JP2019500639A - 光学ビーム整形ユニット、距離測定装置およびレーザ照明器 - Google Patents

Abstract

本発明は、光線束（１０６）を整形するための光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）に関する。光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）は、光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）が、光線束（１０６）を整形するための少なくとも１つの球面レンズ（１０２）を有することを特徴し、球面レンズ（１０２）は、球面レンズ（１０２）に入射する光の主要部分が通過することを可能にし、光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）は、球面レンズ（１０２）を有する１つのビーム経路内に配置される、正の実効焦点距離を有する少なくとも１つの光学ユニット（１０８）を有する。

Description

本発明は、光学ビーム整形ユニット、距離測定装置およびレーザ照明器に関する。

欧州特許出願公開第０，４６８，３０２Ａ２号明細書は、距離測定機器を開示する。この距離測定機器は、干渉分光法的に動作する機器であり、ここで、球面レンズが共振器（球内部の多重反射または定在波）として作用する。前記共振器は、その中に使用される球面レンズの透過性が高い場合、（重大な波長範囲において）良好に機能せず、すなわち（前記文献に説明された機器が機能するために必要とするであろう）十分に明確な干渉パターンを形成しないであろう。

この背景に対して、本発明は、主請求項による改善された光学ビーム整形ユニットを提供する。有利な洗練化は、従属請求項および以下の本明細書から明らかになる。

導入されるのは、光線束を整形するための光学ビーム整形ユニットである。光学ビーム整形ユニットは、光線束を整形するための少なくとも１つの球面レンズを有し、球面レンズは、球面レンズに入射する光の主要部分が通過することを可能にし、光学ビーム整形ユニットは、球面レンズを有する１つのビーム経路内に配置される、正の実効焦点距離を有する少なくとも１つの光学ユニットを有する。

光学ビーム整形ユニットは、光線束を光学的に偏向または屈折するための装置を意味するものと理解され得る。球面レンズは、ほぼ球面であるレンズであり得る。球面レンズは、対物面からの光線束を像面上に結像するように具現化され得る。例えば、球面レンズは、ガラスまたは透明プラスティックで構成され得る。球面レンズは、特に、例えば高屈折率を有するサファイア材料で製造され得る。球面レンズは、例えば、光導波路を接続するためのレンズコネクタに使用されるような例えばファイバー結合用の量産製品であり得る。球面レンズは、例えば、光学ビーム整形ユニットのレーザダイオードコリメータの一部であり得る。球面レンズは、主要部分（すなわち、球面レンズに入射する光の少なくとも半分）が通過することを可能にする（すなわち、光のこの部分に対して透明または透過性である）ように意図されている。球面レンズは、好適には、球面レンズに入射する光の少なくとも３／４に対して透明である。具体的には、球面レンズは、球面レンズに入射する光の少なくとも８０％に対して、またはさらに好都合には球面レンズに入射する光の少なくとも９０％に対して透明または透過性であるべきである。光学ユニットは、正の実効焦点距離を有するユニットであり得る。例えば、光学ユニットは、光線束をコリメートするように具現化され得、および／または光学ユニットは、例えばレンズ、レンズ系またはミラーであり得る。レンズは、光の物理的最大可能部分を透過するように設計（層設計）される（限界はフレネル損失である）。

本明細書で説明する手法は、光線束を整形するための球面光学ユニットを光学ビーム整形ユニット内で使用することにより、光学ビーム整形ユニットの構造長が最小化され得るという発見に基づく。別の利点は、構造長および焦点距離の単純な可変性と簡易化した調整とである。相応に高価な実装および設置を伴う高価なレンズなしで済ますことができ、例えば、リッジ実装などの単純な実装技術が使用され得るという事実により、光学ビーム整形ユニットの製造コストを著しく低減することが追加的に可能である。

例示的実施形態によると、光学ビーム整形ユニットは、光線束を生成するための少なくとも１つの光源を含む。球面レンズは、光源によって生成される光線束を光学素子上にコリメートするように具現化され得る。光源は、例えば、発光ダイオードまたはレーザダイオードを意味するものと理解され得る。ここで、球面レンズは、光学ユニットと光源との間の光線束のビーム経路内に配置され得る。例えば、球面レンズと光源間との間の距離または球面レンズと光学ユニットとの間の距離は可変であり得る。この実施形態により、例えば、距離測定装置内に設置される光学ビーム整形ユニットの場合、配置の結果の焦点長を変更することが可能であり、その結果、送信チャンネルまたは受信チャンネルの広がりの変化がもたらされる。距離測定装置の性能（範囲など）は、このようにして改善され得る。球面レンズは、光源（レーザダイオードまたはＡＰＤなど）を、光学素子の焦点面を表す中間像平面内に結像する。ここで、改善範囲は、さらなる要因に加えて、距離変動によって影響されるレーザビームの広がりにほぼ依存する。

光学ユニットは、ここで、集光レンズ、ミラーおよび／またはレンズ系として具現化され得る。光学ユニットは、特に、例えば平凸集光レンズとして具現化され得る。このような光学ユニットは、特に高い費用効率で提供され得る。平凸レンズは、通常、高価である非球面レンズである。しかし、ここで使用するための特定実施形態によると、平凸レンズは、ブランクモールディングによって生成され、したがって費用効率が高い。

さらなる実施形態によると、光源は、光線束としてレーザビームを発射するように具現化され得る。特に、光源は、光ダイオードの形式で具現化され得る。実施形態に依存して、光学ビーム整形ユニットは、レーザダイオードを有し得る。ここで、単一積層、積層バー、またはナノ積層レーザダイオードが使用され得る。

さらなる実施形態によると、光源は、波長帯λ＿Ｂの光線束を発射し得、および球面レンズは、波長範囲λ＿Ｂにおいて球面レンズに入射する光の主要部分が好適には波長範囲λ＿Ｂのみにおいて通過することを可能にする。

本発明によると、球面レンズおよび／または光学ユニットは、ｚ方向ｚに移動可能であるように具現化される。例えば、球面レンズは、第１のマウント内に保持され得る。例えば、光学ユニットは、第２のマウント内に保持され得る。球面レンズおよび第１のマウントのアセンブリと、光学ユニットおよび第２のマウントのアセンブリとの両方は移動可能であるように具現化され得る。この実施形態により、光学ユニットの後ろの光線束の広がりを設定することが可能である。

さらなる実施形態によると、光源は、ｚ方向ｚに移動可能であるように具現化され得る。このような実施形態により、非点収差放射パターンを有する光源において所定のビーム断面を生成することが可能である。

光学ビーム整形ユニットはまた、入射光線束を検出するための検出器装置を有し得る。加えてまたは代わりに、光学ビーム整形ユニットは、少なくとも１つのさらなる球面レンズを有し得る。ここで、さらなる球面レンズは、入射光線束を検出器装置上に導くように具現化され得る。入射光線束は、例えば、遠方の物体における反射によって光学ビーム整形ユニットへ導き戻される限り、光源によって発射される光線束であり得る。検出器装置は、例えば、カメラ、フォトダイオードまたはＣＣＤラインの形式の光感知部品を意味するものと理解され得る。例えば、正のＥＦＬ（実効焦点距離）を有する光源、球面レンズおよび光学系は、光学ビーム整形ユニットの送信チャンネルを表し得、一方、正のＥＦＬを有する検出器装置、さらなる球面レンズ、および光学系は、光学ビーム整形ユニットの受信チャンネルを表し得る。実施形態に依存して、送信チャンネルと受信チャンネルとは、空間的に別個のチャネルまたは同一のチャネルであり得る。後者の場合、球面レンズは、入射光線束を検出器装置上に導くように、かつまた反対方向では光源によって生成された光線束を光学素子上に導くように機能し得る。この実施形態により、例えば、光学ビーム整形ユニットが距離測定装置内に設置される場合の飛行時間測定または位相シフト測定を利用する距離測定が可能にされる。

さらなる実施形態によると、光学ビーム整形ユニットは、入射光線束をさらなる球面レンズ上に導くための少なくとも１つの光学的追加ユニットを有し得る。光学的追加ユニットは、例えば、レンズ、レンズ系またはミラーであり得る。光学的追加ユニットは、入射光線束を球面レンズの対物面または像面上に合焦するように具現化され得る。この実施形態により、入射光線束は、さらなる球面レンズの対物面または像面上を標的として結像され得る。

特に有利であるのは、本明細書で導入される手法の実施形態であり、ここで、本明細書で導入される変形形態による光学ビーム整形ユニットを有する距離測定装置またはレーザ照明器（投影スクリーンまたは標的指示子上に発表者によって画像化されるプレゼンテーションを支援するためのレーザポインタなど）が提供される。例えば、距離測定装置またはレーザ照明器は半導体レーザ送信器を含み得、または距離測定装置は半導体レーザ受信器を含み得る。

本発明は、添付図面を参照して一例としてさらに詳細に説明される。

例示的実施形態による距離測定装置の概略図を示す。 例示的実施形態による光学ビーム整形ユニットの概略図を示す。 さらなる例示的実施形態による光学ビーム整形ユニットの概略図を示す。 本発明による光源の放射パターンの概略図を示す。 さらなる例示的実施形態による光学ビーム整形ユニットの概略図を示す。

本発明の好適な例示的実施形態の以下の説明において、同一または同様の参照符号は、様々な図面において示される同様に機能する要素に使用され、したがってこれらの要素について再度説明しない。

図１は、例示的実施形態による光学ビーム整形ユニットを有する距離測定装置１００の概略図を示す。距離測定装置１００は、光源１０４によって発射される光線束１０６（この場合にはレーザビーム）を整形するように具現化された球面レンズ１０２を含む。光線束１０６は、図１では矢印として概略的に示される。現実には、光線束１０６は、複数の部分的光線束からなる光線束である。

この例示的実施形態によると、球面レンズ１０２は、光源１０４と集光レンズなどの光学ユニット１０８との間に配置される。ここで、球面レンズ１０２は、光線束１０６を光学ユニット１０８の対物面または像面上に好適な方法で結像する。光学ユニット１０８は、球面レンズ１０２によって結像される光線束１０６をコリメートするように具現化される。

球面レンズ１０２は、例示的実施形態に依存して０．５ｍｍ〜８ｍｍの直径を有する。

光源１０４、球面レンズ１０２および光学ユニット１０８は、距離測定装置１００の送信チャンネル１１０を形成する。送信チャンネル１１０に加えて、図１に示す例示的実施形態による距離測定装置１００は、さらなる球面レンズ１１４と検出器装置１１６とを含む受信チャンネル１１２を有する。さらなる球面レンズ１１４とさらなる光学ユニット１２２とは、光線束１１８（送信チャンネル１１０内に反射され、ここでは同様に矢印として示される）を、入射光線束１１８を検出するための検出器装置１１６上へ合焦するように具現化される。検出の結果として、検出器装置１１６は検出器信号１２０を出力する。

加えて、本明細書で説明する例示的実施形態では、例えばさらなる集光レンズの形式の光学的追加ユニット１２２がさらなる球面レンズ１１４の上流に接続される。光学的追加ユニット１２２は、入射光線束１１８を球面レンズ１１４の対物面または像面上に好適な方法で導くように具現化される。

図１から分かるように、送信チャンネル１１０と受信チャンネル１１２とは、互いに隣接して配置される。ここで、２つのチャネル１１０、１１２は、さらに互いに対してほぼ平行に延びる。この結果、距離測定装置１００の構造形式は、可能な限りコンパクトに維持され得る。

例示的実施形態によると、光源１０４と検出器装置１１６とは、装置１２４にそれぞれ接続される。装置１２４は、検出器信号１２０を読み取るための読み取りユニット１２６を含む。読み取りユニット１２６は、検出器信号１２０を使用して距離を表す測定値１３０を確定するための確認ユニット１２８へ検出器信号１２０を渡す。

この例示的実施形態によると、装置１２４は、対応する作動信号１３４によって光源１０４を作動するための任意選択的な制御ユニット１３２を含む。一例として、制御ユニット１３２は、作動信号１３４を追加的に確認ユニット１２８へ転送し、確認ユニット１２８は、作動信号１３４をさらに使用して測定値１３０を確定するように具現化される。

図２は、例示的実施形態による光学ビーム整形ユニット（例えば、図１に基づいて先に説明した距離測定装置１００）内のビーム経路の概略図を示す。光学ビーム整形ユニットは、球面レンズ１０２と、この場合には非球面平凸レンズの形式で設計された光学ユニット１０８とを有する。図１とは対照的に、ここで、光線束１０６は、アパーチャ光線２００およびフィールド光線２１０を有する光線束として示される。対物面２２０内の物体ｙは、球面レンズ１０２によって球面レンズ１０２の像面２４０上に結像され、球面レンズ１０２のこの像面２４０内に像高ｙ’を生じる。ここで、フィールド光線２１０は、送信器と受信器との間の広がりθを呈示する。フィールド光線は、物体（すなわち、この場合にはレーザダイオード）の周辺点で始まり、コリメーション後に広がった周縁光線を形成する。

要約すると、ここで提案された手法により、第１の光学系は、透明でありかつ透過性が高い球として設計されることに注目し得る。物体距離（すなわち球面レンズの主面から光源の対物面までの距離）を設定することにより、固有像距離（球面レンズの主面または光源の像面までの距離）と、したがって大きい制限内で規定されるとともに可変である結像倍率とが、以下にさらに説明される結像式に従って得られる。これは、放射源面または受光面の像サイズが低減または増加され得ることを意味する。第２の光学系（ここでは非球面個々のレンズ）の同じ焦点長（ＥＦＬ）により、レーザ放射および受光光線束の異なる広がりを生じる。
θ_ビーム＝ｙ’／ｆ_２’＝第１の光学系の像サイズ／第２の光学系のＥＦＬ
式中、図２の焦点長ｆ_２’は、レンズ１０８の主面と像面２４０との間の距離に対応する。

これは、結像倍率
β’＝ｙ’／ｙ＝第１の光学系による結像後の像サイズ／光源の物体サイズ
が１未満である場合、光源の縮小実像が生成され、同じ焦点長ｆ_２’により、より小さい結果的な広がりが得られることを意味する。

光学ビーム整形ユニット全体の構造長（ＴＯＴＲ）が短くなるようにされている場合、第１の光学系は、極めて短い焦点長を有するべきである。

この目的のために理想的に適するのは、標準として０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲内の直径を有する入手可能な球である。特に、ここで、０．５ｍｍ〜２ｍｍの直径（サファイア材料による０．３ｍｍ〜１．２ｍｍの焦点長）が関心対象となる。

非常に短い物体背面焦点距離（第１の光学系の対物面から主面までの距離）とレーザ源の小さい放射口とにより、球上の光学的実効面積は、軸近傍の領域に制限される。この理由のみのために、球の結像収差は小さいままである。残りの結像収差（主として球面収差）は、例示的実施形態において説明されるように第２の光学系の非球面形状によって補正される。

図３は、例示的実施形態による光学ビーム整形ユニット（例えば、図１に基づいて先に説明された距離測定装置１００）内のビーム経路の概略図を示す。光学ビーム整形ユニットは、球面レンズ１０２と、この場合には非球面平凸レンズの形式で設計された光学ユニット１０８とを有する。

距離測定装置では、光源１０４の画定された放射面ＡＦからのレーザ放射の可能な限り小さい広がりが通常実現されるべきであり、すなわち、球面レンズ１０２により、放射面の低減サイズの像が配置の中間像平面ＺＢＥ_球内に生成されなければならない。例示的実施形態では、球面レンズ１０２は、ｚ方向に移動可能であるマウント１０２ａ内に保持される。このアセンブリがｚ方向に移動される場合、すなわち、距離Ｚ_ＬＤが変更される場合、球面レンズ１０２の主面ＨＨ｀_球からの放射面ＡＦの距離は変化する。ここで、中間像の位置ＺＢＥ_球も公知の関係ｚ｀_ＬＤ＝ｆ｀^２球／ｚ_ＬＤ（近軸結像式）に従って変化する。さらなるマウントに搭載され、コリメータとして具現される光学ユニット１０８は、同様にｚ方向に移動可能であり、コリメータ１０８の焦点面Ｆ_{コリメータ}が球面レンズ１０２の中間像平面ＺＢＥ_球に再び一致するように移動される。これは、放射面ＡＦから出る光線束の明確なコリメーションを保証する。この結果は、式：ｔａｎθ＝ｙ_ＬＤ／ｆ｀_{コリメータ}に従って中間像に比例するレーザ広がりである。

例えば、ＺＢＥ_球への出口面ＡＦの１：１結像を仮定し、１ｍｍ直径の球面レンズ１０２が選択される場合、ｚ方向の球面レンズ１０２の１ｍｍの移動の結果は、当初のレーザ広がりの半分である。

図５は、例示的実施形態による光学ビーム整形ユニット（例えば、図１に基づいて先に説明された距離測定装置１００）内のビーム経路の概略図を示す。光学ビーム整形ユニットは、球面レンズ１０２と、この場合には非球面平凸レンズの形式で設計された光学ユニット１０８とを有する。

このさらなる例示的実施形態は、遠視野におけるレーザビームの子午線方向広がりと、矢状方向広がりとの関係を上述の配置によってどのように変更することが可能であるかを示すように意図されている。

これらの構造により、半導体レーザダイオードは、８０μｍ〜約２００μｍの遅軸（ＳＡ）の方向と、１μｍ〜約１０μｍの速軸（ＦＡ）の方向とにレーザ出口開口を有する。レーザ測定技術において使用される半導体レーザダイオードは強非点収差放射パターンを有する。ここで、典型的放射角は、ＳＡにおいて６°〜１５°およびＦＡにおいて２０°〜２５°である。図４は、このような放射パターンを定性的に示す。この図は、どのように関係Ｓ_０／Ｍ_０，．．．Ｓ_４／Ｍ_４がｚ位置（Ｚ_０，．．．．．．Ｚ_４）に応じて連続的に変化するかを明確に示す。

レーザ距離測定装置またはレーザ照明器においてこのような半導体レーザダイオードを使用する際、目的は、可能な限り方形であるビーム断面（Ｚ_１）であるが、少なくとも所定のビーム断面（Ｚ_２、．．．．Ｚ_４）を生成することである。

所定のビーム断面を生成するための配置が図５に示される。光学配置（例えば、距離測定装置）は、図１に示す基本配置と同一である。しかし、図５によるこの例示的実施形態では、光源１０４として具現化されたレーザダイオードは、ｚ方向に移動可能であるように配置される。ここで、コリメータ１０８に対する球面レンズ１０２の位置は可変ではなく、球面レンズの中間像平面ＺＢＥ_球はコリメータ１０８の焦点面Ｆ_{コリメータ}に一致する。

ｚ方向におけるレーザダイオード１０４の移動により、図４からのレーザ開口の常に異なるビーム断面（Ｓ_１−Ｍ_１．．．．．．．Ｓ_４−Ｍ_４）は、球面レンズ１０２の対物面ＯＥ_球内に出現する。子午線方向および矢状方向における球面レンズの像面ＺＢＥ_球内に形成されるものは、比例中間像である。これらは、コリメータ１０８によって遠視野へ結像（コリメート）される。したがって、ｚ位置（図４におけるＺ_１．．．Ｚ_４）に応じて、異なる子午線方向広がり／矢状方向広がり比を有するレーザ断面が得られる。例えば、図４におけるｚ位置Ｚ_１が球面レンズ１０２の対物面内に位置するようにレーザダイオード１０４が移動される場合、その結果は遠視野内の方形ビーム断面である。

添付図面において説明され示された例示的実施形態は、純粋に一例として選択された。様々な例示的実施形態は、完全にまたは個々の特徴に関連して互いに組み合わせられ得る。さらなる例示的実施形態の特徴を有する例示的実施形態を補足することも可能である。

１つの例示的実施形態が第１の特徴と第２の特徴との間に「および／または」接続詞を含む場合、これは、一実施形態による例示的実施形態が第１の特徴と第２の特徴との両方を有し、さらなる実施形態による例示的実施形態が第１の特徴のみまたは第２の特徴のみのいずれかを有することを意味するものと読まれ得る。

Claims (11)

1. 光線束（１０６）を整形するための光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）において、前記光線束（１０６）を整形するための少なくとも１つの球面レンズ（１０２）を有し、前記球面レンズ（１０２）は、前記球面レンズ（１０２）に入射する光の主要部分が通過することを可能にし、前記光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）は、前記球面レンズ（１０２）を有する１つのビーム経路内に配置される、正の実効焦点距離を有する少なくとも１つの光学ユニット（１０８）を有することを特徴とする、光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）。
2. 前記光線束（１０６）を生成するための少なくとも１つの光源（１０４）によって特徴付けられ、前記球面レンズ（１０２）は、前記光源（１０４）によって生成される前記光線束（１０６）を前記光学ユニット（１０８）の方向に結像するように具現化される、請求項１に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）。
3. 前記光学ユニット（１０８）は、集光レンズとして、ミラーとして、および／またはレンズ系として具現化されることを特徴とする、請求項２に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）。
4. 前記光源（１０４）は、前記光線束（１０６）としてレーザビームを発射するように具現化され、特に、前記光源（１０４）は、レーザダイオードの形式で具現化されることを特徴とする、請求項２または３に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）。
5. 前記光源（１０４）は、波長範囲λ＿Ｂにおいて前記光線束を発射し、および前記球面レンズ（１０２）は、前記波長範囲λ＿Ｂにおいて前記球面レンズ（１０２）に入射する光の主要部分が通過することを可能にすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）。
6. 前記球面レンズ（１０２）および／または前記光学ユニット（１０８）は、ｚ方向（ｚ）に移動可能であるように具現化されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）。
7. 前記光源（１０４）は、前記ｚ方向（ｚ）に移動可能であるように具現化されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）。
8. 入射光線束（１１８）を検出するための検出器装置（１１６）および／または少なくとも１つのさらなる球面レンズ（１１４）によって特徴付けられ、前記さらなる球面レンズ（１１４）は、前記入射光線束（１１８）を前記検出器装置（１１６）上へ導くように具現化される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）。
9. 前記入射光線束（１１８）を前記さらなる球面レンズ（１１４）上へ導くための少なくとも１つの光学的追加ユニット（１２２）によって特徴付けられる、請求項８に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）。
10. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）を有する距離測定装置（１００）。
11. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学ビーム整形ユニット（１０２、１０８）を有するレーザ照明器。

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