JP7069677B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光源からの出射光を整形して出力する発光装置に関する。
高出力化などのために、集光させた光を光ファイバなどの受光デバイスに入射させる発光装置が使用されている。これらの発光装置では、発光ダイオード(LED)や半導体レーザなどを光源として、光源の出射光をレンズやプリズムなどの光学素子を用いて集光する方法が採用されている。
また、半導体レーザなどの出射光について、ファースト軸方向よりもビーム品質の低いスロー軸方向のビーム品質を改善するための検討が行われている。例えば、スロー軸方向に複数の発光領域(エミッタ)を並べた半導体レーザアレイの出射光を光学素子によってスロー軸方向に分割し、分割したレーザ光をファースト軸方向に並列させる方法などが提案されている。
特開2003-279885号公報
単一エミッタの光源を使用した場合にもスロー軸方向のビーム品質を改善することが望まれている。例えば、単一エミッタを有する高出力半導体レーザの出射光を小コア径で低NAの光ファイバに結合する場合、ファースト軸方向のビーム品質は問題ないがスロー軸方向のビーム品質が低いために、高効率に出射光をファイバに結合することができない。
上記問題点に鑑み、本発明は、単一エミッタの光源からの出射光のスロー軸方向のビーム品質を改善できる発光装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、単一のエミッタをそれぞれ有する、偏光方向が互いに異なる複数の光源と、光源の出射光をスロー軸方向に複数の分割光に分割し、複数の分割光をファースト軸方向に配列した整形ビームに整形して出力するビーム整形モジュールとを備え、ビーム整形モジュールが、複数の光源の出射光のそれぞれについて整形した複数の整形ビームを偏光合波し、偏光方向が互いに異なる光源の個数が3個以上である発光装置が提供される。
本発明によれば、単一エミッタの光源からの出射光のスロー軸方向のビーム品質を改善できる発光装置を提供できる。
本発明の第1の実施形態に係る発光装置の構成を示す模式図である。 光源の出射光のビーム形状の例を示す模式図である。 本発明の第1の実施形態に係る発光装置によるビーム整形の例を示すファースト軸方向から見た模式図である。 本発明の第1の実施形態に係る発光装置によるビーム整形の例を示すスロー軸方向から見た模式図である。 本発明の第1の実施形態に係る発光装置のビーム整形モジュールによってビーム整形される前の出射光の進行面のビーム形状を示す模式図である。 本発明の第1の実施形態に係る発光装置のビーム整形モジュールによってビーム整形された後の整形ビームの進行面のビーム形状を示す模式図である。 集光後のビーム径の例を示すグラフであり、図7(a)は本発明の第1の実施形態に係る発光装置によりビーム整形されたビームのビーム径を示し、図7(b)は比較例のビームのビーム径を示す。 比較例の進行面のビーム形状を示す模式図である。 本発明の第1の実施形態の第1の変形例に係る発光装置による出射光の分割の例を示すファースト軸方向から見た模式図である。 本発明の第1の実施形態の第1の変形例に係る発光装置によって得られる整形ビームの進行面のビーム形状を示す模式図である。 本発明の第1の実施形態の第2の変形例に係る発光装置による出射光の分割の例を示すファースト軸方向から見た模式図である。 本発明の第1の実施形態の第2の変形例に係る発光装置によって得られる整形ビームの進行面のビーム形状を示す模式図である。 本発明の第1の実施形態の第3の変形例に係る発光装置のビーム整形モジュールの構成を示す模式図である。 本発明の第2の実施形態に係る発光装置の構成を示す模式図である。ための模式図である。 本発明のその他の実施形態に係る発光装置の構成を示す模式図である。
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る発光装置1は、図1に示すように、単一のエミッタを有する光源10と、光源10の出射光L10をスロー軸方向に複数の分割光L11~L1nに分割し、分割光L11~L1nをファースト軸方向に配列した整形ビームL20に整形して出力するビーム整形モジュール30とを備える(n:2以上の整数)。
図1に示す発光装置1は、光源10の出射光L10を、出射光L10のファースト軸方向及びスロー軸方向についてコリメートするコリメート手段20を更に備える。即ち、ファースト軸方向及びスロー軸方向についてコリメートされた出射光L10が、ビーム整形モジュール30に導光される
図1に示したコリメート手段20は、出射光L10をファースト軸方向についてコリメートするF軸コリメートレンズ21と、出射光L10をスロー軸方向についてコリメートするS軸コリメートレンズ22を備える。図1に示すように、光源10の直近にF軸コリメートレンズ21が配置され、F軸コリメートレンズ21から一定の間隔をおいてS軸コリメートレンズ22が配置されている。
つまり、出射光L10は、F軸コリメートレンズ21によってコリメートされた後に、S軸コリメートレンズ22によってコリメートされる。ビーム整形モジュール30は、コリメートされた出射光L10について整形した整形ビームL20を出力する。
ビーム整形モジュール30から出力された整形ビームL20は、集光装置3によって集光されて受光デバイス2に導光される。受光デバイス2は例えば光ファイバであり、整形ビームL20は光ファイバのコア部に集光される。集光装置3は、例えば集光レンズである。
光源10は、例えばシングルエミッタの高出力半導体レーザである。単一のエミッタを有する半導体レーザなどでは、出射光の進行方向に垂直な断面(以下において、「進行面」という。)のビーム形状が楕円である。例えば、端面出力型のシングルエミッタ半導体レーザの出射光は、エミッタサイズの小さい方向にビームが大きく広がる。即ち、図2に示すように、エミッタエリアAのサイズの広い方向がスロー軸方向S、エミッタエリアAのサイズの狭い方向がファースト軸方向Fである。
光源10の出射光L10は、ファースト軸方向Fよりもスロー軸方向Sのビーム品質が低い。即ち、ファースト軸方向Fと比べてスロー軸方向Sの光束の外縁部がぼやけており、集光した場合にもシャープな形状が得られない。このため、光源10からの出射光L10をそのまま光ファイバと結合する場合には結合効率が低下するなどの問題が生じる。
これに対し、図1に示した発光装置1では、ビーム整形モジュール30によって、出射光L10のスロー軸方向Sのビーム品質が改善される。具体的には、ビーム品質の低いスロー軸方向Sについて出射光L10を分割し、分割光L11~L1nをファースト軸方向Fに重ねる。これにより、整形ビームL20のスロー軸方向Sの長さは短くなり、結合効率が改善する。
このとき、整形ビームL20のファースト軸方向Fの品質は低下することになる。しかし、ビーム品質はファースト軸方向Fの方がスロー軸方向Sよりも数十倍以上よいため、結合効率の低下が問題になることはない。
以下に、発光装置1の動作について説明する。
光源10から出射された出射光L10は、図1に示すように、先ずF軸コリメートレンズ21によってファースト軸方向Fについてコリメートされる。ファースト軸方向Fのビーム品質は高いため、光源10とF軸コリメートレンズ21との間隔は任意であるが、この間隔を狭くすることにより発光装置1のサイズを小さくできる。
F軸コリメートレンズ21から一定の間隔をおいて配置されたS軸コリメートレンズ22に、進行面のビーム形状がスロー軸方向Sに広がった出射光L10が導光され、スロー軸方向Sについて出射光L10がコリメートされる。そして、スロー軸方向Sに細長いビーム形状の出射光L10が、ビーム整形モジュール30に導光される。
ビーム整形モジュール30は、光分割素子31と光路変更素子32を備える。光分割素子31は、コリメートされた出射光L10の一部についてその光軸を元の光軸から変更して、出射光L10を複数の分割光L11~L1nに分割する。光路変更素子32は、分割光L11~L1nを異なる光路でそれぞれ伝搬させる。なお、光路変更素子32は、分割光L11~L1nがファースト軸方向Fに配列するように、分割光L11~L1nのそれぞれの光路を構成している。
光分割素子31は、分割光L11~L1nの少なくとも1つの分割光について光軸が変化するように、出射光L10を分割する。これにより、例えば分割光L11~L1nが互いに平行に離間して進行する。或いは、分割光L11~L1nのそれぞれが相互に別方向に進行するように、光分割素子31を通過した部分の光束の光軸と通過していない部分の光束の光軸とが一定の角度をなして交差するように出射光L10を分割してもよい。
光分割素子31には、例えばレーザウィンドウや光学ミラー、プリズムなどが使用可能である。また、光路変更素子32には、光学ミラーやプリズムなどを使用可能である。
図3~図4に、光分割素子31としてレーザウィンドウ310を光軸に対して傾けて配置し、光路変更素子32に光学ミラー対320を使用した例を示す。即ち、傾けたレーザウィンドウ310によって、出射光L10はスロー軸方向Sに分割光L11と分割光L12に2分割される。このようにレーザウィンドウ310を光分割素子31に使用することによって、レーザウィンドウ310を透過した分割光L11の光軸は、分割される前の出射光L10の光軸から変化する。一方、分割光L12の光軸は分割される前の出射光L10から変化しない。
そして、分割光L11の光路が光学ミラー対320によって変更され、分割光L11と分割光L12がファースト軸方向Fに重ねて配列される。
ビーム整形モジュール30によって、例えば図5に示すように進行面がスロー軸方向Sに細長いビーム形状の出射光L10が、スロー軸方向Sに分割される。そして、出射光L10を分割した分割光L11と分割光L12が図6に示すようにファースト軸方向Fに重ねられた整形ビームL20が得られる。
なお、図6に示した進行面のビーム形状は、出射光L10を2等分することにより得られる。つまり、光分割素子31を、スロー軸方向に沿った光束の半分が通過する位置に配置する。例えば、レーザウィンドウ310を通過した光束の半分について、その光軸がレーザウィンドウ310を通過していない部分の光束の光軸から変化する角度で、レーザウィンドウ310を配置する。
上記のように出射光L10を2等分する場合に限らず、ビーム整形モジュール30が分割光のそれぞれのスロー軸方向Sの長さが同等になるように出射光L10を等分することにより、進行面のビーム形状が矩形状の整形ビームL20が得られる。
なお、レーザウィンドウ310を光分割素子31に使用した場合、出射光L10が入射するレーザウィンドウ310の入射面と出射光L10の光軸とのなす角が小さいほど、光軸のずれが大きくなる。また、分割光が隙間なくファースト軸方向Fに重ねられる例を示したが、ファースト軸方向Fに沿って分割光の間に間隔を設けてもよい。
上記のように、発光装置1では、ビーム品質の低いスロー軸方向Sに沿って出射光L10を分割した分割光L11~L1nをファースト軸方向Fに重ねて配列する。このようにスロー軸方向Sの低い品質をファースト軸方向Fに分散させることにより、スロー軸方向Sのビーム品質が改善される。その結果、ビーム品質の向上した整形ビームL20を得ることができる。
また、発光装置1によれば、レーザウィンドウや光学ミラー、プリズムなどの安価な光学素子を用いて構成可能なビーム整形モジュール30によって、スロー軸方向Sのビーム品質を改善できる。つまり、低コストでビーム品質の向上した整形ビームL20を得られる。
図7(a)に、整形ビームL20を集光装置3により集光した集光ビームのビーム径の例を示す。横軸は、集光ビームが集光装置3を通過した後の任意の位置を基準点(0mm)として、集光スポットに向けて集光ビームが進行する方向をプラス方向とした距離Zである。なお、図7(a)は、ビーム整形モジュール30によって出射光L10を同程度の強度でスロー軸方向Sに2分割した後にファースト軸方向Fに重ねた場合の集光ビームのビーム径である。
また、図7(b)に、ビーム整形モジュール30によるビーム整形をしていない比較例の集光ビームのビーム径を示す。図7(b)は、ビーム整形モジュール30を配置しない状態で図7(a)の場合と同じ位置に集光装置3を配置した場合の集光ビームのビーム径である。
図7(a)を図7(b)を比較すると、ビーム整形モジュール30によってビーム整形することにより、集光後に集光ビームのビーム径が最も細くなる位置での集光径は比較例の半分程度になる。また、Mスクエア値は、比較例のMスクエア値の半分程度である。このように、実施形態に係る発光装置1によれば、ビーム品質を向上させることができる。
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る発光装置1では、単一のエミッタを有する光源10から出射される出射光L10がスロー軸方向Sに複数の分割光に分割され、これらの分割光がファースト軸方向Fに積層して配列される。その結果、出射光L10についてスロー軸方向Sのビーム品質が改善され、整形ビームL20をより小径に高品質に集光できる。このため、例えば、小コア径、低NAの光ファイバと出射光L10を高い効率で結合することができる。
また、発光装置1ではスロー軸方向Sのビーム径が短くなるため、例えば図8に示した比較例のようにビームLの端部が受光デバイス2の外側にはみ出して結合効率が低下することを抑制できる。
なお、整形ビームL20のビーム形状は、コリメート手段20にも依存する。このため、光源10のビーム品質や受光デバイス2の仕様などに応じて、コリメートレンズの特性や配置なども考慮される。
<第1の変形例>
上記では、出射光L10の光束を等分する例を示した。しかし、ビーム整形モジュール30によって、複数の分割光の少なくとも1つの分割光が他の分割光とスロー軸方向Sの長さが異なるように出射光L10を分割してもよい。
例えば、図9に示すように、出射光L10を等分しないで分割することによっても、スロー軸方向Sのビーム品質を改善することができる。図9に示した実施形態では、光分割素子31として使用されるレーザウィンドウ310を透過する分割光L11の割合が半分よりも小さい。このため、図10に示すように、分割光L11と分割光L12をファースト軸方向Fに重ねた整形ビームL20の進行面のビーム形状は矩形状でない。
出射光L10の光束を2等分した場合には、出射光L10の強度が最も高い光束の中心部分に光分割素子31の端面が位置することになる。このため、光分割素子31の端面において出射光L10の一部が散乱したり吸収されたりした場合に、出射光L10の強度の低下する割合が大きいおそれがある。
これに対し、図9に示すように光分割素子31の端面の位置を出射光L10の中心からずらすことにより、出射光L10の強度の低下を抑制することができる。
<第2の変形例>
上記では、光源10の出射光L10を2つに分割する例を示したが、複数の光分割素子31を用いて出射光L10を3つ以上に分割してもよい。例えば、図11に示すように、第1のレーザウィンドウ310aと第2のレーザウィンドウ310bによって、出射光L10が分割光L11、分割光L12及び分割光L13の3つに分割される。
これにより、図12に示すように、ファースト軸方向Fに分割光L11~分割光L13を3重に重ねた整形ビームL20が得られる。その結果、スロー軸方向Sのビーム品質を3倍に改善することができる。
<第3の変形例>
光分割素子31にレーザウィンドウ以外の光学素子を使用してもよい。例えば、直角プリズムを用いて出射光L10を分割してもよい。
即ち、図13に示すように、出射光L10の一部が、分割光L11として第1の折り返しプリズムミラー312によって直角プリズム313に導光される。分割光L11は、直角プリズム313の内部で反射した後に、第2の折り返しプリズムミラー314に導光される。そして、第2の折り返しプリズムミラー314で反射した分割光L11と、第2の折り返しプリズムミラー314を分割光L12として透過した出射光L10の他の一部とが、ファースト軸方向Fに重ねられる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る発光装置1は、図14に示すように、偏光方向が互いに異なる第1の光源10a及び第2の光源10bを備える。
第1の光源10aの出射光L10aは、第1のF軸コリメートレンズ21aによってファースト軸方向Fについてコリメートされ、更に第1のS軸コリメートレンズ22aによってスロー軸方向Sについてコリメートされる。コリメートされた出射光L10aは、ビーム整形モジュール30に導光される。第2の光源10bの出射光L10bは、第2のF軸コリメートレンズ21bによってファースト軸方向Fについてコリメートされ、更に第2のS軸コリメートレンズ22bによってスロー軸方向Sについてコリメートされる。コリメートされた出射光L10bは、ビーム整形モジュール30に導光される。
第2の実施形態に係る発光装置1のビーム整形モジュール30は、第1の光分割素子31aと第1の光路変更素子32aによって、第1の光源10aの出射光L10aのビーム整形を行う。即ち、出射光L10aがスロー軸方向Sに複数の分割光L11a~L1naに分割された後、分割光L11a~L1naがファースト軸方向Fに重ねられて第1の整形ビームL20aが得られる。
同様に、第2の実施形態に係る発光装置1のビーム整形モジュール30は、第2の光分割素子31bと第2の光路変更素子32bによって、第2の光源10bの出射光L10bのビーム整形を行う。即ち、出射光L10bがスロー軸方向Sに複数の分割光L11b~L1nbに分割された後、分割光L11b~L1nbがファースト軸方向Fに重ねられて第2の整形ビームL20bが得られる。
図14に示したビーム整形モジュール30は、第1の整形ビームL20aと光学ミラー33によって光路変更された第2の整形ビームL20bとを偏光ビームスプリッタ34によって合波する。これにより、ビーム整形モジュール30から、第1の光源10aの出射光L10aと第2の光源10bの出射光L10bとを偏光合波した、スロー軸方向Sのビーム品質が改善された整形ビームL20が出力される。
なお、第1の光路変更素子32aや第2の光路変更素子32bと偏光ビームスプリッタ34との間にビームスプリッタを挿入してもよい。ビームスプリッタにより分割されたビームをモニタすることによって、第1の整形ビームL20aや第2の整形ビームL20bのビーム形状を確認することができる。
上記では偏光方向が互いに異なる光源10の個数が2個である場合を示したが、光源10の個数は3個以上であってもよい。第2の実施形態に係る発光装置1によれば、偏光方向が互いに異なる複数の光源の出射光のそれぞれについて整形した複数の整形ビームを偏光合波し、スロー軸方向Sのビーム品質が改善された整形ビームL20を得られる。また、複数の整形ビームを偏光合波することにより、整形ビームL20の強度を増大させることができる。他は第1の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、既に述べた実施形態の説明においては、ビーム整形モジュール30が1つである例を示した。しかし、例えば図15に示すように、複数のビーム整形モジュール30を多段に連結させてもよい。図15に示した発光装置1では、それぞれのビーム整形モジュール30から出力される整形ビームL20が、次段のビーム整形モジュール30に導光される。ビーム整形モジュール30の連結する個数は、光源10の出射光L10のビーム品質と、整形ビームL20に要求される直径若しくは受光デバイス2の仕様などに応じて、適宜設定される。
また、上記では、光源10からの出射光L10をコリメートするコリメート手段20を有する発光装置1を示した。しかし、コリメートされた出射光L10を出射する光源10を使用する場合などには、コリメート手段20を省略することもできる。
なお、実施形態に係る発光装置1は、ファースト軸方向Fと比べてスロー軸方向Sのビーム品質が低い様々な光源10について好適に使用される。即ち、半導体レーザ以外の光源、例えば固体レーザなどを光源10に使用してもよい。
また、集光装置3によって集光した後に受光デバイス2と結合する実施形態を示したが、発光装置1は他の用途にも適用可能である。例えば、ビーム整形モジュール30からの整形ビームL20をターゲットに直接照射する用途にも、本発明は適用可能である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含む。
1…発光装置
2…受光デバイス
3…集光装置
10…光源
20…コリメート手段
21…F軸コリメートレンズ
22…S軸コリメートレンズ
30…ビーム整形モジュール
31…光分割素子
32…光路変更素子
34…偏光ビームスプリッタ
310…レーザウィンドウ
313…直角プリズム
320…光学ミラー対
F…ファースト軸方向
S…スロー軸方向
L10…出射光
L11~L1n…分割光
L20…整形ビーム

Claims (7)

  1. 単一のエミッタをそれぞれ有する、偏光方向が互いに異なる複数の光源と、
    前記光源の出射光をスロー軸方向に複数の分割光に分割し、前記複数の分割光をファースト軸方向に配列した整形ビームに整形して出力するビーム整形モジュールと
    を備え、
    前記ビーム整形モジュールが、複数の前記光源の出射光のそれぞれについて整形した複数の前記整形ビームを偏光合波し、
    偏光方向が互いに異なる前記光源の個数が3個以上である
    ことを特徴とする発光装置。
  2. 前記ビーム整形モジュールが
    前記光源の出射光の一部についてその光軸を元の光軸から変更して、前記光源の出射光を前記複数の分割光に分割する光分割素子と、
    前記複数の分割光を異なる光路でそれぞれ伝搬させる光路変更素子と
    を備え、
    前記光路変更素子が、前記複数の分割光が前記ファースト軸方向に配列するように前記複数の分割光のそれぞれの光路を構成することを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記ビーム整形モジュールが、前記光源の出射光を3つ以上に分割して前記ファースト軸方向に配列することを特徴とする請求項1又は2に記載の発光装置。
  4. 前記ビーム整形モジュールが、前記複数の分割光のそれぞれの前記スロー軸方向の長さが同等になるように前記光源の出射光を等分することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発光装置。
  5. 前記ビーム整形モジュールが、前記複数の分割光の少なくとも1つの分割光が他の分割光と前記スロー軸方向の長さが異なるように前記光源の出射光を分割することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発光装置。
  6. 前記光源の出射光を前記ファースト軸方向及び前記スロー軸方向についてコリメートするコリメート手段を更に備え、
    前記ファースト軸方向及び前記スロー軸方向についてコリメートされた前記光源の出射光が前記ビーム整形モジュールに導光されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の発光装置。
  7. 前記コリメート手段が、
    前記光源の出射光を前記ファースト軸方向についてコリメートするF軸コリメートレンズと、
    前記F軸コリメートレンズによってコリメートされた前記光源の出射光を前記スロー軸方向についてコリメートするS軸コリメートレンズと
    を備えることを特徴とする請求項に記載の発光装置。
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