JP2015096876A

JP2015096876A - コンデンサレンズおよび光源装置

Info

Publication number: JP2015096876A
Application number: JP2013236427A
Authority: JP
Inventors: 亮長谷山; Akira Haseyama
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-05-21

Abstract

【課題】本発明は、面発光型の光源から射出された発散光束を集光領域に集光させるコンデンサレンズおよび光源装置に関し、コンデンサレンズを単玉で構成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、面発光型の光源から射出された発散光束を集光領域に集光させるコンデンサレンズ５であって、コンデンサレンズ５は、ガラスからなる単玉構造であり、１面側と２面側の少なくとも一方のレンズ面形状をＺとして数式（１）で表したとき、Ｋ＜−１かつＮ＝０を満たす構成とした。
【数１】

【選択図】図１

Description

本発明は、面発光型の光源から射出された発散光束を集光領域に集光させるコンデンサレンズおよび光源装置に関する。

従来、楕円形状の発散光束を射出する面発光型の光源に対する集光系は、特許文献１に示すように、光源を構成する複数の半導体レーザに対してそれぞれコリメータレンズが設けられ、さらに、このコリメータレンズの後段にコンデンサレンズを設ける構造が示されており、各半導体レーザから射出された発散光束はコリメートレンズにより並行光束に変換され、この平行光束に変換された複数の光束がコンデンサレンズを介して所定の集光領域に集光させる構成が知られている。

また、複数の半導体レーザから射出された複数の発散光を単玉のコンデンサレンズを介して集光させる構成が特許文献２に示されている。

特開２００４−２５２４２５号公報特開２００７−２７６１２号公報

しかしながら、特許文献１の構成では個々のレーザ光源に対してコリメータレンズが必要となるため、光源装置を構成する部品点数が多くなり生産性を劣化や大型化してしまうという問題があった。

なお、特許文献２で示されるようなコリメータレンズ機能とコンデンサレンズ機能を合わせ持つ単玉のコンデンサレンズは、いまだもって具現化されていない状況である。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、面発光型の光源から射出された発散光束を集光領域に集光させるコンデンサレンズを単玉として構成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、面発光型の光源から射出された発散光束を集光領域に集光させるコンデンサレンズであって、コンデンサレンズは、ガラスからなる単玉構造であり、１面側と２面側の少なくとも一方のレンズ面形状をＺとして数式（１）で表したとき、ｋ＜−１かつＮ＝０を満たす構成とした。

この構成により、面発光型の光源から射出された発散光束を集光領域に集光させるコンデンサレンズを単玉として構成することができる。

本発明の一実施の形態における光源装置を示す模式図同光源装置を構成する光源をマルチ光源で構成した模式図円錐係数によるレンズ面形状の変化を示す模式図

以下、本発明の一実施の形態における光源装置について図を用いて説明する。

図１は、光源１から射出された楕円形状の発散光束２を絞り板３で形成する集光領域４に集光させるコンデンサレンズ５を光軸上６に配置した光源装置７を示している。なお、光源１は、図２に示すごとく、複数の半導体レーザ８を、それぞれの光軸９が平行となるように物体高さ方向に並設したテレセントリック光学系からなるマルチ光源１ａとして構成されている。なお、各半導体レーザ８からは開口数が０．２５の楕円形状の発散光束１０が射出されており、この発散光束１０を組み合わせることで、巨視的に図１に示す発散光束２が形成される。そして、コンデンサレンズ５を介して集光領域４に集光させることで高出力な光束となる。

そして、このようなマルチ光源１ａから出力された高出力な発散光束２を集光させるコンデンサレンズ５を単玉レンズとして構成する場合、高出力な光束に耐え得るものでなければならず、耐熱性の大きい光学ガラスを用いる必要がある。また、このような光学ガラスを用いる場合、光学ガラスを成形可能な温度に昇温させ金型で加圧成形するモールド成形が一般的であるため、コンデンサレンズ５を成形する上では金型の加工性が重要となる。

ここで、このコンデンサレンズ５のレンズ面形状をＺとして［数１］数式（１）式で表したとき、ｋ＜−１かつＮ＝０を満たす構成としたのである。

この構成により、マルチ光源１ａに対する集光系のコンデンサレンズ５を単玉レンズとして具現化でき、またモールド成形による作成を可能としたのである。

すなわち、ｋ＜−１かつＮ＝０としたことで有効径におけるレンズ面の断面形状が、双曲線形状となり、レンズ中心部分の曲率半径が小さく、外周部分の曲率半径が大きくなる。この点について円錐係数によるレンズ面形状の変化を図３に示す。

図３では、ベースＲとなる球面形状（ｋ＝０）を線ａで示し、楕円形状（−１＜Ｋ＜０）を線ｂで示し、放物線形状（ｋ＝−１）を線ｃで示し、双曲線形状（ｋ＜−１）を線ｄで示す。これから分かるように、レンズ面形状が双曲線形状、放物線形状、楕円形状、円形状の順で、レンズ面形状における外周端側での曲率半径が小さくなるため、物体高さ方向での有効径を確保することが難しく光の取込み効率が劣化する。また、レンズ外周端側の開口数を確保しようとすると、光軸６の近傍での開口数が低くなり中心部の光利用効率が劣化してしまう。なお、このようなレンズ設計において有効径を大型化しようとすれば、レンズ外周端側の曲率半径が小さくなり、この部分でのレンズ接平面と光軸６とのなす角が小さくなりモールド成形における金型加工が困難となる。なお、図３では示していないが、レンズ面形状を非球面とした場合、レンズ面に変曲点が形成されてしまい、金型加工がさらに困難となる。

以下に、コンデンサレンズ５の面形状を試料１から試料８で検討し、その結果を表１に示す。

ここに示す試料１から試料８は、光源１として物体高さｈを２ｍｍ、波長λが６３３ｎｍ、開口数ＮＡが０．２５の半導体レーザ８を用いたマルチ光源１ａを採用している。また、コンデンサレンズ５は使用波長による屈折率ｎが１．５１５の光学ガラスで構成され、レンズ厚みＴを４ｍｍに設定している。また、光源装置７の小型化を考慮して、コンデンサレンズ５における光源１側のワーキングディスタンスＷＤを６ｍｍ近傍とした構成において評価を行った。

なお、この光源装置７を評価するにあたっては、コンデンサレンズ５の１面側における各半導体レーザ８から射出された発散光束１０に対する取込可能な開口数に劣化が生じるかどうか、また、コンデンサレンズ５から射出された合成光束に対する集光領域４における集光制限として集光径の最小値が半径で２ｍｍ以下であるかどうかを判断基準とした。

また、表１においては、マルチ光源１ａにおける物体高さｈ＝０ｍｍ（光軸中心）に配置された半導体レーザ８から射出された発散光束１０に対する１面側での取込可能な開口数をＯＨ０とし、物体高さｈ＝１ｍｍに配置された半導体レーザ８から射出された発散光束１０に対する取込可能な開口数をＯＨ１、物体高さｈ＝２ｍｍに配置された半導体レーザ８から射出された発散光束１０に対する取込可能な開口数をＯＨ２として評価を行った。

試料１は、レンズ面形状が１面側と２面側がともに円形状（ｋ＝０）であり、コンデンサレンズ５から射出される合成光束の集光制限である２ｍｍ以下を満たしておらず、かつ、ＯＨ１、ＯＨ２の値が、半導体レーザ８から射出される発散光束１０の開口数である０．２５を下回っていることから光の利用効率の劣化が確認された。試料２はレンズ面形状が１面側と２面側がともに楕円形状（−１＜ｋ＜０）であり、このレンズ形状においては、集光制限を満たしておらず、かつ、ＯＨ２で光の利用効率の劣化が確認された。試料３はレンズ面形状が１面側と２面側がともに放物線形状（ｋ＝−１）であり、このレンズ形状においては、集光制限を満たしているが、ＯＨ２で光の利用効率の劣化が確認された。試料４、５はレンズ面形状が１面側と２面側がともに双曲線形状（ｋ＜−１）で、集光制限を満たすとともに、ＯＨ０，ＯＨ１，ＯＨ２の全てで半導体レーザ８から射出される発散光束１０の開口数である０．２５を維持できることが確認された。

この試料１から試料５の結果により、レンズ面の形状を円錐係数ｋが−１未満の双曲線形状とすることで物体高さ方向に並接された半導体レーザ８から射出された発散光束１０を効率よく集光領域４に集光できることが確認できる。

さらに、１面側のみを双曲線形状とした試料６〜８について評価結果を確認する。試料６は１面側のレンズ面形状が双曲線形状（ｋ＜−１）で２面側が円形状（ｋ＝０）とした構成であり、集光制限を満たすとともに、ＯＨ０、ＯＨ１、ＯＨ２の全てで半導体レーザ８から射出される発散光束１０の開口数である０．２５を維持できることが確認された。試料７は１面側のレンズ面形状が双曲線形状（ｋ＜−１）で２面側が楕円形状（−１＜ｋ＜０）とした構成であり、集光径の制限を満たすとともに、ＯＨ０、ＯＨ１、ＯＨ２の全てで半導体レーザ８から射出される発散光束１０の開口数である０．２５を維持できることが確認された。試料８は１面側のレンズ面形状が双曲線形状（ｋ＜−１）で２面側が放物線形状（ｋ＝−１）とした構成であり、あり、集光径の制限を満たすとともに、ＯＨ０、ＯＨ１、ＯＨ２の全てで半導体レーザ８から射出される発散光束１０の開口数である０．２５を維持できることが確認された。

この試料１から試料８の結果により、コンデンサレンズ５の少なくとも片面を円錐係数ｋが−１未満の双曲線形状とすることで、マルチ光源１ａから射出された合成光束を効率よく集光領域４に集光できることが確認できる。

なお、所定の開口数を有する面発光型の光源としては、楕円形状の発散光束を射出する発光ダイオードに利用できるが、上述したような高出力光源を形成するために複数の半導体レーザ８を並設したテレセントリック光学系のマルチ光源１ａに対して特に有効である。

本発明は、所定の開口数を有する面発光型の光源から射出された光線を集光するコンデンサレンズにおいて、コンデンサレンズを単玉として構成できるという効果を有し、特に所定の開口数を有する複数の光源素子を並設したテレセントリック光学系のマルチ光源において有用となる。

１光源
２発散光束
４集光領域
５コンデンサレンズ
７光源装置

Claims

面発光型の光源から射出された発散光束を集光領域に集光させるコンデンサレンズであって、前記コンデンサレンズは、ガラスからなる単玉構造であり、１面側と２面側の少なくとも一方のレンズ面形状をＺとして数式（１）で表したとき、Ｋ＜−１かつＮ＝０を満たすことを特徴としたコンデンサレンズ。
光源は、発散光束を射出する複数の光源素子を光軸に対して直行する方向に並設したテレセントリック光学系の光源であることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサレンズ。
コンデンサレンズをモールド成形により作成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンデンサレンズ。
光軸方向が一致する複数の半導体レーザ素子を並設したテレセントリック光学系の光源と、
この光源から射出された発散光束を集光するコンデンサレンズを備え、
前記コンデンサレンズは、ガラスからなる単玉構造であり、そのレンズ面形状をＺとして［数１］数式（１）としたとき、Ｋ＜−１を満たすことを特徴とした光源装置。