JPH04215609A - 発散入射放射線をコリメートしかつレクチファイするための単一光学系要素 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学系に関し，さらに詳
細にはコリメートしかつビーム形状を形成する要素に関
する。本発明の要素はとくにレーザダイオードに使用す
るのに適している。

【０００２】

【従来の技術】レーザダイオードは今日の種々の用途に
対する好ましい光源となった。これらの用途の多くはコ
リメーションおよびレクチフィケーションを必要とする
。ここで用いたコリメーションとは，発散放射線を平行
ビームに変換することを意味し，該平行ビームは次に離
れた位置において種々の光学系（たとえばスキャナおよ
びコンパクトディスクプレーヤ）において実質的に新た
な形状に形成することができる。ここで用いたレクチフ
ィケーションとは，パワーの点からビームを対称形にす
るための円形化を意味する。レーザダイオードは典型的
には楕円形の放射パターンを有し，すなわちダイオード
接合に平行な面および直角な面において異なる発散を有
する。アナモルフィック光学系はこれまで円筒形レンズ
または屈折プリズムによってレクチフィケーションを行
ってきた。さらにダイオード光源の自然の非点収差（ア
スティグマティズム）は補正を必要とする。これは弱い
円筒レンズによって行うことができる。

【０００３】もし通常の設計および製造方法が用いられ
るならば，上記の基準のすべてを満足するためには多元
要素の光学系を必要とし，該光学系はサイズ，重量，コ
スト，および組立の難しさを増大させる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は，上記の問題
点を，コリメーション特性とおよびレクチフィケーショ
ン特性との両方を単一光学系要素内に組み合わせること
によって解決する。

【０００５】

【発明を解決するための手段】コリメーションは入射発
散放射線に対面する大きな光学パワー（倍率）を有する
面のみによって達成される。レクチフィケーションは第
１の面に対して傾けられた光学系の他の面を有すること
によって行われる。傾斜面は平面であってもまたは弱い
円筒面であってもよい。「弱い」という用語は，光学系
要素の第２の傾斜面によって与えられる光学パワーが光
学系要素の他の面のパワーに比較して小さいということ
を意味する。

【０００６】

【実施例】図１に示した好ましい実施例にかかる光学要
素において，ダイオード１０に対面する第１の面２０は
カーテシアン（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ）面によって規定さ
れ，該カーテシアン面は空気−ガラス境界面の場合断面
が双曲線である。しかしながら光源の非点収差を補正す
るために，その断面は２つの直交主軸方向において異な
るであろう（二重双曲線回転面を示す）。これはバレル
（樽）面の一セクションとみなすことができ，この場合
に円周方向リング材と軸方向縦材とは双曲線断面を有す
るがそれらの頂点半径は僅かに異なっている。フロント
フォーカスおよび屈折率を適切に規定したこのような面
は，もし光源が軸上に置かれれば曲面収差および非点収
差を除去する。

【０００７】第２の面３０は第１の面２０により形成さ
れる光軸４０に対し角度θに置かれた平面である。この
角度は適切な軸内にビームを収束させるところのもので
ある。方向はいまコリメートされたビームの楕円軸によ
って特定される。

【０００８】本発明の実施例に係る光学要素においては
，楕円率（長軸の短軸に対する比）が３対１でかつ非点
収差が５ミクロンの出力ビームを有する７８０ｎｍのレ
ーザダイオードを用いてコリメートされた円形ビームを
提供するものとする。

【０００９】まず第１に，開口数と好ましいガラスとの
選択が行われる。たとえば，開口数として０．３５が選
択されまたガラスとしては７８０ｎｍにおいて１．７５
０の屈折率（Ｎ）を有するもの（低分散のものが好まし
い）が選択される。必要とされるビームの直径が５ｍｍ
の場合，入射ビームの寸法を受け入れるために第１の面
のクリヤ開口（ＣＡ）は１５ｍｍでなければならない。 ビームはガラス内でコリメートされるのでフロントフォ
ーカス（ＦＦ）は焦点距離（ＦＬ）である。カーテシア
ン双曲面に対しては，円錐定数（Ｋ）は屈折率の２乗の
マイナスの値でなければならない（Ｋ＝−Ｎ２）。した
がって、レンズは曲面収差に対して補正される。しかし
ながら，同じ目的のために一般的な非球面を使用するこ
とができる。頂点半径（ＶＲ）はフロントフォーカスと
屈折率から１を引いた値との積である（ＶＲ＝ＦＦ＊（
Ｎ−１））。非点収差光源の場合，数式１に示すように
２つのこのような定義が得られる：

【００１０】

【数１】

【００１１】ここでΔＦは焦点距離と同じ単位で示した
光源の非点収差である。もし光軸がＸ軸，楕円率の長軸
がＹ軸方向，短軸がＺ軸方向と定義されかつ光源が非曲
面の頂点にあるとするならば，この面は次に示すように
数式２および数式３で定義される： Ｘ−Ｙ平面断面

【００１２】

【数２】

【００１３】 Ｘ−Ｚ平面断面

【００１４】

【数３】

【００１５】全面はＸ−Ｚ平面（Ｘ−Ｙ平面に直角に維
持）内の断面を回転することによって形成され，したが
ってそれはＸ−Ｙ平面内の曲面の法線方向に沿っている
。

【００１６】第２の面は平面として定義されＸ−Ｙ平面
内で光軸に対し各シータ（θ）に傾けられている。この
角は数式４で計算できる：

【００１７】

【数４】

【００１８】ここでＲは圧縮比およびＮは屈折率である
。Ｒ＝３およびＮ＝１．７５０に対してはθ＝５６．７
２°となり，該θは３３．２８°の入射角を与え，この
角は内側への全反射の臨界角（ＩＣ＝３４．８５°）よ
り小さい。

【００１９】中心厚さの選択は任意であることは合理的
であり，この選択は寸法（高い側）およびエッジ厚さ（
低い側）により制限される。この場合ＣＴとして３．０
０ｍｍが選ばれた。フロントフォーカスとおよびクリヤ
開口におけるサグ（ｓａｇ）との組合せは数式５および
数式６から既知である：

【００２０】

【数５】

【００２１】（この場合空気に対してはｎ＝１；θ′は
光源における半分の角である）

【００２２】

【数６】

【００２３】ここでＳＧは上記からサグ（ＸＣＡ）であ
る。ＳＧおよびＦＦの両方は頂点半径の関数である。Ｆ
Ｆ＝ＶＲ／（Ｎ−１）これはニュートンの反復法で解く
ことができる。次にＦＦ＝１８．２６６ｍｍ；ＳＧ＝１
．８０７ｍｍおよびＶＲ＝１３．７０ｍｍが得られる。 Ｋ＝−３．０６２５は必要とされる円錐定数である。

【００２４】これらの２つの面の心合せは成形を行うツ
ーリング（成形型）内で行うことができる。中心厚さま
たはウェッジ（角エラー）における僅かなエラーは形成
される波面の品質へ実際的に影響を与えないということ
はとくに興味がある。ダイオードのレンズに対する心合
せは唯一の重要な要因である。エネルギー効率を高める
ために最終製品に反射防止コーティングを塗布してもよ
い。

【００２５】図３は本発明の第２の例示実施態様を示す
。第１の例示実施態様に示した回転面の第１の面を有す
ることに対する代替方法は，要素の第１の面５０として
球面を有しかつ非点収差を除くために要素の第２の面６
０にきわめて弱い円筒パワーを与えることである。しか
しながらこの場合傾斜面は光学パワーを有するので，た
とえばコマのようなその他のフィールド収差を導入する
ことがあり，したがって光学系の全体性能をやや低下さ
せる。

【００２６】ダイオードパッケージ内に組み込まれたウ
インドウ（窓）に対してレンズユニットを補償させても
よくまたは代替方法としてレンズ要素がレーザダイオー
ドウインドウを置き換えてもよく，この場合にはレンズ
要素とダイオードとの組合せパッケージ内にアサーマラ
イゼーション（ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）（断
熱化）が達成できる。

【００２７】本発明による光学系要素の構成にガラスま
たはプラスチックのいずれもが使用可能であることは当
業者には当然既知である。

【００２８】本発明はとくに好ましい実施態様について
詳細に説明してきたが，本発明の精神および範囲内で変
更および修正が可能であることは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】好ましい例示実施態様の側面図である。

【図２】好ましい例示実施態様の頂面図である。

【図３】代替例示実施態様の側面図である。

【符号の説明】

１０　　レーザダイオード ２０，５０　　第１の光学面 ３０，６０　　第２の光学面 ４０　　光軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　発散入射放射線をコリメートしかつレ
   クチファイするための単一光学系要素であり，前記光学
   系要素が前記入射放射線を前記要素内でコリメートする
   ための曲面を有する第１の光学面と；該第１の光学面の
   光軸に対してある角度に傾けられた第２の光学面であっ
   て前記第１の光学面によってコリメートされた放射線を
   レクチファイするための第２の光学面と；を含む発散入
   射放射線をコリメートしかつレクチファイするための単
   一光学系要素。