JP2014010379A - ビーム整形レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、半導体レーザを用いた光源ユニットに用いられるビーム整形レンズに関し、異なる開き角に対応できるビーム整形レンズを提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために、鏡筒５にシリンドリカルレンズ６、７を配置したビーム整形レンズ２において、鏡筒５を分割鏡筒８、９の分割構造とし、接続部１０にネジ溝１０ａを設け分割鏡筒８に対する分割鏡筒９の回転動作により、シリンドリカルレンズ６、７の間隔と倍率調整方向６ｂ、７ｂの調整を行う構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを用いた光源ユニットに用いられるビーム整形レンズに関する。

一般に半導体レーザを用いた光源ユニットは、半導体レーザから出射されるレーザ光線が、半導体接合面に平行な方向と垂直な方向とで広がり角が異なることから楕円光束となるため、２枚のシリンドリカルレンズを組み合わせたビーム整形レンズを用いて楕円光束のアスペクト比を調整し円光束に変換して、半導体レーザから出射されたレーザ光線の利用効率を高めている。

また、このような半導体レーザを用いた光源ユニットの使い方として、レーザ加工機などの高出力用途が検討されており、この高出力を確保するための構成として、複数の半導体レーザを並べて、これらから出射されるレーザ光線をビーム整形レンズで円光束に変換した後で集光させて使用する構成が知られている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開平９−３０７１６１号公報

しかしながら、半導体レーザの特徴として出射されるレーザ光線の開き角のバラツキが大きく、レーザ光線の利用効率を最大化するために、複数の半導体レーザに対してそれぞれの開き角に応じて個別に調整しようとすれば、開き角のバラツキに応じた複数種類のビーム整形レンズを用意せねばならず、物造りの観点から実現困難であることから、異なる開き角に対応できるビーム整形レンズの開発が急務となっている。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、半導体レーザから出射されたレーザ光線の開き角のバラツキに対応できるビーム整形レンズを提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、鏡筒に２枚のシリンドリカルレンズを配置したビーム整形レンズにおいて、鏡筒を分割構造とし、接続部分にネジ溝を設け、一方の分割鏡筒に対する他方の分割鏡筒の回転動作により、２枚のシリンドリカルレンズの間隔と倍率調整方向の調整を行う構成とした。

この構成により本発明は、半導体レーザから出射されたレーザ光線の開き角のバラツキに対応できるビーム整形レンズを提供することが出来るのである。

（ａ）、（ｂ）本発明に係る光源ユニットの模式図 同光源ユニットを構成するシリンドリカルレンズの斜視図

以下、本発明の一実施の形態における光源ユニットについて図を用いて説明する。

図１（ａ）および図１（ｂ）は半導体レーザ１とビーム整形レンズ２を基台３の主面上で一体化した光源ユニットを示したものであり、ビーム整形レンズ２は、半導体レーザ１から出射された破線で示すレーザ光線のアスペクト比を調整し、楕円形状の発散光束から円形状の平行光束に変換する機能を有している。なお、図１（ａ）は光源ユニットを側方から見た模式図であり、図１（ｂ）は光源ユニットを上方から見た模式図である。

また、ビーム整形レンズ２は、貫通孔４を有する鏡筒５の内部に、図２に示されるシリンドリカルレンズ６、７を光軸方向に２枚配置した構成であり、入射側に設けられたシリンドリカルレンズ６は、半導体レーザ１からの楕円光束の長手方向、つまり、図１（ｂ）に示すシリンドリカルレンズ６の母線６ａと直交する方向（以下、倍率調整方向と称す）６ｂの倍率調整していることを示している。出射側に設けられたシリンドリカルレンズ７は、半導体レーザ１からの楕円光束の短手方向、つまり、図１（ａ）に示すシリンドリカルレンズ７の母線７ａと直交する方向（以下、倍率調整方向と称す）７ｂの倍率調整していることを示している。

そして、このビーム整形レンズ２において、半導体レーザ１から射出されるレーザ光線の利用効率を高めるためには、上述したように、それぞれのシリンドリカルレンズ６、７の倍率調整方向６ｂ、７ｂが、半導体レーザ１から出射される楕円光束の長手方向と短手方向に整合されていることと、半導体レーザ１の開き角のバラツキに対応出来ることが重要となる。

そこで、この一実施の形態のビーム整形レンズ２においては、鏡筒５を光軸方向に二分割し、分割された分割鏡筒８、９にシリンドリカルレンズ６、７を配置し、分割鏡筒８と分割鏡筒９の接続部１０にネジ溝１０ａを設け、このネジ溝１０ａを用いて分割鏡筒８、９を一体化する際の回転動作により、シリンドリカルレンズ６とシリンドリカルレンズ７の間隔、およびシリンドリカルレンズ６の倍率調整方向６ｂに対するシリンドリカルレンズ７の倍率調整方向７ｂの調整を同時に実現している。

すなわち、このような光源ユニットでは、半導体レーザ１を実装した基台３にビーム整形レンズ２を取り付ける際、先ずオートコリメータ（特に図示せず）を用いて入射側のシリンドリカルレンズ６の倍率調整方向６ｂを入射される楕円光束の長手方向を一致させるとともに、シリンドリカルレンズ６と半導体レーザ１との間隔を調節しながら分割鏡筒８を基台３に実装する。次に、出射側のシリンドリカルレンズ７を内部に配置した分割鏡筒９を分割鏡筒８に対してネジ回しの要領で一体化するのであるが、このネジ回しの回転動作により、倍率調整方向７ｂをシリンドリカルレンズ６に入射される楕円光束の短手方向を一致させるとともに、シリンドリカルレンズ６との間隔を調節して、シリンドリカルレンズ７から出射されるレーザー光線における、図１（ｂ）に示す倍率調整方向７ｂの径１１と図１（ａ）に示す倍率調整方向６ｂの径１２と一致したことを確認し、分割鏡筒９を分割鏡筒８に接続固定する。

また、２枚のシリンドリカルレンズ６、７の母線６ａ、７ａ方向は、半導体レーザ１から出射されたレーザ光線の長手方向と短手方向に一致するように、常に直交した状態を保たなければならず、特に図示していないが、回転調整において半回転ごとに回転を係止する回転係止機構を設けることで調整工数が削減できる。

なお、半回転ごとの回転係止により２枚のシリンドリカルレンズ６、７の直交精度を維持するためには、初期の係止状態において２枚のシリンドリカルレンズ６、７の倍率調整方向６ｂ、７ｂが直交状態でなくてはならないことから、各分割鏡筒８、９の貫通孔４にシリンドリカルレンズ６、７を挿入配置する際に、光軸を回転中心としたシリンドリカルレンズ６、７の回転方向の位置決めを行う位置決め機構を設けることが好ましい。具体的には、シリンドリカルレンズ６であれば、図１（ａ）に示すように、分割鏡筒８における貫通孔４の内部に段差部１３を設け、この段差部の間に図２に示すシリンドリカルレンズ６におけるレンズ面１４を落とし込みコバ面１５を段差部１３に当接させることで分割鏡筒８に対するシリンドリカルレンズ６の位置決めができる。また、図１（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ７についても同様に、分割鏡筒９における貫通孔４の内部に設けた段差部１３の間にシリンドリカルレンズ７のレンズ面１４を落とし込みコバ面１５を段差部１３に当接させることで、分割鏡筒９に対するシリンドリカルレンズ７の位置決めができる。

本発明は、半導体レーザを用いた光源ユニットに用いられるビーム整形レンズにおいて、半導体レーザの開き角のバラツキに対応できるという効果を有し、特に複数の半導体レーザを組み合わせる高出力用途の光源ユニットにおいて有用となる。

２ ビーム整形レンズ
４ 貫通孔
５ 鏡筒
６ （第１の）シリンドリカルレンズ
７ （第２の）シリンドリカルレンズ
８ （第１の）分割鏡筒
９ （第２の）分割鏡筒
１０ 接続部
１０ａ ネジ溝

Claims (3)

1. 光軸を中心軸とする貫通孔を有する鏡筒と、前記貫通孔の一端側に配置される第１のシリンドリカルレンズと、前記貫通孔の他端側に配置されるとともに前記第１のシリンドリカルレンズと倍率調整方向が直交する第２のシリンドリカルレンズを備え、前記鏡筒を前記第１のシリンドリカルレンズを配置する第１の分割鏡筒と、前記第２のシリンドリカルレンズを配置する第２の分割鏡筒の分割構造とし、前記第１の鏡筒と前記第２の鏡筒の接続部には前記光軸を中心としたネジ溝を設け、前記ネジ溝を用いた前記第１の鏡筒に対する前記第２の鏡筒の回転動作により、前記第１のシリンドリカルレンズと前記第２のシリンドリカルレンズの間隔と、前記第１のシリンドリカルレンズに対する前記第２のシリンドリカルレンズの倍率調整方向の調整を行うことを特徴としたビーム整形レンズ。
2. 接続部に回転係止部を設け、この回転係止部による第１の分割鏡筒に対する第２の分割鏡筒の係止位置を半回転毎としたことを特徴とする請求項１に記載のビーム整形レンズ。
3. 第１の分割鏡筒の貫通孔に、前記第１のシリンドリカルレンズの光軸を中心とした回転方向の位置決めを行う位置決め機構を設けるとともに、第２の分割鏡筒の貫通孔に、前記第２のシリンドリカルレンズの光軸を中心とした回転方向の位置決めを行う位置決め機構を設けたことを特徴とする請求項２に記載のビーム整形レンズ。

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