JP6376412B2 - レーザシート光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザシート光源装置に関する。

従来、流体の流れや速度を計測する方法として、ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）と呼ばれる技術が知られている。ＰＩＶとは、流体にトレーサ粒子と呼ばれる微小粒子を混入し、当該トレーサ粒子にシート状のレーザ光（以下、レーザシート）を照射して得られる散乱光を撮影することで、流体の流動を二次元的に計測する技術である。

上記のＰＩＶにおいて、従来、光源として高出力を得られる固体レーザやガスレーザが用いられていた。例えば特許文献１には、ＰＩＶの光源にＮｄ：ＹＡＧレーザを使用することが記載されている。また特許文献２には、ＰＩＶの光源にアルゴンレーザを使用することが記載されている。

特開２００７−０８５７８４号公報 特開２０１０−１１７１９０号公報

近年、固体光源技術の進歩に伴い、ＰＩＶの光源として固体レーザやガスレーザに代わり半導体レーザを利用することが検討されてきている。特に、高出力を実現する観点から、レーザ光を射出するエミッタを複数備える半導体レーザアレイを利用することが検討されてきている。

ところで、本発明者の鋭意研究によれば、ＰＩＶの光源に半導体レーザアレイを利用すると、レーザシートの幅が十分に拡がらず、多数のトレーサ粒子を照射することができないことが分かった。

そのため、本発明者は、各エミッタからのレーザ光の発散角を拡大可能なレンズを用いて、レーザシートの幅を拡げることを検討した。すると、当該レンズの配置位置によっては、レーザシートの強度が均一とならず、バラつきが生じることが分かった。

レーザシートの強度にバラつきが生じると、各トレーサ粒子が、異なる強度のレーザ光によって照射される虞がある。即ち、比較的高い強度のレーザ光によって照射されるトレーサ粒子や、比較的低い強度のレーザ光によって照射されるトレーサ粒子が混在する。その結果、トレーサ粒子からの散乱光の強度が変動し、計測結果の精度が低下するという問題があった。そのため、レーザシートの強度を不均一にすることなく、当該レーザシートの幅を拡大可能な技術が求められる。

上記の要望は、ＰＩＶに限らず、半導体レーザアレイを光源に使用してレーザシートを形成する場合に共通する。例えば、レーザシートを照射する照明装置や、レーザシートを利用して物体の形状等を計測する計測装置においても同様に求められる。

本発明は、半導体レーザアレイを光源に使用してレーザシートを形成する場合において、レーザシートの強度が不均一となることを抑制しつつ、当該レーザシートの幅を拡大可能な技術を提供することを目的とする。

本発明のレーザシート光源装置は、
レーザ光を射出する複数のエミッタを含む半導体レーザアレイと、
前記レーザ光を、第一の方向からみたとき平行に進行し、且つ、前記第一の方向に直交する第二の方向からみたとき前記第一の方向に発散して進行する平行光に変換する第一のレンズと、
前記平行光が入射する入射面を含み、前記平行光の前記第一の方向における発散角を拡大する第二のレンズと、を有し、
前記第二のレンズは、前記入射面の少なくとも一部が、隣り合う前記エミッタからの前記平行光が重なり合う領域に位置するように配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、平行光の第一の方向における発散角が第二のレンズによって拡大される。これにより、平行光の第一の方向の幅を拡大できる結果、レーザシートの第一の方向の幅を拡大できる。また、上記構成によれば、隣り合うエミッタからの平行光は、互いに重なり合って第二のレンズに入射する。これにより、第二のレンズに入射する光の強度のバラつきを抑制できるため、第二のレンズから射出される光の強度のバラつきも抑制できる。以上のように、上記構成によれば、レーザシートの幅を拡大可能であるとともに、レーザシートの強度が不均一になることを抑制できる。

また、上記構成において、
複数の前記エミッタは、前記第一の方向に並び、
前記第一のレンズは、前記レーザ光が入射する入射面と、前記平行光を射出する射出面と、を含み、
前記第一のレンズの前記入射面は、前記エミッタと対向し、
前記第二のレンズの前記入射面は、前記第一のレンズの前記射出面と対向し、
前記エミッタから前記第二のレンズまでの距離をＺ、前記平行光の前記第二のレンズによる拡大前の発散角をθ、前記エミッタが並ぶ間隔をｄとしたとき、下記の式、
（ｄ／２）・｛１／ｔａｎ（θ／２）｝＜Ｚ
を満たしているものとしても構わない。

上記構成によれば、半導体レーザアレイ、第一のレンズ、及び第二のレンズが当該順番に並んで配置される場合に、隣り合うエミッタからの平行光を互いに重なり合った状態で第二のレンズに入射させることができる。

また、上記構成において、
前記エミッタの個数をＮ、前記第二のレンズの前記入射面の前記第一の方向における幅をＬとしたとき、下記の式、
（Ｎ−１）・ｄ＋２・Ｚ・ｔａｎ（θ／２）＜Ｌ
を満たしているものとしても構わない。

上記構成によれば、各エミッタからの全ての平行光が、第二のレンズの入射面に入射する。これにより、各エミッタからの全ての平行光がレーザシートを形成するため、レーザシートの出力低下を抑制できる。

また、上記構成において、
前記半導体レーザアレイは、前記第一の方向を遅軸方向とし、前記第二の方向を速軸方向とする端面発光型の半導体レーザアレイであり、
前記第一のレンズから射出された前記平行光が前記第二のレンズの前記入射面に入射するとき、前記平行光の前記遅軸方向の幅は、前記速軸方向の幅に比べて大きいものとしても構わない。

上記構成によれば、第一のレンズから射出された平行光は、遅軸方向の幅が速軸方向の幅に比べて大きい状態で第二のレンズの入射面に入射する。これにより、遅軸方向の幅が速軸方向の幅に比べて小さい状態で平行光が第二のレンズの入射面に入射する場合に比べ、平行光の遅軸方向の幅をより大きくことができる。その結果、遅軸方向の幅が十分大きいレーザシートを形成できる。

また、上記構成において、前記第二のレンズは、平凹シリンドリカルレンズ又は両凹シリンドリカルレンズであるものとしても構わない。

本発明のレーザシート光源装置によれば、半導体レーザアレイを光源に使用してレーザシートを形成する場合において、レーザシートの強度が不均一となることを抑制しつつ、当該レーザシートの幅を拡大することができる。

ＰＩＶの概要を説明するための模式図である。 実施形態のレーザシート光源装置を説明するための模式図である。 実施形態の半導体レーザアレイを示す模式的な斜視図である。 実施形態のレーザシート光源装置を説明するための模式図である。 実施形態の平行光の速軸方向の幅及び遅軸方向の幅について説明するための模式図である。 実施形態の平凹シリンドリカルレンズを説明するための模式図である。 参考例のレーザシート光源装置を説明するための模式図である。 実施形態のレーザシート光源装置の作用効果を説明するための図である。

実施形態のレーザシート光源装置につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

［ＰＩＶの概要］
実施形態におけるレーザシート光源装置１は、ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）の光源に使用される。まず初めに図１を参照してＰＩＶの概要について説明する。

図１に示すように、レーザシート光源装置１は、シート状のレーザ光ＬＳを射出する。以下、シート状のレーザ光ＬＳを「レーザシートＬＳ」と呼ぶ。

図１では、レーザシート光源装置１に含まれる半導体レーザアレイ（詳細は後述）の長手方向をｙ方向とし、短手方向をｚ方向とし、ｙ方向及びｚ方向に直交する方向をｘ方向としている。なお、ｘ方向が「第二の方向」に対応し、ｙ方向が「第一の方向」に対応する。

レーザシートＬＳは、ｘ方向に一定の幅を有し、ｙ方向に拡がりつつ進行する光である。なお図１では、レーザシートＬＳのｘ方向の幅の図示を省略している。一例として、レーザシートＬＳのｘ方向の幅は、１ｍｍである。またレーザシートＬＳは、レーザシート光源装置１からｚ方向に少なくとも１〜２ｍ離れた領域において、ｙ方向に０．５ｍ〜２ｍ程度の幅を有している。すなわち、この領域においては、レーザシートＬＳのｙ方向の幅はｘ方向の幅と比較して極めて大きい。

計測対象の流体には、トレーサ粒子１２が混入されている。なお、図１では、流体自体は図示していないが、所定の流体内に多数のトレーサ粒子１２が混入されており、この流体に対してレーザシートＬＳが照射された状況において、当該レーザシートＬＳが照射された領域内に位置しているトレーサ粒子１２の一部のみが図示されている。トレーサ粒子１２は、一例として、ポリスチレン等の樹脂からなる微小粒子、水及びオイルを噴霧化した微小な液滴、プラスチック製の微小粒子、煙等である。レーザシート光源装置１から射出されたレーザシートＬＳが、流体内のトレーサ粒子１２を照射すると、散乱光が生成される。

撮影装置１４は、トレーサ粒子１２からの散乱光を撮影し、撮影した画像を画像処理装置１６に出力する。なお、一例として撮影装置１４は１秒間に１０００フレームの画像を撮影する。画像処理装置１６は、入力された画像を基に、流体の速度を算出する。なお、流体の速度の算出方法は既知の技術であるため（例えば上記の特許文献１及び特許文献２を参照）、本明細書では説明を省略する。

［構成］
続いて、レーザシート光源装置１の構成について説明する。図２は、レーザシート光源装置１を−ｘ方向にみたときの模式図である。なお図２では、レーザシート光源装置１の内部の構成を示している。

図２に示すように、レーザシート光源装置１は、半導体レーザアレイ３、平凸シリンドリカルレンズ５、及び平凹シリンドリカルレンズ７を有する。なお、平凸シリンドリカルレンズ５が「第一のレンズ」に対応し、平凹シリンドリカルレンズ７が「第二のレンズ」に対応する。以下、各構成について具体的に説明する。

半導体レーザアレイ３は、端面発光型の半導体レーザ素子がアレイ状に複数配置されて構成されている。図３を参照して半導体レーザアレイ３について説明する。図３は、半導体レーザアレイ３の模式的な斜視図である。図３に示すように、半導体レーザアレイ３の長手方向がｙ方向に対応し、短手方向がｚ方向に対応している。

半導体レーザアレイ３は、ｚ方向に垂直な面（図面上はｘｙ平面に対応する）である側面３０を含み、この側面３０からレーザ光を射出する。半導体レーザアレイ３は、側面３０上にｙ方向に複数配置されたエミッタ３１を含む。エミッタ３１ａは、ｙ方向に関して側面３０の中央に位置するエミッタである。エミッタ３１ｂは、ｙ方向に関して側面３０の一方の端部（即ち、＋ｙ方向側の端部）に位置するエミッタであり、エミッタ３１ｃは、ｙ方向に関して側面３０の他方の端部（即ち、−ｙ方向側の端部）に位置するエミッタである。一例として、半導体レーザアレイ３は、２００μｍのピッチで並ぶ２０個のエミッタ３１を含む。なお図３では、便宜的に、５個のエミッタ３１を図示している。

以下では、エミッタ３１ａを「中央のエミッタ３１ａ」と呼び、エミッタ３１ｂ、３１ｃをそれぞれ「端部のエミッタ３１ｂ」、「端部のエミッタ３１ｃ」と呼ぶことがある。

各エミッタ３１は、ｘ方向及びｙ方向の双方に拡がりつつ進行するレーザ光を射出する。図３に半導体レーザアレイ３の中央のエミッタ３１ａから射出されるレーザ光Ｌを示す。図３に示すように、レーザ光Ｌは、ｘ方向及びｙ方向の双方に発散する。またレーザ光Ｌは、ｙ方向に比べてｘ方向に大きく発散する。即ち、レーザ光Ｌのｘ方向における発散角は、ｙ方向における発散角に比べて大きい。つまり、ｘ方向が「速軸方向」に対応し、ｙ方向が「遅軸方向」に対応する。他のエミッタ３１から射出されるレーザ光も、レーザ光Ｌと同様に進行する。なお図３では、レーザ光Ｌのｙ方向における発散角を角度θとしている。

本明細書において、「ｘ方向における発散角」とは、ｘ方向において最も外側を進行する光同士がなす角である。また「ｙ方向における発散角」とは、ｙ方向において最も外側を進行する光同士がなす角である。

続いて、図２及び図４を参照して平凸シリンドリカルレンズ５について説明する。図４は、レーザシート光源装置１の半導体レーザアレイ３、平凸シリンドリカルレンズ５、及び平凹シリンドリカルレンズ７を−ｙ方向にみたときの模式図である。

図４に示すように、平凸シリンドリカルレンズ５は、各エミッタ３１（図示略）から射出されたレーザ光Ｌが入射する入射面５１、及び、光を射出する射出面５３を含む。平凸シリンドリカルレンズ５は、入射面５１が半導体レーザアレイ３の側面３０と対向するように配置されている。

平凸シリンドリカルレンズ５は、入射面５１に入射したレーザ光Ｌを、ｘ方向に一定の幅（一例として、１ｍｍ）を有するように変換する。換言すると、平凸シリンドリカルレンズ５は、レーザ光Ｌをｘ方向に発散しない光に変換する。

一方、平凸シリンドリカルレンズ５は、図２に示すように、レーザ光Ｌのｙ方向の発散を保持する。即ち、平凸シリンドリカルレンズ５は、レーザ光Ｌのｙ方向における発散角θ（図３参照）を保持する。

このように、平凸シリンドリカルレンズ５は、各エミッタ３１から射出されるレーザ光Ｌを、ｘ方向に一定の幅（一例として、１ｍｍ）を有し、ｙ方向に拡がりつつ進行する光に変換する。即ち、平凸シリンドリカルレンズ５は、レーザ光Ｌを、ｙ方向からみたとき平行に進行し、且つ、ｘ方向からみたときｙ方向に発散して進行する平行光ＬＰに変換する。

本明細書において「平行光」とは、特定の方向（本実施形態では、ｘ方向）に一定の幅を有し、当該特定の方向に直交する方向（本実施形態では、ｙ方向）に拡がりつつ進行する光である。換言すると、「平行光」とは、特定の平面（本実施形態では、ｙｚ平面）に平行に進行する光である。

なお、図２では便宜的に中央のエミッタ３１ａ（図示略）、及び、端部のエミッタ３１ｂ、３１ｃ（図示略）から射出されるレーザ光Ｌ、及び当該レーザ光Ｌが変換された後の光である平行光ＬＰを示している。また、図２において、端部のエミッタ３１ｃ（図示略）から射出されるレーザ光Ｌには右斜線を付し、当該レーザ光Ｌが変換された後の光である平行光ＬＰには左斜線を付している。同様に、図４において、各エミッタ３１から射出される各レーザ光Ｌには右斜線を付し、当該レーザ光Ｌが変換された後の光である各平行光ＬＰには左斜線を付している。

以下、エミッタ３１から射出されたレーザ光Ｌが変換された後の光である平行光ＬＰを、「エミッタ３１からの平行光ＬＰ」と呼ぶことがある。

続いて、図２及び図４を参照して平凹シリンドリカルレンズ７について説明する。

図４に示すように、平凹シリンドリカルレンズ７は、平凸シリンドリカルレンズ５の射出面５３から射出された平行光ＬＰが入射する入射面７１を含む。平凹シリンドリカルレンズ７は、入射面７１が平凸シリンドリカルレンズ５の射出面５３と対向するように配置されている。

図４に示すように、平凹シリンドリカルレンズ７は、平凸シリンドリカルレンズ５の射出面５３から射出された平行光ＬＰのｘ方向の幅（一例として、１ｍｍ）を保持する。即ち平凹シリンドリカルレンズ７は、平行光ＬＰのｘ方向における発散角（本実施形態では、０度）を拡大しない。

一方、図２に示すように、平凹シリンドリカルレンズ７は、平行光ＬＰのｙ方向における発散角θを、角度θよりも大きい角度θ’に変換する。即ち、平凹シリンドリカルレンズ７は、平行光ＬＰのｙ方向における発散角を拡大する。なお、図２では、端部のエミッタ３１ｃからの平行光ＬＰについて、ｙ方向における拡大前の発散角θ、及び、拡大後の発散角θ’を図示している。図示を省略するが、他のエミッタ３１からの平行光ＬＰについても同様に、ｙ方向における発散角は、角度θから角度θ’に拡大される。

続いて、図５を参照して、平行光ＬＰの速軸方向（即ち、ｘ方向）の幅、及び、遅軸方向（即ち、ｙ方向）の幅について説明する。

図５（ａ）は、エミッタ３１からの平行光ＬＰを、図４のＡ−Ａ線で切断したときの模式的な断面図である。即ち図５（ａ）は、平行光ＬＰが平凸シリンドリカルレンズ５から射出された直後における平行光ＬＰの断面を示した図である。なお図５（ａ）では、１つのエミッタ３１からの平行光ＬＰの断面を示している。

図５（ａ）に示すように、平行光ＬＰの遅軸方向（即ち、ｙ方向）の幅Ｄｓは、速軸方向（即ち、ｘ方向）の幅Ｄｆに比べて長い。即ち、Ｄｓ＞Ｄｆである。一例として、Ｄｓは５ｍｍ、Ｄｆは１ｍｍである。

図５（ｂ）は、エミッタ３１からの平行光ＬＰを、図４のＢ−Ｂ線で切断したときの模式的な断面図である。即ち図５（ｂ）は、平行光ＬＰが平凹シリンドリカルレンズ７に入射する直前における平行光ＬＰの断面を示した図である。なお図５（ｂ）では、図５（ａ）と同様に、１つのエミッタ３１からの平行光ＬＰの断面を示している。

上述のように平行光ＬＰは、速軸方向（即ち、ｘ方向）に一定の幅を有する。そのため、図５（ｂ）において、平行光ＬＰの速軸方向（即ち、ｘ方向）の幅Ｄｆは、図５（ａ）の速軸方向の幅Ｄｆと同じである。

図５（ｂ）に示すように、平行光ＬＰの遅軸方向（即ち、ｙ方向）の幅Ｄｓ’は、速軸方向（即ち、ｘ方向）の幅Ｄｆに比べて長い。即ち、Ｄｓ’＞Ｄｆである。一例として、Ｄｓ’は１０ｍｍ、Ｄｆは１ｍｍである。

このように、平行光ＬＰが平凸シリンドリカルレンズ５から射出された直後、及び、平行光ＬＰが平凹シリンドリカルレンズ７に入射する直前の双方において、平行光ＬＰの遅軸方向（即ち、ｙ方向）の幅（Ｄｓ、Ｄｓ’）は、速軸方向（即ち、ｘ方向）の幅Ｄｆに比べて長い。平行光ＬＰは、遅軸方向に発散するのに対し、速軸方向には発散しないためである。

以上説明したように、レーザシート光源装置１によれば、各エミッタ３１から射出されたレーザ光Ｌは、ｘ方向に一定の幅（本実施形態では、Ｄｆ）を有し、ｙ方向に比較的大きい発散角（本実施形態では、θ’）を有して拡がる平行光ＬＰに変換される。そして図２に示すように、各平行光ＬＰは互いに重なり合うことによりレーザシートＬＳを形成する。これにより、レーザシート光源装置１によれば、ｘ方向に一定の幅を有し、ｙ方向に比較的大きい幅を有するレーザシートＬＳを形成できる。即ち、レーザシート光源装置１によれば、レーザシートＬＳの照射範囲をより拡大することができるため、多数のトレーサ粒子１２を照射することが可能となり、より広範囲に流体の速度を計測できる。

また、図５（ｂ）を参照して説明したように、各エミッタ３１からの平行光ＬＰが平凹シリンドリカルレンズ７に入射するとき、平行光ＬＰの遅軸方向の幅は速軸方向の幅に比べて大きい。これにより、遅軸方向における幅が十分大きいレーザシートＬＳを形成できる。

［平凹シリンドリカルレンズ］
続いて、図６を参照して平凹シリンドリカルレンズ７が配置される位置について説明する。図６は、半導体レーザアレイ３及び平凹シリンドリカルレンズ７を−ｘ方向にみたときの模式図である。なお、図６では平凸シリンドリカルレンズ５の図示を省略している。また図６では、説明の便宜上、半導体レーザアレイ３が５個のエミッタ３１を含む場合を例に説明する。

図６において、Ｄａは、半導体レーザアレイ３の側面３０（図３参照）から、隣り合うエミッタ３１からの平行光ＬＰが重なり始める位置Ｐまでの距離である。より具体的には、半導体レーザアレイ３の側面３０のｚ座標と、上記の位置Ｐのｚ座標との差である。また、Ｚは、半導体レーザアレイ３の側面３０から、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１の端部Ｑまでの距離である。より具体的には、半導体レーザアレイ３の側面３０のｚ座標と、上記の位置Ｑのｚ座標との差である。ｄは、隣り合うエミッタ３１のｙ方向における距離である。θは、上述のように、レーザ光Ｌのｙ方向における発散角（即ち、平行光ＬＰの拡大前の発散角）である。

図６に示すように、平凹シリンドリカルレンズ７は、Ｄａ＜Ｚを満たすように配置されている。換言すると、平凹シリンドリカルレンズ７は、隣り合うエミッタ３１からの平行光ＬＰが重なり合う領域に入射面７１の少なくとも一部が位置するように配置されている。即ち、各エミッタ３１からの各平行光ＬＰは、隣り合うエミッタ３１からの平行光ＬＰと重なり合った状態で平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射する。ここで、Ｄａをθ及びｄを用いて表すと、下記の式（１）のようになる。
Ｄａ＝（ｄ／２）・｛１／ｔａｎ（θ／２）｝ ・・・（１）

よって、平凹シリンドリカルレンズ７は、Ｚが下記の式（２）を満たすように配置されている。
（ｄ／２）・｛１／ｔａｎ（θ／２）｝＜Ｚ ・・・（２）

平凹シリンドリカルレンズ７を上記の式（２）を満たすように配置することによる作用効果については後述する。

続いて、図６を参照して平凹シリンドリカルレンズ７のｙ方向の幅Ｌについて説明する。

図６において、Ｄｂは、各エミッタ３１からの各平行光ＬＰをＣ−Ｃ線で切断したときのｙ方向における幅である。なお、Ｃ−Ｃ線は、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１の端部（Ｑ、Ｑ）を通り、ｙ方向に平行な線である。ここで、エミッタ３１の個数をＮ（図５では５個）とし、ＤｂをＮ、ｄ、Ｚ及びθ用いて表すと、下記の式（３）のようになる。
Ｄｂ＝（Ｎ−１）・ｄ＋２・Ｚ・ｔａｎ（θ／２） ・・・（３）

図６に示すように、平凹シリンドリカルレンズ７のｙ方向の幅Ｌは、Ｄｂに比べて大きい。即ち平凹シリンドリカルレンズ７は、Ｄｂ＜Ｌを満たしている。よって、平凹シリンドリカルレンズ７は、下記の式（４）を満たす。
（Ｎ−１）・ｄ＋２・Ｚ・ｔａｎ（θ／２）＜Ｌ ・・・（４）

以下、平凹シリンドリカルレンズ７が上記の式（４）を満たすことによる作用効果について説明する。仮に平凹シリンドリカルレンズ７が上記の式（４）を満たさない場合、各エミッタ３１からの平行光ＬＰのうち最もｙ方向側を進行する平行光ＬＰ（即ち、エミッタ３１ｂからの平行光ＬＰのうち最もｙ方向側を進行する平行光ＬＰ）が、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射しない。また、各エミッタ３１からの平行光ＬＰのうち最も−ｙ方向側を進行する平行光ＬＰ（即ち、エミッタ３１ｃからの平行光ＬＰのうち最も−ｙ方向側を進行する平行光ＬＰ）が、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射しない。そのため、両端の平行光ＬＰがレーザシートＬＳを形成せず、レーザシートＬＳの出力が低下してしまう。

これに対し、実施形態のレーザシート光源装置１によれば、平凹シリンドリカルレンズ７が上記の式（４）を満たすことにより、両端の平行光ＬＰが平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に確実に入射する。即ち、各エミッタ３１からの全ての平行光ＬＰが、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射する。これにより、各エミッタ３１からの全ての平行光ＬＰがレーザシートＬＳを形成するため、レーザシートＬＳの出力低下を抑制できる。

なお、図６に示すように、平凹シリンドリカルレンズ７の位置が半導体レーザアレイ３からｚ方向に向かって離れるほど、Ｄｂは大きな値になる。即ち、Ｚが大きな値になるほど、Ｄｂも大きな値となる。その結果、ｙ方向の幅Ｌが比較的大きい平凹シリンドリカルレンズ７を準備する必要が生じる。本実施形態では、一例として、ｙ方向の幅Ｌが５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲にある平凹シリンドリカルレンズ７を使用可能なように、平凹シリンドリカルレンズ７の位置（即ち、Ｚ）を調整する。

［作用効果］
続いて、図７及び図８を参照して、平凹シリンドリカルレンズ７を上記の式（２）を満たすように配置することによる作用効果について説明する。即ち、平凹シリンドリカルレンズ７を、隣り合うエミッタ３１からの平行光ＬＰが重なり合う領域に入射面７１の少なくとも一部が位置するように配置することによる作用効果について説明する。

初めに、参考例のレーザシート光源装置について図７を参照して説明する。参考例のレーザシート光源装置は、実施形態のレーザシート光源装置１と、平凹シリンドリカルレンズ７の位置のみ異なっており、他の構成は同様である。

図７（ａ）を参照して、参考例のレーザシート光源装置における平凹シリンドリカルレンズ７の位置について説明する。なお図７（ａ）では、平凸シリンドリカルレンズ５の図示を省略している。図７（ａ）に示すように、参考例のレーザシート光源装置では、平凹シリンドリカルレンズ７は、平行光ＬＰが互いに重ならない領域に入射面７１が位置するように配置されている。即ち、図示を省略するが、参考例のレーザシート光源装置では、平凹シリンドリカルレンズ７は、Ｚ（図示略）＜Ｄａ（図示略）となるように配置されている。

図７（ａ）に示すように、参考例のレーザシート光源装置では、各平行光ＬＰは互いに重なり合うことなく平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射する。即ち、各平行光ＬＰは、他の平行光ＬＰの影響を受けることなく平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射する。そのため、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射する光の強度は、ｙ座標に応じて大きく変動する。図７（ｂ）に、図７（ａ）のＤ−Ｄ線で各平行光ＬＰを切断したときの各平行光ＬＰの強度を示す。なお、Ｄ−Ｄ線は、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１の端部（Ｑ、Ｑ）を通り、ｙ方向に平行な線である。図７（ｂ）に示すように、エミッタ３１の個数分（本実施形態では、５個）、強度に鋭いピークが現れる。その結果、平凹シリンドリカルレンズ７から射出される平行光ＬＰの強度も、ｙ座標に応じて大きく変動する。図７（ｃ）に、図７（ａ）のＥ−Ｅ線で各平行光ＬＰを切断したときの各平行光ＬＰの強度を示す。図７（ｃ）に示すように、平行光ＬＰが平凹シリンドリカルレンズ７から射出された後においても、強度の変動は大きい。

以上のように、参考例のレーザシート光源装置では、ｙ座標に応じて強度が大きく変動する平行光ＬＰが平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射する。その結果、平凹シリンドリカルレンズ７から射出される平行光ＬＰの強度も、ｙ座標に応じて大きく変動する。そのため、ｙ座標に応じて強度にバラつきが生じたレーザシートＬＳが形成される。発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、レーザシートＬＳの強度にバラつきが生じると、ＰＩＶの測定結果の精度が低下するという問題がある。

これに対し、実施形態のレーザシート光源装置１によれば、図６を参照して説明したように、各平行光ＬＰは、隣り合うエミッタ３１からの平行光ＬＰと重なり合った状態で平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射する。そのため、実施形態のレーザシート光源装置１では、参考例に比べ、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射する光の強度の変動が小さい。図８（ａ）に、図６のＣ−Ｃ線で各平行光ＬＰを切断したときの各平行光ＬＰの強度を示す。なお図８（ａ）では、各平行光ＬＰが重なり合った状態の強度を実線で示し、１つのエミッタ３１からの平行光ＬＰの強度を破線で示している。図８（ａ）に示すように、強度の変動は、参考例の図７（ｂ）に比べて小さい。このように、実施形態のレーザシート光源装置１によれば、強度の変動が比較的小さい状態で平行光ＬＰが平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１に入射する。そのため、平凹シリンドリカルレンズ７から射出される平行光ＬＰにおいても、強度の変動が小さくなる結果、レーザシートＬＳの強度のバラつきを抑制できる。図８（ｂ）に、図６のＦ−Ｆ線でレーザシートＬＳを切断したときのレーザシートＬＳの強度を示す。なお図８（ｂ）では、レーザシートＬＳの強度を実線で示し、１つのエミッタ３１からの平行光ＬＰの強度を破線で示している。図８（ｂ）に示すように、レーザシートＬＳの強度の変動は、参考例の図７（ｃ）に比べて小さい。以上のように、実施形態のレーザシート光源装置１よれば、参考例に比べて強度が均一なレーザシートＬＳを形成できる。

［別実施形態］
なお、レーザシート光源装置は、上記の実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下の別実施形態に係る構成を任意に選択して、上記の実施形態に係る構成に採用してもよいことは勿論である。

〈１〉実施形態では、平凸シリンドリカルレンズ５は、入射面５１がエミッタ３１に対向するように配置され、平凹シリンドリカルレンズ７は、入射面７１が平凸シリンドリカルレンズ５の射出面５３に対向するように配置されていると説明したが、これに限らない。即ち、半導体レーザアレイ３、平凸シリンドリカルレンズ５、及び平凹シリンドリカルレンズ７の配置位置は、光を反射するミラーを使用して自由に変更しても構わない。

〈２〉また、実施形態の式（２）において、距離Ｚは、半導体レーザアレイ３の側面３０のｚ座標と、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１の端部Ｑにおけるｚ座標との差であると説明したが、これに限らない。即ち、距離Ｚは、半導体レーザアレイ３の側面３０のｚ座標と、平凹シリンドリカルレンズ７の入射面７１上の任意の位置におけるｚ座標との差であっても構わない。以上を一般的に表現すると、距離Ｚとは、エミッタ３１から平凹シリンドリカルレンズ７までの距離と言える。

〈３〉また、実施形態では、平行光ＬＰのｙ方向における発散角を拡大するレンズとして、平凹シリンドリカルレンズ７を使用したが、両凹シリンドリカルレンズを使用しても構わない。また、複数の平凹シリンドリカルレンズからなる平凹シリンドリカルレンズアレイを使用しても構わない。また、ｚ方向に平凹シリンドリカルレンズ７を複数配置しても構わない。

〈４〉また、レーザ光Ｌは、ｘ方向に大きな発散角を有し、ｙ方向に小さな発散角を有して進行すると説明したが、これに限らない。即ちレーザ光Ｌは、ｘ方向及びｙ方向に同程度の発散角を有して進行しても構わない。またレーザ光Ｌは、ｘ方向に小さな発散角を有し、ｙ方向に大きな発散角を有して進行しても構わない。

〈５〉また、実施形態の半導体レーザ光源装置では、エミッタ３１からのレーザ光Ｌを平行光ＬＰに変換するレンズとして平凸シリンドリカルレンズ５を使用したが、これに限らない。即ち、平行光ＬＰに変換可能なレンズであれば何れのレンズを使用しても構わない。

〈６〉また、実施形態の半導体レーザ光源装置は、ＰＩＶの光源に使用されると説明したが、これに限らず、例えばレーザシートＬＳを照射する照明装置や、レーザシートＬＳを利用して物体の形状等を計測する計測装置にも使用可能である。

〈７〉また、レーザシートＬＳは、全てのエミッタ３１からの平行光ＬＰが重なり合って形成される必要はなく、少なくとも複数のエミッタ３１からの平行光ＬＰが重なり合うことで形成されるものであればよい。

〈８〉また、図５（ａ）を参照して、平行光ＬＰが平凸シリンドリカルレンズ５から射出された直後において、平行光ＬＰの遅軸方向（即ち、ｙ方向）の幅Ｄｓは、速軸方向（即ち、ｘ方向）の幅Ｄｆに比べて長いと説明したが、これに限らない。即ち、Ｄｓ＜Ｄｆでも構わない。より一般的に言うと、平凸シリンドリカルレンズ５から射出された平行光ＬＰが平凹シリンドリカルレンズ７に入射するとき、平行光ＬＰの遅軸方向の幅が、速軸方向の幅に比べて大きければよい。

１ ： 実施形態のレーザシート光源装置
３ ： 半導体レーザアレイ
３０ ： 側面
３１ ： エミッタ
５ ： 平凸シリンドリカルレンズ
５１ ： 入射面
５３ ： 射出面
７ ： 平凹シリンドリカルレンズ
７１ ： 入射面
Ｌ ： レーザ光
ＬＰ ： 平行光
ＬＳ ： レーザシート
Ｄｓ ： 平行光ＬＰの遅軸方向の幅
Ｄｆ ： 平行光ＬＰの速軸方向の幅
Ｚ ： エミッタから平凹シリンドリカルレンズまでの距離
θ ： レーザ光の遅軸方向における発散角
ｄ ： エミッタが並ぶ間隔
Ｌ ： 平凹シリンドリカルレンズの入射面のｙ方向の幅

Claims (5)

1. レーザ光を射出する複数のエミッタを含む半導体レーザアレイと、
   前記レーザ光を、第一の方向からみたとき平行に進行し、且つ、前記第一の方向に直交する第二の方向からみたとき前記第一の方向に発散して進行する平行光に変換する第一のレンズと、
   前記平行光が入射する入射面を含み、前記平行光の前記第一の方向における発散角を拡大する第二のレンズと、を有し、
   前記第二のレンズは、前記入射面の少なくとも一部が、隣り合う前記エミッタからの前記平行光が重なり合う領域に位置するように配置されていることを特徴とするレーザシート光源装置。
2. 複数の前記エミッタは、前記第一の方向に並び、
   前記第一のレンズは、前記レーザ光が入射する入射面と、前記平行光を射出する射出面と、を含み、
   前記第一のレンズの前記入射面は、前記エミッタと対向し、
   前記第二のレンズの前記入射面は、前記第一のレンズの前記射出面と対向し、
   前記エミッタから前記第二のレンズまでの距離をＺ、前記平行光の前記第二のレンズによる拡大前の発散角をθ、前記エミッタが並ぶ間隔をｄとしたとき、下記の式、
   （ｄ／２）・｛１／ｔａｎ（θ／２）｝＜Ｚ
   を満たしていることを特徴とする請求項１に記載のレーザシート光源装置。
3. 前記エミッタの個数をＮ、前記第二のレンズの前記入射面の前記第一の方向における幅をＬとしたとき、下記の式、
   （Ｎ−１）・ｄ＋２・Ｚ・ｔａｎ（θ／２）＜Ｌ
   を満たしていることを特徴とする請求項２に記載のレーザシート光源装置。
4. 前記半導体レーザアレイは、前記第一の方向を遅軸方向とし、前記第二の方向を速軸方向とする端面発光型の半導体レーザアレイであり、
   前記第一のレンズから射出された前記平行光が前記第二のレンズの前記入射面に入射するとき、前記平行光の前記遅軸方向の幅は、前記速軸方向の幅に比べて大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザシート光源装置。
5. 前記第二のレンズは、平凹シリンドリカルレンズ又は両凹シリンドリカルレンズ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レーザシート光源装置。
   

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