JP5108814B2 - Condensing optical element - Google Patents
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Description
本発明は、集光光学素子に関する。 The present invention relates to a condensing optical element.
太陽光を集光するソーラ・システムや高輝度レーザ等、複数の光源の各々から入射する光を集光するなどして、焦点に於けるエネルギー密度を向上させる用途は種々ある。しかしながら、入射角度や入射位置の異なる複数の光を集光する単一の光学素子を設計することは非常に難しい。例えば、半導体レーザ励起固体レーザ装置の励起源として利用するために、リニアアレイ半導体レーザ装置の焦点を極めて小さくしてエネルギー密度を高くすることが可能な光路変換器が提案されている(特許文献1参照)。光路変換器は、直角プリズムを組み合わせて構成された1つの回転プリズムで構成されている。 There are various uses for improving the energy density at the focal point by condensing light incident from each of a plurality of light sources such as a solar system for concentrating sunlight and a high-intensity laser. However, it is very difficult to design a single optical element that collects a plurality of lights having different incident angles and incident positions. For example, for use as a pumping source of a semiconductor laser pumped solid-state laser device, an optical path converter capable of increasing the energy density by extremely reducing the focal point of a linear array semiconductor laser device has been proposed (Patent Document 1). reference). The optical path changer is composed of one rotating prism configured by combining right-angle prisms.
この回転プリズムは、点線状のレーザビーム群を放射するリニアアレイレーザ素子の前面に配設されて、その点線の向きに対してほぼ垂直な方向に屈折してコリメートされたレーザビーム群を受光し、各エミッタまたは各エミッタ群からのレーザビームの向きを直角に旋回して放射することにより、実質的な梯子状レーザビーム群に変換し、この実質的梯子状レーザビーム群を2つの方向に独立的にコリメートして焦点に収斂し、焦点に於けるレーザエネルギの密度を向上させている。
しかしながら、特許文献1に記載の光路変換器は、回転プリズムを複数個アレイ状に配列して用いているため、個々の光学特性のばらつきも考慮する必要があり、高い組み付け精度が得られない。このため、リニアアレイレーザ素子との間の光学調整が複雑となり、実用化の可能性が低いという問題がある。上述した通り、レーザ光に限らず、入射角度や入射位置の異なる複数の光を単一の光学素子で集光することは難しい。 However, since the optical path changer described in Patent Document 1 uses a plurality of rotating prisms arranged in an array, it is necessary to consider variations in individual optical characteristics, and high assembling accuracy cannot be obtained. For this reason, there is a problem that optical adjustment with the linear array laser element becomes complicated and the possibility of practical use is low. As described above, it is difficult to condense not only laser light but a plurality of lights having different incident angles and incident positions with a single optical element.
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、バックライト等に用いられる導光板の動作原理を逆に利用して、異なる位置から入射する光を伝播させて集光するができる単体の集光光学素子を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can reversely utilize the operating principle of a light guide plate used in a backlight or the like to propagate and collect light incident from different positions. It is to provide a single condensing optical element.
上記目的を達成するために各請求項に記載の発明は、以下の構成を備えたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, the invention described in each claim has the following configuration.
請求項1に記載の発明は、予め定めた入射角で複数の光が入射する入射部を有する入射面、及び前記入射面に対向する少なくとも1つの反射面を備え、前記入射面から入射された光を前記入射面と前記入射面に対向する反射面との間で全反射して長さ方向に伝播する長尺状の導光体であって、導光体の厚さ及び導光体の幅の少なくとも一方が光伝播方向の下流側に向って増加する第1の導光体と、前記入射面に連続する表面、前記表面に対向する少なくとも1つの反射面、及び前記表面と前記表面に対向する反射面との間で全反射されて伝播された光が出射する出射部を備え、前記第1の導光体と共に光路を形成するように前記第1の導光体に連結された長尺状の導光体であって、導光体の厚さ及び導光体の幅の少なくとも一方が光伝播方向の下流側に向って減少する第2の導光体と、を含み、前記入射部の光が入射する幅方向の位置に応じて前記出射部から出射する光の出射位置又は出射方向が異なるように、前記入射面に対向する反射面及び前記表面に対向する反射面の少なくとも一方を法線が中心方向を向いた斜面であり且つ互いに交差する複数の平面で構成した、集光光学素子である。 The invention according to claim 1 is provided with an incident surface having an incident portion on which a plurality of lights are incident at a predetermined incident angle, and at least one reflecting surface facing the incident surface, and is incident from the incident surface. A long light guide that totally reflects light between the incident surface and a reflective surface facing the incident surface and propagates in the length direction, and the thickness of the light guide and the light guide A first light guide having at least one of a width increasing toward a downstream side in the light propagation direction, a surface continuous to the incident surface, at least one reflecting surface facing the surface, and the surface and the surface; A length connected to the first light guide so as to form an optical path together with the first light guide, including an output portion from which the light totally reflected and propagated between the opposing reflecting surfaces is emitted. A light guide having a scale shape, wherein at least one of the thickness of the light guide and the width of the light guide is the light propagation direction. Includes a second light guide which decreases toward the downstream side, and the emitted position or the emission direction of the light emitted from the emitting portion is different depending on the position in the width direction of the light of the incident portion is incident A condensing optical element in which at least one of the reflecting surface facing the incident surface and the reflecting surface facing the surface is composed of a plurality of planes whose normals are inclined toward the central direction and intersect each other .
請求項2に記載の発明は、前記出射部が、伝播された光が臨界角を超えて出射する角度で前記表面と交差する出射端面である、請求項1に記載の集光光学素子である。 The invention according to claim 2 is the condensing optical element according to claim 1, wherein the exit portion is an exit end face that intersects the surface at an angle at which the propagated light exits beyond a critical angle. .
なお、前記入射面に対向する反射面が、回転軸の周りに前記回転軸と交差する直線又は曲線を回転させて得られた曲面を含むようにしてもよい。 Note that the reflection surface facing the incident surface may include a curved surface obtained by rotating a straight line or a curve intersecting the rotation axis around the rotation axis .
各請求項に係る発明によれば、以下の効果がある。 The invention according to each claim has the following effects.
請求項1に記載の発明によれば、バックライト等に用いられる導光板の動作原理を逆に利用して、単体の集光光学素子で、異なる位置から入射する光を伝播させて集光することができる、という効果がある。また、出射光の集光特性を制御することができる、という効果がある。 According to the first aspect of the present invention, by conversely using the operating principle of the light guide plate used for the backlight or the like, the single incident optical element propagates and collects the incident light from different positions. There is an effect that can be. In addition, there is an effect that the condensing characteristic of the emitted light can be controlled.
請求項2に記載の発明によれば、出射光の集光性が向上し、出射光を効率よく取り出すことができる、という効果がある。 According to the second aspect of the present invention, there is an effect that the condensing property of the emitted light is improved and the emitted light can be efficiently extracted.
請求項3に記載の発明によれば、出射光の集光特性を制御することができる、という効果がある。
According to the invention described in
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<第1の実施の形態>
(集光光学素子の概略構成)
図1(A)〜(C)は本発明の第1の実施の形態に係る集光光学素子の構成を示す概略図である。図1(A)は集光光学素子の斜視図であり、図1(B)は集光光学素子を上側から見た平面図であり、図1(C)は集光光学素子の光軸に沿った断面図である。図2は集光光学素子を2つの導光体に分解したときの分解斜視図である。以下では、集光光学素子に入射した光は、幾何光学上の正方向(図面上で左側から右側)に伝播するものとして説明する。また、光伝播方向に対して「上流側」及び「下流側」という表現を用いる。
<First Embodiment>
(Schematic configuration of condensing optical element)
1A to 1C are schematic views showing the configuration of a condensing optical element according to the first embodiment of the present invention. 1A is a perspective view of the condensing optical element, FIG. 1B is a plan view of the condensing optical element viewed from above, and FIG. 1C is an optical axis of the condensing optical element. FIG. FIG. 2 is an exploded perspective view when the condensing optical element is disassembled into two light guides. In the following description, it is assumed that the light incident on the condensing optical element propagates in the positive direction in geometric optics (from left to right in the drawing). The expressions “upstream side” and “downstream side” are used with respect to the light propagation direction.
図1(A)〜(C)に示すように、第1の実施の形態に係る集光光学素子10は、光伝播方向を長手方向とする長板状の導光体(導光板)である。集光光学素子10は、光が入射する入射部を有する入射面12と、入射面12に対向する第1の反射面14と、入射面12及び第1の反射面14の両端を接続する第2の反射面161及び第3の反射面162と、集光された光が出射する出射部としての出射端面18とを備えて構成されている。
As shown in FIGS. 1A to 1C, the condensing
本実施の形態では、第2の反射面161と第3の反射面162とは、導光板の互いに対向する側面を構成しており、入射面12、第1の反射面14、第2の反射面161及び第3の反射面162の4面で光を閉じ込めている。入射部(図示せず)は、入射面12の上流側の端部に位置している。出射部である出射端面18は、下流側の先端部に形成されている。出射端面18は、伝播光が臨界角を超えて外部に出射するように、入射面12に対し所定角度を成すように形成されている。
In this embodiment, the second reflecting
(集光光学素子の集光動作)
図2を参照して、集光光学素子10の集光動作を説明する。集光光学素子10は、上流側に配置された導光体10Aと、下流側に配置された導光体10Bとが、仮想面である透過面13を介して連続するように一体に形成されている。入射面12は1つの平面である。一方、第1の反射面14は、透過面13を境に折れ曲がっており、導光体10A側の四角形状の平面と、導光体10B側の台形状の平面の2つの平面で構成されている。
(Condensing operation of condensing optical element)
With reference to FIG. 2, the condensing operation | movement of the condensing
導光体10Aは、互いに対向する第2の反射面161と第2の反射面162との間隔(導光体の幅)は一定であるが、互いに対向する入射面12と第1の反射面14との間隔(導光体の厚さ)が、下流側に向かって増加するアップテーパを形成している。このようにアップテーパを形成する導光体10Aの形状を「くさび状」という。
入射部から導光体10Aに所定角度で入射した光は、入射面12、第1の反射面14、第2の反射面161及び第3の反射面162の間で全反射されながら伝播する。くさび状の導光体10Aでは、全反射の角度(反射光と反射面とが成す角度:反射面への入射補角)は下流側に向かって次第に小さくなり、伝播光は高次モードから低次モードに変換される。導光体10Aの端面である透過面13からは、透過面13に対しほぼ垂直な光(平行光)が出射される。
Light incident at a predetermined angle from the incident part on the
一方、導光体10Bは、互いに対向する入射面12と第1の反射面14との間隔(導光体の厚さ)は一定であるが、互いに対向する第2の反射面161と第2の反射面162との間隔(導光体の幅)が、下流側に向かって減少するダウンテーパを形成している。光伝播方向を正方向とすれば、ダウンテーパを形成する導光体10Bは、「くさび状」の導光体が逆向きに配置された「逆くさび」である。従って、導光体10Bの形状を「逆くさび状」という。
On the other hand, in the
透過面13から導光体10Bに入射した光は、入射面12、第1の反射面14、第2の反射面161及び第3の反射面162の間で全反射されながら伝播する。逆くさび状の導光体10Bでは、全反射の角度は下流側に向かって次第に大きくなり、伝播光は低次モードから高次モードに変換される。導光体10Bでは、導光体の幅方向(水平方向)に集光される。出射部に向かって集光された光は、臨界角を超えて出射端面18から取り出される。
The light incident on the
これにより、入射面12に所定角度で入射した光は、集光光学素子10内を伝播して水平方向に集光され、集光された光が出射端面18から出射される。出射端面18の面積は入射面12の面積に比べて小さく、大面積の光画像を小面積に投影するように、集光された光が出射端面18の一部分から出射される。
Thereby, the light incident on the
「くさび状の導光体」による伝播・集光は、バックライト等に用いられる導光板の動作原理を逆に利用したものである。上記の通り、例えば、平行光化して集光するというように、所望の光学特性を発揮するように、モード変換機能を備えた「くさび状の導光体」を適宜組み合わせることで、集光光学素子を自在に設計することができる。以下に説明する他の実施の形態に係る集光光学素子も、上記の「くさび状の導光体」を基本単位として設計されている。 Propagation / condensation by the “wedge-shaped light guide” reversely uses the operating principle of a light guide plate used for a backlight or the like. As described above, for example, condensing optics by appropriately combining a “wedge-shaped light guide” having a mode conversion function so as to exhibit desired optical characteristics such as collimation and condensing. Elements can be designed freely. Condensing optical elements according to other embodiments described below are also designed with the above-mentioned “wedge-shaped light guide” as a basic unit.
光学特性という観点から説明すると、集光光学素子10は、光学系に入射する光の進行方向に対して垂直且つ相互に直交するように配置された2つのシリンドリカルレンズと同様の光学系と理解することができる。即ち、集光光学素子10は、上流側に配置された導光体10Aで入射光を平行光化し、下流側に配置された導光体10Bで伝播光を水平方向に集光する光学系(例えば、リレーレンズやビームエキスパンダ)と同じ光学特性を有している。
From the viewpoint of optical characteristics, the condensing
(集光光学素子の光学材料)
集光光学素子10を構成する光学材料としては、導光体として機能するように、導光する波長の光に対し透明であり、外部に配置される材料よりも屈折率の高い材料が用いられる。例えば、空気中に配置される場合には、屈折率が1より大きい材料であればよく、屈折率が1.3〜2.7程度の光学材料を用いることが一般的であるが、特に限定されるものではない。なお、光学材料に関しては、以下に説明する他の実施の形態に係る集光光学素子にも、同様の材料を用いることができる。
(Optical material for condensing optical element)
As the optical material constituting the condensing
不要な散乱を生じるなど光学特性を劣化させなければ、一般には、屈折率のより高い材料を用いることが望ましい。但し、屈折率のより高い材料を用いる場合には、空気領域から集光光学素子10に光が入射する際に、フレネル反射による損失が発生する虞がある。従って、屈折率のより高い材料を用いる場合には、フレネル反射損失を低減するために、反射防止手段を設けることが好ましい。
In general, it is desirable to use a material having a higher refractive index so long as optical properties are not deteriorated such as causing unnecessary scattering. However, when a material having a higher refractive index is used, there is a possibility that a loss due to Fresnel reflection occurs when light enters the condensing
また、集光する光のエネルギー密度に応じて、適宜、材料を選択することができる。例えば、高エネルギー密度のレーザ光を集光する場合には、石英等の耐熱性に優れる材料を用いることが好ましい。可視領域で発光するLEDの発光光や太陽光など、低エネルギー密度の光を集光する場合には、アクリル樹脂(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、シクロオレフィンポリマー(COP)等の樹脂材料を用いることができる。 In addition, a material can be appropriately selected according to the energy density of the collected light. For example, when condensing a laser beam having a high energy density, it is preferable to use a material having excellent heat resistance such as quartz. When condensing light of low energy density, such as light emitted from LEDs that emit light in the visible region or sunlight, a resin material such as acrylic resin (PMMA), polycarbonate (PC), or cycloolefin polymer (COP) is used. be able to.
(集光光学素子の使用方法)
図3(A)及び(B)は集光光学素子の使用方法の一例を示す概略図である。本発明の集光光学素子は、照射された光のうち入射部に所定角度で入射する光を集光するものであり、光源に応じて材料や形状を適宜選択することで、例えば、レーザ光源、LED光源、太陽光、点光源、線光源、面光源など、種々の光源を用いることができる。また、光源から照射される光は、コヒーレント光、インコヒーレント光、又はコヒーレンシーの度合いがコヒーレント光とインコヒーレント光との間にある光の何れでもよい。
(How to use condensing optical elements)
3A and 3B are schematic views showing an example of a method of using the condensing optical element. The condensing optical element of the present invention condenses light incident on the incident portion at a predetermined angle among the irradiated light, and appropriately selects the material and shape according to the light source, for example, a laser light source Various light sources such as an LED light source, sunlight, a point light source, a line light source, and a surface light source can be used. The light emitted from the light source may be any of coherent light, incoherent light, or light having a coherency degree between the coherent light and the incoherent light.
例えば、図3(A)に示したように、半導体レーザ(LD)アレイ15を、光源として用いることができる。LDアレイ15の複数のLDの各々から出射されたレーザ光を、集光光学素子10の入射面12に照射する。照射されたレーザ光の一部は、入射面12の端部に位置する入射部から所定角度で入射し、集光されて出射端面18から出射する。また、図3(B)に示したように、太陽光21を光源として用いることができる。太陽光21を集光光学素子10の入射面12に照射する。照射された太陽光の一部を、同様に集光して、出射端面18から取り出すことができる。
For example, as shown in FIG. 3A, a semiconductor laser (LD)
図3(A)及び(B)の何れの場合においても、入射部の上流側にレンズ(図示せず)を配置して、レンズで集光された光を入射面12に照射してもよい。また、出射端面18から出射された光は、必要に応じて集光レンズ17により集光される。例えば、出射端面18から出射される光は、発散角が大きくなる場合がある。このような場合には、光損失を低減するために、出射端面18からの出射光を、外部に配置した集光レンズ17により集光させ、集光された光を対象物に照射することができる。
In either case of FIGS. 3A and 3B, a lens (not shown) may be disposed on the upstream side of the incident portion, and the light condensed by the lens may be irradiated onto the
外部に配置したレンズで集光する以外に、出射端面18を直接加工して、表面にレンズを作り込んでもよい。レンズとしては、先球レンズ、フレネルレンズ等を用いることができる。また、導光体の表面に反射防止膜を成膜する、或いは、反射防止機能又は反射低減機能を有するナノ構造体を付加することで、出射端面18での反射を防止することができる。また、出射端面18に光ファイバを直接に接続して、光ファイバに出射光を導いてもよい。なお、以下に説明する他の実施の形態に係る集光光学素子も、同様にして使用することができる。
In addition to focusing with an externally arranged lens, the exit end face 18 may be directly processed to form a lens on the surface. As the lens, a tip ball lens, a Fresnel lens, or the like can be used. Further, reflection at the emission end face 18 can be prevented by forming an antireflection film on the surface of the light guide or adding a nanostructure having an antireflection function or a reflection reduction function. Further, an optical fiber may be directly connected to the
(全反射による伝播条件)
次に、入射した光が集光光学素子10内を全反射して伝播するための条件について説明する。図4は、集光光学素子の子午線面における解析モデル(子午線近似モデル)である。本実施の形態に係る集光光学素子10は、幅方向に略対称な形状である。従って、入射面12から入射する光は、光軸を含む平面(子午線面)内を伝播するメリジオナル光線と、子午線面内に含まれないスキュー光線とに分けられる。子午線近似モデルとは、子午線面内を伝播するメリジオナル光線の伝播挙動を表すモデルである。
(Propagation condition by total reflection)
Next, conditions for the incident light to be totally reflected and propagated in the condensing
図4は、上流側に配置された導光体10Aの入射面12の任意の入射部(点O’)から入射し、透過面13から出射する様子を図示している。入射面12及び第1の反射面14は互いに平面であり、入射面12と第1の反射面14とは角度θ1で交差している。入射角θ2で入射した光は屈折角θ3で屈折されて、導光体10A内に入射する。入射された光は、入射面12と第1の反射面14との間で全反射されて伝播され、透過面13からこの透過面13に対し略垂直に出射される。
FIG. 4 illustrates a state where the light is incident from an arbitrary incident portion (point O ′) of the
入射部での導光体10Aの厚さを「ws」、透過面13での導光体10Aの厚さを「we」、入射部から透過面13までの距離を「L」とすると、交差角度θ1が定まる。伝播光の光路は、交差角度θ1、入射角θ2、及び屈折角θ3に応じて、下記式(1)で表される「スネルの法則」と、下記式(2)で表される「全反射条件」とを用いて計算することができる。
If the thickness of the
nA・sinθ2=nLGP・sinθ3 式(1)
式(1)中、nAは空気の屈折率、nLGPは集光光学素子の構成材料の屈折率である。
n A · sin θ 2 = n LGP · sin θ 3 formulas (1)
In Formula (1), n A is the refractive index of air, and n LGP is the refractive index of the constituent material of the condensing optical element.
θC=sin−1(nA/nLGP) 式(2) θ C = sin −1 (n A / n LGP ) Formula (2)
式(2)中、θCは臨界角である。反射面への入射補角が、臨界角θCを超えなければ全反射される。 In formula (2), θ C is a critical angle. If the complementary angle of incidence on the reflecting surface does not exceed the critical angle θ C , total reflection is performed.
なお、図4の説明において、「反射面」とは、実際に全反射が起こる面という意味であり、入射面12又は第1の反射面14である。1回目の反射では、入射面12から入射した光が、第1の反射面14で入射面12側に反射される。2回目の反射では、第1の反射面14で反射された光が、入射面12で第1の反射面14側に反射される。
In the description of FIG. 4, the “reflection surface” means a surface where total reflection actually occurs, and is the
図示したくさび状の導光体10Aにおいては、入射面12と第1の反射面14との間での全反射だけを考えると、1回目の反射面への入射角度は(θ3 +θ1)、2回目の入射角度は(θ3 +2θ1)、・・・、n回目の入射角度は(θ3 +nθ1)と次第に大きくなり、反射面への入射補角(全反射の角度)は次第に小さくなる。従って、上述したように、伝播光は平行光化されて透過面13を通過する。逆くさび状の導光体10Bでは、これとは逆に、反射回数が増加するに従って入射補角は次第に大きくなる。入射面12に対し斜めに形成された出射端面18において、入射補角が臨界角θCを超えて、伝播光が外部に射出される。
In the wedge-shaped
以上説明した通り、第1の実施の形態の集光光学素子では、バックライト等に用いられる導光板の動作原理を逆に利用した「くさび状の導光体」による伝播・集光機能により、大面積の入射面に所定角度で入射した光を水平方向に集光して、小面積の出射端面から射出することができる。 As described above, in the condensing optical element of the first embodiment, the propagation / condensing function by the “wedge-shaped light guide” that uses the operating principle of the light guide plate used for the backlight or the like in reverse, Light incident on a large-area incident surface at a predetermined angle can be collected in the horizontal direction and emitted from a small-area emission end surface.
<第2の実施の形態>
図6(A)〜(D)は本発明の第2の実施の形態に係る集光光学素子の構成を示す概略図である。図6(A)は集光光学素子の斜視図であり、図6(B)は集光光学素子を上側から見た平面図であり、図6(C)は集光光学素子の光軸に沿った断面図である。図6(D)は集光光学素子を2つの導光体に分解したときの分解斜視図である。
<Second Embodiment>
FIGS. 6A to 6D are schematic views showing the configuration of a condensing optical element according to the second embodiment of the present invention. 6A is a perspective view of the condensing optical element, FIG. 6B is a plan view of the condensing optical element as viewed from above, and FIG. 6C is an optical axis of the condensing optical element. FIG. FIG. 6D is an exploded perspective view when the condensing optical element is disassembled into two light guides.
図6(A)〜(C)に示すように、第2の実施の形態に係る集光光学素子20は、上流側の反射面がより複雑な多面体形状を有している以外は、第1の実施の形態に係る集光光学素子10と略同じ構成であり、光が入射する入射部を有する入射面22と、入射面22に対向する第1の反射面24と、入射面22及び第1の反射面24の両端を接続する第2の反射面261及び第3の反射面262と、集光された光が出射する出射部としての出射端面28とを備えて構成されている。
As shown in FIGS. 6A to 6C, the condensing
また、図6(D)に示すように、集光光学素子20は、上流側に配置されたくさび状の導光体20Aと、下流側に配置された逆くさび状の導光体20Bとが、仮想面である透過面23を介して連続するように一体に形成されている。第1の反射面24は、透過面23を境に折れ曲がっている。また、導光体20A側では、第1の反射面24は、点A,B,C,Dを結ぶ線分AB,BC,CDにより3分割された3つの平面241、平面242、平面243によって多面体形状に構成されている。平面241、平面242は台形状、平面243は三角形状である。
Further, as shown in FIG. 6D, the condensing
点Aから点Bに向って導光体20Aの厚さが増加すると共に、点Bから点C(又は点Bから点D)に向って導光体20Aの厚さが増加する。従って、平面241、平面242、平面243の各々は、法線が中心方向に向いた斜面を形成している。ここで中心とは、光の伝播方向に沿って略左右対称に形成された集光光学素子の対称軸がある中央部分を意味している。平面241、平面242、平面243の法線方向は各々異なり、3つの平面は互いに交差するように配置されている。
The thickness of the
なお、第1の実施の形態と同様に、導光体20B側では、第1の反射面24は1つの台形状の平面244から構成されており、導光体20Bの厚さは一定である。また、平面241、平面242、平面243及び平面244の各々は、区別する必要が無い場合には、第1の反射面24と総称する。
As in the first embodiment, the light guide 20B side, the first reflecting
集光光学素子20では、第1の実施の形態と同様に、入射部から導光体20Aに所定角度で入射した光は、入射面22、第1の反射面24(平面241、平面242、平面243)、第2の反射面261及び第3の反射面262の間で全反射されながら伝播する。くさび状の導光体20Aでは、伝播光は高次モードから低次モードに変換され、平行光化されて透過面23を通過する。
In the condensing
透過面23から導光体20Bに入射した光は、入射面22、第1の反射面24(平面244)、第2の反射面261及び第3の反射面262の間で全反射されながら伝播する。逆くさび状の導光体20Bでは、伝播光は低次モードから高次モードに変換され、水平方向に集光される。高次モードに変換され、出射部に向かって集光された光は、臨界角を超えて出射端面28から取り出される。
Light incident from the
第2の実施の形態に係る集光光学素子20は、第1の反射面24が多面体形状を有している点で、平面状の第1の反射面14を有する第1の実施の形態の集光光学素子10とは異なっている。図8(A)に示すように、第1の実施の形態の集光光学素子10では、第1の反射面14は平坦であり、光の入射する位置によって導光体10Aの伝播特性は変化しない。従って、光の入射する位置に応じて焦点距離も変化せず、線状の入射ビーム40に対し、集光された線状の出射ビーム42が出射する。
The condensing
一方、図8(B)に示すように、第2の実施の形態の集光光学素子20では、導光体20Aの第1の反射面24は多面体形状を有しており、光の入射する位置によって導光体20A内での伝播特性が変化する。従って、光の入射する位置に応じて焦点距離が変化し、線状の入射ビーム40を横方向に3分割した各ビーム(ビーム401、ビーム402、ビーム403)に対応して、縦方向に配列された3つの線状の出射ビーム42(ビーム421、ビーム422、ビーム423)が出射する。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, in the condensing
集光光学素子の2つの導光体の反射面の形状を最適化することにより、図8(B)に示すように、集光性に劣る横方向(水平方向又は幅方向)の入射ビーム40を分割して、ビームの縦横比を再構成した出射ビーム42を得ることができる。これにより、出射ビーム42の集光径を小さくすることができる。なお、このように出射光の再構成を行う場合には、焦点位置を2つの導光体の接続点付近に設定する方が、集光光学素子の光学設計が容易になる。
By optimizing the shape of the reflecting surfaces of the two light guides of the condensing optical element, as shown in FIG. 8B, the
例えば、遅軸方向でビーム品質が悪いマルチモード動作レーザのビームパラメータ積(BPP)を再構成することで、集光性を向上させることができる。ここでBPPは、ビームウエストの半径ω0とビーム発散角の半値全幅θの積として定義される。また、複数の発光点を有するマルチエミッタの一次元のLDアレイ(いわゆる、LDバー)においても、BPPを再構成することで、集光性を向上させることができ、高出力を得ることができる。なお、例えば、幅10mm×高さ1mmのスリット光のような線状のレーザビームでは、電界の振動方向にあたる幅方向が遅軸方向であり、高さ方向が速軸方向である。 For example, by reconstructing the beam parameter product (BPP) of a multimode operation laser with poor beam quality in the slow axis direction, the light condensing property can be improved. Here, BPP is defined as the product of the beam waist radius ω 0 and the full width at half maximum θ of the beam divergence angle. Also, in a multi-emitter one-dimensional LD array (so-called LD bar) having a plurality of light emitting points, the BPP can be reconfigured to improve the light condensing performance and to obtain a high output. . For example, in a linear laser beam such as slit light having a width of 10 mm and a height of 1 mm, the width direction corresponding to the vibration direction of the electric field is the slow axis direction, and the height direction is the fast axis direction.
以上説明した通り、第2の実施の形態の集光光学素子では、「くさび状の導光体」による伝播・集光機能により、大面積の入射面に所定角度で入射した光を水平方向に集光して、小面積の出射端面から射出することができる。また、反射面の多面体形状を最適化することで、光の入射する位置によって伝播特性(焦点距離)を変化させて、入射ビームの縦横比を再構成した出射ビームを得ることができる。即ち、出射光の集光特性を制御することができる。これにより、出射ビームの集光径を小さくすることができる。 As described above, in the condensing optical element of the second embodiment, the light incident on the large-area incident surface at a predetermined angle in the horizontal direction by the propagation / condensing function by the “wedge-shaped light guide”. The light can be condensed and emitted from the emission end face having a small area. Further, by optimizing the polyhedral shape of the reflecting surface, it is possible to obtain an outgoing beam in which the propagation characteristic (focal length) is changed depending on the position where the light is incident, and the aspect ratio of the incident beam is reconfigured. That is, the condensing characteristic of the emitted light can be controlled. Thereby, the condensing diameter of an emitted beam can be made small.
(集光光学素子の変形例)
図7(A)〜(C)は本発明の第2の実施の形態に係る集光光学素子の変形例の構成を示す概略図である。図7(A)は集光光学素子の斜視図であり、図7(B)は集光光学素子を上側から見た平面図であり、図7(C)は集光光学素子の光軸に沿った断面図である。
(Modification of condensing optical element)
FIGS. 7A to 7C are schematic views showing a configuration of a modification of the condensing optical element according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7A is a perspective view of the condensing optical element, FIG. 7B is a plan view of the condensing optical element as viewed from above, and FIG. 7C is an optical axis of the condensing optical element. FIG.
図7(A)〜(C)に示すように、変形例に係る集光光学素子30は、光が入射する入射部を有する入射面32と、入射面32に対向する第1の反射面34(平面341、平面342、平面343、及び平面344)と、入射面32及び第1の反射面34の両端を接続する第2の反射面361及び第3の反射面362と、集光された光が出射する出射部としての出射端面38とを備えて構成されている。また、集光光学素子30は、上流側に配置されたくさび状の導光体30Aと、下流側に配置された逆くさび状の導光体30Bとが、仮想面である透過面33を介して連続するように一体に形成されている。
As shown in FIGS. 7A to 7C, the condensing
下流側の逆くさび状の導光体30Bは、互いに対向する入射面32と第1の反射面34との間隔(導光体の厚さ)が下流側に向かって減少すると共に、互いに対向する第2の反射面361と第3の反射面362との間隔(導光体の幅)が下流側に向かって減少するダウンテーパを形成している。即ち、集光光学素子30は、導光体30Bで、導光体の幅と厚さの両方が下流側に向かって減少するダウンテーパを形成している以外は、第2の実施の形態に係る集光光学素子20と略同じ構成である。
The reverse wedge-shaped light guide 30B on the downstream side opposes each other as the distance between the
この集光光学素子30では、第2の実施の形態と同様に、入射部から導光体30Aに所定角度で入射した光は、入射面32、第1の反射面34(平面341、平面342、平面343)、第2の反射面361及び第3の反射面362の間で全反射されながら伝播する。くさび状の導光体30Aでは、伝播光は高次モードから低次モードに変換され、平行光化されて透過面33を通過する。
In the condensing
透過面33から導光体30Bに入射した光は、入射面32、第1の反射面34(平面344)、第2の反射面361及び第3の反射面362の間で全反射されながら伝播する。逆くさび状の導光体30Bでは、伝播光は低次モードから高次モードに変換され、水平方向及び鉛直方向に集光される。高次モードに変換され、出射部に向かって集光された光は、臨界角を超えて出射端面38から取り出される。
The light incident on the light guide member 30B from the transmitting
以上説明した通り、変形例の集光光学素子では、「くさび状の導光体」による伝播・集光機能により、大面積の入射面に所定角度で入射した光を集光して、小面積の出射端面から射出することができる。特に、下流側に導光体の厚さ及び幅の両方が減少するダウンテーパを形成することで、伝播光が水平方向及び鉛直方向に集光されて、出射光の集光性が向上し、出射光を効率よく取り出すことができる。また、反射面の多面体形状を最適化することで、光の入射する位置によって伝播特性(焦点距離)を変化させて、入射ビームの縦横比を再構成した出射ビームを得ることができる。即ち、出射光の集光特性を制御することができる。これにより、出射ビームの集光径を小さくすることができる。 As described above, in the condensing optical element of the modified example, the light incident on the large-area incident surface at a predetermined angle is condensed by the propagation / condensing function by the “wedge-shaped light guide” to reduce the area. The light can be emitted from the emission end face. In particular, by forming a down taper in which both the thickness and width of the light guide body are reduced on the downstream side, the propagation light is condensed in the horizontal direction and the vertical direction, and the condensing property of the emitted light is improved. The emitted light can be extracted efficiently. Further, by optimizing the polyhedral shape of the reflecting surface, it is possible to obtain an outgoing beam in which the propagation characteristic (focal length) is changed depending on the position where the light is incident, and the aspect ratio of the incident beam is reconfigured. That is, the condensing characteristic of the emitted light can be controlled. Thereby, the condensing diameter of an emitted beam can be made small.
<第3の実施の形態>
図9(A)〜(D)は本発明の第3の実施の形態に係る集光光学素子の構成を示す概略図である。図9(A)及び(B)は集光光学素子の斜視図であり、図9(C)は集光光学素子を上側から見た平面図であり、図9(D)は集光光学素子の光軸に沿った断面図である。図10は集光光学素子を2つの導光体に分解したときの分解斜視図である。
<Third Embodiment>
FIGS. 9A to 9D are schematic views showing the configuration of a condensing optical element according to the third embodiment of the present invention. 9A and 9B are perspective views of the condensing optical element, FIG. 9C is a plan view of the condensing optical element as viewed from above, and FIG. 9D is a condensing optical element. It is sectional drawing along the optical axis. FIG. 10 is an exploded perspective view when the condensing optical element is disassembled into two light guides.
図9(A)〜(D)に示すように、第3の実施の形態に係る集光光学素子50は、光伝播方向を長手方向とする剣先状の導光体である。集光光学素子50は、光が入射する入射部を有する入射面52と、入射面52に対向する反射面54とを備えて構成されている。本実施の形態では、いわゆる側面に対応する面は存在せず、入射面52及び反射面54の両端が直接に接続されている。
As shown in FIGS. 9A to 9D, the condensing
光伝播方向に対し、入射部(図示せず)は入射面52の上流側の端部に位置しており、出射部58は下流側の先端部(剣先)に位置している。なお、出射部58が入射面52上に在る場合について図示したが、第3の実施の形態に係る集光光学素子50では、出射部58が反射面54に在る場合も想定される。
The incident part (not shown) is located at the upstream end of the
本実施の形態では、入射面52は、線分IJを境に折れ曲がっており、上流側の四角形の平面と下流側の三角形の平面とから構成されている。また、反射面54は、船底のような形状を有しており、点E,F,G,Hを結ぶ線分EG,FG,GHにより3分割された3つの平面541、平面542、平面543によって多面体形状に構成されている。平面541は三角形状、平面242、平面243はひし形状である。平面541、平面542、及び平面543の各々は、法線が中心方向に向いた斜面を形成している。3つの平面の法線方向は各々異なり、複数の平面は互いに交差するように配置されている。平面541、平面542、及び平面543は、区別する必要が無い場合には、反射面54と総称する。
In the present embodiment, the
また、集光光学素子50は、上流側に配置されたくさび状の導光体50Aと、下流側に配置された逆くさび状の導光体50Bとが、仮想面である透過面53を介して連続するように一体に形成されている。透過面53は、点G,I,Jを頂点とする三角形の平面である。なお、他の実施の形態と同様に、テーパを形成する形状を「くさび状」と称しているが、導光体50Aは点Gを頂点とする四角錐であり、導光体50Bは点Hを頂点とする三角錐である。
The condensing
導光体50Aは、導光体の幅は一定であるが、互いに対向する入射面52と反射面54との間隔(導光体の厚さ)が、下流側に向かって増加するアップテーパを形成している。即ち、点Eから点G(又は点Fから点G)に向って導光体50Aの厚さが増加する。導光体50A側では、入射面52、反射面である平面541、平面542、及び平面543の4面で光を閉じ込めている。
In the
一方、導光体50Bは、互いに対向する入射面52と反射面54との間隔(導光体の厚さ)が下流側に向かって減少すると共に、導光体の幅が下流側に向かって減少するダウンテーパを形成している。即ち、点Iから点H(又は点Jから点H)に向って導光体50Bの厚さが減少する。導光体50B側では、入射面52、反射面である平面542及び平面543の3面で光を閉じ込めている。平面542及び平面543は、導光体50A及び導光体50Bに亘って設けられている。
On the other hand, in the light guide 50B, the distance between the
集光光学素子50では、第1の実施の形態と同様に、入射部から導光体50Aに所定角度で入射した光は、入射面52及び反射面54(平面541、平面542、平面543)の間で全反射されながら伝播する。くさび状の導光体50Aでは、伝播光は高次モードから低次モードに変換されて平行光化されると共に、傾斜した平面542、平面543により中心方向に集光されて、透過面53を通過する。
In the condensing
透過面53から導光体50Bに入射した光は、入射面52及び反射面54(平面542、平面543)の間で全反射されながら伝播する。逆くさび状の導光体50Bでは、伝播光は低次モードから高次モードに変換され、水平方向及び鉛直方向に集光される。高次モードに変換され、出射部に向かって集光された光は、臨界角を超えて出射部58から取り出される。
The light that has entered the light guide 50B from the
以上説明した通り、第3の実施の形態の集光光学素子では、「くさび状の導光体」による伝播・集光機能により、大面積の入射面に所定角度で入射した光を集光して、小面積の出射端面から射出することができる。特に、下流側に導光体の厚さ及び幅の両方が減少するダウンテーパを形成することで、伝播光が水平方向及び鉛直方向に集光されて、出射光の集光性が向上し、出射光を効率よく取り出すことができる。また、上流側から下流側に亘って、急峻に傾斜した一対の平面からなる反射面を形成することで、更に中心方向への集光性が向上する。 As described above, the condensing optical element of the third embodiment condenses light incident at a predetermined angle on a large area incident surface by the propagation / condensing function of the “wedge-shaped light guide”. Thus, the light can be emitted from the emission end face having a small area. In particular, by forming a down taper in which both the thickness and width of the light guide body are reduced on the downstream side, the propagation light is condensed in the horizontal direction and the vertical direction, and the condensing property of the emitted light is improved. The emitted light can be extracted efficiently. Further, by forming a reflecting surface composed of a pair of steeply inclined planes from the upstream side to the downstream side, the light collecting property in the central direction is further improved.
また、反射面の多面体形状を最適化することで、光の入射する位置によって伝播特性(焦点距離)を変化させて、入射ビームの縦横比を再構成した出射ビームを得ることができる。即ち、出射光の集光特性を制御することができる。これにより、出射ビームの集光径を小さくすることができる。 Further, by optimizing the polyhedral shape of the reflecting surface, it is possible to obtain an outgoing beam in which the propagation characteristic (focal length) is changed depending on the position where the light is incident, and the aspect ratio of the incident beam is reconfigured. That is, the condensing characteristic of the emitted light can be controlled. Thereby, the condensing diameter of an emitted beam can be made small.
(集光光学素子の変形例)
図11及び図12は本発明の第3の実施の形態に係る集光光学素子の変形例の構成を示す概略図である。図12(A)及び(B)は集光光学素子の斜視図であり、図12(C)は集光光学素子を上側から見た平面図であり、図12(D)は集光光学素子の光軸に沿った断面図である。図11に示すように、変形例に係る集光光学素子は、第3の実施の形態に係る剣先状の集光光学素子50を、切断線55、57に沿って鉛直方向(図面の手前から奥に向う方向、上下方向)にカットした形状を備えている。
(Modification of condensing optical element)
11 and 12 are schematic views showing the configuration of a modification of the condensing optical element according to the third embodiment of the present invention. 12A and 12B are perspective views of the condensing optical element, FIG. 12C is a plan view of the condensing optical element viewed from above, and FIG. 12D is a condensing optical element. It is sectional drawing along the optical axis. As shown in FIG. 11, the condensing optical element according to the modification includes the sword-shaped condensing
図12(A)〜(D)に示すように、変形例に係る集光光学素子60は、光が入射する入射部を有する入射面62と、入射面62に対向する反射面64とを備えて構成されている。入射面62及び反射面64の両端は直接に接続されている。また、光伝播方向に対し、入射部(図示せず)は入射面62の上流側の端部に位置しており、出射部68は下流側の先端部(剣先)に位置している。
As shown in FIGS. 12A to 12D, the condensing
本実施の形態では、入射面62は、線分IJを境に折れ曲がっており、上流側の台形の平面と下流側の三角形の平面とから構成されている。また、反射面64は、船底のような形状を有しており、点G,H,I,J,K,L,M,Nを結ぶ線分KM,LN,MI,NJ,MG,NG,GHにより5分割された5つの平面641、平面642、平面643、平面644、平面645によって多面体形状に構成されている。平面641は五角形、平面642、平面643は三角形、平面644、平面645は四角形である。5つの平面の法線方向は各々異なり、複数の平面は互いに交差するように配置されている。平面641、平面642、平面643、平面644、及び平面645は、区別する必要が無い場合には、反射面64と総称する。
In the present embodiment, the
また、集光光学素子60は、上流側に配置されたくさび状の導光体60Aと、下流側に配置された逆くさび状の導光体60Bとが、仮想面である透過面63を介して連続するように一体に形成されている。透過面63は、点G,I,Jを頂点とする三角形の平面である。
The condensing
本実施の形態では、導光体60Aは、導光体の幅が下流側に向かって増加すると共に、互いに対向する入射面62と反射面64との間隔(導光体の厚さ)が、下流側に向かって増加するアップテーパを形成している。即ち、点Kから点I(又は点Lから点J)に向って導光体60Aの幅が増加する。また、点L→点N→点G(又は点K→点M→点G)に向って導光体60Aの厚さが増加する。導光体60A側では、入射面62、反射面である平面641、平面642、平面643、平面644、及び平面645の6面で光を閉じ込めている。
In the present embodiment, in the light guide 60A, the width of the light guide increases toward the downstream side, and the interval between the
一方、導光体60Bは、第3の実施の形態に係る導光体50Bと同様に、導光体の厚さ及び幅の両方が下流側に向かって減少するダウンテーパを形成している。導光体60B側では、入射面62、反射面である平面644、及び平面645の3面で光を閉じ込めている。平面642及び平面643は、導光体60A及び導光体60Bに亘って設けられている。即ち、変形例の集光光学素子60は、上流側の導光体の側部がカットされてテーパ形状が複雑化した以外は、第3の実施の形態に係る集光光学素子50と同じ構造である。
On the other hand, like the light guide 50B according to the third embodiment, the light guide 60B forms a down taper in which both the thickness and the width of the light guide decrease toward the downstream side. The light guide 60B side, confining light in three surfaces of the
集光光学素子60では、第1の実施の形態と同様に、入射部から導光体60Aに所定角度で入射した光は、入射面62及び反射面64(平面641、平面642、平面643、平面644、平面645)の間で全反射されながら伝播する。くさび状の導光体60Aでは、伝播光は高次モードから低次モードに変換され、傾斜した平面641、平面642、平面643、平面644、平面645により中心方向に集光されて、透過面63を通過する。
In the condensing
透過面63から導光体60Bに入射した光は、入射面62及び反射面64(平面642、平面643)の間で全反射されながら伝播する。逆くさび状の導光体60Bでは、伝播光は低次モードから高次モードに変換され、水平方向及び鉛直方向に集光される。高次モードに変換され、出射部に向かって集光された光は、臨界角を超えて出射部68から取り出される。
The light that has entered the light guide body 60B from the
以上説明した通り、変形例の集光光学素子では、「くさび状の導光体」による伝播・集光機能により、大面積の入射面に所定角度で入射した光を集光して、小面積の出射端面から射出することができる。特に、下流側に導光体の厚さ及び幅の両方が減少するダウンテーパを形成することで、伝播光が水平方向及び鉛直方向に集光されて、出射光の集光性が向上し、出射光を効率よく取り出すことができる。また、上流側から下流側に亘って、急峻に傾斜した一対の平面からなる反射面を形成することで、更に中心方向への集光性が向上する。 As described above, in the condensing optical element of the modified example, the light incident on the large-area incident surface at a predetermined angle is condensed by the propagation / condensing function by the “wedge-shaped light guide” to reduce the area. The light can be emitted from the emission end face. In particular, by forming a down taper in which both the thickness and width of the light guide body are reduced on the downstream side, the propagation light is condensed in the horizontal direction and the vertical direction, and the condensing property of the emitted light is improved. The emitted light can be extracted efficiently. Further, by forming a reflecting surface composed of a pair of steeply inclined planes from the upstream side to the downstream side, the light collecting property in the central direction is further improved.
また、反射面の多面体形状を最適化することで、光の入射する位置によって伝播特性(焦点距離)を変化させて、入射ビームの縦横比を再構成した出射ビームを得ることができる。即ち、出射光の集光特性を制御することができる。これにより、出射ビームの集光径を小さくすることができる。特に、この変形例では、反射面を5つの平面から構成することで、反射面の多面体形状を最適化することが更に容易になる。 Further, by optimizing the polyhedral shape of the reflecting surface, it is possible to obtain an outgoing beam in which the propagation characteristic (focal length) is changed depending on the position where the light is incident, and the aspect ratio of the incident beam is reconfigured. That is, the condensing characteristic of the emitted light can be controlled. Thereby, the condensing diameter of an emitted beam can be made small. In particular, in this modification, it is further easy to optimize the polyhedral shape of the reflecting surface by configuring the reflecting surface from five planes.
<第4の実施の形態>
図14(A)は本発明の第4の実施の形態に係る集光光学素子の構成を示す概略斜視図であり、図14(B)はこの集光光学素子を2つの導光体に分解したときの分解斜視図である。また、図13は、図14に示す集光光学素子の上流側の導光体の形成方法の一例を示す概略斜視図である。
<Fourth embodiment>
FIG. 14A is a schematic perspective view showing a configuration of a condensing optical element according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 14B is an exploded view of this condensing optical element into two light guides. FIG. FIG. 13 is a schematic perspective view showing an example of a method of forming a light guide body on the upstream side of the condensing optical element shown in FIG.
図14(A)に示すように、第5の実施の形態に係る集光光学素子80は、光伝播方向を長手方向とする長尺状の導光体である。集光光学素子80は、光が入射する入射部を有する入射面82と、入射面82に対向する第1の反射面84と、入射面82及び第1の反射面84の両端を接続する第2の反射面861及び第3の反射面862と、集光された光が出射する出射部としての出射端面88とを備えて構成されている。
As shown in FIG. 14A, the condensing
本実施の形態では、第2の反射面861と第3の反射面862とは、導光板の互いに対向する側面を構成している。入射部(図示せず)は、入射面82の上流側の端部に位置している。出射部である出射端面88は、下流側の先端部に形成されている。出射端面88は、伝播光が臨界角を超えて外部に出射するように、入射面82に対し所定角度(図では約90°)を成すように形成されている。
In this embodiment, the second reflecting surface 86 1 and the third reflecting surface 862 constitutes a opposing side surface of the light guide plate. The incident portion (not shown) is located at the upstream end of the
また、図14(B)に示すように、集光光学素子80は、上流側に配置されたくさび状の導光体80Aと、下流側に配置された逆くさび状の導光体80Bとが、仮想面である透過面83を介して連続するように一体に形成されている。入射面82は、1つの平面で構成されている。透過面83は、後述する円錐の対称軸を含む面である(図13参照)。また、第1の反射面84は、導光体80A側では1つの曲面84cで構成され、導光体80B側では、2つの平面841、平面842から構成されている。平面841、平面842は台形状である。平面841、平面842は、法線が中心方向に向いた斜面を形成している。即ち、第1の反射面84は、互いに交差する曲面84c、平面841、平面842によって多面体形状に構成されている。曲面84c、平面841、平面842の各々は、区別する必要が無い場合には、第1の反射面84と総称する。
14B, the condensing
導光体80Aは、円錐の一部を対称軸に沿って切り出した構造を備えている。図13を参照して、導光体80Aに対応する構造体70について説明する。構造体70は、補助線(一点鎖線)で図示したように、円錐75の一部を対称軸77に沿って「くさび状」に切り出した構造を備えている。
80 A of light guides are equipped with the structure which cut out a part of cone along the symmetry axis. A
即ち、構造体70は、光が入射する入射部を有する表面72(入射面82)と、表面72に対向する裏面74(第1の反射面84)と、表面72及び裏面74の両端に接続する側面761(第2の反射面861)及び側面762(第3の反射面862)と、光が出射する出射部としての出射端面78(出射端面88)を備えて構成されている。入射部(図示せず)は、表面72の上流側の端部に位置している。裏面74は、円錐75の側面を切り取ったものであり、外側に凸の曲面状に形成されている。出射端面78は、円錐75の対称軸77を含むように、対称軸77に沿って切り出された端面である。括弧内に記載した通り、構造体70の各部が、導光体80Aの各部に対応している。
That is, the
くさび状の導光体80Aは、互いに対向する第2の反射面861と第3の反射面862との間隔(導光体の幅)は一定であるが、互いに対向する入射面82と第1の反射面84との間隔(導光体の厚さ)が、下流側に向かって増加するアップテーパを形成している。導光体80A側では、入射面82、第1の反射面84(曲面84c)、第2の反射面861、及び第3の反射面862の4面で光を閉じ込めている。
Wedge-shaped
逆くさび状の導光体80Bは、互いに対向する第2の反射面861と第3の反射面862との間隔(導光体の幅)が下流側に向かって減少すると共に、互いに対向する入射面82と第1の反射面84との間隔(導光体の厚さ)が、下流側に向かって減少するダウンテーパを形成している。導光体80B側では、入射面82、第1の反射面84(平面841、平面842)、第2の反射面861、及び第3の反射面862の5面で光を閉じ込めている。
Reverse wedge-shaped light guide body 80B includes a second reflecting surface 86 1 facing each other with a third distance between the reflecting surface 862 of the (width of the light guide) is reduced toward the downstream side, facing each other The distance between the
集光光学素子80では、第1の実施の形態と同様に、入射部から導光体80Aに所定角度で入射した光は、入射面82、第1の反射面84(曲面84c)、第2の反射面861、及び第3の反射面862の間で全反射されながら伝播する。くさび状の導光体80Aでは、伝播光は高次モードから低次モードに変換され、外側に凸の曲面84cにより中心方向に集光されて、透過面83を通過する。曲面84cは円錐の側面の一部である。このように回転軸の周りに直線又は曲線を回転させて得られた曲面84cは、回転軸を含む中心方向への集光性が高い。
In the condensing
透過面83から導光体80Bに入射した光は、入射面82、第1の反射面84(平面841、平面842)、第2の反射面861、及び第3の反射面862の間で全反射されながら伝播する。逆くさび状の導光体80Bでは、伝播光は低次モードから高次モードに変換され、水平方向及び鉛直方向に集光される。高次モードに変換され、出射部に向かって集光された光は、臨界角を超えて出射部88から取り出される。
The light incident on the light guide 80B from the
以上説明した通り、第4の実施の形態の集光光学素子では、「くさび状の導光体」による伝播・集光機能により、大面積の入射面に所定角度で入射した光を集光して、小面積の出射端面から射出することができる。特に、下流側に導光体の厚さ及び幅の両方が減少するダウンテーパを形成することで、伝播光が水平方向及び鉛直方向に集光されて、出射光の集光性が向上し、出射光を効率よく取り出すことができる。また、上流側に円錐の側面の一部を切り取った曲面からなる反射面を形成することで、更に中心方向への集光性が向上する。 As described above, the condensing optical element of the fourth embodiment condenses light incident at a predetermined angle on a large-area incident surface by the propagation / condensing function of the “wedge-shaped light guide”. Thus, the light can be emitted from the emission end face having a small area. In particular, by forming a down taper in which both the thickness and width of the light guide body are reduced on the downstream side, the propagation light is condensed in the horizontal direction and the vertical direction, and the condensing property of the emitted light is improved. The emitted light can be extracted efficiently. Further, by forming a reflecting surface made of a curved surface obtained by cutting a part of the side surface of the cone on the upstream side, the light condensing property in the central direction is further improved.
また、反射面の多面体形状を最適化することで、光の入射する位置によって伝播特性(焦点距離)を変化させて、入射ビームの縦横比を再構成した出射ビームを得ることができる。即ち、出射光の集光特性を制御することができる。これにより、出射ビームの集光径を小さくすることができる。 Further, by optimizing the polyhedral shape of the reflecting surface, it is possible to obtain an outgoing beam in which the propagation characteristic (focal length) is changed depending on the position where the light is incident, and the aspect ratio of the incident beam is reconfigured. That is, the condensing characteristic of the emitted light can be controlled. Thereby, the condensing diameter of an emitted beam can be made small.
(集光光学素子の変形例)
図15(A)〜(C)は第4の実施の形態に係る集光光学素子の変形例を示す図である。第4の実施の形態では、円錐の側面の一部を切り取った曲面からなる反射面を備える集光光学素子について説明したが、単純な円錐に限らず、回転軸の周りに直線又は曲線を回転させて得られた回転軸対称の形状であればよく、その側面(斜面)を切り取った曲面を、反射面として用いることができる。このような曲面を反射面として備える集光光学素子は、第4の実施の形態の集光光学素子80と同様に、回転軸を含む中心方向への集光性が高い。
(Modification of condensing optical element)
FIGS. 15A to 15C are diagrams showing modifications of the condensing optical element according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the condensing optical element having a reflecting surface made of a curved surface obtained by cutting out a part of the side surface of the cone has been described. However, the concentrating optical element is not limited to a simple cone, and rotates a straight line or a curve around the rotation axis. It is sufficient that the shape is symmetrical with respect to the rotation axis obtained as described above, and a curved surface obtained by cutting the side surface (slope) can be used as the reflecting surface. A condensing optical element having such a curved surface as a reflecting surface has high condensing properties in the central direction including the rotation axis, like the condensing
まず、図15(A)に示すように、回転軸90の回りに直線92を回転させて得られる曲面を、反射面として用いたのが第4の実施の形態に係る集光光学素子である。これ以外にも、図15(B)に示すように、回転軸90の回りに外側(図面では下側)に凸な曲線94を回転させて得られる曲面を、反射面として用いることができる。また、図15(C)に示すように、回転軸90の回りに内側(図面では上側)に凸な曲線96を回転させて得られる曲面を、反射面として用いることができる。
First, as shown in FIG. 15A, the condensing optical element according to the fourth embodiment uses a curved surface obtained by rotating a
<変形例>
なお、上記の実施の形態では、光伝播方向に沿って略左右対称に形成された集光光学素子の例について説明したが、集光光学素子は左右対称の形状に限定される訳ではない。また、2つの導光体の組合せ方法により、種々の形状の集光光学素子を得ることができる。図5(A)〜(D)は2つの導光体の組合せ方法の例を示す図である。第1の実施の形態の集光光学素子10の例で説明すると、上述した通り、集光光学素子10は、くさび状の導光体10Aと逆くさび状の導光体10Bとが、組み合わされて一体化されたものである。
<Modification>
In the above-described embodiment, the example of the condensing optical element formed substantially symmetrically along the light propagation direction has been described. However, the condensing optical element is not limited to a symmetrical shape. Moreover, the condensing optical element of various shapes can be obtained by the combination method of two light guides. 5A to 5D are diagrams illustrating an example of a method of combining two light guides. The example of the condensing
第1の実施の形態では、図5(A)に示すように、導光体10Aと導光体10Bとが透過面13で接合され、概ね同一平面状に配置された形態について説明した。しかしながら、導光体10Aと導光体10Bとの組み合せ方法は、この形態には限定されない。種々の組み合せ方法により、伝播光の光路を変更して任意の方向に出射させることができる。また、伝播光の光路を折り曲げることで、集光光学素子の小型化を図ることができる。
In the first embodiment, as illustrated in FIG. 5A, the
例えば、図5(B)に示すように、導光体10Aと導光体10Bとの間に、断面が透過面13の第3の導光板191を挟み込むことができる。入射部と出射部との距離を大きくすることで、より遠くに光を出射させることができる。
For example, FIG. 5 (B), the between the
また、図5(C)に示すように、導光体10Aと導光体10Bとの間に、斜め45°にカットされた反射面を備えた第1の反射部材192を挟み込むことができる。導光体10Aから入射した光の光路を、第1の反射部材192で90°折り曲げる。これにより、導光体10Bから出射する光の光路を、図5(A)の形態から90°折り曲げることができる。また、光路を折り曲げることで、集光光学素子10の小型化が図られている。
Further, as shown in FIG. 5 (C), it can be between the
また、図5(D)に示すように、導光体10Aと導光体10Bとの間に、斜め45°にカットされた反射面を備えた第2の反射部材192及び第3の反射部材193を挟み込むことができる。導光体10Aから入射した光の光路を、第2の反射部材193で90°折り曲げ、更に第3の反射部材193で90°折り曲げる。これにより、導光体10Bから出射する光の光路を、図5(A)の形態から180°折り曲げることができる。また、光路を折り曲げることで、集光光学素子10の小型化が図られている。
Further, as shown in FIG. 5 (D), between the
なお、図5(A)〜(D)に示す組み合わせでも、出射端面18からの出射光を、外部に配置した集光レンズ17により集光させ、集光された光を対象物に照射することができる。また、外部に配置したレンズで集光する以外に、出射端面18を直接加工して、表面にレンズを作り込んでもよく、出射端面18に光ファイバを直接に接続して、光ファイバに出射光を導いてもよい。
Even in the combinations shown in FIGS. 5A to 5D, the emitted light from the
10 集光光学素子
10A 導光体
10B 導光体
12 入射面
13 透過面
14 第1の反射面
15 LDアレイ
161 第2の反射面
162 第3の反射面
17 集光レンズ
18 出射端面
191 導光板
192 反射部材
193 反射部材
20 集光光学素子
20A 導光体
20B 導光体
21 太陽光
22 入射面
23 透過面
24 第1の反射面
261 第2の反射面
262 第3の反射面
28 出射端面
30 集光光学素子
30A 導光体
30B 導光体
32 入射面
33 透過面
34 第1の反射面
361 第2の反射面
362 第3の反射面
38 出射端面
40 入射ビーム
42 出射ビーム
50 集光光学素子
50A 導光体
50B 導光体
52 入射面
53 透過面
54 反射面
55,57 切断線
58 出射部
60 集光光学素子
60A 導光体
60B 導光体
62 入射面
63 透過面
64 反射面
70 集光光学素子
72 表面
74 裏面
75 円錐
77 対称軸
78 出射端面
80 集光光学素子
80A 導光体
80B 導光体
82 入射面
83 透過面
84 第1の反射面
861 第2の反射面
862 第3の反射面
88 出射端面
90 回転軸
92 直線
94 曲線
96 曲線
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記入射面に連続する表面、前記表面に対向する少なくとも1つの反射面、及び前記表面と前記表面に対向する反射面との間で全反射されて伝播された光が出射する出射部を備え、前記第1の導光体と共に光路を形成するように前記第1の導光体に連結された長尺状の導光体であって、導光体の厚さ及び導光体の幅の少なくとも一方が光伝播方向の下流側に向って減少する第2の導光体と、
を含み、
前記入射部の光が入射する幅方向の位置に応じて前記出射部から出射する光の出射位置又は出射方向が異なるように、前記入射面に対向する反射面及び前記表面に対向する反射面の少なくとも一方を法線が中心方向を向いた斜面であり且つ互いに交差する複数の平面で構成した、集光光学素子。 An incident surface having an incident portion on which a plurality of lights are incident at a predetermined incident angle; and at least one reflecting surface facing the incident surface; and the light incident from the incident surface is the incident surface and the incident surface. A long light guide that is totally reflected and propagates in the length direction with respect to the reflecting surface facing the light source, wherein at least one of the thickness of the light guide and the width of the light guide is in the light propagation direction. A first light guide that increases toward the downstream side;
A surface continuous with the incident surface, at least one reflecting surface facing the surface, and an emitting portion for emitting light that is totally reflected and propagated between the surface and the reflecting surface facing the surface; An elongate light guide coupled to the first light guide so as to form an optical path with the first light guide, wherein at least the thickness of the light guide and the width of the light guide A second light guide body, one of which decreases toward the downstream side in the light propagation direction;
Including
The reflection surface opposite to the incident surface and the reflection surface opposite to the surface are different so that the emission position or emission direction of the light emitted from the emission portion differs according to the position in the width direction where the light of the incidence portion is incident. A condensing optical element comprising at least one of a plurality of planes whose normals are inclined in the central direction and intersect each other.
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