JP2013228725A - Illumination device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バーレーザから出射したレーザビームをライン状の照明エリアに照明するための照明装置に関する。 The present invention relates to an illumination device for illuminating a linear illumination area with a laser beam emitted from a bar laser.
例えば、サーマル(感熱)材料等の記録媒体に対してレーザビームを照射することにより画像の記録を行う場合等においては、高出力のレーザ光源を使用する必要がある。このような場合には、複数のエミッタ(発光点)が直線状に形成され、これらのエミッタよりその主光線がほぼ平行な多数本のレーザビームを出射するバーレーザ(ブロードエリア半導体レーザ)が使用される。 For example, when an image is recorded by irradiating a recording medium such as a thermal material with a laser beam, it is necessary to use a high-power laser light source. In such a case, a bar laser (broad area semiconductor laser) is used in which a plurality of emitters (light emitting points) are formed in a straight line, and a large number of laser beams whose chief rays are substantially parallel are emitted from these emitters. The
特許文献1には、このようなバーレーザと空間光変調器とを使用し、バーレーザから出射されたレーザビームを、バーレーザにおける個々のエミッタの配列方向に配設された複数のマイクロレンズより成るマイクロレンズアレイを介して空間光変調器上に重畳して照明する照明装置が開示されている。該照明装置においては、均一な光量のレーザビームが、照明エリア上に照明され得る。 In Patent Document 1, such a bar laser and a spatial light modulator are used, and a laser beam emitted from the bar laser is converted into a microlens composed of a plurality of microlenses arranged in an array direction of individual emitters in the bar laser. An illuminating device that illuminates a spatial light modulator in an overlapping manner through an array is disclosed. In the illumination device, a laser beam with a uniform light amount can be illuminated on the illumination area.
しかしながら、特許文献1の照明装置には、照明される光量が均一化されたとしても照明エリアに照明される光の像面湾曲が大きくなって、記録媒体における露光ムラなどを生ずる場合があるといった問題がある。 However, in the illumination device of Patent Document 1, even when the amount of light to be illuminated is made uniform, the field curvature of the light illuminated on the illumination area becomes large, which may cause uneven exposure on the recording medium. There's a problem.
本発明は、こうした問題を解決するためになされたもので、バーレーザから出射したレーザビームをライン状の照明エリアに照明するための照明装置において、照明エリアに照明される光の像面湾曲を改善できる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and in an illuminating device for illuminating a linear illumination area with a laser beam emitted from a bar laser, the field curvature of light illuminated in the illumination area is improved. The purpose is to provide technology that can be used.
第1の態様に係る照明装置は、バーレーザから出射したレーザビームをライン状の照明エリアに照明する照明装置であって、レーザビームを出射するエミッタが直線状に複数個列設されたバーレーザと、前記エミッタが列設された第1方向と平行な方向に列設された複数のレンズユニットより成り、当該複数のレンズユニットに平行に入射したレーザビームが当該複数のレンズユニットの最終面において、少なくとも前記第1方向と光軸とを含む面内で収束するよう構成されたレンズアレイと、前記バーレーザから出射されたレーザビームにおける前記第1方向の遠視野像を前記レンズアレイ上に投影する第1レンズと、前記レンズアレイにより分割されたレーザビームの遠視野像を前記照明エリアに重畳して投影する第2レンズと、前記バーレーザから出射されたレーザビームにおける前記第1方向と直交する第2方向の近視野像を前記照明エリアに結像する一対のレンズとを備え、前記一対のレンズは、前記バーレーザから出射されたレーザビームの前記第2方向への発散を平行化によって抑制する第3レンズを備え、前記複数のレンズユニットの個数が、前記バーレーザから出射されたレーザビームの前記第1方向への発散に起因して、当該レーザビームが前記第3レンズに入射して前記第3レンズから出射する光が完全には平行化されなかったことにより、前記第3レンズから出射する光が、前記第2方向と光軸とを含む平面において光軸となす最大の角度と、前記第2レンズによって前記照明エリアに重畳して投影された前記分割されたレーザビームの遠視野像についての所定の像面湾曲との所定の関係に基づいて設定されている。 An illumination device according to a first aspect is an illumination device that illuminates a line-shaped illumination area with a laser beam emitted from a bar laser, and a bar laser in which a plurality of emitters that emit laser beams are arranged in a straight line, The plurality of lens units arranged in a direction parallel to the first direction in which the emitters are arranged, and a laser beam incident parallel to the plurality of lens units is at least on the final surface of the plurality of lens units A lens array configured to converge in a plane including the first direction and the optical axis, and a first far-field image in the first direction of the laser beam emitted from the bar laser is projected onto the lens array. A lens, a second lens that projects a far-field image of the laser beam divided by the lens array so as to be superimposed on the illumination area, and the bar A pair of lenses that form a near-field image in a second direction orthogonal to the first direction in the laser beam emitted from the laser on the illumination area, and the pair of lenses is a laser emitted from the bar laser A third lens that suppresses divergence of the beam in the second direction by parallelization, and the number of the plurality of lens units is caused by divergence of the laser beam emitted from the bar laser in the first direction. Since the laser beam is incident on the third lens and the light emitted from the third lens is not completely collimated, the light emitted from the third lens is changed in the second direction and the optical axis. And a far-field image of the divided laser beam projected by being superimposed on the illumination area by the second lens. It is set based on a predetermined relationship with a predetermined curvature.
第2の態様に係る照明装置は、第1の態様に係る照明装置であって、前記最大の角度は、前記バーレーザから出射されたレーザビームの前記第1方向における発散角と、前記第3レンズから射出された光の前記第2方向における光軸からの高さとのうち少なくとも一方が増加すれば、当該最大の角度も増加し、前記第3レンズの焦点距離と、前記複数のレンズユニットの個数とのうち少なくとも一方が増加すれば、当該最大の角度が減少する所定の関係に基づいて特定されている。 The illumination device according to a second aspect is the illumination device according to the first aspect, wherein the maximum angle is a divergence angle in the first direction of the laser beam emitted from the bar laser, and the third lens. If at least one of the height of the light emitted from the optical axis in the second direction increases, the maximum angle also increases, the focal length of the third lens, and the number of the plurality of lens units If at least one of these increases, the maximum angle is specified based on a predetermined relationship.
第3の態様に係る照明装置は、第1または第2の態様に係る照明装置であって、前記複数のレンズユニットの個数が、25以上である。 The illumination device according to the third aspect is the illumination device according to the first or second aspect, wherein the number of the plurality of lens units is 25 or more.
本発明によれば、バーレーザから出射されたレーザビームが第3レンズに入射して第3レンズから出射された光が、エミッタの列設方向である第1方向と直交する第2方向と光軸とを含む面内において光軸となす最大の角度と、所定の像面湾曲との所定の関係に基づいて、複数のレンズユニットの個数が設定される。当該最大の角度は、複数のレンズユニットの個数が増加すればするほど小さくなる関係を有している。従って、本発明によれば、像面湾曲を所望のレベル以下に抑制可能なレンズユニットの個数が設定されることにより、照明エリアに照明される光の像面湾曲が改善され得る。また、従来、レンズアレイに入射するレーザビームの照度分布を均一にするために必要であったSACレンズが不要になる。 According to the present invention, the laser beam emitted from the bar laser is incident on the third lens, and the light emitted from the third lens is in the second direction perpendicular to the first direction, which is the emitter arrangement direction, and the optical axis. The number of lens units is set based on a predetermined relationship between a maximum angle formed by the optical axis in a plane including the predetermined curvature of field. The maximum angle has a relationship of decreasing as the number of the plurality of lens units increases. Therefore, according to the present invention, by setting the number of lens units that can suppress the field curvature to a desired level or less, the field curvature of the light illuminated in the illumination area can be improved. Further, the SAC lens, which has been conventionally required for making the illuminance distribution of the laser beam incident on the lens array uniform, becomes unnecessary.
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図面では同様な構成および機能を有する部分に同じ符号が付され、下記説明では重複説明が省略される。また、各図面は模式的に示されたものであり、例えば、各図面における表示物のサイズおよび位置関係等は必ずしも正確に図示されたものではない。なお、図面には、方向の説明のために適宜XYZの直交座標系が記載されている。Z軸は、光軸と平行な方向であり、X軸は、後述するslow axis方向と平行であり、Y軸は、後述するfast axis方向と平行である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, parts having the same configuration and function are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted in the following description. Each drawing is schematically shown. For example, the size and positional relationship of display objects in each drawing are not necessarily shown accurately. In the drawings, an XYZ orthogonal coordinate system is described as appropriate for explanation of directions. The Z axis is a direction parallel to the optical axis, the X axis is parallel to a slow axis direction described later, and the Y axis is parallel to a fast axis direction described later.
<実施形態>
<1.照明装置の構成>
図1は本発明の実施形態に係る照明装置を、そのfast axis方向から見た平面図であり、図2は図1に示す照明装置を、そのslow axis方向から見た側面図である。
<Embodiment>
<1. Configuration of lighting device>
FIG. 1 is a plan view of an illuminating device according to an embodiment of the present invention viewed from the fast axis direction, and FIG. 2 is a side view of the illuminating device shown in FIG. 1 viewed from the slow axis direction.
なお、fast axis方向とは、後述するバーレーザ12における各エミッタ(発光点)11から出射されたレーザビームが速く広がる方向を指し、slow axis方向とは、バーレーザ12における各エミッタ11から出射されたレーザビームが遅く広がる方向を指す。図1においては、紙面に垂直な方向(Y軸方向)がfast axis方向であり、上下方向(X軸方向)がslow axis方向、また、左右方向(Z軸方向)が光軸方向である。同様に、図2においては、紙面に垂直な方向(X軸方向)がslow axis方向であり、上下方向(Y軸方向)がfast axis方向、また、左右方向(Z軸方向)が光軸方向である。
The fast axis direction refers to a direction in which a laser beam emitted from each emitter (light emitting point) 11 in the
この照明装置は、バーレーザ12から出射したレーザビームを空間光変調器13の表面のライン状の照明エリアに照射するためのものであり、slow axis方向にパワーを有するレンズアレイ15と、slow axis方向にパワーを有する一対のシリンドリカルレンズ16、17と、fast axis方向にパワーを有する一対のシリンドリカルレンズ18、19とを備える。この照明装置は、例えば、サーマル材料に画像を記録するための画像記録装置等に使用されるものである。
This illumination device is for irradiating a laser beam emitted from the
バーレーザ12は、半導体レーザの一種であり、レーザビームを出射するエミッタ11が直線状に複数個列設された構成を有する。このようなバーレーザ12としては、例えば、COHERENT社製のB1−83−40C−19−30−AやB1−830−60C−49−50−Bを使用することができる。なお、図1においては、説明の便宜上、エミッタ11を5個のみ図示しているが、このエミッタ11は、実際には、数十個程度列設されている。
The
各エミッタ11からそれぞれ出射された各レーザビームは、fast axis方向に発散角α(図2)でそれぞれ発散するとともに、slow axis方向に発散角β(図1)でそれぞれ発散する。なお、発散角αは、発散角βよりも大きい角度である。 Each laser beam emitted from each emitter 11 diverges at a divergence angle α (FIG. 2) in the fast axis direction, and diverges at a divergence angle β (FIG. 1) in the slow axis direction. The divergence angle α is larger than the divergence angle β.
レンズアレイ15(単に「レンズアレイ」とも称される)は、レンズアレイ14を2枚組み合わせた構成を有する。このレンズアレイ15は、バーレーザ12におけるエミッタ11の列設方向と平行な方向に列設された複数のレンズユニットより成り、複数のレンズユニットに平行に入射したレーザビームがその最終面においてエミッタ11の列設方向と光軸とを含む面内で収束するように構成されている。なお、この実施形態においては、レンズアレイ15(すなわち、各レンズアレイ14)は、レンズユニット1〜5の5個のレンズユニットによって構成されている。
The lens array 15 (also simply referred to as “lens array”) has a configuration in which two
slow axis方向にパワーを有するシリンドリカルレンズ16(「第1レンズ」)は、バーレーザ12における各エミッタ11から出射されたレーザビームのエミッタ11の列設方向(slow axis方向、「第1方向」とも称される)の遠視野像(Far Field Pattern)を、レンズアレイ15上に各々重畳して投影するためのものであり、シリンドリカルレンズ16の前側焦点位置にバーレーザ12、後側焦点位置にレンズアレイ15の第一面が配置される。
The cylindrical lens 16 (“first lens”) having power in the slow axis direction is also referred to as the arrangement direction (slow axis direction, “first direction”) of the emitters 11 of the laser beam emitted from each emitter 11 in the
また、slow axis方向にパワーを有するシリンドリカルレンズ17(「第2レンズ」)は、レンズアレイ15により分割された各レーザビームの遠視野像を、空間光変調器13の表面のライン状の照明エリアに重畳して投影するためのものであり、シリンドリカルレンズ17の前側焦点位置にレンズアレイ15の最終面、後側焦点位置に空間光変調器13の表面が配置される。
The cylindrical lens 17 (“second lens”) having power in the slow axis direction converts the far-field image of each laser beam divided by the
fast axis方向にパワーを有する一対のシリンドリカルレンズ18、19は、バーレーザ12における各エミッタ11から出射されたレーザビームのエミッタ11の列設方向と直交する方向(fast axis方向、「第2方向」とも称される)の近視野像(Near Field Pattern)を、空間光変調器13の表面のライン状の照明エリアに結像するためのものである。
The pair of
シリンドリカルレンズ18(「第3レンズ」)は、fast axis collimator(FAC)レンズとも称される。シリンドリカルレンズ18は、バーレーザ12の各エミッタ11から出射されたレーザビームのfast axis方向(第2方向)への発散を平行化によって抑制するレンズである。
The cylindrical lens 18 (“third lens”) is also referred to as a fast axis collimator (FAC) lens. The
空間光変調器13は、その表面のライン状の照明エリアに照射されたレーザビームを複数本のレーザビームに分割するとともに、これらの複数本のレーザビームを各々独立して変調するためのものである。この空間光変調器13により変調されたレーザビームは、図示を省略した結像光学系を介して記録媒体上に照射される。なお、このような空間光変調器13としては、例えば、米国のシリコンライトマシーンズ社製のGLV(登録商標)(Grating Light Valve)を使用することができる。
The spatial
以上のように構成された照明装置においては、バーレーザ12における各エミッタ11から出射されたレーザビームは、シリンドリカルレンズ16、18の作用により略平行光となった状態でレンズアレイ15に入射する。そして、各レーザビームは、レンズアレイ15により分割された後、空間光変調器13の表面のライン状の照明エリアに重畳して照射される。
In the illumination device configured as described above, the laser beam emitted from each emitter 11 in the
<2.ボウタイ収差>
図3は、複数のエミッタ11から出射されたレーザビームが、シリンドリカルレンズ18とシリンドリカルレンズ16とによって偏向されてレンズアレイ15に投影されるレーザ光の、面102(図1、図2)におけるボウタイ収差を例示する図である。図3においては、面102を+Z方向に向かって見たときの、面102における当該レーザ光の断面形状が示されている。面102は、レンズアレイ15から−Z方向に移動した位置にある平面であり、XY平面(fast axisとslow axisとがなす平面)と平行な平面である。図3に示されるように、面102に照射されたレーザ光の断面形状は、中央部分(slow axis方向における光軸の近傍部分)において広く、端部(slow axis方向における光軸から遠い部分)では狭いボウタイ収差を有している。この収差は、中央部分に照射されているレーザ光が、レンズアレイ15に対して光軸方向手前の面102において未だ収束していないのに対して、端部に照射されているレーザ光は、面102において、中央部分に照射されているレーザ光よりも収束していることを示している。エミッタ11から出射されたレーザビームは、slow axis方向に発散角βで発散しているために、シリンドリカルレンズ18は、slow axis方向において見かけ上の曲率半径を有している。該見かけ上の曲率半径のために、シリンドリカルレンズ18に入射するレーザ光のslow axis方向への発散に応じて、シリンドリカルレンズ18から出射されたレーザ光は、fast axis方向に発散し、図3に例示されるようなボウタイ収差を生ずる。図3に示されるように、面102におけるボウタイ収差は、中央部が大きく、端部が小さいが、レンズアレイ15の第一面におけるボウタイ収差は、逆に、中央部が小さく、端部が大きくなる。
<2. Bowtie aberration>
FIG. 3 shows a bow tie on the surface 102 (FIGS. 1 and 2) of laser light that is emitted from a plurality of emitters 11 and is deflected by the
図2において、破線では、エミッタ11から出射されて最大の発散角βでslow axis方向に発散してシリンドリカルレンズ18に入射したレーザ光の、光軸とfast axis方向とを含む平面(YZ平面)における光路を示している。また、図2の実線は、エミッタ11から出射されて発散することなく光軸に沿って進行してシリンドリカルレンズ18に入射したレーザ光の、YZ平面における光路を示している。光軸に沿って進行したレーザ光は、空間光変調器13の表面(像面)に結像しているのに対して、発散角βでslow axis方向に発散したレーザ光は、空間光変調器13の表面(像面)よりもレーザ光の進行方向手前側(−Z側)に結像している。この結像位置の差は、後述する像面湾曲を生ずる。
In FIG. 2, the broken line is a plane (YZ plane) including the optical axis and the fast axis direction of the laser light emitted from the emitter 11 and diverging in the slow axis direction at the maximum divergence angle β and entering the
<3.像面湾曲>
図4は、レンズアレイ15が、レンズユニット1〜5の5個のレンズユニットによって構成されている場合に、ボウタイ収差により発生する空間光変調器13の表面部分における像面湾曲31〜35を例示する図である。像面湾曲31〜35は、レンズユニット1〜5からそれぞれ出射された各レーザ光の像面湾曲をそれぞれ示している。図4においては、収束位置の増加する向き(紙面の上向き)は、レーザ方向の進行方向と反対の−Z向きである。
<3. Field curvature>
FIG. 4 illustrates
レンズアレイ15の第一面に入射したレーザ光は、レンズユニット1〜5にそれぞれ分割されて入射し、レンズユニット1〜5の最終面からそれぞれ出射して、シリンドリカルレンズ17および19を経て空間光変調器13の表面に、相互に重畳されて照射される。像面湾曲31〜35の中で、レンズユニット1から出射したレーザ光の像面湾曲33が最も小さく、レンズユニット1〜5のうち両端部のレンズユニット1および5からそれぞれ出射したレーザ光にそれぞれ対応する像面湾曲31および35が最大の像面湾曲b1となっている。
The laser light incident on the first surface of the
レンズユニット1〜5によって、レンズアレイ15に入射したレーザ光は、slow axis方向について、レンズユニット1〜5の各レンズのサイズに5分割されている。該分割によって、レンズアレイ15から出射して空間光変調器13の表面に照明されるレーザ光の像面湾曲も5分割されている。分割された個々の像面湾曲は、該分割がなされない場合に比べて低減されている。最大の像面湾曲b1は、具体的には、2mm程度発生している。しかしながら、例えば、CTP(computer to plate)露光系においては、十分なフォーカスラチチュードを持つためには、像面湾曲量を100um以下にする必要がある。従って、シリンドリカルレンズアレイが5個のレンズユニットにより構成される場合には、レンズユニットの個数は、十分ではないこととなる。
The laser light incident on the
<4.像面湾曲の改善>
図5は、レンズアレイ15を構成するレンズユニットの個数が11個に増やされた場合にボウタイ収差により発生する空間光変調器13の表面部分における像面湾曲を図4と同様に例示する図である。図5の例では、レンズアレイ15を構成する複数のレンズユニットのうち両端部のレンズユニットから出射したレーザ光の像面湾曲が最大の像面湾曲b2となっているが、像面湾曲b2は、図4の像面湾曲b1よりも小さくなり改善されている。
<4. Improvement of curvature of field>
FIG. 5 is a diagram illustrating the field curvature at the surface portion of the spatial
レンズアレイ15を構成するk個のレンズユニットがシリンドリカルレンズ17(コンデンサレンズ)とともに図1、図2の例と同様に光路に挿入されれば、レンズアレイ15に入射するレーザ光は、slow axis方向についてk分割されて、個々のレンズユニットに入射する。よって、レンズユニットに入射されるslow axis方向の発散角は、β/kになる。そして、レンズアレイ15の第一面において発生するボウタイ収差もslow axis方向にk分割されることになる。従って、レンズアレイ15を構成するレンズユニットの個数を増加させれば、レンズアレイ15の第一面に入射するレーザ光についての個々のレンズユニットあたりのボウタイ収差が低減されて、空間光変調器13の表面部分における損面湾曲を低減させて改善することができる。
If the k lens units constituting the
図6は、図2のシリンドリカルレンズ18(第3レンズ)の近傍を拡大した図である。なお、図2に示された実線と破線の光路の差異は、図6においては、より誇張して表示されている。図6に示された角度Δεは、エミッタ11から出射されてslow axis方向へ発散角βで発散してシリンドリカルレンズ18(第3レンズ)に入射した後、facレンズから射出した光が、fast axis方向(第2方向)と光軸とを含む平面において光軸となす最大の角度を示している。図6における座標軸の方向は、図2における座標軸の方向と同様である。 FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of the cylindrical lens 18 (third lens) of FIG. The difference between the solid line and the broken line shown in FIG. 2 is exaggerated in FIG. The angle Δε shown in FIG. 6 is the light emitted from the fac lens after being emitted from the emitter 11, diverging in the slow axis direction at a divergence angle β and entering the cylindrical lens 18 (third lens). The maximum angle formed with the optical axis in a plane including the direction (second direction) and the optical axis is shown. The direction of the coordinate axes in FIG. 6 is the same as the direction of the coordinate axes in FIG.
図1および図2に示されるように、バーレーザ12の各エミッタ11からそれぞれ出射された各レーザビームは、それぞれ、fast axis方向およびslow axis方向にそれぞれ発散角αおよびβで発散している。この場合、シリンドリカルレンズ18(第3レンズ)に入射するレーザ光の高さh1’は、シリンドリカルレンズ18に入射するレーザ光のslow axis方向側への発散によりh1/cosβとなる。その結果、焦点距離がf1であるシリンドリカルレンズ18の見かけ上の焦点距離f1’は(1)式により表される。ただし、nは、シリンドリカルレンズ18の屈折率である。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, each laser beam emitted from each emitter 11 of the
その結果、各エミッタ11から出射されてslow axis方向へ発散角βで発散し、シリンドリカルレンズ18(第3レンズ)に入射した後、シリンドリカルレンズ18(第3レンズ)から射出した光が、fast axis方向(第2方向)と光軸とを含む平面において光軸となす最大の角度Δεは(2)式により表される。なお、最大の角度Δεは、バーレーザ12から出射されたレーザビームのslow axis方向(第1方向)への発散に起因して、当該レーザビームがシリンドリカルレンズ18(第3レンズ)に入射してシリンドリカルレンズ18(第3レンズ)から出射する光が完全には平行化されなかったことにより生ずる角度である。(2)式は、バーレーザ12から出射されたレーザビームのslow axis方向における発散角βと、シリンドリカルレンズ18(第3レンズ)から射出されたレーザ光のfast axis方向における光軸からの高さh1とのうち少なくとも一方が増加すれば、当該最大の角度Δεも増加し、シリンドリカルレンズ18(第3レンズ)の焦点距離f1と、複数のレンズユニットの個数kとのうち少なくとも一方が増加すれば、最大の角度Δεが減少する所定の関係を示している。
As a result, light emitted from each emitter 11 diverges in the slow axis direction at a divergence angle β, enters the cylindrical lens 18 (third lens), and then the light emitted from the cylindrical lens 18 (third lens) is fast axis. The maximum angle Δε formed with the optical axis in a plane including the direction (second direction) and the optical axis is expressed by equation (2). The maximum angle Δε is caused by the divergence of the laser beam emitted from the
また、ボウタイ収差による像面湾曲Δsは、(3)式により表される。ただし、焦点距離f2はfast axis方向の集光レンズであるシリンドリカルレンズ19の焦点距離であり、像高h2はシリンドリカルレンズ19に入射するコリメート光の像高であり、像高Δh2は発散角βにより変化した像高である。
Further, the field curvature Δs due to the bow tie aberration is expressed by equation (3). However, the focal length f 2 is the focal length of the
(2)式、(3)式より、ボウタイ収差による空間光変調器13の表面部分の像面湾曲量は、焦点距離f2と、像高h2、発散角βに依存することが分かる。また、当該像面湾曲がシリンドリカルレンズ16の焦点距離に依存しないことも分かる。一方、焦点距離f2と像高h2は、設計上、開口数の制約を受ける。このため、現実的には、角度Δεを小さくすることが像面湾曲Δsを低下させるための解となる。最大の角度Δεを小さくする解法は、角度Δεと、シリンドリカルレンズ17(第2レンズ)によって空間光変調器13における照明エリアに重畳して投影された、分割された各レーザビームの遠視野像についての所定の像面湾曲との所定の関係に基づいて、レンズアレイ15を構成する複数のレンズユニットの個数を設定する手法である。
From equations (2) and (3), it can be seen that the amount of field curvature of the surface portion of the spatial
図7は、レンズアレイ15の分割数、すなわちレンズアレイ15を構成するレンズユニットの個数と、各レンズユニットから射出して空間光変調器13の表面部分に互い重畳されて照明される各レーザ光における最大の像面湾曲との関係をグラフで示す図である。なお、このグラフに関する焦点距離f1は、0.909mmであり、焦点距離f2は、21.9mmである。また、高さh1、h1’、h2、およびh2’は、それぞれ、(4)式により求められる。ハイパワータイプのバーレーザは、通常、5度以下の発散角βを持っている。この場合、図7のグラフに示されるように、目的の性能である100um以下の像面湾曲を得るためには、25個以上に分割されるレンズアレイ15を用いる必要がある。
FIG. 7 shows the number of divisions of the
図8〜図15は、照明装置のレンズアレイ15の各レンズユニットから射出して空間光変調器13の表面に重畳されて照射されているライン状のレーザビームの幅方向(fast axis方向)の輝度分布をグラフで示す図である。各グラフに示される輝度分布は、重畳されたライン状のレーザビームの長手方向(slow axis方向)における中心部と端部とのレーザビームの幅方向の輝度分布をシミュレーションにより求めたものである。中心部の輝度分布は、実線で示され、端部の輝度分布は一点鎖線で示されている。
8 to 15 show the width direction (fast axis direction) of the line-shaped laser beam emitted from each lens unit of the
より詳細には、図8〜図11の各グラフにそれぞれ対応する各照明装置の何れにおいても、シリンドリカルレンズ16、17、19の焦点距離は、それぞれ60mm、150mm、74mmに設定されている。また、図8〜図11の各グラフにそれぞれ対応する各照明装置のレンズアレイ15の分割数、すなわち、レンズアレイ15を構成するレンズユニットの個数は、それぞれ、5、20、25、40に設定されている。
More specifically, the focal lengths of the
図12〜図15の各グラフにそれぞれ対応する各照明装置の何れにおいても、シリンドリカルレンズ16、17、19の焦点距離は、それぞれ120mm、150mm、60mmに設定されている。また、図12〜図15の各グラフにそれぞれ対応する各照明装置のレンズアレイ15の分割数は、それぞれ、5、20、25、40に設定されている。
In any of the lighting devices corresponding to the graphs of FIGS. 12 to 15, the focal lengths of the
なお、図8〜図15の各グラフにそれぞれ対応する各シミュレーションの何れにおいても、照明装置に含まれる各レンズのうちボウタイ収差を発生するシリンドリカルレンズ18以外のレンズは、理想レンズとして取り扱われている。
In any of the simulations corresponding to the graphs of FIGS. 8 to 15, lenses other than the
空間光変調器13の表面に重畳されて照射されたライン状のレーザビームは、表面から記録媒体に向けて照射されて、記録媒体上で、記録媒体に対して相対的にレーザビームの幅方向に走査される。このため、ライン状のレーザビームの長手方向におけるレーザビームの輝度(光量)が均一であることが好ましい。すなわち、当該レーザビームの長手方向の各部におけるレーザビームの幅方向の輝度分布(光量分布)が互いに略等しい分布となることが好ましい。
The line-shaped laser beam irradiated with being superimposed on the surface of the spatial
図8、図12に示されるように、レンズアレイ15の分割数が5個であれば、重畳されたライン状のレーザビームの長手方向の中心部と端部とのそれぞれにおけるレーザビームの幅方向の輝度分布は、互いに大きく異なっている。具体的には、レーザビームの幅方向に亙る輝度和は、中心部が端部よりも大きくなっている。また、輝度分布の形状も中心部の方が端部よりも幅広になっている。すなわち、レーザビームは、長手方向における中心部の方が端部よりも幅が太くて高輝度である。なお、当該中心部および当該端部以外の部分における輝度分布については、図示を省略しているが、レーザビームの中心部から離れた部分であるほど、中心部に比べてビーム幅がより狭く、より低輝度になるシミュレーション結果が得られている。
As shown in FIGS. 8 and 12, when the number of divisions of the
これに対して、図9〜図11、図13〜図15に示されるように、重畳されたライン状のレーザビームの長手方向の中心部と端部とのそれぞれにおけるレーザビームの幅方向の輝度分布(分布幅、分布形状、およびに幅方向に亙る輝度和)は、レンズアレイ15を構成するレンズユニットの個数が増えるほど互いに近くなっている。すなわち、中央部と端部とのそれぞれにおけるレーザビームの幅と、幅方向の輝度和の何れも、レンズアレイ15の分割数が増えるほど、互いにより近くなっている。なお、当該中心部と当該端部とを除いた部分におけるレーザビームの幅方向の輝度分布については、図示を省略しているが、当該輝度分布も、レンズアレイ15の分割数が増えるほど、中心部におけるレーザビームの幅方向の輝度分布により近くなるシミュレーション結果が得られている。
On the other hand, as shown in FIGS. 9 to 11 and 13 to 15, the brightness in the width direction of the laser beam at each of the center portion and the end portion in the longitudinal direction of the superimposed line-shaped laser beam. The distribution (distribution width, distribution shape, and luminance sum in the width direction) becomes closer to each other as the number of lens units constituting the
より詳細には、レンズアレイ15の分割数が20の場合には、レーザビームの長手方向の中心部と端部とのそれぞれにおけるレーザビームの幅方向の輝度分布は、分割数の5の場合に比べると互いに著しく近くなっているが、レンズアレイ15の分割数が25以上の場合よりも互いの差が少し大きくなっている。
More specifically, when the number of divisions of the
レンズアレイ15の分割数が25以上であれば、レーザビームの長手方向における中心部と端部とのそれぞれの幅方向の輝度分布は、互いに略等しくなっている。すなわち、レーザビームの長手方向における輝度分布が略均一になっている。ここで、図7に示されるように、レンズアレイ15を構成する各レンズユニットの個数が25個以上であれば、各レンズユニットによってそれぞれ分割されて空間光変調器13に照射される各レーザビームの最大の像面湾曲が100um以下となる。これらのことから、空間光変調器13の表面に分割されて照射される各レーザビームの最大の像面湾曲が100um以下となるようにレンズアレイ15が25個以上のレンズユニットに分割されれば、空間光変調器13の表面において重畳されたライン状のレーザビームの長手方向の各部におけるレーザビームの幅方向の輝度分布が、好ましい輝度分布になり、これにより、当該レーザビームの長手方向の輝度分布が、好ましい略均一な輝度分布になることが分かる。
When the number of divisions of the
なお、図8、図12に示されるレンズアレイ15の分割数が5個である場合のように、重畳されたライン状のレーザビームの長手方向の輝度分布が大きく変動している場合には、例えば、シリンドリカルレンズ19としてトーリックレンズを採用することなどにより、レンズアレイ15によって分割される各レーザビームの像面湾曲を補正する必要が有る。このため、照明装置の製造コストが上昇する。しかしながら、レンズアレイ15を構成するレンズユニットの個数が25個以上に設定されれば、空間光変調器13の表面に分割されて照射される各レーザビームの像面湾曲は100um以下に抑えられるので、トーリックレンズなどを採用する必要がない。これにより、照明装置の製造コストを抑制することが出来る。
In addition, when the luminance distribution in the longitudinal direction of the superimposed line-shaped laser beam varies greatly as in the case where the number of divisions of the
以上のように構成された本実施形態に係る照明装置によれば、バーレーザ12から出射されたレーザビームがシリンドリカルレンズ18(第3レンズ)に入射してシリンドリカルレンズ18から出射されたレーザ光が、エミッタ11の列設方向と直交するfast axis方向(第2方向)と光軸とを含む面内において光軸となす最大の角度Δεと、所定の像面湾曲との所定の関係に基づいて、レンズアレイ15を構成する複数のレンズユニットの個数が設定される。また、当該最大の角度Δεは、当該複数のレンズユニットの個数が増加すればするほど小さくなる。従って、本実施形態に係る照明装置によれば、空間光変調器13の表面部分における像面湾曲を所望のレベル以下に抑制可能なレンズユニットの個数が設定されることにより、空間光変調器13の照明エリアに照明される光の像面湾曲が改善され得る。
According to the illuminating device according to the present embodiment configured as described above, the laser beam emitted from the
また、一般にバーレーザから出射される光量分布は均一でないが、レンズアレイに入射した光はそれぞれのレンズユニットにより分割されるため、一つのレンズユニットから像面に投影されるレーザ光の光量分布は、角度スペクトルに変換される。本実施形態に係る照明装置によれば、最大の角度Δεと、所定の像面湾曲との所定の関係に基づいて、レンズアレイ15を構成する複数のレンズユニットの個数が適切な個数に設定されるので、一つのレンズユニットに取り込まれるレーザ光の光量分布の差は非常に小さくなり、空間光変調器13の表面(像面)でのslow axis方向における角度スペクトルの均一性が向上する。
In general, the light amount distribution emitted from the bar laser is not uniform, but since the light incident on the lens array is divided by each lens unit, the light amount distribution of the laser light projected on the image plane from one lens unit is Converted to an angular spectrum. According to the illuminating device according to the present embodiment, the number of the plurality of lens units constituting the
本発明は詳細に示され記述されたが、上記の記述は全ての態様において例示であって限定的ではない。したがって、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 Although the invention has been shown and described in detail, the above description is illustrative in all aspects and not restrictive. Therefore, embodiments of the present invention can be modified or omitted as appropriate within the scope of the invention.
1〜5 レンズユニット
11 エミッタ
12 バーレーザ
13 空間光変調器
14,15 レンズアレイ
16 シリンドリカルレンズ(第1レンズ)
17 シリンドリカルレンズ(第2レンズ)
18 シリンドリカルレンズ(第3レンズ)
19 シリンドリカルレンズ
1 to 5 Lens unit 11
17 Cylindrical lens (second lens)
18 Cylindrical lens (third lens)
19 Cylindrical lens
Claims (3)
レーザビームを出射するエミッタが直線状に複数個列設されたバーレーザと、
前記エミッタが列設された第1方向と平行な方向に列設された複数のレンズユニットより成り、当該複数のレンズユニットに平行に入射したレーザビームが当該複数のレンズユニットの最終面において、少なくとも前記第1方向と光軸とを含む面内で収束するよう構成されたレンズアレイと、
前記バーレーザから出射されたレーザビームにおける前記第1方向の遠視野像を前記レンズアレイ上に投影する第1レンズと、
前記レンズアレイにより分割されたレーザビームの遠視野像を前記照明エリアに重畳して投影する第2レンズと、
前記バーレーザから出射されたレーザビームにおける前記第1方向と直交する第2方向の近視野像を前記照明エリアに結像する一対のレンズと、
を備え、
前記一対のレンズは、
前記バーレーザから出射されたレーザビームの前記第2方向への発散を平行化によって抑制する第3レンズを備え、
前記複数のレンズユニットの個数が、
前記バーレーザから出射されたレーザビームの前記第1方向への発散に起因して、当該レーザビームが前記第3レンズに入射して前記第3レンズから出射する光が完全には平行化されなかったことにより、前記第3レンズから出射する光が、前記第2方向と光軸とを含む平面において光軸となす最大の角度と、
前記第2レンズによって前記照明エリアに重畳して投影された前記分割されたレーザビームの遠視野像についての所定の像面湾曲と、
の所定の関係に基づいて設定されている照明装置。 An illumination device that illuminates a linear illumination area with a laser beam emitted from a bar laser,
A bar laser in which a plurality of emitters emitting laser beams are arranged in a straight line;
The plurality of lens units arranged in a direction parallel to the first direction in which the emitters are arranged, and a laser beam incident parallel to the plurality of lens units is at least on the final surface of the plurality of lens units A lens array configured to converge in a plane including the first direction and the optical axis;
A first lens that projects a far-field image of the laser beam emitted from the bar laser in the first direction onto the lens array;
A second lens that projects a far-field image of the laser beam divided by the lens array so as to be superimposed on the illumination area;
A pair of lenses that image a near-field image in a second direction orthogonal to the first direction in the laser beam emitted from the bar laser in the illumination area;
With
The pair of lenses is
A third lens that suppresses divergence of the laser beam emitted from the bar laser in the second direction by parallelization;
The number of the plurality of lens units is
Due to the divergence of the laser beam emitted from the bar laser in the first direction, the laser beam is incident on the third lens and the light emitted from the third lens is not completely collimated. Thus, the maximum angle that the light emitted from the third lens forms with the optical axis in a plane including the second direction and the optical axis,
A predetermined curvature of field about a far-field image of the divided laser beam projected on the illumination area by the second lens;
The lighting device set based on the predetermined relationship.
前記最大の角度は、
前記バーレーザから出射されたレーザビームの前記第1方向における発散角と、前記第3レンズから射出された光の前記第2方向における光軸からの高さとのうち少なくとも一方が増加すれば、当該最大の角度も増加し、前記第3レンズの焦点距離と、前記複数のレンズユニットの個数とのうち少なくとも一方が増加すれば、当該最大の角度が減少する所定の関係に基づいて特定されている照明装置。 The lighting device according to claim 1,
The maximum angle is
If at least one of the divergence angle in the first direction of the laser beam emitted from the bar laser and the height from the optical axis in the second direction of the light emitted from the third lens increases, the maximum And the angle specified by the predetermined relationship in which the maximum angle decreases if at least one of the focal length of the third lens and the number of the plurality of lens units increases. apparatus.
前記複数のレンズユニットの個数が、25以上である照明装置。 The lighting device according to claim 2,
The illumination device in which the number of the plurality of lens units is 25 or more.
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