JP4012571B2 - 光線発射に関連するシステム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、回折光学素子を用いて表面又は空間に明瞭な光線（well-defined beam）を分配するためのシステムに関する。
発明の背景
周知のように、レーザー光源から放射される光線の空間的及び時間的コヒーレンシー（space and time coherency）は、「通常」の熱的光源（例えば通常の電球）からの光線よりも非常に高い。レーザー光線（laser beam）のこうした特徴は非常に貴重であり、この特徴によって、近年の光学技術は、例えばＣＤ技術など通じて、社会に重要な様々な新規応用分野を産み出している。特に気体レーザー、例えばよく知られるHeNe（ヘリウムネオン）レーザーやアルゴンイオンレーザーは、電磁波スペクトルの可視領域に、非常に優れた空間的コヒーレンシーを示し、これらのレーザー光線の光線幅は回転対象性におけるガウス分布（rotation symmetrically Gaussian distribution）を有し、波形の先端（wave fronts）が均一（平面又は球面）で非点収差（astigmatism）が無い。このような明瞭な光線としての特性（well-defined beam characteristics）は、気体レーザーを、例えばキノフォーム（kinoform）などの回折光学素子（diffraction optical elements）（DOE）とともに用いる際などに非常に貴重である。キノフォームに入射する光線は、明瞭であり制御されていることが理想的である。
もう１つのタイプのレーザーが半導体レーザー（即ちダイオードレーザー）であり、ダイオードレーザーは、装置のサイズが小さいこと、変調（modulate）が可能であること、消費電力が小さいこと、長寿命であることなどから、非常に興味深い。ダイオードレーザーは、これらの特徴が求められるいくつかの用途で用いられているが、現在気体レーザーが用いられている用途の中にも、気体レーザーの代わりにダイオードレーザーを用いることが望まれている用途が多い。ダイオードレーザーへの代替をしない理由は、ダイオードレーザーは、光線の品位（beam quality）が劣ること、非点収差と楕円率（ellipticity at astigmatism）の大きいこと、及び光線の断面の強度分布（intensity distribution across the beam）が不定であること、にある。しかし、ダイオードレーザーは回折光学部材に関連して用いるのに理想的である場合が多い。このことは特にダイオードレーザーの装置の小さいという点について当てはまり、装置が小さいので、回折光学素子（DOE）とダイオードレーザー装置を、小さくてコンパクトなユニットにまとめることができる。しかし、ダイオードレーザーの光線の品位（beam quality）は回折光学素子（DOE）とともに用いるのには理想的ではない。そこで、本発明は、光線の品位を向上することによって回折光学部材に照射できるようにし、こうしてダイオードレーザーの理想的な機能を実現するものである。
設計された所定の時間にキノフォームから出てくるように想定された光線と実際にキノフォームから出てくる光線とがどの程度一致するかは、キノフォームの設計においてキノフォームに入射することが想定された光線と実際にキノフォームに入射する光線とがどの程度一致するかに依存する。こうして、明瞭な光線がキノフォームに入射することは、明瞭な光線がキノフォームから出てくるための１つの要件であり、従って、高品位の光線がキノフォームから出るようにするための基本的で重要な１つの要件である。品位の非常に高い光線を照射されることが必要な回折光学素子の１例は、光線の形状を整える目的（beam shaping purposes）で形成されたキノフォームである。キノフォームは半透明な板（translucent plate）からなり、好ましくはプラスチック製又はガラス製である。このような板であるキノフォームを通過する光の位相（light phase）は、その断面方向にわたって、コンピューターであらかじめ計算されたとおりに変化する。このように光の位相を擾乱（phase agitation）させるためには、キノフォームを構成する板に、その擾乱に対応する屈折率の変化を与えるか、又は、その板の片面に厚み約１ミクロンの浅いレリーフを設ける。キノフォームは光線の９０％までを透過させるが、これは、光線の効力（light effect）が中程度、例えば数mWの場合には重要である。レリーフを設けるための通常の方法においては、まず、電子線リソグラフィーやレーザーリソグラフィーによってレリーフの原型を作成し、この原型から金属製の「マスター」を作成する。このマスターを板に押印することによってレリーフを設けることができる。
レーザー光線の品位を向上させるためにはいろいろな方法があり、例えば、タイプの異なる種々のフィルター処理を用いる方法があり、フィルター処理を用いる方法としては、小さな開口部（small aperture）（１〜１００ミクロンの）を通過させて合焦点させる方法や、単一モード光ファイバーを用いる方法、などがある。レーザー光線の品位の程度によって、フィルターを用いる程度を変える必要がある。上記のように、気体レーザーは光線の品位が高いが、理想的ではない。常にわずかな量の散乱光（scattered light）がある。従って、気体レーザーも、例えば小さな開口部（small aperture）などを用いて一定のフィルター処理を行なうことにより、光線の品位を確実に高めることが必要である。ダイオードレーザーは気体レーザーよりも光線の品位がかなり劣るので、例えば単一モード光ファイバーなどを用いて、より高度なフィルター処理を行なうことが必要である。
単一モード光ファイバーを用いることの利点は、単一モード光ファイバーを通過した光線の特徴は数学的に明確に定義できるので、単一モード光ファイバーからどのような光線が出てくるのかを確実に予測できることである。
光線にフィルター処理を行なうことにより、数学的に単純に記述された既知の光線をキノフォームに照射できる。フィルター処理によって得られる明確に定義された明瞭な光線（well-defined beam）の利点は、キノフォームを設計する際の計算が簡単になり、また、キノフォームを設計する前に入射光線の測定を行なう必要がないことにある。「明確に定義された明瞭な光線」（well-defined beam）とは、実質的にガウス分布を示す回転対象性強度断面（substantially Gaussian rotation symmetrical intensity cross-section）を有し、波形の先端（wave front）が平面又は球面であることを意味する。
発明の目的と発明の特徴
本発明の主な目的は、表面又は空間に所望の空間的分布をもつレーザー光線を発生させるシステムを提供することである。レーザー光線はレーザー装置から発生するが、レーザー装置から出たままの光線は、回折光学部材に入射するには光線の品位が不十分である。
ダイオードレザー、光線増強器（beam enhancer）及び回折光学部材（例えば、光線の形状を整えるキノフォーム）を組み合わせたシステムを供給することは取るに足らない問題ではない。そのようなシステムにおいては、基本的機能に対応する上記の構成部材類が安定なユニットにまとめられていること必要である。また、装置が安定していることが必要なだけでなく、長期間確実に且つ連続的に作動する実用システムに装置全体を一体的に組み込むためには、装置の寸法が小さくなければならない。
本発明は、例えば測定技術関連の分野に応用することができる。また、発明による装置を用いれば、例えば集会や会合（workshop assemblies）又は建築現場で用いるポインティングデバイスに好適な、例えば十字、ブレース（brace）又はリングなどの形状のパターンを形成することができる。ポインティングデバイスに対する同様な需要は、医学的診断の分野においても見出される。湾曲した物体を直接測定する際に、本発明による装置で発生した１本以上の光線を用いてその物体の像を描き、像の再生用平面に線を投影し、投影された線を検討することができる。
本発明による装置を用いて、より均一な強度分布を持つ、投光によって描いた長方形（illumination rectangle）を得ることもできる。これによって、例えば、シャドーグラフ法（shadow method）などにより、あらゆる種類の測定に使用することができる。
また、本発明による装置を用いて、例えばロゴタイプや商標のような非常に複雑なパターンも投影することができる。
多くの応用分野で用いることができるようにするために（即ち、例えば、断面がガウス分布でなく“シルクハット”型（top hat type）の分布を示す光線を得るために）、構成部材類は、装置中の所定の位置に配置され、実質的に永久に動かないように非常に高い精度で固定される。横方向の組み付け精度は２〜５ミクロンであるべきであり、また、縦方向と回転方向にも高い組み付け精度が要求される。本発明による装置から発射される光線の強度を最大にするため、また、理想的な光学フィルター機能を得るため、また、回折光学素子への入射によって所望の光線の分布を得るため、また、回折光学素子を光線円錐体（illumination cone）における所定の位置に正確に配置するために、非常に高い組み付け精度が必要である。
キノフォームを用いてパターンを形成するなど、他の応用分野においては、装置中のあらかじめ計算された位置に部材類を配置する必要はない。
装置中の望ましくない反射光線及び拡散光線を除去するための管理は、装置中に部材類を安定かつ均一に配置することと同様に重要なことである。装置中の各部材類を別々のユニットに配置すると、これらを達成することができない。しかし、各部材類を１つにまとめたユニットにおいては、装置中の部材類の反射面を光線の進路に対して傾斜（tilting or bevelling）させたり、光学接着剤（optical cement）のような屈折率適合媒体（refractive index fitting medium）によって部材類を１つにまとめたりすることによって、上記を達成することが可能になる。
本発明の要旨は、光線の発生、光線品位（beam quality）の改善及び光線の分配を行う部材類を共通の安定したユニットに統合し、配置することにある。この構成は、重要な部材類をあらかじめ計算された所定の位置に配置して永久的に固定すること、及び、反射及び拡散による光学的干渉を充分減少させること、を可能にするための必須要件である。
回折光学素子を用いて表面又は空間に明瞭な光線を分配するための本発明のシステムの１つの態様において、該システムは、少なくとも１つのレーザー光源、光学フィルター手段、好ましくはモード選択的フィルター、回折光学部材、及び場合によっては光学カップリング素子と合焦点素子を包含し、該光源、該手段、該部材、及び該素子は共通のユニット内部に配置及び固定されており、該モード選択的フィルターは、該レーザー光源からの光線がモード選択的フィルターを通過した後には実質的に単一モードになるように構成されている。
本発明のシステムのある実施態様においては、レーザー光源はレーザーダイオードからなり、モード選択的フィルターは単一モード光ファイバーであり、回折光学素子はキノフォームである。
多くの場合、回折光学素子は、その表面のレリーフが放射モードの軸に直角になるようにするため、放射モードにおける所定の位置に配置され、且つ、所定の方向に配置されていなければならない。回折光学素子の横方向の位置とその角度は、回折光学素子に当たるレーザー光線のサイズと直接的に関連するように正確に設定されることが必要である。また、回折光学素子の位置は、温度変化から独立していなければならない。
ある実施態様においては、回折光学素子と合焦点素子が１つの回折光学素子中に形成されている。また、ある実施態様においては、単一モード光ファイバーの両端が斜角面である。
１つの好ましい態様において、本発明による装置は、少なくとも１つのレーザー光源、光学カップリング手段、モード選択的フィルター、回折光学部材、及び合焦点素子がこの順序で配置されてケーシング内に収容されてなるシステムを包含する。該光源、該手段、該部材、及び該素子は共通のユニット内に配置及び固定されており、該モード選択的フィルターは、レーザー光源からの光線がモード選択的フィルターを通過した後には実質的に単一モードになるように構成されている。
他の好ましい態様においては、保持具によって保持された回折光学素子が、モード選択的フィルターと屈折率を合わせてあり、また、光ファイバーの両端が斜角面である。
【図面の簡単な説明】
本発明を添付の図面を参照してより詳細に説明する。
図１は本発明の１つの実施態様を示すブロック図である。
図２は図１の実施態様をより詳細に示した概略図である。
図３は好ましいユニットの１つの実施態様を示す図である。
実施態様に基づく詳細な説明
図１は、所望の空間的分布をもつレーザー光線を発生させる本発明の装置のブロック図である。装置（１０）は、レーザー光源（１１）、光学フィルター（１２）（実質的にはモード選択的フィルター）、及び位相調節ユニット（phase affecting unit）（１３）という３つの主要部分を有する。レーザー光源（１１）は１次光線（primary beam）を発生させ、モード選択フィルター（１２）は、１次光線から光線モードを選択し、位相調節ユニット（１３）は、回折光学部材から出る光線の断面における位相の分布を決定する。
上記のフィルター装置はまた、多くの部材類から構成されていてもよく、且つ、それらの部材類が、１つの部材で構成される単純なフィルターよりも、レーザーダイオードの出力がより多く該フィルターを通過できるようするものであってもよい。そのような場合においては、例えば、プリズム、レンズ、キノフォームなどが種々の形態や組合せで用いられていてもよい。そのような部材類の組合せを用いない場合、フィルターを通過する出力部分は、典型的には約２５〜３０％である。フィルターを通過する出力部分は、部材類を組合せて用いることにより大きく向上する。
回折光学部材に接続された状態か、またはそれに近接したところに置かれた状態で、通常はレンズからなる合焦点素子あるいは平行化素子（collimating element）が設けられる。この合焦点素子あるいは平行化素子は、フィルター装置と回折光学板との間、あるいは回折光学板の後ろの光路中に配置することができる。また、回折光学機能は、レンズの片側表面上にレリーフ層を設けることによりレンズ内に統合できる。また、別のやり方としては、キノフォームのデザイン計算を行なう際に合焦点特性を加えることもできる。
図２に記載の態様において、レーザー光源１１は少なくとも１つのレーザーダイオード１４（好ましくは従来型のレーザーダイオード）、及び少なくとも１つの光学カップリング手段１５、例えば、カップリングレンズを含んでいる。モード選択的フィルター１２は、光学フィルターを含み、この光学フィルターは、この態様においては少なくとも１つの光ファイバー１６からなっている。位相調節ユニット（phase affecting unit）１３は、少なくともキノフォーム１７と合焦点フィルター１８を含む。
この態様においては、カップリングレンズ１５を用い、カップリングレンズ１５が、レーザーダイオード１４から放射された光線（矢印で示す）を合焦点して光ファイバー１６に導入する。光ファイバー１６は好ましくは単一モードタイプである。光線が光ファイバー中を適当な距離にわたって通過した後、完全な光線（perfect beam）が光ファイバーから得られる。光ファイバー１６自体が選択的放射モードをもつため、上記の完全な光線には楕円性（ellipticity）及び非点収差が無い。カップリングレンズに最も近い光ファイバー末端からの反射は、レンズを通して容易にレーザーダイオードに到達し、光線放射にに振動（oscillations）を引き起こし得る。この問題を避けるために、光ファイバー末端の表面は斜角面になっており、また、該末端には光ファイバーと屈折率を合せた平行面ガラス板（図示せず）が設けられている。
光ファイバーから放出された光線クラスターは、光線を横切るように配置されているキノフォーム１７を連続的に通過する。この態様においては、キノフォームは、平行面ガラス板の光ファイバーから見て反対側の表面上に設けられたレリーフからなっている。このレリーフは、光ファイバーから放出される光線の拡散及びキノフォームに入射する光線の断面サイズに適合するように計算されて製造されており、光ファイバーから放出される光線に正確な位相分布が与えられる。光ファイバー及びキノフォームを通過したレーザー光線は、さらに回折による光線形状再形成及び合焦点を経て所定の光線分配を与えるような強度及び位相分布を与えられている。なお、キノフォームへの入り口側での反射光は、光ファイバーの出口から戻ってダイオードレーザーに到達し得るが、これは、光ファイバーの末端を斜角面としたり、キノフォームを担持するガラス板と光ファイバーの屈折率を合せることにより減少できる。
図３は本発明の装置の１つの実施態様を示す。装置１０は、接続末端部２０と光線発射末端部２１を備えたケーシング１９を包含する。レーザーダイオード１４からの熱の輸送を促進するために冷却体２２が設けられている。ケーシング１９は、内包する部材類を支持するための保持部材２３〜２７を更に含む。すなわち、保持部材２３はカップリングレンズ１５を支持し、保持部材２４は光ファイバー１６を支持し、保持部材２６はキノフォーム１７を支持し、保持部材２７は合焦点レンズ１８を支持する。ダイオードレーザー１４を作動させるために接触電極２８を使用する。
光ファイバー１６の各末端部には、プラグ２９とプラグ３０、即ちいわゆるファイバーフェルール（fibre ferrule）が設けられている。受け部２３から延びる部分３１は、フェルール２９を受けとめてレンズ１５に対する位置決めをする。フェルール３０は保持部材２５により位置決めされる。また、光ファイバー１６を支持する保持部材２４は、光ファイバー１６を所定の位置に保持する保持部材３２を含む。
接触電極２８は、レーザーダイオード１４にエネルギーを供給するエネルギー源に接続することができる。１つの実施態様においては、エネルギー源は、例えば、ケーシング内に配置されたバッテリーであってもよい。ケーシングの少なくとも１端は、組立及び保守を簡単にするために、他の装置などへ着脱可能になっている。
保持具２６によって保持されたキノフォームの横方向の位置とその角度が、キノフォームに当たるレーザー光線のサイズと直接的に関連するように正確に設定されていることが必要である。また、キノフォームの位置が温度変化から独立していることが必要である。
以上、本発明の１つの好ましい実施態様のみについて説明してきたが、本願請求の範囲の範囲内で幾つもの改変及び変形が可能であることは明らかである。
符号の説明
１０ 装置
１１ レーザー光源
１２ モード選択的フィルター
１３ 位相調節ユニット
１４ ダイオードレーザー
１５ 光学カップリング手段
１６ 光ファイバー／光フィルター
１７ キノフォーム
１８ 合焦点レンズ
１９ ケーシング
２０、２１ 端部
２２ 冷却体
２３〜２７ 保持部材
２８ 接触電極
２９、３０ ファイバーフェルール
３１ 保持具
３２ 保持具

Claims (10)

1. 回折光学素子（１７）を用いて表面又は空間に明瞭な光線を分配するためのシステムであって、少なくとも１つのレーザー光源（１４）、光学カップリング素子（１５）、モード選択的光学フィルター（１６）、回折光学部材（１７）及び合焦点素子（１８）をこの順に配列して包含し、該回折光学部材（１７）は、回折光学部材（１７）を通過した光線の位相分布を決定し、また、該レーザー光源（１４）、該光学カップリング素子（１５）、該モード選択的光学フィルター（１６）、該回折光学部材（１７）及び該合焦点素子（１８）は共通の安定なユニットケーシング（１９）内部に安定に配置及び固定されており、それによってコヒーレンシーの高い明瞭な光線を分配するように構成されている、
   ことを特徴とするシステム。
2. 該レーザー光源（１４）がダイオードレーザーからなることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 該モード選択的光学フィルター（１６）が単一モード光ファイバーであることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. 該単一モード光ファイバーと屈折率を合わせた平行面ガラス板をさらに包含することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 回折光学素子（１７）がキノフォームであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
6. 回折光学素子（１７）が、１つの放射モードにおける所定の位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 回折光学素子（１７）が、放射モードの軸に直角になるような方向に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 回折光学素子（１７）と合焦点素子（１８）とが１つの回折光学素子中に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
9. 該単一モード光ファイバーの両端が斜角面であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
10. 回折光学素子（１７）の位置が、回折光学素子（１７）に当たるレーザー光線のサイズに対して正確に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。

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