(57)【要約】  本発明に係るライトバルブの照明装置においては、各々がそれぞれに対応する複数の放射ビームを放出するよう動作する少なくとも一つのレーザアレイと、ライトパイプとを有するライトバルブ照明器が提供される。この照明系において、ひとつまたは複数のレーザアレイからの放射光がライトパイプへと向けられる。ライトパイプは、レーザアレイからの個々の放射光成分を混合し、均一な照明光線を形成する。レーザアレイの各々の指向方向をモニタし、制御して、複合照明光線の輝度を保つ。
2007519960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライトバルブを照明する装置であって、第一の複数の放射ビームを放出できる第一のレーザアレイと、以下のものを備えるライトパイプと、２つの反射面と、前記２つの反射面は相互に間隔を空けて対向しており、前記第一の複数の放射ビームを受けるよう動作できる入力端と、前記第一の複数の放射ビームの少なくとも第一の部分と第二の部分は前記入力端で重ならず、前記第一の複数の放射ビームの前記少なくとも第一の部分と第二の部分は前記第一の複数の放射ビームの全体より小さく、出射光を放出するよう動作できる出力端、前記出力端の下流に設置され、前記出力端を前記ライトバルブに結像することにより、前記ライトバルブを照明するよう動作できる少なくともひとつの光学素子と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、第二の複数のレーザビームを放出できる少なくともひとつの第二のレーザアレイを備え、前記入力端は、前記第二の複数の放射ビームを受けるよう動作でき、前記第二の複数の放射ビームの少なくとも第一の部分と第二の部分は前記入力端で重ならず、前記第二の複数の放射ビームの前記少なくとも第一の部分と第二の部分の各々は、前記第二の複数の放射ビームの全体より小さいことを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置であって、前記入力端は、前記第一と第二の複数の放射ビームを受けるよう動作でき、前記第一の複数の放射ビームの少なくとも第三の部分は前記入力端で前記第二の複数の放射ビームの少なくとも第三の部分と重ならず、前記第一の複数の放射ビームの前記少なくとも第三の部分は、前記第一の複数の放射ビームの全体より小さく、前記第二の複数の放射ビームの前記少なくとも第三の部分は、前記第二の複数の放射ビームの全体より小さいことを特徴とする手段。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって、前記第一のレーザアレイと前記少なくともひとつの第二のレーザアレイは、前記第一の複数の放射ビームと前記第二の複数の放射ビームが、共通平面内で伝播するように整列されていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であって、前記２つの反射面は、系の平面にほぼ垂直に向けられていることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項４に記載の装置であって、前記第一のレーザアレイと前記少なくともひとつの第二のレーザアレイは、前記第一の複数の放射ビームと前記第二の複数の放射ビームが中心軸に向かって内側に曲げられていることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載の装置であって、前記ライトパイプは、前記入力端から前記出力端に向かって細くなっていることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項２から６のいずれか１つに記載の装置であって、前記第一の複数の放射ビームの中のビームの各々と前記第二の複数の放射ビームの中のビームの各々の経路の中に設置されたマイクロレンズ素子を備えることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項２から６のいずれか１つに記載の装置であって、前記第一の複数の放射ビームと前記第二の複数の放射ビームのうち少なくとも一方の経路の中に設置されたマイクロレンズ素子を備えることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、前記マイクロレンズ素子は、超小型光学素子のアレイであることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項２から６のいずれか１つに記載の装置であって、前記ライトパイプと、前記第一と前記少なくともひとつの第二のレーザアレイとの間に設置されたレンズを備えることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１つに記載の装置であって、前記少なくともひとつの光学素子は、少なくとも系の平面に屈折度を有する光学素子であることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１つに記載の装置であって、前記少なくともひとつの光学素子は球面レンズであることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１から１１のいずれか１つに記載の装置であって、前記少なくともひとつの光学素子は円柱レンズであることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１つに記載の装置であって、前記少なくともひとつの光学素子は、前記出力端を前記ライトバルブ上に、ほぼテレセントリックに結像するためのレンズであることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１つに記載の装置であって、前記２つの反射面は、相互に間隔を空けて設置された一対の鏡であることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１から１５のいずれか１つに記載の装置であって、前記ライトパイプは、少なくとも一対の平坦な対向面を有し、前記２つの反射面を形成する固体透明光学材料でなることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項２から６のいずれか１つに記載の装置であって、前記第一の複数の放射ビームと前記第二の複数の放射ビームの各々は、赤外線ビームであることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか１つに記載の装置であって、前記ライトパイプの下流に位置づけられた開口を有し、前記開口は、前記出射光の少なくとも一部をブロックするよう動作できることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項２から６のいずれか１つに記載の装置であって、前記出射光は、前記第一の複数の放射ビームの少なくとも一部と前記第二の複数の放射ビームの少なくとも一部でなり、前記装置はさらに、前記ライトパイプの下流に配置された少なくともひとつの第一の位置センサと、前記少なくともひとつの第一の位置センサは、前記第一の複数の放射ビームの前記少なくとも一部分の位置に対応する第一の位置フィードバック信号を生成するよう動作でき、前記第一の位置フィードバック信号に応答して、少なくとも前記第一のレーザアレイの指向方向を変更するよう動作できる少なくともひとつの第一のアクチュエータと、を備えることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の装置であって、前記ライトパイプの下流に設置された少なくともひとつの第二の位置センサと、前記少なくともひとつの第二の位置センサは、前記第二の複数の放射ビームの前記少なくとも一部の位置に対応する第二の位置フィードバック信号を生成するよう動作でき、前記第二の位置フィードバック信号に応答して、前記少なくともひとつの第二のレーザアレイの指向方向を変更するよう動作できる少なくともひとつの第二のアクチュエータと、を備えることを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の装置であって、前記少なくともひとつの第一のアクチュエータは、前記第一の複数の放射ビームの経路の中の第一の光学素子の位置を変更し、前記少なくともひとつの第二のアクチュエータは、前記第二の複数の放射ビームの経路の中の第二の光学素子の位置を変更することを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置であって、前記第一の光学素子と前記第二の光学素子の各々は、反射鏡であることを特徴とする装置。
【請求項２４】
請求項２から６のいずれか１つに記載の装置であって、前記出射光は複合照明光線であり、前記複合照明光線は、前記第一の複数の放射ビームと前記第二の複数の放射ビームからの成分で構成されることを特徴とする装置。
【請求項２５】
ライトバルブを照明する方法であって、第一のレーザアレイからの第一の複数の放射ビームを、入力端と出力端と、入力端と出力端の間に相互に間隔を空けて設置された対向する一対の表面を備えるライトパイプの中に放出するステップと、前記第一の複数の放射ビームで前記入力端を照明するステップと、前記入力端を照明するステップは、前記入力端で前記第一の複数の放射ビームの少なくとも第一の部分と第二の部分を重ねないステップであり、前記第一の複数の放射ビームの前記少なくとも第一の部分と第二の部分は前記第一の複数の放射ビームの全体より小さく、前記出力端で出射光を生成するステップと、前記出力端を前記ライトバルブに結像することにより、前記ライトバルブを照明するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、少なくともひとつの第二のレーザアレイから、第二の複数の放射ビームを前記ライトパイプの中に放出するステップと、前記第二の複数の放射ビームで前記入力端を照明するステップとを含み、前記入力端を照明するステップはさらに、前記入力端において、前記第二の複数の放射ビームの少なくとも第一の部分と第二の部分を重ねないステップを含み、前記第二の複数の放射ビームの前記少なくとも第一の部分と第二の部分は前記第二の複数の放射ビームの全体より小さいことを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法であって、前記入力端を照明するステップは、前記第一の複数の放射ビームの少なくとも第三の部分と前記第二の複数の放射ビームの少なくとも第三の部分を前記入力端において重ねないステップであり、前記第一の複数の放射ビームの前記少なくとも第三の部分は前記第一の複数の放射ビームの全体より小さく、前記第二の複数の放射ビームの前記少なくとも第三の部分は、前記第二の複数の放射ビームの全体より小さいことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法であって、前記入力端と前記出力端の間で少なくとも１回、前記第一と第二の複数の放射ビームの各々の少なくとも一部を反射させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２７に記載の方法であって、前記第一と少なくともひとつの第二のレーザアレイの各々は、速軸と遅軸を有し、前記ライトパイプは、少なくとも前記遅軸方向に、前記第一の複数の放射ビームの少なくとも一部と前記第二の複数の放射ビームの一部を混合することを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法であって、前記出射光は、前記第一のアレイに対応する第一の照明光線と、前記少なくともひとつの第二のアレイに対応する第二の照明光線であり、前記第一と第二の照明光線は相互に間隔が空けられ、系の平面に垂直であり、前記方法は、前記ライトパイプの前記出力端の下流で前記第一と第二の照明光線を融合させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
照明系であって、少なくとも２つのレーザと、前記少なくとも２つのレーザの各々は、対応する放射ビームを放出することができ、入力端と出力端を有するライトパイプと、前記ライトパイプは、前記出力端において、前記対応する放射ビームの各々から複合照明光線を生成するよう動作でき、前記ライトパイプの下流に設置された位置センサと、前記位置センサは、前記複合照明光線を受け、前記対応する放射ビームの各々の位置を検出し、位置フィードバック信号を発生するよう動作でき、前記位置フィードバック信号に応答して、前記対応する放射ビームの少なくともひとつの指向方向を変更するための少なくともひとつのアクチュエータと、を備えることを特徴とする照明系。
【請求項３２】
請求項３１に記載の照明系であって、前記少なくともひとつのアクチュエータは、前記少なくとも２つのレーザの一方に動作的に接続され、これを移動させることを特徴とする照明系。
【請求項３３】
請求項３１に記載の照明系であって、前記少なくとも２つのレーザの各々はレーザアレイであり、前記対応する放射ビームは、複数の放射ビームでなることを特徴とする照明系。
【請求項３４】
請求項３３に記載の照明系であって、前記レーザアレイはそれぞれ、レーザダイオードアレイであることを特徴とする照明系。
【請求項３５】
請求項３１に記載の照明系であって、前記少なくとも２つのレーザの各々の付近で、前記対応する放射ビームの各々の経路の中に配置された少なくともひとつの光学素子を備え、前記少なくともひとつのアクチュエータは、前記少なくともひとつの光学素子に動作的に接続され、これを移動させることを特徴とする照明系。
【請求項３６】
請求項３１に記載の照明系であって、前記少なくとも２つのレーザの一方に動作的に接続されたアクチュエータを備え、前記アクチュエータは、前記少なくとも２つのレーザの前記一方により放出された対応する放射ビームの方向を再変更するよう動作できることを特徴とする照明系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照明の分野に関し、より詳しくは、画像処理およびその他の利用分野に使用される照明光線の生成に関する。
【０００２】
本願は、２００４年１月２８日出願の「ライトバルブのライン照明」と題する米国出願第６０／５３９，３３６号の優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００３】
ダイオードレーザは、画像処理の多くの利用分野において、便利で低コストの放射光源として使用されている。材料加工の利用分野では、工作物の性質または特徴を変化させるため、適当に連結されたダイオードレーザの放射光を利用することがある。また、画像記録や表示装置では、レーザダイオードを光学系の照明に利用することがある。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５５１７３５９号明細書
【特許文献２】米国特許第６１３７６３１号明細書
【特許文献３】米国特許第５９００９８１号明細書
【特許文献４】米国特許第６０６４５２８号明細書
【特許文献５】米国特許第５８６１９９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
画像処理のひとつの用途において、モノリシック構造のレーザダイオードエミッタアレイが、マルチチャネルライトバルブの照明に使用される。ライトバルブは一般に、個別にアドレス指定可能な複数の変調器を有し、各々の変調器が像様の変調光のビームまたはチャネルを生成する。画像は、受像機上で走査しながら、チャネルを選択的にアクティベートすることによって形成される。高品質の画像を実現するためには、通常、チャネルがその画像特性において均一であることが必要となる。これは、システム設計者にとって困難な課題である。なぜなら、レーザダイオードからの照明は高非点収差であり、全体的な光線品質が低いからである。そこで、出射光を集光し、フォーマットする光学系により、ダイオードレーザの出力の固有の限界を克服して、有効な照明を得ることが模索されている。
【０００６】
ゲルバートによる特許文献１は、複数のエミッタを有するレーザダイオードアレイからの放射光をリニアライトバルブ上に結像するための方法を教示している。その光学系は、ライトバルブの平面において各エミッタからの放射光線を重ね合わせて、一本の複合照明光線を形成する。光線を重ね合わせることにより、（部分的または全体的な）エミッタ不良の影響をある程度受けずにすむ。不良が発生しても、出力は低減するが、光線の均一性はさほど影響を受けない。
【０００７】
エミッタを重ね合わせても、個々のエミッタからの放射光のプロフィールの均一性はなお、光線の全体的な均一性に影響を与える。優良なレーザダイオードアレイでも、エミッタの遅軸方向への不均一性が２０％を超える可能性がある。複数のエミッタの放射光が結合されると、不均一性は部分的に相殺しあうかもしれないが、一般に１０−１５％の不均一性が残る。一部のライトバルブは、より強い照明を受けたチャネルからの出力を減衰させるという方法で各チャネルの出力のバランスをとることにより、この不均一性を調整できる。しかしながら、弱いチャネルを増幅することはできないため、これは有用な光出力を最大１５％浪費することになる。
【０００８】
モーリン(Moulin)による特許文献２は、ひとつのレーザダイオードアレイの中の複数のエミッタからの放射エネルギーを混合するための手段を教示している。この混合手段は、レーザ放射光が集束した地点またはそれより下流に位置する複数の反射面を有する。混合手段に入る放射エネルギーは複数回反射され、その結果、出現する放射エネルギーの出力分布はより均一なものとなる。
【０００９】
１５０μｍのエミッタを１９個またはそれ以上有し、総光出力が８３０ｎｍの波長で約５０Ｗのレーザダイオードアレイが現在、市販されている。より高い出力を目指した努力が常に続けられている一方で、材料と製造技術は依然として、ある構成で実現できる出力の限定要因となっている。総光出力が１００Ｗ程度の照明光線を提供するためには、光学系の設計者には、複数のレーザダイオードアレイからの放射光を複合すること以外の選択肢が残されていない。そこで、二重複合レーザアレイが、オレンらによる特許文献３とシンプソンによる特許文献４において開示されている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一の面によれば、各々がそれぞれに対応する複数の放射ビーム（対応放射ビーム群）を放出するよう動作する少なくともひとつのレーザアレイと、ライトパイプとを有するライトバルブ照明器が提供される。ライトパイプは、相互に間隔を空けて対向する２枚の反射面によって画定される。ライトパイプには入力端と出力端がある。入力端は、少なくともひとつのレーザアレイの各々から放出される対応放射ビーム群を受け取るよう動作する。どの対応放射ビーム群にも、ライトパイプの入力端において同じ対応放射ビーム群の他の部分と重ならない部分がある。また、ひとつの対応放射ビーム群の一部は、ライトパイプの入力端において、別の対応放射ビーム群の一部と重ならない。対応するレーザビーム群の各部分は、対応する放射ビーム群の全体より小さい。少なくともひとつの光学素子がライトパイプの出力端の下流に設置され、出力端をライトバルブに結像する。
【００１１】
本発明の別の面によれば、ひとつまたは複数のレーザアレイからの放射ビーム群をライトバルブ上に連結するための方法が提供される。ひとつまたは複数のレーザアレイの各々からの放射ビーム群が、ライトパイプの中に放出される。ライトパイプには、入力端、出力端およびそれらの間に設置された一対の相互に間隔を空けて対向する反射面がある。放出中、対応放射ビーム群のいずれについても、ライトパイプの入力端において、同じ対応放射ビーム群の他の部分と重ならない部分がある。さらに、ひとつの対応放射ビーム群の一部は、入力端において、別の対応放射ビーム群の一部と重ならない。あらゆる場合において、対応するレーザビーム群の各部分は、対応放射ビーム群の全体より小さい。ライトパイプの出力端は、ライトバルブ上に結像される。
【００１２】
本発明のさらに別の面によれば、照明系は、各々が放射ビームを生成できる少なくとも２つのレーザと、レーザからの放射ビームを結合して複合照明光線とするためのライトパイプを備える。位置センサがライトパイプの下流に設置され、放射ビームの位置をモニタし、位置フィードバック信号を発生する。少なくともひとつのアクチュエータがあり、これが位置フィードバック信号に反応して、放射ビームのうちの少なくともひとつの指向方向を変更する。
【００１３】
本発明の理解のため、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の説明全体を通じて、具体的な詳細事項は、本発明の理解を深めるために記載されている。しかしながら、本発明は、こうした具体的事項がなくても実現できる。また、本発明が不必要にあいまいになることを避けるために、周知の素子については詳細に明示あるいは説明しなかった箇所もある。したがって、明細書と図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で理解するものとする。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態を示したもので、２つのレーザアレイ１０，１２からの放射光がライトパイプ２０へと向けられている。ライトパイプ２０は、系の平面にほぼ垂直な一対の反射面２２により画定される。系の平面は、ＸＺ面に平行な平面として画定される。ライトパイプ２０は、その入力端２４からその出力端２６に向かって細くなる。ライトパイプ２０の出力端２６は、反射面２２の下流末端に挟まれた領域である。
【００１６】
一対のレーザアレイ１０，１２は、好ましくは一対のレーザダイオードアレイであり、それぞれが複数のエミッタ１４を有する。エミッタ１４は、一方向に非常に狭く（代表的なものは１μｍ）、他の方向には長い（マルチモードレーザの場合、代表的なものは８０μｍを超える）ため、一般にストライプエミッタと呼ばれる。好ましくは、エミッタストライプの長いほうの辺が系の平面にある。この場合、Ｙ軸は、レーザ放射光がＹ軸方向に非常に素早く発散するため、一般に「速軸」と呼ばれ、Ｘ軸は、レーザ放射光がＸ軸方向に比較的ゆっくりと発散するため、一般に「遅軸」と呼ばれる（速軸については挟角約３０°の発散であるのに対し、遅軸については挟角約８°の発散）。レーザアレイ１０，１２の各々の各エミッタ１４は、速軸方向に単一横モード、遅軸方向には多重横モードの出力ビームを生成する。マイクロレンズ１６が各エミッタの前に設置され、エミッタ１４からの放射光を集光する。マイクロレンズ１６は、一対の相互に間隔を空けられたダイヤモンドソーの刃を使って円形非球面レンズから切り出すことができる（本願と同一出願人によるゲルバートの特許文献５に記載されているとおり）。
【００１７】
ライトパイプ２０の出力端２６は、レンズ２８，３０，３２によってライトバルブ３４に光学的に連結され、これにより、出力端２６はライトバルブ３４に結像される。ライトバルブ３４には、複数の変調器３６がある。開口ストッパ２９が、レンズ２８と３０の間に設置されている。ライトバルブ３４の変調器３６は、光学画像系（図示せず）を使って、所期のターゲット上に結像される。
【００１８】
図１に示されているように、レーザアレイ１０，１２は、好ましくは、中心軸１８に向かって若干「内向き」になっている。あるいは、内向きの状態は、系の平面において屈折力を有する円柱レンズ（図示せず）を使って光学的に実現することもできる。円柱レンズは、マイクロレンズ１６とライトパイプ入力端２４との間に設置できる。
【００１９】
照明系の動作を、図１、図２−Ａ、図２−Ｂに関連して説明する。図の実施形態において、レーザアレイ１０，１２のエミッタ１４からの放射光には非点収差が発生する。ライトバルブ３４の照明には、アナモルフィック画像系が使用される。速軸と遅軸方向への放射光の伝播は、したがって、別々に考慮すべきである。
【００２０】
系の平面において、図２−Ａに示されているように、エミッタ１４からの発散放射ビーム４２ａは、マイクロレンズ１６によって集光され、ライトパイプ２０の入力端２４に向けられる。マイクロレンズ１６は遅軸と整合され、各エミッタ１４からの放射ビーム４２ａをライトパイプ２０の出力端２６付近の中心軸１８に向かわせる。しかしながら、本発明のすべての実施形態について、対応するエミッタによって放出される特定の放射ビームはいずれも、ライトパイプの入力端で、低速走査方向に、同じレーザアレイのものか他のレーザアレイのものかを問わず、必ずしも他のすべてのエミッタから放出される他のすべての放射ビームと重なるわけではない。あるエミッタ１４からの放射光は、複数のマイクロレンズ１６によって集光され、ライトパイプ２０の入力端２４に向けられてもよいことに留意すべきである。
【００２１】
系の平面に垂直な平面において、図２−Ｂに示されているように、エミッタ１４からの放射ビーム４０ａは急速に発散する。放射ビーム４０ａ，４２ａはそれぞれ、エミッタ１４から放出されているビームを異なる平面から見たものを表していることに注意されたい。各マイクロレンズ１６は、１個のエミッタ１４からの放射光４０ａを集光し、これを集束させて点４４でウエストを作る。点４４は、本発明のこの実施形態において、ライトパイプ２０の出力端２６の下流で、かつレンズ２８，３０の間にある。ウエストの位置は、光学面上の出力密度を制限するよう選択される。ウエストは、円柱レンズ３２によってライトバルブ３４上に結像される。あるいは、エミッタ１４は、円柱レンズ３２の前にウエストを作るよう集束させる必要がなく、円柱レンズ３２の後に仮想ウエストを作ってもよい。この場合、円柱レンズ３２は仮想ウエストをライトバルブ３４の上に結像する。
【００２２】
図１の実施形態に戻ると、マイクロレンズ１６は速軸方向に整列されており、各エミッタ１４に関するウエストを点４４に位置づけて、各エミッタ１４からの放射光成分（コントリビューション: contributions）を重ね、これによって点４４で複合ウエストを作る。
【００２３】
光学素子２８は、速軸方向に屈折力を持たない円柱レンズである。開口２９も同様に、放射光の速軸方向への伝播には影響を与えない。素子３０は、球面フィールドレンズである。素子３２は、速軸方向に屈折力を有する円柱レンズであり、ビーム４０ｃをライトバルブ３４の上で細い線４６として集束させる。
【００２４】
ライトパイプ２０は、レーザアレイ１０，１２のエミッタ１４からの放射ビームを結合、混合し、出力端２６で出射光を生成する。ライトパイプ２０の動作を、図３に関連して説明する。エミッタ１４は放射ビームを生成し、この放射ビームは前述のように、マイクロレンズ１６によって集光、集束される。図３では、２つの代表的なビーム６０，６２が描かれているが、各エミッタが同様のビームを生成すると理解すべきである。ビーム６０，６２の各々もまた、そのビームについて描かれている境界内に光線束を含むものと理解すべきである。さらに、ビーム６０，６２が表す境界は、例として描かれているにすぎず、本発明の他の好ましい実施形態では、これと異なるかもしれない点も理解すべきである。ビーム６０は、ライトパイプ２０の出力端２６に到達する前に、反射面２２によって点６６，６８，７０で反射される。ビーム６２は、出力端２６に到達する前に、点７２，７４で反射される。出力端２６において、ビーム６０，６２は重なり、混合されて、出力端２６での出射光の一部となる。他のエミッタ１４からのビームも、出力端２６に到達する前に同様に反射される。したがって、出力端２６において、出射光は、エミッタ１４から放出された放射ビームの各々の実質的部分（つまり、ライトパイプ２０における小量の損失を考慮）で構成される出力複合放射ビームとなる。さらに、出力端２６において、出射光は、一方の反射面２２の終端から他方の反射面２２の終端に及ぶ均一な複合照明光線となる。この複合照明光線は、ライトバルブを照明するよう、適当な光学系によって増幅可能である。出力端２６において、レーザアレイ１０から放出された複数の放射ビーム（放射ビーム群）は第一の照明光線を生成し、レーザアレイ１２から放出された放射ビーム群は第二の照明光線を生成する点に注意すべきである。第一と第二の照明光線は、相互に間隔が空けられているか、あるいは出力端２６において少なくとも部分的に重なっているが、いずれの場合も、これらは複合照明光線を形成する。間隔が空いている場合、第一と第二の照明光線は、ライトパイプ２０の下流で融合できる。
【００２５】
ここで、図２−Ａと図２−Ｂに戻ると、ライトパイプ２０の出力端２６は、円柱レンズ２８と球面レンズ３０によって、ライトバルブ３４上に結像される。ライトパイプ２０の出力端２６から出た出射ビーム４２ｂは、基本的にテレセントリックであり、開口２９は、レンズ２８の焦点に配置される。開口２９の機能は、ライトパイプの中での反射回数が多すぎ、したがって、出力端２６を出るときの軸１８に対する角度が大きすぎることになる、最も外側の光線をブロックすることである。このような光線が含まれてしまうと、特に縁辺部において、複合照明ビーム４２ｃの均一性が損なわれる可能性がある。球面レンズ３０はフィールドレンズであり、これにより、ビーム４２ｄは系の平面においてテレセントリックにライトバルブ３４を照明する。ライトバルブをテレセントリックに照明することにより、各変調器が均等に照明されることになる。
【００２６】
要約すれば、ライトパイプ２０を使用することで、複数のエミッタ１４からの放射ビームは、反射面２２での複数回の反射によってスクランブルされる。スクランブルの結果、出力端２６において均一な放射プロフィールが得られる。ライトパイプ２０の出力端２６は、ライトバルブ３４の上に結像され、複数の変調器３６が均一なテレセントリック照明を受ける。
【００２７】
有利な点として、ライトパイプ２０の反射面２２は、速軸方向に偏向された放射光についてのみ高い反射性を持つよう選択される。他の方向に偏向された放射光は、ライトパイプ２０内で複数回反射されることによって減衰される。これは、特定の方向に偏向されたビームしか変調できない一部のライトバルブにとって有利である。偏向方向の異なるビームが減衰されないままライトバルブを通過した場合、実現可能なコントラストは、特定の方向以外の偏向方向を有するビームを減衰することによって改善できる。
【００２８】
上記の実施形態のライトパイプ２０は先細になっているが、これは必須条件ではない。先細の形状は、レーザエミッタの遅軸発散、レーザアレイ１０，１２の大きさ、レーザアレイが軸１８に向かって内向きになる角度、ライトパイプの長さの制約等、さまざまな要素に合わせて選択された。状況により、エミッタの発散率が高ければ、あるいはより長いライトパイプを使用するのに十分なスペースがあれば、先細ではないライトパイプも使用できる。ある特定のライトパイプに関する反射を系の平面において調べ、特定のビームの反射回数と、その結果得られる出力の均一性を予測できる（たとえば、図６−Ａ、図６−Ｂ参照）。位相空間モデリングから、ライトパイプの長さと先細の形状は、各状況に合わせて最適となるよう選択できる。図４に示される別の実施形態において、一対のマイクロレンズを持たないレーザアレイ１０，１２が、一対の平行反射面８０を有するライトパイプに連結される。図では、外側のエミッタからの放射ビーム８２が描かれている。ビーム８２の中の光線のいくつかは、２回反射されてから出力端２６に到達し、出力端２６でエミッタの成分がある程度混合される。
【００２９】
本発明の別の実施形態において、各レーザアレイのすべてのエミッタからの放射光は、レーザアレイのすぐ後ろに配置された円柱レンズを使って速軸方向にコリメートされる。
【００３０】
多くの用途において、レーザアレイから放出された放射ビームの指向方向を制御することが重要である。２個またはそれ以上のレーザアレイからビームを結合する場合、指向方向に少しでもばらつきがあると、ライン照明の輝度に変動が生じる（輝度とは、単位面積あたりの単位立体角あたりの表面から放出される光束であり、照明系における重要なパラメータである）。用途によっては、各エミッタの指向を個々に制御することが必要となる。
【００３１】
レーザビームの指向を能動的に制御するためのひとつの方法は、レーザ光路内で可動反射素子を用い、レーザ光源から離して設置されたターゲットにビームを一直線にそろえることである。ターゲットは普通、何らかの種類の位置敏感型検出器（ＰＳＤ）である。ターゲットからの出力は、可動反射素子をサーボするためのフィードバック信号として使用される。あるいは、レーザそのものを可動とすれば、反射素子を追加して設置する必要がなくなる。
【００３２】
このコンセプトを２個またはそれ以上のレーザを備えるシステムに延長した場合、特に２個またはそれ以上のレーザの各々がレーザアレイであると、ある非常に深刻な問題が生じる。ライトパイプを使って複数のレーザアレイからの放射を結合する際、異なるレーザアレイからの個々の成分を明確に区別できないような複合照明光線を生成することが重視される。複数のレーザダイオードが使用される場合、これは、特定のレーザダイオードからのビームの位置を感知する上で直接的な問題となる。先行技術による単独レーザ指向制御方法は、ビームが完全に重なる前にビームの終端をモニタすることにより、ごく簡単に二重レーザシステムに適用できるが、ライトパイプの出力において位置情報を個別に抽出することは、それほど単純ではない。
【００３３】
図５−Ａでは、一対のレーザ１０，１２がライトパイプ２０に連結されている。レーザ１０からの放射光は、下方の反射鏡９０に向けられ、反射鏡９０は放射光をライトパイプ２０に向かわせる。反射鏡９０は、矢印９４が示すように、軸９２を中心として回転可能である。同様に、レーザ１２からの放射光は、上方の反射鏡９６に向けられ、ライトパイプに向かわされる。反射鏡９６は軸９８を中心として回転可能である。反射鏡９０，９６の各々を回転させることにより、レーザ１０，１２の指向方向を変更でき、その結果、ライトパイプ２０の出力端２６における放射ビームの位置はＹ軸方向に調整されることが容易にわかるはずである。
【００３４】
図６−Ｂは、図６−Ａに示されるライトパイプの構成の出力端の位相空間プロットである。レーザ光源とライトパイプの反射面を数学的光線追跡シミュレーションでモデリングすることにより、このプロットが得られた。図６−Ａにおいて、レーザ１０，１２からの光線束１１０は、ライトパイプ２０を通るその経路に関して分析されている。３つの代表的な光線１１２，１１４，１１６を出力端２６に描いた。各光線は、軸１１８上の位置ｘを有し、軸１２０と角θをなす。ライトパイプ２０の出力端２６から出る各光線の位置と角度が図６−Ａの中で（角θの正弦として）プロットされる。図には３つの出力光線のみ示したが、さまざまな光線についてｘとθの数値を観察し、これらを図６−Ａの中でプロットし、密度領域１２２を形成することにより、位相空間プロットが作られることを理解すべきである。たとえば、光線１１２，１１４，１１６は、図６−Ｂに示されているようにプロットされる。
【００３５】
位相空間プロット（図６−Ｂ）は、出力位相空間の照明された部分が、どのようにして異なるレーザ光源からの成分で構成されるかを示している。プロットの横の表示は、照明の特定の部分がどのレーザによって生成されたか、および、出力端２６に到達するまでに表面２２で行われた反射の回数を示すものである。一部の光線は角度が大きすぎ（ｓｉｎθ軸の正と負の極端）、ライトパイプ２０の出力端２６の均一性を損なう。したがって、プロット左側の“Ｒ”と表示された範囲外の照明成分は開口によってブロックされ、これらが照明プロフィールに入るのが阻止される。ブロックされた領域は一般に、反射回数が多すぎた成分を示す（この場合、２回を超える反射）。
【００３６】
領域Ｒの外の照明成分は、レーザ１０またはレーザ１２のいずれかから出ているものと明確に特定できる。さらに、照明光線のこの部分が何らかの方法でブロックされるため、これは、有益な出射光に影響を与えることなく、レーザ１０，１２の指向をモニタするのに使用できる。図５−Ａにおいて、一対の位置敏感型検出器１２４，１２６が、レーザ１０，１２の位置をモニタし、フィードバックを制御系に供給するために、図のように配置されている。
【００３７】
適当なコントローラを図５−Ｂに図式的に示す。「セットポイント」は、そのビームの所望の位置である。反射鏡アクチュエータ１３０は、セットポイントの変化に応答して反射鏡をアクチュエートし、その結果、物理的なビームの位置１３２を変化させる。このビームの位置の変化はＰＳＤセンサ１３４によって検出され、比較器１３６に（負のフィードバックとして）フィードバックされる。ビームの位置１３２が所望の場所にあれば、フィードバック１３８とセットポイントは同じレベルとなり、比較器１３６の出力１４０はゼロとなる。これは、反射鏡アクチュエータ１３０の位置がそれ以上変化しないことを意味する。しかしながら、フィードバック１３８がセットポイントからずれると（セットポイントからずれた位置を示す）、比較器１３６の出力１４０は、このずれを補正するよう機能する。二重レーザシステムの場合、図５−Ｂのコントローラは、各レーザについて同じ作業を繰り返し、各レーザが個々に制御される。都合のよいことに、レーザビームは、セットポイントを制御ループの各々に合わせて調整することにより、Ｙ軸方向に最適に重複するよう調整できる。
【００３８】
図７−Ａに示される別の実施形態において、ライトパイプ２０の出力端２６は、ライトパイプ２０の下流に配置されたビームスプリッタ１５０の方向に向けられる。ビームスプリッタ１５０は、光出力を２つのビームに分離する。エネルギーの大部分は、ビームスプリッタ１５０をビーム１５２として通過することができ、これがライトバルブ（図示せず）を照明する。より小さな部分はビーム１５４として分離され、レンズ１５６を通過し、４象限検出器１５８に向けられる。レンズ１５６と、４象限検出器１５８の配置は、レーザアレイ１０，１２を検出器１５８上に結像するように選択される。
【００３９】
図６−Ｂを参照すると、プロットの中央領域は、ｘ軸より上がレーザ１０からの成分、ｘ軸より下がレーザ１２からの成分である。ここで、図７−Ｂに戻ると、これらの成分は、４象限検出器１５８の上で、レーザ１０からの成分に対応するビーム１６０として、またレーザ１２からの成分に対応するビーム１６５として示されている。レンズ１５６と検出器１５８は、ビーム１６０が検出器のセグメント１７０，１７２に収まり、ビーム１６５が検出器のセグメント１７４，１７６に収まるように整列される。指向を変化させることにより、ビーム１６０，１６５が上下に移動し、各セグメントで検出される信号レベルが変化する。ビーム１６０は，セグメント１７０，１７２の上で縦方向にセンタリングされ、したがって、これらの検出器の各々からの信号出力は同じとなる。ビーム１６５は、セグメント１７６より１７４のほうをより多く照明するため、これらのセグメントからの信号は同じではなくなる。セグメント１７４，１７６の上の信号レベルが同じになるまでレーザ１０の指向を変更することにより、ビーム１６５をセンタリングし、ビーム１６０と一直線に並べることができる。このようにして、ビームの指向は能動的に制御される。しかしながら、ビームが検出器のセグメント上でセンタリングされる必要はないことが容易にわかるはずである。実際において、両方のビームは、必要に応じて、ある程度相殺される。また、この相殺が同じである必要もない。なぜなら、ビームの指向は外部の診断系に合わせて調整され、ビーム１６０，１６５の制御の基準となる相殺目標が異なるからである。
【００４０】
４象限検出器を使用すれば、ひとつの素子の上で２つのビームを制御するのに都合のよいフォーマットが得られるが、４象限検出器の代わりに一対の位置敏感型検出器を使用することもでき、この場合、各検出器が各ビームに使用される。
【００４１】
本願に記載された実施形態において、放射光はライトバルブにおいて細い線として形成されるが、これは必須条件ではない。一般に、放射光線はライトバルブに適したものとなるようフォーマットされ、放射光をより広い領域に広げることもできる。さらに、本願に記載された実施形態は、共通平面内に放出するレーザを示しているが、レーザは、異なる平面に放出するよう配置してもよい。この場合でも、ライトパイプは遅軸方向にビームを混合し、速軸方向へのビームの結合はライトパイプより後ろで行われる。本発明の好ましい実施形態として、２個またはそれ以上のレーザを利用し、各レーザの各々を個別のレーザビームとすることができることに注意すべきである。あるいは、２個またはそれ以上のレーザの各々を、複数のレーザ素子からなるレーザアレイとすることもできる。さらに、本発明のまた別の実施形態では、複数のレーザで構成される単独のレーザアレイも使用できる。したがって、レーザダイオードアレイであるレーザアレイは、複数のレーザダイオードで構成される。レーザダイオードアレイが採用される本発明の好ましい実施形態において、好ましくは、マイクロレンズがダイオードアレイの各エミッタの前に設置される。別のマイクロレンズ素子としては、ドイツ、ドルトムントのＬｉｓｓｏｔｓｃｈｅｎｋｏ  Ｍｉｋｒｏｏｐｔｉｋ（ＬＩＭＯ）社製のモノリシック超小型光学アレイ等も使用できる。ＬＩＭＯは、単独で、または組み合わせて使用し、レーザダイオードアレイからの放射光をフォーマットする、さまざまな速軸および遅軸コリメータを製造している。
【００４２】
レーザダイオードアレイ以外のレーザアレイもまた、光源として使用できる。たとえば、レーザダイオードに連結され、ファイバチップが相互に間隔を空けた関係で保持された複数のファイバでアレイを構成し、これによってレーザビームのアレイを形成してもよい。このようなファイバの出力も同様にライトパイプに連結され、スクランブルされて均質の照明光線が生成される。別の例において、ファイバは出力が固定された関係で整列される複数のファイバレーザであってもよい。本発明の好ましい実施形態は、赤外線レーザを採用する。１５０μｍのエミッタを使用し、８３０ｎｍの波長での総光出力が約５０Ｗの赤外線ダイオードレーザアレイは、本発明においても問題なく使用されている。当業者にとって、可視光レーザをはじめとするその他のレーザも本発明に使用できることは明確であろう。
【００４３】
好都合な点として、ライトパイプは、本願において説明したように、一対の反射鏡を使って製作できるが、これは必須条件ではない。ライトパイプは、レーザビームを反射させるための対向する反射面を有する透明ガラス体からも製作できる。ガラス体としては、図に示されている反射鏡の間の領域と同じ形状のもの（つまり、Ｖ字型）が適当である。表面を反射層でコーティングしてもよく、また、ライトパイプは、完全な内部屈折を利用して、レーザビームをライトパイプの出力端に向けて導くものであってもよい。
【００４４】
最後に、出力端からライトバルブまでの光学経路は、ほぼ系の平面に沿って描かれている。本発明の別の実施形態では、ライトパイプとライトバルブの間に鏡等のひとつまたは複数の光学素子を使用し、ライトバルブを系の平面とは異なる平面に位置づけ、あるいはライトバルブを、系の平面とある角度をなす平面上に配置することができるようにしてもよい。このようにバルブの配置を変えることで、よりコンパクトな画像系を実現でき、有利である。
【００４５】
上記の説明から当業者にとって明白であるように、本発明の実践においては、その精神または範囲から逸脱することなく、数多くの変更や改変が可能である。したがって、本発明の範囲は、冒頭の特許請求の範囲によって定義される内容に従って解釈されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による照明系の透視図。
【図２−Ａ】図１の照明系の平面図。
【図２−Ｂ】図１の照明系の側面図。
【図３】ライトパイプの平面図。
【図４】ライトパイプの別の実施形態の平面図。
【図５−Ａ】ビーム指向制御系の透視図。
【図５−Ｂ】ビーム指向サーボ系の略図。
【図６−Ａ】ライトパイプ照明系の平面図。
【図６−Ｂ】図６−Ａに示すライトパイプからの出力の位相空間プロット。
【図７−Ａ】ビーム指向制御系の別の実施形態の透視図。
【図７−Ｂ】図７−Ａに示す検出器の平面図。
【符号の説明】
【００４７】
１０，１２  レーザアレイ、１４  エミッタ、１６  マイクロレンズ、２０  ライトパイプ、２２  反射面、２４  入力端、２６  出力端、２８，３０  光学素子（レンズ）、３２  円柱レンズ、３４  ライトバルブ、３６  変調器、４０a，４２a  放射ビーム、６０，６２，８２，１５２，１６０，１６５  ビーム、９０，９６  反射鏡、１１０  光束線、１１２，１１４，１１６  光線、１３０  反射鏡アクチュエータ、１３４  ＰＳＤセンサ、１３６  比較器、１３８  フィードバック、１４０  出力、１５０  ビームスプリッタ、１５６  レンズ、１５８  検出器、１７０，１７２，１７４，１７６  セグメント。
【図１】
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【図２−Ａ】
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【図２−Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５−Ａ】
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【図５−Ｂ】
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【図６−Ａ】
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【図６−Ｂ】
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【図７−Ａ】
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【図７−Ｂ】
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【国際調査報告】
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