JP2004061727A - 光源用モジュールおよび光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＤバーにおけるＬＤの数を有効に増大させて、光源としての出力を増大させることができ、なおかつ、位置関係の誤差に影響され難い新規な光源用モジュールを実現する。
【解決手段】ＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュールにおいて、共軸コリメートレンズアレイ１２が、各ＬＤから放射される発散光束を平行光束化した平行光束群を、光束配列重層化手段Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ２１、Ｍ２２により配列方向に分割して、配列方向に直交する方向に近接させて重層化する。ＬＤ配列方向における横倍率が有効に小さく設定される。
【選択図】　　　　　　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光源用モジュールおよび光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎ（≧２）個のＬＤ（半導体レーザ）を、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化してなるＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュールの開発が、各種の光照射装置の光源部に関連して意図されている。
【０００３】
このような光源用モジュールにおいて「光源としての出力」を大きくするため、ＬＤバーを構成するＬＤの数：Ｎを増大させると、光結合の横倍率が大きくなり、集光スポット径が光ファイバのコア径より大きくなって光結合効率が低下し、出力を大きくするという目的を達成できなくなったり、あるいは「ＬＤバー、光源用モジュール、光ファイバ相互の位置関係のずれ」により集束スポット位置が大きく変動するので上記位置関係に高精度が必要となり、上記位置関係の僅かな誤差により光結合効率が大きく低下してしまったりする問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、ＬＤバーにおけるＬＤの数を有効に増大させて、光源としての出力を増大させることができ、なおかつ、ＬＤバー・光源用モジュール・光ファイバ相互の位置関係の誤差に影響され難い、新規な光源用モジュールの実現を課題とする。
【０００５】
この発明はまた、上記光源用モジュールとＬＤバーとを組合せた新規な光源装置の実現を課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の光源用モジュールは「Ｎ（≧２）個のＬＤを、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化してなるＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュール」であって、光結合手段として、共軸コリメートレンズアレイと、集光用共軸レンズと、光束配列重層化手段とを有する（請求項１）。
「光結合手段」は、光源用モジュールを構成する光学系である。
【０００７】
「共軸コリメートレンズアレイ」は、Ｎ個のコリメートレンズを、ＬＤバーにおけるＬＤの配列に応じて配列一体化してなり、ＬＤバーのＮ個のＬＤから放射される発散光束をそれぞれ平行光束化する。
【０００８】
「集光用共軸レンズ」は、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化された各光束を、１本の光ファイバの入射端面に集光するレンズである。
【０００９】
「光束配列重層化手段」は、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化され、ＬＤ配列方向に配列する平行光束群を、配列方向にｎ（≧２）分割し、上記配列方向に直交する方向へ、互いに近接するｎ層、即ち、上記配列方向に直交する方向に、互いに接してもしくは微小な間隙を隔して重層化する手段である。
【００１０】
「光結合手段の横倍率」は、有効に小さく設定される。
即ち、上記分割数：ｎは、ＬＤバーにおけるＬＤ数：Ｎに応じて「光結合手段の横倍率が有効に小さく設定できる」ように定められる。なお、平行光束群のｎ分割は「等分割」である必要は無い。
【００１１】
請求項１記載の光源用モジュールにおける「光束配列重層化手段」は、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されてＬＤ配列方向に配列する平行光束群を配列方向にｎ分割し、分割されたｎ−１の平行光束群を、上記配列方向に直交する方向へ所定距離だけ平行移動的にずらすためのｎ−１対の「第１鏡面対」と、これら第１鏡面対によりずらされたｎ−１の平行光束群を、上記配列方向へ所定の距離だけ平行移動的にずらして、全平行光束をｎ層に重層化させるｎ−１対の「第２強面対」とによるｎ−１個の「鏡面対手段」として構成することができる（請求項２）。
【００１２】
即ち、ｎ−１個の鏡面対手段の個々は、第１鏡面対とこれに対応する第２鏡面対により構成される。これらｎ−１個の鏡面対手段は、これを構成する第１鏡面対とこれに対応する第２鏡面対とを「プリズムとして一体化」することができる（請求項３）。この場合、ｎ−１個の鏡面対手段の個々をプリズムとして一体化しても良いし、複数の鏡面対手段をプリズムとして一体化しても良く、ｎ−１個の鏡面対手段全体を１個のプリズムとして一体化しても良い。
【００１３】
このようにする代わりに、個々の第１鏡面対、第２鏡面対を別体のプリズムとして構成し（この場合も、第１鏡面対、第２鏡面対は、それぞれ２以上をプリズムとして一体化することもできる）、これらプリズムを組合せて鏡面対手段とすることもできるし、第１および／または第２鏡面対をそれぞれ「平面鏡の対」として構成しても良く、さらには、第１・第２鏡面対の「一方を平面鏡の対、他方をプリズム」として組合せることもできる。
【００１４】
請求項１または２または３記載の光源用モジュールは「共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されてＬＤ配列方向に配列する平行光束群の配列幅を、配列方向に圧縮する光束配列幅圧縮手段」を有することができる（請求項４）。
【００１５】
この請求項４記載の光源用モジュールの光束配列幅圧縮手段は「共軸コリメートレンズアレイの各コリメートレンズにより平行光束化された光束をそれぞれ２回反射させ、ＬＤ配列方向における光束間隔を減少させる反射手段」であることができる（請求項５）。
【００１６】
上記請求項４記載の光源用モジュールにおいては、共軸コリメートレンズアレイを「ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化したもの」として、平行光束化された光束の配列幅を圧縮する機能を持たせ「光束配列幅圧縮手段」を兼ねさせることができる（請求項６）。
【００１７】
上記請求項６記載の光モジュールにおける「共軸コリメートレンズアレイ」は、「配列方向のレンズ径が小さいガラス研磨レンズによるコリメートレンズをＮ個接合したもの」もしくは「配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、エッチング加工もしくはモールドにより一体に形成されたガラスレンズアレイ」もしくは「配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、樹脂成形により一体に形成された樹脂レンズアレイ」もしくは「配列方向のレンズ径が小さく、回折によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした回折光学素子レンズアレイ」もしくは「配列方向のレンズ径が小さく、屈折率分布によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした屈折率分布型レンズアレイ」の何れかであることができる（請求項７）。
【００１８】
また、上記請求項１〜７の任意の１に記載の光源用モジュールにおける「集光用共軸レンズ」は、「研磨によるガラスレンズ」もしくは「ガラスモールドレンズ」もしくは「樹脂成形レンズ」もしくは「回折光学素子レンズ」もしくは「屈折率分布レンズ」の何れかであることができる（請求項８）。
【００１９】
上記請求項１〜８の任意の１に記載の光源用モジュールにおける「光結合手段の横倍率」は１０倍以下であることが好ましい（請求項９）。
【００２０】
この発明の光源装置は、上記請求項１〜９の任意の１に記載の光源用モジュールとＬＤバーとを組合せてなる（請求項１０）。
【００２１】
発明の実施の形態を説明するに先立って「光結合手段の横倍率」と、その低減方法を説明する。
【００２２】
図１は、共軸コリメートレンズアレイと、集光用共軸レンズとにより、ＬＤバーの各ＬＤからの光束を光ファイバの入射端面に結合させる状態を模式的に示している。図１の上の図は、水平方向図で（Ｘ−Ｚ面）での結合の様子を示し、下の図は垂直方向図で（Ｙ−Ｚ面）での結合の様子を示す。
【００２３】
周知の如く、ＬＤ（半導体レーザ）の発光部は長方形形状を有し、ＬＤバーは「Ｎ（≧２）個のＬＤを、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化」した構成となっている。このような構成で、ＬＤの配列方向、即ち「個々のＬＤにおける発光部の長手方向」がＸ方向であり、各ＬＤから放射される発散性レーザ光束の主光線の方向がＺ方向である。そして、これらＸ、Ｚ方向に直交する方向がＹ方向である。
【００２４】
図１において、符号Ｐ０は、ＬＤバーにおける「発光部の配列している面」を示している。周知の如く、ＬＤの発光部から放射される発散性の光束は、その発散角が一様でなく、上記発光部の長手方向に平行な面内、即ち水平方向（Ｘ−Ｚ面）において発散角は最小の値：θ_Ｈ（以下「最小発散角」という）をとり、発光部の長手方向に直交する面内、即ち、垂直方向（Ｙ−Ｚ面）において発散角は最大の値：θ_Ｖ（以下「最大発散角」という）をとる。
【００２５】
図１には、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：３の場合が示されている。
図１は、共軸コリメートレンズアレイにおける、個々の共軸コリメートレンズＬ１が円形状で「有効径の周辺部」で互いに接し、ピッチ：Ｐで配列されている場合を示している。図中の符号Ｐ１は、個々の共軸コリメートレンズ（薄いレンズ）の「主平面」を示している。
【００２６】
個々の共軸コリメートレンズＬ１の有効径は、図１の下図のように、最大発散角：θ_Ｖの光束をコリメートできる大きさに定められている。従って、個々の共軸コリメートレンズＬ１によりコリメートされた光束は、図１下図のように、垂直方向には「有効径：Ｄ_Ｖに等しい光束径」を持った平行光束となる。
【００２７】
一方、最小発散角：θ_Ｈは、最大発散角：θ_Ｖの１／３であるから、個々の共軸コリメートレンズＬ１によりコリメートされた光束が水平方向において持つ光束径：Ｄ_Ｈは前記有効径：Ｄ_Ｖの１／３になる。
【００２８】
このようにして、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されたＮ本の平行光束群は、集光用共軸レンズＬ２（薄いレンズとし、その主平面を符号Ｐ２により示す）により集光され、１本の光ファイバの入射端面Ｐ３上に結像する。
【００２９】
上に述べたところを「近軸理論」で説明する。
共軸コリメートレンズアレイにおける個々の共軸コリメートレンズＬ１の焦点距離をｆ_１、集光用共軸レンズＬ２の焦点距離をｆ_２とする。
共軸コリメートレンズＬ１における水平方向のＮＡ（開口数）をａとすると、
ａ＝Ｄ_Ｈ／２ｆ_１
で、これから
Ｄ_Ｈ＝ａ・２ｆ_１　　　　　　（１）
が得られる。
【００３０】
最大発散角：θ_Ｖ＝３θ_Ｈであるから、垂直方向のＮＡは、
３ａ＝Ｄ_Ｖ／２ｆ_１
であり、これから
Ｄ_Ｖ＝３ａ・２ｆ_１　　　　　（２）
となる。即ち、
Ｄ_Ｖ＝３Ｄ_Ｈ
である。また共軸コリメートレンズＬ１は円形レンズであるので、
Ｄ_Ｖ＝３Ｄ_Ｈ＝Ｐ　　　　　　（３）
となる。
【００３１】
これらＮ本の光束を集光用共軸レンズＬ２により、１本の光ファイバの入射端面に集光することになるが、光ファイバのＮＡをｂとすると、水平方向に関しては、本来、光源側の「ＮＡ＝ａの光束をＮ本」取り込めればよいはずであるが、共軸コリメートレンズＬ１が円形レンズであるため、垂直方向と同様に「光源側のＮＡ＝３ａ、光ファイバ側：ＮＡ＝ｂ／Ｎ」の光束をＮ本取り込めるようにする必要がある。
【００３２】
即ち、集光用共軸レンズＬ２は、水平方向に関しては、図１上図における幅：Ｄ_Ｎの光束をＮＡ＝ｂの光ファイバに集光させねばならない。
【００３３】
一般的な関係式：ＮＡ＝Ｄ／２ｆ（Ｄ：光束径、ｆ：焦点距離）により、
光源側では、３ａ＝Ｄ_Ｖ／２ｆ_１から、
ｆ_１＝Ｄ_Ｖ／６ａ　　　　　　　　（４）
であり、光ファイバ側では、ｂ＝Ｄ_Ｎ／２ｆ_２＝ＮＤ_Ｖ／２ｆ_２により、
ｆ_２＝ＮＤ_Ｖ／２ｂ　　　　　　　（５）
となる。
【００３４】
共軸コリメートレンズＬ１と集光用共軸レンズＬ２との合成系、即ち「光結合手段」の横倍率：βは、
β＝ｆ_２／ｆ_１＝（ＮＤ_Ｖ／２ｂ）／（Ｄ_Ｖ／６ａ）＝３ａＮ／ｂ　　（６）
で与えられる。
【００３５】
図１の如き光結合形態の場合につき、具体的な計算を行ってみる。
１例として、光源側のＮＡが水平方向につきａ＝０．１５、垂直方向につき３ａ＝０．４５で、光ファイバのＮＡ＝ｂ＝０．２、ＬＤの配列数：Ｎ＝１６であるとすると、横倍率：β＝３ａＮ／ｂ＝３×０．１５×１６／０．２＝３６となる。
【００３６】
ＬＤバーにおける個々のＬＤの発光部（エミッション・エリア）のサイズを、水平方向：２μｍ、垂直方向：１μｍとすると、上記の光結合手段により光ファイバの入射端面に結像する発光部像の大きさは、７２μｍ×３６μｍとなる。光ファイバのコア径が５０μｍであるとすると、上記発光部像はコア径内に納まらず、光結合効率が低下することになる。
【００３７】
また、横倍率：βが３６倍と大きいため、例えば、光結合手段に対してＬＤバーが僅かにずれても発光部像は大きく変位してしまうため、ＬＤバー、光結合手段、光ファイバの位置関係誤差の影響を受けやすい。
【００３８】
上に述べたところから、ＬＤバーにおけるＬＤの配列数：Ｎを増大させて光出力を増大しつつ光結合効率の低下を防ぎ、なおかつ、位置関係の誤差に影響され難くするには、光結合手段の横倍率：βを小さくするのが有効であり、この発明においては、光結合手段の横倍率：βを小さく設定する。
【００３９】
「光結合手段」の横倍率：βは、β＝ｆ_２／ｆ_１であるから、横倍率：βを小さくするには、焦点距離：ｆ_２を小さくするか、焦点距離：ｆ_１を大きくすればよい。しかし、ＬＤからの放射レーザ光束が発散性であることを考えると、共軸コリメートレンズの焦点距離：ｆ_１を大きくすることは、共軸コリメートレンズの有効径が大きくなることを意味し、光源用モジュールのコンパクト化の面から好ましくない。
【００４０】
一方、集光用共軸レンズの焦点距離：ｆ_２を小さくすることは、光源用モジュールのコンパクト化に有利である。
なお、上において、式（１）〜（６）は、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：３の場合を例にとって説明したが、式（１）〜（６）を、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：ｍの場合に一般化することは容易であり、結果を示せば以下の如くになる。
【００４１】
Ｄ_Ｈ＝ａ・２ｆ_１　　　　　　（１１）
Ｄ_Ｖ＝ｍａ・２ｆ_１　　　　　（１２）
Ｄ_Ｖ＝ｍＤ_Ｈ＝Ｐ　　　　　　（１３）
ｆ_１＝Ｄ_Ｖ／２ｍａ　　　　　（１４）
ｆ_２＝ＮＤ_Ｖ／２ｂ　　　　　（１５）
β＝ｆ_２／ｆ_１＝ｍａＮ／ｂ　（１６）
式（１１）〜（１６）が式（１）〜（６）に対応する。
【００４２】
横倍率：βを低減するのに有効な方法として、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化された平行光束群の配列方向（上の説明における水平方向）における平行光束群の配列幅を「水平方向に圧縮」する方法がある。
【００４３】
今１つ、横倍率の低減に有効な方法として、集光用共軸レンズにおける「垂直方向におけるＮＡ（開口数）の余裕を利用する」ことが考えられる。図１の場合を例に取ると、集光用共軸レンズＬ２は、水平方向にはＮＡ：ｂを必要とするのに対し、垂直方向にはその１／Ｎでよく、垂直方向のＮＡに大きな余裕がある。
【００４４】
この発明においては、第１に集光用共軸レンズにおける垂直方向のＮＡの余裕を利用し、平行光束群を光束配列方向である水平方向に分割し、分割された各平行光束群を垂直方向（光束配列方向に直交する方向）に重層させることにより、集光用共軸レンズの「水平方向のＮＡの低減」を図る。
【００４５】
第２に、上記平行光束群の重層化と共に平行光束群の水平方向の配列幅を圧縮することにより更に開口数の低減を図る。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を説明する。
図２は、この発明の実施の１形態を図１に倣って示している。
【００４７】
図２上図の「水平方向図」に示すように、ＬＤバーは１６個の発光部（図では光源）を水平方向へ配列されている。これら１６個の発光部から放射された各光束は共軸コリメートレンズＬ１のアレイ（共軸コリメートレンズアレイ）により平行光束化され「１６本の平行光束群が水平方向に互いに平行に配列する」ようになる。
【００４８】
これら１６本の平行光束群のうち、水平方向図における下半分の８本の平行光束による平行光束群は、図２下図の「垂直方向図」のように「第１鏡面対」を構成する、互いに平行でＹ方向に４５度傾いたミラー面Ｍ１１、Ｍ１２により順次反射されることにより、垂直方向へ「この方向の光束幅：Ｄ_Ｖだけ」ずれる。
【００４９】
そして、このようにずれた８本の平行光束群は、図２上図の「水平方向図」に示すように「第２鏡面対」を構成するミラー面Ｍ２１、Ｍ２２（互いに平行でＺ方向に４５度傾いている）により順次反射される。
【００５０】
第２鏡面対Ｍ２１、Ｍ２２により反射された８本の平行光束群は、図２の水平方向図における「上半分の８本の平行光束群」とＸ方向において互いに重なり合い（水平方向図参照）、垂直方向であるＹ方向には「光束幅：Ｄ_Ｖだけずれ」て重なり合う（垂直方向図参照）。
【００５１】
図２においては、図の繁雑を避けるために、水平方向図においては第１鏡面対が図示されず、垂直方向図においては第２鏡面対が図示されていない。
図３（ａ）は、図２に示した実施の形態を概念的に斜視図として示している。符号１０は「ＬＤバーにおける発光部を連ねた直線（光源部という）」を示し、簡単のため「光源部から、Ｘ方向に一連なりになった光束が放射される」ものとしている。この光束は、共軸コリメートレンズ１２の作用で、一連なりの平行光束（図２に対応させると、１６本の平行光束群）になる。
【００５２】
この平行光束群におけるＸ方向の半分は、第１鏡面対をなすミラー面Ｍ１１、Ｍ１２により順次反射され、垂直方向（Ｙ方向）の光束幅分（図２に示す光束幅：Ｄ_Ｖ）だけＹ方向にずらされる。このようにずらされた平行光束部分は、第２鏡面対をなし互いに平行でＸ方向に対して４５度傾いたミラー面Ｍ２１、Ｍ２２より順次反射される。
【００５３】
このようにして結局、共軸コリメートレンズアレイで平行光束とされた平行光束群は「Ｘ方向に２分割され、Ｙ方向には２重に重層化され」る。
【００５４】
第１鏡面対をなすミラー面Ｍ１１、Ｍ１２と、第２鏡面対を成すミラー面Ｍ２１、Ｍ２２は、例えば、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように「一体」のプリズム１４として構成できる。図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は平面図である。
【００５５】
即ち、図２、図３に即して説明した実施の形態では、Ｎ（＝１６）個のＬＤを、各発光部がその長手方向（Ｘ方向）に連なるようにして１列に配列一体化してなるＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュールにおいて、光結合手段として、共軸コリメートレンズアレイ（共軸コリメートレンズＬ１のアレイ）と、集光用共軸レンズＬ２’と、光束配列重層化手段（ミラー面Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ２１、Ｍ２２により構成される）とを有し、共軸コリメートレンズアレイは、Ｎ（＝１６）個の共軸コリメートレンズＬ１を、ＬＤバーにおけるＬＤの配列に応じて配列一体化してなり、Ｎ個のＬＤから放射される発散光束をそれぞれ平行光束化するものであり、集光用共軸レンズＬ２’（その焦点距離を「ｆ_２’」とし、主平面を符号Ｐ２で示す）は、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化された各光束を、１本の光ファイバの入射端面Ｐ３に集光するレンズであり、光束配列重層化手段は、共軸コリメートレンズアレイＬ１により平行光束化されてＬＤ配列方向に配列する平行光束群を配列方向（Ｘ方向）にｎ（＝２）分割し、配列方向に直交する方向（Ｙ方向）へ互いに近接するｎ層に重層化する手段である。
【００５６】
また「光束配列重層化手段」は、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されてＬＤ配列方向に配列する平行光束群を配列方向にｎ（＝２）分割し、分割されたｎ−１の平行光束群を、配列方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）へ所定距離だけ平行移動的にずらすためのｎ−１対の第１鏡面対Ｍ１１、Ｍ１２と、これら第１鏡面対によりずらされたｎ−１の平行光束群を、配列方向へ所定の距離だけ平行移動的にずらして、全平行光束をｎ層に重層化させるｎ−１対の第２鏡面対Ｍ２１、Ｍ２２とによる、ｎ−１個の「鏡面対手段」により構成されている（請求項２）。
【００５７】
そして、各鏡面対手段における第１鏡面対およびこれに対応する第２鏡面対とが、プリズム１４として一体化されている（請求項３）。
【００５８】
また、このような構成により「光結合手段の横倍率を有効に小さく設定」している（請求項１）。
【００５９】
実際に、θ_Ｖ＝３θ_Ｈ、即ち、発散角比：ｍ＝３として計算を行ってみる。Ｎ＝１６であるから、上述の式（１４）〜（１６）により、ｆ_１＝Ｄ_Ｖ／２ｍａ＝Ｄ_Ｖ／６ａ、ｆ_２’＝ＮＤ_Ｖ／４ｂ、β＝ｆ_２’／ｆ_１＝６ａＮ／４ｂ＝６ａ・１６／４ｂ＝２４ａ／ｂとなる。なお「重層化された平行光束群」の垂直方向の光束径は「２Ｄ_Ｖ」であり、集光用共軸レンズＬ２は、８Ｄ_Ｖだけの光束幅を光ファイバの開口数：ｂに適合させるから、垂直方向のＮＡの余裕は十分である。
【００６０】
上記の「β＝２４ａ／ｂ」を、先に説明した「平行光束群の分割・重層化を行わない」場合の「β＝ｆ_２／ｆ_１＝ｍａＮ／ｂ＝３ａ・１６／ｂ＝４８ａ／ｂ」と比較すれば明らかなように、平行光束群の分割・重層化を行ったことにより、横倍率：βは１／２に低減化されている。
【００６１】
先の具体例である、光源側のＮＡが水平方向につきａ＝０．１５、垂直方向につき３ａ＝０．４５で、光ファイバのＮＡ＝ｂ＝０．２、ＬＤの配列数：Ｎ＝１６の場合については、横倍率：β＝１８となる。
【００６２】
ＬＤバーにおける個々のＬＤの発光部（エミッション・エリア）のサイズが、水平方向：２μｍ、垂直方向：１μｍであれば、上の実施の形態における光結合手段により光ファイバの入射端面に結像する発光部像の大きさは、３６μｍ×１８μｍ（対角線長：４０．１４μｍ）となり、コア径：５０μｍの光ファイバを用いても、発光部像はコア径内に十分に納まり、光結合効率の低下がない。
【００６３】
また、横倍率：βが１８倍と小さくなったことに伴ない、ＬＤバー・光結合手段・光ファイバの位置関係誤差の影響も低減される。
【００６４】
次ぎに、光束配列幅圧縮手段による光束配列幅の圧縮による横倍率の低減化を説明する。
ＬＤバーにおけるＬＤ配列方向である「水平方向」の横倍率：βを小さくするには、図１上図の「Ｎ本の平行光束の配列幅：Ｄ_Ｎ」を小さくすればよい。光ファイバに結合させるべきＮ本の平行光束は、個々には水平方向に幅：Ｄ_Ｈを有するが、ピッチ：Ｐ＝ｍＤ_Ｈ（図１ではｍ＝３）で配列しているため、隣接する平行光束間に（ｍ−１）Ｄ_Ｈの「隙間」がある。
【００６５】
従って、水平方向におけるＮ本の平行光束の配列幅（上記：Ｄ_Ｎ）を小さくするには、上記「隙間」を小さくするか無くせば良い。「光束配列幅圧縮手段」は、この目的のために用いられる。
【００６６】
図４は「請求項５記載の光源用モジュール」の実施の１形態を特徴部分のみ模式的に示している。符号ＬＤＢはＬＤバー（の発光部の配列面）を示す。図の簡単化のために、ＬＤの配列数：Ｎを３としている。各ＬＤから放射される発散光束の最小発散角：θ_Ｈ、最大発散角：θ_Ｖは、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：３を満足する（発散角比：ｍ＝３）ものとしている。符号Ｐ１は、共軸コリメートレンズアレイにおける各共軸コリメートレンズ（薄いレンズ）の「主面」を示している。
【００６７】
この実施の形態においては、光束配列幅圧縮手段２０は、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡの各コリメートレンズにより平行光束化された光束ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３をそれぞれ２回反射させ、ＬＤ配列方向における光束間隔を減少させる反射手段である。
【００６８】
即ち、平行光束ＦＬ１は反射面２０１１、２０１２により順次反射され、平行光束ＦＬ２は反射面２０２１、２０２２により順次反射され、平行光束ＦＬ３は反射面２０３１、２０３２により順次反射される。
【００６９】
図４に示すように、反射面２０１１、２０１２、２０２１、２０２２、２０３１、２０３２の位置関係により、これら反射面により２回反射された平行光束ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３は、配列幅が、反射前における配列幅：Ｄ_ＮからＤ_Ｎ／３に圧縮されている。このようにすると、光結合手段の横倍率：βを、光束配列幅圧縮手段を用いない場合（図１の場合）に比して１／３に小さくできる。
【００７０】
図４における反射面２０１１、２０１２、２０２１、２０２２、２０３１、２０３２はミラー面として形成しても良いしプリズム面としてもよい。プリズム面とする場合には、反射面２０１１、２０１２、２０２１、２０２２、２０３１、２０３２を持つ「単体のプリズム部材」として光束配列幅圧縮手段２０を構成することができる。
【００７１】
図４に示すような光束配列幅圧縮手段は、共軸コリメートレンズアレイと、光束配列重層化手段との間に配置することができる。
【００７２】
図５を参照して「請求項６記載の光源用モジュール」の特徴部分を説明する。図１に即した説明では、共軸コリメートレンズアレイにおける各共軸コリメートレンズＬ１は「円形レンズ」であって、その有効径：Ｄ_Ｖは「ＬＤから放射される発散性の光束の最大発散角：θ_Ｖの光束を取り込める大きさ」に設定されていた。
【００７３】
しかしながら、円形レンズを用いた場合、図５（ａ）に示すように、垂直方向には幅：Ｄ_Ｖの光束を取り込む必要があっても、水平方向に関しては「幅：Ｄ_Ｈの光束を取り込むだけの幅」があればよく、実際に必要なレンズ面は図５（ａ）において「斜線を施した部分のみ」である。
【００７４】
そこで図５（ｂ）に示すように、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡとして、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比：ｍ（＝θ_Ｖ：θ_Ｈ）に応じて「互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定」されたコリメートレンズＣＬ（図５（ａ）に示す「斜線を施した部分」の形状を持つ）を、レンズ径の小さい方向を配列方向（図５（ｂ）で左右方向）にしてアレイ化したものを「配列方向がＬＤバーのＬＤ配列方向に対応する」ようにして用いれば、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡ自体「平行光束化された光束の配列幅を圧縮する機能（図１で、水平方向における「平行光束間の光束のない領域」を減少もしくはなくす機能）」を有し、光束配列幅圧縮手段を兼ねることができる。
【００７５】
図５（ｂ）において、Ｄ_Ｖは「コリメートレンズＣＬの垂直方向の有効径」である。Ｄ_Ｈは「コリメートレンズＣＬの水平方向の有効径」であって、図の例ではＬＤバーにおけるＬＤの配列ピッチ：Ｐに等しい。
【００７６】
先の説明した図２の実施の形態において、上の計算例では、共軸コリメートレンズアレイの各共軸コリメートレンズＬ１を円形レンズとし、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化された平行光束群は水平方向にＮ・Ｄ_Ｖの幅を持つとしたが、図２の実施の形態は実際には、共軸コリメートレンズアレイが図５に即して説明したような「光束配列幅圧縮手段を兼ね」たものであり、このため、平行光束化された各光束は、図示の如く水平方向においてはＤ_Ｈ（＝Ｄ_Ｖ／３）となっている。
【００７７】
このような「光束配列幅圧縮手段を兼ねた共軸コリメートレンズアレイ」を用いたことにより、図２の実施の形態では、共軸コリメートレンズアレイで形成された平行光束群は既に、水平方向に１／３に圧縮されており、上記光束配列重層化手段により水平方向にさらに１／２にされるから、水平方向に配列した光束幅は、図１の例の場合に比して１／６になる。
【００７８】
従ってこの場合の横倍率：βは３６／６＝６倍でよいことになる。上述した例の場合のように、ＬＤバーにおける個々のＬＤの発光部が水平方向：２μｍ、垂直方向：１μｍのサイズであれば、ファイバの入射端面に結像する発光部像の大きさは１２μｍ×６μｍで、コア径：５０μｍの光ファイバを用いても発光部像はコア径内に十分に納まり、光結合効率の低下がなく、ＬＤバー・光結合手段・光ファイバの位置関係誤差の影響も一段と低減される。
【００７９】
上には、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化された平行光束群を、光束配列重層化手段により「水平方向に２分割して、垂直方向に２重に重層化する場合」を説明したが、分割数：ｎ、重層化数：ｎは２に限らず「光結合手段の横倍率を有効に小さくする」ために、適正な値に設定される。
【００８０】
前述の如く、共軸コリメートレンズにおける水平方向のＮＡ（これはＬＤバーにおける各ＬＤ発光部の水平方向のＮＡでもある）を「ａ」、垂直方向のＮＡを「ｍａ」、光ファイバのＮＡを「ｂ」、ＬＤバーにおける発光部数を「Ｎ」、水平方向に分割された平行光束群の光束数を「ｘ（説明の簡単のため、等分割の場合を考える）」、重層化された平行光束群の層数を「ｙ」、光結合手段の横倍率を「β」とすると、これらの間には、光束配列重層化手段による重層化と、光束配列幅圧縮手段による配列幅圧縮とを行った場合、以下の関係がなりたつ。
【００８１】
ａ・ｘ／β＝ｂ　　　（２１）
ｍ・ａ・ｙ／β＝ｂ　（２２）
ｘｙ＝Ｎ　　　　　　（２３）
β＝ａｘ／ｂ＝ｍ・ａ・ｙ／ｂ　　（２４）
ｘ＝ｍｙ　　　　　　　　（２５）
これら（２１）〜（２５）を満足させつつ、横倍率：βが好適に小さくなる組合せを求めれば良い。
【００８２】
ａ＝０．１５、ｍ＝３、ｂ＝０．２の場合につき、具体的な例を２例挙げる。
上記（２１）、（２２）は、
０．１５ｘ／β＝０．２、０．４５ｙ／β＝０．２
となり、（２４）、（２５）は、
β＝０．１５ｘ／０．２＝０．４５ｙ／０．２
ｘ＝３ｙ
となる。
【００８３】
Ｎの値として、Ｎ＝１２の場合とＮ＝２７の場合とを考えて見ると、（２３）を満足するｘ、ｙは、Ｎ＝１２に対してはｘ＝６、ｙ＝２、Ｎ＝２７の場合には、ｘ＝９、ｙ＝３となり横倍率との関係は以下のようになる。
【００８４】

上に説明した場合で（２３）〜（２５）が同時に満足されるのは、ｍｙ^２＝Ｎが満足される場合であり、ｍとＮとの関係によっては上記関係を同時に満足させることはできない。例えば、ｍ＝３でＮ＝１６の場合を考えて見ると、（２５）式はｙ^２＝５．３３となるから、ｙ＝２．３１となりｙは整数解を持たない。
【００８５】
この場合、分割数：ｎ（＝ｙ）を２とする場合と、３とする場合とが考えられる。分割数：ｎ＝２の場合は、１６本の平行光束群は「８本ずつの平行光束群に分割されて２層に重層化」される。また、分割数：ｎ＝３の場合は、１６本の平行光束群は「６本・５本・５本もしくは６本・６本・４本に分割されて３層に重層化」される。
【００８６】
これら２種の場合につき、横倍率：βを算出して見ると以下のようになる。
【００８７】
Ｎ　　　　　　ｘ　　　　　　ｙ　　　　　　β
１６　　　　　８　　　　　　２　　　　　　６
１６　　　　　６、５、５　　３　　　　　　６．７５
即ち、この場合、２層に重層化する場合も、３層に重層化する場合も、横倍率：βを小さくする効果があるが、２分割して２層に重層化する場合の方が横倍率を小さくする効果が大きい、このように平行光束群の光束数：Ｎ、発散角比：ｍの具体的な値に応じて横倍率：βを有効に小さく設定できるｘ、ｙを選択することが可能である。
【００８８】
【実施例】
以下、具体的な実施例を説明する。
【００８９】
図６は、実施例の光源用モジュール・光源装置の構成を説明するための図である。（ａ）は「水平方向」の構成を示し、符号６０は「ＬＤバー」、符号６２は「共軸コリメートレンズアレイ」、符号６４は「第２鏡面対」、符号６６は「集光用共軸レンズ」、符号７０は「光ファイバ」を示している。図６（ｂ）は垂直方向の構成を示し、符号６３は「第１鏡面対」を示している。
【００９０】
この図は図２と同様、水平方向の構成を示す（ａ）には第１鏡面対６３が図示されず、垂直方向の構成を示す（ｂ）には第２鏡面対が図示されていない。実際の構成は図３に即して説明した如きものである。
【００９１】
光源用モジュールの「光結合手段」は、共軸コリメートレンズアレイ６２と、第１鏡面対６３と、第２鏡面対６４と、集光用共軸レンズ６６とにより構成され、これらを光結合手段として有する光源用モジュールとＬＤバー６０とは「光源装置」を構成する。
【００９２】
ＬＤバー６０は「波長：４００ｎｍの発散光束を放射する１６個のＬＤ（半導体レーザ）を、各発光部がその長手方向（Ｘ方向）に連なるようにして１列に配列一体化」したものである。
【００９３】
各ＬＤは、その発光部のサイズが、水平方向：１．７μｍ、垂直方向：０．５μｍで、１／ｅ^２強度によるＮＡは、水平方向：０．１５、垂直方向：０．４５である（即ち、θ_Ｖ＝３θ_Ｈ、ｍ＝３）。また、ＬＤの配列ピッチ：Ｐは３６０μｍである。
【００９４】
ＬＤバー６０からの光束を光結合される光ファイバ７０は、コア径：５０μｍ、ＮＡ＝０．２のものである。
【００９５】
第１鏡面対６３と第２鏡面対６４は、１６本の平行光束群を８本ずつの平光束側群に分割し（分割数：ｎ＝２）、これらを２層に重層化する。これら鏡面対は平面鏡の組合せで構成した。
【００９６】
共軸コリメートレンズアレイ６２は、ＬＤバー６０におけるＬＤの配列ピッチ：Ｐ＝３６０μｍであることに鑑み、図６（ｃ）に示すように、アレイ配列する個々の共軸コリメートレンズＣＬの有効径も水平方向に３６０μｍと設定し、水平方向におけるレンズ間隔を３６０μｍとし、これらを１６個、レンズ間隔：３６０μｍで配列したものである。
【００９７】
この条件であると、垂直方向の有効径：Ｄ_Ｖは、式（１３）において、ｍ＝３として、
Ｄ_Ｖ＝３Ｄ_Ｈ＝３×３６０＝１０８０μｍ
と算出され、焦点距離：ｆ_１は、式（１４）から、

と算出される。
【００９８】
光ファイバ７０のＮＡは０．２であるが、余裕を見て、設計値としてＮＡ：０．１６を設定する。
【００９９】
集光用共軸レンズ６６の焦点距離：ｆ_２’は（１５）式において、ＮＤ_Ｖが光束配列重層化手段により１／２に減縮され、さらに、光束配列幅圧縮手段により（１／ｍ）に圧縮されていることから、

となり、光結合手段による水平方向の倍率：βは、
β＝ｆ_２’／ｆ_１＝９ｍｍ／１．２ｍｍ＝７．５
となる。
【０１００】
従って集光用共軸レンズ６６は、焦点距離：９ｍｍ、有効径：２．９ｍｍ（光束配列幅：０．３６ｍｍ×８＝２．８８ｍｍを取り込める有効径）の円形レンズとなる。
【０１０１】
光結合手段が光ファイバ７０の入射端面に結像させる発光部像は、水平方向に１２．８μｍ、垂直方向に３．８μｍで、光ファイバ７０のコア径：５０μｍに比して小さいので、コア径内に納まることは勿論、前記位置関係誤差の影響を受け難い。
【０１０２】
共軸コリメータレンズアレイを石英ガラスにより、集光用共軸レンズをＢＫ−７ガラス材料で作製し、光結合効率として９７．３％を設計値として得ることができた。
【０１０３】
上に実施例を説明した光源用モジュールは、ＬＤバー６０からの光を１本の光ファイバ７０に結合させる光源用モジュールにおいて、光結合手段として、共軸コリメートレンズアレイ６２と、集光用共軸レンズ６６と、光束配列重層化手段６３、６４と、光束配列幅圧縮手段６２とを有し、共軸コリメートレンズアレイ６２はＮ（＝１６）個のコリメートレンズをＬＤバー６０におけるＬＤの配列に応じて配列一体化してなり、各ＬＤから放射される発散光束を平行光束化するものであり、集光用共軸レンズ６６は、共軸コリメートレンズアレイ６２により平行光束化された各光束を１本の光ファイバ７０の入射端面に集光するレンズであり、光束配列幅圧縮手段６２は、共軸コリメートレンズアレイ６２により平行光束化された光束の配列方向における配列幅を圧縮する手段であり、光結合手段の横倍率を有効に小さく設定した（７．５倍）ものである（請求項４）。
【０１０４】
また、共軸コリメートレンズアレイ６２は、ＬＤバー６０における個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比：ｍに応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズＣＬを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化したもので、光束配列幅圧縮手段を兼ね（請求項６）ている。共軸コリメートレンズアレイ６２はまた、配列方向のレンズ径が小さいＮ（＝１６）個のコリメートレンズを、エッチング加工により一体に形成された石英ガラスによるガラスレンズアレイであり（請求項７）、集光用共軸レンズ６６は、ＢＫ−７ガラスによるガラスモールドレンズである（請求項８）。
【０１０５】
そして、光結合手段の横倍率（＝７．５倍）は１０倍以下である（請求項９）。図６の実施例において、上記光源用モジュールとＬＤバー６０とを組合せた部分は、請求項１０記載の光源装置の実施の１形態である。
なお、ＬＤバーにおけるＬＤの配列数：Ｎの上限は３０程度である。
【０１０６】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば新規な光源用モジュールおよび光源装置を実現できる。この光源用モジュールは、光ファイバへの光結合効率が高く、ＬＤバーと共軸コリメートレンズアレイと光ファイバとの相対的な位置関係の誤差の影響を受け難い。このような光源用モジュールとＬＤバーとの組合せによるこの発明の光源装置は、高い光結合効率を持ち、取り扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光結合手段の横倍率と、その低減方法を説明するための図である。
【図２】請求項１記載の発明の実施の１形態を特徴部分のみ示す図である。
【図３】図２の実施の形態を補足説明するための図である。
【図４】請求項５記載の発明の実施の１形態の特徴部部を説明するための図である。
【図５】請求項６記載の発明の実施の１形態の特徴部分を説明するための図である。
【図６】光源用モジュールと光源装置の１実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
６０　　　ＬＤバー
６２　　　共軸コリメートレンズアレイ
６３　　　第１鏡面対
６４　　　第２鏡面対
６６　　　集光用共軸レンズ
７０　　　光ファイバ

Claims (10)

1. Ｎ個のＬＤを、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化してなるＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュールにおいて、
   光結合手段として、共軸コリメートレンズアレイと、集光用共軸レンズと、光束配列重層化手段とを有し、
   上記共軸コリメートレンズアレイは、Ｎ個のコリメートレンズを上記ＬＤバーにおけるＬＤの配列に応じて配列一体化してなり、Ｎ個のＬＤから放射される発散光束をそれぞれ平行光束化するものであり、
   上記集光用共軸レンズは、上記共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化された各光束を、上記１本の光ファイバの入射端面に集光するレンズであり、
   上記光束配列重層化手段は、上記共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されてＬＤ配列方向に配列する平行光束群を、配列方向にｎ（≧２）分割し、上記配列方向に直交する方向へ、互いに近接するｎ層に重層化する手段であり、上記光結合手段の横倍率を有効に小さく設定したことを特徴とする光源用モジュール。
2. 請求項１記載の光源用モジュールにおいて、
   光束配列重層化手段が、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されてＬＤ配列方向に配列する平行光束群を配列方向にｎ分割し、分割されたｎ−１の平行光束群を、上記配列方向に直交する方向へ所定距離だけ平行移動的にずらすためのｎ−１対の第１鏡面対と、これら第１鏡面対によりずらされたｎ−１の平行光束群を、上記配列方向へ所定の距離だけ平行移動的にずらして、全平行光束を、ｎ層に重層化させるｎ−１対の第２鏡面対とによる、ｎ−１個の鏡面対手段により構成されることを特徴とする光源用モジュール。
3. 請求項２記載の光源用モジュールにおいて、
   各鏡面対手段における第１鏡面対およびこれに対応する第２鏡面対とが、プリズムとして一体化されていることを特徴とする光源用モジュール。
4. 請求項１または２または３記載の光源用モジュールにおいて、
   共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されてＬＤ配列方向に配列する平行光束群の配列幅を、配列方向に圧縮する光束配列幅圧縮手段手段を有することを特徴とする光源用モジュール。
5. 請求項４記載の光源用モジュールにおいて、
   光束配列幅圧縮手段が、共軸コリメートレンズアレイの各コリメートレンズにより平行光束化された光束をそれぞれ２回反射させ、ＬＤ配列方向における光束間隔を減少させる反射手段であることを特徴とする光源用モジュール。
6. 請求項４記載の光源用モジュールにおいて、
   共軸コリメートレンズアレイが、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化したものであって、平行光束化された光束の配列幅を圧縮する機能を有し、光束配列幅圧縮手段を兼ねることを特徴とする光モジュール。
7. 請求項６記載の光モジュールにおいて、
   共軸コリメートレンズアレイが、
   配列方向のレンズ径が小さいガラス研磨レンズによるコリメートレンズをＮ個接合したもの、もしくは、
   配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、エッチング加工もしくはモールドにより一体に形成されたガラスレンズアレイ、もしくは、
   配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、樹脂成形により一体に形成された樹脂レンズアレイ、もしくは、
   配列方向のレンズ径が小さく、回折によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした回折光学素子レンズアレイ、もしくは、
   配列方向のレンズ径が小さく、屈折率分布によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした屈折率分布型レンズアレイ、
   の何れかであることを特徴とする光源用モジュール。
8. 請求項１〜７の任意の１に記載の光源用モジュールにおいて、
   集光用共軸レンズが、
   研磨によるガラスレンズ、もしくは、
   ガラスモールドレンズ、もしくは、
   樹脂成形レンズ、もしくは、
   回折光学素子レンズ、もしくは、
   屈折率分布レンズ、
   の何れかであることを特徴とする光源用モジュール。
9. 請求項１〜８の任意の１に記載の光源用モジュールにおいて、
   光結合手段の横倍率が１０倍以下であることを特徴とする光源用モジュール。
10. 請求項１〜１０の任意の１に記載の光源用モジュールとＬＤバーとを組合せてなる光源装置。

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