JP2016025075A - 光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温高湿環境下で光源を冷却している場合でも結露を抑制することが可能となる光照射装置を提供する。
【解決手段】光源と、前記光源から出射される光を透過する熱抵抗部材と、前記熱抵抗部材の光出射側に配される加熱部と、を備える光照射装置としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光照射装置に関する。

従来、例えばレーザーダイオード（以下、ＬＤと表記する場合がある）を用いた光照射装置が知られている。

例えば、特許文献１には、半導体レーザー素子を保護するためのキャップを備えたレーザーダイオード部と、当該キャップより光射出側に固定されたホログラム素子を備えた光照射装置が開示されている。この従来の光照射装置では、上記キャップと上記ホログラム素子の間の空間において外気と通気可能に間隙を設けている。

上記構成によれば、半導体レーザー素子への通電による発熱により上記空間内の空気が温められて膨張し、膨張した空気は上記間隙を通じて外部へ放出される。このとき、空気中の水蒸気も外部へ放出されるので、上記キャップの先端部に設けられた窓ガラス周辺の湿度が低下し、上記窓ガラスでの結露が抑制される。

特開平１０−３３５７４７号公報

しかしながら、ＬＤ部は高温になると輝度低下や寿命低下を招くため、高温環境下ではＬＤ部を冷却しなければ製品仕様を満たさなくなる場合がある。上記特許文献１では、このような高温高湿の周囲環境下でＬＤ部を冷却している場合には、上記キャップと上記ホログラム素子の間の空間内の水蒸気が外部へ放出されることが抑制され、上記窓ガラスにおける結露を抑制できないという問題がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、高温高湿環境下で光源を冷却している場合でも結露を抑制することが可能となる光照射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る光照射装置は、光源と、前記光源から出射される光を透過する熱抵抗部材と、前記熱抵抗部材の光出射側に配される加熱部と、を備える構成としている（第１の構成）。

このような構成によれば、高温高湿環境下で光源を冷却している場合でも、加熱部による加熱によって光が外部に出射される出射面を露点を上回る温度まで昇温できるので、結露の発生を抑制できる。また、冷却された光源との熱干渉は熱抵抗部材によって抑えられるので、昇温及び冷却を低い消費電力にて行うことが可能となる。また、光源より光出射側には大きなスペースが不要となり、光学設計の自由度が増える。

また、上記第１の構成において、前記加熱部は、前記光源から出射される光を透過する透明導電膜であることとしてもよい（第２の構成）。

このような構成によれば、結露の懸念される光出射面は透明導電膜自体の表面となるので、低い消費電力にて結露を抑制することができる。

また、上記第１の構成において、前記加熱部は、非透明であって、前記熱抵抗部材の光出射箇所に対応して開口部を設けられることとしてもよい（第３の構成）。

このような構成によれば、結露の懸念される光出射面となる熱抵抗部材の表面を加熱によって昇温でき、結露を抑制することができる。

また、上記いずれかの構成において、前記光源は、光を出射する出射部と、前記出射部を覆うように設けられるカバー部材と、前記カバー部材に設けられた貫通孔部を内側から覆うよう配される窓部材と、を備え、
前記熱抵抗部材は、前記貫通孔部に充填された接着剤により前記カバー部材に固定されることとしてもよい（第４の構成）。

このような構成によれば、窓部材の表面が空間に接することが無くなり、結露することを抑制することができる。

また、上記第１の構成において、前記光源は、光を出射する出射部と、前記出射部を覆うように設けられるカバー部材と、を備え、前記カバー部材には第１貫通孔部が設けられ、
前記熱抵抗部材は、前記第１貫通孔部と嵌合する第１凸部と、前記加熱部に設けられた第２貫通孔部と嵌合する第２凸部とを備えた樹脂部材であることとしてもよい（第５の構成）。

このような構成によれば、熱抵抗部材を樹脂部材とすることにより形状の自由度が増加し、第１凸部及び第２凸部を構成することができ、カバー部材及び加熱部に対する位置決め及び組み立てを容易とすることができる。

また、上記第５の構成において、前記光源部は、前記第１貫通孔部を内側から覆うよう配される窓部材を更に備え、
前記カバー部材に設けられる前記第１貫通孔部内の空間は、前記第１凸部と接着剤によって充填されることとしてもよい（第６の構成）。

このような構成によれば、窓部材の表面が空間と接することが無くなり、結露を抑制できる。

また、本発明の一態様に係る光照射システムは、上記いずれかの構成とした光照射装置と、
前記光照射装置周辺の温度及び湿度を測定する第１測定部と、
前記光照射装置における前記光源の温度を測定する第２測定部と、
前記第１測定部の測定結果に基づき露点を算出する算出部と、
前記第２測定部の測定結果が前記算出された露点に基づく所定温度以下となると、前記加熱部の駆動を開始する駆動部と、を備える構成としている。

このような構成によれば、光源を冷却している状態で熱抵抗部材によって外部に光が出射される出射面の温度は光源よりも高くなり、光源の温度が露点に基づく所定温度以下となると、上記出射面は結露しやすい状態であると判定し、加熱部による加熱を開始させることで結露の発生を回避することができる。

本発明によると、高温高湿環境下で光源を冷却している場合でも結露を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る光照射装置の概略上面断面図である。 本発明の第１実施形態に係る光照射システムのブロック構成図である。 本発明の第２実施形態に係る光照射装置の概略上面断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光照射装置の概略上面断面図である。 本発明の第４実施形態の一例に係る光照射装置の概略上面断面図である。 本発明の第４実施形態の別の例に係る光照射装置の概略上面断面図である。

＜第１実施形態＞
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、一例としてレーザー光を出射する光照射装置について説明する。本発明の第１実施形態に係る光照射装置の概略上面断面図を図１に示す。

図１に示す光照射装置１０は、レーザーダイオード部（ＬＤ部）１と、ガラスヒーター２を備えている。ＬＤ部１（光源の一例）は、ステム１１、キャップ１２、載置台１３、サブマウント１４、ＬＤチップ１５、フォトダイオード１６、端子１７Ａ、１７Ｂ、及び窓ガラス１８を備えている。

円盤状のステム１１から載置台１３が突出して設けられる。載置台１３上にはサブマウント１４が載置される。更にサブマウント１４上には、ＬＤチップ１５とフォトダイオード１６が配置される。

端子１７Ａ、１７Ｂはステム１１を貫通するよう設けられ、それぞれＬＤチップ１５にリード線によって接続されている。フォトダイオード１６は、ＬＤチップ１５から射出されるレーザー光の出力を一定とする制御であるＡＰＣ（Automatic Power Control）のために、ＬＤチップ１５から後方に射出されたレーザー光を受光し、光強度を検出する素子である。なお、図１では上面断面図であるので不図示であるが端子１７Ａ、１７Ｂとは別の端子（後述の図２では１７Ｃとして図示）がステム１１を貫通しており、フォトダイオード１６にリード線により接続されている。

また、金属製のキャップ１２の先端に設けられた貫通孔部１２Ａをキャップ１２の内側から塞ぐよう透明な窓ガラス１８が設けられる。そして、窓ガラス１８が固定されたキャップ１２は、ＬＤチップ１５及びフォトダイオード１６を内部に収容するようにステム１１に固定される。これにより、キャップ１２の内部は気密性が確保される。

また、ガラスヒーター２は、透明なガラス体２１（熱抵抗部材の一例）の片面に透明導電膜２２（加熱部の一例）が蒸着されて構成される。透明導電膜２２は通電されることで発熱する。キャップ１２の貫通孔部１２Ａに充填されたゼリー状の透明な光学用接着剤３によって、ガラス体２１の透明導電膜２２が形成された側と反対側の面が貫通孔１２Ａ周辺のキャップ１２の先端面に当接されてガラスヒーター２がキャップ１２に固定される。当該固定は、例えば光学用接着剤３の紫外線硬化や熱硬化によって行われる。即ち、キャップ１２、窓ガラス１８、及びガラス体２１によって囲まれた貫通孔部１２Ａ内の空間は、光学用接着剤３によって充填されている。

端子１７Ａ、１７Ｂを介して通電されたＬＤチップ１５により出射されたレーザー光は、窓ガラス１８、光学用接着剤３、ガラス体２１、及び透明導電膜２２の順に透過して外部へ出射される。

ここで、ＬＤ部１は高温環境下で製品仕様を満たすために冷却されるが、上記のような光学用接着剤３の充填により、窓ガラス１８は光出射側が空間と接することがなくなるので、ＬＤ部１がどれだけ冷却されても窓ガラス１８の光出射側が結露することはない。なお、窓ガラス１８の光入射側については、キャップ１２内の気密性によってキャップ１２内は低湿度が維持され、窓ガラス１８が冷却されても結露することはない。

従って、結露の懸念が発生する箇所は透明導電膜２２表面となるが、透明導電膜２２は通電により、高湿度環境下の露点を上回る温度まで加熱されるので、透明導電膜２２表面での結露を防止することができる。ここで、結露が発生する懸念箇所が透明導電膜２２自身であるので、低い消費電力により所望の温度まで昇温することが可能となる。

また、冷却されるＬＤ部１への透明導電膜２２からの熱移動は、低熱伝導率のガラス体２１を介しているので少なく、低い消費電力により透明導電膜２２を昇温することが可能である。一方、このように熱干渉が少ないので、低消費電力によりＬＤ部１を冷却することも可能となる。

また、仮に加熱部としての透明導電膜２２を設けないとすれば、例えば熱抵抗部材としてのガラス体２１の長さを長くして、ＬＤ部１を冷却しても光の出射面となるガラス体２１の表面の結露を防止する構成が考えられる。しかしながら、このような構成ではキャップ１２より光出射側に大きなスペースが必要となってしまう。これに対し、光照射装置１０であれば、加熱部としての透明導電膜２２を設けることで結露を防止することができるので、スペースを抑えることができる。従って、光学設計の自由度を確保できる。

次に、以上のような光照射装置１０を含む光照射システムについて図２のブロック構成図を参照して説明する。

図２に示す光照射システムは、光照射装置１０に加えて、測温センサー２０、ペルチェ素子３０、ヒーター駆動部４１、周囲温湿度測定部４２、制御部４３、レーザー制御部４４、ＬＤ温度測定部４５、及びペルチェ素子駆動部４６を備えている。ヒーター駆動部４１、周囲温湿度測定部４２、制御部４３、レーザー制御部４４、ＬＤ温度測定部４５、及びペルチェ素子駆動部４６は、例えば同一の基板上に配置される。

レーザー制御部４４は、ＬＤ部１の端子１７Ｃから検出されるフォトダイオード１６（図１）の検出信号に基づき、端子１７Ａ、１７Ｂを介してＬＤチップ１５（図１）に通電を行うことで、ＡＰＣを行いつつＬＤチップ１５にレーザー光を出射させる。

ペルチェ素子駆動部４６は、ペルチェ素子３０に通電を行うことでＬＤ部１を冷却させるものである。測温センサー２０は、ステム１１の温度を測定するセンサーであり、ＬＤ温度測定部４５は、測温センサー２０の検出信号に基づきステム１１の温度情報を取得する。周囲温湿度測定部４２は、光照射装置１０周辺の温度及び湿度を測定する。ヒーター駆動部４１は、透明導電膜２２に通電を行うことで透明導電膜２２を発熱させる。

制御部４３は、ＬＤ温度測定部４５により取得された温度が閾値温度以上（例えば６０度以上）となった場合に、ペルチェ素子駆動部４６に駆動を開始させる。制御部４３は、周囲温湿度測定部４２により測定された周囲温度に応じた駆動信号で駆動を行うようペルチェ素子駆動部４６に指令する。

また、制御部４３は、ＬＤ温度測定部４５により取得されたステム１１の温度と、周囲温湿度測定部４２により測定された温度・湿度に基づき算出した露点とを比較し、ステム１１の温度が露点より高い場合は、ヒーター駆動部４１による駆動を行わないよう制御する（即ち、透明導電膜２２は発熱しない）。そして、ステム１１の温度が露点以下となった場合、制御部４３は、ヒーター駆動部４１に駆動を開始するよう指令する。従って、透明導電膜２２が発熱する。

透明導電膜２２はステム１１よりも温度が高いので、ステム１１の温度が露点以下となった場合は、透明導電膜２２は結露をしやすい状況にあると判定し、透明導電膜２２に通電を開始することで発熱させ、透明導電膜２２における結露を回避することができる。なお、測温センサー２０は、透明導電膜２２の温度を測定するよう配置してもよい。また、上記温度判定の閾値温度は、露点よりも所定温度だけ高い温度とし、判定に余裕を持たせてもよい。

このように本実施形態によれば、高温・高湿度環境下でＬＤ部１を冷却している状態でも、レーザー光の出射面となる透明導電膜２２表面の結露を防止できる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態に係る光照射装置の概略上面断面図を図３に示す。図３に示す光照射装置１０２の構成における第１実施形態との相違点は、ＬＤ部１の先端に設けられた板ガラス５１（熱抵抗部材の一例）及びフィルムヒーター５２（加熱部の一例）となる。

キャップ１２の貫通孔部１２Ａに充填された光学用接着剤３によって、透明な板ガラス５１の片面がキャップ１２の先端面に当接されて板ガラス５１はキャップ１２に固定される。

非透明であるフィルムヒーター５２は、板ガラス５１のキャップ１２に対して当接した面と反対側の面に配置される。フィルムヒーター５２には、ＬＤチップ１５から出射されたレーザー光が透過する板ガラス５１表面の箇所に対応する箇所に貫通孔部（開口部）５２Ａが設けられる。これにより、貫通孔部５２Ａをレーザー光が通過して外部へ出射される。

第１実施形態と同様に、キャップ１２、窓ガラス１８、及び板ガラス５１によって囲まれる貫通孔部１２Ａ内部の空間は光学用接着剤３によって充填されるので、窓ガラス１８の表面は結露することが無い。そして、結露の発生が懸念される箇所は板ガラス５１表面のうち貫通孔部５２Ａに囲まれた箇所となるが、当該箇所はフィルムヒーター５２による加熱により露点を上回る温度まで昇温されるので、結露の発生は防止される。

また、低熱伝導率である板ガラス５１を介した冷却されたＬＤ部１への熱移動は抑制されるので、低い消費電力によって板ガラス５１表面の昇温、及びＬＤ部１の冷却は可能となる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態に係る光照射装置の概略上面断面図を図４に示す。図４に示す光照射装置１０３の構成における第１実施形態との相違点は、ＬＤ部１の先端に設けられた光学用樹脂体６１（熱抵抗部材の一例）及び導電性樹脂体６２（加熱部の一例）となる。

透明である光学用樹脂体６１は、基部６１Ａと、基部６１Ａの片面に突設された第１凸部６１Ｂと、基部６１の上記片面の反対側の面に突設された第２凸部６１Ｃを備えている。

第１凸部６１Ｂがキャップ１２の貫通孔部１２Ａ内に収容され、且つ基部６１Ａの第１凸部６１Ｂが形成された側の面がキャップ１２の先端面に当接された状態で、貫通孔部１２Ａ内に収容された光学用接着剤３１によって、光学用樹脂体６１はキャップ１２に対して固定される。

また、導電性樹脂体６２の片面側には凹部６２Ａが形成されており、凹部６２Ａと接続され、且つ上記片面と反対側の面に開口するような貫通孔部６２Ｂも形成される。そして、凹部６２Ａが光学用樹脂体６１の基部６１Ａと嵌合し、且つ貫通孔部６２Ｂが第２凸部６１Ｃと嵌合するよう導電性樹脂体６２は光学用樹脂体６１に対して固定される。

キャップ１２、窓ガラス１８、及び基部６１Ａによって囲まれた貫通孔部１２Ａ内部の空間は第１凸部６１Ｂ及び光学用接着剤３１によって充填されるので、窓ガラス１８の表面における結露の発生は無い。結露の発生が懸念される箇所はレーザー光の出射面である第２凸部６１Ｃの表面となるが、導電性樹脂体６２への通電によって第２凸部６１Ｃの表面が加熱されて露点を上回る温度まで昇温されるので、結露の発生が防止される。

また、低熱伝導率である光学用樹脂体６１を介した冷却されたＬＤ部１への熱移動は抑制されるので、低い消費電力によって第２凸部６１Ｃ表面の昇温、及びＬＤ部１の冷却は可能となる。

特に、光学用樹脂体６１はガラスよりも熱伝導率の低い材料で構成することにより、光学用樹脂体６１の薄型化が実現できる。また、光学用樹脂体６１を用いることにより形状の自由度が増え、第１凸部６１Ｂ及び第２凸部６１Ｃのような形状を形成できるため、キャップ１２及び導電性樹脂体６２に対する位置決めや組み立て作業を容易とすることができる。

更に、第１凸部６１Ｂを貫通孔部１２Ａ内に挿入することで、光学用接着剤３１の必要量を減らすことができ、そのため、接着剤の劣化による透過率低下の影響や接着剤硬化時の気泡発生の影響を低減させることができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の更に他の実施形態について説明する。上記第１実施形態の一変形例としての光照射装置の概略上面断面図を図５に示す。

図５に示す光照射装置１０４は、第１実施形態に係る光照射装置１０（図１）から窓ガラス１８を取り除いたものとなる。このような構成によれば、キャップ１２内部の気密性によって光学用接着剤３のキャップ１２内側の表面における結露の発生は防止され、且つ透明導電膜２２の加熱により透明導電膜２２表面の結露も防止される。

また、第１実施形態の別の変形例としての光照射装置の概略上面断面図を図６に示す。図６に示す光照射装置１０５は、第１実施形態との相違点として、ガラス体２１’及びその表面に形成される透明導電膜２２’から成るガラスヒーター２’を有する。

そして、ガラス体２１’の透明導電膜２２’が形成された面と反対側がキャップ１２の貫通孔部１２Ａ内に収容された状態で、貫通孔部１２Ａ内の光学用接着剤３２によってガラスヒーター２’はキャップ１２に対して固定される。

貫通孔部１２Ａ内の空間はガラス体２１’及び光学用接着剤３２によって充填されるので、窓ガラス１８の表面における結露の発生は無くなる。そして、透明導電膜２２’の加熱により透明導電膜２２’表面の結露も防止される。また、低熱伝導率のガラス体２１’によって冷却されたＬＤ部１への熱移動も抑制される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々の変形が可能である。

例えば、レーザーダイオード以外の他の光源（例えばＬＥＤ等）で冷却の必要があるものに対して本発明を適用することも可能である。

１ ＬＤ部
１０ 光照射装置
１１ ステム
１２ キャップ
１２Ａ 貫通孔部
１３ 載置台
１４ サブマウント
１５ ＬＤチップ
１６ フォトダイオード
１７Ａ〜１７Ｃ 端子
１８ 窓ガラス
２、２’ ガラスヒーター
２０ 測温センサー
２１、２１’ ガラス体
２２、２２’ 透明導電膜
３０ ペルチェ素子
３１、３２ 光学用接着剤
５１ 板ガラス
５２ フィルムヒーター
６１ 光学用樹脂体
６１Ａ 基部
６１Ｂ 第１凸部
６１Ｃ 第２凸部
６２ 導電性樹脂体
６２Ａ 凹部
６２Ｂ 貫通孔部
１０２〜１０５ 光照射装置

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源から出射される光を透過する熱抵抗部材と、
   前記熱抵抗部材の光出射側に配される加熱部と、を備える光照射装置。
2. 前記加熱部は、前記光源から出射される光を透過する透明導電膜であることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記加熱部は、非透明であって、前記熱抵抗部材の光出射箇所に対応して開口部を設けられることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
4. 前記光源は、光を出射する出射部と、前記出射部を覆うように設けられるカバー部材と、前記カバー部材に設けられた貫通孔部を内側から覆うよう配される窓部材と、を備え、
   前記熱抵抗部材は、前記貫通孔部に充填された接着剤により前記カバー部材に固定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光照射装置。
5. 前記光源は、光を出射する出射部と、前記出射部を覆うように設けられるカバー部材と、を備え、前記カバー部材には第１貫通孔部が設けられ、
   前記熱抵抗部材は、前記第１貫通孔部と嵌合する第１凸部と、前記加熱部に設けられた第２貫通孔部と嵌合する第２凸部とを備えた樹脂部材であることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
6. 前記光源部は、前記第１貫通孔部を内側から覆うよう配される窓部材を更に備え、
   前記カバー部材に設けられる前記第１貫通孔部内の空間は、前記第１凸部と接着剤によって充填されることを特徴とする請求項５に記載の光照射装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の光照射装置と、
   前記光照射装置周辺の温度及び湿度を測定する第１測定部と、
   前記光照射装置における前記光源の温度を測定する第２測定部と、
   前記第１測定部の測定結果に基づき露点を算出する算出部と、
   前記第２測定部の測定結果が前記算出された露点に基づく所定温度以下となると、前記加熱部の駆動を開始する駆動部と、を備える光照射システム。

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