JPH0239019A

JPH0239019A - 光源装置

Info

Publication number: JPH0239019A
Application number: JP63189476A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yamashiki; 山敷　裕
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1988-07-28
Filing date: 1988-07-28
Publication date: 1990-02-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、例えばレーザーメスやレーザー溶接装置など
の高出力光源に使用して好適な光源装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、例えばレーザーメスやレーザー溶接装置など
の高出力光源に使用して好適な光源装置であって、複数
の光源の夫々の虚像を同一の位置に形成すると共に、こ
の同一の位置に光源があるとみなして集光用光学系を設
け、それら複数の光源の夫々の実像を所定の位置に重畳
して形成するようにしたことにより、入射角を小さく維
持してライトガイドなどに使用した場合の伝送効率を高
めることができると共に、集光効率を高めることができ
る様にしたものである。

〔従来の技術〕

外科手術においてレーザーメスが使用されているが、こ
のレーザーメスの光源としては従来出力が３０Ｗ〜６０
Ｗ程度の気体レーザーや固体レーザーが使用されていた
。しかし、これらの気体レーザーや固体レーザーは大き
く高価格であり、更に、冷却装置や高電圧電源が必要で
扱いにくい不都合がある。

これに対して、半導体レーデ−は小型かつ低電圧動作が
可能であり扱い易いが、出力がＩＷ程度であるため、レ
ーザーメスの光源として使用するためには複数の半導体
レーザーの光を所定の位置に重畳する必要がある。この
場合、例えば波長がａｏｏｎｍ程度の半導体レーザーを
使用すれば、この波長帯の光は例えば角膜等での吸収が
少なく患部に効率良く照射することができるため、１０
個程度の半導体レーザーの光を重ねるだけで使用できる
レーザーメスもある。このような複数の光源（半導体レ
ーザーなど）の光を所定の位置に集束して重畳するため
の光源装置の考えられる構成を第３図に示す。

この第３図において、（ＩＡ）、　（１Ｂ）、　（ＩＣ
）は夫々光源を示し、（２Ａ）、　（２Ｂ）、　（２Ｃ
）は夫々焦点距離ｆの凸レンズを示す。これら凸レンズ
（２Ａ）、　（２Ｂ）、　（２Ｃ）の夫々の光軸は点Ｐ
で交わるようになされ、例えば光源＜ＩＣ）と凸レンズ
（２Ｃ）との距離をａ、凸レンズ（２Ｃ）と点Ｐとの距
離をｂとすると、１／　ａ　＋１／　ｂ　＝１／　ｆが成立するように光源（ＩＣ）は位置決めされている。

同様に光源（ＩＡ＞、　（１Ｂ）　　も位置決めされて
いる。従って、点Ｐには光源（ＩＡ＞、　（１Ｂ）、　
（ＩＣ）の夫々の実像（３Ａ）、　（３Ｂ）、　（３Ｃ
）が重畳して形成される。例えは点Ｐにライトガイド（
４）の一端を配置することにより、ライトガイド（４）
の他端からは高出力の光が放射される。

このような光源装置の特性を評価するための基準として
は、集光効率Ｅ　ａ　ｒ　ｆ及び入射角θがある。

集光効率Ｅ　ｓ　ｆ　ｆ　はＥｍｒｒ　＝　ａ　／　ｂ　　　　　　　・・・・・・
（１）で表わされ、光源（ＩＡ）、　（ＩＢ）、　（Ｉ
Ｃ）の夫々の凸レンズ（２Ａ）、　（２Ｂ＞、　（２Ｃ
）による倍率の逆数を表わす。従って、集光効率Ｅ　ａ
　ｆ　ｆ　が大きいほど、点Ｐにおける単位面積当たり
の光量が大きくなり、レーザーメスなどでより細かい作
業が可能となる。

また、入射角とは第３図例においては、凸レンズ（２８
）の光軸と凸レンズ（２Ａ）の光軸との交差角θを示し
、この入射角θは凸レンズ（２Ｂ）の光軸と凸レンズ（
２Ｃ）の光軸との交差角でもある。凸レンズ（２＾）等
の直径をφとすると、入射角θは、θ−φ／ｂ　　　　
　　　・・・・・・（２）で表わされる。この入射角θ
が大きくなると、例えば点Ｐにライトガイド（４）を置
いても、伝送される光量が減少して複数の光源（ＬＡ）
、　（ＩＢ）、　（ＩＣ）の光を重ねる意味がなくなる
。更に、入射角θで集束する光の点Ｐにおける単位面積
当りの光量は１／（ｃＯｓθ）２に比例するため、入射
角θは小さくすることが望ましい。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第３図の光源装置においては集光効率Ｅ
＊ｔｔ　を高くすると同時に入射角θも大きくなっして
まう不都合があった。

集光効率Ｅ、２．を大きくするには式（１）よりｂを大
きくすればよく、例えば第４図のような構成となる。こ
の場合、各光源（１＾）、　（１Ｂ）、　（ＩＣ）に対
応して夫々焦点距離がｆ、（＜ｆ）の凸゛レンズ（５Ａ
）、　（５Ｂ）。

（５０）を使用して、光源と凸レンズとの距離をａｏ（
＞ａ）、凸レンズと点Ｐとの距離をす。（〈ｂ）に設定
する。従って、集光効率Ｅ　＠　ｔ　ｒ　は第３図例よ
りも大きくなっている。しかし、凸レンズ（５Ａ）。

（５Ｂ）、　（５Ｃ）　　の直径φ０は夫々光源（ＬＡ
）、　（ｌｅ）、　（ＩＣ）の光を有効に集束するため
には、第３図例と同程度に維持する必要がある。従って
、ｂ、＜ｂであるため、式（２）より第４図例の入射角
θ。は第３図例よりも大きくなる。

本発明はこのような点に鑑み、ｉｖ数の光源の光を所定
の位置に重畳して集束する光源装置において、入射角を
大きくすることなく集光効率を改善できる装置を提案す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による光源装置は例えば第１図及び第２図に示す
如く、複数の光源（７Ａ＞、　（７Ｂ）、　（７Ｃ）等
の夫々の虚像を同一の位置Ｑに形成すると共に、この同
一の位ｉＱに１つの光源があるとみなして集光用光学系
（１２）又は（１５）を設け、それら複数の光源（７＾
）、　（７Ｂ）、　（７Ｃ）等の実像を所定の位置Ｐに
重畳して形成するようにしたものである。

〔作用〕

斯る本発明によれば、複数の光源（７Ａ）、　（７Ｂ）
。

（７Ｃ）等が存在しても、それらは全て位ＲＱに配設さ
れているのとほぼ等価となる。そして、集光用光学系（
１２）又は（１５）がその位置Ｑに１つの光源があると
みなして所定の位置Ｐに実像を形成しているので、所定
の位置Ｐには複数の光源（７Ａ）、　（７Ｂ）。

（７Ｃ）等の実像が重畳して形成される。従って、この
先Ｒ装置は光源が１個の光学系とほぼ等価にななり、例
えば位置ｑと集光用光学系（１２）又は（１５）との距
離やその集光用光学系（１２）又は（１５）と位置Ｐま
での距離などのパラメータの設計の自由度が大きい。そ
のため、入射角θを大きくすることなく集光効率Ｅ　−
ｒ　ｒ　だけを改善することができる。

〔実施例〕

以下、本発明光源装置の一例につき第１図を参照して説
明しよう。

第１図において、（７Ａ）、　（７Ｂ）、　（７Ｃ）、
　（７０）　　は夫々半導体レーザーの発光部を示す光
源、（８＾）、　（８Ｂ）。

（８Ｃ）、　（８Ｄ）　　は夫々焦点距離がｆｌ　で直
径がφ１の凸レンズである。この光源（７Ａ＞は凸レン
ズ（８Ａ）の物価焦点よりも近くに配設し、光源（７Ａ
）の虚像（９＾）が形成される如くなす。そして、この
凸レンズ（８＾）を通った光線を反射する角錐状の反射
鏡（１０）を設け、その反射鏡（１０）に対してその虚
像（９＾）と対称な位置Ｑに虚像（１３）を形成する。

同様に光源（７Ｂ）、　（７Ｃ）、　（７０）について
も夫々虚像（９Ｂ）。

（９Ｃ）、　（９Ｄ）　　を形成し、位置Ｑとそれら虚
像（９Ｂ）。

（９Ｃ）、　（９０）　　の形成された位置とを結ぶ線
分を垂直に２等分する平面上に夫々反射鏡（１１Ｂ＞　
　、反射鏡（１０）の他の反射面、反射鏡（１１０）　
　を配置する。従って、位置Ｑの虚像（１３）には虚像
（９Ｂ）、　（９Ｃ）、　（９Ｄ）の夫々の虚像も重な
る。

そして、その位置Ｑを通る直線（１２ａ）　上で位置Ｑ
から距離ａ２の所に直径φ２で焦点距離ｆ２　の凸レン
ズ（１２）を配設する。従って、その直線（１２ａ）は
凸レンズ（１２）の光軸となり、光軸（１２ａ）　上で
凸レンズ（１２）から距離ｂ２　の位置Ｐに虚像（１３
）の実像（１４）が形成される。この実像（１４）は光
＃（７Ａ）。

（７Ｂ）、　（７Ｃ）、　（７Ｄ）の夫々の共通の実像
でもある。なお、第１図では４個の光、原（７＾）、（
７Ｂ）、　（７Ｃ）、　（７ｆｌ）だけしか図示されて
いないが、光源は光軸（１２ａ）の回りに等間隔で多数
配設し、夫々の光源に対して凸レンズ及び反射鏡を設け
る。そして、それら全ての光源め実像を位置Ｐに重ね一
形成する。従って、位置Ｐには単位面積当りの光量の大
きな実像が形成されるので、例えば位置Ｐにライトガイ
ド（４）の一端を配設することにより、そのライトガイ
ド（４）の他端からは高輝度の光が出力される。

この第１図例の光源装置の集光効率Ｅ、、、及び入射角
θ２の概算値の評価を行なうに、先ず光源（７Ａ）に対
するその虚像（９Ａ）の倍率をＫ（Ｋ＞１）とする。そ
して、位置Ｑにある虚像〈１３）に対する位置Ｐの実像
（１４）の倍率はｂｚ／ａ２　なので、集光効率Ｅ１．
は次式で表わされる。

Ｅ　＠（ｒ−ａｚ／（Ｋｂ２）　　　　−・−・（３）
また、凸レンズ（１２）の直径はφ２なので、入射角θ
２はほぼ次式の如くなる。

θ、ζφ２　／　（２ｂ　ｚ）　　　　　・・・・・・
（４）本例においては、光源（７Ａ）等の光は予め凸レ
ンズ（８＾）等で集束されているので、光源（７Ａ）等
からの光を有効に集束する割合いはほぼ凸レンズ（８Ａ
）等の直径φ、及び焦点距離ｒ１　　によって定まる。

従って、凸レンズ（１２）の直径φ２は比較的小さく設
定することができる。従って、本例においては凸レンズ
（１２）から実像（１４）が形成される位置Ｐまでの距
離ｂ２　が小さくなり、かつ直径φ２が距離ｂ２　に比
例して小さくなるように凸レンズ（１２）を選ぶことに
より、式（３）、　（４）より、入射角θ２を大きくす
ることなく集光効率Ｅ　ｓ　ｆ　ｆを改善することがわ
かる。

また、第１図例においては反射鏡（１０）、　（１１Ｂ
）。

（ＩＩＣ）　　等を用いているので、光源装置の光軸（
１２ａ）方向の長さを短縮でき応用の際の自由度が増す
。

次に、第２図を参照して本発明光源装置の他の例につい
て説明するに、この第２図において、第１図に対応する
部分には同一符号を付してその詳細説明は省略する。

第２図において、光源（７Ａ）、　（７Ｂ）、　（７Ｃ
）に対応して夫々第１図例と同じ位置関係で焦点距離ｆ
１　　の凸レンズ（８Ａ）、　（８Ｂ＞、　（８ｃ）を
配設する。そして、第２図例ではそれら凸レンズ（８Ａ
）、　（８Ｂ）、　（８Ｃ）の夫々の光軸が一点Ｑで交
差する如くなす。更に、その位置Ｑに：ま光源（７＾）
、　（７Ｂ＞、　（７Ｃ）の夫々の虚像（９Ａ）。

（９Ｂ＞、　（９Ｃ）　　が形成されるように光源及び
凸レンズの位置調整を行なう。

また、その位置Ｑを通る直線（１５ａ）　　上で位置Ｑ
から距離ａ３　の所に焦点距離ｆ、（ｆ、＜　ｆｌ）の
凸レンズ（１５）を配設する。この場合、直線（１５ａ
）　　は凸レンズ（１５）の光軸でもあり、その光軸（
１５ａ）　　上で凸レンズ（１５）から距離ｂｊ　の位
置Ｐには、虚像（９Ａ）、　（９Ｂ）、　（９Ｃ）の夫
々の実像（１６Ａ）、　（１６Ｂ）、　（１６Ｃ）が形
成される。従って、本例では光源（７＾）、　（７Ｂ）
。

（７Ｃ）の夫々の実像（１６＾）、　（１６Ｂ）、　（
１６Ｃ）が共通の位置Ｐに形成されることになり、位置
Ｐには単位面積当りの光量の大きな実像が形成される。

第２図例によれば、第３図の従来例と比べて各光源（７
Ａ）等からの光は同程度の割合いで集束されているが、
集光効率ｂｓ／ａ３　は２５％程度改善されており、よ
り単位面積当りの光量の大きな光源が得られている。

また、第２図例によれば、第１図例と比較して反射鏡が
不要であり簡易でかつ安価に光源装置を製造できる。

尚、上述実施例では光源（７Ａ）等として半導体レーザ
ーを想定したが、本発明はこれに限定されず、光源（７
Ａ）等として発光ダイオード（ＬＥＤ＞やタングステン
ランプを用いる光源装置にも適用できることは明らかで
ある。このように、本発明光源装置は上述の実施例に限
定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更が可能
であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明光源装置は上述のように、複数の光源の夫々の虚
像を同一の位置に形成して、その同一の位置に光源があ
るとみなして集光用光学系を設けているので、その集光
用光学系の設計の自田度が大きく、入射角を小さく維持
したまま集光効率を大きくすることができる利益がある
。

従って本発明光源装置によれば、単位面積当りの光量が
大きくかつ入射角の小さな光源が得られ、より微細な加
工が可能になると共に、ライトガイド等を用いて効率良
く加工用の光を伝送することができる利益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明光源装置の一例を示す構成図、第２図は
本発明の他の例を示す構成図、第３図及び第４図は従来
の課題の説明に供する線図である。（７Ａ）、　（７Ｂ）、　＜７Ｃ）、　（７０）　　は
夫々光源、（８＾）、　（８Ｂ）。（８Ｃ）、　（８０）は夫々凸レンズ、（９Ａ）、　（
９Ｂ）、　（９Ｃ）、　（９０）。（１３）は夫々虚像、（１２）、　（１５）　　は夫々
凸レンズ、（１４）、　（１６Ａ）、　（１６Ｂ）、　
（１６Ｃ）は夫々実像である。代　　理　　人伊　　■ 貞同松　　隈　　秀　　盛

Claims

【特許請求の範囲】

複数の光源の夫々の虚像を同一の位置に形成すると共に
、該同一の位置に光源があるとみなして集光用光学系を
設け、上記複数の光源の夫々の実像を所定の位置に重畳
して形成するようにしたことを特徴とする光源装置。