JPH08240793A - 球面収差の無い屈折楕円光学面 - Google Patents
球面収差の無い屈折楕円光学面Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】球面収差の無い屈折フォーカス並びに／もしく
は光の再コリメーションを果たす。 【解決手段】光は第１並びに第２の均一光学媒質（１０
４），（１０６）を分ける楕円光学面（１０２）に入射
されて、コリメートされた光線（１０８）を、第１の媒
質（１０４）内で、第２の媒質（１０６）内の主焦点も
しくは第１の媒質（１０４）内の虚焦点に完全にフォー
カスされるように指向させる。例えば、コリメートされ
た入力光学面と出力光学面とを有する潜入屈折共通焦点
楕円光学系を有する。この楕円光学面は、第２の光学面
と、これら両面が共通の軸を所有し、光学的に透過の媒
質により分けられるように、組み合わされる。
は光の再コリメーションを果たす。 【解決手段】光は第１並びに第２の均一光学媒質（１０
４），（１０６）を分ける楕円光学面（１０２）に入射
されて、コリメートされた光線（１０８）を、第１の媒
質（１０４）内で、第２の媒質（１０６）内の主焦点も
しくは第１の媒質（１０４）内の虚焦点に完全にフォー
カスされるように指向させる。例えば、コリメートされ
た入力光学面と出力光学面とを有する潜入屈折共通焦点
楕円光学系を有する。この楕円光学面は、第２の光学面
と、これら両面が共通の軸を所有し、光学的に透過の媒
質により分けられるように、組み合わされる。
Description
【発明の分野】本発明は、特に、屈折により光をフォー
カス並びにコリメートすることに関する。
カス並びにコリメートすることに関する。
【従来の技術】光線の屈折、即ち、折曲は異なる屈折率
を有する光学透過媒体間を分ける光学面で生じる（即
ち、光はこれら媒体中を異なる速度で伝播する）。種々
の屈折面の形状が、平行光線を点もしくは線にフォーカ
スするために、また、これと等価的に、点もしくは線の
光源から光をコリメートするために、別々並びに組をな
して使用されている。これらの屈折面は、（ａ）面を形
成するためのコスト、（ｂ）製造誤差、（ｃ）使用する
面の数、（ｄ）互いに関連した、そして像もしくは焦点
面に関連した複数の面の位置的誤差、及び（ｅ）温度感
度特性に対して、光学的性能を果たす、近似光学形状を
有する。屈折形態は、レザー光と共に使用される場合に
は、特に有用である。レザー放射は単色光である。即
ち、これは（理想的には）光の単一の波長を有する。伝
播光学媒体において、異なる波長を有する光は、媒体内
を異なる速度で進行する。色収差は、異なる波長の光が
異なる点にフォーカスされたときに、発生する。レザー
放射は単色光であるために、伝播光学媒体内での、色収
差に影響される光の分散は本質的には生じない。レザー
光線エックスパンダーの目的は、より広いレザー光線を
発生させるように入射レザー光線の幅を広げ、レザー光
線の発散、即ち、光線の角度の広がりを減じることであ
る。従来の望遠鏡もしくは光線エックスパンダーは、２
つのレンズ部材と、装着光学ベンチとを少なくとも必要
とする。対物レンズ（もしくはレンズ群）は、単一の点
に光線を理想的にフォーカスするために使用されてい
る。ときには接眼レンズと呼ばれる二次レンズ（もしく
はレンズ群）は、対物レンズと接眼レンズとの相対焦点
距離に依存する拡大率もしくは縮小率で、光を再びコリ
メートするのに使用されている。多くの望遠鏡にとっ
て、筒状のハウジングが光学ベンチとして機能する。望
遠鏡もしくはレザー光線エックスパンダーは、反射と屈
折との２つの形式がある。全ての反射形式の望遠鏡もし
くは、光線エックスパンダーに、２つの反射光学面間の
アラインメントを維持させることが必要であり、また、
入射光線に対して一方の面が開口の所で作用する場合に
は、この一方の面は他方の面を常時暗くするという問題
がある。最近の天体望遠鏡で使用されている屈折光学望
遠鏡においては、光軸の中心に配置される二次ミラーが
主ミラー（主開口）の開口の中心部を暗くする。この中
心が暗くなる屈折の影響並びに主開口内での二次ミラー
を維持することに関連した問題は、軸からのそれ（オフ
・アクシス）での対応した減少で、二次ミラーにより暗
くならない主ミラーの領域に主開口を変位させることに
より除去できる。これはオフ開口光学系で有る。屈折型
望遠鏡は、二次レンズが一次レンズを塞がないので中心
が暗くなることがない。このために、オフ開口に光を導
く必要がない。放物反射光学面が正確な光学形態であ
る。対称軸（光軸）を中心として放物線を回転させるこ
とにより形成される放物面により、光軸に平行な全ての
光線は、放物線の数学的な焦点である、光軸上の単一の
点に好ましくはフォーカスされる。このような２つの回
転放物面は、これら面の光軸が同じであり、また２つの
放物形状の数学的焦点が光軸上で一致する共有焦点形態
で配設されることができる。同様に規定された共有焦点
放物形式の望遠鏡もしくはビームエックスパンダーの光
学的な形状は、また正確な形態である。光軸に平行な全
ての光線は、第１の面によりフォーカスされ、そして、
好ましくは、第２の面で再コリメートされ、この結果、
これらの光線間の光学距離の差が精度よくゼロになっ
て、互いに平行に第２の面から現れる。多くの屈折系
が、像を拡大する、即ち、光線を広げるために使用さ
れ、ほとんどは、光学ベンチによりアラインメント状態
が維持された少なくとも２つの空間分離光学部材を使用
している。反射並びに屈折型光線エックスパンダー及び
望遠鏡の欠点を除くことが望まれている。そして、この
試みが部品点数を減らすことによりなされれば、レザー
光線を広げる分野への計り知れない効果が在る。レザー
光線に係わる他の公知例は、レザーダイオードアレイで
生じる問題を含んでいる。このレザーダイオードアレイ
は、各ダイオードバーが１つの光源として機能するダイ
オードバーのアレイにより構成されている。個々のダイ
オードバーの全ては、一緒になって個々の光源のアレイ
として機能する。各ダイオードバーは、発光領域がプレ
ナー半導体ダイオード構造体の層の１つ内にあるように
構成された発光ｐｎ接合ダイオードのリニアーアレイに
より構成されている。エッヂは、光学共振器を形成する
ように、劈開され、かつコーテングされており、レザー
発光はこれらエッジに垂直な方向に生じ、この結果、
“エッジ・エミッテング”ダイオードとしてこの分野で
は知られている。各レザーダイオードの活性領域は、長
手方向では劈開面により、また、横方向ではリソグラフ
ィにより形成された半導体構造物（溝、注入領域等）と
夫々境をなしている。通常は、数百個のレザーダイオー
ドが１つの基板、即ち、バーに形成されている。これら
ダイオードは、横方向に並べられ、全ては同じ出力面に
割り当てられている。このようなエッジ発光ダイオード
バーの出力エッジから射出されるレザー光は、“同相”
のエミッター（レーダ位相アレイアンテナと同様に）間
の構造的な干渉により、アレイの長さのディメンション
に対応した方向に良く理論的にはコリメートされる。こ
のレザー光は、射出開口が非常に小さくて、回折により
光がかなり広がってしまうので、狭いディメンションに
対応する方向には良くコリメートされない。多くの適用
にとって、ダイオードからのレザー光は、シリンドリカ
ルもしくはアナモフリックレンズによりこの方向にコリ
メートされなければならない。レザーダイオードのポン
ピングを与えるために、一般にコリメーションが、かく
してフォーカシングが必要な、レザーロッドへのダイオ
ードバーからの光のリレーが必要である。一般的な場合
であっても、モノシリックの場合であっても、２ーディ
メンションのアレイのレザーダイオードを形成するため
に、エッジ発光ダイオードバーを積層することが必要で
ある。これは、ダイオードバーは、これらの平坦面から
最も効果的に冷却され、またこれら面は２ーディメンシ
ョン構造体にアクセスすることがより困難なために、ダ
イオードバーを冷却することができない。従来は、いわ
ゆる“ラック・アンド・スタック形態の２ーディメンシ
ョン（２−Ｄ）のアレイを形成するように、薄い冷却体
の上に個々のダイオードバーを装着する試みがなされて
いる。現在使用されているある構造のものは、上にダイ
オードが配置されたモノリシックな棚形態を使用してお
り、これらの構成では全棚がダイオードバーの背面から
冷却される。この棚を使用する試みは、棚は熱伝導に対
してのみ導伝性に信頼性があるので、棚自身を介する低
い熱導伝性により制限される。幾人かから市販されてい
る従来のシリンドリカル光学レンズは、棚状に積層され
たアレイと同様に、既知の“ラック・アンド・スタッ
ク”の出力をコリメートするのに使用されている。これ
らレンズは、バーの射出エッジに近接して配置され、ア
レイの長いディメンションに沿ってシリンドリカルエッ
ジと共に配置されている。完全なシリンドリカルレンズ
は、狭いディメンションでのレザーのビーム品質を補償
するように動作する。即ち、ダイオードの外から計った
ビームの発散と射出開口との積は、コリメータレンズの
出力側で測定した発散ー開口積と同じとなるであろう。
実際の光学系は、決して完全にビームの品質を維持する
ことはできない。これは、ａ）自身の光学的規制により
生じる収差と、ｂ）レンズの構成と、ｃ）ダイオードバ
ーに対するレンズの配置と、ｄ）ダイオードバーの歪み
度による。
を有する光学透過媒体間を分ける光学面で生じる（即
ち、光はこれら媒体中を異なる速度で伝播する）。種々
の屈折面の形状が、平行光線を点もしくは線にフォーカ
スするために、また、これと等価的に、点もしくは線の
光源から光をコリメートするために、別々並びに組をな
して使用されている。これらの屈折面は、（ａ）面を形
成するためのコスト、（ｂ）製造誤差、（ｃ）使用する
面の数、（ｄ）互いに関連した、そして像もしくは焦点
面に関連した複数の面の位置的誤差、及び（ｅ）温度感
度特性に対して、光学的性能を果たす、近似光学形状を
有する。屈折形態は、レザー光と共に使用される場合に
は、特に有用である。レザー放射は単色光である。即
ち、これは（理想的には）光の単一の波長を有する。伝
播光学媒体において、異なる波長を有する光は、媒体内
を異なる速度で進行する。色収差は、異なる波長の光が
異なる点にフォーカスされたときに、発生する。レザー
放射は単色光であるために、伝播光学媒体内での、色収
差に影響される光の分散は本質的には生じない。レザー
光線エックスパンダーの目的は、より広いレザー光線を
発生させるように入射レザー光線の幅を広げ、レザー光
線の発散、即ち、光線の角度の広がりを減じることであ
る。従来の望遠鏡もしくは光線エックスパンダーは、２
つのレンズ部材と、装着光学ベンチとを少なくとも必要
とする。対物レンズ（もしくはレンズ群）は、単一の点
に光線を理想的にフォーカスするために使用されてい
る。ときには接眼レンズと呼ばれる二次レンズ（もしく
はレンズ群）は、対物レンズと接眼レンズとの相対焦点
距離に依存する拡大率もしくは縮小率で、光を再びコリ
メートするのに使用されている。多くの望遠鏡にとっ
て、筒状のハウジングが光学ベンチとして機能する。望
遠鏡もしくはレザー光線エックスパンダーは、反射と屈
折との２つの形式がある。全ての反射形式の望遠鏡もし
くは、光線エックスパンダーに、２つの反射光学面間の
アラインメントを維持させることが必要であり、また、
入射光線に対して一方の面が開口の所で作用する場合に
は、この一方の面は他方の面を常時暗くするという問題
がある。最近の天体望遠鏡で使用されている屈折光学望
遠鏡においては、光軸の中心に配置される二次ミラーが
主ミラー（主開口）の開口の中心部を暗くする。この中
心が暗くなる屈折の影響並びに主開口内での二次ミラー
を維持することに関連した問題は、軸からのそれ（オフ
・アクシス）での対応した減少で、二次ミラーにより暗
くならない主ミラーの領域に主開口を変位させることに
より除去できる。これはオフ開口光学系で有る。屈折型
望遠鏡は、二次レンズが一次レンズを塞がないので中心
が暗くなることがない。このために、オフ開口に光を導
く必要がない。放物反射光学面が正確な光学形態であ
る。対称軸（光軸）を中心として放物線を回転させるこ
とにより形成される放物面により、光軸に平行な全ての
光線は、放物線の数学的な焦点である、光軸上の単一の
点に好ましくはフォーカスされる。このような２つの回
転放物面は、これら面の光軸が同じであり、また２つの
放物形状の数学的焦点が光軸上で一致する共有焦点形態
で配設されることができる。同様に規定された共有焦点
放物形式の望遠鏡もしくはビームエックスパンダーの光
学的な形状は、また正確な形態である。光軸に平行な全
ての光線は、第１の面によりフォーカスされ、そして、
好ましくは、第２の面で再コリメートされ、この結果、
これらの光線間の光学距離の差が精度よくゼロになっ
て、互いに平行に第２の面から現れる。多くの屈折系
が、像を拡大する、即ち、光線を広げるために使用さ
れ、ほとんどは、光学ベンチによりアラインメント状態
が維持された少なくとも２つの空間分離光学部材を使用
している。反射並びに屈折型光線エックスパンダー及び
望遠鏡の欠点を除くことが望まれている。そして、この
試みが部品点数を減らすことによりなされれば、レザー
光線を広げる分野への計り知れない効果が在る。レザー
光線に係わる他の公知例は、レザーダイオードアレイで
生じる問題を含んでいる。このレザーダイオードアレイ
は、各ダイオードバーが１つの光源として機能するダイ
オードバーのアレイにより構成されている。個々のダイ
オードバーの全ては、一緒になって個々の光源のアレイ
として機能する。各ダイオードバーは、発光領域がプレ
ナー半導体ダイオード構造体の層の１つ内にあるように
構成された発光ｐｎ接合ダイオードのリニアーアレイに
より構成されている。エッヂは、光学共振器を形成する
ように、劈開され、かつコーテングされており、レザー
発光はこれらエッジに垂直な方向に生じ、この結果、
“エッジ・エミッテング”ダイオードとしてこの分野で
は知られている。各レザーダイオードの活性領域は、長
手方向では劈開面により、また、横方向ではリソグラフ
ィにより形成された半導体構造物（溝、注入領域等）と
夫々境をなしている。通常は、数百個のレザーダイオー
ドが１つの基板、即ち、バーに形成されている。これら
ダイオードは、横方向に並べられ、全ては同じ出力面に
割り当てられている。このようなエッジ発光ダイオード
バーの出力エッジから射出されるレザー光は、“同相”
のエミッター（レーダ位相アレイアンテナと同様に）間
の構造的な干渉により、アレイの長さのディメンション
に対応した方向に良く理論的にはコリメートされる。こ
のレザー光は、射出開口が非常に小さくて、回折により
光がかなり広がってしまうので、狭いディメンションに
対応する方向には良くコリメートされない。多くの適用
にとって、ダイオードからのレザー光は、シリンドリカ
ルもしくはアナモフリックレンズによりこの方向にコリ
メートされなければならない。レザーダイオードのポン
ピングを与えるために、一般にコリメーションが、かく
してフォーカシングが必要な、レザーロッドへのダイオ
ードバーからの光のリレーが必要である。一般的な場合
であっても、モノシリックの場合であっても、２ーディ
メンションのアレイのレザーダイオードを形成するため
に、エッジ発光ダイオードバーを積層することが必要で
ある。これは、ダイオードバーは、これらの平坦面から
最も効果的に冷却され、またこれら面は２ーディメンシ
ョン構造体にアクセスすることがより困難なために、ダ
イオードバーを冷却することができない。従来は、いわ
ゆる“ラック・アンド・スタック形態の２ーディメンシ
ョン（２−Ｄ）のアレイを形成するように、薄い冷却体
の上に個々のダイオードバーを装着する試みがなされて
いる。現在使用されているある構造のものは、上にダイ
オードが配置されたモノリシックな棚形態を使用してお
り、これらの構成では全棚がダイオードバーの背面から
冷却される。この棚を使用する試みは、棚は熱伝導に対
してのみ導伝性に信頼性があるので、棚自身を介する低
い熱導伝性により制限される。幾人かから市販されてい
る従来のシリンドリカル光学レンズは、棚状に積層され
たアレイと同様に、既知の“ラック・アンド・スタッ
ク”の出力をコリメートするのに使用されている。これ
らレンズは、バーの射出エッジに近接して配置され、ア
レイの長いディメンションに沿ってシリンドリカルエッ
ジと共に配置されている。完全なシリンドリカルレンズ
は、狭いディメンションでのレザーのビーム品質を補償
するように動作する。即ち、ダイオードの外から計った
ビームの発散と射出開口との積は、コリメータレンズの
出力側で測定した発散ー開口積と同じとなるであろう。
実際の光学系は、決して完全にビームの品質を維持する
ことはできない。これは、ａ）自身の光学的規制により
生じる収差と、ｂ）レンズの構成と、ｃ）ダイオードバ
ーに対するレンズの配置と、ｄ）ダイオードバーの歪み
度による。
【発明が解決しょうとする課題】従来の屈折光学系に係
わる収差は、光学系がダイオードバーの発光軸からオフ
開口を動作するように強いるのに従って、より大きくな
る。従って、付加の光学部材が、収差を適当に矯正する
ために必要である。 ａ）従来の反射並びに屈折レザー光エックスパンダーの
問題と、ｂ）従来の１−ディメンション並びに２−ディ
メンションレザーダイオードアレイとの問題を解決する
ことが望ましい。本発明の目的は、球面収差の無い屈折
フォーカス並びに／もしくは光の再コリメーションを果
たすことである。
わる収差は、光学系がダイオードバーの発光軸からオフ
開口を動作するように強いるのに従って、より大きくな
る。従って、付加の光学部材が、収差を適当に矯正する
ために必要である。 ａ）従来の反射並びに屈折レザー光エックスパンダーの
問題と、ｂ）従来の１−ディメンション並びに２−ディ
メンションレザーダイオードアレイとの問題を解決する
ことが望ましい。本発明の目的は、球面収差の無い屈折
フォーカス並びに／もしくは光の再コリメーションを果
たすことである。
【課題を解決するための手段】本発明に係われば、これ
は、２つの光学媒体間の楕円面と、焦点の位置と、ベー
ス曲率半径と、媒体と光学焦点距離との間の屈折率に対
する特定の数学的関係を有する楕円面の離心率とにより
達成される。本発明は、ａ）収差のないレザー光線の屈
折ビームエックスパンダー、もしくはｂ）発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）またはレザーダイオードから射出される光
の収差のないコリメーションに適用され得る。本発明に
係われば、第１の均質媒体と第２の均質媒体とに分ける
楕円光学面に光を入射させて、一方の媒体で指向された
コリメートされている光を、第２の媒体内の主焦点か、
第１の媒体内の虚焦点かに完全にフォーカスさせる。さ
らに、本発明に係われば、１つの楕円光学面は、第２の
光学面と、これら両光学面が共通の光軸を共有し、ガラ
スのような光学透過媒体により分けるように組み合わさ
れ、また、両光学面の光学焦点が潜入光学ビームエック
スパンダーを形成するように共通となるように、離間さ
れる。さらに、本発明に係われば、前記光学面は、ダイ
オードアレイのレザーダイオードバーもしくは発光ダイ
オードからの光に応答する１もしくは２−ディメンショ
ンのレンズアレイのレンズ部材を含む。本発明の第１の
態様は、許容できる光学的規定を達成するために、高い
オーダの非球面を使用した連続類似体ではなく、反射相
似形、並びに放物線面の正確な光学形態である。光学面
に入射する、光軸に平行な光の所定の波長の全ての光線
は、光軸上の同じ点にフォーカスされ、かくして、光学
面の軸上の球面収差は適格にゼロになる。第２の態様
は、本発明のレザービームエックスパンダーが光学ベン
チを必要としないことである。本発明の第３の態様は、
ダイオードコリメーションレンズへの本発明の多岐用が
優れたそれた開口（オフ・アパチャー）の形態を示すこ
とである。第４の態様は、本発明が、ダイオードバーの
射出軸が２ーディメンションのアレイに直交しない、い
かなる２ーディメンションのレザーダイオードアレイに
適用可能であることである。
は、２つの光学媒体間の楕円面と、焦点の位置と、ベー
ス曲率半径と、媒体と光学焦点距離との間の屈折率に対
する特定の数学的関係を有する楕円面の離心率とにより
達成される。本発明は、ａ）収差のないレザー光線の屈
折ビームエックスパンダー、もしくはｂ）発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）またはレザーダイオードから射出される光
の収差のないコリメーションに適用され得る。本発明に
係われば、第１の均質媒体と第２の均質媒体とに分ける
楕円光学面に光を入射させて、一方の媒体で指向された
コリメートされている光を、第２の媒体内の主焦点か、
第１の媒体内の虚焦点かに完全にフォーカスさせる。さ
らに、本発明に係われば、１つの楕円光学面は、第２の
光学面と、これら両光学面が共通の光軸を共有し、ガラ
スのような光学透過媒体により分けるように組み合わさ
れ、また、両光学面の光学焦点が潜入光学ビームエック
スパンダーを形成するように共通となるように、離間さ
れる。さらに、本発明に係われば、前記光学面は、ダイ
オードアレイのレザーダイオードバーもしくは発光ダイ
オードからの光に応答する１もしくは２−ディメンショ
ンのレンズアレイのレンズ部材を含む。本発明の第１の
態様は、許容できる光学的規定を達成するために、高い
オーダの非球面を使用した連続類似体ではなく、反射相
似形、並びに放物線面の正確な光学形態である。光学面
に入射する、光軸に平行な光の所定の波長の全ての光線
は、光軸上の同じ点にフォーカスされ、かくして、光学
面の軸上の球面収差は適格にゼロになる。第２の態様
は、本発明のレザービームエックスパンダーが光学ベン
チを必要としないことである。本発明の第３の態様は、
ダイオードコリメーションレンズへの本発明の多岐用が
優れたそれた開口（オフ・アパチャー）の形態を示すこ
とである。第４の態様は、本発明が、ダイオードバーの
射出軸が２ーディメンションのアレイに直交しない、い
かなる２ーディメンションのレザーダイオードアレイに
適用可能であることである。
【発明の実施の形態】本発明を実施するためのベストモ
ード。 Ａ．屈折楕円光学面と光学ビームエックスパンダーとの
ための基準。本発明は、２つの均質な光学媒体１０４，
１０６を分ける光学面１０２の形状の明白な数学的記述
を図１に示すように提案する。この光学面は、第２の媒
体内の主焦点か、第１の媒体内の虚焦点１１０かで完全
にフォーカス（収束）されるように１つの媒体内で指向
したコリメート光１０８を生じる。本発明の第１の実施
の形態において、光学面は、以下の設計式により表され
るように、相対屈折率 (n)と、（虚）焦点距離 (F)との
明白な関数として記載された、（虚）焦点並びにそのベ
ース曲率 (R)から所定距離Z 0 離れた中心と円錐定数
(K)とを有する楕円の半長軸を中心とした回転楕円面１
０２である。 Z 0 ＝F/(n +1) (1) K ＝-1/n2 (2) R ＝ n-1/n x F (3) 共通の焦点（即ち、共焦点）を有するように配設された
このような２つの面は、図２に示すように、コリメート
された（平行光束とされた）光ビームを広げるのに使用
され得る。後で示す式４は、倍率(M) と、光学面R 1 に
対する相対屈折率 (n)と、光学系の軸方向厚さ（長さ）
(th) との項目で入力光学面の曲率ベース半径 (R 1 )
を規定している。式５は、入力面のベース半径R 1 と、
光エックスパンダーの倍率M との項目で、出力面の曲率
ベース半径 (R 2 ) を規定している。尚、この倍率は、
入力ビームの直径に対する出力ビームの直径の単純な比
である。両面に対する円錐定数(K) は、上記式２により
与えられるものと同じである。光エックスパンダーによ
り許容される入力ビームの最大直径は、楕円形の短軸の
長さにより、理論的に制限される（後述する）。しか
し、実際の制限は、大入射角でのフレネルロスと製造定
数とにより支配される。 R 1 ＝1/M-１ ｘ n-1/n x th (4) R 2 ＝M x R 1 (5) 図２は、上記式１ないし５を考慮して設計された光学光
エックスパンダーを示す。第１の媒体、例えば、空気中
での光学ビーム２０２は光学媒体２０６の第１の面２０
４に入射する。入射光学ビーム２０２の広がった偏向ビ
ーム２１０は、第２の光学面２０８で与えられる。図２
のＺｎＳｅ光学媒体２０６は、１０．６ミクロメータの
光学的波長（ＣＯ2 レザーの波長）のもとで、２．４０
２７７７の屈折率を有する。設計値は以下のようであ
る。 倍率＝３．７３５２９ 入力ビームの直径＝６．８ｍｍ 出力ビームの直径＝２５．４ｍｍ R 1 ＝６．４０３１３ｍｍ R 2 ＝２３．９１７５７ｍｍ K 1 ＝Ｋ2 ＝−０．１７３２１ 光学面２０６は、２つの光学面２０６，２０８がこれら
の間に媒体（例えば、空気）がないので、潜入ビームエ
ックスパンダーである。従って、本発明は、２つの分離
したレンズを支持するために光学ベンチを備えていない
屈折光学ビームエックスパンダーを与える、従来の改良
品を提供する。図３は、ｚ軸−ｙ軸で図示されるよう
な、本発明の光学面のための設計式の解析に使用される
パラメータの図示的規定を示す。図３において、光軸３
０８に平行な入射光線３０２は、点（ｚ，ｙ）で光学面
３０４に当たる。そして、この入射光線３０２は、光学
面３０４の法線に角度Ψで屈折される。この屈折された
光線３０６は虚後焦点である原点３１０と交わると線に
沿って光学面から離れる。この光学面は、全ての上記平
行光線３０２が原点と交わる線３０６に沿うように面で
屈折されるのであれば、球面収差を生じさせない。かく
して、これら全ての光線は原点で共通の虚焦点を有する
であろう。上記示された設計式（即ち、光学的規定）の
解析は以下の通りである。座標システムは、図３に示す
ように、ｚ軸が光軸で、ｙ軸が光軸からの曲率距離を示
す規定に従う。式（６），（７），（８）は、全ての屈
折光が共通の虚後焦点を有するように、凹光学面が並行
光線を屈折すると仮定された図３の幾何学図から導かれ
る。式（９）は、光学面でのスネルの法則の表示であ
る。ここで、n は相対屈折率、即ちn 1 に対するn 2 の
比を表す。
ード。 Ａ．屈折楕円光学面と光学ビームエックスパンダーとの
ための基準。本発明は、２つの均質な光学媒体１０４，
１０６を分ける光学面１０２の形状の明白な数学的記述
を図１に示すように提案する。この光学面は、第２の媒
体内の主焦点か、第１の媒体内の虚焦点１１０かで完全
にフォーカス（収束）されるように１つの媒体内で指向
したコリメート光１０８を生じる。本発明の第１の実施
の形態において、光学面は、以下の設計式により表され
るように、相対屈折率 (n)と、（虚）焦点距離 (F)との
明白な関数として記載された、（虚）焦点並びにそのベ
ース曲率 (R)から所定距離Z 0 離れた中心と円錐定数
(K)とを有する楕円の半長軸を中心とした回転楕円面１
０２である。 Z 0 ＝F/(n +1) (1) K ＝-1/n2 (2) R ＝ n-1/n x F (3) 共通の焦点（即ち、共焦点）を有するように配設された
このような２つの面は、図２に示すように、コリメート
された（平行光束とされた）光ビームを広げるのに使用
され得る。後で示す式４は、倍率(M) と、光学面R 1 に
対する相対屈折率 (n)と、光学系の軸方向厚さ（長さ）
(th) との項目で入力光学面の曲率ベース半径 (R 1 )
を規定している。式５は、入力面のベース半径R 1 と、
光エックスパンダーの倍率M との項目で、出力面の曲率
ベース半径 (R 2 ) を規定している。尚、この倍率は、
入力ビームの直径に対する出力ビームの直径の単純な比
である。両面に対する円錐定数(K) は、上記式２により
与えられるものと同じである。光エックスパンダーによ
り許容される入力ビームの最大直径は、楕円形の短軸の
長さにより、理論的に制限される（後述する）。しか
し、実際の制限は、大入射角でのフレネルロスと製造定
数とにより支配される。 R 1 ＝1/M-１ ｘ n-1/n x th (4) R 2 ＝M x R 1 (5) 図２は、上記式１ないし５を考慮して設計された光学光
エックスパンダーを示す。第１の媒体、例えば、空気中
での光学ビーム２０２は光学媒体２０６の第１の面２０
４に入射する。入射光学ビーム２０２の広がった偏向ビ
ーム２１０は、第２の光学面２０８で与えられる。図２
のＺｎＳｅ光学媒体２０６は、１０．６ミクロメータの
光学的波長（ＣＯ2 レザーの波長）のもとで、２．４０
２７７７の屈折率を有する。設計値は以下のようであ
る。 倍率＝３．７３５２９ 入力ビームの直径＝６．８ｍｍ 出力ビームの直径＝２５．４ｍｍ R 1 ＝６．４０３１３ｍｍ R 2 ＝２３．９１７５７ｍｍ K 1 ＝Ｋ2 ＝−０．１７３２１ 光学面２０６は、２つの光学面２０６，２０８がこれら
の間に媒体（例えば、空気）がないので、潜入ビームエ
ックスパンダーである。従って、本発明は、２つの分離
したレンズを支持するために光学ベンチを備えていない
屈折光学ビームエックスパンダーを与える、従来の改良
品を提供する。図３は、ｚ軸−ｙ軸で図示されるよう
な、本発明の光学面のための設計式の解析に使用される
パラメータの図示的規定を示す。図３において、光軸３
０８に平行な入射光線３０２は、点（ｚ，ｙ）で光学面
３０４に当たる。そして、この入射光線３０２は、光学
面３０４の法線に角度Ψで屈折される。この屈折された
光線３０６は虚後焦点である原点３１０と交わると線に
沿って光学面から離れる。この光学面は、全ての上記平
行光線３０２が原点と交わる線３０６に沿うように面で
屈折されるのであれば、球面収差を生じさせない。かく
して、これら全ての光線は原点で共通の虚焦点を有する
であろう。上記示された設計式（即ち、光学的規定）の
解析は以下の通りである。座標システムは、図３に示す
ように、ｚ軸が光軸で、ｙ軸が光軸からの曲率距離を示
す規定に従う。式（６），（７），（８）は、全ての屈
折光が共通の虚後焦点を有するように、凹光学面が並行
光線を屈折すると仮定された図３の幾何学図から導かれ
る。式（９）は、光学面でのスネルの法則の表示であ
る。ここで、n は相対屈折率、即ちn 1 に対するn 2 の
比を表す。
【数１】
【数２】
【数３】 これは、図４に示す、標準の光学デザインの命名で表さ
れる以下の楕円形のパラメータと、原点での２つの焦点
の左側のものと、光軸（即ちｚ軸）の沿った半長軸とを
有する楕円の式である。 楕円の原点：Z o ＝F/(n+1) (24) 半長軸 ：b ＝[n/(n+1)] x F (25) 半単軸 ：a ＝[(n-1)/(n+1)] 1/2 x F (26) 楕円の焦点：c ＝F/(n+1) (27) 離心率 ：e ＝1/n (28) 円錐定数 ：K ＝-e2 ＝-1/n2 (29) 曲率ベース半径：R ＝(K+1)b＝[(n-1)/n] x F (30) ビームエックスパンダーの構造を決定するザデイン式
は、２つの面の後焦点距離を、以下のように、倍率(M)
並びに光学系の厚さ(th)と関係付けることにより、式
（２４）ないし（３０）から導かれ得る。 F2 ＝ F1 +th (31) M ＝F 2 / F1 ＝1+th/ F (32) M ＝1+th x [(n-1)/n] x [1/ R1 ] (33) R1 ＝[1/(M-1)] x [(n-1)/n] x th (34) 出力光学面のベース半径は、倍率により整数倍された入
力光学面と単に同じである。 R2 ＝ R1 x M (35) 屈折の角度を決定する楕円２０４，２０８の面の傾斜
は、屈折の角度の正接であるパラメータ（y/z)の函数の
みとして式（１３）により与えられた。かくして、この
傾斜はスケールパラメータF に感じなく、また、上記状
態を満足させる楕円面は、これが特別な屈折光線を遮る
点で同じ勾配を有し、そして、光線は第２の面２０８で
再び完全にコリメートされる。また、入力光線の径(D1)
は楕円の短軸の長さにより規制される。 D 1 <2[(n-1)/(n+1)] 1/4 x [th/(M-1)] Ｃ．屈折光学ビームエックスパンダーの他の実施例 図５は、ビームエックスパンダー５０２が光学媒体の対
向面上の第１並びに第２の楕円面５０４，５０６を作る
ことにより構成されており、ここでは、楕円面５０４，
５０６は両方とも凸であり、同じ離心率（即ち、円錐定
数）を有し、共通の最後方の焦点を割り当てる、ことを
示す。第１の楕円面５０４を通って媒体５０８に現れる
平行光線５１０は、媒体５０８内の全ての光線が楕円面
５０４，５０６の最後方の焦点と一致する共通の実焦点
を割り当たるように屈折される。図５において、第１並
びに第２の光学面５０４，５０６は、これらが、これら
面間に位置する共通の焦点を割り当てるので、“焦点”
形態である。図６は、“非焦点”形態の、本発明に係わ
る屈折ビームエックスパンダーの光学面を示す。第１の
光学面６０４に入射する光線６０１に対応して与えられ
た屈折光線６０２は、光軸に共通の焦点を割り当てる。
この点は、第１の光学面６０４と第２の光学面６０６と
の間には存在しないで、媒体の外にある。本発明に係わ
れば、コリメート光線６０８は、光線６０１に比べて広
げられる。図７は、本発明に係わる光学面の他の実施例
の斜視図である。図７において、回転楕円は、第１の屈
折率n1を有する媒体内の入射コリメート光線に応答し
て、点７０６にフォーカスされる、屈折率n2の第２媒体
内に屈折光７０４を与える。図８は、本発明に係わる光
学面のさらに他の実施例の斜視図である。図８は、入射
コリメート光線８０４に応答して、線８０８にフォーカ
スされる屈折光線８０６を与える。かくして、図７と図
８との相違は、点にフォーカスするか、線にフォーカス
するかである。図９は、本発明に係わる光学面のさらに
他の実施例の斜視図である。図９は、入射コリメート光
線９０４に応答して、垂直にアラインメントされた光線
に対してと水平にアラインメントされた光線に対してと
の異なる点にフォーカスされる屈折光線９０６を与え、
かくして、飛点的にフォーカスする歪曲面９０２を示
す。図７にに示す回転面の楕円は、水平並びに垂直にア
ラインメントされた光線が光学軸上の同じ点にフォーカ
スされる図９の歪曲面の特別な場合である。また、図８
に示すような楕円円筒面は、水平にアラインメントされ
た光線が無限遠でフォーカスされる図９の歪曲面の特別
な場合である。 Ｄ．図１０は、一般的なｐｎ接合レザー１００２の斜視
図である。活性領域はｐ領域とｎ領域との接合１００４
に存在し、ここを電流Ｉが流れる。活性領域１００４は
実線で囲まれるように示されている。半導体１００８内
の発光領域は、接合１００４に対して垂直と平行との両
方で異なって特別に延びたより覆いもしくはより少ない
楕円である。この結果、発光パターンは異なる広がり角
度となる。図示する光源がｐｎ接合レザー１００２であ
るのに代えて、本発明の光源として以下なる光源も使用
され得る。図１１（Ａ）は、レンズ１１０６の所で光を
導くように冷却補助装着体１１０４の上面に載置された
レザーダイオード１１０２を示す。このレザーダイオー
ド１１０２により射出されたレザー光線は、入射光線１
１０７に応答して広げられかつコリメートされた光線１
１０８を射出するレンズ１１０６に入射する。このレン
ズ１１０６、第１並びに第２の光学面１１１０，１１１
２を有する。この実施例において、第１の光学面は平坦
であり、入射レザー光線に対して直交している。しか
し、そして以下に説明するように、第１もしくは第２の
光学面１１１０，１１１２は、以下の３つの形態のいず
れか１つをとることができる。これは、ａ）コリメート
された光を点にフォーカスする回転楕円と、ｂ）コリメ
ートされた光を線にフォーカスする楕円円筒と、ｃ）コ
リメートされた光を非点的にフォーカスするより複雑な
歪曲面とである。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す
レンズ１１０６が導かれたファイバー事前形成体１１５
２の楕円形を示す。必ずしもこのレンズ１１０６はファ
イバー事前形成体１１５２から導かれる必要はない。
（ａ）ファイバー事前形成体からのレンズ１１０６の導
きは、（ｂ）伝統的にグラインディング並びにポリッシ
ング、（ｃ）ダイアモンド・マシーンニング、（ｄ）マ
ス・トランスポートを使用したリソグラフィー精巧、も
しくは他の既知の技術により、レンズの製造として知ら
れている。本発明の技術は、光源の形式に関係なく適用
可能である。例えば、レザーダイオードは、ｐｎダイオ
ードのエッジの活性領域のエッジから光線を射出できる
し、また、光はモノリシック面から射出するレザーダイ
オードから射出され得る。図１２は、この表面射出ダイ
オード１２０２の例を示す。面射出ダイオードはこの分
野では良く知られている（“Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｍｉ
ｒｒｏｒ”，ＩＥＥＥ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ａｕｇ．１
９９４，ｐｐ．３１−３３に示されている）。この面射
出ダイオードは、モノシリックな形態と同様に通常の形
態とは基本的に異なり、光はエッジからではなく、プレ
ナー半導体構造体の面から直接射出される。これら装置
においては、２−デイメンションの出力を得るために、
エッジ射出ダイオードの場合のようにダイオードバーを
積層する必要はない。２−ディメンションの小レンズア
レイの個々の小レンズとして形成された光学面は、通常
の光学設計以上に面射出装置のコリメーションを改良す
ることができる。図１３は、ダイオードから光を受光す
るための平坦面１３０５屈折楕円光学面１３０４とを備
えたマイクロレンズのアレイを使用した面射出ダイオー
ド１３０１の１もしくは二−ディメンションのアレイの
側面図である。光は、光発生領域から射出され、エッチ
ングされた反射面に当たり、コリメートされた出力とし
てマイクロレンズ１３０３からの光線を形成する。 Ｅ．本発明の効果 本発明の重要性は、反射類似物、即ち、放物面としての
正確な光学形であり、高いオーダの非球面を使用する連
続のデザイン近似値体の形成ではないという事実から導
かれる。ヒューズ・ヘキサゴン・コードを使用するコン
ピュータ解析は、この解析のノケームを確証するため
に、屈折射出ビームエックスパンダーを導いた。ヘキサ
ゴンは、光軸に平行な光線にとって、広げられた光線の
等相面は完全である（即ち、アパチャーを通るゼロ光路
距離差）ことを立証した。また、実際のレザー光線の角
度の広がりに対応した平行軸光線にとって、広げられた
光線の等相面はほぼ完全である。ヘキサゴン・コード
は、また、本発明の特別な実施例の熱的並びに構造的感
度を決定するために使用された。解析に使用された光学
デザインは、図２に示され、これは、３．７３５ｘの倍
率、６．８ミリメータの入射光線径、並びに光軸で測定
して３０ミリメータの厚さを有する１０．６ミクロメー
タの波長のセレン化亜鉛のビームエックスパンダー光学
系である。円錐係数と各面の曲率半径は、上記式２，
４，５から計算された。この感度解析の結果は、この光
学デザインに対して表１に示されている。行に表示され
たパラメータは、実際の値から乱されたデザインパラメ
ータを示す。行に表示された変化は、混乱の倍率と符号
を与える。残りの行は、夫々、極大／極小（ピーク／バ
レリー）光路距離差、ＲＭＳ等相面エラー、並びに視界
の線での変化を示す。
れる以下の楕円形のパラメータと、原点での２つの焦点
の左側のものと、光軸（即ちｚ軸）の沿った半長軸とを
有する楕円の式である。 楕円の原点：Z o ＝F/(n+1) (24) 半長軸 ：b ＝[n/(n+1)] x F (25) 半単軸 ：a ＝[(n-1)/(n+1)] 1/2 x F (26) 楕円の焦点：c ＝F/(n+1) (27) 離心率 ：e ＝1/n (28) 円錐定数 ：K ＝-e2 ＝-1/n2 (29) 曲率ベース半径：R ＝(K+1)b＝[(n-1)/n] x F (30) ビームエックスパンダーの構造を決定するザデイン式
は、２つの面の後焦点距離を、以下のように、倍率(M)
並びに光学系の厚さ(th)と関係付けることにより、式
（２４）ないし（３０）から導かれ得る。 F2 ＝ F1 +th (31) M ＝F 2 / F1 ＝1+th/ F (32) M ＝1+th x [(n-1)/n] x [1/ R1 ] (33) R1 ＝[1/(M-1)] x [(n-1)/n] x th (34) 出力光学面のベース半径は、倍率により整数倍された入
力光学面と単に同じである。 R2 ＝ R1 x M (35) 屈折の角度を決定する楕円２０４，２０８の面の傾斜
は、屈折の角度の正接であるパラメータ（y/z)の函数の
みとして式（１３）により与えられた。かくして、この
傾斜はスケールパラメータF に感じなく、また、上記状
態を満足させる楕円面は、これが特別な屈折光線を遮る
点で同じ勾配を有し、そして、光線は第２の面２０８で
再び完全にコリメートされる。また、入力光線の径(D1)
は楕円の短軸の長さにより規制される。 D 1 <2[(n-1)/(n+1)] 1/4 x [th/(M-1)] Ｃ．屈折光学ビームエックスパンダーの他の実施例 図５は、ビームエックスパンダー５０２が光学媒体の対
向面上の第１並びに第２の楕円面５０４，５０６を作る
ことにより構成されており、ここでは、楕円面５０４，
５０６は両方とも凸であり、同じ離心率（即ち、円錐定
数）を有し、共通の最後方の焦点を割り当てる、ことを
示す。第１の楕円面５０４を通って媒体５０８に現れる
平行光線５１０は、媒体５０８内の全ての光線が楕円面
５０４，５０６の最後方の焦点と一致する共通の実焦点
を割り当たるように屈折される。図５において、第１並
びに第２の光学面５０４，５０６は、これらが、これら
面間に位置する共通の焦点を割り当てるので、“焦点”
形態である。図６は、“非焦点”形態の、本発明に係わ
る屈折ビームエックスパンダーの光学面を示す。第１の
光学面６０４に入射する光線６０１に対応して与えられ
た屈折光線６０２は、光軸に共通の焦点を割り当てる。
この点は、第１の光学面６０４と第２の光学面６０６と
の間には存在しないで、媒体の外にある。本発明に係わ
れば、コリメート光線６０８は、光線６０１に比べて広
げられる。図７は、本発明に係わる光学面の他の実施例
の斜視図である。図７において、回転楕円は、第１の屈
折率n1を有する媒体内の入射コリメート光線に応答し
て、点７０６にフォーカスされる、屈折率n2の第２媒体
内に屈折光７０４を与える。図８は、本発明に係わる光
学面のさらに他の実施例の斜視図である。図８は、入射
コリメート光線８０４に応答して、線８０８にフォーカ
スされる屈折光線８０６を与える。かくして、図７と図
８との相違は、点にフォーカスするか、線にフォーカス
するかである。図９は、本発明に係わる光学面のさらに
他の実施例の斜視図である。図９は、入射コリメート光
線９０４に応答して、垂直にアラインメントされた光線
に対してと水平にアラインメントされた光線に対してと
の異なる点にフォーカスされる屈折光線９０６を与え、
かくして、飛点的にフォーカスする歪曲面９０２を示
す。図７にに示す回転面の楕円は、水平並びに垂直にア
ラインメントされた光線が光学軸上の同じ点にフォーカ
スされる図９の歪曲面の特別な場合である。また、図８
に示すような楕円円筒面は、水平にアラインメントされ
た光線が無限遠でフォーカスされる図９の歪曲面の特別
な場合である。 Ｄ．図１０は、一般的なｐｎ接合レザー１００２の斜視
図である。活性領域はｐ領域とｎ領域との接合１００４
に存在し、ここを電流Ｉが流れる。活性領域１００４は
実線で囲まれるように示されている。半導体１００８内
の発光領域は、接合１００４に対して垂直と平行との両
方で異なって特別に延びたより覆いもしくはより少ない
楕円である。この結果、発光パターンは異なる広がり角
度となる。図示する光源がｐｎ接合レザー１００２であ
るのに代えて、本発明の光源として以下なる光源も使用
され得る。図１１（Ａ）は、レンズ１１０６の所で光を
導くように冷却補助装着体１１０４の上面に載置された
レザーダイオード１１０２を示す。このレザーダイオー
ド１１０２により射出されたレザー光線は、入射光線１
１０７に応答して広げられかつコリメートされた光線１
１０８を射出するレンズ１１０６に入射する。このレン
ズ１１０６、第１並びに第２の光学面１１１０，１１１
２を有する。この実施例において、第１の光学面は平坦
であり、入射レザー光線に対して直交している。しか
し、そして以下に説明するように、第１もしくは第２の
光学面１１１０，１１１２は、以下の３つの形態のいず
れか１つをとることができる。これは、ａ）コリメート
された光を点にフォーカスする回転楕円と、ｂ）コリメ
ートされた光を線にフォーカスする楕円円筒と、ｃ）コ
リメートされた光を非点的にフォーカスするより複雑な
歪曲面とである。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す
レンズ１１０６が導かれたファイバー事前形成体１１５
２の楕円形を示す。必ずしもこのレンズ１１０６はファ
イバー事前形成体１１５２から導かれる必要はない。
（ａ）ファイバー事前形成体からのレンズ１１０６の導
きは、（ｂ）伝統的にグラインディング並びにポリッシ
ング、（ｃ）ダイアモンド・マシーンニング、（ｄ）マ
ス・トランスポートを使用したリソグラフィー精巧、も
しくは他の既知の技術により、レンズの製造として知ら
れている。本発明の技術は、光源の形式に関係なく適用
可能である。例えば、レザーダイオードは、ｐｎダイオ
ードのエッジの活性領域のエッジから光線を射出できる
し、また、光はモノリシック面から射出するレザーダイ
オードから射出され得る。図１２は、この表面射出ダイ
オード１２０２の例を示す。面射出ダイオードはこの分
野では良く知られている（“Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｍｉ
ｒｒｏｒ”，ＩＥＥＥ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ａｕｇ．１
９９４，ｐｐ．３１−３３に示されている）。この面射
出ダイオードは、モノシリックな形態と同様に通常の形
態とは基本的に異なり、光はエッジからではなく、プレ
ナー半導体構造体の面から直接射出される。これら装置
においては、２−デイメンションの出力を得るために、
エッジ射出ダイオードの場合のようにダイオードバーを
積層する必要はない。２−ディメンションの小レンズア
レイの個々の小レンズとして形成された光学面は、通常
の光学設計以上に面射出装置のコリメーションを改良す
ることができる。図１３は、ダイオードから光を受光す
るための平坦面１３０５屈折楕円光学面１３０４とを備
えたマイクロレンズのアレイを使用した面射出ダイオー
ド１３０１の１もしくは二−ディメンションのアレイの
側面図である。光は、光発生領域から射出され、エッチ
ングされた反射面に当たり、コリメートされた出力とし
てマイクロレンズ１３０３からの光線を形成する。 Ｅ．本発明の効果 本発明の重要性は、反射類似物、即ち、放物面としての
正確な光学形であり、高いオーダの非球面を使用する連
続のデザイン近似値体の形成ではないという事実から導
かれる。ヒューズ・ヘキサゴン・コードを使用するコン
ピュータ解析は、この解析のノケームを確証するため
に、屈折射出ビームエックスパンダーを導いた。ヘキサ
ゴンは、光軸に平行な光線にとって、広げられた光線の
等相面は完全である（即ち、アパチャーを通るゼロ光路
距離差）ことを立証した。また、実際のレザー光線の角
度の広がりに対応した平行軸光線にとって、広げられた
光線の等相面はほぼ完全である。ヘキサゴン・コード
は、また、本発明の特別な実施例の熱的並びに構造的感
度を決定するために使用された。解析に使用された光学
デザインは、図２に示され、これは、３．７３５ｘの倍
率、６．８ミリメータの入射光線径、並びに光軸で測定
して３０ミリメータの厚さを有する１０．６ミクロメー
タの波長のセレン化亜鉛のビームエックスパンダー光学
系である。円錐係数と各面の曲率半径は、上記式２，
４，５から計算された。この感度解析の結果は、この光
学デザインに対して表１に示されている。行に表示され
たパラメータは、実際の値から乱されたデザインパラメ
ータを示す。行に表示された変化は、混乱の倍率と符号
を与える。残りの行は、夫々、極大／極小（ピーク／バ
レリー）光路距離差、ＲＭＳ等相面エラー、並びに視界
の線での変化を示す。
【表１】 再フォーカスは不可能なので、中心のパラメータの変化
に対するP-V OPD 並びにRMS 波面の再フォーカスのみが
示されている。倍率変化は、これが純粋の焦点がずれた
場合でのゲルメイン（ｇｅｒｍａｉｎ）のみであるとし
て表示されていない。これら解析から導かれ得る最初の
結果は、本発明が、新規な“基礎”光学系として主に経
済的に重要であるということである。次に、これら光学
系の製造は、この分野で一般の状態で実行できる。最後
に、新たな非熱赤外線材料が開発され、また、光学製造
での技術の状態が発展され続けるのに従って、本発明
は、アラインメントに不感知である単一の光学部材で、
既知の複合部材光学集合体を置き換えることで重要な実
用価値を有することができる。また、ダイアモンドの回
転光学系の表面品質が改良されるのに従って、ヘリコプ
ター電信検出や画像レザーレーダのような可視並びに近
赤外線の適用物が、現在の光学技術よりも与えられ得
る。さらに、これら光学系は、非常に低価格でインジエ
クションモールドプラスチックを使用して形成すること
ができ、使用者に、自動車に適用できる配送制御や腐食
警告等への適用をより可能にしている。本発明は、式１
ないし５の光学的規定により、事実上、既知の屈折光学
系の収差をなくすことができる。従来の光学的形式で
は、レンズもしくはレンズ群が光線の全てを単一点にフ
ォーカスさせる精度は、設計者の熟練度並びに連続矯正
をするのに使用できる部材の数により制限されていた。
光学的デザインでの不正確性は、光をフォーカスする能
力を限定する収差を生じる。本発明の効果は、道理に適
った単色光、並びに道理に適って軸上で動作するため
に、光学面は本質的に収差が無く光をフォーカスする。
光軸に平行な光線にとって、収差はほとんどゼロであ
り、これはヘキサゴンのシュミリーションで確認され、
記載で数学的に示されている。記載の表１は、極大／極
小光路距離差、ＲＭＳ等相面エラー、並びに視界の線の
変化の項での、３．７３５ｘの倍率のセレン化亜鉛のビ
ームエックスパンダーの熱的かつ構造的感度を試験した
結果である。さらに、本発明で教えに従う光学部材は、
開口からの外れ（オフ・アパチャー）で完全に動作す
る。また、本発明に係わる光学部材は、入射光線と光軸
との間を、対応する光学面の光学焦点距離に対して短く
維持することにより、ほとんど完全に軸からそれて動作
する。本発明は、異なる屈折率の２つの光学透明媒体間
の屈折楕円光学面のための光学的規定を教える。本発明
に係わる最も多い屈折光学形態は、回転円錐面もしくは
円錐筒である面を有する光学系を使用している。この分
野の者に容易に理解できるように、種々の変形が上記
式、記載並びに／もしくは図面で、本発明の精神と範囲
から逸脱することがなくなされ得る。
に対するP-V OPD 並びにRMS 波面の再フォーカスのみが
示されている。倍率変化は、これが純粋の焦点がずれた
場合でのゲルメイン（ｇｅｒｍａｉｎ）のみであるとし
て表示されていない。これら解析から導かれ得る最初の
結果は、本発明が、新規な“基礎”光学系として主に経
済的に重要であるということである。次に、これら光学
系の製造は、この分野で一般の状態で実行できる。最後
に、新たな非熱赤外線材料が開発され、また、光学製造
での技術の状態が発展され続けるのに従って、本発明
は、アラインメントに不感知である単一の光学部材で、
既知の複合部材光学集合体を置き換えることで重要な実
用価値を有することができる。また、ダイアモンドの回
転光学系の表面品質が改良されるのに従って、ヘリコプ
ター電信検出や画像レザーレーダのような可視並びに近
赤外線の適用物が、現在の光学技術よりも与えられ得
る。さらに、これら光学系は、非常に低価格でインジエ
クションモールドプラスチックを使用して形成すること
ができ、使用者に、自動車に適用できる配送制御や腐食
警告等への適用をより可能にしている。本発明は、式１
ないし５の光学的規定により、事実上、既知の屈折光学
系の収差をなくすことができる。従来の光学的形式で
は、レンズもしくはレンズ群が光線の全てを単一点にフ
ォーカスさせる精度は、設計者の熟練度並びに連続矯正
をするのに使用できる部材の数により制限されていた。
光学的デザインでの不正確性は、光をフォーカスする能
力を限定する収差を生じる。本発明の効果は、道理に適
った単色光、並びに道理に適って軸上で動作するため
に、光学面は本質的に収差が無く光をフォーカスする。
光軸に平行な光線にとって、収差はほとんどゼロであ
り、これはヘキサゴンのシュミリーションで確認され、
記載で数学的に示されている。記載の表１は、極大／極
小光路距離差、ＲＭＳ等相面エラー、並びに視界の線の
変化の項での、３．７３５ｘの倍率のセレン化亜鉛のビ
ームエックスパンダーの熱的かつ構造的感度を試験した
結果である。さらに、本発明で教えに従う光学部材は、
開口からの外れ（オフ・アパチャー）で完全に動作す
る。また、本発明に係わる光学部材は、入射光線と光軸
との間を、対応する光学面の光学焦点距離に対して短く
維持することにより、ほとんど完全に軸からそれて動作
する。本発明は、異なる屈折率の２つの光学透明媒体間
の屈折楕円光学面のための光学的規定を教える。本発明
に係わる最も多い屈折光学形態は、回転円錐面もしくは
円錐筒である面を有する光学系を使用している。この分
野の者に容易に理解できるように、種々の変形が上記
式、記載並びに／もしくは図面で、本発明の精神と範囲
から逸脱することがなくなされ得る。
【図１】本発明に係わる、球面収差のない屈折楕円光学
面の側面図である。
面の側面図である。
【図２】本発明に係わる潜入ビームエックスパンダーの
実施の形態の側面図である。
実施の形態の側面図である。
【図３】Ｙ−Ｚ軸での光学面を示す、光学面のの設計式
の解析誘導で使用されるパラメータの図式表示を示す図
である。
の解析誘導で使用されるパラメータの図式表示を示す図
である。
【図４】Ｙ−Ｚ軸での光学面を記述する楕円パラメータ
を図式表示を示す図である。
を図式表示を示す図である。
【図５】“焦点”形態での本発明に係わる潜入ビームエ
ックスパンダーの斜視図である。
ックスパンダーの斜視図である。
【図６】“非焦点”形態での本発明に係わる潜入ビーム
エックスパンダーの斜視図である。
エックスパンダーの斜視図である。
【図７】図２に示す光学面が光を一点にフォーカスする
回転楕円面である、本発明の異なる実施の形態の斜視図
である。
回転楕円面である、本発明の異なる実施の形態の斜視図
である。
【図８】図２に示す光学面が光を一直線にフォーカスす
る楕円円筒面である、本発明の異なる実施の形態の斜視
図である。
る楕円円筒面である、本発明の異なる実施の形態の斜視
図である。
【図９】図２に示す光学面が光を飛点的にフォーカスす
る歪曲面である、本発明の異なる実施の形態の斜視図で
ある。
る歪曲面である、本発明の異なる実施の形態の斜視図で
ある。
【図１０】本発明で使用される形式のレザーダイオード
の光源の斜視図である。
の光源の斜視図である。
【図１１】（Ａ）は、本発明に係わるコリメータレンズ
に光を入射させる、図１０のレザーダイオードの側面
図、そして（Ｂ）は、図１１（Ａ）のレンズが導かれる
ファイバー事前形成体の断面図である。
に光を入射させる、図１０のレザーダイオードの側面
図、そして（Ｂ）は、図１１（Ａ）のレンズが導かれる
ファイバー事前形成体の断面図である。
【図１２】表面発光ダイオードの側面図である。
【図１３】オフ・アパチャーが使用された、本発明に係
わるコリメータレンズを備えた表面発光ダイオードの側
面図である。
わるコリメータレンズを備えた表面発光ダイオードの側
面図である。
１０２ 光学面 １０４，１０６ 光学媒体 １０８ コリメート光 １１０ 虚焦点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェームス・イー・クレイン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91205、グレンデール、イー・ウインザ ー・ナンバー317 1377
Claims (10)
- 【請求項１】 コリメートされた光線（１０８）を、第
１の媒体（１０４）内で、第２の媒体（１０６）内の主
焦点もしくは第１の媒体（１０４）内の虚焦点に完全に
フォーカスされるように指向させる屈折楕円光学面（１
０２）を有する装置であり、この屈折楕円光学面（１０
２）は、中心が虚焦点から一定距離Zo離れた楕円の半主
軸を中心として回転させた楕円面であり、楕円のベース
曲率(R) と円錐係数(K) とは、相対屈折率(n) と虚焦点
距離 (F)との項で以下の式により表される。Z o ＝F/(n+1) ，K ＝-1/n2 、R ＝(n-1)*F/n 。 - 【請求項２】 前記コリメートされた光線（１０８）の
光軸は、前記屈折楕円光学面（１０２）の光軸から変位
している請求項１の装置。 - 【請求項３】 前記コリメートされた光線（１０８）の
光軸は、前記屈折楕円光学面（１０２）の光軸と一致し
ている請求項１の装置。 - 【請求項４】 前記屈折楕円光学面から光学材により離
された第２の光学面（５０４）をさらに具備し、屈折楕
円光学面と第２の光学面との光学的焦点は、潜入光ビー
ムエックスパンダーを形成するように共通となるように
互いに離れている請求項１の装置。 - 【請求項５】 前記屈折楕円光学面から光学材により離
された第２の光学面（５０６）をさらに具備し、屈折楕
円光学面と第２の光学面との光学的焦点は、潜入光ビー
ムエックスパンダー（５０８）を形成するように共通と
なるように離れており、また、この第２の光学面（５０
６）は楕円形をしている請求項１の装置。 - 【請求項６】 前記屈折楕円光学面から光学材により離
された第２の光学面（２０８）をさらに具備し、屈折楕
円光学面と第２の光学面との光学的焦点は、潜入光ビー
ムエックスパンダー（２０８）を形成するように共通と
なるように離れており、また、第１並びに第２の光学面
（２０４，２０６）は潜入光学系（２０６）と同じ光学
材により形成されている請求項１の装置。 - 【請求項７】 前記屈折楕円光学面から光学材により離
された第２の光学面（６０６）をさらに具備し、屈折楕
円光学面と第２の光学面との光学的焦点は、潜入光ビー
ムエックスパンダー（６０６）を形成するように共通と
なるように離れており、また、第１もしくは第２の光学
面（６０４，６０６）は楕円筒の形状である請求項１の
装置。 - 【請求項８】 前記屈折楕円光学面から光学材により離
された第２の光学面（５０６）をさらに具備し、屈折楕
円光学面と第２の光学面との光学的焦点（５０４，５０
６）は、潜入光ビームエックスパンダー（５０２）を形
成するように共通となるように離れており、また、前記
第２の光学面（５０４）は回転楕円形状である請求項１
の装置。 - 【請求項９】 前記屈折楕円光学面から光学材により離
された第２の光学面をさらに具備し、屈折楕円光学面と
第２の光学面との光学的焦点は、潜入光ビームエックス
パンダーを形成するように共通となるように離れてお
り、また、第１もしくは第２の光学面は歪レンズ（９０
２）である請求項１の装置。 - 【請求項１０】 発光ダイオード（１３０１）の１−デ
ィメンションもしくは２−ディメンション積層（１３０
０）から射出された光線を受光して、屈折楕円光学面
（１３０１）を介してダイオード（１３０１）の出力を
コリメートする第２の平坦な光学面（１３０５）をさら
に具備する請求項１の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/368,447 US5654831A (en) | 1995-01-04 | 1995-01-04 | Refractive ellipsoid optical surface without spherical aberration |
| US368447 | 1995-01-04 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08240793A true JPH08240793A (ja) | 1996-09-17 |
Family
ID=23451237
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7342520A Pending JPH08240793A (ja) | 1995-01-04 | 1995-12-28 | 球面収差の無い屈折楕円光学面 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5654831A (ja) |
| EP (1) | EP0721113A3 (ja) |
| JP (1) | JPH08240793A (ja) |
| CA (1) | CA2166339C (ja) |
| IL (1) | IL116565A0 (ja) |
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