WO2017187609A1 - 平行光発生装置 - Google Patents

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WO2017187609A1
WO2017187609A1 PCT/JP2016/063398 JP2016063398W WO2017187609A1 WO 2017187609 A1 WO2017187609 A1 WO 2017187609A1 JP 2016063398 W JP2016063398 W JP 2016063398W WO 2017187609 A1 WO2017187609 A1 WO 2017187609A1
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light source
light
lens
emission
horizontal
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PCT/JP2016/063398
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浩平 酒井
ゆかり 高田
史生 正田
賢一 廣澤
柳澤　隆行
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三菱電機株式会社
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Priority to EP16900479.3A priority patent/EP3435141B1/en
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    • 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
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
    • G02B19/0014—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only at least one surface having optical power
    • G—PHYSICS
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • the present invention includes a light source that emits light having an asymmetric spread angle in a biaxial direction included in a plane perpendicular to the optical axis, and a conversion optical system that reduces the spread angle of output light from the light source.
  • the present invention relates to a parallel light generator.
  • the configuration disclosed in Patent Document 1 uses an aspherical single lens and arranges a light source at the focal position of the lens, thereby making light having a large divergence angle substantially parallel light.
  • the actual light source is not a point light source, but has a finite light emission point size.
  • the spread half angles ⁇ ho and ⁇ vo after collimation in the horizontal direction and the vertical direction are expressed by the following formula (1) using the focal length f of the lens used for collimation and the light emission half widths wh and wv in each direction of the light source.
  • ⁇ ho Tan ⁇ 1 (wh / f)
  • ⁇ vo Tan ⁇ 1 (wv / f) (1) It becomes.
  • the spread half angles ⁇ ho and ⁇ vo after collimation increase as the light emission half widths wh and wv increase. Since the light emission width of the light source is generally not freely changeable by the user, it is necessary to increase the focal length f of the lens in order to reduce the divergence angle. At this time, since the light source is disposed at the focal position on the incident surface side of the lens, the distance between the light source and the lens increases as the focal length f increases.
  • the effective diameter of the lens is determined so that no loss occurs with respect to light rays with a large divergence angle. It is preferable from the viewpoint of efficiency.
  • the focal length f, the effective diameter ⁇ of the lens, and the spread half angles ⁇ ho and ⁇ vo after collimation are determined independently for a light source having emission half widths wh and wv. It is not possible to trade off. That is, in order to reduce the divergence angle, it is necessary to increase the focal length f, and it is necessary to place a large lens away from the lens. If a lens with a short focal length f is used, the spread angle cannot be reduced. For this reason, there is a problem that it is difficult to satisfy the conditions of downsizing, a small divergence angle, and high light utilization efficiency.
  • the present invention has been made to solve this problem, and an object of the present invention is to obtain a parallel light generator capable of satisfying the conditions of downsizing, a small divergence angle and high light utilization efficiency.
  • a parallel light generator includes a lens having a cylindrical and concave incident surface, and an exit surface that is convex with respect to the optical axis, and one direction in a plane perpendicular to the optical axis. And a light source having a different divergence angle with the other direction that is 90 degrees different from the one direction, the light source is disposed at the position of the focal distance on the incident surface side in the other direction of the lens, and the one direction of the light source Are arranged in the direction of curvature of the cylindrical shape of the lens.
  • the parallel light generation device has a lens having a cylindrical incident surface having a concave shape and an exit surface having a convex shape with respect to the optical axis, and different spread angles in one direction and the other direction. Is arranged at the position of the focal length on the incident surface side in the other direction of the lens, and arranged so that one direction is the direction of curvature of the cylindrical shape of the lens.
  • FIG. 1A is a plan view of a parallel light generator according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1B is a side view thereof.
  • FIG. 2A is a plan view of a light source in the parallel light generator according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2B is a side view thereof.
  • 3A is a plan view for explaining the optical path of the parallel light generator according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 3B is a side view. It is explanatory drawing which shows the relationship between the spreading half angles (theta) ho and (theta) vo after the collimation of a horizontal direction and a vertical direction, and the focal distance f.
  • FIG. 6A is a plan view of a parallel light generator according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 6B is a side view thereof
  • FIG. 7A is a plan view of a light source in the parallel light generator according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 7B is a side view.
  • FIG. 1A and 1B are explanatory diagrams of a parallel light generator according to Embodiment 1, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a side view.
  • the spread angle is different between the horizontal direction which is one direction in the plane perpendicular to the optical axis and the vertical direction which is the other direction 90 degrees different from the one direction.
  • a semiconductor laser is used as the light source 20 having the following.
  • the horizontal ray 20a has the smallest spread half angle, typically 2 to 15 ° (half angle 1 / e2).
  • the internal position 21a is a virtual emission point of the horizontal light beam 20a.
  • the vertical light ray 20b has the largest spread half angle, typically 15 to 45 ° (half angle 1 / e2).
  • the emission point of the light beam 20 b in the vertical direction is the end face 21 b of the light source 20.
  • the light source 20 has finite emission widths 20c and 20d in the horizontal and vertical directions.
  • the light emission width 20c in the horizontal direction is usually in the range of several ⁇ m to several 100 ⁇ m.
  • the light emission width 20d in the vertical direction is usually in the range of 1 ⁇ m to several ⁇ m.
  • the semiconductor laser that is the light source 20 generally has an astigmatic difference of about several ⁇ m to 20 ⁇ m, and the virtual emission point differs between the horizontal direction and the vertical direction.
  • the horizontal direction behaves as if it is emitted from the inside from the end face of the semiconductor laser. That is, the internal position 21a is a virtual emission point.
  • the lens 10 is an optical element having a center thickness d having an entrance surface 11 and an exit surface 12, and is made of glass having a refractive index n.
  • the lens 10 is usually produced by a method for producing a lens, such as polishing or molding.
  • an antireflection film for the light source wavelength is formed on the incident surface 11 and the emission surface 12.
  • the incident surface 11 is configured as a concave shape that is cylindrical with respect to the horizontal light beam 20 a of the light source 20, and the output surface 12 has a convex shape that is rotationally symmetric with respect to the optical axis 10 a of the lens 10.
  • the entrance surface 11 has a curvature with a curvature radius R h1 in the horizontal direction and a curvature radius R v1 (plane) in the vertical direction, and the exit surface 12 has a curvature with a curvature radius R v2 in both the horizontal and vertical directions.
  • the signs of the curvature radii R h1 and R h2 are based on the intersections of the entrance surface 11 and the exit surface 12 and the optical axis 10a as a reference when the position of the center of curvature is on the light source side and on the opposite side. Define as negative.
  • the vertical focal length f and the front (light source side) focal length FFLv with respect to the vertical light ray 20b are the vertical curvature radius R v1 of the incident surface 11 and the vertical curvature radius R v2 of the output surface 12.
  • h1 is the front (light source side) principal point position in the vertical direction of the lens 10
  • the sign is defined as positive from the intersection of the incident surface 11 and the optical axis 10a toward the inside of the lens.
  • Equations (3) and (5) are related.
  • the light source 20 is installed so that the end surface 21b is located at the focal length FFLv with respect to the vertical direction of the lens 10.
  • FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a side view.
  • the light beam emitted from the light source 20 enters the incident surface 11 of the lens 10 while spreading, propagates through the lens from the incident surface 11 to the output surface 12, and exits from the output surface 12. Since the incident surface 11 has a cylindrical shape, the horizontal light beam 20 a and the vertical light beam 20 b are affected differently depending on the shape of the incident surface 11. In order to simplify the description, only the light beam 20a in the horizontal direction is considered as the light beam from the light source 20, and only the light beam 20b in the vertical direction is considered in the vertical direction.
  • Ray 20a in the horizontal direction behaves like emitted from internal position 21a of the semiconductor laser, concave and the curvature radius R h1, the convex surface of curvature radius R h2, the beam diameter is enlarged.
  • the operation of the above light rays will be described with a light ray matrix (for example, see: Lasers, AE Siegman, University Science Books, Mill Valley California, 1986.).
  • a horizontal light beam 20 a from the light source 20 propagates a distance (focal length FFLv) from the light source 20 to the incident surface 11 of the lens 10 and enters the lens 10.
  • the operation of the lens 10 is as follows: propagation through a dielectric boundary surface (incident surface 11) having a radius of curvature R h1 and a refractive index n, a dielectric having a thickness d and a refractive index n, and a radius of curvature R h2 and a refractive index n.
  • This can be explained as an action received by the horizontal light beam 20a by each optical element on the dielectric interface (outgoing surface 12).
  • the action that each optical element gives to the horizontal light beam 20a described by the column vector can be described by a matrix of 2 rows and 2 columns, and the expressions (6), (7), (8), and ( 9).
  • r is the optical axis height of the light beam incident on each optical element
  • ⁇ is the angle of the light beam incident on each optical element with respect to the optical axis
  • r ′ is the optical axis height of the light beam emitted from each optical element.
  • ⁇ ′ is the angle of the light beam emitted from each optical element.
  • the (1,1) component of the 2-by-2 matrix representing the action of the optical element is A
  • the (1,2) component is B
  • the (2,1) component is C
  • (2, 2) component is defined as D.
  • C in the formula (7) represents (n ⁇ 1) / (nR h1 ).
  • the horizontal beam radius wh1 becomes approximately R h2 / R h1 fold exit surface 12
  • the horizontal direction of the light beam 20a incident on the incident surface 11 at the incident surface 11
  • the spread half angle ⁇ h1 becomes R h1 / R h2 times on the exit surface.
  • the spread angle in the horizontal direction can be reduced by the ratio of the curvature radii R h1 and R h2 .
  • the horizontal direction is not a collimator but an enlargement system, and the horizontal spread angle can be determined independently of the relationship between the light emission half widths wh and wv and the focal length f shown in Equation (1). Is shown.
  • Equation (12) is obtained from the product of the matrixes of Equation (6) and Equation (11).
  • Equation (12) the propagation from the light source 20 to the incident surface 11 only increased the beam diameter at the incident surface 11 from r to r + FFLv ⁇ ⁇ . It can be seen that the rate of change in the beam diameter and divergence angle between the surfaces 12 does not change. It is clear from Equation (12) that this is not limited to the case where the propagation distance is FFLv. From the above, in the parallel light generator of the present invention, it is clear that the horizontal spread angle does not depend on the distance between the light source 20 and the lens 10 in the optical axis direction.
  • light 20b in the vertical direction since the arranged end face 21b of the semiconductor laser to the position of the focal length FFLv, the plane of the entrance face 11 and by a convex radius of curvature R v2, is collimated.
  • the operation of the above light rays will be described using a light ray matrix as in the horizontal direction.
  • the light beam 20 b emitted from the light source propagates a distance (focal length FFLv) from the light source to the incident surface 11 of the lens 10 and enters the lens 10.
  • the operation of the lens 10 is as follows: propagation through a dielectric boundary surface (incident surface 11) having a radius of curvature Rv1 and a refractive index n, a dielectric material having a thickness d and a refractive index n, and a curvature radius Rv2 and a refractive index n.
  • This can be explained as an effect of the light beam 20b in the vertical direction received by each optical element on the dielectric interface (outgoing surface 12).
  • the action given to each optical element with respect to the light beam 20b in the vertical direction described by the column vector can be described by a matrix of 2 rows and 2 columns, and is expressed by equations (15), (16), and (17), respectively.
  • equations (15), (16), and (17) the action received by the light beam 20b in the vertical direction from the entrance surface 11 to the exit surface 12 is expressed by the following equation (18) as a product of these.
  • the focal length f in the vertical direction that is, the radius of curvature R v2 and the refractive index n of the lens are determined in accordance with the required value of the vertical spread angle.
  • the radius of curvature R h1 and the thickness d can be selected in accordance with the required value of the spread angle in the horizontal direction.
  • a semiconductor laser manufactured by EAGLEYARD (model number: EYP-BAL-0808-08000-4020-CMT-0000) having a wavelength of 808 nm is collimated using a rotationally symmetric plano-convex lens. think of.
  • the semiconductor laser has a horizontal spreading half angle of 8.5 °, a vertical spreading half angle of 25.5 °, a horizontal emission width of 200 ⁇ m, and a vertical emission width of 1 ⁇ m.
  • the spread angle after collimation is set to 1 ° in both the horizontal and vertical directions.
  • FIG. 4 shows the relationship between the spread half-angles ⁇ ho 401 and ⁇ vo 402 after collimation in the horizontal direction and the vertical direction and the focal length f, and FIG. Is shown.
  • Expressions (1) and (2) are used, as shown in FIGS. 4 and 5, a lens having a focal length of 5.7 mm and an effective aperture of 5.5 mm is required.
  • a radius of curvature R h1 0.2 mm
  • a radius of curvature R h2 Rv2: 1.7 mm
  • a thickness of 3.4 mm a refractive index of 1.8
  • a vertical focal length 2 .1 mm
  • light source side focal position 0.25 mm
  • effective diameter 2 mm lens can be used, and the lens can be significantly reduced in diameter while satisfying a small divergence angle and high light utilization efficiency.
  • values of the radius of curvature and the like are not limited to this configuration, and the size can be further reduced by reducing the vertical focal length and scaling.
  • the incident surface 11 having a cylindrical shape and a concave shape, and a convex surface having a rotationally symmetric shape on the optical axis 10a
  • the lens 10 having the shape of the emission surface 12 is arranged so that the horizontal direction of the light source 20 is the direction of curvature of the cylindrical shape of the lens 10, and the end surface of the light source 20 is positioned at the incident surface side focal length FFLv in the vertical direction.
  • the light in the horizontal direction of the light source 20 is expanded on the incident surface 11 and the exit surface 12 of the lens 10, and the light in the vertical direction of the light source 20 is converted into substantially parallel light on the exit surface 12 of the lens 10. Therefore, it is possible to realize a parallel light generator that satisfies both the small divergence angle, the high light utilization efficiency, and the miniaturization condition.
  • the light source 20 is a semiconductor laser.
  • the same effect can be obtained for other types of lasers and light sources that are not lasers.
  • the semiconductor laser is more suitable when applied.
  • the spread angle does not increase due to the astigmatic difference.
  • lenses having different focal lengths in the horizontal direction and the vertical direction are used, the horizontal focus position is made to coincide with the internal position 21a of the semiconductor laser, and the vertical focus position is set to the semiconductor laser.
  • Another effect is that the positioning accuracy in the horizontal direction of the light source 20 and the lens 10 can be relaxed.
  • the conventional collimating method when a positional shift occurs in the horizontal and vertical directions, there is a problem that the emission direction of the light beam is inclined with respect to the ideal emission direction, as can be seen from the equation (20).
  • the lens 10 In order to suppress the inclination of the light beam, the lens 10 is required to be accurately positioned with respect to the light source 20, and typically, installation accuracy of about several ⁇ m to several tens of ⁇ m is required.
  • the positional accuracy of the light emitting point with respect to the chip outline of the semiconductor laser has high accuracy in the vertical direction, but is low in the horizontal direction.
  • the thickness in the vertical direction is strictly controlled, while the horizontal direction depends on the accuracy of cutting from the wafer to the chip, and the horizontal direction is usually cut out from several ⁇ m to several tens of ⁇ m. It becomes accuracy. For this reason, the position of the light emitting point in the horizontal direction varies with respect to the outer shape of the chip.For example, even when the chip and the lens are assembled with high accuracy on the basis of the outer shape, the relative position of the light emitting point in the horizontal direction and the lens varies. End up. On the other hand, in the present embodiment, even if a horizontal position shift due to a variation in the chip cutout position occurs, the influence on the inclination of the light emission direction is small, and assembly based on the outer shape is facilitated. It has the effect of being able to.
  • the shape of the entrance surface 11 of the lens 10 is a cylindrical shape on the concave surface in the horizontal direction
  • the concave surface shape may be a spherical surface or an aspherical surface.
  • an aspherical surface it can be expected that aberrations generated in the optical system will be corrected better.
  • the horizontal operation of the present invention is equivalent to collimating the light source image at the focal position of the dielectric boundary surface of the incident surface 11 at the dielectric boundary surface of the output surface 12. This is different from conventional collimating lenses, including those that are not axially symmetric, that collimate the light source image at the imaging position by the dielectric boundary surface of the incident surface at the dielectric boundary surface of the output surface.
  • the focal position of the dielectric boundary surface of the exit surface 12 is the light source 20 by the dielectric boundary surface of the incident surface 11. This is effective when it is located in a range close to the focal plane instead of the image forming position.
  • the shape in the vertical direction is a simple flat surface, but it is not necessary to be a complete flat surface, and the effect of the present invention can be obtained even with a concave surface or a convex surface. For example, by making the surface concave, it is possible to make the incident angle of the light ray gentler, so that it can be expected to reduce the aberration.
  • the shape of the emission surface 12 is a rotationally symmetric convex surface, but does not have to be strictly rotationally symmetric.
  • the degree of freedom in design can be increased, so it can be expected that the aberration will be corrected well. Becomes easier.
  • the material of the lens 10 does not need to be glass, but may be plastic or crystal. It is clear that the focal length FFLv of the lens 10 and the installation position of the light source 20 do not need to be exactly matched, and there is no problem even if they deviate back and forth as long as they are within the required range of the spread angle in the vertical direction.
  • a cylindrical lens having a concave incident surface and a light emitting surface having a convex shape with respect to the optical axis, and the optical axis.
  • a light source having a different divergence angle between one direction in the plane perpendicular to the other and 90 degrees different from the other direction, and the light source is disposed at the focal plane side focal length in the other direction of the lens.
  • the parallel light generator can satisfy the conditions of downsizing, a small divergence angle, and high light utilization efficiency.
  • the light emission point width in one direction of the light source is set to be larger than the light emission point width in the other direction, so that a light source having a different spread angle can be realized. it can.
  • the light source is a light source having an astigmatic difference, which can contribute to the realization of light sources having different divergence angles.
  • the parallel light generation device of the first embodiment since the light source is a semiconductor laser, it is possible to realize a parallel light generation device that can satisfy the conditions of downsizing, a small divergence angle, and high light utilization efficiency. Can do.
  • FIG. 6A and 6B are explanatory views of the parallel light generation apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 6A is a plan view thereof
  • FIG. 6B is a side view thereof.
  • the parallel light generating apparatus of the second embodiment is different from the light source 20 of the first embodiment in that a semiconductor laser array having a plurality of light emitting points in the horizontal direction is used as the light source 30. Since the other points are the same as those of the first embodiment, the same reference numerals are given to the corresponding parts, and the description thereof is omitted.
  • the end face 31 of the light source 30 that is a semiconductor laser array is installed at the position of the focal length FFLv in the vertical direction of the lens 10.
  • Ray 30a in the horizontal direction from the light source 30, a convex concave and the curvature radius R h2 of the lens 10 in the radius of curvature R h1 the beam diameter of each light beam emitted from the light emitting points is increased.
  • Ray 30b in the vertical direction from the light source 30, since using a light source 30 to the position of the focal length FFLv, is collimated by the convex surface of the plane and the curvature radius R v2 of the entrance surface 11 of the lens 10.
  • the light in the horizontal direction of the light source 30 is expanded on the incident surface 11 and the exit surface 12 of the lens 10, and the light in the vertical direction of the light source 30 is substantially parallel on the exit surface 12 of the lens 10. Since it is converted into light, it becomes possible to realize a parallel light generator that satisfies both the small divergence angle, high light utilization efficiency, and miniaturization conditions.
  • the beam pattern after the lens is in an array shape, and spatial uniformity is low.
  • a lens 10 having an incident surface 11 having a cylindrical and concave shape and a light exit surface 12 having a rotationally symmetrical shape and a convex shape on the optical axis 10a is used.
  • a spatially uniform beam is particularly useful when used for direct illumination without using a uniform optical system. Furthermore, since the beams of a plurality of light emitting points are overlapped, there is an effect that speckles which are problems when the laser is used for illumination can be reduced without adding a uniform optical system.
  • the astigmatic difference is affected by the temperature distribution inside the semiconductor laser. Since the semiconductor laser array has different heat generation densities at the center and the end of the semiconductor laser array, the internal temperature distribution changes at the center and the end, and the astigmatic difference becomes a factor that varies from one light emitting point to another. . However, in this embodiment, even if there is a variation in astigmatism at each light emitting point, an increase in the spread angle can be suppressed, and stable parallel light can be obtained.
  • the same effect can be obtained in combination with the lens 10 of the present invention even when the light source 30 is an array light source in which the light emission width or the cycle of the light emission points varies depending on the position in the horizontal direction. There is no.
  • the configuration of the second embodiment is simple and inexpensive, and the configuration of the second embodiment is also used when the emission width and the period of the emission point change statically and dynamically in the horizontal direction. Then, there is an effect that a small divergence angle, high light utilization efficiency and miniaturization conditions can be satisfied.
  • the light source has a plurality of light emitting points in one direction.
  • the condition of high light use efficiency can be satisfied.
  • the light source is a semiconductor laser array, a spatially uniform beam can be obtained.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating the definition of the light source 30 according to the third embodiment.
  • the light source 30 comprising a semiconductor laser array is characterized by its emission width W and the period P of the emission point.
  • F. F. W / P (22)
  • the parallel light generator has a fill factor F.V. F. 0.5 ⁇ F. F. This is particularly suitable when the semiconductor laser array in the range ⁇ 1 is used as the light source 30.
  • description here is abbreviate
  • the horizontal spread angle from the light source 30 and the spread angle after the arrayed lens are the fill factor F. of the light source 30. F. Limited by. From formula (25), fill factor F.R. F. In the case of an array light source having an aperture of 0.5 or more, collimation is performed with a conventional rotationally symmetric lens. Therefore, when the light source is arranged at the front focal position, there is no vignetting for a beam within a certain spread angle ⁇ . It can be seen that the horizontal spread angle cannot be reduced.
  • the horizontal divergence angle can be reduced, and a parallel light generator capable of satisfying the conditions of small divergence angle, high light utilization efficiency, and miniaturization can be realized.
  • the horizontal spread angle is determined by the magnification which is the ratio of the beam diameters on the entrance surface and the exit surface, as described above.
  • the beam diameter at the entrance surface does not become smaller than the emission width W, and the vignetting does not occur inside the lens and at the exit surface, the beam diameter at the exit surface cannot be larger than the period P of the emission point.
  • the divergence angle in the horizontal direction after the lens is the fill factor of the original divergence angle.
  • F. Will be limited to twice. From the above results, the fill factor F.E. F.
  • the semiconductor laser array in the range of 0.5 to 1 is used as the light source 30, the parallel light generator of the third embodiment is particularly suitable.
  • the light source is a fill factor F.D determined from the light emission width W of the plurality of light emission points and the period P of the light emission points.
  • the parallel light generator according to the present invention includes a light source that emits light having an asymmetric spread angle in a biaxial direction included in a plane perpendicular to the optical axis, and the output light from the light source.
  • the present invention relates to a configuration including a conversion optical system for reducing the divergence angle, and is suitable for use in solid-state illumination using an LED or a laser.
  • 10 lens 10a optical axis, 11 entrance surface, 12 exit surface, 20, 30 light source, 20a, 30a horizontal light beam, 20b, 30b vertical light beam, 20c horizontal light emission width, 20d vertical light emission width, 21a internal position, 21b, 31 end face.

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Abstract

レンズ（１０）は、シリンドリカル形状で凹面形状をなす入射面（１１）と光軸（１０ａ）に対して凸面形状をなす出射面（１２）とを有する。光源（２０）は、垂直方向に大きな広がり角、水平方向に垂直方向の広がり角より小さな広がり角を有する。光源（２０）は、レンズ（１０）の垂直方向の入射面側焦点距離の位置に配置する。光源（２０）の水平方向をレンズ（１０）のシリンドリカル形状の曲率方向となるよう配置する。

Description

平行光発生装置
　この発明は、光軸に対して垂直な面内に含まれる２軸方向に非対称な広がり角を有する光を出射する光源と、光源からの出力光の広がり角を小さくする変換光学系を備えた平行光発生装置に関するものである。
　近年、高効率な照明のための光源に注目が集まっており、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）やレーザを用いた固体照明の製品が実現されている。
　光源から出射した光は、伝播に伴い広がっていくため、所望の光学系や照射面へ伝送するにあたり、広がり角を小さくし、平行光に近い光線とすることが求められている。光線を平行光とするためには、レンズを用いてレンズの入射面側焦点位置に光源を配置することでコリメートする技術が広く使われている。
　従来、例えば、特許文献１に示された構成は、非球面単レンズを使用し、レンズの焦点位置に光源を配置することで、広がり角の大きな光を略平行光とするものである。実際の光源は、点光源ではなく、有限の発光点の大きさを有している。このとき、水平方向及び垂直方向のコリメート後の広がり半角θｈｏ、θｖｏは、コリメートに用いたレンズの焦点距離ｆと光源の各方向の発光半幅ｗｈ及びｗｖを用いて、下式（１）のように、
　　θｈｏ＝Ｔａｎ－１（ｗｈ／ｆ）
　　θｖｏ＝Ｔａｎ－１（ｗｖ／ｆ）　　　　（１）
となる。これより、焦点距離ｆのレンズでコリメートした場合、光源の発光半幅ｗｈ及びｗｖが大きくなるほど、コリメート後の広がり半角θｈｏ及びθｖｏが大きくなる。光源の発光幅は一般的に使用者が自由に変更できないため、広がり角を小さくするためには、レンズの焦点距離ｆを大きくする必要がある。このとき光源はレンズの入射面側焦点位置に配置するため、焦点距離ｆを大きくするにつれて、光源とレンズの距離が大きくなる。
　ところで、光の出射方向と垂直な面において、広がり角が異なる光源を用いる場合、レンズの有効径Φは、広がり角の大きな方向の光線に対して損失が発生しないように決めると、光の利用効率の観点から好ましい。大きな方向の広がり半角をθｖｉとした時、レンズ位置での光線の発光半幅ｗｖ１は、下式（２）に示すように、
　　ｗｖ１＝ｗｖ＋ｆ×Ｔａｎ（θｖｉ）　　　（２）
となる。これより、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ためには、レンズの有効径Φは、２×ｗｖ１以上とすることが好ましい。その結果、焦点距離ｆを大きくすると、ｆに比例して大きな有効径Φを有するレンズが必要となる。レンズの有効径が式（２）の値より小さい場合、広がり半角θｖｉ内のエネルギーの一部はケラレにより失われる。
特開平２－２３５０１０号公報
　式（１）と式（２）の関係から、発光半幅ｗｈ及びｗｖを有する光源に対して、焦点距離ｆとレンズの有効径Φとコリメート後の広がり半角θｈｏ及びθｖｏは独立に決定することはできず、トレードオフの関係にある。つまり、広がり角を小さくするためには焦点距離ｆを大きくする必要があり、大きなレンズを離れた位置におく必要がある。焦点距離ｆの短いレンズを用いると、広がり角を小さくすることができない。このため、小型化と小さな広がり角及び高い光利用効率の条件を共に満足させることは困難であるという課題があった。
　本発明はこの課題を解決するためになされたものであり、小型化、小さな広がり角及び高い光利用効率の条件を共に満足させることのできる平行光発生装置を得ることを目的とする。
　この発明に係る平行光発生装置は、シリンドリカル形状で凹面形状をなす入射面と光軸に対して凸面形状をなす出射面とを有するレンズと、光軸に対して垂直な面内における一方の方向と、一方の方向とは９０度異なる他方の方向との広がり角が異なる光源とを備え、光源はレンズの他方の方向の入射面側焦点距離の位置に配置され、かつ、光源の一方の方向がレンズのシリンドリカル形状の曲率方向に配置されたものである。
　この発明に係る平行光発生装置は、シリンドリカル形状で凹面形状をなす入射面と光軸に対して凸面形状をなす出射面とを有するレンズを有し、一方の方向と他方の方向で異なる広がり角を有する光源をレンズの他方の方向の入射面側焦点距離の位置に配置し、かつ、一方の方向がレンズのシリンドリカル形状の曲率方向となるように配置するようにしたものである。これにより、平行光発生装置として、小型化、小さな広がり角及び高い光利用効率の条件を満足させることができる。
図１Ａはこの発明の実施の形態１の平行光発生装置の平面図、図１Ｂは側面図である。 図２Ａはこの発明の実施の形態１の平行光発生装置における光源の平面図、図２Ｂは側面図である。 図３Ａはこの発明の実施の形態１の平行光発生装置の光路を説明するための平面図、図３Ｂは側面図である。 水平方向及び垂直方向のコリメート後の広がり半角θｈｏ及びθｖｏと焦点距離ｆとの関係を示す説明図である。 光源の各方向の発光半幅ｗｈ及びｗｖと焦点距離ｆとの関係を示す説明図である。 図６Ａはこの発明の実施の形態２の平行光発生装置の平面図、図６Ｂは側面図である。 図７Ａはこの発明の実施の形態３の平行光発生装置における光源の平面図、図７Ｂは側面図である。
　以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１における平行光発生装置の説明図であり、図１Ａは平面図、図１Ｂは側面図である。
　実施の形態１の平行光発生装置では、光軸に対して垂直な面内における一方の方向である水平方向と、一方の方向とは９０度異なる他方の方向である垂直方向とで異なる広がり角を有する光源２０として半導体レーザを用いる。水平方向の光線２０ａが最小の広がり半角であり、典型的には、２～１５°（半角１／ｅ２）である。なお、内部位置２１ａは水平方向の光線２０ａの仮想的な出射点である。垂直方向の光線２０ｂが最大の広がり半角であり、典型的には、１５～４５°（半角１／ｅ２）である。垂直方向の光線２０ｂの出射点は光源２０の端面２１ｂである。また、光源２０は、水平、垂直方向に有限の発光幅２０ｃと２０ｄを有する。水平方向の発光幅２０ｃは、通常数μｍから数１００μｍの範囲である。垂直方向の発光幅２０ｄは、通常１μｍから数μｍの範囲である。
　図２Ａ及び図２Ｂに示すように、一般的に光源２０である半導体レーザは、数μｍから２０μｍ程度の非点隔差を有しており、水平方向と垂直方向で仮想的な出射点が異なり、水平方向は半導体レーザの端面より内部から出射しているように振舞う。すなわち、内部位置２１ａが仮想的な出射点である。レンズ１０は、入射面１１と出射面１２を備えた中心厚さｄの光学素子であり、屈折率ｎのガラスで作製する。レンズ１０は研磨やモールド成形など、通常レンズを作製する方法で作製する。入射面１１及び出射面１２には図示しないが光源波長に対する反射防止膜を表面に形成する。入射面１１は光源２０の水平方向の光線２０ａに対してシリンドリカルな凹面形状として構成し、出射面１２はレンズ１０の光軸１０ａに対して回転対称な凸面形状を有する。入射面１１は水平方向に曲率半径Ｒｈ１、垂直方向を曲率半径Ｒｖ１（平面）とした曲率を備えており、出射面１２は水平方向、垂直方向に共に曲率半径Ｒｖ２の曲率を備えている。入射面１１の水平方向の曲率半径Ｒｈ１及び出射面１２の水平方向の曲率半径Ｒｈ２及び、レンズの厚さｄ、及びガラスの屈折率ｎは、次式（３）の関係を満たすものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　なお、曲率半径Ｒｈ１とＲｈ２の符号は、入射面１１及び出射面１２と光軸１０ａの交点を基準に、曲率中心の位置が光源側にある場合を正、対向する側にある場合を負として定義する。
　垂直方向の光線２０ｂに対して、垂直方向の焦点距離ｆ及び前側（光源側）焦点距離ＦＦＬｖは、入射面１１の垂直方向の曲率半径Ｒｖ１、出射面１２の垂直方向の曲率半径Ｒｖ２、レンズの厚さｄ及びガラスの屈折率ｎを用いて、次式（４）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　ここで、ｈ１はレンズ１０の垂直方向の前側（光源側）主点位置であり、符号は、入射面１１と光軸１０ａの交点からレンズ内部の方向に向かって正と定義する。曲率半径Ｒｖ１が無限大（平面）の場合、式（４）は簡略化され、次式（５）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　出射面１２を回転対称とした場合、曲率半径Ｒｈ２＝Ｒｖ２であり、式（３）と式（５）を関係付ける。光源２０は、レンズ１０の垂直方向に対する焦点距離ＦＦＬｖにその端面２１ｂが位置するように設置する。
　次に実施の形態１の動作を図３を用いて説明する。図３Ａは平面図、図３Ｂは側面図である。
　光源２０から出射した光線は、広がりながらレンズ１０の入射面１１に入射し、入射面１１から出射面１２までレンズ内部を伝播し、出射面１２から出射する。入射面１１は、シリンドリカル形状としているので、水平方向の光線２０ａと垂直方向の光線２０ｂは、入射面１１の形状により異なる作用を受ける。説明を簡略化するため、光源２０からの光線として水平方向は水平方向の光線２０ａ、垂直方向は垂直方向の光線２０ｂのみを考える。
　水平方向の光線２０ａは、半導体レーザの内部位置２１ａから出射するように振る舞い、曲率半径Ｒｈ１の凹面及び、曲率半径Ｒｈ２の凸面により、ビーム径が拡大される。以上の光線の動作を光線行列（これについては、例えば文献：Ｌａｓｅｒｓ，Ａ．Ｅ．Ｓｉｅｇｍａｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｂｏｏｋｓ，Ｍｉｌｌ　Ｖａｌｌｅｙ　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，１９８６．を参照）で説明する。光源２０からの水平方向の光線２０ａは、光源２０からレンズ１０の入射面１１までの距離（焦点距離ＦＦＬｖ）を伝播し、レンズ１０に入射する。レンズ１０の動作は、曲率半径Ｒｈ１、屈折率ｎの誘電体境界面（入射面１１）と、厚さｄ、屈折率ｎの誘電体中の伝播と、曲率半径Ｒｈ２、屈折率ｎの誘電体境界面（出射面１２）の各光学要素により水平方向の光線２０ａが受ける作用として説明できる。列ベクトルで記述される水平方向の光線２０ａに対して各光学要素が与える作用は、２行２列の行列で記述でき、それぞれ式（６）、式（７）、式（８）、式（９）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　ここで、ｒは各光学要素に入射する光線の光軸高さ、θは光軸を基準として各光学要素に入射する光線の角度、ｒ’は各光学要素から出射する光線の光軸高さ、θ’は各光学要素から出射する光線の角度である。なお、本明細書の以降の記述において、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として定義することとする。例えば、式（７）のＣとは、（ｎ－１）／（ｎＲｈ１）を表す。
　これより、入射面１１から出射面１２までに水平方向の光線２０ａが受ける作用は、各光学要素を表す行列の積として、次式（１０）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　式（１０）を式（３）の関係から整理すると、次式（１１）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　式（３）を満たす理想的な拡大系の場合、入射面１１での水平方向ビーム半径ｗｈ１は出射面１２でおおむねＲｈ２／Ｒｈ１倍になり、入射面１１に入射した水平方向の光線２０ａの広がり半角θｈ１は出射面でＲｈ１／Ｒｈ２倍になる。
　これより、曲率半径Ｒｈ１とＲｈ２の比率により、水平方向の広がり角を小さくすることが可能となる。これは、水平方向をコリメートではなく拡大系としたことで、水平方向の広がり角が、式（１）に示した光源の発光半幅ｗｈ及びｗｖと焦点距離ｆの関係とは独立して決定できることを示している。
　また、式（６）と式（１１）の行列の積から、光源２０から出射面１２までに水平方向の光線２０ａが受ける作用を求めることができ、式（１２）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
　式（１１）と式（１２）とを比較すると、光源２０から入射面１１までの伝播により、入射面１１でのビーム径がｒからｒ＋ＦＦＬｖ×θに増大しただけであり、入射面１１と出射面１２間のビーム径及び広がり角の変化率は変わらないことがわかる。これは、伝播距離がＦＦＬｖである場合に限ったものでないことは式（１２）から明らかである。以上のことから、本発明の平行光発生装置においては、水平方向の広がり角が、光源２０とレンズ１０の光軸方向の距離に依存しないという点が明らかである。さらに、光軸方向だけでなく水平方向の位置ずれに対する光線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り説明する。位置ずれを考慮すると、レンズ１０の入射面１１から出射面１２の間に水平方向の光線２０ａが受ける作用は式（１１）から式（１３）となる。ここで、Δはレンズの位置ずれ量、Δ’はレンズの傾きである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
　これを整理すると、次式（１４）となり、水平方向の位置ずれΔは、光線の角度には影響を与えないという特徴を有することがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
　一方で、垂直方向の光線２０ｂは、焦点距離ＦＦＬｖの位置に半導体レーザの端面２１ｂを配置しているので、入射面１１の平面及び、曲率半径Ｒｖ２の凸面により、コリメートされる。
　以上の光線の動作を水平方向と同様に光線行列で説明する。光源から出射した光線２０ｂは、光源からレンズ１０の入射面１１までの距離（焦点距離ＦＦＬｖ）を伝播し、レンズ１０に入射する。レンズ１０の動作は、曲率半径Ｒｖ１、屈折率ｎの誘電体境界面（入射面１１）と、厚さｄ、屈折率ｎの誘電体中の伝播と、曲率半径Ｒｖ２、屈折率ｎの誘電体境界面（出射面１２）の各光学要素により垂直方向の光線２０ｂが受ける作用として説明ができる。列ベクトルで記述される垂直方向の光線２０ｂに対して各光学要素与える作用は、２行２列の行列で記述でき、それぞれ式（１５）、式（１６）、式（１７）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
　これより、入射面１１から出射面１２までに垂直方向の光線２０ｂが受ける作用は、これらの積として、次式（１８）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
　曲率半径Ｒｖ１を無限大（平面）、曲率半径Ｒｖ２＝Ｒｈ１とし整理すると次式（１９）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
　前側（光源側）主点位置ｈ１及び光源側（前側）焦点距離ＦＦＬｖは、式（１９）の（Ｄ－１）／Ｃ、及び（Ｄ－２）／Ｃであり、代入すると式（５）と同様となる。
　また、式（６）と式（１９）の行列の積から、光源２０から出射面１２までに垂直方向の光線２０ｂが受ける作用を求めることができ、次式（２０）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018
　式（２０）より、光源２０のある一点からの垂直方向の光線２０ｂは、出射面１２から出射後、平行光になることがわかる。また、有限の発光幅を有する場合、式（２０）の入射光線の光軸高さｒを発光半幅ｗｖ１と読み替えることで、式（１）に示した関係が得られる。
　このように水平方向と垂直方向の光線の関係が得られるので、垂直方向の広がり角の要求値に合わせて垂直方向の焦点距離ｆ、すなわち、曲率半径Ｒｖ２とレンズの屈折率ｎを決定し、水平方向の広がり角の要求値に合わせて曲率半径Ｒｈ１と厚さｄを選ぶことが可能となる。
　本発明の有意性を示すために、例えば、波長８０８ｎｍのＥＡＧＬＥＹＡＲＤ社製の半導体レーザ（型番：ＥＹＰ－ＢＡＬ－０８０８－０８０００－４０２０－ＣＭＴ－００００）を回転対称な平凸レンズを用いてコリメートすることを考える。上記半導体レーザは、水平方向の広がり半角が８．５°、垂直方向の広がり半角が２５．５°、水平方向の発光幅は２００μｍであり、垂直方向の発光幅は１μｍとする。コリメート後の広がり角を水平、垂直方向ともに半角１°にすることとする。
　図４は、水平方向及び垂直方向のコリメート後の広がり半角θｈｏ４０１及びθｖｏ４０２と焦点距離ｆとの関係を示し、図５は、光源２０の各方向の発光半幅ｗｈ５０１及びｗｖ５０２と焦点距離ｆとの関係を示している。式（１）及び式（２）を用いると、これら図４及び図５に示すように、焦点距離５．７ｍｍ、有効開口５．５ｍｍのレンズが必要となる。一方で、本実施の形態によれば、例えば曲率半径Ｒｈ１：０．２ｍｍ、曲率半径Ｒｈ２＝Ｒｖ２：１．７ｍｍ、厚さ３．４ｍｍ、屈折率１．８、垂直方向焦点距離：２．１ｍｍ、光源側焦点位置：０．２５ｍｍ、有効径２ｍｍのレンズを用いることが可能で、小さな広がり角と、高い光利用効率を満足しつつ、レンズの大幅な小径化も可能となる。曲率半径等の値は本構成に限るものではないことは当然であり、垂直方向の焦点距離を短くしスケーリングすることで、さらに小型化をすることも可能である。
　以上のように、垂直方向に大きな広がり角を有し、水平方向に小さな広がり角を有する光源２０に対して、シリンドリカル形状で凹面形状をなす入射面１１と、光軸１０ａに回転対称形状で凸面形状をなす出射面１２を有するレンズ１０を、光源２０の水平方向がレンズ１０のシリンドリカル形状の曲率方向になるように配置し、かつ垂直方向の入射面側焦点距離ＦＦＬｖの位置に光源２０の端面２１ｂを配置したことにより、光源２０の水平方向の光はレンズ１０の入射面１１と出射面１２で拡大され、光源２０の垂直方向の光はレンズ１０の出射面１２で略平行光に変換されるので、小さな広がり角、高い光利用効率及び小型化の条件を共に満たす平行光発生装置を実現することができる。
　なお、上記例では、光源２０を半導体レーザとした場合について説明したが、他の種類のレーザやレーザでない光源についても同様の効果が得られる。しかし、半導体レーザを適用した場合には、より好適であることについて説明する。
　一つに、非点隔差による広がり角の増大が発生しないことがある。回転対称なレンズを用いる場合は、レンズの焦点位置を半導体レーザの端面２１ｂに一致させると水平方向にフォーカスずれが発生し、広がり角が増大する。また、非点隔差を補正するために、水平方向と垂直方向で異なる焦点距離を有するレンズを用い、水平方向の焦点位置を半導体レーザの内部位置２１ａに一致させ、垂直方向の焦点位置を半導体レーザの端面２１ｂに一致させるレンズを用いる手法も存在する。しかし、半導体レーザの水平方向の出射点位置である内部位置２１ａはばらつきがあり、またレーザ出力に依存して変化するため、複数の動作条件で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。本実施の形態によれば、水平方向の広がり角は、光源２０とレンズ１０間の配置距離に依存しないため、垂直方向の焦点距離ＦＦＬｖの位置に光源２０の端面２１ｂを配置することで、非点隔差が存在し、さらにばらつきやレーザの出力依存性があっても水平方向の広がり角が増大しないという効果を有する。
　もう一つの効果として、光源２０とレンズ１０の水平方向の位置決め精度を緩くすることが可能な点がある。従来のコリメート法によると、水平及び垂直方向に位置ずれが発生すると、式（２０）からわかるように、光線の出射方向が理想的な出射方向に対して傾くという課題がある。光線の傾きを抑制するために、レンズ１０は光源２０に対して精度良く位置決めすることが求められており、典型的には数μｍから数１０μｍ程度の設置精度が要求される。
　ところで、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、垂直方向には高い精度を有するが、水平方向は精度が低い。これは、垂直方向は、厳密に厚さ制御がなされているのに対し、水平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、水平方向は通常数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水平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水平方向の発光点とレンズの相対位置はばらついてしまう。これに対して、本実施の形態においては、チップ切出し位置のばらつきによる水平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く、外形基準での組立てを容易にすることができるという効果を有する。
　なお、レンズ１０の入射面１１の形状は、水平方向は凹面上のシリンドリカル形状としたが、この凹面形状は、球面であってもよいし、非球面であってもよい。非球面とすることで、光学系で発生する収差をより良く補正することが期待できる。ところで、本発明の水平方向の動作は、入射面１１の誘電体境界面の焦点位置の光源像を、出射面１２の誘電体境界面でコリメートすることと等価である。これは、軸対称でないものも含めて、従来のコリメートレンズが、入射面の誘電体境界面による結像位置の光源像を、出射面の誘電体境界面でコリメートすることと異なる点である。これより、式（３）と厳密に一致しなくても本効果が得られることは明らかであり、出射面１２の誘電体境界面の焦点位置が、入射面１１の誘電体境界面による光源２０の結像位置で無く、焦点面に近い範囲に位置する場合に有効となる。また、垂直方向の形状は、単純な平面としたが、完全な平面である必要はなく、凹面や凸面としても、本発明の効果が得られることに変わりは無い。例えば、凹面にすることで、光線の入射角度を緩くすることが可能であるので、収差をより小さくすることが期待できる。出射面１２の形状は、回転対称な凸面としたが、厳密に回転対称である必要はない。水平方向と垂直方向で曲率半径の異なるトロイダル面とすることで、設計上の自由度が増加するため収差を良く補正することが期待できるが、回転対称な形状とすると、研磨や成形といったレンズ製作が容易になる。レンズ１０の材料は、ガラスである必要はなく、プラスチックや結晶などでもよい。レンズ１０の焦点距離ＦＦＬｖと光源２０の設置位置は厳密に一致させる必要はなく、垂直方向の広がり角の要求値の範囲内であれば、前後にずれても問題がないことは明らかである。例えば、水平方向と垂直方向の広がり角を同一とする場合、式（１２）と式（２０）（ＦＦＬｖをＦＦＬｖ＋Δとして計算する）の関係から、
　　Ｒｈ１／Ｒｈ２×θｈ１＝Δ／ｆ×θｖ　　　（２１）
を満たす範囲で許容可能となる。ここでθｖは光源２０から垂直方向に出射した広がり角である。
　以上説明したように、実施の形態１の平行光発生装置によれば、シリンドリカル形状で凹面形状をなす入射面と光軸に対して凸面形状をなす出射面とを有するレンズと、光軸に対して垂直な面内における一方の方向と、一方の方向とは９０度異なる他方の方向との広がり角が異なる光源とを備え、光源はレンズの他方の方向の入射面側焦点距離の位置に配置され、かつ、光源の一方の方向がレンズのシリンドリカル形状の曲率方向に配置されたので、平行光発生装置として、小型化、小さな広がり角及び高い光利用効率の条件を満足させることができる。
　また、実施の形態１の平行光発生装置によれば、光源の一方の方向の発光点幅が他方の方向の発光点幅より大きいようにしたので、異なる広がり角を有する光源を実現することができる。
　また、実施の形態１の平行光発生装置によれば、光源は非点隔差を有する光源であるようにしたので、異なる広がり角を有する光源の実現に寄与することができる。
　また、実施の形態１の平行光発生装置によれば、光源は半導体レーザとしたので、小型化、小さな広がり角及び高い光利用効率の条件を満足させることのできる平行光発生装置を実現することができる。
実施の形態２．
　図６は実施の形態２における平行光発生装置の説明図であり、図６Ａはその平面図、図６Ｂはその側面図を示す。
　実施の形態２の平行光発生装置は、光源３０として、水平方向に複数の発光点を有する半導体レーザアレイを用いたことが実施の形態１の光源２０とは異なる点である。その他の点については実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
　次に、実施の形態２の動作について説明する。
　実施の形態１と同様に、レンズ１０の垂直方向の光源側焦点距離ＦＦＬｖの位置に半導体レーザアレイである光源３０の端面３１を設置する。光源３０からの水平方向の光線３０ａは、曲率半径Ｒｈ１のレンズ１０の凹面及び曲率半径Ｒｈ２の凸面により、各発光点から出射した光線それぞれのビーム径が拡大される。光源３０からの垂直方向の光線３０ｂは、焦点距離ＦＦＬｖの位置に光源３０を配置しているので、レンズ１０における入射面１１の平面及び曲率半径Ｒｖ２の凸面によりコリメートされる。これにより、実施の形態１と同様に、光源３０の水平方向の光はレンズ１０の入射面１１と出射面１２で拡大され、光源３０の垂直方向の光はレンズ１０の出射面１２で略平行光に変換されるので、小さな広がり角、高い光利用効率及び小型化の条件を共に満たす平行光発生装置を実現することが可能となる。
　半導体レーザアレイである光源３０から出射する光を、単純にコリメートした場合、レンズ後のビームパターンは、アレイ状になっており、空間的に均一性が低い。一方で、本実施の形態においては、シリンドリカル形状で凹面形状をなす入射面１１と、光軸１０ａに回転対称形状で凸面形状をなす出射面１２を有するレンズ１０を、光源３０の水平方向がレンズのシリンドリカル形状の曲率方向になるように配置し、かつ垂直方向の焦点距離ＦＦＬｖの位置に光源３０の端面３１を配置したことにより、水平方向の各発光点から出射したビームが拡大され、広がり角を小さくしつつ、各ビームを重ねることが可能なので、空間的に均一なビームを得ることができるという特徴がある。空間的に均一なビームは、均一光学系などを使わずに直接照明に使う場合などに特に有用である。さらに、複数の発光点のビームが重なるので、レーザを照明に用いた場合に課題であるスペックルも均一光学系の追加なしに低減することができるという効果がある。
　また、非点隔差は、半導体レーザ内部の温度分布の影響を受ける。半導体レーザアレイは、発熱密度が半導体レーザアレイの中心部と端部で異なるため、中心部と端部では内部の温度分布が変化し、非点隔差の大きさが発光点ごとにばらつく要因となる。しかしながら、本実施の形態においては、各発光点で非点隔差のばらつきがあっても、広がり角の増大が抑制でき、安定した平行光が得られるという効果を有する。
　なお、光源３０が、水平方向の位置によって発光幅または発光点の周期が異なるアレイ状光源であった場合にも、本発明のレンズ１０との組み合わせにおいて、同様の効果を得られることは言うまでも無い。
　アレイ状光学素子を用いる場合と比較すると、単純な構成で安価であり、また、発光幅及び発光点の周期が水平方向に静的及び動的に変化する場合においても、実施の形態２の構成では小さな広がり角、高い光利用効率及び小型化の条件を満足させることができるという効果がある。
　以上説明したように、実施の形態２の平行光発生装置によれば、光源は、一方の方向に複数の発光点を有するようにしたので、平行光発生装置として、小型化、小さな広がり角及び高い光利用効率の条件を満足させることができる。
　また、実施の形態２の平行光発生装置によれば、光源を半導体レーザアレイとしたので、空間的に均一なビームを得ることができる。
実施の形態３．
　実施の形態３は、実施の形態２における光源３０の複数の発光点の各発光幅Ｗと発光点の周期Ｐから決まるフィルファクタＦ．Ｆ．を定義したものである。
　図７は、実施の形態３の光源３０の定義を示す説明図である。半導体レーザアレイからなる光源３０は、その発光幅Ｗと発光点の周期Ｐで特徴づけられ、フィルファクタＦ．Ｆ．を次式（２２）で定義する。
　　Ｆ．Ｆ．＝Ｗ／Ｐ　　　　（２２）
　本実施の形態では、平行光発生装置が式（２２）に示すフィルファクタＦ．Ｆ．が０．５≦Ｆ．Ｆ．＜１の範囲にある半導体レーザアレイを光源３０とした場合に、特に好適である。なお、実施の形態３の平行光発生装置における全体の構成及び動作は実施の形態２と同様であるため、ここでの説明は省略する。
　光源３０の広がり角を、各発光点の光軸に対して回転対称なレンズからなるアレイ状コリメータレンズを用いて広がり角を小さくする場合を考える。レンズ後の広がり角は、理想的には発光幅Ｗとレンズの焦点距離ｆを用いて
　　θｈｏ＝２×ＴＡＮ－１（Ｗ／２／ｆ）　　　　　　（２３）
となり、レンズ位置で各発光点の光が重ならないように焦点距離ｆを決めると、
　　ｆ＝（Ｐ―Ｗ）／（２×Ｔａｎ（θｈｉ／２））　　（２４）
となるので、式（２３）と式（２４）を整理すると、
　　Ｔａｎ（θｈｏ／２）／Ｔａｎ（θｈｉ／２）
　　＝Ｆ．Ｆ．／（１－Ｆ．Ｆ．）　　　　　　　　　　（２５）
となり、光源３０からの水平方向広がり角とアレイ状レンズ後の広がり角は光源３０のフィルファクタＦ．Ｆ．で制限される。式（２５）より、フィルファクタF．Ｆ．が０．５以上のアレイ状光源は、従来の回転対称なレンズでコリメートするために、前側焦点位置に光源を配置した場合には、ある広がり角θ内のビームに対してケラレが無い条件で、水平方向の広がり角を小さくすることができないことがわかる。
　また、各発光点の光軸に対して回転対称でないレンズをアレイ状に組み合わせたコリメータレンズを用いることも考えられるが、レンズの作製難度が高く、安価に作ることが難しい。また、光源とレンズの組立て難度も高くなる。
　一方で、本発明のレンズ１０と半導体レーザアレイからなる光源３０との組み合わせにおいては、いかなるフィルファクタＦ．Ｆ．のアレイ状光源においても水平方向の広がり角を小さくすることが可能であり、小さな広がり角、高い光利用効率及び小型化の条件を満足させることのできる平行光発生装置が実現できる。
　いま、光源３０の発光幅Ｗと発光幅の周期Ｐに合わせて、レンズ１０をアレイ状に配置した光学素子を用いた場合について考える。この場合、水平方向の広がり角は、これまでの説明と同様で、入射面と出射面でのビーム径の比率である倍率で決まる。ここで、入射面でのビーム径が、発光幅Ｗより小さくならないこと、及びレンズ内部及び出射面でケラレが発生しないためには出射面でのビーム径は発光点の周期Ｐより大きくできないので、最大の倍率は、
　　ｍ＝Ｐ／Ｗ＝１／Ｆ．Ｆ．　　（２６）
と制限される。これよりレンズ後の水平方向の広がり角は、元の広がり角のフィルファクタＦ．Ｆ．倍に制限されてしまう。
　以上の結果から、式（２２）に示すフィルファクタＦ．Ｆ．が０．５～１の範囲にある半導体レーザアレイを光源３０とした場合に、実施の形態３の平行光発生装置は特に好適である。
　以上説明したように、実施の形態３の平行光発生装置によれば、光源は、複数の発光点の各発光幅Ｗと発光点の周期Ｐから決まるフィルファクタＦ．Ｆ．が０．５≦Ｆ．Ｆ．＜１を満たすアレイ状光源としたので、平行光発生装置として、小型化、小さな広がり角及び高い光利用効率の条件をさらに満足させることができる。
　なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
　以上のように、この発明に係る平行光発生装置は、光軸に対して垂直な面内に含まれる２軸方向に非対称な広がり角を有する光を出射する光源と、光源からの出力光の広がり角を小さくする変換光学系を備えた構成に関するものであり、ＬＥＤやレーザを用いた固体照明に用いるのに適している。
　１０　レンズ、１０ａ　光軸、１１　入射面、１２　出射面、２０，３０　光源、２０ａ，３０ａ　水平方向の光線、２０ｂ，３０ｂ　垂直方向の光線、２０ｃ　水平方向の発光幅、２０ｄ　垂直方向の発光幅、２１ａ　内部位置、２１ｂ，３１　端面。

Claims (7)

  1. 　シリンドリカル形状で凹面形状をなす入射面と光軸に対して凸面形状をなす出射面とを有するレンズと、
    　前記光軸に対して垂直な面内における一方の方向と、当該一方の方向とは９０度異なる他方の方向との広がり角が異なる光源とを備え、
    　前記光源は前記レンズの前記他方の方向の入射面側焦点距離の位置に配置され、かつ、前記光源の一方の方向が前記レンズのシリンドリカル形状の曲率方向に配置されたことを特徴とする平行光発生装置。
  2. 　前記光源の前記一方の方向の発光点幅が前記他方の方向の発光点幅より大きいことを特徴とする請求項１記載の平行光発生装置。
  3. 　前記光源は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。
  4. 　前記光源は半導体レーザであることを特徴とする請求項３記載の平行光発生装置。
  5. 　前記光源は、前記一方の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。
  6. 　前記光源は、前記複数の発光点の各発光幅Ｗと発光点の周期Ｐから決まるフィルファクタＦ．Ｆ．が０．５≦Ｆ．Ｆ．＜１を満たすアレイ状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。
  7. 　前記光源は、半導体レーザアレイ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。
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