JP2015072956A

JP2015072956A - 発光装置

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Publication number: JP2015072956A
Application number: JP2013206893A
Authority: JP
Inventors: 次郎齊川; Jiro Saikawa
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2033-10-02
Also published as: JP6393466B2

Abstract

【課題】複数の光源からの光を結合することによって高出力化し、且つ集光性が向上された発光装置を提供する。【解決手段】複数の光源と、複数の光源からの出射光のそれぞれについてコリメート光を生成し、且つそれぞれのコリメート光についてビーム径の小さい方向のビーム径を拡大した拡大光を出力する光出力装置と、拡大光を集光する集光装置とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光源からの光を結合して出力する発光装置に関する。

高出力化などのために、複数の光源からの光を結合させた光を光ファイバーなどの受光装置に入射させる発光装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。これらの発光装置では、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどを光源として、各光源からの光をレンズやプリズムを用いて結合する方法が採用されている。

特許第３２２８０９８号公報特開２００８−６０６１３号公報特許第４１８８７９５号公報

しかしながら、複数の光源からの光を結合して高出力化しつつ、集光性を向上する技術については十分な検討がなされていない。例えば、特許文献３に記載の発明では、発光エリアの幅の広い方向の倍率はコリメートレンズと集光レンズによる倍率によって制限されるため、高出力化は図れるが集光性が制限される。このため、高輝度化が困難である
本発明は、複数の光源からの光を結合することによって高出力化し、且つ集光性が向上された発光装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）複数の光源と、（ロ）複数の光源からの出射光のそれぞれについてコリメート光を生成し、各ビームの間隔を狭め、且つそれぞれのコリメート光についてビーム径の小さい方向のビーム径を拡大した拡大光を出力する光出力装置と、（ハ）拡大光を集光する集光装置とを備える発光装置が提供される。

本発明によれば、複数の光源からの光を結合することによって高出力化し、且つ集光性が向上された発光装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置の構成を示す模式図である。光源の例を示す模式図である。比較例の発光装置の構成を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る発光装置によるビーム径の拡大を説明するための模式図である。比較例の出力光の特性を示すグラフである。本発明の第１の実施形態に係る発光装置の出力光の特性を示すグラフである。本発明の第１の実施形態の変形例に係る発光装置の構成を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る発光装置の構成を示す模式的な斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る発光装置の構成を示す模式的な正面図である。本発明の第２の実施形態に係る発光装置の構成を示す模式的な平面図である。本発明の第２の実施形態に係る発光装置の構成を示す模式的な側面図である。本発明の第２の実施形態の変形例に係る発光装置の構成を示す模式図である。本発明の第２の実施形態の他の変形例に係る発光装置の構成を示す模式図である。本発明の第３の実施形態に係る発光装置の構成を示す模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る発光装置１は、図１に示すように、複数の光源１０と、複数の光源１０からの出射光Ｌ１のそれぞれについてコリメート光Ｌ２を生成し、且つそれぞれのコリメート光Ｌ２についてビーム径の小さい方向のビーム径を拡大した拡大光Ｌ３を出力する光出力装置２０と、拡大光Ｌ３を集光する集光装置３０とを備える。

図１に示した例では、６個の光源１０が一定の方向に沿って一次元配列されている。なお、光源１０の数が６個に限られないのはもちろんである。発光装置１は、各光源１０から出射された出射光Ｌ１を集光し、集光された出力光Ｌ４は受光デバイス２に入射される。受光デバイス２は例えば光ファイバーであり、発光装置１は光ファイバーのコア部に出射光Ｌ１を集光する。集光装置３０は、例えば集光レンズである。

光源１０は、例えば半導体レーザ（ＬＤ）や固体レーザなどである。これらの光源１０において特に半導体レーザでは、出射光の進行方向に垂直な断面（以下において、「進行面」という。）の形状が楕円である。例えば、端面出力型のシングルエミッタ半導体レーザの出射光は発光エリアサイズ（エミッタサイズ）の小さい方向にビームが大きく広がる。即ち、図２に示すように、発光エリアＡのサイズの広い方向がスロー軸方向、発光エリアサイズの狭い方向がファースト軸方向となる。図２に示したように、出射光の進行面の形状は、発光エリアサイズの広い方向（スロー軸方向Ｓ）にビーム幅が狭く、発光エリアサイズの狭い方向（ファースト軸方向Ｆ）にビーム幅が広い。

このため、例えば図３に示す比較例のように、光源１０からの出射光をコリメートレンズ３２１と集光レンズ３３０によって光ファイバー３０２のコア部に集光する場合に、コリメートレンズ３２１の焦点距離ｆ₁と集光レンズ３３０の焦点距離ｆ₂で決まる光学倍率ｍ＝ｆ₁／ｆ₂を低くする必要がある。しかしながら、より多くのビームを結合させるには集光レンズ３３０の開口数ＮＡを維持しながら有効径を大きくする必要がある。その結果、焦点距離ｆ₂が長くなり、集光性は制限されて、高輝度化を図ることが困難である。

発光装置１は、図４に示すように、光源１０からの出射光Ｌ１をコリメートしたコリメート光Ｌ２について、ビーム径の小さい方向（スロー軸方向Ｓ）のビーム径を拡大する。図１に示した発光装置１では、光出力装置２０が、出射光Ｌ１をコリメートするコリメート装置２１と、コリメート光Ｌ２のビーム径を拡大する回折格子２２を備える。

コリメート装置２１は、複数の光源１０からの出射光Ｌ１をそれぞれコリメートして、コリメート光Ｌ２を生成する。コリメート装置２１には、コリメートレンズなどを採用可能である。コリメートレンズは、出射光Ｌ１のそれぞれについて１つずつ用意される。

回折格子２２は、コリメート装置２１から出力されたコリメート光Ｌ２のそれぞれについて回折光として、ビーム径の小さい方向のビーム径が拡大された拡大光Ｌ３を出力する。

コリメート光Ｌ２についてビーム径の小さい方向のビーム径を拡大し、且つ、ビーム径が拡大された回折光を所定の方向に出力するように、回折格子２２の溝の本数及びコリメート光Ｌ２の回折格子２２への入射角が設定されている。即ち、コリメート光Ｌ２が入射する回折格子２２の入射面の面法線方向とコリメート光Ｌ２の進行方向とのなす入射角を大きくすることによって、ビーム径を拡大することができる。更に、コリメート光Ｌ２の波長と回折格子２２の溝の本数との組み合わせによって、回折格子２２から出力される拡大光Ｌ３の出射角が設定される。

また、光源１０間の距離よりも、隣接する拡大光Ｌ３間の距離を小さくするように、回折格子２２の位置や拡大光Ｌ３の出射角を調整できる。これにより、出力光Ｌ４の集光性を向上させることができる。例えば、光源１０の配列された領域の面積よりも、光出力装置２０から出力される複数の拡大光Ｌ３の進行方向の配列範囲を狭くした後に、これらの拡大光Ｌ３を集光装置３０に出力できる。つまり、集光レンズ上で拡大光Ｌ３を高密度化できる。

なお、拡大光Ｌ３として１次回折光を使用することが好ましい。これにより、２次回折光などを使用して拡大光Ｌ３を狭スペクトル化することができる。即ち、回折格子２２によって生成される回折光の一部、例えば２次回折光を光源１０に戻すことによって、光源１０と回折格子２２間に共振器が形成される。その結果、出力光Ｌ４が狭スペクトル化され、高出力を得ることができる。このために、例えば、２次回折光が光源１０に戻る格子周波数を有するように回折格子２２を設定する。「格子周波数」は、回折格子２２の入射面に形成された溝の配置周期であり、１ｍｍあたりの溝本数の逆数である。

上記のように、発光装置１では、ビーム径の小さい方向のビーム径が拡大された拡大光Ｌ３を集光する。このため、ビーム径の小さい方向の光学倍率を、図３に示したコリメートレンズ３２１と集光レンズ３３０によって決まる光学倍率よりも低くすることができる。つまり、コリメート光Ｌ２をそのまま集光する場合と比べて、発光装置１における光学倍率を低く設定できる。

したがって、発光装置１によれば、集光装置３０によって集光される光の集光スポットＰの面積が縮小される。つまり、集光性が向上し、発光装置１からの出力光Ｌ４の輝度を向上させることができる。

集光装置３０によって集光された出力光Ｌ４は、例えば図１に示すように、光ファイバーなどの受光デバイス２に入射される。出力光Ｌ４は集光性が向上されているため、光ファイバーのコア径を小さくできる。このため、高輝度化された出力光Ｌ４を光ファイバーで伝播させることができる。

図５に、ビーム径を拡大せずにコリメート光を集光した比較例の出力光のデータを示す。また、図６に、コリメート光Ｌ２のビーム径を拡大した後に集光した発光装置１の出力光Ｌ４のデータを示す。図５及び図６の横軸はビーム中心からの位置であり、縦軸は各位置における強度である。図６と図８を比較して明らかなように、ビーム径を拡大した場合の方がビーム径の広がりが小さい。

上記では、光出力装置２０が、コリメート光Ｌ２についてビーム径の小さい方向のビーム径を拡大するために回折格子２２を備える例を示した。しかし、回折格子２２の代わりに、プリズムなどのビーム径を拡大する作用を有する他のデバイスを使用してもよい。なお、拡大光Ｌ３の進行面の形状ができるだけ真円に近いように、ビーム径を拡大することが好ましい。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る発光装置１では、コリメート光Ｌ２それぞれのビーム径の小さい方向のビーム径が拡大される。このため、発光装置１における光学倍率は低く設定される。したがって、発光装置１によれば、集光性が向上して集光スポットサイズが縮小され、出力光Ｌ４の輝度を向上することができる。このため、エミッタサイズの大きい方向へのサイズ拡大によって高出力を図る場合であっても、集光性を向上することができる。

上記のように、発光装置１によれば、複数の光源１０からの光を結合することによって高出力化し、且つ集光性が向上された発光装置が得られる。

発光装置１は、ファースト軸方向のビーム径とスロー軸方向のビーム径の差が大きいなど、光軸に垂直な断面の方向のビーム形状が楕円であるような光源１０について特に有効である。

また、発光装置１の光源１０として、互いに波長が異なる光を出射する複数の光源を組み合わせてもよい。これにより、出力光Ｌ４をマルチカラー化することができる。

＜変形例＞
先に述べたように、ビーム径を拡大するために回折格子２２の代わりにプリズムを使用することができる。図７に、コリメート光Ｌ２のビーム径を拡大して拡大光Ｌ３を出力するプリズム２３を光出力装置２０が有する例を示す。コリメート光Ｌ２は、入射面２３１からプリズム２３内に導入される。このときコリメート光Ｌ２とプリズム２３の入射角度を適切に選択すれば、楕円形状のビームの一方向 (短軸方向)のみを拡大することができる。このため、コリメート光Ｌ２についてビーム径の小さい方向のビーム径を拡大することができる。

更に、プリズム２３の出射面２３２の角度などを調整することで、プリズム２３から出力される拡大光Ｌ３の進行方向が設定される。図７に示した例では、プリズム２３の内部を伝播した光の進行方向がプリズム２３の出射面２３２において９０度変更されて、拡大光Ｌ３がプリズム２３から出力される。このように、プリズム２３は、コリメート光Ｌ２のビーム整形手段と伝播経路として機能する。

また、光源１０間の距離よりも、隣接する拡大光Ｌ３間の距離を小さくするように、プリズム２３の位置や拡大光Ｌ３の出射角を調整できる。これにより、出力光Ｌ４の集光性を向上させることができる。例えば、光源１０の配列された領域の面積よりも、光出力装置２０から出力される複数の拡大光Ｌ３の進行方向の配列範囲を狭くして、高密度化された複数の拡大光Ｌ３を集光装置３０に出力できる。

（第２の実施形態）
上記では、複数の光源１０が１次元配列された発光装置１について説明した。以下では、複数の光源１０が２次元配列されている発光装置１について説明する。なお、光源１０が２次元配列された面をｘｙ平面とする。また、ｘｙ平面の面法線方向をｚ方向とする。

図８〜図１１に示したＬＤマウント１１０には、図示を省略するが、光源１０が２次元配列されている。ＬＤマウント１１０の上面には、コリメート装置２１が配置されている。図８に示すコリメート装置２１は、ＬＤマウント１１０に２次元配列された光源１０と１対１で対向してコリメートレンズ２１０がｘｙ平面に２次元配列されたレンズアレイである。また、ＬＤマウント１１０の下面には、ＬＤマウント１１０に発生する熱を外部に放熱するための放熱部１５０が配置されている。

コリメート装置２１のｚ方向に、回折格子アレイ２２０が配置されている。回折格子アレイ２２０では、コリメートレンズ２１０が配列されたｘｙ平面の一方の方向（図８ではｙ方向）にそれぞれ延伸する複数の回折格子２２１が、ｘｙ平面の他方の方向（図８ではｘ方向）に沿って配置されている。回折格子２２１の個数は、コリメートレンズ２１０のｘ方向の個数と同じである。つまり、回折格子２２１は、ｘｙ平面に２次元配列された態様で回折格子アレイ２２０に入射されるコリメート光Ｌ２について、コリメートレンズ２１０のｘ方向の位置ごとに１つずつ用意されている。

ｙ方向に並んだ一列分のコリメート光Ｌ２が、同一の回折格子２２１に入射する。そして、各回折格子２２１から、ｙ方向に一列分の拡大光Ｌ３がｚ方向に同一の高さに出力される。ここで、拡大光Ｌ３は、例えば１次回折光である。拡大光Ｌ３は、コリメート装置２１及び回折格子アレイ２２０のｘ方向に配置された変更装置１３０に入射される。変更装置１３０は、拡大光Ｌ３の進行方向を変更する。

上記のように、図８〜図１１に示した発光装置１では、光出力装置２０が、コリメートレンズ２１０を２次元配列したコリメート装置２１と、ｙ方向にそれぞれ延伸する回折格子２２１がｘ方向に配列された回折格子アレイ２２０と、変更装置１３０とを備える。

図８などに示したように、コリメート装置２１からのｚ方向に沿った距離が回折格子２２１ごとに異なる。これにより、ｘ方向の位置が同じ拡大光Ｌ３ごとに、ｚ方向に沿って配列されて変更装置１３０に入射される。つまり、光源１０のｘ方向の配列が、拡大光Ｌ３ではｚ方向の配列に変換される。

ここで、変更装置１３０はミラーアレイである。具体的には、ｚ方向に延伸し、且つ、レンズアレイのコリメートレンズ２１０が配置されたｙ方向の位置に対応した、複数のミラー１３１が配置されている。即ち、ｙ方向の位置が同じ拡大光Ｌ３は、同一のミラー１３１に入射する。ミラー１３１は、ｘ方向の位置が異なって配列されている。このため、図８などに示すように、光源１０のｙ方向の配列が、拡大光Ｌ３ではｘ方向の配列に変換される。

したがって、ｘｙ平面（例えば水平方向）での光源１０の配列が、ｘｙ平面と垂直なｘｚ平面（例えば垂直方向）での拡大光Ｌ３の配列に変換される。即ち、複数の光源１０が配列された平面に対して垂直な平面の面法線方向に、複数の拡大光Ｌ３が出力される。つまり、図８などに示した発光装置１では、光源１０からの出射光Ｌ１の進行方向を垂直にシフトさせ集積化した後に、拡大光Ｌ３が集積される。

回折格子２２１のｚ方向の間隔と、変更装置１３０におけるミラー１３１のｘ方向の間隔を設定することによって、光出力装置２０から出力される拡大光Ｌ３の進行方向の配列範囲が設定される。したがって、回折格子２２１の配置する範囲と変更装置１３０におけるミラー１３１の配置する範囲を狭く調整することによって、光源１０の配列された領域の面積よりも光出力装置２０から出力される複数の拡大光Ｌ３の進行方向の配列範囲の面積を狭くすることができる。

以上に説明したように、第２の実施形態に係る発光装置１によれば、複数の光源１０の２次元配列された領域の面積よりも光出力装置２０から出力される拡大光Ｌ３の進行方向の配列範囲の面積を狭くした後に、拡大光Ｌ３が集光装置３０によって集光される。したがって、２次元配列された複数の光源１０からの光を結合することによって高出力化すると共に、集光性を向上することができる。

なお、上記では回折格子アレイ２２０によってコリメート光Ｌ２が拡大光Ｌ３に変更される例を示したが、回折格子の代わりに配列させたプリズムを使用してもよいことはもちろんである。

＜変形例＞
図８〜図１１では、光出力装置２０が、ミラーアレイによって拡大光Ｌ３の進行方法を変更している。一方、図１２及び図１３に示す発光装置１のように、他の構造の変更装置１３０によって拡大光Ｌ３の進行方向を変更してもよい。

図１２は、変更装置１３０が、複数の拡大光Ｌ３がそれぞれ入射する複数の変更素子１３２を有する例である。図１２の左右方向に進む拡大光Ｌ３の進行方向が、変更素子１３２によって図１２の上下方向へと、垂直に変更される。例えば、変更素子１３２にはそれぞれミラーなどを採用可能である。図１２は、変更装置１３０に階段ミラーを使用した例である。

なお、隣接する変更素子１３２間の左右方向の距離を、隣接する拡大光Ｌ３間の距離よりも狭くすることによって、光源１０間の距離よりも集光装置３０に入射する拡大光Ｌ３間の距離を狭くできる。これにより、集光性が向上される。

図１３は、２つの変更素子１３２からなるミラー対によって、拡大光Ｌ３の進行方向を変更した例である。例えば、拡大光Ｌ３の進行方向を直角に２回変更することによって、光源１０からの出射光Ｌ１の進行方向と同一方向に拡大光Ｌ３の進行方向を変更する。つまり、出射光Ｌ１の進行方向に拡大光Ｌ３を集光できる。

以上では、変更装置１３０がミラーアレイや階段ミラー、ミラー対である例を示した。しかし、光の進行方向を変更する作用を有するのであれば、他のデバイスも変更装置１３０に採用可能である。例えば、変更装置１３０にプリズムや回折格子などを使用してもよい。

（第３の実施形態）
図１４に示すように、コリメート装置２１とプリズム２３との間に、コリメート光Ｌ２のビーム径を広げる拡大プリズム２４を配置してもよい。拡大プリズム２４は、回折格子２２によってコリメート光Ｌ２のビーム径を拡大して拡大光Ｌ３を出力する前に、コリメート光Ｌ２のビーム径を拡大する。これにより、発光装置１全体での光学倍率性能が増大する。なお、光源１０間の距離よりも拡大光Ｌ３のビーム間隔を小さくするように、プリズム２３の位置や拡大光Ｌ３の出射角を調整できる。これにより、水平方向の拡大光Ｌ３間隔を狭くして、出力光Ｌ４の集光性を向上させることができる。

また、図１４に示したように、プリズム２３から出力された拡大光Ｌ３を、変更装置１３０を通過させた後に集光装置３０に入力させてもよい。変更装置１３０によって、光源１０が２次元配列された場合の拡大光Ｌ３の垂直方向のビーム間隔を短くできる。これにより、集光性を更に向上させることができる。図１４の変更装置１３０には、例えばビームステアリングプリズムなどを採用できる。

プリズム２３の代わりに回折格子２２を使用した場合にも、コリメート装置２１と回折格子２２の間に拡大プリズム２４を配置することによって、コリメート装置２１と回折格子２２間に拡大プリズム２４を配置した場合と同様の効果を得ることができる。また、図８などに示したようにコリメート装置２１に２次元配列されたコリメートレンズ２１０を使用した場合も、同様である。即ち、コリメートレンズ２１０からのコリメート光Ｌ２のそれぞれについて拡大プリズム２４によってビーム径を広げた後に、コリメート光Ｌ２を回折格子２２或いはプリズム２３に入力すればよい。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施形態の説明においては、光出力装置２０がコリメートレンズと回折格子を備える例を示したが、これらの代わりにコリメート機能を有する回折格子を使用してもよい。

また、図１では、光源１０を１次元配列した発光装置１において、回折格子２２によって拡大光Ｌ３の進行方向を変更する例を示した。しかし、図１２及び図１３に示した発光装置１のように、変更装置１３０によって拡大光Ｌ３の進行方向を変更できる。これにより、光源１０が１次元配列された場合にも、所望の方向に出力光Ｌ４を出力できる。例えば、光源１０からの出射光Ｌ１の進行方向に拡大光Ｌ３を集光できる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…発光装置
２…受光デバイス
１０…光源
２０…光出力装置
２１…コリメート装置
２２…回折格子
２３…プリズム
２４…拡大プリズム
３０…集光装置
１１０…ＬＤマウント
１３０…変更装置
１３１…ミラー
１３２…変更素子
１５０…放熱部
２１０…コリメートレンズ
２２０…回折格子アレイ
２２１…回折格子
Ｓ…スロー軸方向
Ｆ…ファースト軸方向
Ｌ１…出射光
Ｌ２…コリメート光
Ｌ３…拡大光
Ｌ４…出力光

Claims

複数の光源と、
前記複数の光源からの出射光のそれぞれについてコリメート光を生成し、且つそれぞれの前記コリメート光についてビーム径の小さい方向のビーム径を拡大した拡大光を出力する光出力装置と、
前記拡大光を集光する集光装置と
を備えることを特徴とする発光装置。
前記光出力装置が、
前記複数の光源からの前記出射光をそれぞれコリメートして前記コリメート光を生成するコリメート装置と、
生成された前記コリメート光のそれぞれについて前記拡大光として回折光を出力する回折格子と
を備え、前記コリメート光の前記ビーム径の小さい方向のビーム径を拡大するように、前記回折格子の溝の本数及び前記コリメート光の前記回折格子への入射角度が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記拡大光が前記回折光の１次回折光であることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記回折光の一部が前記光源に戻されることを特徴とする請求項２又は３に記載の発光装置。
前記光出力装置が、
前記複数の光源からの前記出射光をそれぞれコリメートして前記コリメート光を生成するコリメート装置と、
生成された前記コリメート光のそれぞれについて前記ビーム径を拡大して前記拡大光を出力するプリズムと
を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記複数の光源が２次元配列され、
前記光出力装置が、前記複数の光源の配列された領域の面積よりも前記光出力装置から出力される複数の前記拡大光の進行方向の配列範囲の面積を狭くした後に、複数の前記拡大光を前記集光装置に出力することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光装置。
前記複数の光源が配列された平面に対して垂直な平面の面法線方向に複数の前記拡大光を出力することを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
前記拡大光の進行方向を変更する変更装置を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
前記変更装置が、前記光源からの前記出射光の進行方向と同一方向に前記拡大光の進行方向を変更することを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
前記複数の光源が、互いに波長が異なる光を出射する光源を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発光装置。