本公开涉及对从激光源射出的激光光线的光强度分布进行变换并照射到照射区域的光束强度变换光学系统以及光束强度变换透镜。
背景技术：
从激光源输出的激光光线的光强度分布为高斯分布。并且，研究了用于将激光光线中的高斯型的光强度分布变换为平顶型的光强度分布的光束强度变换光学系统。另外，所谓本公开中的平顶型的光强度分布，表示激光光线中的所希望区域内的光强度分布的位移宽度为峰值强度的10％以内。
作为使用光束强度变化光学系统的一个例子，存在激光激励光源。激光激励光源通过将从光束强度变换光学系统射出的激光光线照射到荧光体从而被激励白色光。光束强度变换光学系统包含激光源，将从激光源射出的具有高斯型的光强度分布的激光光线变换为平顶型的激光光线，并照射到荧光体。换句话说，照射到荧光体的激光光线具有平顶型的光强度分布，针对荧光体的光强度的集中被抑制。
以往的光束强度变换光学系统从激光源向荧光体，依次配置准直透镜、透镜阵列、物镜。准直透镜使从激光源射出的发散光变换为平行光。透镜阵列使具有高斯型的光强度分布的激光光线的光强度分布变换为平顶型的光强度分布。聚光透镜使穿过了透镜阵列的激光光线照射到荧光体的照射区域。
另外，作为与本申请的发明有关的在先技术文献信息，例如已知专利文献1。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：jp特开2003-255262号公报
技术实现要素：
本公开中的光束强度变换光学系统的一方式具备激光源和光束强度变换透镜，光束强度变换透镜是单片构造，并且，在激光光线的光轴上，光束强度变换透镜的近轴像面的位置与照射区域的位置不同。
此外，本公开中的光束强度变换透镜的一方式在光束强度变换透镜的近轴像面处的纵向球面像差特性中，比70％像高更靠外侧的纵向球面像差的位移宽度为70％像高处的纵向球面像差量的20％以内。
通过该结构，能够减少部件数量来提供光束强度变换光学系统以及光束强度变换透镜。
附图说明
图1是示意性地表示具备本公开的一实施方式中的光束强度变换光学系统的激光激励光源的图。
图2表示构成本公开的一实施方式中的光束强度变换光学系统的光束强度变换透镜中的纵向球面像差特性的图。
图3是表示与本公开的一实施方式对应的实施例1的光束强度变换透镜中的纵向球面像差特性的图。
图4是表示与本公开的一实施方式对应的实施例1的光束强度变换光学系统的照射区域中的光强度分布的图。
图5是表示与本公开的一实施方式对应的实施例2的光束强度变换透镜中的纵向球面像差特性的图。
图6是表示与本公开的一实施方式对应的实施例2的光束强度变换光学系统的照射区域中的光强度分布的图。
图7是表示本公开的一实施方式中的比较例1的光束强度变换透镜中的纵向球面像差特性的图。
图8是表示本公开的一实施方式中的比较例1的光束强度变换光学系统的照射区域中的光强度分布的图。
图9是表示本公开的一实施方式中的比较例2的光束强度变换透镜中的纵向球面像差特性的图。
图10是表示本公开的一实施方式中的比较例2的光束强度变换光学系统的照射区域中的光强度分布的图。
具体实施方式
在上述的光束强度变换光学系统中，对于激光源，至少需要透镜阵列、准直透镜和聚光透镜，光束强度光学系统的部件数量变多。其结果，在光束强度变换光学系统的组装中针对激光源的各透镜结构的光轴调整比较麻烦。此外，光束强度变换光学系统难以小型化。
以下，使用附图来对本公开的一实施方式进行说明。另外，以下说明的实施方式均表示本公开的优选的一具体例。因此，以下的实施方式所示的数值、形状、材料、结构要素、结构要素的配置以及连接方式等是一个例子，并不是限定本公开的主旨。因此，对于以下的实施方式中的结构要素之中、未记载于表示本发明的最上位概念的独立权利要求的结构要素，说明为任意的结构要素。
图1表示通过向荧光体2照射激光光线1来使荧光体2激励白色光的激光激励光源。激光激励光源具有光束强度变换光学系统3和荧光体2。光束强度变换光学系统3具有激光源4和光束强度变换透镜5。激光源4中使用激光二极管。光束强度变换透镜5具有：将从激光源4射出的发散光变换为平行光的功能、将激光光线1中的高斯型的光强度分布变换为平顶型的光强度分布的功能、和将被变换为平顶型的光强度分布的激光光线1向作为照射区域6的荧光体2照射的功能。另外，所谓平顶型的光强度分布，表示将激光光线1的光强度分布中的所希望区域内的位移宽度设为峰值强度的10％以内。
并且，光束强度变换光学系统3中的光束强度变换透镜5是由单一的透镜构成的所谓的单片透镜。此外，光束强度变换光学系统3在激光光线1的光轴8上，使光束强度变换透镜5的近轴像面7的位置与照射区域6的位置不同。
另外，通过针对包含单透镜的光束强度变换透镜5，进行针对入射光的倍率设定，能够使光束强度变换透镜5实现准直透镜功能和聚光透镜功能。此外，通过使光轴8上的近轴像面7的位置与照射区域6的位置不同，能够利用包含单透镜的光束强度变换透镜5所具有的纵向球面像差特性并调节光强度分布。
另外，在聚光透镜这种聚光光学系统中，一般使照射区域6和近轴像面7在光轴8上一致。但是，在该情况下，在近轴像面7的位置，激光光线1的聚光程度较高，难以实现激光光线1的光强度分布的均匀化。另一方面，通过使照射区域6与近轴像面7分离，容易实现光强度分布的均匀化。例如，在图1中，照射区域6的位置被配置于比近轴像面7的位置更靠后方的位置。在该情况下，在近轴像面7聚光的激光光线1在到照射区域6为止的之间被分散。换句话说，在照射区域6，激光光线1的光强度分布的峰值被减少。其结果，容易实现激光光线1的光强度分布的均匀化。此外，在如图1中虚线所示那样使照射区域6配置于比近轴像面7的位置更靠前方的位置的情况下，成为激光光线1在照射区域6未充分聚光的状态。换句话说，在照射区域6，激光光线1的光强度分布的峰值被减少。其结果，容易实现激光光线1的光强度分布的均匀化。
图2表示光束强度变换透镜5中的纵向球面像差特性。图2中的纵轴表示使光束强度变换透镜5的入射光瞳半径标准化。纵轴中的0表示激光光线1的光轴8穿过的透镜中心的位置，1.0表示透镜有效直径的位置。
图2中的横轴表示光束强度变换透镜5的纵向球面像差量。
比光束强度变换透镜5的70％像高更靠的外侧的区域中的纵向球面像差的位移宽度也可以设为70％像高的纵向球面像差量的20％以内。另外，所谓比70％像高更靠外侧的区域，表示图2中的纵轴的0.7到1.0的范围。纵向球面像差特性中的比70％像高更靠外侧的区域是一般的光学设计中纵向球面像差量变大的部分。换句话说，是形成光强度分布中的高斯分布的周边区域的范围。但是，在光束强度变换透镜5的光学设计中，通过对形成高斯分布的周边的比70％像高更靠外侧的区域中的纵向球面像差特性进行控制，能够修正激光光线1的光强度分布。换句话说，能够将激光光线1中的高斯型的光强度分布变换为平顶型。
此外，光束强度变换透镜5的纵向球面像差特性中从光轴8到70％像高之间的纵向球面像差特性的推移也可以逐渐变化。所谓逐渐变化，表示逐渐增加或者逐渐减少。在从透镜中心到70％像高之间，纵向球面像差量的推移中不包含符号反转。
接下来，表示使用了光束强度变换透镜5的光束强度变换光学系统3的实施例和比较例。另外，从光束强度变换光学系统3中的激光源4射出的激光光线1的波长为450nm。激光光线1中，平顶化的所希望区域设为以光轴8为中心的半径0.15mm的范围。将激光源4与光束强度变换透镜5的间隔设为a，将光束强度变换透镜5的厚度设为b，将光束强度变换透镜5与近轴像面7的间隔设为c，将近轴像面7与照射区域6的间隔设为d。此外，光束强度变换透镜5是非球面形状的单透镜构造。形成光束强度变换透镜5的玻璃材料的折射率n在波长450nm的情况下为1.65。光束强度变换透镜5的非球面形状通过下式而被赋予。
【式1】
其中，各符号的意义如下。
x：距离光轴的高度为h的非球面上的点的非球面顶点的距离切平面的距离
h：距离光轴的高度
cj：物镜的第j面的非球面顶点的曲率(cj＝1/rj)
kj：物镜的第j面的圆锥常量
aj，n：物镜的第j面的n次的非球面系数
(实施例1)
实施例1是在图1所示的光束强度变换光学系统3中，照射区域6被配置于比近轴像面7更靠后方的位置的光束强度变换光学系统3。表1中表示实施例1中的光束强度变换透镜5的设计数据。
【表1】
图3中表示实施例1中的光束强度变换透镜5的近轴像面7的纵向球面像差特性。图4中表示实施例1中的光束强度变换光学系统3的照射区域6的光强度分布。另外，图4中的纵轴表示光强度，表示将峰值标准化为1.0的光强度的值。横轴表示激光光线1的激光光线路径。
如图3所示，光束强度变换透镜5的纵向球面像差在从光轴8到70％像高的范围内逐渐增加。此外，70％像高处的近轴像面7的纵向球面像差量为+0.07mm。比70％像高更靠外侧的近轴像面7的纵向球面像差量的最小值为+0.068mm。比70％像高更靠外侧的近轴像面7的纵向球面像差量的最大值为+0.08mm。因此，比70％像高更靠外侧的范围内的纵向球面像差的位移宽度为0.012mm。换句话说，该光束强度变换透镜5的比70％像高更靠外侧的范围内的纵向球面像差的位移宽度为70％像高的纵向球面像差量的20％以内。
并且，从该光束强度变换透镜5向照射区域6照射的激光光线1的光强度分布特性如图4所示，所希望区域内的光强度分布的最小值为0.965。换句话说，使用了该实施例1的光束强度变换透镜5的光束强度变换光学系统3在照射区域6中表示良好的平顶型的光强度分布。
(实施例2)
实施例2是在图1所示的光束强度变换光学系统3中，照射区域6被配置于比近轴像面7更靠前方的位置的光束强度变换光学系统3。表2中表示实施例2中的光束强度变换透镜5的设计数据。
【表2】
图5中表示实施例2中的光束强度变换透镜5的近轴像面7的纵向球面像差特性。图6中表示实施例2中的光束强度变换光学系统3的照射区域6的光强度分布。另外，图6中的纵轴表示光强度，通过将光强度的峰值标准化为1.0的值来表示。横轴表示激光光线1的激光光线路径。
如图5所示，光束强度变换透镜5的纵向球面像差在从光轴8到70％像高的范围内逐渐减少。此外，70％像高处的近轴像面7的纵向球面像差量为-1.4mm。比70％像高更靠外侧的近轴像面7的纵向球面像差量的最小值为-1.51mm。比70％像高更靠外侧的近轴像面7的纵向球面像差量的最大值为-1.4mm。因此，比70％像高更靠外侧的范围内的纵向球面像差的位移宽度为0.11mm。换句话说，该光束强度变换透镜5的比70％像高更靠外侧的范围内的纵向球面像差的位移宽度为70％像高处的纵向球面像差量的20％以内。
并且，从该光束强度变换透镜5向照射区域6照射的激光光线1的光强度分布特性如图6所示，所希望区域内的光强度分布的最小值为0.960。换句话说，使用了该实施例2的光束强度变换透镜5的光束强度变换光学系统3在照射区域6表示良好的平顶型的光强度分布。
(比较例1)
比较例1是在图1所示的光束强度变换光学系统3中，照射区域6被配置于比近轴像面7更靠后方的位置的光束强度变换光学系统3。表3中表示比较例1中的光束强度变换透镜5的设计数据。
【表3】
图7中表示比较例1中的光束强度变换透镜5的近轴像面7的纵向球面像差特性。图8中表示比较例1中的光束强度变换光学系统3的照射区域6的光强度分布。另外，图8中的纵轴表示光强度，通过将光强度的峰值标准化为1.0的值来表示。横轴表示激光光线1的激光光线路径。
如图7所示，光束强度变换透镜5的纵向球面像差在从光轴8到70％像高的范围内逐渐增加。此外，70％像高处的近轴像面7的纵向球面像差量为+0.054mm。比70％像高更靠外侧的近轴像面7的纵向球面像差量的最小值为+0.02mm。比70％像高更靠外侧的近轴像面7的纵向球面像差量的最大值为+0.11mm。因此，比70％像高更靠外侧的近轴像面7的纵向球面像差的位移宽度为0.09mm。换句话说，超过70％像高处的纵向球面像差量的20％的范围。
并且，从该光束强度变换透镜5向照射区域6照射的激光光线1的光强度分布特性如图8所示，所希望区域内的光强度分布的最小值为0.858。换句话说，使用了该比较例1的光束强度变换透镜5的光束强度变换光学系统3在照射区域6不能得到良好的平顶型的光强度分布。
(比较例2)
比较例2是图1所示的光束强度变换光学系统3中的照射区域6被配置于比近轴像面7更靠后方的位置的光束强度变换光学系统3。表4中表示比较例2中的光束强度变换透镜5的设计数据。
【表4】
图9中表示比较例2中的光束强度变换透镜5的近轴像面7处的纵向球面像差特性。图10中表示比较例2中的光束强度变换光学系统3的照射区域6的光强度分布。另外，图10中的纵轴表示光强度，通过将光强度的峰值标准化为1.0的值来表示。横轴表示激光光线1的激光光线路径。
如图9所示，光束强度变换透镜5中的纵向球面像差在从光轴8到70％像高的范围内不逐渐变化。此外，在入射光瞳半径为0.27时和0.49时，纵向球面像差值的符号反转。此外，70％像高处的近轴像面7的纵向球面像差量为+0.065mm。比70％像高更靠外侧的近轴像面的纵向球面像差量的最小值为+0.065mm。比70％像高更靠外侧的近轴像面的纵向球面像差量的最大值为+0.071mm。因此，比70％像高更靠外侧的近轴像面7的纵向球面像差量的位移宽度为0.006mm。换句话说，为70％像高处的纵向球面像差量的20％以内。
并且，从该光束强度变换透镜5向照射区域6照射的激光光线1的光强度分布特性如图10所示，所希望区域内的光强度分布的最小值为0.645。换句话说，使用了该比较例2的光束强度变换透镜5的光束强度变换光学系统3在照射区域6，不能得到良好的平顶型的光强度分布。
以上，基于两个实施例和两个比较例，对光束强度变换光学系统以及光束强度变换透镜进行了说明，但本公开并不限定于这两个实施例的方式。只要不脱离本公开的主旨，对本实施方式实施了本领域的技术人员想到的各种变形的方式、将不同实施方式中的结构要素组合而构建的方式也可以包含于一个或者多个方式的范围内。
产业上的可利用性
本公开中的光束强度变换光学系统以及光束强度变换透镜例如在激光激励光源用途中有用。
-符号说明-
1激光光线
3光束强度变换光学系统
4激光源
5光束强度变换透镜
6照射区域
7近轴像面
8光轴