WO2004072698A1

WO2004072698A1 - マイクロレンズアレイ一体型レンズ

Info

Publication number: WO2004072698A1
Application number: PCT/JP2004/001697
Authority: WO
Inventors: Junichi Kubo; Kouei Hatade; Masayoshi Yamada
Original assignee: Nalux Co., Ltd.
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2004-08-26
Also published as: JPWO2004072698A1

Abstract

ビーム整形機能を備えたマイクロレンスをアレイ化し半導体レーザーの高効率カップリングを実現し、さらに、整形後のレーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化する光学素子を提供する。個々のレーザーダイオードからのビームを整形するためのマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイを一方の面に備え、他方の面に整形後のビームを集光する形状を備える。１実施形態によれば、マイクロレンズの面が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。他の実施形態によれば、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、マイクロレンズの面が、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される。

Description

マイク口レンズアレイ一体型レンズ技術分野

本発明は、半導体レーザーァレイなどの光源からのビームを集光するためのマイク口レンズアレイ一体型レンズに関する。本発明のマイク口レンズアレイ一体型レンズは、レーザー加工へッドなどに使用することができる。

明

背景技術

製造業における穴あけや切断加工は、その書超精細化に極めて強い要求があるが、従来の機械加工等では下記に示すような加工限界がある。

プリント基板スルーホール加工においては、機械的なパンチ加工では 0. 8 mm 以下、ドリル加工では 0. 2 mm以下が不可能である。

金属薄板の穴あけ ·切断加工においては、ドリルによる穴あけ加工では直径 0. 2■以下が不可能であり、ゥエツトエッチング方法ではマスクが必要であり、さらに、ストレートな穴ゃスリット等の加工が困難である。

ラベル加工においては、複雑微細カッティングができない。従来の加工方法は刃物の場合線幅 200 m以下は不可能である。

したがって、これらの限界以下の微細な穴あけや切断力卩ェには、高価な YAGレ一ザ一加工機が用いられている。従来、 Xeランプ励起 YAGレーザーが用いられてきたが、近年、エネルギー変換効率の良い半導体ダイオード励起 YAGが用いられるようになっている。しかし、高価で装置サイズが大きいため、その普及には停滞感がある。

YAGレーザー励起用に開発された高出力半導体レーザーアレイそのものをレーザ一加工の光源に直接利用できれば、省エネルギーで安価かつコンパクトで高性能なレーザー加工機、さらには、現在普及しているマシユングセンター等に装着できるコンパクトなレーザー加工へッドが開発できる。さらに、将来 YAGレーザ一励起用等の市場にも活用可能である。

しかしながら、高出力半導体レーザーアレイは、数 1 0 Wクラスのパワー能力を持っているが、その出射ビームは数 1 0 ° に広がるため、加工に必要な高エネルギ一で微小なスポットに絞ることは極めて困難であった。また、マイクロレンズアレイを使用したレーザー加工用電源も提案されているが、集光レンズを別途設けるタイプのものであった（たとえば、特開 2 0 0 2— 2 6 4 5 2号公報（第 2 6段落、図 8他））。発明の開示

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものである。すなわち、ビーム整形機能を備えたマイクロレンズをアレイ化し半導体レーザーの高効率カツプリングを実現し、さらに、整形後のレーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化する光学素子を提供することを目的とする。なお、ここで、マイクロレンズとは、絶対的な大きさを規定するものではなく、集光面のレンズと比較して相対的に小さいことをいう。

本発明のマイク口レンズアレイ一体型レンズは、個々の光源からのビームを入射するマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイを一方の面に備え、他方の面に整形後のビームを集光または平行化する形状を備える。したがって、半導体レーザーの高効率カップリングを実現し、さらに、レーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化することができる。

本発明の 1実施形態によれば、マイクロレンズの面が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。

本発明の 1実施形態によれば、マイクロレンズの面が、非回転対称の非球面プ口ファイルを表す項を含む数式によって表される。

したがって、主に非回転対称の非球面プロファイルによってレーザーのビーム形状を整形し、さらに捕正項によって収差をできるだけ小さくするようにすることができる。

本発明の 1実施形態によれば、マイクロレンズの光軸が 3軸直交 X Y Z座標系の Z軸と一致し、 c _xは、 X Z切断面の曲線の中心曲率であり、 _{C y}は、 Y Z切断面の曲線の中心曲率であり、 k x、 k yは、曲線の形状を表わす係数であり、 A R , B R , C R , D R , A P , B P , C Pおよび D Pは、補正係数（定数）であるとして、マイクロレンズの面が、式

+ BR[(l一 BP)x² + (1 + BP)y² f + CR[(1一 CP)x² + (1 + CP)y² f + DR[(l一 DP)x² + (1 + DP)y² ] によって表わされる。したがって、主に c _x、 0₇ぉょぴ1?: 、 k yによってレ一ザ一のビーム形状を整形し、さらに補正項によって収差をできるだけ小さくするようにすることができる。

本発明の 1実施形態によれば、マイクロレンズの光軸が 3軸直交 XY Z座標系の Z軸と一致し、 c _xは、 XZ切断面の曲線の中心曲率であり、 c_yは、 YZ切断面の曲線の中心曲率であり、 k x、 k yは、曲線の形状を表わす係数であり、補正係数 A iおよび B；が定数であるとして、マイクロレンズの面が、式

によって表わされる。したがって、主に c _x、 c_yおよび k x、 k yによってレ一ザ一のビーム形状を整形し、さらに補正項によって収差をできるだけ小さくするようにすることができる。また、補正項について Xに関する補正項と yに関する補正項を独立に操作することにより補正の自由度が向上する。

本発明の 1実施形態によれば、マイクロレンズの光軸が 3軸直交 XY Z座標系の Z軸と一致したときに、 kは、 2次曲線の形状を決める定数、 cは中心曲率、 Aは補正係数であるとして、マイクロレンズの面が、式

C⁼ R

によって表わされる。

本発明の 1実施形態によれば、前記他方の面が、非球面式によって表わされる本発明の 1実施形態によれば、前記他方の面が、光軸が 3軸直交 ΧΥΖ座標系の Ζ軸と一致したときに、 kは、 2次曲線の形状を決める定数、 cは中心曲率、 Aは補正係数であるとして、式

c =

R

ch"

z = ■ + 2i

1 + l-(1 + k)c²h² i -- によって表わされる。

したがって、整形後のレーザービームをレンズによって十分小さなスポット径に集光化することができる。

本発明の 1実施形態によれば、前記他方の面が、ビームを集光または平行化するシリンドリカル · レンズをなす。したがって、結晶ロッドに励起光を照射して、誘導放出光を取り出すことができる。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの実施形態を示す図でめる。

第 2図は、ビーム整形光学素子を示す図である。

第 3図は、ビーム整形光学素子の曲面を示す図である。

第 4図は、ビーム整形光学素子の光路を示す図である。

第 5図は、シャントスィツチング基本回路を示す図である。

第 6図は、出射面を含むマイクロレンズアレイ一体型レンズの形状を示す図でめる。

. 第 7図は、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの光線の定義方法を示す図である。

第 8図は、本発明のマイク口レンズアレイ一体型レンズの実施形態を示す図である。

第 9図は、半導体レーザーとマイクロレンズアレイとの関係を示す図である。第 1 0図は、タイプ 1の光路の Y Z断面を示す図である。

第 1 1図は、タイプ 1の光路の X Z断面を示す図である。

第 1 2図は、タイプ 1の光路の立体図である。

第 1 3図は、タイプ 1のピークを含む Y方向および X方向のスポット断面を示す図である。

第 1 4図は、タイプ 2の光路の Y Z断面を示す図である。第 1 5図は、タイプ 2の光路の X Z断面を示す図である。

第 1 6図は、タイプ 2の光路の立体図である。

第 1 7図は、タイプ 2のピークを含む Y方向おょぴ X方向のスポット断面を示す図である。

第 1 8図は、タイプ 3の光路の Y Z断面を示す図である。

第 1 9図は、タイプ 3の光路の X Z断面を示す図である。

第 2 0図は、タイプ 3の光路の立体図である。

第 2 1図は、タイプ 3のピークを含む Y方向おょぴ X方向のスポット断面を示す図である。

第 2 2図は、タイプ 4の光路の Y Z断面を示す図である。

第 2 3図は、タイプ 4の光路の X Z断面を示す図である。

第 2 4図は、タイプ 4の光路の立体図である。

第 2 5図は、タイプ 4のピークを含む Y方向および X方向のスポット断面を示す図である。

第 2 6図は、半導体レーザーァレイのボンビングによる固体レーザ発振を示す図である。発明を実施するための最良の形態

図 1およぴ図 8に本発明のマイク口レンズァレイ一体型レンズの構成を示す。マイク口レンズアレイ一体型レンズの入射面には、レーザーダイォードアレイの個々のレーザーごとに、ビーム整形機能を備えたマイクロレンズを備えたアレイが設けられている。マイクロレンズアレイ一体型レンズの出射面は、整形後のビームを集光するように設計される。

なお、レーザーダイオードアレイは、超短パルス生成回路と接続されている。超短パルス生成回路は、図 5に示すエネルギー効率の良いシャントスィツチング回路を用いる。すなわち、インダクタンス Lに流す電流 iをパワー M0SFETでスイツチングすることにより、瞬間的に半導体レーザー LDに大電流を流し、電気的に短パルス圧縮動作させる。

マイクロレンズの面は、光軸を Z軸として以下の式に基づいて定める。 c_xx + c_vy

Z + AR[{1 - AP)x² + (1 + AP)y²

1 + 1— (1 + k_x c_x x^)— (1 + (c ）

+ BR[(l - BP)x² + fl + BP)y² + CR[(1― CP)x² + (1 + CP)y² ]⁴ + DR[(l - DP)x² + (1 + DP)y² ]

(1) ここで、 c _xは、 XZ切断面の曲線の中心曲率であり、 c _x= l/Rx、 c_yは、 YZ切断面の曲線の中心曲率であり、 c _y= lZRyである。 k x、 k yは、曲線の形状を表わす係数である。第 2項以下は曲面からのずれを表す補正項である。 AR, BR, CR, DR, AP, BP， CPおよび DPは、補正係数（定数）である。 ■ あるいは、以下の式によって定められる。

ここで、 c _xおよび c _yはそれぞれ X軸および Y軸方向の面の曲率であり、 k_xおよび k_yおよび補正係数 A iおよび B iが定数である。

上記の式（1) または（2) において、第 1項の非球面プロファイルを表す項の係数を調整することにより、主にビーム形状の変更などの機能を達成することができる。ここで、ビーム形状の変更とは、半導体レーザーから放射されるエネルギ一分布が楕円形状のビームをエネルギー分布がほぼ円形状のビームに変更することである。さらに、 Xおよび Y補正項の係数を操作することにより波面収差を最小とするなどの機能を達成することができる。

マイクロレンズにおいて超解像を利用することによりビームのスポット径を小さくし焦点深度を大きくすることができる。

図 2は、ビーム整形光学素子の 1例を示す図である。図 3は、ビーム整形光学素子の曲面の 1例を示す図である。図 4は、ビーム整形光学素子の光路の 1例を示す図である。

設計において 0. 07えの波面収差を得ることができれば、表 1の最下列のように 20 μ m以下のスポット径が得られる。なお、表 1は、レンズ径と焦点距離および lZe ²スポット径との一般的な関係を示す。表 1において、 b r eおよび r eは中間パラメータを示す。表 1からレンズ径ゃ焦点距離にもよるが、 1 0 μπιを下回るスポット径も充分可能である。表 1

つぎに、本発明のマイクロレンズアレイ一体型レンズの出射面（S 2面）の形状について説明する。図 6に出射面を含むマイクロレンズアレイ一体型レンズの形状を示す。 S 2面は、たとえば、以下の 2次曲線を光軸の周りに回転させた光軸対称回転面である。ただし、光軸を _Z、光軸に垂直な面の座標を x yで表わしている。 kは、 2次曲線の形状を決める定数、 cは中心曲率である。また、 A は補正係数である。 h = 2 +

補正係数 Aとして、たとえば 4次までの係数を使用する。図 6の光学系の設計仕様を表 2に示す。表中の丸で囲った数字は、図 6中のそれと対応する。表 2において、 L Dは、光源であるレーザーダイオードを表す。表 2

•光学設計仕様

図 7によって光線の定義方法を説明する。 S 2面を偏芯させて、 S 2面を偏芯させた同じ量だけ像面での主光線位置（集光位置）を変化させるようにする。結果としての、面偏芯量と集光位置との関係を表 3に示す。表 3

像面上での主光線通過位置

なお、レーザーダイォードアレイをマイク口レンズァレイの近くに設ける図 1 に示した実施形態の他に、光ファイバ一を介してレーザービームをマイクロレンズァレイに供給する実施形態も考えられる。

なお、本発明の別の実施形態として、図 2 6に示すように、結晶口ッドに反射光を照射させて誘導放出光を取り出すシステムが考えられる。この場合に、レンズァレイ面の他方の面には、シリンドリカル · レンズを配置し、結晶口ッドへ集光または平行化した光束を入射させる。設計例 1

本設計例では、表 4に示される、 2 5個の半導体レーザー（L D ) のアレイを用いる。半導体レーザーから出射された光線は、ガウス分布と仮定し、理想有効ガウスエネルギー 8 6 . 5 %を取り込むように開口数 ΝΑを規定している。表 4

表 4に示される半導体レーザーを使用し、図 9に示すように座標系をくみ、ァレイ状に並んでいる各半導体レーザーに対応させるように、半導体レーザー側の面にレンズアレイエレメントを設ける。光学系は、表 1に示される開口数 N Aを備えた、それぞれの半導体レーザーから出射された主光線が像面上で 1点に集まり、波面収差をできるだけ小さくするように設計する。設計は、光学設計ソフトを使用して行う。

レンズの評価指標として強度倍率を定義する。半導体レーザーから出射「される光線を理想有効ガウスエネルギー 8 6 . 5 %で取り込み、波面収差のない理想レンズで集光した場合の強度倍率を 1とする。したがって、有効ガウスエネルギ一 (%) を 8 6 . 5 (%) で除して、ストレール比を乗じた値が強度倍率となる。ここで、ストレール比とは、理想レンズによる強度に対する、波面収差により減少した結果の強度の割合である。

ところで、異なった光源からの光が重ね合わされた場合、干渉は通常の条件では観測されず、どの場所でも全体の強度は個々の光束の強度の和に等しい（「光学の原理 II」東海大学出版会、 4 2 1頁）。したがって、それぞれの半導体レーザ一の強度分布を別個に計算し、和を求めることにより全体の強度分布を計算する。このように、 2 5個の半導体レーザーを使用した場合の最大の強度倍率は 2 5である。

別の評価指標としてスポット径を定義する。像面強度分布において、ピーク強度に対して、強度 1 3 . 5 % (1/e²) 以上の範囲をスポットとして X方向おょぴ Y方向のスポット径を計算する。スポット径が小さいほど微細加工が容易になるさらに、別の評価指標としてサイドローブを定義する。像面強度分布において、ピーク強度に対して、 2番目のピークとみなせる場所の強度の比率（％) をサィドロープとする。

設計例 1のレンズ仕様と上記の評価指標とを表 5に示す。表 5においてタィプ 1は、マイクロレンズの面を式（2) で規定し、像側の集光面（S 2面）を式（ 3) で規定している。表 5においてタイプ 2は、マイクロレンズの面のおょぴ像側の集光面（S 2面）を式（3) で規定している。表 5において、 0—31面距離は、半導体レーザーと対応するマイクロレンズ面との間の距離を表す。 BF は、パックフォーカスを表す。また、面定義の Free Formは、式（2) で定義される面を表し、非球面は式（3) で定義される面を表す。なお、式（2) 代わりに式（1) を使用しても、同様に設計を行うことができる。表 5

表 5において、タイプ 1は、強度倍率、スポット径およびサイドローブのいずれの評価指標においてもタイプ 2よりも優れている。実際、タイプ 1の波面収差は、タイプ 2の波面収差と比較してきわめて小さい。このように、マイクロレンズの面を式（2) で規定することにより波面収差をきわめて小さくすることができる。

タイプ 1およびタイプ 2の各係数を表 6に示す。タイプ 1の光路図を図 1 0乃至 1 2に、ピークを含むスポット断面図を図 1 3に示す。タイプ 2の光路図を図 1 4乃至 1 6に、ピークを含むスポット断面図を図 1 7に示す。表 6

設計例 2

本設計例では、表 7に示される、 4 6個の半導体レーザー（L D) のアレイを用いる。なお、表 7には、設計例 1のアレイも併せて示している。表 7

設計例 1と設計例 2との半導体レーザーの相違として、出射角と出射角の X Y 比がある。半導体レーザー数は増加しているが、半導体レーザーアレイのピッチが小さくなっているので、最大物体高が小さくなり設計しやすくなっている。設計例 2のレンズ仕様と評価指標とを表 8に示す。なお、表 8には設計例 1のレンズ仕様と評価指標とを併せて示している。表 8においてタイプ 3およびタイプ 4は、マイクロレンズの面おょぴ像側の集光面（S 2面）を式（3 ) で規定している。タイプ 3は、パックフォーカスを 4 5 mmとし、タイプ 4は、バックフオーカスを 3 O mmとしている。表 8

設計例 2の場合は、マイクロレンズの面と集光面の両面を式（3 ) で規定しても良好な評価指標が得られる。設計例 2の場合には、設計例 1の場合よりも半導体レーザー数が多いにもかかわらず、ピッチが小さいために物体高が小さくなり、設計が容易になる。このため、式（2 ) で規定する必要がない。

タイプ 3およびタイプ 4の各係数を表 9に示す。タイプ 3の光路図を図 1 8乃至 2 0に、ピークを含むスポット断面図を図 2 1に示す。タイプ 4の光路図を図 2 2乃至 2 4に、ピークを含むスポット断面図を図 2 5に示す。表 9

Type3 Type4

アレイ面 S2面アレイ面 S2面

定義非球面非球面非球面非球面

C 3. 916815121 -0. 04351724 3. 916818208 -15. 322196

K -2. 28196922 0. 0 - 2. 28196645 0

A4 0 2. 33E-05 0 7. 82E-05

A6 0 0 0 0

A8 0 0 0 0

A10 0 0 0 0

Claims

請求の範囲

1. 個々の光源からのビームを入射するマイク口レンズを配列したマイクロレンズアレイを一方の面に備え、他方の面にビームを集光するまたは平行化する形状を備えるマイクロレンズアレイ一体型レンズ。

2. マイクロレンズの面が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である請求項 1に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。

3. マイクロレンズの面が、非回転対称の非球面プロファイルを表す項を含む数式によって表される請求項 1または 2に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。

4. マイクロレンズの光軸が 3軸直交 XYZ座標系の Z軸と一致し、 c _xは、 XZ切断面の曲線の中心曲率であり、 c _yは、 Y Z切断面の曲線の中心曲率であり、 k x、 k yは、曲線の形状を表わす係数であり、 AR， BR, CR, DR, AP, B P, C Pおよび D Pは、補正係数（定数）であるとして、マイクロレンズの面が、式

Z =—— . + AR[(1 - AP)x² +(1 + AP)y²f

1 + ^ - (1 + k_x)(c_x ²x² )-(l + k_y )( V)

+ BR[(l - BP)x^l +(1 + BP)y²† + CR[(1― CP)x^z + (1 + CP)y² ]⁴ + DR[(1一 DP)x² + (1 + DP)y² ] によって表わされる請求項 3に記載のマイク口レンズアレイ一体型レンズ。

5. マイクロレンズの光軸が 3軸直交 XYZ座標系の Z軸と一致し、 c _xは、 XZ切断面の曲線の中心曲率であり、 c _yは、 YZ切断面の曲線の中心曲率であり、 k X、 k yは、曲線の形状を表わす係数であり、補正係数 A ₅および B _;が定数であるとして、マイクロレンズの面が、式 z _y ²ⁱ

によって表わされる請求項 3に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。

6. マイクロレンズの光軸が 3軸直交 XYZ座標系の Z軸と一致したときに、 kは、 2次曲線の形状を決める定数、 cは中心曲率、 Aは補正係数であるとして、マイクロレンズの面が、式

によって表わされる請求項 1に記載のマイクロレンズアレイ一体型レンズ。

7 . 前記他方の面が、非球面式によって表わされる請求項 1から 6のいずれか 1項に記載のマイク口レンズアレイ一体型レンズ。

8 . 前記他方の面が、当該面の光軸が 3軸直交 X Y Z座標系の Z軸と一致したときに、 kは、 2次曲線の形状を決める定数、 cは中心曲率、 Aは補正係数であるとして、式 h = y[x² + y² 1 r 2 m

Ch \ 9；

=—— , = + ∑Αφ

1 + + k)c²h²

によって表わされる請求項 1から 6のいずれか 1項に記載のマイク口レンズァレィー体型レンズ。

9 . マイクロレンズに超解像を利用した請求項 1カゝら 8のいずれか 1項に記載のマイク口レンズァレイ一体型レンズ。

1 0 . 前記他方の面が、ビームを集光または平行化するシリンドリカル · レンズをなす請求項 1に記載のマイク口レンズアレイ一体型レンズ。