JP2009047732A - 集光光学系及びレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な加工を施すことなく広帯域でも色収差を低減する。
【解決手段】集光光学系１は、フレネルレンズ１０と、一方の面が前記フレネルレンズ１０の凹凸形成面側に一体に貼り合わされ、他方の面が平面状に形成された層状レンズ２０と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集光光学系及びレーザ発振装置に関する。

フレネルレンズは、樹脂製板の表面に凸レンズの断面形状に相当する面を、微小なプリズムに置き換えて全体面を構成し、全体としてレンズの特性を有するものである。これにより、広い面積にすることができ、かつ、薄いレンズを実現することができる。

材質は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）で、溝ピッチは０．０５ｍｍから０．５ｍｍ程度である。なお、光学用樹脂だけでなく、光学用ガラスでも実現可能である。

一般に、大きな面積にしたときに大きな口径に対して球面形状を置き換えたフレネルレンズでは、収差が大きくなってしまう。そこで、球面収差が小さくなるようなフレネルレンズが用いられることがある。

特許文献１では、フレネルレンズの表面に１μｍ以下程度のグレーティングを付加することにより、フレネルレンズの分散（色収差）を低減する技術が開示されている。これは、回折レンズを組み合わせたものと考えられる。

回折レンズと屈折レンズ（通常のレンズ）では、入射光の波長変化に対する焦点距離の変化等の光学特性が異なる。この違いを利用して、屈折レンズ光学系の一部に回折レンズを組み合わせることで光学系の色収差等を補正できる。
米国特許第５１６１０５７号

但し、特許文献１に記載された技術は、特定の波長に関して効率よく色収差を低減できるが、波長域を広くすると色収差が大きくなってしまうので、広帯域には不利である。また、フレネルレンズの表面に１μｍ以下程度のグレーティングを付加する必要があるので、微細な加工を必要とする問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、微細な加工を施すことなく広帯域でも色収差を低減することができる集光光学系及びそれを用いたレーザ発振装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、フレネルレンズと、一方の面が前記フレネルレンズの凹凸形成面側に一体に貼り合わされ、他方の面が平面状に形成された第２のレンズと、を備えている。

請求項２の発明は、請求項１の発明であって、空気層、前記第２のレンズ、前記フレネルレンズのぞれぞれの屈折率をｎ_０、ｎ_１、ｎ_２とし、前記フレネルレンズの焦点距離をＬとし、光軸からの距離をｘとし、光軸に垂直な方向と、前記フレネルレンズ及び前記第２のレンズの境界面と、のなす傾斜角をθ（ｘ）としたときに、θ（ｘ）は次の式で表される値の±１０％の範囲にある。

請求項３の発明は、空気層、フレネルレンズのぞれぞれの屈折率をｎ_０、ｎ_２とし、前記フレネルレンズの焦点距離をＬとし、光軸からの距離をｘとし、光軸に垂直な方向と、前記フレネルレンズの傾斜面と、のなす傾斜角をθ（ｘ）としたときに、θ（ｘ）は次の式で表される値の±１０％の範囲にある。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の集光光学系と、前記集光光学系に集光された光を導光する導光手段と、前記導光手段により導光された光に基づいて励起してレーザを発振するレーザ発振手段と、を備えている。

本発明に係る集光光学系は、微細な加工を施すことなく広帯域でも色収差を低減することができる。

本発明に係るレーザ発振装置は、広帯域の光でも高効率で結合してレーザを発振させることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［集光光学系］
図１は、本発明の実施の形態に係る集光光学系１を示す図である。集光光学系１は、フレネルレンズ１０と、当該フレネルレンズ１０に対して層状に付加された層状レンズ２０と、を備えている。色収差を低減した集光光学系１を設計するためには、フレネルレンズ１０と層状レンズ２０との境界面の設計が重要となる。なお、層状レンズ２０の境界面と反対側の面は平面である。

図２は、フレネルレンズ１０の要部断面図である。フレネルレンズ１０は、凸レンズを同心円状に細かい幅に分割して、各幅の傾斜面だけを平面上にプリズムとして置き換えることで、厚みを減らしたレンズである。

本実施の形態では、光軸に対して垂直になす方向と、フレネルレンズ１０及びと層状レンズ２０の境界面（フレネルレンズ１０の傾斜面）と、のなす角である傾斜角θの条件は以下の通りである。

図３は、媒質１と媒質２の境界条件を説明するための図である。ここでは、光入射方向からみて、空気層（集光光学系１の周囲にある空気層）、第１層目（層状レンズ２０）、第２層目（フレネルレンズ１０）の屈折率をｎ_０、ｎ_１、ｎ_２とする。さらに、光軸に対応する中心軸をｘ＝０とし、焦点距離をＬとすると、次の式（１）〜（３）が成り立つ。

式（１）〜（３）より、式（４）が成り立つ。

境界面の角度は、図２の傾斜角θ（ｘ）である。すなわち、θはｘの関数である。ただし、第１層、第２層の厚さは、Ｌより十分小さいと仮定する。よって、式（５）が成り立つ。

式（４）及び（５）からθ１について解くと、式（６）になる。

したがって、集光光学系１は、光軸に対して直角になす方向と、フレネルレンズ１０及びと層状レンズ２０の境界面と、のなす角である傾斜角θが式（６）を満たすように、構成されている。そして、集光光学系１は、平行光（例えば太陽光）を入射させると一点に集光する。

［レンズタイプ］
図４はレンズタイプを示す図であり、（Ａ）はフレネルレンズＡ、（Ｂ）は非球面フレネルレンズＢ、（Ｃ）は非球面フレネルレンズＣ、（Ｄ）は非球面フレネルレンズＤ、（Ｅ）は非球面フレネルレンズＥである。

同図（Ａ）は、凹凸形成面が入射光側にあり平面が出射光側にある従来のフレネルレンズである。同図（Ｂ）は、平面が入射光側にあり凹凸形成面が出射光側にある本実施の形態のフレネルレンズ１０である。同図（Ｃ）は、層状レンズ２０が入射光側にありフレネルレンズ１０が出射光側にある本実施の形態の集光光学系１である。同図（Ｄ）は、凹凸形成面が入射光側にあり平面が出射光側にある本実施の形態のフレネルレンズ１０である。同図（Ｅ）は、フレネルレンズ１０が入射光側にあり層状レンズ２０が出射光側にある本実施の形態の集光光学系１である。

すなわち、非球面フレネルレンズＣ及びＥは、上述した集光光学系１であり、入射光に対する向きが異なっているだけである。凸レンズの役割をするフレネルレンズ１０は、凹レンズの役割をする層状レンズ２０よりも、屈折率の高い材料を用いている。また、フレネルレンズＢ及びＤは、本実施の形態のフレネルレンズ１０であり、入射光に対する向きが異なっているだけである。

［集光特性］
図５は太陽光に対する集光特性の一例を示す図であり、（Ａ）はフレネルレンズ、（Ｂ）は非球面フレネルレンズＢ、（Ｃ）は非球面フレネルレンズＣ、（Ｄ）は非球面フレネルレンズＤ、（Ｅ）は非球面フレネルレンズＥのそれぞれの集光特性である。

ここでは、口径約２８０ｍｍのフレネルレンズにおいて、口径５ｍｍに絞ったときの集光効率を示している。設計波長は、５８０ｎｍであり、収差特性の確認に３つの波長を用いた。太陽光は、発散角１０ｍｒａｄを想定している。

図５（Ａ）に示す従来のフレネルレンズＡは、４６０ｎｍ、６３３ｎｍ、８０８ｎｍのいずれの波長でも、集光効率が低くなっている。一方、図５（Ｂ）〜（Ｄ）に示す非球面フレネルレンズＢ、Ｃ、Ｄは、いずれの波長でも図５（Ａ）に比べて集光効率が高くなっている。

特に、本実施の形態の集光光学系１に対応する非球面フレネルレンズＣは、図５（Ｃ）に示すように、光軸方向位置が２２６−２２８ｎｍ付近ですべての波長域に対して集光効率が高くなっているので、波長が変化しても色収差がほとんどない。

また、本実施の形態のフレネルレンズ１０に対応する非球面フレネルレンズＢは、図５（Ｂ）に示すように、５８０−８００ｎｍの波長域で集光効率が高くなっているので、５８０−８００ｎｍの波長域であれば波長が変化しても色収差がほとんどない。

入射光に対して非球面フレネルレンズＢと反対の向きに配置され、本実施の形態のフレネルレンズ１０に対応する非球面フレネルレンズＤは、図５（Ｄ）に示すように、光軸方向位置が２２８ｎｍ付近ですべての波長域に対して集光効率が高くなっているので、波長が変化しても色収差がほとんどない。

このように、従来のフレネルレンズに比べると、本実施の形態のフレネルレンズ１０単独でも色収差を少なくすることができることが分かる。この場合、上述した式（６）において、ｎ_０＝ｎ_１として、傾斜角θを求めればよい。

［θ（ｘ）の許容誤差範囲］
実際に作製される集光光学系１において、θ（ｘ）は設計値どおりであることが望ましいが、入射光の特性と集光性能に合わせて許容可能なΔθ（ｘ）が決まる。例えば、ほぼ平行とみなす白色光である（広いスペクトルを有する）太陽光を集光する場合、Δθ（ｘ）は、太陽光の発散角（５ｍｒａｄ）程度は許容範囲と考える。

集光光学系１に対応する非球面フレネルレンズＣの場合、±５ｍｒａｄのずれを有するレンズの集光径は、Δθ（ｘ）＝０の場合よりもわずかに大きくなる程度であることが確認されている。また、±１０ｍｒａｄまで見込んだ場合、直径５ｍｍに集光できる太陽光の低下は、１０％程度である。すなわち、式（６）のθ（ｘ）の許容誤差範囲は±１０％である。

［集光光学系１の製造方法］
集光光学系１の材料は、光学用樹脂、光学用ガラスのいずれでもよいし、光学用樹脂及び光学用ガラスを併用したものでもよい。

図６は、集光光学系１の製造方法を説明する図である。最初に、フレネルレンズ１０を作製する。次に、図６（Ａ）に示すように、フレネルレンズ１０の上に、温度を与えて軟化させた光学材料５をローラー２０でフレネルレンズ１０に押しつけた後、図６（Ｂ）に示すように、一対の平らな板２１、２２で形を整える。なお、溶媒に溶かした樹脂をフレネルレンズ１０に塗布し、又は無溶媒の状態の光学材料を硬化反応させることで、集光光学系１を製造してもよい。さらに、一般的な光学レンズの製造方法が適用可能である。

［太陽光励起レーザ装置］
図７は、本発明の実施の形態に係る太陽光励起レーザ装置３０の構成を示す図である。太陽光励起レーザ装置３０は、太陽光を集光する集光光学系１と、集光光学系１の集光点に光入射端側がバンドル状に配置された複数の光ファイバ３１と、光ファイバ３１の光出射端側からの高輝度の太陽光が側面に結合された薄板状の光増幅媒体３２と、を備えている。さらに、太陽光励起レーザ装置３０は、光増幅媒体３２により増幅された光を全反射する全反射鏡３３と、光増幅媒体３２を冷却する冷却器３４と、光増幅媒体３２により増幅された光の一部を反射すると共に残りの光を外部に出射する出射鏡３５と、出射鏡３５から出射された光を集光する光学系３６と、光学系３６により集光された光を導光する光ファイバ３７と、を備えている。

このように構成された太陽光励起レーザ装置３０は発振し、光ファイバ３７を介して、レーザ光を出射する。このレーザ光は、光電変換素子による電力発生、金属の溶融、還元雰囲気中での金属の還元反応、水素発生等の様々な化学反応に用いられ、太陽エネルギーを利用可能なエネルギーに変換するためのシステムを構築することができる。

図８は、太陽光励起レーザ装置３０の他の要部構成図である。図７に示す光増幅媒体３２の光増幅媒質の特性により（例えば吸収係数が大きい場合）、図８に示すように、光ファイバ３１からの出射光を光増幅媒体３２の表面に照射してもよい。

図９は、他の太陽光励起レーザ装置３０Ａの構成を示す図である。なお、全反射鏡、冷却器の記載は省略している。ここでは、図７に示す薄板状の光増幅媒体３２の代わりに、ロッド状の光増幅媒体３２Ａを用いている。このとき、図７に示す光ファイバ３１を省略し、集光光学系１の集光点を光増幅媒体３２Ａの光入射端に合わせるとよい。

［集光光学系１の他の態様］
集光光学系１を樹脂材料で作製する場合、線膨張係数の小さい材料を選択するのが好ましい。しかし、屈折等の制約上、線膨張係数の大きい材料を選択した場合、太陽光下で使用する場合にレンズの反りが発生するおそれがある。

図１０は、２つの集光光学系１を貼り合わせた状態を示す図である。レンズの反りが発生しないように、表面と裏面に同じ線膨張係数の材料を用いることで、反りの問題を軽減することができる。本実施の形態では、フレネルレンズ１０が向かい合うように一対の集光光学系１を貼り合わせるとよい。θ（ｘ）は式（１）や（２）のままでなく、修正した形で与えられる。

図１１は、帯域の広い白色光源５０からの発散光をほぼ平行光化する集光光学系１を示す図である。集光光学系１は、太陽光などの波長帯域の広い光源からの出射光を低収差で効率よく集光できるので、上述の態様でも使用可能である。

また、上述した集光光学系１は、表面及び裏面が平らであるので、各種のコーティングが容易である。また、ナノプリントなどの手法を用いて平坦な面に微細な構造を作ることにより、広帯域な波長に対する反射率低減のための構造を作製するのにも適している。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。

本発明の実施の形態に係る集光光学系を示す図である。 フレネルレンズの要部断面図である。 媒質１と媒質２の境界条件を説明するための図である。 レンズタイプを示す図であり、（Ａ）はフレネルレンズＡ、（Ｂ）は非球面フレネルレンズＢ、（Ｃ）は非球面フレネルレンズＣ、（Ｄ）は非球面フレネルレンズＤ、（Ｅ）は非球面フレネルレンズＥである。 太陽光に対する集光特性の一例を示す図であり、（Ａ）はフレネルレンズ、（Ｂ）は非球面フレネルレンズＢ、（Ｃ）は非球面フレネルレンズＣ、（Ｄ）は非球面フレネルレンズＤ、（Ｅ）は非球面フレネルレンズＥのそれぞれの集光特性である。 集光光学系の製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る太陽光励起レーザ装置の構成を示す図である。 太陽光励起レーザ装置の他の要部構成図である。 他の太陽光励起レーザ装置の構成を示す図である。 ２つの集光光学系１を貼り合わせた状態を示す図である。 帯域の広い白色光源からの発散光を概ね平行光化する集光光学系１を示す図である。

符号の説明

１ 集光光学系
１０ フレネルレンズ
２０ 層状レンズ

Claims (4)

1. フレネルレンズと、
   一方の面が前記フレネルレンズの凹凸形成面側に一体に貼り合わされ、他方の面が平面状に形成された第２のレンズと、
   を備えた集光光学系。
2. 空気層、前記第２のレンズ、前記フレネルレンズのぞれぞれの屈折率をｎ_０、ｎ_１、ｎ_２とし、前記フレネルレンズの焦点距離をＬとし、光軸からの距離をｘとし、光軸に垂直な方向と、前記フレネルレンズ及び前記第２のレンズの境界面と、のなす傾斜角をθ（ｘ）としたときに、θ（ｘ）は次の式で表される値の±１０％の範囲にある請求項１に記載の集光光学系。
   

   
3. 空気層、フレネルレンズのぞれぞれの屈折率をｎ_０、ｎ_２とし、前記フレネルレンズの焦点距離をＬとし、光軸からの距離をｘとし、光軸に垂直な方向と、前記フレネルレンズの傾斜面と、のなす傾斜角をθ（ｘ）としたときに、θ（ｘ）は次の式で表される値の±１０％の範囲にある集光光学系。
   

   
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の集光光学系と、
   前記集光光学系に集光された光を導光する導光手段と、
   前記導光手段により導光された光に基づいて励起してレーザを発振するレーザ発振手段と、
   を備えたレーザ発振装置。

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