特許 7253612 光線場をコリメートするための装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-29

(45)【発行日】2023-04-06

(54)【発明の名称】光線場をコリメートするための装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/00 20060101AFI20230330BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20230330BHJP

   G01S 7/481 20060101ALI20230330BHJP

【ＦＩ】

G02B13/00

G02B13/18

G01S7/481 A

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2021503838

(86)(22)【出願日】2019-04-29

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-11-18

(86)【国際出願番号】 EP2019060867

(87)【国際公開番号】W WO2020020499

(87)【国際公開日】2020-01-30

【審査請求日】2022-02-21

(31)【優先権主張番号】18184916.7

(32)【優先日】2018-07-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】515069141

【氏名又は名称】フィスバ・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＦＩＳＢＡ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】モーザー，ハンスルーディ

(72)【発明者】

【氏名】ラーゲンバッハ，エックハルト

(72)【発明者】

【氏名】セルム，ロメディ

【審査官】森内 正明

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－６６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１５６７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２８６９１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５３－１００８４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５２０３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００２７４１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０２１１０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第０１／３５１４９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００ － １７／９５

Ｇ０２Ｂ ９／００ － １７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２ － ２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００ － ２５／０４

Ｇ０２Ｂ ２７／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

放出方向（ｓ）に垂直な第１の方向（Ｆ）において、前記放出方向（ｓ）および前記第１の方向（Ｆ）に垂直な第２の方向（Ｓ）よりも、前記放出方向（ｓ）に対してより迅速に発散する光線場（Ｌ）をコリメートするための装置（１００）であって、前記第１の方向（Ｆ）において前記光線場（Ｌ）をコリメートするための少なくとも１つの第１のコリメーションレンズ系（１）を含み、前記第１のコリメーションレンズ系（１）は、ガラスから作られた、少なくとも部分的に円形のプロファイル（４）を有する円柱レンズ（３）を含み、
前記第１のコリメーションレンズ系（１）は、プラスチックから作られた非球面レンズ素子（５）を含むことを特徴とする、装置。

【請求項2】

前記装置は、前記第２の方向（Ｓ）において前記光線場をコリメートするための第２のコリメーションレンズ系（２）を含み、前記第２のコリメーションレンズ系（２）は円柱レンズアレイ（６）を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記非球面レンズ素子（５）は、前記放出方向（ｓ）においてガラスから作られた前記円柱レンズ（３）の後ろに配置される、請求項１または２に記載の装置。

【請求項4】

前記装置は、前記放出方向（ｓ）においてガラスの前記円柱レンズ（３）の後ろに配置された光学素子（７）を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の装置。

【請求項5】

前記非球面レンズ素子（５）の光学的有効表面（１４）は、前記円柱レンズ（３）に面する、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。

【請求項6】

前記非球面レンズ素子（５）は、前記光学素子（７）の一体部品として形成される、請求項４に記載の装置。

【請求項7】

前記光学素子（７）は、レンズアレイを含む、請求項４に記載の装置。

【請求項8】

前記光学素子（７）は、射出金型で生成される、請求項４に記載の装置。

【請求項9】

前記光学素子（７）は、前記円柱レンズ（３）に面する表面（１４）を有し、その輪郭は、式

【数1】

によって表わされ得る、請求項４に記載の装置。

【請求項10】

前記装置は、前記第１のコリメーションレンズ系（１）が搭載されるマウント（１３）を含む、請求項１～９のいずれか１項に記載の装置。

【請求項11】

前記マウント（１３）の熱膨張係数α_ｈは、前記第１のコリメーションレンズ系（１）の熱膨張係数α_ｆと等しい、請求項１０に記載の装置。

【請求項12】

ガラスから作られた前記円柱レンズ（３）は、３０ｍｍよりも大きい焦点距離を有する、請求項１～１１のいずれか１項に記載の装置。

【請求項13】

前記非球面レンズ素子（５）は、２００ｍｍよりも大きい焦点距離を有する、請求項１～１２のいずれか１項に記載の装置。

【請求項14】

レーザーダイオード（１２０）と、請求項１～１３のいずれか１項に記載の装置（１００）とを含む、ダイオードレーザー（１１０）。

【請求項15】

前記第２のコリメーションレンズ系（２）の前記円柱レンズアレイ（６）は、前記放出方向（ｓ）において前記第１のコリメーションレンズ系（１）の前に配置される、請求項２に記載の装置。

【請求項16】

放出方向（ｓ）に垂直な第１の方向（Ｆ）において、前記放出方向（ｓ）および前記第１の方向（Ｆ）に垂直な第２の方向（Ｓ）よりも、前記放出方向（ｓ）に対してより迅速に発散する光線場（Ｌ）をコリメートするための方法であって、前記光線場（Ｌ）は、少なくとも１つの第１のコリメーションレンズ系（１）によって前記第１の方向（Ｆ）においてコリメートされ、前記第１のコリメーションレンズ系（１）は、ガラスで作られた、少なくとも部分的に円形のプロファイル（４）を有する円柱レンズ（３）を含み、
前記第１のコリメーションレンズ系（１）は、プラスチックで作られた非球面レンズ素子（５）を含むことを特徴とする、方法。

【請求項17】

放出方向（ｓ）に垂直な第１の方向（Ｆ）において、前記放出方向（ｓ）および前記第１の方向（Ｆ）に垂直な第２の方向（Ｓ）よりも、前記放出方向（ｓ）に対してより迅速に発散する、光線場（Ｌ）をコリメートするための装置（１００）を製造する方法であって、前記方法は、
前記第１の方向（Ｆ）において前記光線場（Ｌ）をコリメートするための少なくとも１つの第１のコリメーションレンズ系（１）を提供するステップを含み、前記第１のコリメーションレンズ系（１）は、ガラスで作られた、少なくとも部分的に円形のプロファイル（４）を有する円柱レンズ（３）と、プラスチックで作られた非球面レンズ素子（５）とを含み、前記方法はさらに、
前記第１のコリメーションレンズ系（１）をマウントに搭載するステップを含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、光線場をコリメートするための装置、ダイオードレーザー、コリメーティングレンズ系の使用、コリメーションのための方法、および、コリメーションのための装置を製造するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光線場をコリメートするための装置は、たとえば、非対称的な線場を有する発光体のために使用され、とりわけ、ダイオードレーザーおよび高出力ダイオードレーザーにおいて使用される。

【0003】

高出力ダイオードレーザーとは、ワット範囲の光線としての高出力の放出を可能にするためのブロードストライプ構造を有する半導体レーザーである。高出力ダイオードレーザーは、複数の単一発光体を含む。

【0004】

そのような単一発光体は、元の平面から、この平面に対する所定の放出方向で光線場を生成する。放出方向に対して、光線場は、放出方向に垂直な第１の方向（高速軸）において、放出方向および第１の方向に垂直な第２の方向（遅軸）よりも、より迅速に発散する。

【0005】

高速軸および遅軸方向における別々のコリメーションを用いてできるだけ対称的な放射場を実現することは、従来技術から公知である。

【0006】

特に、かなり大きいビーム径を有する系については、まず、遅軸コリメーションが、円柱コリメーティングレンズＳＡＣ（Slow Axis Collimator：遅軸コリメータ）を用いて、または、遅軸アレイに配置された複数のコリメーティングレンズを用いて実行され得る。

【0007】

その後、コリメーティングレンズＦＡＣ（Fast Axis Collimator：高速軸コリメータ）を用いた高速軸コリメーションが実行される。

【0008】

特に高速軸コリメーションについて、開口エラーを訂正するために、非円形のプロファイルを有する円柱レンズが通常使用される。

【0009】

自由形状の表面、すなわち、非球面および非円形の表面プロファイルを有するレンズは好ましくは、たとえばＷＯ２０１８／１２５８３０で明らかにされているように、たとえば射出成形によってプラスチックで作られる。これは、レンズを低コストで生成できるためである。

【0010】

装置の用途に依存して、コリメーション装置は、たとえば周囲温度で動作するＬＩＤＡＲシステムで使用される場合、温度変動の影響を受ける。－４０℃と＋８５℃～＋１０５℃との間での温度安定性が必要とされる。ＬＩＤＡＲシステムでは、可視表面までの距離は、光を放出し、反射光の特性、たとえば光パルスの「飛行時間」を分析することによって測定され得る。

【0011】

大抵の材料は、温度によって変化する特性を有する。温度変化による材料の相対的伸縮は、材料の熱膨張係数αによって定められ、それは通常、１０^－６Ｋ^－１という単位で与えられる。

【0012】

光学性能のために考慮すべき関連する特性が２つある。１つは、熱膨張、すなわち熱膨張係数αであり、もう１つは、屈折率が温度によって変化する様子（ｄｎ／ｄＴ）である。屈折率ｎは、材料に特有の量であり、波長に依存する。

【0013】

屈折率は、レンズの屈折力に影響を及ぼす。屈折率がより高いほど、レンズの屈折力はより強くなる。

【0014】

屈折力はまた、レンズの曲率に依存し、レンズの曲率も、熱膨張係数αと同様に、温度に依存する。

【0015】

温度による屈折率の変化（ｄｎ／ｄＴ）および材料の膨張により、それはしたがって、熱的焦点外れ、すなわち、軸上の焦点位置の変化であり得る。

【0016】

熱膨張係数α_ｔを有するハウジングに搭載される装置については、焦点位置の変化は、ハウジングの膨張によるレンズ系の焦点距離の変化と像平面位置の変化との組み合わせである。ハウジング長さの変化がレンズ系による像平面の変位と等しい場合、焦点外れはゼロであり、系は非熱的であると考えられる。

【0017】

焦点外れは機械的に補償可能であり、それにより、レンズはハウジング内で変位され得るが、これは追加の部品を必要とし、また、非常に高くつく場合がある。

【0018】

特に、十分なビーム断面を実現するために、ＬＩＤＡＲシステムで使用される系などの長い焦点距離を有する系では、比較的大きい全長により、焦点位置は温度を補償することが難しい。

【0019】

また、熱安定性がガラスレンズを用いて実現され得ることは、たとえばＥＰ ３ ２６７ ２３３ Ａ２から公知である。

【0020】

しかしながら、自由形状の表面を有するガラスレンズの生成は、特により大きい設計については、非常に高くつく。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0021】

したがって、課題は、先行技術の欠点を克服し、できるだけ非熱的なコリメーションを低コストで可能にする、コリメーションのための装置、ダイオードレーザー、コリメーティングレンズ系、および光線場をコリメートするための方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0022】

この目的は、放出方向に垂直な第１の方向（高速軸）において、放出方向および第１の方向に垂直な第２の方向（遅軸）よりも、より高速に発散する光線場のコリメーションのための装置によって実現される。装置は、第１の方向において光線場をコリメートするための少なくとも１つの第１のコリメーションレンズ系（高速軸コリメータＦＡＣ）、および好ましくは、第２の方向において光線場をコリメートするための少なくとも１つの第２のコリメーションレンズ系（遅軸コリメータＳＡＣ）を含む。

【0023】

第１のコリメーションレンズ系は、ガラスから作られた円柱レンズを含む。
第１のコリメーションレンズ系はまた、プラスチックで作られた非球面レンズ素子を含む。プラスチック材料は特に、ポリカーボネート、ゼオネックス（Zeonex）Ｔ６２Ｒ、またはゼオネックスＥ４８Ｒである。

【0024】

ガラスから作られた円柱レンズは好ましくは、製造が容易なプロファイル、特に少なくとも部分的に円形のプロファイルを有する。これは、円柱軸に垂直な断面の輪郭が、円またはピッチ円の輪郭に少なくとも部分的に対応するということを意味する。光軸に沿って、円柱レンズは、一方側に第１の曲率半径および第１の曲率方向を有する円形プロファイルと、反対側に第２の曲率半径および第２の曲率方向を有する円形プロファイルとを有し得る。

【0025】

できるだけ最もコスト効率のよい生成を実現するために、一定の凸曲率を有する平面入口側および出口側を有する平凸レンズが好まれる。

【0026】

ガラスから作られた円柱レンズはしたがって、従来の製造方法により、たとえば、表面全体が接触する状態での単純な研削および研磨により生成され得る。

【0027】

ガラスは、住田からのＫ－ＶＣ４０、またはオハラからのＳ－ＬＡＨ６４であってもよい。２０℃で、これらのガラスは、プラスチックレンズの結像特性に対応する結像特性を有するが、かなりより安定した温度挙動を有する。

【0028】

円形の円柱ガラスレンズのみでは、高速軸方向において光線場を十分な品質で、特により大きいビーム径でコリメートすることはできない。開口エラーが大きすぎる。たとえば、焦点距離ｆ＝３２ｍｍおよび開口数ＮＡ＝０．３９の円形の平凸円柱レンズは、６５λの開口エラーを示し、それは多くの用途にとって受け入れられない。

【0029】

球面収差がガラスレンズを用いて訂正されることになっている場合、それは、複雑でコスト集約的なプロセスで、たとえば精密成形を用いて生成されなければならないであろう。

【0030】

少なくとも部分的に円形のプロファイルを有する円柱レンズを用いるコリメーションとは対照的に、高速軸コリメーションにとって必要な訂正は、この発明によれば、プラスチックから作られたレンズ素子を用いて行なわれる。この目的のために、プラスチックレンズ素子は、非円形のプロファイルを有する自由形状の表面を有する。

【0031】

第１のコリメーションレンズ系はしたがって、たとえば２０ｍｍよりも大きい、より大きいビーム径であっても、高速軸コリメーションにとって十分な光学性能を有しており、また、大部分がガラスで構成されている。それは、熱安定性にとって好都合であるが、にもかかわらず、生成の際に好都合である。なぜなら、ガラスは複雑な処理を必要としないためである。

【0032】

この発明の有利なバージョンでは、装置は、第２の方向において光線場をコリメートするための第２のコリメーションレンズ系を有する。

【0033】

第２のコリメーションレンズ系は、好ましくは少なくとも部分的に円形のプロファイルを有する、少なくとも１つの円柱レンズを含む。第２のコリメーションレンズ系は特に、円柱レンズアレイを含む。

【0034】

第２のコリメーションレンズ系は好ましくは、放射方向において第１のコリメーションレンズ系の前に配置される。

【0035】

遅軸コリメーションのための円柱レンズアレイは、円形プロファイルを有する円柱レンズを含み得る。遅軸コリメーションのための円柱レンズは、高速軸コリメーションのためのレンズよりもはるかにより小さい直径とより短い焦点距離とを有しており、そのため、第２のコリメーションレンズ系は、熱不安定性に影響されにくい。加えて、コリメーション特性のための要件は、遅軸方向においてはるかにより低い。

【0036】

円柱レンズアレイは、ガラスまたはプラスチックで作ることができ、コストの理由でプラスチックがしばしば好まれる。

【0037】

円柱レンズアレイはたとえば、それぞれの円柱軸が互いに隣り合う状態で互いに平行に配置された１０個の円柱レンズを含み得る。これらは好ましくは、１０個のレーザーダイオードチップによって放出された光場を対称的にするために使用される。

【0038】

プラスチックで作られた非球面レンズ素子は好ましくは、放出方向においてガラスで作られた円柱レンズの後ろに配置される。

【0039】

有利な進歩した一実施形態では、装置は、放出方向においてガラスで作られた円柱レンズの後ろに配置された追加の光学素子を含む。

【0040】

追加の光学素子は、特に遅軸の方向において遠距離場を均質化するために使用され得る。

【0041】

追加の光学素子は、光線場を均質化するよう機能する表面を、円柱レンズから遠い方に面する側に有していてもよい。

【0042】

追加の光学素子は、たとえば、プロファイルの曲線がどこでも連続的に区別可能な状態で、凹状区域および凸状区域が交互して互いに一体化するレンズアレイを含み得る。

【0043】

他の光学素子はまた、ガラスで作られた円柱レンズから遠い方に面する側に平坦な表面を有していてもよく、円柱レンズに面する側は、交互する凹状区域および凸状区域を有する。

【0044】

他の光学素子は好ましくは、プラスチックで作られる。
この発明の好ましい一実施形態では、非球面レンズ素子の光学的有効表面は、円柱レンズに面する。光学的に有効とはここでは、高速軸方向における光線場のコリメーションに対して意図される。

【0045】

非球面レンズ素子は、他の光学素子の一体部品として形成され得る。この場合、円柱レンズに面する側はコリメーションのために機能し、それは自由形状の表面として設計される。円柱レンズから遠い方に面する側は均質化のために機能し、交互する凸状区域および凹状区域を有し得る。

【0046】

原則として、円柱レンズに面する側を用いて均質化を実行し、円柱レンズから遠い方に面する側を用いてコリメーションを実行することも可能である。

【0047】

このため、部品の数を制限することができ、それは、アセンブリおよび重量に対してプラスの効果を有する。

【0048】

他の光学素子は好ましくは、射出成形プロセスで、および射出金型で生成される。
非球面の円柱レンズ素子の自由形状の表面、特に、ガラス円柱レンズに面する他の光学素子の表面は、以下の式によって表わされ得る輪郭を有する：

【0049】

【数1】

【0050】

式中、ｘは座標軸を示し、それは、光の伝搬方向、すなわち光軸、および円柱軸に垂直である。座標ｘはこのため、ｘ座標の方向における非球面曲線上の点からの距離を示す。ｚは非球面の深さ（すなわち、伝搬方向において円柱軸によって形成された円柱レンズの対称面から距離ｘだけ間隔を置かれた非球面上の点と、光軸上の非球面の頂点に接する接平面との間の垂直距離）を示し、Ｒは光軸の近くの光学素子の表面の曲率半径を示し、ｋは円錐定数を示し、Ａ_ｉは非球面係数を示す。

【0051】

たとえば、ｉ＞４については、ｋ＝－１、Ａ_１＝０、Ａ_３＝０、Ａ_ｉ＝０が選択され得る。

【0052】

特に好ましいのは、少なくともパラメータＲおよびＡ_４がゼロではないことである。ガラスで作られた円柱レンズとは対照的に、プラスチックで作られた非球面レンズ素子の表面はしたがって、円形プロファイルを有しておらず、開口エラーを訂正することができる。

【0053】

この発明の好ましい一実施形態では、装置は、第１のコリメーションレンズ系が搭載されるマウントを含む。特に、第２のコリメーションレンズ系は、同じマウントに包囲される。

【0054】

好ましくは、マウントは、亜鉛ダイカストまたはプラスチック、特に繊維が埋め込まれた複合プラスチック、たとえばＰＰＳジュラファイド（Durafide）６１５０Ｔ６またはライトン（Ryton）Ｒ－７－１９０ＢＬで作られた部品を含む。

【0055】

この発明の好ましい一実施形態では、マウントの熱膨張係数α_ｔは、第１のコリメーティングレンズ系の熱膨張係数α_ｆと等しい。この場合、コリメーティング系は、非熱的なものとして考えられ得る。

【0056】

第２のコリメーティング系は、同じマウントに配置され得る。しかしながら、それを計算において考慮する必要はない。なぜなら、それは、焦点位置の変位に比較的無反応であるためである。

【0057】

この発明によれば、第１のコリメーションレンズ系は少なくとも、ガラスで作られた円柱レンズと、プラスチックで作られた非球面レンズ素子とから構成される。

【0058】

コリメーティングレンズ系の熱膨張係数はこのため、少なくともこれら２つの部品に依存する。

【0059】

原則として、その距離が焦点距離よりも小さいいくつかの薄い個々のレンズから構成される系の焦点距離は、以下の実験式を用いて計算され得る：

【0060】

【数2】

【0061】

式中、ｆは系全体の有効焦点距離であり、ｆ_ｉは個々のレンズの焦点距離である。これに代えて、屈折力、すなわち焦点距離の逆数も計算される：

【0062】

【数3】

【0063】

これらのレンズの温度係数は、屈折力の温度依存性によって、または焦点距離の温度依存性によって定義され得る。これらは、単一レンズについて以下の関係を有する：

【0064】

【数4】

【0065】

以下は、系全体に同様に当てはまる：

【0066】

【数5】

【0067】

または、以下も当てはまる：

【0068】

【数6】

【0069】

熱膨張係数はしたがって、個々のレンズの対応する熱膨張係数の加重平均である。
熱膨張係数α_ｆが筐体の熱膨張係数α_ｔと等しい場合、薄い多線系は非熱的になる：

【0070】

【数7】

【0071】

２つのレンズと、公知の熱膨張係数を有する特定された材料で作られたハウジングとを有する系については、それぞれの焦点距離または屈折力は、以下の連立方程式を使用して求められ得る：

【0072】

【数8】

【0073】

これらの計算は、波長依存性がまだ考慮されていない第１の近似を表わす。
たとえば、２つのレンズを有するコリメーションレンズ系が作成されることになっており、それは総焦点距離が３０ｍｍでなければならない。第１のレンズは、ガラス、たとえばＣＤＧＭ Ｈ－ＺＦ２で作られるべきであり、それは温度膨張係数α_ｆ１＝８．１ １０^－６Ｋ^－１を有する。第２のレンズはプラスチック、たとえばポリカーボネートで作られるべきであり、それは熱膨張係数α_ｆ２＝２５０．５ １０^－６Ｋ^－１を有する。フレーム材料として、たとえば、熱膨張係数α_ｔ＝２７ １０^－６Ｋ^－１を有する亜鉛が使用されるべきである。

【0074】

これは、第１のレンズについては０．０３１ｍｍ^－１の屈折力または３２．５ｍｍの焦点距離をもたらし、第２のレンズについては０．００２５９９ｍｍ^－１の屈折力または３８４．８ｍｍの焦点距離をもたらす。

【0075】

逆に、所与の焦点距離のために、対応する熱膨張係数を有する適切な材料を見つけることができる。

【0076】

焦点距離は、頂点での曲率半径をもたらす。さらに別のステップで、開口エラーを最小限にするための、プラスチックで作られた非球面レンズについての訂正が定められる。

【0077】

より多くのレンズのために、また、薄いとは考えられず、その厚さおよび距離が焦点距離と比較してもはや小さいとは考えられないレンズのために、対応する計算を行なうこともできる。

【0078】

特に屈折力が光軸からの距離に応じて変わる場合、より大きいレンズ径についても訂正を加えなければならない。

【0079】

訂正のために、たとえば、光軸からの距離での周辺光線の進路が考慮される。
好ましくは、ガラスで作られた円柱レンズは、３０ｍｍよりも大きい焦点距離を有する。非球面レンズ素子は好ましくは、２００ｍｍよりも大きい焦点距離を有する。

【0080】

課題はまた、レーザーダイオードと上述のような装置とを含む、特にＬＩＤＡＲシステムのためのダイオードレーザーによって解決される。

【0081】

好ましくは、ダイオードレーザーは、いくつかのレーザーダイオードを含む。
課題はさらに、少なくとも１つのレーザーダイオードの光線場の高速軸コリメーションのための、ガラスで作られた円柱レンズとプラスチックで作られた非球面レンズ素子とを含むコリメーティングレンズ系を使用することによって解決される。

【0082】

円柱レンズは好ましくは、少なくとも部分的に円形のプロファイルを有しており、したがって、従来の方法を使用してコスト効率よく製造され得る。プラスチックで作られた非球面レンズ素子は好ましくは、非円形プロファイルを有する円柱レンズとして設計される。

【0083】

目的はまた、光線場をコリメートするためのプロセスによって実現される。放出方向に対して、光線場は、放出方向に垂直な第１の方向（高速軸）において、放出方向および第１の方向に垂直な第２の方向（遅軸）よりも、より迅速に発散する。光線場は、少なくとも１つの第１のコリメーションレンズ系によって第１の方向においてコリメートされ、および好ましくは、少なくとも１つの第２のコリメーションレンズ系によって第２の方向においてコリメートされる。

【0084】

第１のコリメーションレンズ系は、ガラスで作られた、特に少なくとも部分的に円形のプロファイルを有する円柱レンズを含む。第１のコリメーションレンズ系はさらに、プラスチックで作られた非球面レンズ素子を含む。プラスチックで作られた非球面レンズ素子は好ましくは、非円形プロファイルを有する円柱レンズである。

【0085】

目的はさらに、光線場をコリメートするための装置、特に上述されたような装置を製造する方法によって実現される。放出方向に対して、光線場は、放出方向に垂直な第１の方向において、放出方向および第１の方向に垂直な第２の方向よりも、より迅速に発散する。手順は、以下のステップを含む。まず第１に、少なくとも１つの第１のコリメーションレンズ系が、第１の方向において光線場をコリメートするために作成される。第１のコリメーションレンズ系は、ガラスで作られた、特に少なくとも部分的に円形のプロファイルを有する円柱レンズと、プラスチックで作られた非球面レンズ素子とを含む。次に、コリメーションレンズ系はマウントに搭載される。

【0086】

円柱レンズおよび非球面レンズ素子の材料は、所与のフレーム材料のために所望の総焦点距離が得られるように選択される。フレームの系およびコリメーションレンズ系は、非熱的であるべきである。

【0087】

屈折の大部分は、ガラスで作られた円柱レンズを通って起こるべきである。
非球面レンズ素子のプロファイルは、開口エラーが十分に小さくなるように定められる。

【0088】

以下に、この発明を、図面を使用して設計例においてより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0089】

【図1】第１の側面図における、この発明に従ったダイオードレーザーの概略図である。

【図2】第２の側面図における、この発明に従ったダイオードレーザーの概略図である。

【図3】第１の斜視図における、この発明の装置の概略図である。

【図4】この発明に従った装置の第２の斜視図である。

【図5】この発明に従った装置の第３の斜視図である。

【図6】側面図における他の光学素子の概略図である。

【図7】図６からの詳細図Ｘである。

【発明を実施するための形態】

【0090】

図１は、第１の側面図における、この発明に従った装置１００を有するダイオードレーザー１１０の概略図を示し、図２は、それに垂直な第２の側面図における、この発明に従ったダイオードレーザー１１０の概略図を示す。

【0091】

ダイオードレーザー１１０は、いくつかのレーザーダイオード１２０を含む。
装置１００は、光線場Ｌをコリメートするよう機能する。光線場Ｌは、放出方向ｓに垂直な第１の方向Ｆ（図１参照）において、放出方向ｓおよび第１の方向Ｆに垂直な第２の方向Ｓ（図２参照）よりも、放出方向ｓに対してより迅速に発散する。

【0092】

装置１００は、第１の方向Ｆにおいて光線場Ｌをコリメートするための第１のコリメーションレンズ系１と、第２の方向Ｓにおいて光線場Ｌをコリメートするための第２のコリメーションレンズ系２とを含む。

【0093】

第１のコリメーションレンズ系１は、ガラスで作られた、少なくとも部分的に円形のプロファイル４を有する円柱レンズ３を含む。

【0094】

第１のコリメーションレンズ系１はまた、プラスチックで作られた非球面レンズ素子５を含む。非球面レンズ素子５は、放出方向ｓにおいてガラスで作られた円柱レンズ３の後ろに配置される。

【0095】

図２に見えるように、装置１００は、第２の方向Ｓにおいて光線場をコリメートするための第２のコリメーションレンズ系２を有しており、それは円柱レンズアレイ６を含み、好ましくは、放出方向ｓにおいて第１のコリメーションレンズ系１の前に配置される。

【0096】

装置１００は追加の光学素子７を含み、それは放出方向ｓにおいて円柱レンズ３の後ろに配置される。光学素子７は、円柱レンズ３から遠い方に面する側に表面８を有しており、それは、遅軸方向において光線場を均質化するよう機能するプロファイル９を有する。図６および図７も参照されたい。

【0097】

非球面レンズ素子５は、光学素子７の一体部品である。非球面レンズ素子５の光学的活性表面１４は、光学素子７の円柱レンズ３に面する側１０に形成される。

【0098】

光学的活性表面１４は、自由形状の表面として形成されており、以下の式を用いて表わされ得る。

【0099】

【数9】

【0100】

ＣＤＧＭ Ｈ－ＺＦ２というガラスで作られた円柱レンズ３とゼオネックスＥ４８Ｒというプラスチックで作られた非球面レンズ素子５とを有する第１のコリメーションレンズ系１について、以下のパラメータが例として選択される：

【0101】

【数10】

【0102】

非球面レンズ素子５の焦点距離は、２４０ｍｍである。
図３は、第１の斜視図における、この発明に従った装置１００の概略図を示す。

【0103】

図４および図５は、この発明に従った装置１００の第２および第３の斜視図を示す。
装置１００は、発光体に結合され得る。これは、たとえば、約９００ｎｍの波長を有するいくつかのレーザーダイオードチップのスタックから構成される。

【0104】

たとえば、ＬＩＤＡＲシステムについては、測定範囲は、１．５ｍ～１８０ｍの距離をカバーするべきである。この範囲では、高速軸における光線場は、限られた程度でのみ発散するべきである。遅軸では、線形の測定場が作成されるように、均質の発散光線場が生成されることになっている。ソケットから出た直後に、光線は、およそ２５ｍｍ×２５ｍｍであるべきである。

【0105】

第１のコリメーティングレンズ系１の焦点距離は好ましくは、たとえば望遠鏡などの追加の光学素子がなくてもビーム幅が実現されるように選択される。

【0106】

水平方向では、約０．１°～０．２°の発散が許容され、垂直方向では、２３．５°～２４．５°の発散が許容される。

【0107】

光線場は、－４０℃～１０５℃の温度範囲においてこれらの公差を満たすべきである。この目的のために、光学部品は、この範囲において非熱的でなければならない。

【0108】

これは、ガラスで作られた円柱レンズ３とプラスチックで作られた非球面レンズ素子５とを用いて保証され得る。

【0109】

装置１００は、第２のコリメーションレンズ系２と円柱レンズ３と非球面レンズ素子５とが搭載されるマウント１３を含む。

【0110】

図６は、側面図における他の光学素子７の概略図を示し、図７は、図６からの詳細図Ｘを示す。

【0111】

非球面素子５と追加の光学素子７とは、１つの素子として形成され得る。図示されない円柱レンズ３に面する表面１４は、自由形状の表面として設計されており、コリメーションのために使用される。

【0112】

図示されない円柱レンズ３から遠い方に面する表面８は、均質化のために機能する。
この目的のために、表面は、凸状区域１５および凹状区域１６が交互するプロファイル９を有する。

【0113】

プロファイルは、０．５ｍｍ～１ｍｍの高度差ｄを有する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】