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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-07
(45)【発行日】2022-10-18
(54)【発明の名称】細径ビーム生成装置
(51)【国際特許分類】
G02B 27/09 20060101AFI20221011BHJP
【ＦＩ】
G02B27/09
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2022079234
(22)【出願日】2022-05-13
【審査請求日】2022-05-13
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】520359848
【氏名又は名称】株式会社テックジェーピー
(74)【代理人】
【識別番号】100205659
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 拓也
(74)【代理人】
【識別番号】100203312
【弁理士】
【氏名又は名称】福田 敬孝
(72)【発明者】
【氏名】笠原 健
(72)【発明者】
【氏名】松居 寛
【審査官】横井 亜矢子
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０４５７７９３７（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０４３３３７１３（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０５１１３２４４（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０２８８２７８４（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０４３２５６１２（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／００－３０／６０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源と、前記光源からの発散光をコリメートするか、又は所定の立体角範囲内に集光する集光手段と、
前記集光手段から出射する光線の少なくとも一部を、入射光束より狭い領域に集約する第１の光線集約手段と、
前記第１の光線集約手段から出射する光線を直線状の細径ビームとして集約する第２の光線集約手段と、前記集光手段と前記第１の光線集約手段との間に配置される環状光集光手段と、を有し、
前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段はいずれも奇数次数非球面である光学素子、又は光学系であり、
前記第２の光線集約手段は、前記第１の光線集約手段による光線の集約位置に配置され、
前記第１の光線集約手段と前記第２の光線集約手段は異なる形状を有し、
前記環状光集光手段は、入射側から順に配置される第１の光学素子と第２の光学素子と、からなり、
前記第１の光学素子は、前記集光手段からの光が垂直に入射する平面と、出射側に設けられる凹アキシコン面と、を有し、
前記第２の光学素子は、入射側に凸アキシコン面を有する、細径ビーム生成装置。
【請求項2】
前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段はいずれもアキシコン作用を有する光学素子により構成される、請求項１に記載の細径ビーム生成装置。
【請求項3】
前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段が、いずれも１つの屈折面からなる場合、前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段は、一体の素子として構成され、前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段が、いずれも１つの反射面を有する場合、前記第１の光線集約手段の前記反射面には、前記第２の光線集約手段により集光された前記直線状の細径ビームが通過可能な孔部が形成される、請求項１又は２に記載の細径ビーム生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、細径ビーム生成装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、レーザ発光素子等の光源を用いたプロジェクタ装置やディスプレイ装置が知られている。例えば、レーザなどの１つまたは複数の光源と、ビーム整形光学素子と、結合光学素子と、ＭＥＭＳスキャナと、取り付けを容易にし、光学的配置を維持するための光学フレームなどの１つまたは複数の機械構成要素と、を含む統合型フォトニクスモジュールが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【0003】
ところで、近年においては、ＡＲやＭＲ、ＶＲ等のＸＲと称される仮想現実画像を視界に入れることが可能なメガネ型表示デバイスが台頭してきている。特に、表示方式がＬＢＳ（Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）と呼ばれるレーザ走査型方式は網膜スキャンディスプレイに対しても適用可能であり、視力が悪い人であっても鮮明な映像を見ることができる（例えば、特許文献２参照）。
【0004】
また、半導体レーザから出射されたレーザ光のビーム径及び光強度分布を調整する手段として、頂角の等しい二個一対のアキシコンプリズムをその底面同士を向かい合わせて光軸に沿って間隔調整可能に配設する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特表２００９－５３３７１５号公報
【文献】特開平１１－０６４７８２号公報
【文献】特開平１０－２３９６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従来の技術においては、焦点位置のみ、若しくは短い焦点位置の前後でしか細径ビーム光を得ることが出来ないため、レーザ描画や切断加工に使用する際は焦点位置に対象物が正確に置かれている必要があり、その搬送機構や焦点を合わせるフォーカス機構が複雑かつ精密でなければならず、装置全体の構造が大きなものになってしまっていた。また、レーザ光の光ファイバー結合においては、従来は結合レンズでビーム光をフォーカスして光ファイバー端面に光を入力していたが、結合点から発散する角度があるために、結合に損失が出るため、例としてシングルモードファイバー（コア径３μｍ）にレーザーダイオードの光を入れる際には、概ね３０％の結合効率しか得られないといった問題点があった。
【0007】
また、引用文献２に開示されているような網膜スキャンディスプレイ等のデバイスを好適に実現するためには、網膜という非常に小さい領域に対して高精細な画像を投影する必要がある。このため、網膜を走査するビームは非常に小さい径（例えば、２０μｍ程度）であることが好ましい。しかし、従来の技術においては、例えばガウシアンビームの径は３００μｍ程度以下の平行ビームとすることが不可能であるため、特定距離で集光するスポットビームを代替手段として使用していた。スポットビームは特定距離では非常に小さなビーム径になるが、焦点距離の前後の位置でのビーム径は大きくなってしまうため、メガネ型表示デバイスにおいて、メガネの着用者の個体差で画像が網膜に到達する距離が異なるため、その距離を調整するための繊細な調整機構が必要になるという課題があった。
【0008】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、任意の光源から発せられる光に基づき、出射位置からの距離に依存せず所定の大きさ以下の径を有する直線状の細径ビームを生成できる、細径ビーム生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
（１） 本発明は、光源と、前記光源からの発散光をコリメートするか、又は所定の立体角範囲内に集光する集光手段と、前記集光手段から出射する光線の少なくとも一部を、入射光束より狭い領域に集約する第１の光線集約手段と、前記第１の光線集約手段から出射する光線を直線状の細径ビームとして集約する第２の光線集約手段と、を有し、前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段はいずれも奇数次数非球面である光学素子、又は光学系であり、前記第２の光線集約手段は、前記第１の光線集約手段による光線の集約位置に配置され、前記第１の光線集約手段と前記第２の光線集約手段は異なる形状を有する、細径ビーム生成装置に関する。
【0010】
（２） 前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段はいずれもアキシコン作用を有する光学素子により構成される、（１）に記載の細径ビーム生成装置。
【0011】
（３） 前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段が、いずれも１つの屈折面からなる場合、前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段は、一体の素子として構成され、前記第１の光線集約手段及び前記第２の光線集約手段が、いずれも１つの反射面を有する場合、前記第１の光線集約手段の前記反射面には、前記第２の光線集約手段により集光された前記直線状の細径ビームが通過可能な孔部が形成される、（１）又は（２）に記載の細径ビーム生成装置。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、任意の光源から発せられる光に基づき、出射位置からの距離に依存せず所定の大きさ以下の径を有する直線状の細径ビームを生成できる、細径ビーム生成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の第１実施形態に係る細径ビーム生成装置の構成を示す模式図である。
【図2】本発明の第２実施形態に係る細径ビーム生成装置の構成を示す模式図である。
【図4A】本発明の第２実施形態に係る第１の光線集約手段、及び第２の光源集約手段を示す斜視図である。
【図4B】本発明の第２実施形態に係る第１の光線集約手段、及び第２の光源集約手段を示す斜視図である。
【図5】本発明の第３実施形態に係る細径ビーム生成装置の構成を示す模式図である。
【図6】本発明の第４実施形態に係る細径ビーム生成装置の構成を示す模式図である。
【図7】奇数次数非球面と偶数次数非球面に対する入射光線がそれぞれ偏心した場合の影響を比較する模式図である。
【図8】第１実施形態に係る細径ビーム生成装置の光学シミュレーション結果を示す図である。
【図9】第２実施形態に係る細径ビーム生成装置の光学シミュレーション結果を示す図である。
【図10】第３実施形態に係る細径ビーム生成装置の光学シミュレーション結果を示す図である。
【図11】第４実施形態に係る細径ビーム生成装置の光学シミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明の内容は以下の実施形態の記載に限定されない。
【0015】
《第１実施形態》
＜細径ビーム生成装置の構成＞
本実施形態に係る細径ビーム生成装置１は、図１に示すように、光源２と、集光手段としてのコリメータ光学素子３と、光学素子４と、を有する。光学素子４は、第１の光線集約手段である凸アキシコン面４１と、第２の光源集約手段である凹アキシコン面４２とが一体化された光学素子である。
＜細径ビーム生成装置の構成＞
本実施形態に係る細径ビーム生成装置１は、図１に示すように、光源２と、集光手段としてのコリメータ光学素子３と、光学素子４と、を有する。光学素子４は、第１の光線集約手段である凸アキシコン面４１と、第２の光源集約手段である凹アキシコン面４２とが一体化された光学素子である。
【0016】
本実施形態において、コリメータ光学素子３、及び光学素子４は光軸がほぼ同一の光軸Ｘとなるように配置される。なお、コリメータ光学素子３、及び光学素子４の光軸は必ずしも光軸Ｘの軸中心にある必要はなく、多少の軸のズレがあってもよい。細径ビーム生成装置１において、光学素子４の凹アキシコン面４２からの出射直後の位置を起点として細径ビームＬ１が生成される。細径ビームＬ１の径の大きさは、原理的には出射位置からの距離に依存せず一定であり、細径ビームＬ１の長さは原理的には無限遠である。
【0017】
上記細径ビームＬ１を生成できる細径ビーム生成装置１の用途としては、特に限定されず、様々なプロジェクタ装置、ディスプレイ装置、レーザ加工装置、照明装置、光通信装置、光メモリ装置、光情報処理装置等に対して細径ビーム生成装置１を適用できる。特に、細径ビームＬ１のビーム径の大きさは所定の大きさ以下とすることができ、かつ光軸Ｘ方向の所定の長さ（原理的には無限遠まで）において殆ど発散せず、細径ビームＬ１のビーム径は出射位置からの距離に依存せずほぼ一定であるため、焦点位置の調整が不要である。このため、細径ビーム生成装置１は網膜スキャンディスプレイに対して好ましく適用できる。細径ビームＬ１のビーム径は、例えば、５０μｍ以下とすることができ、２０μｍ以下とすることもでき、１０μｍ以下とすることもできる。
【0018】
上記以外に、細径ビーム生成装置１をフォトリソグラフィに利用する場合には、高精細なフォトマスクの直接描画を精密なフォーカス機構を有さずに実現できる。また、細径ビーム生成装置１をレーザ加工装置に利用する場合には、従来はレーザ加工孔がテーパー状にならざるを得ないところ、均一な深さを有する加工孔を形成できる。更に、従来のレーザと比較して端面面積あたりのエネルギーが非常に高いため、せん断装置に適用した場合、従来よりも小さな出力のレーザ発振器でも十分な加工を行える。また、細径ビーム生成装置１をセンシング技術に利用する場合には、センシング距離に依存することなく高分解能でのセンシングが可能になる。また、細径ビーム生成装置１と光ファイバーを結合する場合には、従来は３０％程度の結合効率しか得られなかったシングルモード光ファイバーへの入光を９０％以上の結合効率に改善できる可能性がある。
【0019】
光源２は、例えば半導体レーザ（ＬＤ）、ＬＥＤ、面光源等の任意の光源である。光源２としては特に限定されず、空間的コヒーレンス性、及び時間的コヒーレンス性のいずれも要求されないため、任意の光源を用いることができる。光源２は、電源となる光源ドライバーなどにより光強度を調整、変調可能であってもよい。光源２としては、同一又は異なる波長の光を発する光源が複数設けられていてもよい。例えば、複数の光源を用い、ＲＧＢの光を合波した光源としてもよい。
【0020】
集光手段としてのコリメータ光学素子３は、光源２から発せられた光が入射する光学素子である。コリメータ光学素子３は、上記入射する光を光軸Ｘに略平行な平行光に変換して射出する。集光手段としてのコリメータ光学素子３としては、コリメータレンズ、ミラー、回折光学素子（ＤＯＥ）等が挙げられる。回折光学素子は、表面に微細な凹凸構造を有し、光の回折現象を利用することで光を空間的に分岐させ、所望のパターン、形状の光を出力できる素子である。コリメータ光学素子３は、光源２が複数設けられる場合には、光源２の数に応じて複数設けられる。なお、発散特性のある光源に対してはコリメータ光学系が用いられるが、発散特性が無い光源においてはコリメータ光学系を用いず、直に又はビームエクスパンダーを使用して後段の光学系に合わせて入射させてもよい。なお、集光手段としては、完全なコリメート光を生成する手段に限られず、光源からの発散光を所定の立体角範囲内に集光する集光手段であればよい。
【0021】
光学素子４は、コリメータ光学素子３により生成された平行光が入射する光学素子である。光学素子４は、第１の光線集約手段である凸アキシコン面４１と、凸アキシコン面４１とは異なる形状を有する第２の光源集約手段である凹アキシコン面４２と、を有する。凸アキシコン面４１、及び凹アキシコン面４２は、いずれも奇数次数非球面である屈折面である。凸アキシコン面４１に対して上記平行光が入射し、凹アキシコン面４２の頂点から細径ビームＬ１が出射される。凸アキシコン面４１と、凹アキシコン面４２とは、図１に示すように、それぞれのアキシコン面の頂点が光軸Ｘ上に配置される。凸アキシコン面４１は上記平行光の入射側に向けて配置され、凹アキシコン面４２は上記平行光の出射側に向けて配置される。凸アキシコン面４１と凹アキシコン面４２とは同じ頂角を有する直円錐面及び直円錐内面である。第１の光線集約手段と第２の光源集約手段を上記異なる形状とすることで、例えば第１の光線集約手段と第２の光源集約手段をいずれも凸アキシコン面とする場合と比較して、細径ビーム生成装置１をコンパクトに構成することができる。
【0022】
凸アキシコン面４１は、コリメータ光学素子３により生成された平行光を入射光束より狭い領域に集約する機能を有する。凹アキシコン面４２は、凸アキシコン面４１による光線の集約位置に配置される。詳細には、凹アキシコン面４２における円錐内面の頂点は、凸アキシコン面４１による平行光の集約位置（ベッセルビーム生成位置）における凸アキシコン面４１に対する最遠方付近に配置される。これにより、ある広がりをもって凸アキシコン面４１に入射した光束の最外周の光線が、凸アキシコン面４１により集約され、凹アキシコン面４２の頂点から光軸Ｘに平行な細径ビームＬ１として集約されて出射される。また、上記最外周の光線が、光軸Ｘ付近に集中するため、光強度が強い細径ビームＬ１が出射される。
【0023】
本実施形態において、光学素子４は、ガラス等の光透過性を有する材料により構成され、第１の光線集約手段である凸アキシコン面４１と、第２の光源集約手段である凹アキシコン面４２とが一体となって構成される光学素子である。上記以外に、凸アキシコン面４１を有する光学素子と、凹アキシコン面４２を有する光学素子とをそれぞれ別の光学素子として設けてもよいが、光学素子４のように一体の光学素子として構成することが好ましい。これにより、別の光学素子を設ける場合と比較して、凸アキシコン面４１と凹アキシコン面４２との位置調整が不要となるため、精度よく所望のビーム径を有する細径ビームＬ１を生成できる。また、細径ビーム生成装置１の構成を簡易化できる。
【0024】
＜光学シミュレーション結果＞
図８は、第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１を用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った結果を示す図である。図８は、凹アキシコン面４２からの距離Ｄがそれぞれ１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す。図８の出力結果における縦軸及び横軸は、ディテクタサイズ（一辺２０μｍ）に対応し（単位：ｍｍ）、中心（縦軸＝０、横軸＝０）が光軸Ｘの位置に対応する。第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１の各構成の詳細を以下の表１に示す。
図８は、第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１を用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った結果を示す図である。図８は、凹アキシコン面４２からの距離Ｄがそれぞれ１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す。図８の出力結果における縦軸及び横軸は、ディテクタサイズ（一辺２０μｍ）に対応し（単位：ｍｍ）、中心（縦軸＝０、横軸＝０）が光軸Ｘの位置に対応する。第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１の各構成の詳細を以下の表１に示す。
【0025】
【表1】
【0026】
表１における非球面係数値とは、以下の式（１）（二次曲面ベース非球面式）で定義される非球面形状における非球面係数値である。
Ｚ＝｛Ｈ２／Ｒ｝／［１＋｛１－（１＋ｋ）（Ｈ／Ｒ）２｝１／２］＋ΣαｎＨｎ （１）
式（１）中、Ｚ：光軸に平行な面の変位量（サグ量）、Ｈ：入射光線高さ、Ｒ：ベース面の曲率半径、Ｋ：円錐定数、αｎ：Ｈのｎ乗に掛かる非球面係数、をそれぞれ示す。表１における面間隔（ｍｍ）とは、入射方向における光軸Ｘ上の次の面までの間隔を示す。表１における屈折率とは、入射側の媒質の屈折率に対する出射側の媒質の屈折率（相対屈折率）を意味する。
Ｚ＝｛Ｈ２／Ｒ｝／［１＋｛１－（１＋ｋ）（Ｈ／Ｒ）２｝１／２］＋ΣαｎＨｎ （１）
式（１）中、Ｚ：光軸に平行な面の変位量（サグ量）、Ｈ：入射光線高さ、Ｒ：ベース面の曲率半径、Ｋ：円錐定数、αｎ：Ｈのｎ乗に掛かる非球面係数、をそれぞれ示す。表１における面間隔（ｍｍ）とは、入射方向における光軸Ｘ上の次の面までの間隔を示す。表１における屈折率とは、入射側の媒質の屈折率に対する出射側の媒質の屈折率（相対屈折率）を意味する。
【0027】
図８に示すように、細径ビーム生成装置１によって生成される細径ビームは、出射位置からの距離に依存せず数μｍ程度の所定の径以下の径が維持されている結果が明らかである。
【0028】
以下、本発明の他の実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様の構成については、説明を省略する場合がある。
【0029】
《第２実施形態》
＜細径ビーム生成装置の構成＞
第２実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａは、図２に示すように、光源２と、集光手段としてのコリメータ光学素子３と、光学素子４ａと、を有する。光学素子４ａはアキシコンミラー４１ａと、アキシコンミラー４２ａと、からなる。細径ビーム生成装置１ａにおける光学素子４ａ以外の構成は、第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１と同様である。
＜細径ビーム生成装置の構成＞
第２実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａは、図２に示すように、光源２と、集光手段としてのコリメータ光学素子３と、光学素子４ａと、を有する。光学素子４ａはアキシコンミラー４１ａと、アキシコンミラー４２ａと、からなる。細径ビーム生成装置１ａにおける光学素子４ａ以外の構成は、第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１と同様である。
【0030】
本実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａは、第１の光線集約手段及び第２の光線集約手段が奇数次数非球面である反射面により構成されている。これにより、入射光の波長に依存しない安定した特性を有する細径ビームＬ２を生成できる。
【0031】
アキシコンミラー４１ａは、第１の光線集約手段である凹アキシコン面４１ａ１を有し、アキシコンミラー４２ａは、第２の光線集約手段である凸アキシコン面４２ａ１を有する。凹アキシコン面４１ａ１、及び凸アキシコン面４２ａ１は、いずれも奇数次数非球面である反射面である。凹アキシコン面４１ａ１に対してコリメータ光学素子３により生成された平行光が入射し、凹アキシコン面４１ａ１によって集約されて反射された反射光は凸アキシコン面４２ａ１に入射する。そして、凸アキシコン面４２ａ１によって集約されて反射された反射光は、アキシコンミラー４１ａに形成された孔部ｈから光軸Ｘに平行な細径ビームＬ２として集約されて出射される。
【0032】
凹アキシコン面４１ａ１と、凸アキシコン面４２ａ１とは、図２に示すように、それぞれのアキシコン面の頂点が光軸Ｘ上に配置される。凹アキシコン面４１ａ１は、上記コリメータ光学素子３により生成された平行光の入射側に向けて配置され、凸アキシコン面４２ａ１は、コリメータ光学素子３と凹アキシコン面４１ａ１との間に、凹アキシコン面４１ａ１と対向するように配置される。凹アキシコン面４１ａ１と、凸アキシコン面４２ａ１とは同じ頂角を有する直円錐面又は直円錐内面であり、凸アキシコン面４２ａ１の底面積は、凹アキシコン面４１ａ１の底面積よりも小さい。
【0033】
凹アキシコン面４１ａ１は、コリメータ光学素子３により生成された平行光を反射し、入射光束より狭い領域に集約する機能を有する。凸アキシコン面４２ａ１の頂点は、凹アキシコン面４１ａ１による平行光の集約位置に配置される。これにより、ある広がりをもって凹アキシコン面４１ａ１に入射した光束の最外周の光線が、凹アキシコン面４１ａ１により集約されて凸アキシコン面４２ａ１に入射する。そして、凸アキシコン面４２ａ１の頂点から光軸Ｘに平行な細径ビームＬ２として、反射により集約されて出射される。また、上記最外周の光線が、光軸Ｘ付近に集中するため、光強度の強い細径ビームＬ２が出射される。
【0034】
アキシコンミラー４１ａにおける、凹アキシコン面４１ａ１の円錐内面の頂点に対応する位置には、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、孔部ｈが形成されている。孔部ｈは、凸アキシコン面４２ａ１の頂点から出射される細径ビームＬ２が通過可能な孔部であり、孔部ｈの径は細径ビームＬ２の径よりも十分に大きい径を有する。孔部ｈの径は、特に限定されないが、例えば、アキシコンミラー４２ａの光軸Ｘ方向の投影形状以下の径とすることができる。上記構成により、コリメータ光学素子３により生成された平行光は、アキシコンミラー４２ａにより遮られるため、直接孔部ｈには到達せず、凸アキシコン面４２ａ１により集約された細径ビームＬ２のみが孔部ｈに到達する。これにより、細径ビームＬ２の径を所定の大きさ以下の径とすることができる。そして、アキシコンミラー４１ａに孔部ｈを設けて、アキシコンミラー４２ａから出射される細径ビームＬ２が、孔部ｈから出射するように細径ビーム生成装置１ａを構成することで、細径ビーム生成装置１ａをコンパクトに構成できる。
【0035】
＜光学シミュレーション結果＞
図９は、第２実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａを用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った結果を示す図である。図９は、孔部ｈからの距離Ｄがそれぞれ１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す。図９の出力結果における縦軸及び横軸は、ディテクタサイズ（一辺２０μｍ）に対応し（単位：ｍｍ）、中心（縦軸＝０、横軸＝０）が光軸Ｘの位置に対応する。凹アキシコン面４１ａ１の円錐内面の頂角、及び凸アキシコン面４２ａ１の円錐面の頂角はいずれも２０度とし、頂角間の距離は３ｍｍとし、凹アキシコン面４１ａ１の円錐内面の底面の直径は６ｍｍとし、凸アキシコン面４２ａ１の円錐面の底面の直径は１ｍｍとした。第２実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａの各構成の詳細を以下の表２に示す。
図９は、第２実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａを用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った結果を示す図である。図９は、孔部ｈからの距離Ｄがそれぞれ１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す。図９の出力結果における縦軸及び横軸は、ディテクタサイズ（一辺２０μｍ）に対応し（単位：ｍｍ）、中心（縦軸＝０、横軸＝０）が光軸Ｘの位置に対応する。凹アキシコン面４１ａ１の円錐内面の頂角、及び凸アキシコン面４２ａ１の円錐面の頂角はいずれも２０度とし、頂角間の距離は３ｍｍとし、凹アキシコン面４１ａ１の円錐内面の底面の直径は６ｍｍとし、凸アキシコン面４２ａ１の円錐面の底面の直径は１ｍｍとした。第２実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａの各構成の詳細を以下の表２に示す。
【0036】
【表2】
【0037】
図９に示すように、細径ビーム生成装置１ａによって生成される細径ビームは、出射位置からの距離に依存せず数μｍ程度の所定の径以下の径が維持されている結果が明らかである。
【0038】
《第３実施形態》
＜細径ビーム生成装置の構成＞
第３実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｂは、図５に示すように、光源２と、集光手段としてのコリメータ光学素子３と、臨界角アキシコン素子５と、光学素子４と、を有する。細径ビーム生成装置１ｂにおける臨界角アキシコン素子５以外の構成は、第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１と同様である。
＜細径ビーム生成装置の構成＞
第３実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｂは、図５に示すように、光源２と、集光手段としてのコリメータ光学素子３と、臨界角アキシコン素子５と、光学素子４と、を有する。細径ビーム生成装置１ｂにおける臨界角アキシコン素子５以外の構成は、第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１と同様である。
【0039】
本実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｂは、コリメータ光学素子３と、光学素子４と、の間に臨界角アキシコン素子５が配置されて構成される。細径ビーム生成装置１ｂを、臨界角アキシコン素子５を設けずに構成する場合（即ち、第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１の場合）、細径ビームの生成に寄与する光は、光学素子４の光軸Ｘ方向から視て外周付近の光のみである。このため、細径ビームを生成することは可能ではあるが、入射光の利用効率は高いとは言えない。本実施形態に係る臨界角アキシコン素子５は、コリメータ光学素子３から出射される平行光を、光学素子４の光軸Ｘ方向から視て外周付近に環状の光として集光させて出射する機能を有する。これにより、細径ビーム生成装置１ｂは、臨界角アキシコン素子５を有しない細径ビーム生成装置１と比較して、入射光の利用効率を向上させることができる。
【0040】
臨界角アキシコン素子５は、光学素子５１と、光学素子５２により構成される。光学素子５１は、入射側にコリメータ光学素子３から出射される平行光が垂直に入射するように配置される平面５１ａを有し、出射側に直円錐内面である凹アキシコン面５１ｂを有する。光学素子５２は、入射側に凹アキシコン面５１ｂと同じ頂角を有する直円錐面である凸アキシコン面５２ａを有し、出射側に凸アキシコン面５２ｂを有する。凹アキシコン面５１ｂと凸アキシコン面５２ａとは当接して配置される。凹アキシコン面５１ｂと凸アキシコン面５２ａとは、例えば適切な光学的性質を有する接着剤によって光透過可能に接着されていてもよい。
【0041】
光学素子５１と、光学素子５２とは、何れも光透過性を有する部材により構成されるが、光学素子５１を構成する材料の屈折率は光学素子５２を構成する材料の屈折率とは異なる。具体的には、以下に説明するように、光学素子５１から出射される光が凸アキシコン面５２ａに沿って伝播するように、光学素子５１及び光学素子５２を構成する材料の屈折率と、凹アキシコン面５１ｂ及び凸アキシコン面５２ａの頂角とが設定される。
【0042】
光学素子５１及び光学素子５２を構成する材料の屈折率が異なることで、光学素子５１から光学素子５２に対して入射する光は、境界面である凹アキシコン面５１ｂ（凸アキシコン面５２ａ）においてスネルの法則に従って屈折する。光学素子５１を構成する材料の屈折率をＮ、光学素子５２を構成する材料の屈折率をＮ’とすると、凹アキシコン面５１ｂに対して入射角度θで入射した光は、以下の式（２）を満たす角度θ’で屈折する。ここで、入射角度θは、凹アキシコン面５１ｂ及び凸アキシコン面５２ａの頂角の１／２と略等しい。
Ｎ・ｓｉｎθ＝Ｎ’・ｓｉｎθ’ （２）
Ｎ・ｓｉｎθ＝Ｎ’・ｓｉｎθ’ （２）
【0043】
ここで、入射角度θがいわゆる臨界角θｃを超える場合、光学素子５１から光学素子５２に対して入射する光は、境界面である凹アキシコン面５１ｂ（凸アキシコン面５２ａ）で全反射する。しかし、入射角度θ＝臨界角θｃである場合、光学素子５１から光学素子５２に対して入射する光は、凸アキシコン面５２ａに沿って伝播する。この際、屈折率Ｎと屈折率Ｎ’との関係は、以下の式（３）を満たす。なお、入射角度θが臨界角θｃに厳密に一致しない場合であっても、入射角度θが臨界角θｃを超えず、臨界角θｃに非常に近い角度であれば、光学素子５１から出射される光を凸アキシコン面５２ａに沿った非常に狭い領域に集中させることができる。
Ｎ・ｓｉｎ（θｃ）＝Ｎ’ （３）
Ｎ・ｓｉｎ（θｃ）＝Ｎ’ （３）
【0044】
即ち、光学素子５１及び光学素子５２を構成するそれぞれの材料の屈折率から算出される臨界角θｃと、凹アキシコン面５１ｂ及び凸アキシコン面５２ａの頂角の１／２とが略等しくなるように光学素子５１及び光学素子５２を構成することで、光学素子５１から出射される光を凸アキシコン面５２ａに沿って伝播させることができる。
【0045】
光学素子５２において凸アキシコン面５２ａに沿って伝播した光は、凸アキシコン面５２ｂにより環状の平行光として集約されて出射される。凸アキシコン面５２ｂから出射した環状の平行光は、光学素子４の光軸Ｘ方向から視て外周付近に入射する。光学素子４に入射した光は、上記第１実施形態において説明したように、凸アキシコン面４１により集約され、凹アキシコン面４２の頂点から光軸Ｘに平行な細径ビームＬ３として集約されて出射される。
【0046】
＜光学シミュレーション結果＞
図１０は、第３実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｂを用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った結果を示す図である。図１０は、凹アキシコン面４２からの距離Ｄがそれぞれ１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す。図１０の出力結果における縦軸及び横軸は、ディテクタサイズ（一辺２０μｍ）に対応し（単位：ｍｍ）、中心（縦軸＝０、横軸＝０）が光軸Ｘの位置に対応する。第３実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｂの各構成の詳細を以下の表３に示す。
図１０は、第３実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｂを用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った結果を示す図である。図１０は、凹アキシコン面４２からの距離Ｄがそれぞれ１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す。図１０の出力結果における縦軸及び横軸は、ディテクタサイズ（一辺２０μｍ）に対応し（単位：ｍｍ）、中心（縦軸＝０、横軸＝０）が光軸Ｘの位置に対応する。第３実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｂの各構成の詳細を以下の表３に示す。
【0047】
【表3】
【0048】
図１０に示すように、細径ビーム生成装置１ｂによって生成される細径ビームのビーム径は、出射位置からの距離Ｄが１００ｍｍの場合７．０μｍ、同じく５００ｍｍの場合９．２μｍ、同じく１０００ｍｍの場合１２．０μｍであった。この結果から、少なくとも出射位置からの距離Ｄが１０００ｍｍ以下である場合には、直径１２μｍ以下の細径ビームが得られることが確認された。また、上記細径ビームを形成する光量は、入射光量の８７％であり、第１実施形態に係る細径ビーム生成装置１と比較して入射光の利用効率が約１００倍程度向上していることが確認された。
【0049】
【0050】
光学素子４ｂは、光学素子４１ｂと、光学素子４２ｂにより構成される。光学素子４１ｂは、入射側にコリメータ光学素子３から出射される平行光が垂直に入射するように配置される平面４１ｂ１を有し、出射側に直円錐面である凸アキシコン面４１ｂ２を有する。光学素子４２ｂは、入射側に凸アキシコン面４１ｂ２と同じ頂角を有する直円錐内面である凹アキシコン面４２ｂ１を有し、出射側に非球面４２ｂ２を有する。凸アキシコン面４１ｂ２と凹アキシコン面４２ｂ１とは当接して配置される。凸アキシコン面４１ｂ２と凹アキシコン面４２ｂ１とは、例えば適切な光学的性質を有する接着剤によって光透過可能に接着されていてもよい。
【0051】
凸アキシコン面４１ｂ２及び凹アキシコン面４２ｂ１は、第１の光線集約手段として機能する。光学素子４ｂは、上記臨界角アキシコン素子５と類似する構成を有している。具体的には、光学素子４１ｂと、光学素子４２ｂとは、屈折率の異なる光透過性部材により構成されると共に、光学素子４１ｂ及び光学素子４２ｂを構成するそれぞれの材料の屈折率から算出される臨界角θｃと、凸アキシコン面４１ｂ２及び凹アキシコン面４２ｂ１の頂角の１／２とが略等しくなるように光学素子４１ｂ及び光学素子４２ｂが構成される。従って、平面４１ｂ１から光学素子４１ｂに入光した平行光は、光学素子４２ｂにおいて、凹アキシコン面４２ｂ１に沿って伝播することで集約される。
【0052】
本実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｃは、第２の光線集約手段として非球面４２ｂ２を有する。非球面４２ｂ２は、第１の光線集約手段である凸アキシコン面４１ｂ２及び凹アキシコン面４２ｂ１による光線の集約位置に配置される。凸アキシコン面４１ｂ２及び凹アキシコン面４２ｂ１により集約された光は、非球面４２ｂ２の頂点から光軸Ｘに平行な細径ビームＬ４として集約されて出射される。
【0053】
非球面４２ｂ２は、アキシコン作用を有し、３次項を導入した奇数次数非球面である屈折面である。第２の光線集約手段として奇数次数非球面を用いることで、以下に説明するように、偏心の影響を受け難く、設計上の自由度が高く、かつ製造が容易であるという利点を有する。
【0054】
図７は、奇数次数非球面と偶数次数非球面にそれぞれ光線が入射した場合における、入射光線の偏心の影響を比較する模式図である。奇数次数非球面Ｚｏｄｄ、及び偶数次数非球面Ｚｅｖｅｎは、例えばそれぞれ以下の式（４）及び（５）で定義される。以下の式（４）及び（５）におけるＨは、入射高さを意味する。
Ｚｏｄｄ＝Ｈ＋Ｈ３＋Ｈ５ （４）
Ｚｅｖｅｎ＝Ｈ２＋Ｈ４＋Ｈ６ （５）
Ｚｏｄｄ＝Ｈ＋Ｈ３＋Ｈ５ （４）
Ｚｅｖｅｎ＝Ｈ２＋Ｈ４＋Ｈ６ （５）
【0055】
図７に示すように、入射光線が光軸Ｘに沿ってΔＺだけ偏心した場合、入射光線の偶数次数非球面上の変化量をΔＨｅｖｅｎ、奇数次数非球面上での変化量をΔＨｏｄｄと表すと、必ずΔＨｅｖｅｎ＞ΔＨｏｄｄとなり、奇数次数非球面上での変化量の方が偶数次数非球面上での変化量よりも小さい。従って、奇数次数非球面は偶数次数非球面よりも偏心敏感度が小さく、偏心の影響を受け難い利点を有する。
【0056】
非球面４２ｂ２等の第２の光線集約手段は、狭い領域に集約された光線を同一方向へ平行に射出させる必要がある。そのため、第２の光線集約手段である非球面は、形状変化量がある程度狭い範囲に留まるように設計することが必要となる。上記を実現するための形状としては、アキシコン面が挙げられる。アキシコン面の形状は、例えば以下の式（６）で示される。以下の式（６）におけるαは、頂点傾角を意味し、Ｈは、入射高さを意味する。
Ｚａｘｉｃｏｎ＝ｔａｎ（α）・Ｈ （６）
Ｚａｘｉｃｏｎ＝ｔａｎ（α）・Ｈ （６）
【0057】
アキシコン面の形状分布は入射高さＨによる形状変化分散値が０であることから、形状変化分散値が小さいほど、アキシコン面の特性に近いことを意味する。従って、設計自由度を高めると共にアキシコン作用を保持するためには、偶数次数非球面よりも形状変化分散値が小さい奇数次数非球面の方が有利である。なお、非球面形状分布の一次微分値は、光線の出射方向を決定するため、上記一次微分値の変動量を小さくすることで出射光線の伝搬方向のバラツキを小さくすることができる。更に、奇数次数非球面はアキシコン面よりも先端形状が鈍った形状を有するため、製造しやすいという利点を有する。特に、高次項を導入した奇数次数非球面の方が、上記製造しやすいという利点が大きい。
【0058】
＜光学シミュレーション結果＞
図１１は、第４実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｃを用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った結果を示す図である。図１１は、非球面４２ｂ２からの距離Ｄがそれぞれ１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す。図１１の出力結果における縦軸及び横軸は、ディテクタサイズ（一辺２０μｍ）に対応し（単位：ｍｍ）、中心（縦軸＝０、横軸＝０）が光軸Ｘの位置に対応する。第４実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｃの各構成の詳細を以下の表４に示す。
図１１は、第４実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｃを用いて、光学設計ソフトウェアＺＥＭＡＸ（登録商標）（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用し、光学シミュレーションを行った結果を示す図である。図１１は、非球面４２ｂ２からの距離Ｄがそれぞれ１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍの位置において、光軸Ｘに垂直な面上にディテクタを設置し上記光学シミュレーションにより放射照度分布を出力した結果を示す。図１１の出力結果における縦軸及び横軸は、ディテクタサイズ（一辺２０μｍ）に対応し（単位：ｍｍ）、中心（縦軸＝０、横軸＝０）が光軸Ｘの位置に対応する。第４実施形態に係る細径ビーム生成装置１ｃの各構成の詳細を以下の表４に示す。
【0059】
【表4】
【0060】
図１１に示すように、細径ビーム生成装置１ｃによって生成される細径ビームのビーム径は、いずれのディテクタ上でも直径２μｍ程度の非常に小さい径を有していた。この結果から、第２の光線集約手段として高次の奇数次数非球面を用いた場合においても、所定の大きさ以下の径を有する細径ビームを生成できる結果が確認された。
【0061】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の内容は上記実施形態に限定されず、適宜変更が可能である。
【0062】
上記第３実施形態では、細径ビーム生成装置１ｂは、コリメータ光学素子３と、光学素子４と、の間に臨界角アキシコン素子５が配置されて構成されるものとして説明した。上記に限定されない。コリメータ光学素子３と、第２実施形態に係る光学素子４ａと、の間に臨界角アキシコン素子５を配置しても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【0063】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ 細径ビーム生成装置
２ 光源
３ コリメータレンズ（コリメータ光学系）
４１、４１ａ１、４１ｂ２、４２ｂ１ 第１の光線集約手段
４２、４２ａ１、４２ｂ２ 第２の光線集約手段
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 細径ビーム
Ｘ 光軸
２ 光源
３ コリメータレンズ（コリメータ光学系）
４１、４１ａ１、４１ｂ２、４２ｂ１ 第１の光線集約手段
４２、４２ａ１、４２ｂ２ 第２の光線集約手段
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 細径ビーム
Ｘ 光軸
【要約】
【課題】任意の光源から発せられる光に基づき、出射位置からの距離に依存せず所定の大きさ以下の径を有する直線状の細径ビームを生成できる、細径ビーム生成装置を提供する。
【解決手段】光源と、光源からの発散光をコリメートするか、又は所定の立体角範囲内に集光する集光手段と、集光手段から出射する光線の少なくとも一部を、入射光束より狭い領域に集約する第１の光線集約手段と、第１の光線集約手段から出射する光線を直線状の細径ビームとして集約する第２の光線集約手段と、を有し、第１の光線集約手段及び第２の光線集約手段はいずれも奇数次数非球面である光学素子、又は光学系であり、第２の光線集約手段は、第１の光線集約手段による光線の集約位置に配置され、第１の光線集約手段と第２の光線集約手段は異なる形状を有する、細径ビーム生成装置。
【選択図】図１
【解決手段】光源と、光源からの発散光をコリメートするか、又は所定の立体角範囲内に集光する集光手段と、集光手段から出射する光線の少なくとも一部を、入射光束より狭い領域に集約する第１の光線集約手段と、第１の光線集約手段から出射する光線を直線状の細径ビームとして集約する第２の光線集約手段と、を有し、第１の光線集約手段及び第２の光線集約手段はいずれも奇数次数非球面である光学素子、又は光学系であり、第２の光線集約手段は、第１の光線集約手段による光線の集約位置に配置され、第１の光線集約手段と第２の光線集約手段は異なる形状を有する、細径ビーム生成装置。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
