JP2023178741A - Laser device and manufacturing method of the laser device - Google Patents

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賢悟 山澤
Kengo Yamasawa
憲晃 藤井
Noriaki Fujii
覚 田村
Satoru Tamura
武志 越後
Takeshi Echigo
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Sharp Fukuyama Laser Co Ltd
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Sharp Fukuyama Laser Co Ltd
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Abstract

To realize a laser device which can be easily adjusted.SOLUTION: A laser device comprises: a substrate (2); a laser package having a laser diode (3) that discharges an outgoing beam and a cap (4) having a surface that transfers the outgoing beam; a flat convex lens (5) that collimates the outgoing beam; and a support plate (6) that is arranged between the laser package and the flat convex lens. In the flat convex lens, an outer peripheral part of a lens surface on a flat surface of the flat convex lens is fixed in a state so as to be contacted to a first flat surface (61) as a surface on the flat convex lens of a board.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明はレーザ装置に関する。 The present invention relates to a laser device.

レーザダイオードを備えたレーザ装置が広く用いられている。近年、ウェアラブルな機器の開発が進んでおり、VR(Virtual Reality)、AR(Augmented Reality)およびMR(Mixed Reality)用のグラスが開発されている。これら用途のグラスでは、レーザ走査型(以下、LBS方式と略記する)の光学系を用いることが多い。 Laser devices equipped with laser diodes are widely used. In recent years, the development of wearable devices has progressed, and glasses for VR (Virtual Reality), AR (Augmented Reality), and MR (Mixed Reality) have been developed. Glasses for these uses often use a laser scanning type (hereinafter abbreviated as LBS type) optical system.

LBS方式では、レーザ装置から放射されたビームを、ピエゾ駆動式等のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを用いて走査させ、画像を形成する。 In the LBS method, a beam emitted from a laser device is scanned using a piezo-driven MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror to form an image.

米国特許第10656426号明細書US Patent No. 1,065,426

VRグラス等が消費者に普及するためには、光学系の超小型化・軽量化を行い、量産により安価にすることが必要である。また、レーザダイオードの特性の安定化、長寿命化のために、レーザ装置には、レーザダイオードを封止するパッケージを用いることが必要である。しかしながらVRグラス等の装着時の消費者の負担感を軽減し得る、超小型の光学系としつつ、このようなパッケージを備え、かつ組み立て時の光学系の調整を可能とする構成のレーザ装置を実現することは容易ではない。 In order for VR glasses etc. to become popular among consumers, it is necessary to make the optical system ultra-small and lightweight, and to make it cheaper through mass production. Further, in order to stabilize the characteristics of the laser diode and extend its lifespan, it is necessary to use a package for sealing the laser diode in the laser device. However, it is necessary to create a laser device that has an ultra-compact optical system that can reduce the burden on consumers when wearing VR glasses, etc., has such a package, and has a configuration that allows adjustment of the optical system during assembly. It is not easy to achieve this.

本発明の一態様は、容易に調整できるレーザ装置を実現することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to realize a laser device that can be easily adjusted.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るレーザ装置は、基板、前記基板上に載置され、前記基板の主面に平行な方向に出射光を放出するレーザダイオード、及び、前記レーザダイオードを封止するキャップであって、前記出射光を透過する側面を有するキャップ、を有するレーザパッケージと、前記出射光をコリメートする平凸レンズと、前記レーザパッケージと前記平凸レンズとの間に配置される支持板であって、前記出射光が通過する開口を有する支持板と、を備え、前記平凸レンズは、前記平凸レンズの平面側のレンズ面の外周部が、前記支持板の前記平凸レンズ側の面である第1平面に接する状態で固定される。 In order to solve the above problems, a laser device according to one aspect of the present invention includes a substrate, a laser diode placed on the substrate and emitting light in a direction parallel to the main surface of the substrate, and a laser package including a cap for sealing the laser diode and having a side surface that transmits the emitted light; a plano-convex lens for collimating the emitted light; and a space between the laser package and the plano-convex lens. a support plate disposed, the support plate having an aperture through which the emitted light passes; and the plano-convex lens has an outer circumferential portion of a lens surface on a plane side of the plano-convex lens aligned with the flat surface of the support plate. It is fixed in contact with the first plane, which is the surface on the convex lens side.

本発明の一態様によれば、容易に調整できるレーザ装置を実現できる。 According to one aspect of the present invention, a laser device that can be easily adjusted can be realized.

実施形態1に係るレーザ装置1の要部の構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing the configuration of main parts of a laser device 1 according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係るレーザパッケージの構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing the configuration of a laser package according to Embodiment 1. FIG. 一般的な凸レンズ5dにおける光学的な幾何関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical geometrical relationship in 5d of general convex lenses. 作動距離と曲率半径との相関関係を示すグラフである。It is a graph showing the correlation between working distance and radius of curvature. 作動距離WDとビーム半径yとの相関関係を示すグラフである。It is a graph showing the correlation between the working distance WD and the beam radius y2 . 実施形態2に係るレーザ装置1aの要部の構成を示す模式図である。2 is a schematic diagram showing the configuration of main parts of a laser device 1a according to Embodiment 2. FIG. 実施形態3に係るレーザ装置1bの要部の構成を示す模式図である。3 is a schematic diagram showing the configuration of main parts of a laser device 1b according to Embodiment 3. FIG. 実施形態3に係るレーザパッケージの構成を示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of a laser package according to Embodiment 3. 実施形態4に係るレーザ装置1cの要部の構成を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of main parts of a laser device 1c according to a fourth embodiment. 実施形態4に係るレーザパッケージの構成を示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of a laser package according to Embodiment 4.

〔実施形態1〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図1は、実施形態1に係るレーザ装置1の要部の構成を示す模式図である。
[Embodiment 1]
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of main parts of a laser device 1 according to the first embodiment.

(レーザ装置1の構成)
図1に示すように、レーザ装置1は、基板2と、レーザダイオード3と、キャップ4と、平凸レンズ5と、支持板6とを備える。基板2、レーザダイオード3、およびキャップ4でもって、レーザパッケージとも称する。図2は、実施形態1に係るレーザパッケージの構成を示す斜視図である。
(Configuration of laser device 1)
As shown in FIG. 1, the laser device 1 includes a substrate 2, a laser diode 3, a cap 4, a plano-convex lens 5, and a support plate 6. The substrate 2, laser diode 3, and cap 4 are also referred to as a laser package. FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the laser package according to the first embodiment.

基板2は、レーザパッケージのベースとなる部材である。基板2は金属板からなることが好ましい。レーザダイオード3の位置を、後述する設計条件に基づき定まる位置に配置できるように、基板2にはパターンが形成されている。 The substrate 2 is a member that becomes the base of the laser package. Preferably, the substrate 2 is made of a metal plate. A pattern is formed on the substrate 2 so that the laser diode 3 can be placed at a position determined based on design conditions described later.

レーザダイオード3は、レーザ光を放出する光源である。レーザダイオード3が放出する出射光の主方向は、基板2の主面に平行である。レーザダイオード3が放出する光の波長は制限されないが、映像を構成する発光色であることが好ましい。レーザダイオード3は、Z方向(レーザダイオード3が出射したレーザ光の進行方向)の位置を基板2に形成されたパターンによって画定される。レーザダイオード3のレーザの出射光の放出面を放出面31と称する。 The laser diode 3 is a light source that emits laser light. The main direction of the light emitted by the laser diode 3 is parallel to the main surface of the substrate 2 . Although the wavelength of the light emitted by the laser diode 3 is not limited, it is preferable that the light emitted has a color that constitutes an image. The position of the laser diode 3 in the Z direction (the traveling direction of the laser light emitted by the laser diode 3) is defined by a pattern formed on the substrate 2. The emission surface of the laser diode 3 from which the laser beam is emitted is referred to as an emission surface 31.

キャップ4は、レーザダイオード3が載置された空間を封止するガラス製のキャップである。キャップ4は出射光を透過する側面(透過部41)を有する。キャップ4の材質はガラスに制限されず、所望の波長において、透過度が高い物質であればよい。キャップ4は、全体がガラス製である必要はなく、レーザダイオード3が放出するレーザ光を透過する透過部41のみガラス製(透過度が高い物質)であればよい。また、透過部41は、レーザダイオード3が放出するレーザ光に対して垂直な平面を有する。なお、透過部41はキャップ4の側面であるが、側面の一部であってもよい。 The cap 4 is a glass cap that seals a space in which the laser diode 3 is placed. The cap 4 has a side surface (transmissive portion 41) that transmits the emitted light. The material of the cap 4 is not limited to glass, but may be any material that has high transmittance at a desired wavelength. The entire cap 4 does not need to be made of glass; only the transmitting portion 41 that transmits the laser light emitted by the laser diode 3 may be made of glass (a material with high transmittance). Furthermore, the transmitting section 41 has a plane perpendicular to the laser light emitted by the laser diode 3. Note that although the transparent portion 41 is a side surface of the cap 4, it may be a part of the side surface.

平凸レンズ5は、レンズの2面のうち、一方が平面であり、他方が凸面である、凸レンズである。平凸レンズ5は、入射したレーザ光をコリメートする。平凸レンズ5の平面側のレンズ面をレンズ面51と称する。レンズ面51は、キャップ4の透過部41に対向する。 The plano-convex lens 5 is a convex lens in which one of the two surfaces of the lens is a flat surface and the other surface is a convex surface. The plano-convex lens 5 collimates the incident laser light. The plane-side lens surface of the plano-convex lens 5 is referred to as a lens surface 51. Lens surface 51 faces transparent portion 41 of cap 4 .

支持板6は、レーザパッケージと平凸レンズ5との間に配置される平凸レンズ5の支持部材であり、主面がXY平面(レーザダイオード3が出射したレーザ光に対して垂直な平面)に平行となるように配置される。支持板6は、レーザ光が通過する部位に開口を有する。また、当該開口は平凸レンズ5の直径よりも若干小さく、支持板6と平凸レンズ5とがオーバラップする部位にて、平凸レンズ5を支持する。平凸レンズ5は、支持板6に接着材を用いて固定してもよい。 The support plate 6 is a support member for the plano-convex lens 5 disposed between the laser package and the plano-convex lens 5, and has a main surface parallel to the XY plane (a plane perpendicular to the laser beam emitted by the laser diode 3). It is arranged so that The support plate 6 has an opening at a portion through which the laser beam passes. Further, the opening is slightly smaller than the diameter of the plano-convex lens 5, and supports the plano-convex lens 5 at a portion where the support plate 6 and the plano-convex lens 5 overlap. The plano-convex lens 5 may be fixed to the support plate 6 using an adhesive.

支持板6における、平凸レンズ5のレンズ面51に対向する面(XY平面)は、第1平面61と呼ばれる。第1平面61は、レーザダイオード3が放出するレーザ光に対して垂直な平面である。平凸レンズ5は、平凸レンズ5のレンズ面51が第1平面61に接しながら摺動できる。 The surface (XY plane) of the support plate 6 that faces the lens surface 51 of the plano-convex lens 5 is called a first plane 61 . The first plane 61 is a plane perpendicular to the laser light emitted by the laser diode 3. The plano-convex lens 5 can slide while the lens surface 51 of the plano-convex lens 5 is in contact with the first plane 61.

(グラス用途のLBS方式での適用条件)
グラス用途のLBS方式は、ビームを走査するミラーのサイズによって、ビームの諸条件が限定される。ミラー(図示省略)は、MEMS技術で形成されており、作製できるサイズが限定されている。そのため、当該ミラーに合わせたレーザ装置1を作製する必要がある。
(Applicable conditions for LBS method for glass applications)
In the LBS method for glass applications, beam conditions are limited depending on the size of the mirror that scans the beam. The mirror (not shown) is formed using MEMS technology, and the size that can be manufactured is limited. Therefore, it is necessary to manufacture a laser device 1 suited to the mirror.

ここで、グラス装着時のユーザの負担を軽減するためには、グラスのサイズが小型な方が好ましく、グラスのサイズを小型化するためには、レーザ装置1を含む光学系が超小型である必要がある。超小型な光学系を実現するためには、ミラーによって限定される設計条件によって、ビームのサイズ(スポットサイズ)を1.5mmほどにすることが好ましい。これは、ミラーのサイズが共振周波数などによって、限定されているためである。 Here, in order to reduce the burden on the user when wearing the glasses, it is preferable that the glasses be small in size, and in order to reduce the size of the glasses, the optical system including the laser device 1 should be ultra-small. There is a need. In order to realize an ultra-compact optical system, it is preferable to set the beam size (spot size) to about 1.5 mm due to design conditions limited by the mirror. This is because the size of the mirror is limited by the resonance frequency and the like.

(一般的な凸レンズ5d)
ここで、一般的な凸レンズでの光学的な幾何関係を説明する。図3は、一般的な凸レンズ5dにおける光学的な幾何関係を示す模式図である。
(General convex lens 5d)
Here, the optical geometric relationship of a general convex lens will be explained. FIG. 3 is a schematic diagram showing the optical geometric relationship in a general convex lens 5d.

レーザダイオード3から放射されたレーザ光は、放射状に広がって進行する。この放射状に広がる放射角θは、凸レンズ5dに入射される光線の最大入射角αi1と略等しくするとよく、αi1=θの関係がある。レーザダイオード3から放射されたレーザ光は、屈折率ni1=1の空気中を進行する。 The laser light emitted from the laser diode 3 spreads radially and travels. This radially expanding radiation angle θ is preferably approximately equal to the maximum incident angle α i1 of the light beam incident on the convex lens 5d, and there is a relationship of α i1 . The laser light emitted from the laser diode 3 travels through air with a refractive index n i1 =1.

レーザダイオード3の放出面31から凸レンズ5dまでの距離を作動距離WDと称する。また、レーザ光が凸レンズ5dに入射した時点でビームサイズはサイズyとなる。そのため、yには次の関係がある。 The distance from the emission surface 31 of the laser diode 3 to the convex lens 5d is referred to as a working distance WD. Furthermore, the beam size becomes size y1 at the time when the laser beam is incident on the convex lens 5d. Therefore, y1 has the following relationship.

Figure 2023178741000002
レーザ光が凸レンズ5dに入射すると、レンズ自体の媒質(屈折率nt1)が入射側(空気)と異なるため、屈折する。そのため、屈折角αt1で進行する。凸レンズ5dの厚みだけ、屈折角αt1で進行するため、凸レンズ5dを通過したビームサイズのサイズyは、幾何光学から、次式で表せる。
Figure 2023178741000003
ここで、Rは、凸レンズ5dの入射側の曲率半径であり、dは凸レンズ5dの光軸上の厚みである。また、凸レンズ5dによって屈折されることによって、ビームはコリメートされる。
Figure 2023178741000002
When the laser beam is incident on the convex lens 5d, the medium (refractive index n t1 ) of the lens itself is different from that on the incident side (air), so that it is refracted. Therefore, it advances at a refraction angle α t1 . Since the beam travels at a refraction angle α t1 by the thickness of the convex lens 5d, the beam size y2 that has passed through the convex lens 5d can be expressed by the following equation from geometric optics.
Figure 2023178741000003
Here, R1 is the radius of curvature on the incident side of the convex lens 5d, and d is the thickness of the convex lens 5d on the optical axis. Furthermore, the beam is refracted by the convex lens 5d, thereby collimating the beam.

図3におけるhとhとは、それぞれレンズ入射側‐前側主平面間の距離およびレンズ出射側‐後側主平面間の距離を表している。 h 1 and h 2 in FIG. 3 represent the distance between the lens entrance side and the front principal plane, and the distance between the lens exit side and the rear principal plane, respectively.

(平凸レンズ5における適用)
数2から、ビームサイズを小さくするためには、作動距離WDを小さくするか、放射角θを小さくするか、曲率半径Rを大きくするか、屈折率nt1を大きくするか、厚みdを小さくする必要がある。
(Application in plano-convex lens 5)
From Equation 2, in order to reduce the beam size, it is necessary to reduce the working distance WD, the radiation angle θ⊥ , the radius of curvature R1 , the refractive index nt1 , or the thickness d. needs to be made smaller.

ここで、放射角θは、レーザダイオード3固有の値であり、およそ25°程度(ピーク強度×1/eにおける半角で放射角θを規定)である。また、レンズの屈折率nt1は、安価な一般的な光学ガラス(n=1.5)を用いる場合固定値である。 Here, the radiation angle θ is a value specific to the laser diode 3, and is about 25° (the radiation angle θ is defined as a half angle at peak intensity×1/e 2 ). Further, the refractive index n t1 of the lens is a fixed value when using an inexpensive general optical glass (n d =1.5).

厚みdはレンズを薄くしすぎると、レンズの有効径が小さくなり、結果として、ビームのサイズを小さくせざる負えなくなる、そのため、d=0.8mmとした。 The thickness d was set to 0.8 mm because if the lens is made too thin, the effective diameter of the lens becomes small, and as a result, the beam size must be made small.

したがって、上述したビームサイズを小さくできる条件のうち、変数となるものは、作動距離WDと曲率半径Rだけであり、この2つには相関関係がある。図4は、この2つの相関関係を示す図である。平凸レンズ5であるため、平面側の曲率半径Rは無限遠である。そのため、上述したように、ビームのサイズを1.5mm程度にすると、ビーム半径は0.75mm程度となり、その結果、図4より作動距離WDの上限値は1.2mm程度が適当であることがわかる。 Therefore, among the conditions for reducing the beam size described above, the only variables are the working distance WD and the radius of curvature R1 , and there is a correlation between these two. FIG. 4 is a diagram showing the correlation between these two. Since it is a plano-convex lens 5, the radius of curvature R1 on the plane side is infinite. Therefore, as mentioned above, if the beam size is set to about 1.5 mm, the beam radius will be about 0.75 mm, and as a result, from FIG. Recognize.

次に、作動距離WDの下限値は、設計条件によって導出される。基板2に対するレーザダイオード3の取り付け誤差が0.2mmあり、キャップ4の透過部41の最低厚みが0.3mmであり、平凸レンズ5の調整代として0.3mmは必要なため、作動距離WDの下限値は0.8mmである。図5は、作動距離WDとビーム半径yとの相関関係を示すグラフである。このように、装着感に優れたVRグラス等を実現するための光学系において、作動距離WDは、0.8~1.2mmの極めて狭い範囲に限定されることが理解される。 Next, the lower limit value of the working distance WD is derived based on design conditions. The attachment error of the laser diode 3 to the substrate 2 is 0.2 mm, the minimum thickness of the transparent part 41 of the cap 4 is 0.3 mm, and 0.3 mm is required as an adjustment allowance for the plano-convex lens 5, so the working distance WD is The lower limit is 0.8 mm. FIG. 5 is a graph showing the correlation between the working distance WD and the beam radius y2 . As described above, it is understood that in an optical system for realizing VR glasses etc. that are comfortable to wear, the working distance WD is limited to an extremely narrow range of 0.8 to 1.2 mm.

キャップ4の側面(透過部41)からレーザ光を透過させるレーザ装置1の全体構成と、当該透過部41の厚みを0.3mmという極薄いキャップ4を用いることと、によって作動距離WDを上述した極めて小さい値に納めることができるようになっている。 The working distance WD is as described above due to the overall configuration of the laser device 1 that transmits the laser beam through the side surface (transmission part 41) of the cap 4, and the use of the very thin cap 4 with the thickness of the transmission part 41 of 0.3 mm. This allows it to be kept to an extremely small value.

この場合において、ビームはコリメートされる必要があるために、作動距離WDと焦点距離fには、次式の関係がある。

Figure 2023178741000004
ここで、Rは、平凸レンズ5の出射側の曲率半径である。 In this case, since the beam needs to be collimated, the working distance WD and the focal length f have the following relationship.
Figure 2023178741000004
Here, R2 is the radius of curvature on the exit side of the plano-convex lens 5.

このため、焦点距離fと曲率半径Rとの間には所定の関係がある。この関係を満たす範囲で、焦点距離fを設定する。その後、設定した焦点距離fでもって曲率半径Rを計算する。 Therefore, there is a predetermined relationship between the focal length f and the radius of curvature R2 . The focal length f is set within a range that satisfies this relationship. Thereafter, the radius of curvature R2 is calculated using the set focal length f.

以上の工程によって、平凸レンズ5が設計される。なお、この時のビームのサイズyは、次式で表せる。 Through the above steps, the plano-convex lens 5 is designed. Note that the beam size y2 at this time can be expressed by the following equation.

Figure 2023178741000005
の上限値は、ミラーの半径によって定まり、本実施形態では0.8mmである。対して、yの下限値は0.55mmとなる。これは、米国のMIL-PRF-13830B規格に従う光学部品のキズ‐ブツ要求精度がレーザアプリケーションでは、20-10である。このため、ビームサイズが1.5mmなことから、平凸レンズ5の有効径を1.6mmとすると、この10%までのブツの総直径を許容する。下限値0.55に対して、
0.16/2/0.55=14.5%
となり、キズ‐ブツ要求精度を満たす値となる。
Figure 2023178741000005
The upper limit value of y2 is determined by the radius of the mirror, and is 0.8 mm in this embodiment. On the other hand, the lower limit value of y2 is 0.55 mm. This means that the required flaw-to-bump accuracy for optical components according to the US MIL-PRF-13830B standard is 20-10 for laser applications. Therefore, since the beam size is 1.5 mm, if the effective diameter of the plano-convex lens 5 is 1.6 mm, a total diameter of up to 10% of this is allowed. For the lower limit value 0.55,
0.16/2/0.55=14.5%
This is a value that satisfies the flaw-to-bump accuracy requirement.

(平凸レンズ5の諸条件)
平凸レンズ5の光軸上の厚みは、0.4mm以上1mm以下が好ましい。これは、平凸レンズ5の耐久性と、設置スペースの関係から規定される値である。
(Conditions of plano-convex lens 5)
The thickness of the plano-convex lens 5 on the optical axis is preferably 0.4 mm or more and 1 mm or less. This is a value determined from the relationship between the durability of the plano-convex lens 5 and the installation space.

平凸レンズ5の有効径は、1.2mm以上1.6mm以下が好ましい。これは、レーザ装置1のサイズと、ビームサイズの下限が1mm以下とならないように各種パラメータを調整した結果として導出される値である。 The effective diameter of the plano-convex lens 5 is preferably 1.2 mm or more and 1.6 mm or less. This is a value derived as a result of adjusting various parameters such that the size of the laser device 1 and the lower limit of the beam size are not less than 1 mm.

ここで、平凸レンズ5の直径は、平凸レンズ5の有効径より大きくてもよい。つまり、実際の平凸レンズ5の直径は、レンズとしての有効径の上限値の1.6mm以上であってもよく、有効径の外に枠となる部分がついていていてもよい。 Here, the diameter of the plano-convex lens 5 may be larger than the effective diameter of the plano-convex lens 5. That is, the actual diameter of the plano-convex lens 5 may be 1.6 mm or more, which is the upper limit of the effective diameter of the lens, and a frame portion may be provided outside the effective diameter.

(レーザ装置1の調整・組み立て)
レーザ装置1は、次の手順で調整しつつ、組み立てする。基板2の所定の位置にレーザダイオード3をダイボンドし、固定する。その後、レーザダイオード3を覆うように、キャップ4を被せ、キャップ4を基板2に対し接着して、レーザダイオード3を封止する。また、支持板6、および基板2は、ハウジング(図示省略)に固定される。
(Adjustment and assembly of laser device 1)
The laser device 1 is assembled while being adjusted according to the following procedure. A laser diode 3 is die-bonded and fixed at a predetermined position on the substrate 2. Thereafter, a cap 4 is placed so as to cover the laser diode 3, and the cap 4 is adhered to the substrate 2, thereby sealing the laser diode 3. Further, the support plate 6 and the substrate 2 are fixed to a housing (not shown).

平凸レンズ5を、支持板6における第1平面61上をXY方向(レーザダイオード3が出射したレーザ光に対して垂直な方向)に摺動させ、平凸レンズ5の光軸と、レーザダイオード3の光軸とを一致させるように調整する。その後、平凸レンズ5を支持板6に接着する。 The plano-convex lens 5 is slid on the first plane 61 of the support plate 6 in the XY direction (direction perpendicular to the laser beam emitted by the laser diode 3), and the optical axis of the plano-convex lens 5 and the laser diode 3 are aligned. Adjust to match the optical axis. Thereafter, the plano-convex lens 5 is adhered to the support plate 6.

(小括)
レーザダイオード3のZ方向の位置によって、出射されたレーザ光の基本的なコリメートを行い、コリメートの微調整は、支持板6と平凸レンズ5とのクリアランスによって調整することができる。また、平凸レンズ5を支持板6の第1平面61上で、XY方向に摺動させることによって、平凸レンズ5の光軸を、既に固定されているレーザダイオード3の光軸と一致させることができる。このように、レーザ装置1は、コリメート調整と光軸調整とを容易に実現できる。
(Brief Summary)
Basic collimation of the emitted laser light is performed depending on the position of the laser diode 3 in the Z direction, and fine adjustment of the collimation can be made by adjusting the clearance between the support plate 6 and the plano-convex lens 5. Furthermore, by sliding the plano-convex lens 5 in the XY directions on the first plane 61 of the support plate 6, the optical axis of the plano-convex lens 5 can be made to coincide with the optical axis of the laser diode 3 which is already fixed. can. In this way, the laser device 1 can easily realize collimation adjustment and optical axis adjustment.

〔実施形態2〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上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、その説明を繰り返さない。
[Embodiment 2]
Other embodiments of the invention will be described below. For convenience of explanation, members having the same functions as the members described in the above embodiment are given the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.

図6は、実施形態2に係るレーザ装置1aの要部の構成を示す模式図である。レーザ装置1aは、レーザ装置1と異なり、支持板6がキャップの透過部41に対して接し、摺動する構成となっている。 FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of main parts of a laser device 1a according to the second embodiment. The laser device 1a is different from the laser device 1 in that the support plate 6 contacts and slides on the transparent portion 41 of the cap.

本実施形態では、平凸レンズ5は、支持板6に対して固定されていてもよく、この場合、キャップ4に対する支持板6のXY方向の位置を調整することによって、平凸レンズ5の光軸調整を行う。 In this embodiment, the plano-convex lens 5 may be fixed to the support plate 6, and in this case, the optical axis of the plano-convex lens 5 can be adjusted by adjusting the position of the support plate 6 in the XY direction with respect to the cap 4. I do.

この構成では、予め平凸レンズ5は支持板6に固定されているため、支持板をキャップ4に接着することになる。そのため、接着面積を容易にかせぐことができる。また、作動距離WDの下限値をさらに小さくできる利点もある。 In this configuration, since the plano-convex lens 5 is fixed to the support plate 6 in advance, the support plate is bonded to the cap 4. Therefore, the bonding area can be easily increased. There is also the advantage that the lower limit value of the working distance WD can be further reduced.

また、支持板6と平凸レンズ5を接着するのではなく、キャップ4と支持板6とを接着してもよい。この場合、平凸レンズ5は、支持板6に対して接した状態で摺動し、XY方向の位置を調整することで、平凸レンズ5の光軸調整を行う。この構成でも、作動距離WDの下限値をさらに小さくできる利点がある。 Furthermore, instead of bonding the support plate 6 and the plano-convex lens 5, the cap 4 and the support plate 6 may be bonded together. In this case, the plano-convex lens 5 slides in contact with the support plate 6 and adjusts the position in the XY directions, thereby adjusting the optical axis of the plano-convex lens 5. This configuration also has the advantage that the lower limit value of the working distance WD can be further reduced.

〔実施形態3〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上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、その説明を繰り返さない。
[Embodiment 3]
Other embodiments of the invention will be described below. For convenience of explanation, members having the same functions as the members described in the above embodiment are given the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.

図7は、実施形態3に係るレーザ装置1bの要部の構成を示す模式図である。レーザ装置1bは、レーザ装置1と異なり、レーザダイオード3a~cおよび平凸レンズ5a~cがそれぞれ3個ずつ備わっている。図8は、実施形態3に係るレーザパッケージの構成を示す斜視図である。 FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of main parts of a laser device 1b according to the third embodiment. The laser device 1b differs from the laser device 1 in that it includes three laser diodes 3a to 3c and three plano-convex lenses 5a to c, respectively. FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of a laser package according to the third embodiment.

レーザダイオード3aは、赤色の波長のビームを放出し、平凸レンズ5aによってコリメートする。レーザダイオード3bは、緑色の波長のビームを放出し、平凸レンズ5bによってコリメートする。レーザダイオード3cは、青色の波長のビームを放出し、平凸レンズ5cによってコリメートする。 The laser diode 3a emits a beam of red wavelength, which is collimated by a plano-convex lens 5a. The laser diode 3b emits a beam of green wavelength, which is collimated by a plano-convex lens 5b. The laser diode 3c emits a blue wavelength beam, which is collimated by a plano-convex lens 5c.

レーザ装置1bは、さらにプリズム7を備えており、コリメートされた赤・緑・青色の波長のビームを合成する。その結果、レーザ装置1bは、フルカラーのビームを放出する。 The laser device 1b further includes a prism 7, which combines collimated beams of red, green, and blue wavelengths. As a result, the laser device 1b emits a full color beam.

レーザダイオード3a~cは、それぞれ波長が異なるため、作動距離が異なっている(WD_R≠WD_G、WD_G≠WD_B、WD_B≠WD_R)。そのため、波長ごとのこれらの差異を、基板2に対するレーザダイオード3a~cのZ方向の取り付け位置を調整することによって吸収する。 Since the laser diodes 3a to 3c have different wavelengths, they have different working distances (WD_R≠WD_G, WD_G≠WD_B, WD_B≠WD_R). Therefore, these differences between wavelengths are absorbed by adjusting the mounting positions of the laser diodes 3a to 3c in the Z direction with respect to the substrate 2.

また、コリメートされた各色のビームのサイズを同じサイズにする必要があるため、平凸レンズ5a~cの取付(接着)においてもZ方向に微調整することになる。 Further, since it is necessary to make the collimated beams of each color the same size, fine adjustment in the Z direction is also required when attaching (adhering) the plano-convex lenses 5a to 5c.

この際、平凸レンズ5a~cを固定する支持板6は、各色で共通でもよいし、各色異なる支持板6a~cを用いてもよい(図7は支持板6が共通の場合に関して示す)。 At this time, the support plate 6 for fixing the plano-convex lenses 5a to 5c may be common to each color, or different support plates 6a to c may be used for each color (FIG. 7 shows the case where the support plate 6 is common).

〔実施形態4〕
実施形態1から3では、ビームは、レーザダイオード3から出射し、直進してキャップ4の側面から出射する場合に関して示したが、これに限定されない。実施形態4では、ビームがキャップ4の上面から出射する場合に関して示す。
[Embodiment 4]
In Embodiments 1 to 3, the beam is emitted from the laser diode 3, travels straight, and is emitted from the side surface of the cap 4. However, the present invention is not limited to this. In the fourth embodiment, a case where the beam is emitted from the upper surface of the cap 4 will be described.

図9は、実施形態4に係るレーザ装置1cの要部の構成を示す模式図である。レーザ装置1cは、レーザ装置1と異なり、ビームが透過する面が側面の透過部41ではなく、上面の透過部41aである。図10は、実施形態4に係るレーザパッケージの構成を示す斜視図である。なお、透過部41aはキャップ4の上面であるが、上面の一部であってもよい。 FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of main parts of a laser device 1c according to the fourth embodiment. The laser device 1c differs from the laser device 1 in that the surface through which the beam passes is not the transmissive portion 41 on the side surface but the transmissive portion 41a on the top surface. FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of a laser package according to the fourth embodiment. Note that although the transparent portion 41a is the upper surface of the cap 4, it may be a part of the upper surface.

レーザ装置1cは、ミラー8を備え、当該ミラー8によって、レーザダイオード3から出射されたビームを90°曲げて、キャップ4の上面の透過部41aからビームを出射する。このとき、作動距離WDは、放出面31からミラー8までの距離WDaと、ミラー8から平凸レンズ5までの距離WDbとの合計である。また、平凸レンズ5および支持板6は、キャップ4の上面に平行に配置される。 The laser device 1c includes a mirror 8, which bends the beam emitted from the laser diode 3 by 90 degrees, and emits the beam from the transmission portion 41a on the upper surface of the cap 4. At this time, the working distance WD is the sum of the distance WDa from the emission surface 31 to the mirror 8 and the distance WDb from the mirror 8 to the plano-convex lens 5. Further, the plano-convex lens 5 and the support plate 6 are arranged parallel to the upper surface of the cap 4.

実施形態4に係るレーザ装置1cは、ビームの出射光方向の厚みを薄くすることができる利点がある。実施形態1から3に係るレーザ装置1、1a、および1bでは向かない設置環境に、レーザ装置1cを設けることができる。 The laser device 1c according to the fourth embodiment has the advantage that the thickness of the beam in the direction of the emitted light can be reduced. The laser device 1c can be installed in an installation environment that is not suitable for the laser devices 1, 1a, and 1b according to the first to third embodiments.

〔まとめ〕
本発明の態様1に係るレーザ装置1、1a、1b、および1cは、基板2、前記基板2上に載置され、前記基板2の主面に平行な方向に出射光を放出するレーザダイオード3、及び、前記レーザダイオード3を封止するキャップであって、前記出射光を透過する面を有するキャップ4、を有するレーザパッケージと、前記出射光をコリメートする平凸レンズ5と、前記レーザパッケージと前記平凸レンズ5との間に配置される支持板であって、前記出射光が通過する開口を有する支持板6と、を備え、前記平凸レンズ5は、前記平凸レンズ5の平面側のレンズ面の外周部が、前記支持板6の前記平凸レンズ5側の面である第1平面61に接する状態で固定される。
〔summary〕
Laser devices 1, 1a, 1b, and 1c according to aspect 1 of the present invention include a substrate 2, a laser diode 3 placed on the substrate 2, and a laser diode 3 that emits emitted light in a direction parallel to the main surface of the substrate 2. , a laser package having a cap 4 for sealing the laser diode 3 and having a surface that transmits the emitted light; a plano-convex lens 5 for collimating the emitted light; a support plate 6 disposed between the plano-convex lens 5 and the support plate 6 having an aperture through which the emitted light passes; The outer peripheral portion is fixed in a state in which it is in contact with a first plane 61 that is a surface of the support plate 6 on the plano-convex lens 5 side.

上記の構成によれば、レーザダイオード3の位置によって出射光のコリメート調整を行い、平凸レンズ5の位置調整によって出射光の光軸調整を行うことができる。そのため、容易に調整できるレーザ装置1、1a、1b、および1cが実現できる。 According to the above configuration, the collimation of the emitted light can be adjusted by adjusting the position of the laser diode 3, and the optical axis of the emitted light can be adjusted by adjusting the position of the plano-convex lens 5. Therefore, laser devices 1, 1a, 1b, and 1c that can be easily adjusted can be realized.

本発明の態様2に係るレーザ装置1、1a、1b、および1cは、上記態様1において、前記レーザダイオード3の前記出射光の放出面と、前記平凸レンズ5の平面側のレンズ面との光学距離は、0.8mm以上1.2mm以下であってもよい。 Laser apparatuses 1, 1a, 1b, and 1c according to aspect 2 of the present invention, in aspect 1 above, are optically connected between the emission surface of the emitted light of the laser diode 3 and the plane-side lens surface of the plano-convex lens 5. The distance may be 0.8 mm or more and 1.2 mm or less.

上記の構成によれば、出射光をコリメートしたうえで、所望のサイズとすることができる。 According to the above configuration, the emitted light can be collimated and then made into a desired size.

本発明の態様3に係るレーザ装置1、1a、1b、および1cは、上記態様1または2において、前記平凸レンズ5の光軸上の厚みは、0.4mm以上1.0mm以下であってもよい。 In the laser devices 1, 1a, 1b, and 1c according to aspect 3 of the present invention, in aspect 1 or 2, the thickness of the plano-convex lens 5 on the optical axis may be 0.4 mm or more and 1.0 mm or less. good.

上記の構成によれば、耐久性がある平凸レンズ5とすることができる。 According to the above configuration, the plano-convex lens 5 can be made durable.

本発明の態様4に係るレーザ装置1、1a、1b、および1cは、上記態様1から3のいずれかにおいて、前記平凸レンズ5の有効径は、1.2mm以上1.6mm以下としてもよい。 In the laser devices 1, 1a, 1b, and 1c according to aspect 4 of the present invention, in any one of aspects 1 to 3 above, the effective diameter of the plano-convex lens 5 may be 1.2 mm or more and 1.6 mm or less.

上記の構成によれば、ミラーに対して適度なビームサイズとすることができる。 According to the above configuration, the beam size can be set to be appropriate for the mirror.

本発明の態様5に係るレーザ装置1cは、上記態様1から4のいずれかにおいて、前記出射光は、ミラーによって曲げられてもよい。 In the laser device 1c according to Aspect 5 of the present invention, in any of Aspects 1 to 4 above, the emitted light may be bent by a mirror.

上記の構成によれば、出射光をミラーによって曲げて、ビームをキャップの上面から出射することができる。 According to the above configuration, the emitted light can be bent by the mirror and the beam can be emitted from the upper surface of the cap.

本発明の態様6に係るレーザ装置1b、および1cは、上記態様1から5のいずれかにおいて、前記レーザパッケージは、複数の前記レーザダイオード3a~cを有しており、それぞれの前記レーザダイオード3a~cの出射光をコリメートする複数の前記平凸レンズ5a~cを備えてもよい。 Laser devices 1b and 1c according to aspect 6 of the present invention are the laser devices 1b and 1c according to any one of aspects 1 to 5 above, wherein the laser package has a plurality of the laser diodes 3a to 3c, and each of the laser diodes 3a A plurality of plano-convex lenses 5a to 5c may be provided to collimate the emitted light of 5a to 5c.

上記の構成によれば、フルカラーの出射光を作れるレーザ装置1bおよび1cを実現することができる。 According to the above configuration, it is possible to realize laser devices 1b and 1c that can produce full-color emitted light.

本発明の態様7に係るレーザ装置1、1a、1b、および1cの製造方法は、前記平凸レンズの前記平面側のレンズ面の外周部と、前記支持板の前記第1平面とを摺動させることによって、前記レーザダイオードの光軸に直交する前記第1平面内における前記平凸レンズの位置を調整する工程と、その後、前記平凸レンズを前記支持板に接着する工程と、を含む。 A method of manufacturing laser devices 1, 1a, 1b, and 1c according to aspect 7 of the present invention includes sliding an outer peripheral portion of a lens surface on the plane side of the plano-convex lens and the first plane of the support plate. The method may include adjusting the position of the plano-convex lens in the first plane perpendicular to the optical axis of the laser diode, and then bonding the plano-convex lens to the support plate.

上記の特徴によれば、コリメート調整と光軸調整とが容易なレーザ装置を製造することができる。 According to the above features, it is possible to manufacture a laser device in which collimation adjustment and optical axis adjustment are easy.

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
[Additional notes]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. are also included within the technical scope of the present invention. Furthermore, new technical features can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.

1、1a、1b、1c レーザ装置
2 基板
3、3a、3b、3c レーザダイオード
4 キャップ
5、5a、5b、5c 平凸レンズ
5d 凸レンズ
6 支持板
7 プリズム
8 ミラー
31 放出面
41、41a 透過部
51 レンズ面
61 第1平面
1, 1a, 1b, 1c laser device 2 substrate 3, 3a, 3b, 3c laser diode 4 cap 5, 5a, 5b, 5c plano-convex lens 5d convex lens 6 support plate 7 prism 8 mirror 31 emission surface 41, 41a transmission part 51 lens Surface 61 1st plane

Claims (7)

基板、前記基板上に載置され、前記基板の主面に平行な方向に出射光を放出するレーザダイオード、及び、前記レーザダイオードを封止するキャップであって、前記出射光を透過する面を有するキャップ、を有するレーザパッケージと、
前記出射光をコリメートする平凸レンズと、
前記レーザパッケージと前記平凸レンズとの間に配置される支持板であって、前記出射光が通過する開口を有する支持板と、を備え、
前記平凸レンズは、前記平凸レンズの平面側のレンズ面の外周部が、前記支持板の前記平凸レンズ側の面である第1平面に接する状態で固定されるレーザ装置。
A substrate, a laser diode placed on the substrate and emitting emitted light in a direction parallel to the main surface of the substrate, and a cap for sealing the laser diode, the cap having a surface that transmits the emitted light. a cap having a laser package;
a plano-convex lens that collimates the emitted light;
a support plate disposed between the laser package and the plano-convex lens, the support plate having an opening through which the emitted light passes;
The plano-convex lens is a laser device in which the outer periphery of the plane-side lens surface of the plano-convex lens is fixed in a state in which it is in contact with a first plane, which is a surface of the support plate on the plano-convex lens side.
前記レーザダイオードの前記出射光の放出面と、前記平凸レンズの平面側のレンズ面との光学距離は、0.8mm以上1.2mm以下である請求項1に記載のレーザ装置。 2. The laser device according to claim 1, wherein the optical distance between the emission surface of the emitted light of the laser diode and the plane-side lens surface of the plano-convex lens is 0.8 mm or more and 1.2 mm or less. 前記平凸レンズの光軸上の厚みは、0.4mm以上1.0mm以下である請求項2に記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 2, wherein the thickness of the plano-convex lens on the optical axis is 0.4 mm or more and 1.0 mm or less. 前記平凸レンズの有効径は、1.2mm以上1.6mm以下とする請求項3に記載のレーザ装置。 4. The laser device according to claim 3, wherein the plano-convex lens has an effective diameter of 1.2 mm or more and 1.6 mm or less. 前記出射光は、ミラーによって曲げられる、請求項1に記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 1, wherein the emitted light is bent by a mirror. 前記レーザパッケージは、複数の前記レーザダイオードを有しており、
それぞれの前記レーザダイオードの出射光をコリメートする複数の前記平凸レンズを備えている、請求項1から5のいずれか1項に記載のレーザ装置。
The laser package has a plurality of the laser diodes,
The laser device according to any one of claims 1 to 5, comprising a plurality of said plano-convex lenses that collimate the emitted light of each of said laser diodes.
請求項1から5に記載のレーザ装置の製造方法であって、
前記平凸レンズの前記平面側のレンズ面の外周部と、前記支持板の前記第1平面とを摺動させることによって、前記レーザダイオードの光軸に直交する前記第1平面内における前記平凸レンズの位置を調整する工程と、
その後、前記平凸レンズを前記支持板に接着する工程と、を含むレーザ装置の製造方法。
A method for manufacturing a laser device according to claims 1 to 5, comprising:
By sliding the outer periphery of the lens surface on the plane side of the plano-convex lens and the first plane of the support plate, the plano-convex lens is moved in the first plane perpendicular to the optical axis of the laser diode. a process of adjusting the position;
Thereafter, a method for manufacturing a laser device, including the step of bonding the plano-convex lens to the support plate.
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