JP5224750B2 - レーザー照射光学系 - Google Patents

Description

本発明は、レーザーアレイより放射された光線を、任意の角度範囲に照射するレーザー照射光学系に関し、特に、任意の距離にある被写体を照明し、アスペクト比の高い照射領域に対して、ほぼ均一な光線強度分布を実現するのに適したレーザー照射光学系の構成に関する。

レーザーアレイの照射光線により、被写体に対する効率的な照明を行うために、照明光学系による照射領域内の光線強度分布の均一化が、従来から行われてきた。例えば、光線の強度分布の均一化のためにレンズアレイを適用し、照射光学系に含まれるリレーレンズの倍率を用いて照射範囲の制御を行っているものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、光線の強度分布の均一化のためにロッドインテグレータを適用し、照射光学系に含まれるリレーレンズの倍率を用いて照射範囲の制御を行っているものがある（例えば、特許文献２参照）。

また、光線の強度分布の均一化のために拡散板を適用し、照射光学系に含まれるリレーレンズの倍率を用いて照射範囲の制御を行っているものがある（例えば、特許文献３参照）。

さらに、特許文献１と同様に、光線の強度分布の均一化のためにレンズアレイを適用しているが、アレイ毎の射出光線が有限距離にある照明範囲で重なるように照明するクリティカル照明の構成を有するものがある（例えば、特許文献４参照）。

特開２００３−１３１１６５号公報 特開２００６−６５１１８号公報 特表２００７−５０５３５４号公報 特開２００７−５８１６３号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。上述のような従来のレーザー照射光学系では、レーザーアレイのもつ照射領域のアスペクト比に対して、レーザー照射光学系伝搬後の光線に必要な照射領域のアスペクト比がはるかに大きい場合には、均一な強度分布を持つ光線を得ることが難しいという問題があった。

照明領域を決定する撮像装置の検出器は、高密度化技術が進んでおり、数百：１の高アスペクト比を有するリニアアレイ検出器も容易に入手可能である。しかしながら、レーザーアレイは、一般に、排熱など実装上の問題があり、大きくても数十：１程度のアスペクト比にとどまっている。したがって、分解能の優れた高アスペクト比を有するリニアアレイ検出器を使用する場合には、レーザー照射光学系において、照射領域を高アスペクト比となるように変換する必要がある。

従来のようにレンズアレイを用いて強度分布の均一化を行うと、アレイ間には不連続な領域が存在し、この領域で光量が増加もしくは減少する光量ムラが発生する。アスペクト比の拡大により、この光量ムラの領域も同様に拡大するため、強度分布の均一性が低下することとなる。

また、ロッドインテグレータを用いて強度分布の均一化を行っている場合には、光線が壁面で反射される回数が多いほど光路の重ね合わせにより強度分布の均一化の効果が高くなる。しかし、高アスペクトな照射領域を実現するアスペクト比の高いロッドインテグレータは、長軸方向の壁面反射回数が少なくなるため、強度分布の均一性が低下するという問題がある。

また、拡散板を用いて強度分布の均一化を行っている場合には、照射領域内で均等な光線を得るために、一般に、それ以上の領域に光線を広げる必要があり、効率が低い。そして、照射領域外に広がった光線は、迷光となってシステムの信号対雑音比を劣化させる可能性がある。

また、レーザー照射光学系に含まれるリレーレンズの倍率を用いて照射範囲の制御を行っている場合には、アスペクト比の高い照射領域に転写するために、アナモルフィックな光学系を用いる必要があり、一般に、設計・製造の難度が高くなる。

さらに、レーザー照射光学系による照明条件をクリティカル照明とした場合には、光源からの光束の瞳面が有限距離に設定された照射面になり、光源の共役像が無限遠点になる。つまり、無限遠や設定された照射面以外の領域では、光源の強度分布が照射光線の強度分布に影響するため、上記のようなレンズアレイやロッドインテグレータを使用した場合には、アスペクト比の高い照射領域で均一な光線が得られない。したがって、任意の領域で均一な強度分布をもつ照射光線を得るための光学系構成として適さない。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、任意の距離にある被写体を照明し、アスペクト比の高い照射領域に対して均一に近い光線強度分布を実現するレーザー照射光学系を得ることを目的とする。

本発明に係るレーザー照射光学系は、レーザーアレイより放射されたレーザー光線の光線強度を均一化し、任意の角度範囲を照射するレーザー照射光学系において、レーザー入射側がテレセントリック構造をしたリレー光学系をレンズ群として有し、レーザーアレイの共役像の近傍にリレー光学系の像側焦点を持ち、レーザーアレイを構成する１つのレーザーの発散半角をβ、レーザー照射光学系伝搬後の発散半角をθ、レーザーアレイ数をｍ、レーザーアレイ間隔をα、像側焦点とレーザーアレイの共役像との間隔をｄとするときに、下式

で定義されるパラメータεｄに対してεｄ＜３を満足するものである。

本発明によれば、レーザー入射側がテレセントリック構造をしたリレー光学系をレンズ群として有し、光学系の設計パラメータを用いて定義されるパラメータεｄに対して、εｄ＜３を満足するように光学系を設計することにより、任意の距離にある被写体を照明し、アスペクト比の高い照射領域に対して均一に近い光線強度分布を実現するレーザー照射光学系を得ることができる。

以下、本発明のレーザー照射光学系の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザー照射光学系を示す概略図である。レーザーアレイ１は、紙面水平方向に並んだ複数のレーザー素子から照射された光線を平行に伝搬する。レンズ群２は、レーザーアレイ１で照射されたレーザー光線を、設定した角度範囲の照射光線へと変換するリレー光学系である。

また、光軸３は、レンズ群２の光軸であり、レンズ群２は、この光軸３に対称な構造を有している。また、主点４（像側焦点に相当）は、レンズ群２の主点であり、レンズ群２を伝搬した主光線がこの主点４で光軸３と交差する。さらに、共役面５は、レーザーアレイ１の共役面であり、レンズ群２によりレーザーアレイ１の共役像がこの共役面５上に形成される。

本実施の形態１において、レンズ群２は、光軸３に平行な主光線を主点４の位置で集光する光線に変換する、いわゆる像側テレセントリックな構造となっている。したがって、レーザーアレイ１より平行に伝搬する光束群を、角度の異なる光束群へと屈折させることができる。

個々のレーザーの強度分布は、中心が高く、周辺になるに従い徐々に減衰するガウス分布である。本実施の形態１では、隣り合うレーザーアレイ１の光線を角度空間上で重ね合わせることで、空間的な強度の均一性が高い光線を得ることができる。

次に、照射光線の強度分布がほぼ均一となる条件を示す。レーザーアレイ１を構成する１つのレーザーの発散半角をβ、レーザー照射光学系伝搬後の発散半角をθ、レーザーアレイ数をｍ、レーザーアレイ間隔をα、主点とレーザーアレイの共役像の間隔をｄとする。このとき、下式（１）で定義されるパラメータεｄを導入する。

図２は、本発明の実施の形態１におけるパラメータεｄに対する光線の強度変動を示した図であり、上式（１）に対して、光線強度の均一性を計算した結果を示したものである。図２の横軸は、上式（１）のパラメータεｄであり、縦軸は、強度の均一性の評価量として中心強度を１としたときの照射領域内での強度の標準偏差を示している。

レンズ群２の持つ屈折力を変化させ、計算を行った。図２より、例えば、光源の変動を標準偏差０．１以下とするには、少なくともεｄ＜３を満足する必要がある。

本実施の形態１では、強度の均一化を図るためにレンズアレイを使用していないため、不連続性に起因する光量ムラの発生なく、アスペクト比の高い照射光線を得ることができる。

また、従来技術のように、レンズアレイを使用した場合には、不連続性や隣接アレイへの光線入射により迷光が発生する可能性がある。しかしながら、本実施の形態１では、非アレイ構造の連続面のみを使用しているため、迷光の発生を抑えることができる。

また、本実施の形態１では、各レーザーのレンズ群２の伝搬後の広がり半角は、照射半角θに対して、およそθ／ｍに縮小することができる。このため、高いアスペクト比への変換が必要であっても、各レーザーの角度変換は、アスペクト比の１／ｍに抑制することができる。角度変換量が小さいことにより、レンズ群２に必要な屈折力も小さくなるため、低収差で設計が容易になる。また、レンズ枚数が少なくてもよくなり、小型化にも効果がある。

また、本実施の形態１では、レンズ群２が、有限距離にレーザーアレイ１の共役面５を持つリレー光学系構造をしている。従来技術のように、レーザーアレイ１の共役面５を無限遠とすることで照射条件を有限距離にある瞳面においてクリティカル照明とした場合には、瞳面以外の点ではクリティカル照明とならないため、均一の照射光線を得ることができない。

これに対して、本実施の形態１では、有限距離に共役面５を持つことで、角度空間上でほぼ均一な強度分布を実現している。すなわち、本実施の形態１により得られる照射光線は、伝搬距離にかかわらず照射角度範囲２θで、常に、ほぼ均一な照明条件を得ることができる。

また、本実施の形態１では、レンズ群２のレンズ倍率を最適化することにより、光線強度分布の均一性を向上させることができる。レンズ群２のリレー倍率をＧとし、パラメータεｍを下式のように定義する。

図３は、本発明の実施の形態１におけるパラメータεｄ−εｍに対する光線の強度変動を示した図であり、上式（１）から上式（２）を引いた値に対して、光線強度の均一性を計算した結果を示したものである。図３の横軸は、パラメータεｄ−εｍであり、縦軸は、強度の均一性の評価量として中心強度を１としたときの照射領域内での強度の標準偏差を示している。

εｍ＋εｄを１、２、３、４、５と変化させ、計算を行った。図３より、例えば、光源の変動を標準偏差０．１以下とするには、少なくとも｜εｄ−εｍ｜＜１を満足する必要がある。

レーザー照射光学系においては、照射効率、つまり、全レーザー光線に対する設定された照射角度範囲に伝搬した光線の比率を高めることも重要となる。図４は、本発明の実施の形態１における照射効率の計算結果であり、レーザーのアレイ数をｍ＝３のときの照射効率を示している。図４の横軸は、先の図３と同様にパラメータεｄ−εｍであり、縦軸は、設定した照射角２θの全光線強度を（１つのレーザー光線強度×レーザー数）で正規化した値である。つまり、縦軸の照射効率が１のとき、すべての光線が照射角度２θ内を伝搬する。

εｍ＋εｄを１、２、３、４、５と変化させ、計算を行った。図４より、例えば、照射効率を０．５以上にするためには、少なくともεｍ−εｄ＜１を満足する必要がある。

本実施の形態１では、共役面５においてレーザーアレイ１の像が形成されるため、レーザーの光線強度がこの共役面５上で集中することになる。したがって、レーザー強度が非常に大きい場合には、レーザーの集中による発熱や近傍光学素子の破損などが発生する可能性がある。

しかしながら、本実施の形態１では、共役面５における光線は、伝搬方向さえ集光状態と同等であれば、等価な光線強度の均一性が得られるため、共役像が無収差である必要はない。逆に、共役像が収差を持ったぼけた像とすることで、レーザーの光線密度が小さくなるので、エネルギーの集中による光学素子の破損などを避けることができる。このように、光線の伝搬方向は変わらず、収差により像をぼかすには、例えば、レンズ群２の収差として、周辺光線の高さにより光軸上の交点が変化する球面収差などを用いればよい。

本実施の形態１では、主点４において各レーザーアレイ１からの主光線が光軸３と交差するため、レーザーの光線強度がこの主点４の面上においても集中することになる。したがって、レーザー強度が非常に大きい場合には、レーザーの集中による発熱や近傍光学素子の破損などが発生する可能性がある。

しかしながら、本実施の形態１では、主点４近傍における主光線は、伝搬方向さえ主点４で光軸３と交差する光線と同等であれば、等価な光線強度の均一性が得られるため、必ずしも主点４を通る必要はない。したがって、レーザーアレイ１の位置によって主光線の光軸３との交点が主点４から移動するように収差を加えることによって、レーザーの光線密度を小さくし、エネルギーの集中による光学素子の破損などを避けることができる。このような収差としては、例えば、像高に応じて焦点距離が変化する歪曲収差などを使用することができる。

なお、以上の実施の形態１でレンズ群２を構成するレンズには、球面レンズを使用していたが、非球面形状のレンズを使用してもよい。非球面レンズを使用することにより、収差の低減あるいは上述の収差の付加によるレーザー集光状態の除去などに効果がある。

以上のように、実施の形態１によれば、レーザー入射側がテレセントリック構造をしたリレー光学系をレンズ群として有し、上式（１）で定義されるパラメータεｄに対してεｄ＜３を満足するように光学系を設計することにより、任意の距離にある被写体を照明し、アスペクト比の高い照射領域に対して均一に近い光線強度分布を実現するレーザー照射光学系を得ることができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２におけるレーザー照射光学系を示す概略図である。本実施の形態２の光学系の構成要素自体は、先の実施の形態１と同じため、説明を省略する。

本実施の形態２において、レンズ群２は、３枚の球面レンズより構成されている。レンズ群２に要求される像側テレセントリック性、主点４と共役面５の位置などの設計条件から、必要なレンズの最少枚数は、２枚である。しかし、本実施の形態２に示すように、３枚のレンズを使用することによって新たに３つの設計の自由度が加わり、その自由度を用いてレンズ群２の大きさをコンパクトにすることができる。さらに、レンズ群２がコンパクトになることによって軽量化、可搬性などの効果があることは言うまでもない。

本実施の形態２の具体例となる構成データについて、次に説明する。図６は、本発明の実施の形態２における光学系の具体的な構成データの一覧表である。本実施の形態２における光線波長は、１．５５μｍ、レーザーアレイ数はｍ＝２５、アレイ間隔はα＝２００μｍ、レーザーのＮＡは０．０１２である。

図６に示した構成データにおいて、面番号１は、図５におけるレーザーアレイ１の端面に相当する。また、面番号２、３は、それぞれ、図５におけるレンズ群２内の１枚目の球面レンズの左端面、右端面に相当する。また、面番号４、５は、それぞれ、図５におけるレンズ群２内の２枚目の球面レンズの左端面、右端面に相当する。さらに、面番号６、７は、それぞれ、図５におけるレンズ群２内の３枚目の球面レンズの左端面、右端面に相当する。

また、面番号１に対応する「面間隔」の欄の数値は、面番号１と面番号２との間隔を意味している。以下同様であり、面番号６に対応する「面間隔」の欄の数値は、面番号６と面番号７との間隔を意味している。さらに、面番号７に対応する「面間隔」の欄の数値は、図５におけるレンズ群２内の３枚目の球面レンズの右端面と主点４との間隔を意味している。また、面番号２〜７に対応する「曲率半径」の欄の数値は、それぞれの球面レンズの曲率半径を示している。

図７は、本発明の実施の形態２において、図６の構成データを有する光学系により得られる光線強度の分布断面の計算例を示した図である。照射半角は、θ＝６°、伝搬距離は、１ｍとした。図７より、設定した照射角度範囲で、ほぼ均一な強度分布が得られていることがわかる。

以上のように、実施の形態２によれば、具体的な光学系設計として、先の実施の形態１におけるレンズ群を３枚の球面レンズで構成することにより、任意の距離にある被写体を照明し、アスペクト比の高い照射領域に対して均一に近い光線強度分布を実現するレーザー照射光学系を得ることができる。

なお、本実施の形態２では、レンズ群２のレンズとして３枚の球面レンズを使用したが、４枚以上の球面レンズを使用しても同様の効果を得ることができる。また、非球面レンズを使用することにより、収差の低減あるいは上述の収差の付加によるレーザー集光状態の除去などに効果がある。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３におけるレーザー照射光学系を示す概略図である。先の実施の形態１の図１の構成と比較すると、本実施の形態３における図８の構成は、主点４の近傍に挿入されたシリンドリカルレンズ６をさらに備えている点が異なっている。他の構成要素は、先の実施の形態１と同じため、説明を省略する。

本実施の形態３のように、光路中にシリンドリカルレンズ６を挿入することで、一方の光線の広がり角を任意の広がり角に設定することができる。例えば、一方向だけにレーザーが並んだリニア構造のアレイ素子をレーザーアレイ１として使用し、アレイの並んだ方向の照射角度制御に先の実施の形態１の光学系を使用したと仮定する。この場合には、アレイの並んだ方向と垂直な方向の広がり角は、任意に設定できなくなる。しかしながら、このような場合にも、アレイと垂直な方向に曲率を持ったシリンドリカルレンズ６を挿入することで、任意の広がり角を設定できるようになる。

以上のように、実施の形態３によれば、光路中にシリンドリカルレンズをさらに備えた光学系構成とすることにより、先の実施の形態１と同様の効果を得た上で、さらに、一方の光線の広がり角を任意の広がり角に設定することができる。

なお、本実施の形態３では、主点４近傍にシリンドリカルレンズ６を挿入するとしたが、この位置にかかわらず光路中にあれば同様の効果が得られる。

また、レンズ群２にシリンドリカルレンズ６を使用してもよい。このとき、曲率を持たない方向の光線の広がり角は、レーザーアレイ１のＮＡで決定される。また、レンズ群２に２つの曲率の方向が直交するシリンドリカルレンズ６のレンズ群を組み合わせて使用してもよい。この場合、直交する方向の光線の広がり角を自由に設定することができる。

さらに、レンズ群２のレンズに直交する方向で曲率の異なる、いわゆるアナモルフィックな非球面形状を用いてもよい。この場合、直交する方向で光線の広がり角を自由に設定することができる。

実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４におけるレーザー照射光学系を示す概略図である。先の実施の形態１の図１の構成と比較すると、本実施の形態４における図９の構成は、レンズ群２の後段に配置されたアフォーカル光学系７をさらに備えている点が異なっている。他の構成要素は、先の実施の形態１と同じため、説明を省略する。

本実施の形態４のように、アフォーカル光学系７をレンズ群２の後段に備えることにより、光線の照射角度を変化させることができる。これは、例えば、一時的に照射領域を狭めて光線強度を増加させる効果や、被写体の距離変化に応じて照射面積を変化させて効率的な照明を行うことなどができる。

さらに、本実施の形態４のアフォーカル光学系７をズーム可能な構造とすることで、任意の角度範囲のレーザー照明を動的に行うことが可能となる。

以上のように、実施の形態４によれば、レンズ群２の後段に配置されたアフォーカル光学系７をさらに備えた光学系構成とすることにより、先の実施の形態１と同様の効果を得た上で、さらに、光線の照射角度を変化させることができる。

本発明の実施の形態１におけるレーザー照射光学系を示す概略図である。 本発明の実施の形態１におけるパラメータεｄに対する光線の強度変動を示した図である。 本発明の実施の形態１におけるパラメータεｄ−εｍに対する光線の強度変動を示した図である。 本発明の実施の形態１における照射効率の計算結果である。 本発明の実施の形態２におけるレーザー照射光学系を示す概略図である。 本発明の実施の形態２における光学系の具体的な構成データの一覧表である。 本発明の実施の形態２において、図６の構成データを有する光学系により得られる光線強度の分布断面の計算例を示した図である。 本発明の実施の形態３におけるレーザー照射光学系を示す概略図である。 本発明の実施の形態４におけるレーザー照射光学系を示す概略図である。

符号の説明

１ レーザーアレイ、２ レンズ群、３ 光軸、４ 主点、５ 共役面、６ シリンドリカルレンズ、７ アフォーカル光学系。

Claims (8)

1. レーザーアレイより放射されたレーザー光線の光線強度を均一化し、任意の角度範囲を照射するレーザー照射光学系において、
   レーザー入射側がテレセントリック構造をしたリレー光学系をレンズ群として有し、レーザーアレイの共役像の近傍に前記リレー光学系の像側焦点を持ち、レーザーアレイを構成する１つのレーザーの発散半角をβ、レーザー照射光学系伝搬後の発散半角をθ、レーザーアレイ数をｍ、レーザーアレイ間隔をα、前記像側焦点とレーザーアレイの共役像との間隔をｄとするときに、下式
   

   

   で定義されるパラメータεｄに対してεｄ＜３を満足することを特徴とするレーザー照射光学系。
2. 請求項１に記載のレーザー照射光学系において、
   前記リレー光学系のリレー倍率をＧとするとき、下式
   

   

   で定義されるパラメータεｍに対して、εｍ−εｄ＜１を満足することを特徴とするレーザー照射光学系。
3. 請求項２に記載のレーザー照射光学系において、
   ｜εｍ−εｄ｜＜１を満足することを特徴とするレーザー照射光学系。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー照射光学系において、
   前記リレー光学系は、３枚以上の球面レンズで構成されることを特徴とするレーザー照射光学系。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザー照射光学系において、
   光路中にシリンドリカルレンズをさらに備えることを特徴とするレーザー照射光学系。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザー照射光学系において、
   前記リレー光学系の後段にアフォーカル光学系をさらに備えることを特徴とするレーザー照射光学系。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザー照射光学系において、
   前記リレー光学系は、球面収差を保持することを特徴とするレーザー照射光学系。
8. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザー照射光学系において、
   前記リレー光学系は、歪曲収差を保持することを特徴とするレーザー照射光学系。

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