JP2017152677A - Light source unit, light source module, and laser ignition device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源ユニット、光源モジュール、レーザ点火装置に関する。 The present invention relates to a light source unit, a light source module, and a laser ignition device.
光が入射もしくは出射される光学素子を用いる際に、当該光学素子への光の利用効率を向上するために、複数のレンズを光学素子に対向して配置した光源ユニットが知られている(例えば特許文献1、2等参照)。
こうした光源ユニットに用いられるレンズアレイは、光学素子と、レンズアレイを構成するレンズとの位置がずれてしまうと、光の利用効率が悪化するため、特に外部からの熱によって温度が高い場所での使用には適していなかった。
When using an optical element that receives or emits light, a light source unit in which a plurality of lenses are arranged to face the optical element is known in order to improve the efficiency of using light to the optical element (for example, (See
In the lens array used in such a light source unit, if the position of the optical element and the lens constituting the lens array shifts, the light use efficiency deteriorates. Therefore, particularly in a place where the temperature is high due to heat from the outside. Not suitable for use.
本発明は、環境温度の高い場所においても精度の低下を抑制する光源ユニットの提供を目的とする。 An object of this invention is to provide the light source unit which suppresses a fall of precision also in the place where environmental temperature is high.
前記課題を解決するための手段として本発明の光源ユニットは、複数のレンズが2次元的に配置されたレンズアレイと、複数の発光部を支持する素子基板部とを備えた光源ユニットであって、前記レンズアレイは、前記レンズを保持するレンズ基板部を有し、前記レンズ基板部は、前記素子基板部と線膨張係数が略同一である。 As a means for solving the above problems, a light source unit of the present invention is a light source unit including a lens array in which a plurality of lenses are two-dimensionally arranged and an element substrate portion that supports the plurality of light emitting portions. The lens array includes a lens substrate portion that holds the lens, and the lens substrate portion has a linear expansion coefficient substantially the same as that of the element substrate portion.
本発明によれば、環境温度の高い場所においても精度の低下を抑制する。 According to the present invention, a decrease in accuracy is suppressed even in a place where the environmental temperature is high.
本発明にかかる第1の実施形態として、図1A、図1Bにレーザー点火装置たるレーザ点火プラグ100を用いたレーザ点火システム500を示す。
レーザ点火システム500は、燃焼室700に向けてレーザ光Lを集光して入射させることで点火するレーザ点火プラグ100と、レーザ点火プラグ100を駆動するための駆動装置400と、駆動装置400を制御するための制御装置300と、を有している。
レーザ点火システム500は、図1中の上下動によって燃焼室700の体積を周期的に変化させるピストン701と、ピストン701とピストンリング702を介して当接して燃焼室700を構成するシリンダ703と、を有している。
レーザ点火システム500は、燃焼室700に燃料を供給するための吸気弁及び吸気ポートと、燃焼室700から燃焼後の燃料を排出するための排気弁及び排気ポートと、を有している。
燃焼室700は、一例としてエンジン等の内燃機関の燃焼室である。なお、かかる構成のうち、内燃機関として既知の構成については、説明を省略する。
As a first embodiment according to the present invention, FIGS. 1A and 1B show a
The
The
The
レーザ点火プラグ100は、図1Bに示すように、レーザ光Lを射出するための光源ユニットたるレーザ光源ユニット10と、レーザ光源ユニット10から出射されたレーザ光Lを集光する集光光学系20と、光伝送路30と、光増幅部40と、を有している。
レーザ点火プラグ100は、光増幅部40によって増幅されたレーザ光Lを燃焼室700内の集光位置Pに集光するための集光レンズ50と、集光レンズ50と燃焼室700との間に設けられた出射窓60と、を有している。
かかるレーザ点火プラグ100は、光源から出射されたレーザ光Lを集光位置Pに集光するための光学系とを備えた光源モジュールとしての機能を有している。
As shown in FIG. 1B, the
The
The
駆動装置400は、本実施形態ではレーザ光源ユニット10を駆動するためのLDドライバであり、制御装置300からの指示に基づいてレーザ光源ユニット10を駆動してレーザ光Lを射出する。
The
レーザ光源ユニット10は、図2に示すように、Z方向にレーザ光Lを出射する単素子としての発光部21と、複数の発光部21が平面上に並べて一体に配置された素子基板部たるレーザ基板部22と、を有している。レーザ基板部22と発光部21とは一体に形成され、VCSEL素子、言い換えると面発光レーザ素子を構成して、光源としての機能を有している。
レーザ光源ユニット10は、レーザ基板部22に対向して配置され、レーザ基板部22と固定部24によって結着されたレンズアレイ23を有している。
すなわちレーザ光源ユニット10は、本実施形態において面発光レーザ素子とマイクロレンズアレイとを備える光源ユニットである。
なお、以降の説明において、レーザ光Lが射出される方向をZ方向、Z方向に垂直な方向のうち、図2の紙面に垂直な方向をY方向、Z方向とY方向とに垂直な方向をX方向とする。
As shown in FIG. 2, the laser
The laser
That is, the laser
In the following description, the direction in which the laser beam L is emitted is the Z direction, and among the directions perpendicular to the Z direction, the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2 is the Y direction, and the direction perpendicular to the Z direction and the Y direction. Is the X direction.
レンズアレイ23は、発光部21のそれぞれに1対1で対向して設けられたレンズ25と、レンズ25を保持するために設けられたレンズ基板部26と、を有している。
レンズアレイ23は、レンズ25の最表層すなわち−Z方向側の表面に形成された第1反射防止層27と、レンズ25とレンズ基板部26との間に形成された第2反射防止層28と、レンズ基板部26の出射側の面に形成された第3反射防止層29とを有している。
なお、本実施形態では第1反射防止層27と、第2反射防止層28と第3反射防止層29とを有する構成について述べるが、かかる構成に限定されるものではない。第1反射防止層27と第2反射防止層28と第3反射防止層29とは、3つすべてを形成する必要はなく、このうちの何れか1つ、あるいは2つでも良いし、すべて無くとも良い。
The
The
In the present embodiment, a configuration including the
発光部21は、φ9のGaAs製のレーザ基板部22の+Z側の面に一体に備えられ、垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)を構成する。
レーザ基板部22は、絶対温度300K(約27℃)における線膨張係数が6.86×10−6 /KのGaAs基板である。
The
The
レンズ基板部26は、レーザ光Lを透過するガラス製のレンズ基板である。
レンズ基板部26は、レーザ光源ユニット10の使用される環境温度である−30℃〜+70℃の温度範囲の間での平均熱線膨張係数が、レーザ基板部22の線膨張係数と合うように、すなわち6.8〜6.9×10−6/Kの範囲に収まることが望ましい。
かかる線膨張係数を満たすガラス材料としては、例えば、N−BAF52(SCHOTT製)、S―BAH11、S―BAH32、S―NBH53(何れもオハラ製)、BACD18、TAFD30、TAFD33、TAFD37、LAC7、M−LAC130(何れもHOYA製)が挙げられる。
The
The
Examples of glass materials satisfying such a linear expansion coefficient include N-BAF52 (manufactured by SCHOTT), S-BAH11, S-BAH32, S-NBH53 (all manufactured by OHARA), BACD18, TAFD30, TAFD33, TAFD37, LAC7, M -LAC130 (all are made by HOYA).
レンズ25は、本実施形態では−Z方向に凸の、正のパワーを有する合成石英ガラス製のレンズである。かかる合成石英ガラスは、線膨張係数0.47×10−6/Kである。
なお、レンズ25の材料としては、合成石英ガラス以外にも、ネオセラムN−0(日本電子硝子製)、TEMPAX Florat(登録商標、SCHOTT製)などの硼珪酸ガラスのようなガラス材料を用いても良い。
また、互いに隣合うレンズ25は、微小間隔dだけ離れて配置されている。すなわち、複数のレンズ25は、互いに分離した態様で配置されている。
In this embodiment, the
In addition to the synthetic quartz glass, the
Further, the
レンズ25は、当該レンズ25のレンズ光軸Oが、対向する発光部21の出射するレーザ光(図2では特にレーザ光L1と表記)の光軸中心と一致するように配置されている。また、レンズ25の焦点は、面発光レーザ21の発光点に合うように、基板間距離z1を調整して配置されている。
すなわち、レンズ25は、光源の光軸に一致するように対向して配置されている。
レンズアレイ23は、かかる構成により、対向する発光部21から出射されるレーザ光L1を平行光として出射する。
That is, the
固定部24は、レンズ基板部26とレーザ基板部22とを結着するための紫外線硬化樹脂である。
The
第1反射防止層27は、レーザ光Lがレンズ25に入射する際の表面反射光を抑制するための反射防止膜である。なお、第1反射防止層27は、複数の層が重なり合って形成された多層膜であっても良い。かかる反射防止膜としては、例えば誘電体多層膜や、MgF2薄膜が挙げられる。
The
かかる反射防止膜の効果についてさらに詳しく述べる。
屈折率の異なる2つの物質の界面では、透過する光の一部が反射する。また一般には、2つの物質の間の屈折率の差が大きい程、反射する光の量は多くなる傾向が知られている。
ここで、レンズ25へと入射するレーザ光Lが反射されると、レンズアレイ23を透過する光量は、反射量に応じて当然少なくなり、消費電力の増加や発光部21の寿命低下が生じる。
また、反射光が発光部21へと再度入射してしまうと、レーザ発振が不安定になって、レーザ光源ユニット10からの出力が安定しないという問題も考えられる。
The effect of such an antireflection film will be described in more detail.
At the interface between two materials having different refractive indexes, a part of the transmitted light is reflected. In general, it is known that the amount of reflected light tends to increase as the difference in refractive index between two substances increases.
Here, when the laser light L incident on the
Further, if the reflected light is incident on the
そこで、本実施形態では、レンズ25の−Z側の表面に、空気の屈折率(約1.0)とレンズ25を構成する合成石英ガラスの屈折率(波長にも拠るが約1.5)との中間程度の屈折率を有する第1反射防止層27が形成されている。
レンズアレイ23は、かかる構成により、入射したレーザ光Lが発光部21へと反射してしまうことを抑制して、光の利用効率を向上する。なお、ここでは第1反射防止層27の屈折率を調整することで反射光を抑制するとしたが、反射光を抑制する目的において、第1反射防止層27の材質などは特に限定されるものではない。
Therefore, in this embodiment, the refractive index of air (about 1.0) and the refractive index of the synthetic quartz glass constituting the lens 25 (about 1.5 depending on the wavelength) are formed on the surface of the
With this configuration, the
第2反射防止層28は、レンズ25とレンズアレイ23との界面における反射光を抑制するための反射防止膜である。第2反射防止層28は、レンズ25を構成する材料とレンズ基板部26を構成する材料との中間程度の屈折率をもつ酸化アルミニウム(Al2O3)を用いることが望ましいが、第1反射防止層27において挙げた材料を用いても良い。
また、第1反射防止層27と、第2反射防止層28との成膜方法については、特に限定されるものではないが、電子ビーム蒸着などが用いられる。
レンズアレイ23は、かかる構成により、入射したレーザ光Lが発光部21へと反射してしまうことをさらに抑制する。
なお、第3反射防止層29の構成は第1反射防止層27、第2反射防止層28と同様であるため説明を省略する。
The
Further, the film formation method of the
With this configuration, the
Note that the configuration of the
集光光学系20は、レーザ光源ユニット10から出射された光を集光して、光伝送路30へ向けて出射する集光レンズである。集光光学系20は、少なくとも1つのレンズを用いて形成された集光光学系であれば良く、その構成は特に限定されない。
The condensing
光伝送路30は、図3に示すように、入射口30aに入射した光を出射口30bへと伝送する光ファイバ31と、出射口30bからの光を平行光へと変化させるコリメートレンズ32と、を有している。光伝送路30は、コリメートレンズ32によって平行光となったレーザ光Lを集光して光増幅部40へと入射させる集光レンズ33を有している。
なお、本実施形態では、光伝送路30が光ファイバ、コリメートレンズ、集光レンズを組み合わせることで構成される光学系であるとしたが、集光光学系20からのレーザ光Lを光増幅部40へと入射させる構成であれば良い。
As shown in FIG. 3, the
In the present embodiment, the
光増幅部40は、レーザ光Lを励起光として入射されることで内部のレーザ媒質41と可飽和吸収体42とがQスイッチレーザ発振器として働いて利得の大きいパルスレーザL’を射出するQスイッチレーザ共振器である。
光増幅部40は、図4に示すように、レーザ媒質41と、可飽和吸収体42と、−Z方向端部に形成された第1誘電体多層膜43と、+Z方向端部に形成された第2誘電体多層膜44と、を有している。
光増幅部40は、レーザ媒質41と可飽和吸収体42とが接合され、一体に形成されたコンポジット結晶であり、入射側にレーザ媒質41が、出射側に可飽和吸収体42が、それぞれ配置されている。
レーザ媒質41の入射側、すなわち図4における−Z方向側の端部と、可飽和吸収体42の+Z方向側の端部と、は光学研磨され、さらに第1誘電体多層膜43と第2誘電体多層膜44とがそれぞれ成膜されている。
かかる構成により、光増幅部40の±Z方向の両端部は、内部で励起されたパルスレーザL’を対向して反射するミラー面としての機能を有している。
The
As shown in FIG. 4, the
The
The incident side of the
With this configuration, both end portions in the ± Z direction of the
レーザ媒質41は、Ndが1.1%ドープされたNd:YAG結晶である。
可飽和吸収体42は、Cr:YAG結晶であり、初期透過率は30%程度である。
第1誘電体多層膜43は、レーザ光Lの波長に対して高い透過性を示し、レーザ媒質41の射出するパルスレーザL’の波長1064nmに対しては高い反射率を示すコーティングである。
また、第2誘電体多層膜44は、波長1064nmのパルスレーザL’に対して30〜80%の反射率を示すコーティングである。
このように±Z方向の両端に異なる誘電体多層膜を成膜する構成により、光増幅部40は、より効率よく内部で励起されたパルスレーザL’を対向して反射する。
The
The
The first
The second
As described above, the configuration in which different dielectric multilayer films are formed at both ends in the ± Z directions causes the
レーザ光Lは、レーザ媒質41に入射するとともに励起して、反転状態を作り出す。
可飽和吸収体42は、受動的Qスイッチとしての機能を有している。すなわち、パルスレーザL’の光量が所定値未満の時には吸収体としてはたらき、所定値以上になったときにパルスレーザL’を出射光として透過する。
かかる構成により、光増幅部40内に入射したレーザ光Lは、共振して増幅されたパルスレーザL’として出射される。
The laser light L enters the
The
With this configuration, the laser beam L incident into the
光増幅部40から出射されたパルスレーザL’は、集光レンズ50によって照射位置Pへ向けて集光されて燃焼室700の内部で混合気に点火する。
The pulse laser L ′ emitted from the
ところで、かかるレーザ点火プラグ100において、混合気への点火を効率よく行うために、発光部21あたりの出力の向上が求められている。
しかしながら、発光部21の出力の向上は、レーザ光源ユニット10から発生する熱の増大を招いてしまうという問題があった。
また、本実施形態のようにレーザ点火プラグ100は内燃機関の燃焼室700近傍に配置されることが多く、外部からの熱による環境温度の変化も大きい。
Incidentally, in such a
However, the improvement in the output of the
Further, as in the present embodiment, the
従来例として図7に示すレーザ光源70のように、レンズアレイ73とレンズ75とが一体形成された構成を考える。
かかる構成のレーザ光源70を環境温度の高い状態で使用すると、図8に示すように、レンズアレイ73と、レーザ基板72との間の線膨張係数の差によって、レンズ75のレンズ光軸Oと、レーザ光L1の光軸中心との間にずれが生じるおそれがある。
具体的に、GaAs基板であるレーザ基板72の大きさ、形状をφ9mmの円形とし、環境温度が20℃から50℃まで変化したとして、レーザ基板72の+X方向外周部での変位量ΔL72を求める。なお、以下の説明においては、簡単のため特に部材の変位量ΔLを示すときには、かかる部材の番号を下付文字で付番することとする。
As a conventional example, a configuration in which a
When the
Specifically, assuming that the size and shape of the
同様に、合成石英ガラスの線膨張係数は4×10−7(/K)であるから、レンズアレイ73の熱膨張の変位量ΔL73は数式2で表される。 Similarly, since the linear expansion coefficient of synthetic quartz glass is 4 × 10 −7 (/ K), the amount of thermal expansion displacement ΔL 73 of the lens array 73 is expressed by Equation 2.
このように、環境温度が30℃上昇すると、外周部において面発光レーザ素子71とレンズアレイ73との間で約0.9μm程のずれが生じてしまう。
このようなずれによってレンズ75のレンズ光軸とレーザ光L1の光軸中心とが一致しなくなると、図8に一点鎖線で模式的に示すように、レンズ75によるコリメート状態を維持できずに、集光光学系20の焦点に集まるレーザ光Lの一部が発散する。
かかる集光点のずれの一例を、わかりやすくなるように誇張して示したのが図9の実線と破線とで示した図である。このように、レンズ光軸と発光点とのずれによって、レーザ光Lが集光光学系20の焦点において集光されづらくなる。
言い換えると、レーザ光源70から出射されるレーザ光Lの利用効率が低下してしまう。かかる利用効率の低下は、言い換えると光増幅部40における励起光の光量低下につながり、パルスレーザL’を安定して放射することが困難になってしまう。
Thus, when the environmental temperature rises by 30 ° C., a deviation of about 0.9 μm occurs between the surface emitting laser element 71 and the
When the center of the optical axis of the lens optical axis and the laser beam L 1 in the
An example of such a deviation of the condensing point is shown exaggerated so as to be easily understood by the solid line and the broken line in FIG. As described above, the laser light L is not easily condensed at the focal point of the condensing
In other words, the utilization efficiency of the laser light L emitted from the
また、単にレンズアレイ73をレーザ基板72の線膨張係数に合うような材質とするだけでは、選択可能なレンズアレイ73の屈折率に制限がかかることとなり、レーザ光源70を設計する上での大きな制約となってしまう問題がある。さらに、屈折率の良い光学用途に用いられるガラス材料の多くは、ドライエッチングによる加工性が悪く、精度のよいマイクロレンズの作成が難しい。
Further, if the
そこで、本実施形態では、レンズアレイ23は、レンズ25を保持し、レーザ基板部22と線膨張係数が略同一のレンズ基板部26を有している。
なお、ここで線膨張係数が「略同一」とは、レンズアレイ23の用いられる環境温度の範囲内において、熱膨張によって生じうる変位量ΔL23と変位量ΔL22との差が、レンズ25の有効径と比べて十分に小さいといえる程度に同一であることをいう。 かかる構成により、レンズ25のレンズ光軸Oと発光部21の光軸中心とのずれを抑制して、レーザ光Lのコリメート状態が維持される。
かかる構成により、レーザ光源ユニット10は、環境温度の高い場所においても光の利用効率の低下を抑制するから、精度の低下が抑制される。
Therefore, in the present embodiment, the
Here, the “linear expansion coefficient” is “substantially the same” means that the difference between the displacement amount ΔL 23 and the displacement amount ΔL 22 that can be caused by thermal expansion is within the range of the environmental temperature in which the
With this configuration, the laser
具体的には、レンズ基板部26の線膨張係数をαlens、レーザ基板部22の線膨張係数αbase、レンズ基板部26の中心Cと中心Cから最も離れたレンズ25との距離L、環境温度の温度差ΔT、レンズ25の光軸ズレの公差Δdとしたとき、式(1)を満たしている。
例えばL=4.5[mm]、ΔT=30[K]、Δd=0.1[μm]の設計をした場合、レーザ基板部22がGaAs基板であるなら、αbase=6.86×10−6[/K]であるから、6.12≦αlens≦7.60[×10−6/K]の範囲内に収めることが望ましい。
線膨張係数αlensは、光軸ズレの公差Δdが大きくなるほど取れる値の範囲が広がり、Δd=0.5μmのとき3.16≦αlens≦10.56[×10−6/K]、Δd=0.8μmのとき0.93≦αlens≦12.78[×10−6/K]である。
Specifically, the linear expansion coefficient of the
For example, when designing L = 4.5 [mm], ΔT = 30 [K], and Δd = 0.1 [μm], if the
The range of values that the linear expansion coefficient α lens can take increases as the tolerance Δd of the optical axis deviation increases. When Δd = 0.5 μm, 3.16 ≦ α lens ≦ 10.56 [× 10 −6 / K], Δd = 0.93 ≦ α lens ≦ 12.78 [× 10 −6 / K] when = 0.8 μm.
他方、線膨張係数αlensは、使用する環境温度の温度差ΔTが増加するほど取れる値の範囲が狭くなり、ΔT=50[K]のとき6.42≦αlens≦7.30[×10−6/K]である。同様に、ΔT=100[K]のとき、6.64≦αlens≦7.08[×10−6/K]である。また、距離LはVCSEL素子のサイズに依存して決まるが、L=9mmのときは6.49≦αlens≦7.23[×10−6/K]、L=18mmのときは6.67≦αlens≦7.05[×10−6/K]、となるように、レーザ基板部22のサイズが大きいほど選択可能な線膨張係数の幅は狭くなる。
On the other hand, the linear expansion coefficient α lens has a narrower range of values as the temperature difference ΔT of the ambient temperature used increases, and when ΔT = 50 [K], 6.42 ≦ α lens ≦ 7.30 [× 10]. −6 / K]. Similarly, when ΔT = 100 [K], 6.64 ≦ α lens ≦ 7.08 [× 10 −6 / K]. The distance L is determined depending on the size of the VCSEL element. When L = 9 mm, 6.49 ≦ α lens ≦ 7.23 [× 10 −6 / K], and when L = 18 mm, 6.67. ≦ α lens ≦ 7.05 [× 10 −6 / K] The width of the selectable linear expansion coefficient becomes narrower as the size of the
またレーザ基板からGaAs基板を除去し、熱伝導率の良い金属やセラミックス製の基板上に張り付けてレーザ基板部22とする構成では、かかる金属やセラミックスの線膨張係数をαbaseとして用いてレンズ基板部26の線膨張係数を決定すれば良い。
例えば、窒化アルミニウム基板に張り合わせた場合には、αbase=4.6[×10−6/K]とし、銅の基板に張り合わせた場合にはαbase=16.8[×10−6/K]とする。
この場合には、上述したL=4.5[mm]、ΔT=30[K]、Δd=0.1[μm]の構成において、αbase=4.6[×10−6/K]のとき3.86≦αlens≦5.34[×10−6/K]の範囲であることが望ましい。同様に、αbase=16.8[×10−6/K]のとき16.1≦αlens≦17.5[×10−6/K]の範囲であることが望ましい。
Further, in the configuration in which the GaAs substrate is removed from the laser substrate and is pasted on a metal or ceramic substrate having a good thermal conductivity to form the
For example, when bonded to an aluminum nitride substrate, α base = 4.6 [× 10 −6 / K], and when bonded to a copper substrate, α base = 16.8 [× 10 −6 / K]. ]
In this case, in the configuration of L = 4.5 [mm], ΔT = 30 [K], and Δd = 0.1 [μm] described above, α base = 4.6 [× 10 −6 / K]. In some cases, it is desirable that the range is 3.86 ≦ α lens ≦ 5.34 [× 10 −6 / K]. Similarly, when α base = 16.8 [× 10 −6 / K], the range of 16.1 ≦ α lens ≦ 17.5 [× 10 −6 / K] is desirable.
ところで、図10に示すように、かりにレンズアレイ73がレンズ75とガラス基板部76とを有するとしても、レンズ75を互いに隣接して設けた場合には、レンズ75とガラス基板部76との線膨張係数の差が大きいときには、反りやクラックが生じる虞がある。
このような不具合を防ぐために、線膨張係数の差によって環境温度の変化で生じる変形量z2の差がレンズ基板部の厚さに対して十分大きいときには、互いに隣り合うレンズ同士を微小間隔dだけ離れて配置させることが望ましい。
この微小間隔dだけ離間した部分は、レンズ基板部26において複数のレンズ25が微小間隔dだけ離間した境界領域である。
言い換えると、境界領域とは、互いに隣り合うレンズ25の変曲点Rの間の領域を示し、レンズアレイ23のうち曲率を有しない領域を示している。
かかる境界領域を設けることにより、レンズアレイ23の変位がレンズ25の材質によらず、環境温度の高い場所における光の利用効率の低下を抑制する。
By the way, as shown in FIG. 10, even if the
In order to prevent such a problem, when the difference in deformation amount z2 caused by the change in the environmental temperature due to the difference in linear expansion coefficient is sufficiently large with respect to the thickness of the lens substrate portion, the adjacent lenses are separated from each other by a minute distance d. It is desirable to arrange them.
The portion separated by the minute interval d is a boundary region where the plurality of
In other words, the boundary region indicates a region between the inflection points R of the
By providing such a boundary region, the displacement of the
本実施形態では、レンズ25は、互いに離間した態様でレンズアレイ23に保持されている。
かかる構成により、レンズアレイ23の熱膨張によって生じる変位量が、レンズ25の材質によらないので、レンズ25に用いる材質を自由に選択しながらも、環境温度の高い場所における光の利用効率の低下を抑制して、精度の低下が抑制される。
In the present embodiment, the
With this configuration, the amount of displacement caused by the thermal expansion of the
また、本実施形態では、レンズアレイ23は、レンズ25の線膨張係数とは異なる線膨張係数のレンズ基板部26を有する。
かかる構成により、レンズ25に用いる材質を自由に選択しながらも、環境温度の高い場所における光の利用効率の低下を抑制する。
In the present embodiment, the
With this configuration, the material used for the
また、本実施形態では、レンズアレイ23は、レンズ25の−Z方向側の最表面に形成された第1反射防止層27を有している。
かかる構成により、入射したレーザ光Lが発光部21へと反射してしまうことを抑制して、光の利用効率を向上する。
また、本実施形態では、レンズ25とレンズ基板部26との間に形成された第2反射防止層28を有している。
かかる構成により、入射したレーザ光Lが発光部21へと反射してしまうことをさらに抑制して、光の利用効率を向上する。
In this embodiment, the
With this configuration, the incident laser light L is prevented from being reflected to the
In the present embodiment, the
With this configuration, the incident laser light L is further prevented from being reflected to the
かかるレンズアレイ23の製造方法について述べる。
図5(a)に示すように、まずレンズ基板部26を構成する材料となるN−BAF52製の基板86上に第2反射防止層28と合成石英ガラス88とを層状に形成する(図6のステップS101)。
合成石英ガラス88上には、フォトリソグラフィー法によって円形または多角形の感光性樹脂89のパターンが形成される(ステップS102)。
表面に形成された感光性樹脂89を加熱すると、感光性樹脂89は、図5(b)に示すように、熱による変形が進み、表面張力にしたがって半球状あるいは−Z方向側に凸の曲面が形成される(ステップS103)。
かかるステップS103は、感光性樹脂89によってマスクパターンを形成するマスク形成工程である。マスク形成工程において、合成石英ガラス88の表面には、感光性樹脂89によって製造されるレンズ25の形状を模してマイクロレンズパターンが形成される。
なお、かかるマスク形成工程において、感光性樹脂89によって形成されたレンズ形状の下端から上端までの高さ、言い換えると感光性樹脂89の層厚は、合成石英ガラス88の層の厚みと同程度であることが望ましい。
A method for manufacturing the
As shown in FIG. 5A, first, the
On the
When the
Step S103 is a mask forming process for forming a mask pattern with the
In this mask formation step, the height from the lower end to the upper end of the lens shape formed by the
次に、感光性樹脂をエッチングするための酸素ガスと、合成石英ガラスをエッチングするためのフロン系ガスとを混合したエッチングガスを用いて、ECRプラズマエッチングやRIEエッチング等のエッチング処理を行う(ステップS104)。
ステップS104のエッチング工程において、図5(c)に示すように、感光性樹脂89と合成石英ガラス88とは、合成石英ガラス88上に感光性樹脂89の形状が転写された状態でエッチングされる。
Next, an etching process such as ECR plasma etching or RIE etching is performed using an etching gas obtained by mixing an oxygen gas for etching the photosensitive resin and a chlorofluorocarbon-based gas for etching the synthetic quartz glass (step S104).
In the etching process of step S104, as shown in FIG. 5C, the
感光性樹脂89がなくなるまでエッチング工程を進めると、合成石英ガラス88に感光性樹脂89の形状が転写されて、図5(d)に示すようにレンズ25が形成される。
本実施形態では、感光性樹脂89の層厚と合成石英ガラス88の層厚とが同程度であり、またそのエッチング速度も同程度であるから、感光性樹脂89が無くなったとき、合成石英ガラス88は互いに離間した態様のレンズ25を形成する。また、第2反射防止層28は、各レンズ25の間を埋めるように形成されていても良い。
なお、このとき、エッチングガスによってエッチングされない、またはされ難いような基板86の材料を選択すれば、感光性樹脂89の層厚が、合成石英ガラス88の層厚と異なっていた場合にも、レンズ25が互いに離間した態様で形成される。
また同様に、エッチングガスの混合比を変えるなどの方法によって、層厚に合わせてエッチング速度を制御しても良い。
When the etching process is advanced until the
In this embodiment, the layer thickness of the
At this time, if the material of the
Similarly, the etching rate may be controlled in accordance with the layer thickness by a method such as changing the mixing ratio of the etching gas.
エッチングが終了し、合成石英ガラス88によって形成されたレンズ25と、基板86によって形成されたレンズ基板部26とを有するレンズアレイ23が形成された後、必要に応じて真空成膜などの方法で第1反射防止層27が形成される(ステップS105)。
After the etching is completed and the
レンズアレイ23は、レンズ25が発光部21と対向するように、レーザ基板部22に対して固定部24によって取り付けられる(ステップS106)。
かかるステップS106は、レンズアレイ23とレーザ基板部22とを結着して固定する結合工程である。
なお、本実施形態では、固定部24は紫外線硬化樹脂であり、固定後にも多少の可撓性を有している。
本実施形態では固定部24を紫外線硬化樹脂としたが、ステップS106における固定部24をハンダとして、300℃まで加熱溶融したあと冷却して固定するとしても良い。
結合工程において、既に図8で述べた従来例のような構成では、加熱及び冷却によってレンズアレイ23の熱膨張あるいは、熱応力による破損等が生じるおそれもある。
しかしながら、本実施形態では、レンズアレイ23は、レンズ25を保持し、レーザ基板部22と線膨張係数が略同一のレンズ基板部26を有しているため、熱変形量の差が小さく結合工程において加熱処理を含む場合にも、熱応力による破損が防止される。
The
Step S106 is a coupling step for coupling and fixing the
In the present embodiment, the fixing
In the present embodiment, the fixing
In the joining process, in the configuration as in the conventional example already described in FIG. 8, there is a possibility that the
However, in the present embodiment, the
本実施形態では、レーザ点火プラグ100は、レーザ素子21から出射されたレーザ光Lを増幅する光増幅部40と、光増幅部40の入射口へとレーザ光Lを集光するための集光光学系20と、を有している。
かかる構成により、環境温度の高い場所においても、光の利用効率の低下が抑制される。
In the present embodiment, the
With this configuration, it is possible to suppress a decrease in light use efficiency even in a place where the environmental temperature is high.
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms.
例えば、本実施形態においては、3つの反射防止層を設けたが、かかる反射防止層を用いなくとも良いし、あるいは任意の数の反射防止層を設けても良い。 For example, in the present embodiment, three antireflection layers are provided, but such an antireflection layer may not be used, or an arbitrary number of antireflection layers may be provided.
10 光源ユニット(レーザ光源ユニット)
21 単素子(発光部)
22 素子基板部(レーザ基板部)
23 レンズアレイ
25 レンズ
26 レンズ基板部
30 光伝送路
40 光増幅部
100 レーザ点火装置(レーザ点火プラグ)
203 光学素子(TFT素子)
205 光学素子基板部(ガラス基板)
500 レーザ点火システム
700 燃焼室
L レーザ光
O レンズ光軸
Z1 基板間距離
10 Light source unit (laser light source unit)
21 Single element (light emitting part)
22 Element substrate (laser substrate)
23
203 Optical element (TFT element)
205 Optical element substrate (glass substrate)
500
Claims (14)
前記レンズアレイは、前記レンズを保持するレンズ基板部を有し、
前記レンズ基板部は、前記素子基板部と線膨張係数が略同一である光源ユニット。 A light source unit including a lens array in which a plurality of lenses are two-dimensionally arranged and an element substrate portion that supports a plurality of light emitting portions,
The lens array has a lens substrate portion that holds the lens,
The lens substrate unit is a light source unit having a linear expansion coefficient substantially the same as the element substrate unit.
前記レンズの線膨張係数と前記レンズ基板部の線膨張係数とが異なることを特徴とする光源ユニット。 The light source unit according to claim 1,
The light source unit, wherein a linear expansion coefficient of the lens and a linear expansion coefficient of the lens substrate portion are different.
前記複数のレンズは、互いに微小間隔だけ離間した境界領域を有し、前記レンズ基板に保持されることを特徴とする光源ユニット。 The lens array according to claim 1 or 2,
The light source unit, wherein the plurality of lenses have boundary regions separated from each other by a minute interval and are held on the lens substrate.
前記光源の発光部と前記複数のレンズとが1対1で対向して配置されることを特徴とする光源ユニット。 The light source unit according to any one of claims 1 to 3,
The light source unit, wherein the light emitting unit of the light source and the plurality of lenses are arranged to face each other on a one-to-one basis.
前記複数の発光部の光軸と一致するように前記複数のレンズを備えたことを特徴とする光源ユニット。 The light source unit according to any one of claims 1 to 4,
A light source unit comprising the plurality of lenses so as to coincide with optical axes of the plurality of light emitting units.
前記素子基板部の線膨張係数とレンズ基板部の線膨張係数との差と、前記レンズアレイ中心と当該中心から最も離れたレンズの中心までの距離と、環境温度の温度差と、の積がレンズの光軸ずれ公差以下であることを特徴とする光源ユニット。 The light source unit according to any one of claims 1 to 5,
The product of the difference between the linear expansion coefficient of the element substrate portion and the linear expansion coefficient of the lens substrate portion, the distance from the center of the lens array to the center of the lens farthest from the center, and the temperature difference of the ambient temperature. A light source unit characterized by being less than or equal to a lens optical axis deviation tolerance.
前記レンズの最表面に形成された第1反射防止膜を有することを特徴とする光源ユニット。 The light source unit according to any one of claims 1 to 6,
A light source unit comprising a first antireflection film formed on the outermost surface of the lens.
前記レンズと前記レンズ基板との間に形成された第2反射防止膜を有することを特徴とする光源ユニット。 The light source unit according to any one of claims 1 to 7,
A light source unit comprising a second antireflection film formed between the lens and the lens substrate.
前記レンズに互いに対向して配置された単素子と、前記単素子を一体に備えた素子基板部とを備える光源と、
前記レンズ基板部と前記素子基板部とを互いに固定するための固定部と、を有することを特徴とする光源ユニット。 The light source unit according to any one of claims 1 to 8,
A light source comprising a single element disposed opposite to the lens and an element substrate unit integrally including the single element;
A light source unit comprising: a fixing portion for fixing the lens substrate portion and the element substrate portion to each other.
前記レンズは、前記複数の光源に対向して凸状に配置されることを特徴とする光源ユニット。 The light source unit according to any one of claims 1 to 9,
The light source unit, wherein the lens is arranged in a convex shape so as to face the plurality of light sources.
前記光源ユニットからの励起光を集光する集光レンズと、を有することを特徴とする光源モジュール。 The light source unit according to claim 9 or 10,
And a condensing lens that condenses the excitation light from the light source unit.
前記光源ユニットから出射した励起光を吸収するレーザ共振器を有することを特徴とするレーザ点火装置。 A light source module according to any one of claims 8 to 10,
A laser ignition device comprising a laser resonator that absorbs excitation light emitted from the light source unit.
前記光源モジュールと前記レーザ共振器との間に配置され、前記励起光を伝送する光伝送路を有することを特徴とするレーザ点火装置。 The laser ignition device according to claim 12,
A laser ignition device, comprising: an optical transmission path that is disposed between the light source module and the laser resonator and transmits the excitation light.
前記レーザー共振器の入射口へと前記励起光を集光するための集光光学系を有することを特徴とするレーザ点火装置。 The laser ignition device according to claim 12 or 13,
A laser ignition device having a condensing optical system for condensing the excitation light to an entrance of the laser resonator.
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