JPH0239020A

JPH0239020A - 光源装置

Info

Publication number: JPH0239020A
Application number: JP63189477A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yamashiki; 山敷　裕; Yujiro Ito; 雄二郎伊藤
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
のレーザー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
のレーザー光源に使用して好適な光＃装置であって、線
状光源と、この線状光源を幅方向に所定倍率で拡大又は
縮少する第１の一方向収束性光学系と、その線状光源を
長手方向にその所定倍率よりも小さな倍率で拡大又は縮
少する第２の一方向収束性光学系とよりなる副光学系を
複数組その線状光源の幅方向に放射状に配列し、この放
射状の配列の中心位置にそれら複数組の副光学系の夫々
の線状光源の実像を重畳して形成するようにしたことに
より、複数の線状光源から放射される光をほぼ同じ位置
に重畳して集束して各線状光源から放射される光の利用
効率を高くできると共に、全体としての光の入射角を許
容値以内に制限してその重畳された線状光源からの光を
光ファイバー等で効率良く伝送できるようにしたもので
ある。

〔従来の技術〕

外科手術においてはレーザーメスが使用されている。レ
ーザーメス用のレーザー光源としては、従来より出力が
３０Ｗ〜６０Ｗの気体レーザーや固体レーザーが使用さ
れているが、これらの気体レーザーや固体レーザーは形
状が大きく高価であり、更に、冷却装置や高電圧電源が
必要となり扱いにくい不都合があった。

これに対して、半導体レーザーは小型である上に低電圧
動作が可能であり扱い易いという特長を存するが、出力
がｌＷ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
重畳して集束する必要がある。この場合、例えば波長が
８００ｒｖ＋近傍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色部に効率
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可能性のあるレー
ザーメスもある。

半導体レーザーにおいては一般に第６図に示す如く、Ｐ
Ｎ接合を有する多層構造のレーザダイオードｆｉｌの接
合部（２）から光が外部に放射される。この接合部（２
）は例えば長さ１８０μ、Ｘ幅６μ端の長方形であり、
線状光源と考えることができる。

そして、放射される光の発散角は回折効果によって定ま
るので、その線状光源（２）の長手方向（Ｘ方向）の放
射角をβ１、幅方向（Ｙ方向）の放射角をβ２とすると
、一般に β、〉　β、　　　　　　　　　・・・・・・ｆｌ）が
成立する。具体的には、β１＝１２”、β２＝２０°程
度である。従って、レーザダイオード（１）より放射さ
れる光の断面形状はその光軸（１ａ）を中心として楕円
形状となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

レーザーメスにおいて作業性を向上するためには、レー
ザー光を光ファイバーで伝送して使用できることが好ま
しい。ところで、光ファイバーは第７図に示す如く、屈
折率が比較的大きなコア（４）を存し、このコア（４）
で光を伝送するものである。

第７図において、（３）は光ファイバーを全体として示
す。この場合、光ファイバー（３）の一端（３ａ）に入
射する入射光線乙の入射角θが許容入射角αを超えると
、その入射光線りは光ファイバー（３）中で大きく減衰
しその光ファイバー（３）の他端からはほとんど出射さ
れない、従って、光ファイバー（３）を用いて効率良く
レーザー光を伝送するには、入射する光線を直径ｄ以下
の円よりも小さく集束する必要があり、また、光ファイ
バー（３）に入射する光線は光ファイバー（３）の光軸
（３，１’）を中心とする頂角が２αの円錐の中に収ま
っている必要がある。例えばレーザーメスに使用される
光ファイバーの例では、コア径ｄは約２５０μ糟、許容
入射角αは約１５°（Ｎ、Ａ、は約０．２５）である。

従って、第６図に示すような放射パターンの線状光源（
２）を複数用意して、これら複数の光束を第７図に示す
ような光ファイバー（３）で効率良く伝送するには、個
々の線状光源（２）からの光束の入射角θを少なくとも
Ｘ方向又はＹ方向において許容値のαのＡ以下に変換す
る必要がある。この場合、第６図よりβ２〉β１である
ため、少なくともＹ方向の入射角θをα／２、すなちわ
７．５°に変換する必要があるが、このような作用を有
する光学系によれば像の倍率は約５ｉｎ２０’　／　５
ｉｎ７．５゜倍、即ち、２．５倍となる。しかしながら
、軸対称光学系を使用したのでは線状光源（２）はＸ方
向にも約２．５倍に拡大されてしまい、そのＸ方向の像
の長さは約４５０μ涌となり、光ファイバー（３）のコ
ア（４）の直径から大きくはみ出してしまうので、線状
光＃ｆ２）より放射された光の利用効率が低下する不都
合がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目
的とする所は、複数の線状光源からの光を所定位置に重
畳して集束する光源装置において、線状光源の特質を活
かして全体としての入射角を許容値以内に制限でき、か
つ、線状光源より放射された光の利用効率が良い光源装
置を提案することにある。

〔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３図に示す如く、線状
光−ａ（１２Ａ）ト、コノ線状光ｆｉ（１２Ａ）　ヲＩ
Ｍ方向（Ｙ方向）に所定倍率で拡大又は縮少する第■の
一方向収束性光学系（１４＾）と、その線状光源（１２
Ａ）を長手方向（Ｘ方向）にその所定倍率よりも小さな
倍率で拡大又は縮少する第２の一方向収束性光学系（１
５Ａ）と、よりなる副光学系を複数組（ＩＩＡ）〜（Ｉ
ＩＦ）、その線状光源（１２Ａ）の幅方向に放射状に配
列し、この放射状の配列の中心位置Ｐにその複数組の副
光学系（ＩＩＡ）〜（ＩＩＦ）の夫々の線状光源（１２
Ａ）〜（１２Ｆ）の実像（１８）を重畳して形成するよ
うにしたものである。

〔作　用〕

本発明光源装置の原理を第１図及び第２図を参照して説
明する。

第１図は本発明光源装置の副光学系（第３図の（ＩＩＡ
）等）を示し、この第１図において、（２）は線状光源
、（３）は光ファイバー、（５）は線状光源（２）と光
ファイバー（５）とを結ぶ光軸である。そして、線状光
源（２）より距Ｒ１＋及び１２の光軸（５）上に夫々第
１の一方向収束性光学系としての焦点距離ｆ１の円柱型
レンズ（６）及び第２の一方向収束性光学系としての焦
点距離ｆ２の円柱型レンズ（７）を配設する。

これらレンズ＋６１．　＋７１の焦点距離は円柱型レン
ズ（７）より距離７！３の所に線状光源（２）の実像（
中間像）（９）が形成される如く決定する。従って、次
の関係式が成立する。

１／　１１＋　１／（１ｚ”Ｎｉ　　ｊ！＋）”　Ｉ／
ｆ＋　・・・（２］１　／　ｉ’　ｚ　＋　１　／　１
３　　　　　　　＝　１　／　ｒ　ｚ　−＋３１次に、
円柱型レンズ（６）の横倍率（Ｘ方向の横倍率）を−Ｂ
ｔ、円柱型レンズ（７）の横倍率（Ｘ方向の横倍率）を
−Ｂ＋　とすると、Ｂ＋＝Ｒｓ／ｌｔ　　　　　　　　　　　　・・・（４
）ＢＺ　＝　＜１ｔ　＋／、　−１１１＃ｌ　　　　　
・・・（５）が成立する。この場合、１、＜１１　、　　Ｏ＜Ａｘ　　　　　　　　　・・・
（６）の条件を課すと、式ｆ４１．　（５１よりＢｌ　
＜３．　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（７）
が成立し、Ｘ方向の倍率Ｂ２はＸ方向の倍率Ｂ１よりも
常に大きくなる。具体的に線状光源（２）の形状を６＃
ｍＸ１８０．ｃｒｍとして、ｌ　＋　＝　Ｉ３．３４ｗ
５＊、ｒ　＋　＝９．２Ｎ−１１ｚ　＝　１１１１１１
．　　ｒＺ　”　ＩＯ，４７ｍ、６ｊ＝２５１とすると
、Ｂｌ＝１．３９、Ｂ！＝２．２２となり、中間像（９
）の形状は１３．３μ−×２５０μ削となる。

第１図例では中間像（９）より距＠１．の所に焦点距離
ｆ４の軸対称レンズ（８）を設け、このレンズ（８）よ
り距離ｅｓの所にその中間像（９）の実像（入力像）（
１０）を形成する。そして、その入力像（１０）の形成
される位置に光ファイバー（３）を配設する。焦点距離
ｆ４を１４／２に設定することによりＩｔ、＝１゜とな
り、人力像（１０）の大きさは中間像（９）の大きさと
等しくなる。

第２図は第１図例の線状光源（２）から放射される光線
の軌跡を示し、線状光源（２）の放射パターンは第６図
例と同じであると仮定する（β１−１２゜β２＝２０°
）、このとき、Ｘ方向の横倍率ｒ−Ｂ、Ｊ並びにＸ方向
の拡散角「β１」及び入射角「Δθ１」の間には正弦条
件より近似的に次の関係が成立する。

ｓｉｎβ＋　＝Ｂ＋　ｓｉｎΔθＩ　　　　　　　　−
・−・・（８１同様に、Ｘ方向の横倍率「−Ｂ！」並び
にＸ方向の拡散角「β２Ｊ及び入射角「Δθ２」の間に
は近似的にｓｉｎβｚ＝ＢｚｓｉｎΔθｘ　　　　　　　−−（９
１の関係が成立する。従って、第２図例の場合は弐＋８
１．　（９１より ΔθＩ　＃　Δθ２＃　９゜となる。このことは、Ｘ方向とＸ方向とで横倍率の異な
る光学系を用いることによって、Ｘ方向とＸ方向との入
射角が任意に独立に調整可能であることを意味する。

本発明では例えば第３図に示す如く、副光学系（ＩＩＡ
）〜（ＩＩＦ）の夫々の線状光［（１２Ａ）〜（１２Ｆ
）を幅方向（Ｘ方向）に長手方向（Ｘ方向）よりも高い
倍率で拡大又は縮少する。従って、Ｘ方向の個々の副光
学系の入射角を小さくできるので、Ｘ方向に副光学系を
多く並べてもＸ方向の光源装置全体としての入射角θ２
は許容値以下に収めることができる。さらに、線状光源
をＸ方向に大きな倍率で拡大しても、その像のＸ方向の
大きさはＸ方向の像の大きさと同程度以下に保つことが
でき、個々の線状光源からの光を光ファイバー等に効率
良く人力することができる。

〔実施例〕

以下、本発明光源装置の一例を第３図及び第４図を参照
して説明しよう。

第３図において（ＩＩＡ）〜（ＩＩＦ）は夫々副光学系
を示し、副光学系（ＩＩＡ）は線状光源（１２Ａ）　、
線状光源（１２Ａ）の幅方向（Ｙ方向）に有効な焦点距
離ｒ、の円柱型レンズ（１４Ａ）　、線状光源（１２Ａ
）の長手方向（Ｘ方向）に有効な焦点距離ｆ、の円柱型
レンズ（＋５＾）及び焦点距離ｆ４の軸対称レンズの一
部（１６Ａ）より成る。線状光源（１２Ａ）は第６図に
示したレーザダイオードｆｉ＋の接合部（２）と同じ光
源であり、その発光部の形状は１８０μＩｌ　（Ｘ方向
）×６μｍ　　（Ｙ方向）である、また、他の副光学系
（１１Ｂ）〜（ＩＩＦ）　も副光学系ＣＩＩＡ）　と同
一に構成し、これら副光学系（ＩＩＡ）〜（ＩＩＦ）の
夫々の光軸（１３Ａ）〜（１３Ｆ）は同一の位置Ｐで交
差する如くなすと共に、夫々の光軸（１３Ａ）〜（１３
Ｆ）は線状光源（１２Ａ）の幅方向（Ｙ方向）に扇形に
一定の角度間隔２Δθ工で展開させる。

第４図は第３図例中の副光°学系（１１＾）の構成を示
し、この第４図において、線状光源（１２Ａ）と円柱型
レンズ（１４Ａ）及び円柱型レンズ（１５＾）との距離
を夫々１２．．１！、円柱型レンズ（１５Ａ）と軸対称
レンズの一部（１６Ａ）との距離を１．＋１．、軸対称
レンズの一部（１６Ａ）と光軸の交差点Ｐまでの距離を
歪、とする。そして、距Ｎ１１．１ｚ、１ｘは第１図例
と同様に式ｆ２１．　＋３）の関係を充足させる。従っ
て、円柱型レンズ（１５Ａ）より距離１３の所に線状光
Ｂ　（１２Ａ）の中間像（１７＾）が形成される。本例
においては、１１−４璽＊、　　１！２　＝　１８ｍｍ
、　　１□＝２　５ｉｉ、　　　ｆ　　＋　　　＝３．
６　３　　賞１　　　ｆｔ　　＝１０．４７　　ｔｍ　
に設定し、Ｘ方向の横倍率を−Ｂ、、Ｙ方向の横倍率を
−Ｂ　ｚとすると、式＋４１．　＋５１よりＢ１−１．
３９．Ｂ、＝９．７５となる、従って、中間像（１７Ａ）の形状は２５０μｍ
Ｘ　５８．５μ翔となる。また、Ｘ方向の入射角Δθ及
びＹ方向の入射角Δθ２は式（８１，＋９１よりΔθ、
＝９．４°　、　Δθｚ　　−２，Ｉ。

となる。

また、第４図において、１４＝ｊ！５＝６０１１、ｒ４
＝−３ｏｎに設定すると、中間像（１７＾）の軸対称レ
ンズの一部（１６Ａ）による実像（入力像）（１８Ａ）
の横倍率は−１となり、入力像（１８Ａ）の形状は中間
像（１７Ａ）と同しである。更に、Ｙ方向の入射角Δθ
、は２．ｌｏであるため、軸対称レンズの一部（１６＾
）の幅Ｗは、約２Ｘ６０ｔａｎ２．１’即ち、約４、４
　ｍｍあればよい。そして、Ｘ方向の入射角Δθ８（９
，４°）に対応する直径は約２０１１であるため、軸対
称レンズの一部（１６＾）は焦点路Ａ１ｒ、で直径が２
ｏｎ程度の軸対称レンズ（８）の光軸を含む輻Ｗが約４
ｕ＋の部分を切欠いたものを使用することができる。こ
のような軸対称レンズの一部（１６＾）を使用してもＹ
方向の入射角Δθ２が小さいので、線状光源（１２Ａ）
より放射する光はほとんど全て入力像（１８）に集束す
る。

他の副光学系（ＩＩＢ）〜（ＩＩＦ）も第４図に示す副
光学系（ＩＩＡ）と同様に構成されている。従って、本
例の光源装置全体としてのＹ方向の入射角θ２は、１個
の副光学系のＹ方向の入射角Δθ２が２．１°であるた
め、第３図より θ２丑２ΔθｚＸ６／２＝１２．６゜となる、更に、光源装置全体としてのＸ方向の入射角θ
、は、１個の副光学系のＸ方向の入射角Δθ１と同じで
あり、θ、＝９．４°が成立する。

また、第３図において、入力像（１８）は６個の副光学
系（ＩＩＡ）〜（ＩＩＦ）の夫々の入力像（１８Ａ）〜
（１８Ｆ）を重畳したものであり、本例ではこの入力像
（１８）が形成された位Ｈｐに楕円ファイバー（１つ）
の一端を配設する。この楕円ファイバー（１９）のコア
は長径ｄ１が２５０．ｃａｍ、短径ｄ２が１４０．ｃａ
ｍであり、この長径ｄ１が人力像（１８）の長手方向と
同一方向になるように楕円ファイバー（１９）の位置決
めを行なう。入力像（１８）の大きさは２５０μ鋼×５
８．５μｍであるため、この入力像の光は全て楕円ファ
イバー（１９）に人力される。更に、Ｘ方向及びＹ方向
の入射角は許容入射角である１５°以下であるため、楕
円ファイバー（Ｉ９）に入力された光は全て効率良く伝
送される。

本例においては、楕円ファイバー（１９）の他に、同し
仕様の楕円ファイバー（２０）　、　（２１）を設け、
これら３本の楕円ファイバー（１９）　、　（２０）　
、　（２１）をまとめて直径りが３６０μ預のファイバ
ー束（２２）を形成する。そして、図示省略するも、楕
円ファイバー　（２０）　、　（２１）にも夫々楕円フ
ァイバー（１９）用に設けた光学系と同し構成の光学系
を夫々設ける。従って、ファイバー束（２２）の他端か
らは１８（＝３×６）個分の線状光源からの光が重畳さ
れて放射される０例えば、１個の線状光源（１２Ａ）等
の光出力をＩＷとすれば、ファイバー束（２２）の他端
からは減衰を無視すれば約１８Ｗの光が放射される６本
例においては、夫々の副光学系（ＩＩＡ）〜（ＩＩＦ）
において先ず中間像（１７Ａ）〜（１７Ｆ）を形成した
後に、軸対称レンズの一部（１６＾）〜（１６Ｆ）を用
いてそれら中間像の夫々の実像を同一の位置Ｐに重畳し
て形成している。従って、光学系の設計の自由度が増し
ている。

次に、本発明光＃装置の他の例を第５図を参照して説明
する。この第５図の光源装置は主に副光学系（２３Ａ）
〜（２３Ｆ）より構成する。そして、副光学系（２３Ａ
）は線状光源（１２Ａ）　、この線状光源（１２Ａ）の
幅方向（Ｙ方向）に有効な焦点路Ｈｒ　＋の円柱型レン
ズ（２４Ａ）及び線状光ｆＡ（１２Ａ）の長手方向（Ｘ
方向）に有効な焦点路ＫＡ　ｒ　ｚの円柱型レンズ（２
５）より構成し、他の副光学系（２３Ｂ）〜（２３Ｆ）
も同様に構成する。これら副光学系（２３Ａ）〜（２３
Ｆ）の夫々の光軸（１３Ａ）〜（１３Ｆ）は同一の位ｚ
Ｒで交差する。

副光学系（２３Ａ）において、光軸（１３＾）上で線状
光源（１２Ａ）と円柱型レンズ（２４Ａ）及び円柱型レ
ンズ（２５）との距離は夫々ｌＩ及びＩ！２に、また、
円柱型レンズ（２５）と位置Ｒとの距離はｌ、に設定す
る。これら１．．１．．１．は式＋２１．　（３１の関
係を充足する如く設定する。具体的には、１＋　＝１３
．６４　鰭、ｚｚ＝７ｏ璽薦、Ｎ５−９５璽−１ｆｌ＝
１３．６４璽婁、ｒ、＝４０．３ｍに設定し、Ｘ方向の
横倍率を−ＢいＹ方向の横倍率を−Ｂ、とすると、式（
４１，（５１よりＢ、　＝１．３６．　　Ｂｔ　＝Ｉ　
０と表わすことができる。従って、線状光源（１２＾）
の仕様を第３図例と同一とすると、中間像（２６Ａ）の
形状は２４４μｍ　　（Ｘ方向）×６０μｍ　（Ｙ方向
）となる。更に、式（８１，［９１よりＸ方向の入射角
Δθ１及びΔθ２は夫々 Δθ、＝８．８°、Δθ、＝２．Ｏ。

となる。

第５図例においては、他の副光学系（２３Ｂ）〜（２３
Ｆ）による中間像（２６Ｂ）〜（２６Ｆ）　（図示省略
）も位ｆｉＲに重畳して形成される。そして、この位置
Ｒに集束された光を伝送する楕円ファイバー（１９）を
配設している。従って、本例の中間像（２６Ａ）〜（２
６Ｆ）はそのまま人力像ともなっている。また、本例の
光学装置全体としてのＸ方向の入射角θ１（＝Δθ１）
及びＹ方向の入射角θＫ　（＝６Δθｆ）は楕円ファイ
バー（１９）の許容入射角である１５°よりも小さく、
楕円ファイバー（１９）の一端に入力される像の形状は
楕円ファイバー（１９）のコアの中にほぼ収まる形状と
なっている。従って、各線状光源（１２Ａ）〜（１２Ｆ
）から放射される光はほぼ１００％楕円ファイバー（１
９）に入力されると共に、入力された光は途中で失われ
ることなく伝送される。

また、本例においては、各副光学系（２３Ａ）〜（２３
Ｆ）中の線状光源の長手方向（Ｘ方向）に有効な円柱型
レンズ（２５）が共通化されているので、部品点数が大
幅に削減される。更に、本例は中間像をそのまま楕円フ
ァイバー（１９）への入力像としていることからも、中
間像を入力像に変換する光学系が不要とされている。従
って、光源装置の製造コストが低減化されるＩＩＩ益が
ある。

上述実施例においては、線状光源としては半導体レーザ
ーを使用したが、本例はこれに限定されず、線状光源と
して固体レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）やタング
ステンランプなどを使用する光源装置にも同様に適用さ
れる。尚、本発明光源装置はレーザーメスの他にもレー
ザー溶接装置やＩＣのパターン修正装置にも適用できる
ことは明らかである。尚、本発明は上述実施例に限定さ
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、複数の副光学系中の夫々の線状光源
を幅方向に比較的大きな倍率で拡大又は縮少するように
して幅方向の入射角を小さくして、それら副光学系を線
状光源の幅方向に放射状に配列するようにしているので
、光源装置全体としての光の入射角を小さくすることが
でき、集束した光を光ファイバー等で効率良く伝送でき
る利益がある。

更に、線状光源を幅方向に大きく拡大しても、その像の
幅方向の長さは長手方向の長さと同程度以下に設定でき
、集束した線状光源の像の形状を例えば光ファイバーの
入力端のコアの断面形状程度に設定できるので、各線状
光源から放射される光の利用効率が高い利益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る副光学系の構成図、第２図は第１
図例の光線の軌跡を示す線図、第３図は本発明光源装置
の一例を示す斜視図、第４図は第３図例中の一す光学系
（ＩＩＡ）の構成を示す線図、第５図は本発明光源袋で
の他の例を示す斜視図、第６図は半導体レーザーの放射
パターンを示す線図、第７図ば光ファイバーを示す線図
である。（１１４）〜（ＩＩＦ）は夫々ＤＪ光学系、（１２Ａ）
〜（１２Ｆ）は夫々線状光源、（１４Ａ）〜（１４Ｆ）
及び（１５Ａ）〜（１５Ｆ）は夫々円柱型レンズ、（１
８）は入力像、（１９）は楕円ファイバーである。

Claims

【特許請求の範囲】線状光源と、該線状光源を幅方向に所定倍率で拡大又は
縮少する第１の一方向収束性光学系と、上記線状光源を
長手方向に上記所定倍率よりも小さな倍率で拡大又は縮
少する第２の一方向収束性光学系とよりなる副光学系を
複数組上記線状光源の幅方向に放射状に配列し、該放射状の配列の中心位置に上記複数組の副光学系の夫
々の線状光源の実像を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。