JP2016119135A

JP2016119135A - 発光装置

Info

Publication number: JP2016119135A
Application number: JP2014258679A
Authority: JP
Inventors: 俊宏菊池; Toshihiro Kikuchi; 博史亀田; Hiroshi Kameda
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-06-30

Abstract

【課題】複数の光源から出射されたレーザー光を所定の直径以下のスポットに集光することができ、これにより単位面積当たりの光強度を高める。【解決手段】複数のレーザー光源を有する光源部と、光源部から入射した光を集光する集光光学系と、を備え、複数のレーザー光源は、それぞれの光軸の延長線が、集光光学系側に進むほど集光光学系の光軸から遠ざかるように傾いて配置されている。複数のレーザー光源のすべての光軸の延長線は、集光光学系の光軸の延長線上で交差する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のレーザー光源を有する発光装置に関する。

特許文献１は、複数の半導体レーザー素子から出射した発散光をコリメータレンズによって平行光化し、この平行光を集光レンズで集光するレーザーモジュールを開示している。特許文献２は、複数のレーザーダイオードから射出された光をコリメートレンズで平行光とし、この平行光を集光レンズによって光ファイバへ集光させる半導体レーザー装置を開示している。

特開２００６−６６８７５号公報特開２０１３−２５１３９４号公報

缶状の金属にレーザーダイオードを挿入してパッケージとした、いわゆるＣＡＮレーザーにおいては、ハイパワー化のために複数のレーザーダイオードを挿入した形態が採用されつつある。しかしながら、従来のＣＡＮレーザーでは、特許文献１のレーザーモジュールや特許文献２の半導体レーザー装置のように、複数の半導体レーザー素子やレーザーダイオードの光軸を集光レンズの光軸に平行に配置しているため、これらの光源から出射したレーザー光を集光レンズによって集光しても、スポットが複数になってしまったり、スポットが１つであっても直径が大きく十分に絞られていないために小さな照射対象に所望の高い強度の光を与えることが難しかった。

そこで本発明は、複数の光源から出射されたレーザー光を所定の直径以下のスポットに集光することができ、これにより単位面積当たりの光強度を高めることのできる発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の発光装置は、複数のレーザー光源を有する光源部と、光源部から入射した光を集光する集光光学系と、を備え、複数のレーザー光源は、それぞれの光軸の延長線が、集光光学系側に進むほど集光光学系の光軸から遠ざかるように傾いて配置されていることを特徴としている。

このように、集光光学系に対して複数のレーザー光源を傾斜して配置することにより、集光光学系から出射する複数の収束光を重ねて小さなスポットに集光できるため、単位面積当たりの光強度の大きな光を得ることができる。

本発明の発光装置において、複数のレーザー光源のすべての光軸の延長線は、集光光学系の光軸の延長線上で交差することが好ましい。

これにより、複数のレーザー光源からの出射光が所定の角度で集光光学系に入射するようになるため、複数の収束光が重なって形成されるスポットが、より小さく、より円形に近づくため、さらに光強度を高めることができる。

本発明の発光装置において、集光光学系は単独の集光レンズで形成してもよいし、複数のレンズを組み合わせて構成してもよい。複数のレンズを組み合わせる場合には、例えば、レーザー光源からの出射光を平行光とするコリメートレンズと、コリメートレンズからの出射光を集光する集光レンズとからなることが好ましい。

本発明によると、複数の光源から出射されたレーザー光を所定の直径以下のスポットに集光することができるため、これにより単位面積当たりの光強度を高めることが可能な発光装置を提供することができる。

第１実施形態に係る発光装置の構成を示す平面図である。（Ａ）は図１に示す発光装置の光源部の構成を示す正面図、（Ｂ）は光源部の変形例１の構成を示す正面図である。（Ａ）は発光装置の変形例２の要部構成を示す平面図、（Ｂ）は図３（Ａ）に示す変形例２の光源部の構成を示す正面図である。実施例１に係る発光装置についてのシミュレーションモデルを示す図である。比較例に係る発光装置についてのシミュレーションモデルを示す図である。（Ａ）は図４に示すモデルの位置Ｐ１１におけるシミュレーション結果を示す図、（Ｂ）は図４に示すモデルの位置Ｐ１２におけるシミュレーション結果を示す図、（Ｃ）は図４に示すモデルの位置Ｐ１３におけるシミュレーション結果を示す図である。（Ａ）は図５に示すモデルの位置Ｐ２１におけるシミュレーション結果を示す図、（Ｂ）は図５に示すモデルの位置Ｐ２２におけるシミュレーション結果を示す図、（Ｃ）は図５に示すモデルの位置Ｐ２３におけるシミュレーション結果を示す図である。第２実施形態に係る発光装置の構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る発光装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る発光装置１０の構成を示す平面図である。図２（Ａ）は発光装置１０の光源部２０の構成を示す正面図である。各図には、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。Ｘ１−Ｘ２方向は集光レンズ３０の光軸３０ｃに沿った方向であり、Ｙ−Ｚ面はＸ１−Ｘ２方向と直交する面である。

図１に示すように、発光装置１０は、光源部２０と、集光光学系としての集光レンズ３０とを備える。図１に示す例では集光レンズ３０を両凸正レンズとしているが正の屈折力を有していればこれ以外の形状のレンズであってもよい。また、単独のレンズに限定されず、複数のレンズを組み合わせて集光性能を持たせた光学系としてもよい。

光源部２０においては、ステム２１に対して、レーザー光源としての２つのレーザーダイオード２２、２３が接合されている。ステム２１には、さらに、レーザーダイオード２２、２３の駆動のための半導体チップ（不図示）と、この半導体チップを支持するリードフレーム（不図示）とが配置され、リードフレームに接続された複数の端子２４がステム２１をＸ２方向へ貫通して外部へ延びている。ステム２１には、リードフレーム、半導体チップ、及びレーザーダイオード２２、２３を覆うように、中空で金属製のキャップ２５が固定されている。キャップ２５内には樹脂が充填され、これによりレーザーダイオード２２、２３の位置が固定される。

図１と図２に示すように、レーザーダイオード２２、２３においては、キャップ２５の表面（Ｘ１方向の先端面）に出射面２２ｅ、２３ｅが配置されている。また、レーザーダイオード２２、２３は、それぞれの光軸２２ｃ、２３ｃの延長線が、集光レンズ３０側に進むほど集光レンズ３０の光軸３０ｃから遠ざかるように傾いて配置されている。より具体的には、図１に示すように、レーザーダイオード２２の光軸２２ｃは、集光レンズ３０の光軸３０ｃに対してＹ１方向側へ角度θ傾いており、レーザーダイオード２３の光軸２３ｃは集光レンズ３０の光軸３０ｃに対してＹ２方向側へ角度θ傾いている。ここで角度θは０より大きな角度である。さらに、レーザーダイオード２２、２３の光軸２２ｃ、２３ｃは、集光レンズ３０の光軸３０ｃの延長線上の点Ｃ１で交差している。以上の構成によって、光源部２０は、複数のレーザー光源を有するＣＡＮレーザーを形成している。

発光装置１０においては、レーザーダイオード２２、２３から、発散角を有するレーザー光２２ａ、２３ａが集光レンズ３０側へそれぞれ出射される。このレーザー光２２ａ、２３ａは、集光レンズ３０から収束光３２ａ、３３ａとしてそれぞれ出射する。これらの収束光３２ａ、３３ａは、図１に示すように、集光位置ＰＣにおいて光束が重なって微小なスポットとなり、その後結像位置ＰＩにおいてそれぞれ結像する。したがって、集光位置ＰＣにおいて、２つの光束が重なって光強度が高まった微小な径のスポットが形成されるため、この位置においては単位面積当たりの光強度を高め、ハイパワー化することが可能となる。ここで、集光位置ＰＣにおいて形成されるスポットの光強度は、レーザーダイオード２２、２３のそれぞれから出射されたレーザー光の約２倍である。また、集光位置ＰＣは、集光レンズ３０の後側焦点位置ＰＦよりも後側、すなわち像側の焦点よりもＸ１方向に進んだ位置にある。

これに対して、レーザーダイオード２２、２３からのレーザー光の出射角度θが０である場合、すなわちレーザーダイオード２２、２３から、集光レンズ３０の光軸３０ｃに平行にレーザー光をそれぞれ出射する場合は、後側焦点位置ＰＦよりも後側で光束が重なってスポットが形成されることはない。また、この場合には、後側焦点位置ＰＦよりも手前で２つの光束の一部が重なることはあるが、この位置での光束はスポット状にはなっておらず、光束が重なっている部分とそうでない部分があるため単位面積当たりの光強度にムラがあり、単位面積における光強度の最大値は単独のレーザー光を用いた場合に対して１〜１．５倍程度である。

ここで、第１実施形態の変形例について説明する。
図２（Ｂ）は光源部の変形例１の構成を示す正面図である。光源部において３つ以上のレーザー光源を配置する場合、例えば図２（Ｂ）に示すように、集光レンズ３０の光軸３０ｃを中心とする円１２０ｃ上に光軸が載るように、レーザー光源としてのレーザーダイオード１２２、１２３、１２４、１２５を配置するとよい。この場合、レーザーダイオード１２２、１２３、１２４、１２５のそれぞれの光軸は、図１に示す場合と同様に、集光レンズ３０の光軸３０ｃに対して角度θをなしており、光軸３０ｃの延長線上で交差している。この構成によれば、図１に示す発光装置１０と同様に、レーザーダイオード１２２、１２３、１２４、１２５のそれぞれから出射されたレーザー光は、集光レンズ３０で集光され、集光レンズ３０から出射した収束光は、集光位置において光束が重なって微小なスポットとなる。

図３（Ａ）は発光装置の変形例２の要部構成を示す平面図、（Ｂ）は図３（Ａ）に示す変形例２の光源部の構成を示す正面図である。図３（Ａ）においては、ステム２１、端子２４、キャップ２５の図示を省略している。光源部において３つ以上のレーザー光源を配置する場合、図２（Ｂ）に示すように集光レンズ３０の光軸３０ｃを中心として配置するほか、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように光軸３０ｃに垂直な方向（図３（Ａ）、（Ｂ）ではＹ１−Ｙ２方向）に沿って、レーザーダイオード２２２、２２３、２２４、２２５を配置することもできる。この変形例２では、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、レーザーダイオード２２２、２２３とレーザーダイオード２２４、２２５は、集光レンズ３０の光軸３０ｃに関して対称に配置されている。したがって、レーザーダイオード２２３、２２４の光軸２２３ｃ、２２４ｃと集光レンズ３０の光軸３０ｃとがそれぞれなす角度はα（α＞０）で同一であり、レーザーダイオード２２２、２２５の光軸２２２ｃ、２２５ｃと集光レンズ３０の光軸３０ｃとがそれぞれなす角度はβ（β＞０）で同一である。また、レーザーダイオード２２２、２２３、２２４、２２５の光軸は、集光レンズ３０の光軸３０ｃの延長線上の点Ｃ２で交差する。この構成によれば、図１に示す発光装置１０と同様に、レーザーダイオード２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれから出射されたレーザー光は、集光レンズ３０で集光され、集光レンズ３０から出射した収束光は、集光位置において光束が重なって微小なスポットとなる。

次に、第１実施形態の実施例について説明する。
図４は、第１実施形態の実施例１に係る発光装置についてのシミュレーションモデルを示す図であり、図５は、比較例に係る発光装置についてのシミュレーションモデルを示す図である。図４と図５は、図１の集光レンズ３０に対応するレンズＬと、２つのレーザーダイオードから出射された光が左側から右側へ進行する光路とを示している。図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図４に示す実施例１のモデルの位置Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３におけるシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図５に示す比較例のモデルの位置Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３におけるシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。ここで、図４の位置Ｐ１１と図５の位置Ｐ２１は、図１における後側焦点位置ＰＦに対応し、図４の位置Ｐ１２と図５の位置Ｐ２２は、図１における集光位置ＰＣに対応し、図４の位置Ｐ１３と図５の位置Ｐ２３は、図１における結像位置ＰＩに対応する。

図４に示す実施例１では、以下の条件で２つのレーザーダイオードから光Ｂ１１、Ｂ１２が出射されている。図５に示す比較例では、２つのレーザーダイオードから光Ｂ２１、Ｂ２２が出射されており、レーザーダイオードの光軸がレンズＬの光軸と平行である点を除いて、実施例１と同じ条件でシミュレーションを行っている。なお、レーザーダイオードの出力は実施例１、比較例ともに１Ｗ（ワット）である。

（実施例１）
＜レンズＬの特性＞
焦点距離：１．６５ｍｍ
前面ｒ１（光源側面）の曲率半径Ｒ：２．１
後面ｒ２（像側面）の曲率半径Ｒ：１．８
レンズ厚：２．５ｍｍ
開口径：直径３．６ｍｍ
レーザーダイオードの出射面〜レンズＬの前面ｒ１までの距離：２．２ｍｍ
レンズＬの後面ｒ２〜結像位置Ｐ１３までの距離：２．３ｍｍ
＜レーザーダイオードの特性＞
レーザーダイオードの出射面〜レンズＬの前面ｒ１までの距離：２．２ｍｍ
発光角度：レンズＬの光軸Ｌｃに対して±１５度
発散角：レーザーダイオードの光軸を中心として±１０度
レンズＬの後面ｒ２〜集光位置Ｐ１２までの距離：１．８ｍｍ
このシミュレーションにより、以下の結果が得られた。

実施例１では、図６（Ｂ）に示すように集光位置Ｐ１２で単一のスポットが形成され、このスポット径が０．２ｍｍ、単位面積当たりの光強度の最大値（以下Ｅｍａｘとする）は１７０００Ｗ／ｃｍ^２であった。一方、図６（Ａ）に示す後側焦点位置Ｐ１１における２つの光束のＥｍａｘは９００Ｗ／ｃｍ^２であった。

これに対して、比較例では、図７（Ｂ）に示すように集光位置Ｐ２２では単一のスポットは形成されず、集光位置Ｐ２２における２つの光束のＥｍａｘは８０００Ｗ／ｃｍ^２であった。また、図７（Ａ）に示す後側焦点位置Ｐ２１における光束のＥｍａｘは１８００Ｗ／ｃｍ^２であった。

以上の結果より、２つのレーザーダイオードの出射方向をレンズＬの光軸Ｌｃと平行にした比較例と比べて、２つのレーザーダイオードの出射方向を互いに開くようにした実施例１では、集光位置Ｐ１２において光束が重なって小さなスポットとなり、かつ、光強度が高くなっている。この光強度は、比較例の後側焦点位置Ｐ２１における光強度よりも高くなっている。

以上のように構成されたことから、上記実施形態及び変形例によれば、次の効果を奏する。

（１）集光レンズ３０に対して複数のレーザーダイオードを傾斜して配置することにより、集光レンズ３０から出射する複数の収束光を重ねて小さなスポットに集光できるため、単位面積当たりの光強度の大きな光を得ることができる。

（２）複数のレーザーダイオードを、そのすべての光軸の延長線が集光レンズ３０の光軸３０ｃの延長線上で交差するように配置したことにより、複数のレーザーダイオードからの出射光が所定の角度で集光レンズ３０に入射するようになるため、複数の収束光が重なって形成されるスポットが、より小さく、より円形に近づくため、さらに光強度を高めることができる。

＜第２実施形態＞
つづいて、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態においては、集光光学系がコリメートレンズと集光レンズからなる点が第１実施形態と異なる。その他の構成は第１実施形態と同様であって、同じ部材については同じ参照符号を使用する。

図８は、第２実施形態に係る発光装置３１０の構成を示す平面図である。図８に示すように、発光装置３１０は、第１実施形態と同様の光源部２０と、集光レンズ３３１と、２つのコリメートレンズ３３２、３３３とを備える。集光レンズ３３１と、２つのコリメートレンズ３３２、３３３とは集光光学系３３０を構成する。集光レンズ３３１は、第１実施形態の集光レンズ３０と同様に両凸正レンズとしている。

コリメートレンズ３３２は、その光軸３３２ｃがレーザーダイオード２２の光軸２２ｃ上にあるように、レーザーダイオード２２と集光レンズ３３１の間に配置されている。これにより、レーザーダイオード２２から出射されたレーザー光はコリメートレンズ３３２で平行光３３２ａとされて集光レンズ３３１へ入射し、収束光３４２ａとして集光レンズ３３１から出射する。

また、コリメートレンズ３３３は、その光軸３３３ｃがレーザーダイオード２３の光軸２３ｃ上にあるように、レーザーダイオード２３と集光レンズ３３１の間に配置されている。これにより、レーザーダイオード２３から出射されたレーザー光はコリメートレンズ３３３で平行光３３３ａとされて集光レンズ３３１へ入射し、収束光３４３ａとして集光レンズ３３１から出射する。

集光レンズ３３１から出射する収束光３４２ａ、３４３ａは、図８に示すように、集光位置ＰＣにおいて光束が重なって微小なスポットとなり、その後結像位置ＰＩにおいてそれぞれ結像する。このため、集光位置ＰＣにおいて、２つの光束が重なって光強度が高まった微小な径のスポットが形成されるため、この位置においては単位面積当たりの光強度を高めることが可能となる。また、コリメートレンズ３３２、３３３を用いてレーザーダイオード２２、２３からの出射光を平行光化することにより、集光レンズ３３１のレンズ設計を容易にするとともに、集光位置ＰＣで形成されるスポットの形状をより精密に設計することが可能となる。
なお、その他の構成、作用、効果、変形例は第１実施形態と同様である。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る発光装置は、集光位置において光強度の高いスポット光束を得ることが可能であるため、光加工や照明に有用である。

１０発光装置
２０光源部
２２、２３レーザーダイオード（レーザー光源）
２２ａ、２３ａレーザー光
２２ｃ、２３ｃ光軸
２２ｅ、２３ｅ出射面
３０集光レンズ（集光光学系）
３０ｃ光軸
３２ａ、３３ａ収束光
１２２、１２３、１２４、１２５レーザーダイオード（レーザー光源）
２２２、２２３、２２４、２２５レーザーダイオード（レーザー光源）
２２２ｃ、２２３ｃ、２２４ｃ、２２５ｃ光軸
３１０発光装置
３３０集光光学系
３３１集光レンズ
３３２、３３３コリメートレンズ
３３２ｃ、３３３ｃ光軸
３４２ａ、３４３ａ収束光
Ｌレンズ
Ｐ１１、Ｐ２１、ＰＦ後側焦点位置
Ｐ１２、Ｐ２２、ＰＣ集光位置
Ｐ１３、Ｐ２３、ＰＩ結像位置
ｒ１前面
ｒ２後面

Claims

複数のレーザー光源を有する光源部と、
前記光源部から入射した光を集光する集光光学系と、
を備え、
前記複数のレーザー光源は、それぞれの光軸の延長線が、前記集光光学系側に進むほど前記集光光学系の光軸から遠ざかるように傾いて配置されている
ことを特徴とする発光装置。
前記複数のレーザー光源のすべての光軸の延長線は、前記集光光学系の光軸の延長線上で交差する
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記集光光学系は単独の集光レンズからなる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
前記集光光学系は、前記レーザー光源からの出射光を平行光とするコリメートレンズと、前記コリメートレンズからの出射光を集光する集光レンズとからなる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。