JP5742331B2 - Laser light scanner - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光スキャナに関する。 The present invention relates to a laser light scanner.
レーザ光を走査するレーザ光スキャナは、レーザプリンタ、レーザ加工、ディスプレイ、計測、光通信等、様々な分野で用いられている。レーザ光スキャナは、一般的に、光源と、光源から出射したレーザ光を走査する光偏向素子から構成されている。さらに必要に応じて、光源から出射したレーザ光を光偏光素子に応じた発光ビームプロファイルに成形する光結合光学系や、光偏向素子から出力された発光ビームプロファイルの成形や偏向角を調整する出力光学系を備えた構成も知られている。 Laser light scanners that scan laser light are used in various fields such as laser printers, laser processing, displays, measurement, and optical communication. The laser light scanner is generally composed of a light source and an optical deflection element that scans the laser light emitted from the light source. Furthermore, if necessary, an optical coupling optical system that shapes the laser beam emitted from the light source into an emission beam profile corresponding to the optical polarization element, and an output that adjusts the shaping and deflection angle of the emission beam profile output from the optical deflection element A configuration including an optical system is also known.
上記光偏光素子として、光を伝播するコア層をクラッド層で挟んだ構成の光導波路を備えた光偏光素子を用いた場合には、光偏光素子に入射したレーザ光は、コア層を伝播する。そして、コア層には、印加された電圧に応じて光屈折率の変化する屈折率変化領域が設けられており、この屈折率変化領域に印加された電圧に応じてレーザ光が偏向する。このため、光源から出射したレーザ光を光偏向素子に光結合させるためには、レーザ光を、コア層の厚みに応じた幅に集光する必要がある。また、コア層の光伝播方向及び厚み方向に垂直な方向におけるレーザ光の幅を、コア層の屈折率変化領域の該方向の幅に応じて調整する必要がある。さらに、レーザ光における、該方向成分の光は、コア層における光伝播方向に平行な光束に成形する必要がある。 When an optical polarization element having an optical waveguide configured such that a core layer that propagates light is sandwiched between clad layers is used as the optical polarization element, the laser light incident on the optical polarization element propagates through the core layer. . The core layer is provided with a refractive index changing region in which the optical refractive index changes according to the applied voltage, and the laser light is deflected according to the voltage applied to the refractive index changing region. For this reason, in order to optically couple the laser light emitted from the light source to the optical deflection element, it is necessary to focus the laser light to a width corresponding to the thickness of the core layer. Further, it is necessary to adjust the width of the laser beam in the direction perpendicular to the light propagation direction and the thickness direction of the core layer according to the width of the refractive index changing region of the core layer in the direction. Furthermore, the light of the direction component in the laser light needs to be shaped into a light beam parallel to the light propagation direction in the core layer.
すなわち、光源から出射したレーザ光は、光偏向素子に光結合した時には、光偏向素子におけるコア層の厚み方向の成分については該厚み方向に集光した集光光束であり、且つ、光伝播方向及びコア層の厚み方向に垂直な方向の成分についてはコア層における光伝播方向に平行な平行光束であることが要求される。 That is, when the laser beam emitted from the light source is optically coupled to the optical deflection element, the component in the thickness direction of the core layer in the optical deflection element is a condensed light beam condensed in the thickness direction, and the light propagation direction The component in the direction perpendicular to the thickness direction of the core layer is required to be a parallel light flux parallel to the light propagation direction in the core layer.
例えば、特許文献1には、レーザダイオードから出射した二次元アレイ状のレーザ光群を、1本の光ファイバに光結合することが開示されている。具体的には、特許文献1では、レーザダイオードから出射したレーザ光群の速軸成分を平行にした後に、ビーム変換器によって該レーザ光群の断面を90°回転させ、さらにコリメートした後に集光することが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses that a two-dimensional array of laser beams emitted from a laser diode is optically coupled to one optical fiber. Specifically, in Patent Document 1, after collimating the fast axis components of a laser beam group emitted from a laser diode, the laser beam group is rotated 90 ° by a beam converter, collimated, and then condensed. Is disclosed.
特許文献1によれば、遅軸方向成分に比べて品質の良い速軸方向成分を集光するため、高光効率が得られると考えられる。しかしながら、特許文献1によれば、ビーム変換器を通過することによって、レーザ光に含まれる速軸方向成分に遅軸方向成分が含まれることとなり、光偏向素子から出射するレーザ光の解像点数が低い。 According to Patent Document 1, it is considered that high light efficiency can be obtained because the fast axis direction component having better quality than the slow axis direction component is condensed. However, according to Patent Document 1, by passing through the beam converter, the slow axis direction component is included in the fast axis direction component included in the laser beam, and the number of resolution points of the laser beam emitted from the optical deflection element is increased. Is low.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高利用効率と高解像点数の両立を図ることができるレーザ光スキャナを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a laser light scanner capable of achieving both high utilization efficiency and high resolution points.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光源から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換する第1コリメートレンズと、前記第1コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換する第2コリメートレンズと、前記遅軸方向を厚み方向とし前記速軸方向を光偏向方向とするコア層及び前記コア層を挟む一対のクラッド層を有する光偏向素子と、前記第2コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させて該レーザ光を前記コア層の光入射側端面に光結合させる集光レンズと、を備え、前記光偏向素子の前記コア層は、印加された電圧に応じて光屈折率が変化し、かつ、レーザ光の前記速軸方向に所定の幅を持つ屈折率変化領域を有し、前記第1コリメートレンズは、光入射側が平面に形成され且つ光出射側が球面に形成された半球レンズと、前記半球レンズの光出射側に設けられたメニスカスレンズと、を有し、前記メニスカスレンズは、前記半球レンズから出射したレーザ光の前記速軸方向のビーム幅を前記屈折率変化領域の前記速軸方向の前記所定の幅に応じたビーム幅に調整することを特徴とする。 To solve the above problems and achieve the object, the present invention includes a first collimator lens for converting the fast axis direction component contained in the laser beam emitted from the light source to a flat Yukimitsu bundle from said first collimating lens A second collimating lens that converts a slow axis direction component included in the emitted laser light into a parallel light beam, a core layer having the slow axis direction as a thickness direction and the fast axis direction as a light deflection direction, and a pair sandwiching the core layer A light deflecting element having a clad layer and a light condensing element that condenses a slow axis direction component included in the laser light emitted from the second collimating lens and optically couples the laser light to the light incident side end face of the core layer A refractive index changing region having a predetermined width in the fast axis direction of the laser beam, and the core layer of the light deflection element has a light refractive index that changes according to an applied voltage. a, wherein the Collimator lens has a hemispherical lens the light incident side is formed on the plane and the light emitting side is formed in a spherical, and a meniscus lens provided on the light emitting side of the hemispherical lens, the meniscus lens, the hemisphere adjust the fast axis direction of the beam width of the laser beam emitted from the lens to the beam width corresponding to the predetermined width of the fast axis direction of the refractive index change region and said Rukoto.
本発明によれば、高利用効率と高解像点数の両立を図ることができる、という効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that it is possible to achieve both high utilization efficiency and high resolution points.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるレーザ光スキャナの一の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a laser light scanner according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施の形態)
図1には、本実施の形態にかかるレーザ光スキャナ10の構成の一例を示した。なお、図1(A)は、レーザ光スキャナ10のX−Z平面図である。図1(B)は、レーザ光スキャナ10のY−Z平面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an example of the configuration of the
図1に示すように、本実施の形態のレーザ光スキャナ10は、光源12と、光結合光学ユニット19と、光偏向素子14と、出力光学ユニット16と、を含んでいる。
As shown in FIG. 1, the
光源12は、レーザ光を出射する半導体レーザである。光源12としては、レーザダイオードが挙げられる。具体的には、図2に示すように、光源12は、略直方体状に形成され、その光出射端面となる一側面に、光出射領域となる活性層12Aが露出している。そして、この活性層12Aの露出端面は、活性層12Aの厚み方向(図2中、X軸方向参照)に直交する方向(図2中、Y軸方向参照)に長い長方形状である。すなわち、この活性層12Aの露出端面は、厚み方向(X軸方向)の長さが、該露出端面における厚み方向に直交する方向(以下、単に「幅方向」と称する場合がある)(Y軸方向)の長さより短い形状である。光源12では、詳細は後述するが、この活性層12Aの露出端面における長辺方向であるY軸方向の長さを、短辺方向であるX軸方向の長さに対して長くすることによって、発光強度を大きくなるように調整することができる。
The
なお、本実施の形態では、活性層12Aの厚み方向をX軸方向とする。また、活性層12Aの露出端面における幅方向をY軸方向とする。また、この活性層12Aの露出端面に直交する方向をZ軸方向とする。
In the present embodiment, the thickness direction of the
レーザ光は、この活性層12Aの露出端面から、広がり角をもって出射する。ここで、上述のように、活性層12Aの露出端面の形状は長方形状であり、そのアスペクト比が異なることから、レーザ光は、この活性層12Aの露出端面からY軸方向及びX軸方向に異なる広がり角をもって出射する。このため、光源12から出射するレーザ光では、X軸方向の広がり角がY軸方向の広がり角より大きい。すなわち、光源12から出射するレーザ光の発レーザ光プロファイルは、図2の発光ビームプロファイルPに示されるようなプロファイルとなる。
Laser light is emitted from the exposed end face of the
本実施の形態では、この活性層12Aにおける露出端面(光出射領域)の厚み方向、すなわち短手方向である上記X軸方向を「速軸方向」と称する。また、この活性層12Aにおける露出端面の幅方向、すなわち長手方向である上記Y軸方向を「遅軸方向」と称する。
In the present embodiment, the X-axis direction, which is the thickness direction of the exposed end face (light emitting region) in the
図1に戻り、光源12から出射したレーザ光は、光結合光学ユニット19を通過した後に、光偏向素子14に光結合する。光結合光学ユニット19の詳細は後述する。
Returning to FIG. 1, the laser light emitted from the
図3には、光偏向素子14の一例を示した。図3(A)に示すように、光偏向素子14は、光導波路31を含んでいる。光導波路31は、一対の電極層(電極層38及び電極層36)によって挟まれている。
FIG. 3 shows an example of the
光導波路31は、屈折率の高いコア層30を、コア層30より屈折率の低い一対のクラッド層(クラッド層34及びクラッド層32)で挟んだ構成の、所謂、スラブ型の光導波路である。
The
コア層30は、電気光学効果を有する材料から構成されている。コア層30を構成する電気光学材料としては、具体的には、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、KTP(KTiOPO4)、SBN、KTN、のような非線形光学結晶を挙げることができる。これらの非線形光学結晶は、支持基板上に層状に形成した後に研磨を施すことにより、結晶の電気光学性能を保ったまま薄膜化することが可能である。
The
なお、コア層30の厚みは限定されないが、具体的には、コア層30の厚みは、10μm以上50μm以下であることが好ましい。コア層30の厚みが上記範囲であると、クラッド層32及びクラッド層34による電圧降下の影響を抑制しつつ、且つ、より低電圧の印加で有意の屈折率変化を発生させることができる。
In addition, although the thickness of the
クラッド層32及びクラッド層34は、コア層30を挟むように設けられ、コア層30より屈折率の低い材料から構成されている。このため、コア層30に入射したレーザ光は、コア層30内を伝播する。クラッド層32及びクラッド層34の構成材料としては、具体的には、一般的なガラス材料である二酸化シリコン(SiO2)や、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化チタン(TiO2)、窒化シリコン(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)等の誘電体および、これらの混合ガラスを挙げることができる。また、クラッド層32及びクラッド層34の構成材料としては、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)も用いることができる。
The
電極層38及び電極層36は、これらのクラッド層32及びクラッド層34の各々の外側に対向して設けられている。光偏向素子14では、これらの電極層38及び電極層36に電圧を印加することによって、コア層30の厚み方向に電界が形成される。
The electrode layer 38 and the
電極層38及び電極層36の構成材料としては、具体的には、Au、Pt、Ti、Al、Ni、Crのような金属材料の他、ITO等の透明電極を挙げることができる。
Specific examples of the constituent material of the electrode layer 38 and the
本実施の形態では、図3(B)に示すように、コア層30には、分極反転領域30Aが設けられている。コア層30における分極反転領域30Aと、該分極反転領域30A以外の領域と、では、コア層30を構成する電気光学材料の結晶軸(分極軸)の向きが反転している。本実施の形態では、分極反転領域30Aは、複数のプリズム部30A1をZ軸方向に並べた領域である場合を説明する。なお、各プリズム部30A1は、プリズム形状(三角柱状)の領域である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3B, the
分極反転領域30Aの幅(分極反転領域30AにおけるX軸方向(速軸方向)の幅(図3(B)中、幅D参照、以下単に「幅D」と称する場合がある))は限定されないが、例えば、1mm等が挙げられる。
The width of the domain-inverted
なお、上記電極層38及び電極層36は、詳細には、光導波路31における上記分極反転領域30Aを覆う領域に設けられている。これらの電極層38及び電極層36に電圧を印加することによって、コア層30に電圧を印加すると、コア層30における分極反転領域30Aと該分極反転領域30A以外の領域とで屈折率変化量の符号が逆転する。このため、光偏向素子14は、コア層30の内部に複数のプリズム構造を作りだすことができる構造となっている。
In detail, the electrode layer 38 and the
ここで、一般的に、光は屈折率の異なる領域同士の界面で屈折(偏向)する。このため、電圧の印加された領域と、電圧の印加されていない領域との界面で、レーザ光は屈折することとなる。従って、分極反転領域30Aを構成する各プリズム部30A1の界面を通過する度にレーザ光は屈折する。また、分極反転領域30Aの屈折率変化量Δnは、電極層36及び電極層38に印加する電圧によって変化する。このため、該界面における屈折率もまた、電極層36及び電極層38に印加する電圧によって変化する。
Here, in general, light is refracted (deflected) at the interface between regions having different refractive indexes. For this reason, the laser light is refracted at the interface between the region where the voltage is applied and the region where the voltage is not applied. Therefore, the laser beam is refracted as it goes the interfaces between the
このため、本実施の形態における光偏向素子14は、電極層36及び電極層38に印加する電圧を調整することによって、分極反転領域30Aを伝播するレーザ光の偏向角θを調整することができる。
Therefore, the
詳細には、分極反転領域30Aの幅D(図3(B)中、幅D参照)が一定である場合、光偏向素子14から出射するレーザ光の偏向角θ(出射角)は、下記式(1)によって示すことができる。
Specifically, when the width D of the domain-inverted
上記式(1)中、Δnはコア層30の屈折率変化量を示し、Dは分極反転領域30AにおけるX軸方向(速軸方向)の幅を示す。また、式(1)中、Lは、複数のプリズム部30A1全体のZ軸方向の長さ(すなわち分極反転領域30AのZ軸方向の長さ)を示す。
In the above formula (1), Δn indicates the amount of change in the refractive index of the
そして、上記屈折率変化量(Δn)は、電極層36及び電極層38に印加する電圧で制御することができるため、光偏向素子14は、レーザ光の偏向角θを調整することができ、入射したレーザ光を偏向する光偏向素子として機能する。
Since the refractive index change amount (Δn) can be controlled by the voltage applied to the
なお、一般的に、光偏向素子14のコア層30を構成する電気光学材料の屈折率変化量は非常に小さく、光偏向素子14を動作させる際には10kV/mm以上の電界を形成する必要がある。しかし、光導波路31として、スラブ型の光導波路を用いることによって、電極層36と電極層38との電極間の距離を接近させることができ、動作電圧の低下を図ることができる。
In general, the refractive index change amount of the electro-optic material constituting the
例えば、コア層30の厚さを20μmとし、分極反転領域30Aの幅Dを2.0mmとし、分極反転領域30AのZ軸方向長さ(図3(B)中、長さB参照)を20mmとした場合には、電極層36と電極層38との電極間に±300Vの電圧を印加することによって、全角で4°程度の偏向角が得られる。なお、この偏向角を増大させるためには、分極反転領域30Aにおける各プリズム部30A1のプリズム幅(三角柱形状における、Z軸方向の最大長)をさらに狭めることが有効である。このプリズム幅としては、例えば、0.5mmから5mm程度の範囲を挙げることができる。
For example, the thickness of the
次に、光結合光学ユニット19について説明する。
Next, the optical coupling
光結合光学ユニット19は、光源12から出射したレーザ光を、光偏向素子14のコア層30における分極反転領域30Aの光入射側端面に光結合させる光学系である。
The optical coupling
本実施の形態では、光結合光学ユニット19は、光源12側から順に、コリメート光学ユニット18及び集光レンズ20を備えている。
In the present embodiment, the optical coupling
コリメート光学ユニット18は、光入射側から順に、コリメートレンズ26、及びコリメートレンズ28を配列した構成である。
The collimating
コリメートレンズ26は、光源12から出射したレーザ光に含まれる速軸方向(X軸方向)成分をコリメート(平行に)して、第1ビーム幅の平行光束に変換する。なお、この第1ビーム幅とは、レーザ光における速軸方向の幅を示している。
The collimating
このコリメートレンズ26は、光入射側から順に、半球レンズ22、及びメニスカスレンズ24を順に配列した構成である。
The collimating
半球レンズ22は、入射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換するレンズである。半球レンズ22は、光入射側の面を平面とし、光出射側の面を球面とした半球状のレンズであり、入射するレーザ光の速軸方向および遅軸方向に曲率を有する。なお、以下では、光入射側の面は、単に、光入射面と称し、光出射側の面は、単に、光出射面と称して説明する場合がある。
The
具体的には、半球レンズ22は、半球レンズ22の材料をS-TIH53、出射面の曲率半径を3.0mmとし、レーザの露出端面と半球レンズ22の入射面との距離を1.5mmとした構成とすることによって、光入射面から入射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換する、といった特性を有する。
Specifically, the
半球レンズ22は、レーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換するレンズであればよく、中心肉厚(半球レンズ22における光通過方向の最短長)、球面である光出射面の曲率半径、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ10の構成に応じて上記特性を満たすように適宜調整すればよい。
The
具体的には、半球レンズ22の光出射側の面(球面)の曲率半径は、レンズの材質の屈折率に応じて速軸方向成分が平行光束となるように調整すればよい。例えば、レンズの材質の屈折率が1.70から1.90の範囲である場合には、半球レンズ22の曲率半径としては、2.5mm以上3.5mm以下の範囲が挙げられる。
Specifically, the radius of curvature of the light emitting side surface (spherical surface) of the
半球レンズ22の材質は、光源の波長において透明であればよく、限定されないが、例えば、特に高屈折率高分散で高透過率を示すことから、株式会社オハラ社製のS−TIH53や、S−NPH53等が挙げられる。
The material of the
メニスカスレンズ24は、半球レンズ22から出射した、速軸方向成分を平行光束に変換されたレーザ光における該速軸方向のビーム幅を、分極反転領域30AにおけるX軸方向(速軸方向)の幅D(図3(B)参照)に応じた幅(第1ビーム幅)に調整する。
The
なお、メニスカスレンズ24は、半球レンズ22から出射したレーザ光における、速軸方向のビーム幅を、上記幅Dに応じた幅に調整すればよいが、メニスカスレンズ24は、該速軸方向のビーム幅を、上記幅D以下で且つ該幅により近い値に調整することが好ましい。具体的には、分極反転領域30Aの幅Dが2.0mmの場合には、該ビーム幅を0.4mm以上2.0mm以下の範囲に調整することが好ましく、1.5mm以上2.0mm以下の範囲に調整することが更に好ましい。
The
メニスカスレンズ24は、詳細には、光入射面及び光出射面の双方が光入射側に突出した曲面の非球面レンズである。なお、このメニスカスレンズ24の光入射側の端部と、半球レンズ22の光入射側の端部とは、接触して配置されていてもよいし、非接触に配置されていてもよく、これらのレンズ間の距離は、レンズを固定する際の組付けホルダ機構に応じて調整すればよい。
Specifically, the
半球レンズ22の光出射側に、非球面レンズであるメニスカスレンズ24を配置することによって、半球レンズ22に入射したレーザ光は、半球レンズ22によって速軸方向成分をコリメートされた後に、メニスカスレンズ24によって上記幅Dに応じたビーム幅の平行光束に変換される。
By arranging a
なお、半球レンズ22を通過したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、半球レンズ22の球面収差によって完全な平行光束にならない場合がある。このため、メニスカスレンズ24は、半球レンズ22の球面収差を相殺するように設計することが好ましい。
The fast axis direction component included in the laser light that has passed through the
すなわち、メニスカスレンズ24は、メニスカスレンズ24の光入射面の曲面によって形成される凸レンズの焦点距離が、光出射面の曲面によって形成される凹レンズの焦点距離より長くなるように調整することによって、半球レンズ22から出射したレーザ光の速軸方向のビーム幅を、上記幅Dに応じた幅に調整する、といった特性を有するレンズとなっている。また、メニスカスレンズ24は、メニスカスレンズ24の光入射面の曲面形状を、光入射面を通過した後の光線が単一の焦点に集束するように調整することによって、半球レンズ22の球面収差を相殺するように設計されている。
That is, the
メニスカスレンズ24は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚(メニスカスレンズ24における光通過方向の最短長)、光入射面及び光出射面の曲率半径、光入射面及び光出射面の有効径、光入射面及び光出射面のコーニック定数、光入射面及び光出射面の非球面定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ10の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整する。
The
また、メニスカスレンズ24の材質は、光源の波長において透明かつ、非線形曲面の加工が可能であればよく、限定されないが、例えば、任意形状への切削加工が容易であることから、日本ゼオン株式会社製のZEONEX−480R等が挙げられる。
Further, the material of the
次に、コリメートレンズ28について説明する。
Next, the collimating
コリメートレンズ28は、入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分をコリメートするレンズである。
The collimating
光源12から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、上記コリメートレンズ26によってコリメートされて上記第1ビーム幅の平行光束に変換されるが、この変換されたレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、コリメートされていない。このため、コリメートレンズ26の光出射側に、コリメートレンズ28を配置することによって、コリメートレンズ26から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換することができる。
The fast-axis direction component included in the laser light emitted from the
コリメートレンズ28は、具体的には、光入射面が平面状であり、光出射面が光出射側に突出した曲面である非球面レンズである。そして、コリメートレンズ28の光出射側の曲面で遅軸方向成分にのみ凸レンズの機能を持たせることによって、コリメートレンズ28は、遅軸方向成分をコリメートするといった特性を有するレンズとなっている。
Specifically, the collimating
コリメートレンズ28は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚(コリメートレンズ28における光通過方向の最短長)、光出射面の曲率半径、光出射面の有効径、光出射面のコーニック定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ10の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整する。
The collimating
また、コリメートレンズ28の材質は、光源の波長において透明かつ、非線形曲面の加工が可能であればよく、限定されないが、例えば、任意形状への切削加工が容易であることから、日本ゼオン株式会社製のZEONEX−480R等が挙げられる。
The material of the collimating
次に、集光レンズ20について説明する。
Next, the
集光レンズ20は、コリメート光学ユニット18の光出射側に設けられている。集光レンズ20は、コリメート光学ユニット18から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させ、コア層30の光入射側端面に光結合させる。
The
本実施の形態では、集光レンズ20として、シリンドリカルレンズを用いている。該シリンドリカルレンズは、光入射面が光入射側に突出した曲面であり、光出射面が平面のレンズである。そして、本実施の形態では、このシリンドリカルレンズのNAをコリメートレンズ26のNAより大きくすることによって、レーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光する、といった特性を有するレンズとしている。
In the present embodiment, a cylindrical lens is used as the
集光レンズ20は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚(集光レンズ20における光通過方向の最短長)、光入射面の曲率半径、光入射面の有効径、光入射面のコーニック定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ10の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整すればよい。
The condensing
なお、集光レンズ20は、レーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層30の厚み(コア層30のY軸方向の長さ)に応じたビーム幅(遅軸方向の幅)で、コア層30の光入射側端面に光結合させることが好ましい。
The condensing
なお、コア層30の厚みに応じたビーム幅(遅軸方向の幅)とは、具体的には、コア層30の厚みの1.5倍以下であることが好ましく、コア層30の厚み以下であることが更に好ましい。また、更には、該コア層30の厚みに応じたビーム幅は、コア層30の厚みと一致することが特に好ましい。
The beam width (width in the slow axis direction) according to the thickness of the
このコア層30の光入射側端面に光結合したときの、レーザ光に含まれる遅軸方向成分の幅(遅軸方向の幅)は、集光レンズ20の開口数(NA)を調整することによって制御することができる。
The width of the slow axis component included in the laser light (width in the slow axis direction) when optically coupled to the light incident side end face of the
詳細は後述するが、レーザ光に含まれる遅軸方向成分はマルチモード発振している。しかしながら、特定の開口数(NA)を持つシリンドリカルレンズを集光レンズ20として用いることによって、コア層30の厚みに応じたビーム幅に、遅軸方向成分を集光させることができる。
Although details will be described later, the slow-axis direction component included in the laser light oscillates in multimode. However, by using a cylindrical lens having a specific numerical aperture (NA) as the condensing
この集光レンズ20に求められる開口数(NA)は、光源12から出射するレーザ光の遅軸方向(Y軸方向)の広がり角と、該レーザ光のビーム幅(遅軸方向の幅)と、から以下の式(2)を用いて求めることができる。
The numerical aperture (NA) required for the condensing
上記式(2)中、θbは、光源12から出射するレーザ光の遅軸方向(Y軸方向)の広がり角を示す、また、Wbは、光源12から出射するレーザ光の遅軸方向(Y軸方向)のビーム幅を示す。また、θcは、光偏向素子14のコア層30に光結合したときのレーザ光の遅軸方向(Y軸方向)の広がり角を示す。また、dは、光偏向素子14のコア層30に光結合したときのレーザ光の遅軸方向(Y軸方向)の幅を示す。
In the above formula (2), θ b indicates the spread angle in the slow axis direction (Y-axis direction) of the laser light emitted from the
例えば、上記θbを10°、上記Wbを200μm、上記dを20μmとする。この場合には、上記式(2)より、θcは約120°となる。 For example, θ b is 10 °, W b is 200 μm, and d is 20 μm. In this case, from the above equation (2), θ c is about 120 °.
集光レンズ20に求められる集光能力は、この広がり角θcを有するレーザ光を平行光束に変換する能力と同じであることから、集光レンズ20の開口数(NA)は、下記式(3)を満たす値であればよい。
Since the condensing capability required for the condensing
上述のように、例えば、θcが120°である場合には、集光レンズ20の開口数(NA)である0.87を超える値とすることによって、集光レンズ20は、入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分をコア層30の厚みに応じたビーム幅に集光させることができる。
As described above, for example, when θc is 120 °, the condensing
次に、出力光学ユニット16について説明する。
Next, the output
出力光学ユニット16は、光偏向素子14の光出射側に設けられており、光偏向素子14から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換する。本実施の形態では、出力光学ユニット16として、シリンドリカルレンズを用いている。出力光学ユニット16に用いられるシリンドリカルレンズは、光入射面が平面状であり、光出射面が光出射側に突出した曲面状のレンズである。そして、本実施の形態では、このシリンドリカルレンズの光出射面の曲面形状を非球面形状とすることによって、出力光学ユニット16は、入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換するといった特性を有するレンズとしている。
The output
この出力光学ユニット16は、上記特性を満たすレンズであれば、いかなるレンズであってもよく、中心肉厚(出力光学ユニット16における光通過方向の最短長)、光出射面の曲率半径、光出射面の有効径、光出射面のコーニック定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ10の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整すればよい。
The output
なお、出力光学ユニット16としては、上記集光レンズ20と同じレンズを用いることが好ましい。そして、上記集光レンズ20における光入射面側を光出射面とするように配置すればよい。
The output
出力光学ユニット16のシリンドリカルレンズとして、集光レンズ20と同じレンズを用いることによって、出力光学ユニット16から出射したレーザ光の発光ビームプロファイルを、光偏向素子14に入射するレーザ光の発光ビームプロファイルとほぼ同じにすることができる。
By using the same lens as the condensing
次に、レーザ光スキャナ10における作用を説明する。
Next, the operation of the
上述のように構成されたレーザ光スキャナ10では、光源12から出射したレーザ光は、コリメートレンズ26及びコリメートレンズ28を通過することによって、速軸方向成分が幅Dのレーザ幅の平行光束に変換された後に、遅軸方向成分が平行光束に変換される。すなわち、光源12から出射したレーザ光は、コリメート光学ユニット18を通過することによって、遅軸方向成分及び速軸方向成分の双方について平行光束に変換され、且つ速軸方向成分の幅が、分極反転領域30Aの幅Dに応じた幅に変換される。
In the
そして、コリメート光学ユニット18を通過したレーザ光は、集光レンズ20を通過することによって、該レーザ光に含まれる遅軸方向成分が集光され、コア層30の光入射側端面に光結合する。
Then, the laser light that has passed through the collimating
このため、光偏向素子14のコア層30の光入射側端面には、遅軸方向成分の該遅軸方向がコア層30の厚み方向と一致し(Y軸方向)、速軸方向成分の該速軸方向がコア層30の分極反転領域30Aの幅D方向(X軸方向)と一致するレーザ光が光結合する。また、該コア層30の光入射側端面には、速軸方向成分及び遅軸方向成分共に平行光束とされた後に、遅軸方向成分についてコア層30の厚み方向に集光させたレーザ光が、光結合する。
For this reason, the slow axis direction of the slow axis direction component coincides with the thickness direction of the core layer 30 (Y axis direction) on the light incident side end face of the
そして、光偏向素子14のコア層30の光入射側端面に光結合したレーザ光は、光偏向素子14によって偏向され、出力光学ユニット16を介して出射する。
The laser beam optically coupled to the light incident side end surface of the
ここで、光源12としての半導体レーザにおける、活性層12Aの露出端面は、厚み方向(X軸方向(速軸方向))の長さが、該露出端面における厚み方向に直交する方向(幅方向)(Y軸方向(遅軸方向))の長さより短い長方形状である。
Here, in the semiconductor laser as the
このため、活性層12Aの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向(X軸方向)のビーム幅は、遅軸方向(Y軸方向)のビーム幅に比べて小さい。また、活性層12Aの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向(X軸方向)の広がり角は、遅軸方向(Y軸方向)の広がり角に比べて大きい(図2参照)。
For this reason, the beam width in the fast axis direction (X-axis direction) included in the laser light immediately after being emitted from the exposed end face of the
光源12の構成にもよるが、例えば、活性層12Aの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向のビーム幅は1μm、速軸方向の広がり角は30°程度である。また、例えば、活性層12Aの露出端面から出射した直後のレーザ光における、遅軸方向のビーム幅は40μm〜400μm、遅軸方向の広がり角は10°程度である。
Although depending on the configuration of the
このように、活性層12Aの露出端面から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、遅軸方向成分に比べて狭い領域から出射するので、シングルモード発振する。一方、活性層12Aの露出端面から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、速軸方向成分に比べて広い領域から出射するので、レーザ光の波長に比べてビーム幅が大きくなり、マルチモード発振する。また、光源12の発光強度は、活性層12Aの露出端面における長辺側である遅軸方向(Y軸方向)の長さを長くすることによって大きくすることが行われており、発光強度を大きくするほど、遅軸方向成分は、よりマルチモード発振しやすい。具体的には、発光強度を高める観点から、特に、活性層12Aの露出端面における遅軸方向(Y軸方向)の幅を、40μmから400μmといった長さにすると、遅軸方向成分はマルチモード発振となる。
Thus, since the fast axis direction component contained in the laser light emitted from the exposed end face of the
なお、シングルモード発振とは、レーザ光束の横断面における強度分布が、中心で大きく周辺で確率分布的に小さくなるモードのレーザ発振を示す。また、マルチモード発振とは、レーザ光束の横断面における強度分布が、上記シングルモード以外のモードである発振を示す。そして、このマルチモード発振のレーザ光では、コヒーレンスが低下するため、集光性が悪く、シングルモード発振に比べてビーム品質に劣る。 Single mode oscillation refers to laser oscillation in a mode in which the intensity distribution in the cross section of the laser beam is large at the center and becomes probabilistic in the periphery. Multimode oscillation refers to oscillation in which the intensity distribution in the cross section of the laser beam is a mode other than the single mode. In this multimode oscillation laser beam, the coherence is lowered, so that the light condensing property is poor, and the beam quality is inferior to that in the single mode oscillation.
そして、光源12から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、シングルモード発振することから、速軸方向成分の発光ビームプロファイルはガウシアンビームに近い。一方、光源12から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、マルチモード発振するため発光ビームプロファイルを特定の関数では表すことはできない。
Since the fast axis direction component included in the laser light emitted from the
以上の理由から、従来では、光源12から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層30の光入射端面における厚み方向に直交する方向と一致させて、遅軸方向成分を平行光束に変換すると、遅軸方向成分が光偏向素子14における光偏向方向を担うことになり、光偏向素子14から出射する偏向したレーザ光の解像点数の低下を招いていた。
For the reasons described above, conventionally, the slow axis direction component included in the laser light emitted from the
また、従来では、反対に、光源12から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、光偏向素子14の厚み方向と一致させ、遅軸方向成分をコア層30の厚み方向に集光させた場合には、速軸方向成分に比べてビーム品質に劣る遅軸方向成分を集光させる必要があり、光利用効率の低下が生じていた。
In contrast, conventionally, the slow axis direction component included in the laser light emitted from the
一方、本実施の形態では、上述のように、レーザ光スキャナ10では、レーザ光スキャナ10を、コリメート光学ユニット18及び集光レンズ20を有する光結合光学ユニット19を備えた構成とし、コリメート光学ユニット18を、光入射側から順にコリメートレンズ26及びコリメートレンズ28を配置した構成としている。
On the other hand, in the present embodiment, as described above, in the
このため、光偏向素子14のコア層30の光入射側端面には、遅軸方向成分の該遅軸方向がコア層30の厚み方向と一致し(Y軸方向)、速軸方向成分の該速軸方向がコア層30の分極反転領域30Aの幅D方向(X軸方向)と一致するレーザ光が光結合する。
For this reason, the slow axis direction of the slow axis direction component coincides with the thickness direction of the core layer 30 (Y axis direction) on the light incident side end face of the
また、本実施の形態では、コリメートレンズ26は、光入射側から順に、半球レンズ22、及びメニスカスレンズ24を配列した構成である。
Further, in the present embodiment, the collimating
ここで、レーザ光に含まれる速軸方向成分を、光偏向素子14における分極反転領域30Aの幅Dに応じたビーム幅の平行光束に変換しようとすると、該幅Dに応じて、光源12の光出射側端面とコリメートレンズ26の光入射側端面とを極めて接近させて配置する必要がある。このため、コリメートレンズ26をレンズ一枚で構成することは実質的には困難である。
Here, if the fast axis direction component included in the laser light is to be converted into a parallel light flux having a beam width corresponding to the width D of the
しかし、本実施の形態のレーザ光スキャナ10では、コリメートレンズ26を、半球レンズ22とメニスカスレンズ24を含む構成とし、半球レンズ22でレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換した後に、メニスカスレンズ24によって速軸方向の幅を調整している。また、半球レンズ22の球面収差をメニスカスレンズ24によって相殺する。このため、コリメートレンズ26に入射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を、上記幅Dに応じた平行光束に変換することができる。従って、光偏向素子14の解像点数を高くすることができる。
However, in the
また、本実施の形態のレーザ光スキャナ10では、コリメートレンズ26の光出射側に、コリメートレンズ28が設けられている。また、コリメートレンズ26及びコリメートレンズ28を有するコリメート光学ユニット18の光出射側に、集光レンズ20が設けられている。
In the
このため、本実施の形態におけるレーザ光スキャナ10では、コア層30の光入射側端面には、速軸方向成分及び遅軸方向成分共に平行光束に変換された後に、遅軸方向成分についてコア層30の厚み方向に集光されたレーザ光が、光結合する。このため、高い光利用効率を実現することができる。
For this reason, in the
従って、本実施の形態の、レーザ光スキャナ10では、高い光利用効率及び高い解像点数を実現することができる。
Therefore, in the
また、本実施の形態のレーザ光スキャナ10では、発光強度を大きくするために光源12における活性層12Aの遅軸方向の幅をより大きくすることで、遅軸方向成分のマルチモード発振の度合が強くなった場合であっても、高い光利用効率及び高い解像点数を実現することができる。
Further, in the
また、本実施の形態のレーザ光スキャナ10では、上述した光結合光学ユニット19を備えた構成とすることによって、レーザ光スキャナ10の小型化を図ることが出来る。
Further, in the
なお、さらに、コリメート光学ユニット18を通過したレーザ光は、速軸方向成分及び遅軸方向成分共に平行光束となっていることから、コリメート光学ユニット18と集光レンズ20との間で、レーザ光の光路をミラーなどで折り返し、コリメート光学ユニット18から出射したレーザ光を該ミラーで折り返して集光レンズ20に入射させる構成としてもよい。
Furthermore, since the laser beam that has passed through the collimating
このような構成とすることで、レーザ光スキャナ10のさらなる小型化を図ることができる。
With such a configuration, the
なお、本実施の形態では、光偏向素子14におけるコア層30と、クラッド層32及びクラッド層34と、は、屈折率が異なっていることを説明したが、好ましくは、コア層30と、クラッド層32及びクラッド層34と、の屈折率は、集光レンズ20の開口数(NA)以上の開口数(NA)を有する光導波路31となるように調整することが好ましい。
In the present embodiment, it has been described that the
なお、光導波路31の開口数(NA)は、以下の式(4)で示すことができる。
The numerical aperture (NA) of the
上記式(4)中、n1は、コア層30の屈折率を示す。また、n2は、クラッド層32及びクラッド層34の屈折率を示す。
In the above formula (4), n 1 represents the refractive index of the
例えば、集光レンズ20の開口数(NA)が1.0に近い高NAレンズである場合には、光導波路31の開口数(NA)が1.0以上となるように、コア層30、クラッド層32、及びクラッド層34の屈折率を調整すればよい。この屈折率の調整は、これらの層の構成材料を適宜選択することによって行えばよい。例えば、コア層30の構成材料として、屈折率2.2のニオブ酸リチウムを用いた場合には、クラッド層32及びクラッド層34の構成材料としては、屈折率1.96以下の材料を選択すればよい。
For example, when the numerical aperture (NA) of the condensing
このように、集光レンズ20の開口数(NA)以上の開口数(NA)を有する光導波路31となるように、コア層30、クラッド層32、及びクラッド層34の屈折率を調整することによって、集光レンズ20を介してコア層30の光入射側端面に光結合したレーザ光が、コア層30とクラッド層32及びクラッド層34との界面で反射されずに、光導波路31の外部へと漏れることを抑制することができる。
In this way, the refractive indexes of the
すなわち、集光レンズ20によって遅軸方向成分を集光されたレーザ光は、大きな入射角度でコア層30の光入射側端面に光結合する。このため、コア層30とクラッド層32及びクラッド層34との屈折率差が小さく、光導波路31の開口数(NA)が集光レンズ20の開口数(NA)より小さいほど、コア層30内を伝播可能な角度より大きな伝播角度のレーザ光がコア層30の光入射側端面に光結合することとなる。このような光は、コア層30とクラッド層32及びクラッド層34との全反射条件を満たさないため、光導波路31の外部へと漏れてしまう。
That is, the laser light whose slow axis direction component is condensed by the condensing
しかし、集光レンズ20の開口数(NA)以上の開口数(NA)を有する光導波路31となるように、コア層30、クラッド層32、及びクラッド層34の屈折率を調整することによって、コア層30とクラッド層32及びクラッド層34との界面で反射されずに、光導波路31の外部へと漏れることを抑制することができる。このため、更に、高い光利用効率を実現することができる。
However, by adjusting the refractive indexes of the
(第2の実施の形態)
上記第1の実施の形態では、集光レンズ20が1枚のレンズである場合を説明した。一方、本実施の形態では、集光レンズ20が複数のレンズで構成されている場合を説明する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the case where the
図4には、本実施の形態のレーザ光スキャナ10Aの構成を模式的に示した。
FIG. 4 schematically shows the configuration of the
図4に示すように、本実施の形態のレーザ光スキャナ10Aは、光源12、光結合光学ユニット19A、光偏向素子14、及び出力光学ユニット16を含んでいる。光結合光学ユニット19Aは、コリメート光学ユニット18及び集光レンズ20Aを含んでいる。
As shown in FIG. 4, the
なお、本実施の形態のレーザ光スキャナ10Aは、第1の実施の形態で説明したレーザ光スキャナ10における集光レンズ20(図1参照)に変えて、集光レンズ20Aを設けた以外は、レーザ光スキャナ10と同じ構成である。このため、レーザ光スキャナ10Aにおいて、レーザ光スキャナ10と同じ機能及び構成である部材については同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。
The
集光レンズ20Aは、コリメート光学ユニット18の光出射側に設けられており、集光レンズ20と同じ特性を有する。すなわち、集光レンズ20Aは、コリメート光学ユニット18から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層30の厚みに応じたビーム幅(遅軸方向の幅)で、コア層30の光入射側端面に集光させる。
The
本実施の形態では、集光レンズ20Aは、光入射側から順に、非球面シリンドリカルレンズ21及び半円柱レンズ23を配列した構成である。
In the present embodiment, the condensing
半円柱レンズ23は、非球面シリンドリカルレンズ21と光偏向素子14との間に設けられており、コリメート光学ユニット18から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層30の厚み以下のビーム幅でコア層30の光入射側端面に集光させる。
The
半円柱レンズ23は、光入射面を、入射するレーザ光の遅軸方向に曲率を有する球面とし、光出射面を平面とした、半円柱状のレンズである。なお、半円柱レンズ23の光入射面は、光入射側に突出した曲面である。
The
なお、半円柱レンズ23は、半円柱レンズ23の光入射面の遅軸方向成分のみを球面とした構成とすることによって、光入射面から入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分をコア層30の厚みに応じたビーム幅(遅軸方向の幅)で、コア層30の光入射側端面に集光させる、といった特性を有するレンズとなっている。
The
なお、半円柱レンズ23は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚(半円柱レンズ23における光通過方向の最短長)、光入射面の曲率半径、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ10Aの構成に応じて上記特性を満たすように適宜調整する。
The
具体的には、半円柱レンズ23の光入射面の曲率半径は、レンズ材料の屈折率と集光レンズのNAの値に応じて、光束がレンズの有効径内に収まるように調整すればよい。例えば、集光レンズのNAが0.9を超える場合には、半円柱レンズ23の曲率半径としては、2.0mm以下の範囲が挙げられる。
Specifically, the radius of curvature of the light incident surface of the
半円柱レンズ23の材質は、光源波長において透明でかつ、屈折率が1.60以上程度の高屈折率材料であればよく、限定されないが、例えば、特に高屈折率高分散で高透過率を示すことから、株式会社オハラ社製のS−TIH53や、S−NPH53等が挙げられる。
The material of the
非球面シリンドリカルレンズ21は、コリメート光学ユニット18の光出射側で、且つ半円柱レンズ23の光入射側に設けられている。非球面シリンドリカルレンズ21は、半円柱レンズ23の球面収差を取り除く(相殺する)機能を有する。
The aspherical
具体的には、非球面シリンドリカルレンズ21は、光入射面を遅軸方向に曲率を有する曲面とし、光出射面を平面とした、非球面シリンドリカルレンズである。
Specifically, the aspherical
そして、この非球面シリンドリカルレンズ21の光入射面から入射した光束が集光レンズ20Aを通過した後、光偏向素子14の入射端面において微小領域に集光されるように非球面シリンドリカルレンズ21の曲面を調整することによって、非球面シリンドリカルレンズ21は、半円柱レンズ23の球面収差を相殺するように設計されている。
Then, the light beam incident from the light incident surface of the aspherical
非球面シリンドリカルレンズ21は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚(非球面シリンドリカルレンズ21における光通過方向の最短長)、光入射面の曲率半径、光入射面の有効径、光入射面のコーニック定数、光入射面の非球面係数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ10Aの構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整する。
The aspherical
また、非球面シリンドリカルレンズ21の材質は、光源の波長において透明かつ、非線形曲面の加工が可能であればよく、限定されないが、例えば、任意形状への切削加工が容易であることから、日本ゼオン株式会社製のZEONEX−480R等が挙げられる。
The material of the aspherical
以上説明したように、本実施の形態のレーザ光スキャナ10Aでは、集光レンズ20Aが、非球面シリンドリカルレンズ21と半円柱レンズ23とから構成されている。
As described above, in the
ここで、マルチモード発振する遅軸方向成分を、光偏向素子14のコア層30といった微小な領域に集光させるためには、非常に大きな開口数(NA)のシリンドリカルレンズを集光レンズ20Aとして採用することが求められる。このため、このような大きな開口数のレンズを、1枚のレンズによって構成すると、非球面の曲面が急となり、加工や面精度の点で難易度が高い場合がある。
Here, in order to condense the slow-axis direction component that oscillates in multimode onto a minute region such as the
一方、本実施の形態のレーザ光スキャナ10Aでは、集光レンズ20Aを、非球面シリンドリカルレンズ21及び半円柱レンズ23の2枚のレンズで構成する。そして、半円柱レンズ23によってレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させ、非球面シリンドリカルレンズ21によって半円柱レンズ23の曲面収差を相殺する。
On the other hand, in the
この半円柱レンズ23は、光入射面が曲面で一定の曲率半径を有するレンズであるため、容易に加工を行うことができる。また。半円柱レンズ23の光入射側に置かれた非球面シリンドリカルレンズ21は、半円柱レンズ23の球面収差を相殺するレンズであるため、その曲面は比較的緩い傾斜の面であり、加工が容易である。
Since the
このため、本実施の形態では、上記特性を有する集光レンズ20Aを、容易に実現することができる。
For this reason, in this Embodiment, the condensing
なお、本実施の形態では、集光レンズ20Aを、非球面シリンドリカルレンズ21及び半円柱レンズ23の2枚のレンズから構成した場合を示したが、出力光学ユニット16についても2枚のレンズから構成してもよい。
In the present embodiment, the case where the condensing
この場合には、出力光学ユニット16を、光入射側から順に、半円柱レンズ23及び非球面シリンドリカルレンズ21を配列した構成とすればよい。そして、半円柱レンズ23の平面側を光入射面とし、非球面シリンドリカルレンズ21の平面側を光入射面として配置すればよい。
In this case, the output
このようにすれば、出力光学ユニット16についても集光レンズ20Aと同様に、出力光学ユニット16の上述した特性を有するレンズとすることができる。
In this way, the output
以下に、上記実施の形態で説明したレーザ光スキャナ10Aについて、実施例により説明するが、レーザ光スキャナ10Aは、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
Hereinafter, the
(実施例1)
図7には、上記実施の形態で説明したレーザ光スキャナ10Aの具体的な構成の一例を示した。また、図8には、図7におけるコリメートレンズ26を拡大して示した。また、図9には、図7におけるコリメートレンズ28及び集光レンズ20Aを拡大して示した。
Example 1
FIG. 7 shows an example of a specific configuration of the
光源12には、波長870nmのレーザ光を出射するマルチモードLD(レーザ・ダイオード)を用いた。なお、該光源12の活性層12Aの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向のビーム幅は1μm、速軸方向の広がり角は30°程度であった。また、活性層12Aの露出端面から出射した直後のレーザ光における、遅軸方向のビーム幅は200μm、遅軸方向の広がり角は10°であった。
As the
光偏向素子14の光導波路31には、コア層30の構成材料としてニオブ酸リチウムを用い、クラッド層32及びクラッド層34の構成材料としてSiO2を用いた。また、コア層30の厚みは、20μmとした。
In the
また、コア層30における分極反転領域30Aの幅D(図3(B)参照)は、2.0mmであった。
The width D (see FIG. 3B) of the domain-inverted
なお、半球レンズ22、及びメニスカスレンズ24は、図5に示す仕様のレンズを用いた(図5における「半球レンズ」及び「メニスカスレンズ」の行参照)。また、コリメートレンズ28についても、図5に示す仕様のレンズを用いた(図5における「遅軸方向コリメートレンズ」の行参照)。なお、メニスカスレンズ24の光入射面の形状は、光源12から15mmの地点で完全集光するように設計した。
In addition, the
また、非球面シリンドリカルレンズ21及び半円柱レンズ23としては、図6に示す仕様のレンズを用いた(図6における「非球面シリンドリカルレンズ」及び「半円柱レンズ」の行参照)。
Further, as the aspherical
そして、各レンズ間の距離は、図7〜図9に示す距離とした。 And the distance between each lens was made into the distance shown in FIGS.
具体的には、光源12の光出射側端面と半球レンズ22との距離は、1.6mmとした。また、半球レンズ22の光入射側端面とメニスカスレンズ24の光出射側端面との距離を、10.2mm(11.8−1.6=10.2)とした。また、メニスカスレンズ24の光出射側端面とコリメートレンズ28との距離を18.2mm(30.0−11.8=18.2)とした。また、コリメートレンズ28の光入射側端面と非球面シリンドリカルレンズ21の光入射側端面との距離を5mmとした。また、非球面シリンドリカルレンズ21の光入射側端面と半円柱レンズ23の光出射側端面との距離を5.3mmとした。そして、半円柱レンズ23の光出射側端面と、出力光学ユニット16の光出射側端面との距離を、25.3mmとした。同様にして、各レンズ間の距離を、図8及び図9に示す関係に定めた。
Specifically, the distance between the light emitting side end face of the
図5〜図9に示す構成のレーザ光スキャナ10Aの、光源12からレーザ光を出射すると、図7及び図8に示すように、レーザ光は、半球レンズ22を通過することによって速軸方向成分を平行光束に変換されて、速軸方向のビーム幅3.0mmの平行光束となった。そして、さらに、メニスカスレンズ24を通過することによって、速軸方向のビーム幅1.4mmの平行光束となった(図8参照)。
When the laser light is emitted from the
一方、コリメートレンズ26を通過したレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、図7に示すように、平行光束とはならず、広がり角をもっていた。
On the other hand, the slow-axis direction component included in the laser light that has passed through the
そして、コリメートレンズ26を通過したレーザ光は、光源12から30mm離れた位置に設置されたコリメートレンズ28を通過することによって、遅軸方向成分もまた平行光束に変換された(図7及び図9参照)。そして更に、集光レンズ20Aを通過することによって、レーザ光に含まれる遅軸方向成分が、遅軸方向成分のビーム幅20μm程度に集光されて、光偏向素子14のコア層30に光結合した(図7及び図9参照)。
Then, the laser beam that has passed through the collimating
なお、光偏向素子14の光利用効率を、光線追跡シミュレーションによって算出したところ、94%であった。
The light utilization efficiency of the
また、光偏向素子14の解像点数を式(1)で与えられる光偏向の偏向角を速軸方向成分のビーム広がり角で割ることによって算出したところ、L=20mm、Δn=3.7×10−3、速軸方向成分のビーム幅=1.5mmのとき、解像点数は100点であった。
Further, when the number of resolution points of the
このため、高い光利用効率及び高い解像点数の実現を確認することができた。 For this reason, the realization of high light utilization efficiency and high resolution points could be confirmed.
また、本実施例1においては、図7〜図9に示すように、光源12から出射したレーザ光が出力光学ユニット16から出力されるまでの距離は、65.6mmである。このため、この光学系を含むレーザ光スキャナ10Aのモジュールサイズは実用上問題ない程度の大きさであることを確認することができた。
In the first embodiment, as shown in FIGS. 7 to 9, the distance until the laser light emitted from the
(比較実施例1)
図10に一般的な従来構成のレーザ光スキャナの概略図を示した(図10の、レーザ光スキャナ100参照)。図10に示すように、比較実施例1では、実施例1における半球レンズ22及びメニスカスレンズ24に代えて、コリメートレンズ102を用いた。また、実施例1におけるコリメートレンズ28に代えて、集光シリンドリカルレンズ104を用いた。光変更素子14としては、実施例1と同じものを用いた。また、出力光学ユニット106としては、実施例1と同じ出力光学ユニット16を用いた。
(Comparative Example 1)
FIG. 10 shows a schematic diagram of a laser beam scanner having a general conventional configuration (see the
また、レーザダイオードについては、実施例1で用いたレーザダイオードと同じものを用いた。 Further, the same laser diode as that used in Example 1 was used as the laser diode.
比較実施例1におけるレーザ光スキャナ100をこのように構成することによって、本比較実施例1では、レーザダイオードから放出された発散光は、コリメートレンズ102によって平行光束に変換され、集光シリンドリカルレンズ104によって遅軸方向成分のみを集光されて、光導波路構造からなる光偏向素子14内部に導かれることが確認された。また、光偏向素子14から出力された光は遅軸方向に大きな広がり角を有するが、出力光学系106により平行光束に変換され、レーザ光スキャナ100からの出力として放出されることが確認された。
By configuring the
ここで、比較実施例1におけるレーザダイオードから出力された速軸方向成分の広がり角を30°と仮定すると、3.0mmの焦点距離を有するレンズをコリメートレンズ102として採用すると、速軸方向のビーム幅は約1.6mmとなり、分極反転領域の幅(図3(B)中、幅D参照)に対して好適であった。しかし、遅軸方向成分は完全には平行光束に変換されず、ある程度の広がり角を持つ。この遅軸方向成分は、集光シリンドリカルレンズ104によって集光されるが、集光シリンドリカルレンズ104では、平行光束ではない遅軸方向成分を集光することになるため、光偏向素子14を構成する光導波路のコア厚に相当するような微小領域に集光することは困難であることが確認された。
Here, assuming that the divergence angle of the fast axis direction component output from the laser diode in Comparative Example 1 is 30 °, when a lens having a focal length of 3.0 mm is adopted as the
すなわち、比較実施例1においては、光偏向素子14の光利用効率を、光線追跡シミュレーションによって算出したところ、20%以下であった。
That is, in Comparative Example 1, the light utilization efficiency of the
なお、比較実施例1の構成のレーザ光スキャナ100において、速軸方向成分を導波路のコア厚方向に設定することにより光利用効率を向上させることも可能であるが、この場合には、ビーム品質の劣悪な遅軸方向成分がビーム偏向される方向となる。一般的にマルチモード発振レーザダイオードについてはそのビーム広がり角がシングルモード発振のビーム広がり角の10〜100倍程度と大きいことが知られている。これはレーザ光スキャナの解像点数を1/10〜1/100程度に低減させることに等しい。すなわち、実施例1におけるレーザ光スキャナの解像点数が100点程度であったの対して、比較実施例1の構成では解像点数が1点〜10点程度と低減するといえる。
In the
従って、比較実施例1の構成のレーザ光スキャナは、実施例1の構成のレーザ光スキャナに比べて、高光利用効率と高解像点数を両立することは出来ないといえる。 Therefore, it can be said that the laser light scanner having the configuration of Comparative Example 1 cannot achieve both high light utilization efficiency and a high resolution point as compared with the laser light scanner having the configuration of Example 1.
10、10A レーザ光スキャナ
12 光源
14 光偏向素子
18 コリメート光学ユニット
19 光結合光学ユニット
20、20A 集光レンズ
22 半球レンズ
24 メニスカスレンズ
26 コリメートレンズ
28 コリメートレンズ
30 コア層
30A 分極反転領域
31 光導波路
32、34 クラッド層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換する第2コリメートレンズと、
前記遅軸方向を厚み方向とし前記速軸方向を光偏向方向とするコア層及び前記コア層を挟む一対のクラッド層を有する光偏向素子と、
前記第2コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させて該レーザ光を前記コア層の光入射側端面に光結合させる集光レンズと、
を備え、
前記光偏向素子の前記コア層は、印加された電圧に応じて光屈折率が変化し、かつ、レーザ光の前記速軸方向に所定の幅を持つ屈折率変化領域を有し、
前記第1コリメートレンズは、光入射側が平面に形成され且つ光出射側が球面に形成された半球レンズと、前記半球レンズの光出射側に設けられたメニスカスレンズと、を有し、
前記メニスカスレンズは、前記半球レンズから出射したレーザ光の前記速軸方向のビーム幅を前記屈折率変化領域の前記速軸方向の前記所定の幅に応じたビーム幅に調整するレーザ光スキャナ。 A first collimator lens for converting the fast axis direction component contained in the laser beam emitted from the light source to a flat Yukimitsu bundle,
A second collimating lens that converts a slow axis direction component included in the laser light emitted from the first collimating lens into a parallel light beam;
An optical deflection element having a core layer having the slow axis direction as a thickness direction and the fast axis direction as an optical deflection direction and a pair of cladding layers sandwiching the core layer;
A condensing lens that condenses a slow axis direction component included in the laser light emitted from the second collimating lens and optically couples the laser light to the light incident side end surface of the core layer;
With
The core layer of the light deflection element has a refractive index change region having a predetermined width in the fast axis direction of the laser beam, the light refractive index changing according to an applied voltage.
The first collimating lens, possess a hemispherical lens the light incident side is formed on the plane and the light emitting side is formed in a spherical, and a meniscus lens provided on the light emitting side of the hemispherical lens,
The meniscus lens is a laser light scanner that adjusts the beam width in the fast axis direction of the laser light emitted from the hemispherical lens to a beam width corresponding to the predetermined width in the fast axis direction of the refractive index change region .
前記光導波路の開口数は、前記集光レンズの開口数以上である請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のレーザ光スキャナ。 The optical deflection element has an optical waveguide having the core layer and the cladding layer,
Numerical aperture of the optical waveguide, the laser beam scanner according to any one of claims 1 to 3 is equal to or greater than the numerical aperture of the condenser lens.
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