WO2023053438A1 - 細径ビーム生成装置 - Google Patents

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narrow beam
lens
axicon
beam generator
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健 笠原
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株式会社テックジェーピー
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    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • the present invention relates to a narrow beam generator.
  • projector devices and display devices using light sources such as laser light emitting elements are known.
  • one or more light sources such as lasers, beam shaping optics, coupling optics, MEMS scanners, and one or more optical frames such as to facilitate mounting and maintain optical alignment.
  • An integrated photonics module has been disclosed (see, for example, US Pat. No. 6,200,401) that includes a mechanical component.
  • LBS Laser Beam Steering
  • the beam scanning the retina has a very small diameter (for example, about 20 ⁇ m).
  • a Gaussian beam into a parallel beam with a diameter of about 300 ⁇ m or less, for example, so a spot beam focused at a specific distance is used as an alternative means.
  • the spot beam has a very small beam diameter at a specific distance, but the beam diameter becomes large at positions before and after the focal length. Due to the different reach distances, a delicate adjustment mechanism is required to adjust the distance.
  • a Bessel beam generated by an axicon or the like can only be generated at a position very close to the axicon or the like, and there is a problem that it cannot be applied to a projector apparatus.
  • the present invention has been made in view of the above, and provides a narrow beam generator capable of generating a narrow beam having a predetermined diameter or less at an arbitrary position based on light emitted from an arbitrary light source. intended to
  • the present invention has beam shaping means for shaping a linear light source, the beam shaping means has a condensing section, the linear light source is arranged on the optical axis of the condensing section, and the It relates to the narrow beam generating device, wherein the center position on the optical axis of the line light source is arranged at a position farther from the condensing part than the focal position of the condensing part.
  • the narrow beam generator according to (1) which has a linear light source generator including a light source, a collimator optical system, and an axicon optical element.
  • the narrow beam generating device which has a linear light source generating means including a light source, a collimator optical system, and an axicon mirror, and wherein the condensing section has a parabolic mirror.
  • the collimator optical system has a plurality of collimator lenses into which light emitted from a plurality of light sources enters, and an axicon optical element into which a plurality of collimated lights of different wavelengths emitted from the plurality of collimator lenses enter.
  • the narrow beam generator according to (5) comprising:
  • a narrow beam generator capable of generating a narrow beam having a predetermined diameter at an arbitrary position based on light emitted from an arbitrary light source.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a narrow beam generator according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is an enlarged schematic diagram showing conditions for optical simulation of the narrow beam generator according to the first embodiment; It is a figure which shows the simulation result which observed the light with a wavelength of 520 nm on the conditions of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of observing light with a wavelength of 450 nm under the conditions of FIG. 2;
  • FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of observing light with a wavelength of 638 nm under the conditions of FIG. 2;
  • FIG. 11 is an enlarged schematic diagram showing the configuration of a narrow beam generator and the conditions of optical simulation according to the second embodiment;
  • FIG. 7 is a diagram showing a simulation result of observing light with a wavelength of 520 nm under the conditions of FIG. 6; 7 is a diagram showing a simulation result of observing light with a wavelength of 450 nm under the conditions of FIG. 6.
  • FIG. 7 is a diagram showing a simulation result of observing light with a wavelength of 638 nm under the conditions of FIG. 6.
  • FIG. 11 is an enlarged schematic diagram showing the configuration of a narrow beam generation device and the conditions of optical simulation according to the third embodiment;
  • FIG. 11 is a diagram showing a simulation result of observing light with a wavelength of 520 nm under the conditions of FIG. 10;
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of a narrow beam generator according to a fourth embodiment;
  • the narrow beam generator 1 has a light source 2, a collimator optical element 3, an axicon lens 4, a condenser lens 5, and apertures A1 and A2.
  • the light source 2, the collimator optical element 3, and the axicon lens 4 correspond to linear light source generating means for generating the linear light source L1, and the condenser lens 5 as a condenser and the apertures A1 and A2 serve as beams. It corresponds to shaping means.
  • the collimator optical element 3, the axicon lens 4, and the condenser lens 5 are arranged so that their optical axes are substantially the same optical axis X.
  • a linear light source L1 generated on the optical axis X is shaped by the condensing lens 5 to generate a narrow beam L2 at a preset position.
  • the preset position where the narrow beam L2 is generated can be, for example, an arbitrary position separated by several tens of mm or more from the condenser lens 5, and the length of the narrow beam L2 is theoretically Since it is at infinity, the position where the narrow beam L2 is generated can be substantially any position.
  • the center of the optical axis of the linear light source L1 does not necessarily have to be the center of the optical axis X, and there may be some deviation of the axis.
  • the use of the narrow beam generator 1 capable of generating the narrow beam L2 is not particularly limited, and the size and generation position of the narrow beam L2 can be arbitrarily designed, so various projectors can be used.
  • the narrow beam generation device 1 can be applied to devices, display devices, laser processing devices, lighting devices, optical communication devices, optical memory devices, optical information processing devices, and the like.
  • the size of the beam diameter of the narrow beam L2 can be set to a predetermined size or less, and in a predetermined length (in principle, up to infinity) in the optical axis X direction, there is almost no divergence and the focal position is adjustment is not required. Therefore, the narrow beam generator 1 can be preferably applied to a retinal scan display.
  • the beam diameter of the narrow beam L2 can be, for example, 50 ⁇ m or less, 20 ⁇ m or less, or 10 ⁇ m or less.
  • the light source 2 is an arbitrary light source such as a semiconductor laser (LD), LED, surface light source, or the like.
  • the light source 2 is not particularly limited, and any light source can be used because neither spatial coherence nor temporal coherence is required.
  • the light source 2 may be capable of adjusting and modulating the light intensity by a light source driver or the like that serves as a power source.
  • a plurality of light sources emitting light with the same or different wavelengths may be provided.
  • a plurality of light sources may be used, and the light sources may be light sources in which RGB light is combined.
  • a collimator optical element 3 as a collimator optical system is an optical element into which light emitted from the light source 2 is incident.
  • the collimator optical element 3 converts the incident light into parallel light substantially parallel to the optical axis X and emits the parallel light.
  • a collimator optical element 3 as a collimator optical system includes a collimator lens, a mirror, a diffractive optical element (DOE), and the like.
  • DOE diffractive optical element
  • a diffractive optical element is an element that has a fine concave-convex structure on its surface and can spatially split light by utilizing the diffraction phenomenon of light to output light in a desired pattern and shape.
  • a plurality of collimator optical elements 3 are provided according to the number of light sources 2 .
  • a collimator optical system is used for a light source with divergence characteristics, but a collimator optical system is not used for a light source without divergence characteristics, and the collimator optical system is used directly or by using a beam expander to match the subsequent optical system. You may let it inject.
  • the axicon lens 4 is a lens into which the parallel light generated by the collimator optical element 3 enters perpendicularly, and the light is emitted from the vertex of the axicon surface formed on the exit side.
  • Light emitted from the axicon lens 4 is condensed in a ring on the optical axis X, and a line light source L1 of a predetermined length along the optical axis X is emitted from the vertex of the axicon surface.
  • a diffractive optical element (DOE) lens having similar optical characteristics may be used instead of the axicon lens 4 .
  • the linear light source L1 generated by the linear light source generator is a real image, but the linear light source L1 also includes a virtual image.
  • any means that can generate the linear light source L1 may be used as the linear light source generating means, and is not limited to the light source 2, the collimator optical element 3, and the axicon lens 4 described above.
  • it may be linear light source generating means according to another embodiment described later.
  • a linear light source such as a light emitting fiber may be used as the linear light source generating means.
  • the condensing lens 5 as a condensing part is a beam shaping means, and shapes the linear light source L1 emitted from the axicon lens 4 to generate a narrow beam L2 at an arbitrary position.
  • the condenser lens 5 is not particularly limited as long as it has a function of condensing incident light.
  • a one-sided aspherical plano-convex lens or a double-sided aspherical biconvex lens as shown in FIG. 2 may be used. can be done.
  • the condensing part is not limited to a condensing lens, and a parabolic mirror as in another embodiment described later may be used.
  • the center position C on the optical axis X of the linear light source L1 generated by the linear light source generating means is arranged at a position farther from the condenser lens 5 than the focal position F of the condenser lens 5 as a condenser. be.
  • the narrow beam L2 having a diameter equal to or smaller than a predetermined size can be generated without the narrow beam L2 diverging.
  • the small-diameter beam L2 hardly diverges within a predetermined length (in principle, up to infinity) in the optical axis X direction from its generation position, and maintains a diameter of a predetermined size or less.
  • the center position C of the linear light source L1 is arranged closer to the condenser lens 5 than the focal position F, the light emitted from the condenser lens 5 diverges and a narrow beam cannot be efficiently generated.
  • the narrow beam L2 can be generated near the condenser lens 5. Therefore, the relative positions of the central position C and the focal position F are By adjusting, an arbitrary position can be set as the generation position of the narrow beam L2.
  • the apertures A1 and A2 are members having holes (light transmitting portions) through which the linear light source L1 is transmitted, and are beam shaping means for shaping the linear light source L1. Unnecessary light emitted from the axicon lens 4 can be removed by the apertures A1 and A2.
  • Aperture A1 can be arranged, for example, at a position corresponding to center position C in the direction of the optical axis X, and the hole of aperture A1 has the same diameter as that of linear light source L1 emitted from axicon lens 4. can do.
  • the aperture A2 has a ring-shaped hole through which the linear light source L1 diverging in a ring shape can pass.
  • the aperture A2 can be realized, for example, by masking part of the surface of the condenser lens 5 in a ring shape.
  • the aperture A2 is provided on the exit side of the condensing lens 5, but the aperture A2 may be provided on the incident side of the condensing lens 5.
  • FIG. Only one of the apertures A1 and A2 may be used.
  • FIG. 2 is a diagram showing the conditions under which an optical simulation was performed using the optical design software ZEMAX (registered trademark) (manufactured by ZEMAX Development Corporation) using the narrow beam generator 1 according to the first embodiment. .
  • ZEMAX registered trademark
  • FIG. 2 is a diagram showing the conditions under which an optical simulation was performed using the optical design software ZEMAX (registered trademark) (manufactured by ZEMAX Development Corporation) using the narrow beam generator 1 according to the first embodiment. .
  • the axicon lens 4 shown in FIG. 2 has an inclination of 33°.
  • a plano-convex lens (effective diameter: 3.0 mm) having an aspherical surface on one side was used.
  • the length of the axicon lens 4 on the optical axis X is 1.0 mm
  • the length of the condenser lens 5 on the optical axis X is 1.707 mm.
  • the distance between the axicon lens 4 and the condenser lens 5 is 1.575 mm.
  • a focal position F of the condenser lens 5 is positioned on the optical axis X 0.93 mm to the left from the incident surface (plane) of the condenser lens 5 .
  • the linear light source L1 is distributed over a length of 0.9 mm on the optical axis X from the vertex of the axicon lens 4 to the right. Therefore, the center position C of the linear light source L1 is located on the optical axis X 0.45 mm to the right from the vertex of the axicon lens 4 (1.125 mm to the left from the incident surface (plane) of the condenser lens 5). above). Therefore, the center position C of the line light source L1 is located farther from the condenser lens 5 than the focal position F of the condenser lens 5 is.
  • 3 to 5 show the above optical simulations in which a detector is placed on a plane perpendicular to the optical axis X at positions where the distance D from the output side end face of the condenser lens 5 is 10 mm, 20 mm, 40 mm, 80 mm, and 160 mm, respectively. It is a figure which shows the result of having output the irradiance distribution by.
  • the wavelength of the parallel light flux (beam diameter: 1.0 mm) from the collimator lens entering the axicon lens 4 is 520 nm
  • the wavelength is similarly 450 nm
  • FIGS. 3 and 3 to 5 show the distribution of irradiance proportional to the intensity of light incident on the detector, meaning that the brighter the color, the higher the irradiance.
  • the small-diameter beam generator 1a has an integral lens 6 having an incident surface S1 that is a concave axicon surface and an exit surface S2 that is aspherical.
  • the configuration of the narrow beam generator 1a other than the above is the same as that of the first embodiment. That is, parallel light generated by the same light source and collimator optical system as in the first embodiment is incident on the incident surface S1.
  • the lens 6 functions both as a linear light source generator and as a condenser.
  • the linear light source L1 generated by the lens 6 is a virtual image generated on the incident side of the lens 6 .
  • the center position C on the optical axis X of the linear light source L1 is arranged at a position farther from the exit surface S2 than the focal position F of the exit surface S2 as the condensing portion.
  • the narrow beam L2 having a diameter equal to or smaller than a predetermined size can be generated without the narrow beam L2 diverging.
  • FIG. 6 shows the configuration of a narrow beam generator 1a according to the second embodiment, and optical design software ZEMAX (registered trademark) (manufactured by ZEMAX Development Corporation) is used using the narrow beam generator 1a. , and are diagrams showing the conditions under which the optical simulation was performed.
  • ZEMAX registered trademark
  • the lens 6 shown in FIG. 6 has an effective diameter of 2.0 mm, and the incident surface S1 (concave axicon surface) has an inclination angle of 19°.
  • the distance between the vertex of the incident surface S1 (concave axicon surface) and the output end surface of the output surface S2 is 1.9 mm as shown in FIG.
  • the focal position F of the exit surface S2 is positioned on the optical axis X 1.4 mm to the left from the vertex of the entrance surface S1 (concave axicon surface).
  • a linear light source L1 which is a virtual image, is distributed over a length of 4.4 mm on the optical axis X from the vertex of the incident surface S1 (concave axicon surface) to the left.
  • the center position C of the linear light source L1 exists on the optical axis X 2.2 mm to the left from the vertex of the incident surface S1 (concave axicon surface). Therefore, the center position C of the linear light source L1 is arranged at a position farther from the condensing part than the focal position F of the condensing part.
  • the distances D from the output end surface of the output surface S2 are 10 mm, 20 mm, 40 mm, 80 mm, and 160 mm, respectively, on a plane perpendicular to the optical axis X. It is a figure which shows the result of having installed the detector and having output the irradiance distribution by the said optical simulation.
  • the wavelength of the parallel light flux (beam diameter: 1.0 mm) from the collimator lens that is incident on the incident surface S1 (concave axicon surface) is 520 nm.
  • the wavelength was set to 638 nm.
  • Other conditions are the same as in FIGS.
  • a narrow beam generator 1b according to the third embodiment, as shown in FIG. 10, has a convex axicon mirror 4a and a parabolic mirror 5a.
  • the configuration of the narrow beam generator 1b other than the above is the same as that of the first embodiment. That is, parallel light generated by the same light source and collimator optical system as in the first embodiment is incident on the convex axicon mirror 4a. Light reflected by the convex axicon mirror 4a enters the parabolic mirror 5a.
  • the convex axicon mirror 4a is the linear light source generating means
  • the parabolic mirror 5a is the condensing part in the beam shaping means.
  • the linear light source L1 generated by the convex axicon mirror 4a is a virtual image generated on the opposite side of the reflected light of the convex axicon mirror 4a.
  • the center position C on the optical axis X of the line light source L1 is arranged at a position farther from the parabolic mirror 5a than the focal position F of the parabolic mirror 5a as the condensing part. .
  • the narrow beam L2 having a diameter equal to or smaller than a predetermined size can be generated without the narrow beam L2 diverging.
  • FIG. 10 shows the configuration of a narrow beam generator 1b according to the third embodiment, and uses the optical design software ZEMAX (registered trademark) (manufactured by ZEMAX Development Corporation) using the narrow beam generator 1a. , and are diagrams showing the conditions under which the optical simulation was performed.
  • ZEMAX registered trademark
  • the convex axicon mirror 4a shown in FIG. 10 has an effective diameter of 1.0 mm and an inclination angle of the axicon surface of 5.66°.
  • the parabolic mirror 5a has an effective diameter of 3.0 mm.
  • the distance between the vertex of the convex axicon mirror 4a and the plane of incidence of the parabolic mirror 5a is 4.5 mm as shown in FIG.
  • the distance between the end surface of the convex axicon mirror 4a opposite to the incident surface and the end surface of the parabolic mirror 5a opposite to the incident surface is 5.2 mm as shown in FIG.
  • the focal position F of the parabolic mirror 5a is positioned on the optical axis X 0.3 mm to the right from the vertex of the convex axicon mirror 4a.
  • a linear light source L1 which is a virtual image, is distributed over a length of 2.5 mm on the optical axis X from the vertex of the convex axicon mirror 4a to the right. Therefore, the center position C of the linear light source L1 exists on the optical axis X 1.25 mm to the right from the vertex of the convex axicon mirror 4a. Therefore, the center position C of the linear light source L1 is arranged at a position farther from the condensing part than the focal position F of the condensing part.
  • FIG. 11 shows a plane perpendicular to the optical axis X at positions where the distances D from the incident surface and the opposite end surface of the convex axicon mirror 4a are 10 mm, 20 mm, 40 mm, 80 mm, and 160 mm, respectively.
  • FIG. 10 is a diagram showing a result of outputting an irradiance distribution by the above optical simulation with a detector installed at .
  • the wavelength of the parallel light flux (beam diameter: 1.0 mm) from the collimator lens that enters the convex axicon mirror 4a is set to 520 nm. Since the optical characteristics of the reflective optical system do not depend on the wavelength of the incident light, simulation results for other wavelengths are omitted.
  • the narrow beam generator 1c includes a plurality of light sources 2a, 2b, and 2c, a plurality of collimator optical elements 3a, 3b, and 3c, and a dichroic beam as a combining means. It has mirrors 7 a , 7 b and 7 c , an axicon lens 4 and a condenser lens 5 .
  • the plurality of light sources 2a, 2b, and 2c are, for example, light sources corresponding to RGB, respectively, and are light sources that emit light of different wavelengths.
  • the narrow beam generating device 1c includes a plurality of light sources 2a, 2b, and 2c as linear light source generating means, a plurality of collimator optical elements 3a, 3b, and 3c, dichroic mirrors 7a, 7b as combining means, and 7c, and combine light of different wavelengths to enter a single axicon lens 4. FIG. This makes it possible to combine lights of different wavelengths.
  • the narrow-beam generation device 1c is used as a projector device, it is possible to obtain a very clear image without requiring deviation correction.
  • the dichroic mirrors 7a, 7b, and 7c as combining means use light interference to transmit light in specific wavelength regions and reflect light in the remaining wavelength regions.
  • the combining means is not limited to the above dichroic mirror, and other combining means such as a dichroic prism, a PLC (planar light circuit), a reflecting mirror, an optical fiber, etc. may be used.
  • the present invention is not limited to the above, and can be combined with the configurations described in the first or fourth embodiment.
  • a plurality of light sources and multiplexing means, and apertures A1 and A2 may be combined with the configurations of the second and third embodiments.
  • the beam diameter of the narrow beam L2 generated by the narrow beam generator is described as being 50 ⁇ m or less, for example, but it is not limited to the above.
  • the narrow beam generating mechanism of the narrow beam generating device it can be used as a long-distance beam generating device that maintains the beam diameter as an application other than the purpose of reducing the beam diameter.
  • Reference Signs List 1 1a, 1b, 1c narrow beam generator 2 light source 3 collimator optical element (collimator optical system) 4 axicon lens 4a convex axicon mirror (axicon mirror) 5 Condensing lens (condensing part) 5a Parabolic mirror (condensing part) 6 integrated lens S1 concave axicon surface (axicon surface) S2 aspheric surface A1, A2 aperture L1 line light source L2 narrow beam X optical axis

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Abstract

任意の光源から発せられる光に基づき、任意の位置に所定の径の大きさ以下の細径ビームを生成できる、細径ビーム生成装置を提供する。　線光源を整形するビーム整形手段を有し、ビーム整形手段は、集光部を有し、線光源は、集光部の光軸上に配置され、線光源の前記光軸上の中心位置は、集光部の焦点位置よりも、集光部から離れた位置に配置される、細径ビーム生成装置。

Description

細径ビーム生成装置
　本発明は、細径ビーム生成装置に関する。
　従来、レーザ発光素子等の光源を用いたプロジェクタ装置やディスプレイ装置が知られている。例えば、レーザなどの１つまたは複数の光源と、ビーム整形光学素子と、結合光学素子と、ＭＥＭＳスキャナと、取り付けを容易にし、光学的配置を維持するための光学フレームなどの１つまたは複数の機械構成要素と、を含む統合型フォトニクスモジュールが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
　ところで、近年においては、ＡＲやＭＲ、ＶＲ等のＸＲと称される仮想現実画像を視界に入れることが可能なメガネ型表示デバイスが台頭してきている。特に、表示方式がＬＢＳ（Ｌａｓｅｒ　Ｂｅａｍ　Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）と呼ばれるレーザ走査型方式は網膜スキャンディスプレイに対しても適用可能であり、視力が悪い人であっても鮮明な映像を見ることができる（例えば、特許文献２参照）。
特表２００９－５３３７１５号公報 特開平１１－０６４７８２号公報
　上記のような網膜スキャンディスプレイ等のデバイスを好適に実現するためには、網膜という非常に小さい領域に対して高精細な画像を投影する必要がある。このため、網膜を走査するビームは非常に小さい径（例えば、２０μｍ程度）であることが好ましい。しかし、従来の技術においては、例えばガウシアンビームの径は３００μｍ程度以下の平行ビームとすることが不可能であるため、特定距離で集光するスポットビームを代替手段として使用していた。スポットビームは特定距離では非常に小さなビーム径になるが、焦点距離の前後の位置でのビーム径は大きくなってしまうため、メガネ型表示デバイスにおいて、メガネの着用者の個体差で画像が網膜に到達する距離が異なるため、その距離を調整するための繊細な調整機構が必要である。一方で、アキシコン等で生成されるベッセルビームは、非常にアキシコン等に近接した位置にしか生成させることができず、プロジェクタ装置に適用できないという課題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、任意の光源から発せられる光に基づき、任意の位置に所定の径の大きさ以下の細径ビームを生成できる、細径ビーム生成装置を提供することを目的とする。
　（１）　本発明は、線光源を整形するビーム整形手段を有し、前記ビーム整形手段は、集光部を有し、前記線光源は、前記集光部の光軸上に配置され、前記線光源の前記光軸上の中心位置は、前記集光部の焦点位置よりも、前記集光部から離れた位置に配置される、細径ビーム生成装置に関する。
　（２）　光源と、コリメータ光学系と、アキシコン光学素子と、を含む線光源生成手段を有する、（１）に記載の細径ビーム生成装置。
　（３）　光源と、コリメータ光学系と、アキシコン面を有するレンズと、を含む線光源生成手段を有し、前記集光部は、非球面を有するレンズであり、前記アキシコン面を有するレンズと、前記非球面を有するレンズとは、一体のレンズである、（１）に記載の細径ビーム生成装置。
　（４）　光源と、コリメータ光学系と、アキシコン鏡と、を含む線光源生成手段を有し、前記集光部は、放物面鏡を有する、（１）に記載の細径ビーム生成装置。
　（５）　前記コリメータ光学系は、複数の異なる波長の平行光を出射する、（２）～（４）のいずれかに記載の細径ビーム生成装置。
　（６）　前記コリメータ光学系は、複数の光源から出射される光が入射する複数のコリメータレンズを有し、前記複数のコリメータレンズから出射する複数の異なる波長の平行光が入射するアキシコン光学素子を有する、（５）に記載の細径ビーム生成装置。
　（７）　前記ビーム整形手段は、アパーチャを有する、（１）～（６）のいずれかに記載の細径ビーム生成装置。
　本発明によれば、任意の光源から発せられる光に基づき、任意の位置に所定の径の大きさを有する細径ビームを生成できる、細径ビーム生成装置を提供できる。
本発明の第１実施形態に係る細径ビーム生成装置の構成を示す模式図である。 第１実施形態に係る細径ビーム生成装置の光学シミュレーションの条件を示す拡大模式図である。 図２の条件において波長５２０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。 図２の条件において、波長４５０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。 図２の条件において、波長６３８ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態に係る細径ビーム生成装置の構成及び光学シミュレーションの条件を示す拡大模式図である。 図６の条件において波長５２０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。 図６の条件において、波長４５０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。 図６の条件において、波長６３８ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。 第３実施形態に係る細径ビーム生成装置の構成及び光学シミュレーションの条件を示す拡大模式図である。 図１０の条件において波長５２０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。 第４実施形態に係る細径ビーム生成装置の構成を示す模式図である。
　以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明の内容は以下の実施形態の記載に限定されない。
《第１実施形態》
＜細径ビーム生成装置の構成＞
　本実施形態に係る細径ビーム生成装置１は、図１に示すように、光源２と、コリメータ光学素子３と、アキシコンレンズ４と、集光レンズ５と、アパーチャＡ１及びＡ２と、を有する。本実施形態において、光源２、コリメータ光学素子３、及びアキシコンレンズ４が線光源Ｌ１を生成する線光源生成手段に該当し、集光部としての集光レンズ５、並びにアパーチャＡ１及びＡ２がビーム整形手段に該当する。
　本実施形態において、コリメータ光学素子３、アキシコンレンズ４、及び集光レンズ５は光軸がほぼ同一の光軸Ｘとなるように配置される。光軸Ｘ上に生成された線光源Ｌ１は、集光レンズ５によって整形され、予め設定された位置に細径ビームＬ２が生成される。上記細径ビームＬ２が生成される予め設定された位置は、例えば、集光レンズ５から数十ｍｍ以上離隔した任意の位置とすることができ、細径ビームＬ２の長さは原理的には無限遠であることから、細径ビームＬ２が生成される位置は実質的に任意の位置とすることが可能である。なお、線光源Ｌ１の光軸中心は、必ずしも光軸Ｘの軸中心にある必要はなく、多少の軸のズレがあってもよい。
　上記細径ビームＬ２を生成できる細径ビーム生成装置１の用途としては、特に限定されず、細径ビームＬ２の径の大きさや生成位置も任意に設計することが可能であるため、様々なプロジェクタ装置、ディスプレイ装置、レーザ加工装置、照明装置、光通信装置、光メモリ装置、光情報処理装置等に対して細径ビーム生成装置１を適用できる。特に、細径ビームＬ２のビーム径の大きさは所定の大きさ以下とすることができ、かつ光軸Ｘ方向の所定の長さ（原理的には無限遠まで）において殆ど発散せず焦点位置の調整が不要である。このため、細径ビーム生成装置１は網膜スキャンディスプレイに対して好ましく適用できる。細径ビームＬ２のビーム径は、例えば、５０μｍ以下とすることができ、２０μｍ以下とすることもでき、１０μｍ以下とすることもできる。
　光源２は、例えば半導体レーザ（ＬＤ）、ＬＥＤ、面光源等の任意の光源である。光源２としては特に限定されず、空間的コヒーレンス性、及び時間的コヒーレンス性のいずれも要求されないため、任意の光源を用いることができる。光源２は、電源となる光源ドライバーなどにより光強度を調整、変調可能であってもよい。光源２としては、同一又は異なる波長の光を発する光源が複数設けられていてもよい。例えば、後述する第４実施形態のように、複数の光源を用い、ＲＧＢの光を合波した光源としてもよい。
　コリメータ光学系としてのコリメータ光学素子３は、光源２から発せられた光が入射する光学素子である。コリメータ光学素子３は、上記入射する光を光軸Ｘに略平行な平行光に変換して射出する。コリメータ光学系としてのコリメータ光学素子３としては、コリメータレンズ、ミラー、回折光学素子（ＤＯＥ）等が挙げられる。回折光学素子は、表面に微細な凹凸構造を有し、光の回折現象を利用することで光を空間的に分岐させ、所望のパターン、形状の光を出力できる素子である。コリメータ光学素子３は、光源２が複数設けられる場合には、光源２の数に応じて複数設けられる。なお、発散特性のある光源に対してはコリメータ光学系が用いられるが、発散特性が無い光源においてはコリメータ光学系を用いず、直に又はビームエクスパンダーを使用して後段の光学系に合わせて入射させてもよい。
　アキシコンレンズ４は、コリメータ光学素子３により生成された平行光が垂直に入射するレンズであり、出射側に形成されたアキシコン面の頂点から光を射出する。アキシコンレンズ４から出射された光はリング状に光軸Ｘに集光し、アキシコン面の頂点から光軸Ｘに沿った所定の長さの線光源Ｌ１を射出する。なお、アキシコンレンズ４に代えて、同様の光学特性を有する回折光学素子（ＤＯＥ）レンズを用いてもよい。本実施形態において、線光源生成手段により生成される線光源Ｌ１は実像であるが、上記線光源Ｌ１には虚像も含まれる。
　線光源生成手段としては、線光源Ｌ１を生成できる手段であればよく、上記の光源２、コリメータ光学素子３、及びアキシコンレンズ４には限定されない。例えば、後述の他の実施形態に係る線光源生成手段であってもよい。上記以外に、線光源生成手段として、発光ファイバ等の線状の発光源を用いてもよい。
　集光部としての集光レンズ５は、ビーム整形手段であり、アキシコンレンズ４から射出された線光源Ｌ１を整形して任意の位置に細径ビームＬ２を生成する。集光レンズ５としては、入射光に対して集光作用を有するレンズであれば特に限定されないが、例えば図２に示すような片側非球面の平凸レンズや、両側非球面の両凸レンズを用いることができる。また、集光部としては、集光レンズに限定されず、後述する他の実施形態におけるような放物面鏡を用いてもよい。
　上記線光源生成手段により生成される線光源Ｌ１の光軸Ｘ上の中心位置Ｃは、集光部としての集光レンズ５の焦点位置Ｆよりも、集光レンズ５から離れた位置に配置される。これにより、細径ビームＬ２が発散することなく、所定の大きさ以下の径を有する細径ビームＬ２を生成することができる。細径ビームＬ２は、その発生位置から光軸Ｘ方向の所定の長さ（原理的には無限遠まで）において殆ど発散せず、所定の大きさ以下の径が維持される。仮に線光源Ｌ１の中心位置Ｃを、焦点位置Ｆよりも集光レンズ５の近くに配置した場合、集光レンズ５から出射した光が発散し、細径ビームを効率よく生成することができない。なお、中心位置Ｃと集光レンズ５との距離を遠ざけるほど、細径ビームＬ２を集光レンズ５の近傍に生成することができるため、中心位置Ｃと焦点位置Ｆとの相対的な位置を調整することにより、任意の位置を細径ビームＬ２の発生位置とすることができる。
　アパーチャＡ１及びＡ２は、線光源Ｌ１が透過する孔部（光透過部）を有する部材であり、線光源Ｌ１を整形するビーム整形手段である。アパーチャＡ１及びＡ２により、アキシコンレンズ４から出射される不要な光を除去することができる。アパーチャＡ１は、例えば、光軸Ｘ方向において中心位置Ｃに対応する位置に配置することができ、アパーチャＡ１の孔部は、アキシコンレンズ４から出射される線光源Ｌ１の径と同一の径とすることができる。アパーチャＡ２は、リング状に発散する線光源Ｌ１が透過可能なリング状の孔部を有する。アパーチャＡ２は、例えば集光レンズ５の表面の一部をリング状にマスキングすることで実現できる。図１において、アパーチャＡ２は、集光レンズ５の出射側に設けられているが、アパーチャＡ２は、集光レンズ５の入射側に設けられていてもよい。上記アパーチャはアパーチャＡ１、及びアパーチャＡ２のいずれか一方のみを用いてもよい。
＜光学シミュレーション結果＞
　図２は、第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１を用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った条件を示す図である。
　図２に示すアキシコンレンズ４は、傾角が３３°のものを用いた。集光レンズ５としては、片側非球面の平凸レンズ（有効径３．０ｍｍ）を用いた。図２に示すように、光軸Ｘ上のアキシコンレンズ４の長さは１．０ｍｍであり、光軸Ｘ上の集光レンズ５の長さは１．７０７ｍｍである。アキシコンレンズ４と集光レンズ５の間隔は１．５７５ｍｍである。集光レンズ５の焦点位置Ｆは、集光レンズ５の入射面（平面）から左に０．９３ｍｍの光軸Ｘ上に位置する。線光源Ｌ１はアキシコンレンズ４の頂点から右に光軸Ｘ上０．９ｍｍの長さに亘って分布する。このため、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは、アキシコンレンズ４の頂点から右に０．４５ｍｍの光軸Ｘ上（集光レンズ５の入射面（平面）から左に１．１２５ｍｍの光軸Ｘ上）に存在する。よって、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは集光レンズ５の焦点位置Ｆよりも、集光レンズ５から離れた位置に配置されている。
　図３～図５は、集光レンズ５の出射側端面からの距離Ｄがそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍ、８０ｍｍ、１６０ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す図である。図３は、アキシコンレンズ４に入射するコリメータレンズからの平行光束（ビーム径：１．０ｍｍ）の波長を５２０ｎｍとし、図４は、同様に波長を４５０ｎｍ、図５は、同様に波長を６３８ｎｍとした。図３～図５はディテクタに対する入射光強度に比例した、放射照度の分布を示し、色の明るい箇所ほど放射照度が高いことを意味する。図３～図５の各出力結果における縦軸及び横軸は、ディテクタサイズ（一辺２０μｍ）に対応し（単位：ｍｍ）、中心（縦軸＝０、横軸＝０）が光軸Ｘの位置に対応する。
　図３～図５の結果から、生成される細径ビームはいずれも光軸Ｘを中心とした数μｍの範囲に放射照度の大部分が集中するスポットを形成していることが明らかである。また、スポットの径は集光レンズ５からの距離に依らずほぼ一定である。これにより、集光レンズ５からの距離Ｄが少なくとも１０ｍｍ～１６０ｍｍの範囲において、数μｍの径を有する細径ビームが生成されることが確認された。また、波長５２０ｎｍ、４５０ｎｍ、及び６３８ｎｍのいずれにおいても同様の現象が得られ、緑色、青色、及び赤色の光により細径ビームを生成できることが確認された。
　以下、本発明の他の実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様の構成については、説明を省略する場合がある。
《第２実施形態》
＜細径ビーム生成装置の構成＞
　第２実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａは、図６に示すように、入射面Ｓ１が凹アキシコン面であり、出射面Ｓ２が非球面である一体のレンズ６を有する。上記以外の細径ビーム生成装置１ａの構成は、第１実施形態と同様である。即ち、入射面Ｓ１に対しては、第１実施形態と同様の光源及びコリメータ光学系により生成された平行光が入射する。本実施形態において、レンズ６は線光源生成手段と集光部としての機能を兼ねる。また、レンズ６により生成される線光源Ｌ１はレンズ６よりも入射側に生成される虚像である。本実施形態においても、線光源Ｌ１の光軸Ｘ上の中心位置Ｃは、集光部としての出射面Ｓ２の焦点位置Ｆよりも、出射面Ｓ２から離れた位置に配置される。これにより、細径ビームＬ２が発散することなく、所定の大きさ以下の径を有する細径ビームＬ２を生成することができる。
＜光学シミュレーション結果＞
　図６は、第２実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａの構成を示すと共に、細径ビーム生成装置１ａを用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った条件を示す図である。
　図６に示すレンズ６は、有効径が２．０ｍｍであり、入射面Ｓ１（凹アキシコン面）は、傾角が１９°とした。入射面Ｓ１（凹アキシコン面）の頂点と出射面Ｓ２の出射端面との距離は、図６に示すように１．９ｍｍである。出射面Ｓ２の焦点位置Ｆは、入射面Ｓ１（凹アキシコン面）の頂点から左に１．４ｍｍの光軸Ｘ上に位置する。虚像である線光源Ｌ１は入射面Ｓ１（凹アキシコン面）の頂点から左に光軸Ｘ上４．４ｍｍの長さに亘って分布する。このため、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは、入射面Ｓ１（凹アキシコン面）の頂点から左に２．２ｍｍの光軸Ｘ上に存在する。よって、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは集光部の焦点位置Ｆよりも、集光部から離れた位置に配置されている。
　図７～図９は、図３～図５と同様に、出射面Ｓ２の出射端面からの距離Ｄがそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍ、８０ｍｍ、１６０ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す図である。図７は、入射面Ｓ１（凹アキシコン面）に入射するコリメータレンズからの平行光束（ビーム径：１．０ｍｍ）の波長を５２０ｎｍとし、図８は、同様に波長を４５０ｎｍ、図９は、同様に波長を６３８ｎｍとした。他の条件は図３～図５と同様である。
　図７～図９の結果から、図３～図５と同様に、細径ビーム生成装置１ａにより生成される細径ビームはいずれも光軸Ｘを中心とした数μｍの範囲に放射照度の大部分が集中するスポットを形成していることが明らかである。また、スポットの径は出射面Ｓ２からの距離に依らずほぼ一定である。これにより、出射面Ｓ２からの距離Ｄが少なくとも１０ｍｍ～１６０ｍｍの範囲において、数μｍの径を有する細径ビームが生成されることが確認された。また、波長５２０ｎｍ、４５０ｎｍ、及び６３８ｎｍのいずれにおいても同様の現象が得られ、緑色、青色、及び赤色の光により細径ビームを生成できることが確認された。
《第３実施形態》
＜細径ビーム生成装置の構成＞
　第３実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｂは、図１０に示すように、凸型アキシコン鏡４ａと、放物面鏡５ａと、を有する。上記以外の細径ビーム生成装置１ｂの構成は、第１実施形態と同様である。即ち、凸型アキシコン鏡４ａに対しては、第１実施形態と同様の光源及びコリメータ光学系により生成された平行光が入射する。放物面鏡５ａには、凸型アキシコン鏡４ａにより反射された光が入射する。本実施形態において、凸型アキシコン鏡４ａは線光源生成手段であり、放物面鏡５ａは、ビーム整形手段における集光部である。本実施形態において、凸型アキシコン鏡４ａにより生成される線光源Ｌ１は、凸型アキシコン鏡４ａの反射光とは逆側に生成される虚像である。本実施形態においても、線光源Ｌ１の光軸Ｘ上の中心位置Ｃは、集光部としての放物面鏡５ａの焦点位置Ｆよりも、放物面鏡５ａから離れた位置に配置される。これにより、細径ビームＬ２が発散することなく、所定の大きさ以下の径を有する細径ビームＬ２を生成することができる。
＜光学シミュレーション結果＞
　図１０は、第３実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｂの構成を示すと共に、細径ビーム生成装置１ａを用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った条件を示す図である。
　図１０に示す凸型アキシコン鏡４ａは、有効径が１．０ｍｍであり、アキシコン面の傾角は５．６６°である。放物面鏡５ａは、有効径が３．０ｍｍである。凸型アキシコン鏡４ａの頂点と放物面鏡５ａの入射面との距離は、図１０に示すように４．５ｍｍである。凸型アキシコン鏡４ａの入射面と逆側の端面と、放物面鏡５ａの入射面と逆側の端面との距離は、図１０に示すように５．２ｍｍである。放物面鏡５ａの焦点位置Ｆは、凸型アキシコン鏡４ａの頂点から右に０．３ｍｍの光軸Ｘ上に位置する。虚像である線光源Ｌ１は凸型アキシコン鏡４ａの頂点から右に光軸Ｘ上２．５ｍｍの長さに亘って分布する。このため、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは、凸型アキシコン鏡４ａの頂点から右に１．２５ｍｍの光軸Ｘ上に存在する。よって、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは集光部の焦点位置Ｆよりも、集光部から離れた位置に配置されている。
　図１１は、図３と同様に、凸型アキシコン鏡４ａの入射面と逆側の端面からの距離Ｄがそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍ、８０ｍｍ、１６０ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す図である。図１１は、凸型アキシコン鏡４ａに入射するコリメータレンズからの平行光束（ビーム径：１．０ｍｍ）の波長を５２０ｎｍとした。なお反射光学系の光学的特性は入射光波長に依存しないため、他の波長のシミュレーション結果は省略する。
　図１１の結果から、図３と同様に、細径ビーム生成装置１ｂにより生成される細径ビームはいずれも光軸Ｘを中心とした数μｍの範囲に放射照度の大部分が集中するスポットを形成していることが明らかである。また、スポットの径は凸型アキシコン鏡４ａからの距離に依らずほぼ一定である。これにより、凸型アキシコン鏡４ａからの距離Ｄが少なくとも１０ｍｍ～１６０ｍｍの範囲において、数μｍの径を有する細径ビームが生成されることが確認された。
《第４実施形態》
＜細径ビーム生成装置の構成＞
　本実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｃは、図１２に示すように、複数の光源２ａ、２ｂ、及び２ｃと、複数のコリメータ光学素子３ａ、３ｂ、及び３ｃと、合波手段としてのダイクロイックミラー７ａ、７ｂ、及び７ｃと、アキシコンレンズ４と、集光レンズ５と、を有する。
　複数の光源２ａ、２ｂ、及び２ｃは、例えば、それぞれＲＧＢに相当する光源であり、異なる波長の光を出射する光源である。細径ビーム生成装置１ｃは、線光源生成手段として、複数の光源２ａ、２ｂ、及び２ｃと、複数のコリメータ光学素子３ａ、３ｂ、及び３ｃと、合波手段としてのダイクロイックミラー７ａ、７ｂ、及び７ｃと、を有し、異なる波長の光を合波して、単一のアキシコンレンズ４に入射させる。これにより、異なる波長の光を合波することが可能となる。更に、アキシコンレンズ４から射出される光は、複数のコリメータ光学素子３ａ、３ｂ、及び３ｃから射出される平行光の光軸が互いに多少ズレていた場合であっても、アキシコン面の頂点から光軸Ｘに沿って出射される、ズレが無い光である。このため、細径ビーム生成装置１ｃをプロジェクタ装置として用いた場合に、ズレの補正を要さず、極めて鮮明な画像を得ることができる。
　合波手段としてのダイクロイックミラー７ａ、７ｂ、及び７ｃは、光の干渉を利用し、特定の波長領域の光を透過し、残りの波長領域の光を反射する。合波手段としては、上記ダイクロイックミラーに限定されず、他の合波手段である、例えばダイクロイックプリズム、ＰＬＣ（平面光回路）、反射ミラー、光ファイバ等を用いてもよい。
　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の内容は上記実施形態に限定されず、適宜変更が可能である。
　上記実施形態では、第２実施形態及び第３実施形態において要部のみを説明したが、上記に限定されず、第１実施形態又は第４実施形態で説明した構成との組み合わせも可能である。例えば、第２実施形態及び第３実施形態の構成に複数の光源及び合波手段や、アパーチャＡ１及びＡ２を組み合わせてもよい。
　上記実施形態では、細径ビーム生成装置により生成される細径ビームＬ２のビーム径は、例えば、５０μｍ以下とすることができる、として説明したが、上記に限定されない。上記実施形態に係る細径ビーム生成装置の細径ビーム生成の仕組みを利用し、細径化目的外の用途として、ビーム径を維持した遠距離ビーム生成装置としても利用できる。
　１、１ａ、１ｂ、１ｃ　　細径ビーム生成装置
　２　　　　　　　　　　　光源
　３　　　　　　　　　　　コリメータ光学素子（コリメータ光学系）
　４　　　　　　　　　　　アキシコンレンズ
　４ａ　　　　　　　　　　凸型アキシコン鏡（アキシコン鏡）
　５　　　　　　　　　　　集光レンズ（集光部）
　５ａ　　　　　　　　　　放物面鏡（集光部）
　６　　　　　　　　　　　一体のレンズ
　Ｓ１　　　　　　　　　　凹アキシコン面（アキシコン面）
　Ｓ２　　　　　　　　　　非球面
　Ａ１、Ａ２　　　　　　　アパーチャ
　Ｌ１　　　　　　　　　　線光源
　Ｌ２　　　　　　　　　　細径ビーム
　Ｘ　　　　　　　　　　　光軸

Claims (7)

  1. 　線光源を整形するビーム整形手段を有し、
    　前記ビーム整形手段は、集光部を有し、
    　前記線光源は、前記集光部の光軸上に配置され、
    　前記線光源の前記光軸上の中心位置は、前記集光部の焦点位置よりも、前記集光部から離れた位置に配置される、細径ビーム生成装置。
  2. 　光源と、コリメータ光学系と、アキシコン光学素子と、を含む線光源生成手段を有する、請求項１に記載の細径ビーム生成装置。
  3. 　光源と、コリメータ光学系と、アキシコン面を有するレンズと、を含む線光源生成手段を有し、
    　前記集光部は、非球面を有するレンズであり、
    　前記アキシコン面を有するレンズと、前記非球面を有するレンズとは、一体のレンズである、請求項１に記載の細径ビーム生成装置。
  4. 　光源と、コリメータ光学系と、アキシコン鏡と、を含む線光源生成手段を有し、
    　前記集光部は、放物面鏡を有する、請求項１に記載の細径ビーム生成装置。
  5. 　前記コリメータ光学系は、複数の異なる波長の平行光を出射する、請求項２～４のいずれかに記載の細径ビーム生成装置。
  6. 　前記コリメータ光学系は、複数の光源から出射される光が入射する複数のコリメータレンズを有し、
    　前記複数のコリメータレンズから出射する複数の異なる波長の平行光が入射するアキシコン光学素子を有する、請求項５に記載の細径ビーム生成装置。
  7. 　前記ビーム整形手段は、アパーチャを有する、請求項１～６のいずれかに記載の細径ビーム生成装置。
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