(57)【要約】ビーム整形機能を備えたマイクロレンスをアレイ化し半導体レーザーの高効率カップリングを実現し、さらに、整形後のレーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化する光学素子を提供する。個々のレーザーダイオードからのビームを整形するためのマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイを一方の面に備え、他方の面に整形後のビームを集光する形状を備える。１実施形態によれば、マイクロレンズの面が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。他の実施形態によれば、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、マイクロレンズの面が、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される。
2004072698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
個々の光源からのビームを入射するマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイを一方の面に備え、他方の面にビームを集光するまたは平行化する形状を備えるマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【請求項２】
マイクロレンズの面が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である請求項１に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【請求項３】
マイクロレンズの面が、非回転対称の非球面プロファイルを表す項を含む数式によって表される請求項１または２に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【請求項４】
マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数であり、ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ，ＡＰ，ＢＰ，ＣＰおよびＤＰは、補正係数（定数）であるとして、マイクロレンズの面が、式
2004072698.tif 000019
によって表わされる請求項３に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【請求項５】
マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数であり、補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、マイクロレンズの面が、式
2004072698.tif 000020
によって表わされる請求項３に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【請求項６】
マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致したときに、ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率、Ａは補正係数であるとして、マイクロレンズの面が、式
2004072698.tif 000021
によって表わされる請求項１に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【請求項７】
前記他方の面が、非球面式によって表わされる請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【請求項８】
前記他方の面が、当該面の光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致したときに、ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率、Ａは補正係数であるとして、式
2004072698.tif 000022
によって表わされる請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【請求項９】
マイクロレンズに超解像を利用した請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【請求項１０】
前記他方の面が、ビームを集光または平行化するシリンドリカル・レンズをなす請求項１に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、半導体レーザーアレイなどの光源からのビームを集光するためのマイクロレンズアレイ一体型レンズに関する。本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズは、レーザー加工ヘッドなどに使用することができる。
【背景技術】  製造業における穴あけや切断加工は、その超精細化に極めて強い要求があるが、従来の機械加工等では下記に示すような加工限界がある。
プリント基板スルーホール加工においては、機械的なパンチ加工では０．８ｍｍ以下、ドリル加工では０．２ｍｍ以下が不可能である。
金属薄板の穴あけ・切断加工においては、ドリルによる穴あけ加工では直径０．２ｍｍ以下が不可能であり、ウエットエッチング方法ではマスクが必要であり、さらに、ストレートな穴やスリット等の加工が困難である。
ラベル加工においては、複雑微細カッティングができない。従来の加工方法は刃物の場合線幅２００μｍ以下は不可能である。
したがって、これらの限界以下の微細な穴あけや切断加工には、高価なＹＡＧレーザー加工機が用いられている。従来、Ｘｅランプ励起ＹＡＧレーザーが用いられてきたが、近年、エネルギー変換効率の良い半導体ダイオード励起ＹＡＧが用いられるようになっている。しかし、高価で装置サイズが大きいため、その普及には停滞感がある。
ＹＡＧレーザー励起用に開発された高出力半導体レーザーアレイそのものをレーザー加工の光源に直接利用できれば、省エネルギーで安価かつコンパクトで高性能なレーザー加工機、さらには、現在普及しているマシニングセンター等に装着できるコンパクトなレーザー加工ヘッドが開発できる。さらに、将来ＹＡＧレーザー励起用等の市場にも活用可能である。
しかしながら、高出力半導体レーザーアレイは、数１０Ｗクラスのパワー能力を持っているが、その出射ビームは数１０°に広がるため、加工に必要な高エネルギーで微小なスポットに絞ることは極めて困難であった。
また、マイクロレンズアレイを使用したレーザー加工用電源も提案されているが、集光レンズを別途設けるタイプのものであった（たとえば、特開２００２−２６４５２号公報（第２６段落、図８他））。
【発明の開示】
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものである。すなわち、ビーム整形機能を備えたマイクロレンズをアレイ化し半導体レーザーの高効率カップリングを実現し、さらに、整形後のレーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化する光学素子を提供することを目的とする。なお、ここで、マイクロレンズとは、絶対的な大きさを規定するものではなく、集光面のレンズと比較して相対的に小さいことをいう。
本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズは、個々の光源からのビームを入射するマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイを一方の面に備え、他方の面に整形後のビームを集光または平行化する形状を備える。したがって、半導体レーザーの高効率カップリングを実現し、さらに、レーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化することができる。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの面が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの面が、非回転対称の非球面プロファイルを表す項を含む数式によって表される。
したがって、主に非回転対称の非球面プロファイルによってレーザーのビーム形状を整形し、さらに補正項によって収差をできるだけ小さくするようにすることができる。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数であり、ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ，ＡＰ，ＢＰ，ＣＰおよびＤＰは、補正係数（定数）であるとして、マイクロレンズの面が、式
2004072698.tif 000003
によって表わされる。したがって、主にｃｘ、ｃｙおよびｋｘ、ｋｙによってレーザーのビーム形状を整形し、さらに補正項によって収差をできるだけ小さくするようにすることができる。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数であり、補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、マイクロレンズの面が、式
2004072698.tif 000004
によって表わされる。したがって、主にｃｘ、ｃｙおよびｋｘ、ｋｙによってレーザーのビーム形状を整形し、さらに補正項によって収差をできるだけ小さくするようにすることができる。また、補正項についてｘに関する補正項とｙに関する補正項を独立に操作することにより補正の自由度が向上する。
本発明の１実施形態によれば、マイクロレンズの光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致したときに、ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率、Ａは補正係数であるとして、マイクロレンズの面が、式
2004072698.tif 000005
によって表わされる。
本発明の１実施形態によれば、前記他方の面が、非球面式によって表わされる。
本発明の１実施形態によれば、前記他方の面が、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致したときに、ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率、Ａは補正係数であるとして、式
2004072698.tif 000006
によって表わされる。
したがって、整形後のレーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化することができる。
本発明の１実施形態によれば、前記他方の面が、ビームを集光または平行化するシリンドリカル・レンズをなす。したがって、結晶ロッドに励起光を照射して、誘導放出光を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの実施形態を示す図である。
第２図は、ビーム整形光学素子を示す図である。
第３図は、ビーム整形光学素子の曲面を示す図である。
第４図は、ビーム整形光学素子の光路を示す図である。
第５図は、シャントスイッチング基本回路を示す図である。
第６図は、出射面を含むマイクロレンズアレイ一体型レンズの形状を示す図である。
第７図は、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの光線の定義方法を示す図である。
第８図は、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの実施形態を示す図である。
第９図は、半導体レーザーとマイクロレンズアレイとの関係を示す図である。
第１０図は、タイプ１の光路のＹＺ断面を示す図である。
第１１図は、タイプ１の光路のＸＺ断面を示す図である。
第１２図は、タイプ１の光路の立体図である。
第１３図は、タイプ１のピークを含むＹ方向およびＸ方向のスポット断面を示す図である。
第１４図は、タイプ２の光路のＹＺ断面を示す図である。
第１５図は、タイプ２の光路のＸＺ断面を示す図である。
第１６図は、タイプ２の光路の立体図である。
第１７図は、タイプ２のピークを含むＹ方向およびＸ方向のスポット断面を示す図である。
第１８図は、タイプ３の光路のＹＺ断面を示す図である。
第１９図は、タイプ３の光路のＸＺ断面を示す図である。
第２０図は、タイプ３の光路の立体図である。
第２１図は、タイプ３のピークを含むＹ方向およびＸ方向のスポット断面を示す図である。
第２２図は、タイプ４の光路のＹＺ断面を示す図である。
第２３図は、タイプ４の光路のＸＺ断面を示す図である。
第２４図は、タイプ４の光路の立体図である。
第２５図は、タイプ４のピークを含むＹ方向およびＸ方向のスポット断面を示す図である。
第２６図は、半導体レーザーアレイのポンピングによる固体レーザ発振を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  図１および図８に本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの構成を示す。マイクロレンズアレイ一体型レンズの入射面には、レーザーダイオードアレイの個々のレーザーごとに、ビーム整形機能を備えたマイクロレンズを備えたアレイが設けられている。マイクロレンズアレイ一体型レンズの出射面は、整形後のビームを集光するように設計される。
なお、レーザーダイオードアレイは、超短パルス生成回路と接続されている。超短パルス生成回路は、図５に示すエネルギー効率の良いシャントスイッチング回路を用いる。すなわち、インダクタンスＬに流す電流ｉをパワーＭＯＳＦＥＴでスイッチングすることにより、瞬間的に半導体レーザーＬＤに大電流を流し、電気的に短パルス圧縮動作させる。
マイクロレンズの面は、光軸をＺ軸として以下の式に基づいて定める。
2004072698.tif 000007
ここで、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｘ＝１／Ｒｘ、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙ＝１／Ｒｙである。ｋｘ、ｋｙは、曲線の形状を表わす係数である。第２項以下は曲面からのずれを表す補正項である。ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ，ＡＰ，ＢＰ，ＣＰおよびＤＰは、補正係数（定数）である。
あるいは、以下の式によって定められる。
2004072698.tif 000008
ここで、ｃｘおよびｃｙはそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数である。
上記の式（１）または（２）において、第１項の非球面プロファイルを表す項の係数を調整することにより、主にビーム形状の変更などの機能を達成することができる。ここで、ビーム形状の変更とは、半導体レーザーから放射されるエネルギー分布が楕円形状のビームをエネルギー分布がほぼ円形状のビームに変更することである。さらに、ＸおよびＹ補正項の係数を操作することにより波面収差を最小とするなどの機能を達成することができる。
マイクロレンズにおいて超解像を利用することによりビームのスポット径を小さくし焦点深度を大きくすることができる。
図２は、ビーム整形光学素子の１例を示す図である。図３は、ビーム整形光学素子の曲面の１例を示す図である。図４は、ビーム整形光学素子の光路の１例を示す図である。
設計において０．０７λの波面収差を得ることができれば、表１の最下列のように２０μｍ以下のスポット径が得られる。なお、表１は、レンズ径と焦点距離および１／ｅ２スポット径との一般的な関係を示す。表１において、ｂｒｅおよびｒｅは中間パラメータを示す。表１からレンズ径や焦点距離にもよるが、１０μｍを下回るスポット径も充分可能である。
2004072698.tif 000009
つぎに、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの出射面（Ｓ２面）の形状について説明する。図６に出射面を含むマイクロレンズアレイ一体型レンズの形状を示す。Ｓ２面は、たとえば、以下の２次曲線を光軸の周りに回転させた光軸対称回転面である。ただし、光軸をｚ、光軸に垂直な面の座標をｘ、ｙで表わしている。ｋは、２次曲線の形状を決める定数、ｃは中心曲率である。また、Ａは補正係数である。
2004072698.tif 000010
補正係数Ａとして、たとえば４次までの係数を使用する。図６の光学系の設計仕様を表２に示す。表中の丸で囲った数字は、図６中のそれと対応する。表２において、ＬＤは、光源であるレーザーダイオードを表す。
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図７によって光線の定義方法を説明する。Ｓ２面を偏芯させて、Ｓ２面を偏芯させた同じ量だけ像面での主光線位置（集光位置）を変化させるようにする。結果としての、面偏芯量と集光位置との関係を表３に示す。
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なお、レーザーダイオードアレイをマイクロレンズアレイの近くに設ける図１に示した実施形態の他に、光ファイバーを介してレーザービームをマイクロレンズアレイに供給する実施形態も考えられる。
なお、本発明の別の実施形態として、図２６に示すように、結晶ロッドに反射光を照射させて誘導放出光を取り出すシステムが考えられる。この場合に、レンズアレイ面の他方の面には、シリンドリカル・レンズを配置し、結晶ロッドへ集光または平行化した光束を入射させる。
設計例１
本設計例では、表４に示される、２５個の半導体レーザー（ＬＤ）のアレイを用いる。半導体レーザーから出射された光線は、ガウス分布と仮定し、理想有効ガウスエネルギー８６．５％を取り込むように開口数ＮＡを規定している。
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表４に示される半導体レーザーを使用し、図９に示すように座標系をくみ、アレイ状に並んでいる各半導体レーザーに対応させるように、半導体レーザー側の面にレンズアレイエレメントを設ける。光学系は、表１に示される開口数ＮＡを備えた、それぞれの半導体レーザーから出射された主光線が像面上で１点に集まり、波面収差をできるだけ小さくするように設計する。設計は、光学設計ソフトを使用して行う。
レンズの評価指標として強度倍率を定義する。半導体レーザーから出射「される光線を理想有効ガウスエネルギー８６．５％で取り込み、波面収差のない理想レンズで集光した場合の強度倍率を１とする。したがって、有効ガウスエネルギー（％）を８６．５（％）で除して、ストレール比を乗じた値が強度倍率となる。ここで、ストレール比とは、理想レンズによる強度に対する、波面収差により減少した結果の強度の割合である。
ところで、異なった光源からの光が重ね合わされた場合、干渉は通常の条件では観測されず、どの場所でも全体の強度は個々の光束の強度の和に等しい（「光学の原理ＩＩ」東海大学出版会、４２１頁）。したがって、それぞれの半導体レーザーの強度分布を別個に計算し、和を求めることにより全体の強度分布を計算する。このように、２５個の半導体レーザーを使用した場合の最大の強度倍率は２５である。
別の評価指標としてスポット径を定義する。像面強度分布において、ピーク強度に対して、強度１３．５％（１／ｅ２）以上の範囲をスポットとしてＸ方向およびＹ方向のスポット径を計算する。スポット径が小さいほど微細加工が容易になる。
さらに、別の評価指標としてサイドローブを定義する。像面強度分布において、ピーク強度に対して、２番目のピークとみなせる場所の強度の比率（％）をサイドローブとする。
設計例１のレンズ仕様と上記の評価指標とを表５に示す。表５においてタイプ１は、マイクロレンズの面を式（２）で規定し、像側の集光面（Ｓ２面）を式（３）で規定している。表５においてタイプ２は、マイクロレンズの面のおよび像側の集光面（Ｓ２面）を式（３）で規定している。表５において、ＬＤ−Ｓ１面距離は、半導体レーザーと対応するマイクロレンズ面との間の距離を表す。ＢＦは、バックフォーカスを表す。また、面定義のＦｒｅｅ  Ｆｏｒｍは、式（２）で定義される面を表し、非球面は式（３）で定義される面を表す。なお、式（２）代わりに式（１）を使用しても、同様に設計を行うことができる。
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表５において、タイプ１は、強度倍率、スポット径およびサイドローブのいずれの評価指標においてもタイプ２よりも優れている。実際、タイプ１の波面収差は、タイプ２の波面収差と比較してきわめて小さい。このように、マイクロレンズの面を式（２）で規定することにより波面収差をきわめて小さくすることができる。
タイプ１およびタイプ２の各係数を表６に示す。タイプ１の光路図を図１０乃至１２に、ピークを含むスポット断面図を図１３に示す。タイプ２の光路図を図１４乃至１６に、ピークを含むスポット断面図を図１７に示す。
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設計例２
本設計例では、表７に示される、４６個の半導体レーザー（ＬＤ）のアレイを用いる。なお、表７には、設計例１のアレイも併せて示している。
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設計例１と設計例２との半導体レーザーの相違として、出射角と出射角のＸＹ比がある。半導体レーザー数は増加しているが、半導体レーザーアレイのピッチが小さくなっているので、最大物体高が小さくなり設計しやすくなっている。
設計例２のレンズ仕様と評価指標とを表８に示す。なお、表８には設計例１のレンズ仕様と評価指標とを併せて示している。表８においてタイプ３およびタイプ４は、マイクロレンズの面および像側の集光面（Ｓ２面）を式（３）で規定している。タイプ３は、バックフォーカスを４５ｍｍとし、タイプ４は、バックフォーカスを３０ｍｍとしている。
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設計例２の場合は、マイクロレンズの面と集光面の両面を式（３）で規定しても良好な評価指標が得られる。設計例２の場合には、設計例１の場合よりも半導体レーザー数が多いにもかかわらず、ピッチが小さいために物体高が小さくなり、設計が容易になる。このため、式（２）で規定する必要がない。
タイプ３およびタイプ４の各係数を表９に示す。タイプ３の光路図を図１８乃至２０に、ピークを含むスポット断面図を図２１に示す。タイプ４の光路図を図２２乃至２４に、ピークを含むスポット断面図を図２５に示す。
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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2004072698.tif 000050
2004072698.tif 000051
2004072698.tif 000052