JP2020507122A - 光ビームをコリメートするための装置、高出力レーザおよび集光光学ユニット、並びに光ビームをコリメートするための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１平面（ＦＡＣ）および第２平面（ＳＡＣ）において異なるビーム特性を有する光源（Ｌ）の光照射野をコリメートするための装置に関する。この装置は、少なくとも１つの第１コリメーションレンズ（１０）と、第２コリメーションレンズ（２０）とを含む。装置は、第１平面および第２平面とは異なる平面内の光照射場をコリメートするための追加の光学素子（３０）を含む。

Description

本発明は、独立請求項の前提部分に記載されたように、光ビームをコリメートするための装置、高出力レーザおよび集光光学ユニット、並びに光ビームをコリメートするための方法に関する。

光ビームをコリメートするための装置は、高出力ダイオードレーザ、特に量子カスケードレーザに使用される。このような装置は、一般的に、非対称光視野を有するレーザに応用される。

高出力ダイオードレーザは、ワット範囲の高出力の照射光を光ビームとして照射できるために、広いストライプ構造を有する半導体レーザである。このような単一の発光体は、原点平面から、原点平面に対して予め定義されたビーム方向を有する光ビームを生成する。２つの平面、すなわち、第１平面（高速軸）および第１平面と直交する平面（低速軸）がこのビーム方向に沿って延在している。この光ビームは、第１平面および第２平面において異なるビーム特性を有する。単一の発光体は、シングルモード発光体として使用される場合、第１軸に沿った原点平面において１μｍ規模の寸法を有し、この面において０．５〜０．７の開口数を有する。低速軸では、単一の発光体は、シングルモードまたはマルチモード発光体の種類に応じて原点平面において３〜２００μｍのの寸法を有し、光ビームは、この面において０．０５〜０．２の開口数を有する。これは、使用されるレーザ光源の波長および出力に依存する。

これらの高出力ダイオードレーザがしばしば光導波路に結合されるため、集光のために、集光光学ユニットの上流の光照射野を可能な限り対称にする必要がある。これを実現するために、先行技術から既知のように、高速軸および低速軸のコリメーションを別々に行う。まず、円柱状のコリメーションレンズＦＡＣ（高速軸コリメータ）を用いて、この平面のみで高速軸をコリメートする。次に、円柱状のコリメーションレンズＳＡＣ（低速軸コリメータ）を用いて、低速軸平面内の光ビームの一部をコリメートする。その後、ＦＡＣおよびＳＡＣの下流の光照射野は、集光光学ユニットによってファイバーコアに集光される。

出力を上げるために、しばしば、チップ上に複数の発光体を備えたレーザダイオードアレイが使用される。この場合も、ＦＡＣを用いてコリメーションを行う。しかしながら、複数の発光体が低速軸平面に沿って原点平面において並列に配置されているため、個別のＳＡＣを用いて各発光体をコリメートする必要がある。これは、通常、並列に配置されたＳＡＣからなるアレイによって実現される。この場合、ＳＡＣ間の距離を発光体間の距離に対応する必要がある。

また、原点平面に複数の発光体を備えたチップを使用してもよい。これらの発光体は、高速軸平面に沿って並列に配置されている。この場合においても、発光体が５〜２０μｍの距離にあるため、１つのＦＡＣのみを用いてコリメーションを行う。したがって、低速軸平面および高速軸平面においてレーザダイオードアレイを使用することができる。

しかしながら、高速軸平面でも低速軸平面でも伝播しない照射または光の部分のコリメーションは、不十分である。これによって、照射野がぼやけるまたは部分的に不鮮明になる。例えば、この照射野を光ファイバガイドに結合すると、出力損失が発生する可能性がある。その理由は、全ての照射光を結合することができず、実質的に完全にコリメートされた部分のみが結合されるためである。

短波光ビームの場合、例えば、青色レーザダイオードからの波長が約４５０ｎｍの光ビームの場合、開口数は通常大きくなる。これも同様に大きな損失をもたらす。

日本応用物理学会誌（Japanese Journal of Applied Physics：１９９４年、巻３３、第１３６３〜１３６４頁）は、非球面レンズを含むコリメーション装置を開示している。この装置において、まず、１つのレンズを用いて円形コリメーションを行い、２つの円柱レンズをさらなるビーム経路に配置する。代替的には、各々が一方の凸状面と他方の凹状面とを有する２つのアナモルフィックレンズを連続して配置してもよい。

米国特許出願２０１６／０２７４３６８Ａ１は、各々が「高速軸」コリメータを備えたダイオードからなるアレイを含むダイオード装置を開示している。照射方向には、球面／非球面望遠鏡ユニットからなるアレイに続き、円柱レンズからなるアレイが配置される。最後に、この装置は、コリメーションレンズを備えた集光ユニットを含む。

米国特許６１９５２０８Ｂ１は、非点収差且つ非円形の発散レーザビームをコリメートされた円形のレーザビームに変換する非球面レンズを開示している。入力面は、横方向に凹状の非球面形状を有し且つ縦方向に凸状の非球面形状を有し、出力面は、横方向に凸状の非球面形状を有し且つ縦方向に非湾曲形状を有する。

本発明の目的は、従来技術のこれらの欠点およびさらなる欠点を排除することである。

この目的は、独立特許請求項に定義されている装置および方法によって達成される。さらなる実施形態は、従属特許請求項から明らかである。

この目的は、第１平面および第２平面において、発散に関して、すなわち、方向に対する出射角に関して異なるビーム特性を有する入射光の照射野をコリメートするための本発明の装置によって達成される。光照射野は、光源から出射され、ビーム方向において高速軸に沿って急速に発散し、高速軸に垂直な低速軸に沿ってより遅く発散する少なくとも１つの光ビームを含む。第１平面は、好ましくは、発光体の高速軸方向およびビーム方向を跨り、第２平面は、好ましくは、発光体の低速軸方向およびビーム方向を跨る。したがって、２つの平面は、互いに直交する。よって、ビーム方向に沿った第１面の出射角は、ビーム方向に沿った第２面の出射角とは異なる。

装置は、ビーム方向に垂直な非円形断面を有する入射光ビーム、特にレーザダイオードによって生成された光ビームと同様に、球面集光レンズによって集光されていない入射光ビームをコリメートするように機能する。

装置は、第１平面内の光照射野をコリメートするための少なくとも１つの第１コリメーションレンズと、第２平面内の光照射野をコリメートするための少なくとも１つの第２コリメーションレンズとを含む。

直交する平面用のコリメーションレンズは、照射方向に沿って前後に配置されている。第１コリメーションレンズおよび第２コリメーションレンズは、典型的には、最初に高速軸平面のコリメーションを行い、続いて低速軸平面のコリメーションを行うように配置される。低速軸コリメーションは、例えば、円形レンズまたは部分的に円柱レンズによって行われ、高速軸コリメーションは、多項式形状を有する円柱レンズによって行われる。同様に、低速軸コリメーションは、多項式形状を有する円柱レンズによって行われてもよい。

コリメーションによって、光照射野の発散部分がそれぞれビーム方向と平行に整列される。しかしながら、光照射野は、第１コリメーション、例えば高速軸コリメーション、および第２コリメーション、例えば低速軸コリメーションを行った後に平行に整列されていない部分を含む。第１コリメーションおよび第２コリメーション、例えば高速軸コリメーションおよび低速軸コリメーションの直後に、補正なしで集光光学ユニットを用いて光照射野を集光する場合、これらの部分は、目標領域において結像せずまたは不十分に結像し、出力損失をもたらす可能性がある。

本発明によれば、装置は、第１コリメーションレンズおよび第２コリメーションレンズによって、すなわち、高速軸コリメーションおよび低速軸コリメーションによって、平行に整列されていない光照射野の部分をビーム方向と平行に整列するように構成された追加の光学素子を含む。

特に、平行に整列されていない実質的に全ての部分は、光学素子によって平行に整列される。特に第１平面および第２平面とは異なり且つ同様にビーム方向に沿って延在する少なくとも１つの平面内の光ビーム、特に第１平面および第２平面と異なる全ての平面内の光ビームは、コリメートされる。特に、第１平面および第２平面の光ビームは、さらなる光学素子によってコリメートされない。

光学素子は、ビーム方向に沿って、好ましくは第１コリメーションレンズの下流、好ましくは第２コリメーションレンズの下流に配置される。

本明細書に記載されたように、入射光ビームは、性質上、高速軸平面と低速軸平面とを有する。光ビームは、これらの面の間に、「スキュー」伝播方向に沿って高速軸平面および低速軸平面に伝播していない部分を有する。これらの部分は、高速軸コリメーションおよび低速軸コリメーションによってコリメートされておらず、すなわち、ビーム方向と平行に整列されていない。光ビームのこれらの部分も、追加の光学素子によってコリメートすることができる。

高速軸コリメーションおよび低速軸コリメーションによって整列されている光ビームの部分は、追加の光学素子によって影響されない。

装置は、出射する光照射野が実質的にビーム方向と平行に整列された部分のみを有するように構成されている。

これによって、光照射野が完全にコリメートされる。従来技術に比べて、より多くの光照射野の部分がコリメートされ、したがって集光できるため、出力を増加することができる。換言すれば、集光光学ユニットによって、より多くの光照射野の部分を特定の領域に集光することができる。

追加の光学素子は、第１コリメーションレンズおよび第２コリメーションレンズから独立した別のコリメーションレンズによって形成されてもよい。

第１コリメーションレンズおよび第２コリメーションレンズが一体的に形成されることが考えられる。したがって、第１レンズおよび第２レンズは、同一の物理要素によって形成されてもよい。

追加の光学素子は、第３コリメーションレンズによって形成されてもよい。
第３コリメーションレンズは、「スキュー」伝播方向の部分のために特別に設計された曲率を有する後者の製造を可能にする。

この場合、第３コリメーションレンズを、光ビームのビーム方向に沿って第１コリメーションレンズの下流および第２コリメーションレンズの下流に配置することができる。

これによって、３つのステップでコリメーションを実行することができる。第１ステップでは、高速軸のコリメーションを実行し、第２ステップでは、低速軸のコリメーションを実行し、第３ステップでは、「スキュー」伝播方向のコリメーション、換言すれば、上記２つの平面のどちらにも位置していない光部分のコリメーションを実行する。

第３コリメーションレンズ、換言すれば、追加の光学素子をコリメーションチェーンの後ろに配置することは、光照射野の大部分が既に高速軸平面および低速軸平面においてコリメートされたため、追加の要素によってこれらの平面に位置していない「スキュー」伝播方向の部分のみを完全にコリメートする必要があるという利点を提供する。これらの平面の「スキュー」伝播方向の部分は、通常、第１コリメーションレンズおよび第２コリメーションレンズによってコリメートされている。しかしながら、この場合、コリメーションは、完全に行われていない。次に、光照射野のこれらの部分は、追加の光学素子によって完全にコリメートされる。こによって、実質的に全ての光照射野はコリメートされる。

しかしながら、第３コリメーションレンズを、ビーム方向に沿って第１コリメーションレンズと第２コリメーションレンズとの間に配置することも同様に考えられる。

必要に応じて、例えば低速軸において光の主要部分をコリメートする前に、高速軸コリメーションおよび低速軸コリメーションによってコリメートされていない光照射野の部分、換言すれば、主軸上に位置していない光照射野の部分をコリメートすることが有利である場合がある。これによって、最終のコリメーションの前に、「スキュー」伝播方向の光を先に全体的にまたは部分的にコリメートすることができる。

好ましくは、追加の光学素子は、第２コリメーションレンズ上の領域によって形成される。特に好ましくは、追加の光学素子は、第２コリメーションレンズの一体部分として形成される。

これによって、別体の第３素子を省くことができる。したがって、装置の構造寸法を小さくすることができる。２つのレンズのみを配列する必要があるため、第３コリメーションレンズを有する装置に比べて、装置の精度が高くなる。したがって、品質の向上が可能である。

この場合、装置は、好ましくは、第１コリメーションレンズおよび第２コリメーションレンズからなり、第２コリメーションレンズは、光学素子を含む。

照射方向から見る場合、コリメーションレンズは、通常、入射側および射出側を備える。追加の光学素子の領域を第２コリメーションレンズの照射方向の入射側に配置し、第２平面内の光照射野をコリメートするための表面を第２コリメーションレンズの照射方向の出射側に配置することができる。

これによって、第３コリメーションレンズの場合と同様に、他のコリメーションレンズなどの他の光学素子から独立して、光照射野をコリメートするための第２表面および光学素子を製造することができ、必要に応じて設定することができる。

しかしながら、第２平面内の光照射野をコリメートするための表面と追加の光学素子とを組み合わせて、それらを第２コリメーションレンズの照射方向の出射側に配置することも考えられる。同様に、この組み合わせを第２コリメーションレンズの照射方向の入口側に配置することも可能であり、考えられる。

次に、レンズの対応する表面を自由曲面に形成する。換言すれば、入射する光ビームの特性に応じて異なる方向に異なるようにこの表面を湾曲することができる。これによって、低速軸における光の主要部分のコリメーションに加えて、低速軸コリメーションまたは高速軸コリメーションによって平行に整列されていない光ビームも同様にコリメートすることができる。

同様に、追加の光学素子は、第１コリメーションレンズ上の領域によって形成され、好ましくは第１コリメーションレンズの一体部分として形成されることが考えられる。

この場合、追加的にまたは代替的に、追加の光学素子の領域を第１コリメーションレンズの入射側に配置し、第１平面内の光照射野をコリメートするための表面を第１コリメーションレンズの照射方向の出射側に配置することができる。

これによって、第３コリメーションレンズの場合と同様に、他のコリメーションレンズなどの他の光学素子から独立して、光照射野をコリメートするための第１表面および光学素子を製造することができ、必要に応じて設定することができる。

しかしながら、第１平面内の光照射野をコリメートするための表面と追加の光学素子とを組み合わせて、それらを第１コリメーションレンズの照射方向の出射側に配置することも考えられる。同様に、この組み合わせを第１コリメーションレンズの照射方向の入口側に配置することも可能であり、考えられる。

次に、レンズの対応する表面を自由曲面に形成する。換言すれば、この表面は、入射光ビームの特性に応じて異なる方向に異なるようにこの表面を湾曲することができる。これによって、低速軸における光の主要部分のコリメーションに加えて、低速軸コリメーションまたは高速軸コリメーションによって平行に整列されていない光ビームも同様にコリメートされる。

好ましくは、追加の光学素子は、自由曲面の一部として形成され、追加の光学素子の表面は、ビーム方向に垂直な２つの異なる方向において少なくとも２つの異なる曲率を有し、ビーム方向に垂直な方向に沿った少なくとも１つの曲率の曲率半径は、一定ではない。

一例として、表面は、低速軸の方向に凸状に湾曲されてもよく、特に低速軸に垂直な方向に凹状に湾曲されてもよい。

これによって、異なる入射方向の光ビームを平行にコリメートすることができ、集光することができる。

好ましくは、自由曲面は、高速軸方向および／または低速軸方向に沿って非球面に湾曲される。

好ましくは、追加の光学素子を含むコリメーションレンズは、２次元偶数次多項式で表される表面トポグラフィを有する。

好ましくは、多項式のｘ^２ｎ項の係数は、ゼロ以下の値を有する。特に、少なくともｘ^２項およびｘ^４項の係数は、ゼロ未満である。特に、ｙ^２ｎ項の係数は、ゼロに等しい。好ましくは、多項式のｘ^２ｎｙ^２ｍ項の係数は、ゼロ以上の値を有する。特に、少なくともｘ^２ｙ^２項の係数は、ゼロより大きい。

多項式は、例えば、以下の形を有する。
Ｈ（ｘ，ｙ）＝ａ_２０ｘ^２＋ａ_４０ｘ^４＋ａ_２２ｘ^２ｙ^２＋ａ_６０ｘ^６＋ａ_４２ｘ^４ｙ^２＋ａ_２４ｘ^２ｙ^４
式中、Ｈは、ビーム方向における表面の高さを示し、ｘおよびｙは、ビーム方向に垂直な平面内の直交座標軸であり、特にｘ軸は、低速軸の方向に沿って延在し、ｙ軸は、高速軸の方向に沿って延在する。ａは、発光体に依存する特定の係数である。好ましくは、全ての係数は、非ゼロである。

係数ａ_２０、ａ_４０およびａ_６０は、ゼロ以下である。好ましくは、ａ_２０およびａ_４０は、ゼロ未満である。多項式のこれらの部分は、それ自体が円柱レンズを表し、好ましくは低速軸コリメーションを引き起こす。

混合項ａ_２２およびａ_４２の係数は、ゼロ以上である。好ましくは、ａ_２２は、ゼロより大きい。

同様に、第１コリメーションレンズと第２コリメーションレンズと追加の光学素子とが一体的に形成されることも考えられる。この場合、この一体化素子が光入射面と光出射面とを有する場合、本明細書に従ってこれらの面を形成することは、有利である。例示として、入射面は、高速軸平面の光照射野および光照射野の「スキュー部分」を全体的にまたは部分的にコリメートすることができ、出射面は、低速軸平面の光照射野を全体的にまたは部分的にコリメートすることができる。同様に、低速軸平面の光照射野および光照射野のスキュー部分を同時に全体的にまたは部分的にコリメートすることも考えられる。

これによって、２つの光学面（入射面および出射面）を有する１つの素子を用いて、高速軸平面、低速軸平面、および高速軸平面と低速軸平面との間の全ての平面の３つのコリメーションを組み合わせて行うことができる。その結果、精度を向上すると共に、より少ない個別部品を用いて素子をより簡単に製造することができる。

本発明のさらなる態様は、少なくとも１つの発光体、好ましくは複数の発光体と、本明細書に記載された少なくとも１つの装置とを含む高出力ダイオードレーザに関する。特に、この高出力ダイオードレーザは、多数のレーザダイオードが並列に配置されているレーザダイオードバーを備える。

上記のコリメーション装置と同様に、選択された特性を有する対応の高出力ダイオードレーザを提供することができる。この高出力ダイオードレーザは、全ての出射光のコリメーションを改善することによって、従来技術に比べてより高い効率を有する。

提案された高出力ダイオードレーザは、高速軸または低速軸平面に沿って原点平面に並列に配置された複数の発光体からなるアレイを含むことができる。このアレイは、各々の発光体の光ビームによって構成された光照射野を生成する。

この場合、特に、低速軸コリメータ、高速軸コリメータおよび追加の光学素子は、各発光体に設けられる。

したがって、本発明の一態様は、特に本明細書に記載された高出力ダイオードレーザまたはモジュールに使用される複数のコリメーションレンズを含むアレイに関する。

このコリメーションレンズアレイは、第１平面の光照射野をコリメートするための１つ、２つまたは複数の第１コリメーションレンズおよび／または第２平面の光ビームをコリメートするための１つ、２つまたは複数の第２コリメーションレンズを含み、これらの平面は、互いに垂直であり、ビーム方向と交差する。

第１コリメーションレンズおよび第２コリメーションレンズは、好ましくは、ビーム方向に対して互いに前後に配置される。コリメーションレンズアレイは、「スキュー」伝播方向の光照射野をビーム方向と平行に整列するように、換言すれば、コリメートするように、特に第１平面および第２平面とは異なる平面においてコリメートするように、第１コリメーションレンズおよび／または第２コリメーションレンズの各々に設けられた追加の光学素子を備えている。いずれかの場合、光学素子は、好ましくは、対応する第１コリメーションレンズおよび／または第２コリメーションレンズ上の自由曲面として製造される。

光学素子は、好ましくはビーム方向に対して第１コリメーションレンズの下流に配置され、より好ましくはビーム方向に対して第２コリメーションレンズの下流に配置される。

全ての発光体が低速軸に沿って非常に精確に並んで配置されているため、全ての発光体に対して共通のコリメーションレンズを用いて、第１平面のコリメーションを実現することができる。

レーザダイオードバーの高速軸コリメーションを行うために、例えば、レーザダイオードバーの全長に亘って延在する円柱レンズを使用することができる。この場合、円柱レンズの軸は、レーザダイオードバーの長手方向と平行に延在する。低速軸コリメーションの場合、並列に配置された円柱レンズを有するレンズアレイを使用することができる。この場合、これらの円柱レンズの軸は、ビーム方向およびレーザダイオードバーの長手方向に垂直である。

これによって、高出力を有する高出力ダイオードレーザを提供することができる。各々の発光体は、個別にコリメートすることができるため、最大の効率を実現することができる。この配置によって、各発光体の光照射野の「スキュー」伝播方向を完全にコリメートできるため、より高い出力密度で光を所定の領域に集中させることができる。

本発明のさらなる態様は、上述したコリメーション装置と集光光学ユニットとを含むモジュール、または上述した高出力ダイオードレーザと集光光学ユニットとを含むモジュールに関する。

その結果、本明細書に記載された特性、特にビーム方向と平行に整列された光照射野部分および本明細書に記載された利点を有する光ビームまたは光照射野を提供することができ、高い効率で対応する要素に結合することができる。

同様に、本発明のさらなる態様は、第１平面および第２平面において出射角度に関して異なるビーム特性を有する光ビームをコリメートするための方法に関する。好ましくは、この方法は、本明細書に記載された装置、本明細書に記載された高出力ダイオードレーザ、または本明細書に記載されたモジュールによって実行される。この方法は、
第１平面内の光ビームの一部に対して第１コリメーション、特に高速軸コリメーションを行うステップと、
第２平面内の光ビームの一部に対して第２コリメーション、特に低速軸コリメーションを行うステップと、
第１コリメーションおよび第２コリメーションによってビーム方向と平行に整列されていない光照射野の一部、特に第１平面および第２平面とは異なる方向を有する光照射野の一部に対して第３コリメーションを行うステップとを含む。

この方法によって、より高い割合の光照射野をコリメートすることができ、その後集光光学ユニットに利用される。その結果、出力密度が増加する。

この場合、好ましくは、光学素子を用いて、２つのコリメーションを組み合わせて行い、特に第２コリメーションと第３コリメーションとを組み合わせて行い、換言すれば、第２平面の光照射野の部分のコリメーションと第１平面および第２平面の両方と異なる平面を有する光照射野の部分のコリメーションとを組み合わせて行う。

以下の図を参照して本発明を説明する。

従来技術に従った装置を示す図である。 図１の装置の詳細を示す図である。 図１の装置の第１面および第２面のコリメーションを行った後の光照射野を示す図である。 本発明に従った装置の一例示的な実施形態を示す図である。 図３の装置の詳細を示す図である。 図３の装置のコリメーションを行った後の光照射野を示す図である。 図１の装置に関する比較実験を示す図である。 図１の装置に関する比較実験を示す図である。 図１の装置に関する比較実験を示す図である。 図３の装置に関する比較実験を示す図である。 図３の装置に関する比較実験を示す図である。 図３の装置に関する比較実験を示す図である。

図１は、従来技術に従って、光ビームをコリメートするための装置を示している。（発光体の）光源の光照射野Ｌは、ビーム方向Ｒを有し、第１コリメーションレンズ１０および第２コリメーションレンズ２０を連続的に通過する。

光源（発光体）は、本明細書の図面には示されていない。発光体は、光照射野Ｌがビーム方向Ｒに沿って延在する原点平面を規定する。２つの平面、すなわち、第１平面Ｆ（高速軸）および第１平面と直交する平面Ｓ（低速軸）が、このビーム方向Ｒに沿って延在する。第１平面Ｆと第２平面Ｓとは、ビーム方向に沿って交差する。光照射野Ｌは、第１平面Ｆおよび第２平面Ｓにおいて異なるビーム特性、すなわち、異なる発散を有する。

この場合、光照射野の一部は、高速軸面Ｆにおいて第１コリメーションレンズ１０によってコリメートされる。したがって、光照射野Ｌは、新しい特性を有し、光照射野Ｌ１と呼ばれる。光照射野Ｌ１は、第２コリメーションレンズ２０に進入する。第２コリメーションレンズ２０は、低速軸平面Ｓ内の光をコリメートする。第２コリメーションレンズ２０の下流の方向変更された（コリメートされた）光照射野Ｌ１は、新しい特性を有し、光照射野Ｌ２と呼ばれる。

図１ａは、図１のコリメーションレンズ２０の詳細を示している。コリメーションレンズ２０は、入射側Ｅ２０と出射側Ａ２０とを有する。第２平面内の光照射野をコリメートするための表面２１は、出射側Ａ２０に配置されている。この場合、表面２１は、円筒形に形成される。

図２は、図１に示す従来技術の装置によってＦＡＣおよびＳＡＣコリメーションを行った後の照射野のシミュレーションを示している。照射野の縁部には、２つの平面のどちらにも位置しておらず、コリメートされていない光照射野の部分に起因するぼやけた領域が認識できる。

図３は、本発明に従った装置の一実施形態を示す。図３の装置は、構造上、図１の装置に対応しており、第１コリメーションレンズ１０およびコリメーションレンズ２０′を備える。第２コリメーションレンズ２０′は、追加の光学素子３０を備えるように形成される。図１と同様に、光源Ｌの光照射野は、まず、第１コリメーションレンズ１０を通過し、光照射野Ｌ１として第２コリメーションレンズ２０′をさらに通過して、光照射野Ｌ２′として第２コリメーションレンズ２０′から離れる。

図３ａは、図１に対応する図３の装置の詳細、すなわち、第２コリメーションレンズ２０′の一部を示している。コリメーションレンズ２０′は、入射側Ｅ２０と出射側Ａ２０とを有する。第２平面内の光照射野をコリメートするための表面２１′は、第２の追加の光学素子３０と一体に製造される。図２ａの表面２１と同様に、表面２１′は、基本的に多項式曲率を有する円筒形に形成される。しかしながら、この円筒形状は、追加の光学素子３０を形成する自由曲面と重なる。この場合、表面３０と表面２１′との合併領域は、実施形態の基本的に円筒形の凸面に対して、わずかに横方向に凹むように形成される。

自由曲面は、次の公式に従って形成される。
ｈ（ｘ，ｙ）＝ａ_２０ｘ^２＋ａ_４０ｘ^４＋ａ_２２ｘ^２ｙ^２＋ａ_６０ｘ^６＋ａ_４２ｘ^４ｙ^２＋ａ_２４ｘ^２ｙ^４
これによって、低速軸面内の光照射野のコリメーションが可能になり、さらに、低速軸面および高速軸面のいずれかの面に伝播していない光のコリメーションが可能になる。

特に、自由曲面は、以下の多項式に従って形成されてもよい。
ｈ（ｘ，ｙ）＝ａ_２０ｘ^２＋ａ_２２ｘ^２ｙ^２＋ａ_４０ｘ^４
式中、ａ_２０およびａ_４０は、ゼロより小さく、ａ_２２は、ゼロより大きい。例えば、ａ_２０＝−６．２５０ｅ^−０２、ａ_２２＝−２．１４ｅ^−０３、ａ_０４＝−１．０７ｅ^−０４。係数の値は、通常、コリメーションレンズの屈折力、例えばガラスの種類および厚さに応じて定義される。

図４は、ＦＡＣおよびＳＡＣ並びに素子３０によってそれらと異なる平面の追加のコリメーションを行った後の光照射野のシミュレーションを示している。図２のシミュレーションとは対照的に、図４では、縁部のぼやけた領域が見られなくなる。所定の領域のエネルギーが増えた。このことは、比較するための図５ａ〜５ｃ（図１の従来技術）および図６ａ〜６ｃ（図３の装置）にも示されている。

図５ａおよび６ａはそれぞれ、コリメーションおよび集光光学ユニットによる集束後の光照射野の形状を示している。この場合、図６ａは、最適にコリメートされていない「スキュー」伝播方向に起因する広がりが小さいビーム形状を示している。図６ａにおいて、中央のより高い強度を確認することができる。図５ｂおよび６ｂは、高速軸平面において正規化されたビーム形状を示している。比較によって、ビーム断面積の改善および二次最大値の減少が分かる。図５ｃおよび６ｃは、所定の領域に閉じ込まれたエネルギーを示している。比較によって、提案された解決案の効率が大幅に改善されていることが分かる。一例として、本発明に従って最適化されたＦＡＣおよびＳＡＣまたはＳＡＣおよび集光光学ユニットの使用構成を含む本発明の解決案によって、従来技術に比べて２倍に縮小した領域に、９０％のエネルギーを集中させることができる。

Claims (20)

1. 第１平面（Ｆ）および第２平面（Ｓ）においてビーム方向に対する出射角に関して異なるビーム特性を有する少なくとも１つの発光体から発する光照射野（Ｌ）をコリメートするための装置（１００）であって、
   好ましくは、第１平面と前記第２平面とが互いに直交するように、第１平面は、前記発光体の高速軸方向および前記ビーム方向を跨り、前記第２平面は、前記発光体の低速軸方向および前記ビーム方向を跨り、
   前記装置は、
   前記第１平面（Ｆ）内の前記光照射野（Ｌ）をコリメートするための、特に高速軸コリメーションを行うための少なくとも１つの第１コリメーションレンズ（１０）と、
   前記第２平面（Ｓ）内の前記光照射野（Ｌ）をコリメートするための、特に低速軸コリメーションを行うための少なくとも１つの第２コリメーションレンズ（２０）とを含み、
   前記装置は、追加の光学素子（３０）を含み、
   前記追加の光学素子（３０）は、前記第１コリメーションレンズおよび前記第２コリメーションレンズによって平行に整列されていない前記光照射野（Ｌ）の一部を前記ビーム方向と平行に整列するように、特に前記第１平面（Ｆ）および前記第２平面（Ｓ）とは異なる少なくとも１つの平面内の前記光照射野（Ｌ）をコリメートするように構成される、装置（１００）。
2. 前記光学素子（３０）は、第３コリメーションレンズによって形成される、請求項１に記載の装置（１００）。
3. 前記第３コリメーションレンズは、前記ビーム方向（Ｒ）に沿って前記第１コリメーションレンズ（１０）と前記第２コリメーションレンズ（２０）との下流に配置される、請求項２に記載の装置（１００）。
4. 前記第３コリメーションレンズは、前記ビーム方向（Ｒ）に沿って前記第１コリメーションレンズ（１０）と前記第２コリメーションレンズ（２０）との間に配置される、請求項２に記載の装置（１００）。
5. 前記追加の光学素子（３０）は、前記第２コリメーションレンズ（２０）上の領域によって形成され、好ましくは前記第２コリメーションレンズ（２０）の一体部分として形成される、請求項１に記載の装置（１００）。
6. 前記領域は、前記照射方向（Ｒ）に沿って前記第２コリメーションレンズ（２０）の入射側に配置され、
   前記第２平面（Ｓ）内の前記光照射野をコリメートするための表面は、前記照射方向（Ｒ）に沿って前記第２コリメーションレンズ（２０）の出射側に配置される、請求項５に記載の装置（１００）。
7. 前記領域は、前記照射方向（Ｒ）に沿って出射側に配置され、
   前記第２平面（Ｓ）内の前記光照射野をコリメートするための表面は、前記照射方向（Ｒ）に沿って前記第２コリメーションレンズ（２０）の前記出射側に配置される、請求項５に記載の装置（１００）。
8. 前記追加の光学素子（３０）は、前記第１コリメーションレンズ（１０）上の領域によって形成され、好ましくは前記第１コリメーションレンズ（１０）の一体部分として形成される、請求項１に記載の装置（１００）。
9. 前記領域は、前記照射方向（Ｒ）に沿って前記第１コリメーションレンズ（１０）の入射側に配置され、
   前記第１平面（Ｆ）内の前記光照射野をコリメートするための表面は、前記照射方向（Ｒ）に沿って前記第１コリメーションレンズ（１０）の出射側に配置される、請求項８に記載の装置（１００）。
10. 前記領域は、前記照射方向（Ｒ）に沿って出射側に配置され、
    前記第１平面（Ｆ）内の前記光照射野をコリメートするための表面は、前記照射方向（Ｒ）に沿って前記第１コリメーションレンズ（１０）の前記出射側に配置される、請求項８に記載の装置（１００）。
11. 前記追加の光学素子（３０）は、自由曲面として形成され、
    前記追加の光学素子の表面は、２つの異なる平面において少なくとも２つの異なる曲率を有し、
    前記曲率のうち少なくとも１つの曲率は、一定の曲率半径を有しない、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置（１００）。
12. 前記追加の光学素子を備えたコリメーションレンズは、二次元偶数次多項式で表される表面トポグラフィを有し、特に、前記第２コリメーションレンズは、以下の式で表される表面トポグラフィを有し、
    ｈ（ｘ，ｙ）＝ａ_２０ｘ^２＋ａ_４０ｘ^４＋ａ_２２ｘ^２ｙ^２＋ａ_６０ｘ^６＋ａ_４２ｘ^４ｙ^２＋ａ_２４ｘ^２ｙ^４
    式中、ｈは、前記ビーム方向における前記表面の高さを示し、ｘおよびｙは、前記照射方向（Ｒ）に垂直な平面内の直交座標軸であり、パラメータａは、非ゼロである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置（１００）。
13. 前記第１コリメーションレンズ（１０）と前記第２コリメーションレンズ（２０）と前記追加の光学素子（３０）とは、一体に形成される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置（１００）。
14. 少なくとも１つの発光体、好ましくは複数の発光体と、
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載の少なくとも１つの装置とを備える、高出力ダイオードレーザ。
15. 前記第１平面（Ｆ）および／または前記第２平面（Ｓ）に沿って原点平面において並列に配置された複数の発光体からなるアレイを備え、
    各発光体には、追加の光学素子（３０）が設けられる、請求項１４に記載の高出力ダイオードレーザ。
16. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置（１００）と集光光学ユニットとを含む、または請求項１４または１５に記載の高出力ダイオードレーザと集光光学ユニットとを含む、モジュール。
17. 特に請求項１４または１５に記載の高出力ダイオードレーザまたは請求項１６に記載のモジュールに使用されるコリメーションレンズアレイであって、
    第１平面（Ｆ）内の光照射野（Ｌ）をコリメートするための１つ、２つまたは複数の第１コリメーションレンズ（１０）および／または第２平面（Ｓ）内の前記光照射野（Ｌ）をコリメートするための１つ、２つまたは複数の第２コリメーションレンズ（２０）を含み、
    前記第２平面（Ｓ）は、前記第１平面（Ｆ）と直交するように配置され、ビーム方向に沿って前記第１平面（Ｆ）と交差し、
    前記コリメーションレンズアレイは、前記第１コリメーションレンズ（１０）および／または前記第２コリメーションレンズ（２０）の各々に設けられた追加の光学素子（３０）を含み、
    前記追加の光学素子は、前記第１コリメーションレンズおよび前記第２コリメーションレンズによってビーム方向と平行に整列されていない前記光照射野（Ｌ）の一部、特に前記光照射場（Ｌ）を前記第１平面（Ｆ）および前記第２平面（Ｓ）とは異なる平面内の前記光照射野をコリメートするように構成される、コリメーションレンズアレイ。
18. 特に請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置（１００）を用いて、第１平面（Ｆ）および第２平面（Ｓ）において異なるビーム特性を有する光照射野（Ｌ）をコリメートするための方法であって、
    前記第１平面（Ｆ）の前記光照射野（Ｌ）の一部に対して第１コリメーション、特に高速軸コリメーションを行うステップと、
    前記第２平面（Ｓ）の前記光照射野（Ｌ）の一部に対して第２コリメーション、特に低速軸コリメーションを行うステップと、
    前記第１コリメーションおよび前記第２コリメーションによってビーム方向と平行に整列されていない前記光照射野の一部、特に前記第１平面（Ｆ）および前記第２平面（Ｓ）とは異なる平面を有する前記光照射野の一部に対してコリメーションを行うステップとを含む、方法。
19. 光学素子を用いて、少なくとも２つのコリメーションを組み合わせて行う、請求項１８に記載の方法。
20. 光学素子を用いて、３つのコリメーションを組み合わせて行う、請求項１８に記載の方法。