(57)【要約】  小型でかつ拡大倍率が大きいビーム変換光学系および光源装置を提供する。本開示の一態様におけるビーム変換光学系（２０）は、第１の光学素子（２１）と第２の光学素子（２２）と、を備える。第１の光学素子（２１）は、第１の光学面（２１１）と第２の光学面（２１２）を有するシリンドリカルレンズからなる。第１の光学面（２１１）は正の屈折力を有している。第２の光学素子（２２）は、第３の光学面（２２１）と第４の光学面（２２２）を有するシリンドリカルレンズからなる。第３の光学面（２２１）は負の屈折力を有している。第１の光学素子（２１）と第２の光学素子（２２）との間にレーザ光線（３０）が集光する集光領域（５０）を有している。
2019111705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から射出されたレーザ光線の光強度分布を変換するとともに前記レーザ光線をラインビームに変換するビーム変換光学系であって、
前記ビーム変換光学系は、
第１の光学素子と、
前記第１の光学素子の後段に配置された第２の光学素子と、を備え、
前記第１の光学素子は、前記レーザ光線が入射される第１の光学面と、前記レーザ光線が出射される第２の光学面を有するシリンドリカルレンズからなり、
前記第１の光学面は、正の屈折力を有しており、
前記第２の光学素子は、前記レーザ光線が入射される第３の光学面と、前記レーザ光線が出射される第４の光学面を有するシリンドリカルレンズからなり、
前記第３の光学面は、負の屈折力を有しており、
前記第１の光学面と前記第３の光学面との間に、前記レーザ光線が集光する集光領域を有している、
ビーム変換光学系。
【請求項２】
前記第２の光学面と前記第４の光学面は、平面である、
請求項１に記載のビーム変換光学系。
【請求項３】
貫通孔を有する鏡筒をさらに備え、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子は、前記貫通孔内に配置されて前記鏡筒により支持されている、
請求項１に記載のビーム変換光学系。
【請求項４】
レーザ光線を射出する光源と、前記レーザ光線の光強度分布を変換すると共に前記レーザ光線をラインビームに変換するビーム変換光学系と、を備え、
前記ビーム変換光学系は、
第１の光学素子と、
前記第１の光学素子の後段に配置された第２の光学素子と、を備え、
前記第１の光学素子は、前記レーザ光線が入射される第１の光学面と、前記レーザ光線が出射される第２の光学面を有するシリンドリカルレンズからなり、
前記第１の光学面は、正の屈折力を有しており、
前記第２の光学素子は、前記レーザ光線が入射される第３の光学面と、前記レーザ光線が出射される第４の光学面を有するシリンドリカルレンズからなり、
前記第３の光学面は、負の屈折力を有しており、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に、前記レーザ光線が集光する集光領域を有している、
光源装置。
【請求項５】
前記第２の光学面と前記第４の光学面は、平面である、
請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
貫通孔を有する鏡筒をさらに備え、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子は、前記貫通孔内に配置されて前記鏡筒により支持されている、
請求項４に記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光源から射出されたレーザ光線の光強度分布を変換するとともにレーザ光線をラインビームに変換するビーム変換光学系および光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源から出射されたレーザ光線を線状のラインビームに変換するビーム変換光学系の検討が進められている。従来のビーム変換光学系は、例えば、特許文献１に示されている。特許文献１のビーム変換光学系は、光源側に光線角度を広げるダイバージェント素子を配置し、その後段に光強度を変換するホモジナイザを配置するといったアフォーカルな光学系が知られている。なお、ダイバージェント素子は、凹レンズと凸レンズの組合せにより構成されており、ホモジナイザは、マルチシリンドリカルレンズで構成されたビーム変換光学系が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１８７９６８号公報
【発明の概要】
【０００４】
一方、このようなビーム変換光学系においても、小型化に対する要望が強く求められている。しかしながら、従来のビーム変換光学系では、ダイバージェント素子の後段にホモジナイザが配置されたアフォーカルな光学系であるため、ダイバージェント素子における発散角を大きくするためには、複数の凹レンズを光軸方向に多段配置しなければならず、ビーム変換光学系が大型化してしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、本開示はこのような問題を解決し、小型でかつ発散角が大きいビーム変換光学系および光源装置を提供することを目的とする。
【０００６】
本開示の一態様におけるビーム変換光学系は、第１の光学素子と、その後段に配置された第２の光学素子と、を備える。第１の光学素子は、第１の光学面と第２の光学面を有するシリンドリカルレンズからなる。第１の光学面は正の屈折力を有している。第２の光学素子は、第３の光学面と第４の光学面を有するシリンドリカルレンズからなる。第３の光学面は負の屈折力を有している。第１の光学素子と第２の光学素子との間にレーザ光線が集光する集光領域を有している。
【０００７】
また、本開示の一態様における光源装置は、レーザ光線を射出する光源と、レーザ光線の光強度分布を変換するとともにレーザ光線をラインビームに変換するビーム変換光学系とを備える。ビーム変換光学系は、第１の光学素子と、その後段に配置された第２の光学素子と、を備える。第１の光学素子は、第１の光学面と第２の光学面を有するシリンドリカルレンズからなる。第１の光学面は正の屈折力を有している。第２の光学素子は、第３の光学面と第４の光学面を有するシリンドリカルレンズからなる。第３の光学面は負のパワーを有している。第１の光学素子と第２の光学素子との間にレーザ光線が集光する集光領域を有している。
【０００８】
このような構成により、本開示は、小型でかつ発散角が大きいビーム変換光学系および光源装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示の実施の形態における光源装置の、上方からみた要部構成を示す模式図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本開示の実施の形態における光源装置の、側方からみた要部構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本開示の設計例におけるビーム変換光学系に入射するレーザ光線の光強度分布を示す図である。
【図３】図３は、本開示の設計例におけるビーム変換光学系から出射されるレーザ光線の光強度分布を示す図である。
【図４】図４は、本開示の設計例におけるビーム変換光学系に入射されるレーザ光線の光線図である。
【図５】図５は、本開示のビーム変換光学系の変形例の組み立て構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では、本開示の実施の形態にかかるビーム変換光学系を備えた光源装置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形状、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。
【００１１】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
【００１２】
以下、本開示の一態様の光源装置について図を用いて説明する。図１Ａおよび図１Ｂに光源装置１００の要部構成を示す。図１Ａは光源装置１００を上方から見た模式図である。図１Ｂは光源装置１００を側方から見た模式図である。
【００１３】
光源装置１００は、光源１０とビーム変換光学系２０を備えている。
【００１４】
光源１０は、内部にレーザ発信機１１とコリメートレンズ１２とを有している。レーザ発信機１１から出射されるレーザ光線３０はコリメートレンズ１２で平行光束に変換される。つまり光源１０から射出されるレーザ光線３０は平行光束である。光源１０は、コリメートレンズ１２の後段に絞り１３を設けてもよい。絞り１３はコリメートレンズ１２から出射されたレーザ光線３０の光束径が制限される。
【００１５】
ビーム変換光学系２０は、第１の光学素子２１と、第２の光学素子２２とを備えている。光源装置１００は、光源１０、第１の光学素子２１、第２の光学素子２２が、この順でＺ軸方向に配置されている。
【００１６】
第１の光学素子２１は、正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成されている。なお、ここで正の屈折力とは、当該屈折力を有する光学素子に光が入射した場合に、その光学素子から出射する光を収束させることをいう。また、負の屈折力とは、当該屈折力を有する光学素子に光が入射した場合に、その光学素子から出射する光を拡がらせることをいう。第１の光学素子２１は、レーザ光線３０が入射される第１の光学面２１１と、レーザ光線３０が出射される第２の光学面２１２とを有する。第１の光学面２１１は、Ｘ軸方向に対する正の屈折力を有する凸面形状のシリンドリカル面である。第２の光学面２１２は、Ｘ軸方向に対する屈折力を有していない平面である。第１の光学面２１１のシリンドリカル面は非球面で構成されている。第１の光学面２１１を非球面とすることで、レーザ光線３０の光強度分布をガウシアン型からトップフラット型に変換する作用が得られる。なお、トップフラット型の光強度分布とは、光軸４０を中心とした所定像高の範囲内において光強度分布が一定となることを意味する。所定像高の範囲内とは、例えば像高の７割以下の範囲とすることができる。光の強度分布が一定であるとは、所定像高の範囲内における光強度の最小値が、同じ範囲内における最大値の９０％以上の範囲内に存在することを意味する。なお、第２の光学面２１２は、屈折力を持つシリンドリカル面としてもよい。
【００１７】
また、第１の光学素子２１は、光学ガラスにより構成することが好ましい。光学ガラスは、高出力のレーザ光線３０に対応することができる。
【００１８】
第２の光学素子２２は、負の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成されている。第２の光学素子２２は、レーザ光線３０が入射される第３の光学面２２１と、レーザ光線３０が出射される第４の光学面２２２とを有する。第３の光学面２２１は、Ｘ軸方向に対する負の屈折力を有する凹面形状のシリンドリカル面である。第４の光学面２２２が、Ｘ軸方向に対する屈折力を有していない平面である。第３の光学面２２１のシリンドリカル面は、非球面で構成されている。第３の光学面２２１を非球面とすることで、レーザ光線３０の光強度分布をガウシアン型からトップフラット型に変換する作用が得られる。なお、第４の光学面２２２は、屈折力を持つシリンドリカル面としてもよい。
【００１９】
また、第２の光学素子２２は、光学ガラスにより構成することが好ましい。光学ガラスは、高出力のレーザ光線３０に対応することができる。
【００２０】
また、第１の光学面２１１の母線方向と、第３の光学面２２１の母線方向は一致している。ここでいう母線方向の一致とは、光源装置１００としての光学特性の許容範囲内での母船方向のズレは許容される。第１の光学面２１１と第３の光学面２２１の母線方向のズレの許容範囲は±０．３°とすることができる。
【００２１】
なお、第１の光学素子２１においてビーム強度変換が十分に行われない場合は、この不足分を第２の光学素子２２で補うことが出来る。
【００２２】
次に、光源１０から出射されたレーザ光線３０の変化について説明する。光源１０から出射されたレーザ光線３０は、図１Ａに示されるように、第１の光学素子２１を透過することにより集光光束に変換される。集光光束となったレーザ光線３０は、集光領域５０を通過した後に発散光束となる。なお、集光領域５０とは、第１の光学素子２１から出射される集光光束の光束径が最小となりビームウエストを形成する部分を示す。集光領域５０を透過して発散光束となったレーザ光線３０は、第２の光学素子２２により発散角が拡大される。また、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２は、それらの母線方向において屈折力を有していない。このため、図１Ｂに示されるように、レーザ光線３０は、第１の光学素子２１、第２の光学素子２２を透過しても光束径はＺ軸方向で変化しない。したがって、光源１０から出射されたレーザ光線３０は、ビーム変換光学系２０を透過することによりＸ軸方向に伸びるラインビームに変換される。
【００２３】
なお、ビーム変換光学系２０は、第１の光学素子２１の非球面形状に基づく光強度の変換作用と、第２の光学素子２２の非球面形状に基づく光強度の変換作用を組み合わせることにより、ビーム変換光学系２０から出射されるレーザ光線３０の光強度分布をトップフラット型の光強度分布としている。
【００２４】
次に、ビーム変換光学系２０の設計例を示す。設計例では、第１の光学素子２１及び第２の光学素子２２は、光軸上での素子間距離Ｌは２．４２３６１９５ｍｍである。ビーム変換素子に入射するレーザ光線３０の波長は１μｍである。
【００２５】
表１に第１の光学素子２１の光学設計データを示す。
【００２６】
【表１】
2019111705.tif 000003
【００２７】
表中の屈折率は、波長１μのレーザ光線３０に対する屈折率を示している。表中の素子厚みは、図１Ａの第１の光学素子２１における光軸上の素子厚みＤ１を示している。
【００２８】
表２に第２の光学素子２２の光学設計データを示す。
【００２９】
【表２】
2019111705.tif 000004
【００３０】
表中の屈折率は、波長１μのレーザ光線３０に対する屈折率を示している。表中の素子厚みは、図１Ａの光軸上における第２の光学素子２２の厚みＤ２を示している。
【００３１】
図２に設計例のビーム変換光学系２０に入射するレーザ光線３０の光強度分布を示す。縦軸は、光強度を示す。縦軸の値は、光強度の最大値を１として規格化したものである。横軸は、光軸からの像高を示す。図２によれば、ビーム変換光学系２０に入射されるレーザ光線３０は、光束径が１．２ｍｍであり、光強度分布がガウシアン型である。
【００３２】
図３に設計例のビーム変換光学系２０から出射されたレーザ光線３０の光強度分布を示す。この光強度分布は、第２の光学素子２２の第４面から１０００ｍｍ離れた位置における光強度分布である。縦軸は、光強度を示す。縦軸の値は、光強度の最大値を１として規格化したものである。横軸は、光軸４０からの像高を示す。図３によれば、ビーム変換光学系２０から出射されたレーザ光線３０が、光軸４０を中心とした約１６００ｍｍの幅において光強度分布が一定なラインビームに変換されている。
【００３３】
図４にビーム変換素子に入射されるレーザ光線３０の光線図を示す。レーザ光線３０における線間隔は、光強度分布に対応している。線間隔が狭ければ光強度分布が密であり、光線間隔が広ければ光強度分布が粗であることを示している。第１の光学素子２１に入射されるレーザ光線３０は、光軸近傍の光強度が高く、外縁側の光強度が低いガウシアン型の光強度分布であることを示している。第２の光学素子２２から出射されるレーザ光線３０は、光軸近傍から外縁に至るまで線間隔が一定であり、低いガウシアン型の光強度分布であることを示している。
【００３４】
また、第１の光学素子２１は、非球面設計により縦の球面収差を有している。縦の球面収差は、第１の光学素子２１から出射されるレーザ光線３０の光軸側の光線と外縁側の光線の平行度が近づくように設定されている。第２の光学素子２２は、非球面設計により縦の球面収差を有している。縦の球面収差は、第２の光学素子２２から出射されるレーザ光線３０の光線間隔が近づくように設定されている。
【００３５】
このように、本開示のビーム変換光学系２０は、第１の光学素子２１から出射されるレーザ光線３０の最外縁の光線の集光角により、第２の光学素子２２に入射するレーザ光線３０の発散角が決まる。つまり、第１の光学素子２１の開口数ＮＡを大きくすることで集光角を大きくできるため、第２の光学素子２２を従来のような多段構成としなくても、ビーム変換光学系２０において発散角の大きいラインビームを形成することができる。
【００３６】
ビーム変換光学系２０は、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２の２枚組みの構成でビーム変換光学系２０が構成できるので、発散角が大きくかつ小型なビーム変換光学系２０を実現することができる。なお、第１の光学素子２１および第２の光学素子２２がともにシリンドリカル構造であることから光学素子の形成が容易となる。これにより、光学素子は成形金型を用いたプレス加工により成形することができる。プレス加工を用いれば量産時における成形ばらつきが低減できる。
【００３７】
なお、第１の光学素子２１は、第２の光学面２１２が平面である。このため、プレス成形時に第１の光学素子２１に対する第２の光学面２１２のズレが生じたとしても、光学特性に影響を及ぼさない。つまり、第１の光学素子２１のレンズ成形は容易である。また、第２の光学素子２２は、第４の光学面２２２が平面である。このため、プレス成形時に第３の光学面２２１に対する第４の光学面２２２のズレが生じたとしても、光学特性に影響を及ぼさない。つまり、第２の光学素子２２のレンズ成形は容易である。
【００３８】
また、ビーム変換光学系２０のように、少ないレンズ組数で発散角を大きくする構成では、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２の位置あわせにおいて高い精度が求められる。図５に、ビーム変換光学系の変形例の組み立て構成の模式図を示す。ビーム変換光学系７０は、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２を鏡筒６０に挿入して位置決めする構造としている。鏡筒６０は、貫通孔６１を有する筒状の金属で形成されている、貫通孔６１における一方の開口６１Ａの側は、第１の光学素子２１の外形に対応している。貫通孔６１における他方の開口６１Ｂの側は、第２の光学素子２２の外形に対応している。貫通孔６１の内側、つまり、挿入された第１の光学素子２１と第２の光学素子２２の間の部分は、内周方向に突出した突出部６２が配置されている。第１の光学素子２１と第２の光学素子２２は、貫通孔６１の内周面でガイドされた状態で挿入されるので、互いの母線方向のズレが抑制される。さらに、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２は、突出部６２に当接することで第１の光学素子２１と第２の光学素子２２の間隔が決定される。したがって、鏡筒６０を用いることで、第１の光学素子２１に対する第２の光学素子２２の位置決めが容易となり、量産段階におけるビーム変換光学系２０の光学特性を安定させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、ビーム変換光学系の部品点数を削減するという効果を有し、特に小型化が求められる車載用途において有効である。
【符号の説明】
【００４０】
１０    光源
２０，７０    ビーム変換光学系
２１    第１の光学素子
２１１    第１の光学面
２１２    第２の光学面
２２    第２の光学素子
２２１    第３の光学面
２２２    第４の光学面
３０    レーザ光線
５０    集光領域
６１    貫通孔
６０    鏡筒
１００    光源装置
【図１Ａ】
2019111705.tif 000005
【図１Ｂ】
2019111705.tif 000006
【図２】
2019111705.tif 000007
【図３】
2019111705.tif 000008
【図４】
2019111705.tif 000009
【図５】
2019111705.tif 000010
【国際調査報告】
2019111705.tif 000011
2019111705.tif 000012
2019111705.tif 000013