JP2017195250A - 光源デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の品質を長期にわたって良好に維持できるようにする。【解決手段】光源デバイス１は複数の発光素子が配列された発光素子アレイ１１と、各発光素子から射出された光の光路上に配置される複数の光学素子が配列された光学素子アレイ１２と、発光素子アレイ１１と光学素子アレイ１２との間に配置され、発光素子アレイ１１と光学素子アレイ１２とを接合し、球形状を有する固定部材１３とを備える。発光素子アレイ１１及び光学素子アレイ１２は固定部材１３と接触し嵌合する凹部３１，３２を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、光源デバイスに関する。

レーザ光を射出する光源として、複数の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）素子が平面状に配列されたＶＣＳＥＬアレイが利用されている。ＶＣＳＥＬアレイから射出されたレーザ光を平行化するコリメータとして、各ＶＣＬＥＳ素子から射出されるレーザ光の光路上に配置される複数のマイクロレンズが平面状に配列されたマイクロレンズアレイが利用されている。

ＶＣＳＥＬアレイとマイクロレンズアレイとを接合する構造として、例えば、マイクロレンズアレイにＶＣＳＥＬアレイ側に突出する角柱状の部材であるスタンドオフを形成し、スタンドオフをＶＣＳＥＬアレイに固定する構造がある（特許文献１）。また、マイクロレンズアレイに形成された半球状の突起とＶＣＳＥＬアレイに形成された半球状の窪みとを嵌合させる構造がある（特許文献２）。

安定したコリメート効果を得るためには各ＶＣＳＥＬ素子と各マイクロレンズとの位置関係が適切に維持されなければならない。位置ずれが生じると、ＶＣＳＥＬ素子とマイクロレンズとのカップリング効率が低下し、レーザ光の品質低下（出力低下、性質変化等）が生じる。そのため、ＶＣＳＥＬアレイとマイクロレンズアレイとの接合には高い位置決め精度及び耐久性が求められる。

ＶＣＳＥＬアレイとマイクロレンズアレイとの接合には、多くの場合接着剤が利用される。多くの接着剤は熱、湿度等の環境に応じて体積等を変化させやすい性質を有する。そのため、ＶＣＳＥＬアレイとマイクロレンズアレイとの間に接着剤を介在させる接合方法によると、長期間の使用により接着剤の体積等が変化し、ＶＣＳＥＬアレイとマイクロレンズアレイとの間の位置関係にずれが生じる可能性が高くなる。また、従来構造のようにＶＣＳＥＬアレイ又はマイクロレンズアレイに接合用の部材（スタンドオフ、突起及び窪みの組み合わせ等）を形成する場合には、それらの部材を高精度で形成しなければならない。そのため、製造工程の困難化、コストの増加等が問題となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光の品質を長期にわたって良好に維持することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の発光素子が配列された発光素子アレイと、前記各発光素子から射出された光の光路上に配置される複数の光学素子が配列された光学素子アレイと、前記発光素子アレイと前記光学素子アレイとの間に配置され、前記発光素子アレイと前記光学素子アレイとを接合し、球形状を有する固定部材と、を備える光源デバイスである。

本発明によれば、レーザ光の品質を長期にわたって良好に維持することが可能となる。

図１は、第１の実施の形態に係る光源デバイスの構造を示す上面図である。 図２は、第１の実施の形態に係る光源デバイスの中央部分の断面構造を示す、図１のII−II断面図である。 図３は、第１の実施の形態に係る光源デバイスの接合部分の断面構造を示す、図１のIII−III断面図である。 図４は、第１の実施の形態に係る固定部材をＶＣＳＥＬアレイの凹部とマイクロレンズアレイの凹部とに嵌合する際の状態を示す斜視図である。 図５は、第１の実施の形態に係る固定部材がＶＣＳＥＬアレイの凹部とマイクロレンズアレイの凹部とに嵌合した状態を示す斜視図である。 図６は、第１の実施の形態に係る固定部材と凹部との嵌合状態を示す、図３に示す領域Ｓの一部拡大図である。 図７は、第１の実施の形態に係る固定部材と凹部との嵌合状態を示す上面図である。 図８は、第２の実施の形態に係る固定部材をＶＣＳＥＬアレイの凹部とマイクロレンズアレイの凹部とに嵌合する際の状態を示す斜視図である。 図９は、第３の実施の形態に係る固定部材をＶＣＳＥＬアレイの凹部とマイクロレンズアレイの凹部とに嵌合する際の状態を示す斜視図である。 図１０は、第４の実施の形態に係る固定部材をＶＣＳＥＬアレイの凹部とマイクロレンズアレイの凹部とに嵌合する際の状態を示す斜視図である。 図１１は、第４の実施の形態に係る固定部材と凹部との嵌合状態を示す上面図である。 図１２は、第５の実施の形態に係る点火装置の構成を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る光源デバイス１の構造を示す上面図である。図２は、第１の実施の形態に係る光源デバイス１の中央部分の断面構造を示す、図１のII−II断面図である。図３は、第１の実施の形態に係る光源デバイス１の接合部分の断面構造を示す、図１のIII−III断面図である。

光源デバイス１は、ＶＣＳＥＬアレイ１１（発光素子アレイ）、マイクロレンズアレイ１２（光学素子アレイ）、及び固定部材１３を含む。ＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２とは固定部材１３を介して接合されている。

ＶＣＳＥＬアレイ１１は半導体を含む基板２０上に複数のＶＣＳＥＬ素子２１（発光素子）が平面状に配列されたデバイスである。発光領域２２はＶＣＳＥＬ素子２１が形成されている領域である。各ＶＣＳＥＬ素子２１は駆動電流が供給されることにより基板２０の主面に対して略垂直方向にレーザ光１５を射出する。各レーザ光１５はＶＣＳＥＬ素子２１から射出された時点では各ＶＣＳＥＬ素子２１に特有の放射角を有している。

マイクロレンズアレイ１２は基板３０に複数のマイクロレンズ２５（光学素子）が平面状に配列されたデバイスである。調光領域２６はマイクロレンズ２５が形成されている領域である。各マイクロレンズ２５はＶＣＳＥＬ素子２１から射出され放射角を有するレーザ光を平行化する。マイクロレンズ２５はコリメートレンズ等と称される場合がある。マイクロレンズアレイ１２はＶＣＳＥＬアレイ１１の主面（レーザ光１５が射出される面）側に配置される。このとき、マイクロレンズアレイ１２は、各マイクロレンズ２５が各ＶＣＳＥＬ素子２１から射出されるレーザ光１５の光路上に配置されるように配置される。

固定部材１３はＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との間に配置され、両アレイ１１，１２の位置決め及び接合をするための部材である。固定部材１３は球形状を有する。固定部材１３はＶＣＳＥＬアレイ１１及びマイクロレンズアレイ１２から独立した部材である。固定部材１３は様々な材料から構成され得るが、ＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との位置関係が長期にわたって変化しないようにするために、硬質であること、耐摩耗性があること、耐熱性があること、熱膨張係数が小さいこと等の性質を有する材料から構成されることが好ましい。例えば、固定部材１３を構成する有機材料として、シリカ樹脂、ポリプロピレン樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂等を挙げることができる。ポリプロピレンは耐熱性に優れている。フェノールは安価である。固定部材１３を構成する無機材料として、二酸化ケイ素を挙げることができる。二酸化ケイ素は硬質性に優れている。

図４は、第１の実施の形態に係る固定部材１３をＶＣＳＥＬアレイ１１の凹部３１とマイクロレンズアレイ１２の凹部３２とに嵌合する際の状態を示す斜視図である。図５は、第１の実施の形態に係る固定部材１３がＶＣＳＥＬアレイ１１の凹部３１とマイクロレンズアレイ１２の凹部３２とに嵌合した状態を示す斜視図である。

本実施の形態においては４つの固定部材１３が使用されている。ＶＣＳＥＬアレイ１１には固定部材１３が嵌合する４つの凹部３１が形成されている。マイクロレンズアレイ１２には固定部材１３が嵌合する４つの凹部３２が形成されている。ＶＣＳＥＬアレイ１１の凹部３１は基板２０の主面上の発光領域２２より外側の領域に形成されている。マイクロレンズアレイ１２の凹部３２は基板３０のＶＣＳＥＬアレイ１１に対面する面の調光領域２６より外側の領域に形成されている。本実施の形態に係る凹部３１，３２は円筒形状を有する。

図６は、第１の実施の形態に係る固定部材１３と凹部３１，３２との嵌合状態を示す、図３に示す領域Ｓの一部拡大図である。図７は、第１の実施の形態に係る固定部材１３と凹部３１との嵌合状態を示す上面図である。

図６及び図７において、ｒは固定部材１３の半径（２ｒは固定部材１３の径）を示し、ｘは凹部３１，３２の開口部３３の半径（２ｘは開口部３３の径）を示し、ｄは凹部３１，３２の深さを示し、ＤはＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との間隔を示している。

開口部３３の径２ｘは固定部材１３の径２ｒより小さい。半径ｒ、半径ｘ、及び深さｄは固定部材１３が凹部３１，３２の底部３４に接触しないように設計される。このような形状により、固定部材１３は開口部３３の全体と接触し、凹部３１，３２の底部３４とは接触しない。これにより、固定部材１３は凹部３１，３２内で安定した状態となる。一方、固定部材１３が底部３４に接触すると、固定部材１３は凹部３１，３２内で移動しやすい状態となる。

固定部材１３が開口部３３と接触し、凹部３１，３２の底部３４とは接触しない状態を実現するために、固定部材１３の半径ｒ、開口部３３の半径ｘ、及び凹部３１，３２の深さｄは下記式（１）の関係を満たすことが好ましい。

ｄ＞ｒ−√（ｒ^２−ｘ^２） …（１）

式（１）から、例えば半径ｒ＝２５μｍ、半径ｘ＝１５μｍであるとき、深さｄは５μｍより大きい必要があることがわかる。

下記式（２）が満たされるとき、固定部材１３が開口部３３及び底部３４の両方に接触する状態となる。

ｄ＝ｒ−√（ｒ^２−ｘ^２） …（２）

ＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との間隔Ｄは、固定部材１３の径２ｒから式（２）を満たす深さｄの２倍の値を減算した値となる（Ｄ＝２ｒ−２ｄ）。例えば、半径ｒ＝２５μｍの固定部材１３を用い、半径ｘ＝１５μｍの凹部３１，３２を形成する場合、式（２）を満たす深さｄは５μｍであるため、間隔Ｄは４０μｍとなる。このように、半径ｒ、半径ｘ、及び深さｄはＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との間隔Ｄの設計値に応じて適宜設計することができる。

上記のように設計された固定部材１３と凹部３１，３２とを嵌合させた後、固定部材１３と開口部３３との接触部に外部から接着剤３５を塗布又は噴出して固化させることにより、ＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２とを接合することができる。このように接合することにより、ＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との間に接着剤３５を介在させることなく両アレイ１１，１２の位置決め及び接合を行うことができる。そのため、接着剤３５が熱等により多少体積変化を起こしても、ＶＣＳＥＬアレイ１１（発光領域２２）とマイクロレンズアレイ１２（調光領域２６）との位置関係がずれることはない。なお、接着剤３５を塗布する位置は図６に示す位置に限られるものではなく、例えば凹部３１，３２の内部であってもよい。

球体の製造及び加工は一般的に他の形状よりも容易に行うことができる。また、本実施の形態に係る固定部材１３はＶＣＳＥＬアレイ１１及びマイクロレンズアレイ１２とは独立した部材である。そのため、本実施の形態に係る光源デバイス１は比較的簡単な工程により製造することができる。

上記のように、本実施の形態に係る光源デバイス１によれば、製造工程の困難化等を招くことなく、位置決め精度を向上させることが可能となり、ＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との位置関係を長期にわたって良好な状態に維持することが可能となる。これにより、レーザ光の品質が長期にわたって良好に維持される光源デバイス１を提供することが可能となる。

以下に、他の実施の形態について図面を参照して説明するが、上記第１の実施の形態と同一又は同様の作用効果を奏する箇所については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

（第２の実施の形態）
図８は、第２の実施の形態に係る固定部材１３，５５をＶＣＳＥＬアレイ１１の凹部３１とマイクロレンズアレイ１２の凹部３２とに嵌合する際の状態を示す斜視図である。

本実施の形態に係る光源デバイス５１においては、ＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との接合に３つの球形状の固定部材１３と１つの円柱形状の固定部材５５とが用いられている。このように、複数の固定部材１３，５５の中に球形状以外の形状を有する固定部材５５を混在させてもよい。

（第３の実施の形態）
図９は、第３の実施の形態に係る固定部材１３をＶＣＳＥＬアレイ１１の凹部３１とマイクロレンズアレイ１２の凹部３２とに嵌合する際の状態を示す斜視図である。

本実施の形態に係る光源デバイス６１においては、ＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との接合が三角形を形成する３点においてなされている。このように、ＶＣＳＥＬアレイ１１とマイクロレンズアレイ１２との接合点は少なくとも３点以上あれば可能となる。

（第４の実施の形態）
図１０は、第４の実施の形態に係る固定部材１３をＶＣＳＥＬアレイ１１の凹部７５とマイクロレンズアレイ１２の凹部７６とに嵌合する際の状態を示す斜視図である。図１１は、第４の実施の形態に係る固定部材１３と凹部７５との嵌合状態を示す上面図である。

本実施の形態に係る光源デバイス７１の凹部７５，７６は開口部７７が正方形の角柱形状を有している。固定部材１３は嵌合時において開口部７７と４つの接触点７８で接触する。各接触点７８は開口部７７の４つの各辺の中央部に位置する。

図１１において、ｒは固定部材１３の半径（２ｒは固定部材１３の径）を示し、ｘは凹部７５，７６の開口部７７の中心から辺の中央部までの距離（２ｘは開口部７７の径）を示す。開口部７７の径２ｘは対向する２つの辺（接触点７８）の間の距離である。径２ｘは固定部材１３の径２ｒより小さい。半径ｒ、距離ｘ、及び深さｄ（図６参照）は固定部材１３が凹部７５，７６の底部７９に接触しないように設計される。すなわち、本実施の形態に係る半径ｒ、距離ｘ、及び深さｄは、第１の実施の形態と同様に式（１）の関係を満たすことが好ましい。このような構成により、第１の実施の形態に係る円筒形状の凹部３１，３２と同様の効果を得ることができる。

また、固定部材１３が嵌合する凹部の形状は上記に限られるものではない。例えば、凹部の開口部は正方形以外の正多角形（正三角形、正六角形等）であってもよい。この場合、固定部材１３と凹部との接触点の数は開口部の辺の数と一致する。例えば、六角形の開口部においては、固定部材１３との接触部の数は６となり、各接触部の位置は開口部の各辺の中央部となる。開口部を正多角形とする場合、角数が多いほど固定部材１３の安定性が向上し、角数が少ないほど製造容易性が向上する。

（第５の実施の形態）
図１２は、第５の実施の形態に係る点火装置１０１の構成を示す図である。点火装置１０１は、光源デバイス１、第１の集光レンズ１１１、光ファイバ１１２、第２の集光レンズ１１３、共振器１１４、及び第３の集光レンズ１１７を含む。

第１の集光レンズ１１１は第１の実施の形態に係る光源デバイス１のマイクロレンズアレイ１２によりコリメートされたレーザ光を集光する。光ファイバ１１２は集光されたレーザ光を第２の集光レンズ１１３に伝送する。第２の集光レンズ１１３は伝送されたレーザ光を集光して共振器１１４に射出する。共振器１１４はレーザ媒質１１５及び可飽和吸収体１１６を含み、入射されたレーザ光をレーザ光の射出方向と平行な方向に共振させることにより増幅する。第３の集光レンズ１１７は増幅されたレーザ光を集光し、点火対象に射出する。

点火装置１０１は例えば内燃機関の一部として利用され得る。点火装置１０１は内燃機関以外にも適用され得るものであり、例えばレーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置等に利用されてもよい。

上記のように、長期にわたって安定した品質のレーザ光を出力することができる光源デバイス１を光源として利用することにより、信頼性の高い点火装置１０１を供給することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記実施の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を意図するものではない。この新規な実施の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り、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態及びその変形は発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，５１，６１ 光源デバイス
１１ ＶＣＳＥＬアレイ（発光素子アレイ）
１２ マイクロレンズアレイ（光学素子アレイ）
１３，５５ 固定部材
１５ レーザ光
２０，３０ 基板
２１ ＶＣＳＥＬ素子
２２ 発光領域
２５ マイクロレンズ
２６ 調光領域
３１，３２，７５，７６ 凹部
３３，７７ 開口部
３４，７９ 底部
３５ 接着剤
７８ 接触点
１０１ 点火装置
１１１ 第１の集光レンズ
１１２ 光ファイバ
１１３ 第２の集光レンズ
１１４ 共振器
１１５ レーザ媒質
１１６ 可飽和吸収体
１１７ 第３の集光レンズ
ｄ （凹部の）深さ
ｒ （固定部材の）半径
ｘ （開口部の）半径、（開口部の中心から辺の中央部までの）距離
Ｄ （ＶＣＳＥＬアレイとマイクロレンズアレイとの）間隔

特許第５１０７５５９号公報 特開２００４−２８８７１３号公報

Claims (7)

1. 複数の発光素子が配列された発光素子アレイと、
   前記各発光素子から射出された光の光路上に配置される複数の光学素子が配列された光学素子アレイと、
   前記発光素子アレイと前記光学素子アレイとの間に配置され、前記発光素子アレイと前記光学素子アレイとを接合し、球形状を有する固定部材と、
   を備える光源デバイス。
2. 前記発光素子アレイ及び前記光学素子アレイは、前記固定部材と嵌合する凹部を有し、
   前記凹部の開口部は、前記固定部材と接触する、
   請求項１に記載の光源デバイス。
3. 前記開口部の径は、前記固定部材の径より小さい、
   請求項２に記載の光源デバイス。
4. 前記凹部の深さをｄ、前記固定部材の径を２ｒ、前記開口部の径を２ｘとするとき、下記式（１）が成り立つ、
   ｄ＞ｒ−√（ｒ^２−ｘ^２） …（１）
   請求項３に記載の光源デバイス。
5. 前記開口部は、円形である、
   請求項３又は４に記載の光源デバイス。
6. 前記開口部は、正多角形である、
   請求項３又は４に記載の光源デバイス。
7. 前記固定部材は、シリカ樹脂、ポリプロピレン樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、及び二酸化ケイ素からなる群から選択される材料からなる、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源デバイス。

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