JP2010091855A - Laser beam irradiation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザビームを対象物に照射する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for irradiating an object with a laser beam.
レーザビームを照射する複数の発光点が一列に配置されて構成されるレーザ・アレイを用いる、走査用レーザビーム照射装置が既に提案されている（特許文献１）。このような光学系によれば、ポリゴンミラーのような駆動系を必要としないので、光学系を小さく設計できるなどの利点がある。 There has already been proposed a scanning laser beam irradiation apparatus using a laser array in which a plurality of light emitting points for irradiating a laser beam are arranged in a line (Patent Document 1). Such an optical system does not require a drive system such as a polygon mirror, and thus has an advantage that the optical system can be designed to be small.
尚、先述した走査用レーザビーム照射装置は、例えば、車両等に搭載されて、前方物体までの距離を測定するために用いられる。
先述した技術の課題は、光学系を小さく設計しようとすると、光学系の大出力化もしくは空間についての高分解能化ができないこと、又は球面収差によってビームパターンが歪んでしまうことである。まず、光学系を小さく設計しようとすると、光学系の大出力化または空間についての高分解能化ができないことについて説明する。 The problem with the above-described technique is that when an optical system is designed to be small, the output of the optical system cannot be increased or the resolution of the space cannot be increased, or the beam pattern is distorted due to spherical aberration. First, it will be described that if an optical system is designed to be small, the output of the optical system cannot be increased or the resolution of the space cannot be increased.
ここから図面を用いて説明する。図１４は、従来技術によるレーザビーム照射装置３００において、焦点距離ｆ、レーザ・アレイ３２０の各発光点３２２がなす列の長さの半分Ｘｄ、及び、水平方向の検知角度θの関係を表した図および式を示す。焦点距離ｆは、発光点３２２から、レーザビームが平行光線として抜ける凸レンズ３１０の所定位置までの距離である。これらの関係は、図に示すように、
ｆ＝Ｘｄ／ｔａｎθ …〈１〉
という式によって、近似的に表される。
From here, it demonstrates using drawing. FIG. 14 shows the relationship between the focal length f, half the column length Xd formed by the light emitting points 322 of the laser array 320, and the detection angle θ in the horizontal direction in the conventional laser beam irradiation apparatus 300. Figures and formulas are shown. The focal length f is a distance from the light emitting point 322 to a predetermined position of the convex lens 310 through which the laser beam passes as a parallel light beam. These relationships are shown in the figure,
f = Xd / tan θ <1>
It is expressed approximately by the expression.
図１５は、大出力化や高分解能化をすると、焦点距離ｆが長くなり、ひいては光学系が大きくなってしまう様子を表した図である。図１５（ａ）は、発光点３２２が５個、Ｘｄ＝Ｘｄ1、θ＝θ1の例である。それに対して、図１５（ｂ）は、θ＝θ1を維持したまま、発光点３２２を１０個にすることで高分解能化を図った例である。この例では、発光点３２２の個数を、図１５（ａ）の例に対して二倍にしたため、Ｘｄが図１５（ａ）の場合に対して二倍の２Ｘｄ1となっている。従って、図１５（ｂ）では、図１５（ａ）に対し、〈１〉式より理解できるように、ｆ値が二倍となり、光学系が大きくなってしまう。 FIG. 15 is a diagram showing a state where the focal length f becomes longer and the optical system becomes larger when the output is increased or the resolution is increased. FIG. 15A shows an example in which there are five light emitting points 322, Xd = Xd 1 , and θ = θ 1 . On the other hand, FIG. 15B is an example in which high resolution is achieved by increasing the number of light emitting points 322 while maintaining θ = θ 1 . In this example, since the number of light emitting points 322 is doubled with respect to the example of FIG. 15A, Xd is 2Xd 1 which is twice that of the case of FIG. Therefore, in FIG. 15B, as can be understood from the expression <1> in FIG. 15A, the f value is doubled and the optical system becomes large.
また、図１５（ｃ）は、図１５（ａ）の各発光点３２２の幅を広げることで、大出力化を図った例である。この場合も、図１５（ｂ）と同じように、Ｘｄが図１５（ａ）の場合に対して二倍の２Ｘｄ1となる。このため、焦点距離ｆが、図１５（ａ）に対して二倍となり、光学系が大きくなってしまう。 FIG. 15C is an example in which the output is increased by increasing the width of each light emitting point 322 in FIG. Also in this case, as in FIG. 15B, Xd becomes 2Xd 1 which is twice that in the case of FIG. For this reason, the focal length f becomes twice that of FIG. 15A, and the optical system becomes large.
また、図１５（ｄ）は、図１５（ａ）に対して、水平方向の検知角度を狭めることで、高分解能化を図った場合である。この場合も、〈１〉式より、図１５（ａ）に対して、焦点距離ｆが大きくなり、光学系が大きくなってしまう。 FIG. 15D shows a case where the resolution is increased by narrowing the horizontal detection angle with respect to FIG. 15A. Also in this case, the focal length f becomes large and the optical system becomes large as shown in FIG.
ところで、この課題を解決するために、実際のＸｄに対して見かけ上のＸｄを小さくする方法が、既に知られている。図１６を用いて説明する。この方法は、図１６（ａ）に示すように、レーザ・アレイ３２０と凸レンズ３１０との間に、凹レンズ３１５を配置するものである。こうすることで〈１〉に代入されるＸｄの値は、実際のＸｄ値よりも短くなると考えられる。なぜなら、図１６（ｂ）に示すように、中央に配置された発光点３２２の位置から、仮想直線と配列直線との交点までの距離が、〈１〉式に代入されるＸｄの値と見ることができる。そうすれば、〈１〉式が近似的なものであるとしても、凹レンズ３１５が無いよりは有る方が、Ｘｄの値が小さくなるということは言える。 By the way, in order to solve this problem, a method for reducing the apparent Xd with respect to the actual Xd is already known. This will be described with reference to FIG. In this method, as shown in FIG. 16A, a concave lens 315 is disposed between the laser array 320 and the convex lens 310. By doing so, the value of Xd substituted for <1> is considered to be shorter than the actual Xd value. This is because, as shown in FIG. 16B, the distance from the position of the light emitting point 322 arranged at the center to the intersection of the virtual straight line and the array straight line is regarded as the value of Xd substituted into the expression <1>. be able to. Then, even if the expression <1> is approximate, it can be said that the value of Xd becomes smaller when there is no concave lens 315 than when there is no concave lens 315.
なお、ここで言う仮想直線とは、凹レンズ３１５によって屈折したレーザビームの光路を当該レーザビームの進行方向とは逆に延長することで引かれる直線である。また、配列直線とは、各発光点３２２を近似した直線である。また、仮想直線と配列直線との交点を仮想発光点（特許請求の範囲の仮想発光素子に相当）と呼ぶ。 The virtual straight line referred to here is a straight line drawn by extending the optical path of the laser beam refracted by the concave lens 315 in the direction opposite to the traveling direction of the laser beam. Further, the array straight line is a straight line approximating each light emitting point 322. The intersection of the virtual straight line and the array straight line is called a virtual light emitting point (corresponding to a virtual light emitting element in the claims).
ところが、先述したように凹レンズを用いると、レンズの近軸から外れた部位を透過したレーザビームは、球面収差によってビームパターンが大きく歪んでしまうという課題が発生する。なお、ビームパターンが凸レンズの透過部位に依存して歪むと、例えば、距離の測定に悪影響を及ぼす。 However, when a concave lens is used as described above, a problem arises in that the beam pattern of a laser beam transmitted through a portion off the paraxial axis of the lens is greatly distorted by spherical aberration. If the beam pattern is distorted depending on the transmission part of the convex lens, for example, the distance measurement is adversely affected.
図１７を用いて説明する。図１７（ａ）は、凸レンズ３１０の透過部位と、ビームパターンの歪みとの関係を示した図である。図に示すように、中央付近の発光点３２２から発光されたレーザビームは、凸レンズ３１０の近軸付近を透過するので、球面収差の影響をほとんど受けず、ビームパターンはほとんど歪まない。 This will be described with reference to FIG. FIG. 17A is a diagram showing the relationship between the transmission part of the convex lens 310 and the distortion of the beam pattern. As shown in the figure, the laser beam emitted from the light emitting point 322 near the center is transmitted through the vicinity of the paraxial axis of the convex lens 310, so that it is hardly affected by spherical aberration and the beam pattern is hardly distorted.
なお、レンズの近軸とは、球面収差が小さい領域のことである。
それに対して、端に配置された発光点３２２から発光されたレーザビームは、凸レンズ３１０の近軸から外れた部位を透過するので、球面収差の影響を強く受けて、図に示すようにビームパターンが大きく歪んでしまう。
The paraxial axis of the lens is a region where the spherical aberration is small.
On the other hand, the laser beam emitted from the light emitting point 322 arranged at the end is transmitted through a portion deviated from the paraxial axis of the convex lens 310, so that it is strongly influenced by the spherical aberration, and the beam pattern as shown in FIG. Will be greatly distorted.
そして、図１７（ｂ）は、凹レンズ３１５を備える構成の場合を示している。図から分かるように、凹レンズ３１５によってレーザビームが屈折すると、図１７（ａ）で示した場合よりも、さらに端の方を透過することになり、球面収差の影響が大きく現れて、ビームパターンの歪みが更にひどくなってしまう。 FIG. 17B shows the case where the concave lens 315 is provided. As can be seen from the figure, when the laser beam is refracted by the concave lens 315, it is transmitted further toward the end than the case shown in FIG. Distortion becomes even worse.
つまり、見かけのＸｄを小さくしようとして凹レンズ３１５による屈折を大きくすればする程、ビームパターンの歪みがひどくなる、という板挟みに陥ることになる。
本発明は先述した課題を鑑み、光学系を小さく設計しても、レーザビームの大出力化または高分解能化、及び、ビームパターンの歪みの緩和を両立できるレーザビーム照射装置の提供を目的とする。
In other words, the more the refraction by the concave lens 315 is increased in order to reduce the apparent Xd, the more the beam pattern is more distorted.
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a laser beam irradiation apparatus that can achieve both high output or high resolution of a laser beam and alleviation of distortion of a beam pattern even if the optical system is designed to be small. .
先述した課題を解決するためになされた請求項１に記載のレーザビーム照射装置は、発光手段と、プリズムと、第一レンズと、第二レンズとを備える。
発光手段は、レーザビームを発光する複数の発光素子が一列に並ぶことで構成されるものである。プリズムは、複数の発光素子から発光されたレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる。
The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, which has been made to solve the above-described problem, includes a light emitting unit, a prism, a first lens, and a second lens.
The light emitting means is configured by arranging a plurality of light emitting elements that emit laser beams in a line. The prism is provided at a position where laser beams emitted from a plurality of light emitting elements are transmitted, and refracts the laser beams.
第一レンズは、プリズムを透過したレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる。第二レンズは、第一レンズを透過したレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる。 The first lens is provided at a position where the laser beam transmitted through the prism is transmitted, and refracts the laser beam. The second lens is provided at a position where the laser beam transmitted through the first lens is transmitted, and refracts the laser beam.
また、第一レンズは、当該第一レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向に基づいて位置が定まる仮想発光素子によってできる列が、発光素子によってできる列よりも短くなるようにレーザビームを屈折させる。 The first lens refracts the laser beam so that the column formed by the virtual light emitting element whose position is determined based on the traveling direction of the laser beam refracted by the first lens is shorter than the column formed by the light emitting element. .
そして、プリズムは、当該プリズムによる屈折が起こらないと仮定した場合に比べて、第二レンズから出て行くときにレーザビームが通る第二レンズの境界面上の位置が第二レンズの近軸に近付くように、レーザビームを屈折させる。 Then, the prism is positioned on the paraxial axis of the second lens so that the laser beam passes through the laser beam when exiting the second lens, compared to the case where refraction by the prism does not occur. The laser beam is refracted so that it approaches.
ここで「レーザビームの進行方向」について説明する。レーザビームといえども広がり角を持っているので厳密な直線として捉えることはできず、単純には進行方向を定めることができない。そこで、レーザビームの断面を考える。この断面は、レーザビーム内の任意の点を通るものとする。断面の定め方は、レーザビームの断面積が最小になるようにする。そのときの断面の重心を通り、かつ、断面の法線方向に延びる直線を、レーザビームの進行方向とする。均質な媒質中を進行していれば、どの点を通る断面でも、進行方向は同じになる。 Here, the “laser beam traveling direction” will be described. Even a laser beam has a divergence angle, so it cannot be regarded as an exact straight line, and the traveling direction cannot be determined simply. Therefore, consider the cross section of the laser beam. This cross section passes through an arbitrary point in the laser beam. The cross section is determined so that the cross sectional area of the laser beam is minimized. A straight line passing through the center of gravity of the cross section at that time and extending in the normal direction of the cross section is defined as a traveling direction of the laser beam. If traveling in a homogeneous medium, the traveling direction is the same in any cross section passing through any point.
請求項１に記載のレーザビーム照射装置によれば、光学系を小さく設計しても、レーザビームの大出力化または空間についての高分解能化、及び、ビームパターンの歪みの緩和を両立できる。光学系を小さく設計しても、レーザビームの大出力化または空間についての高分解能化できる理由は、仮想発光素子によってできる列の長さ（見かけ上の２Ｘｄ）が、実際の発光素子によってできる列の長さ（実際の２Ｘｄ）よりも短くなるからである。そして、ビームパターンの歪みが緩和される理由は、第二レンズの近軸近傍をレーザビームが透過するからである。 According to the laser beam irradiation apparatus of the first aspect, even if the optical system is designed to be small, it is possible to achieve both high output of the laser beam, high resolution of the space, and relaxation of the distortion of the beam pattern. Even if the optical system is designed to be small, the reason why the output of the laser beam can be increased or the resolution of the space can be increased is that the column length (apparent 2Xd) formed by the virtual light emitting element is the column formed by the actual light emitting element. This is because it becomes shorter than the length (actual 2Xd). The reason why the distortion of the beam pattern is alleviated is that the laser beam passes through the vicinity of the paraxial axis of the second lens.
また、請求項１に記載のレーザビーム照射装置は、請求項２に記載のように構成されてもよい。請求項２に記載のレーザビーム照射装置が備える第一レンズは、仮想直線と配列直線とに接する最小の球の中心が、当該レーザビームを発光した発光素子の発光点の位置と比べて、配列直線上のある点に近くなるように、レーザビームを屈折させる。 Moreover, the laser beam irradiation apparatus according to claim 1 may be configured as described in claim 2. The first lens included in the laser beam irradiation apparatus according to claim 2 is arranged such that the center of the smallest sphere in contact with the imaginary straight line and the arrangement straight line is compared with the position of the light emitting point of the light emitting element that emits the laser beam. The laser beam is refracted so as to be close to a certain point on the straight line.
そして、配列直線上のある点とは、一列の両端に並んだ発光素子の発光点の位置から配列直線上において等距離の位置にある中点である。
なお、第一レンズ及び第二レンズは、別体に構成されても、一体に構成されても構わない。
A certain point on the arrangement line is a midpoint located at an equidistant position on the arrangement line from the positions of the light emitting points of the light emitting elements arranged at both ends of the line.
Note that the first lens and the second lens may be configured separately or integrally.
また、請求項１に記載のレーザビーム照射装置は、請求項３に記載のように構成されてもよい。請求項３に記載のレーザビーム照射装置が備える第一レンズは、仮想直線と配列直線との交点が、当該レーザビームを発光した発光素子の発光点の位置と比べて、配列直線上のある点に近くなるように、レーザビームを屈折させる。 The laser beam irradiation apparatus according to claim 1 may be configured as described in claim 3. The first lens included in the laser beam irradiation apparatus according to claim 3 is such that the intersection of the virtual line and the array line is on the array line compared to the position of the light emitting point of the light emitting element that emitted the laser beam. The laser beam is refracted so that
そして、配列直線上のある点とは、請求項２で説明した中点と同じである。つまり本請求項は、請求項２において仮想直線と配列直線とが交点を持つ場合を記載したものである。 A certain point on the arrangement line is the same as the midpoint described in claim 2. That is, this claim describes the case where the virtual straight line and the array straight line have an intersection in claim 2.
また、請求項４に記載のレーザビーム照射装置が備えるプリズムは、当該プリズムによる屈折が起こらないと仮定した場合に比べて、第一レンズに入射するときにレーザビームが通る第一レンズの境界面上の位置が第一レンズの近軸に近付くように、レーザビームを屈折させる。このレーザビーム照射装置によれば、第一レンズによるビームパターンの歪みを緩和できる。 Further, the prism included in the laser beam irradiation apparatus according to claim 4 has a boundary surface of the first lens through which the laser beam passes when entering the first lens, compared to a case where refraction by the prism does not occur. The laser beam is refracted so that the upper position approaches the paraxial axis of the first lens. According to this laser beam irradiation apparatus, distortion of the beam pattern caused by the first lens can be reduced.
また、請求項５に記載のレーザビーム照射装置が備える第一レンズ及び第二レンズは、一体のレンズとして構成されている。そして、プリズムを透過したレーザビームは、一体のレンズにおける第一レンズに相当する部位に入射してから、一体のレンズにおける第二レンズに相当する部位から出て行くまで、一体のレンズ内のみを進む。 Further, the first lens and the second lens included in the laser beam irradiation apparatus according to claim 5 are configured as an integral lens. The laser beam that has passed through the prism enters only the part of the integral lens from the point corresponding to the first lens of the integral lens until it exits from the part of the integral lens that corresponds to the second lens. move on.
請求項５に記載のレーザビーム照射装置によれば、一体のレンズにおける第二レンズに相当する部位から出て行くまで一体のレンズ内のみを進むので、第一レンズと第二レンズとの間において、レーザビームの広がり角を小さくすることができる。従って、第二レンズを小さくすることができる。 According to the laser beam irradiation apparatus of the fifth aspect, since only the inside of the integral lens is advanced until it exits from the portion corresponding to the second lens in the integral lens, the first lens and the second lens The spread angle of the laser beam can be reduced. Therefore, the second lens can be made small.
また、請求項６に記載のレーザビーム照射装置は、第三レンズを備える。この第三レンズは、プリズムを透過したレーザビームが第一レンズに入射する前に透過するように配置される。 The laser beam irradiation apparatus according to claim 6 includes a third lens. The third lens is arranged so that the laser beam transmitted through the prism is transmitted before entering the first lens.
そして、第三レンズは、ある平面において、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる。ある平面とは、第一レンズによる屈折前後のレーザビームの進行方向を含む平面と直交する平面であって、当該第三レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向を含む平面である。 The third lens refracts the laser beam so as to reduce the divergence angle in a certain plane. A certain plane is a plane orthogonal to the plane including the traveling direction of the laser beam before and after refraction by the first lens, and includes the traveling direction of the laser beam after refraction by the third lens.
請求項６に記載のレーザビーム照射装置によれば、第二レンズに入射する前において、レーザビームの広がり角を小さくすることができる。なぜなら、第一レンズに入射する前において、レーザビームの広がり角を小さくすることができるからである。従って、第二レンズを小さくすることができる。 According to the laser beam irradiation apparatus of the sixth aspect, the divergence angle of the laser beam can be reduced before entering the second lens. This is because the spread angle of the laser beam can be reduced before entering the first lens. Therefore, the second lens can be made small.
また、請求項７に記載のレーザビーム照射装置が備える第一レンズは、ある平面において、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる。ある平面とは、第一レンズによる屈折前後のレーザビームの進行方向を含む平面と直交する平面であって、当該第一レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向を含む平面である。 Further, the first lens included in the laser beam irradiation apparatus according to claim 7 refracts the laser beam so as to reduce the divergence angle in a certain plane. A certain plane is a plane orthogonal to a plane including the traveling direction of the laser beam before and after refraction by the first lens, and is a plane including the traveling direction of the laser beam after refraction by the first lens.
請求項７に記載のレーザビーム照射装置によれば、第二レンズに入射する前において、レーザビームの広がり角を小さくすることができる。従って、第二レンズを小さくすることができる。しかも、請求項６とは異なりレンズを増やすわけではないので、各構成要素の配置が簡単にできる。 According to the laser beam irradiation apparatus of the seventh aspect, the divergence angle of the laser beam can be reduced before entering the second lens. Therefore, the second lens can be made small. In addition, unlike the sixth aspect, the number of lenses is not increased, so that the arrangement of each component can be simplified.
また、請求項８に記載のレーザビーム照射装置が備える第二レンズは、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる。このレーザビーム照射装置によれば、対象物に照射する前において、レーザビームの広がり角を小さくすることができる。 Further, the second lens provided in the laser beam irradiation apparatus according to claim 8 refracts the laser beam so as to reduce the divergence angle. According to this laser beam irradiation apparatus, it is possible to reduce the spread angle of the laser beam before irradiating the object.
また、請求項９に記載のレーザビーム照射装置が備えるプリズムは、発光素子の列の長さ方向における両端に遮光部を備える。このレーザビーム照射装置によれば、光学系を小さく出来る。 The prism provided in the laser beam irradiation apparatus according to claim 9 includes light shielding portions at both ends in the length direction of the row of light emitting elements. According to this laser beam irradiation apparatus, the optical system can be made small.
もともとビーム強度は、左右方向にガウス分布している。ガウス分布端部のビーム強度の弱い部分は、システム上の寄与が小さく、また広がり角が大きいため光学系が大きくなるデメリットがある。 Originally, the beam intensity is Gaussian distributed in the left-right direction. The portion where the beam intensity at the edge of the Gaussian distribution is weak has a demerit that the contribution to the system is small and the optical system is large because the divergence angle is large.
そこで本請求項のように遮光部を備えれば、レーザビームの強度分布を理想的なものに近付けることができるため、外乱光の発生を抑えながら光学系を小さくすることができる。 Therefore, if the light shielding portion is provided as in the present claims, the intensity distribution of the laser beam can be brought close to an ideal one, so that the optical system can be made small while suppressing the generation of disturbance light.
［構成］
以下、図面と共に説明する。図１は、本発明が適用されたレーザビーム照射装置１の構成図である。図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は上面図である。側面図は、水平方向から見た図であり、紙面における上下方向が鉛直方向に一致する。一方、上面図は、鉛直方向に見下ろした図であり、紙面が水平面に相当する。また、上面図において、紙面における上下方向を左右方向と定義する。
[Constitution]
Hereinafter, it demonstrates with drawing. FIG. 1 is a configuration diagram of a laser beam irradiation apparatus 1 to which the present invention is applied. 1A is a side view and FIG. 1B is a top view. The side view is a view seen from the horizontal direction, and the vertical direction on the paper surface coincides with the vertical direction. On the other hand, the top view is a view looking down in the vertical direction, and the paper surface corresponds to a horizontal plane. In the top view, the vertical direction in the drawing is defined as the horizontal direction.
そして、レーザビーム照射装置１は、レンズ１０と照射ユニット２０とから構成される。このうち、レンズ１０は、第一レンズ部１１と、連結部１５と、第二レンズ部１２とから構成される。 The laser beam irradiation apparatus 1 includes a lens 10 and an irradiation unit 20. Among these, the lens 10 includes a first lens part 11, a connecting part 15, and a second lens part 12.
照射ユニット２０は、図１（ｂ）の下方の拡大図に示されるように、レーザ・アレイ２１と、１３個のプリズム２４とを備える。そして、レーザ・アレイ２１は、１３個の発光点２２を備える。各発光点２２は、左右方向に伸びる直線である配列直線上に位置して、等間隔に配列している。また、各発光点２２が発光するレーザビームの光路は、互いに平行であり、水平面上を配列直線との直交方向に進む。 The irradiation unit 20 includes a laser array 21 and thirteen prisms 24 as shown in the enlarged view below FIG. The laser array 21 includes 13 light emitting points 22. Each light emitting point 22 is located on the arrangement | sequence straight line which is a straight line extended in the left-right direction, and is arranged at equal intervals. Further, the optical paths of the laser beams emitted from the respective light emitting points 22 are parallel to each other and travel on a horizontal plane in a direction orthogonal to the array straight line.
また、プリズム２４は、各発光点２２から発光されるレーザビームが透過する位置に、そして、配列直線に平行に配列されている。また、端に配置されたプリズム２４程、プリズム頂角が大きくなっている。また、中心よりも右に配置された発光点に対応するプリズム２４は、頂角が右を向くように配置されている。また「右」を「左」に読み替えても同じである。このような頂角が、本実施例の効果を得るための必要条件である。 The prism 24 is arranged at a position where the laser beam emitted from each light emitting point 22 is transmitted and parallel to the arrangement line. Further, the prism apex angle becomes larger as the prism 24 arranged at the end. In addition, the prism 24 corresponding to the light emitting point arranged to the right of the center is arranged so that the apex angle faces the right. The same applies when “right” is read as “left”. Such an apex angle is a necessary condition for obtaining the effect of the present embodiment.
一方、第一レンズ部１１は、図１（ａ）に示すように側面から見ると凸形状をしている。それに対して、図１（ｂ）示すように上面から見ると凹形状をしている。この様子を斜視図で表したのが、図２である。図２に示すように、第一レンズ部１１は、鞍橋の居木（乗馬に使う鞍の一部）のような形状をしている。つまり、第一レンズ部１１は、凸面の曲率と凹面の曲率とが直交する、いわゆるトロイダルレンズである。 On the other hand, the first lens unit 11 has a convex shape when viewed from the side as shown in FIG. On the other hand, as shown in FIG. 1B, it has a concave shape when viewed from above. FIG. 2 shows this state in a perspective view. As shown in FIG. 2, the first lens unit 11 has a shape similar to that of a reed bridge (a part of a reed used for horse riding). That is, the first lens unit 11 is a so-called toroidal lens in which the convex curvature and the concave curvature are orthogonal to each other.
図１に戻る。第二レンズ部１２は、側面から見ても上面から見ても凸レンズである。ただし、第二レンズ部１２は、側面から見たときの曲率と上面から見た曲率とが異なる、いわゆるトロイダルレンズである。 Returning to FIG. The second lens unit 12 is a convex lens when viewed from the side and from the top. However, the second lens portion 12 is a so-called toroidal lens in which the curvature when viewed from the side is different from the curvature when viewed from the upper surface.
また、第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２は、一体のレンズとして作られている。なお、第一レンズ部１１と第二レンズ部１２との間の部分を連結部１５と呼ぶ。そして、第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２の光軸は一致している。 Moreover, the 1st lens part 11 and the 2nd lens part 12 are made as an integral lens. A portion between the first lens portion 11 and the second lens portion 12 is referred to as a connecting portion 15. The optical axes of the first lens unit 11 and the second lens unit 12 are the same.
そして、中央に配置された発光点２２から発光されたレーザビームが第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２の光軸上に進むように、レンズ１０は照射ユニット２０に対して配置されている。従って、各発光点２２から発光されるレーザビームは、第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２の光軸と平行に進むことになる。 The lens 10 is arranged with respect to the irradiation unit 20 so that the laser beam emitted from the light emitting point 22 arranged at the center proceeds on the optical axes of the first lens unit 11 and the second lens unit 12. . Therefore, the laser beam emitted from each light emitting point 22 travels parallel to the optical axes of the first lens unit 11 and the second lens unit 12.
図３は、レーザビーム照射装置１の構成を模式的に表した斜視図である。レンズ１０は、簡略化された形状で表されている。また、各発光点２２としてのレーザ・アレイと各プリズム２４とは、一枚のＳｉ基板２６の上に設けられ、照射ユニット２０を形成している。そして、図３に示すように、各発光点２２から発光されたレーザビームは、プリズム２４及びレンズ１０の作用によって、それぞれ異なる向きに屈折する。次から、その作用を説明する。
［作用］
図４は、レーザビーム照射装置１から発光するレーザビームの光路を表した図である。図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は上面図である。ただし、最も端に配置された発光点２２のうちの一方から発光されたレーザビームだけが図示されている。また、ここで示されたレーザビームは、先述した進行方向を近似した直線ではなく、レーザビームの広がり範囲が示されている。
FIG. 3 is a perspective view schematically showing the configuration of the laser beam irradiation apparatus 1. The lens 10 is represented by a simplified shape. Further, the laser array as each light emitting point 22 and each prism 24 are provided on a single Si substrate 26 to form an irradiation unit 20. As shown in FIG. 3, the laser beam emitted from each light emitting point 22 is refracted in different directions by the action of the prism 24 and the lens 10. Next, the operation will be described.
[Action]
FIG. 4 is a diagram showing an optical path of a laser beam emitted from the laser beam irradiation apparatus 1. 4A is a side view and FIG. 4B is a top view. However, only the laser beam emitted from one of the light emitting points 22 arranged at the extreme end is shown. In addition, the laser beam shown here is not a straight line approximating the traveling direction described above, but shows the range of spread of the laser beam.
まず、左右方向について述べる。図４（ｂ）示すように、プリズム２４は、自身に対応する発光点２２から発光されたレーザビームを、発光点２２の配列の内側に向けて屈折させる。言い換えると、各プリズム２４は、仮想直線ａ（図示なし）と配列直線（破線で図示）との交点Ａが、自身に対応する発光点２２の位置と比べて、中央に配置された発光点２２から遠くなるように、レーザビームを屈折させる。 First, the horizontal direction will be described. As shown in FIG. 4B, the prism 24 refracts the laser beam emitted from the light emitting point 22 corresponding to the prism 24 toward the inside of the array of the light emitting points 22. In other words, each prism 24 has a light emitting point 22 arranged at the center, where the intersection A of the virtual straight line a (not shown) and the array straight line (shown by a broken line) corresponds to the position of the light emitting point 22 corresponding to itself. The laser beam is refracted so that it is far from the center.
なお、仮想直線ａとは、プリズム２４によって屈折したレーザビームの光路を進行方向とは逆に延長することで引かれる直線である。また、配列直線とは、［発明が解決しようとする課題］と同じように、各発光点２２を結んだ直線である。 The virtual straight line a is a straight line drawn by extending the optical path of the laser beam refracted by the prism 24 in the direction opposite to the traveling direction. The array straight line is a straight line connecting the light emitting points 22 as in [Problem to be Solved by the Invention].
また、別の見方から言うと、各プリズム２４は、自身による屈折が起こらないと仮定した場合に比べて、第一レンズ部１１に入射する位置が第一レンズ部１１の近軸に近付くように、レーザビームを屈折させる。 From another viewpoint, each prism 24 is arranged such that the position incident on the first lens unit 11 is closer to the paraxial axis of the first lens unit 11 than when it is assumed that refraction by itself does not occur. Refract the laser beam.
このように屈折することで、第二レンズ部１２から出て行くときにレーザビームが通る第二レンズ部１２の境界面上の位置が第二レンズの近軸に近付くことになる。
そして、プリズム２４によって屈折したレーザビームは、第一レンズ部１１からレンズ１０に入射するときに屈折する。屈折する方向は、仮想直線ｂ（点線で図示）と配列直線との交点（仮想発光点）が、このレーザビームを発光した発光点２２の位置と比べて、発光点２２によってできる列の中央（中央に配置された発光点２２）に近付く方向である。つまり、プリズム２４による屈折の方向と逆である。
By refracting in this way, the position on the boundary surface of the second lens portion 12 through which the laser beam passes when exiting the second lens portion 12 approaches the paraxial axis of the second lens.
The laser beam refracted by the prism 24 is refracted when entering the lens 10 from the first lens unit 11. The refracting direction is such that the intersection (virtual light emission point) between the virtual straight line b (shown by a dotted line) and the array line (virtual light emission point) is the center of the row formed by the light emitting points 22 compared to the position of the light emitting point 22 that emitted this laser beam ( It is a direction approaching the light emitting point 22) arranged in the center. That is, the direction of refraction by the prism 24 is opposite.
なお、仮想直線ｂとは、第一レンズ部１１によって屈折したレーザビームの光路を進行方向とは逆に延長することで引かれる直線である。
要するに、第一レンズ部１１は、［発明が解決しようとする課題］で説明した見かけ上のＸｄを短くすることを目的として、仮想発光点の位置を内側にずらすためのものである。
The virtual straight line b is a straight line drawn by extending the optical path of the laser beam refracted by the first lens unit 11 in the direction opposite to the traveling direction.
In short, the first lens unit 11 is for shifting the position of the virtual light emitting point inward for the purpose of shortening the apparent Xd described in [Problems to be Solved by the Invention].
そして、レーザビームは、連結部１５中を進んだ後、第二レンズ部１２の作用によって設定された広がり角になるように屈折し、第二レンズ部１２の近軸近傍からレンズ１０の外に出て行く。 The laser beam travels through the connecting portion 15 and then is refracted so as to have a divergence angle set by the action of the second lens portion 12, and from outside the paraxial axis of the second lens portion 12 to the outside of the lens 10. get out.
一方、鉛直方向について述べる。図４（ａ）の側面図に示すように、プリズム２４は、側面から見ると長方形であり、自身に対応する発光点２２から発光されたレーザビームをほとんど屈折させることなく透過させる。そして、第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２の作用によって、設定された広がり角になるように屈折し、レンズ１０から出て行く。 On the other hand, the vertical direction will be described. As shown in the side view of FIG. 4A, the prism 24 is rectangular when viewed from the side, and transmits the laser beam emitted from the light emitting point 22 corresponding to the prism 24 with little refraction. Then, by the action of the first lens unit 11 and the second lens unit 12, the light is refracted so as to have a set spread angle and goes out of the lens 10.
なお、どの発光点２２から発光されたレーザビームについても、以上の説明と同様な屈折が起こるように、プリズム２４及び第一レンズ部１１は設計されている。
［効果］
作用で説明したように、第一レンズ部１１によって見かけのＸｄ小さくする効果を得ながら、第二レンズ部１２の近軸近傍を通って、レンズ１０から出て行くことになる。
Note that the prism 24 and the first lens unit 11 are designed so that refraction similar to that described above occurs for any laser beam emitted from any light emitting point 22.
[effect]
As described in the operation, the lens 10 passes through the vicinity of the paraxial axis of the second lens unit 12 while getting the effect of reducing the apparent Xd by the first lens unit 11.
詳述すると、第一レンズ部１１によって見かけのＸｄが小さくなるのは、図１６で説明した従来技術と同じである。本実施例では、第一レンズ部１１に入射する前にプリズム２４で予め屈折させることで、第二レンズ部１２の近軸近傍を透過させることができる。つまり、第一レンズ部１１による屈折後に起こる問題を、第一レンズ部１１による屈折前のプリズム２４による屈折によって解決した点に、本実施例の特徴がある。 More specifically, the apparent Xd is reduced by the first lens unit 11 in the same manner as in the prior art described with reference to FIG. In the present embodiment, the vicinity of the paraxial axis of the second lens unit 12 can be transmitted by being refracted in advance by the prism 24 before entering the first lens unit 11. That is, the feature of this embodiment is that the problem that occurs after refraction by the first lens unit 11 is solved by refraction by the prism 24 before refraction by the first lens unit 11.
従って、実際のＸｄ値を大きく、かつ、焦点距離ｆを小さく設計しても、ビームパターンの歪みを緩和できる。つまり、光学系を小さく設計しても、レーザビームの大出力化または高分解能化、及び、ビームパターンの歪みの緩和を両立できる。 Therefore, even if the actual Xd value is increased and the focal length f is decreased, the distortion of the beam pattern can be reduced. That is, even if the optical system is designed to be small, it is possible to achieve both an increase in the output or resolution of the laser beam and a reduction in distortion of the beam pattern.
また、図４（ａ）・（ｂ）で説明したように、第一レンズ部１１及び連結部１５によって、レーザビームの広がり角が小さくなる。従って、レンズ１０のレンズ口径、つまり光軸と直交する方向のレンズの体格を小さくできるので、光学系を小さく設計できる。
［実証］
先述した作用効果を光線追跡ソフトによる数値計算によって実証したので説明する。図５は、数値計算に用いたモデル１００を模式的に表した斜視図である。モデル１００は、レンズ１１０と、照射ユニット１２０とから構成される。モデル１００は、先述したレーザビーム照射装置１を想定したものであるので、以下のように境界条件を設定した。
Further, as described with reference to FIGS. 4A and 4B, the first lens unit 11 and the connecting unit 15 reduce the spread angle of the laser beam. Therefore, the lens diameter of the lens 10, that is, the size of the lens in the direction orthogonal to the optical axis can be reduced, and the optical system can be designed to be small.
[Demonstration]
The operation and effect described above have been verified by numerical calculation using ray tracing software. FIG. 5 is a perspective view schematically showing the model 100 used for the numerical calculation. The model 100 includes a lens 110 and an irradiation unit 120. Since the model 100 assumes the laser beam irradiation apparatus 1 described above, the boundary conditions are set as follows.
図５（ａ）に示すように、走査角度が±３°になるように、レンズ１１０と照射ユニット１２０が備えるプリズム（図示なし）とから構成される光学系が設定されるものとする。 As shown in FIG. 5A, it is assumed that an optical system including a lens 110 and a prism (not shown) included in the irradiation unit 120 is set so that the scanning angle becomes ± 3 °.
そして、各発光点１２２から発光されたレーザビームは、レンズ１１０を透過してから１００００ｍｍ進んだ位置において、高さ２００ｍｍ、幅８５ｍｍに収まるように光学系が設定されるものとする。 It is assumed that the optical system is set so that the laser beam emitted from each light emitting point 122 falls within a height of 200 mm and a width of 85 mm at a position advanced 10,000 mm after passing through the lens 110.
また、図５（ｂ）に示すように、照射ユニット１２０が備える各発光点１２２の幅は０．１ｍｍ、各発光点１２２の間隔は、等間隔の０．１５ｍｍに設定する。また、図５（ｃ）に示すように、発光点１２２は１３個とする。そして、各発光点１２２から発光されたレーザビームがレンズ１１０を透過した後において、進行角度が０．５°刻みで変化するように、光学系が設定されるものとする。 Further, as shown in FIG. 5B, the width of each light emitting point 122 included in the irradiation unit 120 is set to 0.1 mm, and the interval between the light emitting points 122 is set to 0.15 mm at equal intervals. Further, as shown in FIG. 5C, the number of light emitting points 122 is 13. Then, it is assumed that the optical system is set so that the traveling angle changes in increments of 0.5 ° after the laser beam emitted from each light emitting point 122 passes through the lens 110.
従って、最も外に配置された発光点１２２が、３°方向または−３°方向に進むレーザビームを、中央に配置された発光点１２２が、０°方向に進むレーザビームを発光することになる。なお、図示されていないプリズムは、照射ユニット２０と同じように、各発光点１２２に一つずつ設けられている。 Accordingly, the light emitting point 122 arranged at the outermost position emits a laser beam traveling in the direction of 3 ° or -3 °, and the light emitting point 122 disposed at the center emits a laser beam traveling in the direction of 0 °. . Note that one prism (not shown) is provided at each light emitting point 122 in the same manner as the irradiation unit 20.
図６は、発光点１２２から発光されたレーザビームの広がり角を示した図である。図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は側面図である。図に示すように、鉛直方向は±３５°、左右方向は±６°に設定する。 FIG. 6 is a diagram showing the spread angle of the laser beam emitted from the light emitting point 122. 6A is a top view and FIG. 6B is a side view. As shown in the figure, the vertical direction is set to ± 35 °, and the left-right direction is set to ± 6 °.
図７（ａ）はモデル１００の側面図、図７（ｂ）はモデル１００の上面図を表す。図に示されるように、レンズ１１０は、主レンズ１１３とシリンドリカルレンズ１１６とから構成される。主レンズ１１３とシリンドリカルレンズ１１６とによる光学系は、レーザビーム照射装置１のレンズ１０による光学系と同じ作用をする。つまり、レンズ１０単体による機能を、主レンズ１１３とシリンドリカルレンズ１１６とに分担させている。具体的には、第一レンズ部１１の機能を分担している。 7A shows a side view of the model 100, and FIG. 7B shows a top view of the model 100. FIG. As shown in the drawing, the lens 110 includes a main lens 113 and a cylindrical lens 116. The optical system including the main lens 113 and the cylindrical lens 116 performs the same operation as the optical system including the lens 10 of the laser beam irradiation apparatus 1. That is, the function of the lens 10 alone is shared between the main lens 113 and the cylindrical lens 116. Specifically, the functions of the first lens unit 11 are shared.
さらに具体的には、プリズムを透過したレーザビームがシリンドリカルレンズ１１６を透過するように、シリンドリカルレンズ１１６は配置されている。そして、シリンドリカルレンズ１１６は、図に示すように、側面から見ると凸レンズをしているのに対して、上面から見ると長方形をしている。つまり、鉛直方向には広がり角を小さくする作用をするのに対して、左右方向の光路にはほとんど影響しない。 More specifically, the cylindrical lens 116 is arranged so that the laser beam that has passed through the prism passes through the cylindrical lens 116. As shown in the figure, the cylindrical lens 116 is a convex lens when viewed from the side, whereas it is rectangular when viewed from the top. In other words, it acts to reduce the divergence angle in the vertical direction, but hardly affects the optical path in the left-right direction.
そして、シリンドリカルレンズ１１６を透過したレーザビームが主レンズ１１３に入射するように、主レンズ１１３は配置されている。そして、主レンズ１１３のレーザビームが入射する面は、図に示すように、側面から見ると直線であるのに対して、上面から見ると凹形状をしている。このような形状によれば、レンズ１０と同じ作用をすることができる。なお、主レンズ１１３及びシリンドリカルレンズ１１６の屈折率ｎは、ＰＭＭＡ(polymethylmethacrylate)相当の１．４９２に設定する。 The main lens 113 is arranged so that the laser beam transmitted through the cylindrical lens 116 enters the main lens 113. As shown in the figure, the surface of the main lens 113 on which the laser beam is incident is a straight line when viewed from the side, but has a concave shape when viewed from the top. According to such a shape, the same action as the lens 10 can be performed. The refractive index n of the main lens 113 and the cylindrical lens 116 is set to 1.492 corresponding to PMMA (polymethylmethacrylate).
また、第二レンズ部１２に相当する部分は、第二レンズ部１２と同じようにトロイダル形状に構成されている。また、主レンズ１１３の鉛直方向の高さは１２ｍｍ、左右方向の幅は８ｍｍに設定する。また、レンズ距離を０．１９ｍｍに設定する。このレンズ距離とは、シリンドリカルレンズ１１６のレーザビームが出て行く面から、主レンズ１１３のレーザビームが入射する面の最も凹んだ位置までの距離である。 Further, the portion corresponding to the second lens portion 12 is configured in a toroidal shape in the same manner as the second lens portion 12. Further, the height of the main lens 113 in the vertical direction is set to 12 mm, and the width in the left-right direction is set to 8 mm. The lens distance is set to 0.19 mm. This lens distance is the distance from the surface from which the laser beam of the cylindrical lens 116 exits to the most concave position on the surface of the main lens 113 on which the laser beam is incident.
以上に述べた境界条件下で、光学系長さＸ及び主レンズ長さＹが最短になるように光学系の各値（各レンズの曲率など）を設定したときの、Ｘ及びＹの値を求めるのが、この数値計算の目的である。なお、光学系長さＸは、シリンドリカルレンズ１１６のレーザビームが入射面から、主レンズ１１３のレーザビームが出て行く面までの距離である。また、主レンズ長さＹは、主レンズ１１３の凹面形状が最も凹んだ位置から、レーザビームが出て行く面までの距離である。 The values of X and Y when the values of the optical system (curvature of each lens, etc.) are set so that the optical system length X and the main lens length Y are the shortest under the boundary conditions described above. This is the purpose of this numerical calculation. The optical system length X is the distance from the incident surface of the cylindrical lens 116 to the surface from which the laser beam of the main lens 113 exits. The main lens length Y is the distance from the position where the concave shape of the main lens 113 is most concave to the surface from which the laser beam exits.
先述したモデル１００の結果を述べる前に、比較対象として説明する、従来技術に相当するモデル２００の説明をする。図８は、モデル２００を表した図である。図８（ａ）は側面図、図８（ｂ）は上面図である。モデル２００は、レンズ２１０と照射ユニット２２０とから構成される。照射ユニット２２０は、照射ユニット１２０に対して、プリズムを備えない構成になっている。 Before describing the result of the model 100 described above, the model 200 corresponding to the prior art, which will be described as a comparison target, will be described. FIG. 8 is a diagram showing the model 200. FIG. 8A is a side view and FIG. 8B is a top view. The model 200 includes a lens 210 and an irradiation unit 220. The irradiation unit 220 is configured not to include a prism with respect to the irradiation unit 120.
また、レンズ２１０は、図に示すように、レーザビームが入射する面は、平面になっていると共に、出て行く面は凸の曲率によるトロイダル形状に構成されている。モデル２００においては、光学系長さとして、レンズ２１０の長さＺが最短になったときの、その値を求めることを目的とする。なお、他の境界条件は、モデル１００と同じとする。 Further, as shown in the figure, the lens 210 has a flat surface on which the laser beam is incident, and the exit surface has a toroidal shape with a convex curvature. The object of the model 200 is to obtain the value when the length Z of the lens 210 is the shortest as the optical system length. The other boundary conditions are the same as those of the model 100.
図９（ａ）はモデル１００、図９（ｂ）はモデル２００による数値計算の結果を表す図である。図９（ｂ）に示すように、モデル２００の場合、Ｚ＝２５ｍｍである。また、０°方向のビームパターンはほとんど歪んでいないものの、３°方向のビームパターンは大きく歪んでいる。それに比べてモデル１００の場合は、図９（ａ）に示すように、Ｘ＝１８ｍｍ、Ｙ＝１５ｍｍとモデル２００に比べて短い。さらに、ビームパターンも０°方向、３°方向共にほとんど歪んでいない。 FIG. 9A shows the result of numerical calculation by the model 100, and FIG. 9B shows the result of numerical calculation by the model 200. FIG. As shown in FIG. 9B, in the case of the model 200, Z = 25 mm. Further, although the beam pattern in the 0 ° direction is hardly distorted, the beam pattern in the 3 ° direction is largely distorted. In contrast, in the case of the model 100, as shown in FIG. 9A, X = 18 mm and Y = 15 mm, which are shorter than the model 200. Further, the beam pattern is hardly distorted in both the 0 ° direction and the 3 ° direction.
図１０は、光学系長さＸと発光点の幅との関係を示したグラフである。先述したモデル１００・２００それぞれについて、光学系の長さが最短になった条件を用いて、発光点１２２の発光点の幅およびピッチを変化させたときに、Ｘがどのように変化するかを調べた結果である。なお、発光点１２２のピッチも、発光点の幅の広がり幅と同じだけ広げる。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the optical system length X and the width of the light emitting point. For each of the models 100 and 200 described above, how X changes when the width and the pitch of the light emitting point 122 are changed using the condition that the length of the optical system is the shortest. It is the result of investigation. The pitch of the light emitting points 122 is also increased by the same width as the width of the light emitting points.
結果は、グラフに示すように、両者とも直線で近似することができる。そして、どのような発光点の幅でも、本発明が適用されたモデル１００の方がＸを小さく設計できることが、グラフから読み取れる。 The results can be approximated by a straight line as shown in the graph. It can be seen from the graph that the model 100 to which the present invention is applied can design X smaller for any light emission point width.
図１１は、光学系長さＸとレンズ距離との関係を示したグラフである。モデル１００においては、レンズ距離＝０．１９ｍｍに設定されていた。それを変数としたときに、Ｘがどのように変化するのかを調べた結果である。なお、発光点の幅を変化させたときと同じように、光学系の長さが最短になった条件を用いる。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the optical system length X and the lens distance. In the model 100, the lens distance was set to 0.19 mm. It is the result of examining how X changes when using it as a variable. Note that, as in the case of changing the width of the light emitting point, a condition in which the length of the optical system is the shortest is used.
結果は、グラフに示すように、１０ｍｍまでは単調に短くなるのに対して、１０ｍｍを越えるとほとんど変化が無くなる。そして、レンズ距離＝０．１９ｍｍのときに比べてレンズ距離＝１０ｍｍのときは、Ｘが最大４ｍｍくらい短くなる。 As shown in the graph, the result is monotonically shortened up to 10 mm, whereas almost no change is observed beyond 10 mm. Then, when the lens distance is 10 mm, X is about 4 mm shorter than when the lens distance is 0.19 mm.
図１２は、光学系長さＸとレンズ距離との関係が、屈折率ｎによってどのように変わるかを示したグラフである。モデル１００においてはｎ＝１．４９２に設定されていた。そこで、ガラス相当のｎ＝１．５８に設定したものを計算し、両者を比較した。なお、発光点の幅を変化させたときと同じように、光学系の長さが最短になった条件を用いる。結果は、レンズ距離に関わらず、ｎ＝１．５８の方がｎ＝１．４９２に比べて、Ｘが２ｍｍくらい短くなる。 FIG. 12 is a graph showing how the relationship between the optical system length X and the lens distance varies depending on the refractive index n. In the model 100, n = 1.492 was set. Then, what set to n = 1.58 equivalent to glass was calculated, and both were compared. Note that, as in the case of changing the width of the light emitting point, a condition in which the length of the optical system is the shortest is used. As a result, regardless of the lens distance, X becomes shorter by 2 mm when n = 1.58 than when n = 1.492.
以上に説明した実証によって、従来技術に対する本実施例の優位さが明らかになった。
なお、照射ユニット２０の製造方法は、既知の方法（例えば特開２００４−２７１７５６参照）を用いればよい。特開２００４−２７１７５６では小さいレンズをＳｉ基板の上に作っている。そのレンズを、モデル１００を用いて求めた形状のプリズムに置き換えればよい。その後、Ｓｉ基板上に発光点２２（レーザ・ダイオード）を配列させれば、照射ユニット２０が完成する。
［変形例］
図１３は、照射ユニット２０の変形例としての照射ユニット２２０を表した図である。図１３（ａ）は全体図、図１３（ｂ）は一つのプリズム２２４周辺の拡大図である。照射ユニット２２０は、発光点（図示せず）、プリズム２２４、及びＳｉ基板２２６から構成される。図１３（ｂ）に示すように、プリズム２２４が、底面に加えて側面でもＳｉ基板に接触するようになっている。この構造は、もともとは、先述した製造方法の過程におけるレンズやプリズムの変形を抑えるために作られるものである。
The demonstration described above has revealed the superiority of the present embodiment over the prior art.
In addition, the manufacturing method of the irradiation unit 20 should just use a known method (for example, refer Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-271756). In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-271756, a small lens is made on a Si substrate. The lens may be replaced with a prism having a shape obtained using the model 100. Thereafter, if the light emitting points 22 (laser diodes) are arranged on the Si substrate, the irradiation unit 20 is completed.
[Modification]
FIG. 13 is a view showing an irradiation unit 220 as a modification of the irradiation unit 20. FIG. 13A is an overall view, and FIG. 13B is an enlarged view around one prism 224. The irradiation unit 220 includes a light emitting point (not shown), a prism 224, and a Si substrate 226. As shown in FIG. 13B, the prism 224 is in contact with the Si substrate not only on the bottom surface but also on the side surface. This structure is originally made in order to suppress the deformation of the lens and prism in the process of the manufacturing method described above.
しかし、照射ユニット２２０では、ガウス分布端部のビーム強度の弱い部分のレーザビームを遮断する目的で用いるために、この構造を設計する。こうすることで、レーザビームの強度分布を理想的なものに近付けることができるため、外乱光の発生を抑えながら光学系を小さくすることができるという効果が得られる。 However, in the irradiation unit 220, this structure is designed to be used for the purpose of blocking the laser beam at the weak beam intensity at the end of the Gaussian distribution. By doing so, the intensity distribution of the laser beam can be brought close to an ideal one, so that an effect that the optical system can be reduced while suppressing the generation of disturbance light can be obtained.
他の変形例を述べる。レーザビーム照射装置１においては、レンズ１０として、第一レンズ部１１と第二レンズ部１２とを一体に構成した。しかし、第一レンズ部１１と第二レンズ部１２とを分けて構成してもよい。但し、レーザビームが、第一レンズ部１１を出てから第二レンズ部１２に入射するまでに屈折率が低い空気中などを進むと広がり角が大きいままなので、光学系が大きくなりがちである。 Another modification will be described. In the laser beam irradiation apparatus 1, the first lens unit 11 and the second lens unit 12 are integrally configured as the lens 10. However, the first lens unit 11 and the second lens unit 12 may be configured separately. However, when the laser beam travels in the air having a low refractive index from the time when it exits the first lens unit 11 and enters the second lens unit 12, the divergence angle remains large, so the optical system tends to be large. .
また、実施例で説明したレーザビーム照射装置１においては、第一レンズ部１１を、凸面の曲率と凹面の曲率とが直交するレンズとして構成した。それを、モデル１００のように、シリンドリカルレンズを用いるなどして二つのレンズに分けてもよい。この方が、各レンズの構成が簡単になる。しかし、そのシリンドリカルレンズのアライメント調整が必要になるという欠点もある。逆に言えば、レーザビーム照射装置１のように一体に構成すれば、アライメント調整が要らないので、特に量産に向く。 Moreover, in the laser beam irradiation apparatus 1 demonstrated in the Example, the 1st lens part 11 was comprised as a lens with which the curvature of a convex surface and the curvature of a concave surface orthogonally cross. As in the model 100, it may be divided into two lenses by using a cylindrical lens. This simplifies the configuration of each lens. However, there is a drawback that alignment adjustment of the cylindrical lens is necessary. In other words, if it is configured integrally like the laser beam irradiation apparatus 1, alignment adjustment is not necessary, so that it is particularly suitable for mass production.
また、発光点２２は、厳密に配列直線上に配置されなくても、概ね直線で近似できるような配置であればよい。この場合、配列直線は、各発光点２２を近似した直線で定義される。このように近似直線を用いる場合は、一般的に、仮想直線ａ・ｂと配列直線とは交点を持たない。その場合は、両者に接する最小の球を、交点の替わりとする。 Further, the light emitting points 22 may be arranged so that they can be approximated by a straight line even if they are not strictly arranged on the arrangement line. In this case, the array straight line is defined as a straight line approximating each light emitting point 22. When the approximate straight line is used as described above, generally, the virtual straight line a · b and the array straight line have no intersection. In that case, the smallest sphere in contact with both is used as an intersection.
また、プリズムは、必ずしも発光点２２に対して一つずつ設けなくてもよい。例えば、二個の発光点２２に対して一個のプリズムを設けてもよい。
［その他］
以上に述べたレーザビーム照射装置１は、必要なスペックを保ちつつ小型化できる利点を活かして、車両やロボットなどの移動体に搭載されて用いられるとよい。
One prism is not necessarily provided for each light emitting point 22. For example, one prism may be provided for two light emitting points 22.
[Others]
The laser beam irradiation apparatus 1 described above is preferably used by being mounted on a moving body such as a vehicle or a robot, taking advantage of the miniaturization while maintaining necessary specifications.
１、３００…レーザビーム照射装置、１０、１１０、２１０…レンズ、１１…第一レンズ部、１２…第二レンズ部、１５…連結部、２０、１２０、２２０…照射ユニット、２１、３２０…レーザ・アレイ、２２、１２２、３２２…発光点、２４、２２４…プリズム、２６、２２６…Ｓｉ基板、１００、２００…モデル、１１３…主レンズ、１１６…シリンドリカルレンズ、３１０…凸レンズ、３１５…凹レンズ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,300 ... Laser beam irradiation apparatus 10, 110, 210 ... Lens, 11 ... First lens part, 12 ... Second lens part, 15 ... Connection part, 20, 120, 220 ... Irradiation unit, 21, 320 ... Laser Array, 22, 122, 322 ... luminous point, 24, 224 ... prism, 26, 226 ... Si substrate, 100, 200 ... model, 113 ... main lens, 116 ... cylindrical lens, 310 ... convex lens, 315 ... concave lens
Claims (9)
前記複数の発光素子から発光されたレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させるプリズムと、
前記プリズムを透過したレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる第一レンズと、
前記第一レンズを透過したレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる第二レンズとを備え、
前記第一レンズは、当該第一レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向に基づいて位置が定まる仮想発光素子によってできる列が、前記発光素子によってできる列よりも短くなるようにレーザビームを屈折させ、
前記プリズムは、当該プリズムによる屈折が起こらないと仮定した場合に比べて、前記第二レンズから出て行くときにレーザビームが通る前記第二レンズの境界面上の位置が前記第二レンズの近軸に近付くように、レーザビームを屈折させる
ことを特徴とするレーザビーム照射装置。 A light emitting means in which a plurality of light emitting elements emitting a laser beam are arranged in a line;
A prism that is provided at a position where the laser beams emitted from the plurality of light emitting elements are transmitted, and refracts the laser beams;
A first lens provided at a position where the laser beam transmitted through the prism is transmitted, and refracting the laser beam;
A second lens that is provided at a position where the laser beam transmitted through the first lens is transmitted and refracts the laser beam;
The first lens refracts the laser beam such that a column formed by a virtual light emitting element whose position is determined based on a traveling direction of the laser beam after refraction by the first lens is shorter than a column formed by the light emitting element. ,
Compared to the case where refraction by the prism does not occur, the prism has a position on the boundary surface of the second lens through which the laser beam passes when exiting the second lens. A laser beam irradiation apparatus characterized by refracting a laser beam so as to approach the axis.
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム照射装置。 The first lens is an array straight line that approximates the virtual straight line drawn by extending the optical path of the laser beam refracted by the first lens in the direction opposite to the traveling direction of the laser beam and the light emitting points of the plurality of light emitting elements. The center of the smallest sphere in contact with the light emitting element emits the laser beam, and the light emitting points of the light emitting elements arranged at both ends of the row are compared with each other on the alignment line. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the laser beam is refracted so as to be close to a midpoint at a distance.
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム照射装置。 The first lens is an array straight line that approximates the virtual straight line drawn by extending the optical path of the laser beam refracted by the first lens in the direction opposite to the traveling direction of the laser beam and the light emitting points of the plurality of light emitting elements. Is at an equidistant position on the alignment line from the positions of the light emitting points of the light emitting elements aligned at both ends of the row, compared to the positions of the light emitting points of the light emitting elements that emitted the laser beam. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the laser beam is refracted so as to be close to a midpoint.
ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のレーザビーム照射装置。 Compared to the case where refraction by the prism does not occur, the prism has a paraxial position of the first lens where the position of the first lens through which the laser beam passes when entering the first lens. The laser beam irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the laser beam is refracted so as to approach the distance.
前記プリズムを透過したレーザビームは、前記一体のレンズにおける前記第一レンズに相当する部位に入射してから、前記一体のレンズにおける前記第二レンズに相当する部位から出て行くまで、前記一体のレンズ内のみを進む
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載のレーザビーム照射装置。 The first lens and the second lens are configured as an integral lens,
The laser beam transmitted through the prism is incident on the part corresponding to the first lens in the integral lens until it exits from the part corresponding to the second lens in the integral lens. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the laser beam irradiation apparatus travels only in a lens.
前記第三レンズは、前記第一レンズによる屈折前後のレーザビームの進行方向を含む平面と直交する平面であって、当該第三レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向を含む平面においては、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる
ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載のレーザビーム照射装置。 A third lens disposed so that a laser beam transmitted through the prism is transmitted before entering the first lens;
The third lens is a plane orthogonal to a plane including the traveling direction of the laser beam before and after refraction by the first lens, and spreads in a plane including the traveling direction of the laser beam after refraction by the third lens. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the laser beam is refracted so as to reduce the angle.
ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載のレーザビーム照射装置。 The first lens is a plane orthogonal to a plane including the traveling direction of the laser beam before and after refraction by the first lens, and spreads in a plane including the traveling direction of the laser beam after refraction by the first lens. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the laser beam is refracted so as to reduce the angle.
ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れかに記載のレーザビーム照射装置。 The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the second lens refracts a laser beam so as to reduce a divergence angle.
ことを特徴とする請求項１〜請求項８の何れかに記載のレーザビーム照射装置。 The laser beam irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the prism includes light shielding portions at both ends in a length direction of the row of the light emitting elements.
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