JP4603750B2 - 直線状発光体の放射を対称化する装置、当該装置のアレイ、及び当該装置の応用 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一つ又は複数の直線状発光体、特に発光方向又は主光軸ｚに対して垂直なｘ方向にごく隣接して並んだテレセントリック主光線による複数の光ビームによってその放射を表現することができ、且つｘ方向と、ｘ方向及びｚ方向に垂直なｙ方向とに関して非対称な放射を持つ、幅広レーザダイオードの放射を対称化する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非対称な発光体の場合、出力放射も同様に非対称であるという問題がある。このような種類の発光体を多数使用するためには、可能な限り出力が対称であることが望ましい。このため、非対称な発光体の放射を対称にする装置が要求されている。
【０００３】
ＤＥ１９６４５１５０には、複数の別個の発光体で構成された光源からの放射を対称化する装置が開示されている。この光源の場合、レーザダイオードバーが、複数の個別のレーザダイオードを含む。この対称化装置は、光軸に対して回転して設けられた円筒レンズと、個々のレーザダイオードからの光ビームを偏向する方向性光学ユニットと、方向性光学ユニットの偏向を補償する再方向性光学ユニットと、次工程平行光学ユニットとで構成される。
【０００４】
ＤＥ１９８２０１５４には、一つ又は複数のレーザダイオードバーからの放射を対称化する装置であって、一つの円筒レンズ光学システムと、光ビームの向きを変える中間フーリエ変換アレイが設けられた２つの連続した角度変換要素と、集光部材とを備える装置が開示されている。この装置の不都合な点は、角度変換アレイの生産コストが高いことである。
【０００５】
ＤＥ１９６４５１５０及びＤＥ１９８２０１５４に開示されたレーザダイオードバーに加えて、単体で幅の広い発光体をもつレーザダイオードであって、幅広レーザダイオードとして知られるものがますます重要になってきている。この発光体の放射面の幾何寸法は、一般的に、５０μｍｘ１μｍから約５００μｍｘ１μｍの範囲内である。
【０００６】
このようなタイプの幅広レーザダイオードの出力放射はきわめて非対称である。発光面の長手方向の軸と発光方向の軸とからなる第１平面（遅軸）において、出力放射の発散は、開口数約０．１に相当する。第１平面に対して直角な第２の平面（速軸）においては、出力放射は、相当に大きな発散となり、開口数約０．５に相当する。
【０００７】
これら２つの平面における異なる発散と寸法とに起因して、当該２つの平面における出力放射のビーム性質、及び結果的に得られる集光性は大きく異なる。発光面及び出力放射の発散の積として定義されるビーム積は、ビームの質を診断する指標として使用することができる。遅軸と速軸におけるこのビーム積の比率は、発光面の幅に依存しており、幅広レーザダイオードにおいては、約１：１００までの範囲に属する。このような幅広レーザダイオードを使用するには、結果的に、放射を対称化する光学システムが必要である。
【０００８】
ＷＯ９６／０２０１３には、幅広レーザダイオードの放射を対称化する装置であって、プリズムシステムにより、既に平行にされた幅広レーザダイオードの出力ビームを長手方向において複数のビームに分割して、これら複数の個別のビームを積み重ねる装置が開示されている。この対称化装置の不都合な点は、プリズムアレイの複雑さと、小型化の余地が全くないことである。
【０００９】
ＷＯ９５／１５５１０には、幅広レーザダイオードの放射を対称化する他の装置であって、レーザダイオードの出力放射が、互いの方向へわずかに傾いた２枚の高反射面からなるシステムを通り抜けることによって、装置の出力部分において、構成が結果的に対称化されたレーザダイオードビームが得られる装置が開示されている。この装置に不都合な点は、システム全体の調整に高いコストを要することと、システムの小型化に伴う多額の費用である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
これら先行技術の不都合点をふまえ、本発明は、直線状発光体の放射を対称化する装置であって、比較的シンプルで製造しやすく、且つ経済的で縮小化に適応する小型光学ユニット材で構成される装置を提供することを目的とする。更に、対称化に伴うビーム密度損失は可能な限り低減する必要があるし、良好な結像特性も確保されなければならない。また、このような種類の装置のアレイ化及び適用例を提供することも本発明の更なる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１に記載された装置、請求項２８に記載されたアレイ、及び請求項３１に記載された適用例によって達成される。それぞれの従属項は、この装置又はアレイの有利な実施形態及び更なる構成に関する。
【００１２】
一つ又は複数の直線状発光体、例えば直線状発光体からの出力放射は、放射の方向に対して垂直な方向であって、且つ複数の光学ユニット品の光学的主軸に対して垂直なｘ方向に、少なくとも一つ及び複数の光ビーム群としてごく隣接して並んだ、テレセントリック主光線を有する個別の複数の光ビームの直線状アレイによって表現することができる。一つの光ビーム群は、複数の発光体のそれぞれからの複数のビーム、あるいは必要により複数の発光体を含む単一の装置からの複数のビーム、及び／又は複数の発光体からの複数の個別のビームを含んでもよい。従って、ｘ方向、及び／又はｙ方向には、それぞれの光ビーム群の間にスペースを設けることができる。
【００１３】
本発明は、出力放射を対称化する装置であって、一つの発光体につき、あるいは複数の発光体に共通で、一つ又は複数の円筒レンズを有する円筒レンズ光学システムを備える装置を提示する。この複数の円筒レンズは、ｙ方向において、個々のビームをコリメートするという作用をもつ。複数の円筒レンズの少なくとも一つは、個々のビームをｙ方向において異なった角度で偏向させるために、放射の方向に対して回転して設けられてもよい。このｙ方向での偏向は、複数の円筒レンズの少なくとも一つを回転して設ける代わりに、別個に設けられた不連続偏向部材によって達成することもできる。
【００１４】
本発明に基づく装置は、個々のビームをｘ方向にコリメートし、それらをｘ方向とｙ方向とに異なった偏向角度で偏向する、主光軸ｚに沿って配置された方向性コリメート光学ユニットを更に備える。方向性コリメート光学ユニットは、主光軸ｚに垂直な方向、例えばｘ又はｙ方向に向いて配置されてもよいし、あるいは、主光軸に平行な方向な向きに配置されてもよい。偏向によって、ビーム群の個々のビームの主光線は、発光体からｘ方向へ所定の距離において収束し、ｙ方向に平行になる。
【００１５】
最後に、本発明に基づく装置は、同じくｚ軸に沿って配置された再方向性光学ユニットを備える。これは、光ビームをｘ軸方向に偏向する。そしてこれは、有利に、方向性コリメート光学ユニットに起因するｘ方向への光ビームの偏向を補償し、その結果、ｘｚ平面におけるビーム積が低減され、ｙｚ平面におけるビーム積が増加する。直線状発光体の非対称な出力放射は、このようにして、ほぼ長方形又は正方形の断面形状をもち、おおむねコリメートされた放射に変換される。ｙｚ平面及びｘｚ平面におけるビーム積はこのような手順で整合される。
【００１６】
本発明に基づく、直線状発光体の放射を対称化する装置は、公知の装置と比較して、経済的に製造され及び小型化することができる部材の集合のみで構成されているという点で有利である。この装置は、組み立てるのが比較的単純でもある。本発明は、レーザダイオードバーの放射を対称化する公知の装置と比較して明らかな収差の低下を示し、これにより、コリメーション、方向規定、そして方向再規定を行う光学装置として優れた処理をもたらす。
【００１７】
本発明は、放射を対称化する装置に加えて、複数のこの種の装置からなるアレイであって、装置の一つから発生する放射を他の放射に対して、偏光結合又は波長結合して重ね合わせるアレイを含む。このために、少なくとも一つの光学経路における特定の方向性光学ユニットの後ろに、偏光回転部材として、λ／２遅延板を配置することができる。更に、個々の装置からの特定の部分光線は、鏡部材によって重ね合わされる。鏡部材は偏光選択性であってもよいし、波長選択性であってもよい。同様に、本発明の装置の一つから発生した複数の個別の光ビーム群を、偏光結合または波長結合した状態で、重ね合わせることも可能である。
【００１８】
本発明に基づく複数の装置から成るこのような種類のアレイは、整合され受光されたビーム、例えば個別の幅広レーザダイオードの出力放射は偏光されているが、出力が偏光されていないビームから、特定の性質を生成するために特に適している。最後に受光する光ビームの強度は、この手段によって変更することもできる。
【００１９】
本発明に基づく装置、及び本発明に基づくこれら装置のアレイは、特に印刷及び撮影技術、微細材料加工技術、医療技術、電気通信技術、照明及び表示技術の分野において、直接的には所望の放射を発生させるため、あるいは間接的にはレーザポンピングのために利用することができる。これらは、分析学の分野にも応用することができる。
【００２０】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態はクレームにかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００２２】
以下に示す図面及び設計例において、本発明の更なる有利な点及び実施の形態を示す。なお、すべての図において、同一符号は、同一部材に対して用いられる。
【００２３】
図１は、直線状発光体１の放射を対称化する装置の最初の設計例を示す。本設計例において発光体１は、５００μｍの幅と１μｍの高さの発光面を有する幅広レーザダイオードである。この幅広レーザダイオード１の放射は、ｘ方向にごく隣接して並んだ、複数のテレセントリック主光線を伴う個別のビームで構成されていると見なすことができる。図１及び他の図においては、１０又は１０ａないし１０ｅで識別されるいくつかの本数のビーム又はビーム群が、すべての場合において光ビーム又は光ビーム群の例として示されている。
【００２４】
全出力ビームの発散は、図１（Ａ）に示したｘｚ平面においては一般的に約６°（半受け入れ角）であり、図１(Ｂ)に示したｙｚ平面においては一般的に３０°以上（半受け入れ角）である。幅広レーザダイオードに代えて、例えば非対称な発光面を有する伸張グローワイヤ（glow wire)など、他の発光体を使用してもよい。
【００２５】
円筒光学ユニットは、本例における放射の方向が主光軸ｚと一致する幅広レーザダイオード１の長手寸法に対して平行に配置されている。円筒光学ユニット２は、光ビームをｙｚ平面においてコリメートするマイクロ円筒レンズを含む。マイクロ円筒レンズ２は、個別の光ビーム１０ａないし１０ｅを光学軸（ｚ軸）に対してそれぞれ異なった放射角で偏向させるために、光学軸（ｚ軸）に対して約２°の角度で回転して設けられている。この円筒レンズの傾きは、レーザダイオード１、円筒光学ユニット２、及び方向性コリメート光学ユニットの投影図のみをｘｙ平面に示した図１０に示す。光学ユニット２のｚ軸に関するレーザダイオード１との相対的な傾斜角は、実際は約２°にすぎないので、図中は誇張して示されていることになる。ｙｚ平面における偏向は、ｘｚ平面におけるレーザダイオード１の出力放射にはわずかな影響しか与えない。
【００２６】
ここでは、以下に示す、ｘｚ平面、ｙｚ平面、又はｘｙ平面の図面は、これら平面における前記アレイ及び光学経路の断面ではなく投影を意味、あるいは表現することを意図したものである。
【００２７】
マイクロ円筒レンズ２の場合、直径約１５０μｍ、焦点距離約１００μｍの双非球面マイクロ円筒レンズを用いる。このレンズは、十分に大きなイソプレーン性（isopolanism）を持って構成されている。つまり、レンズがｙ方向への傾きによって、中心からそれた縁端部の出力放射を利用する場合であっても、実用上の収差は無い。非球面マイクロ円筒レンズの代わりに、例えば、球面円筒レンズ、光ファイバーレンズ、傾斜光学レンズ、フレネル円筒レンズを用いることもできる。また、上述の円筒レンズを２つ以上含んだ複合円筒光学ユニットを用いてもよい。
【００２８】
マイクロ円筒レンズ２を光学軸に対して傾ける代わりに、円筒レンズ光学ユニット材に加えて不連続偏向部材を備えることによっても、ｙ方向におけるビームの偏向を実現することができる。この偏向部材は、図１には示されていないが、円筒光学ユニット材２の前後や中間に配置されてもよく、また、プリズム領域、回折格子、傾斜偏向光学領域、複数の円筒レンズ又は鏡を含んでもよい。
【００２９】
更に、円筒レンズ光学ユニット２は、図１に不図示の、光ビームをｘ方向の個別のグループに分割する分割部材をもう一つ含んでもよい。この分割部材は、例えば、円筒レンズ又は望遠鏡状に並んだ円筒レンズの一部の領域であってもよい。ｘ方向におけるこの分割は、結果として、ｘｚ平面におけるビーム積を犠牲にして、発光体からの出力放射の調整を行う。
【００３０】
図１において、方向性コリメート光学ユニット３は、ｚ方向において円筒レンズ光学ユニット２の後ろに主光軸に沿って配置されており、傾斜光学円筒レンズ（ＳＥＬＦＯＣ ＳＬＷ３．０、長さ７．５ｍｍ）として調整されている。図２及び図３から読みとれるように（それぞれの上部）、個々の光ビームは、方向性コリメート部材３によってｘｚ平面においてコリメートされており、光ビームの主光線が再方向性光学ユニット４が設けられたｘｚ平面に集束するように、偏向される。従って、ｘ方向において、複数の主要なビームは、再方向性光学４の平面上で、上下にそろって重なり合う。
【００３１】
更に、方向性コリメート部材３は、図２及び図３に図示したように（それぞれ下部）、ｙｚ平面において、個々の光ビームの主光線がｙｚ平面における方向性コリメート部材３の後方において互いに平行に進むように、複数の個々の光ビームを偏向させる。
【００３２】
本設計例において、ＳＥＬＦＯＣレンズ３の出力側側面に設けられた再方向性光学ユニット４の面において、ｘｚ平面においてコリメートされた光ビームの、結果的に得られる幅は約５５０μｍである。ｙｚ平面においては、マイクロ円筒レンズの上記引用した距離及び引用した焦点距離において、個々のコリメートされた光ビームの、この位置において結果的に得られる幅は、約５０μｍである。マイクロ円筒レンズ２の光軸に対する２°の傾斜は、幅広レーザダイオード１の発光面端部に位置する光ビームの光軸に関して、ｙｚ平面における約±２５０μｍのオフセットΔｙをもたらす。従って、再方向性光学ユニット４の面においては、ビーム断面約５５０μｍｘ５５０μｍを有する対称な統括ビームが生成される。
【００３３】
方向性コリメート部材３は、傾斜光学円筒レンズの代わりに、例えば、２つ目の、あるいはいくつかのレンズ又はレンズ群、及び／又は複数の円筒レンズを含んでもよい。例えば、球面又は非球面の平凸レンズ又は両凸レンズが考えられる。傾斜光学レンズ又はフレネルレンズも使用できる。光ビームをｙ方向において偏向する円筒光学ユニット２に関連して説明した偏向部材は、方向性コリメート部材３が２つ又はいくつかのレンズ又はレンズ群で構成されている場合に、ｚ方向において、フロントレンズ又はレンズグループの後方に配置されてもよい。この偏向部材は、その際、方向性コリメート部材３のレンズ又はレンズ群の間に配置されてもよい。
【００３４】
図１に示す再方向性光学ユニット４は、ｘｚ平面における方向性コリメート部材３による異なる入射角が修正されるように、隣接する光ビーム１０ａないし１０ｅの束を偏向する。図４に示すように、再方向性光学ユニット４は、方向性コリメート部材３の焦点距離によって都度決まる様々な偏向角度を持ち、ｙｚ平面に直線状に配置された複数の偏向領域７ａないし７ｅを有する。本実施例においては、再方向性光学ユニット４は、７ａないし７ｅの５つの偏向領域を有し、その偏向角度は、約−３．７°、−１．８°、０°、＋１．８°、及び３．７°である。ｘｚ平面における偏向領域７ａないし７ｅの幅は、何れの場合も０．８ｍｍ以上である。ｙｚ平面において、３つの内側偏向領域７ｂないし７ｄは１００μｍの高さ、そして２つの外側偏向領域７ａ及び７ｅは、便宜上、より高い２００μｍの高さを持つ。再方向性光学ユニット４は、微細構造プリズム領域で構成されている。再方向性光学ユニット４の他の実施例によれば、ブレーズ格子の領域、偏向領域、傾斜光学領域、レンズまたは鏡領域から、その設定を規定する。再方向性光学ユニット４が個別の光学ユニット材の領域で構成されている場合、光ビームは、ｙ方向において個別のグループに分割される。直線状発光体出力放射が、ｙ方向に分割された光ビームの個別のグループに分割されることによって、ｘｚ平面において光出力を低減することができる。
【００３５】
光出力の低減は、再方向性光学ユニット４が、円筒レンズ、ｚ軸に関して回転して設けられた円筒レンズ光学ユニット、又は自由曲面を含む場合にも可能である。この場合は、当然ながらｙ方向への光ビームの分割はできない。それでもなお、結果として、再方向性光学ユニット４の後方において、対称化され、そして合焦可能な出力放射が得られる。
【００３６】
装置の結像特性を改善するためには、円筒レンズ領域又はｙ方向に有効な望遠鏡状の円筒レンズ領域を再方向性光学ユニット４の前方、及び／又は後方に配置することが可能である。
【００３７】
図２及び図３に示すように、隣接した光ビーム１０ａないし１０ｅの束の中心光線は、何れの場合においても再方向性光学ユニット４の後方で光軸に平行に進む。総ての束を同時に観察すれば、再方向性光学ユニット４を通過した後には、概ねコリメートされ、ほぼ長方形又は正方形の断面を有する統括ビームが得られる。
【００３８】
図１において、集光光学ユニット５は、例えば一つの球面、平凸レンズ、又は両凸レンズ、傾斜光学レンズ、一つ又は２つの交差した球面又は非球面円筒レンズ、あるいは一組のレンズ群で構成することができ、そしてビームを集光する再方向性光学ユニット４の後方に配置されている。本設計例においては、焦点距離１．１４ｍｍのＧｅｌｔｅｃｈ製非球面レンズ、モデル３５０２００を使用している。このレンズは、ｆ１１で直径４０μｍのビームを生成する。光学軸から遠ざかるビームの発散は、開口数約０．４に相当する。
【００３９】
図１に基づく装置は、ｘ方向及び／又はｙ方向へオフセットして設けられた複数の直線状発光体からの放射を対称化するように軽微な改良を施して使用されてもよい。個々の発光体は、０．１ｍｍから数ｍｍまでの間隔で配置することができる。
【００４０】
図５は、複数の幅広レーザダイオード１ａ、１ｂからの放射を対称化する装置の設計例を示す。図５に描写したように、この種の装置によれば、ｙ方向にオフセットして積み重ねて設けられた幅広レーザダイオードの光をカップリングして一本の光ファイバーに導入することができる。また、複数本の個別の光ファイバー、又は光ファイバー束へ導入するカップリングも同様に考えられる。設計例図５において、複数のレーザダイオードの代わりに２個のレーザダイオード１ａ、１ｂだけに限定したのは、より明確な描写のためである。レーザダイオード１ａ及び１ｂは、代替例あるいは追加例として、お互いに対してｘ方向へオフセットして設けられてもよい。
【００４１】
ｙ方向に重なった２つのレーザダイオード１ａ及び１ｂのそれぞれの前方には、図１に示した設計モデルのとおりに、光軸に関して回転して設けられたマイクロ円筒レンズ２ａ及び２ｂが備えられている。方向性コリメート光学ユニット３、再方向性光学ユニット４、及び集光光学ユニット５も、前述の設計例で説明した方法と同様の方法で調整することができる。この種のアレイ化によって、総ての光ビームの主光線の位置は、中心合わせがされたレーザダイオードの配置と比較して、幅広レーザダイオード１ａ及び１ｂの配置が中心から外れているにもかかわらず、再方向性光学ユニット４の面において、方向性コリメート光学ユニット３に対応して安定している。
【００４２】
図５に示す実施形態はｘｚ平面で偏向する円筒レンズ光学ユニット２ａ及び２ｂのそれぞれの後方に配置される偏向部材を規定する。この方法によれば、再方向性光学ユニット４の面における個々のレーザダイオードの出力放射は、ｘ方向に分割される。偏向部材としての特性に優れた領域を有する再方向性光学ユニット４の前方あるいは後方に配置される偏向部によって、ｘ方向及び／又はｙ方向へのレーザダイオード１ａ、又は１ｂの特定の出力放射の偏向を実現することができる。これにより、各レーザダイオード１ａ及び１ｂのビームスポットは、ｙｚ平面及び／又はｘｚ平面のどこに位置してもよい。再方向性光学ユニット４と偏向部との組み合わせは、一つの偏向部材で置き換えることができる。
【００４３】
各円筒レンズ光学ユニット２ａ、及び２ｂの後方に配置された偏向部材と、再方向性光学ユニット４の前方又は後方に配置される偏向部との何れも、プリズム領域、回折格子、傾斜偏向光学領域、複数の円筒レンズ又は鏡によって構成することができる。集光光学ユニット５の後方において、重なり合ってアレイ化された幅広レーザダイオードのビームスポット１１ａ、１１ｂは、図１に示した、方向性コリメート光学ユニット３に対して、ｙｚ平面において、マイクロ円筒レンズ２ａ、２ｂと、幅広レーザダイオード１ａ、１ｂが共に約２００μｍ中心から外れた設計例によれば約７４μｍというように、装置の結像関係に基づいて、ｙｚ平面においてオフセットした関係にある。ビームスポット１１ａ及び１１ｂは、集光光学ユニット５に応じた結合径（matching diameter）で、光ファイバーの端面に同時に導入される。本設計例においては、芯径２００μｍの光ファイバーが用いられる。変形例によれば、ビームスポット１１ａ及び１１ｂを、数本の光ファイバー、又は束状の光ファイバーの個々の光ファイバーの端面に個別に導入することもできる。
【００４４】
図６は、主光軸１２に対してある角度又はオフセット値をもって入射する光ビーム群に方向性コリメート光学ユニット３が及ぼす作用を示す。図６Ａ及び６Ｂは、それぞれ、図６Ａに示す第１の光ビーム群１０が図６Ａにおけるｙ方向にオフセットして設けられた円筒レンズ光学ユニット２を通じて上方に位置変更され、または、図６Ｂに示す第２の光ビーム群１０が図６Ｂにおける主光軸に対してｙ方向にオフセットして設けられた幅広レーザダイオード１から発せられる、異なる光ビーム群を表す。
【００４５】
図６Ａにおける方向性コリメート光学ユニット３の作用は、放射軸１３が方向性コリメート光学ユニット３に対してある角度をもって入射する光ビーム群１０が、方向性コリメート光学ユニットから飛び出す場合には光学主軸に対して平行であって、しかしながら、ｙ方向にはオフセットして飛び出すというものである。
【００４６】
図６Ｂにおいては、放射軸が主光軸１２に対して平行かつオフセットして方向性コリメートレンズ３に入射する光ビーム群１０が、方向性コリメート光学ユニット３及び再方向ユニット４から飛び出す場合にはその放射軸１３を主光軸１２に対してある角度をもっている様子を示した。
【００４７】
図６Ｃでは、ｘｚ平面、すなわち主光軸１２とそれに垂直なｘ軸で構成される平面、における状態を示す。図６Ａ及び図６Ｂの何れの場合においても、図６Ｃに示した、特定の光ビーム群をｘｚ平面へ投影した結果は、図６Ｃと同じ像となる。
【００４８】
図７は、円筒レンズ２、２ａ、２ｃ、及び方向性コリメート光学ユニット３に関わる、発光体１，１ａ、及び１ｂの考えられる配置を示す。何れの図においても、左側にはｘｚ平面への投影を、そして右側にはｙｚ平面への投影を示す。
【００４９】
図７Ａにおいて、幅広発光体１には円筒レンズ２が設けられているので、光ビーム群１０の発光方向１３が主光軸１２に一致する。
【００５０】
図７において、２つの発光体１ａ及び１ｂは互いの隣接して設けられており、それぞれが専用の円筒レンズ２ａ及び２ｂを有している。２つの発光体１ａ及び１ｂの発光方向１３ａ及び１３ｂは、光学主軸に対して平行であって、ｘ方向にオフセットしている。
【００５１】
図７Ｃにおいて、２つの発光体１ａ及び１ｂは、ｘ方向に隣接して同様に設けられており、それぞれの発光体は、専用の円筒レンズ径２ａ又は２ｂを有する。ここでも、それぞれの発光体１ａ及び１ｂから出た光ビーム群１０ａ及び１０ｂの発光方向１３ａ及び１３ｂはｘｚ平面において平行であって、主光軸１２に対してオフセットしている。しかしながら、２つの円筒レンズ２ａ及び２ｂは、ｙ方向において互いにオフセットして設けられているので、ｙ方向に関して、光ビーム群１０ａは上方に回折され、光ビーム群１０ｂは下方向に回折される。このようにして、発光方向１３ａ及び１３ｂは、ｙｚ平面において主光軸に対してある角度をもつ。
【００５２】
図７Ｄは、共通の円筒レンズ２を有する２つの発光体１ａ及び１ｂの配置を示す。ｘｚ平面において、それぞれの発光体１ａ又は１ｂから出た２本の光ビーム群１０ａ及び１０ｂの発光方向１３ａ及び１３ｂは平行であって、主光軸１２に対してオフセットしている。
【００５３】
図７Ｄにおいて、円筒レンズ２は、図７Ａないし図７Ｃの総ての図と同様に、ｚ軸に関して（図１Ｃも同様に参照）、回転して設けられているので、発光体１ａの前方に位置する円筒レンズ２の領域２ａは上方に回折され、発光体１ｂの前方に位置する円筒レンズ２の領域２ｂはｙ方向において下方に回折される。このようにして、２本の光ビーム群１０ａ及び１０ｂは、その放射軸１３ａ及び１３ｂをｙｚ平面においてオフセットした、光学主軸に相対してある角度を持った向きに発せられる。
【００５４】
本設計例においては、描写の簡単さと理解しやすさのために、発光体の数量を２個に限定しているが、アレイは複数の発光体に拡張、例えばレーザダイオードバーに拡張してもよい。発光体は、円筒レンズが適用できる範囲においては、ｘ方向だけでなくｙ方向にも、あらゆる組み合わせで追加して積み重ねることができる。
【００５５】
図８は、本発明に基づく２つの装置がｘｚ平面において互いに直行した配置を示す。いずれにおいても方向性コリメートレンズ３ａ及び３ｂと、再方向性光学システム４ａ及び４ｂによる光学経路の最終部分のみを示してあり、発光体と円筒レンズ光学システムは図示していない。本例は、本発明に基づく装置の一つの変形例を示しているにすぎず、これまでに記載され請求された、本発明に係るいかなる他の装置も排除するものではない。本例において、光ビーム群１０ａ及び１０ｂは、方向性コリメートレンズ３ａ及び３ｂによってｘｚ平面においてコリメートされ、再方向性光学システム４ａ又は４ｂを通じてｘｚ平面において平行になる。そして光ビーム群１０ｂは、偏光回転部材８を通過し、偏光選択性鏡部材を通過した光ビーム群１０ａと合成され、統合ビーム１４を形成する。従って、本発明に基づく装置による２本の光ビーム群の偏光合成と対称化がここでなされる。重ね合わせは、再方向性レンズを通過した後に行われる。
【００５６】
図９は、図８の装置配置に対応した配置であるが、光ビーム群１０ａ及び１０ｂが偏光選択性鏡部材上にコリメートされるように、再方向性光学素子４ａ及び４ｂは用いられない。光ビーム群１０ｂは、この場合も、方向性コリメートレンズ３ｂ及び鏡部材９の間に位置する偏光回転部材８を通過する。光ビーム群１０ａ及び１０ｂは、鏡部材９によって互いに合成されて統合ビーム１４を形成し、共に再方向性レンズ４を通過する。つまり、本発明に基づくビーム群１０ａ及び１０ｂは、共通の再方向性レンズ４を共有し、部分ビームの重ね合わせは、再方向性レンズ４を通過する前に起きる。
【００５７】
本例における発光体として、幅広レーザダイオードが用いられる場合、ビーム群１０ａ及びビーム群１０ｂは、同一方向に直線的に偏光される。従って、光ビーム群１０ｂの偏光の方向は、λ／２遅延プレート等の偏光回転部材８によって、９０°の角度で、有利に回転される。偏光選択性鏡部材９によれば、光ビーム１０ａは、光ビーム群１０ｂに重ね合わされる。このため、方向性回転部材８は、鏡部材９の前方の光学経路において、どこに配置されてもよい。
【００５８】
他の例によれば、本発明に基づく２つの装置を調整することにより、２本の直線的に偏光された光ビーム群ＧＰＳ端末１０ａ及び１０ｂの偏光方向が互いに直行させることもできる。この場合、偏光回転部材８は不必要である。
【００５９】
他の例によれば、図８及び図９に示す光ビーム群１０ａ及び１０ｂは、異なる波長を有してもよい。そして、光ビーム１０ａ及び１０ｂの重ね合わせは、図８及び図９に示す配置に基づき、波長選択性鏡部材９によって行うことができ、この場合、光ビーム群１０ａ及び１０ｂは、直線的に偏光されなくてもよく、偏光回転部材８を省略してもよい。
【００６０】
図８及び図９には、本発明に基づく２つの装置を備える配置例を示す。当然ながら、適切な配置によって、本発明に基づく複数の装置からの複数の光ビーム群は、複数の偏光選択性及び／又は波長選択性鏡部材を用いて合成することができる。
【００６１】
図１０は、本発明に基づく装置の更なる例を示す。本例において、同じ統括ビーム１０からの個別の光ビーム群１０ａ及び１０ｂは、互いに偏光結合又は波長結合されている。
【００６２】
図１０において、偏光回転部材８は、光ビーム群１０の光学経路上で再方向性レンズ４の後ろに挿入される。直後に、光ビーム群１０ｂは、非偏光選択性鏡部材９’に突き当たり、別の偏光選択性部材９に向けて反射される。この偏光選択性鏡部材９は、光ビーム群１０ａの光学経路上に位置し、光ビーム群１０ａを通過させる一方、光ビーム群１０ｂを反射する。その際、偏光に合わせて回転された光ビーム群１０ａ及び光ビーム群１０ｂによって構成される統括ビーム１４が、鏡部材９によって生成される。
【００６３】
図１０において、統括ビーム１０は、理想的には、再方向性レンズ４を通過した後に矩形の断面を有し、１つ又は複数の直線状発光体からの２本の光ビーム群で構成される。本例においては、図を２本の光ビーム群に限っているが、複数本の光ビーム群を互いに重ね合わせてもよい。
【００６４】
そして、第２の光ビーム群は、偏光回転部材８又は偏光選択性鏡部材９によって、光ビーム群１０ｂの偏光方向に重ね合わされる。
【００６５】
更なる例によれば、光ビーム群１０ａ及び１０ｂは、異なる波長を生成することができる。この場合、鏡部材９は、波長選択性鏡部材であってもよく、光ビーム群１０ａ及び１０ｂは、直線的に偏光される必要はない。本例では、偏光回転部材８も省略することができる。従って、本例においては、異なる波長を有する２本の光ビームを合成することによって、統括ビームが生成される。説明した原理に従うことにより、図８ないし図９で説明済みの総ての例において、複数本の光ビーム群を偏光及び波長で重ね合わせる組み合わせも可能である。
【００６６】
更なる例においては、複数の別々の発光体の代わりに、空間的に互いに分断された複数の光ビーム群を発する分断発光体を使用することもできる。
【００６７】
図示した何れの例においても、再方向性レンズ４は、主光軸１２上に配置されている。しかしながら、再方向性レンズ４は、主光軸に対してオフセットして設けられてもよいし、光学軸を調整するためにｘ軸及び／又はｙ軸に対して傾けて設けられてもよい。
【００６８】
本発明に基づく装置及び本発明に基づく複数の装置の配置は、直接的な利用にも、間接的な利用にも適している。例えば、レーザポンピング、印刷及び撮影技術、微小部材製造技術、医療技術、電気通信技術、照明及び表示装置技術、及び分析学の分野においての利用に適している。
【００６９】
以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることができる。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７０】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、本発明によれば、一つ又は、複数の直線状発光体からの放射を対称化する装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく装置のｘｚ平面とｙｚ平面における図を、それぞれ光学経路と共に示した図である。
【図２】 発光体の発光面における中間部に位置する一つの光ビームの両平面における光学経路を示した図である。
【図３】 発光体の発光面における縁端部に位置する一つのビームの両平面における光学経路を示した図である。
【図４】 再方向規定部の概略の構造を示す図である。
【図５】 本発明に基づく装置であって、重ね合わされた直線状発光体からの放射をカップリングして光ファイバーに導入するための装置をｘｚ平面、及びｙｚ平面に関して光学経路と共に示した図である。
【図６】 主光軸に対してある角度をもって、あるいはオフセットして入射するビーム群への方向性コリメート光学ユニットの効果を示す。
【図７】 ｘｚ平面における直線状発光体アレイのいくつかの例を示す図である。
【図８】 本発明に基づくアレイを示す図である。
【図９】 本発明に基づく追加のアレイを示す図である。
【図１０】 個々の光ビームが偏光結合され、重ね合わされる場合の、本発明に基づく装置を示す図である。
【符号の説明】
１…直線状発光体
１ａ、１ｂ…幅広レーザダイオード(wideband laser diode)
２、２ａ、２ｂ…円筒レンズ光学ユニット
３…方向性コリメート光学ユニット(director-collimator optical unit)
４…再方向性光学ユニット(redirecting optical unit)
４ａ、４ｂ…再方向性光学システム(redirecting optical system)
５…集光光学ユニット(focusing optical unit)
６…光ファイバー
７ａ〜７ｅ…偏向領域（diffraction area）
８…偏光回転部材（polarization-rotating element）
９…偏光選択性鏡部材、波長選択性鏡部材
９’…非偏光選択性鏡部材９’
１０、１０ａ〜１０ｅ…光ビーム又は光ビーム群
１１ａ、１１ｂ…ビームスポット
１２…主光軸
１３…発光方向

Claims (30)

1. 主光軸ｚに対して垂直なｘ方向に隣接して並ぶ、ビーム群をなす複数のビームの配列による、テレセントリック主光線で表現できる、直線状発光体（１，１ａ，１ｂ）からの放射であり、前記ｘ方向に関する放射と前記ｘ方向及び前記ｚ方向に垂直なｙ方向に関する放射とが非対称である放射の対称性を向上する装置であって、
   前記発光体の後に、個々の直線状発光体（１、１ａ、１ｂ）に対して、あるいは二つ又は複数の発光体に対してまたがって設けられた光学的な円筒レンズシステム（２、２ａ、２ｂ）であって、何れの場合も、少なくとも一つの円筒レンズを、前記直線状発光体の放射方向を回転軸として、前記直線状発光体と相対的に角度を有するように回転させて設けることによって、あるいは不連続偏向部材を更に備えることによって、個々のビームをｙ方向においてコリメートし、個々のビーム又はビーム群をｙ方向において異なった偏向角度で偏向する一つ又は複数の円筒レンズを有する前記円筒レンズシステム（２、２ａ、２ｂ）と、
   平行化のために個々のビームをｘ方向にコリメートし、前記ビームをｙ方向に集光し、そしてｘ方向とｙ方向とで異なる偏向角度で偏向することによって、個々のビーム群の個別のビームの前記主光線が、前記直線状発光体（１、１ａ、１ｂ）から所定の距離において前記ｘ方向において一致し、前記個別のビームが前記ｙ方向に集束し、前記ｙ方向について互いに平行に進む、前記発光体の後に前記主光軸ｚに沿って配置された方向性コリメート光学ユニット（３）と、
   前記方向性コリメート光学ユニット（３）の後に前記直線状発光体（１、１ａ、１ｂ）から前記所定の距離で設けられ、前記方向性コリメート光学ユニット（３）に起因する前記ｘ方向への前記ビーム群の前記偏向を補償する再方向性光学ユニット（４）と
   を備える装置。
2. 前記偏向部材は、不連続な偏向部材であって、前記円筒レンズシステム（２、２ａ、２ｂ）の前方、中間、あるいは後方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記偏向部材は、プリズム領域、回折格子、傾斜偏向光学領域、円筒レンズ、及び／又は鏡を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記ｙ方向において認識される前記偏向角度が、前記ｘ方向において単調増加あるいは単調減少であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の装置。
5. 前記円筒レンズシステム（２、２ａ、２ｂ）は、前記光ビームを前記ｘ方向において複数の個別のグループに分割する分割部材を連続的に有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の装置。
6. 前記分割部材は、複数の円筒レンズ又は複数の望遠鏡状に並んだ円筒レンズからなる領域であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記方向性コリメート光学ユニット（３）は、傾斜光学円筒レンズを有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の装置。
8. 前記方向性コリメート光学ユニット（３）は、少なくとも１つのレンズ及び／又は複数の円筒レンズ及び／又は複数のレンズ群を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の装置。
9. 前記偏向部材は、フロントレンズ又はレンズ群の前記ｚ方向において、前記方向性コリメート光学ユニット（３）の後方に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記再方向性光学ユニット（４）は、プリズム領域、回折格子、傾斜偏向光学領域、レンズ又は鏡を含むことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の装置。
11. 前記再方向性光学ユニット（４）は、前記ｚ軸に関して回転して設けられた円筒レンズ、又は円筒レンズ光学ユニット、又は自由曲面を含む部材であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の装置。
12. 前記ｙ方向に有効な円筒レンズ領域、又は望遠鏡状に並んだ円筒レンズが、前記再方向性光学ユニット（４）の後方に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の装置。
13. 複数の発光体が前記ｘ方向及び／又は前記ｙ方向にオフセットして設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の装置。
14. 少なくとも２つの円筒レンズシステム（２ａ、２ｂ）が、前記ｘ方向及び／又は前記ｙ方向にオフセットして設けられた少なくとも２つの発光体（１ａ、１ｂ）からの前記放射を同時に対称化し、前記円筒レンズシステム（２ａ、２ｂ）のそれぞれが個々の発光体（１ａ、１ｂ）に割り当てられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の装置。
15. 前記ｘ軸、及び又は前記ｙ軸を中心に、互いに反対方向に回転して設けられた複数の前記発光体を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の装置。
16. 前記個別の発光体に割り当てられた複数の前記円筒レンズが、前記ｙ方向において互いにオフセットして設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれかに記載の装置。
17. 前記円筒レンズシステム（２ａ、２ｂ）を通過した個別の発光体からの特定の光ビーム群を偏向する追加の偏向部材が、個々の円筒レンズシステム（２ａ、２ｂ）の後方に設けられることによって、前記再方向性光学ユニット（４）の面上における前記特定の光ビーム群がｘ方向及び／又はｙ方向において互いに分離されていることを特徴とする請求項１３ないし請求項１６のいずれかに記載の装置。
18. 前記再方向性光学ユニット（４）の前方又は後方に、複数の前記発光体（１ａ、１ｂ）からの前記特定の光ビーム群を前記ｘ方向及び／又は前記ｙ方向にそれぞれ独立して偏向する偏向部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれかに記載の装置。
19. 前記装置は、前記再方向性光学ユニット（４）と前記再方向性光学ユニット（４）に割り当てられた前記偏向部とに代わる偏向部材を含むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記追加の偏向部材又は前記偏向部は、プリズム領域、回折格子、傾斜偏向光学領域、レンズ及び又は鏡を有することを特徴とする請求項１７ないし請求項１９のいずれかに記載の装置。
21. 前記装置は、前記再方向性光学ユニット（４）の後方に集光光学ユニット（５）を有することを特徴とする請求項１ないし請求項２０のいずれかに記載の装置。
22. 前記集光光学ユニット（５）は、球面又は非球面レンズ、傾斜光学レンズ、フレネルレンズ、円筒レンズ、及び／又はこれらレンズの複合を、それぞれに隣接して、例えば集光レンズ領域として有することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 少なくとも一本の光ファイバー（６）又は複数の個別の光ファイバーが集まった光ファイバーの束が、前記集光光学ユニット（５）の後方に配置されていることを特徴とする請求項２１又は請求項２２記載の装置。
24. 少なくとも前記複数の発光体の一つが、直線状に並んだ光レーザダイオードのアレイで構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項２３のいずれかに記載の装置。
25. 前記再方向性光学ユニット（４）の直後の前記放射が、長方形あるいは正方形の断面を持つことを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれかに記載の装置。
26. 前記再方向性光学ユニット（４）の前方又は後方に、個別の光ビーム群を偏光結合及び／又は波長結合するための装置が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項２５のいずれかに記載の装置。
27. 少なくとも一つの直線状発光体からの前記放射を対称化する請求項１ないし請求項２６のいずれかに記載の複数の装置のアレイであって、前記発光方向において、共通の再方向性光学ユニットの前方に、又は個別の再方向性光学ユニット材の後方に、前記個別の複数の装置の前記放射を互いに偏光結合又は波長結合するための装置が配置されていることを特徴とするアレイ。
28. 前記ｘ方向、及び／又は前記ｙ方向における対称化のための前記複数の装置のそれぞれが、互いに同じ姿勢、又は前記ｙ方向に関して互いの方向に回転して隣接することを特徴とする請求項２７に記載のアレイ。
29. 前記放射の方向における、偏光結合及び／又は波長結合のための前記装置の後方に、複数の前記対称化装置に対して共通の再方向性光学ユニット（４）が配置されていることを特徴とする請求項２７又は２８に記載のアレイ。
30. 請求項１から２６のいずれか１項に記載した装置又は請求項２７から２９のいずれか１項に記載したアレイを有する、印刷技術、撮影技術、微細材料加工技術、医療技術、電気通信技術、照明技術、表示技術、または分析学の分野におけるレーザポンピング装置。

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