(57)【要約】本開示のビーム強度変換光学系（３）は、レーザ光源（４）と、レーザ光源（４）から射出されたレーザ光線（１）の光強度分布を変換し照射領域（６）に照射させるビーム強度変換レンズ（５）とを備え、ビーム強度変換レンズ（５）は単玉構造であり、かつ、ビーム強度変換レンズ（５）における近軸像面（７）の位置と、照射領域（６）の位置が光軸（８）上において異なる。また、ビーム強度変換レンズ（５）は、近軸像面（７）での縦の球面収差特性において、７割像高より外側における縦の球面収差の変位幅が、７割像高における縦の球面収差量の２０％以内である。
2017110022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から射出されたレーザ光線の光強度分布を変換し照射領域に照射させるビーム強度変換レンズとを備えたビーム強度変換光学系であって、
前記ビーム強度変換レンズは単玉構造であり、
前記ビーム強度変換レンズの近軸像面の位置と前記照射領域の位置が、前記レーザ光線の光軸上において異なるビーム強度変換光学系。
【請求項２】
前記ビーム強度変換レンズの前記近軸像面における縦の球面収差特性は、
７割像高より外側の範囲における縦の球面収差の変位幅が、前記７割像高における縦の球面収差量の２０％以内である請求項１に記載のビーム強度変換光学系。
【請求項３】
前記ビーム強度変換レンズの前記近軸像面における光軸から７割像高までの縦の球面収差特性は、近軸像面位置における光軸上の縦の球面収差量を原点として縦の球面収差量が漸次変化する請求項２に記載のビーム強度変換光学系。
【請求項４】
レーザ光源から射出されたレーザ光線を照射領域に照射させるビーム強度変換レンズであって、
前記ビーム強度変換レンズの近軸像面における縦の球面収差特性は、
７割像高より外側における縦の球面収差の変位幅が、前記７割像高における縦の球面収差量の２０％以内であるビーム強度変換レンズ。
【請求項５】
前記ビーム強度変換レンズの前記近軸像面における光軸から７割像高までの縦の球面収差特性は、近軸像面位置における光軸上の縦の球面収差量を原点として、縦の球面収差量が漸次変化する請求項４に記載のビーム強度変換レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ光源から射出されたレーザ光線の光強度分布を変換し照射領域に照射するビーム強度変換光学系およびビーム強度変換レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光源から出力されたレーザ光線の光強度分布はガウシアン分布となっている。そして、レーザ光線におけるガウシアン型の光強度分布をトップフラット型の光強度分布に変換するためのビーム強度変換光学系が検討されている。なお、本開示におけるトップフラット型の光強度分布とは、レーザ光線における所望領域内での光強度分布の変位幅が、ピーク強度の１割以内であることを示す。【０００３】
ビーム強度変化光学系を用いる一例としてレーザ励起光源がある。レーザ励起光源は、ビーム強度変換光学系から射出されたレーザ光線を蛍光体に照射することで白色光が励起される。ビーム強度変換光学系は、レーザ光源を含み、レーザ光源から射出されたガウシアン型の光強度分布を有するレーザ光線をトップフラット型のレーザ光線に変換し、蛍光体に照射する。つまり、蛍光体に照射されたレーザ光線は、トップフラット型の光強度分布を有し、蛍光体に対する光強度の集中が抑制される。【０００４】
従来の、ビーム強度変換光学系は、レーザ光源から蛍光体に向かってコリメートレンズ、レンズアレイ、対物レンズがこの順で配置される。コリメータレンズは、レーザ光源からの射出された発散光を平行光に変換させる。レンズアレイは、ガウシアン型の光強度分布をもつレーザ光線の光強度分布をトップフラット型の光強度分布に変換させる。コンデンサレンズは、レンズアレイを透過したレーザ光線を蛍光体の照射領域に照射させる。【０００５】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５５２６２号公報
【発明の概要】
【０００７】
本開示におけるビーム強度変換光学系の一態様は、レーザ光源とビーム強度変換レンズを備え、ビーム強度変換レンズは単玉構造であり、かつ、ビーム強度変換レンズの近軸像面の位置と、レーザ光線の光軸上において照射領域の位置が異なる。
【０００８】
また、本開示におけるビーム強度変換レンズの一態様は、ビーム強度変換レンズの近軸像面での縦の球面収差特性において、７割像高より外側における縦の球面収差の変位幅が、７割像高における縦の球面収差量の２０％以内である。
【０００９】
この構成により、部品点数を削減してビーム強度変換光学系およびビーム強度変換レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示の一実施の形態におけるビーム強度変換光学系を備えたレーザ励起光源を模式的に示した図である。
【図２】図２は、本開示の一実施の形態におけるビーム強度変換光学系を構成するビーム強度変換レンズにおける縦の球面収差特性を示す図である。
【図３】図３は、本開示の一実施の形態に対応した実施例１のビーム強度変換レンズにおける縦の球面収差特性を示す図である。
【図４】図４は、本開示の一実施の形態に対応した実施例１のビーム強度変換光学系の照射領域における光強度分布を示す図である。
【図５】図５は、本開示の一実施の形態に対応した実施例２のビーム強度変換レンズにおける縦の球面収差特性を示す図である。
【図６】図６は、本開示の一実施の形態に対応した実施例２のビーム強度変換光学系の照射領域における光強度分布を示す図である。
【図７】図７は、本開示の一実施の形態における比較例１のビーム強度変換レンズにおける縦の球面収差特性を示す図である。
【図８】図８は、本開示の一実施の形態における比較例１のビーム強度変換光学系の照射領域における光強度分布を示す図である。
【図９】図９は、本開示の一実施の形態における比較例２のビーム強度変換レンズにおける縦の球面収差特性を示す図である。
【図１０】図１０は、本開示の一実施の形態における比較例２のビーム強度変換光学系の照射領域における光強度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上述したビーム強度変換光学系においては、レーザ光源に対してレンズアレイとコリメータレンズとコンデンサレンズとが少なくとも必要となり、ビーム強度光学系の部品点数が多くなる。この結果、ビーム強度変換光学系の組み立てにおいてレーザ光源に対する各レンズ構成の光軸調整に手間がかかる。また、ビーム強度変換光学系の小型化が難しい。
【００１２】
以下、本開示の一実施の形態について図を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１３】
図１は、レーザ光線１を蛍光体２に照射することで蛍光体２に白色光を励起させるレーザ励起光源を示す。レーザ励起光源はビーム強度変換光学系３と蛍光体２を有する。ビーム強度変換光学系３は、レーザ光源４とビーム強度変換レンズ５を有する。レーザ光源４にはレーザーダイオードを用いている。ビーム強度変換レンズ５は、レーザ光源４から射出された発散光を平行光に変換する機能と、レーザ光線１におけるガウシアン型の光強度分布をトップフラット型の光強度分布に変換する機能と、トップフラット型の光強度分布に変換されたレーザ光線１を照射領域６となる蛍光体２に照射する機能を有する。なお、トップフラット型の光強度分布とは、レーザ光線１の光強度分布における所望領域内での変位幅をピーク強度の１割以内とすることを示す。
【００１４】
そして、ビーム強度変換光学系３におけるビーム強度変換レンズ５は、単一のレンズで構成されたいわゆる単玉レンズである。また、ビーム強度変換光学系３は、レーザ光線１の光軸８上において、ビーム強度変換レンズ５の近軸像面７の位置と照射領域６の位置を異ならせている。
【００１５】
なお、単玉レンズから成るビーム強度変換レンズ５に対して、入射光に対する倍率設定することで、ビーム強度変換レンズ５に、コリメータレンズ機能とコンデンサレンズ機能を実現できる。また、光軸８上での近軸像面７の位置と照射領域６の位置を異ならせることで、単玉レンズからなるビーム強度変換レンズ５の持つ縦の球面収差特性を利用し光強度分布を調節できる。
【００１６】
なお、コンデンサレンズのような集光光学系では、照射領域６と近軸像面７を光軸８上において一致させることが一般的である。しかし、この場合、近軸像面７の位置ではレーザ光線１の集光度合いが高く、レーザ光線１の光強度分布の均一化が困難となる。一方、照射領域６と近軸像面７を離間させることで、光強度分布の均一化が容易となる。例えば、図１では、照射領域６の位置が近軸像面７の位置より後方に配置されている。この場合、近軸像面７で集光したレーザ光線１が照射領域６までの間で分散される。つまり、照射領域６においては、レーザ光線１の光強度分布のピーク値が低減される。この結果、レーザ光線１の光強度分布の均一化が容易となる。また、図１において破線で示すように照射領域６を近軸像面７の位置より前方に配置させた場合、照射領域６においてレーザ光線１が十分に集光されていない状態となる。つまり、照射領域６においてレーザ光線１の光強度分布のピーク値が低減される。この結果、レーザ光線１の光強度分布の均一化が容易となる。
【００１７】
図２は、ビーム強度変換レンズ５における縦の球面収差特性を示す。図２における縦軸は、ビーム強度変換レンズ５の入射瞳半径を正規化したものを示している。縦軸における０は、レーザ光線１の光軸８が通るレンズ中心の位置を示し、１．０はレンズ有効径の位置を示す。図２における横軸は、ビーム強度変換レンズ５の縦の球面収差量を示す。
【００１８】
ビーム強度変換レンズ５の７割像高から外側となる領域における縦の球面収差の変位幅が、７割像高における縦の球面収差量の２０%以内としてもよい。なお、７割像高より外側の領域とは、図２における縦軸の０．７から１．０の範囲を示す。縦の球面収差特性における７割像高から外側となる領域は、一般的な光学設計において縦の球面収差量が大きくなる部分である。つまり、光強度分布におけるガウシアン分布の裾野領域を形成する範囲である。しかし、ビーム強度変換レンズ５の光学設計において、ガウシアン分布の裾野を形成する７割像高から外側となる領域における縦の球面収差特性を制御することで、レーザ光線１の光強度分布を補正にすることができる。つまり、レーザ光線１におけるガウシアン型の光強度分布をトップフラット型へ変換することができる。
【００１９】
また、ビーム強度変換レンズ５の縦の球面収差特性における光軸８から７割像高までの間の縦の球面収差特性の推移は、漸次変化としてもよい。漸次変化とは、漸次増加あるいは漸次減少を示す。レンズ中心から７割像高までの間において縦の球面収差量の推移には符号反転を含まない。
【００２０】
次に、ビーム強度変換レンズ５を用いたビーム強度変換光学系３の実施例と比較例を示す。なお、ビーム強度変換光学系３におけるレーザ光源４から射出されるレーザ光線１の波長は４５０ｎｍである。レーザ光線１においてトップフラット化する所望領域は、光軸８を中心とした半径０．１５ｍｍの範囲とする。レーザ光源４とビーム強度変換レンズ５の間隔をＡ、ビーム強度変換レンズ５の厚みをＢ、ビーム強度変換レンズ５と近軸像面７の間隔をＣ、近軸像面７と照射領域６の間隔をＤとする。また、ビーム強度変換レンズ５は、非球面形状の単玉レンズ構造である。ビーム強度変換レンズ５を形成する硝材の屈折率ｎは、波長４５０ｎｍにおいて１．６５である。ビーム強度変換レンズ５の非球面形状は、次式で与えられる。
【００２１】
【数１】
2017110022.tif 000003
【００２２】
ただし、各符号の意味は、以下の通りである。
Ｘ：光軸からの高さがｈの非球面上の点の非球面頂点の接平面からの距離
ｈ：光軸からの高さ
Ｃｊ：対物レンズの第ｊ面の非球面頂点の曲率（Ｃｊ＝１／Ｒｊ）
ｋｊ：対物レンズの第ｊ面の円錐定数
Ａｊ，ｎ：対物レンズの第ｊ面のｎ次の非球面係数
（実施例１）
実施例１は、図１に示すビーム強度変換光学系３において、照射領域６が近軸像面７より後方に配置されたビーム強度変換光学系３である。実施例１におけるビーム強度変換レンズ５の設計データを表１に示す。
【００２３】
【表１】
2017110022.tif 000004
【００２４】
実施例１におけるビーム強度変換レンズ５の近軸像面７における縦の球面収差特性を図３に示す。実施例１におけるビーム強度変換光学系３の照射領域６における光強度分布を図４に示す。なお、図４における縦軸は光強度を示し、ピーク値を１．０として正規化した光強度の値が表示されている。横軸はレーザ光線１のレーザ光線径を示す。
【００２５】
図３に示すように、ビーム強度変換レンズ５の縦の球面収差は、光軸８から７割像高までの範囲で漸次増加している。また、７割像高における近軸像面７での縦の球面収差量は＋０．０７ｍｍである。７割像高より外側における近軸像面７での縦の球面収差量の最小値は＋０．０６８ｍｍである。７割像高より外側における近軸像面７での縦の球面収差量の最大値が＋０．０８ｍｍである。したがって、７割像高より外側の範囲における縦の球面収差の変位幅は０．０１２ｍｍとなる。つまり、このビーム強度変換レンズ５の７割像高より外側の範囲における縦の球面収差の変位幅は、７割像高における縦の球面収差量の２０％以内となっている。
【００２６】
そして、このビーム強度変換レンズ５から照射領域６に照射されたレーザ光線１の光強度分布特性は、図４に示すように、所望領域内における光強度分布における最小値が０．９６５である。つまり、この実施例１のビーム強度変換レンズ５を用いたビーム強度変換光学系３は、照射領域６において良好なトップフラット型の光強度分布が示されている。
【００２７】
（実施例２）
実施例２は、図１に示すビーム強度変換光学系３において、照射領域６が近軸像面７より前方に配置されたビーム強度変換光学系３である。実施例２におけるビーム強度変換レンズ５の設計データを表２に示す。
【００２８】
【表２】
2017110022.tif 000005
【００２９】
実施例２におけるビーム強度変換レンズ５の近軸像面７における縦の球面収差特性を図５に示す。実施例２におけるビーム強度変換光学系３の照射領域６における光強度分布を図６に示す。なお、図６における縦軸は光強度を示し、光強度のピーク値を１．０として正規化された値で表示されている。横軸はレーザ光線１のレーザ光線径を示す。
【００３０】
図５に示すように、ビーム強度変換レンズ５の縦の球面収差は、光軸８から７割像高までの範囲で漸次減少している。また、７割像高における近軸像面７での縦の球面収差量は−１．４ｍｍである。７割像高より外側における近軸像面７での縦の球面収差量の最小値は−１．５１ｍｍである。７割像高より外側における近軸像面７での縦の球面収差量の最大値は−１．４ｍｍである。したがって、７割像高より外側の範囲における縦の球面収差の変位幅は０．１１ｍｍとなる。つまり、このビーム強度変換レンズ５の７割像高より外側の範囲における縦の球面収差の変位幅は、７割像高における縦の球面収差量の２０％以内となっている。
【００３１】
そして、このビーム強度変換レンズ５から照射領域６に照射されたレーザ光線１の光強度分布特性は、図６に示すように、所望領域内における光強度分布の最小値が０．９６０である。つまり、この実施例２のビーム強度変換レンズ５を用いたビーム強度変換光学系３は、照射領域６において良好なトップフラット型の光強度分布が示されている。
【００３２】
（比較例１）
比較例１は、図１に示すビーム強度変換光学系３において、照射領域６が近軸像面７より後方に配置されたビーム強度変換光学系３である。比較例１におけるビーム強度変換レンズ５の設計データを表３に示す。
【００３３】
【表３】
2017110022.tif 000006
【００３４】
比較例１におけるビーム強度変換レンズ５の近軸像面７における縦の球面収差特性を図７に示す。比較例１におけるビーム強度変換光学系３の照射領域６における光強度分布を図８に示す。なお、図８における縦軸は光強度を示し、光強度のピーク値を１．０として正規化した値で表示されている。横軸はレーザ光線１のレーザ光線径を示す。
【００３５】
図７に示すように、ビーム強度変換レンズ５の縦の球面収差は、光軸８から７割像高までの範囲で漸次増加となっている。また、７割像高における近軸像面７での縦の球面収差量は＋０．０５４ｍｍである。７割像高より外側における近軸像面７での縦の球面収差量の最小値は＋０．０２ｍｍである。７割像高より外側における近軸像面７での縦の球面収差量の最大値は＋０．１１ｍｍである。したがって、７割像高より外側における近軸像面７での縦の球面収差の変位幅は０．０９ｍｍとなる。つまり、７割像高における縦の球面収差量の２０％の範囲を超えている。
【００３６】
そして、このビーム強度変換レンズ５から照射領域６に照射されたレーザ光線１の光強度分布特性は、図８に示すように、所望領域内における光強度分布の最小値が０．８５８である。つまり、この比較例１のビーム強度変換レンズ５を用いたビーム強度変換光学系３は、照射領域６において良好なトップフラット型の光強度分布が得られていない。
【００３７】
（比較例２）
比較例２は、図１に示すビーム強度変換光学系３における照射領域６が、近軸像面７より後方に配置されたビーム強度変換光学系３である。比較例２におけるビーム強度変換レンズ５の設計データを表４に示す。
【００３８】
【表４】
2017110022.tif 000007
【００３９】
比較例２におけるビーム強度変換レンズ５の近軸像面７における縦の球面収差特性を図９に示す。比較例２におけるビーム強度変換光学系３の照射領域６における光強度分布を図１０に示す。なお、図１０における縦軸は光強度を示し、光強度のピーク値を１．０として正規化した値で表示されている。横軸はレーザ光線１のレーザ光線径を示す。
【００４０】
図９に示すように、ビーム強度変換レンズ５における縦の球面収差は、光軸８から７割像高までの範囲において漸次変化していない。また、入射瞳半径が０．２７の時と０．４９の時に、縦の球面収差値の符号が反転している。また、７割像高における近軸像面７での縦の球面収差量は＋０．０６５ｍｍである。７割像高より外側における近軸像面での縦の球面収差量の最小値は＋０．０６５ｍｍである。７割像高より外側における近軸像面での縦の球面収差量の最大値が＋０．０７１ｍｍである。したがって、７割像高より外側における近軸像面７での縦の球面収差量の変位幅は０．００６ｍｍとなる。つまり、７割像高での縦の球面収差量の２０％以内となっている。
【００４１】
そして、このビーム強度変換レンズ５から照射領域６に照射されたレーザ光線１の光強度分布特性は、図１０に示すように、所望領域内における光強度分布の最小値が０．６４５である。つまり、この比較例２のビーム強度変換レンズ５を用いたビーム強度変換光学系３は、照射領域６において、良好なトップフラット型の光強度分布が得られていない。
【００４２】
以上、ビーム強度変換光学系およびビーム強度変換レンズについて、２つの実施例と２つの比較例に基づいて説明したが、本開示は、この２つの実施例の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本開示におけるビーム強度変換光学系およびビーム強度変換レンズは、例えばレーザ励起光源用途において有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１    レーザ光線
３    ビーム強度変換光学系
４    レーザ光源
５    ビーム強度変換レンズ
６    照射領域
７    近軸像面
８    光軸
【図１】
2017110022.tif 000008
【図２】
2017110022.tif 000009
【図３】
2017110022.tif 000010
【図４】
2017110022.tif 000011
【図５】
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【図６】
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【図７】
2017110022.tif 000014
【図８】
2017110022.tif 000015
【図９】
2017110022.tif 000016
【図１０】
2017110022.tif 000017
【国際調査報告】
2017110022.tif 000018
2017110022.tif 000019
2017110022.tif 000020
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