特許 7507360 ビーム強度均一化素子

(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】2024-06-20

(45)【発行日】2024-06-28

(54)【発明の名称】ビーム強度均一化素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/00 20060101AFI20240621BHJP

【ＦＩ】

G02B3/00 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022538581

(86)(22)【出願日】2021-03-09

(86)【国際出願番号】 JP2021009131

(87)【国際公開番号】W WO2022018901

(87)【国際公開日】2022-01-27

【審査請求日】2023-08-31

(31)【優先権主張番号】P 2020124244

(32)【優先日】2020-07-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】長谷山 亮

(72)【発明者】

【氏名】織田 学

(72)【発明者】

【氏名】西山 寿美

(72)【発明者】

【氏名】芦野 淳

【審査官】植野 孝郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２１４６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４６５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－９１３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２８８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－４３４４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ３／００－ ３／１４

Ｇ０２Ｂ ５／００－ ５／１３６

Ｂ２９Ｃ３３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに反対側の表面と裏面とを有する光学母体と、
前記光学母体の前記表面に配置された第１のレンズアレイと、
前記光学母体の前記裏面に配置された第２のレンズアレイと、
を備え、
前記第１のレンズアレイは前記光学母体の前記表面に沿って複数の異なる方向に配列された複数の第１のモールドレンズセルを有し、
前記複数の第１のモールドレンズセルは、第１の方向に延びる複数の第１の線状痕が形成されてかつ前記光学母体の前記表面を構成する表面を有しており、
前記第２のレンズアレイは前記光学母体の前記裏面に沿って複数の異なる方向に配列された複数の第２のモールドレンズセルを有し、
前記第２のモールドレンズセルは、前記第１の方向と異なる第２の方向に延びる複数の第２の線状痕が形成されてかつ前記光学母体の前記裏面を構成する表面を有している、ビーム強度均一化素子。

【請求項2】

前記第１の方向は前記第２の方向に直交している、請求項１に記載のビーム強度均一化素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光線の光強度分布を均一化するためのビーム強度均一化素子に関する。

【背景技術】

【0002】

ビーム強度均一化素子は、レンズアレイにより構成される。レンズアレイは複数のレンズセルを２次元的に整列配置した構成である。レンズアレイは、硝材を金型でプレス成形するいわゆるモールド成形により作成される。モールド成形における金型は、レンズ面を転写する成形面を切削加工などにより作製されるため、成形面に加工方向に沿った線状の加工痕が形成される。加工痕はモールドレンズセルの表面に線状痕として転写される。この線状痕がモールドレンズセルの表面に規則性をもって存在することでモールドレンズセルを透過した光線に干渉縞が発生する。

【0003】

この干渉縞を抑制するために、レンズアレイにおける複数のモールドレンズセルに形成される線状痕のピッチを、隣接するモールドレンズセルごとに異ならせる構造が提案されている。

【0004】

従来のビーム強度均一化素子は、例えば、特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－１２２５号公報

【発明の概要】

【0006】

線状痕のピッチをレンズセルごとに異ならせる上述の従来のビーム強度均一化素子では、金型の成形面におけるレンズセルごとの加工条件を変更しなければならない。つまり、レンズアレイをモールド成形するための金型加工が非常に煩雑になる。したがって、金型の作製コストが高くなり、結果として、レンズアレイのコストが高騰する。

【0007】

ビーム強度均一化素子は、光学母体と、光学母体の表面に配置された第１のレンズアレイと、光学母体の裏面に配置された第２のレンズアレイとを備える。第１のレンズアレイは光学母体の表面に沿って複数の異なる方向に配列された複数の第１のモールドレンズセルを有する。複数の第１のモールドレンズセルは、第１の方向に延びる複数の第１の線状痕が形成されてかつ光学母体の表面を構成する表面を有している。第２のレンズアレイは光学母体の裏面に沿って複数の異なる方向に配列された複数の第２のモールドレンズセルを有する。第２のモールドレンズセルは、第１の方向と異なる第２の方向に延びる複数の第２の線状痕が形成されてかつ光学母体の裏面を構成する表面を有している。

【0008】

このビーム強度均一化素子は干渉縞の発生を抑制し、かつコストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本開示の実施の形態におけるビーム強度均一化素子を模式的に示す三面図である。

【図2】図２は、実施の形態におけるビーム強度均一化素子の製造方法を示す模式図である。

【図3】図３は、実施の形態における製造方法の成形装置における金型成形面の製造方法を示す模式図である。

【図4】図４は、実施の形態におけるビーム強度均一化素子の干渉縞を示す図である。

【図5】図５は、線状痕の方向が一致する比較例のビーム強度均一化素子の干渉縞を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下では、本開示の実施の形態にかかるビーム強度均一化素子について図を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

【0011】

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。

【0012】

図１は本開示の実施の形態におけるビーム強度均一化素子１００の三面図である。

【0013】

ビーム強度均一化素子１００は、入射された光線の光強度分布を変換して出射する光学素子である。例えば、レーザーダイオードから出射されたガウシアン型のビーム強度分布を有する光線をトップフラット型のビーム強度分布を有する光線に変換して出力する。ビーム強度均一化素子１００の基本的な構造は、互いに反対側の表面１０ａと裏面１０ｂを有する光学母体１０と、光学母体１０の表面１０ａに配置されたレンズアレイ１１と、光学母体１０の裏面１０ｂに配置されたレンズアレイ１２とを有している。

【0014】

光学母体１０の表面１０ａに配置されたレンズアレイ１１は、２次元的に整列配置された複数のモールドレンズセル１１ａよりなる。複数のモールドレンズセル１１ａは、光学母体１０の表面１０ａに沿って複数の異なる方向Ｄ１００に配列されている。実施の形態では、レンズアレイ１１では、１６個のモールドレンズセル１１ａが縦に４列、横に４列で配置されている。複数のモールドレンズセル１１ａは、方向Ｄ１１に延びる複数の線状痕１１ｂが形成されてかつ光学母体１０の表面１０ａを構成する表面１１ｃを有している。図１における左から２列目のモールドレンズセル１１ａの縦列に記された複数の縦の実線は、光学母体１０の表面１０ａに形成された線状痕１１ｂを示す。なお、図面の都合上、線状痕１１ｂを、左から２列目のモールドレンズセル１１ａにだけに記しているが、実際には、すべての縦列において形成されている。線状痕１１ｂの詳細については後述する。

【0015】

光学母体１０の裏面１０ｂに配置されたレンズアレイ１２は、２次元的に整列配置された複数のモールドレンズセル１２ａよりなる。すなわち、複数のモールドレンズセル１２ａは、光学母体１０の裏面１０ｂに沿って複数の異なる方向Ｄ１００に配列されている。実施の形態では、レンズアレイ１２では、１６個のモールドレンズセル１２ａが縦に４列、横に４列で配置されている。複数のモールドレンズセル１２ａは、方向Ｄ１２に延びる複数の線状痕１２ｂが形成されてかつ光学母体１０の裏面１０ｂを構成する表面１２ｃを有している。図１における上から２列目のモールドレンズセル１２ａの横列に記された複数の横の破線は、光学母体の裏面に形成された線状痕１２ｂを示す。なお、図面の都合上、線状痕１２ｂを、上から２列目のモールドレンズセル１２ａにだけに記しているが、実際には、すべての横列において形成されている。線状痕１２ｂの詳細については後述する。

【0016】

光学母体１０の表面１０ａに配置されたそれぞれのモールドレンズセル１１ａは、光学母体１０の裏面１０ｂに配置された対応する１つのモールドレンズセル１２ａに対峙するように配置されている。

【0017】

次に、ビーム強度均一化素子１００の製造方法について説明する。図２はビーム強度均一化素子１００の製造工程を模式的に示す。ビーム強度均一化素子１００を製造するための成形装置２０は、下金型２１と上金型２２を備えている。

【0018】

下金型２１の上面は、レンズアレイ１２を成形する成形面２１ｂである。成形面２１ｂは、複数のモールドレンズセル１２ａの表面１２ｃの形状を光学母体１０の裏面１０ｂに転写する形状を有する。

【0019】

上金型２２の下面は、レンズアレイ１１を成形する成形面２２ｂである。成形面２２ｂは、複数のモールドレンズセル１１ａの表面の形状を光学母体１０の表面１０ａに転写する形状を有する。

【0020】

ビーム強度均一化素子１００は、光学ガラスからなる硝材１３で成形される。図に示すように、先ず下金型２１の成形面２１ｂの上に硝材１３を配置する。次に、硝材１３を加熱する。硝材１３がプレス成形可能な温度に昇温してから下金型２１と上金型２２とで硝材１３をプレスして成形する。その後、プレス成形された硝材１３を冷却し、プレス成形された硝材１３つまりビーム強度均一化素子１００を下金型２１と上金型２２の間から取り出す。

【0021】

このようにして作製されたビーム強度均一化素子１００のモールドレンズセル１１ａ、１２ａの表面には、複数の線状痕１１ｂ、１２ｂが形成される。線状痕１１ｂ、１２ｂは、下金型２１と上金型２２の成形面２１ｂ、２２ｂの作製過程に起因して形成される。下金型２１や上金型２２の成形面２１ｂ、２２ｂは、切削加工により作製される。切削加工の作業イメージを図３に示す。切削加工は、金型部材３０の加工面３０ａを切削工具３１で切削する。この時、切削工具３１は上方向Ｄ３と下方向Ｄ４に移動して加工面３０ａに食い込むサグ量を調節しながら、金型部材３０を上方向Ｄ３と下方向Ｄ４とに直角の方向Ｄ５に直線的に移動する。切削工具３１は、直線的に加工面３０ａを切削するので、１列のモールドレンズを形成する切削が完了したら切削工具３１を硝材１３に対して相対的に移動させて隣の１列のモールドレンズを形成する切削を行う。この工程を繰り返し行うことで成形面が作製される。そのため、切削加工後の加工面３０ａには切削工具３１を移動させる切削ピッチに応じた線状の加工痕が規則的に形成される。なお、一つの加工面３０ａに対して構成される複数の加工痕は互いに平行である。また、このような加工痕を有する加工面３０ａでレンズアレイ１１、１２を製造した場合、レンズアレイ１１、１２の表面、つまり、モールドレンズセル１１ａ、１２ａの表面１１ｃ、１２ｃに加工痕が転写される。モールドレンズセル１１ａ、１２ａの表面１１ｃ、１２ｃに転写された加工痕が、図１に示す線状痕１１ｂ、１２ｂとなる。

【0022】

ビーム強度均一化素子１００は、図１に示すように、２つのレンズアレイ１１、１２が光学母体１０の表面１０ａと裏面１０ｂに配置された一体構造を有する。表面１０ａのレンズアレイ１１の線状痕１１ｂが延びる方向Ｄ１１は、裏面１０ｂのレンズアレイ１２の線状痕１２ｂが延びる方向Ｄ１２と異なる。レンズアレイ１１、１２において線状痕１１ｂ、１２ｂは、上述したように干渉縞の発生原因となり得る。しかしながらビーム強度均一化素子１００を構成する２つのレンズアレイ１１、１２の線状痕１１ｂ、１２ｂの延びる方向Ｄ１１、Ｄ１２を異ならせることにより、レンズアレイ１１における干渉縞の方向とレンズアレイ１２における干渉縞の方向とを異ならせ、その結果、双方の干渉縞が相互干渉しビーム強度均一化素子１００における干渉縞の発生を抑制することができる。

【0023】

より効果的にビーム強度均一化素子１００における干渉縞の発生を抑制するには、レンズアレイ１１の線状痕１１ｂの延びる方向Ｄ１１がレンズアレイ１２の線状痕１２ｂの延びる方向Ｄ１２と直交するようにレンズアレイ１１、１２を配置することが好ましい。図４は、方向Ｄ１１、Ｄ１２が互いに直交するビーム強度均一化素子１００の干渉縞を示す。図４では、明確な干渉縞は確認されていない。図５は、方向Ｄ１１、Ｄ１２が互いに一致する比較例のビーム強度均一化素子の干渉縞を示す。図５では、明確な干渉縞が確認された。図４と図５に示すように、レンズアレイ１１の線状痕１１ｂの延びる方向Ｄ１１がレンズアレイ１２の線状痕１２ｂの延びる方向Ｄ１２に直交していることでビーム強度均一化素子１００の干渉縞が抑制される。

【0024】

すなわち、本開示におけるビーム強度均一化素子１００による干渉縞の抑制方法は、レンズアレイ１１の線状痕１１ｂとレンズアレイ１２の線状痕１２ｂの方向を互いに異なせたものである。したがって、従来のモールドレンズセル単位で線状痕のピッチを異ならせる必要がない。つまり、ビーム強度均一化素子１００においては、線状痕１１ｂ、１２ｂのピッチを等間隔とすることができる。この場合、図３で説明した切削加工において切削ピッチの変更が不要となる。この結果、切削加工の加工時間を短縮でき、ビーム強度均一化素子１００のコストを低減することができる。

【0025】

さらに、切削ピッチが均一となることで、切削ピッチを最適化することができる。例えば、切削ピッチを切削装置における最小ピッチとすることができる。切削ピッチを最小とすることで、成形面の加工精度をより高めることができ、ビーム強度均一化素子１００による光線の透過ロスを低減することができる。

【0026】

光の強度分布を均一化するためには、通常、光軸上に２つ以上のレンズアレイを配置する。ビーム強度均一化素子１００のように２つのレンズアレイを光学母体１０の表面１０ａと裏面１０ｂに一体化した構造とすることで、２枚のレンズアレイ１１、１２の相対位置が金型の精度レベルで保証されるため、ビーム強度均一化素子１００を光源装置に容易に組み込むことができる。

【産業上の利用可能性】

【0027】

本開示は、干渉縞を抑制したビーム強度均一化素子のコストを抑制することという効果を有し、特に小型のレーザ光源装置において有効である。

【符号の説明】

【0028】

１０ 光学母体
１１，１２ レンズアレイ
１１ａ，１２ａ モールドレンズセル
１１ｂ，１２ｂ 線状痕
１００ ビーム強度均一化素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】