线发生器用光学系统及线发生器的制作方法

1.本发明涉及线发生器用光学系统和线发生器。


背景技术：

2.为了测量物体的尺寸、检查物体表面的伤痕或缺陷等，广泛使用了利用光束生成线的线发生器。
3.在现有的线性发生器中，有的使用鲍威尔透镜等光学元件(例如专利文献1和2)。然而，由这些线发生器产生的线的长度方向上的光强的均匀性不高。另外，这些线发生器的光学系统的调整花费工夫。
4.另外，在现有的线发生器中，有的使用柱面透镜来决定线的长度方向的光强分布(例如专利文献3)。但是，在这些线发生器中，为了变更所生成的线的光强，需要重新设计包含光源的光学系统，变更并不容易。
5.这样，光学系统的调整容易、生成的线的长度方向的光强的均匀性高、能够容易地变更线的光强的线发生器用的光学系统及线发生器至今未被开发。
6.因此，需要一种线发生器用的光学系统和线发生器，其光学系统易于调整、生成的线的长度方向的光强的均匀性高、并且可以容易地变更线的光强。
7.现有技术文献
8.专利文献
9.专利文献1日本特开2009－259711
10.专利文献2日本特开2008－58295
11.专利文献3日本特开2007－179823


技术实现要素：

12.发明要解决的课题
13.本发明的技术课题在于提供一种线发生器用的光学系统和线发生器，其光学系统的调整容易、生成的线的长度方向的光强的均匀性高、能够容易地变更线的光强。
14.用于解决问题的手段
15.本发明的第1方式的线发生器用光学系统是利用光束生成线的线发生器用光学系统，其具有仅在第1方向上具有曲率的光学元件、第1线阵传感器和第2透镜阵列面。该第1透镜阵列面和第2透镜阵列面分别具备在与该第1方向正交的第2方向上排列的多个环形透镜面，该多个环形透镜面主要在该第2方向上具有曲率，该第1透镜阵列面和第2透镜阵列面的一方的任意的环形透镜面与另一方的环形透镜面中的一个对应，连接相互对应的2个环形透镜面的顶点而成的第1直线的方向与该第2方向正交，在包含该第1直线和与该第1直线正交的该第2方向的第2直线的截面中，该2个环形透镜面中的一方成为针对另一方的无限远物点的成像面。
16.本方式的线发生器用光学系统构成为，在包含连接一对对应的环形透镜面的顶点
而成的第1直线以及与该第1直线正交的该第2方向的第2直线的截面中，一对对应的环形透镜面的一方成为针对另一方的无限远物点的成像面，形成科勒照明(kohler illumination)。因此，本方式的光学系统具有以下特征。
17.在本方式的光学系统中，不需要使入射到第1透镜阵列面及第2透镜阵列面的光束在第2方向上准直。
18.本方式的光学系统所需要的调整，仅是光源与仅在第1方向上具有曲率的光学元件之间的位置关系的调整，与现有的光学系统相比较是容易的。
19.由于本发明的光学系统构成为在第2方向上形成科勒照明，所以第2方向上的光强的均匀性高。
20.在本发明的第1方式的第1实施方式的线发生器用光学系统中，各个环形透镜面的该第1方向上的曲率为0或小于该第2方向上的曲率的0.1倍。
21.一对对应的环形透镜面通过第2方向的曲率确定光束在线的长度方向的扩展。另一方面，光束的宽度因光学元件的第1方向上的曲率而与第2方向正交的第1方向上的曲率为0或比第2方向的曲率小。
22.在本发明的第1方式的第2实施方式的线发生器用光学系统中，各个环形透镜面的该第1方向上的曲率以校正该柱面透镜的像差的方式确定。
23.在本发明的光学系统中，环形透镜面的第1方向的形状不影响第2方向的光强分布。因此，通过在环形透镜面的第1方向上赋予比第2方向小的曲率，能够校正仅在第1方向上具有曲率的光学元件的残留像差，提高线的宽度方向的光强分布的均匀性和聚光性。
24.在本发明第1方式的第3实施方式的线发生器用光学系统中，该第1透镜阵列面及第2透镜阵列面设置在1个透镜上。
25.在本发明第1方式的第4实施方式的线发生器用光学系统中，该第1镜阵列面及第2透镜阵列面分别设置在不同的透镜上。
26.在本发明的第1方式的第5实施方式的线发生器用光学系统中，该光学元件是柱面透镜。
27.在本发明的第1方式的第6实施方式的线发生器用光学系统中，该光学元件是柱面镜。
28.本发明的第2方式的线发生器具有上述任意一种线发生器用光学系统和光源。
29.在本发明的第2方式的第1实施方式的线发生器中，该光源的该第2方向的长度大于该第1方向的长度。
30.在本发明的第2方式的第2实施方式的发生器中，该光源由在该第2方向上排列的多个光源构成。
31.由于本发明的光学系统构成为在第2方向上形成科勒照明，所以线的长度方向的光强的相对值的分布不受光源的第2方向的强度分布的影响。因此，通过在第2方向上延长光源的尺寸，或者在第2方向上配置多个光源，能够在使光强的相对值的分布一样的状态下增加光强的绝对值。
附图说明
32.图1是用于说明本发明的一个实施方式的线发生器的第1和第2透镜阵列面的环形
透镜面的图。
33.图2是表示实施例1的线发生器的xz截面的光线路径的图。
34.图3是表示实施例1的线发生器的yz截面的光线路径的图。
35.图4是表示通过了实施例1的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。
36.图5是表示通过了实施例1的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。
37.图6是表示实施例2的线发生器的xz截面的光线路径的图。
38.图7是表示实施例2的线发生器的yz截面的光线路径的图。
39.图8是表示通过了实施例2的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。
40.图9是表示通过了实施例2的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。
41.图10是示出实施例3的线发生器的xz截面的光线路径的图。
42.图11是表示实施例3的线发生器的yz截面的光线路径的图。
43.图12是表示通过了实施例3的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。
44.图13是表示通过了实施例3的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。
45.图14是表示实施例4的线发生器的xz截面的光线路径的图。
46.图15是表示实施例4的线发生器的yz截面的光线路径的图。
47.图16是表示通过了实施例4的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。
48.图17是表示通过了实施例4的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。
49.图18是表示实施例5的线发生器的xz截面的光线路径的图。
50.图19是示出实施例5的线发生器的yz截面的光线路径的图。
51.图20是表示通过了实施例5的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。
52.图21是表示通过了实施例5的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。
53.图22是示出实施例6的线发生器的xz截面的光线路径的图。
54.图23是示出实施例6的线发生器的yz截面的光线路径的图。
55.图24是表示通过了实施例6的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。
56.图25是表示通过了实施例6的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。
57.图26是示出实施例7的线发生器的xz截面的光线路径的图。
58.图27是示出实施例7的线发生器的yz截面的光线路径的图。
59.图28是表示通过了实施例7的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。
60.图29是表示通过了实施例7的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。
61.图30是示出实施例8的线发生器的xz截面的光线路径的图。
62.图31是表示实施例8的线发生器的yz截面的光线路径的图。
63.图32是表示通过了实施例8的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。
64.图33是表示通过了实施例8的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。
65.图34是示出实施例9的线发生器的xy截面的光线路径的图。
66.图35是示出实施例9的线发生器的yz截面的光线路径的图。
67.图36是表示实施例9的线发生器的zx截面的光线路径的图。
68.图37是表示通过了实施例9的线发生器的光束的线的宽度方向(z轴方向)的强度分布的图。
69.图38是表示通过了实施例9的线发生器的光束的线的长度方向(y轴方向)的强度
分布的图。
70.图39是示出实施例10的线发生器的xy截面的光线路径的图。
71.图40是示出实施例10的线发生器的yz截面的光线路径的图。
72.图41是表示实施例10的线发生器的zx截面的光线路径的图。
73.图42表示通过了实施例10的线发生器的光束的线的宽度方向(z轴方向)的强度分布的图。
74.图43是表示通过了实施例10的线发生器的光束的线的长度方向(y轴方向)的强度分布的图。
75.图44是表示实施例11的线发生器的xy截面的光线路径的图。
76.图45是表示实施例11的线发生器的yz截面的光线路径的图。
77.图46是表示实施例11的线发生器的zx截面的光线路径的图。
78.图47表示通过了实施例11的线发生器的光束的线的宽度方向(z轴方向)的强度分布的图。
79.图48是表示通过了实施例11的线发生器的光束的线的长度方向(y轴方向)的强度分布的图。
80.图49是表示实施例12的线发生器的xy截面的光线路径的图。
81.图50是表示实施例12的线发生器的yz截面的光线路径的图。
82.图51是表示实施例12的线发生器的zx截面的光线路径的图。
83.图52表示通过了实施例12的线发生器的光束的线的宽度方向(z轴方向)的强度分布的图。
84.图53是表示通过了实施例12的线发生器的光束的线的长度方向(y轴方向)的强度分布的图。
85.图54是表示实施例13的线发生器的xz截面的光线路径的图。
86.图55是表示实施例13的线发生器的yz截面的光线路径的图。
87.图56是表示通过了实施例13的线发生器的光束的线的宽度方向(x轴方向)的强度分布的图。
88.图57是表示通过了实施例13的线发生器的光束的线的长度方向(y轴方向)的强度分布的图。
89.图58是表示实施例14的线发生器的xz截面的光线路径的图。
90.图59是表示实施例14的线发生器的yz截面的光线路径的图。
91.图60是表示通过了实施例14的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。
92.图61是表示通过了实施例14的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。
具体实施方式
93.本发明的线发生器由光源200、决定由线发生器生成的线的宽度的光学元件300、决定该线的长度方向的光束的扩展角度的第1透镜阵列面110和第2透镜阵列面120构成。光源200可以是激光光源或发光二极管光源。第1透镜阵列面110及第2透镜阵列面120分别由在平面上1维排列的多个环形透镜面构成。
94.图2和图3是表示后面说明的本发明的实施例1的线发生器的光线路径的图。实施
例1的光学元件300是柱面透镜。将柱面透镜具有曲率的方向设为x轴方向，将不具有曲率的方向设为y轴方向，将与x轴方向及y轴方向正交的方向设为z轴方向。图2和图3分别表示xz截面和yz截面。在本实施例中，x轴方向是由线发生器生成的线的宽度方向，y轴方向是由线发生器生成的线的长度方向。
95.图1是用于说明本发明的一个实施方式的线发生器的第1和第2透镜阵列面的环形透镜面的图。用1100表示入射侧的第1透镜阵列面110的环形透镜面，用1200表示与环形透镜面1100对应的出射侧的第2透镜阵列面120的环形透镜面。
96.将连接透镜面1100和透镜面1200的顶点的直线设为光轴op。光轴方向与图2及图3中的z轴方向一致。图1示出了包括光轴op和由线发生器产生的线的长度方向的横截面，即图3中所示的yz横截面。
97.在图1中，用虚线表示与光轴op平行地行进并入射到透镜面1100的平行光束，用实线表示相对于光轴op的入射角度为最大值θ的平行光束。
98.另一方面，若设透镜面1100的屈光力为φ1，透镜面1200的屈光力为φ2，透镜面1100和透镜面1200的屈光力为φ，则以下的关系成立。
99.[数学式1]
[0100]
φ＝φ1 φ2-τ
·
φ1
·
φ2
[0101]
这里，τ是透镜面间的换算距离，设透镜面间的距离为t，透镜的折射率为n，由下式表示。
[0102]
[数学式2]
[0103]
τ＝t/n
[0104]
若设透镜面1100的曲率半径为r1，则透镜面1100的屈光力φ1由下式表示。
[0105]
[数学式3]
[0106]
φ1＝(n-1)/r1
[0107]
若设透镜面1200的曲率半径为r2，则透镜面1200的屈光力φ2由下式表示。
[0108]
[数学式4]
[0109]
φ2＝-(n-1)/r2
[0110]
在本发明中，透镜表面1100和透镜表面1200被配置为形成科勒照明。科勒照明的条件如下。
[0111]
[数学式5]
[0112]
φ＝φ1＝φ2
[0113]
因此，以下的关系成立。
[0114]
[数学式6]
[0115]
φ1-τ
·
φ1
·
φ1＝0
[0116]
从上述关系得到以下关系。
[0117]
[数学式7]
[0118]
φ＝φ1＝φ2＝1/τ
[0119]
若将透镜面1100及透镜面1200的合成焦距设为f，则以下的关系成立。
[0120]
[数学式8]
[0121]
f＝1/φ＝τ＝t/n
[0122]
这样，实现科勒照明的透镜面1100和透镜面1200构成为一方成为相对于另一方的无限远物点的成像面，所以入射到透镜面1100的平行光束在透镜面1200上成像。
[0123]
在图1中，若设透镜面1100及透镜面1200的开口宽度为p，入射到透镜面1100的光线相对于光轴的角度的最大值及从透镜面1200射出的光线的角度的最大值为θ，则以下的关系成立。
[0124]
[数学式9]
[0125]
p＝2f
·
tanθ
[0126]
这样，通过透镜面1100和透镜面1200，来自光源的光相对于光轴在
±
θ的范围内被配光。通过角度θ确定由线发生器生成的光束的线的长度方向的扩展，确定照射面上的线的长度。另外，由于透镜面1100和透镜面1200构成为形成科勒照明，所以线的长度方向的强度分布的均匀性极高。
[0127]
另外，关于折射率和曲率半径，以下的关系成立。
[0128]
[数学式10]
[0129]
进而，以下的关系成立。
[0130]
[数学式11]
[0131][0132]
本发明的光学系统通过光束生成线。本发明的光学系统具备仅在第1方向(x轴方向)上具有曲率的光学元件300、第1透镜阵列面110及第2透镜阵列面120，该第1透镜阵列面110及第2透镜阵列面120分别具备在与该第1方向正交的第2方向(y轴方向)上排列的多个环形透镜面，该多个环形透镜面主要在该第2方向上具有曲率，该第1透镜阵列面及第2透镜阵列面的一方的任意的环形透镜面与另一方的环形透镜面之一对应，连接相互对应的2个环形透镜面1100及1200的顶点的第1直线(图1的光轴op)的方向与该第2方向正交，在包含该第1直线及与该第1直线正交的该第2方向的第2直线的截面中，该2个环形透镜面的一方1100或1200成为相对于另一方1200或1100的无限远物点的成像面。
[0133]
仅在第1方向(x轴方向)上具有曲率的光学元件300是柱面透镜或柱面镜。仅在第1方向上具有曲率的光学元件300确定由线发生器生成的光束的线的宽度。
[0134]
第1透镜阵列面110及第2透镜阵列面120决定由线发生器生成的光束的线的长度方向的扩展。
[0135]
在包含连接对应的2个环形透镜面1100和1200的顶点的光轴和与该光轴正交的第2方向(y轴方向)的直线的平面中，一对对应的环形透镜面的一方构成为相对于另一方的无限远物点的成像面，形成科勒照明。因此，本发明的光学系统具有以下特征。
[0136]
在本发明的光学系统中，不需要使入射到第1透镜阵列面及第2透镜阵列面的光束在第2方向上准直。
[0137]
本发明的光学系统所需的调整只是光源200与仅在第1方向上具有曲率的光学元件300的位置关系的调整，与现有的光学系统相比较容易。
[0138]
由于本发明的光学系统构成为在第2方向上形成科勒照明，所以第2方向上的光强的均匀性高。
[0139]
在本发明的光学系统中，环形透镜面的第1方向的形状不影响第2方向的光强分布。因此，通过在环形透镜面的第1方向上赋予比第2方向小的曲率，能够校正仅在第1方向上具有曲率的光学元件的残留像差，提高线的宽度方向的光强分布的均匀性和聚光性。
[0140]
由于本发明的光学系统构成为在第2方向上形成科勒照明，所以线的长度方向的光强的相对值的分布不受光源的第2方向的强度分布的影响。因此，通过在第2方向上延长光源的尺寸，或者在第2方向上配置多个光源，能够在使光强的相对值的分布一样的状态下增加光强的绝对值。
[0141]
以下说明本发明的实施例。线发生器由光源200、决定线的宽度的光学元件300、决定光束的线的长度方向的扩展并决定线的长度的第1透镜阵列面110及第2透镜阵列面120构成。
[0142]
如上所述，光源200可以是激光光源或发光二极管光源。光源的亮度为1kw/cm2。
[0143]
确定光束的线在宽度方向上的扩展的光学元件300是仅在一个方向上具有曲率的柱面透镜或柱面镜。在光学元件300具有曲率的方向上确定x轴，在光学元件300不具有曲率的方向上确定y轴，并且确定与x轴和y轴正交的z轴。光学元件300的面的z轴方向的坐标sx以柱面透镜的顶点或反射镜的中心为基准由下式表示。
[0144]
[数学式12]
[0145][0146]
此时，曲率c
x
使用曲率半径r
x
如下表示。
[0147]
[数学式13]
[0148][0149]
k表示圆锥常数，ai表示非球面系数，i表示0或自然数。
[0150]
对决定光束的线的长度方向的扩展的透镜面1100和1200的形状进行说明。将连接透镜面1100和1200的顶点的直线设为z轴，将透镜面1100和1200具有相对大的曲率的方向设为y轴，确定与y轴和z轴正交的x轴。基于透镜面1100和1200的x坐标的z坐标的变化以透镜面的顶点为基准，由下式表示。
[0151]
[数学式14]
[0152][0153]
此时，曲率c
x
使用曲率半径r
x
如下表示。
[0154]
[数学式15]
[0155][0156]
基于透镜面1100和1200的y坐标的z坐标的变化以透镜面的顶点为基准，用下式表示。
[0157]
[数学式16]
[0158][0159]
此时，曲率cy使用曲率半径ry表示如下。
[0160]
[数学式17]
[0161]
因此，透镜面1100及1200的z坐标以透镜面的顶点为基准由下式表示。
[0162]
[数学式18]
[0163]
s＝s
x
sy[0164]
实施例1
[0165]
确定实施例1的线发生器的线的宽度的光学元件300是柱面透镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0166]
图2是表示实施例1的线发生器的xz截面的光线路径的图。
[0167]
图3是表示实施例1的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0168]
实施例1的数值数据如下所示。
[0169]
光源距离：77mm
[0170]
柱面透镜：入射面rx＝infinite
[0171]
出射面rx＝-41.35mm
[0172]
芯厚5mm
[0173]
折射率1.509
[0174]
元件间距离：2.5mm
[0175]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.15mm k＝-0.49
[0176]
出射面(透镜面1200)ry＝-1.15mm k＝-0.49
[0177]
芯厚3.48mm
[0178]
阵列间距0.8mm
[0179]
折射率1.489
[0180]
光源：尺寸0.1mm x 0.1mm
[0181]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0182]
y轴方向34mm
[0183]
透镜阵列面110的透镜面1100及透镜阵列面120的透镜面1200分别仅在y轴方向上具有曲率，在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0184]
图4是表示通过了实施例1的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。图4的横轴表示xz截面中的光线相对于z轴的角度。角度的单位是度。图4的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0185]
图5是表示通过了实施例1的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。图5的横轴表示光线的yz截面中的光线相对于z轴的角度。角度的单位是度。图5的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0186]
实施例2
[0187]
确定实施例2的线发生器的线的宽度的光学元件300是柱面透镜。透镜阵列面110
及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0188]
图6是表示实施例2的线发生器的xz截面的光线路径的图。
[0189]
图7是表示实施例2的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0190]
实施例2的数值数据如下所示。
[0191]
光源距离：77mm
[0192]
柱面透镜:入射面rx＝infinite
[0193]
出射面rx＝-41.35mm
[0194]
芯厚5mm
[0195]
折射率1.509
[0196]
元件间距离：2.5mm
[0197]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.15mm k＝-0.49
[0198]
出射面(透镜面1200)ry＝-1.15mm k＝-0.49
[0199]
芯厚3.48mm
[0200]
阵列间距0.8mm
[0201]
折射率1.489
[0202]
光源：尺寸0.1mm x 20mm
[0203]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0204]
y轴方向34mm
[0205]
透镜阵列面110的透镜面1100及透镜阵列面120的透镜面1200分别仅在y轴方向上具有曲率，在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0206]
图8是表示通过了实施例2的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。图8的横轴表示光线的xz截面中的光线相对于z轴的角度。角度的单位是度。图8的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0207]
图9是表示通过了实施例2的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。图9的横轴表示光线的yz截面中的光线相对于z轴的角度。角度的单位是度。图9的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0208]
实施例2的柱面透镜、透镜阵列面110和透镜阵列面120与实施例1的柱面透镜、透镜阵列面110和透镜阵列面120相同。如图7所示，实施例2的光源与实施例1的光源相比，y轴方向的长度较长。实施例2的x轴及y轴方向的强度分布的形状与实施例1的x轴及y轴方向的强度分布的形状相同，但实施例2的光强比实施例1的光强高。这样，通过加长光源的y轴方向的长度，能够不改变光强分布的形状而增加光强。
[0209]
实施例3
[0210]
确定实施例3的线发生器的线的宽度的光学元件300是柱面透镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0211]
图10是表示实施例3的线发生器的xz截面的光线路径的图。
[0212]
图11是表示实施例3的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0213]
实施例3的数值数据如下所示。
[0214]
光源距离：77mm
[0215]
柱面透镜：入射面rx＝infinite
[0216]
出射面rx＝-41.35mm
[0217]
芯厚5mm
[0218]
折射率1.509
[0219]
元件间距离：2.5mm
[0220]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.15mm k＝-0.49
[0221]
出射面(透镜面1200)ry＝-1.15mm k＝-0.49
[0222]
芯厚3.48mm
[0223]
阵列间距0.8mm
[0224]
折射率1.489
[0225]
光源：尺寸0.1mm x 0.1mm
[0226]
光源间距5mm
[0227]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0228]
y轴方向100mm
[0229]
透镜阵列面110的透镜面1100及透镜阵列面120的透镜面1200分别仅在y轴方向上具有曲率，在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0230]
图12是示出通过了实施例3的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。图12的横轴表示光线的xz截面中的光线相对于z轴的角度。角度的单位是度。图12的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0231]
图13是表示通过了实施例3的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。图13的横轴表示光线的yz截面中的光线相对于z轴的角度。角度的单位是度。图13的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0232]
实施例3的柱面透镜、透镜阵列面110和透镜阵列面120与实施例1的柱面透镜、透镜阵列面110和透镜阵列面120相同。在实施例3中，如图11所示，分别与实施例1的光源相同的多个光源在y轴方向上以5毫米间距排列。实施例3的x轴及y轴方向的强度分布的形状与实施例1的x轴及y轴方向的强度分布的形状相同，但实施例2的光强比实施例1的光强高。这样，通过在y轴方向上排列多个光源，能够不改变光强分布的形状而增加光强。
[0233]
实施例4
[0234]
确定实例4的线发生器的线的宽度的光学元件300是柱面透镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0235]
图14是表示实施例4的线发生器的xz截面的光线路径的图。
[0236]
图15是表示实施例4的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0237]
实施例4的数值数据如下所示。
[0238]
光源距离：77mm
[0239]
柱面透镜：入射面infinite
[0240]
出射面rx＝-40.83mm k＝-1.2
[0241]
芯厚5mm
[0242]
折射率1.508
[0243]
元件间距离：2.5mm
[0244]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0245]
出射面(透镜面1200)ry＝-1.18mm k＝-0.4
[0246]
芯厚3.26mm
[0247]
阵列间距0.8mm
[0248]
折射率1.567
[0249]
光源：尺寸0.1mm x 0.1mm
[0250]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0251]
y轴方向34mm
[0252]
透镜阵列面110的透镜面1100及透镜阵列面120的透镜面1200分别仅在y轴方向上具有曲率，在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0253]
图16是示出通过了实施例4的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。图16的横轴表示光线的xz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图16的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0254]
图17是表示通过了实施例4的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。图17的横轴表示光线的yz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图17的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0255]
本实施例的柱面透镜的出射面为非球面。通过将柱面透镜的出射面设为非球面，能够使x轴方向(线的宽度方向)的光强更均匀。
[0256]
实施例5
[0257]
确定实例5的线发生器的线的宽度的光学元件300是柱面透镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0258]
图18是表示实施例5的线发生器的xz截面的光线路径的图。
[0259]
图19是表示实施例5的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0260]
实施例5的数值数据如下所示。
[0261]
光源距离：77mm
[0262]
柱面透镜：入射面infinite
[0263]
出射面rx＝-40.83mm k＝-1.2
[0264]
芯厚5mm
[0265]
折射率1.508
[0266]
元件间距离：2.5mm
[0267]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0268]
出射面(透镜面1200)ry＝-1.18mm k＝-0.4
[0269]
芯厚3.26mm
[0270]
阵列间距0.8mm
[0271]
折射率1.567
[0272]
光源：尺寸0.4mm x 0.4mm
[0273]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0274]
y轴方向34mm
[0275]
透镜阵列面110的透镜面1100及透镜阵列面120的透镜面1200分别仅在y轴方向上具有曲率，在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0276]
图20是示出通过了实施例5的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。图20的横轴表示光线的xz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图20的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0277]
图21是表示通过了实施例5的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。图21的横轴表示光线的yz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图21的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0278]
实施例5的柱面透镜、透镜阵列面110和透镜阵列面120与实施例4的柱面透镜、透镜阵列面110和透镜阵列面120相同。实施例5的光源与实施例4的光源相比，x轴方向及y轴方向的长度长。通过加长光源的x轴方向的长度，能够增大线的宽度。
[0279]
实施例6
[0280]
确定实例6的线发生器的线的宽度的光学元件300是柱面透镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0281]
图22是表示实施例6的线发生器的xz截面的光线路径的图。
[0282]
图23是表示实施例6的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0283]
实施例6的数值数据如下所示。
[0284]
光源距离：77mm
[0285]
柱面透镜：入射面infinite
[0286]
出射面rx＝-60.159mm
[0287]
芯厚5mm
[0288]
折射率1.707
[0289]
元件间距离：2.5mm
[0290]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.00mm k＝-0.4
[0291]
a2＝5.9197e-004
[0292]
a4＝-4.2385e-007
[0293]
出射面(透镜面1200)ry＝-1.00mm k＝-0.4
[0294]
芯厚2.58mm
[0295]
阵列间距0.8mm
[0296]
折射率1.636
[0297]
光源：尺寸0.1mm x 0.1mm
[0298]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0299]
y轴方向34mm
[0300]
透镜面1100和透镜面1200分别在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0301]
图24是示出通过了实施例6的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。图24的横轴表示光线的xz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图24的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0302]
图25是示出通过了实施例6的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。图25的横轴表示光线的yz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图25的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0303]
在实施例6中，在透镜面1100的x轴方向上也赋予曲率，以修正柱面透镜的剩余量像差。其结果，能够使x轴方向(线的宽度方向)的光强更均匀。
[0304]
实施例7
[0305]
确定实例7的线发生器的线的宽度的光学元件300是柱面透镜。在本实施例中，透镜阵列面110和透镜阵列面120分别设置在不同的光学元件透镜阵列元件1和透镜阵列元件2上。透镜阵列面110形成透镜阵列元件1的入射面，透镜阵列面120形成透镜阵列元件2的出射面。
[0306]
图26是表示实施例7的线发生器的xz截面的光线路径的图。
[0307]
图27是表示实施例7的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0308]
实施例7的数值数据如下所示。
[0309]
光源距离：77mm
[0310]
柱面透镜：入射面infinite
[0311]
出射面rx＝-45.84mm
[0312]
芯厚5mm
[0313]
折射率1.509
[0314]
元件间距离：2mm
[0315]
透镜阵列元件1：入射面(透镜面1100)ry＝1.27mmk＝-0.5
[0316]
出射面rx＝-914.09mm
[0317]
a2＝2.7664e-07
[0318]
a4＝7.7915e-11
[0319]
芯厚1.25mm
[0320]
折射率1.614
[0321]
阵列间距0.8mm
[0322]
元件间距离：0.5mm
[0323]
透镜阵列元件2：入射面rx＝914.09mm
[0324]
a2＝-2.7664e-07
[0325]
a4＝-7.7915e-11
[0326]
出射面(透镜面1200)ry＝-1.27mmk＝-0.5
[0327]
芯厚1.25mm
[0328]
折射率1.614
[0329]
阵列间距0.8mm
[0330]
光源：尺寸0.1mmx0.1mm
[0331]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0332]
y轴方向34mm
[0333]
透镜面1100和透镜面1200分别在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0334]
图28是示出通过了实施例7的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。图28的横轴表示光线的xz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图28的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0335]
图29是表示通过了实施例7的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。图29的
横轴表示光线的yz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图29的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0336]
实施例8
[0337]
确定实例8的线发生器的线的宽度的光学元件300是柱面透镜。在本实施例中，透镜阵列面110和透镜阵列面120分别设置在不同的光学元件透镜阵列元件1和透镜阵列元件2上。透镜阵列面110形成透镜阵列元件1的入射面，透镜阵列面120形成另外的透镜阵列元件2的出射面。另外，柱面透镜配置在透镜阵列元件1和透镜阵列元件2之间。
[0338]
图30是表示实施例8的线发生器的xz截面的光线路径的图。
[0339]
图31是表示实施例8的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0340]
实施例8的数值数据如下所示。
[0341]
光源距离：77mm
[0342]
透镜阵列元件1：入射面(透镜面1100)ry＝3.32mmk＝-0.5
[0343]
出射面rx＝-964.03mm
[0344]
a2＝-5.9643e-07
[0345]
a4＝2.3729e-08
[0346]
芯厚1.30mm
[0347]
折射率1.567
[0348]
阵列间距2mm
[0349]
元件间距离：0.75mm
[0350]
柱面透镜：入射面rx＝infinite
[0351]
出射面rx＝-45.96mm
[0352]
芯厚4mm
[0353]
折射率1.509
[0354]
元件间距离：0.75mm
[0355]
透镜阵列元件2：入射面rx＝964.03mm
[0356]
a2＝5.9643e-07
[0357]
a4＝-2.3729e-08
[0358]
出射面(透镜面1200)ry＝3.32mmk＝-0.5
[0359]
芯厚1.30mm
[0360]
阵列间距2mm
[0361]
折射率1.567
[0362]
光源：尺寸0.1mmx0.1mm
[0363]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0364]
y轴方向34mm
[0365]
透镜面1100和透镜面1200分别在y轴方向上以2毫米的间距配置。
[0366]
图32是示出通过了实施例8的线发生器的光束的x轴方向的强度分布的图。图32的横轴表示光线的xz截面中的相对于z轴的角度。图32的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0367]
图33是表示通过了实施例8的线发生器的光束的y轴方向的强度分布的图。图33的
横轴表示光线的yz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图33的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0368]
实施例9
[0369]
确定实例9的线发生器的线的宽度的光学元件300是仅在x轴方向上具有曲率的柱面镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0370]
图34是示出实施例9的线发生器的xy截面的光线路径的图。
[0371]
图35是表示实施例9的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0372]
图36是表示实施例9的线发生器的zx截面的光线路径的图。
[0373]
实施例9的数值数据如下所示。
[0374]
光源距离：68mm。
[0375]
柱面透镜：入射面a2＝-7.3529e-03
[0376]
元件间距离：17mm
[0377]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0378]
出射面(透镜面1200)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0379]
芯厚3.26mm
[0380]
折射率1.567
[0381]
阵列间距0.8mm
[0382]
光源：尺寸0.1mm x 0.1mm
[0383]
开口尺寸：线的宽度方向16mm
[0384]
线的长度方向34mm
[0385]
透镜面1100和透镜面1200分别在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0386]
图37是表示通过了实施例9的线发生器的光束的线的宽度方向的强度分布的图。图37的横轴表示光线的xz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图37的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0387]
图38是表示通过了实施例9的线发生器的光束的线的长度方向(y轴方向)的强度分布的图。图38的横轴表示光线的xy截面中的光线相对于x轴的角度。角度的单位是度。图38的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0388]
实施例10
[0389]
确定实例10的线发生器的线的宽度的光学元件300是仅在x轴方向上具有曲率的柱面镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0390]
图39是表示实施例10的线发生器的xy截面的光线路径的图。
[0391]
图40是表示实施例10的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0392]
图41是表示实施例10的线发生器的zx截面的光线路径的图。
[0393]
实施例10的数值数据如下所示。
[0394]
光源距离：68mm
[0395]
柱面透镜：入射面a2＝-7.3529e-03
[0396]
元件间距离：17mm
[0397]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0398]
出射面(透镜面1200)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0399]
芯厚3.26mm
[0400]
折射率1.567
[0401]
阵列间距0.8mm
[0402]
光源：尺寸0.1mm x 100mm
[0403]
开口尺寸：线的宽度方向16mm
[0404]
线的长度方向100mm
[0405]
透镜面1100和透镜面1200分别在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0406]
图42是表示通过了实施例10的线发生器的光束的线的宽度方向(z轴方向)的强度分布的图。图42的横轴表示光线的xz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图42的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0407]
图43是表示通过了实施例10的线发生器的光束的线的长度方向(y轴方向)的强度分布的图。图43的横轴表示光线的xy截面中的相对于x轴的角度。角度的单位是度。图43的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0408]
实施例10的柱面镜、透镜阵列面110以及透镜阵列面120与实施例9的柱面镜、透镜阵列面110以及透镜阵列面120相同。如图40所示，实施例10的光源与实施例9的光源相比，y轴方向的长度长。实施例10的x轴及y轴方向的强度分布的形状与实施例9的x轴及y轴方向的强度分布的形状相同，但实施例10的光强比实施例9的光强高。这样，通过加长光源的y轴方向的长度，能够不改变光强分布的形状而增加光强。
[0409]
实施例11
[0410]
确定实例11的线发生器的线的宽度的光学元件300是仅在x轴方向上具有曲率的柱面镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0411]
图44是表示实施例11的线发生器的xy截面的光线路径的图。
[0412]
图45是表示实施例11的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0413]
图46是表示实施例11的线发生器的zx截面的光线路径的图。
[0414]
实施例11的数值数据如下所示。
[0415]
光源距离：68mm
[0416]
柱面透镜：入射面a2＝-7.3529e-03
[0417]
元件间距离：17mm
[0418]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0419]
出射面(透镜面1200)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0420]
芯厚3.26mm
[0421]
折射率1.567
[0422]
阵列间距0.8mm
[0423]
光源：尺寸0.1mm x 0.1mm
[0424]
光源间距5mm
[0425]
开口尺寸：线的宽度方向16mm
[0426]
线的长度方向100mm
[0427]
透镜面1100和透镜面1200分别在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0428]
图47是表示通过了实施例11的线发生器的光束的线的宽度方向(z轴方向)的强度
分布的图。图47的横轴表示光线的xz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图47的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0429]
图48是表示通过了实施例11的线发生器的光束的线的长度方向(y轴方向)的强度分布的图。图48的横轴表示光线的xy截面中的相对于x轴的角度。角度的单位是度。图48的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0430]
实施例11的柱面镜、透镜阵列面110及透镜阵列面120与实施例9的柱面镜、透镜阵列面110及透镜阵列面120相同。在实施例11中，分别与实施例9相同的多个光源如图45所示在y轴方向上以5毫米间距排列。实施例11的x轴及y轴方向的强度分布的形状与实施例9的x轴及y轴方向的强度分布的形状相同，但实施例11的光强比实施例9的光强高。这样，通过在y轴方向上排列多个光源，能够不改变光强分布的形状而增加光强。
[0431]
实施例12
[0432]
确定实例12的线发生器的线的宽度的光学元件300是仅在x轴方向上具有曲率的柱面镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0433]
图49是表示实施例12的线发生器的xy截面的光线路径的图。
[0434]
图50是表示实施例12的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0435]
图51是表示实施例12的线发生器的zx截面的光线路径的图。
[0436]
实施例12的数值数据如下所示。
[0437]
光源距离：68mm
[0438]
柱面透镜：入射面a2＝-7.3529e-03
[0439]
元件间距离：17mm
[0440]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0441]
出射面(透镜面1200)ry＝1.18mm k＝-0.4
[0442]
芯厚3.26mm
[0443]
折射率1.567
[0444]
阵列间距0.8mm
[0445]
光源：尺寸0.4mm x 0.4mm
[0446]
开口尺寸：线的宽度方向16mm
[0447]
线的长度方向34mm
[0448]
透镜面1100和透镜面1200分别在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0449]
图52是表示通过了实施例12的线发生器的光束的线的宽度方向(z轴方向)的强度分布的图。图52的横轴表示光线的xz截面中的相对于z轴的角度。角度的单位是度。图52的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0450]
图53是表示通过了实施例12的线发生器的光束的线的长度方向(y轴方向)的强度分布的图。图53的横轴表示光线的xy截面中的相对于x轴的角度。角度的单位是度。图53的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/球面度。
[0451]
实施例12的反射镜、透镜阵列面110及透镜阵列面120与实施例9的反射镜、透镜阵列面110及透镜阵列面120相同。实施例12的光源与实施例9的光源相比，x轴方向及y轴方向的长度长。通过加长光源的x轴方向的长度，能够增大线的宽度。
[0452]
实施例13
[0453]
确定实例13的线发生器的线的宽度的光学元件300是柱面透镜。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。
[0454]
图54是表示实施例13的线发生器的xz截面的光线路径的图。
[0455]
图55是表示实施例13的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0456]
实施例13的数值数据如下所示。
[0457]
光源距离：77mm
[0458]
柱面透镜：入射面rx＝82.79mm
[0459]
出射面rx＝-82.79mm
[0460]
芯厚5mm
[0461]
折射率1.509
[0462]
元件间距离：2.5mm
[0463]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.15mm k＝-0.49
[0464]
出射面(透镜面1200)ry＝-1.15mm k＝-0.49
[0465]
芯厚3.48mm
[0466]
阵列间距0.8mm
[0467]
折射率1.489
[0468]
光源：尺寸0.1mm x 0.1mm
[0469]
光源间距5mm
[0470]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0471]
y轴方向100mm
[0472]
投影距离：3000mm
[0473]
透镜面1100和透镜面1200分别在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0474]
图56是表示通过了实施例13的线发生器的光束的，距光源3000毫米的距离的照射面上的线的宽度方向(x轴方向)的强度分布的图。图56的横轴表示距光束的中心轴的距离。距离的单位是毫米。图56的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/平方厘米。
[0475]
图57是表示通过了实施例13的线发生器的光束的，距光源3000毫米的距离的照射面上的线的长度方向(y轴方向)的强度分布的图。图57的横轴表示距光束的中心轴的距离。距离的单位是毫米。图57的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/平方厘米。
[0476]
实施例1至实施例12的线发生器通过无限共轭系统将线投影到远方的照射面，但在实施例13的线发生器中，柱面透镜构成为将线投影到距光源3000mm的位置的照射面。本发明可以应用于光源和投影面的共轭关系为有限共轭系和无限共轭系的任意情况。
[0477]
在实施例13中，如图55所示，多个光源在y轴方向上以5毫米间距排列。这样，通过在y轴方向上排列多个光源，能够不改变光强分布的形状而增加光强。
[0478]
实施例14
[0479]
确定实施例14的线发生器的线的宽度的光学元件300是2个柱面透镜300a和300b。透镜阵列面110及120分别设置在1个透镜阵列元件的入射面及出射面。2个柱面透镜300a和300b分别配置在上述透镜阵列元件的光源侧和光源相反侧。柱面透镜300b也称为投影透镜。
[0480]
图58是表示实施例14的线型发生器的xz截面的光线路径的图。
[0481]
图59是表示实施例14的线发生器的yz截面的光线路径的图。
[0482]
实施例14的数值数据如下所示。
[0483]
光源距离：77mm
[0484]
柱面透镜(300a)：入射面rx＝infinite
[0485]
出射面rx＝-41.35mm
[0486]
芯厚5mm
[0487]
折射率1.509
[0488]
元件间距离：2.5mm
[0489]
透镜阵列元件：入射面(透镜面1100)ry＝1.15mm k＝-0.49
[0490]
出射面(透镜面1200)ry＝-1.15mm k＝-0.49
[0491]
芯厚3.48mm
[0492]
阵列间距0.8mm
[0493]
折射率1.489
[0494]
元件间距离：2mm
[0495]
投影透镜(300b)：入射面rx＝-30.14mm
[0496]
出射面rx＝-32.37mm
[0497]
芯厚5mm
[0498]
折射率1.509
[0499]
光源：尺寸0.1mm x 0.1mm
[0500]
光源间距5mm
[0501]
开口尺寸：x轴方向16mm
[0502]
y轴方向100mm
[0503]
投影距离：3000mm
[0504]
透镜面1100和透镜面1200分别在y轴方向上以0.8毫米的间距配置。
[0505]
图60是示出通过了实施例14的线发生器的光束的，与光源相距3000毫米的距离的照射面上的x轴方向上的强度分布的图。图60的横轴表示距光束的中心轴的距离。距离的单位是毫米。图60的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/平方厘米。
[0506]
图61是表示通过了实施例14的线发生器的光束的，与光源相距3000毫米的距离的照射面上的y轴方向上的强度分布的图。图61的横轴表示距光束的中心轴的距离。距离的单位是毫米。图61的纵轴表示光强。光强的单位是瓦特/平方厘米。
[0507]
实施例14的线性产生器的光学系统是在实施例2的第1和第2透镜阵列面的光源相反侧(投影侧)追加了柱面透镜作为投影透镜的光学系统。这样，也可以在实施例1至12的以无限共轭系设计的光学系统中追加使用投影用的透镜。