JPWO2019138476A1 - 平行光発生装置 - Google Patents
平行光発生装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2019138476A1 JPWO2019138476A1 JP2019565115A JP2019565115A JPWO2019138476A1 JP WO2019138476 A1 JPWO2019138476 A1 JP WO2019138476A1 JP 2019565115 A JP2019565115 A JP 2019565115A JP 2019565115 A JP2019565115 A JP 2019565115A JP WO2019138476 A1 JPWO2019138476 A1 JP WO2019138476A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- lens
- light
- light source
- curvature
- incident
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 62
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 22
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 46
- 230000009471 action Effects 0.000 description 44
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 3
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 3
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
- G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
- G02B19/0052—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a laser diode
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/30—Collimators
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
- G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
- G02B19/0052—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a laser diode
- G02B19/0057—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a laser diode in the form of a laser diode array, e.g. laser diode bar
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0916—Adapting the beam shape of a semiconductor light source such as a laser diode or an LED, e.g. for efficiently coupling into optical fibers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0916—Adapting the beam shape of a semiconductor light source such as a laser diode or an LED, e.g. for efficiently coupling into optical fibers
- G02B27/0922—Adapting the beam shape of a semiconductor light source such as a laser diode or an LED, e.g. for efficiently coupling into optical fibers the semiconductor light source comprising an array of light emitters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0938—Using specific optical elements
- G02B27/095—Refractive optical elements
- G02B27/0955—Lenses
- G02B27/0966—Cylindrical lenses
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
- G02B3/06—Simple or compound lenses with non-spherical faces with cylindrical or toric faces
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
- G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lenses (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
光源から出射された光は、伝搬に伴って広がっていく。そのため、光源から出射された光を効率よく、後段の光学系あるいは照射面まで伝送させるには、光源から出射された光の広がり角を小さくすることで、光源から出射された光を平行光に近い光に変換することが求められている。
この平行光発生装置は、光をコリメートするレンズとして、非球面単レンズを使用し、広がり角が大きな光を出射する光源を当該レンズの入射面側の焦点位置に配置することで、光源から出射された光を平行光に変換している。
したがって、レンズから出射される光の広がり角を小さくしようとすると、平行光発生装置が大型になり、平行光発生装置を小型にしようとすると、レンズから出射される光の広がり角を小さくすることができないという課題があった。
従来の平行光発生装置が備えている光源は、点光源ではなく、有限の大きさの発光点を有する光源である。
レンズによりコリメートされた光の水平方向での広がり半角θho及びレンズによりコリメートされた光の垂直方向での広がり半角θvoは、光源の水平方向の発光半幅がwh、光源の垂直方向の発光半幅がwv、レンズの焦点距離がfであるとすると、以下の式(1)のように表される。垂直方向は、水平方向と直交している方向である。
光源の発光幅は、一般的に、ユーザが自由に変更することができないため、広がり角を小さくするには、レンズの焦点距離fを長くする必要がある。光源は、レンズの入射面側の焦点位置に配置されるため、焦点距離fを長くするほど、光源とレンズの間隔が広くなる。
水平方向での広がり半角θhi及び垂直方向での広がり半角θviのうち、垂直方向での広がり半角θviの方が大きい場合には、レンズの入射面での光線の発光半幅wv1は、以下の式(2)のように表される。
焦点距離fのレンズを用いる場合、焦点距離fと正比例する有効開口Φを有するレンズが必要となり、焦点距離fを長くすると、より大きな有効開口Φを有するレンズが必要となる。
焦点距離fのレンズを用いる場合、広がり半角θvi内のエネルギーを効率よく利用するには、レンズの有効開口Φは、2×wv1以上とすることが好ましい。
レンズの有効開口Φが、2×wv1よりも小さい場合、広がり半角θvi内のエネルギーの一部が、ケラレによって失われるため、広がり半角θvi内のエネルギーを効率よく利用することができなくなる。
正弦条件を満足する厚みのあるレンズについては、光線の発光半幅wv1の計算式が代わる。具体的には、式(2)におけるf×Tan(θvi)が、f×Sin(θvi)に代わる。しかし、焦点距離f、広がり半角θvi及び光線の発光半幅wv1の間に関係があることには変わりない。
つまり、コリメート後の広がり半角θho,θvoを小さくするには、焦点距離fを長くして、有効開口Φが大きなレンズと光源の間隔を広げる必要がある。焦点距離fが短いレンズを用いると、広がり半角θho,θvoを小さくすることができない。このため、平行光発生装置の小型化と、小さな広がり角と、高い光利用効率との全てを満足させることが困難である。
図1は、実施の形態1による平行光発生装置を示す構成図である。
図1Aは、実施の形態1による平行光発生装置を示す平面図、図1Bは、実施の形態1による平行光発生装置を示す側面図である。
図2は、実施の形態1による平行光発生装置の光源1を示す構成図である。
図2Aは、実施の形態1による平行光発生装置の光源1を示す平面図、図1Bは、実施の形態1による平行光発生装置の光源1を示す側面図である。
図1及び図2において、z方向は、平行光発生装置の光軸方向である。
x方向は、光軸方向と直交している平行光発生装置の水平方向、y方向は、光軸方向及びx方向のそれぞれと直交している平行光発生装置の垂直方向である。
レンズ2は、光源1から出射された光を入射する入射面3が凸面であって、入射面3から入射された光を出射する出射面4がシリンドリカル面であり、入射面3から入射された光を平行光に変換して、出射面4から平行光を出射する光学素子である。
レンズ2により変換された平行光は、厳密な平行光に限るものではなく、概ね平行な光も含む概念である。
レンズ2の光軸10に対して垂直な面内において、出射面4であるシリンドリカル面が曲率を持たない方向が、レンズ2の母線方向であり、シリンドリカル面が曲率を持つ方向で、かつ、母線方向と直交する方向が、レンズ2の曲率方向である。
図1Aは、出射面4が曲率を持っている方向であるレンズ2の曲率方向を示しており、図1Bは、出射面4が曲率を持っていない方向であるレンズ2の母線方向を示している。
光源1は、レンズ2の母線方向での広がり角と、レンズ2の曲率方向での広がり角とが異なる光をレンズ2の入射面3に出射する光源である。
この実施の形態1では、図1Bに示す母線方向での広がり角が、図1Aに示す曲率方向での広がり角よりも広くなっている例を示している。
図1A及び図2Aにおいて、30aは、光源1から出射された光のうち、レンズ2の曲率方向での光線を示している。
図1B及び図2Bにおいて、30bは、光源1から出射された光のうち、レンズ2の母線方向での光線を示している。
光源1内の位置22は、レンズ2の曲率方向に相当するx方向への光の仮想的な出射点である。
焦点位置21は、光源1の端面の位置であり、光源1の端面の位置は、レンズ2の母線方向に相当するy方向への光の出射点である。
したがって、光源1は、図2に示すように、x方向への光の仮想的な出射点と、y方向への光の出射点とが異なる非点隔差を有する光源である。
図1A及び図2Aに示している光線30aの広がり半角θh1は、光源1から出射される光の最小の広がり半角であり、例えば、2〜15°の角度である。
図1B及び図2Bに示している光線30bの広がり半角θv1は、光源1から出射される光の最大の広がり半角であり、例えば、15〜45°の角度である。
光源1におけるx方向の発光幅1aは、数μmから数100μmの範囲であり、光源1におけるy方向の発光幅1bは、1μmから数μmの範囲である。
光源1である半導体レーザは、図2A及び図2Bに示すように、数μmから20μm程度の非点隔差を有しており、x方向への光の仮想的な出射点と、y方向への光の出射点とが異なっている。このため、光源1から放射されるx−z面での光は、光源1の端面の位置よりも内側の位置22から出射される。
レンズ2は、研磨、モールド成形、エッチングなどの一般的なレンズの作製方法で作製することができる。
図1に示すレンズ2には図示していないが、レンズ2の入射面3及び出射面4のそれぞれの表面には、光源1から出射された光の反射を防ぐ反射防止膜が施されているようにしてもよい。また、光量モニタなどを用意して、入射面3及び出射面4のそれぞれに反射された光を利用するようにしてもよい。
出射面4であるシリンドリカル面は、レンズ2の光軸10に対して垂直な面内において、図1Aに示すように、曲率を持っている方向と、図1Bに示すように、曲率を持っていない方向とを有している。
シリンドリカル面は、図1Aに示すように、曲率を持っている方向では凸面であり、図1Bに示すように、曲率を持っていない方向では平面である。
レンズ2の出射面4は、x−z面では曲率半径がRh2、y−z面では曲率半径がRv2である。
この実施の形態1では、入射面3が、光軸10に対して軸対称な凸面である例を示しているため、Rh1=Rv1である。
また、この実施の形態1では、出射面4であるシリンドリカル面が、y−z面では平面である例を示しているため、Rv2=∞である。
式(3)において、曲率半径Rh1の符号は、入射面3と光軸10との交点を基準にして、入射面3の曲率中心の位置が光源1側にあれば正、入射面3の曲率中心の位置が光源1と対向する側にあれば負である。
図1の例では、入射面3が凸面であり、入射面3と光軸10との交点を基準にして、入射面3の曲率中心の位置が、光源1と対向する側にあるため、曲率半径Rh1の符号は、負である。なお、入射面3が凹面であれば、入射面3の曲率中心の位置が、光源1側になるため、曲率半径Rh1の符号は、正となる。
曲率半径Rh2の符号は、出射面4と光軸10との交点を基準にして、曲率中心の位置が光源1側にあれば正、曲率中心の位置が光源1と対向する側にあれば負である。
図1の例では、出射面4が凸面であり、出射面4と光軸10との交点を基準にして、出射面4の曲率中心の位置が、光源1側にあるため、曲率半径Rh2の符号は、正である。なお、出射面4が凹面であれば、出射面4の曲率中心の位置が、光源1と対向する側になるため、曲率半径Rh2の符号は、負となる。
式(4)において、h1は、レンズ2の母線方向における光源1側の主点位置であり、符号は、入射面3と光軸10の交点からレンズ2の内部の方向に向かって正である。
図3Aは、レンズ2の曲率方向での光線30aを示す説明図であり、図3Bは、レンズ2の母線方向での光線30bを示す説明図である。
光源1から出射された光のうち、レンズ2の曲率方向での光線30aと、レンズ2の母線方向での光線30bとは、レンズ2によって異なる作用を受ける。
この実施の形態1では、説明の簡単化のため、レンズ2の曲率方向については、光線30aのみを考え、レンズ2の母線方向については、光線30bのみを考える。
ビーム径が拡大された光線30aは、出射面4における曲率半径Rh2の凸面によって、広がり角が小さくされて、レンズ2の外部に出射される。
以下、光線行列を用いて、光線30aの動作を説明する。光線行列は、例えば、以下の非特許文献1に開示されている。
[非特許文献1]Lasers,A.E.Siegman,University Science Books,Mill Valley
レンズ2の動作は、レンズ2における各々の光学要素によって、光線30aが受ける作用として説明することができる。
光線30aが各々の光学要素によって与えられる作用としては、レンズ2の入射面3で与えられる作用と、レンズ2の内部で与えられる作用と、レンズ2の出射面4で与えられる作用とが考えられる。
レンズ2の入射面3で与えられる作用は、曲率半径がRh1であり、屈折率がnである誘電体境界面によって与えられる作用である。
レンズ2の内部で与えられる作用は、中心厚さがdである誘電体内部によって与えられる作用である。
レンズ2の出射面4で与えられる作用は、曲率半径がRh2であり、屈折率がnである誘電体境界面で与えられる作用である。
以下の式(6)は、光源1より出射されてから、レンズ2の入射面3に入射されるまでの間に受ける作用である。
以下の式(7)は、レンズ2の入射面3で与えられる作用である。
以下の式(8)は、レンズ2の内部で与えられる作用である。
以下の式(9)は、レンズ2の出射面4で与えられる作用である。
θは、各光学要素に入射される光線30aと光軸10とのなす角であり、例えば、光学要素が入射面3であれば、θ=θh1、例えば、光学要素が出射面4であれば、θ=θh2である。
r’は、光学要素によって作用が与えられた光線30aの光軸高さである。
θ’は、光学要素によって作用が与えられた光線30aと光軸10とのなす角である。
以下、光学要素の作用を表す2行2列の行列の(1,1)成分をA、(1,2)成分をB、(2,1)成分をC、(2,2)成分をDで表すようにする。
例えば、式(7)における2行2列の行列に着目すると、A=1、B=0、C=(n−1)/nRh1、D=1/nである。
また、入射面3における曲率方向での光線30aの広がり半角θh1は、Rh1/Rh2倍される。このため、出射面4における曲率方向での光線30aの広がり半角θh2は、(Rh1/Rh2)×θh1となる。
したがって、曲率半径Rh1と曲率半径Rh2との比率によって、曲率方向での光線30aの広がり角を小さくすることが可能となる。
曲率半径Rh1と曲率半径Rh2との比率によって、曲率方向での光線30aの広がり角を小さくできるということは、曲率方向での光線30aの広がり角を、式(1)と無関係に決定できることを意味している。つまり、曲率方向での光線30aの広がり角は、光源1の発光半幅wh及び焦点距離fと無関係に決定できることを意味している。
式(12)は、光線30aが各光学要素によって与えられる作用を、式(6)における2行2列の行列と、式(11)における2行2列の行列との積で表している。
式(12)より、曲率方向での光線30aの広がり角は、焦点距離f、および、前側焦点距離FFLvと無関係であることがから明らかである。
よって、曲率方向での光線30aの広がり角は、光源1とレンズ2の光軸方向の距離に依存しないということが明らかである。
以下、光源1とレンズ2との間のx方向の位置ずれに伴う光線30aの傾きの影響が小さいという利点について、位置ずれを考慮した光線行列によって説明する。
式(13)において、Δは、光源1とレンズ2との間のx方向の位置ずれ量、Δ’は、光源1に対するレンズ2の傾きである。
レンズ2の母線方向での光線30bは、母線方向における光源1の端面が、光源1側の焦点距離がFFLvとなる位置に配置されているため、入射面3における曲率半径Rv1の凸面及び出射面4の平面によって、コリメートされる。
光源1から出射された母線方向での光線30bは、光源1からレンズ2の入射面3までの距離に相当する前側焦点距離FFLvだけ伝搬されて、レンズ2に入射される。
レンズ2の動作は、レンズ2における各々の光学要素によって、光線30bが受ける作用として説明することができる。
光線30bが各々の光学要素によって与えられる作用としては、レンズ2の入射面3で与えられる作用と、レンズ2の内部で与えられる作用と、レンズ2の出射面4で与えられる作用とが考えられる。
レンズ2の入射面3で与えられる作用は、曲率半径がRv1であり、屈折率がnである誘電体境界面によって与えられる作用である。
レンズ2の内部で与えられる作用は、中心厚さがdである誘電体内部によって与えられる作用である。
レンズ2の出射面4で与えられる作用は、曲率半径がRv2であり、屈折率がnである誘電体境界面で与えられる作用である。
以下の式(15)は、レンズ2の入射面3で与えられる作用である。
以下の式(16)は、レンズ2の内部で与えられる作用である。
以下の式(17)は、レンズ2の出射面4で与えられる作用である。
母線方向での光線30bが、光源1より出射されてから、レンズ2の入射面3に入射されるまでの間に受ける作用は、曲率方向での光線30aと同様に、式(6)で表される。
前側焦点距離FFLvは、式(5)に示す前側焦点距離FFLvと同じになる。
光源1より出射されてから、レンズ2の出射面4より出射されるまでに、光線30bが各光学要素によって与えられる作用は、以下の式(20)のように表すことができる。
式(20)は、光線30bが各光学要素によって与えられる作用を、式(6)における2行2列の行列と、式(19)における2行2列の行列との積で表している。
レンズ2の曲率方向での光線30a及びレンズ2の母線方向での光線30bは、以上のような作用を受けるので、ユーザは、母線方向での広がり角の要求値に合わせて、母線方向での焦点距離fおよび前側焦点距離FFLvを決めることが可能となる。
母線方向での焦点距離fの決定は、式(5)に示すように、母線方向における入射面3の曲率半径Rv1と、レンズ2の屈折率nとを決めることに相当する。この実施の形態1では、Rh1=Rv1であるため、母線方向における入射面3の曲率半径Rv1を決めることは、曲率方向における入射面3の曲率半径Rh1を決めることに相当する。
また、ユーザは、曲率方向での広がり角の要求値に合わせて、曲率方向における出射面4の曲率半径Rh2と厚さdとを決めることが可能となる。
まず、実施の形態1における平行光発生装置の比較対象として、光源1として、波長808nmの半導体レーザを用い、レンズ2の代わりに、軸対称な平凸レンズを用いて、光をコリメートする平行光発生装置を考える。
このとき、x−z面での広がり半角が8.5°、y−z面での広がり半角が25.5°、x方向の発光幅が200μm、y方向の発光幅が1μmであるとする。また、平凸レンズによるコリメート後のx−z面での広がり半角及びy−z面での広がり半角のそれぞれが1°以内であるとする。
図5は、平凸レンズにおけるx方向の有効開口及びy方向の有効開口と、焦点距離との関係式を示す説明図である。
式(1)及び式(2)を用いると、コリメート後のx−z面での広がり半角として1°を得るには、図4に示すように、焦点距離が5.7mmの平凸レンズが必要となる。また、焦点距離が5.7mmである場合、図5に示すように、y方向の有効開口が5.5mmの平凸レンズが必要となる。
また、レンズ2として、入射面3におけるx−z面での曲率半径Rh1及びy−z面での曲率半径Rv1のそれぞれが−0.2mm、出射面4におけるx−z面での曲率半径Rh2が1.7mm、出射面4におけるy−z面での曲率半径Rv2が∞のレンズを用いるものとする。
また、レンズ2として、中心厚さdが4.3mm、屈折率nが1.8のレンズを用いるものとする。
このとき、y方向である母線方向での焦点距離fおよび前側焦点距離FFLvは0.25mmであり、レンズ2のy方向の有効開口は0.24mmとすればよい。また、レンズ2のx方向の有効開口は、入射面側を0.27mm、出射面側を2.3mmとすればよい。有効開口の計算内容の詳細については省略する。
この実施の形態1では、x方向である曲率方向の発光幅が、y方向である母線方向の発光幅よりも広いため、レンズ2の有効開口を曲率方向でのビーム径から決めている。上記の入射面3における曲率半径Rh1,Rv1及び出射面4における曲率半径Rh2,Rv2は、一例に過ぎず、他の値であってもよいことは言うまでもない。母線方向の焦点距離fを更に短くすることで、更に小型化することも可能である。
(1)非点隔差による広がり角の増大が発生しない利点がある。
軸対称なレンズ2を用いる場合は、レンズ2の焦点位置21を光源1である半導体レーザの端面に一致させると、x方向である曲率方向にフォーカスずれが発生して、広がり角が増大する。
非点隔差を補正するために、曲率方向と母線方向で異なる焦点距離を有するレンズ2を用い、曲率方向での焦点位置を半導体レーザの内部の位置22に一致させて、母線方向での焦点位置21を半導体レーザの端面に一致させる手法が存在する。しかし、半導体レーザの曲率方向における光の仮想的な出射点の位置である位置22は、ばらつきがあり、また、半導体レーザ出力に依存して変化する。曲率方向における光の仮想的な出射点の位置22を変化させる要因が複数あるため、非点隔差による広がり角の増大を抑制することは難しい。
この実施の形態1における平行光発生装置は、既に説明したように、曲率方向での広がり角は、光源1とレンズ2の間の前側焦点距離FFLvに依存しない。このため、母線方向での焦点位置21に光源1の端面を配置することで、非点隔差が存在し、さらに、ばらつき又は半導体レーザの出力依存性があっても、曲率方向での広がり角が増大しないという利点がある。
従来のコリメート法を用いる場合は、曲率方向及び母線方向に位置ずれが発生すると、式(20)から分かるように、光線の出射方向が、理想的な出射方向から傾いてしまう状況が発生する。
光線の傾きを抑制するためには、光源1に対するレンズ2の位置決めは、高い精度が要求される。例えば、数μmから数10μm程度の位置決め精度が要求される。
ここで、半導体レーザのチップ外形に対する発光点の位置精度は、母線方向には高い精度を有するが、曲率方向には精度が低い。これは、母線方向は、厳密に厚さ制御がなされているのに対して、曲率方向は、ウエハからチップに切出す際の精度に依存するからであり、曲率方向は、例えば、数μmから数10μmの切出し精度となる。
このため、チップの外形に対して、曲率方向の発光点位置がばらついてしまい、例えば、チップとレンズを外形基準で高精度に組み立てた場合にも、曲率方向の発光点とレンズ2の相対位置がばらついてしまう。
この実施の形態1では、チップ切出し位置のばらつきによる曲率方向の位置ずれが発生したとしても、光線の出射方向の傾きに与える影響が小さいため、光源1とレンズ2との間の曲率方向の位置決め精度を緩くすることが可能である。
例えば、光源1の端面の劣化を防ぐために、端面の近傍に一般的に窓と呼ばれる構造を形成することがあるが、この窓の影響で、母線方向での光学的な出射点が光源1の内部に配置されてしまう等の場合は、内部の出射点に合わせてレンズ2を配置すればよい。
このとき、曲率方向の出射点が、非点隔差によって、母線方向の出射点と異なる光源1の内部の位置22に形成された場合でも、この実施の形態1では、フォーカスずれが発生しない。
つまり、式(12)は、Rh1を用いて記述し、式(20)は、Rv1を用いて記述しているため、Rh1≠Rv1の場合でも、式(12)及び式(20)をそのまま適用することが可能であり、Rh1=Rv1である必要性が無い。
この実施の形態1において、レンズ2の入射面3が、光軸10に対して軸対称な凸面である例を取り上げている理由は、光軸10に対して軸対称でない凸面と比べて、レンズ2の作成が容易になることが期待されるからである。
レンズ2の入射面3が、曲率方向と母線方向で曲率半径が異なるトロイダル面とすることで、収差をより良く補正するための設計上の自由度が向上する。
この実施の形態1における曲率方向の動作は、入射面3である誘電体境界面の焦点位置に形成される光源像を、出射面4である誘電体境界面でコリメートすることと等価である。この曲率方向の動作は、従来の軸対称でないものも含めたコリメートレンズが、入射面である誘電体境界面による光源の結像位置の光源像を、出射面である誘電体境界面でコリメートすることと異なる。
したがって、式(3)を厳密に満たしていなくても、実施の形態1の効果が得られることは明らかである。ただし、出射面4である誘電体境界面での焦点位置が、入射面3である誘電体境界面での光源1の結像位置より、入射面3である誘電体境界面の焦点面に近い範囲に位置する場合に、実施の形態1の効果が得られる。
例えば、母線方向の面が凸面である場合、入射面3と出射面4に屈折量を分担させることができるので、収差をより小さくできることが期待される。母線方向の面が平面である場合、凹面又は凸面である場合よりも、レンズ2の作成が容易になることが期待されるため、実施の形態1で取り上げている。
光線をレンズ2の内部で一時的に集光するため、例えば、第2次高調波の発生など、光強度に非線形に発生する現象を発生させるように、レンズ2の材料を選ぶようにしてもよい。
例えば、レンズ2から出射される曲率方向での広がり角は、式(12)より、(Rh1/Rh2)×θh1となる。
また、光源1とレンズ2の間の距離が前側焦点距離FFLvとずれている場合のレンズ2から出射される母線方向での広がり角は、式(20)より、(Δ/f)×θv1となる。Δは、位置ずれ量であり、この広がり角は、式(20)のFFLvを、FFLv+Δに代えることで求めることができる。
したがって、曲率方向での広がり角と、母線方向での広がり角とが同一である場合、以下の式(21)が成立する。
したがって、レンズ2から出射される母線方向での広がり角が要求値(=(Δ/f)×θv1)の範囲内であって、式(21)が成立する位置ずれ量Δであれば、光源1とレンズ2の間の距離が前側焦点距離FFLvとずれていても問題がない。
式(21)の右辺における焦点距離f及び光源1から母線方向に出射された光の広がり半角θv1のそれぞれについても、ユーザの要求値に伴う設計値として既値である。このため、実際の位置ずれ量Δが、式(21)が成立する位置ずれ量Δであるか否かは、容易に判別することができる。
実施の形態1では、平行光発生装置が、光をレンズ2に出射する光源1を備えている例を示している。
この実施の形態2では、平行光発生装置が、曲率方向に複数の発光点を有する光源40を備えている例を説明する。
図6Aは、実施の形態2による平行光発生装置を示す平面図、図6Bは、実施の形態2による平行光発生装置を示す側面図である。
図6において、図1と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
光源40は、例えば、半導体レーザアレイで実現され、曲率方向に複数の発光点を有する光源である。
光源40の端面の位置は、実施の形態1における光源1の端面の位置と同様に、レンズ2の入射面3側における母線方向での焦点位置21と一致している。
この実施の形態2でも、レンズ2の曲率方向の形状が、図1Aに示すレンズ2の曲率方向の形状と同じであってもよい。
図6Bに示すレンズ2の母線方向の形状は、図1Bに示すレンズ2の母線方向の形状と同じである。
光源40における複数の発光点から出射された曲率方向での各々の光線30aは、レンズ2の入射面3から入射される。
光源40における複数の発光点から出射された各々の光線30aは、レンズ2における曲率半径Rh1の入射面3及び曲率半径Rh2の出射面4によって、ビーム径がそれぞれ拡大される。
光源40の端面の位置は、レンズ2の入射面3側における母線方向での焦点位置21と一致しているため、光源40から出射された母線方向での光線30bは、レンズ2における曲率半径Rv1の入射面3及び出射面4の平面によってコリメートされる。
この実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、広がり角を小さくするために、焦点距離を長くして、より大きな有効開口を有するレンズ2を用いる必要が無い平行光発生装置が得られる。
しかし、この実施の形態2では、レンズ2が、光軸10に対して軸対称な凸面である入射面3と、シリンドリカル面である出射面4とを有している。
また、この実施の形態2では、光源40のx方向が、シリンドリカル面がレンズ2の曲率方向と一致し、光源40のy方向が、シリンドリカル面がレンズ2の母線方向と一致するように、光源40とレンズ2を配置している。
また、この実施の形態2では、光源40の端面の位置が、レンズ2の入射面3側における母線方向での焦点位置21と一致するように、光源40とレンズ2を配置している。
したがって、光源40の複数の発光点から出射された曲率方向での光線30aのそれぞれは、広がり角が小さくなるように動作しつつビームを重ねることが可能である。このため、レンズ2から空間的に均一なビームが出力されるようになる。
また、この実施の形態2では、レンズ2が、光軸10に対して軸対称な凸面である入射面3と、シリンドリカル面である出射面4とを有している。そのため、曲率方向では、出射面後に光源40の共役位置が存在し、光源像が生成される。この共役像は、光源40とレンズ2を組立てた後に、光源40の曲率方向の位置依存性を評価する際に役立つ。例えば、光源の出力低下が発生した際に、アレイ状光源のどの位置に不良があるかを光学系の追加無しに直接観察することができる。
半導体レーザアレイは、中心部と端部では発熱密度が異なるため、半導体レーザアレイの中心部と端部では、温度分布が変化する。半導体レーザ内の温度分布の変化は、非点隔差の大きさが発光点毎にばらつく要因となる。
しかしながら、この実施の形態2では、発光点毎に非点隔差のばらつきがあっても、広がり角の増大を抑制できるため、複数の発光点から出射された光のそれぞれを平行光に変換することができる。
しかし、光源40が有する複数の発光点の曲率方向での配置周期が異なっている場合、あるいは、複数の発光点の曲率方向の発光幅が異なっている場合でも、レンズ形状を配置周期、あるいは、発光幅に合わせた複雑な形状としなくても、複数の発光点から出射された光のそれぞれを平行光に変換することができる。
実施の形態2では、平行光発生装置が、曲率方向に複数の発光点を有する光源40を備えている例を示している。
この実施の形態3では、平行光発生装置が、複数の発光点における各々の発光幅と、複数の発光点の配置周期とから決まるフィルファクタF.F.が0.5以上であり、かつ、1未満である光源40を備えている例を説明する。
光源40のフィルファクタF.F.は、以下の式(22)で定義される。
式(22)において、wは、複数の発光点における各々の発光幅、pは、複数の発光点の配置周期である。
この実施の形態3による平行光発生装置の構成及び動作は、実施の形態2による平行光発生装置の構成及び動作と同様であるため、詳細な説明を省略する。
ここでは、光源40の複数の発光点から出射された光の広がり角のそれぞれを、各々の発光点の光軸に対して軸対称なレンズから構成されているアレイ状のコリメータレンズを用いて、小さくする場合を考える。
式(24)において、θhiは、光源40の或る発光点から出射された曲率方向での光の広がり半角である。
例えば、光源40のフィルファクタF.F.が0.5である場合、式(25)の右辺は、0.5×(1−0.5)=1となる。式(25)の右辺が1であるということは、コリメータレンズに入射される光の広がり半角θhiと、コリメータレンズから出射される光の広がり半角θhoとが同じとなり、コリメータレンズによって、光の広がり半角が小さくならないことを意味する。
また、光源40のフィルファクタF.F.が0.5よりも大きく、1よりも小さい場合、式(25)の右辺は、1よりも大きくなる。例えば、フィルファクタF.F.が0.8である場合、式(25)の右辺は、0.8×(1−0.8)=4となる。
式(26)の右辺が1よりも大きいということは、コリメータレンズから出射される光の広がり半角θhoが、コリメータレンズに入射される光の広がり半角θhiよりも大きくなり、コリメータレンズによって、光の広がり半角θhoが小さくならないことを意味する。
レンズ2から出射される光の広がり半角が前側焦点距離FFLvに依存していないということは、レンズ2から出射される光の広がり半角は、光源40のフィルファクタF.F.に依存せずに決定されることを意味する。
したがって、この実施の形態3による平行光発生装置は、光源40のフィルファクタF.F.がいかなる値であっても、光源40の複数の発光点から出射された光のそれぞれを平行光に変換することができる。
比較対象の平行光発生装置が0.5≦F.F.<1の範囲にある光源40を用いることができないことを考慮すると、この実施の形態3による平行光発生装置は、0.5≦F.F.<1の範囲にある光源40を用いる必要がある場合に特に好適である。
実施の形態1〜3では、入射面3が凸面で、出射面4がシリンドリカル面であるレンズ2を備える平行光発生装置について示している。
この実施の形態4では、図8A及び図8Bに示すように、凸面である入射面3がフレネルレンズであり、図8Aに示すように、曲率方向での出射面4がフレネルレンズであるレンズ2を備える平行光発生装置について説明する。
図8Aは、実施の形態4による平行光発生装置を示す平面図、図8Bは、実施の形態4による平行光発生装置を示す側面図である。
図8では、図1に示す平行光発生装置のレンズ2における入射面3及び出射面4がフレネルレンズである例を示しているが、図6に示す平行光発生装置のレンズ2における入射面3及び出射面4がフレネルレンズであってもよい。
また、曲率方向での出射面4の凸面をフレネルレンズで形成しても、フレネルレンズは、入射面3から入射された光に対して、実施の形態1〜3における出射面4と同様の作用を与える。
したがって、凸面である入射面3をフレネルレンズで形成し、曲率方向での出射面4をフレネルレンズで形成しても、実施の形態1〜3と同様の効果を有する平行光発生装置が得られる。
また、凸面である入射面3をフレネルレンズで形成することで、入射面3が凸面である場合よりも、入射面3の厚さを薄くすることができる。
また、曲率方向での出射面4をフレネルレンズで形成することで、出射面4が凸面である場合よりも、出射面4の厚さを薄くすることができる。
また、入射面3または出射面4をフレネルレンズで形成することで、外観観察により、レンズの光軸を中心とした回転角の判別を容易とすることが可能となり、光源とレンズの組立て精度を向上することができる。
Claims (11)
- 光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を入射する入射面が凸面であって、前記入射面から入射された光を出射する出射面がシリンドリカル面であり、前記入射面から入射された光を平行光に変換して、前記出射面から前記平行光を出射するレンズとを備え、
前記レンズの光軸に対して垂直な面内において、前記シリンドリカル面が曲率を持たない方向が、前記レンズの母線方向であり、前記シリンドリカル面が曲率を持つ方向で、かつ、前記母線方向と直交する方向が、前記レンズの曲率方向であり、
前記光源は、前記レンズの入射面側における前記母線方向での焦点位置に配置されており、前記レンズの母線方向での広がり角と、前記レンズの曲率方向での広がり角とが異なる光を前記レンズの入射面に出射することを特徴とする平行光発生装置。 - 前記光源は、前記曲率方向の発光幅が、前記母線方向の発光幅よりも大きい光源であることを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記光源は、前記レンズの曲率方向への光の仮想的な出射点と、前記レンズの母線方向への光の出射点とが異なる非点隔差を有する光源であることを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記光源として、半導体レーザを用いることを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記光源は、前記曲率方向に複数の発光点を有することを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記光源として、半導体レーザアレイを用いることを特徴とする請求項5記載の平行光発生装置。
- 前記光源は、前記複数の発光点における各々の発光幅と、前記複数の発光点の配置周期とから決まるフィルファクタが、0.5以上かつ1未満である光源であることを特徴とする請求項5記載の平行光発生装置。
- 前記レンズの入射面は、前記光軸に対して軸対称な凸面であることを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記レンズは、前記入射面がフレネルレンズであることを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記レンズは、前記曲率方向での前記出射面がフレネルレンズであることを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
- 前記レンズは、前記入射面がフレネルレンズであり、前記曲率方向での前記出射面がフレネルレンズであることを特徴とする請求項1記載の平行光発生装置。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2018/000363 WO2019138476A1 (ja) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | 平行光発生装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP6693680B2 JP6693680B2 (ja) | 2020-05-13 |
JPWO2019138476A1 true JPWO2019138476A1 (ja) | 2020-05-28 |
Family
ID=67218927
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019565115A Active JP6693680B2 (ja) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | 平行光発生装置 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11187915B2 (ja) |
EP (1) | EP3730994B1 (ja) |
JP (1) | JP6693680B2 (ja) |
CN (1) | CN111566542B (ja) |
WO (1) | WO2019138476A1 (ja) |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS53100843A (en) * | 1977-02-15 | 1978-09-02 | Canon Inc | Beam shaping optical system |
JPS63269130A (ja) * | 1987-04-28 | 1988-11-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 平行光作成装置 |
JP2725198B2 (ja) | 1989-03-09 | 1998-03-09 | ホーヤ株式会社 | ガラスモールド非球面単レンズ |
JPH04114117A (ja) * | 1990-09-04 | 1992-04-15 | Omron Corp | 光コリメート光源装置 |
JPH0772311A (ja) * | 1993-09-06 | 1995-03-17 | Kansei Corp | レーザヘッドの送光レンズ |
JPH07318854A (ja) | 1994-05-27 | 1995-12-08 | Hoya Corp | ビーム形状補正光学系 |
JP3435311B2 (ja) * | 1997-06-19 | 2003-08-11 | 松下電器産業株式会社 | 情報読み取り装置 |
EP1001297A1 (en) | 1998-11-10 | 2000-05-17 | Datalogic S.P.A. | Optical device and method for focusing a laser beam |
JP2007171286A (ja) * | 2005-12-19 | 2007-07-05 | Tomizo Yamamoto | 線状光照射装置 |
CN101359122B (zh) * | 2007-08-03 | 2011-05-04 | 清华大学 | 背光模组 |
JP2009271206A (ja) * | 2008-05-01 | 2009-11-19 | Hamamatsu Photonics Kk | レーザ光整形光学系及びそれを用いたレーザ光供給装置 |
CN103176225A (zh) | 2011-12-22 | 2013-06-26 | 凤凰光学(上海)有限公司 | 一种高强度减反膜系结构 |
CN103176226A (zh) * | 2012-11-03 | 2013-06-26 | 西安华科光电有限公司 | 用于对半导体激光光束整形的匀光异形透镜、匀光激光光源及光学系统 |
EP3435141B1 (en) | 2016-04-28 | 2020-12-23 | Mitsubishi Electric Corporation | Parallel light generation device |
CN106054396B (zh) | 2016-08-08 | 2018-12-21 | 青岛小优智能科技有限公司 | 一种含有光束整形透镜结构的3d扫描模组 |
-
2018
- 2018-01-10 JP JP2019565115A patent/JP6693680B2/ja active Active
- 2018-01-10 CN CN201880085185.7A patent/CN111566542B/zh active Active
- 2018-01-10 WO PCT/JP2018/000363 patent/WO2019138476A1/ja unknown
- 2018-01-10 EP EP18899799.3A patent/EP3730994B1/en active Active
- 2018-01-10 US US16/959,987 patent/US11187915B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3730994A1 (en) | 2020-10-28 |
US11187915B2 (en) | 2021-11-30 |
US20210063761A1 (en) | 2021-03-04 |
EP3730994A4 (en) | 2021-01-06 |
CN111566542A (zh) | 2020-08-21 |
CN111566542B (zh) | 2022-11-04 |
WO2019138476A1 (ja) | 2019-07-18 |
JP6693680B2 (ja) | 2020-05-13 |
EP3730994B1 (en) | 2022-12-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6680800B1 (en) | Device for symmetrizing the radiation emitted by linear optical transmitters | |
JP6165366B1 (ja) | 平行光発生装置 | |
US6407870B1 (en) | Optical beam shaper and method for spatial redistribution of inhomogeneous beam | |
US7016393B2 (en) | Apparatus for projecting a line of light from a diode-laser array | |
JP2006317508A (ja) | 光強度分布補正光学系およびそれを用いた光学顕微鏡 | |
JP4188795B2 (ja) | 光パワー合成用光学系および光源モジュール | |
US9541721B2 (en) | Laser device | |
KR20150096299A (ko) | 레이저 합성 광학 장치 | |
KR102178770B1 (ko) | 경사면들에서의 스팟 어레이의 발생 | |
US20060209909A1 (en) | Fiber laser oscillator | |
JP2009503593A (ja) | 線焦点を作成する光学システム、この光学システムを用いる走査システム、および基板のレーザ加工方法 | |
US10651355B1 (en) | High-power laser diode package implemented with meniscus slow axis collimator for reduced diode package footprint or improved laser output brightness | |
US6829284B2 (en) | Light source device and optical pickup | |
JP7165337B2 (ja) | 光結合装置 | |
US20220123523A1 (en) | Semiconductor laser device | |
JP6093388B2 (ja) | 合波装置、合波装置の製造方法、及び、ldモジュール | |
US10386031B2 (en) | Light device with movable scanning means and optical fiber | |
JP6693680B2 (ja) | 平行光発生装置 | |
KR100805479B1 (ko) | 빔 정형 소자 및 그것을 이용한 광 픽업 장치 | |
TWI697162B (zh) | 用於產生線狀的強度分佈的雷射輻射的裝置 | |
WO2020059664A1 (ja) | 合波光学系 | |
JPWO2020174752A1 (ja) | 光共振器およびレーザ加工装置 | |
JP7154669B1 (ja) | 細径ビーム生成装置 | |
JP4599514B2 (ja) | ラインジェネレータ | |
JP2004085589A (ja) | 光源用モジュールおよび光源装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200203 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20200203 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20200312 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200317 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200414 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6693680 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |