JP2980938B2 - 半導体レーザー光を集光するためのレンズ系 - Google Patents

半導体レーザー光を集光するためのレンズ系

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体レーザー（以下、LDと称する）、と
くにワット級の高出力LDの出力を光ファイバー端面やピ
ンホールなどに集光するためのレンズ系に関するもので
ある。
［従来の技術］ 最近、1w級のGaAlAs系高出力LDが商品化され始めてい
る。これらの高出力LDの光学特性について第２図を用い
て説明する。LD1は通常は図示しないパッケージに入っ
た形で供給され、レーザー光は該パッケージのウィンド
ウから射出される。以下最大出力1wのLDの場合の典型的
な数値を示すと、発光領域の大きさはLDの射出窓15の長
手方向（以下、平行方向と称する）でａ＝200μｍ、こ
の射出窓15の長手方向と垂直な方向（以下、垂直方向と
称する）でｂ＝１μｍであり、また遠視野像16の大き
さ、即ちビーム拡がり角は、FWHM（半値全幅）で表すと
平行方向でθ ＝10゜、垂直方向でθ⊥＝40゜程度であ
る。ここで、垂直方向は、射出窓15がｂ＝１μｍでほぼ
点光源と見なせるが、平行方向では、ａ＝200μｍと拡
がっている上、空間的コヒーレントではなく、フィラメ
ント的発光に近いものとなっており、高出力LDの出力を
小スポットに絞る際の大きな障害となっている。
高出力LDの集光用レンズ系としては、従来以下に説明
する２つの方式が知られている。
まずは、第１の方式を第３図を参照しつつ説明する。
第３図（ａ）は垂直方向のレンズ系断面図で、LD1の射
出窓15はコリメーションレンズ20とフォーカシングレン
ズ22によって集光面７に投影される。第３図（ｂ）は、
平行方向レンズ系断面図で、コリメーションレンズ20の
焦点23でLD1の遠視野像16が像として結像し、この像を
さらに平行方向のみ収束作用をもつ円柱レンズ21とフォ
ーカシングレンズ22で集光面７に投影している。
次に第２の方式を第４図を参照しつつ説明する。第４
図（ａ）は、垂直方向のレンズ系断面図で、LD1の射出
窓15は、上記第１の方式と同じくコリメーションレンズ
25とフォーカシングレンズ27によって集光面７に投影さ
れる。第４図（ｂ）は、平行方向のレンズ系断面図で、
LD1の射出窓15は、垂直方向と同じくコリメーションレ
ンズ25とフォーカシングレンズ27により集光面７に投影
されるが、一対のプリズム26より成るビームイクスパン
ダーが挿入されているため垂直方向より投影倍率は低く
なっている。
［発明が解決しようとする課題］ まず、従来技術第１の方式の問題点を説明する。ここ
では、平行方向において集光面７にLD1の遠視野像16を
投影しているので、スポット８の平行方向の大きさは遠
視野像16の平行方向の大きさ、即ち平行方向のビーム拡
がり角θ で決まる。しかし、このθ は一般に光出力
を大きくしていくと拡がっていく性質を有し、集光面７
に光ファイバーの入射側端面をおいたり、ピンホールを
おいたりする構成をとった場合、LD1の光出力を上げて
いくにつれて光ファイバー、あるいは、ピンホールの透
過率が下がっていくという問題がある。
ちなみに、第２の方式では、垂直方向、平行方向共に
集光面７にLD1の射出窓15を投影しており、端面２にお
ける射出窓15の大きさは光出力を上げていってもほとん
ど変わらないことから、スポット８の大きさもほとんど
変化しない。
次に従来技術第２の方式の問題点を説明する。例え
ば、集光面７に光ファイバーの端面あるいはピンホール
を置き、光ファイバーの出射端面あるいはピンホールの
後にさらにレンズ系を設置するといった応用をした場
合、集光面７における光束の開口数が小さければ光ファ
イバーあるいはピンホールから射出する光束の開口数も
小さく、従ってそれらの後に設置するレンズ系の開口数
が小さくて済むなど集光面７における光束の開口数が小
さいということは有利な場合が多いが、第２の方式で
は、以下に述べる理由により集光面７における光束の開
口数が平行方向で大きくなっている。第５図はLD1の平
行方向の断面図であるが、光軸AFから外れた発光点Ｂか
らの光束の輪郭BC、BGに関しては、光軸AF上の発光点Ａ
からの光束の輪郭をAD、AHとしたとき、BCとADおよびBG
とAHが平行であり、Ｂからの光束の主光線は光軸AFと平
行なBEであると考えることができる。集光面７に集光す
る光束のうち、軸上の発光点Ａから発した光束の開口数
は、Ａから射出する光束の開き角∠DAHとレンズ系の投
影倍率だけで決まるものであり、集光面７における全光
束の開口数もこれ以下にすることはできないが、主光線
BEを集光面７において光軸と平行にすること、つまり、
レンズ系を平行方向で望遠鏡光学系とすることにより全
光束の開口数を発光点Ａからの光束の開口数にまで小さ
くすることができる。逆にいえば、レンズ系が望遠鏡光
学系でないということは集光面７における光束の開口数
が無駄に大きくなっていることになる。第２の方式にお
いて第４図（ｂ）に示す平行方向で望遠鏡光学系とする
ためにはコリメーションレンズ25とフォーカシングレン
ズ27を焦点が一致するように配置する他ないが、通常こ
れらのレンズは焦点距離の短いレンズを使用しており、
さらに、両レンズ間にビームイクスパンダー26を挿入し
なければならないので、その様な配置にすることが困難
であり、集光面７における光束の開口数が大きくなって
しまう。以上、平行方向についてのべたが、垂直方向に
ついては発光領域が点光源と見なせるので主光線につい
て考慮する必要はない。
本発明は、上記欠点に鑑み案出されたもので、高出力
LDの小スポットへの集光において、小さな開口数の光束
で集光することができるレンズ系を提供することを技術
課題とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体レーザー光を集光するためのレンズ系
は、半導体レーザーの射出窓と集光面との間に位置しレ
ーザー光を集光するレンズ系において、該半導体レーザ
ーの射出窓の長手方向と平行な方向に関して、前記射出
窓と前記集光面とが共役であるとともに、該平行な方向
に関して望遠鏡光学系を構成し、前記射出窓の長手方向
と直交する方向に関して、前記射出窓と前記集光面とが
共役であるが、該直交する方向に関して望遠鏡光学系を
構成しないことを特徴とする。
また、半導体レーザーの射出窓と集光面との間に位置
しレーザー光を集光するレンズ系において、半導体レー
ザーの側から順次、収束作用を持つ第１レンズ、収束作
用を持つ第２レンズ、前記射出窓の長手方向と平行な方
向にのみ収束作用を持つ第３レンズと配置され、前記射
出窓の長手方向と平行な方向に関して前記射出窓を第１
レンズ、第２レンズ、第３レンズによって集光面に結像
し、かつ該方向に関して第２レンズによって第１レンズ
の集光面側の焦点と、第３レンズの半導体レーザー側の
焦点とを共役としたことを特徴とする。
また、前記第１レンズと第３レンズとの間に前記半導
体レーザーの射出窓の長手方向に垂直な方向にのみ発散
作用をもつ第４レンズを設け、該方向においても前記射
出窓と集光面とを共役としたことを特徴とする。
［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図に基づいて説明する。
第１図（ａ）は垂直方向のレンズ系断面図であり、第
１図（ｂ）は平行方向のレンズ系断面図である。
１はLDであり、２はその端面を示す。LD1の射出窓15
から出射したレーザー光はコリメーションレンズ３、凸
レンズ４、円筒凹レンズ５、円筒凸レンズ６を通過して
集光面７のスポット８に集光する構成である。
第１図（ｂ）に示す平行方向においては、LD1の射出
窓15から出射したレーザー光がスポット８に収束すると
ともに、レンズ４によりレンズ３の集光面７側の焦点９
とレンズ６のLD1側の焦点10とを共役としてあるので、
レンズ系は平行方向で望遠鏡光学系となっている。
なお、レンズ４は１つに限らず、複数であっても良
い。
また第１図（ａ）に示す垂直方向においてはレンズ５
の発散作用により射出窓15と集光面７とが共役であり射
出窓15から出射した光はスポット８に収束する。ここ
で、射出窓15の投影倍率は平行方向よりも高く、LD1の
垂直方向と平行方向でのビーム拡がり角の違いを補正す
るものである。
以下に上記実施例の適用例について説明する。
第６図は本発明をスリットランプと組み合わせた経瞳
孔眼内光凝固装置として実施したものである。光凝固用
光源には波長約800nmのGaAlAs系高出力LD41を２個使用
している。
本発明が応用されているのは光学系40の部分で、ま
ず、この部分について説明する。２個のLD41の出力光は
各々大開口数のコリメーションレンズ42で集光、コリメ
ートされ、半波長板43と偏光ビームコンバイナ44によっ
て同じ光軸とされる。垂直方向（第６図では紙面に平行
な方向）においてはLD41の端面はコリメーションレンズ
42、凸レンズ45、及び垂直方向のみ屈折力を有する円筒
凹レンズ46によってピンホール49に投影され、一方、平
行方向ではLD41の射出窓はコリメーションレンズ42、凸
レンズ45、及び平行方向のみに屈折力を有する円筒凸レ
ンズ48によってピンホール49に投影される。ここで、コ
リメーションレンズ42のピンホール49の側の焦点と円筒
凸レンズ48によってLD41の側の焦点は凸レンズ45によっ
て共役となっているので、コリメーションレンズ42か
ら、円柱レンズ48までのレンズ系は平行方向において望
遠鏡光学系となっている。
光凝固用光源が波長約800nmであり、視感度がほとん
どないことから、波長633nmのHe−Neレーザー50が照準
用光源として設置され、照準光はミラー51とフォーカシ
ングレンズ52によって光ファイバー53に入る。光ファイ
バー53の出射側の端面54は、ダイクロイックミラー60に
関してピンホール49の鏡像位置におかれる。
ダイクロイックミラー60によって同じ光軸とされた光
凝固用と照準用の両光束はコリメーションレンズ61、コ
ンペンセイタ62、バリエータ63、コリメーションレンズ
64から構成されるズーム系65を経て、波長800nm反射、
可視光50％反射のダイクロックミラー70によってスリッ
トランプ顕微鏡72と同軸となり、さらに顕微鏡72と共用
する対物レンズ71によってコンタクトレンズ73を装用し
た患者眼74の眼底に導かれる。ここで、ピンホール49及
び光ファイバー端面54は、顕微鏡72の物体面と共役であ
り、またピンホール49と光ファイバー53のコアは同径と
してあるから、術者は顕微鏡72を覗きながら患者眼74の
眼底で照準光がエッジのくっきりした円型になる、即
ち、光ファイバー53のコアが眼底に結像する様に光凝固
装置と患者眼74の位置関係を調節することにより光凝固
用レーザ光の分布もこの照準光と完全に重なりあうエッ
ジのくっきりした円であることを保証されるものであ
る。また、術者は図示しないカム等の機構でズーム系65
を駆動することによって、ピンホール49及び光ファイバ
ー端面54と顕微鏡72の物体面を共役に保ちながら、即
ち、光分布がエッジのくっきりした円であることを保ち
ながら凝固サイズを連続的に変えることが可能である。
また、55と75は偏光フィルターで互いに透過偏光方向
を直交させて設置することにより、照準光の対物レンズ
71の面における反射による送光が術者の観察を妨げない
ようにしてある。また76は波長800nm吸収、可視光透過
の術者保護フィルタで光凝固用レーザー光の患者眼74の
眼底における反射光から術者を保護する。
80は、スリットランプ照明系で、照明光は、レーザー
光の光路を妨げないように上下分割されたミラー81で患
者眼74に導かれる。
本適用例によればピンホール49から射出する光凝固用
レーザー光の開口数を小さくできるので、ズーム系65の
開口数が小さくて済み、ひいては、患者眼74に集光する
開口数を小さくでき、患者眼74の虹彩に光凝固用レーザ
ー光が当たる危険の少ない光凝固装置を提供できる。
［発明の効果］ 本発明によれば、高出力LDの小スポットへの集光にお
いて、従来の技術より小さな開口数の光束で集光するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本実施例のレンズ系を示す図である。第２図は
LDの光学特性を説明する図である。第３図は従来技術の
第１の方法を示すレンズ系の図である。第４図は従来技
術の第２の方法を示すレンズ系の図である。第５図は半
導体レーザーによるレーザー光の出射の様子を表す図で
ある。第６図は本実施例の適用例を示す図である。 １……半導体レーザー ２……端面 ３……コリメーションレンズ ４……凸レンズ ５……円筒凹レンズ ６……円筒凸レンズ ７……集光面 ８……スポット ９、10……焦点

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体レーザーの射出窓と集光面との間に
    位置しレーザー光を集光するレンズ系において、 該半導体レーザーの射出窓の長手方向と平行な方向に関
    して、前記射出窓と前記集光面とが共役であるととも
    に、該平行な方向に関して望遠鏡光学系を構成し、 前記射出窓の長手方向と直交する方向に関して、前記射
    出窓と前記集光面とが共役であるが、該直交する方向に
    関して望遠鏡光学系を構成しない ことを特徴とする半導体レーザー光を集光するためのレ
    ンズ系。
  2. 【請求項２】半導体レーザーの射出窓と集光面との間に
    位置しレーザー光を集光するレンズ系において、 半導体レーザーの側から順次、収束作用を持つ第１レン
    ズ、収束作用を持つ第２レンズ、前記射出窓の長手方向
    と平行な方向にのみ収束作用を持つ第３レンズと配置さ
    れ、前記射出窓の長手方向と平行な方向に関して前記射
    出窓を第１レンズ、第２レンズ、第３レンズによって集
    光面に結像し、かつ該方向に関して第２レンズによって
    第１レンズの集光面側の焦点と、第３レンズの半導体レ
    ーザー側の焦点とを共役としたことを特徴とする半導体
    レーザー光を集光するためのレンズ系。
  3. 【請求項３】前記第１レンズと第３レンズとの間に前記
    半導体レーザーの射出窓の長手方向に垂直な方向にのみ
    発散作用を持つ第４レンズを設け、該方向においても前
    記射出窓と集光面とを共役としたことを特徴とする請求
    項２記載の半導体レーザー光を集光するためのレンズ
    系。
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