CN107851961A

CN107851961A - 发光装置

Info

Publication number: CN107851961A
Application number: CN201680041997.2A
Authority: CN
Inventors: 菊池俊宏; 龟田博史
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2018-03-27
Also published as: US20180045969A1; EP3340404A1; JPWO2017029874A1; KR20180019724A; EP3340404A4; WO2017029874A1

Abstract

本发明提供一种发光装置，能够将从多个光源出射的激光聚光为规定的直径以下的点，从而能够提高每单位面积的光强度。该发光装置具有：光源部，具有多个激光光源；折射光学系统，分别使从多个激光光源入射的光折射；以及聚光光学系统，分别使从折射光学系统入射的多条折射光聚光，折射光学系统使沿多个激光光源的各个光轴出射的多条中心光线，分别以行进方向越向聚光光学系统侧行进则越远离聚光光学系统的光轴的方式折射。

Description

发光装置

技术领域

本发明涉及具有多个激光光源的发光装置。

背景技术

专利文献1公开一种激光模块，该激光模块利用准直透镜将从多个半导体激光元件出射的扩散光转化为平行光，并利用聚光透镜将该平行光聚光。专利文献2公开一种半导体激光装置，该半导体激光装置利用准直透镜将从多个激光二极管射出的光转化为平行光，并利用聚光透镜使该平行光向光纤聚光。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-66875号公报

专利文献2：日本特开2013-251394号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在向罐状的金属插入激光二极管并封装的所谓的CAN激光器中，为了高功率化而采用插入多个激光二极管的方式。然而，在以往的CAN激光器中，如专利文献1的激光模块、专利文献2的半导体激光装置那样，将多个半导体激光元件、激光二极管的光轴与聚光透镜的光轴平行配置，因此，即使利用聚光透镜对从这些光源出射的激光进行聚光，点也会变为多个，或者，即使点是一个，直径也大，不能够充分地集中，因此，难以对小的照射对象照射所希望的高强度的光。

因此，本发明的目的在于，提供一种发光装置，能够使从多个光源出射的激光聚光为规定的直径以下的点，由此，能够提高每单位面积的光强度。

解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明的发光装置的特征在于，具有：光源部，具有多个激光光源；折射光学系统，分别使从多个激光光源入射的光折射；以及聚光光学系统，分别使从折射光学系统入射的多条折射光聚光，折射光学系统使沿多个激光光源的各个光轴出射的多条中心光线，分别以行进方向越向聚光光学系统侧行进则越远离聚光光学系统的光轴的方式折射。

根据该结构，能够使从聚光光学系统出射的多条会聚光重合而聚光为小的点，因此，能够得到每单位面积的光强度大的光。

在本发明的发光装置中，优选地，折射光学系统具有多个倾斜面，所述多个倾斜面具有分别与多个激光光源相对应的倾斜角度。

由此，能够利用与多个激光光源相对于聚光光学系统的光轴的配置等对应的倾斜面，使折射光以所希望的角度从折射光学系统向聚光光学系统出射，因此，能够使多条会聚光聚光成小的点。

在本发明的发光装置中，优选地，多个倾斜面设置于折射光学系统的入射面以及出射面中的至少一方。

由此，能够提高折射光学系统的设计的自由度，另外，能够降低折射光学系统的制造成本。

在本发明的发光装置中，优选地，折射光学系统是具有多个倾斜面的单一的光学构件。

由此，能够减小折射光学系统所占的区域，因此，能够使发光装置小型化。

在本发明的发光装置中，优选地，多个倾斜面设置于折射光学系统的入射面以及出射面，入射面和从该入射面入射的光出射的出射面分别以越远离聚光光学系统的光轴则相互的距离越大的方式倾斜。

通过在折射光学系统的入射面以及出射面设置倾斜面，能够将各面的折射的负担抑制得较小，从而能够变为容易进行设计、制造的形状。

在本发明的发光装置中，优选地，多个激光光源的光轴分别与聚光光学系统的光轴平行。

由此，能够利用现有的技术配置多个激光光源。

在本发明的发光装置中，优选地，聚光光学系统由单一的聚光透镜构成。

由此，能够减小聚光光学系统所占的区域，因此，能够使发光装置小型化。

发明效果

根据本发明，能够将从多个光源出射的激光聚光为规定的直径以下的点，由此，能够提高每单位面积的光强度。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的发光装置的结构的俯视图。

图2是表示图1所示的发光装置的光源部的结构的主视图。

图3是表示图1所示的发光装置的棱镜的结构的立体图。

图4是表示第一实施方式的实施例1的发光装置的模拟模型的图。

图5是表示比较例的发光装置的模拟模型的图。

图6(A)是表示图4所示的模型的位置P11的模拟结果的图，图6(B)是表示图4所示的模型的位置P12的模拟结果的图，图6(C)是表示图4所示的模型的位置P13的模拟结果的图。

图7(A)是表示图5所示的模型的位置P21的模拟结果的图，图7(B)是表示图5所示的模型的位置P22的模拟结果的图，图7(C)是表示图5所示的模型的位置P23的模拟结果的图。

图8是表示本发明的第二实施方式的发光装置的光源部的结构的主视图。

图9(A)是表示第二实施方式的发光装置的棱镜的结构的立体图，图9(B)是图9(A)所示的棱镜的俯视图。

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边详细地说明本发明的实施方式的发光装置。

<第一实施方式>

图1是表示第一实施方式的发光装置10的结构的俯视图。图2是表示发光装置10的光源部20的结构的主视图。图3是表示发光装置10的棱镜40的结构的立体图。在各图中，作为基准坐标示出有X-Y-Z坐标。X1-X2方向是沿聚光透镜30的光轴30c的方向，Y-Z面是与X1-X2方向正交的面。

如图1所示，发光装置10具有光源部20、作为聚光光学系统的聚光透镜30、以及作为折射光学系统的棱镜40。

在光源部20中，在管座21接合有作为激光光源的两个激光二极管22、23。在管座21上还配置有用于驱动激光二极管22、23的半导体芯片(未图示)以及支撑该半导体芯片的引线框(未图示)，与引线框连接的多个端子24向X2方向贯通管座21并向外部延伸。在管座21上固定有中空且金属制的盖25，以覆盖引线框、半导体芯片、以及激光二极管22、23。在盖25内填充有树脂，由此，激光二极管22、23的位置被固定。

如图1和图2所示，在激光二极管22、23中，在盖25的表面(X1方向的顶端面)配置有出射面22e、23e。激光二极管22、23配置为，所述激光二极管22、23的光轴22c、23c与聚光透镜30的光轴30c平行。

如图1所示，作为聚光光学系统的聚光透镜30是双凸正透镜。在此，作为聚光光学系统，并不限于图1所示那样的双凸正透镜，若具有正的折射能力，也可以是双凸正透镜以外的形状的透镜。另外，不限于单独的透镜，也可以为组合多个透镜而具有聚光性能的光学系统。

如图1和图3所示，棱镜40具有在Y1-Y2方向上上下配置的两个折射部44、45。所述折射部44、45具有相对于XZ平面相对称的形状。棱镜40是例如使用玻璃、塑料将两个折射部44、45一体成形而成的。

从Z1-Z2方向观察，棱镜40中的Y1方向侧的第一折射部44呈左右对称的梯形形状，分别与梯形的上底和下底对应的两个侧面44c、44d是相互平行的平面且分别沿XZ平面延伸。分别与梯形的剩余的两条边对应的入射面44a和出射面44b是具有越远离聚光透镜30的光轴30c则相互的距离越大那样的倾斜角度的平面，所述入射面44a和出射面44b在X1-X2方向上从光源部20侧依次配置。若假想地使入射面44a和出射面44b向Y2方向延伸，则从Z1-Z2方向观察，在相交的位置形成有顶角θ(图1)。如图3所示，入射面44a相对于与YZ平面平行的平面S1向X2方向侧倾斜，出射面44b相对于与YZ平面平行的平面S2向X1方向侧倾斜，倾斜角度分别为α。该倾斜角度α与激光二极管22相对于聚光透镜30的光轴30c的配置、第一折射部44的折射率、聚光透镜30的折射能力等相对应地设定，在本实施方式中为顶角θ的1/2。

从Z1-Z2方向观察，棱镜40的Y2方向侧的第二折射部45呈左右对称的梯形形状，分别与梯形的上底和下底对应的两个侧面45c、45d是相互平行的平面且分别沿XZ平面延伸。分别与梯形的剩余的两条边对应的入射面45a和出射面45b是具有越远离聚光透镜30的光轴30c则相互的距离越大那样的倾斜角度的平面，所述入射面45a和出射面45b在X1-X2方向上从光源部20侧依次配置。若假想地使入射面45a和出射面45b向Y1方向延伸，则从Z1-Z2方向观察，在相交的位置形成有顶角θ(图1)。即，入射面45a和出射面45b形成的顶角与入射面44a和出射面44b形成的顶角相同。另外，如图3所示，入射面45a相对于平面S1向X2方向侧倾斜，出射面45b相对于平面S2向X1方向侧倾斜，倾斜角度分别为α。上述倾斜角度与激光二极管23相对于聚光透镜30的光轴30c的配置、第二折射部45的折射率、聚光透镜30的折射能力等相对应地设定，在本实施方式中，与第一折射部44的入射面44a以及出射面44b的倾斜角度相同。

在棱镜40中，将第一折射部44的侧面44d和第二折射部45的侧面45c作为共用面，如图3所示，该共用面被配置于包括聚光透镜30的光轴30c的XZ平面。由此，第一折射部44和第二折射部45被配置为，相对于XZ平面对称。

在以上结构的发光装置10中，来自激光二极管22的出射光的中心光线22a与光轴30c平行地入射至入射面44a，来自激光二极管23的出射光的中心光线23a也与光轴30c平行地入射至入射面45a。

中心光线22a按照第一折射部44的折射率、以及入射面44a以及出射面44b的倾斜角度α的设定，在第一折射部44内折射并从出射面44b出射。这样，从出射面44b出射的折射光42a向越朝向聚光透镜30侧则越远离聚光透镜30的光轴30c的方向行进。

另外，中心光线23a按照第二折射部45的折射率、以及入射面45a以及出射面45b的倾斜角度α的设定，在第二折射部45内折射并从出射面45b出射。从出射面45b出射的折射光43a向越朝向聚光透镜30侧则越远离聚光透镜30的光轴30c的方向进行。

因此，折射光42a和折射光43a以越朝向聚光透镜30侧越相互远离的方式进行。

如图1所示，从棱镜40出射的折射光42a、43a分别从聚光透镜30作为会聚光32a、33a出射。所述会聚光32a、33a在聚光位置PC光束重合而变为微小的点，之后，分别在成像位置PI成像。因此，由于在聚光位置PC形成两个光束重合而光强度增强的微小直径的点，因此，在该位置提高每单位面积的光强度，从而能够高功率化。在此，在聚光位置PC形成的点的光强度是分别从激光二极管22、23出射的激光的大约两倍。另外，聚光位置PC处于比聚光透镜30的后侧焦点位置PF更靠后侧的位置，即比像侧的焦点向X1方向行进的位置。

与此相对，在不使用棱镜40而使来自激光二极管22、23的激光直接入射至聚光透镜30的情况下，光束不在后侧焦点位置PF的后侧重合而形成点。另外，在该情况下，两个光束的一部分在后侧焦点位置PF的近前的位置重合，但在该位置的光束不变成点状，由于具有光束重合的部分和不重合的部分，因此，在每单位面积的光强度存在不均，单位面积的光强度的最大值是使用单独的激光的情况的1～1.5倍左右。

接下来，对第一实施方式的实施例进行说明。

图4是表示第一实施方式的实施例1的发光装置的模拟模型的图，图5是表示比较例的发光装置的模拟模型的图。图4和图5示出与图1的聚光透镜30对应的透镜L、以及从两个激光二极管出射的光从左侧向右侧行进的光路。在图4中示出与图1的棱镜40对应的棱镜D。图6(A)、(B)、(C)是分别表示图4所示的实施例1的模型的位置P11、P12、P13的模拟结果的图。图7(A)、(B)、(C)是分别表示图5所示的比较例的模型的位置P21、P22、P23的模拟结果的图。在此，图4的位置P11和图5的位置P21与图1中的后侧焦点位置PF对应，图4的位置P12和图5的位置P22与图1中的聚光位置PC对应，图4的位置P13和图5的位置P23与图1中的成像位置PI对应。

在图4所示的实施例1中，按照以下条件从两个激光二极管出射光B11、B12。在图5所示的比较例中，从两个激光二极管出射光B21、B22，除未设置棱镜D这一点外，以与实施例1相同的条件进行模拟。此外，激光二极管的输出在实施例1、比较例中均为1W(瓦)。

(实施例1)

以下所示的各距离是沿透镜L的轴Lc的方向的距离，轴上距离是光轴Lc上的距离。

<激光二极管的特性>

发光位置：在Y1方向上距透镜L的光轴Lc有0.2mm、以及在Y2方向上距透镜L的光轴Lc有0.2mm、

发光角度：相对于透镜L的光轴Lc为0度

扩散角：以激光二极管的光轴为中心±10度

<棱镜D的特性>

材质：BK7(商品名称，硼硅酸盐冕玻璃，折射率1.517，阿贝数64.2)

入射面以及出射面的倾斜角度α：10度

Z1-Z2方向的厚度(XY平面的中心部)：0.9mm

从激光二极管的出射面至棱镜D的入射面r21的距离：0.5mm

<透镜L的特性>

焦距：1.65mm

前表面r1(光源侧面)的曲率半径R：2.1

后表面r2(像侧面)的曲率半径R：1.8

透镜厚度：2.5mm

开口直径：直径3.6mm

从棱镜D的出射面r22至透镜L的前表面r1的轴上距离：1.4mm

从透镜L的后表面r2至成像位置P13的轴上距离：5.0mm

通过该模拟，得到了以下的结果。

在实施例1中，如图6(B)所示，在聚光位置P12形成单一的点，该点直径为0.15mm，每单位面积的光强度的最大值(以下设为Emax)为40000W/cm²。另一方面，图6(A)所示的后侧焦点位置P11处的两个光束的Emax是1700W/cm²。

与此相对，在比较例中，如图7(B)所示，在聚光位置P22未形成单一的点，聚光位置P22处的两个光束的Emax是8000W/cm²。另外，图7(A)所示的后侧焦点位置P21处的光束的Emax是1800W/cm²。

根据以上的结果，与来自激光二极管的出射光直接入射至透镜L的比较例相比，在激光二极管与透镜L之间配置棱镜D的实施例1中，光束在聚光位置P12重合而变为小的点，并且光强度增强。该光强度比比较例的后侧焦点位置P21处的光强度高。

以下，对变形例进行说明。

在上述实施方式中，将棱镜40的第一折射部44和第二折射部45的入射面以及出射面设为倾斜面，但若能够使来自第一折射部44以及第二折射部45的多条出射光以越朝向聚光透镜30侧则相互的距离越大的方式行进，则也可以仅将入射面以及出射面的一方设为倾斜面。另外，即使在将入射面以及出射面设为倾斜面的情况下，若能够使来自第一折射部44以及第二折射部45的多条出射光以越朝向聚光透镜30侧则相互的距离越大的方式行进，则也可以将入射面和出射面的倾斜角度设为不同。另外，倾斜面也可以不是平面，而是非球面、半球面曲面，也可以由所希望的倾斜面、曲面仅构成从激光二极管22、23入射的入射区域以及从棱镜40出射的出射区域。

在Y1-Y2方向上串行配置三个以上激光二极管的情况下构成为，根据Y1-Y2方向上的距聚光透镜30的光轴30c的距离，使来自各激光二极管的出射光入射至棱镜40的区域的倾斜面的倾斜角度不同，从聚光透镜30出射的出射光在聚光位置PC聚光而成为点。在Y1-Y2方向以外的串行排列配置激光二极管的情况也相同。

在上述实施方式中，作为折射光学系统使用了单一的棱镜40，但若能够由来自激光二极管22、23的出射光生成与棱镜40相同的折射光，则也能够为上述以外的结构，例如，也可以划分为来自激光二极管22的出射光入射的光学构件和来自激光二极管23的出射光入射的光学构件。

在上述实施方式中，以光轴相互平行的方式配置两个激光二极管22、23，但若能够通过从聚光透镜30出射的会聚光形成所希望的点，则也可以使激光二极管22、23的光轴与聚光透镜30的光轴30c分别倾斜恒定角度。

基于以上那样的构成，根据第一实施方式及其变形例所涉及的发光装置，能够达到如下的效果。

(1)通过使用棱镜40分别使来自激光二极管22、23的出射光折射，能够使从聚光透镜30出射的多条会聚光重合而聚光成小的点，因此，能够得到每单位面积的光强度大的光。

(2)由于将第一折射部44和第二折射部45设为相对于XZ平面对称的形状，因此，从聚光透镜30出射的会聚光32a、33a重合所形成的点变得更小，更接近圆形，从而能够进一步提高光强度。

(3)为了使以相互分离的方式行进的多条光线向聚光透镜30入射，如第一实施方式的发光装置那样，在激光二极管22、23与聚光透镜30之间配置作为折射光学系统的棱镜40，除此以外，也考虑如下结构，即，不使用折射光学系统，而使多个激光二极管的出射方向相对于聚光透镜30的光轴30c分别倾斜。但是，就能够使来自聚光透镜30的多条出射光聚光成小的点的程度而言，高精度地设定全部的激光二极管的倾斜角度是非常困难的。与此相对，在第一实施方式的发光装置中使用了棱镜40，因此，将激光二极管22、23相互平行地配置即可，由此，能够使来自聚光透镜30的多条出射光高精度地聚光至所希望的位置且成为小的点。

<第二实施方式>

接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。在第二实施方式中，将作为激光光源的激光二极管的数量设为四个。在以下的说明中，对与第一实施方式相同的构件使用相同的附图标记。

图8是表示第二实施方式的发光装置的光源部120的结构的主视图。图9(A)是表示第二实施方式的发光装置的棱镜140的结构的立体图，图9(B)是图9(A)所示的棱镜140的俯视图。在图9(B)中，省略中心光线123a、125a、折射光143a、145a的图示。

如图8所示，在第二实施方式中，以光轴在以聚光透镜30的光轴30c为中心的圆120c上的方式，分别配置作为激光光源的四个激光二极管122、123、124、125，这些激光二极管与管座21接合。激光二极管122、123、124、125的各光轴与第一实施方式相同，与聚光透镜30的光轴30c平行。相对于光轴30c，在Y1方向侧配置有激光二极管122，在Z1方向侧配置有激光二极管123，在Y2方向侧配置有激光二极管124，在Z2方向侧配置有激光二极管125。

在第二实施方式中，代替第一实施方式的棱镜40而使用图9(A)、(B)所示的棱镜140来作为折射光学系统。如图9(A)所示，该棱镜140从X1-X2方向观察具有矩形形状的整体形状，并且以分别与四个激光二极管122、123、124、125对应的方式设置有四个折射部142、143、144、145。更具体而言，相对于光轴30c，以等角度间隔在Y1方向侧配置折射部142，在Z1方向侧配置折射部143，在Y2方向侧配置折射部144，在Z2方向侧配置折射部145，例如使用玻璃、塑料一体成形四个折射部142、143、144、145。

折射部142、143、144、145在X1-X2方向上从光源部120侧依次具有来自激光二极管122、123、124、125的出射光入射的入射面和入射的光发生折射并出射的出射面。同一折射部的入射面和出射面是具有越远离聚光透镜30的光轴30c则相互的距离越大那样的倾斜角度的平面。例如，如图9(B)所示，在折射部142设置有入射面142b和出射面142c，在折射部144设置有入射面144b和出射面144c。在折射部142，入射面142b相对于与YZ平面平行的平面S3向X2方向侧倾斜，出射面142c相对于与YZ平面平行的平面S4向X1方向侧倾斜，倾斜角度分别为α。另外，在折射部144，入射面144b相对于平面S3向X2方向侧倾斜，出射面144c相对于平面S4向X1方向侧倾斜，倾斜角度分别为α。折射部143、145也与这样的结构相同。

在以上的结构的棱镜140中，来自激光二极管122、123、124、125的出射光(中心光线122a、123a、124a、125a)分别入射至折射部142、143、144、145，然后分别被折射而作为折射光142a、143a、144a、145a向聚光透镜30侧出射。这些折射光以越朝向聚光透镜30侧越远离聚光透镜30的光轴30c的方式行进并向聚光透镜30入射，被聚光透镜30聚光后的会聚光的光束在聚光位置PC重合而成为微小的点。

此外，将棱镜140的从X1-X2方向观察的平面形状设为矩形形状，但若能够确保从激光二极管122、123、124、125入射的入射区域和折射光的出射区域，则也可以为矩形以外的形状，例如圆形。

此外，其他的作用、效果、变形例与第一实施方式相同。

一边参照上述实施方式一边说明了本发明，但本发明并不限定于上述实施方式，在改进的目的或本发明的思想范围内能够进行改进或变更。

工业上的可利用性

如上所述，本发明的发光装置能够在聚光位置得到光强度高的点光束，因此，在光加工、照明方面有用。

附图标记的说明：

10 发光装置

20 光源部

22a、23a 中心光线

22c、23c 光轴

22e、23e 出射面

22、23 激光二极管

30 聚光透镜(聚光光学系统)

30c 光轴

32a、33a 会聚光

40 棱镜(折射光学系统)

42a、43a 折射光

44 第一折射部

44a 入射面

44b 出射面

45 第二折射部

45a 入射面

45b 出射面

120 光源部

122、123、124、125 激光二极管

122a、123a、124a、125a 中心光线

140 棱镜(折射光学系统)

142、143、144、145 折射部

142a、143a、144a、145a 折射光

142b、144b 入射面

142c、144c 出射面

D 棱镜(折射光学系统)

L 透镜(聚光光学系统)

Lc 光轴

PF、P11、P21 后侧焦点位置

PC、P12、P22 聚光位置

PI、P13、P23 成像位置

r1 前表面

r21 入射面

r2 后表面

r22 出射面

Claims

1.一种发光装置，其特征在于，

具有：

光源部，具有多个激光光源；

折射光学系统，分别使从所述多个激光光源入射的光折射；以及

聚光光学系统，分别使从所述折射光学系统入射的多条折射光聚光，

所述折射光学系统使沿所述多个激光光源的各个光轴出射的多条中心光线，分别以行进方向越向所述聚光光学系统侧行进则越远离所述聚光光学系统的光轴的方式折射。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，

所述折射光学系统具有多个倾斜面，所述多个倾斜面具有分别与所述多个激光光源相对应的倾斜角度。

3.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于，

所述多个倾斜面设置于所述折射光学系统的入射面以及出射面中的至少一方。

4.根据权利要求2或3所述的发光装置，其特征在于，

所述折射光学系统是具有所述多个倾斜面的单一的光学构件。

5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，

所述多个倾斜面设置于所述折射光学系统的入射面以及出射面，

所述入射面和从该入射面入射的光出射的所述出射面分别以越远离所述聚光光学系统的光轴则相互的距离越大的方式倾斜。

6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，

所述多个激光光源的光轴分别与所述聚光光学系统的光轴平行。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的发光装置，其特征在于，

所述聚光光学系统由单一的聚光透镜构成。