JP2016103423A - Light source device and lighting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、プロジェクタ等の光学装置のための光源や、製造プロセスにおける光照射処理工程における露光装置のための光源として利用することが好適な、半導体レーザ等の固体光源の放射光を、光ファイバを介して利用する光源装置であって、簡単な流体機構を用いて光源装置を構成する複数の要素光源それぞれに所望の冷却を施すことが可能な光源装置に関する。 The present invention, for example, the light emitted from a solid-state light source such as a semiconductor laser, which is preferably used as a light source for an optical device such as a projector or a light source for an exposure device in a light irradiation process in the manufacturing process, The present invention relates to a light source device that is used via an optical fiber, and that can perform desired cooling on each of a plurality of element light sources constituting the light source device using a simple fluid mechanism.
例えば、DLP(TM)プロジェクタや液晶プロジェクタのような画像表示用の光学装置や、フォトマスク転写やアニール等のための露光装置においては、これまで、キセノンランプや超高圧水銀ランプのような高輝度放電ランプ(HIDランプ)、あるいはハロゲンランプなどが使用されてきた。
しかしながら、前記したランプ類は、投入電力から光パワーへの変換効率が低い、すなわち発熱損が大きい、あるいは寿命が短い、などの欠点を有していた。
これらの欠点を克服した代替光源として、近年、LEDや半導体レーザ等の固体光源が注目されている。
このうち、LEDについては、放電ランプと比較して発熱損が小さく、また長寿命であるが、放射される光に関しては、放電ランプと同様に指向性が無いため、前記したプロジェクタや露光装置等の、特定の方向の光のみが利用可能な用途においては、光の利用効率が低いという問題があった。
For example, optical devices for image display, such as DLP (TM) projectors and liquid crystal projectors, and exposure devices for photomask transfer, annealing, etc., have so far had high brightness such as xenon lamps and ultra-high pressure mercury lamps. A discharge lamp (HID lamp) or a halogen lamp has been used.
However, the lamps described above have drawbacks such as low conversion efficiency from input power to optical power, that is, large heat loss or short life.
In recent years, solid light sources such as LEDs and semiconductor lasers have attracted attention as alternative light sources that have overcome these drawbacks.
Among them, the LED has a smaller heat loss and a longer life than the discharge lamp, but the emitted light has no directivity like the discharge lamp. However, in applications where only light in a specific direction can be used, there is a problem that the light use efficiency is low.
一方、半導体レーザについては、LEDと同様に、発熱損が小さく、長寿命である上に、指向性が高いため、前記したプロジェクタや露光装置等の、特定の方向の光のみが利用可能な用途においても、光の利用効率が高いという利点がある。
また、高い指向性を活かして、光ファイバによる光伝送を高効率で行えるため、半導体レーザの設置場所と、プロジェクタなど、その光を利用する場所とを分離することが可能であり、装置設計の自由度を高めることができる。
On the other hand, for semiconductor lasers, as in the case of LEDs, the heat loss is small, the lifetime is long, and the directivity is high, so that only light in a specific direction can be used, such as the projectors and exposure apparatuses described above. Also, there is an advantage that the light use efficiency is high.
In addition, the high directivity makes it possible to perform optical transmission with high efficiency, so it is possible to separate the installation location of the semiconductor laser from the location where the light is used, such as a projector. The degree of freedom can be increased.
しかしその反面、半導体レーザにはスペックルノイズが発生するという問題があった。
ここでスペックルとは、半導体レーザやその他のレーザの光、あるいは(高調波発生・光パラメトリック効果などのような非線形光学現象を利用して)レーザ光を波長変換するなどして生成した、コヒーレント光を投射した場合に不可避的に現れる、粒状・斑点状の模様であって、とりわけ、光ファイバを併用する場合は、その影響が顕著になり、前記したプロジェクタのような鑑賞用の映像を生成する用途や、感光性材料からなる被膜にフォトマスクのパターンを精密に露光する用途においては、画質を著しく劣化させる、非常に厄介な現象であるため、改善のための工夫が、古くから数多く提案されて来た。
例を挙げれば、拡散板・フライアイインテグレータ・ロッドインテグレータ・レンズアレイ・ビームスプリッタ・多重反射素子等を用いて、コヒーレント光源からの光束を、光軸に垂直な断面内分割して重ね合わせたり、光束の光軸に垂直な断面の位置に依存した位相・偏光状態・遅延等を付与したり、さらに光学素子を回転・振動・揺動するなどして分割状態や付与状態を時間的に変化させたり、波長が僅かに相違する複数個のコヒーレント光源からの光束を混合するなどである。
However, there is a problem that speckle noise is generated in the semiconductor laser.
Here, the speckle is a coherent light generated by wavelength conversion of laser light from a semiconductor laser or other laser or laser light (using a nonlinear optical phenomenon such as harmonic generation or optical parametric effect). Granular and speckled patterns that inevitably appear when light is projected, especially when used in combination with optical fibers, and the effect becomes noticeable, producing images for viewing like the projectors mentioned above This is a very troublesome phenomenon that significantly deteriorates the image quality in applications where the photomask pattern is precisely exposed on the coating made of photosensitive material, so many improvements have been proposed for a long time. Has been.
For example, using a diffuser plate, fly eye integrator, rod integrator, lens array, beam splitter, multiple reflection element, etc., the light beam from the coherent light source is divided in the cross section perpendicular to the optical axis and superimposed, A phase, polarization state, delay, etc. depending on the position of the cross section perpendicular to the optical axis of the light beam is added, and the split state and the applied state are changed with time by rotating, vibrating, or swinging the optical element. Or mixing light beams from a plurality of coherent light sources having slightly different wavelengths.
これらの工夫のうち、最も多用される手段が拡散板を用いるものであるが、この手段を単独で使う場合、その拡散度合いを強くするほど、これによってスペックルノイズ低減能力が高まる半面、光の利用効率が低下する、トレードオフの関係が存在するため、拡散板単独の働きに頼ってスペックルノイズ低減を行うものは少なく、前記したように他の手段を併用するものがほとんどである。
例えば、特開昭−51−064325号公報には、レーザを用いた文字パターン発生装置において、スペックルによる解像力の低下を防止するため、拡散板としてのスリガラス円板を回転する技術が記載されており、類似の技術を提案した公報が極めて多数存在する。
しかしながら、前記したように拡散度合いを強くするほど、これによってスペックルノイズ低減能力が高まる半面、光の利用効率が低下する欠点から免れられないため、拡散板を全く使用しないか、少なくとも拡散度合いの強い拡散板を使用せずに済み、かつそしてコスト高の原因となる回転機構や振動機構、高性能な光学素子を必要としないスペックルノイズ低減技術の確立が強く望まれる。
Among these devices, the most frequently used means is to use a diffusion plate. However, when this means is used alone, the speckle noise reduction ability increases as the degree of diffusion increases. Since there is a trade-off relationship in which the utilization efficiency is lowered, there are few that reduce speckle noise by relying on the function of the diffuser alone, and most of them use other means in combination as described above.
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 51-064325 describes a technique for rotating a ground glass disk as a diffusion plate in a character pattern generator using a laser in order to prevent a decrease in resolution due to speckle. There are a large number of publications that propose similar techniques.
However, as described above, the stronger the degree of diffusion, the higher the speckle noise reduction capability. On the other hand, it is unavoidable that the light use efficiency is reduced. It is strongly desired to establish a speckle noise reduction technology that does not require the use of a strong diffusing plate and that does not require a rotation mechanism, a vibration mechanism, or a high-performance optical element that causes high costs.
例えば、特表2004−503923号には、スペクトル幅と中心波長シフトの関係を規定した複数のレーザ素子を用いる技術が記載されており、さらに特開2004−146793号には、波長が異なる複数個の半導体レーザの光を用いる露光装置に関する技術が記載されている。
これらの技術の場合、前記した、回転機構や振動機構、高性能な光学素子を必要としない点が有利であるが、それを実現に移そうとする場合は、多数の半導体レーザ素子を用意して選別を行い、所期の波長分布を実現できる半導体レーザ素子集合を構成する必要があり、やはりコスト高となる問題がある。
For example, Japanese translations of PCT publication No. 2004-503923 describes a technique using a plurality of laser elements that define the relationship between spectral width and center wavelength shift, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146793 discloses a plurality of different wavelengths. A technique relating to an exposure apparatus using light of a semiconductor laser is described.
These technologies are advantageous in that they do not require a rotating mechanism, a vibration mechanism, or a high-performance optical element, but a large number of semiconductor laser elements are prepared in order to achieve this. Therefore, it is necessary to configure a semiconductor laser element set that can realize the desired wavelength distribution, which also increases the cost.
当然、光を対象物に照射する照明装置の全てにおいてスペックルノイズが致命的な問題であるという訳ではなく、その用途によっては、スペックルノイズが多少あっても構わないものもあるが、その場合でも、半導体レーザを使用する以上、それを十分に冷却しながら稼働させなければ、破損したり寿命を縮めたりするため、効果的な冷却機構を必要とするが、これは装置における半導体レーザの実装技術と不可分な課題である。
また、複数の半導体レーザからの放射光を1本の光ファイバによって伝送しようとする場合は、光の伝送路である光ファイバコアの径が細い上、光ファイバが伝送できる光の入射角の制限、すなわちNAに上限があるため、光ファイバへの高効率な結合を実現するための、光学系における効果的な光学素子配置を必要とし、これも同様に、装置における半導体レーザの実装技術と不可分な課題である。
Of course, speckle noise is not a fatal problem in all lighting devices that irradiate light on an object. Depending on the application, there may be some speckle noise. Even if a semiconductor laser is used, if it is not operated while it is sufficiently cooled, an effective cooling mechanism is required to damage it or shorten its life. This is an issue inseparable from mounting technology.
In addition, when the emitted light from a plurality of semiconductor lasers is to be transmitted through a single optical fiber, the diameter of the optical fiber core that is the light transmission path is narrow, and the incident angle of light that can be transmitted by the optical fiber is limited. In other words, since there is an upper limit on the NA, an effective optical element arrangement in the optical system for realizing highly efficient coupling to the optical fiber is required, which is also inseparable from the semiconductor laser mounting technology in the apparatus. It is a difficult task.
いま述べた複数の半導体レーザの効果的な冷却と、複数の半導体レーザの放射光の光ファイバへの高効率な結合を目的とした提案として、例えば特開2014−175626号には、階段状のヒートシンクの各段に半導体レーザアレイを設置することにより、複数の半導体レーザアレイからのビームを、ビームの間隔を可及的密に詰められた1個の合成光束と成すことができ、集光レンズによって1本の光ファイバに高効率で結合可能な光源装置が記載されている。
ただし、この技術は、小さい半導体レーザチップ単体の複数個を、ヒートシンクにマウントするものであるため、例えば、キャン型外囲器に収納された形態のような大きい半導体レーザに対しては適用できなかった。
As a proposal aiming at effective cooling of a plurality of semiconductor lasers just described and high-efficiency coupling of emitted light of a plurality of semiconductor lasers to an optical fiber, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-175626 has a stepped shape. By installing the semiconductor laser array at each stage of the heat sink, the beams from the plurality of semiconductor laser arrays can be made into a single combined light beam with as close as possible beam spacing, and a condensing lens Describes a light source device that can be coupled to a single optical fiber with high efficiency.
However, since this technique mounts a plurality of small semiconductor laser chips alone on a heat sink, it cannot be applied to a large semiconductor laser such as a form housed in a can-type envelope. It was.
本発明が解決しようとする課題は、半導体レーザ等の要素光源の複数個からのコヒーレント光束を光ファイバに高効率で結合し、かつ要素光源の効果的な冷却を行うことを達成した光源装置を提供することにある。 A problem to be solved by the present invention is a light source device that achieves efficient cooling of an element light source by coupling coherent light beams from a plurality of element light sources such as semiconductor lasers to an optical fiber with high efficiency. It is to provide.
本発明における第1の発明の光源装置は、遠方の像を形成するコヒーレント光束(F1,F2,…)を放射する要素光源(U1,U2,…)の複数個と、
前記要素光源(U1,U2,…)のそれぞれ毎に対応が定められ、対応する前記要素光源(U1,U2,…)からの前記コヒーレント光束(F1,F2,…)のみを反射することにより、前記コヒーレント光束(F1,F2,…)相互の間隔を短縮するための反射鏡(R1,R2,…)と、
該反射鏡(R1,R2,…)で反射された前記コヒーレント光束(F1,F2,…)が入射され、入射された光束を集束光束(Fg)に変換して高密度光照射領域(Ag)を形成するための集光光学素子(Eg)と、
前記高密度光照射領域(Ag)の近傍にコアの端面が位置するように光ファイバ(Ef)を保持するための光ファイバ保持体(Er)と、
前記要素光源(U1,U2,…)および前記反射鏡(R1,R2,…)、前記集光光学素子(Eg)、前記光ファイバ保持体(Er)が載せられて、それらを固定するとともに前記要素光源(U1,U2,…)を冷却するための放熱体を兼ねる基台(B)と、
該基台(B)を冷却するための冷却流体を流す流体機構(Cs)と、
を具備する光源装置であって、
前記基台(B)における前記要素光源(U1,U2,…)が載せられる面(Su)が上側になるように見たとき、該面(Su)は階段状に形成されて前記要素光源(U1,U2,…)のそれぞれは前記面(Su)の段の何れかに載せられ、
前記流体機構(Cs)の前記冷却流体が、前記基台(B)の下側の面(Sc)に作用するように流体流路(Cr)が設けられ、かつ前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高低差の方向であることを特徴とするものである。
The light source device of the first invention in the present invention includes a plurality of element light sources (U1, U2,...) That emit coherent light beams (F1, F2,...) That form a distant image,
Correspondence is determined for each of the element light sources (U1, U2,...), And only the coherent light beams (F1, F2,...) From the corresponding element light sources (U1, U2,...) Are reflected, Reflectors (R1, R2,...) For shortening the interval between the coherent light beams (F1, F2,...);
The coherent light beams (F1, F2,...) Reflected by the reflecting mirrors (R1, R2,...) Are incident, and the incident light beams are converted into a focused light beam (Fg) to be irradiated with a high-density light irradiation region (Ag). A condensing optical element (Eg) for forming
An optical fiber holder (Er) for holding the optical fiber (Ef) so that the end face of the core is positioned in the vicinity of the high-density light irradiation region (Ag);
The element light sources (U1, U2,...) And the reflecting mirrors (R1, R2,...), The condensing optical element (Eg), and the optical fiber holder (Er) are placed on the optical fiber holder (Er) and fixed thereon. A base (B) that also serves as a heat radiator for cooling the element light sources (U1, U2,...);
A fluid mechanism (Cs) for flowing a cooling fluid for cooling the base (B);
A light source device comprising:
When the surface (Su) on which the element light sources (U1, U2,...) Of the base (B) are placed is viewed as an upper side, the surface (Su) is formed in a step shape and the element light sources ( Each of U1, U2,...) Is placed on one of the steps of the surface (Su),
A fluid flow path (Cr) is provided so that the cooling fluid of the fluid mechanism (Cs) acts on the lower surface (Sc) of the base (B), and the flow direction of the cooling fluid is: It is the direction of the height difference of the stepped surface (Su) in the base (B).
本発明における第2の発明の光源装置は、前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高い方から低い方へ向かう方向であることを特徴とするものである。 The light source device according to a second aspect of the present invention is characterized in that the flow direction of the cooling fluid is a direction from the higher side to the lower side of the stepped surface (Su) of the base (B). To do.
本発明における第3の発明の光源装置は、前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の低い方から高い方へ向かう方向であることを特徴とするものである。 The light source device according to a third aspect of the present invention is characterized in that the flow direction of the cooling fluid is a direction from a lower side to a higher side of the stepped surface (Su) of the base (B). To do.
本発明における第4の発明の光源装置は、前記した流体機構として、少なくとも2系統の第1の流体機構(Cs1)と第2の流体機構(Cs2)とを具備し、前記第1の流体機構(Cs1)が流す冷却流体の方向と、前記第2の流体機構(Cs2)が流す冷却流体の方向とが相違することを特徴とするものである。 A light source device according to a fourth aspect of the present invention includes at least two systems of a first fluid mechanism (Cs1) and a second fluid mechanism (Cs2) as the fluid mechanism, and the first fluid mechanism. The direction of the cooling fluid flowing through (Cs1) is different from the direction of the cooling fluid flowing through the second fluid mechanism (Cs2).
本発明における第5の発明の光源装置は、前記した流体機構として、少なくとも2系統の第1の流体機構(Cs1)と第2の流体機構(Cs2)とを具備し、前記第1の流体機構(Cs1)が流す冷却流体の方向と流量と、前記第2の流体機構(Cs2)が流す冷却流体の方向と流量とをそれぞれ独立に制御可能であることを特徴とするものである。 A light source device according to a fifth aspect of the present invention includes at least two systems of a first fluid mechanism (Cs1) and a second fluid mechanism (Cs2) as the fluid mechanism, and the first fluid mechanism. The direction and flow rate of the cooling fluid that flows through (Cs1) and the direction and flow rate of the cooling fluid that flows through the second fluid mechanism (Cs2) can be independently controlled.
本発明における第6の発明の光源装置は、前記基台(B)における下側の前記面(Sc)には、前記冷却流体が作用する表面積を増大させるための突出構造(Cb)を具備するとともに、前記突出構造(Cb)に起因する表面積の増大量が前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高低差の方向に依存して変化することを特徴とするものである。 In the light source device according to a sixth aspect of the present invention, the lower surface (Sc) of the base (B) includes a protruding structure (Cb) for increasing the surface area on which the cooling fluid acts. In addition, the amount of increase in surface area due to the protruding structure (Cb) varies depending on the direction of the height difference of the stepped surface (Su) in the base (B). .
本発明における第7の発明の照明装置は、第1の発明に記載の光源装置(Uo)と、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子に給電する駆動回路(P1,P2,…)と、前記流体機構(Cs)を駆動する流体機構駆動制御回路(Uc)と、前記光ファイバ保持体(Er)によって一端を保持された前記光ファイバ(Ef)とを具備し、該光ファイバ(Ef)の他端から放射される照射光束(Fw)を対象物(Wk)に照射することを特徴とするものである。 A lighting device according to a seventh aspect of the present invention is a light source device (Uo) according to the first aspect of the present invention and a drive circuit (P1, P2, which feeds power to the light emitting elements of the element light sources (U1, U2,...). ...), a fluid mechanism drive control circuit (Uc) for driving the fluid mechanism (Cs), and the optical fiber (Ef) having one end held by the optical fiber holder (Er). The object (Wk) is irradiated with an irradiation light beam (Fw) emitted from the other end of the fiber (Ef).
半導体レーザ等の要素光源の複数個からのコヒーレント光束を光ファイバに高効率で結合し、かつ要素光源の効果的な冷却を行うことを達成した光源装置を提供することができる。 It is possible to provide a light source device that achieves efficient cooling of an element light source by coupling coherent light beams from a plurality of element light sources such as semiconductor lasers to an optical fiber with high efficiency.
先ず、本発明の光源装置の一部を簡略化して示す模式図である図1を用いて本発明を実施するための形態について説明する。
要素光源(U1,U2,…)のそれぞれは、半導体レーザ等の発光素子と、その放射光を遠方の像を形成する光束に変換するコリメータ光学素子(例えばコリメータレンズ)とを含んでおり、平行光束または平行光束に近いコヒーレント光束(F1,F2,…)を出力する。
First, the form for implementing this invention is demonstrated using FIG. 1 which is a schematic diagram which simplifies and shows a part of light source device of this invention.
Each of the element light sources (U1, U2,...) Includes a light emitting element such as a semiconductor laser and a collimator optical element (for example, a collimator lens) that converts the emitted light into a light beam that forms a distant image. A coherent light beam (F1, F2,...) Close to a light beam or a parallel light beam is output.
前記要素光源(U1,U2,…)のそれぞれは、基台(B)の上に設置するが、該基台(B)における前記要素光源(U1,U2,…)が設置される面(Su)は階段状に形成されており、前記要素光源(U1,U2,…)は前記面(Su)の段の何れかに載せられ、ネジ止め等の手段(図示を省略)によって前記面(Su)に対して強固に固定されるとともに、前記要素光源(U1,U2,…)において発生した熱が前記基台(B)に排出されるようにする。
また前記要素光源(U1,U2,…)のそれぞれには、その要素光源からの前記コヒーレント光束(F1,F2,…)の反射を担当する反射鏡(R1,R2,…)との対応が定められており、 該反射鏡(R1,R2,…)は、対応する前記要素光源(U1,U2,…)からの前記コヒーレント光束(F1,F2,…)のみを反射するように配置される。
Each of the element light sources (U1, U2,...) Is installed on a base (B), and a surface (Su) on the base (B) on which the element light sources (U1, U2,...) Are installed. ) Is formed in a stepped shape, and the element light sources (U1, U2,...) Are placed on any of the steps of the surface (Su), and the surface (Su) is provided by means such as screwing (not shown). ) And the heat generated in the element light sources (U1, U2,...) Is discharged to the base (B).
Each of the element light sources (U1, U2,...) Is associated with a reflecting mirror (R1, R2,...) Responsible for reflecting the coherent light flux (F1, F2,...) From the element light source. The reflecting mirrors (R1, R2,...) Are arranged so as to reflect only the coherent light beams (F1, F2,...) From the corresponding element light sources (U1, U2,...).
そして、例えば、前記要素光源(U1)と前記反射鏡(R1)とは最上段に、また前記要素光源(U2)と前記反射鏡(R2)とは上から2番目の段に配置し、前記反射鏡(R1)は前記コヒーレント光束(F1)のみを反射して、一つ下の段の反射鏡の直上を通過させ、また前記反射鏡(R2)は前記コヒーレント光束(F2)のみを反射して、一つ下の段の反射鏡の直上を通過させる、というようにこれら要素光源、反射鏡を機能させ、さらに下の段についても同様とすることにより、前記コヒーレント光束(F1,F2,…)相互の間隔を短縮することができる。
なお、図においては、前記コヒーレント光束(F1,F2,…)などが反射鏡によって反射されて出来た光束に対しても、同じ識別記号を割り当てて表記することにしてある。
For example, the element light source (U1) and the reflecting mirror (R1) are arranged on the uppermost stage, and the element light source (U2) and the reflecting mirror (R2) are arranged on the second stage from the top, The reflecting mirror (R1) reflects only the coherent light beam (F1) and passes just above the lower reflecting mirror, and the reflecting mirror (R2) reflects only the coherent light beam (F2). Then, the element light source and the reflecting mirror are allowed to function such that the light passes through the reflecting mirror in the lower stage, and the same is applied to the lower stage, so that the coherent light beams (F1, F2,... ) The mutual interval can be shortened.
In the figure, the same identification symbol is assigned to the light beam produced by reflecting the coherent light beam (F1, F2,...) Or the like by a reflecting mirror.
前記反射鏡(R1,R2,…)で反射されて相互間隔が短縮された前記コヒーレント光束(F1,F2,…)は、レンズ等から構成した集光光学素子(Eg)に入射されて集束光束(Fg)に変換され、高密度光照射領域(Ag)を形成する。
前記高密度光照射領域(Ag)の近傍にコアの端面が位置するように光ファイバ(Ef)の一端を保持することにより、前記コヒーレント光束(F1,F2,…)は前記光ファイバ(Ef)に結合され、該光ファイバ(Ef)の他端より光束を出力させることができる。
The coherent light beams (F1, F2,...) Reflected by the reflecting mirrors (R1, R2,...) And shortened from each other are incident on a condensing optical element (Eg) composed of a lens or the like and converged. It is converted into (Fg) to form a high-density light irradiation region (Ag).
By holding one end of the optical fiber (Ef) so that the end face of the core is positioned in the vicinity of the high-density light irradiation region (Ag), the coherent luminous flux (F1, F2,...) Is converted into the optical fiber (Ef). It is possible to output a light beam from the other end of the optical fiber (Ef).
前記集光光学素子(Eg)および前記光ファイバ(Ef)の保持に関し、本発明の光源装置を簡略化して示す模式図である図2を用いて説明する。
図においては、前記光ファイバ(Ef)自体は、保護被覆(Es)とともにフェルール(Eh)に保持させ、固定ナット(Ehn)を付加して光ファイバコネクタプラグ(Ep)と成し、前記フェルール(Eh)を光ファイバコネクタレセプタクルたる光ファイバ保持体(Er)によって保持する構造とし、該光ファイバ保持体(Er)は、光ファイバコネクタレセプタクルホルダ(He)を介して前記基台(B)に固定する。
また、前記光ファイバ保持体(Er)には雄ネジを切ってあり、雌ネジを切ってある前記固定ナット(Ehn)を締め込むことによって前記フェルール(Eh)が前記光ファイバ保持体(Er)に固定されるものを想定してある。
The holding of the condensing optical element (Eg) and the optical fiber (Ef) will be described with reference to FIG. 2 which is a schematic diagram showing the light source device of the present invention in a simplified manner.
In the figure, the optical fiber (Ef) itself is held by a ferrule (Eh) together with a protective coating (Es), and a fixing nut (Ehn) is added to form an optical fiber connector plug (Ep). Eh) is held by an optical fiber holder (Er) as an optical fiber connector receptacle, and the optical fiber holder (Er) is fixed to the base (B) via the optical fiber connector receptacle holder (He). To do.
The optical fiber holder (Er) has a male screw cut, and the ferrule (Eh) is made to be the optical fiber holder (Er) by tightening the fixing nut (Ehn) having a female screw cut. Is assumed to be fixed.
本発明の光源装置には、さらに、前記基台(B)を冷却するための流体機構(Cs)を設けるが、これは、前記基台(B)における前記要素光源(U1,U2,…)が載せられる前記面(Su)が上側になるように見たとき、前記基台(B)における下側の面(Sc)に冷却流体を作用させるべく、流体流路(Cr)が前記面(Sc)に接するように構成する。
図においては、前記冷却流体はファン(Cf)によって駆動される空気である場合を想定している。
そして、前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高低差の方向、すなわち矢印(D1)または矢印(D2)となるようにする。
The light source device of the present invention is further provided with a fluid mechanism (Cs) for cooling the base (B), which is the element light source (U1, U2,...) In the base (B). When the surface (Su) on which the substrate is placed is viewed as being on the upper side, the fluid flow path (Cr) is formed on the surface (Sc) so that the cooling fluid acts on the lower surface (Sc) of the base (B). It is configured to be in contact with Sc).
In the figure, it is assumed that the cooling fluid is air driven by a fan (Cf).
The flow direction of the cooling fluid is set to the direction of the height difference of the stepped surface (Su) in the base (B), that is, the arrow (D1) or the arrow (D2).
ここで、前記した前記コヒーレント光束(F1,F2,…)相互の間隔を短縮して、密なものとすることの意味・重要性について補足しておく。
もし、間隔の短縮について考慮せず、例えば、単純に全ての前記要素光源(U1,U2,…)を2次元的に並べただけとした場合を仮定すると、この場合に実現されるコヒーレント光束(F1,F2,…)の相互の2次元的な間隔は、非常に疎なものとなる。
このような、疎なコヒーレント光束(F1,F2,…)を光ファイバ(Ef)のコアに集光するためには、密な場合に比較して、集光光学素子(Eg)として径の大きなものが必要となるが、このこと自体が、光源装置の大型化やコスト高を招き、不都合である。
Here, the meaning and importance of shortening the interval between the coherent light beams (F1, F2,...) And making them dense will be supplemented.
If, for example, it is assumed that all the element light sources (U1, U2,...) Are simply arranged two-dimensionally without considering the shortening of the interval, the coherent luminous flux ( The two-dimensional spacing between F1, F2,... Is very sparse.
In order to condense such a sparse coherent light beam (F1, F2,...) On the core of the optical fiber (Ef), the condensing optical element (Eg) has a larger diameter than the dense case. However, this itself is disadvantageous because it increases the size and cost of the light source device.
仮に、その不都合を無視するとしても、集束光束(Fg)の角度を光ファイバのNA内に収めるためには、集光光学素子(Eg)の焦点距離を大きくしなければならず、そうすると、コヒーレント光束(F1,F2,…)それぞれが光ファイバ(Ef)の端面に形成するスポットは、回折の影響を受けて大きな面積のものとなる上、半導体レーザに特有の、非点収差的なスポットの非対称形状も拡大されるため、条件によっては光ファイバのコア径に収まらなくなる恐れもある。
さらに、コヒーレント光束(F1,F2,…)それぞれの方向について、光軸に対して厳密に平行ではなく誤差を有した場合の、光ファイバ(Ef)の端面におけるスポット位置のズレ量が大きくなってしまうため、コヒーレント光束(F1,F2,…)の角度調整には高い精度が必要となる。
因みに、いま述べたスポットに関する面積や非点収差的非対称形状、スポット位置ズレ量が大きくなる現象の程度は、集光光学素子(Eg)の焦点距離に比例する。
したがって、前記コヒーレント光束(F1,F2,…)相互の2次元的な間隔を可及的密にすることが、極めて重要であることが理解できる。
Even if the inconvenience is ignored, in order to keep the angle of the focused light beam (Fg) within the NA of the optical fiber, the focal length of the condensing optical element (Eg) must be increased. Spots formed on the end face of the optical fiber (Ef) by each of the light beams (F1, F2,...) Have a large area due to the influence of diffraction, and are also astigmatism spots peculiar to the semiconductor laser. Since the asymmetric shape is also enlarged, depending on conditions, there is a risk that it will not fit within the core diameter of the optical fiber.
Further, in each direction of the coherent light beams (F1, F2,...), The amount of deviation of the spot position on the end face of the optical fiber (Ef) becomes large when there is an error instead of being strictly parallel to the optical axis. Therefore, high accuracy is required to adjust the angle of the coherent light beams (F1, F2,...).
Incidentally, the area of the spot, the astigmatism asymmetric shape, and the degree of the phenomenon that the spot position deviation amount increases are proportional to the focal length of the condensing optical element (Eg).
Therefore, it can be understood that it is extremely important to make the two-dimensional spacing between the coherent light beams (F1, F2,...) As close as possible.
前記流体機構(Cs)における前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高い方から低い方へ向かう方向になるようにする場合は、前記基台(B)の最も厚い箇所、すなわち冷却効率が最も悪い箇所が前記流体流路(Cr)の最も上流となって冷たい風が作用し、逆に前記基台(B)の最も薄い箇所、すなわち冷却効率が最も良い箇所が前記流体流路(Cr)の最も下流となって暖かい風が作用するため、前記要素光源(U1,U2,…)の全体に対する冷却効率が均一化され、したがって要素光源の効果的な冷却を実現することができる。
その結果、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれへの投入電力が同様であれば、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子の温度は均等化され、全ての発光素子を理想的な状態に保つことが可能となる。
In the case where the flow direction of the cooling fluid in the fluid mechanism (Cs) is the direction from the higher side to the lower side of the stepped surface (Su) in the base (B), the base The thickest part of (B), that is, the part with the lowest cooling efficiency becomes the most upstream of the fluid flow path (Cr), and the cold wind acts on the contrary, and the thinnest part of the base (B), that is, the cooling. Since the portion with the highest efficiency is the most downstream of the fluid flow path (Cr) and the warm wind acts, the cooling efficiency for the entire element light source (U1, U2,...) Is made uniform, and therefore the element light source Effective cooling can be realized.
As a result, if the input power to each of the element light sources (U1, U2,...) Is the same, the temperatures of the light emitting elements of the element light sources (U1, U2,. It becomes possible to maintain an ideal state.
一方、前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の低い方から高い方へ向かう方向になるようにする場合は、前記基台(B)の最も薄い箇所、すなわち冷却効率が最も良い箇所が前記流体流路(Cr)の最も上流となって冷たい風が作用し、逆に前記基台(B)の最も厚い箇所、すなわち冷却効率が最も悪い箇所が前記流体流路(Cr)の最も下流となって暖かい風が作用するため、前記要素光源(U1,U2,…)の全体に対する冷却効率が不均一化され、したがって要素光源の効果的な冷却を実現することができる。
その結果、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれへの投入電力が同様であれば、前記基台(B)の最も厚い箇所に実装された前記要素光源(U1)の温度が最も高くなり、前記基台(B)の最も薄い箇所に実装された前記要素光源の温度が最も低くなって、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子の温度を、故意に不均等化することができる。
On the other hand, when the flow direction of the cooling fluid is the direction from the lower side to the higher side of the stepped surface (Su) of the base (B), the most of the base (B) The thin part, that is, the part with the best cooling efficiency is the most upstream of the fluid flow path (Cr), and the cold wind acts on the contrary. The thickest part of the base (B), that is, the part with the worst cooling efficiency. Is the most downstream of the fluid flow path (Cr) and the warm wind acts, so that the cooling efficiency of the entire element light source (U1, U2,...) Is made non-uniform, and therefore effective cooling of the element light source is achieved. Can be realized.
As a result, if the input power to each of the element light sources (U1, U2,...) Is the same, the temperature of the element light source (U1) mounted at the thickest part of the base (B) becomes the highest. The temperature of the element light source mounted at the thinnest part of the base (B) is lowest, and the temperature of the light emitting elements of the element light sources (U1, U2,...) Is intentionally made uneven. be able to.
多くの半導体レーザにおいては、発光波長が温度に依存する特徴があり、通常、この特徴は、欠点と見なされることが多いが、本発明においては、この特徴を有効に活用する。
前記要素光源(U1,U2,…)の発光素子が半導体レーザであるとして、このようにして発光素子の温度を不均等化して、特定の温度範囲に適当に分布させることにより、それらの発光波長を特定の範囲に分布させることとなり、前記した波長が僅かに相違する複数個のコヒーレント光源からの光束を混合した状態が実現されることになるため、スペックルノイズの低減に効果を発揮する。
In many semiconductor lasers, there is a characteristic that the emission wavelength depends on temperature, and this characteristic is usually regarded as a defect, but in the present invention, this characteristic is effectively used.
Assuming that the light emitting elements of the element light sources (U1, U2,...) Are semiconductor lasers, the temperatures of the light emitting elements are unevenly distributed in this manner and appropriately distributed in a specific temperature range, so that their emission wavelengths Is distributed in a specific range, and a state in which light beams from a plurality of coherent light sources having slightly different wavelengths are mixed is realized, which is effective in reducing speckle noise.
いま述べた流体機構の場合、冷却流体を、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高低差の何れの方向に流すにせよ、発光素子の安全な駆動のために前記要素光源(U1,U2,…)の総体が要求する必要流量を流さねばならず、流量を決めれば、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子の温度(正確には環境温度からの温度差)が決まってしまい、各発光素子に与える温度の分布範囲を与える自由度が不足している。 In the case of the fluid mechanism just described, whether the cooling fluid flows in any direction of the height difference of the stepped surface (Su) in the base (B), the element is used for safe driving of the light emitting element. The required flow rate required by the whole of the light sources (U1, U2,...) Must be flowed, and once the flow rate is determined, the temperature of each light emitting element of the element light sources (U1, U2,. (Temperature difference) is determined, and the degree of freedom for providing a temperature distribution range to each light emitting element is insufficient.
そこで、この自由度の不足を補うための冷却用流体機構の改良について、本発明の光源装置の一部を簡略化して示す模式図である図3を用いて説明する。
本図の(b)は、流体機構を、基台(B)の下側の面(Sc)が正面となる方向から見た図であり、(a)は、冷却流体が流れて来る、または流れて行く方向に沿って流体機構を見た図である。
なお、本図においては、前記面(Su)の上に載せられる前記要素光源(U1,U2,…)などの記載を省略してある。
Therefore, improvement of the cooling fluid mechanism for compensating for the lack of flexibility will be described with reference to FIG. 3 which is a schematic diagram showing a part of the light source device of the present invention in a simplified manner.
(B) of this figure is the figure which looked at the fluid mechanism from the direction in which the lower surface (Sc) of the base (B) is the front, and (a) is the flow of cooling fluid, or It is the figure which looked at the fluid mechanism along the direction which flows.
In addition, in this figure, description of the said element light sources (U1, U2, ...) etc. which are mounted on the said surface (Su) is abbreviate | omitted.
本図の光源装置は、第1の流体機構(Cs1)と第2の流体機構(Cs2)との、独立した2系統の流体機構を具備している。
前記第1の流体機構(Cs1)では、流体ガイド壁(Cg1,Cg2)によって規定される流体流路(Cr1)を、ファン(Cf1)によって駆動される冷却流体が流れ、前記第2の流体機構(Cs2)では、流体ガイド壁(Cg2,Cg3)によって規定される流体流路(Cr2)を、ファン(Cf2)によって駆動される冷却流体が流れるように構成してある。
因みに、前記基台(B)と前記流体流路(Cr1,Cr2)との熱的結合を高め、冷却効率を向上させるために、前記面(Sc)には、前記冷却流体が作用する表面積を増大させる突出構造(Cb)、すなわち放熱フィンを設けてある。
The light source device shown in the figure includes two independent fluid mechanisms, a first fluid mechanism (Cs1) and a second fluid mechanism (Cs2).
In the first fluid mechanism (Cs1), the cooling fluid driven by the fan (Cf1) flows through the fluid flow path (Cr1) defined by the fluid guide walls (Cg1, Cg2), and the second fluid mechanism In (Cs2), the fluid flow path (Cr2) defined by the fluid guide walls (Cg2, Cg3) is configured such that the cooling fluid driven by the fan (Cf2) flows.
Incidentally, in order to improve the thermal coupling between the base (B) and the fluid flow path (Cr1, Cr2) and improve the cooling efficiency, the surface (Sc) has a surface area on which the cooling fluid acts. A projecting structure (Cb) to be increased, that is, a radiation fin is provided.
そして、前記第1の流体機構(Cs1)が流す冷却流体の方向と、前記第2の流体機構(Cs2)が流す冷却流体の方向とが相違するように、例えば前記第1の流体機構(Cs1)では、前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高い方から低い方へ向かう方向となり、前記第2の流体機構(Cs2)では、前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の低い方から高い方へ向かう方向となるよう、前記ファン(Cf1,Cf2)の機能を設定する。 Then, for example, the first fluid mechanism (Cs1) is set so that the direction of the cooling fluid flowing through the first fluid mechanism (Cs1) is different from the direction of the cooling fluid flowing through the second fluid mechanism (Cs2). ), The flow direction of the cooling fluid is a direction from the higher side to the lower side of the stepped surface (Su) of the base (B), and the second fluid mechanism (Cs2) The functions of the fans (Cf1, Cf2) are set so that the fluid flow direction is a direction from the lower side to the higher side of the stepped surface (Su) of the base (B).
このように構成することにより、流体機構全体としての冷却能力は、前記第1と第2の流体機構(Cs1,Cs2)の冷却流体の流量の和によって規定され、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子の温度の分布は、前記第1と第2の流体機構(Cs1,Cs2)の冷却流体の流量のバランスによって規定されることになるため、前記した自由度の不足を補うことができる。 With this configuration, the cooling capacity of the entire fluid mechanism is defined by the sum of the flow rates of the cooling fluids of the first and second fluid mechanisms (Cs1, Cs2), and the element light sources (U1, U2, ...) Since the temperature distribution of each light emitting element is defined by the balance of the flow rate of the cooling fluid of the first and second fluid mechanisms (Cs1, Cs2), the above-described lack of freedom is compensated. be able to.
さらに、その時点での光源装置の状況に応じて、すなわちスペックルノイズ低減機能の必要の有無や、与えたい前記要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子の温度の分布範囲などに応じて、前記した流体機構の構成における、前記第1の流体機構(Cs1)が流す冷却流体の方向と流量と、前記第2の流体機構(Cs2)が流す冷却流体の方向と流量とを、それぞれ独立に、動的に制御可能とすることが好適である。
その際、前記第1の流体機構(Cs1)と前記第2の流体機構(Cs2)とを同じ方向に流すように制御することもできるし、前記第1の流体機構(Cs1)と前記第2の流体機構(Cs2)とを相違する方向に流すようにした上で、それぞれの流量の比率を多段階または実質連続的に設定するよう制御することもできる。
Further, according to the situation of the light source device at that time, that is, according to the necessity of the speckle noise reduction function, the distribution range of the temperature of the light emitting elements of each of the element light sources (U1, U2,...) The direction and flow rate of the cooling fluid flowing through the first fluid mechanism (Cs1) and the direction and flow rate of the cooling fluid flowing through the second fluid mechanism (Cs2) in the configuration of the fluid mechanism described above, respectively. Independently, it is preferable to enable dynamic control.
At that time, the first fluid mechanism (Cs1) and the second fluid mechanism (Cs2) can be controlled to flow in the same direction, or the first fluid mechanism (Cs1) and the second fluid mechanism (Cs1) can be controlled. It is also possible to control so that the ratio of the respective flow rates is set in multiple steps or substantially continuously after flowing in a direction different from that of the fluid mechanism (Cs2).
いまの場合、これらの動的な制御は、前記ファン(Cf1,Cf2)への投入電力を動的に制御することにより達成できる。
なお、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子の温度を測定できるよう、それぞれに温度センサを設けておき、各温度センサの検出温度値が所期の分布となるよう、前記ファン(Cf1,Cf2)への投入電力をフィードバック制御することがさらに好適である。
In this case, these dynamic controls can be achieved by dynamically controlling the input power to the fans (Cf1, Cf2).
In addition, a temperature sensor is provided for each of the element light sources (U1, U2,...) So that the temperature of each light emitting element can be measured, and the detected temperature value of each temperature sensor has an intended distribution. It is more preferable to feedback control the input power to (Cf1, Cf2).
図3に記載した前記突出構造(Cb)に関しては、前記流体機構が1系統のみである場合と複数系統ある場合の何れにおいても前記基台(B)の冷却のために有効に機能するが、これを設ける場合、前記突出構造(Cb)に起因する表面積の増大量が前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高低差の方向に依存して変化するようにしてもよい。
このとき、前記突出構造(Cb)に起因する表面積の増大量が、前記基台(B)の厚い箇所で大きく、薄い箇所で小さくなるようにすれば、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子の温度の分布範囲を狭くし、逆に、前記基台(B)の厚い箇所で小さく、薄い箇所で大きくなるようにすれば、前記要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子の温度の分布範囲を広くする効果があるため、得たい効果に従って前記突出構造(Cb)の形状を決めればよい。
また、前記流体機構が複数系統ある図3に記載したようなものの場合、前記第1の流体機構(Cs1)と前記第2の流体機構(Cs2)とで、前記突出構造(Cb)に起因する表面積の増大量が前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高低差の方向に依存して変化する際の変化の仕方が相違するようにしてもよい。
With respect to the protruding structure (Cb) described in FIG. 3, the fluid mechanism functions effectively for cooling the base (B) in both cases where there is only one system and when there are a plurality of systems. When this is provided, the amount of increase in surface area due to the protruding structure (Cb) may be changed depending on the direction of the level difference of the stepped surface (Su) in the base (B). .
At this time, if the increase in surface area due to the protruding structure (Cb) is large at the thick part of the base (B) and small at the thin part, the element light sources (U1, U2,...) Each element light source (U1, U2,...) Can be reduced by narrowing the temperature distribution range of each light emitting element, and conversely, by reducing the temperature at the thick part of the base (B) and increasing it at the thin part. Since there is an effect of widening the temperature distribution range of the light emitting element, the shape of the protruding structure (Cb) may be determined according to the effect to be obtained.
In the case where the fluid mechanism is as shown in FIG. 3 having a plurality of systems, the first fluid mechanism (Cs1) and the second fluid mechanism (Cs2) are caused by the protruding structure (Cb). You may make it the way of a change when the increase amount of a surface area changes depending on the direction of the height difference of the step-like surface (Su) in the said base (B).
ここまでに説明した本発明の光源装置の実施形態について、若干の補足を述べる。
前記要素光源(U1,U2,…)から放射された前記コヒーレント光束(F1,F2,…)それぞれが、無限遠の像を形成する平行光束の場合について、前記集光光学素子(Eg)に入力される前記コヒーレント光束(F1,F2,…)それぞれの主光線を、前記集光光学素子(Eg)の軸に対して平行になるようにすれば、前記集束光束(Fg)は、前記集光光学素子(Eg)の焦点に全ての光束が結像して前記高密度光照射領域(Ag)を形成するが、このようにした場合、該高密度光照射領域(Ag)のパワー密度が高くなり過ぎ、前記光ファイバ(Ef)の端面が破壊される可能性がある。
Some supplements will be described for the embodiments of the light source device of the present invention described so far.
When the coherent light beams (F1, F2,...) Emitted from the element light sources (U1, U2,...) Are parallel light beams that form an infinite image, they are input to the condensing optical element (Eg). If the principal rays of the coherent light beams (F1, F2,...) Are made parallel to the axis of the condensing optical element (Eg), the focused light beam (Fg) is condensed. All the light beams form an image at the focal point of the optical element (Eg) to form the high-density light irradiation region (Ag). In this case, the power density of the high-density light irradiation region (Ag) is high. Therefore, the end face of the optical fiber (Ef) may be broken.
そのようなときは、前記要素光源(U1,U2,…)から放射された前記コヒーレント光束(F1,F2,…)それぞれが、無限遠の像を形成する平行光束の場合であっても、前記集光光学素子(Eg)に入力される前記コヒーレント光束(F1,F2,…)それぞれの主光線が、前記集光光学素子(Eg)の軸上のある点に集束するようにすれば、この点は前記集光光学素子(Eg)の入射瞳となるから、前記集束光束(Fg)は、前記集光光学素子(Eg)の焦点より手前に射出瞳を作り、これを前記高密度光照射領域(Ag)として前記光ファイバ(Ef)のコア端面に形成すれば、前記した前記高密度光照射領域(Ag)のパワー密度が高くなり過ぎる問題を回避することができる。
あるいは、前記要素光源(U1,U2,…)から放射された前記コヒーレント光束(F1,F2,…)それぞれを、無限遠ではなく、遠方ではあるが有限の距離、例えば負の遠方の像を形成する、平行に近い発散光束になるように、前記要素光源(U1,U2,…)の前記コリメータ光学素子を調整した上で、前記集光光学素子(Eg)に入力される前記コヒーレント光束(F1,F2,…)それぞれの主光線を、前記集光光学素子(Eg)の軸に対して平行、すなわちテレセントリックになるようにすれば、前記集束光束(Fg)は、前記集光光学素子(Eg)の焦点に射出瞳を作り、これを前記高密度光照射領域(Ag)として前記光ファイバ(Ef)のコア端面に形成すれば、前記した前記高密度光照射領域(Ag)のパワー密度が高くなり過ぎる問題を回避することができる。
In such a case, even if each of the coherent light beams (F1, F2,...) Emitted from the element light sources (U1, U2,...) Is a parallel light beam forming an infinite image, If the principal rays of the coherent light beams (F1, F2,...) Input to the condensing optical element (Eg) are focused on a certain point on the axis of the condensing optical element (Eg), this Since the point is the entrance pupil of the condensing optical element (Eg), the focused light beam (Fg) forms an exit pupil before the focal point of the condensing optical element (Eg), and this is irradiated with the high-density light. If the region (Ag) is formed on the core end face of the optical fiber (Ef), the problem that the power density of the high-density light irradiation region (Ag) becomes too high can be avoided.
Alternatively, each of the coherent luminous fluxes (F1, F2,...) Emitted from the element light sources (U1, U2,...) Forms an image at a distance but a finite distance, for example, a negative distance, not infinity. After adjusting the collimator optical element of the element light source (U1, U2,...) So as to be a divergent light beam that is nearly parallel, the coherent light beam (F1) input to the condensing optical element (Eg) , F2,...) If the principal rays are parallel to the axis of the converging optical element (Eg), that is, telecentric, the focused light beam (Fg) is converted into the converging optical element (Eg). ) Is formed on the core end face of the optical fiber (Ef) as the high-density light irradiation region (Ag), and the power density of the high-density light irradiation region (Ag) is as follows. High It is possible to avoid the now too problem.
前記要素光源(U1,U2,…)の発光素子の種類について補足すると、前記した半導体レーザ以外でも、例えば半導体レーザの放射光を、高調波発生・光パラメトリック効果などのような非線形光学現象を利用して波長変換する光源などでもよい。
また、図1においては、前記反射鏡(R1,R2,…)はプリズム様に描かれているが、これは、必要な寸法精度をもってガラスで作成したプリズムの所定の面に、前記発光素子の波長に合わせた誘電体多層膜コーティングを施して高反射率面と成し、前記基台(B)に接着固定するものを想定しているが、例えば、回転やあおり角度を微調整できるミラーホルダに平面鏡を搭載した可動鏡を用いてもよい。
さらに、図2においては、前記フェルール(Eh)を介して、間接的に前記光ファイバ(Ef)を保持する前記光ファイバ保持体(Er)の例を記載したが、前記光ファイバ保持体(Er)としては、前記フェルール(Eh)を介さずに前記光ファイバ(Ef)自体を直接保持する構造としてもよい。
なお、前記光ファイバコネクタレセプタクルホルダ(He)は、前記集光光学素子(Eg)に対するホルダの機能を兼ねるものを描いてあるが、別のホルダを設けて保持するようにしても構わない。
また、前記流体機構(Cs)に関しては空冷式のものを用いる例を記載したが、例えば水冷式など、他の方式の流体機構による冷却方式でも構わない。
In addition to the types of light emitting elements of the element light sources (U1, U2,...), In addition to the semiconductor laser described above, for example, non-linear optical phenomena such as harmonic generation and optical parametric effects are used for the emitted light of the semiconductor laser. Then, a light source for wavelength conversion may be used.
Further, in FIG. 1, the reflecting mirrors (R1, R2,...) Are drawn like a prism, but this is performed on a predetermined surface of the prism made of glass with a required dimensional accuracy. It is assumed that a dielectric multi-layer coating corresponding to the wavelength is applied to form a high-reflectivity surface, and is adhesively fixed to the base (B). For example, a mirror holder that can finely adjust the rotation and tilt angle A movable mirror equipped with a plane mirror may be used.
Furthermore, in FIG. 2, although the example of the said optical fiber holder (Er) which hold | maintains the said optical fiber (Ef) indirectly through the said ferrule (Eh) was described, the said optical fiber holder (Er) was described. ) May be configured to directly hold the optical fiber (Ef) itself without passing through the ferrule (Eh).
In addition, although the said optical fiber connector receptacle holder (He) has drawn what has the function of the holder with respect to the said condensing optical element (Eg), you may make it provide and hold | maintain another holder.
Moreover, although the example which uses an air-cooling type about the said fluid mechanism (Cs) was described, the cooling method by other types of fluid mechanisms, such as a water cooling type, may be sufficient, for example.
前記要素光源(U1,U2,…)が載せられる前記面(Su)は階段状に形成される旨を述べたが、ここで言う階段状とは、その各段の面が単一の平面を成すものに限ることを意味するものではない。
例えば図1などにおいては、前記要素光源(U1)と前記反射鏡(R1)とは単一の平面を成す最上段に、また前記要素光源(U2)と前記反射鏡(R2)とは単一の平面を成す上から2番目の段に配置するように描いてあるが、例えば、前記反射鏡(R1,R2,…)は背の低いものとし、代わりにそれらが載せられる位置において前記面(Su)が台状に盛り上がっていることによって、前記反射鏡(R1,R2,…)の最上部の高さとして、必要な高さが実現されるようにし、結果として各段の面が単一の平面ではないように構成してもよい。
あるいは、前記要素光源(U1,U2,…)の裏面、すなわち前記要素光源(U1,U2,…)における前記面(Su)との接触面が単純平面であるように描いてあるが、前記要素光源(U1,U2,…)の裏面が、例えば凹凸を有するなど、複雑な形状の面である場合は、それらが載せられる位置において前記面(Su)が相補的形状(反対の形状)を呈していることによって、良好な熱的接触が実現されるようにし、結果として各段の面が単一の平面ではないように構成してもよい。
It has been described that the surface (Su) on which the element light sources (U1, U2,...) Are placed is formed in a staircase shape. Here, the staircase shape refers to the surface of each step having a single plane. It is not meant to be limited to what is made.
For example, in FIG. 1 and the like, the element light source (U1) and the reflecting mirror (R1) are on the uppermost stage forming a single plane, and the element light source (U2) and the reflecting mirror (R2) are single. The reflecting mirrors (R1, R2,...) Are assumed to be short, for example, and instead of the surface (the surface) at the position where they are placed, Su) is raised in a trapezoidal shape, so that the required height is realized as the height of the uppermost part of the reflecting mirrors (R1, R2,...). As a result, the surface of each step is single. You may comprise so that it may not be a plane.
Alternatively, the back surface of the element light source (U1, U2,...), That is, the contact surface with the surface (Su) in the element light source (U1, U2,...) Is drawn as a simple plane. When the back surface of the light source (U1, U2,...) Is a surface having a complicated shape, for example, having unevenness, the surface (Su) exhibits a complementary shape (opposite shape) at the position where they are placed. Therefore, good thermal contact may be realized, and as a result, the surface of each step may not be a single plane.
先に、前記流体機構(Cs)の前記冷却流体を作用させる対象を、前記基台(B)における前記要素光源(U1,U2,…)が載せられる面(Su)が上側になるように見たとき、前記基台(B)の下側の面(Sc)である旨を記載したが、この面とは、要素光源の効果的な冷却を行うとする本発明の趣旨から、前記面(Su)に対向する面、という言い方で規定しても構わない。
しかし、そのようにしなかった理由は、前記面(Su)が単一の面ではなく、複数の面から成る複雑な面であるため、対向する、という言葉が混乱を招く可能性を恐れたからである。
従って、回りくどい言い方をすれば、前記した前記流体機構(Cs)の前記冷却流体を作用させる対象は、前記面(Su)が有する階段状の構造や凹凸などの存在によって見えてくる局所的な面を無視した、総体として見たときの前記面(Su)に対向する面である、と言い換えることができる。
またこのとき、前記した本発明の趣旨から、対向する両面が、正確に平行な平面であることを規定しないことは当然である。
First, the object on which the cooling fluid of the fluid mechanism (Cs) acts is viewed so that the surface (Su) on the base (B) on which the element light sources (U1, U2,...) Are placed is on the upper side. In this case, the lower surface (Sc) of the base (B) has been described. However, this surface means that the surface ( You may prescribe | regulate by the phrase called the surface which opposes Su).
However, the reason for not doing so is because the surface (Su) is not a single surface but a complex surface composed of a plurality of surfaces, and feared that the word “facing” could cause confusion. is there.
Therefore, in other words, the target to which the cooling fluid of the fluid mechanism (Cs) acts is a local surface that is visible due to the stepped structure or irregularities of the surface (Su). In other words, it is a surface facing the surface (Su) when viewed as a whole.
Further, at this time, it is natural that the opposing surfaces are not defined to be exactly parallel planes from the purpose of the present invention.
以下のおいて本発明の光源装置の実施例について説明する。
図4は、本発明の光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す模式図である。
図1には、階段状の前記面(Su)の1段には前記要素光源(U1,U2,…)の1個を配置するものを記載したが、図4の光源装置の場合、最上段に要素光源(U1,U1’)を、上から2番目の段に要素光源(U2,U2’)を配置し、他の段についても同様に配置する様子を描いてある。
ただし、この場合の反射鏡(R1,R2,…)のそれぞれは、対向方向からのコヒーレント光束(F1,F1’)およびコヒーレント光束(F2,F2’)を、それぞれ集光光学素子(図示を省略)の方向に反射するよう、2面の反射面を備えているが、当然、これを1面の反射面を備えるもの2個に分割しても構わない。
したがって、階段状の前記面(Su)の各段につき、この配置方法で構成した場合は、図1のものの2倍の本数のコヒーレント光束を集光光学素子に入射することができる。
Examples of the light source device of the present invention will be described below.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a simplified form of a part of the embodiment of the light source device of the present invention.
FIG. 1 shows that one of the element light sources (U1, U2,...) Is arranged on one step of the stepped surface (Su), but in the case of the light source device of FIG. The element light sources (U1, U1 ′) are arranged on the second stage, the element light sources (U2, U2 ′) are arranged on the second stage from the top, and the other stages are similarly arranged.
However, in this case, each of the reflecting mirrors (R1, R2,...) Collects the coherent light beam (F1, F1 ′) and the coherent light beam (F2, F2 ′) from the opposing direction, respectively, and collects optical elements (not shown). ) Are provided so as to be reflected in the direction of), but naturally, this may be divided into two parts having one reflective surface.
Therefore, when each step of the stepped surface (Su) is configured by this arrangement method, twice as many coherent light beams as those in FIG. 1 can be incident on the condensing optical element.
一方、本発明の光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す模式図である図5に記載の光源装置は、図4に記載したような対向方向からではなく、同一方向に向くコヒーレント光束(F1,F1’,F1”)を放射する複数の要素光源(U1,U1’,U1”)を、1個の段に配置するものである。
本図は、階段状の前記面(Su)の最上段の配置例のみを示したが、上から2番目の段や、それ以降の段についても同様に配置すればよく、その際、各段毎に配置する要素光源の個数は同じでなくても構わない。
また、この配置方法と、図4に記載した配置方法とを組み合わせて、例えば前記要素光源(U1,U1’,U1”)それぞれに対して対向する要素光源を配置するように構成することもできる。
On the other hand, the light source device shown in FIG. 5, which is a schematic diagram showing a form of a part of a part of the embodiment of the light source device of the present invention, is not in the opposite direction as shown in FIG. 4 but in the same direction. A plurality of element light sources (U1, U1 ′, U1 ″) that emit coherent luminous fluxes (F1, F1 ′, F1 ″) that are directed are arranged in one stage.
This figure shows only the arrangement example of the uppermost step of the stepped surface (Su), but the second step from the top and subsequent steps may be arranged in the same manner. The number of element light sources arranged every time may not be the same.
Further, by combining this arrangement method and the arrangement method described in FIG. 4, for example, the element light sources facing each of the element light sources (U1, U1 ′, U1 ″) can be arranged. .
次に、本発明の光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す図である図6を用いて、本発明を実施するための形態について説明する。
本図の(a)は、前記要素光源(U1,U2,…)のうちの1個についてのその内部の構成例を示すもので、発光素子にコリメータ光学素子を装着するための組立て構造、(b)は、コリメータ(Ec)が固着されたレンズホルダ(Hz1,Hz2,…)が前記発光素子に装着された状態の様子、および前記発光素子がヒートシンク(Hs)に実装された様子を表し、例えば図5に記載の前記要素光源(U1,U1’,…)として用いることが可能な、複数個の要素光源を集積した集積光源の一部を示す。
Next, the form for implementing this invention is demonstrated using FIG. 6 which is a figure which simplifies and shows one form of the Example of the light source device of this invention.
(A) of this figure shows the internal structural example about one of the said element light sources (U1, U2, ...), The assembly structure for mounting | wearing a light emitting element with a collimator optical element, ( b) represents a state in which the lens holder (Hz1, Hz2,...) to which the collimator (Ec) is fixed is attached to the light emitting element, and a state in which the light emitting element is mounted on the heat sink (Hs). For example, a part of an integrated light source in which a plurality of element light sources can be used as the element light sources (U1, U1 ′,...) Shown in FIG.
本図の発光素子は、金属ケース部(My1,My2,…)と光透過窓部(図示を省略)とから構成される外囲器に覆われ、また通電用端子(TyA,TyB)を具備する、一般にキャン型と呼ばれる構造を有するものである。
前記発光素子の前記金属ケース部(My1,My2,…)の構造上の基準面(Pz1,Pz2,…)に対して垂直な方向に、遠方の像点を生成する光束が射出されるよう、前記コリメータ(Ec)を設置するために、例えば接着等の手段を用いて、先ずレンズマウント(Hz1’,Hz2’,…)に対して前記コリメータ(Ec)を固着しておき、次に、前記発光素子と固定されたレンズホルダ(Hz1,Hz2,…)に対して、例えば接着等の手段を用いて、前記レンズマウント(Hz1’,Hz2’,…)を固着することにより、前記レンズホルダ(Hz1,Hz2,…)への前記コリメータ(Ec)の固着を実現している。
すなわち、前記コリメータ(Ec)を前記レンズホルダ(Hz1,Hz2,…)に固着するに際し、直接固着するのではなく、間に前記レンズマウント(Hz1’,Hz2’,…)を介在させるものである。
The light-emitting element of this figure is covered with an envelope composed of metal case portions (My1, My2,...) And a light transmission window portion (not shown), and also includes energization terminals (TyA, TyB). In general, it has a structure called a can type.
In order to emit a light beam that generates a distant image point in a direction perpendicular to the structural reference plane (Pz1, Pz2,...) Of the metal case portion (My1, My2,...) Of the light emitting element. In order to install the collimator (Ec), the collimator (Ec) is first fixed to the lens mount (Hz1 ′, Hz2 ′,. The lens mount (Hz1 ′, Hz2 ′,...) Is fixed to the lens holder (Hz1, Hz2,...) Fixed to the light emitting element by means of, for example, adhesion. The collimator (Ec) is fixed to Hz1, Hz2,.
That is, when the collimator (Ec) is fixed to the lens holder (Hz1, Hz2,...), The lens mount (Hz1 ′, Hz2 ′,...) Is interposed between them instead of directly fixing. .
このような構造とすることにより、前記レンズマウント(Hz1’,Hz2’,…)に対して、偏芯が無いように前記コリメータ(Ec)を固着しておけば、前記発光素子と固定された前記レンズホルダ(Hz1,Hz2,…)に対して、前記発光素子に電流を流して発光させ、前記コリメータ(Ec)を通過した光束が、所定のコリメート状態(発光素子の活性領域に共役な像が所定の位置に結像する状態)になるよう光学観測を行いながら光軸方向の位置(およびそれに垂直な面内の位置)を所定位置に追い込み、前記レンズマウント(Hz1’,Hz2’,…)を前記レンズホルダ(Hz1,Hz2,…)に固着することができる。
なお、図6の(b)には、前記コリメータ(Ec)を固着するための接着剤ポッティング(HpA)、前記レンズマウント(Hz1’,Hz2’,…)を固着するための接着剤ポッティング(HpB)を記載してあるが、前記コリメータ(Ec)や前記レンズマウント(Hz1’,Hz2’,…)の周囲全部に施す必要は無く、周囲の2〜3箇所から数箇所でよい。
By adopting such a structure, if the collimator (Ec) is fixed to the lens mount (Hz1 ′, Hz2 ′,...) So that there is no eccentricity, it is fixed to the light emitting element. The lens holder (Hz1, Hz2,...) Is caused to emit light by causing a current to flow through the light emitting element, and a light beam that has passed through the collimator (Ec) is in a predetermined collimated state (an image conjugate with the active region of the light emitting element). While performing optical observation so that an image is formed at a predetermined position), a position in the optical axis direction (and a position in a plane perpendicular to the optical axis direction) is driven to a predetermined position, and the lens mount (Hz1 ′, Hz2 ′,... ) Can be fixed to the lens holder (Hz1, Hz2,...).
FIG. 6B shows an adhesive potting (HpA) for fixing the collimator (Ec) and an adhesive potting (HpB) for fixing the lens mounts (Hz1 ′, Hz2 ′,...). However, it is not necessary to apply to the entire periphery of the collimator (Ec) or the lens mount (Hz1 ′, Hz2 ′,...), And it may be from two to three places around the periphery.
以上のようにして前記要素光源(U1,U2,…)の個々のものを構成し、これらを共通の前記ヒートシンク(Hs)に集積して実装することにより、前記集積光源の1個を構成することができる。
なお、前記ヒートシンク(Hs)がアルミニウム等の金属材料から作られる場合、これと前記金属ケース部(My1,My2,…)の間に介在することになる前記レンズホルダ(Hz1,Hz2,…)が絶縁性部材である必要がある場合は、例えば熱伝導性の良いセラミックなどの材料により構成する。
As described above, each of the element light sources (U1, U2,...) Is configured, and these are integrated and mounted on the common heat sink (Hs), thereby configuring one of the integrated light sources. be able to.
When the heat sink (Hs) is made of a metal material such as aluminum, the lens holder (Hz1, Hz2,...) That is interposed between the heat sink (Hs) and the metal case (My1, My2,...) When it is necessary to be an insulating member, it is made of a material such as ceramic having good thermal conductivity.
本発明の光源装置における要素光源としては、図6に記載したディスクリート型の半導体レーザ光源の他に、半導体レーザアレイデバイスも使用可能であり、これについて、本発明の光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す概念図である図7を用いて説明する。
本図の(a)に示すように、半導体レーザアレイデバイス(LDA)の端面には半導体レーザ活性領域(As,As’,…)が一列に並んでおり、それぞれの前記半導体レーザ活性領域(As,As’,…)から発散光が放射される。
ディスクリート型であれ、アレイ型であれ、端面発行型の半導体レーザの放射光束の発散角は、回折現象の影響で大きくなり、また(半導体レーザの半導体チップの)基板面に垂直な方向の発散角は、周辺光線(Lms1A,Lms2A)に表されるように、特に大きい、すなわち、放射角度域を表す錐体の底面(CiA)が、円ではなく著しい楕円になるという特徴がある。
As the element light source in the light source device of the present invention, a semiconductor laser array device can be used in addition to the discrete type semiconductor laser light source shown in FIG. 6, and this is part of the embodiment of the light source device of the present invention. 7 will be described with reference to FIG. 7, which is a conceptual diagram showing a simplified form.
As shown in FIG. 4A, semiconductor laser active regions (As, As ′,...) Are arranged in a line on the end face of the semiconductor laser array device (LDA), and each of the semiconductor laser active regions (As , As ′,...) Emits divergent light.
Regardless of whether it is a discrete type or an array type, the divergence angle of the radiated light beam of an edge-emitting semiconductor laser increases due to the effect of diffraction, and the divergence angle in the direction perpendicular to the substrate surface (of the semiconductor chip of the semiconductor laser) As shown in the peripheral rays (Lms1A, Lms2A), there is a feature that the bottom surface (CiA) of the cone that is particularly large, that is, the radiation angle region, becomes a significant ellipse instead of a circle.
この放射光束を平行ビームに変換するために、コリメータレンズが使われるが、発散角の大きい基板面に垂直な方向の成分に合わせて、焦点距離の短いものを使う必要がある。
そのようなコリメータレンズを使っても、ディスクリート型の半導体レーザの場合は、ビームが扁平になることを厭わなければ、大きな問題は無いが、アレイ型の半導体レーザの場合、前記半導体レーザ活性領域(As,As’,…)の全ての放射光束を1個のコリメータレンズで平行ビームに変換しようとすると、焦点距離が短いが故に、前記半導体レーザ活性領域(As,As’,…)それぞれの主光線が、相互に大きな角度を持ってしまう問題が生じる。
A collimator lens is used to convert this radiated light beam into a parallel beam, but it is necessary to use a short focal length in accordance with a component in a direction perpendicular to the substrate surface having a large divergence angle.
Even if such a collimator lens is used, in the case of a discrete type semiconductor laser, there is no major problem as long as the beam is flat, but in the case of an array type semiconductor laser, the semiconductor laser active region ( When all the radiated light fluxes of As, As ′,... Are converted into parallel beams by one collimator lens, the main length of each of the semiconductor laser active regions (As, As ′,...) Is reduced because the focal length is short. The problem arises that the rays have a large angle with each other.
そのため、同図の(b)に示すような放射角度補正レンズアレイ(Ey)を使うことができる。
該放射角度補正レンズアレイ(Ey)は、前記半導体レーザ活性領域(As,As’,…)からの放射光束それぞれに対して、個別にコリメーションを行うもので、前記した基板面に垂直な方向の発散角が大きい問題を解決するため、前記放射角度補正レンズアレイ(Ey)の各屈折面は、球面ではなく、基板面に垂直な方向と平行な方向で曲率半径が異なる、例えばトーリック面に成型する。
これにより周辺光線(Lms1,Lms2)のように、基板面に並行な方向の発散角が減じれられると共に、それ以上に基板面に垂直な方向の発散角が減じれられ、理想的には、基板面に並行・垂直な方向の発散角を同程度にされる。
Therefore, it is possible to use a radiation angle correction lens array (Ey) as shown in FIG.
The radiation angle correction lens array (Ey) individually collimates each of the radiation beams from the semiconductor laser active region (As, As ′,...), And is in a direction perpendicular to the substrate surface. In order to solve the problem of a large divergence angle, each refracting surface of the radiation angle correcting lens array (Ey) is not a spherical surface but has a radius of curvature different in a direction parallel to a direction perpendicular to the substrate surface, for example, a toric surface. To do.
This reduces the divergence angle in the direction parallel to the substrate surface, as in the case of the peripheral rays (Lms1, Lms2), and further reduces the divergence angle in the direction perpendicular to the substrate surface. The divergence angle in the direction parallel to and perpendicular to the substrate surface is made the same level.
それぞれの半導体レーザ活性領域(As,As’,…)からの主光線(Lps)は互いに平行であるから、ビーム列はコンパクトであり、図7に記載の前記放射角度補正レンズアレイ(Ey)付きの前記半導体レーザアレイデバイス(LDA)は、図5に記載の前記要素光源(U1,U1’,…)を代替する集積光源として使用することが好適である。 Since the chief rays (Lps) from the respective semiconductor laser active regions (As, As ′,...) Are parallel to each other, the beam train is compact and includes the radiation angle correction lens array (Ey) shown in FIG. The semiconductor laser array device (LDA) is preferably used as an integrated light source that replaces the element light sources (U1, U1 ′,...) Shown in FIG.
なお、トーリック面を実現する代わりに、基板面に垂直な方向に曲率を有し、前記半導体レーザ活性領域(As,As’,…)に共通なシリンドリカルレンズと、基板面に並行な方向に曲率を有し、前記半導体レーザ活性領域(As,As’,…)のそれぞれに個別なシリンドリカルレンズの並びとを用意し、その組み合わせによっても、前記放射角度補正レンズアレイ(Ey)と同様の機能を実現することができる。 Instead of realizing the toric surface, a curvature in a direction perpendicular to the substrate surface, a cylindrical lens common to the semiconductor laser active region (As, As ′,...), And a curvature in a direction parallel to the substrate surface are provided. And an array of individual cylindrical lenses in each of the semiconductor laser active regions (As, As ′,...), And the function similar to that of the radiation angle correction lens array (Ey) can be achieved by the combination thereof. Can be realized.
次に、本発明の光源装置を搭載して構成した照明装置について、本発明の光源装置の実施例の一形態を簡略化して示す図である図8を用いて説明する。
本発明の照明装置の本体部は、本発明の光源装置(Uo)の要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子に給電する駆動回路(P1,P2,…)と、流体機構(Cs)のファン(Cf)を駆動する流体機構駆動制御回路(Uc)を具備するとともに、統合制御回路(図示を省略)を備えており、前記駆動回路(P1,P2,…)と前記流体機構駆動制御回路(Uc)とは、前記統合制御回路によって制御される。
また、光ファイバ(Ef)の一端は光ファイバコネクタプラグ(Ep)として構成し、それが光ファイバ保持体(Er)によって保持されるとともに、前記光ファイバ(Ef)の他端も光ファイバ保持体(Epw)として構成し、それが照射光学系(Uw)の光ファイバ保持体(Erw)によって保持される。
Next, an illuminating device constructed by mounting the light source device of the present invention will be described with reference to FIG. 8 which is a diagram showing a simplified form of one embodiment of the light source device of the present invention.
The main body of the illuminating device of the present invention includes a drive circuit (P1, P2,...) That supplies power to the light emitting elements of the element light sources (U1, U2,...) Of the light source device (Uo) of the present invention, and a fluid mechanism (Cs). ) And a fluid mechanism drive control circuit (Uc) for driving the fan (Cf), and an integrated control circuit (not shown). The drive circuit (P1, P2,...) And the fluid mechanism drive The control circuit (Uc) is controlled by the integrated control circuit.
One end of the optical fiber (Ef) is configured as an optical fiber connector plug (Ep), which is held by an optical fiber holder (Er), and the other end of the optical fiber (Ef) is also an optical fiber holder. (Epw), which is held by the optical fiber holder (Erw) of the irradiation optical system (Uw).
そして、前記要素光源(U1,U2,…)からの放射光は、前記した前記光ファイバ(Ef)の一端に入射され、前記光ファイバ(Ef)を伝播して前記した前記光ファイバ(Ef)の他端からの放射され、コリメータ(Ec)によって発散角の小さい照射光束(Fw)に変換された上で、対象物(Wk)に照射される。
なお、要素光源(U1,U2,…)それぞれの発光素子の種類は、その発光波長が、前記対象物(Wk)への光照射の目的に応じて最適な波長であるものを選択されている。
例えば加熱用であれば赤外、有機物の硬化用であれば紫外、感光用であれば感光材料の感度に適合した例えば可視波長のなかの適当なものが選ばれる。
The emitted light from the element light sources (U1, U2,...) Is incident on one end of the optical fiber (Ef), propagates through the optical fiber (Ef), and the optical fiber (Ef). Is irradiated from the other end of the laser beam, converted into an irradiation light beam (Fw) having a small divergence angle by a collimator (Ec), and then irradiated onto the object (Wk).
In addition, the kind of light emitting element of each of the element light sources (U1, U2,...) Is selected so that the light emission wavelength is an optimum wavelength according to the purpose of light irradiation to the object (Wk). .
For example, infrared is selected for heating, ultraviolet is used for curing organic materials, and ultraviolet is used for photosensitivity. For example, an appropriate material having a visible wavelength suitable for the sensitivity of the photosensitive material is selected.
前記統合制御回路は、照明装置の動作モードに従って前記ファン(Cf)の極性を決定する。
具体的には、動作モードが発光素子の均等冷却モードの場合は、前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高い方から低い方へ向かう方向の極性、動作モードがスペックルノイズ低減モードの場合は、前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の低い方から高い方へ向かう方向の極性とする。
また、要素光源(U1,U2,…)それぞれは温度センサ(図示を省略)を具備して、前記統合制御回路が各温度センサの検出温度値を取得できるように構成されており、前記統合制御回路は、全検出温度値のうちの最も高い値が所期の値となるよう、前記ファン(Cf)への投入電力を制御する。
The integrated control circuit determines the polarity of the fan (Cf) according to the operation mode of the lighting device.
Specifically, when the operation mode is the uniform cooling mode of the light emitting element, the flow direction of the cooling fluid is a direction from the higher side to the lower side of the stepped surface (Su) in the base (B). When the operation mode is the speckle noise reduction mode, the flow direction of the cooling fluid is a polarity in a direction from the lower side to the higher side of the stepped surface (Su) of the base (B). To do.
Each of the element light sources (U1, U2,...) Includes a temperature sensor (not shown) so that the integrated control circuit can acquire the detected temperature value of each temperature sensor. The circuit controls the input power to the fan (Cf) so that the highest value among all the detected temperature values becomes an intended value.
本発明の光源装置として、赤色を発するもの、緑色を発するもの、青色を発するものの3種類を用意し、R,G,B(赤,緑,青)の3原色を発する照明装置を構成し、これを用いて、例えばプロジェクタを実現することが可能である。
この場合、例えばR,G,Bそれぞれ毎に分けて光ファイバから光を出力し、ロッドインテグレータ等の光均一化手段を介してR,G,Bそれぞれの2次元光変調素子を照明し、2次元変調されて生成されたR,G,Bの各画像を重ね合わせ、投影レンズを介してスクリーンに画像を投影するように構成すればよい。
或いは、キセノン放電ランプや水銀ランプを光源とするプロジェクタの、光源以外の部分を利用して、前記したR,G,Bの3原色を発する照明装置からの光束を、放電ランプによる光束を代替する白色光束として入力し、プロジェクタを実現するようにしてもよい。
このようなプロジェクタへの応用の際は、前記した動作モードとして、前記スペックルノイズ低減モードを選択することが好適である。
As the light source device of the present invention, three types, one emitting red, one emitting green, and one emitting blue, are prepared, and an illumination device that emits three primary colors of R, G, B (red, green, blue) is configured. Using this, for example, a projector can be realized.
In this case, for example, light is output from the optical fiber separately for each of R, G, and B, and each of the two-dimensional light modulation elements of R, G, and B is illuminated via a light uniformizing means such as a rod integrator. What is necessary is just to comprise so that each image of R, G, B produced | generated by dimension modulation may be superimposed, and an image may be projected on a screen via a projection lens.
Alternatively, by using a portion other than the light source of a projector using a xenon discharge lamp or a mercury lamp as a light source, the light flux from the illumination device emitting the three primary colors R, G, and B is substituted for the light flux by the discharge lamp. The projector may be realized by inputting as a white light beam.
In application to such a projector, it is preferable to select the speckle noise reduction mode as the operation mode described above.
本発明は、プロジェクタ等の光学装置のための光源や、製造プロセスにおける光照射処理工程における露光装置のための光源として利用することが好適な、半導体レーザ等の固体光源の放射光を、光ファイバを介して利用する光源装置であって、簡単な流体機構を用いて光源装置を構成する複数の要素光源それぞれに所望の冷却を施すことが可能な光源装置を設計・製造する産業において利用可能である。 The present invention relates to a light source for a solid-state light source such as a semiconductor laser, which is preferably used as a light source for an optical device such as a projector or a light source for an exposure device in a light irradiation process in a manufacturing process. The light source device can be used in an industry that designs and manufactures a light source device that can provide desired cooling to each of a plurality of element light sources constituting the light source device using a simple fluid mechanism. is there.
Ag 高密度光照射領域
As 半導体レーザ活性領域
As’ 半導体レーザ活性領域
B 基台
Cb 突出構造
Cf ファン
Cf1 ファン
Cf2 ファン
Cg1 流体ガイド壁
Cg2 流体ガイド壁
Cg3 流体ガイド壁
CiA 底面
Cr 流体流路
Cr1 流体流路
Cr2 流体流路
Cs 流体機構
Cs1 流体機構
Cs2 流体機構
D1 矢印
D2 矢印
Ec コリメータ
Ef 光ファイバ
Eg 集光光学素子
Eh フェルール
Ehn 固定ナット
Ep 光ファイバコネクタプラグ
Epw 光ファイバ保持体
Er 光ファイバ保持体
Erw 光ファイバ保持体
Es 保護被覆
Ey 放射角度補正レンズアレイ
F1 コヒーレント光束
F1’ コヒーレント光束
F1” コヒーレント光束
F2 コヒーレント光束
F2’ コヒーレント光束
Fg 集束光束
Fw 照射光束
He 光ファイバコネクタレセプタクルホルダ
HpA 接着剤ポッティング
HpB 接着剤ポッティング
Hs ヒートシンク
Hz1 レンズホルダ
Hz1’ レンズマウント
Hz2 レンズホルダ
Hz2’ レンズマウント
LDA 半導体レーザアレイデバイス
Lms1 周辺光線
Lms1A 周辺光線
Lms2 周辺光線
Lms2A 周辺光線
Lps 主光線
My1 金属ケース部
My2 金属ケース部
P1 駆動回路
P2 駆動回路
Pz1 基準面
Pz2 基準面
R1 反射鏡
R2 反射鏡
Sc 面
Su 面
TyA 通電用端子
TyB 通電用端子
U1 要素光源
U1’ 要素光源
U1” 要素光源
U2 要素光源
U2’ 要素光源
Uc 流体機構駆動制御回路
Uo 光源装置
Uw 照射光学系
Wk 対象物
Ag High-density light irradiation region As Semiconductor laser active region As ′ Semiconductor laser active region B Base Cb Projection structure Cf Fan Cf1 Fan Cf2 Fan Cg1 Fluid guide wall Cg2 Fluid guide wall Cg3 Fluid guide wall CiA Bottom surface Cr Fluid channel Cr1 Fluid flow Path Cr2 Fluid channel Cs Fluid mechanism Cs1 Fluid mechanism Cs2 Fluid mechanism D1 Arrow D2 Arrow Ec Collimator Ef Optical fiber Eg Condensing optical element Eh Ferrule Ehn Fixed nut Ep Optical fiber connector plug Epw Optical fiber holder Er Optical fiber holder Erw Light Fiber holder Es Protective coating Ey Radiation angle correction lens array F1 Coherent light beam F1 ′ Coherent light beam F1 ”Coherent light beam F2 Coherent light beam F2 ′ Coherent light beam Fg Focused light beam Fw Irradiation light beam He Optical fiber connector receptacle Tackle holder HpA Adhesive potting HpB Adhesive potting Hs Heat sink Hz1 Lens holder Hz1 ′ Lens mount Hz2 Lens holder Hz2 ′ Lens mount LDA Semiconductor laser array device Lms1 Peripheral light Lms1A Peripheral light Lms2 Peripheral light Lms2A Peripheral light Lps Main light My1 Metal case part My2 Metal Case P1 Drive Circuit P2 Drive Circuit Pz1 Reference Surface Pz2 Reference Surface R1 Reflector R2 Reflector Sc Surface Su Surface TyA Energizing Terminal TyB Energizing Terminal U1 Element Light Source U1 'Element Light Source U1 "Element Light Source U2 Element Light Source U2' Element Light source Uc Fluid mechanism drive control circuit Uo Light source device Uw Irradiation optical system Wk Object
Claims (7)
前記要素光源(U1,U2,…)のそれぞれ毎に対応が定められ、対応する前記要素光源(U1,U2,…)からの前記コヒーレント光束(F1,F2,…)のみを反射することにより、前記コヒーレント光束(F1,F2,…)相互の間隔を短縮するための反射鏡(R1,R2,…)と、
該反射鏡(R1,R2,…)で反射された前記コヒーレント光束(F1,F2,…)が入射され、入射された光束を集束光束(Fg)に変換して高密度光照射領域(Ag)を形成するための集光光学素子(Eg)と、
前記高密度光照射領域(Ag)の近傍にコアの端面が位置するように光ファイバ(Ef)を保持するための光ファイバ保持体(Er)と、
前記要素光源(U1,U2,…)および前記反射鏡(R1,R2,…)、前記集光光学素子(Eg)、前記光ファイバ保持体(Er)が載せられて、それらを固定するとともに前記要素光源(U1,U2,…)を冷却するための放熱体を兼ねる基台(B)と、
該基台(B)を冷却するための冷却流体を流す流体機構(Cs)と、
を具備する光源装置であって、
前記基台(B)における前記要素光源(U1,U2,…)が載せられる面(Su)が上側になるように見たとき、該面(Su)は階段状に形成されて前記要素光源(U1,U2,…)のそれぞれは前記面(Su)の段の何れかに載せられ、
前記流体機構(Cs)の前記冷却流体が、前記基台(B)の下側の面(Sc)に作用するように流体流路(Cr)が設けられ、かつ前記冷却流体の流れ方向が、前記基台(B)における階段状の前記面(Su)の高低差の方向であることを特徴とする光源装置。 A plurality of element light sources (U1, U2,...) That emit coherent light beams (F1, F2,...) That form a distant image;
Correspondence is determined for each of the element light sources (U1, U2,...), And only the coherent light beams (F1, F2,...) From the corresponding element light sources (U1, U2,...) Are reflected, Reflectors (R1, R2,...) For shortening the interval between the coherent light beams (F1, F2,...);
The coherent light beams (F1, F2,...) Reflected by the reflecting mirrors (R1, R2,...) Are incident, and the incident light beams are converted into a focused light beam (Fg) to be irradiated with a high-density light irradiation region (Ag). A condensing optical element (Eg) for forming
An optical fiber holder (Er) for holding the optical fiber (Ef) so that the end face of the core is positioned in the vicinity of the high-density light irradiation region (Ag);
The element light sources (U1, U2,...) And the reflecting mirrors (R1, R2,...), The condensing optical element (Eg), and the optical fiber holder (Er) are placed on the optical fiber holder (Er) and fixed thereon. A base (B) that also serves as a heat radiator for cooling the element light sources (U1, U2,...);
A fluid mechanism (Cs) for flowing a cooling fluid for cooling the base (B);
A light source device comprising:
When the surface (Su) on which the element light sources (U1, U2,...) Of the base (B) are placed is viewed as an upper side, the surface (Su) is formed in a step shape and the element light sources ( Each of U1, U2,...) Is placed on one of the steps of the surface (Su),
A fluid flow path (Cr) is provided so that the cooling fluid of the fluid mechanism (Cs) acts on the lower surface (Sc) of the base (B), and the flow direction of the cooling fluid is: A light source device characterized by being in a direction of a difference in height of the stepped surface (Su) in the base (B).
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