JP5790053B2

JP5790053B2 - 光源装置

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Publication number: JP5790053B2
Application number: JP2011063390A
Authority: JP
Inventors: 岳笹室; 幸利丸谷
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: EP2503377B1; US8736966B2; US20120243105A1; JP2012199447A; EP2503377A1

Description

本発明は、光源装置に関する。

従来、複数の半導体レーザ装置から出射する光を複数のコリメータレンズで略平行光にし、集光レンズで集光する光源装置が提案された（特許文献１、２、３参照）

特開２００９− ８０４６８号公報特開２００５−１１４９７７号公報特開２００２−２０２４４２号公報

しかしながら、近年は、従来とは異なる新たな小型の光源装置が求められている。

そこで、本発明は、従来とは異なる新たな小型の光源装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記課題は、次の手段により解決される。

本発明は、複数の半導体レーザ装置を組み合わせた光源本体と、前記光源本体の各半導体レーザ装置から出射する光をそれぞれ略平行光にする複数のコリメータレンズと、前記複数のコリメータレンズからそれぞれ出射する光を集光する集光レンズと、を備え、前記半導体レーザ装置は、上面視においてＩ字状の形状を有するステムと、前記ステムの上面側に設けられた半導体レーザ素子と、前記ステムの上面側において前記ステムの外周よりも内側に設けられ、前記半導体レーザ素子の周囲を取り囲み、上面視においてＩ字状の形状を有するキャップと、を備え、前記光源本体は、前記ステムの上面側を前記集光レンズ側に向けて前記複数の半導体レーザ装置を配置したものであるととともに、前記集光レンズから見たときに、前記集光レンズの光軸方向に垂直な第１方向においては隣接する半導体レーザ装置のステムがみかけ上連なるように、前記光軸方向と前記第１方向との双方に垂直な第２方向においては隣接する半導体レーザ装置のステムが重なるように、前記第１方向と前記第２方向とにおいて前記複数の半導体レーザ装置を前後にずらして配置したものである、ことを特徴とする光源装置である。

また、本発明は、複数の半導体レーザ装置を組み合わせた光源本体と、前記光源本体の各半導体レーザ装置から出射する光をそれぞれ略平行光にする複数のコリメータレンズと、前記複数のコリメータレンズからそれぞれ出射する光を集光する集光レンズと、を備え、前記半導体レーザ装置は、上面視においてＩ字状の形状を有するステムと、前記ステムの上面側に設けられた半導体レーザ素子と、前記ステムの上面側において前記ステムの外周よりも内側に設けられ、前記半導体レーザ素子の周囲を取り囲み、上面視においてＩ字状の形状を有するキャップと、を備え、前記光源本体は、前記ステムの上面側を前記集光レンズ側に向けて前記複数の半導体レーザ装置を配置したものであるととともに、前記集光レンズから見たときに、前記集光レンズの光軸方向に垂直な第１方向においては隣接する半導体レーザ装置のステムがみかけ上連なるように、前記光軸方向と前記第１方向との双方に垂直な第２方向においては隣接する半導体レーザ装置のステムとキャップとが重なるように、前記第１方向と前記第２方向とにおいて前記複数の半導体レーザ装置を前後にずらして配置したものである、ことを特徴とする光源装置である。

また、本発明は、前記光源本体は、長軸が前記Ｉ字に略平行な方向から４５度で傾く略楕円形の発光領域を有する半導体レーザ装置を備える、ことを特徴とする上記の光源装置である。

また、本発明は、前記光源本体は、長軸が前記Ｉ字に略平行になる略楕円形の発光領域を有する半導体レーザ装置と、長軸が前記Ｉ字に略垂直になる略楕円形の発光領域を有する半導体レーザ装置と、を備える、ことを特徴とする上記の光源装置である。

また、本発明は、ビームスポットの強度分布が単峰型となることを特徴とする上記の光源装置である。

また、本発明は、ビームスポットの強度分布がトップハット型となることを特徴とする上記の光源装置である。

本発明によれば、従来とは異なる新たな小型の光源装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光源装置の概略斜視図である。本発明の第１実施形態に係る光源本体の構成例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光源本体（その１）を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光源本体（その２）を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光源本体（その１）及び光源本体（その２）を用いた場合の焦点Ａにおけるビームスポットの概略形状を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光源本体（他の例）を用いた場合の焦点Ａにおけるビームスポットの概略形状を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光源装置におけるビームスポットの強度分布を示す図である。本発明の第２実施形態に係る光源装置の概略斜視図である。本発明の第２実施形態に係る光源本体の構成例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光源本体（ａ）と、本発明の第２実施形態に係る光源本体（ｂ）と、比較例に係る光源本体（ｃ）と、を比較する図である。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態について説明する。

［本発明の第１実施形態に係る光源装置］
図１は、本発明の第１実施形態に係る光源装置の概略斜視図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る光源装置１は、複数の半導体レーザ装置を組み合わせた光源本体１０と、光源本体１０の各半導体レーザ装置から出射する光をそれぞれ略平行光にする複数のコリメータレンズ２０と、複数のコリメータレンズ２０からそれぞれ出射する光を集光する集光レンズ３０と、を備えている。

図２は、本発明の第１実施形態に係る光源本体の構成例を示す図であり、（ａ）は光源本体の概略斜視図を示し、（ｂ）は光源本体を集光レンズから見た場合の様子を示す図である。

図２に示すように、光源本体１０は、複数の半導体レーザ装置１１を組み合わせたものであり、各半導体レーザ装置１１は、ステム１１ａとキャップ１１ｂとを有するＩ字状のパッケージを備えている。各パッケージには、半導体レーザ素子（図示せず）が収容されている。

光源本体１０では、集光レンズ３０から見たときに、集光レンズ３０の光軸方向（Ｚ方向）に垂直な第１方向（Ｙ方向）においては隣接する半導体レーザ装置１０のステム１１ａがみかけ上連なるように、複数の半導体レーザ装置が前後にずらして配置される。なお、本明細書では、半導体レーザ装置１０におけるレーザ光の出射方向を「前」とし、この出射方向の反対方向を「後」とする。

また、光源本体１０では、集光レンズ３０から見たときに、集光レンズ３０の光軸方向と第１方向（Ｙ方向）との双方に垂直な第２方向（Ｘ方向）において、隣接する半導体レーザ装置１１のステム１１ａが重なるように、複数の半導体レーザ装置１１が前後にずらして配置される。

本発明の第１実施形態によれば、Ｉ字状のパッケージを備えた複数の半導体レーザ装置１１を組み合わせて光源本体１０が構成され、光源本体１０の第２方向（Ｘ方向）において、隣接する半導体レーザ装置１１のステム１１ａが重なるように、複数の半導体レーザ装置１１が前後にずらして配置される。

したがって、本発明の第１実施形態によれば、集光レンズ３０の光軸方向（Ｚ方向）において複数の半導体レーザ装置１１を近づけて配置することができるため、光源本体１０を小型化することができ、従来とは異なる新たな小型の光源装置１を提供することが可能となる。

なお、光源本体１０の小型化によって集光レンズ３０も小型化することが可能となるため、低コストで光源装置を製造することが可能となる。また、小型の集光レンズ３０を用いることによって最外光の屈折率を小さくして収差を低減することができ、高品質のビームスポットを得ることが可能となる。

以下、光源本体についてより詳細に説明する。

図３は、本発明の第１実施形態に係る光源本体（その１）を示す図である。
図３に示すように、本発明の第１実施形態に係る光源本体（その１）では、半導体レーザ装置１１が略楕円形の発光領域１２を有しており、各発光領域の長軸がＩ字に略平行な方向から４５度で傾いている。

図４は、本発明の第１実施形態に係る光源本体（その２）を示す図である。
図４に示すように、本発明の第１実施形態に係る光源本体（その２）では、半導体レーザ装置１１が略楕円形の発光領域１２を有しており、各発光領域の長軸がＩ字に略平行又は略垂直になる。

図５は、本発明の第１実施形態に係る光源本体（その１）及び光源本体（その２）を用いた場合の焦点Ａにおけるビームスポットの概略形状を示す図である。

図５に示すように、本発明の第１実施形態に係る光源本体（その１）及び光源本体（その２）によれば、焦点Ａにおいて、Ｘ字状のビームスポットを得ることができる。

このため、複数の半導体レーザ装置１１から出射した光は、ビームスポットの中央領域においてはすべてが重なるが、ビームスポットの中央領域の周辺領域においては部分的にしか重ならないようになる。

したがって、本発明の第１実施形態に係る光源本体（その１）及び光源本体（その２）によれば、ビームスポットの中央領域における光を利用する場合において、ビームスポットの中央領域の周辺領域に存在する光が意に反して対象物に照射されてしまうことなどを防止することができ、高品質のビームスポットを得ることが可能となる。

図６は、本発明の第１実施形態に係る光源本体（他の例）を用いた場合の焦点Ａにおけるビームスポットの概略形状を示す図である。

上記した形態のほか、本発明の第１実施形態によれば、半導体レーザ装置１１における発光領域のＩ字に対する傾きを様々に異ならしめることにより、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の半導体レーザ装置１１から出射した光が、ビームスポットの中央領域の周辺領域においてより一層重ならないようにすることができる。

なお、図示しないが、本発明の第１実施形態によれば、半導体レーザ装置１１における発光領域のＩ字に対する傾きを様々に異ならしめることにより、複数の半導体レーザ装置１１から出射した光が、ビームスポットの中央領域の周辺領域においてまったく重ならないようにすることもできる。

図７は、本発明の第１実施形態に係る光源装置におけるビームスポットの強度分布を示す図であり、（ａ）は焦点Ａにおけるビームスポットの強度分布を示す図であり、（ｂ）は光軸上の点Ｂ及び点Ｃにおけるビームスポットの強度分布を示す図である。

図７（ａ）に示すように、本発明の第１実施形態によれば、焦点Ａにおいて、単峰型の強度分布を有するビームスポットを得ることができる。

図７（ｂ）に示すように、本発明の第１実施形態によれば、光軸上の点Ｂ及び点Ｃにおいて、トップハット型の強度分布を有するビームスポットを得ることができる。

［本発明の第２実施形態に係る光源装置］
図８は、本発明の第２実施形態に係る光源装置の概略斜視図である。また、図９は、本発明の第２実施形態に係る光源本体の構成例を示す図であり、（ａ）は光源本体の概略斜視図を示し、（ｂ）は光源本体を集光レンズから見た場合の概略を示す図である。

図８、図９に示すように、本発明の第２実施形態に係る光源装置２は、集光レンズ３０から光源本体１０を見たときに、集光レンズ３０の光軸方向（Ｚ方向）と第１方向（Ｙ方向）との双方に垂直な第２方向（Ｘ方向）において、隣接する半導体レーザ装置１１のステム１１ａとキャップ１１ｂとが重なるように、複数の半導体レーザ装置１１が前後にずらして配置される点で、本発明の第１実施形態に係る光源装置１と相違する。

本発明の第２実施形態によれば、集光レンズ３０の光軸方向（Ｚ方向）と第１方向（Ｙ方向）との双方に垂直な第２方向（Ｘ方向）において、複数の半導体レーザ装置１１を近づけて配置することができるため、光源本体１０を小型化することができ、従来とは異なる新たな小型の光源装置２を提供することが可能となる。

なお、本発明の第２実施形態によっても、本発明の第１実施形態の場合と同様に、光源本体１０の小型化によって集光レンズ３０も小型化することが可能となるため、低コストで光源装置を製造することが可能となり、また、小型の集光レンズ３０を用いることによって最外光の屈折率を小さくして収差を低減し、高品質のビームスポットを得ることが可能となる。

図１０は、本発明の第１実施形態に係る光源本体（ａ）と、本発明の第２実施形態に係る光源本体（ｂ）と、比較例に係る光源本体（ｃ）と、を比較する図である。

図１０（ａ）に示すように、本発明の第１実施形態に係る光源本体１０によると、隣接する半導体レーザ装置１１の中心間の間隔が、Ｘ方向において４．６５ｍｍとなり、Ｙ方向において３ｍｍとなり、斜め方向において５．５３ｍｍとなる。

また、図１０（ｂ）に示すように、本発明の第２実施形態に係る光源本体１０によると、隣接する半導体レーザ装置１１の中心間の間隔が、Ｘ方向において３．７ｍｍとなり、Ｙ方向において３ｍｍとなり、斜め方向において４．７６ｍｍとなる。

これに対し、図１０（ｃ）に示すように、比較例に係る光源本体では、隣接する半導体レーザ装置の中心間の間隔が、Ｘ方向において５．６ｍｍとなり、Ｙ方向において５．６ｍｍとなり、斜め方向において７．９２ｍｍとなる。

したがって、本発明の第１実施形態に係る光源本体１０及び本発明の第２実施形態に係る光源本体１０は、Ｘ方向、Ｙ方向、及び斜め方向のいずれにおいても、隣接する半導体レーザ装置１１の中心間の間隔が、比較例に係る光源本体よりも短い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの説明は、本発明の一例に関するものであり、本発明は、これらの説明によって何ら限定されるものではない。

１、２光源装置
１０光源本体
１１半導体レーザ装置
１１ａステム
１１ｂキャップ
１２発光領域
２０コリメータレンズ
３０集光レンズ
Ａ焦点
Ｂ、Ｃ点

Claims

複数の半導体レーザ装置を組み合わせた光源本体と、
前記光源本体の各半導体レーザ装置から出射する光をそれぞれ略平行光にする複数のコリメータレンズと、
前記複数のコリメータレンズからそれぞれ出射する光を集光する集光レンズと、
を備え、
前記半導体レーザ装置は、
上面視においてＩ字状の形状を有するステムと、
前記ステムの上面側に設けられた半導体レーザ素子と、
前記ステムの上面側において前記ステムの外周よりも内側に設けられ、前記半導体レーザ素子の周囲を取り囲み、上面視においてＩ字状の形状を有するキャップと、
を備え、
前記光源本体は、
前記ステムの上面側を前記集光レンズ側に向けて前記複数の半導体レーザ装置を配置したものであるととともに、
前記集光レンズから見たときに、前記集光レンズの光軸方向に垂直な第１方向においては隣接する半導体レーザ装置のステムがみかけ上連なるように、前記光軸方向と前記第１方向との双方に垂直な第２方向においては隣接する半導体レーザ装置のステムが重なるように、前記第１方向と前記第２方向とにおいて前記複数の半導体レーザ装置を前後にずらして配置したものである、
ことを特徴とする光源装置。
複数の半導体レーザ装置を組み合わせた光源本体と、
前記光源本体の各半導体レーザ装置から出射する光をそれぞれ略平行光にする複数のコリメータレンズと、
前記複数のコリメータレンズからそれぞれ出射する光を集光する集光レンズと、
を備え、
前記半導体レーザ装置は、
上面視においてＩ字状の形状を有するステムと、
前記ステムの上面側に設けられた半導体レーザ素子と、
前記ステムの上面側において前記ステムの外周よりも内側に設けられ、前記半導体レーザ素子の周囲を取り囲み、上面視においてＩ字状の形状を有するキャップと、
を備え、
前記光源本体は、
前記ステムの上面側を前記集光レンズ側に向けて前記複数の半導体レーザ装置を配置したものであるととともに、
前記集光レンズから見たときに、前記集光レンズの光軸方向に垂直な第１方向においては隣接する半導体レーザ装置のステムがみかけ上連なるように、前記光軸方向と前記第１方向との双方に垂直な第２方向においては隣接する半導体レーザ装置のステムとキャップとが重なるように、前記第１方向と前記第２方向とにおいて前記複数の半導体レーザ装置を前後にずらして配置したものである、
ことを特徴とする光源装置。
前記光源本体は、長軸が前記Ｉ字に略平行な方向から４５度で傾く略楕円形の発光領域を有する半導体レーザ装置を備える、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
前記光源本体は、長軸が前記Ｉ字に略平行になる略楕円形の発光領域を有する半導体レーザ装置と、長軸が前記Ｉ字に略垂直になる略楕円形の発光領域を有する半導体レーザ装置と、を備える、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
ビームスポットの強度分布が単峰型となることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光源装置。
ビームスポットの強度分布がトップハット型となることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光源装置。