JP2018018677A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学部材の温度上昇を抑制し、簡易な構造で光学部材へのダスト付着を効果的に抑制することができる光源装置を提供する。【解決手段】 半導体レーザ１０４と、半導体レーザ１０４からの光が入射する光入射面Ａと、光が出射する光出射面Ｂとを有する光学部材１０６と、光学部材１０６を保持し、光学部材１０６の光入射側及び光出射側に開口を有する筐体１０８と、を備え、筐体１０８は、筐体１０８の内側を横切るように通気可能な微細孔を有する光源装置１０２を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源を備えた光源装置に関する。

レーザ光源を備えた光源装置が、様々な分野で用いられるようになっている。このようなレーザ光源を備えた光源装置では、高出力のレーザ光が入射した光学部材の光パワー密度が高くなり、光集塵と呼ばれる現象が生じる場合がある。光集塵とは、有機物がレーザ光により光化学反応して、ダストとして光学部材に付着する現象である。

このような光集塵による光学部材の汚染に対処するため、周囲を囲まれた内部空間内に光学部材を配置した撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１８１６４３号公報

特許文献１に記載の撮像装置では、内部空間内に光学部材を配置することにより、内部空間の壁部を多孔質セラミックで構成して、内部の通気を図るようにしている。これにより、温度上昇で内部空間の気体が膨張しても、気体を外部へ流動させて、内部の光学部材の破損や剥離を防いでいる。
しかし、光学部材は、周囲を覆った内部空間を構成しているので、構造が複雑になって製造コストも上昇し、内部空間の温度上昇も顕著になるので、光学部材の劣化が生じる可能性が高くなる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、光学部材の温度上昇を抑制し、簡易な構造で光学部材へのダスト付着を効果的に抑制することができる光源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、本発明の一態様に係る光源装置は、半導体レーザと、前記半導体レーザからの光が入射する光入射面と、前記光が出射する光出射面とを有する光学部材と、前記光学部材を保持し、前記光学部材の光入射側及び光出射側に開口を有する筐体と、を備え、前記筐体は、前記筐体の内側を横切るように通気可能な微細孔を有する。

上記の態様によれば、光学部材の温度上昇を抑制し、簡易な構造で光学部材へのダスト付着を効果的に抑制することができる光源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光源装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置の変形例の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置のその他の変形例の構造を模式的に示す断面図である。 通気領域を通過しない気体が光学部材に当たることを防ぐことができる筐体の寸法を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光源装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光源装置の構造を模式的に示す断面図である。

以下、複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（本発明の第１の実施形態に係る光源装置）
はじめに、図１から図３を参照ながら、本発明の第１の実施形態に係る光源装置１０２の説明を行う。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の構造を模式的に示す断面図であり、図２は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の変形例の構造を模式的に示す断面図であり、図３は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置のその他の変形例の構造を模式的に示す断面図である。
なお、図面に示された太い黒矢印Ｃｖは、対流による気体の流れを示し、太い白矢印（白抜きの矢印）ＬＢは、半導体レーザからの光の光路を示す。

はじめに、図１に示す実施形態に係る光源装置１０２の説明を行う。本実施形態に係る光源装置１０２は、半導体レーザ１０４と、半導体レーザ１０４からの光が入射する光入射面Ａと、光が出射する光出射面Ｂとを有する光学部材１０６と、光学部材１０６を保持し、光学部材１０６の光入射側及び光出射側に開口を有する筐体１０８とを備える。

また、筐体１０８は、気体が筐体１０８の内側を横切るように通気可能な微細孔を有する通気領域１０８ａを備える。図１に示す実施形態では、筐体１０８の光学部材１０６を保持する領域が、微細孔を有しない非通気領域１０８ｂとなっている。つまり、図１に示す筐体１０８では、半導体レーザ１０４からの光の進行方向に沿って、通気領域１０８ａ、非通気領域１０８ｂ、通気領域１０８ａの順に構成されている。

半導体レーザ１０４からの光が入射した光学部材１０６は、光パワー密度が高くなるので温度が上昇する。よって、光学部材１０６の温度をＴ２とし、外気の温度のＴ１とすると、Ｔ２はＴ１よりも高くなる。

よって、光学部材（温度Ｔ２）と外気（温度Ｔ１）との間の温度差による対流で、外気が筐体１０８の通気領域１０８ａを通過して、筐体１０８の内側に入り、筐体１０８の内側を横切って、再び、筐体１０８の通気領域１０８ａを通過して、外へ流出する（図１の黒矢印Ｃｖ参照）。なお、半導体レーザ１０４及び筐体１０８を略水平に配置した場合、Ｔ１＜Ｔ２の温度差による対流に加えて、下方から上方への自然対流も加わるので、より気体の流れが生じ易くなる。

このようにして気体が通気領域１０８ａを通過するとき、微細孔を有する通気領域１０８ａがフィルタの機能を果たすことができるので、外気に含まれるダストが筐体１０８の内部に侵入するのを抑制できる。これにより、光学部材１０６にダストが付着するのを防ぐことができる。微細なダストも捕捉するフィルタの機能を発揮するため、通気領域１０８ａの微細孔の口径としては、０．３〜４０μｍ程度が好ましく、１〜５μｍ程度が更に好ましい。また微細孔の具体的な形状としては、一例としては微細な複数の貫通穴が挙げられる。

以上のように、本実施形態では、光学部材１０６の温度上昇を抑制し、簡易な構造で光学部材１０６へのダスト付着を効果的に抑制することができる光源装置１０２を提供することができる。特に、光学部材１０６と外気との間の温度差による対流により、外気が通気領域１０８ａを通過して筐体１０８の内側を横切るので、より効果的に光学部材１０６へのダスト付着を抑制することができる。

図１に示すように、本実施形態では、筐体１０８の光入射側の端面と光学部材１０６の光入射側の端部との間にＬ１の距離を有し、筐体１０８の光出射側の端面と光学部材１０６の光出射側の端部との間にＬ２の距離を有する。気体は、光入射側の長さＬ１の空間及び光出射側の長さＬ２の空間を気体が流れる。このとき、気体は、筐体１０８の側面に対して垂直（図１で上方）に進むだけでなく、筐体１０８の側面に対して斜め（図１で斜め上方）に進む場合もあり得る。

その場合、筐体１０８の光入射側の端部近傍及び光出射側の端部近傍では、通気領域１０８ａを通過しないで、気体が筐体１０８の外部から内部に入ったり、通気領域１０８ａを通過しないで、気体が筐体１０８の内部から外部に出たりする場合がある。しかし、そのような場合であっても、通気領域１０８ａを通過しない気体がそのまま光学部材１０６に当たることが無ければ、外気に含まれるダストが光学部材１０６に付着するのを防ぐことができる。

ここで、「筐体１０８の内側を横切るように通気可能」とは、少なくとも半導体レーザ１０４からの光が進む光路を横切る、つまり筐体１０８の中央領域を通過することを意味する。例えば、図１において、通気領域１０８ａを通過した気体が、筐体１０８の開口の中央領域を横方向に進む光路（白矢印ＬＢ参照）を横切る場合、または、この光路を横切った気体が通気領域１０８ａを通過する場合を意味する。

図４は、通気領域１０８ａを通過しない気体が光学部材１０６に当たるのを防ぐことができる筐体１０８の寸法を模式的に示す断面図である。図４において、筐体１０８の側面に対して垂直な方向に対して角度θで気体が流入し（黒矢印Ｃｖ参照）、筐体１０８の内径、つまり光学部材１０６の外径をＤであり、筐体１０８の端面と光学部材１０６の端部との間の距離をＬとする。

例えば、θ≧４５度とする場合は
Ｌ ≧ Ｄ
の関係を有すれば、通気領域１０８ａを通過しない気体がそのまま光学部材１０６に当たることを防ぐことができる。
また、例えば、θ≧６０度とする場合は
Ｌ ≧ １．７３２Ｄ
の関係を有すれば、通気領域１０８ａを通過しない気体がそのまま光学部材１０６に当たることを防ぐことができる。

光学部材１０６にダストが付着するのを防ぐ観点からはＬは長い方が良いが、Ｌがあまり長くなると、光学部材１０６の冷却が不十分で温度が上昇する可能性がある。よって、筐体１０８の設置位置、向き、周囲の環境等を考慮して、最適なＬの寸法を定めるのが好ましい。

微細孔を有する通気領域１０８ａを、例えば、ゼオライト、炭及びガラスを含む多孔質材料から形成することができる。また、これに限られるものではなく、微細孔を有する通気領域１０８ａを、例えば、多孔性のエレクトレット材料から形成することもできる。
何れの材料を用いる場合も、比較的低コストで、優れたフィルタ機能を備えた通気領域１０８ａを形成することができる。

半導体レーザ１０４としては、可視光域だけでなく、紫外線域、赤外線域の波長の光を出射する任意のタイプのレーザ光源を用いることができる。また、筐体１０６の非通気領域１０８ｂとしては、樹脂材料、セラミック、金属材料をはじめとする任意の材料を用いることができる。

図２には、本発明の第１実施形態に係る光源装置の変形例を示す。図２に示す光源装置（変形例）が、図１に示す光源装置と異なるのは下記の点である。
図２に示す光源装置１０２では、筐体１０８が非通気領域１０８ｂを有しておらず、微細孔が、筐体１０８における光入射側の端部から光出射側の端部かけて連続的に形成されている。その他に点については、図１に示す場合と同様であるので、更なる説明は省略する。

図２に示す変形例では、筐体１０８の全長に渡って微細孔が連続的に形成されているので、通気性能及びフィルタとしての性能に優れた筐体１０８を提供できる。
なお、筐体１０８の光学部材１０６を取り付ける領域に関しては、嵌合で光学部材１０６を保持することもできるし、少量の接着剤を用いて光学部材１０６を保持することもできるし、筐体１０８の内面に、光学部材１０６をはめ込む凹凸形状を設けることもできる。

図３には、本発明の第１実施形態に係る光源装置のその他の変形例を示す。図３に示す光源装置（変形例）が、図１に示す光源装置と異なるのは、２つの光学部材１０６ａ、１０６ｂを備える点である。その他に点については、図１に示す場合と同様であるので、更なる説明は省略する。

２つの光学部材１０６ａ、１０６ｂを備える場合であっても、筐体１０８は、光学部材１０６ａの光入射側及び光学部材１０６ｂの光出射側に開口を有している。よって、光学部材１０６ａは筐体１０８の光入射側の開口により、また光学部材１０６ｂは筐体１０８の光出射側の開口により、温度の上昇を抑制できる。

図３に示す光源装置１０２では、筐体１０８が、通気領域１０８ａ及び非通気領域１０８ｂで構成されているが、図２に示す場合と同様に、筐体１０８が通気領域１０８ａだけで構成されている場合もあり得る。

図１から図３に示す何れの実施形態においても、光学部材（温度Ｔ２）と外気（温度Ｔ１）との間の温度差による対流により、外気が筐体１０８の通気領域１０８ａを通過するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、温度上昇した光学部材１０６からの熱伝導等により、筐体１０８の温度が上昇する場合もあり得る。よって、筐体１０８の温度をＴ２’とし、外気の温度のＴ１とすると、Ｔ２’はＴ１よりも高くなる場合もあり得る。

この場合でも、筐体（温度Ｔ２’）と外気（温度Ｔ１）との間の温度差による対流で、外気が筐体１０８の通気領域１０８ａを通過して、筐体１０８の内側に入り、筐体１０８の内側を横切って、再び、筐体１０８の通気領域１０８ａを通過して、外へ流出する（図１〜図３の黒矢印Ｃｖ参照）。この場合においても、半導体レーザ１０４及び筐体１０８を略水平に配置した場合、Ｔ１＜Ｔ２’の温度差による対流に加えて、下方から上方への自然対流も加わるので、より図１の黒矢印Ｃｖで示すような気体の流れが生じ易くなる。

以上のように、筐体（温度Ｔ２’）と外気（温度Ｔ１）との間の温度差によっても、簡易な構造で光学部材１０６へのダスト付着を効果的に抑制することができる光源装置１０２を提供することができる。

（本発明の第２の実施形態に係る光源装置）
次に、図５を参照ながら、本発明の第２の実施形態に係る光源装置２０２の説明を行う。図５は、本発明の第２の実施形態に係る光源装置の構造を模式的に示す断面図である。

本実施形態に係る光源装置２０２は、半導体レーザ２０４と、半導体レーザ２０４からの光が入射する光入射面Ａと、光が出射する光出射面Ｂとを有する光学部材２０６と、光学部材２０６を保持し、光学部材２０６の光入射側及び光出射側に開口を有する筐体２０８とを備える。また、筐体２０８は、気体が筐体２０８の内側を横切るように通気可能な微細孔を有する通気領域２０８ａを備える。図５に示す実施形態においても、筐体２０８の光学部材２０６を保持する領域が、微細孔を有しない非通気領域１０８ｂとなっている。

更に、半導体レーザ２０４の後方から光の出射方向に流入した気体を横方向へ流して、筐体２０８の一方の側面から通気領域２０８ａを通過するようにするガイド２１０、２１２が備えられている。特に、ガイド２１２により、気体が入り側の開口から筐体２０８の内部に流入するのを防ぐようになっている。

半導体レーザ１０４は稼働により温度が上昇する。よって、半導体レーザ１０４の温度をＴ３とし、外気の温度のＴ１とすると、Ｔ３はＴ１よりも高くなる。

この場合においても、半導体レーザ１０４（温度Ｔ３）と外気（温度Ｔ１）との間の温度差による対流で、外気がガイド２１０の内面及びガイド２１２の外面に沿って流れ、筐体２０８の通気領域２０８ａを通過して、筐体２０８の内側に入り、筐体２０８の内側を横切って、再び、筐体２０８の通気領域２０８ａを通過して、外へ流出する（図５の黒矢印Ｃｖ参照）。
なお、半導体レーザ１０４及び筐体１０８を略垂直に配置した場合、Ｔ１＜Ｔ３の温度差による対流に加えて、下方から上方への自然対流も加わるので、より図５の黒矢印Ｃｖで示すような気体の流れが生じ易くなる。

このとき、微細孔を有する通気領域２０８ａがフィルタの機能を果たすことができるので、外気に含まれるダストが光学部材１０６に付着するのを防ぐことができる。

本発明の第２の実施形態に係る光源装置２０２によれば、半導体レーザ１０４（温度Ｔ３）と外気（温度Ｔ１）との間の温度差により、より効果的に光学部材２０６へのダスト付着を抑制することができる。

（本発明の第３の実施形態に係る光源装置）
次に、図６を参照ながら、本発明の第３の実施形態に係る光源装置３０２の説明を行う。図６は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置の構造を模式的に示す断面図である。

本実施形態に係る光源装置３０２の基本的な構成は、図１に示す本発明の第１の実施形態に係る光源装置１０２と同様である。異なるのは、筐体３０８の対向する領域の温度が異なる点である。更に詳細に述べれば、筐体３０８の対向する一方の領域の温度をＴ４とし、他方の領域の温度をＴ５とすると、Ｔ５はＴ４よりも高くなる。

よって、筐体３０８の一方の領域（温度Ｔ４）と他方の領域（温度Ｔ５）との間の温度差による対流で、外気が筐体３０８の通気領域３０８ａを通過して、筐体３０８の内側に入り、筐体３０８の内側を横切って、再び、筐体３０８の通気領域３０８ａを通過して、外へ流出する（図６の黒矢印Ｃｖ参照）。

本実施形態では、筐体３０８が温度差を有するので、筐体３０８を任意の方向に配置しても、上記の気体の流れを形成することができる。ただし、半導体レーザ３０４及び筐体３０８を、一方の領域(温度Ｔ４）が下側に位置し、他方の領域(温度Ｔ５）が上側に位置するように配置した場合、Ｔ４＜Ｔ５の温度差による対流に加えて、下方から上方への自然対流も加わるので、より図６の黒矢印Ｃｖで示すような気体の流れが生じ易くなる。

このとき、微細孔を有する通気領域３０８ａがフィルタの機能を果たすことができるので、外気に含まれるダストが光学部材３０６に付着するのを防ぐことができる。

筐体３０８の領域によって温度差を設ける方法としては、一方の領域を加熱または冷却することにより実現することができる。更に、筐体３０８の領域によって異なる材料を用いることにより、高温になった光学部材３０６からの熱伝導の態様を異ならせて、温度差を設けることもできる。

以上のように、筐体３０８における温度差による対流で、外気が通気領域３０８ａを通過して筐体３０８の内側を横切るようにすることができる。これにより、より効果的に、光学部材３０６へのダスト付着を効果的に抑制することができる。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

１０２、２０２、３０２ 光源装置
１０４、２０４、３０４ 半導体レーザ
１０６、２０６、３０６ 光学部材
１０８、２０８、３０８ 筐体
１０８ａ、２０８ａ、３０８ａ 通気領域
１０８ｂ、２０８ｂ、３０８ｂ 非通気領域
２１０ ガイド
２１２ ガイド
Ａ 光入射面
Ｂ 光出射面
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ２’、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５ 温度
ＬＢ 光路
Ｃｖ 対流による気体の流れ

Claims (8)

1. 半導体レーザと、
   前記半導体レーザからの光が入射する光入射面と、前記光が出射する光出射面とを有する光学部材と、
   前記光学部材を保持し、前記光学部材の光入射側及び光出射側に開口を有する筐体と、
   を備え、
   前記筐体は、前記筐体の内側を横切るように通気可能な微細孔を有することを特徴とする光源装置。
   
2. 前記微細孔は、前記筐体における前記光入射側の端部から前記光出射側の端部にかけて連続的に有している請求項１に記載の光源装置。
   
3. 前記筐体の前記微細孔が設けられた領域が、ゼオライト、炭及びガラスを含む多孔質材料から形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
   
4. 前記筐体の前記微細孔が設けられた領域が、多孔性のエレクトレット材料から形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
   
5. 前記光学部材と外気との間の温度差による対流で外気が前記筐体の内側を横切ることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置。
   
6. 前記筐体と外気との間の温度差による対流で外気が前記筐体の内側を横切ることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置。
   
7. 前記半導体レーザと外気との間の温度差による対流で外気が前記筐体の内側を横切ることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置。
   
8. 前記筐体の対向する領域の温度差による対流で、外気が前記筐体の内側を横切ることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置。