JPH04118608A - 半導体レーザー光を集光するためのレンズ系 - Google Patents
半導体レーザー光を集光するためのレンズ系Info
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- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
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- G02B19/009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with infrared radiation
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- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野コ
本発明は、半導体レーザー(以下、LDと称する)、と
くにワット級の高出力LDの出力を光フアイバ一端面や
ピンホールなどに集光するためのレンズ系に関するもの
である。
くにワット級の高出力LDの出力を光フアイバ一端面や
ピンホールなどに集光するためのレンズ系に関するもの
である。
[従来の技術]
最近、1w級のGaAlAs系高畠力LDが商品化され
始めている。これらの高出力LDの光学特性について第
2図を用いて説明する。LDIは通常は図示しないパッ
ケージに入った形で供給され、レーザー光は該パッケー
ジの射出窓15から射出される。以下最大出力IWのL
Dの場合の典型的な数値を示すと、発光領域の大きさは
LDの射8窓15の長手方向(以下、平行方向と称する
)でa=200μm、この射出窓15の長手方向と垂直
な方向(以下、垂直方向と称する)でb=1μmであり
、また遠視野像16の大きさ、即ちビーム拡がり角は、
FWH−M(半値全幅)で表すと平行方向でθ、、=1
0’、垂直方向でθ工=400程度である。ここで、垂
直方向は、射出窓15がb=1μmでほぼ点光源と見な
せるが、平行方向テは、a=200μmと拡がっている
上、空間的コヒーレントではなく、フィラメント的発光
に近いものとなっており、高出力LDの出力を小スポッ
トに絞る際の大きな障害となっている。
始めている。これらの高出力LDの光学特性について第
2図を用いて説明する。LDIは通常は図示しないパッ
ケージに入った形で供給され、レーザー光は該パッケー
ジの射出窓15から射出される。以下最大出力IWのL
Dの場合の典型的な数値を示すと、発光領域の大きさは
LDの射8窓15の長手方向(以下、平行方向と称する
)でa=200μm、この射出窓15の長手方向と垂直
な方向(以下、垂直方向と称する)でb=1μmであり
、また遠視野像16の大きさ、即ちビーム拡がり角は、
FWH−M(半値全幅)で表すと平行方向でθ、、=1
0’、垂直方向でθ工=400程度である。ここで、垂
直方向は、射出窓15がb=1μmでほぼ点光源と見な
せるが、平行方向テは、a=200μmと拡がっている
上、空間的コヒーレントではなく、フィラメント的発光
に近いものとなっており、高出力LDの出力を小スポッ
トに絞る際の大きな障害となっている。
高出力LDの集光用レンズ系としては、従来以下に説明
する2つの方式が知られている。
する2つの方式が知られている。
まずは、第1の方式を第3図を参照しつつ説明する。第
3図(a)は垂直方向のレンズ系断面図で、LDlの射
出窓15はコリメーションレンズ20とフォーカシング
レンズ22によって集光面7に投影される。第3図(b
)は、平行方向レンズ系断面図で、コリメーションレン
ズ20の焦点23でLDlの遠視野像16が像として結
像し、この像をさらに平行方向のみ収束作用をもつ円柱
レンズ21とフォーカシングレンズ22で集光面7に投
影している。
3図(a)は垂直方向のレンズ系断面図で、LDlの射
出窓15はコリメーションレンズ20とフォーカシング
レンズ22によって集光面7に投影される。第3図(b
)は、平行方向レンズ系断面図で、コリメーションレン
ズ20の焦点23でLDlの遠視野像16が像として結
像し、この像をさらに平行方向のみ収束作用をもつ円柱
レンズ21とフォーカシングレンズ22で集光面7に投
影している。
次1こ第2の方式を第4図を参照しつつ説明する。
第4図(a)は、垂直方向のレンズ系断面図で、LDI
の射出窓15は、上記第1の方式と同じくコリメーショ
ンレンズ25とフォーカシングレンズ27によって集光
面7に投影される。第4図(b)は、平行方向のレンズ
系断面図で、LDIの射出窓15は、垂直方向と同じく
コリメーションレンズ25とフォーカシングレンズ27
により集光面7に投影されるが、一対のプリズム26よ
り成るビームイクスバンダーが挿入されているため垂直
方向より投影倍率は低くなっている。
の射出窓15は、上記第1の方式と同じくコリメーショ
ンレンズ25とフォーカシングレンズ27によって集光
面7に投影される。第4図(b)は、平行方向のレンズ
系断面図で、LDIの射出窓15は、垂直方向と同じく
コリメーションレンズ25とフォーカシングレンズ27
により集光面7に投影されるが、一対のプリズム26よ
り成るビームイクスバンダーが挿入されているため垂直
方向より投影倍率は低くなっている。
[発明が解決しようとする課題]
まず、従来技術第1の方式の問題点を説明する。
ここでは、平行方向において集光面7にLDlの遠視野
像16を投影しているので、スポット8の平行方向の大
きさは遠視野像16の平行方向の大きさ、即ち平行方向
のビーム拡がり角θ7で決まる。しかし、このθ7は一
般に光a力を大きくしていくと拡がっていく性質を有し
、集光面7に光ファイバーの入射側端面をおいたり、ピ
ンホールをおいたりする構成をとった場合、LDIの光
出力を上げていくにつれて光ファイバー、あるいは、ピ
ンホールの透過率が下がっていくという問題がある。
像16を投影しているので、スポット8の平行方向の大
きさは遠視野像16の平行方向の大きさ、即ち平行方向
のビーム拡がり角θ7で決まる。しかし、このθ7は一
般に光a力を大きくしていくと拡がっていく性質を有し
、集光面7に光ファイバーの入射側端面をおいたり、ピ
ンホールをおいたりする構成をとった場合、LDIの光
出力を上げていくにつれて光ファイバー、あるいは、ピ
ンホールの透過率が下がっていくという問題がある。
ちなみに、第2の方式では、垂直方向、平行方向共に集
光面7にLDlの射出窓15を投影しており、端面2に
おける射出窓15の大きさは光出力を上げていってもほ
とんど変わらないことから、スポット8の大きさもほと
んど変化しない。
光面7にLDlの射出窓15を投影しており、端面2に
おける射出窓15の大きさは光出力を上げていってもほ
とんど変わらないことから、スポット8の大きさもほと
んど変化しない。
次に従来技術第2の方式の問題点を説明する。
例えば、集光面7に光ファイバーの端面あるいはピンホ
ールを置き、光ファイバーの出射端面あるいはピンホー
ルの後にさらにレンズ系を設置するといった応用をした
場合、集光面7における光束の開口数が小さければ光フ
ァイバーあるいはピンホールから射出する光束の開口数
も小さく、従ってそれらの後に設置するレンズ系の開口
数が小さくて済むなど集光面7における光束の開口数が
小さいということは有利な場合が多いが、第2の方式で
は、以下に述べる理由により集光面7における光束の開
口数が平行方向で太き(なっている。
ールを置き、光ファイバーの出射端面あるいはピンホー
ルの後にさらにレンズ系を設置するといった応用をした
場合、集光面7における光束の開口数が小さければ光フ
ァイバーあるいはピンホールから射出する光束の開口数
も小さく、従ってそれらの後に設置するレンズ系の開口
数が小さくて済むなど集光面7における光束の開口数が
小さいということは有利な場合が多いが、第2の方式で
は、以下に述べる理由により集光面7における光束の開
口数が平行方向で太き(なっている。
第5図はLDlの平行方向の断面図であるが、光軸AF
から外れた発光点Bからの光束の輪郭BC。
から外れた発光点Bからの光束の輪郭BC。
BGに関しては、光軸AF上の発光点Aからの光束の輪
郭をAD、AHとしたとき、BCとADおよびBGとA
Hが平行であり、Bからの光束の主光線は光軸AFと平
行なりEであると考えることができる。集光面7に集光
する光束のうち、軸上の発光点Aから発した光束の開口
数は、Aから射出する光束の開き角、4DAHとレンズ
系の投影倍率だけで決まるものであり、集光面7におけ
る全光束の開口数もこれ以下にすることはできないが、
主光!sBEを集光面7において光軸と平行にすること
、つまり、レンズ系を平行方向で望遠鏡光学系とするこ
とにより全光束の開口数を発光点Aからの光束の開口数
にまで小さくすることができる。
郭をAD、AHとしたとき、BCとADおよびBGとA
Hが平行であり、Bからの光束の主光線は光軸AFと平
行なりEであると考えることができる。集光面7に集光
する光束のうち、軸上の発光点Aから発した光束の開口
数は、Aから射出する光束の開き角、4DAHとレンズ
系の投影倍率だけで決まるものであり、集光面7におけ
る全光束の開口数もこれ以下にすることはできないが、
主光!sBEを集光面7において光軸と平行にすること
、つまり、レンズ系を平行方向で望遠鏡光学系とするこ
とにより全光束の開口数を発光点Aからの光束の開口数
にまで小さくすることができる。
逆にいえば、レンズ系が望遠鏡光学系でないということ
は集光面7における光束の開口数が無駄に大きくなって
いることになる。第2の方式において第4図(b)に示
す平行方向で望遠鏡光学系とするためにはコリメーショ
ンレンズ25とフォーカシングレンズ27を焦点が一致
するように配置する他ないが、通常これらのレンズは焦
点距離の短いレンズを使用しており、さらに、両レンズ
間にビームイクスパンダー26を挿入しなければならな
いので、その様な配置にすることが困難であり、集光面
7における光束の開口数が大きくなってしまう。以上、
平行方向についてのべたが、垂直方向については発光領
域が点光源と見なせるので主光線について考慮する必要
はない。
は集光面7における光束の開口数が無駄に大きくなって
いることになる。第2の方式において第4図(b)に示
す平行方向で望遠鏡光学系とするためにはコリメーショ
ンレンズ25とフォーカシングレンズ27を焦点が一致
するように配置する他ないが、通常これらのレンズは焦
点距離の短いレンズを使用しており、さらに、両レンズ
間にビームイクスパンダー26を挿入しなければならな
いので、その様な配置にすることが困難であり、集光面
7における光束の開口数が大きくなってしまう。以上、
平行方向についてのべたが、垂直方向については発光領
域が点光源と見なせるので主光線について考慮する必要
はない。
本発明は、上記欠点に鑑み案出されたもので、高出力L
Dの小スポットへの集光において、小さな開口数の光束
で集光することができるレンズ系を提供することを技術
課題とする。
Dの小スポットへの集光において、小さな開口数の光束
で集光することができるレンズ系を提供することを技術
課題とする。
[課題を解決するための手段]
本発明の半導体レーザー光を集光するためのレンズ系は
、半導体レーザーの射出窓と集光面との間に位置しレー
ザー光を集光するレンズ系において、該半導体レーザー
の射出窓の長手方向と平行な方向に関して前記射出窓と
前記集光面とが共役であるとともに、該方向に関して望
遠鏡光学系を構成し、射8瞳である遠視野像を無限遠に
形成していることを特徴とする。
、半導体レーザーの射出窓と集光面との間に位置しレー
ザー光を集光するレンズ系において、該半導体レーザー
の射出窓の長手方向と平行な方向に関して前記射出窓と
前記集光面とが共役であるとともに、該方向に関して望
遠鏡光学系を構成し、射8瞳である遠視野像を無限遠に
形成していることを特徴とする。
また、半導体レーザーの射出窓と集光面との間に位置し
レーザー光を集光するレンズ系において、半導体レーザ
ーの側から順次、収束作用を持つ第1レンズ、収束作用
を持つ第2レンズ、前記射出窓の長手方向と平行な方向
にのみ収束作用を持つ第3レンズと配置され、前記射8
窓の長手方向と平行な方向に関して前記射出窓を第1レ
ンズ、第2レンズ、第3レンズによって集光面に結像し
、かつ該方向に関して第2レンズによって第1レンズの
集光面側の焦点と、第3レンズの半導体レーザー側の焦
点とを共役としたことを特徴とする。
レーザー光を集光するレンズ系において、半導体レーザ
ーの側から順次、収束作用を持つ第1レンズ、収束作用
を持つ第2レンズ、前記射出窓の長手方向と平行な方向
にのみ収束作用を持つ第3レンズと配置され、前記射8
窓の長手方向と平行な方向に関して前記射出窓を第1レ
ンズ、第2レンズ、第3レンズによって集光面に結像し
、かつ該方向に関して第2レンズによって第1レンズの
集光面側の焦点と、第3レンズの半導体レーザー側の焦
点とを共役としたことを特徴とする。
また、前記第1レンズと第3レンズとの間に前記半導体
レーザーの射出窓の長手方向に垂直な方向にのみ発散作
用をもつ第4レンズを設け、該方向においても前記射出
窓と集光面とを共役としたことを特徴とする。
レーザーの射出窓の長手方向に垂直な方向にのみ発散作
用をもつ第4レンズを設け、該方向においても前記射出
窓と集光面とを共役としたことを特徴とする。
[実施例]
以下、本発明の実施例を第1図に基づいて説明する。
第1図(a)は垂直方向のレンズ系断面図であり、第1
図(b)は平行方向のレンズ系断面図である。
図(b)は平行方向のレンズ系断面図である。
1はLDであり、2はその端面を示す。LDIの射出窓
15から出射したレーザー光はコリメーションレンズ3
、凸レンズ4、円筒凹レンズ5、円筒凸レンズ6を通過
して集光面7のスポット8に集光する構成である。
15から出射したレーザー光はコリメーションレンズ3
、凸レンズ4、円筒凹レンズ5、円筒凸レンズ6を通過
して集光面7のスポット8に集光する構成である。
第1図(b)に示す平行方向においては、LDlの射出
窓15から出射したレーザー光がスポット8に収束する
とともに、レンズ4によりレンズ3の集光面7側の焦点
9とレンズ6のLDl側の焦点10とを共役としである
ので、レンズ系は平行方向で望遠鏡光学系となっている
。
窓15から出射したレーザー光がスポット8に収束する
とともに、レンズ4によりレンズ3の集光面7側の焦点
9とレンズ6のLDl側の焦点10とを共役としである
ので、レンズ系は平行方向で望遠鏡光学系となっている
。
なお、レンズ4は1つに限らず、複数であっても良い。
また第1図(a)に示す垂直方向においてはレンズ5の
発散作用により射8窓15と集光面7とが共役であり射
出窓15から出射した光はスポット8に収束する。ここ
で、射出窓15の投影倍率は平行方向よりも高く、LD
Iの垂直方向と平行方向でのビーム拡がり角の違いを補
正するものである。
発散作用により射8窓15と集光面7とが共役であり射
出窓15から出射した光はスポット8に収束する。ここ
で、射出窓15の投影倍率は平行方向よりも高く、LD
Iの垂直方向と平行方向でのビーム拡がり角の違いを補
正するものである。
以下に上記実施例の適用例について説明する。
第6図は本発明をスリットランプと組み合わせた経瞳孔
眼内光凝固装置として実施したものである。光凝固用光
源には波長的800nmのGaAlAs系高出力LD4
1を2個使用している。
眼内光凝固装置として実施したものである。光凝固用光
源には波長的800nmのGaAlAs系高出力LD4
1を2個使用している。
本発明が応用されているのは光学系40の部分で、まず
、この部分について説明する。2個のLD41の出力光
は各々大開口数のコリメーションレンズ42て集光、コ
リメートされ、半波長板43と偏光ビームコンバイナ4
4によって同じ光軸とされる。垂直方向(第6図では紙
面に平行な方向)においてはLD41の端面はコリメー
ションレンズ42、凸レンズ45、及び垂直方向のみ屈
折力を有する円筒凹レンズ46によってピンホル49に
投影され、一方、平行方向ではLD41の射出窓はコリ
メーションレンズ42、凸レンズ45、及び平行方向の
みに屈折力を有する円筒凸レンズ48によってピンホー
ル49に投影される。
、この部分について説明する。2個のLD41の出力光
は各々大開口数のコリメーションレンズ42て集光、コ
リメートされ、半波長板43と偏光ビームコンバイナ4
4によって同じ光軸とされる。垂直方向(第6図では紙
面に平行な方向)においてはLD41の端面はコリメー
ションレンズ42、凸レンズ45、及び垂直方向のみ屈
折力を有する円筒凹レンズ46によってピンホル49に
投影され、一方、平行方向ではLD41の射出窓はコリ
メーションレンズ42、凸レンズ45、及び平行方向の
みに屈折力を有する円筒凸レンズ48によってピンホー
ル49に投影される。
ここで、コリメーションレンズ42のピンホール49の
側の焦点と円筒凸レンズ48のLD41の側の側の焦点
は凸レンズ45によって共役となっているので、コリメ
ーションレンズ42から、円柱レンズ48までのレンズ
系は平行方向において望遠鏡光学系となっている。
側の焦点と円筒凸レンズ48のLD41の側の側の焦点
は凸レンズ45によって共役となっているので、コリメ
ーションレンズ42から、円柱レンズ48までのレンズ
系は平行方向において望遠鏡光学系となっている。
光凝固用光源が波長約800nmであり、視感度がほと
んどないことから、波長633nmのHe−Neレーザ
ー50が照準用光源として設置され、照準光はミラー5
1とフォーカシングレンズ52によって光ファイバー5
3に入る。光ファイバー53の出射側の端面54は、ダ
イクロイックミラー60に関してピンホール49の鏡像
位置におかれる。
んどないことから、波長633nmのHe−Neレーザ
ー50が照準用光源として設置され、照準光はミラー5
1とフォーカシングレンズ52によって光ファイバー5
3に入る。光ファイバー53の出射側の端面54は、ダ
イクロイックミラー60に関してピンホール49の鏡像
位置におかれる。
ダイクロイックミラー60によって同じ光軸とされた光
凝固用と照準用の両光束はコリメーションレンズ61、
コンペンセイタ62、バリエータ′63、コリメーショ
ンレンズ64から構成されるズーム系65を経て、波長
800nm反射、可視光50%反射のダイクロツクミラ
ー70によってスリットランプ顕微鏡72と同軸となり
、さらに顕微鏡72と共用する対物レンズ71によって
コンタクトレンズ73を装用した患者眼74の眼底に導
かれる。ここで、ピンホール49及び光フアイバ一端面
54は、顕微鏡72の物体面と共役であり、またピンホ
ール49と光ファイバー53のコアは同径としであるか
ら、術者は顕微鏡72を覗きながら患者眼74の眼底で
照準光がエツジのくっきりした円型になる、即ち、光フ
ァイバー53のコアが眼底に結像する様に光凝固装置と
患者眼74の位置関係を調節することにより光凝固用レ
ーザ光の分布もこの照準光と完全に重なりあうエツジの
くっきりした円であることを保証されるものである。ま
た、術者は図示しないカム等の機構でズーム系65を駆
動することによって、ピンホール49及び光フアイバ一
端面54と顕微鏡72の物体面を共役に保ちながら、即
ち、光分布がエツジの(つきすした円であることを保ち
ながら凝固サイズを連続的に変えることが可能である。
凝固用と照準用の両光束はコリメーションレンズ61、
コンペンセイタ62、バリエータ′63、コリメーショ
ンレンズ64から構成されるズーム系65を経て、波長
800nm反射、可視光50%反射のダイクロツクミラ
ー70によってスリットランプ顕微鏡72と同軸となり
、さらに顕微鏡72と共用する対物レンズ71によって
コンタクトレンズ73を装用した患者眼74の眼底に導
かれる。ここで、ピンホール49及び光フアイバ一端面
54は、顕微鏡72の物体面と共役であり、またピンホ
ール49と光ファイバー53のコアは同径としであるか
ら、術者は顕微鏡72を覗きながら患者眼74の眼底で
照準光がエツジのくっきりした円型になる、即ち、光フ
ァイバー53のコアが眼底に結像する様に光凝固装置と
患者眼74の位置関係を調節することにより光凝固用レ
ーザ光の分布もこの照準光と完全に重なりあうエツジの
くっきりした円であることを保証されるものである。ま
た、術者は図示しないカム等の機構でズーム系65を駆
動することによって、ピンホール49及び光フアイバ一
端面54と顕微鏡72の物体面を共役に保ちながら、即
ち、光分布がエツジの(つきすした円であることを保ち
ながら凝固サイズを連続的に変えることが可能である。
また、55と75は偏光フィルターで互いに透過偏光方
向を直交させて設置することにより、照準光の対物レン
ズ71の面における反射による迷光が術者の観察を妨げ
ないようにしである。また76は波長800nm吸収、
可視光透過の術者保護フィルタで光凝固用レーザー光の
患者眼74の眼底における反射光から術者を保護する。
向を直交させて設置することにより、照準光の対物レン
ズ71の面における反射による迷光が術者の観察を妨げ
ないようにしである。また76は波長800nm吸収、
可視光透過の術者保護フィルタで光凝固用レーザー光の
患者眼74の眼底における反射光から術者を保護する。
80は、スリットランプ照明系で、照明光は、レーザー
光の光路を妨げないように上下分割されたミラー81で
患者眼74に導かれる。
光の光路を妨げないように上下分割されたミラー81で
患者眼74に導かれる。
本適用例によればピンホール49から射出する光凝固用
レーザー光の開口数を小さくできるので、ズーム系65
の開口数が小さくて済み、ひいては、患者眼74に集光
する開口数を小さくでき、患者眼74の虹彩に光凝固用
レーザー光が当たる危険の少ない光凝固装置を提供でき
る。
レーザー光の開口数を小さくできるので、ズーム系65
の開口数が小さくて済み、ひいては、患者眼74に集光
する開口数を小さくでき、患者眼74の虹彩に光凝固用
レーザー光が当たる危険の少ない光凝固装置を提供でき
る。
[発明の効果]
本発明によれば、高出力LDの小スポットへの集光にお
いて、従来の技術より小さな開口数の光束で集光するこ
とができる。
いて、従来の技術より小さな開口数の光束で集光するこ
とができる。
第1図は本実施例のレンズ系を示す図である。
第2図はLDの光学特性を説明する図である。第3図は
従来技術の第1の方法を示すレンズ系の図である。第4
図は従来技術の第2の方法を示すレンズ系の図である。 第5図は半導体レーザーによるレーザー光の出射の様子
を表す図である。第6図は本実施例の適用例を示す図で
ある。 1・・・半導体レーザー 2・・・端面 3・・・コリメーションレンズ 4・・・凸レンズ 5・・・円筒凹レンズ 6・・・円筒凸レンズ 7・・・集光面 8・・・スポット 9.10・・・焦点
従来技術の第1の方法を示すレンズ系の図である。第4
図は従来技術の第2の方法を示すレンズ系の図である。 第5図は半導体レーザーによるレーザー光の出射の様子
を表す図である。第6図は本実施例の適用例を示す図で
ある。 1・・・半導体レーザー 2・・・端面 3・・・コリメーションレンズ 4・・・凸レンズ 5・・・円筒凹レンズ 6・・・円筒凸レンズ 7・・・集光面 8・・・スポット 9.10・・・焦点
Claims (3)
- (1)半導体レーザーの射出窓と集光面との間に位置し
レーザー光を集光するレンズ系において、該半導体レー
ザーの射出窓の長手方向と平行な方向に関して前記射出
窓と前記集光面とが共役であるとともに、該方向に関し
て望遠鏡光学系を構成していることを特徴とする半導体
レーザー光を集光するためのレンズ系。 - (2)半導体レーザーの射出窓と集光面との間に位置し
レーザー光を集光するレンズ系において、半導体レーザ
ーの側から順次、収束作用を持つ第1レンズ、収束作用
を持つ第2レンズ、前記射出窓の長手方向と平行な方向
にのみ収束作用を持つ第3レンズと配置され、前記射出
窓の長手方向と平行な方向に関して前記射出窓を第1レ
ンズ、かつ該方向に関して第2レンズによって第1レン
ズの集光面側の焦点と、第3レンズの半導体レーザー側
の焦点とを共役としたことを特徴とする半導体レーザー
光を集光するためのレンズ系。 - (3)前記第1レンズと第3レンズとの間に前記半導体
レーザーの射出窓の長手方向に垂直な方向にのみ発散作
用をもつ第4レンズを設け、該方向においても前記射出
窓と集光面とを共役としたことを特徴とする請求項2記
載の半導体レーザー光を集光するためのレンズ系。
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