JP2017211665A - 光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの導光部材に対して配置することが出来る光源の個数の制限を小さくし、その結果、導光部材の出射端部から得られる光の出力を高めることができる光学系を提供する。
【解決手段】複数の半導体レーザ（２２）から出射された光の進行方向を第２の反射ミラー（２３）および第１の反射ミラー（２４）にて変化させることにより、その光を集光レンズ（４）で集光し、導光部材（２７）へ入射させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の光源から出射された光を導光部材に入射させる光学系に関するものである。

一般的に、レーザ光を用いた加工用途(溶接,切断など)、あるいは青色または紫外レー
ザ光を用いて蛍光物質を励起するレーザ照明用途などにおいては、大出力のレーザ光を得ることが必要である。また、レーザ光を導光する光学部材として、光ファイバが用いられることが多い。光ファイバは、可撓性を有しており、その出射口の配置に関して自由度が高いためである。

大出力のレーザ光を得る手段として、従来、複数の半導体レーザから出射したレーザビームをレンズ系で集光して１箇所に収束させ、その収束位置に光ファイバの入射端面が位置するように当該光ファイバを配し、複数のレーザビームを１本に合波する合波光学系が知られている。

特許文献１に記載の半導体レーザモジュールでは、複数個の半導体レーザアレイを階段状に配置し、各半導体レーザアレイからのレーザ光を集光レンズ用いて光ファイバアレイに光結合している。

特許文献２に記載の合波光学系では、複数の半導体レーザから出射したレーザビームを複数のコリメーターレンズによってそれぞれ平行光化した後、シリンドリカルレンズおよびアナモルフィックレンズを用いて光ファイバに入射させている。

特開２０１１−２４３７１７号公報（２０１１年１２月１日公開） 特開２００７−１６３９４７号公報（２００７年６月２８日公開）

しかしながら、大出力のレーザ光を得るためには、出来るだけ多くの半導体レーザからの光を効率良く一本の光ファイバに入射させることが好ましい。光ファイバに光学的に結合可能な半導体レーザの最大個数Ｎは、用いる光ファイバの受入角をθ、コア径をＤとし、結合させる半導体レーザの波長をλ、ビーム品質値をＭ^２とすると、半導体レーザのＢＰＰ（Ｂｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ、 Ｍ^２・λ／π）と光ファイバの受入特性値(D・θ)との比で決まる。この半導体レーザの最大個数Ｎは、次の（１）式で表される。

Ｎ＝（π・γ・Ｄ・θ）／（λ・Ｍ^２）・・・（１）
ここでγはレーザ光の充填率を示しており、束ねられたＮ本のコリメート光がどれだけ密であるかを示している。上記（１）式から分かることは、一本の光ファイバに出来るだけ多くの半導体レーザを効率的に結合させるためには、光ファイバおよび半導体レーザの特性値（Ｄ、θ、Ｍ^２）を変えることが出来ないのであれば、レーザ光の充填率γを高くするしかないということである。

特許文献１の発明においては、複数の半導体レーザを階段状に配置することにより、複数の半導体レーザの発光点の位置を近づけることが出来るために、γが高くなる。しかし、個々の半導体レーザ素子にはパッケージ自体のサイズおよびヒートシンクに起因する一定のサイズが必要であり、一定レベル以上には複数のレーザ光を近づけることが出来ない。そのため、特許文献１の発明のように半導体レーザを階段状に配置してもγの向上には限界がある。

特許文献２の発明においては、複数の半導体レーザ素子を配置する間隔によりγが決まり、γを大きくすることが出来ない。特に複数の半導体レーザ素子のそれぞれからの発熱を考慮すると複数の半導体レーザ素子を極端に近接させることは好ましくなく、その点もγを大きく出来ない原因となる。

また、上述のような従来技術は、複数の半導体レーザの出力光を充填率γの実質的に幅の広い平行光にし、それを大きなレンズで集光する構成である。しかし、集光レンズでの収差の観点からも、配列することが出来る複数の半導体レーザの個数の制限があり、複数のレーザ光からなる実質的に幅の広い平行光の幅を極端には大きくすることは出来ない。そのために、光ファイバ出力端から得ることが出来る最大出力の上限が低いという問題がある。

本願発明は、１つの導光部材に対して配置することが出来る光源の個数の制限を小さくし、その結果、導光部材の出射端部から得られる光の出力を高めることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学系は、
導光部材へ光を集光する光学系であって、第１の反射ミラーと、集光レンズとを備え、上記第１の反射ミラーは、複数の光源から出射されたレーザ光の進行方向をそれぞれ変化させることにより当該レーザ光を上記集光レンズへ導き、上記集光レンズは、上記第１の反射ミラーによって進行方向が変更されたレーザ光を集光し、上記導光部材へ入射させ、上記複数の光源から出射されたレーザ光を反射することにより当該レーザ光を上記第１の反射ミラーへ導く複数の第２の反射ミラーをさらに備える。

本発明の一態様によれば、１つの導光部材に対して配置することが出来る光源の個数の制限を小さくし、その結果、導光部材の出射端部から得られる光の出力を高めることができる光学系を提供することができる。

本発明の実施形態に係る光学系の一例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る光学系の一例を示す図である。 上記他の実施形態に係る光学系の変形例を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る光学系の一例を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る光学系の一例を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る光学系で使用する光源ユニットを示す図である。 上記光源ユニットの製造工程を示す図である。

〔実施形態１〕
本発明の実施の一形態について、図１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

本実施形態に係る光学系は、複数の光源から出射された光の進行方向を変化させて当該光を集光レンズへ導き、当該集光レンズによって上記光を集光し、導光部材へ入射させるものである。これにより、１つの導光部材に対して配置することが出来る光源の個数の制限が小さくなり、導光部材の出射端部より得ることが出来る光の出力を高めることができる光学系を提供するものである。

本発明の光学系によって配光制御された光を入射させる導光部材の一例として光ファイバを挙げることができる。光ファイバのように、光の入射端部の断面積が比較的小さい導光部材に対して光を入射する場合に、本発明の光学系の利用価値が高まる。ただし、上記導光部材は、光ファイバに限定されず、ロッド形状の導光部材など、その他の種類の導光部材であってもよい。

また、本発明の光学系によって配光制御される光（換言すれば、導光部材から出射される光）の種類は特に限定されない。例えば、上記光は、照明光として利用される可視光であってもよく、切断、溶接などの加工用の光として利用されるレーザ光であってもよい。換言すれば、上記光を出射する光源の種類は特に限定されず、当該光源は、半導体レーザ素子であっても、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。

本実施形態では、上記導光部材としての光ファイバ９へレーザ光（励起光）を集光する光学系１００について説明する。この光学系１００は、照明装置の一部を構成し、光学系１００によって集光されたレーザ光は、後述する光ファイバ９を介して導光され、照明光あるいはプロジェクタ等の画像表示装置に対する光源として利用される。例えば、光ファイバ９の先端からの照明光を、内視鏡などに用いられる微小な照明光源として利用出来る。

図１は、光学系１００の構成の一例を示す概略図であり、図１の（ａ）は、ｙ軸方向から見たときの図であり、図１の（ｂ）は、ｚ軸方向から見たときの図である。

（光学系１００の概略構成）
図１の（ａ）に示すように、光学系１００は、発光装置（光源）１、反射ミラー（第１光学部材）３、集光レンズ（第２光学部材）４及びコリメートレンズ８を備えている。この光学系１００は、複数の発光装置１から出射された複数の光を反射ミラー３と集光レンズ４とを経由して光ファイバ（導光部材）９に入射させる。具体的には、光学系１００は、発光装置１に含まれる半導体レーザ２からのレーザ光を反射ミラー３で反射させ、集光レンズ４を通して光ファイバ９の入射端部９ａに集光させる。

以下、光学系１００が備える各部材の構成について説明する。

（発光装置１）
発光装置１は、反射ミラー３へ向けてレーザ光を出射する装置である。図１の（ａ）に示すように、発光装置１は、半導体レーザ（光源）２及び放熱部５を備えている。

（半導体レーザ２）
半導体レーザ２は、励起光を出射する光源である。図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、半導体レーザ２として、赤、青及び緑色で発振する半導体３つのレーザ２ａ〜ｃを用いている。３色のレーザ光を１つの光ファイバ９に効率的に入射させることにより、光ファイバ９の出射端部９ｂでは均一に混ざった白色のレーザ光を得ることが出来る。半導体レーザ２の数は、所望の励起光の出力に応じて適宜定められればよい。

（放熱部５）
放熱部５は、ヒートシンク６と放熱フィン７とを備えている。放熱部５は、半導体レーザ２が発する熱を外部に放熱するものである。これにより、高出力の励起光を得る場合であっても、それぞれの半導体レーザ２が発生させた熱を適切に放熱することができるため、半導体レーザ２の寿命および発光効率の低下を抑制することができる。

ヒートシンク６は、半導体レーザ２で生じた熱を発光装置１の外部へ放熱するための熱伝導部材である。ヒートシンク６は、半導体レーザ２と放熱フィン７との間に設けられており、半導体レーザ２との接合面から受け取った熱を放熱フィン７に伝える。

放熱フィン７は、半導体レーザ２が発する熱を、ヒートシンク６から受け取り、大気中に放熱するものである。

ヒートシンク６と放熱フィン７とは、熱伝導率が高い材料からなり、例えば、熱伝導率が高い金属（例えば、Ａｌ）で構成することが好ましい。

（半導体レーザ２の配置）
上述のように光学系１００は、３つの半導体レーザ２ａ〜ｃを備えている。これらの半導体レーザ２ａ〜ｃから出射されるレーザ光の光路が、集光レンズ４の光軸（図１における＋Ｚ軸方向）に対してそれぞれ角度をなすように、半導体レーザ２ａ〜ｃが配置されている。

なお、集光レンズ４の光軸とは、集光レンズ４の中心を通り集光レンズ４の面に垂直な直線のことである。換言すれば、集光レンズ４の光軸とは、集光レンズ４の中心と焦点とを通る直線である。

このように半導体レーザ２ａ〜ｃは、反射ミラー３に対して、互いに平行な光を入射させるのではなく、相対的に角度を有する複数の光を反射ミラー３に照射するように配置されている。つまり、半導体レーザ２ａ〜ｃは、図１におけるＸ-Ｙ座標平面に平行な仮想平面上に配置されているのではなく、Ｘ-Ｙ-Ｚ座標で表現できる３次元空間内に立体的に配置されている。

そのため、半導体レーザ２ａ〜ｃの配置の自由度が高く、各半導体レーザ２を離して配置することが出来る。その結果、発熱の干渉を低減させ、１つの光ファイバ９に対して多くの半導体レーザ２を配置することが出来る。なお、発光装置１（半導体レーザ２）の個数及び配置方法は、図１に示すものに限定されない。

（反射ミラー３）
反射ミラー３は、集光レンズ４の光軸上に配置されており、発光装置１ａ〜ｃから発せられたレーザ光（互いに異なる方向から出射されたレーザ光）を反射する複数の反射面３ａ〜ｃを有している。これら反射面３ａ〜ｃによって、発光装置１ａ〜ｃからのレーザ光はそれぞれ反射され、それらの進行方向が変更されることにより集光レンズ４へ導かれる。反射ミラー３によって反射された光の光路は、+Ｚ軸及び集光レンズ４の光軸と平行で
ある。

この反射ミラー３は、三角錘であり、三角錘が有する３つの三角形の側面が、それぞれのレーザ光を反射する反射面３ａ〜ｃである。これら反射面３ａ〜ｃは、例えばアルミニウムでコーティングされているが、反射面３ａ〜ｃの形成方法はこれに限定されない。例えば、ガラス面での全反射を用いたミラーを反射面３ａ〜ｃとして用いてもよく、反射ミラー３は、レーザ光の進行方向を変えることが出来る光学部材であればよい。

（集光レンズ４）
集光レンズ４は、反射ミラー３により進行方向を変えられた光を集光する光学部材である。反射ミラー３で反射した３つのレーザ光は、集光レンズ４に入射され、光ファイバ９の入射端部９ａに集光される。

集光レンズ４として、球面平凸レンズを用いると、小さな収差で集光することが出来る。この場合、球面平凸レンズの曲面側を平行光側に、平面側を集光側に配置する。なお、集光レンズ４は、球面平凸レンズに限定されず、適宜好ましい設計のレンズを用いればよい。

（コリメートレンズ８）
コリメートレンズ８は、屈折を用いてレーザ光が平行状態になるように光学調整を行う光学部材である。すなわち、発光装置１より照射されたレーザ光がコリメートレンズ８によって平行光に変換され、反射ミラー３へと照射される。コリメートレンズ８として、適宜最適な設計のレンズを用いればよい。なお、コリメートレンズ８を備える必要は必ずしもない。

（光ファイバ９）
光ファイバ９は、集光レンズ４により集光された光を導く導光部材であり、入射端部９ａ及び出射端部９ｂを備えている。光ファイバ９として、適宜最適な設計のものを用いればよい。光ファイバ９として、例えば、コア径１００μｍの石英ファイバを用いることが出来る。

＜光学系１００の効果＞
上述のように光学系１００では、３つの半導体レーザ２ａ〜ｃから出射されたレーザ光が反射ミラー３によって反射されることによって、当該レーザ光の進行方向が変更され、集光レンズ４へ導かれる。

そのため、反射ミラー３が有する反射面の数および配置を適宜設定すれば、半導体レーザ２の数および配置を所望のものにすることができる。

その結果、発光装置１を立体的に配置することができ、個々の半導体レーザ２のパッケージのサイズ及びヒートシンク６のサイズに起因する制限が小さくなり、複数のレーザ光の光路を近接させることが可能となる。よって、上記（１）式におけるγを限りなく１に近づけることが出来る。そのため、多くの半導体レーザ２を配置する（Ｎを大きくする）ことが出来る。

また、複数のコリメートされたレーザ光が近接しているために、集光レンズ４での収差が小さく、効率的にレーザ光を光ファイバ９に入射することが出来る。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

以下、本実施形態では、異なる４つの方向から出射された平行光を、反射によって光の進行方向を変化させることにより集光レンズ４へ導き、当該光を集光レンズ４によって集光し、ロッドレンズ２７へ入射させることができる光学系１１０について説明する。

図２は、光学系１１０の構成の一例を示すものであり、図２の（ａ）は光学系１１０をｙ軸方向から見たときの図であり、図２の（ｂ）は光学系１１０をｚ軸方向から見たときの図である。

（光学系の概要構成）
まず、図２の（ａ）に基づいて、光学系１１０の概略構成について説明する。

光学系１１０は、図２の（ａ）に示すように、発光装置（光源）１１、反射ミラー（第１光学部材）１３、コリメートレンズ８及び集光レンズ４を備えている。

光学系１１０は、発光装置１１から出射された光を反射ミラー１３にて反射させ、集光レンズ４を経由して光ファイバ９に入射させる光学系である。具体的には、光学系１１０は、発光装置１１内の半導体レーザ１２から出射されたレーザ光を、コリメートレンズ８を通して平行光にする。そして、反射ミラー１３によって当該平行光の進行方向を変化させて集光レンズ４へ導き、集光レンズ４によって上記平行光を、光ファイバ９の入力端部に集光させる。

この光学系１１０は、照明装置の一部を構成し、光学系１１０によって集光されたレーザ光は、光ファイバ９を介して蛍光体発光部１０に照射される。蛍光体発光部１０は、レーザ光を受けることによって蛍光を発し、この蛍光が照明光として利用される。

以下、光学系１１０が備える各部材の構成について説明する。

（発光装置１１）
図２の（ａ）に示す発光装置１１は、半導体レーザ１２、放熱部５を備えている。半導体レーザ１２は、５．６ｍｍΦパッケージに実装された波長４０５ｎｍの高出力レーザを用いている。

図２の（ｂ）に示すように、光学系１１０では、半導体レーザ１２を４個（半導体レーザ１２ａ〜ｄ）使用している。なお、図２の（ａ）では、半導体レーザ２ｂ及び２ｃの記載を省略している。

４個の半導体レーザ１２ａ〜ｄからのレーザ光は、互いに異なる方向(＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ、−Ｙ方向)から出射され、反射ミラー１３によって、当該レーザ光の進行方向が集光レンズ４の光軸の方向（＋Ｚ方向）に曲げられる。

このように発光装置１１は、発光装置１と同様に立体的に配置されている。なお、発光装置１１の配置方法はこれに限定されない。

（反射ミラー１３）
反射ミラー１３は、半導体レーザ１２から出射された光の進行方向を変更させる光学部材である。この反射ミラー１３は、四角錘の形状を有しており、四角錘が有する三角形の４つの側面が、それぞれのレーザ光を反射する反射面１３ａ〜ｄである。反射面１３ａ〜ｄはアルミニウムでコーティングされているが、反射面１３ａ〜ｄの形成方法は、これに限定されるものではない。例えば、ガラス面での全反射を用いたミラー等を用いてもよく、反射ミラー１３は、レーザ光の進行方向を変えることが出来る光学部材であればよい。

（蛍光体発光部１０）
蛍光体発光部１０は、レーザ光を受けることによって蛍光を発する蛍光物質を封止材によって封止したもの、または蛍光物質を固めたものである。上記蛍光物質として、例えば、酸窒化物系蛍光体（例えば、サイアロン蛍光体）またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ナノ粒子蛍光体を用いることができる。これらの蛍光物質は、高い出力（および／または光密度）のレーザ光に対しての熱耐性が高く、レーザ照明光源に最適である。ただし、上記蛍光物質は、上述のものに限定されず、窒化物蛍光体など、その他の蛍光物質であってもよい。

＜光学系１１０の効果＞
本実施形態の光学系１１０では、同一の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ２を４個、１本の光ファイバ９に光学的に結合させており、各半導体レーザ２を出力１Ｗにて発振させた場合に、光ファイバ９の出射端部９ｂでは３．８Ｗの出力を得ることが出来る。

そのため、蛍光体発光部１０に対して高出力のレーザ光を照射することができ、高輝度の照明装置を実現することができる。

このように、光学系１１０では、ピーク波長が略同一（ピーク波長が所定の誤差範囲内にある）の複数のレーザ光を合成することで、単一の半導体レーザ２から出射されたレーザ光のみを用いる場合よりも放射束の大きいレーザ光を得ることができる。

波長が全く異なる複数の光を混合することにより、所望の色の光を生成する光学系は、従来存在している。本発明は、所望の色の光を生成することを目的とするものではなく、光の放射束を高めることを目的としている。この点において、本発明は、従来の光学系と本質的に異なっている。

（光学系１１０の変形例）
図３は、光学系１１０の変形例である光学系１２０を示す図である。４つの異なる方向から照射した光を反射させる光学系１１０とは異なり、図３に示すように、光学系１２０は、半導体レーザ１１を８個及び八角錐の反射ミラー１４を備えた構成となっている。すなわち、光学系１１０は、８つの異なる方向から照射した光を反射させる構成となっている。

光学系１２０の構成の場合、用いられる半導体レーザ１１の個数が増えた分だけ光ファイバ９からの出射エネルギーを高めることが出来ることは当然であるが、従来の光学系とは異なり、半導体レーザ１１の個数が増加しても光ファイバ９への結合効率が低下しない点に本願の特徴がある。つまり、半導体レーザ１１を１個追加した時の、上記出射エネルギーの増加量を、従来の光学系よりも高めることができる。

〔実施形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について、図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

以下、本実施形態では、２段階の反射によって光の進行方向を変化させ、その光を光学系１３０について説明する。なお、反射の回数はこれに限定されるものではない。

図４は、光学系１３０の構成の一例を示すもので、図４の（ａ）は、光学系１３０をｙ軸方向から見たときの図であり、図４の（ｂ）は、発光装置２１をｚ軸方向から見たときの図である。

（光学系１３０の概要構成）
まず、図４の（ａ）に基づいて、光学系１３０の概略構成について説明する。

光学系１３０は、図４の（ａ）に示すように、発光装置（光源）２１、反射ミラー（第３光学部材）２３、反射ミラー（第１光学部材）２４、コリメートレンズ８及び集光レンズ４を備えている。

光学系１３０は、発光装置２１から出射されたレーザ光を反射ミラー２３及び反射ミラー２４にて反射させ、集光レンズ４を経由してロッドレンズ２７に入射させる光学系である。具体的には、光学系１３０は、発光装置２１内に実装された各半導体レーザ２２ａ〜ｂから出射されたレーザ光を、コリメートレンズ８を通して平行光にし、反射ミラー２３で当該平行光の進行方向を変化させ、反射ミラー２４へと導く。そして、反射ミラー２３に反射した光を反射ミラー２４にて再度反射させ、集光レンズ４によって当該光を、ロッドレンズ２７の入射端部２７ａに集光させる。

以下、光学系１３０が備える各部材の構成について説明する。

（発光装置２１）
図４の（ａ）に示す発光装置２１は、半導体レーザ（光源）２２、放熱部２５を備えている。

発光装置２１は、図４の（ｂ）に示すように、半導体レーザ２２を６個、ヒートシンク（基材）２６の表面に備えている。半導体レーザ２２として、５．６ｍｍΦパッケージに実装された波長４５０ｎｍの高出力レーザを用いている。

６個の半導体レーザ２２は、共通の基材であるヒートシンク２６の表面に配置されている。具体的には、６個の半導体レーザ２２は、図４の（ａ）および（ｂ）において、Ｘ−Ｙ平面と平行な仮想平面上に配列している。

なお、発光装置２１に備えられる光源の種類は半導体レーザに限定されない。また、上記光源の数は６個に限定されない。

図４の（ａ）に示すように、半導体レーザ２２からのレーザ光は、集光レンズ４の光軸（＋Ｚ方向）と同じ方向に出射される。出射されたレーザ光が、反射ミラー２３及び反射ミラー２４にて反射されることにより、当該レーザ光の進行方向は集光レンズ４の光軸の方向（＋Ｚ方向）に曲げられる。

放熱部２５は、ヒートシンク２６及び放熱フィン７を備えている。図４の（ｂ）に示すように、ヒートシンク２６は円形になっており、６個の半導体レーザ２２が円形に配列されている。この構成であれば、複数の半導体レーザ２２に対して共通のヒートシンク２６を１つ設ければよく、半導体レーザ２２のアライメントを容易にすることができる。

なお、ヒートシンク２６の形状及び半導体レーザ２２の配列方法は、図４に示すものに限定されず、どのようなものであってもよい。

（反射ミラー２３）
図４の（ａ）に示すように反射ミラー２３は、複数の発光装置２１からの光を反射ミラー２４に向けて反射させる光学部材である。複数の反射ミラー２３は、ヒートシンク２６の表面に配置された複数の半導体レーザ２２に対応する位置にそれぞれ配置されている。半導体レーザ２２は６つ配置されているため、反射ミラー２３も６つ配置されている。

これらの反射ミラー２３として、例えば、アルミニウム等の高反射率を有する金属反射面あるいは蒸着面を用いたミラーの他、誘電体多層膜からなるミラーや、ガラス/空気界面での全反射を用いたミラーを用いることが出来る。ただし、反射ミラー２３は、これらのミラーに限定されない。また、反射ミラー２３の数は、半導体レーザ２２の数に応じて設定されればよく、６つに限定されない。

（反射ミラー２４）
反射ミラー２４は、六角錘であり、六角錘が有する６つの三角形の側面が、反射ミラー２３にて反射されたレーザ光をそれぞれ反射する反射面として機能する。

なお、反射ミラー２４は六角錘である必要はなく、６枚の鏡であってもよい。ただし六角錘のような多角錐を反射ミラー２４として用いることにより、ミラー１枚１枚の角度調節を個別に行う必要がなく、アライメントに必要な工程数やコストを減らすことが出来る。

（ロッドレンズ２７）
ロッドレンズ２７は、入射端部２７ａから入射した光を導光し、当該光を出射端部２７ｂから出射する導光部材である。本実施形態で使用するロッドレンズ２７として、例えば、外径１ｍｍの石英ロッドを用いることができる。ただし、ロッドレンズ２７として角柱形状のロッドを用いてもよく、ロッドレンズ２７の形状、大きさ及び材質は特に限定されない。

＜光学系１３０の効果＞
本実施形態の光学系１３０では、半導体レーザ２をヒートシンク２６の表面において平面的に配置するために、半導体レーザ２の取り付け精度を高めることができる。

さらに、複数のコリメートされたレーザ光の間隔を集光レンズ４の手前で十分に近接させることができるため、集光レンズ４での収差が小さく、効率的にレーザ光をロッドレンズ２７に入射させることが出来る。

〔実施形態４〕
本発明のさらに別の実施形態について、図５〜図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

以下、本実施形態では、半導体レーザと反射ミラーとが同一の基材上に実装された構成である光学系２００について説明する。

（光学系の概要構成）
まず、図５に基づいて、光学系２００の概略構成について説明する。図５は、光学系２００の構成の一例を示す概略図である。

光学系２００は、光源ユニット２０１及び集光レンズ４を備えている。光学系２００は、光源ユニット２０１から出射された光を、集光レンズ４を経由して光ファイバ９に入射させる光学系である。具体的には、光学系２００は、光源ユニット２０１内に実装された複数の発光装置３１から出射されたレーザ光を、コリメートレンズ８を通して平行光にする。そして、反射ミラー（第１光学部材）３４によって当該平行光の進行方向を変化させて窓５１からレーザ光を光源ユニット２０１の外部に設けている集光レンズ４へ導き、集光レンズ４によって上記平行光を、光ファイバ９の入射端部９ａに集光させる。

以下、光学系２００が備える各部材の構成について説明する。

（光源ユニット２０１）
光源ユニット２０１は、集光レンズ４へ向けて光を照射する装置で、光源を含む発光装置３１と反射ミラー３４とが同じ基材上に実装されている。

図６は、光学系２００に含まれる光源ユニット２０１の構成の一例を示すものである。図６の（ａ）は、光源ユニット２０１の上面図であり、図６の（ｂ）は、図６の（ａ）に示すＡ−Ａ‘の断面における光源ユニット２０１の断面図である。図７の（ａ）は発光装置３１の斜視図であり、図７の（ｂ）は光源ユニット２０１の平面図である。

図６に示すように、光源ユニット２０１は、発光装置３１、コリメートレンズ８、反射ミラー３４、銅ブロック（基材）４１、ステム４２、リード端子４３、ワイヤ４４及びパッケージ５０を備えている。

（発光装置３１）
発光装置３１は、反射ミラー３４に対して光を照射する装置である。図７の（ａ）に示すように、発光装置３１は、半導体レーザ３２及びサブマウント３３を備えている。図７の（ｂ）に示すように、１２個の発光装置３１が、銅ブロック４１の表面において円形上に配置されている。

（半導体レーザ３２）
半導体レーザ３２は、励起光を出射する光源である。半導体レーザ３２として、ＬＤチップを１２個用いている。半導体レーザ３２から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ８を通して反射ミラー３４に照射される。なお、発光装置３１（半導体レーザ３２）の個数、種類及び配置方法は上述のものに限定されない。

半導体レーザ３２は、ワイヤ４４を介してリード端子４３と接続されており、リード端子４３を介して外部の電源から電力を受け取る。

（サブマウント３３）
サブマウント３３は、半導体レーザ３２を固定し、半導体レーザ３２より出された熱を銅ブロック４１へと伝えるものである。サブマウント３３は、熱伝導率が高い材料からなり、例えば、熱伝導率が高い金属（例えば、Ａｌ）で構成することが好ましい。

（反射ミラー３４）
反射ミラー３４は、発光装置３１から発せられたレーザ光の進行方向を所定の方向に変更させる光学部材であり、銅ブロック４１の表面に配置されている。すなわち、発光装置３１及び反射ミラー３４は、共通の基材である銅ブロック４１に配置されている。

この反射ミラー３４は、十二角錘の形状を有しており、十二角錘が有する三角形の１２個の側面が、それぞれのレーザ光に対する反射面である。反射面はアルミニウムでコーティングされているが、反射面の形成方法は、これに限定されるものではない。例えば、ガラス面での全反射を用いたミラー等を用いてもよく、反射ミラー３４は、レーザ光の進行方向を変えることが出来る光学部材であればよい。

（銅ブロック４１）
銅ブロック４１は、半導体レーザ３２から放出される熱を、サブマウント３３を経由して受け取り、その熱を大気中に放出するヒートシンクである。このようなヒートシンクの材料として、本実施形態では、銅を使用しているが、銅以外の金属を使用してもよく、例えば熱伝導率が高い金属（例えばＡｌ）を使用していてもよい。

（ステム４２）
ステム４２は、銅ブロック４１を固定するための部材である。

（パッケージ５０）
パッケージ５０は、光源ユニット２０１を保護する部材であり、窓５１及びキャップ５２を備えている。窓５１は、反射ミラー３４によって進行方向が変更された光を集光レンズ４へと導くための部材である。窓５１は、例えばガラス板であるが、透明で光を通すことができる部材であればよい。

（製造工程）
光源ユニット２０１の製造工程について説明する。図７は、光源ユニット２０１の製造工程の一部を示す図である。図７の（ａ）は発光装置３１の斜視図、図７の（ｂ）は光源ユニット２０１の平面図、図７の（ｃ）はパッケージ５０を取り付ける前の光源ユニット２０１の断面図、図７の（ｄ）は、パッケージ５０を取り付けた後の光源ユニット２０１の断面図である。

まず、図７の（ａ）に示すように、半導体レーザ３２をサブマウント３３上に、はんだを使用し固定して発光装置３１を形成する。

そして、図７の（ｂ）に示すように、まず銅ブロック４１の中央に反射ミラー３４を装着する。次に、反射ミラー３４の周りにコリメートレンズ８を円形に１２個装着する。さらに、コリメートレンズ８の周りに発光装置３１を円形に１２個装着する。

次に、図７の（ｃ）に示すように、各半導体レーザ３２及びリード端子４３の間、銅ブロック４１及びサブマウント３３の間にワイヤ４４を張る。

その後に、図７の（ｄ）に示すように、パッケージ５０をステム４２上に固定し、光源ユニット２０１を完成させる。

＜光学系２００の効果＞
本実施形態の光学系２００では、１２個の半導体レーザ３２及び反射ミラー３４を、共通の基板である銅ブロック４１に対して固定している。そのため、光学系２００を構築するときに、複数の半導体レーザ３２と反射ミラー３４との相対位置関係を調節することが不要になり、容易に大出力の照明装置を実現できる。

また、半導体レーザ３２から反射ミラー３４までの部材を１つのパッケージの中に実装できるため、光学系２００全体のサイズを小さくできる。

さらに、複数のコリメートされたレーザ光の間隔を集光レンズ４の手前で十分に近接できることから、光ファイバ９の直前に位置する集光レンズ４における収差を小さくでき、効率的にレーザ光を光ファイバ９に入射することができる。そのために、高輝度の照明装置を実現できる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光学系は、
導光部材へ光を集光する光学系であって、
第１光学部材（反射ミラー３、反射ミラー１３、反射ミラー２４及び反射ミラー３４）と、第２光学部材（集光レンズ４）とを備え、
上記第１光学部材は、複数の光源（半導体レーザ２、半導体レーザ１２、半導体レーザ２２及び半導体レーザ３２）から出射された光の進行方向をそれぞれ変化させることにより当該光を上記第２光学部材へ導き、上記第２光学部材は、上記第１光学部材によって進行方向が変更された光を集光し、上記導光部材へ入射させる。

上記の構成によれば、複数の光源から出射された光の進行方向は、まず第１光学部材によって変更される。これにより当該光は、第２光学部材へ向う。第２光学部材は、進行方向が変更された光を集光し、導光部材へ入射させる。

それゆえ、導光部材の入射面の面積が小さい場合でも、複数の光源から出射された光を当該入射面に入射させることができる。また、第１光学部材によって、光の進行方向を変化させることができるため、複数の光源の配置の自由度を高めることができる。その結果、従来よりも多くの光源を用いることが可能となり、簡単な方法で従来よりも強い光を導光部材へ入射させることができる。

本発明の態様２に係る光学系は、上記態様１において、上記第１光学部材は、互いに異なる方向から出射された光をそれぞれ反射する複数の反射面を有していることが好ましい。

上記の構成により、第１光学部材の反射面の数および角度を設定することにより、複数の光源の数および配置を所望のものにすることができる。

本発明の態様３に係る光学系は、上記態様１または２において、
上記複数の光源は、共通の基材に配置されており、
上記複数の光源から出射された光を反射することにより当該光を上記第１光学部材へ導く複数の第３光学部材（反射ミラー２３）をさらに備えることが好ましい。

上記の構成により、複数の光源を共通の基材に配置することができ、光源を放熱させるための構造を単純なものにすることができる。

さらに、本発明の態様４に係る光学系では、上記態様１または２において、
上記複数の光源をさらに備え、
当該複数の光源および上記第１光学部材は、共通の基材に配置されていることが好ましい。

上記の構成により、複数の光源および第１光学部材を共通の基材に配置することができ、光源と第１光学部材との相対位置関係を固定することができるとともに、光源を放熱させるための構造を単純なものにすることができる。

さらに、本発明の態様５に係る光学系では、上記態様１から４のいずれかにおいて、
上記光源から出射された光を平行光へ変換するコリメートレンズ（８）をさらに備えることが好ましい。

上記の構成により、高い指向性を有する光を生成することができ、配光制御の精度を高めことができる。

本発明は、各種の発光装置または照明装置において利用される光を合成する光学系として利用することができる。

２ 半導体レーザ（光源）
３ 反射ミラー（第１光学部材）
４ 集光レンズ（第２光学部材）
８ コリメートレンズ
１２ 半導体レーザ（光源）
１３ 反射ミラー（第１光学部材）
２２ 半導体レーザ（光源）
２３ 反射ミラー（第３光学部材）
２４ 反射ミラー（第１光学部材）
３２ 半導体レーザ（光源）
３４ 反射ミラー（第１光学部材）
４１ 銅ブロック（基材）
２６ ヒートシンク（基材）
１００ 光学系
１１０ 光学系
１２０ 光学系
１３０ 光学系
２００ 光学系

Claims (4)

1. 導光部材へ光を集光する光学系であって、
   第１の反射ミラーと、
   集光レンズとを備え、
   上記第１の反射ミラーは、複数の光源から出射されたレーザ光の進行方向をそれぞれ変化させることにより上記レーザ光を上記集光レンズへ導き、
   上記集光レンズは、上記第１の反射ミラーによって進行方向が変更されたレーザ光を集光し、上記導光部材へ入射させ、
   上記複数の光源から出射されたレーザ光を反射することにより上記レーザ光を上記第１の反射ミラーへ導く複数の第２の反射ミラーをさらに備えることを特徴とする光学系。
2. 上記複数の光源は仮想平面上に配列され、上記複数の光源から出射されたレーザ光は平行であり、上記第１の反射ミラーによって進行方向が変更された平行なレーザ光の間隔は、上記複数の光源から出射された平行なレーザ光の間隔より狭いことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 上記第１の反射ミラーおよび上記第２の反射ミラーは、ガラスと空気の界面での全反射を用いたミラーであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
4. 上記光源から出射されたレーザ光を平行光へ変換するコリメートレンズをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学系。

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