(57)【要約】【課題】レーザ照射光学系の加工難易度を下げることができるとともに、高精度な均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができるレーザ照射装置を得ることを目的とする。【解決手段】伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布がガウシアン分布に従うレーザ光束を出射するレーザ光源１と、光軸を法線とする平面上で偏心されている球面レンズが複数枚貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズ３とを設け、光束分割合成レンズ３がレーザ光源１から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する。【選択図】図１
2009251381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布がガウシアン分布に従うレーザ光束を出射するレーザ光源と、上記レーザ光源から出射されたレーザ光束の光軸を法線とする平面上で偏心されている球面レンズが複数枚貼り合わされた形状を有しており、上記レーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する光束分割合成レンズとを備えたレーザ照射装置。
【請求項２】
レーザ光源から出射されたレーザ光束の開口数がＮＡ、球面レンズの屈折力がψ、上記レーザ光源から光束分割合成レンズまでの距離がｄ、上記光束分割合成レンズから出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるとき、
０．４５  ＜  αout／（ＮＡ・（１−ｄ・ψ））  ＜  ０．７５
が成立することを特徴とする請求項１記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布がガウシアン分布に従うレーザ光束を出射するレーザ光源と、中心軸が上記レーザ光源から出射されたレーザ光束の光軸に配置され、上記レーザ光束を分割する多面体形状の光束分割プリズムと、上記光束分割プリズムから出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する球面形状の光束合成レンズとを備えたレーザ照射装置。
【請求項４】
レーザ光源から出射されたレーザ光束の開口数がＮＡ、光束合成レンズの屈折力がψ、上記レーザ光源から光束分割プリズムまでの距離がｄ0、上記光束分割プリズムから上記光束合成レンズまでの距離がｄ1、上記光束合成レンズから出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるとき、
０．４５  ＜  αout／（ＮＡ・（１−（ｄ0＋ｄ1）・ψ））  ＜  ０．７５
が成立することを特徴とする請求項３記載のレーザ照射装置。
【請求項５】
伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布がガウシアン分布に従うレーザ光束を出射するレーザ光源と、上記レーザ光源から出射されたレーザ光束を収束または発散する球面形状の光束変換レンズと、中心軸が上記レーザ光束の光軸に配置され、上記光束変換レンズから出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する多面体形状の光束分割プリズムとを備えたレーザ照射装置。
【請求項６】
レーザ光源から出射されたレーザ光束の開口数がＮＡ、光束変換レンズの屈折力がψ、上記レーザ光源から上記光束変換レンズまでの距離がｄ、上記光束分割プリズムから出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるとき、
０．４５  ＜  αout／（ＮＡ・（１−ｄ・ψ））  ＜  ０．７５
が成立することを特徴とする請求項５記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
光束分割合成レンズが、球面レンズを２枚又は４枚貼り合わされた形状を有していることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザ照射装置。
【請求項８】
単一の素子で光束分割プリズム及び光束合成レンズを構成していることを特徴とする請求項３または請求項４記載のレーザ照射装置。
【請求項９】
単一の素子で光束変換レンズ及び光束分割プリズムを構成していることを特徴とする請求項５または請求項６記載のレーザ照射装置。
【請求項１０】
光束分割プリズムが、斜面形状を２面又は４面有していることを特徴とする請求項３から請求項６のうちのいずれか１項記載のレーザ照射装置。
【請求項１１】
光束分割合成レンズは、光軸をＺ軸として、上記光軸を法線とする平面内に直行座標系Ｘ−Ｙを定義すると、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のうち、上記光源側面と異なる平面内に曲率を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザ照射装置。
【請求項１２】
光束合成レンズは、光軸をＺ軸として、上記光軸を法線とする平面内に直行座標系Ｘ−Ｙを定義すると、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のうち、上記光源側面と異なる平面内に曲率を有することを特徴とする請求項３または請求項４記載のレーザ照射装置。
【請求項１３】
光束変換レンズは、光軸をＺ軸として、上記光軸を法線とする平面内に直行座標系Ｘ−Ｙを定義すると、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のうち、上記光源側面と異なる平面内に曲率を有することを特徴とする請求項５または請求項６記載のレーザ照射装置。
【請求項１４】
光束分割合成レンズは、光軸をＺ軸として、上記光軸を法線とする平面内に直行座標系Ｘ−Ｙを定義すると、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のうち、上記光源側面と異なる平面内に上記曲率と異なる曲率を有し、あるいは、上記光源側面又は上記目標側面のいずれかの一面が、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面で異なる曲率を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザ照射装置。
【請求項１５】
光束合成レンズは、光軸をＺ軸として、上記光軸を法線とする平面内に直行座標系Ｘ−Ｙを定義すると、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のうち、上記光源側面と異なる平面内に上記曲率と異なる曲率を有し、あるいは、上記光源側面又は上記目標側面のいずれかの一面が、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面で異なる曲率を有することを特徴とする請求項３または請求項４記載のレーザ照射装置。
【請求項１６】
光束変換レンズは、光軸をＺ軸として、上記光軸を法線とする平面内に直行座標系Ｘ−Ｙを定義すると、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のうち、上記光源側面と異なる平面内に上記曲率と異なる曲率を有し、あるいは、上記光源側面又は上記目標側面のいずれかの一面が、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面で異なる曲率を有することを特徴とする請求項５または請求項６記載のレーザ照射装置。
【請求項１７】
レーザ光源の後段にリレー光学素子を配置し、上記リレー光学素子の配置位置を調節する調節機構を備えたことを特徴とする請求項１から請求項１６のうちのいずれか１項記載のレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、遠距離かつ広範囲に亘って、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射するレーザ照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は位相が揃った連続波であり、強い指向性を有することから３次元計測システムや顕微鏡などの測定機器や、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザに代表される高出力レーザを用いた微細加工の分野など、幅広い技術分野で応用されている。
ここで、レーザ光は、伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布が理想的にはガウシアン分布に従うという特徴があり、レーザ光の中心部と端部では光強度が異なる。
そのため、レーザ光を照射して、対象物からの反射光を検出するようなアクティブセンサでは、レーザ光の照射範囲の中心部と端部で反射光の強度が異なるためにコントラストが一致せず、測定精度低下の原因となる。また、高出力レーザによる微細加工を行う際には、加工ムラが生じる原因となる。
【０００３】
そこで、レーザ光束を均一な光強度で照射する手法が提案されている。
例えば、以下の特許文献１には、レーザ光束を均一な光強度で照射するレーザ照射装置が開示されている。
即ち、レーザ光源が伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布がガウシアン分布に従うレーザ光束を強度変換レンズに出射すると、強度変換レンズが、光強度が強い部分では、光束が広がる方向にレーザ光線を出射することで光強度密度を低下させている。一方、光強度が弱い部分では、光束が集まる方向にレーザ光線を出射することで光強度密度を上昇させている。
強度変換レンズの後段に配置されている位相補正レンズでは、強度変換レンズにより光強度分布密度が変化されたレーザ光束の位相補正を行って、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射させている。
【０００４】
ここで、強度変換レンズは、レーザ光束の光強度分布密度を変化させるため、ガウシアン分布であるレーザ光束の光強度分布にしたがって設計された非球面レンズが用いられている。
非球面レンズと球面レンズの加工難易度を比較すると、例えば、切削加工で作成する場合、非球面レンズでは、動径方向の操作が必要となるため、加工難易度が高くなる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１０２０９１号公報（段落番号［００２１］、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のレーザ照射装置は以上のように構成されているので、非球面レンズである強度変換レンズを用いているが、非球面レンズでは、動径方向の操作が必要となるため、強度変換レンズの加工難易度が高くなる課題があった。
また、強度変換レンズの非球面形状による屈折角が、ガウシアン分布であるレーザ光束の光強度分布に合わされるため、強度変換レンズが偏心することによって生じる光線伝搬方向のずれが均一光強度分布化の精度を低下させる原因となる課題もあった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、レーザ照射光学系の加工難易度を下げることができるとともに、高精度な均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができるレーザ照射装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るレーザ照射装置は、伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布がガウシアン分布に従うレーザ光束を出射するレーザ光源と、光軸を法線とする平面上で偏心されている球面レンズが複数枚貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズとを設け、光束分割合成レンズがレーザ光源から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布がガウシアン分布に従うレーザ光束を出射するレーザ光源と、光軸を法線とする平面上で偏心されている球面レンズが複数枚貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズとを設け、光束分割合成レンズがレーザ光源から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射するように構成したので、レーザ照射光学系の加工難易度を下げることができるとともに、高精度な均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザ照射装置を示す構成図である。
図１では、光軸をＺ軸として、光軸を法線とする平面上に直交座標系Ｘ−Ｙを定義している。
図１において、レーザ光源１は伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布がガウシアン分布に従うレーザ光束を光束分割合成レンズ３に出射する。
光束分割合成レンズ３はレーザ光源１から出射されたレーザ光束の光軸を法線とする平面上で偏心されている球面レンズが複数枚貼り合わされた形状（例えば、同形状の２枚の平凸球面レンズが±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状）を有しており、レーザ光源１から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する。
レーザ光線２はレーザ光源１から出射されたレーザ光束を構成しており、レーザ光線２Ａ，２Ｂ，２Ｃは光束分割合成レンズ３から出射された光線である。
【００１１】
ただし、図１では、レーザ光源１から出射されたレーザ光束の開口数がＮＡ、球面レンズの屈折力がψ、レーザ光源１から光束分割合成レンズ３までの距離がｄ、光束分割合成レンズ３から出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるとき、下記の式（１）が成立するように、レーザ光源１と光束分割合成レンズ３が配置されているものとする。
０．４５  ＜  αout／（ＮＡ・（１−ｄ・ψ））  ＜  ０．７５      （１）
【００１２】
次に動作について説明する。
最初に、ガウシアン分布に従うレーザ光束の光強度分布を均一分布に変換する原理について説明する。
図２は実施の形態１におけるレーザ光束の均一光強度分布化を示す概念図であり、図において、レーザ照射光学系４は図１の光束分割合成レンズ３に相当する光学系である。
【００１３】
レーザ光源１から出射されたレーザ光束がレーザ照射光学系４に入射される。
このとき、レーザ光束は発散光束であり、伝播方向に対する垂直断面内の光強度分布は、図２（ａ）に示すようなガウシアン分布に従う。
レーザ照射光学系４に入射されたレーザ光束の光強度分布は、光強度分布のピーク点である図２（ａ）のＯ点を中心として、図２（ｃ）に示すような領域ＯＡと領域ＯＢに分割される。
【００１４】
レーザ照射光学系４により分割された領域ＯＡ及び領域ＯＢの各レーザ光束は、図２（ｃ）に示すように、光強度が弱い部分と強い部分が重ね合わされるように出射される。
このとき、レーザ光源１から出射されたレーザ光線２は、図２（ｂ）のレーザ光線２Ａやレーザ光線２Ｂのように、光軸に対する発散角によって異なっている。
レーザ照射光学系４から出射されたレーザ光束は、図２（ｄ）に示すように、伝搬空間内で重ね合わされることによって均一光強度分布になり、任意距離にある目標に対して均一光強度分布のレーザ光束が照射される。
【００１５】
ここで、レーザ照射光学系４から出射されたレーザ光線２Ａの光軸に対する発散角をαoutとすると、均一光強度分布に変換されたレーザ光束は照射角２αoutで広がる。
そのため、図２のレーザ照射光学系４を用いることによって、遠距離かつ広範囲に亘って、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる。
以下、図２のレーザ照射光学系４を実現する条件について説明する。
【００１６】
図１の光束分割合成レンズ３は、図３に示すように、同形状の２枚の平凸球面レンズが±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状をしている。
光束分割合成レンズ３を構成する２枚の平凸球面レンズの中心座標（Ｘ，Ｙ）は、光軸からの偏心量をｈsとすると、それぞれ（０，ｈs）、（０，−ｈs）で表される。
Ｘ−Ｚ平面に対してレーザ光束が対称であるため、ここでは、光束分割合成レンズ３に入射されるレーザ光束のうち、＋Ｙ領域にあるレーザ光線２を用いて、この実施の形態１の内容を説明する。
【００１７】
レーザ光源１から出射されたレーザ光束は開口数がＮＡであり、そのレーザ光束が光束分割合成レンズ３に入射される。
ここで、開口数ＮＡは、レーザ光束のうち、最大光強度の１／ｅ2となる点を通るレーザ光線の光軸に対する発散角をθとすると、ＮＡ＝ｓｉｎθで表される。
【００１８】
光束分割合成レンズ３に入射されたレーザ光束は±Ｙ軸方向に２分割される。
このとき、レーザ光源１から出射されて、光軸上を伝搬されたレーザ光線２Ａは、光束分割合成レンズ３で２分割され、発散角αoutで＋Ｙ方向に伝搬される。
光束分割合成レンズ３に入射されるレーザ光線２Ａ以外のレーザ光線は、発散角が大きい程、光束分割合成レンズ３による出射後の発散角が小さくなり、光束分割合成レンズ３から出射されて、光軸と平行方向に伝搬されるレーザ光線２Ｂを境界にして、−Ｙ方向に伝搬されるようになる。
例えば、発散角ＮＡで光束分割合成レンズ３に入射されたレーザ光線２Ｃは、−Ｙ領域に伝搬される。
【００１９】
光束分割合成レンズ３から出射された＋Ｙ領域のレーザ光束は、図１に示すように、照射角αoutで広がる。
したがって、光束分割合成レンズ３から出射された２つのレーザ光束は、伝播空間内で他方のレーザ光束と重ね合わされて、照射角２αoutで広がる。
このため、この実施の形態１のレーザ照射装置を、例えば、視野角２αoutの光学センサを有するアクティブセンサに適用することによって、遠距離かつ広範囲に亘って、レーザ光束を目標に照射することができる。
【００２０】
ここで、図４はレーザ光源１の出射端におけるレーザ光線２Ｂの発散角をαpとして、発散角αpに対するレーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を示す説明図である。
図４の縦軸は、レーザ光束の最大光強度で正規化されたレーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を示し、横軸は、レーザ光束の開口数ＮＡで正規化された発散角αpの値を示している。
レーザ光源１から光束分割合成レンズ３の入射面までの距離をｄ、光束分割合成レンズ３を構成する平凸球面レンズの屈折力をψとすると、下記の式（２）が成立する。
αp＝αout／（１−ｄ・ψ）                                    （２）
【００２１】
上記の式（２）と、図４における光強度分布の標準偏差と発散角αpの関係より、パラメータＭをＭ＝αout／ＮＡとすると、レーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を０．１以下に設定するには、下記の関係式（３）を満足すればよい（関係式（３）は式（１）に相当する）。
０．４５＜Ｍ／（１−ｄ・ψ）＜０．７５                          （３）
この実施の形態１では、関係式（３）を満足するとき、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる。
【００２２】
図５は光束分割合成レンズ３によって分割・合成されたレーザ光束形状を示す説明図である。
図５において、５は光束分割合成レンズ３で分割される前のレーザ光束形状、６は光束分割合成レンズ３によって分割されたレーザ光束を示している。
図５では、レーザ光束形状５はレーザ光束のうち、最大光強度の１／ｅ2となる領域の形状を示したものである。
【００２３】
レーザ光束は、図５に示すように、光束分割合成レンズ３によって±Ｙ軸方向に２分割され、半円形状のレーザ光束６となる。
そして、２分割された半円形状のレーザ光束６が重ね合わされて、均一光強度分布に変換されたレーザ光束の任意距離における形状は、図５（ｂ）に示すように長方形となる。
このことから、この実施の形態１では、例えば、Ｙ軸方向に撮像素子が並んでいるラインセンサを用いたシステムにおいて適用するのが効果的であることが分る。
【００２４】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、伝搬方向に対する垂直断面内の光強度分布がガウシアン分布に従うレーザ光束を出射するレーザ光源１と、光軸を法線とする平面上で偏心されている球面レンズが複数枚貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズ３とを設け、光束分割合成レンズ３がレーザ光源１から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射するように構成したので、レーザ照射光学系の加工難易度を下げることができるとともに、高精度な均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる効果を奏する。
【００２５】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、同形状の２枚の平凸球面レンズが±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズ３を用いて、均一光強度分布のレーザ光束を照射しているものについて示したが、４枚の球面レンズが±Ｘ軸方向及び±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズを用いて、均一光強度分布のレーザ光束を照射するようにしてもよい。
【００２６】
図６は同形状の４枚の平凸球面レンズが±Ｘ軸方向及び±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズを示す説明図である。
図６において、光束分割合成レンズ７は同形状の４枚の平凸球面レンズが±Ｘ軸方向及び±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状をしている。
光束分割合成レンズ７を構成する４枚の平凸球面レンズの中心座標（Ｘ，Ｙ）は、Ｘ軸及びＹ軸からの偏心量をｈsとすると、それぞれ（−ｈs，ｈs）、（ｈs，ｈs）、（−ｈs，−ｈs）、（ｈs，−ｈs）で表される。
Ｘ−Ｚ平面及びＹ−Ｚ平面に対してレーザ光束が対称であるため、ここでは、光束分割合成レンズ７に入射されるレーザ光束のうち、＋Ｘ領域かつ＋Ｙ領域にあるレーザ光線２を用いて、この実施の形態２の内容を説明する。
【００２７】
レーザ光源１から出射されたレーザ光束は開口数がＮＡであり、そのレーザ光束が光束分割合成レンズ７に入射される。
光束分割合成レンズ７に入射されたレーザ光束は、±Ｘ領域及び±Ｙ領域に４分割される。
このとき、レーザ光源１から出射されて、光軸上を伝搬されたレーザ光線２Ａは、光束分割合成レンズ７で４分割され、発散角αoutで＋Ｘ方向かつ＋Ｙ方向に伝搬される。
【００２８】
光束分割合成レンズ７に入射されるレーザ光線２Ａ以外のレーザ光線は、発散角が大きい程、光束分割合成レンズ７による出射後の発散角が小さくなり、光束分割合成レンズ７から出射されて、光軸と平行方向に伝搬されるレーザ光線２Ｂを境界にして、−Ｘ方向及び−Ｙ方向に伝搬されるようになる。
例えば、発散角ＮＡで光束分割合成レンズ７に入射されたレーザ光線２Ｃは、−Ｙ領域に伝搬される。
【００２９】
光束分割合成レンズ７から出射された＋Ｙ領域のレーザ光束は、照射角αoutで広がる。
したがって、光束分割合成レンズ７から出射された４つのレーザ光束は、伝播空間内で重ね合わされて、照射角２αoutで広がる。
このため、この実施の形態２のレーザ照射装置を、例えば、視野角２αoutの光学センサを有するアクティブセンサに適用することによって、遠距離かつ広範囲に亘って、レーザ光束を目標に照射することができる。
【００３０】
この実施の形態２において、レーザ光源１から光束分割合成レンズ７の入射面までの距離をｄ、光束分割合成レンズ７を構成する平凸球面レンズの屈折力をψとすると、上記実施の形態１と同様に、上記の式（２）が成立する。
このため、上記の式（２）と、図４における光強度分布の標準偏差と発散角αpの関係より、パラメータＭをＭ＝αout／ＮＡとすると、上記実施の形態１と同様に、レーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を０．１以下に設定するには、上記の関係式（３）を満足すればよい。
この実施の形態２では、関係式（３）を満足するとき、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる。
【００３１】
図７は光束分割合成レンズ７によって分割・合成されたレーザ光束形状を示す説明図である。
図７において、５は光束分割合成レンズ７で分割される前のレーザ光束形状、８は光束分割合成レンズ７によって分割されたレーザ光束を示している。
レーザ光束は、図７に示すように、光束分割合成レンズ７によって±Ｘ軸方向及び±Ｙ軸方向に４分割され、扇形状のレーザ光束８となる。
そして、４分割された扇形状のレーザ光束８が重ね合わされて、均一光強度分布に変換されたレーザ光束の任意距離における形状は、図７（ｂ）に示すように矩形形状となる。
このことから、この実施の形態２では、例えば、２次元方向に撮像素子が並んでいるセンサを用いたシステムにおいて適用するのが効果的であることが分る。
【００３２】
この実施の形態２において、光束分割合成レンズ７を、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内のうち、光源側面とは異なる一方向の屈折力を有するシリンドリカルで構成すれば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各軸方向に対して集光位置をずらすことができる。
これにより、光束分割合成レンズ７で分割された各レーザ光束が、それぞれ一点で集光することがなくなり、レーザ照射光学系内の光学素子にレーザ光束のパワーが集中することによる破損や、空気中でレーザ光束のパワーが集中することによるプラズマの発生や埃の燃焼などを回避することができる。
【００３３】
また、上記と同様の効果を実現するため、光束分割合成レンズ７を、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標面側にＸ−Ｚ又はＹ−Ｚ平面のうち、光源側面とは異なる平面内に上記曲率とは異なる曲率を有するアナモルフィック構造、あるいは、光源側面又は目標側面のいずれか一面に、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面で異なる曲率を有するアナモルフィック構造としてもよい。
【００３４】
以上より、同形状の４枚の平凸球面レンズが±Ｘ軸方向及び±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズ７を用いているレーザ照射装置では、２次元方向の光強度分布が均一化されたレーザ光束を遠方の目標に対して広範囲で照射することができる。
【００３５】
実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、球面レンズの中心軸が他方の球面レンズ中に存在しないように光軸から偏心された２枚又は４枚の球面レンズで構成された光束分割合成レンズを備えているものについて示したが、球面レンズの中心軸が他方の球面レンズ中に存在するように光軸から偏心された２枚又は４枚の球面レンズで構成された光束分割合成レンズを備えるようにしてもよい。
【００３６】
図８はこの発明の実施の形態３によるレーザ照射装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光束分割合成レンズ９は同形状の２枚または４枚の平凸球面レンズの中心軸が他方の球面レンズ中に存在するように光軸から偏心されて貼り合わされた形状を有しており、レーザ光源１から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する。
【００３７】
次に動作について説明する。
ここでは、図８のレーザ照射装置が、２枚の平凸球面レンズの中心軸が他方の球面レンズ中に存在するように光軸から±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状を有する光束分割合成レンズ９を用いている例を説明する。
レーザ光源１から出射されたレーザ光束は開口数がＮＡであり、そのレーザ光束が光束分割合成レンズ９に入射される。
光束分割合成レンズ９に入射されたレーザ光束は±Ｙ軸方向に２分割される。
このとき、レーザ光源１から出射されて、光軸上を伝搬されたレーザ光線２Ａは、光束分割合成レンズ９で２分割され、発散角αoutで−Ｙ方向に伝搬される。
【００３８】
光束分割合成レンズ９に入射されるレーザ光線２Ａ以外のレーザ光線は、発散角が大きい程、光束分割合成レンズ９による出射後の発散角が小さくなり、光束分割合成レンズ９から出射されて、光軸と平行方向に伝搬されるレーザ光線２Ｂを境界にして、＋Ｙ方向に伝搬されるようになる。
例えば、発散角ＮＡで光束分割合成レンズ９に入射されたレーザ光線２Ｃは、＋Ｙ領域に伝搬される。
【００３９】
光束分割合成レンズ９から出射された＋Ｙ領域のレーザ光束は、図８に示すように、照射角αoutで広がる。
したがって、光束分割合成レンズ９から出射された２つのレーザ光束は、伝播空間内で他方のレーザ光束と重ね合わされて、照射角２αoutで広がる。
このため、この実施の形態３のレーザ照射装置を、例えば、視野角２αoutの光学センサを有するアクティブセンサに適用することによって、遠距離かつ広範囲に亘って、レーザ光束を目標に照射することができる。
【００４０】
この実施の形態３において、レーザ光源１から光束分割合成レンズ９の入射面までの距離をｄ、光束分割合成レンズ９を構成する平凸球面レンズの屈折力をψとすると、上記実施の形態１と同様に、上記の式（２）が成立する。
このため、上記の式（２）と、図４における光強度分布の標準偏差と発散角αpの関係より、パラメータＭをＭ＝αout／ＮＡとすると、上記実施の形態１と同様に、レーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を０．１以下に設定するには、上記の関係式（３）を満足すればよい。
この実施の形態３では、関係式（３）を満足するとき、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる。
【００４１】
この実施の形態３において、光束分割合成レンズ９から出射されたレーザ光束は、光軸と平行方向に伝搬するレーザ光線２Ｂを境界にして広がっていく発散光束となるため、光軸から偏心された２枚の平凸球面レンズから構成される光束分割合成レンズ９を用いた場合、各レーザ光束がそれぞれ一点に集光することがない。
これにより、光束分割合成レンズ９で分割された各レーザ光束のパワーが集中することによる破損や、空気中でレーザ光束のパワーが集中することによるプラズマの発生や埃の燃焼などを回避することができる。
【００４２】
以上より、球面レンズの中心軸が他方の球面レンズ中に存在するように光軸から偏心された２枚又は４枚の平凸球面レンズで構成された光束分割合成レンズ９を用いることで、上記実施の形態１，２と同様の効果を奏することができる。また、レーザ光束の集光点を持たないレーザ照射装置を得ることができる。
【００４３】
実施の形態４．
上記実施の形態１から３では、同形状の２枚又は４枚の平凸球面レンズが±Ｘ軸方向又は±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズを備えているものについて示したが、２枚又は４枚の平凹球面レンズが±Ｘ軸方向又は±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズを備えるようにしてもよい。
【００４４】
図９はこの発明の実施の形態４によるレーザ照射装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光束分割合成レンズ１０は２枚又は４枚の平凹球面レンズが±Ｘ軸方向又は±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状を有しており、レーザ光源１から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する。
【００４５】
次に動作について説明する。
ここでは、図９のレーザ照射装置が、２枚の平凹球面レンズが±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心量ｈsで偏心されて貼り合わされた形状を有する光束分割合成レンズ１０を用いている例を説明する。
レーザ光源１から出射されたレーザ光束は開口数がＮＡであり、そのレーザ光束が光束分割合成レンズ１０に入射される。
【００４６】
光束分割合成レンズ１０に入射されたレーザ光束は±Ｙ軸方向に２分割される。
このとき、レーザ光源１から出射されて、光軸上を伝搬されたレーザ光線２Ａは、光束分割合成レンズ１０で２分割され、発散角αoutで−Ｙ方向に伝搬される。
光束分割合成レンズ１０に入射されるレーザ光線２Ａ以外のレーザ光線は、発散角が大きい程、光束分割合成レンズ１０による出射後の発散角が小さくなり、光束分割合成レンズ１０から出射されて、光軸と平行方向に伝搬されるレーザ光線２Ｂを境界にして、＋Ｙ方向に伝搬されるようになる。
例えば、発散角ＮＡで光束分割合成レンズ１０に入射されたレーザ光線２Ｃは、＋Ｙ領域に伝搬される。
【００４７】
光束分割合成レンズ１０から出射された＋Ｙ領域のレーザ光束は、図９に示すように、照射角αoutで広がる。
したがって、光束分割合成レンズ１０から出射された２つのレーザ光束は、伝播空間内で他方のレーザ光束と重ね合わされて、照射角２αoutで広がる。
このため、この実施の形態４のレーザ照射装置を、例えば、視野角２αoutの光学センサを有するアクティブセンサに適用することによって、遠距離かつ広範囲に亘って、レーザ光束を目標に照射することができる。
【００４８】
この実施の形態４において、レーザ光源１から光束分割合成レンズ１０の入射面までの距離をｄ、光束分割合成レンズ１０を構成する平凹球面レンズの屈折力をψとすると、上記実施の形態１と同様に、上記の式（２）が成立する。
このため、上記の式（２）と、図４における光強度分布の標準偏差と発散角αpの関係より、パラメータＭをＭ＝αout／ＮＡとすると、上記実施の形態１と同様に、レーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を０．１以下に設定するには、上記の関係式（３）を満足すればよい。
この実施の形態４では、関係式（３）を満足するとき、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる。
【００４９】
この実施の形態４において、光束分割合成レンズ１０から出射されたレーザ光束は、光軸と平行方向に伝搬するレーザ光線２Ｂを境界にして広がっていく発散光束となるため、光軸から偏心された２枚の平凹球面レンズから構成される光束分割合成レンズ１０を用いた場合、各レーザ光束がそれぞれ一点に集光することがない。
これにより、光束分割合成レンズ１０で分割された各レーザ光束のパワーが集中することによる破損や、空気中でレーザ光束のパワーが集中することによるプラズマの発生や埃の燃焼などを回避することができる。
【００５０】
以上より、球面レンズの中心軸が他方の球面レンズ中に存在するように光軸から偏心された２枚又は４枚の平凹球面レンズで構成された光束分割合成レンズ１０を用いることで、上記実施の形態１から３と同様の効果を奏することができる。また、レーザ光束の集光点を持たないレーザ照射装置を得ることができる。
【００５１】
実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５によるレーザ照射装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光束分割プリズム１１は中心軸がレーザ光源１から出射されたレーザ光束の光軸に配置されている２面又は４面の斜面を有する多面体形状のプリズムであり、レーザ光源１から出射されたレーザ光束を分割する。
光束合成レンズ１２は光束分割プリズム１１の後段に配置されている１枚の平凸球面レンズであり、光束分割プリズム１１から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する。
【００５２】
ただし、図１０では、レーザ光源１から出射されたレーザ光束の開口数がＮＡ、光束合成レンズ１２の屈折力がψ、レーザ光源１から光束分割プリズム１１までの距離がｄ0、光束分割プリズム１１から光束合成レンズ１２までの距離がｄ1、光束合成レンズ１２から出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるとき、下記の式（４）が成立するように、レーザ光源１と光束分割プリズム１１と光束合成レンズ１２が配置されているものとする。
０．４５  ＜  αout／（ＮＡ・（１−（ｄ0＋ｄ1）・ψ））  ＜  ０．７５
（４）
【００５３】
次に動作について説明する。
図１０の光束分割プリズム１１は、図１１に示すように、光軸を中心軸として、２面の斜面を有する多面体形状のプリズムである。
Ｘ−Ｚ平面に対してレーザ光束が対称であるため、ここでは、光束分割プリズム１１に入射されるレーザ光束のうち、＋Ｙ領域にあるレーザ光線２を用いて、この実施の形態５の内容を説明する。
【００５４】
レーザ光源１から出射されたレーザ光束は開口数がＮＡであり、そのレーザ光束が光束分割プリズム１１に入射される。
光束分割プリズム１１に入射されたレーザ光束は±Ｙ軸方向に２分割される。
光束分割プリズム１１から出射されたレーザ光束は、平凸球面レンズである光束合成レンズ１２に入射される。
このとき、レーザ光源１から出射されて、光軸上を伝搬されたレーザ光線２Ａは、発散角αoutで＋Ｙ方向に伝搬される。
【００５５】
光束合成レンズ１２に入射されるレーザ光線２Ａ以外のレーザ光線は、発散角が大きい程、光束合成レンズ１２による出射後の発散角が小さくなり、光束合成レンズ１２から出射されて、光軸と平行方向に伝搬されるレーザ光線２Ｂを境界にして、−Ｙ方向に伝搬されるようになる。
例えば、発散角ＮＡで光束分割プリズム１１に入射されたレーザ光線２Ｃは、−Ｙ領域に伝搬される。
【００５６】
光束合成レンズ１２から出射された＋Ｙ領域のレーザ光束は、図１０に示すように、照射角αoutで広がる。
したがって、光束合成レンズ１２から出射された２つのレーザ光束は、伝播空間内で他方のレーザ光束と重ね合わされて、照射角２αoutで広がる。
このため、この実施の形態５のレーザ照射装置を、例えば、視野角２αoutの光学センサを有するアクティブセンサに適用することによって、遠距離かつ広範囲に亘って、レーザ光束を目標に照射することができる。
【００５７】
ここまでは、図１０の光束分割プリズム１１が２面の斜面を有しているものについて示したが、図１２に示すように、光束分割プリズム１１が４面の斜面を有していてもよい。
Ｘ−Ｚ平面及びＹ−Ｚ平面に対してレーザ光束が対称であるため、ここでは、光束分割プリズム１１に入射されるレーザ光束のうち、＋Ｘ領域かつ＋Ｙ領域にあるレーザ光線２を用いて、この実施の形態５の内容を説明する。
【００５８】
光束分割プリズム１１に入射されたレーザ光束は±Ｘ軸方向及び±Ｙ軸方向に４分割される。
光束分割プリズム１１から出射されたレーザ光束は、平凸球面レンズである光束合成レンズ１２に入射される。
このとき、レーザ光源１から出射されて、光軸上を伝搬されたレーザ光線２Ａは、発散角αoutで＋Ｘ領域かつ＋Ｙ領域に伝搬される。
【００５９】
光束合成レンズ１２に入射されるレーザ光線２Ａ以外のレーザ光線は、発散角が大きい程、光束合成レンズ１２による出射後の発散角が小さくなり、光束合成レンズ１２から出射されて、光軸と平行方向に伝搬されるレーザ光線２Ｂを境界にして、−Ｙ方向に伝搬されるようになる。
例えば、発散角ＮＡで光束分割プリズム１１に入射されたレーザ光線２Ｃは、−Ｙ領域に伝搬される。
【００６０】
光束合成レンズ１２から出射された＋Ｙ領域のレーザ光束は、図１０に示すように、照射角αoutで広がる。
したがって、光束合成レンズ１２から出射された２つのレーザ光束は、伝播空間内で他方のレーザ光束と重ね合わされて、照射角２αoutで広がる。
このため、この実施の形態５のレーザ照射装置を、例えば、視野角２αoutの光学センサを有するアクティブセンサに適用することによって、遠距離かつ広範囲に亘って、レーザ光束を目標に照射することができる。
【００６１】
この実施の形態５において、光束合成レンズ１２の屈折力がψ、レーザ光源１から光束分割プリズム１１までの距離がｄ0、光束分割プリズム１１から光束合成レンズ１２までの距離がｄ1、光束合成レンズ１２から出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるとすると、下記の式（５）が成立する。
αp＝αout／（１−（ｄ0＋ｄ1）・ψ）                            （５）
このため、式（５）と図４における光強度分布の標準偏差と発散角αpの関係より、パラメータＭをＭ＝αout／ＮＡとすると、レーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を０．１以下に設定するには、下記の関係式（６）を満足すればよい（関係式（６）は式（４）に相当する）。
０．４５  ＜  Ｍ／（１−（ｄ0＋ｄ1）・ψ）  ＜  ０．７５
（６）
この実施の形態５では、関係式（６）を満足するとき、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる。
【００６２】
この実施の形態５において、光束分割プリズム１１及び光束合成レンズ１２によって分割・合成されたレーザ光束の形状は、図１１に示すように、光束分割プリズム１１が２面の斜面を有している場合、上記実施の形態１と同様に、図５に示すような長方形となる。
このことから、光束分割プリズム１１が２面の斜面を有している場合、例えば、Ｙ軸方向に撮像素子が並んだラインセンサを用いたシステムにおいて適用するのが効果的であることが分る。
【００６３】
また、光束分割プリズム１１及び光束合成レンズ１２によって分割・合成されたレーザ光束の形状は、図１２に示すように、光束分割プリズム１１が４面の斜面を有している場合、上記実施の形態２と同様に、図７に示すような矩形形状となる。
このことから、光束分割プリズム１１が４面の斜面を有している場合、例えば、２次元方向に撮像素子が並んだセンサを用いたシステムにおいて適用するのが効果的であることが分る。
【００６４】
この実施の形態５において、光束分割プリズム１１が４面の斜面を有している場合、光束合成レンズ１２を、光源側面にＸ軸方向又はＹ軸方向のいずれか一方向の屈折力を有し、目標側面にＸ軸方向又はＹ軸方向のうち、光源側面とは異なる一方向の屈折力を有するシリンドリカルで構成することで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各軸方向に対して集光位置をずらすことができる。
これにより、光束分割プリズム１１で分割された各レーザ光束が、それぞれ一点で集光することがなくなり、レーザ照射光学系内の光学素子にレーザ光束のパワーが集中することによる破損や、空気中でレーザ光束のパワーが集中することによるプラズマの発生や埃の燃焼などを回避することができる。
【００６５】
また、上記と同様の効果を実現するため、光束分割合成レンズ１２を、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標面側にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のうち、光源側面とは異なる平面内に上記曲率とは異なる曲率を有するアナモルフィック構造、あるいは、光源側面又は目標側面のいずれか一面に、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面で異なる曲率を有するアナモルフィック構造としてもよい。
【００６６】
以上より、２面又は４面の斜面を有する光束分割プリズム１１と平凸球面レンズである光束合成レンズ１２を用いることで、上記実施の形態１〜４と同様の効果を奏することができる。また、レーザ照射光学系の組み立て工程精度の向上を図ることができる。
【００６７】
この実施の形態５では、光束分割プリズム１１と光束合成レンズ１２が別個の光学素子であるものについて示したが、光束分割プリズム１１の光源側面を斜面形状、光束分割プリズム１１の目標側面を平面、光束合成レンズ１２の光源側面を平面、光束合成レンズ１２の目標側面を凸面として、光束分割プリズム１１と光束合成レンズ１２の両平面側を貼り合わせることにより、光束分割プリズム１１と光束合成レンズ１２を単素子化してもよい。
【００６８】
実施の形態６．
上記実施の形態５では、２面又は４面の斜面を有する光束分割プリズム１１の後段に１枚の平凸球面レンズである光束合成レンズ１２を配置しているものについて示したが、２面又は４面の斜面を有する光束分割プリズムの後段に１枚の平凹球面レンズを配置するようにしてもよい。
【００６９】
図１３はこの発明の実施の形態６によるレーザ照射装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光束分割プリズム１３は中心軸がレーザ光源１から出射されたレーザ光束の光軸に配置されている２面又は４面の斜面を有する多面体形状のプリズムであり、レーザ光源１から出射されたレーザ光束を分割する。
光束合成レンズ１４は光束分割プリズム１３の後段に配置されている１枚の平凹球面レンズであり、光束分割プリズム１３から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する。
【００７０】
図１４は２面の斜面を有する光束分割プリズム１３を示す説明図である。
図１４では、光束分割プリズム１３の形状が、２つの斜面を有する三角柱形状である例を示しており、光束分割プリズム１３によりレーザ光束が２分割される。
図１５は４面の斜面を有する光束分割プリズム１３を示す説明図である。
図１５では、光束分割プリズム１３の形状が、４つの斜面を有する四角錘形状である例を示しており、光束分割プリズム１３によりレーザ光束が４分割される。
【００７１】
次に動作について説明する。
ここでは、図１３のレーザ照射装置が図１４の光束分割プリズム１３を用いている例を説明する。
レーザ光源１から出射されたレーザ光束は開口数がＮＡであり、そのレーザ光束が光束分割プリズム１３に入射される。
光束分割プリズム１３に入射されたレーザ光束は±Ｙ軸方向に２分割される。
光束分割プリズム１３から出射されたレーザ光束は、平凹球面レンズである光束合成レンズ１４に入射される。
【００７２】
このとき、レーザ光源１から出射されて、光軸上を伝搬されたレーザ光線２Ａは、発散角αoutで−Ｙ方向に伝搬される。
光束合成レンズ１４に入射されるレーザ光線２Ａ以外のレーザ光線は、発散角が大きい程、光束合成レンズ１４による出射後の発散角が小さくなり、光束合成レンズ１４から出射されて、光軸と平行方向に伝搬されるレーザ光線２Ｂを境界にして、＋Ｙ方向に伝搬されるようになる。
例えば、発散角ＮＡで光束分割プリズム１３に入射されたレーザ光線２Ｃは、＋Ｙ領域に伝搬される。
【００７３】
光束合成レンズ１４から出射された＋Ｙ領域のレーザ光束は、図１３に示すように、照射角αoutで広がる。
したがって、光束合成レンズ１４から出射された２つのレーザ光束は、伝播空間内で他方のレーザ光束と重ね合わされて、照射角２αoutで広がる。
このため、この実施の形態６のレーザ照射装置を、例えば、視野角２αoutの光学センサを有するアクティブセンサに適用することによって、遠距離かつ広範囲に亘って、レーザ光束を目標に照射することができる。
【００７４】
この実施の形態６において、光束合成レンズ１４の屈折力がψ、レーザ光源１から光束分割プリズム１３までの距離がｄ0、光束分割プリズム１３から光束合成レンズ１４までの距離がｄ1、光束合成レンズ１４から出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるとすると、上記実施の形態５と同様に、上記の式（５）が成立する。
このため、上記の式（５）と、図４における光強度分布の標準偏差と発散角αpの関係より、パラメータＭをＭ＝αout／ＮＡとすると、レーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を０．１以下に設定するには、上記の関係式（６）を満足すればよい。
この実施の形態６では、関係式（６）を満足するとき、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる。
【００７５】
この実施の形態６において、光束合成レンズ１４から出射されたレーザ光束は、光軸と平行方向に伝搬するレーザ光線２Ｂを境界にして広がっていく発散光束となるため、各レーザ光束がそれぞれ一点に集光することがない。
これにより、光束分割プリズム１３で分割された各レーザ光束のパワーが集中することによる破損や、空気中でレーザ光束のパワーが集中することによるプラズマの発生や埃の燃焼などを回避することができる。
【００７６】
以上より、２面又は４面の斜面を有する光束分割プリズム１３と平凹球面レンズである光束合成レンズ１４を用いることで、上記実施の形態５と同様の効果を奏することができる。また、レーザ光束の集光点を持たないレーザ照射装置を実現することができる。
【００７７】
実施の形態７．
図１６はこの発明の実施の形態７によるレーザ照射装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光束変換レンズ１５はレーザ光源１から出射されたレーザ光束を収束する１枚の平凸球面レンズである。
光束分割プリズム１６は中心軸がレーザ光束の光軸に配置されている２面又は４面の斜面を有する多面体形状のプリズムであり、光束変換レンズ１５から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する。
【００７８】
ただし、図１６では、レーザ光源１から出射されたレーザ光束の開口数がＮＡ、光束変換レンズ１５の屈折力がψ、レーザ光源１から光束変換レンズ１５までの距離がｄ、光束分割プリズム１６から出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるとき、下記の式（７）が成立するように、レーザ光源１と光束変換レンズ１５と光束分割プリズム１６が配置されているものとする。
０．４５  ＜  αout／（ＮＡ・（１−ｄ・ψ））  ＜  ０．７５
（７）
【００７９】
次に動作について説明する。
この実施の形態７では、上記実施の形態１と同様に、レーザ光束を２分割して合成する場合、光束分割プリズム１６の形状は、図１１のように、２面の斜面を有している形状になる。
また、上記実施の形態２と同様に、レーザ光束を４分割して合成する場合、光束分割プリズム１６の形状は、図１２のように、４面の斜面を有している形状になる。
ここでは、図１６のレーザ照射装置が、図１１に示すように、２面の斜面を有している光束分割プリズム１６を用いている例を説明する。
【００８０】
レーザ光源１から出射されたレーザ光束は開口数がＮＡであり、そのレーザ光束が光束変換レンズ１５に入射されて収束される。
光束変換レンズ１５から出射されたレーザ光束は、光束分割プリズム１６に入射される。
光束分割プリズム１６に入射されたレーザ光束は±Ｙ軸方向に２分割される。
このとき、レーザ光源１から出射されて、光軸上を伝搬されたレーザ光線２Ａは、発散角αoutで＋Ｙ方向に伝搬される。
【００８１】
光束分割プリズム１６に入射されるレーザ光線２Ａ以外のレーザ光線は、発散角が大きい程、光束分割プリズム１６による出射後の発散角が小さくなり、光束分割プリズム１６から出射されて、光軸と平行方向に伝搬されるレーザ光線２Ｂを境界にして、−Ｙ方向に伝搬されるようになる。
例えば、発散角ＮＡで光束変換レンズ１５に入射されたレーザ光線２Ｃは、−Ｙ領域に伝搬される。
【００８２】
光束分割プリズム１６から出射された＋Ｙ領域のレーザ光束は、図１６に示すように、照射角αoutで広がる。
したがって、光束分割プリズム１６から出射された２つのレーザ光束は、伝播空間内で他方のレーザ光束と重ね合わされて、照射角２αoutで広がる。
このため、この実施の形態７のレーザ照射装置を、例えば、視野角２αoutの光学センサを有するアクティブセンサに適用することによって、遠距離かつ広範囲に亘って、レーザ光束を目標に照射することができる。
【００８３】
この実施の形態７において、光束変換レンズ１５の屈折力がψ、レーザ光源１から光束変換レンズ１５までの距離がｄ、光束分割プリズム１６から出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるすると、下記の式（８）が成立する。
αp＝αout／（１−ｄ・ψ）                                      （８）
このため、上記の式（８）と、図４における光強度分布の標準偏差と発散角αpの関係より、パラメータＭをＭ＝αout／ＮＡとすると、レーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を０．１以下に設定するには、下記の関係式（９）を満足すればよい（関係式（９）は式（７）に相当する）。
０．４５  ＜  Ｍ／（１−ｄ・ψ）  ＜  ０．７５
（９）
この実施の形態７では、関係式（９）を満足するとき、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる。
【００８４】
この実施の形態７において、光束変換レンズ１５及び光束分割プリズム１６によって分割・合成されたレーザ光束の形状は、図１１に示すように、光束分割プリズム１６が２面の斜面を有している場合、上記実施の形態１と同様に、図５に示すような長方形となる。
このことから、光束分割プリズム１６が２面の斜面を有している場合、例えば、Ｙ軸方向に撮像素子が並んだラインセンサを用いたシステムにおいて適用するのが効果的であることが分る。
【００８５】
また、光束変換レンズ１５及び光束分割プリズム１６によって分割・合成されたレーザ光束の形状は、図１２に示すように、光束分割プリズム１６が４面の斜面を有している場合、上記実施の形態２と同様に、図７に示すような矩形形状となる。
このことから、光束分割プリズム１６が４面の斜面を有している場合、例えば、２次元方向に撮像素子が並んだセンサを用いたシステムにおいて適用するのが効果的であることが分る。
【００８６】
この実施の形態７において、光束変換レンズ１５を、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内のうち、光源側面とは異なる一方向の屈折力を有するシリンドリカルで構成することで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各軸方向に対して集光位置をずらすことができる。
これにより、光束分割プリズム１６で分割された各レーザ光束がそれぞれ一点で集光することがなくなり、レーザ照射光学系内の光学素子にレーザ光束のパワーが集中することによる破損や、空気中でレーザ光束のパワーが集中することによるプラズマの発生や埃の燃焼などを回避することができる。
【００８７】
また、上記と同様の効果を実現するため、光束変換レンズ１５を、光源側面にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のいずれかの平面内に曲率を有し、目標面側にＸ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面のうち、光源側面とは異なる平面内に上記曲率とは異なる曲率を有するアナモルフィック構造、あるいは、光源側面又は目標側面のいずれか一面に、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面で異なる曲率を有するアナモルフィック構造としてもよい。
【００８８】
以上より、平凸球面レンズである光束変換レンズ１５と２面又は４面の斜面を有する光束分割プリズム１６とを用いることで、上記実施の形態１〜６と同様の効果を奏することができる。また、レーザ照射光学系の組み立て工程精度の向上を図ることができる。
【００８９】
この実施の形態７では、光束変換レンズ１５と光束分割プリズム１６が別個の光学素子であるものについて示したが、光束変換レンズ１５の光源側面を凸面、光束変換レンズ１５の目標側面を平面、光束分割プリズム１６の光源側面を平面、光束分割プリズム１６の目標側面を斜面形状として、光束変換レンズ１５と光束分割プリズム１６の両平面側を貼り合わせることにより、光束変換レンズ１５と光束分割プリズム１６を単素子化してもよい。
【００９０】
実施の形態８．
上記実施の形態７では、１枚の平凸球面レンズの後段に２面又は４面の斜面を有する光束分割プリズム１６を配置しているものについて示したが、１枚の平凹球面レンズの後段に２面又は４面の斜面を有する光束分割プリズムを配置するようにしてもよい。
【００９１】
図１７はこの発明の実施の形態８によるレーザ照射装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光束変換レンズ１７はレーザ光源１から出射されたレーザ光束を発散する１枚の平凹球面レンズである。
光束分割プリズム１８は中心軸がレーザ光束の光軸に配置されている２面又は４面の斜面を有する多面体形状のプリズムであり、光束変換レンズ１７から出射されたレーザ光束を均一光強度分布に変換して、任意の距離にある目標に照射する。
【００９２】
次に動作について説明する。
この実施の形態８では、上記実施の形態１と同様に、レーザ光束を２分割して合成する場合、光束分割プリズム１８の形状は、図１４のように、２つの斜面を有している三角柱形状になる。
また、上記実施の形態２と同様に、レーザ光束を４分割して合成する場合、光束分割プリズム１８の形状は、図１５のように、４つの斜面を有している四角錘形状になる。
ここでは、図１７のレーザ照射装置が、図１４に示すように、２つの斜面を有している三角柱形状の光束分割プリズム１８を用いている例を説明する。
【００９３】
レーザ光源１から出射されたレーザ光束は開口数がＮＡであり、そのレーザ光束が光束変換レンズ１７に入射されて収束される。
光束変換レンズ１７から出射されたレーザ光束は、光束分割プリズム１８に入射される。
光束分割プリズム１８に入射されたレーザ光束は±Ｙ軸方向に２分割される。
このとき、レーザ光源１から出射されて、光軸上を伝搬されたレーザ光線２Ａは、発散角αoutで−Ｙ方向に伝搬される。
【００９４】
光束分割プリズム１８に入射されるレーザ光線２Ａ以外のレーザ光線は、発散角が大きい程、光束分割プリズム１８による出射後の発散角が小さくなり、光束分割プリズム１８から出射されて、光軸と平行方向に伝搬されるレーザ光線２Ｂを境界にして、＋Ｙ方向に伝搬されるようになる。
例えば、発散角ＮＡで光束変換レンズ１７に入射されたレーザ光線２Ｃは、＋Ｙ領域に伝搬される。
【００９５】
光束分割プリズム１８から出射された−Ｙ領域のレーザ光束は、図１６に示すように、照射角αoutで広がる。
したがって、光束分割プリズム１８から出射された２つのレーザ光束は、伝播空間内で他方のレーザ光束と重ね合わされて、照射角２αoutで広がる。
このため、この実施の形態８のレーザ照射装置を、例えば、視野角２αoutの光学センサを有するアクティブセンサに適用することによって、遠距離かつ広範囲に亘って、レーザ光束を目標に照射することができる。
【００９６】
この実施の形態８において、光束変換レンズ１７の屈折力がψ、レーザ光源１から光束変換レンズ１７までの距離がｄ、光束分割プリズム１８から出射されたレーザ光束の光軸に対する照射角度がαoutであるすると、上記実施の形態７と同様に、上記の式（８）が成立する。
このため、上記の式（８）と、図４における光強度分布の標準偏差と発散角αpの関係より、パラメータＭをＭ＝αout／ＮＡとすると、レーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を０．１以下に設定するには、上記の関係式（９）を満足すればよい。
この実施の形態８では、関係式（９）を満足するとき、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することができる。
【００９７】
この実施の形態８において、光束分割プリズム１８から出射されたレーザ光束は、光軸と平行方向に伝搬するレーザ光線２Ｂを境界にして広がっていく発散光束となるため、各レーザ光束がそれぞれ一点に集光することがない。
これにより、光束分割プリズム１８で分割された各レーザ光束のパワーが集中することによる破損や、空気中でレーザ光束のパワーが集中することによるプラズマの発生や埃の燃焼などを回避することができる。
【００９８】
以上より、平凹球面レンズである光束変換レンズ１７の後段に２面又は４面の斜面を有する光束分割プリズム１８を用いることで、上記実施の形態７と同様の効果を奏する。また、レーザ光束の集光点を持たないレーザ照射装置を実現することができる。
【００９９】
実施の形態９．
上記実施の形態１〜８では、遠距離かつ広範囲に亘って、均一光強度分布のレーザ光束を目標に照射することが可能なレーザ照射装置について示したが、上記実施の形態１〜８のレーザ照射装置に対してリレー光学素子を配置して、そのリレー光学素子の配置位置を調節する調節機構を備えることで、均一光強度分布のレーザ光束を照射する範囲を変化させることができるようにしてもよい。
【０１００】
図１８はこの発明の実施の形態９によるレーザ照射装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
リレー光学素子１９はレーザ光源１と光束分割合成レンズ３の間に配置されている光学素子である。
レンズ位置調整機構２０はリレー光学素子１９の配置位置を調節して、レーザ光源１とリレー光学素子１９と光束分割合成レンズ３の間隔を変化させる機構である。
【０１０１】
次に動作について説明する。
レンズ位置調整機構２０が、リレー光学素子１９の配置位置を調節して、レーザ光源１とリレー光学素子１９と光束分割合成レンズ３の間隔を変化させると、光束分割合成レンズ３から出射されるレーザ光束の照射角２αoutが変化する。
このように、レンズ位置調整機構２０がリレー光学素子１９の配置位置を調節することで、均一光強度分布のレーザ光束の照射範囲を任意に変化させることができる。
【０１０２】
ここで、図１９はレーザ光束の照射範囲の変化を示す説明図である。
図１９（ａ）では、レーザ光源１から開口数θ0で出射されたレーザ光束がリレー光学素子１９から出射されて、照射角２θ1のレーザ光束に変換されている例を示している。
次に、レンズ位置調整機構２０がリレー光学素子１９を図中右方向にずらして、レーザ光源１とリレー光学素子１９の間隔を大きくすると、図１９（ｂ）に示すように、リレー光学素子１９から出射されたレーザ光束の照射角が図１９（ａ）と異なる照射角２θ2となる。このとき、θ1＜θ2である。
【０１０３】
よって、レンズ位置調整機構２０がレーザ光源１とリレー光学素子１９の間隔を変化させることで、光束分割合成レンズ３に入射されるレーザ光束の開口数を変化させることができる。
このことから、この実施の形態９において、レーザ光源１とリレー光学素子１９と光束分割合成レンズ３の間隔を変化させることで、均一光強度分布のレーザ光束の照射範囲を任意に変化させることができる。
【０１０４】
この実施の形態９において、リレー光学素子１９を１枚又は複数枚のレンズで構成してもよい。
また、リレー光学素子１９が複数枚のレンズで構成されている場合、各レンズの間隔を変化させることで、リレー光学素子１９全体の屈折力を変化させることでも、均一光強度分布のレーザ光束の照射範囲を任意に変化させることができる。
【０１０５】
図１８では、レーザ光源１と光束分割合成レンズ３の間にリレー光学素子１９を配置し、レンズ位置調整機構２０がリレー光学素子１９の配置位置を調節して、レーザ光源１とリレー光学素子１９と光束分割合成レンズ３の間隔を変化させる例を示したが、図２０に示すように、光束分割合成レンズ３の後段にリレー光学素子１９を配置し、レンズ位置調整機構２０がリレー光学素子１９の配置位置を調節して、光束分割合成レンズ３とリレー光学素子１９の間隔を変化させるようにしてもよい。
【０１０６】
レンズ位置調整機構２０が、リレー光学素子１９の配置位置を調節して、光束分割合成レンズ３とリレー光学素子１９の間隔を変化させるようにしても、図１８の場合と同様に、リレー光学素子１９から出射されたレーザ光束の照射角を変化させて、均一光強度分布のレーザ光束の照射範囲を任意に変化させることができる。
【０１０７】
この実施の形態９において、レンズ位置調整機構２０がリレー光学素子１９の配置位置を調節するものについて示したが、レーザ光源１とリレー光学素子１９と光束分割合成レンズ３の間隔を変化させるため、レーザ光源１、リレー光学素子１９又は光束分割合成レンズ３のいずれかの光学素子、あるいは、全ての光学素子の位置を変化させるようにしてもよい。
【０１０８】
また、この実施の形態９において、光束分割合成レンズ３の代わりに、光束分割プリズム及び光束合成レンズ、または、光束分割プリズム及び光束合成レンズを用いても、同様の効果を奏することができる。
以上より、光束分割合成レンズ、または、光束分割プリズム及び光束合成レンズ、または、光束分割プリズム及び光束合成レンズのいずれかと、１枚以上で構成されるリレー光学素子と各光学素子の位置を調整する機能を備えることで、均一光強度分布のレーザ光束の照射範囲を任意に変化させることができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーザ照射装置を示す構成図である。
【図２】実施の形態１におけるレーザ光束の均一光強度分布化を示す概念図である。
【図３】同形状の２枚の平凸球面レンズが±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状をしている光束分割合成レンズを示す説明図である。
【図４】レーザ光源１の出射端におけるレーザ光線２Ｂの発散角をαpとして、発散角αpに対するレーザ光束合成後の光強度分布の標準偏差を示す説明図である。
【図５】光束分割合成レンズ３によって分割・合成されたレーザ光束形状を示す説明図である。
【図６】同形状の４枚の平凸球面レンズが±Ｘ軸方向及び±Ｙ軸方向にそれぞれ偏心されて貼り合わされた形状を有している光束分割合成レンズを示す説明図である。
【図７】光束分割合成レンズ７によって分割・合成されたレーザ光束形状を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態３によるレーザ照射装置を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態４によるレーザ照射装置を示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態５によるレーザ照射装置を示す構成図である。
【図１１】２面の斜面を有する光束分割プリズム１１を示す説明図である。
【図１２】４面の斜面を有する光束分割プリズム１１を示す説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態６によるレーザ照射装置を示す構成図である。
【図１４】２面の斜面を有する光束分割プリズム１３を示す説明図である。
【図１５】４面の斜面を有する光束分割プリズム１３を示す説明図である。
【図１６】この発明の実施の形態７によるレーザ照射装置を示す構成図である。
【図１７】この発明の実施の形態８によるレーザ照射装置を示す構成図である。
【図１８】この発明の実施の形態９によるレーザ照射装置を示す構成図である。
【図１９】レーザ光束の照射範囲の変化を示す説明図である。
【図２０】この発明の実施の形態９による他のレーザ照射装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１，レーザ光源、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ  レーザ光線、３，７，９，１０  光束分割合成レンズ、４  レーザ照射光学系、５  レーザ光束形状、６，８  レーザ光束、１１，１３，１６，１８  光束分割プリズム、１２，１４  光束合成レンズ、１５，１７  光束変換レンズ、１９  リレー光学素子、２０  レンズ位置調整機構。
【図１】
2009251381.tif 000003
【図２】
2009251381.tif 000004
【図３】
2009251381.tif 000005
【図４】
2009251381.tif 000006
【図５】
2009251381.tif 000007
【図６】
2009251381.tif 000008
【図７】
2009251381.tif 000009
【図８】
2009251381.tif 000010
【図９】
2009251381.tif 000011
【図１０】
2009251381.tif 000012
【図１１】
2009251381.tif 000013
【図１２】
2009251381.tif 000014
【図１３】
2009251381.tif 000015
【図１４】
2009251381.tif 000016
【図１５】
2009251381.tif 000017
【図１６】
2009251381.tif 000018
【図１７】
2009251381.tif 000019
【図１８】
2009251381.tif 000020
【図１９】
2009251381.tif 000021
【図２０】
2009251381.tif 000022