JP2014029354A - Beam shaping lens - Google Patents

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Akira Morimoto
章 森本
Tomoya Sugita
知也 杉田
Kimihiko Shibuya
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a beam shaping lens applied to a light source unit using a semiconductor laser capable of preventing fogging of the lens due to organic volatile substances generated from an adhesive.SOLUTION: In a beam shaping lens 2 having two cylindrical lenses 5a and 5b with generatrix directions perpendicular to each other and integrated with a lens barrel 4, a peripheral end portion of a curved portion 6 in the cylindrical lens 5a disposed at incident side of the lens barrel 4 is an adhesion area 9 to be adhered to the lens barrel 4; and peripheral end portion of a flat portion 7 formed at both sides of the curved portion 6 is a non-adhesion area 10.

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。   The present invention relates to a beam shaping lens used in a light source unit using a semiconductor laser.

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光束が、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、母線の方向が直交する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、半導体レーザから出射された光束の利用効率を高めている。   In general, in a light source unit using a semiconductor laser, the light beam emitted from the semiconductor laser becomes an elliptical light beam because the divergence angle differs between the direction parallel to the semiconductor junction surface and the direction perpendicular to the semiconductor junction surface. Using a beam shaping lens that combines two cylindrical lenses, the aspect ratio of the elliptical light beam is adjusted and converted into a circular light beam, thereby increasing the utilization efficiency of the light beam emitted from the semiconductor laser.

また、このような2枚のシリンドリカルレンズを組み合わせて一つの光学系を形成する場合、鏡筒の貫通孔の中に2枚のシリンドリカルレンズを挿入し位置決めした状態とし、これらをUV接着剤で固着する構造が知られている。   In addition, when two optical lenses are combined to form one optical system, the two cylindrical lenses are inserted and positioned in the through hole of the lens barrel, and are fixed with UV adhesive. The structure to be known is known.

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。   As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.

特開昭59−17523号公報JP 59-17523 A

しかしながら、このようなビーム整形レンズの用途として高出力半導体レーザを用いるレーザ加工機用途などが検討されるようになり、鏡筒とシリンドリカルレンズを接着するUV接着剤に含まれるシロキ酸などの有機系揮発物質が、レーザ光線の照射による発熱により有機系揮発物質がガス化し、入射されるレーザ光線の光強度に従ってレンズ表面にトラッピングされレンズ曇りが生じてしまうという問題が生じてきた。   However, laser beam machine applications using high-power semiconductor lasers have been studied as applications of such beam shaping lenses, and organic systems such as siloxy acid contained in a UV adhesive that bonds a lens barrel and a cylindrical lens. There has been a problem that the volatile substance is gasified by the heat generated by the irradiation of the laser beam, and the organic volatile substance is gasified and trapped on the lens surface in accordance with the light intensity of the incident laser beam, resulting in lens fogging.

そこで、本発明はこのような問題を解決し、2枚のシリンドリカルレンズを鏡筒で一体化したビーム整形レンズにおいてレンズ曇りの発生を抑制することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to solve such a problem and suppress the occurrence of lens fogging in a beam shaping lens in which two cylindrical lenses are integrated with a lens barrel.

そして、この目的を達成するために本発明は、母線方向が直交する2枚のシリンドリカルレンズを鏡筒で一体化したビーム整形レンズにおいて、鏡筒の入射側に配置されたシリンドリカルレンズにおける曲面部の外周端部分を鏡筒と接着する接着領域とするとともに、曲面部の両側に設けられた平坦部の外周端部分を非接着領域としたものである。   In order to achieve this object, the present invention provides a beam shaping lens in which two cylindrical lenses whose generating directions are orthogonal to each other are integrated with a lens barrel, and a curved surface portion of the cylindrical lens arranged on the incident side of the lens barrel. The outer peripheral end portion is used as an adhesive region for bonding to the lens barrel, and the outer peripheral end portions of the flat portions provided on both sides of the curved surface portion are used as non-adhesive regions.

この構成により本発明は、2枚のシリンドリカルレンズを鏡筒で一体化したビーム整形レンズにおいてレンズ曇りの発生を抑制することが出来るのである。   With this configuration, the present invention can suppress the occurrence of lens fogging in a beam shaping lens in which two cylindrical lenses are integrated with a lens barrel.

(a)、(b)本発明に係るビーム整形レンズを用いた光源ユニットの模式図(A), (b) Schematic diagram of a light source unit using a beam shaping lens according to the present invention. 同ビーム整形レンズを構成するシリンドリカルレンズの斜視図A perspective view of a cylindrical lens constituting the beam shaping lens 同シリンドリカルレンズの正面図Front view of the cylindrical lens

以下、本発明の一実施の形態におけるビーム整形レンズについて図を用いて説明する。   Hereinafter, a beam shaping lens according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

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、半導体レーザ1から出射された楕円光束からなるレーザ光線をビーム整形レンズ2によりアスペクト比を調整して円光束からなる平行光束に変換する機能を有している。   FIG. 1A and FIG. 1B show a light source unit in which a semiconductor laser 1 and a beam shaping lens 2 are integrated on the main surface of a base 3, and an ellipse emitted from the semiconductor laser 1. It has a function of adjusting a laser beam composed of a light beam into a parallel light beam composed of a circular light beam by adjusting the aspect ratio by the beam shaping lens 2.

また、図1(a)は光源ユニットを側方から見た模式図であり、ビーム整形レンズ2は、貫通孔を有する鏡筒4の内部に2枚のシリンドリカルレンズ5a、5bを光軸方向に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5aで、半導体レーザ1から出射されたレーザ光線における楕円光束の長手方向の倍率調整を行うことを示している。図1(b)は光源ユニットを上方から見た模式図であり、鏡筒4の出射側に設けられたシリンドリカルレンズ5bで、半導体レーザ1から出射されたレーザ光線における楕円光束の短手方向の倍率調整を行うことを示している。   FIG. 1A is a schematic view of the light source unit as viewed from the side. The beam shaping lens 2 includes two cylindrical lenses 5a and 5b in the optical axis direction inside a lens barrel 4 having a through hole. In this arrangement, the cylindrical lens 5a provided on the incident side is shown to adjust the longitudinal magnification of the elliptical light beam in the laser beam emitted from the semiconductor laser 1. FIG. 1B is a schematic view of the light source unit as viewed from above. A cylindrical lens 5b provided on the emission side of the lens barrel 4 is a short-side direction of the elliptical light beam in the laser beam emitted from the semiconductor laser 1. FIG. It shows that the magnification is adjusted.

なお、それぞれのシリンドリカルレンズ5a、5bは、図2に示すように光軸を中心とした円板形状で、入射されるレーザ光線の開き角を調整する曲面部6と、この曲面部6の両側に設けられた平坦部7とで構造されている。また、曲面部6は入射されるレーザ光線における楕円光束の長手方向に対して屈折力を持つように湾曲し、平坦部7は、曲面部6を挟むように両側に設けられ、シリンドリカルレンズ5a、5bにおける取り付け基準面や、レンズ特性の測定基準面として活用している。   Each cylindrical lens 5a, 5b has a disk shape centered on the optical axis as shown in FIG. 2, and a curved surface portion 6 for adjusting the opening angle of the incident laser beam, and both sides of the curved surface portion 6. And a flat portion 7 provided on the surface. The curved surface portion 6 is curved so as to have a refractive power with respect to the longitudinal direction of the elliptical light beam in the incident laser beam, and the flat portion 7 is provided on both sides so as to sandwich the curved surface portion 6, and the cylindrical lenses 5a, It is used as the reference mounting surface for 5b and the measurement reference surface for lens characteristics.

なお、これらのシリンドリカルレンズ5a、5bは、半導体レーザ1からの高出力なレーザ光線に耐え得るため、光学硝材を成形金型でプレス成形したものを用いており、特に図示していないが光学硝材をプレス成形する成形金型を作成する上で、曲面部6の両側に平坦部7を設けることで、成形金型の転写面に鋭角な突起が形成されずにすむことから、金型耐久性を向上させた形状としている。また、鏡筒4は組み立ての便宜上、光軸方向に2分割した分割構造の鏡筒4を用いており、それぞれの鏡筒4にシリンドリカルレンズ5a、5bを適宜配置した後に、これらを一体化する構造としている。   Since these cylindrical lenses 5a and 5b can withstand the high-power laser beam from the semiconductor laser 1, they are made by press-molding an optical glass material using a molding die. In forming a molding die for press-molding, by providing the flat portions 7 on both sides of the curved surface portion 6, it is possible to prevent the formation of acute protrusions on the transfer surface of the molding die. The shape is improved. Further, the lens barrel 4 uses a lens barrel 4 having a divided structure that is divided into two in the optical axis direction for the convenience of assembly. After the cylindrical lenses 5a and 5b are appropriately arranged in each lens barrel 4, they are integrated. It has a structure.

そして、鏡筒4の入射側に配置するシリンドリカルレンズ5aにおいては、図3に示すように、シリンドリカルレンズ5aの入射面側の曲面部6の外周端部分を紫外線硬化型の接着剤8で鏡筒4と接着固定する接着領域9とするとともに、曲面部6の両側に位置する平坦部を非接着領域10として接着剤8を塗布しない部分としたことで、ビーム整形レンズ2のレンズ曇りの発生を抑制することが出来るのである。   Then, in the cylindrical lens 5a disposed on the incident side of the lens barrel 4, as shown in FIG. 3, the outer peripheral end portion of the curved surface portion 6 on the incident surface side of the cylindrical lens 5a is covered with an ultraviolet curable adhesive 8. 4 and an adhesive region 9 to be bonded and fixed, and a flat portion located on both sides of the curved surface portion 6 is a non-adhesive region 10 to which the adhesive 8 is not applied. It can be suppressed.

すなわち、半導体レーザ1からの楕円光束が入射されるシリンドリカルレンズ5aは、破線で示す楕円光束11の長手方向11aの倍率調整を行うため、楕円光束11の長手方向11aを曲面部6の母線と直行する方向にあわせ、楕円光束11の短手方向11bを母線方向にあわせるので、楕円光束11の外周端からレンズ外周端までの距離は、母線方向で広く、母線と直交する方向で狭くなる。したがって、レーザ光線による熱がシリンドリカルレンズ5aの外周端部分まで及ぼす影響は、楕円光束11の長手方向11aに比べ短手方向11bが小さくなるので、このレーザ光線による熱影響の小さい短手方向11bの外周端部分を接着領域9とし、熱影響の大きい長手方向11aを非接着領域10とすることで、接着剤8からの有機系揮発物質の発生を抑制でき、結果としてレンズ曇りの発生を抑制することができる。   That is, the cylindrical lens 5a to which the elliptical light beam from the semiconductor laser 1 is incident adjusts the magnification in the longitudinal direction 11a of the elliptical light beam 11 indicated by a broken line. Since the short direction 11b of the elliptical light beam 11 is aligned with the generatrix direction, the distance from the outer peripheral edge of the elliptical light beam 11 to the lens outer peripheral edge is wide in the generatrix direction and narrow in the direction perpendicular to the generatrix. Accordingly, the influence of heat from the laser beam up to the outer peripheral end portion of the cylindrical lens 5a is smaller in the short direction 11b than in the longitudinal direction 11a of the elliptical light beam 11, so that the heat effect by the laser beam is small in the short direction 11b. By forming the outer peripheral end portion as the adhesion region 9 and the longitudinal direction 11a having a large heat effect as the non-adhesion region 10, the generation of organic volatile substances from the adhesive 8 can be suppressed, and as a result, the occurrence of lens fogging is suppressed. be able to.

なお、ビーム整形レンズ2における入射側のシリンドリカルレンズ5aは、半導体レーザ1に近接し、光の強度分布の影響が大きく、接着剤8の塗布位置による有機系揮発物の影響が大きく、上述した接着位置の規制による効果が大きいが、出射側のシリンドリカルレンズ5bにおいても同様に有機系揮発物質の発生を抑制できるので、出射側のシリンドリカルレンズ5bも入射側のシリンドリカルレンズ5aと同様に実施することで、さらに大きな効果を得ることができる。   The cylindrical lens 5a on the incident side in the beam shaping lens 2 is close to the semiconductor laser 1 and is greatly affected by the light intensity distribution, and is greatly affected by the organic volatile matter depending on the position where the adhesive 8 is applied. Although the effect of position restriction is great, since the generation of organic volatile substances can be similarly suppressed in the exit-side cylindrical lens 5b, the exit-side cylindrical lens 5b is also implemented in the same manner as the entrance-side cylindrical lens 5a. Even greater effects can be obtained.

また、接着剤8は、鏡筒4の入射側に配置するシリンドリカルレンズ5aの入射面側、または、鏡筒4の出射側に配置するシリンドリカルレンズ5bの出射面側に塗布することで、この接着部分が、それぞれビーム整形レンズ2の外側を向いた部分で接着することになる。そして、この接着部分から若干の有機系揮発物が発生したとしても、シリンドリカルレンズ5a、5bで封止された鏡筒4内に進入しにくくなり、実質的にメンテナンスができない鏡筒4内部でのレンズ曇りを抑制できる。   Further, the adhesive 8 is applied to the incident surface side of the cylindrical lens 5 a disposed on the incident side of the lens barrel 4 or the exit surface side of the cylindrical lens 5 b disposed on the exit side of the lens barrel 4. The portions are bonded at the portions facing the outside of the beam shaping lens 2, respectively. Even if some organic volatiles are generated from this bonded portion, it becomes difficult to enter the lens barrel 4 sealed by the cylindrical lenses 5a and 5b, and the inside of the lens barrel 4 where maintenance is substantially impossible. Lens fogging can be suppressed.

さらに、曲面部6は平坦部7に比べレンズ厚が大きく基板強度が高くなることから、接着剤8の硬化応力の影響も抑制できるので、曲面部6における最もレンズ厚みの大きい部分つまり、光軸を通る母線の方向での接着が好ましい。   Furthermore, since the curved surface portion 6 has a larger lens thickness and higher substrate strength than the flat portion 7, the influence of the curing stress of the adhesive 8 can also be suppressed, and therefore the portion of the curved surface portion 6 with the largest lens thickness, that is, the optical axis. Adhesion in the direction of the generatrix passing through is preferred.

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、接着剤から発生する有機系揮発物質によるレンズ曇りを抑制できるという効果を有し、特にレーザ加工機などの高出力用途の光源ユニットにおいて有用となる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has an effect of suppressing lens fogging due to an organic volatile substance generated from an adhesive in a beam shaping lens used in a light source unit using a semiconductor laser, and is particularly suitable for high output applications such as a laser processing machine. Useful in light source units.

2 ビーム整形レンズ
4 鏡筒
5a、5b シリンドリカルレンズ
6 曲面部
7 平坦部
9 接着領域
10 非接着領域
2 Beam shaping lens 4 Lens barrel 5a, 5b Cylindrical lens 6 Curved surface portion 7 Flat portion 9 Adhesion region 10 Non-adhesion region

Claims (3)

半導体レーザから出射される楕円光束のレーザ光線を円光束のレーザ光線に変換するビーム整形レンズであって、前記ビーム整形レンズは、前記レーザ光線の光軸を中心軸とする貫通孔を有する鏡筒と、前記貫通孔の入射側に配置した第1のシリンドリカルレンズと、この第1のシリンドリカルレンズと母線の方向が直交するように前記貫通孔の出射側に配置した第2のシリンドリカルレンズを備え、前記第1、第2のシリンドリカルレンズは、それぞれ、入射光束の開き角を調整する曲面部と、この曲面部の両側に設けた平坦部を有し、前記第1のシリンドリカルレンズを前記鏡筒に配置するにあたり、前記第1のシリンドリカルレンズにおける前記曲面部の外周端部分を前記鏡筒と接着する接着領域とするとともに、前記平坦部の外周端部分を非接着領域としたことを特徴としたビーム整形レンズ。 A beam shaping lens for converting an elliptical laser beam emitted from a semiconductor laser into a circular laser beam, wherein the beam shaping lens has a through-hole having the optical axis of the laser beam as a central axis And a first cylindrical lens arranged on the incident side of the through hole, and a second cylindrical lens arranged on the emission side of the through hole so that the direction of the generatrix and the first cylindrical lens are orthogonal to each other, Each of the first and second cylindrical lenses has a curved surface portion for adjusting an opening angle of an incident light beam and flat portions provided on both sides of the curved surface portion, and the first cylindrical lens is attached to the lens barrel. In arranging, the outer peripheral end portion of the curved surface portion of the first cylindrical lens is used as an adhesive region that adheres to the lens barrel, and the outer peripheral end of the flat portion. Beam shaping lenses, characterized in that the partial and non-adhesive region. 第2のシリンドリカルレンズを鏡筒に配置するにあたり、前記第2シリンドリカルレンズにおける曲面部の外周端部分を鏡筒と接着する接着領域とするとともに、平坦部の外周端部分を非接着領域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。 In arranging the second cylindrical lens in the lens barrel, the outer peripheral end portion of the curved portion of the second cylindrical lens is used as an adhesive region that adheres to the lens barrel, and the outer peripheral end portion of the flat portion is set as a non-adhesive region. The beam shaping lens according to claim 1. 曲面部における最もレンズ厚みの大きい部分で接着することを特徴とする請求項1あるいは請求項2に記載のビーム整形レンズ。 The beam shaping lens according to claim 1, wherein the lens is bonded at a portion of the curved surface portion having the largest lens thickness.
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