能な像変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】像変換装置１は、光ビームを出射する複数の発光点が、各光ビームの光軸方向と直交するＸ軸方向に沿って１列に配置された半導体レーザアレイ２と、半導体レーザアレイ２の各発光点から出射された各光ビームを、Ｙ軸方向に屈折させて、各光ビームを平行光にすると共に、光軸方向に対してＹ方向に段階的に角度を付けて放射するシリンドリカルレンズ３と、シリンドリカルレンズ３から放射された光ビームの放射角度に応じた角度で傾斜した複数の反射面６ａ〜６ｆを有し、シリンドリカルレンズ３から放射された各光ビームを反射面６ａ〜６ｆで反射して、各ビームを平行化してＹ軸方向に沿って配列させる像変換ミラーアレイ４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、１次元方向に複数の発光点が並ぶ発光素子から出射された光を、等方的な形状に整形する像変換装置に関する。詳しくは、１次元方向に長い光分布を持つ光ビームを、屈折と１回の反射を利用して等方的なビーム形状に変換することで、高効率な像変換を行えるようにしたものである。

現在、数十Ｗ程度の光出力を持つ高出力の半導体レーザは、固体レーザの励起やプラスチックの直接加工等のアプリケーションとして注目されている。半導体レーザがこのような用途に用いられる場合、高エネルギー密度及び等方的なビーム形状が求められる。

また、半導体レーザがファイバレーザの励起光源に用いられる場合は、半導体レーザから放出される光が光ファイバに結合する構成が求められる。

しかし、一般的な高出力半導体レーザは、レーザアレイやバーレーザ等と称されて、発光部分（エミッタ）を１次元方向に並べた構造をしているため、発光形状が等方的ではなく、発光部分が並ぶ方向（長手方向）に１０ｍｍ程度、半導体レーザの結晶成長方向に数μｍ程度という横長の発光形状を持つ。

そこで、レーザアレイから出射される横長のビーム形状を、等方化するための像変換システムが提案されている。

例えば、レンズによる屈折や反射を３回行ってビーム形状を９０度回転させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、階段状ミラーを利用して光の反射を２回行い、ビーム形状を９０度回転させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−９８４０２号公報特開平８−２７１８３２号公報

しかし、従来の像変換システムでは、レンズによる複雑な像変換や、多数回の反射を利用した像変換を行っているので、像変換に伴う光強度の損失が大きく、高効率にビーム形状を等方化できないという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、高効率でビーム形状の変換が可能な像変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る像変換装置は、光ビームを出射する複数の発光点が、各光ビームの光軸方向と直交する第１の方向に沿って１列に配置された発光素子と、発光素子の各発光点から出射された各光ビームを、屈折または回折によって第１の方向と直交する第２の方向に屈折させて、光軸方向に対して段階的に角度を付けて放射する第１の像変換手段と、第１の像変換手段から放射された光ビームの放射角度に応じた角度で傾斜した複数の反射面が、各反射面での光ビームの反射方向を第２の方向に沿って並列される向きとして配置され、第１の像変換手段から放射された各光ビームを反射面で反射して、各ビームを平行化して第２の方向に沿って配列させる第２の像変換手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の像変換装置では、発光素子の各発光点から出射されることで、第１の方向に並列していた光ビームは、第１の像変換手段で屈折し、第２の像変換手段で反射することで、第２の方向に沿って配列されて、等方的なビーム形状を有するようになる。

本発明の像変換装置によれば、ある軸方向に長い光分布を持つ光源から出射される光を、屈折と１回の反射を利用して等方的なビーム形状に変換することができる。これにより、像変換に伴う光強度の損失を抑えて、高効率な像変換が可能となる。

従って、等方的なビーム形状が要求されるアプリケーションに適用して、結合対象の光素子に対して光強度の損失を抑えて、発光素子から出射された光を結合させることができる。

以下、図面を参照して本発明の像変換装置の実施の形態について説明する。

＜本実施の形態の像変換装置の構成例＞
図１は本実施の形態の像変換装置の一例を示す斜視図、図２は本実施の形態の像変換装置の一例を示す構成図で、図２（ａ）は図１に示す像変換装置のｘ−ｚ平面図、図２（ｂ）は図１のｙ−ｚ平面図、図２（ｃ）は図１のｘ−ｙ平面図である。

本実施の形態の像変換装置１は、半導体レーザアレイ２と、シリンドリカルレンズ３と、像変換ミラーアレイ４を備える。

図３は半導体レーザアレイ２の一例を示す構成図である。半導体レーザアレイ２は発光素子の一例で、光ビームを出射する複数の発光点（エミッタ）５ａ〜５ｆを備える。各発光点５ａ〜５ｆは、光ビームの光軸方向（Ｚ軸）と直交した第１の方向であるＸ軸方向に沿って１列に並んで形成される。なお、本実施の形態では、発光点５の数は一例として６個とする。

半導体レーザアレイ２は、端面発光型の半導体レーザであり、各発光点５ａ〜５ｆより出射される光ビームは、Ｘ軸方向の拡がり角より、Ｘ軸と直交した第２の方向であるＹ軸方向の拡がり角の方が広い。なお、発光素子としては、１次元方向に長い構成であれば、半導体レーザアレイに限るものではない。

図４は半導体レーザアレイ２とシリンドリカルレンズ３の配列の一例を示す構成図である。シリンドリカルレンズ３は第１の像変換手段の一例で、半導体レーザアレイ２の発光点５ａ〜５ｆの並ぶ方向に沿ってＸ軸方向に延在して、発光点５ａ〜５ｆに対向して配置される。

シリンドリカルレンズ３は、Ｙ軸方向に所定の曲率を持ち、各発光点５ａ〜５ｆから出射され、Ｙ軸方向に所定の拡がり角で発散する光ビームを屈折させて平行光にする。すなわち、端面発光型の半導体レーザでは、Ｙ軸方向の拡がり角は半角で２０〜３０°程度であるが、この拡がり角を数ｍｒａｄ程度にする。

また、シリンドリカルレンズ３は、半導体レーザアレイ２の各発光点５ａ〜５ｆから出射される光ビームの光軸方向に沿ったＺ軸を回転中心に傾斜している。ここで、シリンドリカルレンズ３の回転中心と、半導体レーザアレイ２の並列した発光点５ａ〜５ｆの中心位置が略同軸上に配置されるように、半導体レーザアレイ２とシリンドリカルレンズ３が対向配置される。

これにより、半導体レーザアレイ２の各発光点５ａ〜５ｆから出射される光ビームは、シリンドリカルレンズ３においてＹ軸方向の中心から離れた位置を透過する。更に、シリンドリカルレンズ３を透過する光ビームと、シリンドリカルレンズ３のＹ軸方向における中心との距離は、半導体レーザアレイ２において、並列方向の端部に位置する発光点５から出射される光ビームほど離れている。

よって、半導体レーザアレイ２の各発光点５ａ〜５ｆから出射される光ビームは、シリンドリカルレンズ３のＹ軸方向における中心からの距離に応じて、Ｙ軸方向に所定の角度で屈折する。

例えば、最端部に位置する発光点５ａと発光点５ｆとの距離がＷｏ（ｍｍ）の半導体レーザアレイ２を用いると共に、焦点距離ｆ（ｍｍ）のシリンドリカルレンズ３を用いた場合、シリンドリカルレンズ３の傾斜角度をθｚとすると、最端部の発光点５ａ，５ｆから出射される光ビームのＺ軸となす放射角度α₁は、以下の（１）式で表される。

従って、半導体レーザアレイ２の発光点５ａ〜５ｆから出射される各光ビームは、シリンドリカルレンズ３を透過することで平行光になると共に、シリンドリカルレンズ３のＹ軸方向における中心からの距離に応じた角度でＹ軸方向に屈折して、全体としてはＹ軸方向に拡がりながら伝播される。

これにより、半導体レーザアレイ２の各発光点５ａ〜５ｆから出射され、シリンドリカルレンズ３を透過した光ビームは、Ｚ軸方向の任意の位置ｚにおけるｘ−ｙ面では、Ｘ軸に対して所定の傾斜角度βで傾斜した直線上に配列される。

ここで、シリンドリカルレンズ３は、半導体レーザアレイ２の各発光点５ａ〜５ｆから出射された光ビームのＸ軸方向の成分に対しては、光路中に平板ガラスが存在することと略同等であり、各光ビームのＸ軸方向の拡がり角は変化せず、また、各ビームはＺ軸に略平行に伝播される。

なお、本実施の形態では、第１の像変換手段としてシリンドリカルレンズ３を用いたが、分布屈折率（GRIN:GradedIndex）レンズでもよい。また、回折素子等、光の発散角に変化を与えることができる光学素子であればよい。

図５は像変換ミラーアレイ４の一例を示す３面図で、図５（ａ）は像変換ミラーアレイ４のｘ−ｚ平面図、図５（ｂ）はｘ−ｙ平面図、図５（ｃ）はｙ−ｚ平面図である。

像変換ミラーアレイ４は第２の像変換手段の一例で、例えば、半導体レーザアレイ２から出射される光ビームの数に合わせて複数の反射面６ａ〜６ｆを備える。なお、本実施の形態では、半導体レーザアレイ２において光ビームを出射する発光点５ａ〜５ｆの数と合わせて、反射面６の数は６面とする。

像変換ミラーアレイ４の各反射面６ａ〜６ｆは、半導体レーザアレイ２の各発光点５ａ〜５ｆから出射され、シリンドリカルレンズ３を透過した光ビームの光路中に位置するように、Ｙ軸方向の高さを段階的に異ならせ、かつ、Ｚ軸方向の任意の位置ｚにおけるｘ−ｙ面上に配置される。

すなわち、半導体レーザアレイ２の発光点５ａ〜５ｆから出射され、シリンドリカルレンズ３を透過した各光ビームが、Ｚ軸方向の任意の位置ｚにおけるｘ−ｙ面で、上述したようにＸ軸に対して所定の傾斜角度βで傾斜した直線上に配列される場合、各反射面６ａ〜６ｆは、ｙ＝ｔａｎβ×ｘで特定される直線上に配置される。

これにより、半導体レーザアレイ２の発光点５ａから出射される光ビームに、像変換ミラーアレイ４の反射面６ａが対応する。同様に、発光点５ｂから出射される光ビームに反射面６ｂが対応し、発光点５ｃから出射される光ビームに反射面６ｃが対応する。また、発光点５ｄから出射される光ビームに反射面６ｄが対応し、発光点５ｅから出射される光ビームに反射面６ｅが対応し、発光点５ｆから出射される光ビームに反射面６ｆが対応する。

また、像変換ミラーアレイ４の各反射面６ａ〜６ｆは、それぞれ同じ角度でＹ軸回転しており、各反射面６ａ〜６ｆの回転角度γは、本実施の形態では４５°に設定されている。

これにより、半導体レーザアレイ２の発光点５ａ〜５ｆから出射され、シリンドリカルレンズ３を透過した各光ビームが、対応する反射面６ａ〜６ｆで反射することで、光ビームの伝播方向が、Ｚ軸に沿った方向からＸ軸に沿った方向となる。

更に、像変換ミラーアレイ４の各反射面６ａ〜６ｆは、反射面６ａ〜６ｆに入射する各光ビームのＺ軸に対するＹ方向の放射角度α_nに応じた傾斜角度で、段階的に角度を異ならせて傾斜させてある。

各反射面６ａ〜６ｆの傾斜角度はα_n／２であり、Ｚ軸に対するＹ方向の放射角度α_nで伝播される光ビームが、対応する反射面６ａ〜６ｆで反射することで、各光ビームはＸ軸に対して平行となって、Ｘ軸に沿った方向に伝播される。

＜本実施の形態の像変換装置の動作例＞
次に、各図を参照して、上述した構成の本実施の形態の像変換装置１の動作の一例について説明する。

半導体レーザアレイ２の各発光点５ａ〜５ｆから出射した光ビームは、シリンドリカルレンズ３に入射する。シリンドリカルレンズ３は、Ｙ軸方向に所定の拡がり角で発散する各光ビームを屈折させて平行光にする。

また、シリンドリカルレンズ３は、半導体レーザアレイ２から出射される光ビームの光軸方向であるＺ軸を回転中心に所定の傾斜角度θｚで傾斜させてあるので、シリンドリカルレンズ３を透過する光ビームは、シリンドリカルレンズ３のＹ軸方向における中心からの距離に応じて、Ｙ軸方向に所定の角度で屈折する。

図６はシリンドリカルレンズ３を透過した光ビームの配列及び光路の概要を示す説明図で、図６（ａ）はｙ−ｚ面における光ビームの光路を示し、図６（ｂ）はＺ軸方向の任意の位置ｚにおけるｘ−ｙ面での光ビームの配列を示す。

半導体レーザアレイ２の発光点５ａ〜５ｆから出射される各光ビームＢ１〜Ｂ６は、シリンドリカルレンズ３を透過することで、図６（ａ）に示すように、Ｚ軸に対してＹ方向にそれぞれ所定の放射角度α₁〜α₆で傾斜して放射され、平行光に変換された各光ビームＢ１〜Ｂ６は、全体としてＹ軸方向に拡がりながら伝播される。

これにより、シリンドリカルレンズ３を透過した各光ビームＢ１〜Ｂ６は、Ｚ軸方向の任意の位置ｚにおけるｘ−ｙ面では、図６（ｂ）に示すように、Ｘ軸に対して所定の傾斜角度βで傾斜した直線上に配列される。

シリンドリカルレンズ３を透過した各光ビームＢ１〜Ｂ６は、像変換ミラーアレイ４の対応する反射面６ａ〜６ｆで反射する。すなわち、像変換ミラーアレイ４は、Ｚ軸方向の位置ｚに配置され、各反射面６ａ〜６ｆは、位置ｚを通るｘ−ｙ面上の光ビームＢ１〜Ｂ６の配列に合わせて、上述したようにｙ＝ｔａｎβ×ｘで特定される直線上に配置される。

これにより、各反射面６ａ〜６ｆは、シリンドリカルレンズ３を透過した光ビームＢ１〜Ｂ６の光路中に位置し、半導体レーザアレイ２の発光点５ａから出射した光ビームＢ１は、像変換ミラーアレイ４の反射面６ａに入射して反射する。

同様に、半導体レーザアレイ２の発光点５ｂから出射した光ビームＢ２は、像変換ミラーアレイ４の反射面６ｂに入射して反射し、半導体レーザアレイ２の発光点５ｃから出射した光ビームＢ３は、像変換ミラーアレイ４の反射面６ｃに入射して反射する。

更に、半導体レーザアレイ２の発光点５ｄから出射した光ビームＢ４は、像変換ミラーアレイ４の反射面６ｄに入射して反射し、半導体レーザアレイ２の発光点５ｅから出射した光ビームＢ５は、像変換ミラーアレイ４の反射面６ｅに入射して反射し、半導体レーザアレイ２の発光点５ｆから出射した光ビームＢ６は、像変換ミラーアレイ４の反射面６ｆに入射して反射する。

図７は像変換ミラーアレイ４で反射した光ビームの配列及び光路の概要を示す説明図で、図７（ａ）ｘ−ｙ面における光ビームの光路、図７（ｂ）はＸ軸方向の任意の位置ｘにおけるｙ−ｚ面での光ビームの配列を示す。

シリンドリカルレンズ３を透過した各光ビームＢ１〜Ｂ６は、ｘ−ｚ面においては、図２（ａ）に示すように、半導体レーザアレイ２の各発光点５ａ〜５ｆのピッチに応じて、Ｚ軸に対して略平行にＺ軸に沿って伝播される。

像変換ミラーアレイ４の各反射面６ａ〜６ｆは、Ｙ軸の回転角度γが、上述したように本実施の形態では４５°に設定されている。これにより、シリンドリカルレンズ３を透過した各光ビームＢ１〜Ｂ６が、対応する反射面６ａ〜６ｆで反射することで、光ビームＢ１〜Ｂ６の伝播方向が、図２（ａ）に示すようにＺ軸に沿った方向からＸ軸に沿った方向となる。

また、像変換ミラーアレイ４の各反射面６ａ〜６ｆは、反射面６ａ〜６ｆに入射する各光ビームＢ１〜Ｂ６のＺ軸に対するＹ方向の放射角度α_n（ｎ＝１〜６）に応じた傾斜角度α_n／２で、段階的に角度を異ならせて傾斜している。

これにより、放射角度α_nで伝播される光ビームＢ１〜Ｂ６が、対応する反射面６ａ〜６ｆで反射することで、図７（ａ）に示すように、各光ビームＢ１〜Ｂ６はＸ軸に対して平行となって、Ｘ軸に沿った方向に伝播される。

従って、半導体レーザアレイ２の各発光点５ａ〜５ｆから出射されることで、Ｘ軸方向に並列していた光ビームＢ１〜Ｂ６は、シリンドリカルレンズ３で屈折し、像変換ミラーアレイ４で反射することで、図７（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向に沿って配列されて、本実施の形態では、光の伝播方向に直交したｙ−ｚ面内において等方的なビーム形状を有するようになる。

そして、本実施の形態では、Ｙ軸方向の発散角を平行化するシリンドリカルレンズ３による光の屈折と、像変換ミラーアレイ４による１回の反射を利用してビーム形状を等方化するので、高効率な像変換が可能となる。

図８は本実施の形態の像変換装置１を備えた光モジュールの一例を示す構成図である。本実施の形態の像変換装置１と、像変換ミラーアレイ４の各反射面６ａ〜６ｂで反射した光ビームを集光するレンズ８を備えて光モジュール１１を構成することで、半導体レーザアレイ２から出射された光ビームを、光強度の損失を抑えて固体レーザや光ファイバ等に結合させることができる。

これにより、本実施の形態の光モジュール１１を用いれば、効率良く固体レーザの励起やファイバレーザの励起を行うことが可能である。なお、図８ではレンズを１枚で表記しているが、一般的なレンズを複数枚使用する構成としてもよい。

＜本実施の形態の像変換装置の具体例及び変形例＞
本実施の形態の像変換装置１を構成する像変換ミラーアレイ４は、高効率な像変換を実現するために、高反射率を有する材料及び高反射率を有するような製法で作製するとよい。具体的な例としては、ガラス基板に鏡面加工を施し、この鏡面に、半導体レーザアレイ２から出射される光の波長に対して高い反射率を持つ金属や誘電体多層膜を成膜させる方法や、高い反射率を持つ金属を直接鏡面加工する方法等が挙げられる。

次に、本実施の形態の像変換装置１の各部の大きさについて説明する。半導体レーザアレイ２は、長手方向に１０ｍｍ程度の長さを持つものが一般的であるが、本発明では、半導体レーザアレイ２の長さに制限はない。

また、発光点５の数についても、本実施の形態では６個で説明したが、６個以上でも６個以下でもよい。

更に、像変換ミラーアレイ４における反射面６の数は、発光点５の数に合わせて６面としたが、反射面の数は、反射後の光ビームの集光像の大きさを決定するため、所望の形状を得るための数を選択すればよく、発光点の数と同数でなくてもよい。

像変換装置１の全体の大きさは、半導体レーザアレイ２から出射される光を、像変換ミラーアレイ４で全て反射できることが望ましく、Ｙ軸方向に関しては、シリンドリカルレンズ３を透過した光ビームの放射角度αと、シリンドリカルレンズ３と像変換ミラーアレイ４との距離ＷＤにより決定される。例えば、放射角度αの最大値が１０°程度、シリンドリカルレンズ３と像変換ミラーアレイ４との距離ＷＤが１５ｍｍ程度であれば、Ｙ軸方向の長さは５ｍｍ程度となる。

また、Ｘ軸方向に関しても、半導体レーザアレイ２から出射される光を、像変換ミラーアレイ４で全て反射できることが望ましく、各反射面６の大きさは、半導体レーザアレイ２の発光点５から出射される光ビームのＸ軸方向の発散角と、反射面の数によって決定される。

更に、Ｘ軸方向の全長は、半導体レーザアレイ２の長手方向の長さと、Ｘ軸方向の発散角と、半導体レーザアレイ２と像変換ミラーアレイ４との距離によって決定される。

本発明は、固体レーザやファイバレーザ励起の光源、切削加工等の光源等に適用される。

本実施の形態の像変換装置の一例を示す斜視図である。本実施の形態の像変換装置の一例を示す構成図である。半導体レーザアレイの一例を示す構成図である。半導体レーザアレイとシリンドリカルレンズの配列の一例を示す構成図である。像変換ミラーアレイの一例を示す３面図である。シリンドリカルレンズを透過した光ビームの配列及び光路の概要を示す説明図である。像変換ミラーアレイで反射した光ビームの配列及び光路の概要を示す説明図である。光モジュールの一例を示す構成図である。

符号の説明

１・・・像変換装置、２・・・半導体レーザアレイ、３・・・シリンドリカルレンズ、４・・・像変換ミラーアレイ、５ａ〜５ｆ・・・発光点、６ａ〜６ｆ・・・反射面

Claims

光ビームを出射する複数の発光点が、各光ビームの光軸方向と直交する第１の方向に沿って１列に配置された発光素子と、
前記発光素子の前記各発光点から出射された各光ビームを、屈折または回折によって前記第１の方向と直交する第２の方向に屈折させて、光軸方向に対して段階的に角度を付けて放射する第１の像変換手段と、
前記第１の像変換手段から放射された光ビームの放射角度に応じた角度で傾斜した複数の反射面が、前記各反射面での光ビームの反射方向を前記第２の方向に沿って並列される向きとして配置され、前記第１の像変換手段から放射された前記各光ビームを前記反射面で反射して、前記各ビームを平行化して前記第２の方向に沿って配列させる第２の像変換手段と
を備えたことを特徴とする像変換装置。
前記第１の像変換手段は、前記発光素子から出射された光の前記第２の方向における発散角を屈折により変化させるレンズである
ことを特徴とする請求項１記載の像変換装置。
前記第２の像変換手段は、前記第１の像変換手段から放射された光ビームの放射角度に応じて、前記反射面が段階的に高さを異ならせて配置される
ことを特徴とする請求項１記載の像変換装置。
前記第２の像変換手段の前記各反射面で反射された光ビームを集光するレンズを備えて光モジュールを構成した
ことを特徴とする請求項１記載の像変換装置。