JP6165366B1 - 平行光発生装置 - Google Patents
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Abstract
Description
光源から出射した光は、伝播に伴い広がっていくため、所望の光学系や照射面へ伝送するにあたり、広がり角を小さくし、平行光に近い光線とすることが求められている。光線を平行光とするためには、レンズを用いてレンズの入射面側焦点位置に光源を配置することでコリメートする技術が広く使われている。
θho=Tan−1(wh/f)
θvo=Tan−1(wv/f) (1)
となる。これより、焦点距離fのレンズでコリメートした場合、光源の発光半幅wh及びwvが大きくなるほど、コリメート後の広がり半角θho及びθvoが大きくなる。光源の発光幅は一般的に使用者が自由に変更できないため、広がり角を小さくするためには、レンズの焦点距離fを大きくする必要がある。このとき光源はレンズの入射面側焦点位置に配置するため、焦点距離fを大きくするにつれて、光源とレンズの距離が大きくなる。
wv1=wv+f×Tan(θvi) (2)
となる。これより、焦点距離fのレンズを用いる場合、広がり半角θvi内のエネルギーを効率よく利用するためには、レンズの有効径Φは、2×wv1以上とすることが好ましい。その結果、焦点距離fを大きくすると、fに比例して大きな有効径Φを有するレンズが必要となる。レンズの有効径が式(2)の値より小さい場合、広がり半角θvi内のエネルギーの一部はケラレにより失われる。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1における平行光発生装置の説明図であり、図1Aは平面図、図1Bは側面図である。
実施の形態1の平行光発生装置では、光軸に対して垂直な面内における一方の方向である水平方向と、一方の方向とは90度異なる他方の方向である垂直方向とで異なる広がり角を有する光源20として半導体レーザを用いる。水平方向の光線20aが最小の広がり半角であり、典型的には、2〜15°(半角1/e2)である。なお、内部位置21aは水平方向の光線20aの仮想的な出射点である。垂直方向の光線20bが最大の広がり半角であり、典型的には、15〜45°(半角1/e2)である。垂直方向の光線20bの出射点は光源20の端面21bである。また、光源20は、水平、垂直方向に有限の発光幅20cと20dを有する。水平方向の発光幅20cは、通常数μmから数100μmの範囲である。垂直方向の発光幅20dは、通常1μmから数μmの範囲である。
なお、曲率半径Rh1とRh2の符号は、入射面11及び出射面12と光軸10aの交点を基準に、曲率中心の位置が光源側にある場合を正、対向する側にある場合を負として定義する。
ここで、h1はレンズ10の垂直方向の前側(光源側)主点位置であり、符号は、入射面11と光軸10aの交点からレンズ内部の方向に向かって正と定義する。曲率半径Rv1が無限大(平面)の場合、式(4)は簡略化され、次式(5)となる。
出射面12を軸対称とした場合、曲率半径Rh2=Rv2であり、式(3)と式(5)を関係付ける。光源20は、レンズ10の垂直方向に対する焦点距離FFLvにその端面21bが位置するように設置する。
光源20から出射した光線は、広がりながらレンズ10の入射面11に入射し、入射面11から出射面12までレンズ内部を伝播し、出射面12から出射する。入射面11は、シリンドリカル形状としているので、水平方向の光線20aと垂直方向の光線20bは、入射面11の形状により異なる作用を受ける。説明を簡略化するため、光源20からの光線として水平方向は水平方向の光線20a、垂直方向は垂直方向の光線20bのみを考える。
これより、入射面11から出射面12までに水平方向の光線20aが受ける作用は、各光学要素を表す行列の積として、次式(10)となる。
式(10)を式(3)の関係から整理すると、次式(11)のようになる。
これより、曲率半径Rh1とRh2の比率により、水平方向の広がり角を小さくすることが可能となる。これは、水平方向をコリメートではなく拡大系としたことで、水平方向の広がり角が、式(1)に示した光源の発光半幅wh及びwvと焦点距離fの関係とは独立して決定できることを示している。
また、式(6)と式(11)の行列の積から、光源20から出射面12までに水平方向の光線20aが受ける作用を求めることができ、式(12)となる。
以上の光線の動作を水平方向と同様に光線行列で説明する。光源から出射した光線20bは、光源からレンズ10の入射面11までの距離(焦点距離FFLv)を伝播し、レンズ10に入射する。レンズ10の動作は、曲率半径Rv1、屈折率nの誘電体境界面(入射面11)と、厚さd、屈折率nの誘電体中の伝播と、曲率半径Rv2、屈折率nの誘電体境界面(出射面12)の各光学要素により垂直方向の光線20bが受ける作用として説明ができる。列ベクトルで記述される垂直方向の光線20bに対して各光学要素与える作用は、2行2列の行列で記述でき、それぞれ式(15)、式(16)、式(17)となる。
これより、入射面11から出射面12までに垂直方向の光線20bが受ける作用は、これらの積として、次式(18)となる。
前側(光源側)主点位置h1及び光源側(前側)焦点距離FFLvは、式(19)の(D−1)/C、及び(D−2)/Cであり、代入すると式(5)と同様となる。
また、式(6)と式(19)の行列の積から、光源20から出射面12までに垂直方向の光線20bが受ける作用を求めることができ、次式(20)となる。
式(20)より、光源20のある一点からの垂直方向の光線20bは、出射面12から出射後、平行光になることがわかる。また、有限の発光幅を有する場合、式(20)の入射光線の光軸高さrを発光半幅wv1と読み替えることで、式(1)に示した関係が得られる。
一つに、非点隔差による広がり角の増大が発生しないことがある。軸対称なレンズを用いる場合は、レンズの焦点位置を半導体レーザの端面21bに一致させると水平方向にフォーカスずれが発生し、広がり角が増大する。また、非点隔差を補正するために、水平方向と垂直方向で異なる焦点距離を有するレンズを用い、水平方向の焦点位置を半導体レーザの内部位置21aに一致させ、垂直方向の焦点位置を半導体レーザの端面21bに一致させるレンズを用いる手法も存在する。しかし、半導体レーザの水平方向の出射点位置である内部位置21aはばらつきがあり、またレーザ出力に依存して変化するため、複数の動作条件で非点隔差による広がり角の増大を抑制することは難しい。本実施の形態によれば、水平方向の広がり角は、光源20とレンズ10間の配置距離に依存しないため、垂直方向の焦点距離FFLvの位置に光源20の端面21bを配置することで、非点隔差が存在し、さらにばらつきやレーザの出力依存性があっても水平方向の広がり角が増大しないという効果を有する。
ところで、半導体レーザのチップ外形に対する発光点の位置精度は、垂直方向には高い精度を有するが、水平方向は精度が低い。これは、垂直方向は、厳密に厚さ制御がなされているのに対し、水平方向はウエハからチップに切出す際の精度に依存するからであり、水平方向は通常数μmから数10μmの切出し精度となる。このため、チップの外形に対して水平方向の発光点位置がばらついてしまい、例えば、チップとレンズを外形基準で高精度に組み立てた場合にも水平方向の発光点とレンズの相対位置はばらついてしまう。これに対して、本実施の形態においては、チップ切出し位置のばらつきによる水平方向の位置ずれが発生したとしても、光線の出射方向の傾きに与える影響が小さく、外形基準での組立てを容易にすることができるという効果を有する。
Rh1/Rh2×θh1=Δ/f×θv (21)
を満たす範囲で許容可能となる。ここでθvは光源20から垂直方向に出射した広がり角である。
図6は実施の形態2における平行光発生装置の説明図であり、図6Aはその平面図、図6Bはその側面図を示す。
実施の形態2の平行光発生装置は、光源30として、水平方向に複数の発光点を有する半導体レーザアレイを用いたことが実施の形態1の光源20とは異なる点である。その他の点については実施の形態1と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
実施の形態1と同様に、レンズ10の垂直方向の光源側焦点距離FFLvの位置に半導体レーザアレイである光源30の端面31を設置する。光源30からの水平方向の光線30aは、曲率半径Rh1のレンズ10の凹面及び曲率半径Rh2の凸面により、各発光点から出射した光線それぞれのビーム径が拡大される。光源30からの垂直方向の光線30bは、焦点距離FFLvの位置に光源30を配置しているので、レンズ10における入射面11の平面及び曲率半径Rv2の凸面によりコリメートされる。これにより、実施の形態1と同様に、光源30の水平方向の光はレンズ10の入射面11と出射面12で拡大され、光源30の垂直方向の光はレンズ10の出射面12で略平行光に変換されるので、小さな広がり角、高い光利用効率及び小型化の条件を共に満たす平行光発生装置を実現することが可能となる。
アレイ状光学素子を用いる場合と比較すると、単純な構成で安価であり、また、発光幅及び発光点の周期が水平方向に静的及び動的に変化する場合においても、実施の形態2の構成では小さな広がり角、高い光利用効率及び小型化の条件を満足させることができるという効果がある。
実施の形態3は、実施の形態2における光源30の複数の発光点の各発光幅Wと発光点の周期Pから決まるフィルファクタF.F.を定義したものである。
図7は、実施の形態3の光源30の定義を示す説明図である。半導体レーザアレイからなる光源30は、その発光幅Wと発光点の周期Pで特徴づけられ、フィルファクタF.F.を次式(22)で定義する。
F.F.=W/P (22)
本実施の形態では、平行光発生装置が式(22)に示すフィルファクタF.F.が0.5≦F.F.<1の範囲にある半導体レーザアレイを光源30とした場合に、特に好適である。なお、実施の形態3の平行光発生装置における全体の構成及び動作は実施の形態2と同様であるため、ここでの説明は省略する。
θho=2×TAN−1(W/2/f) (23)
となり、レンズ位置で各発光点の光が重ならないように焦点距離fを決めると、
f=(P―W)/(2×Tan(θhi/2)) (24)
となるので、式(23)と式(24)を整理すると、
Tan(θho/2)/Tan(θhi/2)
=F.F./(1−F.F.) (25)
となり、光源30からの水平方向広がり角とアレイ状レンズ後の広がり角は光源30のフィルファクタF.F.で制限される。式(25)より、フィルファクタF.F.が0.5以上のアレイ状光源は、従来の軸対称なレンズでコリメートするために、前側焦点位置に光源を配置した場合には、ある広がり角θ内のビームに対してケラレが無い条件で、水平方向の広がり角を小さくすることができないことがわかる。
また、各発光点の光軸に対して軸対称でないレンズをアレイ状に組み合わせたコリメータレンズを用いることも考えられるが、レンズの作製難度が高く、安価に作ることが難しい。また、光源とレンズの組立て難度も高くなる。
一方で、本発明のレンズ10と半導体レーザアレイからなる光源30との組み合わせにおいては、いかなるフィルファクタF.F.のアレイ状光源においても水平方向の広がり角を小さくすることが可能であり、小さな広がり角、高い光利用効率及び小型化の条件を満足させることのできる平行光発生装置が実現できる。
m=P/W=1/F.F. (26)
と制限される。これよりレンズ後の水平方向の広がり角は、元の広がり角のフィルファクタF.F.倍に制限されてしまう。
以上の結果から、式(22)に示すフィルファクタF.F.が0.5〜1の範囲にある半導体レーザアレイを光源30とした場合に、実施の形態3の平行光発生装置は特に好適である。
Claims (7)
- シリンドリカル形状で凹面形状をなす入射面と光軸に対して軸対称な凸面形状をなす出射面とを有するレンズと、
前記光軸に対して垂直な面内における一方の方向と、当該一方の方向とは90度異なる他方の方向との広がり角が異なる光源とを備え、
前記光源は前記レンズの前記他方の方向の入射面側焦点距離の位置に配置され、かつ、前記光源の一方の方向が前記レンズのシリンドリカル形状の曲率方向に配置されたことを特徴とする平行光発生装置。 - 前記光源の前記一方の方向の発光点幅が前記他方の方向の発光点幅より大きいことを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記光源は非点隔差を有する光源であることを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記光源は半導体レーザであることを特徴とする請求項3記載の平行光発生装置。
- 前記光源は、前記一方の方向に複数の発光点を有することを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記光源は、前記複数の発光点の各発光幅Wと発光点の周期Pから決まるフィルファクタF.F.が0.5≦F.F.<1を満たすアレイ状光源であることを特徴とする請求項5記載の平行光発生装置。
- 前記光源は、半導体レーザアレイであることを特徴とする請求項5記載の平行光発生装置。
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