JP2005166735A - Laser light source device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、レーザダイオードを発光素子とし、発光したレーザ光を光ファイバによって、レーザ光を利用する手段に導出するように構成されたレーザ光源装置に関し、特に、レーザダイオードを、その光ファイバとの結合部を含めて遮光カバーで覆ってレーザ光が外部に漏れないように構成すると共に、レーザダイオードを冷却手段で冷却するようにしたレーザ光源装置に関する。 The present invention relates to a laser light source apparatus configured to use a laser diode as a light emitting element and to emit emitted laser light to a means using the laser light through an optical fiber. In particular, the laser diode is connected to the optical fiber. The present invention relates to a laser light source device that includes a coupling portion and is covered with a light shielding cover so that laser light does not leak to the outside, and a laser diode is cooled by cooling means.
レーザ光を光源として用いた民生用機器は市場に登場して久しいが、このような民生用機器において、低コスト化を図るということは、機器を商品として設計する際の重要なテーマの一つになっている。そのためレーザ光を発生する発光体として、比較的安価に入手できるレーザダイオードを用いる試みもなされており、例えば、レーザダイオードを光源として用いた投射型映像表示装置の例が特許文献1に示されている。 Consumer equipment that uses laser light as a light source has been on the market for a long time, but reducing the cost of such consumer equipment is one of the important themes when designing equipment as a product. It has become. Therefore, an attempt has been made to use a laser diode that can be obtained at a relatively low cost as a light emitting body that generates laser light. For example, Patent Document 1 discloses an example of a projection-type image display device that uses a laser diode as a light source. Yes.
このように、レーザダイオードを映像表示装置等の製品に実際に組み込む場合、レーザダイオードは、その動作特性と寿命が動作温度に大きく影響されるため、ペルチェ素子等の冷却素子によって、動作温度を制御することが行なわれる。ペルチェ素子を用いたレーザダイオードの冷却構造は、例えば、特許文献2に示されている。 In this way, when laser diodes are actually incorporated into products such as video display devices, the operating temperature and operating life of laser diodes are greatly affected by the operating temperature. Therefore, the operating temperature is controlled by a cooling element such as a Peltier element. Is done. A laser diode cooling structure using a Peltier element is disclosed in, for example, Patent Document 2.
また、レーザダイオードで発生されたレーザ光を、投射型映像表示等の光源として利用する場合、通常は、レーザ光を光ファイバによって、このレーザ光を利用するための光学系に伝送するように構成される。 In addition, when the laser light generated by the laser diode is used as a light source for projection-type image display or the like, the laser light is usually transmitted to an optical system for using the laser light by an optical fiber. Is done.
レーザダイオードで生成したレーザ光を光ファイバに伝送するには、レーザダイオードと光ファイバを光学的結合手段によって結合し、それによってレーザ光を光ファイバの入射端に出射するように構成する。 In order to transmit the laser beam generated by the laser diode to the optical fiber, the laser diode and the optical fiber are coupled by an optical coupling means, and thereby the laser beam is emitted to the incident end of the optical fiber.
その際、光学的結合手段とレーザダイオード及び光ファイバ間の構造的要因により、レーザ光はその全てが光ファイバに伝達されることはなく、一部が周囲に散乱する。このため、レーザダイオードと光ファイバの結合部を光学的に遮蔽して、レーザ光が外部に射出されるのを阻止することで、要求される安全性を確保することが考えられている。 At this time, due to structural factors between the optical coupling means, the laser diode, and the optical fiber, the entire laser light is not transmitted to the optical fiber, but a part thereof is scattered around. For this reason, it is considered that the required safety is secured by optically shielding the coupling portion between the laser diode and the optical fiber to prevent the laser light from being emitted to the outside.
光学的遮蔽手段は、レーザダイオードと、光学的結合手段と、光ファイバの入射端側の一部とを、箱状の遮光カバーで密封する構造を有したものとして構成することができる。 The optical shielding means can be configured to have a structure in which the laser diode, the optical coupling means, and a part of the incident end side of the optical fiber are sealed with a box-shaped light shielding cover.
しかしながら、レーザダイオードが遮光カバーで密封されている環境下においては、遮光カバー内の空気の流れがないため、冷却素子から排出された熱の一部が遮光カバー内に蓄積されてレーザダイオード周囲の空気温度を上昇させ、それがレーザダイオードに還流して放熱性能を低下させるという問題があった。 However, in an environment where the laser diode is sealed by the light shielding cover, there is no air flow in the light shielding cover, so a part of the heat exhausted from the cooling element is accumulated in the light shielding cover and around the laser diode. There was a problem that the air temperature was raised and it returned to the laser diode to reduce the heat dissipation performance.
遮光カバーは樹脂等の熱伝導率の低い素材で形成され、また空気も熱抵抗の値が高いために、遮光カバーそのものによる放熱効果はほとんど期待できず、遮光カバー内が高温度になってしまってレーザダイオードの動作及び寿命に悪影響を与えることになる。 The shading cover is made of a material with low thermal conductivity, such as resin, and air also has a high thermal resistance. Therefore, almost no heat dissipation effect can be expected from the shading cover itself, and the inside of the shading cover becomes hot. This adversely affects the operation and life of the laser diode.
このように、レーザダイオードと光ファイバの結合部分を遮光して、レーザ光が外部に漏れないように構成すると、レーザダイオードの温度制御がうまく機能しなくなり、レーザダイオードの動作が不安定になったり、寿命が短くなるという問題を有している。 In this way, if the laser diode is coupled to the optical fiber so that the laser beam is not leaked to the outside, the temperature control of the laser diode will not function well, and the operation of the laser diode may become unstable. Have the problem of shortening the life.
このような問題は、装置として致命的な故障を発生する要因になるものであるが、従来その問題を解決するための提案はなされておらず、上記特許文献1,2には、その問題点すら記述されていない。
レーザダイオードで発生されたレーザ光を、光ファイバによって当該レーザ光を利用するための光学系等に伝達するように構成される光源装置においては、レーザダイオードを、光ファイバとの結合部分を含めてカバーで覆って遮光する必要があり、そのために、カバー内部の温度が上昇して、レーザダイオードに悪影響を与えるという問題があった。 In a light source device configured to transmit laser light generated by a laser diode to an optical system or the like for using the laser light by an optical fiber, the laser diode including a coupling portion with the optical fiber is included. The cover needs to be covered and shielded from light, which raises the problem that the temperature inside the cover rises and adversely affects the laser diode.
本発明は、以上の点に対処してなされたものであり、レーザダイオードを、光ファイバとの結合部を含んで遮光するカバーに、不織繊維で閉塞された通風孔を設けることで、遮光カバーから外部に漏れるレーザ光を大幅に減少させて安全性を確保しつつ、カバー内部に空気の流れを作ることを可能にして、レーザダイオードの温度制御を良好に行なうことができるようにしたレーザ光源装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in response to the above-mentioned points. The laser diode is shielded by providing a ventilation hole closed with a non-woven fiber in a cover that shields the laser diode including the coupling portion with the optical fiber. Laser that leaks to the outside from the cover is greatly reduced, ensuring safety while allowing air to flow inside the cover, enabling laser diode temperature control to be performed satisfactorily. An object of the present invention is to provide a light source device.
上記目的を達成するために本発明の一実施形態に係るレーザ光源装置は、金属製の基台に取り付けられ、レーザ光を生成するレーザダイオードと、このレーザダイオードで生成したレーザ光を導出する光ファイバと、前記レーザダイオードで生成されたレーザ光を前記光ファイバに伝達する光結合手段と、前記レーザダイオードと、前記光結合手段及び前記光ファイバの光入射端を覆う遮光カバーと、この遮光カバーに設けられた通風孔と、この通風光を覆うように設けられた不織繊維と、を具備したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a laser light source device according to an embodiment of the present invention is attached to a metal base, and a laser diode that generates laser light, and light that derives the laser light generated by the laser diode. A fiber, optical coupling means for transmitting laser light generated by the laser diode to the optical fiber, the laser diode, a light shielding cover for covering the light coupling end of the optical coupling means and the optical fiber, and the light shielding cover And a non-woven fiber provided so as to cover the ventilation light.
本発明によれば、遮光カバーに通風孔を設けて不織繊維で覆うことにより、レーザの散乱光の大部分が不織繊維のメッシュで反射されるようになるため、遮光カバー外に漏れる光を大幅に低減できる。また、遮光カバー外に漏れる光は不織繊維を通過する際に拡散されるため遮光カバー外でレーザ光が集光することがなく、安全性を確保することができる。レーザの散乱光は1点に集中した場合にエネルギー密度が高くなり危険度が高くなるが、本発明によればそのような状況になることを確実に防ぐことができるものである。 According to the present invention, since the ventilation holes are provided in the light shielding cover and covered with the non-woven fiber, most of the scattered light of the laser is reflected by the mesh of the non-woven fiber. Can be greatly reduced. Further, since the light leaking outside the light shielding cover is diffused when passing through the non-woven fiber, the laser light is not condensed outside the light shielding cover, and safety can be ensured. When the scattered light of the laser is concentrated at one point, the energy density becomes high and the risk becomes high. However, according to the present invention, such a situation can be surely prevented.
また、放熱性に関しては、不織繊維により通風性が確保されるため、遮光カバー内に放熱された熱を自然対流により通風孔から排出することができる。レーザダイオードで発生した熱の大部分は冷却素子からヒートシンクに伝わって強制空冷により大気中に放熱される。冷却素子から排出された熱のうち遮光カバー内に還流する割合は小さいため、自然対流による放熱でも遮光カバー内の空気温度を充分に低下させることができる。 Moreover, regarding heat dissipation, since the ventilation property is ensured by the non-woven fiber, the heat radiated in the light shielding cover can be discharged from the ventilation hole by natural convection. Most of the heat generated in the laser diode is transferred from the cooling element to the heat sink and radiated to the atmosphere by forced air cooling. Since the ratio of the heat exhausted from the cooling element to the inside of the light shielding cover is small, the air temperature in the light shielding cover can be sufficiently lowered even by heat radiation by natural convection.
以上のように、遮光カバーに通風孔を設けて不織繊維で覆うことにより、遮光性を損なうことなく高放熱性を有するレーザ光源装置を実現することができるものである。 As described above, by providing a ventilation hole in the light shielding cover and covering with a non-woven fiber, it is possible to realize a laser light source device having high heat dissipation without impairing the light shielding property.
以下、図面を参照しながら本発明のレーザ光源装置の一実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明のレーザ光源装置の要部をより解り易く説明するためにその構成を模式的に示した図である。図1において、銅製のサブマウントに半導体レーザチップを搭載したレーザダイオード101は、銅で構成されるヒートシンク102上にネジ止め固定されている。
Hereinafter, an embodiment of a laser light source device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the laser light source device of the present invention in order to explain the main part more easily. In FIG. 1, a laser diode 101 in which a semiconductor laser chip is mounted on a copper submount is fixed by screws on a
ヒートシンク102には、さらにレーザダイオード101のレーザ光射出方向に対応して、光結合部103が設けられている。光結合部103は、レーザダイオード101から射出されたレーザ光104を受けてこれを平行光に変換するコリメータレンズ105と、コリメータレンズ105から導出されるレーザ光を集光する集光レンズ106と、これらコリメータレンズ105及び集光レンズ106を、レーザダイオード101と所定の位置関係を有するように、ヒートシンク102に対して保持するレンズホルダ107で構成される。
The
さらに、光結合部103の集光レンズ106によって集光されたレーザ光を受けるべく光ファイバ108が設けられている。光ファイバ108は、光ファイバホルダ109によって、後述する基板201に支持され、集光レンズ106からのレーザ光104がその入射端に入射される。
Further, an
さらに、ヒートシンク102には、ペルチェ素子110の吸熱側部位が固定されており、レーザダイオード101は、ヒートシンク102を介してペルチェ素子110によって冷却される。ペルチェ素子110の放熱側部位は、基板201に固定されている。
Further, the heat absorption side portion of the Peltier
レーザダイオード101で出射されるレーザ光104は、その全てが光ファイバ108に伝達されるものではなく、まず、コリメータレンズ105に入射する際に、一部が反射して散乱光111となって外部に散乱する。さらに、集光レンズ106から光ファイバ108に入射される過程で、光ファイバ108の入射端で反射して散乱光112として散乱する。
All of the laser light 104 emitted from the laser diode 101 is not transmitted to the
以上のように、レーザ光を光ファイバ108に伝達する過程で、散乱光111,112が放出されるため、散乱光が発生する可能性のある部位を遮光カバーで覆う必要がある。
As described above, since the
図2は、図1に示すレーザダイオード101、光結合部103及び光ファイバ108の入射端側の一部を、遮光カバーで覆った本発明のレーザ光源装置を一部断面で示す図である。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the laser light source device of the present invention in which a part of the incident end side of the laser diode 101, the
図2において、図1と同じ構成部分に同じ符号を付す。レーザ光源装置200は、アルミ合金製のベース基板201に、図1に示すレーザダイオード101と光結合部103を搭載したヒートシンク102がペルチェ素子110を介して搭載されている。
2, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the laser
さらに、基板201には、光ファイバホルダ109が取り付けられている。光ファイバホルダ109は、光ファイバ108の入射端が、光結合部103の集光レンズ107に対して所定の位置関係になるように光ファイバ108を基板201に対して保持する機能を有する。その結果、集光レンズ106で集光されるレーザ光104のスポット径が、光ファイバ108のコア部の径と略同等になる。
Further, an
さらに、基板201には、レーザダイオード101とヒートシンク102と光ファイバホルダ109を覆うように遮光カバー202が取り付けられている。遮光カバー202は、外観が略直方体に形成されており、レーザダイオード101からレーザ光104が発せられる方向に対して、交わるように配設された壁203と、この壁203に対向する壁204と、これら壁203,204に隣接する壁と天板205を有する。
Further, a
壁203には、光ファイバ108が引き出される導出部206が設けられ、さらに遮光カバー202の天板205に近い位置に、通風孔207が設けられ、この通風孔207を塞ぐように、不織繊維208が、壁203に取り付けられている。
The
さらに、壁204にも、その基板201に近い位置に通風孔209が設けられ、この通風孔209を塞ぐように、不織繊維210が壁204に取り付けられている。
Further, the
基板201のレーザダイオード101、ヒートシンク102、ペルチェ素子110等が搭載された面の反対側には、アルミ合金製の放熱フィン部材211が固定され、さらにこの放熱フィン211に空気を送って冷却するためのファン212が設けられている。
A
不織繊維208,210は、直径およそ10μm(マイクロメートル)から80μmのステンレス金属繊維を厚さおよそ0.5mm(ミリメートル)から1.0mmのフェルト状に積層したものであり、60〜90%の空隙率を有する。
The
素材が金属繊維であるため、耐熱性が高く、レーザ散乱光が当たった場合であっても、加熱によって破損されることはない。また、高空隙率を有するので、遮光カバー202内外の空気の移動を妨げることはない。
Since the material is a metal fiber, it has high heat resistance and is not damaged by heating even when it is exposed to laser scattered light. Further, since it has a high porosity, it does not hinder the movement of air inside and outside the
例えば、直径12μmのステンレス繊維で構成された、空隙率80%、厚さ0.5mmの不織繊維を用いた場合、風速0.05m/s(メートル単位の秒速)での圧力損失は5Pa(パスカル)から10Paであり、充分な通風量を得られることが確認できた。また、透過率については、波長633nm(ナノメートル)のレーザ光を遮光カバー202内部で照射して、不織繊維207,209を透過した後の光強度を測定したところ自然光レベル以下であった。
For example, when a non-woven fiber having a porosity of 80% and a thickness of 0.5 mm made of stainless fiber having a diameter of 12 μm is used, the pressure loss at a wind speed of 0.05 m / s (second speed in meters) is 5 Pa ( From Pascal) to 10 Pa, it was confirmed that a sufficient amount of ventilation could be obtained. Further, the transmittance was found to be less than the natural light level when the light intensity after irradiating the inside of the
以上のように構成されたレーザ光源装置200において、遮光カバー内部201では、ペルチェ素子110から遮光カバー202内部に放出される熱によって、空気の自然対流が発生する。この自然対流により、遮光カバー210内の熱せられた空気は、基板201付近から天板205方向に上昇するようになる。これに伴って、遮光カバー202の壁204に設けられた通風孔209から、不織繊維210を介して外気が流入し、壁203に設けられた通風孔210から不織繊維208を介して外部に排出するようになる。
In the laser
図3は、図2に示すレーザ光源装置200を、遮光カバー202の天板205方向から見た図である。図3において、図2と同一構成部分に同一符号を付して詳細な説明は省略する。
FIG. 3 is a view of the laser
通風孔207,209は、遮光カバー202の壁203,204の幅方向略中央に設けられている。
Ventilation holes 207 and 209 are provided at substantially the center in the width direction of the
以上のように構成されたレーザ光源装置200によれば、不織繊維208,210の機能によって、遮光カバー202から外部に漏れるレーザ光を大きく低減させることができる。
According to the laser
また、遮光カバー202内で発生した熱の大部分は、ペルチェ素子110から基板201、放熱フィン211を介して大気中に放熱されるため、遮光カバー202内に放出される割合は小さく、自然対流による放熱でも遮光カバー202内の空気温度を充分に低く抑えることができるものである。
In addition, most of the heat generated in the
以上述べた実施の形態では、遮光カバー202内の空気の自然対流によって、遮光カバー202内の熱を放熱するようにしているが、ファン212が設けられているため、これを活用して、遮光カバー202内に強制的に外気を送り込んで、内部の熱を放熱するように構成することもできる。
In the embodiment described above, the heat in the
図4は、ファン212を利用して、遮光カバー202内部を強制空冷するように構成した実施の形態を示す図であり、図2と同一構成部分に同一符号を付して詳細な説明は省略する。
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment in which the inside of the
すなわち、図4に示すレーザ光源装置400は、基板201のファン212取り付け位置と、フィン取り付け位置の間に開孔401が設けられ、さらにこの開孔401を覆うように不織繊維402が取り付けられている。
That is, in the laser
図4に示すレーザ光源装置400によれば、ファン212によって、放熱フィン211に送られる空気が、放熱フィンの壁に当たって、基板201方向に流れ、開孔401と不織繊維402を介して、遮光カバー202内に流れ込む。
According to the laser
遮光カバー202内に流入した空気は、不織繊維208,210を介して、通風孔207,209から排気される。これによって、遮光カバー内の温度が上昇するのを確実に抑えることができるようになる。
The air flowing into the
以上述べたように本発明のレーザ光源装置によれば、レーザ光の散乱光を遮蔽する遮光カバーに、不織繊維で覆った通風孔を設けるように構成したので、遮光カバー内部の温度を確実に低下させてレーザダイオードの動作を安定なものにすることができ、さらに散乱光が外部に漏れるのを大幅に低減させることができるので充分な安全性を確保できるレーザ光源装置を提供することができるものである。 As described above, according to the laser light source device of the present invention, since the light shielding cover that shields the scattered light of the laser light is provided with the ventilation hole covered with the non-woven fiber, the temperature inside the light shielding cover is surely ensured. It is possible to provide a laser light source device capable of ensuring sufficient safety because the operation of the laser diode can be made stable by reducing the amount of the scattered light to a low level, and the leakage of scattered light can be greatly reduced. It can be done.
なお、本発明は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を変更することなく種々実施可能である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented in various ways without changing the gist thereof.
100,400…レーザ光源装置
101…レーザダイオード
102…ヒートシンク
103…光結合部
104…レーザ光
105…コリメータレンズ
106…集光レンズ
108,113,124…集光レンズ
107…レンズフォルダ
108…光ファイバ
109…光ファイバホルダ
110…ペルチェ素子
201…基板
202…遮光カバー
203,204…壁
205…天板
207,209…通風孔
208,210,402…不織繊維
211…放熱フィン
212…ファン
401…開孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,400 ... Laser light source apparatus 101 ...
Claims (6)
このレーザダイオードで生成したレーザ光を導出する光ファイバと、
前記レーザダイオードで生成されたレーザ光を前記光ファイバに伝達する光結合手段と、
前記レーザダイオードと、前記光学手段及び前記光ファイバの光入射端を覆う遮光カバーと、
この遮光カバーに設けられた通風孔と、
この通風光を覆うように設けられた不織繊維と、
を具備したことを特徴とするレーザ光源装置。 A laser diode attached to a metal base and generating laser light;
An optical fiber for deriving laser light generated by the laser diode;
Optical coupling means for transmitting laser light generated by the laser diode to the optical fiber;
A light shielding cover for covering the laser diode, the optical means and the light incident end of the optical fiber;
A ventilation hole provided in the light shielding cover;
Non-woven fibers provided to cover this ventilation light,
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