JP2022031843A - 光学部品を有するレーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単にかつ安価に製造できるレーザモジュールを提供する。【解決手段】レーザモジュール（１００）はキャビティ（１１１）と窓開口部（１１２）とを有するハウジング（１１０）と、キャビティに配置された、光放射をレーザ光（１２３）として出射するための側面発光型半導体レーザダイオード（１２０）と、側面発光型半導体レーザダイオードから出射されたレーザ光を、窓開口部（の方向へ偏向するための光偏向構造（１３０）と、窓開口部の領域に配置された、レーザ光（１２５）を規定の方向に向けておよび／または規定の発光プロファイルを有するように取り出すための光取出し構造（１４０）と、を有し、光偏向構造と光取出し構造は、共有の光学部品（１５０）としてひとつにデザインされている。【選択図】図３

Description

本発明は、ハウジングとその中に配置される側面発光型半導体レーザダイオードを有するレーザモジュール、レーザ光を偏向させるための偏向構造、および、レーザ光を形成するための回折光学素子として、または、ブリュースターウィンドウとして例えば構成されてもよい光取出し構造に関する。本明細書において、光偏向構造および光取出し構造は、光学部品としてひとつに構成されている。

半導体レーザチップを有するレーザ素子は様々な技術的用途に使用されている。このようなレーザ素子において、レーザチップはそのレーザ面が早期に劣化しないように、密閉して封入された状態でハウジングに配置されている。また、ハウジングは廃熱をレーザチップから放散させる。タイムオブフライト法（ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）の用途に使われるパルスレーザを有するモジュール等、特定のレーザモジュールは、組み立て平面内に出射する端面発光から、規定の発光プロファイルを有する、組み立て平面に対して垂直に出射する頂面発光を製造するために、光線偏向および回折光学素子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）を必要とする。レーザ光を偏向させるために、一般的なモジュールではハウジング内に規定された方法で配置する必要のあるガラス製の４５°プリズムを使用する。ここで、モジュールハウジングからのレーザ光を出射する開口部領域に配置される樹脂製またはガラス製の、さらに別の素子が回折光学素子となる。すなわち、このようなレーザモジュールを製造するには二つの光学部品を組み立てて正確に調整する必要があり、一定の支出が必要とされる。加えてガラス製のプリズムの製造にも比較的費用がかかる。

赤外線レーザ放射は距離を測るための別の方法にも使用される。タイムオブフライト法（ＴＯＦ）の用途に加えて、特に、周囲のものを検出するために自動車において使用される光検出と測距（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ ：ＬＩＤＡＲ）や三次元の物体をスキャンしたりカメラ用途において焦点を合わせるために使用される構造光（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ：Ｓ－Ｌ）などが挙げられる。これらの測定方法はスマートフォンやバーチャルリアリティ（ＶＲ）用のヘッドセットなど、モバイルの用途に使用されることも増えてきた。ここで原則として、特に高い効率を有するがゆえに区別されるレーザダイオードは、レーザ光源として使用される。組み立て時の取り扱いを簡単にするために、このようなレーザダイオードは原則として特別なハウジング（パッケージ）に設置される。それぞれの用途にもよるが、処理の間パッケージには特別な要求が課される。従って、レーザダイオードのパッケージは標準的なＳＭＴプロセスの際、原則としてその他の電子部品と一緒に処理されなければならない。さらに、レーザ技術の特別な知識や、無菌室などの特別な予防措置を必要とせずに、当該部品を処理することが可能になるべきである。また、レーザ光は組み立て平面の面法線の方向に出射されなければならない。加えて、パッケージはその設置高さができるだけ低く、特に、プリント回路基板上にレーザダイオードと一緒に配置されるその他のＳＭＴ電子部品の設置高さを超えない高さでなければならない。これは、いかなる場合にも設置空間がほとんど取れないモバイル用途にあってはなおさらである。構造光のような特定の用途において、出射面におけるビーム径が大きいことが必要、あるいは、少なくとも望ましいことから、パッケージはレーザ光が容易に内部で十分に広がることができなければならない。原則として電力の取り込みが少ないことがモバイル用途では望ましいことから、パッケージは電気光学効率ができるだけ高い方がよい。最後に、パッケージはできるだけ安価に、かつできるだけ少ない数の処理工程で製造できなければならない。

本発明の目的は、以上述べた要求を満たし、さらに比較的簡単にかつ安価に製造できるレーザモジュールを提供することである。本目的は、請求項１に記載のレーザモジュール、および請求項１９に記載の光学部品によって達成される。様々な発展形態が従属請求項において特定される。

本明細書において、レーザモジュールはキャビティと窓開口部を備えるハウジングを有する。光放射をレーザ光として出射するために、側面発光型半導体レーザダイオードがキャビティに配置される。レーザモジュールは、半導体レーザダイオードから出射されたレーザ光を、窓開口部の方向へ偏向させるための光偏向構造、および、窓開口部の領域に配置され、レーザ光を規定の方向に向けて、および／または、規定の発光プロファイルを有するように取り出すための光取出し構造をさらに有する。本明細書において、光偏向構造および光取出し構造は、共通の光学部品としてひとつに構成されている。レーザモジュールの組み立ては、二つの別々の光学部品の代わりに１つの光学部品を使用することにより容易になる。さらに、１つの光学部品を使えば調整の行程も一回で済み、結果としてレーザモジュールの製造が容易になりうる。この場合、公差チェーン（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｃｈａｉｎ）も減少し、特に、調整精度が上がるため有利である。加えて、ひとつの部品として構成された光学部品は、その後に発生する調整時の損失に対しても比較的左右されにくい。

一実施形態において、規定の発光プロファイルを有するレーザ光を生成するための、回折光学素子として構成される光取出し構造が提供される。このような回折光学素子により、簡単かつ安価にさまざまな光パターンを製造することが容易にできる。

さらなる実施形態において、ブリュースターウィンドウとして構成される光取出し構造が提供される。屈折窓を使えば、光インターフェースにおけるレーザ放射の反射をきわめて簡単に減少させることができる。その結果、まず光学部品の電気光学効率を上げることができると同時に、レーザ放射の偏光度を上げることができる。

一実施形態において、空洞のないプリズムとして構成される光学部品が提供される。このような空洞のないプリズムは、プロセスの中で比較的簡易に製造できる。特に、空洞のないプリズムを製造するために射出成形法を使用した場合、射出成形部品を製造する方法を難しくしかねない複雑な形状のアンダーカットを省くことができる。

さらなる実施形態において、半導体レーザダイオードに対向する入力面を有する光学部品が提供され、この入力面は反射防止膜を備えている。この入力面の特別な配置のおかげで、入力面においてプリズムへ移る際に起こりうるレーザ光の反射が、回折光学素子では起きない。この結果、入力面で反射されたレーザ光と、レーザモジュールから回折光学素子を介して通常通り出てくるレーザ放射との望ましくない相互作用を防ぐことができる。一方で、入力面が備える反射防止膜により、レーザモジュールの電力損失を減らすことができる。

さらなる実施形態において提供される光学部品は中が空洞であって、その光学部品の側壁を介して光偏向構造と回折光学素子が互いに接続するように構成される。このような光学部品はより少ない原料費用で製造することができ、原料コストを抑えることができる。同時に、空洞の構造物であるために、光学部品の重量も減らすことができる。さらに、光学部品を通り抜けるときに起きるレーザ光の出力損失および質の低下を、空洞がない構造であるように構成された光学部品に比べて減らすことができる。

さらなる実施形態において、入力側に反射防止膜を備える回折光学素子が提供される。この反射防止膜により、回折光学素子として機能する光学部品の一部におけるレーザ光の望ましくない反射を避けることができ、当該一部へのレーザ光の取込みが向上しやすくなる。すなわち、レーザモジュールからより高い出力を得ることができる。

さらなる実施形態において、半導体レーザダイオードから出射された光放射に対して反射性の面を有する光偏向構造が提供される。レーザ光の理想的な反射が達成でき、レーザモジュールからより高い出力が得られる。

さらなる実施形態において提供される光偏向構造の反射面は、金属または誘電材料からなる皮膜を有する。このような反射膜を使用することで、光学部品の材料自体が適切な反射をすることがなくとも、レーザ光の理想的な反射を達成できる。金属は高い反射率を有するために、反射層の製造にきわめて適した材料である。

さらなる実施形態において、光偏向構造の反射面が提供され、反射面は半導体レーザダイオードに対し、半導体レーザダイオードから出射されたレーザ光が実質的に全反射によって、窓開口部の方向へ偏向するような角度で配置される。レーザ光を偏向させるために全反射を活用すれば、反射性材料を使った別の皮膜は不要になりうる。そのため、より単純で安価な製品を得ることができる。

さらなる実施形態において提供されるレーザモジュールは、半導体レーザダイオードの出射方向において光偏向構造の下流側に配置されるフォトダイオードを有し、フォトダイオードはハウジング内における光学部品の正しい組み立て位置をモニターする。このようなフォトダイオードにより、モジュールハウジングにおける不正確な組み立て、および、その後に起こる光学部品のずれを検出することができる。すなわち、レーザモジュールの操作安全性、特に眼に対する安全性を大幅に増加させることができる。

さらなる実施形態において提供されるレーザモジュールは、光学部品が正しい組み立て位置から外れたことをフォトダイオードが検知すると、すぐに半導体レーザダイオードを停止させる停止電子機器をさらに有する。すなわち、このような停止電子機器によりレーザモジュールの操作安全性を高めることが簡単に行える。モジュールハウジングにこのような停止電子機器を配置することで、きわめて早く、そして、きわめて効果的に半導体レーザダイオードを停止することができる。すなわち、きわめて高いレーザモジュールの操作安全性が簡単に実現できる。

さらなる実施形態において提供されるレーザモジュールは、さらに半導体レーザダイオードを操作するための駆動回路を有する。駆動回路をレーザモジュールと統合することで、きわめて小型のレーザモジュール構造にすることが容易になる。

さらなる実施形態において提供される駆動回路は、半導体レーザダイオードをパルスモードで操作するように構成される。このようなレーザモジュールは、異なるタイムオブフライト法の用途に特にふさわしい。

さらなる実施形態において提供される光学部品は樹脂材料から形成される。バーや個々の部品の加工が必要となるガラス材料に比べて、樹脂材料はきわめて簡単かつ安価に光学部品を製造することが容易にできる。

さらなる実施形態において提供される光学部品は射出成形部品として構成される。この製造方法で、きわめて簡単に、かつ、早く光学部品を製造することができる。射出成形を使うことで製造コストを大幅に減らすことができる。

さらなる実施形態において提供される光偏向構造は、レーザ光を偏向させるための反射面を少なくとも２つ有する。この構造によって、光偏向素子内におけるレーザ光を意図したように誘導することが可能になる。複数の反射面を使用すれば、それぞれの反射面における反射角度を小さくすることができ、結果として全反射を得ることが容易になる。特に、より低い光屈折率を有する材料を、プロセスの中で使用することができる。複数の内部反射を利用することにより、光偏向素子内におけるレーザ光を意図したように誘導することがさらに容易になり、結果として特定のビーム成形を向上させることができる。

さらなる実施形態において提供される少なくとも一部の反射面は、全反射によってレーザ光を偏向するように構成される。全反射によって反射面にさらなる皮膜がなくても光線を偏向することができる。そのため、製造支出と製造コストを抑えることができる。

さらなる実施形態において提供される反射面は、レーザダイオードから出射されたレーザ光に対して配置され、その配置は、最初は組み立て平面に対して実質的に垂直に伸びるレーザ光の第１広がり軸が、組み立て平面に対して実質的に平行になるように回転する配置である。側面発光型レーザダイオードの場合、原則としてレーザ光は鉛直方向において最も広がりが大きいため、広がり軸を鉛直方向から水平方向に回転させることにより、光偏向構造の設置高さを全体として低くすることができ、すなわちレーザモジュールの設置高さを全体として低くすることができる。さらに、このような配置により、レーザ光を拡大するために、光偏向構造内におけるレーザ光の誘導を長くすることが容易になる。

さらなる実施形態において提供される光偏向構造は、レーザ光取込みのための入射面と、レーザ光取出しのための出射面とを有し、これらの面のうち少なくともひとつは、そこにレーザ光が当たるブリュースターウィンドウとして構成される。ブリュースターウィンドウを使えば、光インターフェースにおけるレーザ放射の反射をきわめて簡単な方法で減少させることができる。その結果、まず光学部品の電気光学効率を上げることができると同時に、レーザ放射の偏光度を上げることもできる。

さらなる実施形態において提供される光偏向構造は、全反射によってレーザ光を光偏向構造内において誘導するように構成された光導波路構造を有する。光導波路構造を使用することで、レーザ光を光偏向構造内において意図した態様で誘導することができる。特に偏向構造内において、きわめて長いレーザ光路を実現するのに使用でき、レーザ光をきわめて大きく広げることができる。

全反射ミラーを使用すると、コーティングされた光学素子を使用しなくとも、組み立て平面の面法線への光線偏向が容易に行われる。一般的に、コーティングされた素子は別の処理工程において組み立てられなければならず、加えて、そのような素子は製造するのに高い費用を必要とする。一方で、本明細書中で説明される光学部品は、樹脂製の射出成形部品として比較的簡易かつ安価に製造することができる。

ブリュースターウィンドウは表面における反射を減らすことで、レーザモジュールの電気光学効率を全体として増加させる。さらに、起こりうる迷放射や吸収されたレーザ放射によるレーザモジュールへの熱流入を減らすことができる。ブリュースター効果は１つの偏光方向にのみ起こるため、さらにはレーザモジュールから出射されたレーザ光の偏光度を高めることにも使用できる。

レーザダイオードの好ましい組み立て時に、最大ビーム広がり軸は組み立て面に対して法線の方へ向くが、これは最大ビーム径と最小設置高さとの間に技術的な矛盾を引き起こす。この矛盾は述べてきたようにレーザ光線の最大広がり方向を傾けることによって解決することができる。こうしてレーザ光の大きなビーム径とレーザモジュールの低い設置高さとを両立することが可能となる。

ハウジングに光学部品を統合すれば、別の光学素子を組み立てる必要がなくなる。組み立てに適した表面を維持する必要もなくなる。すなわち、基板はより安価に具体化でき、従来の方法とは対照的に、複数の機能がまとめられた単一の部品を組み立てるだけで済む。複数の機能とは、すなわち密閉封入された（少なくとも防塵の）ハウジング、組み立て用工具（例えばピックアンドプレイス工具）の取り付け位置として適切な表面、光線偏向、光線拡大、および、出射窓である。このため、組み立てるべき部品の数が減少し、それに応じて処理工程の数も減少する。

本発明の上述した特性、特徴、および利点と、これらを達成する方法は、図面に関連して以下にさらに詳しく説明する例示的な実施形態と合わせて、さらに明確かつ容易に理解されるであろう。

偏向素子してのガラスプリズムと、それとは別に形成された回折光学素子とを有する、レーザモジュールを示す図である。 共通の光学部品として構成されている光偏向構造と回折光学素子とを有する、レーザモジュールを示す図である。 光偏向構造が特別な反射膜を備えた光学部品を有する、さらなるレーザモジュールを示す図である。 空洞のない構造として形成された光学部品を示す図である。 空洞のある構造として形成された光学部品を示す図である。 空洞のある構造として形成された光学部品を有する、さらなるレーザモジュールを示す図である。 空洞のある構造として形成された光学部品を有する、さらなるレーザモジュールであり、レーザ光の偏向が全反射によりもたらされているレーザモジュールを示す図である。 フォトダイオードと操作安全性を高めるための停止装置とを有する、さらなるレーザモジュールを示す図である。 全反射によってレーザ光が偏向する２つの反射面を有する光偏向構造を例示的に示す図である。 １つのみの反射面と入力側ブリュースターウィンドウを有する光偏向構造を示す図である。 ＰＣＢ基板上で使用されるための、側壁を有する光学素子の可能なデザインを例示的に示す図である。 光線を所望の出射方向へ屈折させる入力側屈折窓を有する光偏向構造を示す図である。 光導波路として構成された部分を有する光学部品を示す図である。 全部で５つの反射面を有する光学部品であり、反射面によってレーザ光の広がり軸が回転する光学部品を示す図である。 図１４の光学部品を別の視点から描いた図である。 全部で３つの反射面と、入力側および出力側ブリュースターウィンドウとを有する光学部品の斜視図である。 図１６の光学部品を別の斜視図で示す図である。 図１６と１７の光学部品をさらに別の斜視図で示す図である。 図１６から１８の光学部品をさらに別の斜視図で示す図である。 入力側ブリュースターウィンドウを有する光学部品の平面図であり、その幾何学的条件を明らかにする図である。 ブリュースターウィンドウとして構成された光取出し構造を有する、さらなるレーザモジュールを示す図である。 図２１のレーザモジュールの断面を示す図である。

図１はハウジング１１０と、ハウジング１１０のキャビティ１１１に配置された側面発光型半導体レーザダイオード１２０とを有する、一般的なレーザモジュール１００を示す図である。モジュールハウジングは、例えば回路基板として構成され得るハウジングベース１１４、側壁、および、窓開口部１１２を備えるかぶせ板とを有する。ここで、窓開口部１１２は回折光学素子（ＤＯＥ）として具体化された部品１４０で密閉される。一般的に、回折光学素子は、例えばガラスや樹脂などの透明な材料からなるキャリアであり、その上側１４１または下側１４２には特別に構成された微細構造が配置されている。微細構造では、規定の干渉縞が位相変調によって、入射レーザ光から作られる。この干渉縞の強度分布により、モジュールハウジングから出射されたレーザ光から所望の発光プロファイルが形成される。また、反射性表面１３１を有し、光偏向素子として機能するプリズム１３０はキャビティ１１１内に配置される。ハウジングベース１１４に対して実質的に平行なマウント１１３に配置された半導体レーザダイオード１２０は、側部面を介して規定の光放射を集束レーザ光１２３として横方向に出射する。光偏向素子へ向かったレーザ光１２３は、反射面１３１において窓領域の方向へ偏向される。反射されたレーザ光１２４は、回折光学素子１４０により用途に応じたレーザ光１２５へ変換される。図１でさらに示されるように、光偏向構造１３０と回折光学素子１４０はそれぞれ別個の部品として形成され、それぞれ専用の組み立て工程および調整工程を必要とする。どちらの素子も別個に調整する必要があるため、より長い公差チェーンや個々の光学部品の調整誤差のために、光学部品パーツの調整不良がきわめて起こりやすくなりえる。

図２は改良レーザモジュールを示す図であり、レーザモジュールの中で、光偏向構造１３０と回折光学素子１４０は、共通の光学部品１５０として、ひとつに構成されている。一つの工程で一緒に製造されるため、このような光学部品においては、光偏向構造１３０と回折光学素子１４０の間ですでに理想的な調整がなされている。そのため、ハウジング１１０への組み立て後か組み立て時に、光学部品１５０を半導体レーザダイオード１２０に対して調整するという点における調整工程が１回必要であるだけである。

光学部品１５０が統合された実施形態であれば、必要なのは１つの部品をハウジング１１０内またはハウジング１１０上に固定するだけであるため、レーザモジュール１００の組み立ても容易になる。

ここで、光学部品１５０は好ましくは樹脂材料から製造される。安価な樹脂材料を使用すれば、一般的にはガラスから形成される偏向プリズムに比べると、大幅に製造コストを減らすことができる。例えば、ポリカーボネートが光学部品１５０の樹脂として適している。しかしながら、適切な透明樹脂であれば、光学部品１５０の材料として使用できる。

樹脂を使用することで、射出成形部品として光学部品１５０を製造することがより容易になる。この方法により、特にガラスプリズムの複雑な製造処理と比べて、製造コストを大幅に減らすことが可能になる。

図２の例示的な実施形態と同様に、光学部品１５０は空洞のないプリズムの形をとって、空洞がないように具体化することができる。あるいは、光学部品１５０は側壁のみからなる、空洞のあるプリズムとして製造することもできる。空洞がない構造では、半導体レーザダイオード１２０から横方向に出射されたレーザ光１２３は、レーザダイオード１２０の出射面１２１に対向する入力面１５１を介して、光学部品１５０へ入射する。入力面１５１には反射損失を最小限に抑えるために、適切な反射防止膜１５２を備えることができる。光学部品１５０においてレーザ光１２３は、本例示の実施形態では反射面１３１として構成されている光偏向構造１３０に当たる。反射面１３１の傾きは実質的に４５°であるため、そこに当たるレーザ光１２３は実質的に垂直に、かつ、上方へ、回折光学素子１４０の方向に反射される。しかしながら、原理上、反射面１３１の傾斜角はその後の用途に応じて、４５°から外れてもよい。最後に、光学部品１５０の上部を形成する回折光学素子１４０は、そこに当たった反射レーザ光を、規定の発光プロファイルを有する出射レーザ光１２５へと作りかえる。そのために必要とされる微細構造を、例えば回折光学素子１４０の上側１４１に配置することができる。

図２からさらに明らかなように、小型のレーザモジュール１００は、半導体レーザダイオード１２０を操作するための駆動回路１７１を、予めさらに有していてもよい。外部の駆動回路を必要としないため、レーザモジュールの組み立てが容易になる。また、タイムオブフライト法の用途で特に必要とされることであるが、駆動回路１７１が半導体レーザダイオード１２０に対してすぐ近辺にあることで、きわめて速く正確な半導体レーザダイオード１２０の制御が可能になる。

ここに示される例示的な実施形態において、駆動回路１７１は光学部品１５０の下に配置される。しかしながら、原理上、対応する電子機器はキャビティ１１１の中で、例えば半導体レーザダイオード１２０の近辺など適切な位置に配置することができる。

光偏向構造１３０の十分な反射率を確保するために、反射面１３１は反射膜１３２を備えることができる。反射膜１３２は例えば金属や誘電材料などの適切な材料からなっていてもよい。これら材料の混合物であってもよい。特に、反射膜は積層体を有していてもよく、積層体の厚さおよび積層は出射されたレーザ放射の波長に合っている。このような反射膜１３２を有する光学部品１５０の例示的な実施形態は、例えば図３に示される。

図４と５は光学部品１５０の基本的な２つの実施形態の構造を明らかにする。図４は空洞のない構造として製造された光学部品１５０の斜視図である。光学部品１５０の中で、回折光学素子１４０と光偏向構造１３０の間の容積は、空洞のないプリズムとして構成される。反射面１３１は空洞のないプリズムの一面から形成される。光学部品１５０はさらに入力側面１５１を有する。この入力面は反射防止膜を備えることができる（ここでは図示せず）。

一方で、図５は空洞のある構造として構成された光学部品１５０を示す。この光学部品は空洞のあるプリズムとして構成される。回折光学素子１４０と光偏向構造１３０は互いにキャビティを間にして離れており、光学部品１５０の側壁１５３、１５４によって接続しているだけである。ここで、反射面１３１は、キャビティに対向する光偏向構造１３０の内側を形成することが望ましい。この構造により、回折光学素子１４０の上側１４１と下側１４２の両方に微細構造を配置することが容易になる。

図６はレーザモジュール１００のさらなる実施形態の側面図である。レーザモジュール１００は、空洞のある構造を有する図５の部品と同様に構成された光学部品１５０を有する。図６から明らかなように、反射はキャビティに対向する光偏向素子の反射面１３１側で起こることが望ましい。光偏向構造１３０の反射面１３１は、用いられる波長に対する反射率をより高める反射層をさらに有することができる。反射層は、例えば金属や誘電材料などの適切な材料から形成することができる。反射層は、複数の適切な材料からなる積層体として構成することもできる。

反射レーザ光１２４が回折光学素子１４０に当たった際に起こりうるレーザ放射の反射損失を減らすため、回折光学素子１４０の下側１４２に、適切な反射防止膜１４３を配置することができる。ビーム成形のための微細構造を、回折光学素子１４０の上側１４１と下側１４２の両方に配置することもできる。

出射レーザ光１２３は、光学密度の異なる材料の境界において、特定の条件下で起こる全反射を活用して偏向させることもできる。図７は、それにふさわしいように形成された光学部品１５０を有する、レーザモジュールのさらなる実施形態を示す図である。ここで、光偏向構造１３０の反射面１３１は、４５°から外れた全反射角度で配置される。全反射角度は実質的に、光偏向構造１３０の材料と用いられる波長に依存する。例えば、ポリカーボネートからなる光学部品１５０の場合、全反射は例えば約３８°の角度で起こる。すなわち、ポリカーボネートから形成された光偏向構造１３０は、半導体レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光１２３が、約３８°の角度で光偏向構造１３０に当たるように配置されなければならない。

レーザ光１２３を偏向させるために全反射を使用すると、反射面１３１が特別な皮膜を必要としなくなるため、きわめて簡単かつ安価に製造することが容易にできる。図７の例示的な実施形態に示されるように、モジュールの主軸に対して光偏向構造の傾斜角が変わると、回折光学素子１４０に当たる反射レーザ光１２４の角度や位置も変わる。この影響を相殺するために、回折光学素子またはビーム成形をもたらす回折光学素子の微細構造もそれに合わせて変化させるか、移動させて配置することができる。さらに、反射レーザ光１２４の角度の垂直からの逸脱は、半導体レーザダイオード１２０の組み立て角度を変えたり、光偏向構造１３０を適切に傾ける（ここでは図示せず）ことで所望のとおりに減らすことができる。

仮にモジュールハウジング内における光学部品１５０が不正確に組み立てられ、または、仮にそのために光学部品１５０がモジュールハウジングから滑ったり落ちたりした場合には、操作安全性、特にユーザの眼に対する安全性がもはや確保できなくなるため、レーザモジュール１００において適切な安全対策を講じることは、あってもよい、または、必要なことである。そのため、レーザモジュール１００は例えば、モジュールハウジング内の適切な場所に配置された、光学部品１５０の正しい組み立て位置をモニターするための、例えばフォトダイオード１６０を備えることができる。図８に示されるように、この場合、フォトダイオード１６０は例えば、半導体レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光１２３の光軸に沿って、光偏向構造１３０の後ろに配置されてもよい。レーザモジュール１００の操作中にフォトダイオード１６０が半導体レーザダイオード１２０からのレーザ放射を受け取るような状況が発生すれば、光学部品１５０が不正確に組み立てられている、あるいは光学部品１５０がモジュールハウジングから滑ったか落ちたことが想定できる。この場合、適切な保護回路がすぐさま半導体レーザダイオード１２０の操作を抑制する。対応する停止電子機器１７２を同様にモジュールハウジングに収納することもできる。図８に示される例示的な実施形態では、停止電子機器１７２は、半導体レーザダイオード１２０の駆動回路１７１を同様に有する共有の制御装置１７０の一部である。駆動回路１７１と停止電子機器１７２は、構造的にまとめて構成されることもでき、その場合には制御装置１７０に必要な空間はきわめて小さなものになる。また、駆動回路１７１のすぐ近辺に停止電子機器１７２が配置されていれば、急に障害が発生しても半導体レーザダイオードをすぐに停止することができる。しかしながら、原理上、駆動回路１７１と停止電子機器１７２は、モジュールハウジングの内部でも外部でもそれぞれ別の場所に、別個の装置として収納されるように構成することもできる。

図９はレーザ光を偏向するための２つの反射面１３１_１と１３１_２を有する適切な光偏向構造１３０を備える光学部品１５０を示す図である。２つの反射面１３１_１と１３１_２は、それぞれの面にレーザ光１２３が、最大でも全反射の臨界角に対応する、比較的低い角度で当たるように配置される。この場合、臨界角は、光偏向構造１３０の材料と周囲のガス量という２つの光媒体の屈折率比に依存する。図９から明らかなようにレーザ光１２３は、２つの反射面１３１_１と１３１_２における２回の全反射を経て、組み立て平面に対して実質的に平行に伸びる水平方向から、組み立て平面の面法線に対して平行に伸びる鉛直方向へと偏向する。

図１０から明らかなように、２回の全反射の代わりに１回のみの全反射によってレーザ光１２３を鉛直方向へと偏向することも可能である。光偏向構造１３０へ入射する際、レーザ光１２３は鉛直から傾いた入射面１５１によって、組み立て平面の面法線の方向へすでに屈折しており、より低い角度で１つしかない反射面１３１に当たる。ここで、入射面１５１は入力側屈折窓を形成するように、特定の角度で傾いていることが望ましい。この角度がブリュースター角に対応していれば、入射面１５１は対応するブリュースターウィンドウ１５６を形成し、特定の偏光方向におけるレーザ放射１２３の反射が抑制される。その結果、この偏光方向における取込みが向上し、それにより電気光学効率も向上する。

図１１は、図９に示される光偏向素子１３０の光学部品１５０への可能な統合を示し、ここではハウジングのふたとして構成される。本例示の実施形態において、光学部品１５０は側壁１５８も有し、側壁はレーザダイオードを囲むハウジングの少なくとも一部を規定する。しかしながら、原則として、光学部品１５０はハウジングの中にすでに存在する窓開口部を閉ざす素子として構成されているだけである。

図１２は、入力側屈折窓１５６を有する、さらなる光偏向構造１３０を示す図である。ここで入力側屈折窓１５６は、中心部分において鉛直軸を中心にした傾きを持つ入射面１５１により形成される。この配置において、レーザ光１２３は鉛直方向ではなく、水平方向に屈折する。また、この配置において、入射面１５１は適切なブリュースター角を選べば、ブリュースターウィンドウとして具体化することができる。

図１３は、レーザ光１２３の所望の調整および／または拡大が得られるまで、複数の内部反射面１３１_１、１３１_２、１３１_３、１３１_４において、レーザ光１２３が内部反射により偏向構造１３０の中を前後に反射する、さらなる光学部品１５０を示す図である。光偏向構造１３０の下部分は、この場合、図９に示されるプリズムに対応し、プリズムによってレーザ光が実質的に垂直方向へと偏向する。一方で、光偏向構造１３０の上部分１３４は、その中でレーザ光１２３が複数の連続した反射により実質的に組み立て平面に対して平行な水平方向へと導かれる、光導波路として構成される。その後、レーザ光１２３は同様に光学部品１５０から複数の反射により取り出されるが、不明瞭になることを避けるためにここでは示さない。さらに、図１３から明らかなように光学部品１５０を窓構造１１５と統合された形に構成することもできる。ここで、窓構造１１５は側壁１１６によって光偏向構造１３０と接続する。

図１４は、複数の内部反射によりレーザ光１２３を偏向するための光偏向構造１３０を有する、さらなる光学部品１５０を示す図である。ここで、入射面１５１を通り光偏向構造１３０に入射したレーザ光１２３は、第１反射面１３１_１でその上に配置された第２反射面１３１_２の方向に反射する。第２反射面１３１_２でレーザ光１２３は第３反射面１３１_３へと偏向する。図１４の光学部品１５０を反対の方向から示す図１５で明らかになるように、レーザ光１２３は第３反射面１３１_３で光偏向構造１３０の下部分に位置する第４反射面１３１_４の方向に反射する。第４反射面１３１_４によりレーザ光１２３は組み立て面の面法線の方向に偏向して第５反射面１３１_５へ到達し、ここで所望の鉛直方向へと反射する。この反射面１３１_１から１３１_５の特別な配置の結果、水平方向から鉛直方向へのレーザ光１２３の偏向に加えて、レーザ光１２３の広がり軸の回転もさらに実現する。特に、レーザ光１２３は３回目の反射後９０°回転するため、元は鉛直に調整された最も大きい広がり軸が、この時には組み立て平面に対して平行に伸びる。このような配置においては、限られた光偏向構造１３０の高さであっても、光学部品１５０内でレーザ光１２３を比較的大きく拡大したり広げたりすることができる。反射および光偏向によるレーザ光１２３の広がり軸の回転は、それぞれ楕円で示される（図１６等参照）。

図１６は、レーザ光１２３の広がり軸の回転が複数の内部反射により９０°になる光偏向構造１３０を有する、さらなる光学部品１５０を示す図である。偏向構造１３０は、レーザ光１２３が、屈折窓１５６として特にブリュースターウィンドウとして構成された入射面１５１を介して光学部品１５０へ入射する。プロセスにおいて、レーザ光１２３は第１反射面１３１_１で第２反射面１３１_２の方向に上方へ偏向する。第２反射面１３１_２は光学部品１５０の反対側に配置されている第３反射面１３１_３へとレーザ光１２３を導く。レーザ光１２３は第３反射面１３１_３で上方へ偏向し、屈折窓１５７として構成された出射面１５５に到達する。出射面１５５は、この面で起こる屈折によりレーザ光１２３が組み立て面の面法線に平行な所望の鉛直方向へと屈折するように、レーザ光１２３の進行方向に対して傾いている。ここで、出射面１５５はブリュースターウィンドウとして構成されることが望ましく、その場合レーザ放射の主偏光方向における反射が減少し、結果としてレーザモジュール１００の電気光学効率が上がる。

図１７は、図１６の光学部品１５０を別の視点から表した図である。この図で、第１反射面１３１_１と第２反射面１３１_２における反射により既に広がり軸が回転して９０°になっているレーザ光１２３が、第２反射面１３１_２と第３反射面１３１_３の間において実質的に水平方向に伸びていることが明らかになる。

図１８は、図１６と１７の光学部品１５０を別の視点から描いた図である。この図で、レーザ光１２３が入射面１５１へ傾斜した状態で当たるため、その界面においてレーザ光１２３はすでに屈折していることが明らかになる。

図１９は、図１６から１８の光学部品１５０をさらに別の視点から表した図である。この図で、レーザ光１２３は屈折窓１５７として構成された出射面１５５において、組み立て面の面法線の方向に屈折することが明らかになる。

図２０は図１６から１９に示す光学部品１５０の平面図である。この図で、レーザダイオード１２０に対する光学部品１５０の配置が明らかになる。ここから、レーザ放射１２３が、屈折窓１５６として構成された入射面１５１へ斜めの方向から当たることが確認できる。

最後に、図２１と２２は、回折出射窓１５７を有する光学部品１５０を備えたレーザモジュール１００の可能なデザインを示す図である。図２１から明らかなように、光学部品１５０は側部壁から形成されるハウジングキャビティ内に配置されている。図２２は、図２１のレーザモジュール１００の断面を示す図である。ここで、光学部品１５０が、レーザダイオード１２０が内部に配置されたハウジング１１０のキャビティ１１１を、ふたのように閉ざしていることが明らかである。レーザダイオード１２０から、組み立て平面に対し実質的に平行に伸びる水平方向に出射された光放射１２３は、光学部品１５０内において反射と光屈折によって、組み立て面の面法線に対し実質的に平行に伸びる鉛直方向へと偏向する。

用いられるレーザ放射に対して実質的に透明、かつ標準的なＳＭＴリフロープロセスでの温度に形や機能に障害が大きく出ることなく耐えるのに適した光学部品が使用される。ここで素子は、レーザモジュールから組み立て平面の面法線に平行に光軸が出るようにレーザ光が偏向するように具体的に形成される。光線の偏向は光学部品の面において、全反射（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＴＩＲ）効果によってもたらされることが望ましい。あるいは、対応する面に、反射を実現するためにコーティングすることも可能である。大きく広がる光線も確実に、ＴＩＲ効果によって十分に強く偏向するために、好ましくは光学部品を複数の面において全反射によって光線が反射されるように形成することもできる。

加えて、光学部品の入射面および／または出射面をブリュースターウィンドウとして構成することも可能である。ここで関係する面は光線に対して、いわゆるブリュースター角である特定の角度で傾いており、現偏光方向の界面における反射はブリュースター効果により減少あるいは完全に抑制される。

さらに、入射面の面法線を、入射面におけるレーザ光が組み立て平面の面法線の方向に屈折するように、光軸に対して傾けることも可能である。図１０で概略的に示すように、これにより１回の内部反射のみによって光線を所望の鉛直方向に偏向することができる。

側面発光型半導体レーザダイオード１２０の場合、原則として組み立て平面の面法線に平行な鉛直方向の方が、組み立て平面に平行な水平方向よりも、出射レーザ光１２３の広がりが大きい。従って、最大ビーム広がりの方向は、２つの直交する鏡面における連続した反射によって、レーザダイオード１２０の組み立て平面または組み立て面に実質的に平行になるように傾けることもできる。

さらに、レーザ光を光学部品の少なくとも一部において、基板の方向へ下方に導くことも可能である。まず、これにより光学部品１５０、ひいてはレーザモジュール１００の設置高さを低くすることが容易になる。そして、光学部品１５０内でレーザ光１２３をより大きく拡大したり広げたりするために、光学部品１５０内のレーザ光１２３の光路を長くすることができる。ここで、光線を光導波路１３４内で導いてもよく、レーザモジュール１００の高さをそれほど大きくすることなく光線をさらに拡大することができる。その後、レーザ光１２３をさらなる鏡面を使って、組み立て平面の面法線に対して平行にすることができ、モジュールから出すことが可能になる。

さらに光学部品は継ぎ目なしにハウジングの中に統合することもできる。ハウジングはまた、ピックアンドプレイス工具に適した取り付け位置を備えていることが望ましい。例えば、このような部品は樹脂の射出成形法により、安価かつ大量に製造することができる。

図面と合わせて説明した実施形態は、タイムオブフライト法の用途におけるレーザモジュールであることが望ましい。このようなレーザモジュールは、パルスモードで操作する半導体レーザダイオードを使用する。原理上、本明細書で説明した光学部品１５０は連続波モードで操作するレーザモジュールにも適用できる。

本発明は好ましい例示的な実施形態により詳しく示され詳述されてきたが、本発明は開示される例に限定されず、本発明の保護されるべき範囲から逸脱することなく、当業者によりその他の変形が得られうる。

本特許出願は、独国特許出願第ＤＥ１０２０１６１０７７１５．１号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照によって本明細書に組み込まれている。

１００ レーザモジュール
１１０ ハウジング
１１１ キャビティ
１１２ 窓開口部
１１３ 半導体レーザダイオードのマウント
１１４ ハウジングベース
１１５ 窓構造
１１６ 窓構造の側壁
１２０ 半導体レーザダイオード
１２１ 半導体レーザダイオードの出射面
１２２ 半導体レーザダイオードの出射方向
１２３ 出射レーザ光
１２４ 反射レーザ光
１２５ ビーム形レーザ光
１３０ 光偏向構造
１３１_１－１３１_５ 反射面
１３２ 反射膜
１３３ 全反射角度
１３４ 光導波路
１４０ 回折光学素子
１４１ 上側
１４２ 下側
１４３ 反射防止膜
１５０ 光学部品
１５１ 入力面
１５２ 反射膜
１５３ 第１側壁
１５４ 第２側壁
１５５ 出射面
１５６ 入力側ブリュースターウィンドウ
１５７ 出力側ブリュースターウィンドウ
１６０ フォトダイオード
１７０ 制御装置
１７１ 駆動回路
１７２ 停止電子機器

Claims (19)

1. キャビティ（１１１）と窓開口部（１１２）とを有するハウジング（１１０）と、
   前記キャビティ（１１１）に配置された、光放射をレーザ光（１２３、１２４、１２５）として出射するための側面発光型半導体レーザダイオード（１２０）と、
   前記半導体レーザダイオード（１２０）から出射された前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）を、前記窓開口部（１１２）の方向へ偏向するための光偏向構造（１３０）と、
   前記窓開口部（１１２）の領域に配置された、レーザ光（１２３、１２４、１２５）を規定の方向に向けて、および／または、規定の発光プロファイルを有するように取り出すための光取出し構造（１４０、１５７）と、を有し、
   前記光偏向構造（１３０）および前記光取出し構造（１４０、１５７）は、共通の光学部品（１５０）として、ひとつに構成されており、
   前記光学部品（１５０）は中が空洞であって、前記光学部品（１５０）の側壁（１５３、１５４）を介して前記光偏向構造（１３０）と回折光学素子（１４０）が互いに接続されるように構成される、レーザモジュール（１００）。
2. 前記光取出し構造は、規定の発光プロファイルを有する前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）を生成するための、前記回折光学素子（１４０）、および、屈折窓（１５７）の少なくとも一方として構成される、
   請求項１に記載のレーザモジュール（１００）。
3. 前記光学部品（１５０）は空洞のないプリズムとして構成される、
   請求項１または２に記載のレーザモジュール（１００）。
4. 前記光学部品（１５０）は前記半導体レーザダイオード（１２０）に対向する入力面（１５１）を有しており、前記入力面は反射防止膜（１５２）を備えている、
   請求項３に記載のレーザモジュール（１００）。
5. 前記回折光学素子（１４０）は入力側に反射防止膜（１４３）を備える、
   請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザモジュール（１００）。
6. 前記光偏向構造（１３０）は、前記半導体レーザダイオード（１２０）から出射された前記光放射に対して反射性の面（１３１）を有する、
   請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザモジュール（１００）。
7. 前記光偏向構造（１３０）の反射面（１３１）は、金属または誘電材料からなる皮膜（１３２）を有する、
   請求項６に記載のレーザモジュール（１００）。
8. 前記光偏向構造（１３０）の反射面（１３１）は前記半導体レーザダイオード（１２０）に対し、前記半導体レーザダイオード（１２０）から出射された前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）が実質的に全反射によって、前記窓開口部（１１２）の方向へ偏向するような角度で配置される、
   請求項６または７に記載のレーザモジュール（１００）。
9. 前記レーザモジュール（１００）は、前記半導体レーザダイオード（１２０）の出射方向（１２２）において前記光偏向構造（１３０）の下流側に配置されたフォトダイオード（１６０）をさらに有し、前記フォトダイオードは前記ハウジング（１１０）内における前記光学部品（１５０）の正しい組み立て位置をモニターする、
   請求項１～８のいずれか１項に記載のレーザモジュール（１００）。
10. 前記レーザモジュール（１００）は、前記光学部品（１５０）が前記正しい組み立て位置から外れたことを前記フォトダイオード（１６０）が検知すると、すぐに前記半導体レーザダイオード（１２０）を停止させる停止電子機器（１７２）をさらに有する、
    請求項９に記載のレーザモジュール（１００）。
11. 前記レーザモジュール（１００）は、前記半導体レーザダイオード（１２０）を操作するための駆動回路（１７１）をさらに有する、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載のレーザモジュール（１００）。
12. 前記駆動回路（１７１）は、前記半導体レーザダイオード（１２０）をパルスモードで操作するように構成される、
    請求項１１に記載のレーザモジュール（１００）。
13. 前記光学部品（１５０）は樹脂材料、および、射出成形部品の少なくとも一方から形成される、
    請求項１～１２のいずれか１項に記載のレーザモジュール（１００）。
14. 前記光偏向構造（１３０）は、前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）を偏向させるための反射面（１３１_１、１３１_２、１３１_３、１３１_４、１３１_５）を少なくとも２つ有する、
    請求項１～１３のいずれか１項に記載のレーザモジュール（１００）。
15. 前記反射面（１３１_１、１３１_２、１３１_３、１３１_４、１３１_５）の少なくとも一部は全反射によって前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）を偏向するように構成される、
    請求項１４に記載のレーザモジュール（１００）。
16. 前記反射面（１３１_１、１３１_２、１３１_３、１３１_４、１３１_５）は前記半導体レーザダイオード（１２０）から出射された前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）に対して配置され、その配置は、最初は組み立て平面に対して実質的に垂直に伸びる前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）の第１広がり軸が、前記組み立て平面に対して実質的に平行になるように回転する配置である、
    請求項１４または１５に記載のレーザモジュール（１００）。
17. 前記光偏向構造（１３０）は前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）取込みのための入射面（１５１）と、前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）取出しのための出射面（１５５）とを有し、これらの面のうち少なくともひとつは、そこに前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）が当たるブリュースターウィンドウとして構成される、
    請求項１～１６のいずれか１項に記載のレーザモジュール（１００）。
18. 前記光偏向構造（１３０）は、全反射によって前記レーザ光（１２３、１２４、１２５）を前記光偏向構造（１３０）内において誘導するように構成された光導波路構造（１３４）を有する、
    請求項１～１７のいずれか１項に記載のレーザモジュール（１００）。
19. 請求項１～１８のいずれか１項に記載のレーザモジュール（１００）のための共通の光学部品（１５０）。

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