JP2012047766A - 光ビーム再配置光学系、光学素子および光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡素な構成で光源の再配置が可能であり、光ビーム間の光路差を少なくしつつ、高輝度の光源を実現できる光ビーム再配置光学系、光学素子および光源装置を提供する。
【解決手段】光ビーム再配置光学系３０は、光ビームの進行方向に沿って光学素子３１，３２を備える。光学素子３１は、透明な平行平面基板で形成され、該基板の入射面３１ａおよび出射面３１ｂには透過領域ＨＴおよび反射領域ＨＲが区分的に設けられ、光ビームＢ１〜Ｂ７は、反射領域ＨＲでの反射回数に応じて互いに異なるシフト量で−Ｚ方向にシフトするように構成される。光学素子３２は、透明な平行平面基板で形成され、該基板の入射面３２ａおよび出射面３２ｂには透過領域ＨＴおよび反射領域ＨＲが区分的に設けられ、光ビームＢ１〜Ｂ７は、反射領域ＨＲでの反射回数に応じて互いに異なるシフト量で−Ｙ方向にシフトするように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光ビームを再配置するための光ビーム再配置光学系に関する。また本発明は、光ビーム再配置光学系に用いられる光学素子に関する。また本発明は、光ビーム再配置光学系を使用した光源装置に関する。

従来、レーザダイオードアレイから放射される複数の光ビームを再配置して、高性能もしくは高輝度の光源を実現するための光学系が提案されている（例えば、特許文献１）。この光学系では、同一平面にある５本の平行な光ビームが、対向した２枚の平面鏡を有するビーム整形装置に対して斜めに入射し、内部反射を繰り返すことによって、別の平面内にある５本の平行な光ビームに変換されている。また、ガラスを研削して製作した複雑な光学系を使用したり、光源自体の並べ方を変えたりしている。

特表平９−５０６７１５号公報（１１頁〜１８頁、図２〜図３）

従来の光学系では、光路差を補正するために別の光学素子を必要とする。また、平面鏡同士のアライメントおよび光ビームと平面鏡との間のアライメントに高い精度が要求されるため、光学素子の配置に手間を要する。

本発明の目的は、比較的簡素な構成で光ビームの再配置が可能であり、光ビーム間の光路差を少なくしつつ、高輝度の光源を実現できる光ビーム再配置光学系、光学素子および光源装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、第１方向に配列した複数の光ビームを、第１方向に対して垂直な第２方向に配列した複数の光ビームに再配置するための光ビーム再配置光学系であって、
光ビームの進行方向に沿って第１光学素子と、第２光学素子とを備え、
第１光学素子は、透明な平行平面基板で形成され、該基板の入射面および出射面には透過領域および反射領域が区分的に設けられ、光ビームは、反射領域での反射回数に応じて互いに異なるシフト量で第２方向に沿ってシフトするように構成されており、
第２光学素子は、透明な平行平面基板で形成され、該基板の入射面および出射面には透過領域および反射領域が区分的に設けられ、光ビームは、反射領域での反射回数に応じて互いに異なるシフト量で第１方向に沿ってシフトするように構成されていることを特徴とする。

また本発明に係る光学素子は、透明な平行平面基板を備え、
基板の第１主面には、直線状の境界で区分された透過領域および反射領域が設けられ、
基板の第２主面には、直線状の境界に対して斜め方向に延びる階段状の境界で区分された透過領域および反射領域が設けられることを特徴とする。

また本発明に係る光源装置は、第１方向に配列した複数の光ビームを発生する発光素子と、
発光素子からの各光ビームを、第１方向に対して垂直な第２方向に集光するための第２方向コリメータレンズと、
第２方向コリメータレンズからの各光ビームを、第１方向に集光するための第１方向コリメータレンズと、
第１方向コリメータレンズからの各光ビームを、第２方向に配列した複数の光ビームに再配置するための上記の光ビーム再配置光学系とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、基板の入射面および出射面に透過領域および反射領域が区分的に設けられた２つの光学素子を使用することによって、光学素子間のアライメント精度が緩和され、比較的簡素な構成で光ビームの再配置が可能であり、光ビーム間の光路差を少なくしつつ、高輝度の光源を実現できる。

本発明の実施の形態１を示す構成図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。 光学素子による光ビーム再配置の様子を示す説明図である。 前段の光学素子の入射面および出射面を示す。 後段の光学素子の入射面および出射面を示す。 前段の光学素子によって光ビームが再配置される様子を示す説明図である。 後段の光学素子によって光ビームが再配置される様子を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示す構成図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。光源装置は、ＬＤパッケージ１０と、コリメータ光学系２０と、光ビーム再配置光学系３０などを備える。ここで理解容易のため、ＬＤパッケージ１０から出力される光ビームの進行方向をＸ方向とし、光ビームの配列方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とする。

ＬＤパッケージ１０は、銅などの金属で形成されたヒートシンク１１と、ヒートシンク１１の上面に半田接合等で固定されたサブマウント１２と、サブマウント１２の上面に半田接合等で搭載されたＬＤ（レーザダイオード）チップ１３などで構成される。ＬＤチップ１３は、レーザダイオードアレイであり、チップ前端面に直線状に並んだ複数（ここでは７個を例示）の発光点（エミッタ）を有し、各発光点ごとに独立したレーザ発振器がチップ内部に構築されている。ＬＤチップ１３の各発光点は、単一のレーザビームを放射する。その結果、ＬＤパッケージ１０は、Ｙ方向に配列した計７本の光ビームをＸ方向に発生する。

コリメータ光学系２０は、ＦＡＣ（First Axis Collimator: 速軸方向コリメータ）２１と、ＳＡＣ（Slow Axis Collimator: 遅軸方向コリメータ）２２とを備える。ＦＡＣ２１は、Ｙ方向と平行な母線を有する単一のシリンドリカルレンズで構成され、各発光点から放射された光ビームを速軸方向（Ｚ方向）に集光、コリメートする。ＳＡＣ２２は、Ｚ方向と平行な母線を有する複数のシリンドリカルレンズで構成され、各発光点から放射された光ビームを遅軸方向（Ｙ方向）に集光、コリメートする。その結果、コリメータ光学系２０は、ＬＤチップ１３の発光点ピッチと同じピッチＰｙでＹ方向に直線状に配列し、Ｚ方向およびＹ方向についてコリメートされた計７本の光ビームＢ１〜Ｂ７を出力する。

各光ビームＢ１〜Ｂ７は、次の光ビーム再配置光学系３０に入射する。光ビーム再配置光学系３０は、光ビームの進行方向に沿って配置された光学素子３１，３２を備える。

図２（ａ）と図２（ｂ）は、光学素子３１，３２による光ビーム再配置の様子を示す説明図である。図３（ａ）は光学素子３１の入射面３１ａを示し、図３（ｂ）は光学素子３１の出射面３１ｂを示す。図４（ａ）は光学素子３２の入射面３２ａを示し、図４（ｂ）は光学素子３２の出射面３２ｂを示す。

前段の光学素子３１は、光ビームに対して透明な平行平面基板で形成され、その入射面３１ａには、図３（ａ）に示すように、直線状の境界で区分された透過領域ＨＴおよび反射領域ＨＲが形成される。上側の透過領域ＨＴは、全透過コーティングが施されており、Ｙ方向に配列した７本の光ビームＢ１〜Ｂ７が透過可能なエリアを有する。下側の反射領域ＨＲは、全反射コーティングが施されており、出射面３１ｂから来る光ビームを反射する。

光学素子３１の出射面３１ｂには、図３（ｂ）に示すように、斜め方向に延びる階段状の境界で区分された透過領域ＨＴおよび反射領域ＨＲが形成される。右下側の透過領域ＨＴは、全透過コーティングが施されている。左上側の反射領域ＨＲは、全反射コーティングが施されており、入射面３１ａから来る光ビームを反射する。

次に、光学素子３１の機能について説明する。光ビームＢ７は、入射面３１ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３１ｂの透過領域ＨＴをそのまま通過する。

光ビームＢ６は、入射面３１ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３１ｂの反射領域ＨＲで反射し、入射面３１ａの反射領域ＨＲで反射し、出射面３１ｂの透過領域ＨＴを通過する。このとき光ビームＢ６が透過領域ＨＴから出射する際、所定のピッチＰｚだけ−Ｚ方向にシフトするように、Ｚ方向に対する入射面３１ａおよび出射面３１ｂの傾斜角度θｚが予め設定される。

光ビームＢ５は、入射面３１ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３１ｂの反射領域ＨＲで反射し、入射面３１ａの反射領域ＨＲで反射し、再び、出射面３１ｂの反射領域ＨＲで反射し、入射面３１ａの反射領域ＨＲで反射し、出射面３１ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ５の反射回数は光ビームＢ６の反射回数の２倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量２×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトする。

光ビームＢ４は、入射面３１ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３１ｂの反射領域ＨＲおよび入射面３１ａの反射領域ＨＲで計６回反射し、出射面３１ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ４の反射回数は光ビームＢ６の反射回数の３倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量３×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトする。

光ビームＢ３は、入射面３１ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３１ｂの反射領域ＨＲおよび入射面３１ａの反射領域ＨＲで計８回反射し、出射面３１ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ３の反射回数は光ビームＢ６の反射回数の４倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量４×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトする。

光ビームＢ２は、入射面３１ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３１ｂの反射領域ＨＲおよび入射面３１ａの反射領域ＨＲで計１０回反射し、出射面３１ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ２の反射回数は光ビームＢ６の反射回数の５倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量５×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトする。

光ビームＢ１は、入射面３１ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３１ｂの反射領域ＨＲおよび入射面３１ａの反射領域ＨＲで計１２回反射し、出射面３１ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ２の反射回数は光ビームＢ６の反射回数の６倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量６×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトする。

その結果、図３（ｂ）に示すように、光ビームＢ１〜Ｂ６は、出射面３１ｂの透過領域ＨＴから出射する際、反射領域ＨＲでの反射回数に応じて互いに異なるシフト量で−Ｚ方向にシフトするようになる。従って、Ｙ方向に配列した７本の光ビームＢ１〜Ｂ７は、図２（ａ）に示すように、Ｙ方向に対してある角度（好ましくは、４５度）の方向に配列した光ビームＢ１〜Ｂ７に再配置される。

後段の光学素子３２は、個々の光ビームを−Ｙ方向にシフトさせる機能を有する。光学素子３２は、光ビームに対して透明な平行平面基板で形成され、その入射面３２ａには、図４（ａ）に示すように、斜め方向に延びる階段状の境界で区分された透過領域ＨＴおよび反射領域ＨＲが形成される。右上側の透過領域ＨＴは、全透過コーティングが施されている。左下側の反射領域ＨＲは、全反射コーティングが施されており、出射面３２ｂから来る光ビームを反射する。

光学素子３２の出射面３２ｂには、図４（ｂ）に示すように、直線状の境界で区分された透過領域ＨＴおよび反射領域ＨＲが形成される。左側の透過領域ＨＴは、全透過コーティングが施されており、Ｚ方向に配列した７本の光ビームＢ１〜Ｂ７が透過可能なエリアを有する。右側の反射領域ＨＲは、全反射コーティングが施されており、入射面３２ａから来る光ビームを反射する。

次に、光学素子３２の機能について説明する。光ビームＢ１は、入射面３２ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３２ｂの透過領域ＨＴをそのまま通過する。

光ビームＢ２は、入射面３２ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３２ｂの反射領域ＨＲで反射し、入射面３２ａの反射領域ＨＲで反射し、出射面３２ｂの透過領域ＨＴを通過する。このとき光ビームＢ２が透過領域ＨＴから出射する際、所定のピッチＰｙだけ−Ｙ方向にシフトするように、Ｙ方向に対する入射面３２ａおよび出射面３２ｂの傾斜角度θｙが予め設定される。

光ビームＢ３は、入射面３２ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３２ｂの反射領域ＨＲで反射し、入射面３２ａの反射領域ＨＲで反射し、再び、出射面３２ｂの反射領域ＨＲで反射し、入射面３２ａの反射領域ＨＲで反射し、出射面３２ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ３の反射回数は光ビームＢ２の反射回数の２倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量２×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

光ビームＢ４は、入射面３２ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３２ｂの反射領域ＨＲおよび入射面３２ａの反射領域ＨＲで計６回反射し、出射面３２ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ４の反射回数は光ビームＢ２の反射回数の３倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量３×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

光ビームＢ５は、入射面３２ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３２ｂの反射領域ＨＲおよび入射面３２ａの反射領域ＨＲで計８回反射し、出射面３２ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ５の反射回数は光ビームＢ２の反射回数の４倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量４×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

光ビームＢ６は、入射面３２ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３２ｂの反射領域ＨＲおよび入射面３２ａの反射領域ＨＲで計１０回反射し、出射面３２ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ６の反射回数は光ビームＢ２の反射回数の５倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量５×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

光ビームＢ７は、入射面３２ａの透過領域ＨＴを通過した後、出射面３２ｂの反射領域ＨＲおよび入射面３２ａの反射領域ＨＲで計１２回反射し、出射面３２ｂの透過領域ＨＴを通過する。従って、光ビームＢ７の反射回数は光ビームＢ２の反射回数の６倍になり、透過領域ＨＴから出射する際、シフト量６×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

その結果、図４（ｂ）に示すように、光ビームＢ２〜Ｂ７は、出射面３２ｂの透過領域ＨＴから出射する際、反射領域ＨＲでの反射回数に応じて互いに異なるシフト量で−Ｙ方向にシフトするようになる。従って、Ｙ方向に対してある角度（好ましくは、４５度）の方向に配列した光ビームＢ１〜Ｂ７は、図２（ｂ）に示すように、Ｚ方向に配列した光ビームＢ１〜Ｂ７に再配置される。

図５は、光学素子３１によって光ビームＢ１〜Ｂ７が再配置される様子を示す説明図である。図６は、光学素子３２によって光ビームＢ１〜Ｂ７が再配置される様子を示す説明図である。いずれも出射側から観察したものである。

光ビームＢ１は、光学素子３１に入射すると、光学素子３１での内部反射によりシフト量６×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトし、続いて光学素子３２に入射すると、そのまま透過する。

光ビームＢ２は、光学素子３１に入射すると、内部反射によりシフト量５×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトし、続いて光学素子３２に入射すると、内部反射によりシフト量Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

光ビームＢ３は、光学素子３１に入射すると、内部反射によりシフト量４×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトし、続いて光学素子３２に入射すると、内部反射によりシフト量２×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

光ビームＢ４は、光学素子３１に入射すると、内部反射によりシフト量３×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトし、続いて光学素子３２に入射すると、内部反射によりシフト量３×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

光ビームＢ５は、光学素子３１に入射すると、内部反射によりシフト量２×Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトし、続いて光学素子３２に入射すると、内部反射によりシフト量４×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

光ビームＢ６は、光学素子３１に入射すると、内部反射によりシフト量Ｐｚだけ−Ｚ方向にシフトし、続いて光学素子３２に入射すると、内部反射によりシフト量５×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

光ビームＢ７は、光学素子３１に入射すると、そのまま透過し、続いて光学素子３２に入射すると、内部反射によりシフト量６×Ｐｙだけ−Ｙ方向にシフトする。

こうしてＹ方向に配列した７本の光ビームＢ１〜Ｂ７は、光学素子３１，３２によってＺ方向に配列した光ビームＢ１〜Ｂ７に再配置される。

ここで、各光ビームＢ１〜Ｂ７がケラレ無しで光学素子３１，３２を通過するためには、光学素子３１の出射面３１ｂおよび光学素子３２の入射面３２ａにおける透過領域ＨＴおよび反射領域ＨＲは、図３（ｂ）と図４（ａ）に示すように、水平寸法Ｐｙおよび垂直寸法Ｐｚからなる階段状の境界で区分されることが好ましい。

このように本実施形態によれば、平行平面基板からなる２つの光学素子３１，３２を有する光ビーム再配置光学系３０を採用しているため、光学素子間のアライメントが容易であり、小型化が可能である。

また、光学素子３１において最もシフト量の大きい光ビームＢ１は、光学素子３２でのシフト量が最も小さくなり、一方、光学素子３１において最もシフト量の小さい光ビームＢ７は、光学素子３２でのシフト量が最も大きくなるように、光学素子３１，３２の透過領域ＨＴおよび反射領域ＨＲの配置を決定している。そのため、光ビーム間の光路差が小さくなり、光ビーム特性の均質化が図られる。

また、高出力のブロードエリアレーザダイオード素子は、遅軸方向のビーム品質が速軸方向のビーム品質より悪く、Ｍ^２値やＢＰＰ(Beam Parameter Product)等のビーム品質指標で比較すると、数十倍異なり、遅軸方向の方が速軸方向より悪い。さらに、レーザダイオードアレイは単一の発光点を有するシングルチップレーザダイオードと比較した場合、ビーム品質の悪い遅軸方向にビームが配列されるため、さらに重ねた本数分だけ遅軸方向のビーム品質が悪くなる。

このような課題を解決するための１つの方法として、ビームの配列方向を遅軸方向から速軸方向に並べ替えることにより、ビーム品質の速軸方向と遅軸方向の不均等を改善し、全体としてのビーム品質を良くしたり、実用上取り扱いが容易なビームを発生させたり、より細い径の光ファイバへの結合を可能にする。

上記の特許文献１では、２枚の平行な反射面の間で繰り返し、異なる回数の反射を繰り返すことにより、ビームを再配置して高輝度化している。そのため、各発光点からの光ビーム間の光路差が大きくなり、各発光点からの光ビーム間に、拡がり角とビーム径の違いが生じる。これに対して本実施形態では、平行平面基板からなる２つの光学素子３１，３２を使用しているため、光学素子間のアライメントが容易であり、小型で高輝度の光源を実現できる。また、光ビーム間の光路差が小さくなるため、光ビーム特性の均質化が図られる。

なお、以上の説明では、７本の光ビームを再配置する場合を例示したが、２本〜６本または８本以上の光ビームの再配置も同様に可能である。

また、光学素子３１は、光ビームＢ１〜Ｂ６を−Ｚ方向にシフトさせる場合を例示したが、光学素子３１を逆方向に傾斜させることによって、＋Ｚ方向にシフトさせることも可能である。また、光学素子３２は、光ビームＢ２〜Ｂ７を−Ｙ方向にシフトさせる場合を例示したが、光学素子３２を逆方向に傾斜させることによって、＋Ｙ方向にシフトさせることも可能である。

また、光源として、シングルチップのレーザダイオードアレイを用いた場合を例示したが、シングルチップのＬＥＤアレイ、１つの筐体内にシングルチップＬＤを配列してパッケージ化したマルチチップレーザダイオードまたはＬＥＤアレイ、その他の発光素子アレイにも本発明は適用可能である。

１０ ＬＤパッケージ、 １１ ヒートシンク、 １２ サブマウント、
１３ ＬＤ（レーザダイオード）チップ、 ２０ コリメータ光学系、
２１ ＦＡＣ（速軸方向コリメータ）、 ２２ ＳＡＣ（遅軸方向コリメータ）、
３０ 光ビーム再配置光学系、 ３１，３２ 光学素子、
３１ａ，３２ａ 入射面、 ３１ｂ，３２ｂ 出射面、
Ｂ１〜Ｂ７ 光ビーム、 ＨＲ 反射領域、 ＨＴ 透過領域。

Claims (3)

1. 第１方向に配列した複数の光ビームを、第１方向に対して垂直な第２方向に配列した複数の光ビームに再配置するための光ビーム再配置光学系であって、
   光ビームの進行方向に沿って第１光学素子と、第２光学素子とを備え、
   第１光学素子は、透明な平行平面基板で形成され、該基板の入射面および出射面には透過領域および反射領域が区分的に設けられ、光ビームは、反射領域での反射回数に応じて互いに異なるシフト量で第２方向に沿ってシフトするように構成されており、
   第２光学素子は、透明な平行平面基板で形成され、該基板の入射面および出射面には透過領域および反射領域が区分的に設けられ、光ビームは、反射領域での反射回数に応じて互いに異なるシフト量で第１方向に沿ってシフトするように構成されていることを特徴とする光ビーム再配置光学系。
2. 透明な平行平面基板を備え、
   基板の第１主面には、直線状の境界で区分された透過領域および反射領域が設けられ、
   基板の第２主面には、直線状の境界に対して斜め方向に延びる階段状の境界で区分された透過領域および反射領域が設けられることを特徴とする光学素子。
3. 第１方向に配列した複数の光ビームを発生する発光素子と、
   発光素子からの各光ビームを、第１方向に対して垂直な第２方向に集光するための第２方向コリメータレンズと、
   第２方向コリメータレンズからの各光ビームを、第１方向に集光するための第１方向コリメータレンズと、
   第１方向コリメータレンズからの各光ビームを、第２方向に配列した複数の光ビームに再配置するための請求項１記載の光ビーム再配置光学系とを備えることを特徴とする光源装置。