JP4121329B2 - 光源用モジュールおよび光源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光源用モジュールおよび光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎ（≧２）個のＬＤ（半導体レーザ）を、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化してなるＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュールの開発が、各種の光照射装置の光源部に関連して意図されている。
【０００３】
このような光源用モジュールにおいて「光源としての出力」を大きくするため、ＬＤバーを構成するＬＤの数：Ｎを増大させると、光結合の横倍率が大きくなり、集光スポット径が光ファイバのコア径より大きくなって光結合効率が低下し、出力を大きくするという目的を達成できなくなったり、あるいは「ＬＤバー・光源用モジュール・光ファイバ相互の位置関係のずれ」により集束スポット位置が大きく変動するので上記位置関係に高精度が必要となり、上記位置関係の僅かな誤差により光結合効率が大きく低下してしまったりする問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、ＬＤバーにおけるＬＤの数を有効に増大させて、光源としての出力を増大させることができ、なおかつ、ＬＤバー・光源用モジュール・光ファイバ相互の位置関係の誤差に影響され難い、新規な光源用モジュールの実現を課題とする。
【０００５】
この発明はまた、上記光源用モジュールとＬＤバーとを組合せた光源装置の実現を課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の光源用モジュールは「Ｎ（≧２）個のＬＤを、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化してなるＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュール」であって、光結合手段として、共軸コリメートレンズアレイと、集光用共軸レンズと、光束配列幅圧縮手段とを有する（請求項１）。
「光結合手段」は、光源用モジュールを構成する光学系である。
【０００７】
「共軸コリメートレンズアレイ」は、Ｎ個のコリメートレンズを、ＬＤバーにおけるＬＤの配列に応じて配列一体化してなり、ＬＤバーのＮ個のＬＤから放射される発散光束をそれぞれ平行光束化する。
【０００８】
「集光用共軸レンズ」は、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化された光束を、１本の光ファイバの入射端面に集光するレンズである。
【０００９】
「光束配列幅圧縮手段」は、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化され、ＬＤ配列方向に配列する光束の配列幅を圧縮する手段である。
そして、光結合手段の横倍率が有効に小さく設定される。
上記「共軸コリメートレンズアレイ」におけるＮ個のコリメートレンズの個々は光軸方行において単レンズであり、上記「集光用共軸レンズ」も単レンズである。
上記個々の共軸コリメートレンズの焦点距離をｆ _１ 、上記集光用共軸レンズの焦点距離をｆ ₂ とするとき、ｆ ₂ ＞ｆ _１ であり、
β＝ｆ ₂ ／ｆ _１
で与えられる上記光結合手段の横倍率：βを、上記光束配列幅圧縮手段による光束の配列幅の圧縮により、有効に小さく設定し、上記個々のＬＤの像が、上記光ファイバのコア径内に収まるようにした。
【００１０】
請求項１記載の光源用モジュールにおける「光束配列幅圧縮手段」は、共軸コリメートレンズアレイの各コリメートレンズにより平行光束化された光束をそれぞれ２回反射させ、ＬＤ配列方向における光束間隔を減少させる反射手段であることができる（請求項２）。
【００１１】
請求項１記載の光源用モジュールにおける「共軸コリメートレンズアレイ」は、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化したものとし、個々のＬＤから放射される発散光束を互いに平行な平行光束にし、平行光束化された光束間の上記配列方向における隙間を減少させもしくはなくす機能を持たせることができる（請求項３）。
【００１２】
上記請求項１記載の光源用モジュールにおける「光束配列幅圧縮手段」はまた、１／２波長板と、偏光ビームスプリッタと、反射ミラーを有する構成とすることができる（請求項４）。
【００１３】
「１／２波長板」は、共軸コリメートレンズアレイを透過した平行光束の配列において、配列方向に略２等分された一方の平行光束群を透過させて、その偏向面を９０度旋回させる。
【００１４】
「偏光ビームスプリッタ」は、略２等分された他方の平行光束群を透過させるとともに、１／２波長板により偏光面を９０度旋回された平行光束群を、上記透過する平行光束群と合成する。
【００１５】
「反射ミラー」は、１／２波長板により偏光面を９０度旋回される平行光束群を、偏光ビームスプリッタを透過する平行光束群と合成させるべく、偏光ビームスプリッタに向けて反射する。
【００１６】
即ち、共軸コリメートレンズアレイから偏光ビームスプリッタへ、１／２波長板と反射ミラーとを介して至る光路において、１／２波長板と反射ミラーとの配列は、どちらが共軸コリメートレンズ側にあっても良い。
【００１７】
上述したように、ＬＤバーはＮ個の半導体レーザを有し、従って、最大でＮ本の光束を放射する。Ｎ本の光束が放射されるとき、Ｎ本の光束は共軸コリメートレンズアレイにより各々平行光束化されてＮ本の平行光束として配列する。
【００１８】
上の「共軸コリメートレンズアレイを透過した平行光束の配列における、配列方向に略２等分された一方の平行光束群」との表現において、略２等分は、以下の意味を有する。
【００１９】
即ち、Ｎが偶数である場合には、Ｎ本の平行光束の配列が配列方向に２等分され「互いに隣接し合うＮ／２本の平行光束群」が２群できることになる。また、Ｎが奇数である場合には、Ｎ本の平行光束が「（Ｎ＋１）／２本の平行光束群」と、残りの「（Ｎ−１）／２本の平行光束群」に分けられる。
【００２０】
請求項４記載の光源用モジュールにおける「共軸コリメートレンズアレイ」は、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化した」ものとし、個々のＬＤから放射される発散光束を互いに平行な平行光束にし、平行光束化された光束間の上記配列方向における隙間を減少させもしくはなくす機能を持たせることができる（請求項５）。
【００２１】
上記請求項３または５記載の光源用モジュールにおける「共軸コリメートレンズアレイ」は、「配列方向のレンズ径が小さいガラス研磨レンズによるコリメートレンズをＮ個接合したもの」もしくは「配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、エッチング加工もしくはモールドにより一体に形成されたガラスレンズアレイ」もしくは「配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、樹脂成形により一体に形成された樹脂レンズアレイ」もしくは「配列方向のレンズ径が小さく、回折によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした回折光学素子レンズアレイ」もしくは「配列方向のレンズ径が小さく、屈折率分布によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした屈折率分布型レンズアレイ」の何れかであることができる（請求項６）。
【００２２】
上記請求項４または５または６記載の光源用モジュールにおける「偏光ビームスプリッタ」は、「キューブ型のもの」であることもできるし「平板型」であることもできる（請求項７）。また、上記請求項１〜７の任意の１に記載の光源用モジュールにおける「集光用共軸レンズ」は、「研磨によるガラスレンズ」もしくは「ガラスモールドレンズ」もしくは「樹脂成形レンズ」もしくは「回折光学素子レンズ」もしくは「屈折率分布レンズ」の何れかであることができる（請求項８）。
【００２３】
上記請求項１〜８の任意の１に記載の光源用モジュールにおける「光結合手段の横倍率」は１０倍以下であることが好ましい（請求項９）。後述するように、請求項５記載の光源用モジュールにおいて、Ｎ＝１５、ａ＝０．１５、ｂ＝０．２、ｍ＝３とすることにより、β≒５．６とすることができる（請求項１０）。
【００２４】
この発明の光源装置は、上記請求項１〜１０の任意の１に記載の光源用モジュールとＬＤバーとを組合せてなる（請求項１１）。
【００２５】
発明の実施の形態を説明するに先立って「光結合手段の横倍率」と、その低減方法を説明する。
【００２６】
図１は、共軸コリメートレンズアレイと、集光用共軸レンズとにより、ＬＤバーの各ＬＤからの光束を光ファイバの入射端面に結合させる状態を模式的に示している。図１の上の図は、水平方向図で（Ｘ−Ｚ面）での結合の様子を示し、下の図は垂直方向図で（Ｙ−Ｚ面）での結合の様子を示す。
【００２７】
周知の如く、ＬＤ（半導体レーザ）の発光部は長方形形状を有し、ＬＤバーは「Ｎ（≧２）個のＬＤを、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化」した構成となっている。このような構成で、ＬＤの配列方向、即ち「個々のＬＤにおける発光部の長手方向」がＸ方向であり、各ＬＤから放射される発散性レーザ光束の主光線の方向がＺ方向である。そして、これらＸ、Ｚ方向に直交する方向がＹ方向である。
【００２８】
周知の如く、ＬＤから放射される発散性の光束は、その発散角が一様でなく、上記発光部の長手方向に平行な面内、即ち水平方向（Ｘ−Ｚ面）において発散角は最小の値：θ_Ｈ（以下「最小発散角」という）をとり、発光部の長手方向に直交する面内、即ち、垂直方向（Ｙ−Ｚ面）において発散角は最大の値：θ_Ｖ（以下「最大発散角」という）をとる。
【００２９】
図１には、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：３の場合が示されている。
図１は、共軸コリメートレンズアレイにおける、個々の共軸コリメートレンズＬ１が円形状で「有効径の周辺部」で互いに接し、ピッチ：Ｐで配列されている場合を示している。図中にＰ１で示すのは、個々の共軸コリメートレンズ（薄いレンズ）の主平面を示している。
【００３０】
個々の共軸コリメートレンズＬ１の有効径は、図１の下図のように、最大発散角：θ_Ｖの光束をコリメートできる大きさに定められている。従って、個々の共軸コリメートレンズＬ１によりコリメートされた光束は、図１下図のように、垂直方向に「有効径：Ｄ_Ｖに等しい光束径」を持った平行光束となる。
【００３１】
一方、最小発散角：θ_Ｈは、最大発散角：θ_Ｖの１／３であるから、個々の共軸コリメートレンズＬ１によりコリメートされた光束が水平方向において持つ光束径：Ｄ_Ｈは前記有効径：Ｄ_Ｖの１／３になる。
【００３２】
このようにして、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されたＮ本の平行光束群は、集光用共軸レンズＬ２（薄いレンズとし、その主平面を符号Ｐ２により示す）により集光され、１本の光ファイバの入射端面Ｐ３上に結像する。
【００３３】
上に述べたところを「近軸理論」で説明する。
共軸コリメートレンズアレイにおける個々の共軸コリメートレンズＬ１の焦点距離をｆ_１、集光用共軸レンズＬ２の焦点距離をｆ_２とする。
共軸コリメートレンズＬ１における水平方向のＮＡ（開口数）をａとすると、
ａ＝Ｄ_Ｈ／２ｆ_１
で、これから
Ｄ_Ｈ＝ａ・２ｆ_１ （１）
が得られる。
【００３４】
最大発散角：θ_Ｖ＝３θ_Ｈであるから、垂直方向の開口数は、
３ａ＝Ｄ_Ｖ／２ｆ_１
であり、これから
Ｄ_Ｖ＝３ａ・２ｆ_１ （２）
となる。即ち、
Ｄ_Ｖ＝３Ｄ_Ｈ
である。また共軸コリメートレンズＬ１は円形レンズであるので、
Ｄ_Ｖ＝３Ｄ_Ｈ＝Ｐ （３）
となる。
【００３５】
これらＮ本の光束を集光用共軸レンズＬ２により、１本の光ファイバの入射端面に集光することになるが、光ファイバのＮＡをｂとすると、水平方向に関しては、本来、光源側の「ＮＡ＝ａの光束をＮ本」取り込めればよいはずであるが、共軸コリメートレンズＬ１が円形レンズであるため、垂直方向と同様に「光源側のＮＡ＝３ａ、光ファイバ側：ＮＡ＝ｂ／Ｎ」の光束をＮ本取り込めるようにする必要がある。
【００３６】
即ち、集光用共軸レンズＬ２は、水平方向に関しては、図１上図における幅：Ｄ_Ｎの光束をＮＡ＝ｂの光ファイバに集光させねばならない。
【００３７】
一般的な関係式：ＮＡ＝Ｄ／２ｆ（Ｄ：光束径、ｆ：焦点距離）により、
光源側では、３ａ＝Ｄ_Ｖ／２ｆ_１から、
ｆ_１＝Ｄ_Ｖ／６ａ （４）
であり、光ファイバ側では、ｂ＝Ｄ_Ｎ／２ｆ_２＝ＮＤ_Ｖ／２ｆ_２により、
ｆ_２＝ＮＤ_Ｖ／２ｂ （５）
となる。
【００３８】
共軸コリメートレンズＬ１と集光用共軸レンズＬ２との合成系、即ち「光結合手段」の横倍率：βは、
β＝ｆ_２／ｆ_１＝（ＮＤ_Ｖ／２ｂ）／（Ｄ_Ｖ／６ａ）＝３ａＮ／ｂ （６）
で与えられる。
【００３９】
図１の如き光結合形態の場合につき、具体的な計算を行ってみる。
１例として、光源側のＮＡが水平方向につきａ＝０．１５、垂直方向につき３ａ＝０．４５、光ファイバのＮＡ＝ｂ＝０．２、ＬＤの配列数：Ｎ＝１５であるとすると、横倍率：β＝３ａＮ／ｂ＝３×０．１５×１５／０．２＝３３．７５となる。
【００４０】
個々のＬＤの発光部（エミッション・エリア）のサイズを、水平方向：２μｍ、垂直方向：１μｍとすると、上記の光結合手段により光ファイバの入射端面に結像する発光部像の大きさは、６７．５μｍ×３３．７５μｍとなる。光ファイバのコア径が５０μｍであるとすると、上記発光部像はコア径内に納まらず、光結合効率が低下することになる。
【００４１】
また、横倍率：βが３３．７５倍と大きいため、例えば、光結合手段に対してＬＤバーが僅かにずれても発光部像は大きく変位してしまうため、ＬＤバー・光結合手段・光ファイバ相互の位置関係誤差の影響を受けやすい。
【００４２】
上に述べたところから、ＬＤバーにおけるＬＤの配列数：Ｎを増大させて光出力を増大しつつ光結合効率の低下を防ぎ、なおかつ、位置関係の誤差に影響され難くするには、光結合手段の横倍率：βを小さくするのが有効であり、この発明においては、光結合手段の横倍率を小さく設定する。
【００４３】
「光結合手段」の横倍率：βは、β＝ｆ_２／ｆ_１であるから、横倍率：βを小さくするには、焦点距離：ｆ_２を小さくするか、焦点距離：ｆ_１を大きくすればよい。しかし、ＬＤからの放射レーザ光束が発散性であることを考えると、共軸コリメートレンズの焦点距離：ｆ_１を大きくすることは、共軸コリメートレンズの有効径が大きくなることを意味し、光源用モジュールのコンパクト化の面から好ましくない。
【００４４】
一方、集光用共軸レンズの焦点距離：ｆ_２を小さくすることは、光源用モジュールのコンパクト化に有利である。
なお、上において、式（１）〜（６）は、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：３の場合を例にとって説明したが、式（１）〜（６）を、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：ｍの場合に一般化することは容易であり、結果を示せば以下の如くになる。
【００４５】
Ｄ_Ｈ＝ａ・２ｆ_１ （１１）
Ｄ_Ｖ＝ｍａ・２ｆ_１ （１２）
Ｄ_Ｖ＝ｍＤ_Ｈ＝Ｐ （１３）
ｆ_１＝Ｄ_Ｖ／２ｍａ （１４）
ｆ_２＝ＮＤ_Ｖ／２ｂ （１５）
β＝ｆ_２／ｆ_１＝ｍａＮ／ｂ （１６）
式（１１）〜（１６）が式（１）〜（６）に対応する。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を説明する。
ＬＤバーにおけるＬＤ配列方向、即ち、水平方向における横倍率：βを小さくするには、図１上図における「Ｎ本の平行光束の配列幅：Ｄ_Ｎ」を小さくすればよい。光ファイバに結合させるべきＮ本の平行光束は、個々には水平方向に幅：Ｄ_Ｈを有するが、ピッチ：Ｐ＝ｍＤ_Ｈ（図１ではｍ＝３）で配列しているため、隣接する平行光束間に（ｍ−１）Ｄ_Ｈの「隙間」がある。
【００４７】
従って、水平方向におけるＮ本の平行光束の配列幅（上記：Ｄ_Ｎ）を小さくするには、上記「隙間」を小さくするか無くせば良い。この発明では、この目的のために、光結合手段中に「光束配列幅圧縮手段」を用いる。
【００４８】
図２は、請求項２記載の光源用モジュールの実施の１形態を特徴部分のみ模式的に示している。符号ＬＤＢはＬＤバー（の発光部の配列面）を示す。図の簡単化のために、ＬＤの配列数：Ｎを３としている。各ＬＤから放射される発散光束の最小発散角：θ_Ｈ、最大発散角：θ_Ｖは、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：３を満足するものとしている。符号Ｐ１は、共軸コリメートレンズアレイにおける各共軸コリメートレンズ（薄いレンズ）の「主面」を示している。
【００４９】
この実施の形態においては、光束配列幅圧縮手段２０は、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡの各コリメートレンズにより平行光束化された光束ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３をそれぞれ２回反射させ、ＬＤ配列方向における光束間隔を減少させる反射手段である。
【００５０】
即ち、平行光束ＦＬ１は反射面２０１１、２０１２により順次反射され、平行光束ＦＬ２は反射面２０２１、２０２２により順次反射され、平行光束ＦＬ３は反射面２０３１、２０３２により順次反射される。
【００５１】
図２に示すように、反射面２０１１、２０１２、２０２１、２０２２、２０３１、２０３２の位置関係により、これら反射面により２回反射された平行光束ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３は、配列幅が、反射前における配列幅：Ｄ_ＮからＤ_Ｎ／３に圧縮されている。このようにすると、光結合手段の横倍率：βを、光束配列幅圧縮手段を用いない場合（図１の場合）に比して1／３に小さくできる。
【００５２】
図２における反射面２０１１、２０１２、２０２１、２０２２、２０３１、２０３２はミラー面として形成しても良いしプリズム面としてもよい。プリズム面とする場合には、反射面２０１１、２０１２、２０２１、２０２２、２０３１、２０３２を持つ「単体のプリズム部材」として光束配列幅圧縮手段２０を構成することができる。
【００５３】
図３を参照して、請求項３記載の光源用モジュールの特徴部分を説明する。
図１に即した説明では、共軸コリメートレンズアレイにおける各共軸コリメートレンズは円形レンズであって、その有効径：Ｄ_Ｖは、ＬＤから放射される発散性の光束の最大発散角：θ_Ｖの光束を取り込める大きさに設定されていた。
【００５４】
しかしながら、円形レンズを用いた場合、図３（ａ）に示すように、垂直方向には幅：Ｄ_Ｖの光束を取り込む必要があっても、水平方向に関しては「幅：Ｄ_Ｈの光束を取り込むだけの幅」があればよく、実際に必要なレンズ面は図３（ａ）において「斜線を施した部分」である。
【００５５】
そこで、図３（ｂ）に示すように、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡとして、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比（θ_Ｖ：θ_Ｈ）に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズＣＬ（図３（ａ）に示す「斜線を施した部分」の形状を持つ）を、レンズ径の小さい方向を配列方向（図３（ｂ）で左右方向）にしてアレイ化したものを、配列方向がＬＤバーのＬＤ配列方向に対応するようにして用いれば、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡ自体が、平行光束化された光束の、水平方向における「平行光束間の光束のない領域」を減少もしくはなくす機能を有する。
【００５６】
図３（ｂ）において、Ｄ_Ｖは「コリメートレンズＣＬの垂直方向の有効径」である。Ｄ_Ｈは「コリメートレンズＣＬの水平方向の有効径」であって、図の例ではＬＤバーにおけるＬＤの配列ピッチ：Ｐに等しい。
【００５７】
図４を参照して、請求項４記載の光源用モジュールの特徴部分を説明する。
請求項４記載の光源用モジュールは、光束配列幅圧縮手段４０が、１／２波長板４１と、偏光ビームスプリッタ４２と、反射ミラー４３を有する。
【００５８】
図示されない共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化され、水平方向（図の上下方向に）配列した平行光束群は、図の左方から右方へ進行し、配列方向における略１／２は、偏光ビームスプリッタ４２に入射する。ＬＤバーを構成する個々のＬＤから放射されるレーザ光束は、実質的にその全てが、水平方向に偏光面をもつ直線偏光状態にあるので、偏光ビームスプリッタ４２に図の左方から入射する光束は、そのまま透過する。
【００５９】
１／２波長板４１は「共軸コリメートレンズアレイを透過した平行光束の配列における、配列方向に略２等分された一方の平行光束群」を透過させて、その偏向面を９０度旋回させる。このように偏光面を旋回させられた平行光束群は、反射ミラー４３に入射する。
【００６０】
反射ミラー４３は、入射してくる平行光束群を「偏光ビームスプリッタ４２を透過する平行光束群」と合成させるべく、偏光ビームスプリッタ４２に向けて反射する。このようにして反射ミラー４３に反射された平行光束群は、偏光ビームスプリッタ４２に入射して偏光分離膜により反射され、偏光ビームスプリッタ４２を透過する平行光束群と合成されて射出する。
【００６１】
このようにして、光束配列幅圧縮手段４０は、共軸コリメートレンズアレイ側から入射する平行光束群の光束配列幅：Ｄ_Ｎを光束配列幅：Ｄ_Ｎ’（≒Ｄ_Ｎ／２）に圧縮する。
なお、１／２波長板４１を、図４の位置に代えて、反射ミラー４３と偏光ビームスプリッタ４２との間に配置し、反射ミラー４３に反射された平行光束群が、１／２波長板４１を介して偏光ビームスプリッタ４２に（図の下方から）入射するようにしても良い。
【００６２】
図２ないし図４に即して説明した「光束配列幅圧縮」は、勿論、単独で行うことができるが、これらを組合せることにより、更なる圧縮が可能になる。
【００６３】
図５を参照して、請求項５記載の光源用モジュールの特徴部分を説明する。繁雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては、図１、図３、図４におけると同一の符号を用いた。
【００６４】
共軸コリメートレンズアレイＣＬＡは、図３に即して説明した「ＬＤバーＬＤＢにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズ（図中の符号Ｐ１は主面を示す）を、レンズ径の小さい方向を配列方向（図の上下方向）にしてアレイ化したもの」で、後述のように光束配列幅圧縮手段の一部をなす。
【００６５】
ＬＤバーＬＤＢから放射されたＮ本の発散光束は、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡの個々のコリメートレンズＬ１’により平行光束化され、コリメートされたＮ本の平行光束は、水平方向において「互いに近接もしくは密接」する。 個々のコリメートレンズＬ１’は、図１におけるコリメートレンズＬ１と同じ焦点距離：ｆ_１を有する。
【００６６】
コリメートされた平行光束群は、１／２波長板４１、偏光ビームスプリッタ４２、反射ミラー４３を有する光束配列幅圧縮手段４０（図４に即して説明したのと同様のもの）により、光束配列幅を更に１／２に圧縮される。そして、集光用共軸レンズＬ２’により、光ファイバの入射端面Ｐ３に集光される。
【００６７】
この実施の形態では「光束配列幅の水平方向における圧縮」は、光束配列幅圧縮手段４０により行われる。共軸コリメートレンズアレイＣＬＡは、平行光束化された光束の、水平方向における「平行光束間の光束のない領域」を減少もしくはなくす。
【００６８】
１例として、ＬＤバーにおける個々のＬＤの放射する発散性レーザ光束の最大発散角：θ_Ｖが、最小発散角：θ_Ｈの３倍、即ち、θ_Ｖ＝３θ_Ｈの場合について計算を行ってみる。共軸コリメートレンズアレイＣＬＡにおける各共軸コリメートレンズＬ１’の焦点距離をｆ_１、集光用共軸レンズＬ２’の焦点距離をｆ_２’とする。
【００６９】
平行光束の配列幅は、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡの圧縮助長作用により、図１の円形コリメートレンズのアレイを用いる場合に比して１／３に圧縮され、さらに、光束配列幅圧縮手段４０の作用により１／２に圧縮されるので、全体としては１／６に圧縮されることになる。このため、集光用共軸レンズＬ_２’の焦点距離：ｆ_２’を、図１の場合におけるｆ_２の１／６に縮小できる。
【００７０】
光結合手段（共軸コリメートレンズアレイＣＬＡと光束配列幅圧縮手段４０と集光用共軸レンズＬ２’を有する）の水平方向の横倍率：β’は、β’＝ｆ_２'／ｆ_１であるが、ｆ_２’＝ｆ_２／６となっているので、横倍率：β’を、図１の場合の横倍率：βの１／６に低減させることができる。
【００７１】
図１に即して説明した、光源側のＮＡが水平方向につきａ＝０．１５、垂直方向につき３ａ＝０．４５、光ファイバのＮＡ＝ｂ＝０．２、ＬＤの配列数：Ｎ＝１５の場合には、横倍率：β＝３３．７５であったが、図５の場合には、横倍率：β’は１／６の略５．６倍となる。
【００７２】
個々のＬＤの発光部サイズが、水平方向：２μｍ、垂直方向：１μｍであれば図５の光結合手段により光ファイバの入射端面に結像する発光部像の大きさは、１１．２μｍ×５．６μｍとなり、光ファイバのコア径が５０μｍであるとすると、発光部像はコア径内に十分に納まり、光結合効率が高く、前述した「位置関係誤差」にも影響され難くなる。
【００７３】
請求項４の光源用モジュールにおいて、請求項５記載の共軸コリメートレンズアレイを用いる場合、ＬＤバーにおける個々のＬＤの放射する発散性光束の最大発散角：θ_Ｖが、最小発散角：θ_Ｈのｍ倍、即ち、θ_Ｖ＝ｍθ_Ｈである一般の場合、請求項４記載の光束配列幅圧縮手段には、水平方向の配列幅を１／２に圧縮する機能があり、上記共軸コリメートレンズアレイは水平方向の光束幅を垂直方向の１／ｍにし、ＬＤの配列間隔を共軸コリメートレンズアレイにおける共軸コリメートレンズの配列間隔に設定することができるので、上記式（１５）、（１６）に対応して、集光用共軸レンズの焦点距離：ｆ_２’、光結合手段の水平方向の横倍率：β’は、それぞれ、
ｆ_２’＝Ｄ_Ｎ’／２ｂ＝Ｄ_Ｎ／（２ｂ・２ｍ）
＝ＮＤ_Ｖ／４ｍｂ＝ｆ_２／２ｍ （１５’）
β’＝ｆ_２’／ｆ_１＝ａＮ／２ｂ＝β／２ｍ （１６’）
となる。
【００７４】
【実施例】
以下、具体的な実施例を説明する。
【００７５】
図６は、実施例の光源用モジュール・光源装置の構成を説明するための図である。（ａ）は水平方向の構成を示し、符号６０はＬＤバー、符号６２は共軸コリメートレンズアレイ、符号６３は１／２波長板、符号６４は偏光ビームスプリッタ、符号６５は反射ミラー、符号６６は集光用共軸レンズ、符号７０は光ファイバを示している。図６（ｂ）は垂直方向の構成を、１／２波長板６３、偏光ビームスプリッタ６４、反射ミラー６５の図示を省略して描いてある。
【００７６】
光源用モジュールの「光結合手段」は、共軸コリメートレンズアレイ６２と、１／２波長板６３と、偏光ビームスプリッタ６４と、反射ミラー６５と、集光用共軸レンズ６６とにより構成され、これらを光結合手段として有する光源用モジュールとＬＤバー６０とは「光源装置」を構成する。
【００７７】
ＬＤバー６０は「波長：４００ｎｍの発散光束を放射する１５個のＬＤ（半導体レーザ）を、各発光部がその長手方向（Ｘ方向）に連なるようにして１列に配列一体化」したものである。
【００７８】
各ＬＤは、その発光部（エミッション・エリア）のサイズが、水平方向：１．７μｍ、垂直方向：０．５μｍであり、１／ｅ^２強度によるＮＡは、水平方向：０．１５、垂直方向０．４５である（即ち、θ_Ｖ＝３θ_Ｈ）。また、ＬＤの配列ピッチ：Ｐは３６０μｍである。
【００７９】
ＬＤバー６０からの光束を光結合される光ファイバ７０は、コア径：５０μｍ、ＮＡ＝０．２のものである。
【００８０】
共軸コリメートレンズアレイ６２は、ＬＤバー６０におけるＬＤの配列ピッチ：Ｐ＝３６０μｍであることに鑑み、図６（ｃ）に示すように、アレイ配列する個々の共軸コリメートレンズＣＬの有効径を水平方向に３６０μｍと設定し、水平方向におけるレンズ間隔も３６０μｍとした。
【００８１】
この条件であると、垂直方向の有効径：Ｄ_Ｖは、式（１３）において、ｍ＝３として、
Ｄ_Ｖ＝３Ｄ_Ｈ＝３×３６０＝１０８０μｍ
と算出され、焦点距離：ｆ_１は、式（１４）から、
ｆ_１＝Ｄ_Ｖ／２ｍａ
＝１０８０／（２×３×０．１５）＝１２００μｍ＝１．２ｍｍ
と算出される。
【００８２】
光ファイバ７０のＮＡは０．２であるが、余裕を見て、設計値としてＮＡ：０．１７を設定する。また、ＬＤバー６０におけるＬＤの配列数：Ｎ＝１５で、これを略２等分するのに８と７とに分ける。そこで、設計上はＮ＝１６とする。１／２波長板６３、偏光ビームスプリッタ６４、反射ミラー６５による光束配列幅圧縮手段は、上述の如く水平方向の光束配列幅を１／２に圧縮するので、集光用共軸レンズ６６の焦点距離：ｆ_２’は上記式（１５’）により、
ｆ_２’＝ＮＤ_Ｖ／４ｍｂ＝（１６×１０８０）／（４×３×０．１７）
≒８．４ｍｍ
となる。
【００８３】
このとき、光結合手段による水平方向の倍率：β’は、（１６’）式により
β’＝ｆ_２’／ｆ_１≒８．４ｍｍ／１．２ｍｍ＝７
となる。従って、集光用共軸レンズ６６は、焦点距離：８．４ｍｍ、有効径：２．９ｍｍ（光束配列幅：０．３６ｍｍ×８＝２．８８ｍｍを取り込める有効径）の円形レンズとなる。
【００８４】
光結合手段が光ファイバ７０の入射端面に結像させる発光部像は、水平方向に１１．９μｍ、垂直方向に３．５μｍであり、光ファイバ７０のコア径：５０μｍに比して小さいので、コア径内に納まることは勿論、前記位置関係誤差の影響を受け難い。
【００８５】
共軸コリメータレンズアレイを石英ガラスにより、集光用共軸レンズをＢＫ−７ガラス材料で作製し、光結合効率として９８．７％を設計値として得ることができた。
【００８６】
上に実施例を説明した光源用モジュールは、ＬＤバー６０からの光を１本の光ファイバ７０に結合させる光源用モジュールにおいて、光結合手段として、共軸コリメートレンズアレイ６２と、集光用共軸レンズ６６と、光束配列幅圧縮手段６３、６４、６５とを有し、共軸コリメートレンズアレイ６２はＮ（＝１５）個のコリメートレンズをＬＤバー６０におけるＬＤの配列に応じて配列一体化してなり、各ＬＤから放射される発散光束を平行光束化するものであり、集光用共軸レンズ６６は、共軸コリメートレンズアレイ６２により平行光束化された光束を１本の光ファイバ７０の入射端面に集光するレンズであり、光束配列幅圧縮手段６３、６４、６５は、共軸コリメートレンズアレイ６２により平行光束化された光束の配列方向における配列幅を圧縮する手段であり、光結合手段の横倍率を有効に小さく設定した（７倍）ものである（請求項１）。
【００８７】
また、光束配列幅圧縮手段が、１／２波長板６３と、偏光ビームスプリッタ６４と、反射ミラー６５を有し、１／２波長板６４は、共軸コリメートレンズアレイ６３を透過した平行光束の配列における、配列方向に略２等分された一方の平行光束群（７本の平行光束からなる）を透過させて、その偏向面を９０度旋回させ、偏光ビームスプリッタ６４は、略２等分された他方の平行光束群（８本の平行光束からなる）を透過させるとともに、偏光面を９０度旋回された平行光束群を上記透過する平行光束群と合成し、反射ミラー６５は、１／２波長板６３により偏光面を９０度旋回される平行光束群を、偏光ビームスプリッタ６４を透過する平行光束群と合成させるべく、偏光ビームスプリッタ６４に向けて反射するものである（請求項４）。
【００８８】
共軸コリメートレンズアレイ６２は、ＬＤバー６０における個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズＣＬを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化したものである（請求項５）。
【００８９】
共軸コリメートレンズアレイ６２はまた、配列方向のレンズ径が小さいＮ（＝１５）個のコリメートレンズを、エッチング加工により一体に形成された石英ガラスによるガラスレンズアレイであり（請求項６）、偏光ビームスプリッタ６４は「キューブ型」のものであり（請求項７）、集光用共軸レンズ６６は、ＢＫ−７ガラスによるガラスモールドレンズである（請求項８）。
【００９０】
そして、光結合手段の横倍率（＝７倍）は１０倍以下である（請求項９）。
【００９１】
図６の実施例において、上記光源用モジュールとＬＤバー６０とを組合せた部分は、請求項１１記載の光源装置の実施の１形態である。
【００９２】
なお、ＬＤバーにおけるＬＤの配列数：Ｎの上限は２０程度である。
【００９３】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば新規な光源用モジュールおよび光源装置を実現できる。この光源用モジュールは、光ファイバへの光結合効率が高く、ＬＤバー・共軸コリメートレンズアレイ・光ファイバ相互の相対的な位置関係の誤差の影響を受け難い。
【００９４】
このような光源用モジュールとＬＤバーとの組合せによるこの発明の光源装置は、高い光結合効率を持ち、取り扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光結合手段の横倍率と、その低減方法を説明するための図である。
【図２】請求項２記載の発明の実施の１形態を特徴部分のみ示す図である。
【図３】請求項３記載の発明の実施の１形態の特徴部部を説明するための図である。
【図４】請求項４記載の発明の実施の１形態の特徴部分を説明するための図である。
【図５】請求項４記載の発明の実施の１形態を説明するための図である。
【図６】光源用モジュールと光源装置の１実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
６０ ＬＤバー
６２ 共軸コリメートレンズアレイ
６３ １／２波長板
６４ 偏光ビームスプリッタ
６５ 反射ミラー
６６ 集光用共軸レンズ
７０ 光ファイバ

Claims (11)

1. Ｎ個のＬＤを、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化してなるＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュールにおいて、
   光結合手段として、共軸コリメートレンズアレイと、集光用共軸レンズと、光束配列幅圧縮手段とを有し、
   上記共軸コリメートレンズアレイは、Ｎ個のコリメートレンズを上記ＬＤバーにおけるＬＤの配列に応じて配列一体化してなり、Ｎ個のＬＤから放射される発散光束をそれぞれ平行光束化するものであって、上記Ｎ個のコリメートレンズの個々は光軸方行において単レンズであり、
   上記集光用共軸レンズは、上記共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化された光束を、上記１本の光ファイバの入射端面に集光するレンズであって単レンズであり、
   上記光束配列幅圧縮手段は、上記共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されてＬＤ配列方向に配列する光束の配列幅を圧縮する手段であり、
   上記個々の共軸コリメートレンズの焦点距離をｆ_１、上記集光用共軸レンズの焦点距離をｆ₂とするとき、ｆ₂＞ｆ_１であり、
   β＝ｆ₂／ｆ_１
   で与えられる上記光結合手段の横倍率：βを、上記光束配列幅圧縮手段による光束の配列幅の圧縮により、有効に小さく設定し、上記個々のＬＤの像が、上記光ファイバのコア径内に収まるようにしたことを特徴とする光源用モジュール。
2. 請求項１記載の光源用モジュールにおいて、
   光束配列幅圧縮手段が、共軸コリメートレンズアレイの各コリメートレンズにより平行光束化された光束をそれぞれ２回反射させ、ＬＤ配列方向における光束間隔を減少させる反射手段であることを特徴とする光源用モジュール。
3. 請求項１記載の光源用モジュールにおいて、
   共軸コリメートレンズアレイが、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化したものであって、
   上記個々のＬＤから放射される発散光束を互いに平行な平行光束にし、平行光束化された光束間の上記配列方向における隙間を減少させもしくはなくす機能を有することを特徴とする光源用モジュール。
4. 請求項１記載の光源用モジュールにおいて、
   光束配列幅圧縮手段が、１／２波長板と、偏光ビームスプリッタと、反射ミラーとを有し、
   上記１／２波長板は、共軸コリメートレンズアレイを透過した平行光束の配列における、配列方向に略２等分された一方の平行光束群を透過させて、その偏向面を９０度旋回させ、
   上記偏光ビームスプリッタは、上記略２等分された他方の平行光束群を透過させるとともに、上記偏光面を９０度旋回された平行光束群を、上記透過する平行光束群と合成し、
   上記反射ミラーは、上記１／２波長板により偏光面を９０度旋回される平行光束群を、上記偏光ビームスプリッタを透過する平行光束群と合成させるべく、上記偏光ビームスプリッタに向けて反射するものであることを特徴とする光源用モジュール。
5. 請求項４記載の光源用モジュールにおいて、
   共軸コリメートレンズアレイが、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化したものであって、
   上記個々のＬＤから放射される発散光束を互いに平行な平行光束にし、平行光束化された光束間の上記配列方向における隙間を減少させもしくはなくす機能を有することを特徴とする光源用モジュール。
6. 請求項３または５記載の光源用モジュールにおいて、
   共軸コリメートレンズアレイが、
   配列方向のレンズ径が小さいガラス研磨レンズによるコリメートレンズをＮ個接合したもの、もしくは、
   配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、エッチング加工もしくはモールドにより一体に形成されたガラスレンズアレイ、もしくは、
   配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、樹脂成形により一体に形成された樹脂レンズアレイ、もしくは、
   配列方向のレンズ径が小さく、回折によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした回折光学素子レンズアレイ、もしくは、
   配列方向のレンズ径が小さく、屈折率分布によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした屈折率分布型レンズアレイ、
   の何れかであることを特徴とする光源用モジュール。
7. 請求項４または５または６記載の光源用モジュールにおいて、
   偏光ビームスプリッタが、キューブ型もしくは平板型であることを特徴とする光源用モジュール。
8. 請求項１〜７の任意の１に記載の光源用モジュールにおいて、
   集光用共軸レンズが、
   研磨によるガラスレンズ、もしくは、
   ガラスモールドレンズ、もしくは、
   樹脂成形レンズ、もしくは、
   回折光学素子レンズ、もしくは、
   屈折率分布レンズ、
   の何れかであることを特徴とする光源用モジュール。
9. 請求項１〜８の任意の１に記載の光源用モジュールにおいて、
   上記光結合手段の横倍率が１０倍以下であることを特徴とする光源用モジュール。
10. 請求項５記載の光源用モジュールにおいて、
    Ｎ＝１５、ａ＝０．１５、ｂ＝０．２、ｍ＝３で、β≒５．６であることを特徴とする光源用モジュール。
11. 請求項１〜１０の任意の１に記載の光源用モジュールとＬＤバーとを組合せてなる光源装置。

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