JPWO2004072698A1 - Micro lens array integrated lens - Google Patents

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淳一 久保
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Abstract

ビーム整形機能を備えたマイクロレンスをアレイ化し半導体レーザーの高効率カップリングを実現し、さらに、整形後のレーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化する光学素子を提供する。個々のレーザーダイオードからのビームを整形するためのマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイを一方の面に備え、他方の面に整形後のビームを集光する形状を備える。１実施形態によれば、マイクロレンズの面が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。他の実施形態によれば、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、マイクロレンズの面が、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される。An optical element that realizes high-efficiency coupling of a semiconductor laser by arraying microlenses having a beam shaping function, and further condenses the shaped laser beam into a sufficiently small spot diameter by a lens. A microlens array in which microlenses for shaping beams from individual laser diodes are arranged is provided on one surface, and a shape for condensing the shaped beam is provided on the other surface. According to one embodiment, the surface of the microlens is non-circular in any in-plane cross section including the optical axis. According to another embodiment, the optical axis coincides with the Z-axis of the three-axis orthogonal XYZ coordinate system, and the surface of the microlens includes a term representing a non-rotationally symmetric aspheric profile and at least one correction term. Represented by a mathematical formula.

Description

本発明は、半導体レーザーアレイなどの光源からのビームを集光するためのマイクロレンズアレイ一体型レンズに関する。本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズは、レーザー加工ヘッドなどに使用することができる。  The present invention relates to a microlens array integrated lens for collecting a beam from a light source such as a semiconductor laser array. The microlens array integrated lens of the present invention can be used for a laser processing head or the like.

製造業における穴あけや切断加工は、その超精細化に極めて強い要求があるが、従来の機械加工等では下記に示すような加工限界がある。
プリント基板スルーホール加工においては、機械的なパンチ加工では０．８ｍｍ以下、ドリル加工では０．２ｍｍ以下が不可能である。
金属薄板の穴あけ・切断加工においては、ドリルによる穴あけ加工では直径０．２ｍｍ以下が不可能であり、ウエットエッチング方法ではマスクが必要であり、さらに、ストレートな穴やスリット等の加工が困難である。
ラベル加工においては、複雑微細カッティングができない。従来の加工方法は刃物の場合線幅２００μｍ以下は不可能である。
したがって、これらの限界以下の微細な穴あけや切断加工には、高価なＹＡＧレーザー加工機が用いられている。従来、Ｘｅランプ励起ＹＡＧレーザーが用いられてきたが、近年、エネルギー変換効率の良い半導体ダイオード励起ＹＡＧが用いられるようになっている。しかし、高価で装置サイズが大きいため、その普及には停滞感がある。
ＹＡＧレーザー励起用に開発された高出力半導体レーザーアレイそのものをレーザー加工の光源に直接利用できれば、省エネルギーで安価かつコンパクトで高性能なレーザー加工機、さらには、現在普及しているマシニングセンター等に装着できるコンパクトなレーザー加工ヘッドが開発できる。さらに、将来ＹＡＧレーザー励起用等の市場にも活用可能である。
しかしながら、高出力半導体レーザーアレイは、数１０Ｗクラスのパワー能力を持っているが、その出射ビームは数１０°に広がるため、加工に必要な高エネルギーで微小なスポットに絞ることは極めて困難であった。
また、マイクロレンズアレイを使用したレーザー加工用電源も提案されているが、集光レンズを別途設けるタイプのものであった（たとえば、特開２００２−２６４５２号公報（第２６段落、図８他））。Drilling and cutting in the manufacturing industry are extremely demanded for ultra-fine processing, but conventional machining has the following processing limitations.
In printed circuit board through-hole processing, it is impossible to perform 0.8 mm or less by mechanical punching and 0.2 mm or less by drilling.
In drilling and cutting of thin metal plates, drilling with a drill cannot be performed with a diameter of 0.2 mm or less, and the wet etching method requires a mask, and it is difficult to process straight holes and slits. .
In label processing, complex fine cutting is not possible. In the case of a cutting tool, the conventional processing method cannot make a line width of 200 μm or less.
Therefore, an expensive YAG laser processing machine is used for fine drilling and cutting processing below these limits. Conventionally, a Xe lamp-pumped YAG laser has been used, but in recent years, a semiconductor diode-pumped YAG with high energy conversion efficiency has been used. However, since it is expensive and the apparatus size is large, there is a stagnation in its spread.
If the high-power semiconductor laser array itself developed for YAG laser excitation can be directly used as a laser processing light source, it can be installed in energy-saving, inexpensive, compact, and high-performance laser processing machines, as well as currently popular machining centers. A compact laser processing head can be developed. Furthermore, it can be utilized in the future market for YAG laser excitation.
However, a high-power semiconductor laser array has a power capability of several tens of watts, but its outgoing beam spreads to several tens of degrees, so it is extremely difficult to focus on a small spot with high energy necessary for processing. It was.
A laser processing power source using a microlens array has also been proposed, but it is of a type in which a condensing lens is separately provided (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-26452 (paragraph 26, FIG. 8, etc.)). ).

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものである。すなわち、ビーム整形機能を備えたマイクロレンズをアレイ化し半導体レーザーの高効率カップリングを実現し、さらに、整形後のレーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化する光学素子を提供することを目的とする。なお、ここで、マイクロレンズとは、絶対的な大きさを規定するものではなく、集光面のレンズと比較して相対的に小さいことをいう。
本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズは、個々の光源からのビームを入射するマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイを一方の面に備え、他方の面に整形後のビームを集光または平行化する形状を備える。したがって、半導体レーザーの高効率カップリングを実現し、さらに、レーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化することができる。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの面が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの面が、非回転対称の非球面プロファイルを表す項を含む数式によって表される。
したがって、主に非回転対称の非球面プロファイルによってレーザーのビーム形状を整形し、さらに補正項によって収差をできるだけ小さくするようにすることができる。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数であり、ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ，ＡＰ，ＢＰ，ＣＰおよびＤＰは、補正係数（定数）であるとして、マイクロレンズの面が、式

Figure 2004072698
によって表わされる。したがって、主にｃｘ、ｃｙおよびｋｘ、ｋｙによってレーザーのビーム形状を整形し、さらに補正項によって収差をできるだけ小さくするようにすることができる。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数であり、補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、マイクロレンズの面が、式
Figure 2004072698
によって表わされる。したがって、主にｃｘ、ｃｙおよびｋｘ、ｋｙによってレーザーのビーム形状を整形し、さらに補正項によって収差をできるだけ小さくするようにすることができる。また、補正項についてｘに関する補正項とｙに関する補正項を独立に操作することにより補正の自由度が向上する。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致したときに、ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率、Ａは補正係数であるとして、マイクロレンズの面が、式
Figure 2004072698
によって表わされる。
本発明の１実施形態によれば、前記他方の面が、非球面式によって表わされる。
本発明の１実施形態によれば、前記他方の面が、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致したときに、ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率、Ａは補正係数であるとして、式
Figure 2004072698
によって表わされる。
したがって、整形後のレーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化することができる。
本発明の１実施形態によれば、前記他方の面が、ビームを集光または平行化するシリンドリカル・レンズをなす。したがって、結晶ロッドに励起光を照射して、誘導放出光を取り出すことができる。The present invention has been made in view of the above situation. That is, a microlens equipped with a beam shaping function is arrayed to realize high-efficiency coupling of a semiconductor laser, and further, an optical element that focuses the shaped laser beam into a sufficiently small spot diameter by the lens is provided. Objective. Here, the microlens does not define an absolute size, but means that it is relatively small as compared with the lens on the condensing surface.
The microlens array integrated lens of the present invention includes a microlens array in which microlenses that receive beams from individual light sources are arranged on one surface, and condenses or collimates the shaped beam on the other surface. It has a shape. Therefore, high-efficiency coupling of the semiconductor laser can be realized, and further, the laser beam can be condensed to a sufficiently small spot diameter by the lens.
According to one embodiment of the present invention, the surface of the microlens is non-circular in any in-plane cross section including the optical axis.
According to one embodiment of the invention, the surface of the microlens is represented by a mathematical formula that includes a term that represents a non-rotationally symmetric aspheric profile.
Therefore, the beam shape of the laser can be shaped mainly by the non-rotationally symmetric aspheric profile, and the aberration can be minimized by the correction term.
According to one embodiment of the present invention, the optical axis of the micro lens coincides with the Z axis of a three-axis orthogonal XYZ coordinate system, c x is the curvature of the center of the curve of the XZ cut surface, c y is YZ cutting The center curvature of the surface curve, kx, ky are coefficients representing the shape of the curve, and AR, BR, CR, DR, AP, BP, CP, and DP are correction coefficients (constants). The lens surface is a formula
Figure 2004072698
Is represented by Therefore, it is possible to mainly c x, c y and kx, shapes the laser beam shape by ky, so as to minimize the aberration by further correction term.
According to one embodiment of the present invention, the optical axis of the micro lens coincides with the Z axis of a three-axis orthogonal XYZ coordinate system, c x is the curvature of the center of the curve of the XZ cut surface, c y is YZ cutting Is the center curvature of the surface curve, kx and ky are coefficients representing the shape of the curve, and the correction coefficients A i and B i are constants, and the surface of the microlens is expressed by the equation
Figure 2004072698
Is represented by Therefore, it is possible to mainly c x, c y and kx, shapes the laser beam shape by ky, so as to minimize the aberration by further correction term. In addition, the degree of freedom of correction is improved by independently operating the correction term related to x and the correction term related to y.
According to one embodiment of the present invention, when the optical axis of the micro lens coincides with the Z axis of the three-axis orthogonal XYZ coordinate system, k is a constant that determines the shape of the quadratic curve, c is the central curvature, and A is As the correction factor, the surface of the microlens
Figure 2004072698
Is represented by
According to one embodiment of the invention, the other surface is represented by an aspheric expression.
According to one embodiment of the present invention, when the other surface is coincident with the Z axis of the triaxial orthogonal XYZ coordinate system, k is a constant that determines the shape of the quadratic curve, and c is the central curvature. , A is a correction factor,
Figure 2004072698
Is represented by
Therefore, the shaped laser beam can be condensed to a sufficiently small spot diameter by the lens.
According to an embodiment of the present invention, the other surface forms a cylindrical lens for condensing or collimating the beam. Therefore, stimulated emission light can be extracted by irradiating the crystal rod with excitation light.

第１図は、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの実施形態を示す図である。
第２図は、ビーム整形光学素子を示す図である。
第３図は、ビーム整形光学素子の曲面を示す図である。
第４図は、ビーム整形光学素子の光路を示す図である。
第５図は、シャントスイッチング基本回路を示す図である。
第６図は、出射面を含むマイクロレンズアレイ一体型レンズの形状を示す図である。
第７図は、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの光線の定義方法を示す図である。
第８図は、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの実施形態を示す図である。
第９図は、半導体レーザーとマイクロレンズアレイとの関係を示す図である。
第１０図は、タイプ１の光路のＹＺ断面を示す図である。
第１１図は、タイプ１の光路のＸＺ断面を示す図である。
第１２図は、タイプ１の光路の立体図である。
第１３図は、タイプ１のピークを含むＹ方向およびＸ方向のスポット断面を示す図である。
第１４図は、タイプ２の光路のＹＺ断面を示す図である。
第１５図は、タイプ２の光路のＸＺ断面を示す図である。
第１６図は、タイプ２の光路の立体図である。
第１７図は、タイプ２のピークを含むＹ方向およびＸ方向のスポット断面を示す図である。
第１８図は、タイプ３の光路のＹＺ断面を示す図である。
第１９図は、タイプ３の光路のＸＺ断面を示す図である。
第２０図は、タイプ３の光路の立体図である。
第２１図は、タイプ３のピークを含むＹ方向およびＸ方向のスポット断面を示す図である。
第２２図は、タイプ４の光路のＹＺ断面を示す図である。
第２３図は、タイプ４の光路のＸＺ断面を示す図である。
第２４図は、タイプ４の光路の立体図である。
第２５図は、タイプ４のピークを含むＹ方向およびＸ方向のスポット断面を示す図である。
第２６図は、半導体レーザーアレイのポンピングによる固体レーザ発振を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a microlens array integrated lens of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a beam shaping optical element.
FIG. 3 is a diagram showing a curved surface of the beam shaping optical element.
FIG. 4 is a diagram showing an optical path of the beam shaping optical element.
FIG. 5 is a diagram showing a shunt switching basic circuit.
FIG. 6 is a diagram showing the shape of a microlens array integrated lens including an exit surface.
FIG. 7 is a diagram showing a light beam defining method of the microlens array integrated lens of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of a microlens array integrated lens of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the semiconductor laser and the microlens array.
FIG. 10 is a view showing a YZ section of a type 1 optical path.
FIG. 11 is a view showing an XZ section of a type 1 optical path.
FIG. 12 is a three-dimensional view of a type 1 optical path.
FIG. 13 is a diagram showing spot cross sections in the Y direction and the X direction including type 1 peaks.
FIG. 14 is a view showing a YZ section of a type 2 optical path.
FIG. 15 is a view showing an XZ section of a type 2 optical path.
FIG. 16 is a three-dimensional view of a type 2 optical path.
FIG. 17 is a diagram showing spot cross sections in the Y direction and X direction including type 2 peaks.
FIG. 18 is a view showing a YZ section of a type 3 optical path.
FIG. 19 is a view showing an XZ section of a type 3 optical path.
FIG. 20 is a three-dimensional view of a type 3 optical path.
FIG. 21 is a diagram showing spot cross sections in the Y direction and X direction including type 3 peaks.
FIG. 22 is a view showing a YZ section of a type 4 optical path.
FIG. 23 is a view showing an XZ section of a type 4 optical path.
FIG. 24 is a three-dimensional view of a type 4 optical path.
FIG. 25 is a diagram showing spot cross sections in the Y direction and X direction including type 4 peaks.
FIG. 26 is a diagram showing solid-state laser oscillation by pumping a semiconductor laser array.

図１および図８に本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの構成を示す。マイクロレンズアレイ一体型レンズの入射面には、レーザーダイオードアレイの個々のレーザーごとに、ビーム整形機能を備えたマイクロレンズを備えたアレイが設けられている。マイクロレンズアレイ一体型レンズの出射面は、整形後のビームを集光するように設計される。
なお、レーザーダイオードアレイは、超短パルス生成回路と接続されている。超短パルス生成回路は、図５に示すエネルギー効率の良いシャントスイッチング回路を用いる。すなわち、インダクタンスＬに流す電流ｉをパワーＭＯＳＦＥＴでスイッチングすることにより、瞬間的に半導体レーザーＬＤに大電流を流し、電気的に短パルス圧縮動作させる。
マイクロレンズの面は、光軸をＺ軸として以下の式に基づいて定める。

Figure 2004072698
ここで、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｘ＝１／Ｒｘ、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙ＝１／Ｒｙである。ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数である。第２項以下は曲面からのずれを表す補正項である。ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ，ＡＰ，ＢＰ，ＣＰおよびＤＰは、補正係数（定数）である。
あるいは、以下の式によって定められる。
Figure 2004072698
ここで、ｃｘおよびｃｙはそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数である。
上記の式（１）または（２）において、第１項の非球面プロファイルを表す項の係数を調整することにより、主にビーム形状の変更などの機能を達成することができる。ここで、ビーム形状の変更とは、半導体レーザーから放射されるエネルギー分布が楕円形状のビームをエネルギー分布がほぼ円形状のビームに変更することである。さらに、ＸおよびＹ補正項の係数を操作することにより波面収差を最小とするなどの機能を達成することができる。
マイクロレンズにおいて超解像を利用することによりビームのスポット径を小さくし焦点深度を大きくすることができる。
図２は、ビーム整形光学素子の１例を示す図である。図３は、ビーム整形光学素子の曲面の１例を示す図である。図４は、ビーム整形光学素子の光路の１例を示す図である。
設計において０．０７λの波面収差を得ることができれば、表１の最下列のように２０μｍ以下のスポット径が得られる。なお、表１は、レンズ径と焦点距離および１／ｅ２スポット径との一般的な関係を示す。表１において、ｂｒｅおよびｒｅは中間パラメータを示す。表１からレンズ径や焦点距離にもよるが、１０μｍを下回るスポット径も充分可能である。
Figure 2004072698
つぎに、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの出射面（Ｓ２面）の形状について説明する。図６に出射面を含むマイクロレンズアレイ一体型レンズの形状を示す。Ｓ２面は、たとえば、以下の２次曲線を光軸の周りに回転させた光軸対称回転面である。ただし、光軸をｚ、光軸に垂直な面の座標をｘ、ｙで表わしている。ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率である。また、Ａは補正係数である。
Figure 2004072698
補正係数Ａとして、たとえば４次までの係数を使用する。図６の光学系の設計仕様を表２に示す。表中の丸で囲った数字は、図６中のそれと対応する。表２において、ＬＤは、光源であるレーザーダイオードを表す。
Figure 2004072698
図７によって光線の定義方法を説明する。Ｓ２面を偏芯させて、Ｓ２面を偏芯させた同じ量だけ像面での主光線位置（集光位置）を変化させるようにする。結果としての、面偏芯量と集光位置との関係を表３に示す。
Figure 2004072698
なお、レーザーダイオードアレイをマイクロレンズアレイの近くに設ける図１に示した実施形態の他に、光ファイバーを介してレーザービームをマイクロレンズアレイに供給する実施形態も考えられる。
なお、本発明の別の実施形態として、図２６に示すように、結晶ロッドに反射光を照射させて誘導放出光を取り出すシステムが考えられる。この場合に、レンズアレイ面の他方の面には、シリンドリカル・レンズを配置し、結晶ロッドへ集光または平行化した光束を入射させる。
設計例１
本設計例では、表４に示される、２５個の半導体レーザー（ＬＤ）のアレイを用いる。半導体レーザーから出射された光線は、ガウス分布と仮定し、理想有効ガウスエネルギー８６．５％を取り込むように開口数ＮＡを規定している。
Figure 2004072698
表４に示される半導体レーザーを使用し、図９に示すように座標系をくみ、アレイ状に並んでいる各半導体レーザーに対応させるように、半導体レーザー側の面にレンズアレイエレメントを設ける。光学系は、表１に示される開口数ＮＡを備えた、それぞれの半導体レーザーから出射された主光線が像面上で１点に集まり、波面収差をできるだけ小さくするように設計する。設計は、光学設計ソフトを使用して行う。
レンズの評価指標として強度倍率を定義する。半導体レーザーから出射「される光線を理想有効ガウスエネルギー８６．５％で取り込み、波面収差のない理想レンズで集光した場合の強度倍率を１とする。したがって、有効ガウスエネルギー（％）を８６．５（％）で除して、ストレール比を乗じた値が強度倍率となる。ここで、ストレール比とは、理想レンズによる強度に対する、波面収差により減少した結果の強度の割合である。
ところで、異なった光源からの光が重ね合わされた場合、干渉は通常の条件では観測されず、どの場所でも全体の強度は個々の光束の強度の和に等しい（「光学の原理ＩＩ」東海大学出版会、４２１頁）。したがって、それぞれの半導体レーザーの強度分布を別個に計算し、和を求めることにより全体の強度分布を計算する。このように、２５個の半導体レーザーを使用した場合の最大の強度倍率は２５である。
別の評価指標としてスポット径を定義する。像面強度分布において、ピーク強度に対して、強度１３．５％（１／ｅ２）以上の範囲をスポットとしてＸ方向およびＹ方向のスポット径を計算する。スポット径が小さいほど微細加工が容易になる。
さらに、別の評価指標としてサイドローブを定義する。像面強度分布において、ピーク強度に対して、２番目のピークとみなせる場所の強度の比率（％）をサイドローブとする。
設計例１のレンズ仕様と上記の評価指標とを表５に示す。表５においてタイプ１は、マイクロレンズの面を式（２）で規定し、像側の集光面（Ｓ２面）を式（３）で規定している。表５においてタイプ２は、マイクロレンズの面のおよび像側の集光面（Ｓ２面）を式（３）で規定している。表５において、ＬＤ−Ｓ１面距離は、半導体レーザーと対応するマイクロレンズ面との間の距離を表す。ＢＦは、バックフォーカスを表す。また、面定義のＦｒｅｅ Ｆｏｒｍは、式（２）で定義される面を表し、非球面は式（３）で定義される面を表す。なお、式（２）代わりに式（１）を使用しても、同様に設計を行うことができる。
Figure 2004072698
表５において、タイプ１は、強度倍率、スポット径およびサイドローブのいずれの評価指標においてもタイプ２よりも優れている。実際、タイプ１の波面収差は、タイプ２の波面収差と比較してきわめて小さい。このように、マイクロレンズの面を式（２）で規定することにより波面収差をきわめて小さくすることができる。
タイプ１およびタイプ２の各係数を表６に示す。タイプ１の光路図を図１０乃至１２に、ピークを含むスポット断面図を図１３に示す。タイプ２の光路図を図１４乃至１６に、ピークを含むスポット断面図を図１７に示す。
Figure 2004072698
設計例２
本設計例では、表７に示される、４６個の半導体レーザー（ＬＤ）のアレイを用いる。なお、表７には、設計例１のアレイも併せて示している。
Figure 2004072698
設計例１と設計例２との半導体レーザーの相違として、出射角と出射角のＸＹ比がある。半導体レーザー数は増加しているが、半導体レーザーアレイのピッチが小さくなっているので、最大物体高が小さくなり設計しやすくなっている。
設計例２のレンズ仕様と評価指標とを表８に示す。なお、表８には設計例１のレンズ仕様と評価指標とを併せて示している。表８においてタイプ３およびタイプ４は、マイクロレンズの面および像側の集光面（Ｓ２面）を式（３）で規定している。タイプ３は、バックフォーカスを４５ｍｍとし、タイプ４は、バックフォーカスを３０ｍｍとしている。
Figure 2004072698
設計例２の場合は、マイクロレンズの面と集光面の両面を式（３）で規定しても良好な評価指標が得られる。設計例２の場合には、設計例１の場合よりも半導体レーザー数が多いにもかかわらず、ピッチが小さいために物体高が小さくなり、設計が容易になる。このため、式（２）で規定する必要がない。
タイプ３およびタイプ４の各係数を表９に示す。タイプ３の光路図を図１８乃至２０に、ピークを含むスポット断面図を図２１に示す。タイプ４の光路図を図２２乃至２４に、ピークを含むスポット断面図を図２５に示す。
Figure 2004072698
1 and 8 show the configuration of the microlens array integrated lens of the present invention. On the incident surface of the microlens array integrated lens, an array including a microlens having a beam shaping function is provided for each laser of the laser diode array. The exit surface of the microlens array integrated lens is designed to collect the shaped beam.
The laser diode array is connected to an ultrashort pulse generation circuit. The ultrashort pulse generation circuit uses the energy efficient shunt switching circuit shown in FIG. That is, by switching the current i flowing through the inductance L by the power MOSFET, a large current is instantaneously supplied to the semiconductor laser LD, and an electrical short pulse compression operation is performed.
The surface of the microlens is determined based on the following formula with the optical axis as the Z axis.
Figure 2004072698
Here, c x is the curvature of the center of the curve of the XZ cut surface, c x = 1 / Rx, c y is the center of curvature of the curve of YZ cut surface is a c y = 1 / Ry. kx and ky are coefficients representing the shape of the curve. The second and following terms are correction terms representing deviation from the curved surface. AR, BR, CR, DR, AP, BP, CP, and DP are correction coefficients (constants).
Or it is defined by the following formula.
Figure 2004072698
Here, c x and c y are the curvatures of the surfaces in the X-axis and Y-axis directions, respectively, and k x and k y and correction coefficients A i and B i are constants.
In the above formula (1) or (2), by adjusting the coefficient of the term representing the aspheric profile of the first term, it is possible to mainly achieve functions such as changing the beam shape. Here, changing the beam shape means changing a beam having an elliptical energy distribution emitted from a semiconductor laser to a beam having an approximately circular energy distribution. In addition, functions such as minimizing wavefront aberration can be achieved by manipulating the coefficients of the X and Y correction terms.
By using super-resolution in the microlens, the beam spot diameter can be reduced and the depth of focus can be increased.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a beam shaping optical element. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a curved surface of the beam shaping optical element. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an optical path of the beam shaping optical element.
If a wavefront aberration of 0.07λ can be obtained in the design, a spot diameter of 20 μm or less can be obtained as shown in the bottom row of Table 1. Table 1 shows a general relationship between the lens diameter, the focal length, and the 1 / e 2 spot diameter. In Table 1, bre and re indicate intermediate parameters. Although depending on the lens diameter and focal length from Table 1, a spot diameter of less than 10 μm is sufficiently possible.
Figure 2004072698
Next, the shape of the emission surface (S2 surface) of the microlens array integrated lens of the present invention will be described. FIG. 6 shows the shape of a microlens array integrated lens including an exit surface. The S2 surface is, for example, an optical axis symmetric rotation surface obtained by rotating the following quadratic curve around the optical axis. However, the optical axis is represented by z, and the coordinates of the plane perpendicular to the optical axis are represented by x and y. k is a constant that determines the shape of the quadratic curve, and c is the central curvature. A is a correction coefficient.
Figure 2004072698
As the correction coefficient A, for example, coefficients up to the fourth order are used. Table 2 shows design specifications of the optical system of FIG. The numbers in circles in the table correspond to those in FIG. In Table 2, LD represents a laser diode that is a light source.
Figure 2004072698
A method for defining light rays will be described with reference to FIG. The S2 surface is decentered, and the principal ray position (condensing position) on the image plane is changed by the same amount by which the S2 surface is decentered. Table 3 shows the relationship between the surface eccentricity and the light collection position as a result.
Figure 2004072698
In addition to the embodiment shown in FIG. 1 in which the laser diode array is provided near the microlens array, an embodiment in which a laser beam is supplied to the microlens array via an optical fiber is also conceivable.
As another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 26, a system for extracting stimulated emission light by irradiating a crystal rod with reflected light can be considered. In this case, a cylindrical lens is disposed on the other surface of the lens array surface, and a condensed or collimated light beam is incident on the crystal rod.
Design example 1
In this design example, an array of 25 semiconductor lasers (LD) shown in Table 4 is used. The light beam emitted from the semiconductor laser is assumed to have a Gaussian distribution, and the numerical aperture NA is defined so as to capture the ideal effective Gaussian energy of 86.5%.
Figure 2004072698
Using the semiconductor laser shown in Table 4, a lens array element is provided on the surface on the semiconductor laser side so as to correspond to the respective semiconductor lasers arranged in an array shape with a coordinate system as shown in FIG. The optical system is designed so that the principal rays emitted from the respective semiconductor lasers having the numerical aperture NA shown in Table 1 gather at one point on the image plane, and the wavefront aberration is minimized. The design is performed using optical design software.
Intensity magnification is defined as a lens evaluation index. The intensity magnification when a light beam emitted from a semiconductor laser is captured at an ideal effective Gaussian energy of 86.5% and condensed by an ideal lens having no wavefront aberration is 1. Therefore, the effective Gaussian energy (%) is set at 86. The value obtained by dividing by 5 (%) and multiplying by the Strehl ratio is the intensity magnification, where the Strehl ratio is the ratio of the intensity resulting from wavefront aberration to the intensity of the ideal lens.
By the way, when light from different light sources are superimposed, interference is not observed under normal conditions, and the overall intensity is equal to the sum of the intensity of each light beam at any location ("Optical Principle II" Tokai University Press). Meeting, page 421). Therefore, the intensity distribution of each semiconductor laser is calculated separately, and the total intensity distribution is calculated by obtaining the sum. Thus, the maximum intensity magnification when 25 semiconductor lasers are used is 25.
The spot diameter is defined as another evaluation index. In the image plane intensity distribution, the spot diameters in the X direction and the Y direction are calculated with a spot having an intensity of 13.5% (1 / e 2 ) or more as a spot with respect to the peak intensity. Fine processing becomes easier as the spot diameter is smaller.
Furthermore, a side lobe is defined as another evaluation index. In the image plane intensity distribution, the ratio (%) of the intensity of the place that can be regarded as the second peak to the peak intensity is defined as a side lobe.
Table 5 shows the lens specifications of the design example 1 and the evaluation index. In Table 5, for type 1, the surface of the microlens is defined by equation (2), and the image-side condensing surface (S2 surface) is defined by equation (3). In Table 5, type 2 defines the condensing surface (S2 surface) on the surface of the microlens and on the image side by Expression (3). In Table 5, the LD-S1 surface distance represents the distance between the semiconductor laser and the corresponding microlens surface. BF represents back focus. Also, the surface definition Free Form represents a surface defined by the equation (2), and the aspheric surface represents a surface defined by the equation (3). Note that the same design can be performed by using the formula (1) instead of the formula (2).
Figure 2004072698
In Table 5, Type 1 is superior to Type 2 in any evaluation index of intensity magnification, spot diameter, and side lobe. In fact, the type 1 wavefront aberration is very small compared to the type 2 wavefront aberration. In this way, the wavefront aberration can be made extremely small by defining the surface of the microlens by equation (2).
Table 6 shows the coefficients of type 1 and type 2. A type 1 optical path diagram is shown in FIGS. 10 to 12, and a spot sectional view including a peak is shown in FIG. 14 to 16 show type 2 optical path diagrams, and FIG. 17 shows a spot sectional view including peaks.
Figure 2004072698
Design example 2
In this design example, an array of 46 semiconductor lasers (LD) shown in Table 7 is used. Table 7 also shows the array of design example 1.
Figure 2004072698
As a difference between the semiconductor lasers of the design example 1 and the design example 2, there is an XY ratio between the emission angle and the emission angle. Although the number of semiconductor lasers is increasing, the pitch of the semiconductor laser array is decreasing, so the maximum object height is reduced and the design is easy.
Table 8 shows the lens specifications and evaluation indices of Design Example 2. Table 8 also shows the lens specifications and evaluation indices of design example 1. In Table 8, type 3 and type 4 define the surface of the microlens and the light condensing surface (S2 surface) on the image side by the equation (3). Type 3 has a back focus of 45 mm, and Type 4 has a back focus of 30 mm.
Figure 2004072698
In the case of design example 2, a good evaluation index can be obtained even if both the surface of the microlens and the light condensing surface are defined by equation (3). In the case of the design example 2, although the number of semiconductor lasers is larger than that in the case of the design example 1, since the pitch is small, the object height becomes small and the design becomes easy. For this reason, it is not necessary to prescribe | regulate by Formula (2).
Table 9 shows the coefficients of type 3 and type 4. 18 to 20 show type 3 optical path diagrams, and FIG. 21 shows a spot cross-sectional view including peaks. 22 to 24 show type 4 optical path diagrams, and FIG. 25 shows a spot cross-sectional view including peaks.
Figure 2004072698

Claims (10)

個々の光源からのビームを入射するマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイを一方の面に備え、他方の面にビームを集光するまたは平行化する形状を備えるマイクロレンズアレイ一体型レンズ。A microlens array-integrated lens having a microlens array in which microlenses for injecting beams from individual light sources are arranged on one surface and a shape for condensing or collimating the beam on the other surface. マイクロレンズの面が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である請求項１に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。The microlens array-integrated lens according to claim 1, wherein the surface of the microlens is non-circular in any in-plane cross section including the optical axis. マイクロレンズの面が、非回転対称の非球面プロファイルを表す項を含む数式によって表される請求項１または２に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。The microlens array-integrated lens according to claim 1 or 2, wherein the surface of the microlens is represented by a mathematical expression including a term representing a non-rotationally symmetric aspheric profile. マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数であり、ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ，ＡＰ，ＢＰ，ＣＰおよびＤＰは、補正係数（定数）であるとして、マイクロレンズの面が、式
Figure 2004072698
によって表わされる請求項３に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。Consistent with the Z-axis optical axis of a three-axis orthogonal XYZ coordinate system of microlenses, c x is the curvature of the center of the curve of the XZ cut surface, c y is the center of curvature of the curve of YZ cut surface, kx , Ky are coefficients representing the shape of the curve, and AR, BR, CR, DR, AP, BP, CP and DP are correction coefficients (constants), and the surface of the microlens
Figure 2004072698
The microlens array-integrated lens according to claim 3, represented by: マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数であり、補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、マイクロレンズの面が、式
Figure 2004072698
によって表わされる請求項３に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。Consistent with the Z-axis optical axis of a three-axis orthogonal XYZ coordinate system of microlenses, c x is the curvature of the center of the curve of the XZ cut surface, c y is the center of curvature of the curve of YZ cut surface, kx , Ky are coefficients representing the shape of the curve, and the correction coefficients A i and B i are constants.
Figure 2004072698
The microlens array-integrated lens according to claim 3, represented by: マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致したときに、ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率、Ａは補正係数であるとして、マイクロレンズの面が、式
Figure 2004072698
によって表わされる請求項１に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。When the optical axis of the microlens coincides with the Z axis of the three-axis orthogonal XYZ coordinate system, k is a constant that determines the shape of the quadratic curve, c is the central curvature, and A is the correction coefficient. But the expression
Figure 2004072698
The microlens array-integrated lens according to claim 1 represented by: 前記他方の面が、非球面式によって表わされる請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。The microlens array integrated lens according to any one of claims 1 to 6, wherein the other surface is represented by an aspherical expression. 前記他方の面が、当該面の光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致したときに、ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率、Ａは補正係数であるとして、式
Figure 2004072698
によって表わされる請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。When the optical axis of the other surface coincides with the Z axis of the three-axis orthogonal XYZ coordinate system, k is a constant that determines the shape of the quadratic curve, c is the central curvature, and A is a correction coefficient. As an expression
Figure 2004072698
The microlens array integrated lens according to any one of claims 1 to 6, represented by: マイクロレンズに超解像を利用した請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。The microlens array integrated lens according to any one of claims 1 to 8, wherein super-resolution is used for the microlens. 前記他方の面が、ビームを集光または平行化するシリンドリカル・レンズをなす請求項１に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。The microlens array-integrated lens according to claim 1, wherein the other surface forms a cylindrical lens that condenses or collimates the beam.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102621822B (en) * 2012-04-13 2014-03-05 中国科学院光电技术研究所 Lens for realizing curved surface to plane super-resolution reduction imaging photoetching
JP6664621B2 (en) * 2014-05-27 2020-03-13 ナルックス株式会社 Method of manufacturing optical system including microlens array
CN109648951B (en) * 2019-01-04 2020-07-24 江苏科麦特科技发展有限公司 Non-continuous aluminum-plastic composite belt and preparation method thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5594752A (en) * 1992-12-07 1997-01-14 Sdl, Inc. Diode laser source with concurrently driven light emitting segments
JP2000292738A (en) * 1999-04-02 2000-10-20 Ricoh Co Ltd Beam shaping optical system and recording and reproducing device

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1233285B1 (en) * 1999-11-10 2012-07-25 Hamamatsu Photonics K.K. Manufacturing method of optical lens
JP4213402B2 (en) * 2002-05-23 2009-01-21 富士フイルム株式会社 Condensing lens, combined laser light source and exposure apparatus

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5594752A (en) * 1992-12-07 1997-01-14 Sdl, Inc. Diode laser source with concurrently driven light emitting segments
JP2000292738A (en) * 1999-04-02 2000-10-20 Ricoh Co Ltd Beam shaping optical system and recording and reproducing device

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