特許 7266348 細径ビーム生成装置

(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】2023-04-20

(45)【発行日】2023-04-28

(54)【発明の名称】細径ビーム生成装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/00 20060101AFI20230421BHJP

   G02B 27/09 20060101ALI20230421BHJP

   G02B 27/01 20060101ALN20230421BHJP

【ＦＩ】

G02B13/00

G02B27/09

G02B27/01

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022564615

(86)(22)【出願日】2021-10-01

(86)【国際出願番号】 JP2021036398

【審査請求日】2022-10-24

【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

【審査官】堀井 康司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１１２１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１７３１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１９３９１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０３４３４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５２１８７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１０２４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０３０２３９６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ９／００－１７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２－２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００－２５／０４

Ｇ０２Ｂ ２７／０９

Ｇ０２Ｂ ２７／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、コリメータ光学系と、アキシコン光学素子と、を含む線光源生成手段と、前記線光源生成手段により生成される光束を整形するビーム整形手段と、を有し、
前記ビーム整形手段は、集光部を有し、
前記線光源生成手段により生成される線光源は、虚像であり、
前記線光源は、前記集光部の光軸上に配置され、
前記線光源の前記光軸上の中心位置は、前記集光部の焦点位置よりも、前記集光部から離れた位置に配置される、細径ビーム生成装置。

【請求項2】

前記光源と、前記コリメータ光学系と、前記アキシコン光学素子としてのアキシコン面を有するレンズと、を含む前記線光源生成手段を有し、
前記集光部は、非球面を有するレンズであり、
前記アキシコン面を有するレンズと、前記非球面を有するレンズとは、一体のレンズである、請求項１に記載の細径ビーム生成装置。

【請求項3】

前記光源と、前記コリメータ光学系と、前記アキシコン光学素子としてのアキシコン鏡と、を含む前記線光源生成手段を有し、
前記集光部は、放物面鏡を有する、請求項１に記載の細径ビーム生成装置。

【請求項4】

前記コリメータ光学系は、複数の異なる波長の平行光を出射する、請求項１～３のいずれかに記載の細径ビーム生成装置。

【請求項5】

前記コリメータ光学系は、複数の光源から出射される光が入射する複数のコリメータレンズを有し、
前記複数のコリメータレンズから出射する複数の異なる波長の平行光が入射する前記アキシコン光学素子を有する、請求項４に記載の細径ビーム生成装置。

【請求項6】

前記ビーム整形手段は、アパーチャを有する、請求項１～５のいずれか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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特表２００９－５３３７１５号公報

【文献】特開平１１－０６４７８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の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である。一方で、アキシコン等で生成されるベッセルビームは、非常にアキシコン等に近接した位置にしか生成させることができず、プロジェクタ装置に適用できないという課題があった。

【0006】

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、任意の位置に所定の径の大きさ以下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】

【0007】

（１） 本発明は、線光源を整形するビーム整形手段を有し、前記ビーム整形手段は、集光部を有し、前記線光源は、前記集光部の光軸上に配置され、前記線光源の前記光軸上の中心位置は、前記集光部の焦点位置よりも、前記集光部から離れた位置に配置される、細径ビーム生成装置に関する。

【0008】

（２） 光源と、コリメータ光学系と、アキシコン光学素子と、を含む線光源生成手段を有する、（１）に記載の細径ビーム生成装置。

【0009】

（３） 光源と、コリメータ光学系と、アキシコン面を有するレンズと、を含む線光源生成手段を有し、前記集光部は、非球面を有するレンズであり、前記アキシコン面を有するレンズと、前記非球面を有するレンズとは、一体のレンズである、（１）に記載の細径ビーム生成装置。

【0010】

（４） 光源と、コリメータ光学系と、アキシコン鏡と、を含む線光源生成手段を有し、前記集光部は、放物面鏡を有する、（１）に記載の細径ビーム生成装置。

【0011】

（５） 前記コリメータ光学系は、複数の異なる波長の平行光を出射する、（２）～（４）のいずれかに記載の細径ビーム生成装置。

【0012】

（６） 前記コリメータ光学系は、複数の光源から出射される光が入射する複数のコリメータレンズを有し、前記複数のコリメータレンズから出射する複数の異なる波長の平行光が入射するアキシコン光学素子を有する、（５）に記載の細径ビーム生成装置。

【0013】

（７） 前記ビーム整形手段は、アパーチャを有する、（１）～（６）のいずれかに記載の細径ビーム生成装置。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、任意の光源から発せられる光に基づき、任意の位置に所定の径の大きさを有する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】

【0015】

【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】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の条件を示す拡大模式図である。

【図3】図２の条件において波長５２０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。

【図4】図２の条件において、波長４５０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。

【図5】図２の条件において、波長６３８ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。

【図6】第２実施形態に係る細径ビーム生成装置の構成及び光学シミュレーションの条件を示す拡大模式図である。

【図7】図６の条件において波長５２０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。

【図8】図６の条件において、波長４５０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。

【図9】図６の条件において、波長６３８ｎｍの光を観測した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構成及び光学シミュレーションの条件を示す拡大模式図である。

【図11】図１０の条件において波長５２０ｎｍの光を観測したシミュレーション結果を示す図である。

【図12】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。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。

【0017】

《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、コリメータ光学素子３と、アキシコンレンズ４と、集光レンズ５と、アパーチャＡ１及びＡ２と、を有する。本実施形態において、光源２、コリメータ光学素子３、及びアキシコンレンズ４が線光源Ｌ１を生成する線光源生成手段に該当し、集光部としての集光レンズ５、並びにアパーチャＡ１及びＡ２がビーム整形手段に該当する。

【0018】

本実施形態において、コリメータ光学素子３、アキシコンレンズ４、及び集光レンズ５は光軸がほぼ同一の光軸Ｘとなるように配置される。光軸Ｘ上に生成された線光源Ｌ１は、集光レンズ５によって整形され、予め設定された位置に細径ビームＬ２が生成される。上記細径ビームＬ２が生成される予め設定された位置は、例えば、集光レンズ５から数十ｍｍ以上離隔した任意の位置とすることができ、細径ビームＬ２の長さは原理的には無限遠であることから、細径ビームＬ２が生成される位置は実質的に任意の位置とすることが可能である。なお、線光源Ｌ１の光軸中心は、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。

【0019】

上記細径ビームＬ２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、細径ビームＬ２の径の大きさや生成位置も任意に設計することが可能であるため、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Ｌ２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Ｌ２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。

【0020】

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、後述する第４実施形態のように、複数の光源を用い、ＲＧＢの光を合波した光源としてもよい。

【0021】

コリメータ光学系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。コリメータ光学系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。

【0022】

アキシコンレンズ４は、コリメータ光学素子３により生成された平行光が垂直に入射するレンズであり、出射側に形成されたアキシコン面の頂点から光を射出する。アキシコンレンズ４から出射された光はリング状に光軸Ｘに集光し、アキシコン面の頂点から光軸Ｘに沿った所定の長さの線光源Ｌ１を射出する。なお、アキシコンレンズ４に代えて、同様の光学特性を有する回折光学素子（ＤＯＥ）レンズを用いてもよい。本実施形態において、線光源生成手段により生成される線光源Ｌ１は実像であるが、上記線光源Ｌ１には虚像も含まれる。

【0023】

線光源生成手段としては、線光源Ｌ１を生成できる手段であればよく、上記の光源２、コリメータ光学素子３、及びアキシコンレンズ４には限定されない。例えば、後述の他の実施形態に係る線光源生成手段であってもよい。上記以外に、線光源生成手段として、発光ファイバ等の線状の発光源を用いてもよい。

【0024】

集光部としての集光レンズ５は、ビーム整形手段であり、アキシコンレンズ４により生成される光束である、アキシコンレンズ４から射出された光源Ｌ１を整形して任意の位置に細径ビームＬ２を生成する。集光レンズ５としては、入射光に対して集光作用を有するレンズであれば特に限定されないが、例えば図２に示すような片側非球面の平凸レンズや、両側非球面の両凸レンズを用いることができる。また、集光部としては、集光レンズに限定されず、後述する他の実施形態におけるような放物面鏡を用いてもよい。

【0025】

上記線光源生成手段により生成される線光源Ｌ１の光軸Ｘ上の中心位置Ｃは、集光部としての集光レンズ５の焦点位置Ｆよりも、集光レンズ５から離れた位置に配置される。これにより、細径ビームＬ２が発散することなく、所定の大きさ以下の径を有する細径ビームＬ２を生成することができる。細径ビームＬ２は、その発生位置から光軸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、所定の大きさ以下の径が維持される。仮に線光源Ｌ１の中心位置Ｃを、焦点位置Ｆよりも集光レンズ５の近くに配置した場合、集光レンズ５から出射した光が発散し、細径ビームを効率よく生成することができない。なお、中心位置Ｃと集光レンズ５との距離を遠ざけるほど、細径ビームＬ２を集光レンズ５の近傍に生成することができるため、中心位置Ｃと焦点位置Ｆとの相対的な位置を調整することにより、任意の位置を細径ビームＬ２の発生位置とすることができる。

【0026】

アパーチャＡ１及びＡ２は、線光源Ｌ１が透過する孔部（光透過部）を有する部材であり、線光源Ｌ１を整形するビーム整形手段である。アパーチャＡ１及びＡ２により、アキシコンレンズ４から出射される不要な光を除去することができる。アパーチャＡ１は、例えば、光軸Ｘ方向において中心位置Ｃに対応する位置に配置することができ、アパーチャＡ１の孔部は、アキシコンレンズ４から出射される線光源Ｌ１の径と同一の径とすることができる。アパーチャＡ２は、リング状に発散する線光源Ｌ１が透過可能なリング状の孔部を有する。アパーチャＡ２は、例えば集光レンズ５の表面の一部をリング状にマスキングすることで実現できる。図１において、アパーチャＡ２は、集光レンズ５の出射側に設けられているが、アパーチャＡ２は、集光レンズ５の入射側に設けられていてもよい。上記アパーチャはアパーチャＡ１、及びアパーチャＡ２のいずれか一方のみを用いてもよい。

【0027】

＜光学シミュレーション結果＞
図２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条件を示す図である。

【0028】

図２に示すアキシコンレンズ４は、傾角が３３°のものを用いた。集光レンズ５としては、片側非球面の平凸レンズ（有効径３．０ｍｍ）を用いた。図２に示すように、光軸Ｘ上のアキシコンレンズ４の長さは１．０ｍｍであり、光軸Ｘ上の集光レンズ５の長さは１．７０７ｍｍである。アキシコンレンズ４と集光レンズ５の間隔は１．５７５ｍｍである。集光レンズ５の焦点位置Ｆは、集光レンズ５の入射面（平面）から左に０．９３ｍｍの光軸Ｘ上に位置する。線光源Ｌ１はアキシコンレンズ４の頂点から右に光軸Ｘ上０．９ｍｍの長さに亘って分布する。このため、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは、アキシコンレンズ４の頂点から右に０．４５ｍｍの光軸Ｘ上（集光レンズ５の入射面（平面）から左に１．１２５ｍｍの光軸Ｘ上）に存在する。よって、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは集光レンズ５の焦点位置Ｆよりも、集光レンズ５から離れた位置に配置されている。

【0029】

図３～図５は、集光レンズ５の出射側端面からの距離Ｄがそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍ、８０ｍｍ、１６０ｍｍ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である。図３は、アキシコンレンズ４に入射するコリメータレンズからの平行光束（ビーム径：１．０ｍｍ）の波長を５２０ｎｍとし、図４は、同様に波長を４５０ｎｍ、図５は、同様に波長を６３８ｎｍとした。図３～図５はディテクタに対する入射光強度に比例した、放射照度の分布を示し、色の明るい箇所ほど放射照度が高いことを意味する。図３～図５の各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。

【0030】

図３～図５の結果から、生成される細径ビームはいずれも光軸Ｘを中心とした数μｍの範囲に放射照度の大部分が集中するスポットを形成していることが明らかである。また、スポットの径は集光レンズ５からの距離に依らずほぼ一定である。これにより、集光レンズ５からの距離Ｄが少なくとも１０ｍｍ～１６０ｍｍの範囲において、数μｍの径を有する細径ビームが生成されることが確認された。また、波長５２０ｎｍ、４５０ｎｍ、及び６３８ｎｍのいずれにおいても同様の現象が得られ、緑色、青色、及び赤色の光により細径ビームを生成できることが確認された。

【0031】

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。

【0032】

《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６に示すように、入射面Ｓ１が凹アキシコン面であり、出射面Ｓ２が非球面である一体のレンズ６を有する。上記以外の細径ビーム生成装置１ａの構成は、第１実施形態と同様である。即ち、入射面Ｓ１に対しては、第１実施形態と同様の光源及びコリメータ光学系により生成された平行光が入射する。本実施形態において、レンズ６は線光源生成手段と集光部としての機能を兼ねる。また、レンズ６により生成される線光源Ｌ１はレンズ６よりも入射側に生成される虚像である。本実施形態においても、線光源Ｌ１の光軸Ｘ上の中心位置Ｃは、集光部としての出射面Ｓ２の焦点位置Ｆよりも、出射面Ｓ２から離れた位置に配置される。これにより、細径ビームＬ２が発散することなく、所定の大きさ以下の径を有する細径ビームＬ２を生成することができる。

【0033】

＜光学シミュレーション結果＞
図６は、第２実施形態に係る細径ビーム生成装置１ａの構成を示すと共に、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条件を示す図である。

【0034】

図６に示すレンズ６は、有効径が２．０ｍｍであり、入射面Ｓ１（凹アキシコン面）は、傾角が１９°とした。入射面Ｓ１（凹アキシコン面）の頂点と出射面Ｓ２の出射端面との距離は、図６に示すように１．９ｍｍである。出射面Ｓ２の焦点位置Ｆは、入射面Ｓ１（凹アキシコン面）の頂点から左に１．４ｍｍの光軸Ｘ上に位置する。虚像である線光源Ｌ１は入射面Ｓ１（凹アキシコン面）の頂点から左に光軸Ｘ上４．４ｍｍの長さに亘って分布する。このため、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは、入射面Ｓ１（凹アキシコン面）の頂点から左に２．２ｍｍの光軸Ｘ上に存在する。よって、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは集光部の焦点位置Ｆよりも、集光部から離れた位置に配置されている。

【0035】

図７～図９は、図３～図５と同様に、出射面Ｓ２の出射端面からの距離Ｄがそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍ、８０ｍｍ、１６０ｍｍ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である。図７は、入射面Ｓ１（凹アキシコン面）に入射するコリメータレンズからの平行光束（ビーム径：１．０ｍｍ）の波長を５２０ｎｍとし、図８は、同様に波長を４５０ｎｍ、図９は、同様に波長を６３８ｎｍとした。他の条件は図３～図５と同様である。

【0036】

図７～図９の結果から、図３～図５と同様に、細径ビーム生成装置１ａにより生成される細径ビームはいずれも光軸Ｘを中心とした数μｍの範囲に放射照度の大部分が集中するスポットを形成していることが明らかである。また、スポットの径は出射面Ｓ２からの距離に依らずほぼ一定である。これにより、出射面Ｓ２からの距離Ｄが少なくとも１０ｍｍ～１６０ｍｍの範囲において、数μｍの径を有する細径ビームが生成されることが確認された。また、波長５２０ｎｍ、４５０ｎｍ、及び６３８ｎｍのいずれにおいても同様の現象が得られ、緑色、青色、及び赤色の光により細径ビームを生成できることが確認された。

【0037】

《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１０に示すように、凸型アキシコン鏡４ａと、放物面鏡５ａと、を有する。上記以外の細径ビーム生成装置１ｂの構成は、第１実施形態と同様である。即ち、凸型アキシコン鏡４ａに対しては、第１実施形態と同様の光源及びコリメータ光学系により生成された平行光が入射する。放物面鏡５ａには、凸型アキシコン鏡４ａにより生成される光束である、凸型アキシコン鏡４ａにより反射された光が入射する。本実施形態において、凸型アキシコン鏡４ａは線光源生成手段であり、放物面鏡５ａは、ビーム整形手段における集光部である。本実施形態において、凸型アキシコン鏡４ａにより生成される線光源Ｌ１は、凸型アキシコン鏡４ａの反射光とは逆側に生成される虚像である。本実施形態においても、線光源Ｌ１の光軸Ｘ上の中心位置Ｃは、集光部としての放物面鏡５ａの焦点位置Ｆよりも、放物面鏡５ａから離れた位置に配置される。これにより、細径ビームＬ２が発散することなく、所定の大きさ以下の径を有する細径ビームＬ２を生成することができる。

【0038】

＜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の構成を示すと共に、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条件を示す図である。

【0039】

図１０に示す凸型アキシコン鏡４ａは、有効径が１．０ｍｍであり、アキシコン面の傾角は５．６６°である。放物面鏡５ａは、有効径が３．０ｍｍである。凸型アキシコン鏡４ａの頂点と放物面鏡５ａの入射面との距離は、図１０に示すように４．５ｍｍである。凸型アキシコン鏡４ａの入射面と逆側の端面と、放物面鏡５ａの入射面と逆側の端面との距離は、図１０に示すように５．２ｍｍである。放物面鏡５ａの焦点位置Ｆは、凸型アキシコン鏡４ａの頂点から右に０．３ｍｍの光軸Ｘ上に位置する。虚像である線光源Ｌ１は凸型アキシコン鏡４ａの頂点から右に光軸Ｘ上２．５ｍｍの長さに亘って分布する。このため、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは、凸型アキシコン鏡４ａの頂点から右に１．２５ｍｍの光軸Ｘ上に存在する。よって、線光源Ｌ１の中心位置Ｃは集光部の焦点位置Ｆよりも、集光部から離れた位置に配置されている。

【0040】

図１１は、図３と同様に、凸型アキシコン鏡４ａの入射面と逆側の端面からの距離Ｄがそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍ、８０ｍｍ、１６０ｍｍ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である。図１１は、凸型アキシコン鏡４ａに入射するコリメータレンズからの平行光束（ビーム径：１．０ｍｍ）の波長を５２０ｎｍとした。なお反射光学系の光学的特性は入射光波長に依存しないため、他の波長のシミュレーション結果は省略する。

【0041】

図１１の結果から、図３と同様に、細径ビーム生成装置１ｂにより生成される細径ビームはいずれも光軸Ｘを中心とした数μｍの範囲に放射照度の大部分が集中するスポットを形成していることが明らかである。また、スポットの径は凸型アキシコン鏡４ａからの距離に依らずほぼ一定である。これにより、凸型アキシコン鏡４ａからの距離Ｄが少なくとも１０ｍｍ～１６０ｍｍの範囲において、数μｍの径を有する細径ビームが生成されることが確認された。

【0042】

《第４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１ｃは、図１２に示すように、複数の光源２ａ、２ｂ、及び２ｃと、複数のコリメータ光学素子３ａ、３ｂ、及び３ｃと、合波手段としてのダイクロイックミラー７ａ、７ｂ、及び７ｃと、アキシコンレンズ４と、集光レンズ５と、を有する。

【0043】

複数の光源２ａ、２ｂ、及び２ｃは、例えば、それぞれＲＧＢに相当する光源であり、異なる波長の光を出射する光源である。細径ビーム生成装置１ｃは、線光源生成手段として、複数の光源２ａ、２ｂ、及び２ｃと、複数のコリメータ光学素子３ａ、３ｂ、及び３ｃと、合波手段としてのダイクロイックミラー７ａ、７ｂ、及び７ｃと、を有し、異なる波長の光を合波して、単一のアキシコンレンズ４に入射させる。これにより、異なる波長の光を合波することが可能となる。更に、アキシコンレンズ４から射出される光は、複数のコリメータ光学素子３ａ、３ｂ、及び３ｃから射出される平行光の光軸が互いに多少ズレていた場合であっても、アキシコン面の頂点から光軸Ｘに沿って出射される、ズレが無い光である。このため、細径ビーム生成装置１ｃをプロジェクタ装置として用いた場合に、ズレの補正を要さず、極めて鮮明な画像を得ることができる。

【0044】

合波手段としてのダイクロイックミラー７ａ、７ｂ、及び７ｃは、光の干渉を利用し、特定の波長領域の光を透過し、残りの波長領域の光を反射する。合波手段としては、上記ダイクロイックミラーに限定されず、他の合波手段である、例えばダイクロイックプリズム、ＰＬＣ（平面光回路）、反射ミラー、光ファイバ等を用いてもよい。

【0045】

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。

【0046】

上記実施形態では、第２実施形態及び第３実施形態において要部のみを説明したが、上記に限定されず、第１実施形態又は第４実施形態で説明した構成との組み合わせも可能である。例えば、第２実施形態及び第３実施形態の構成に複数の光源及び合波手段や、アパーチャＡ１及びＡ２を組み合わせてもよい。

【0047】

上記実施形態では、細径ビーム生成装置により生成される細径ビームＬ２のビーム径は、例えば、５０μｍ以下とすることができる、として説明したが、上記に限定されない。上記実施形態に係る細径ビーム生成装置の細径ビーム生成の仕組みを利用し、細径化目的外の用途として、ビーム径を維持した遠距離ビーム生成装置としても利用できる。

【符号の説明】

【0048】

１、１ａ、１ｂ、１ｃ 細径ビーム生成装置
２ 光源
３ コリメータ光学素子（コリメータ光学系）
４ アキシコンレンズ
４ａ 凸型アキシコン鏡（アキシコン鏡）
５ 集光レンズ（集光部）
５ａ 放物面鏡（集光部）
６ 一体のレンズ
Ｓ１ 凹アキシコン面（アキシコン面）
Ｓ２ 非球面
Ａ１、Ａ２ アパーチャ
Ｌ１ 線光源
Ｌ２ 細径ビーム
Ｘ 光軸

【要約】

任意の光源から発せられる光に基づき、任意の位置に所定の径の大きさ以下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。
線光源を整形するビーム整形手段を有し、ビーム整形手段は、集光部を有し、線光源は、集光部の光軸上に配置され、線光源の前記光軸上の中心位置は、集光部の焦点位置よりも、集光部から離れた位置に配置される、細径ビーム生成装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】