JP7201929B2

JP7201929B2 - 光源装置

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Publication number: JP7201929B2
Application number: JP2020116958A
Authority: JP
Inventors: 圭宏木村; 忠明宮田
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2023-01-11
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Also published as: CN112993744A; JP2021093514A

Description

本開示は光源装置に関する。

複数のレーザダイオードを備える光源装置が様々な用途において開発されている。特許文献１は、レーザアレイ、およびレーザアレイから出射される複数のレーザビームを上方に反射する立ち上げミラーを備える光源装置を開示している。

特開２０１１－０４９３３８号公報

レーザ光の出力を高い精度でモニタすることが可能である光源装置を提供することを目的とする。

本開示の光源装置は、非限定的で例示的な実施形態において、第１レーザダイオードと、第２レーザダイオードと、前記第１レーザダイオードから出射されるレーザ光の一部を反射して一部を透過する第１反射面、前記第２レーザダイオードから出射されるレーザ光の一部を反射して一部を透過する第２反射面、前記第１反射面を透過した光を出射する第１出射面、および、前記第２反射面を透過した光を出射する第２出射面を有するリフレクタと、前記第１出射面から出射される第１光を受ける第１受光素子および前記第２出射面から出射される第２光を受ける第２受光素子を有する光検出器と、前記第１レーザダイオード、前記第２レーザダイオード、前記リフレクタおよび前記光検出器を直接または間接的に支持する基体と、を備え、前記リフレクタは、前記第１反射面を透過した光が前記第２出射面から出射されることを抑制し、かつ、前記第２反射面を透過した光が前記第１出射面から出射されることを抑制する遮光構造を有している。

本開示の例示的な実施形態によれば、レーザ光の出力を高い精度でモニタすることが可能である光源装置を提供することができる。

図１は、本開示の例示的な実施形態に係る光源装置の構成例を模式的に示す斜視図である。図２は、本開示の例示的な実施形態に係る光源装置のＹＺ平面に平行な断面図である。図３は、本開示の例示的な実施形態に係る光源装置の構成例を模式的に示す平面図である。図４は、リフレクタと光検出器とを分離して示す模式図である。図５は、リフレクタの変形例による構造例を示す斜視図である。図６は、リフレクタの変形例による他の構造例を示す斜視図である。図７Ａは、リフレクタの変形例による更なる構造例を示す斜視図である。図７Ｂは、リフレクタの変形例による更なる構造例を示す斜視図である。図８は、本開示の例示的な実施形態に係る、３個のレーザダイオードを備える光源装置の構成例を模式的に示す斜視図である。図９は、本開示の例示的な実施形態に係る、３個のレーザダイオードを備える光源装置のリフレクタと光検出器とを分離して示す模式図である。図１０は、リフレクタのさらなる構造例を示す斜視図である。図１１は、本開示の例示的な実施形態に係る、４個のレーザダイオードを備える光源装置の構成例を模式的に示す斜視図である。図１２は、本開示の例示的な実施形態に係る光源装置の変形例による構成例を模式的に示す斜視図である。図１３は、本開示の例示的な実施形態に係る光源装置の変形例のＹＺ平面に平行な断面図である。図１４は、本開示の例示的な実施形態に係る光源装置の変形例のリフレクタと光検出器とを分離して示す模式図である。図１５は、本開示の例示的な実施形態に係る光源装置の他の変形例のリフレクタと光検出器とを分離して示す模式図である。図１６Ａは、比較例におけるリフレクタの斜視図である。図１６Ｂは、比較例における光源装置の斜視図である。図１７は、実施例２におけるリフレクタの斜視図である。図１８Ａは、比較例におけるシミュレーション結果を示す図である。図１８Ｂは、比較例におけるシミュレーション結果を示す図である。図１９Ａは、実施例１におけるシミュレーション結果を示す図である。図１９Ｂは、実施例１におけるシミュレーション結果を示す図である。図２０Ａは、実施例２におけるシミュレーション結果を示す図である。図２０Ｂは、実施例２におけるシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。以下の実施形態は、例示であり、本開示による光源装置は、以下の実施形態に限られない。例えば、以下の実施形態で示される数値、形状、材料、ステップ、そのステップの順序等は、あくまでも一例であり、技術的に矛盾が生じない限りにおいて種々の改変が可能である。また、以下に説明する様々な態様は、あくまでも例示であり、技術的に矛盾が生じない限りにおいて種々の組み合わせが可能である。

図面が示す構成要素の寸法、形状等は、わかり易さのために誇張されている場合があり、実際の光源装置における寸法、形状および構成要素間の大小関係を反映していない場合がある。また、図面が過度に複雑になることを避けるために、一部の要素の図示を省略することがある。

以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。特定の方向または位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」およびそれらの用語を含む別の用語）を用いる場合がある。しかしながら、それらの用語は、参照した図面における相対的な方向または位置をわかり易さのために用いているに過ぎない。参照した図面における「上」、「下」等の用語による相対的な方向または位置の関係が同一であれば、本開示以外の図面、実際の製品、製造装置等において、参照した図面と同一の配置でなくてもよい。

先ず、図１から図３を参照して、本実施形態に係る光源装置の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る光源装置１００の構成例を模式的に示す斜視図である。図２は、光源装置１００の、図１におけるＹＺ平面に平行な断面図である。図２において構成要素３０ａ、４０ａを含む断面が示されている。図３は、本実施形態に係る光源装置１００の構成例を模式的に示す平面図である。添付の図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が示されている。

光源装置１００は、基体１０と、サブマウント２０と、複数のレーザダイオード３０と、リフレクタ４０と、光検出器５０と、キャップ６０と、を備える。図１の斜視図において、説明の便宜上、キャップ６０の図示は省略されている。図１に示される構成例において、複数のレーザダイオード３０は、第１レーザダイオード３０ａおよび第２レーザダイオード３０ｂを含む。

光源装置１００の形状の例は、略直方体である。例えば、光源装置１００のＸ方向におけるサイズは３．０ｍｍ～５．０ｍｍ程度であり、Ｚ方向におけるサイズは３．０ｍｍ～５．０ｍｍ程度であり、Ｙ方向における厚さは１．０ｍｍ～３．０ｍｍ程度であり得る。光源装置１００は、第１レーザダイオード３０ａおよび第２レーザダイオード３０ｂからそれぞれ出射されるレーザ光１４の出力をモニタすることが可能であり、例えば、ヘッドマウントディスプレイ（ＨｅａｄＭｏｕｎｔｅｄＤｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）のような使用者の目に近い位置に表示部を備える表示デバイスに必要とされる小型の光源装置として好適に利用され得る。

基体１０は、板状の底部１１および枠状の側壁部１２を有する。底部１１と側壁部１２とは一体的に形成されている。底部１１は、第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂ、リフレクタ４０および光検出器５０を直接または間接的に支持する支持面１１ａを有する。ただし、底部１１と側壁部１２とは別部材として形成され得る。その場合において、側壁部１２は底部１１の支持面１１ａ上に接合される。

側壁部１２は、第１レーザダイオード３０ａと第２レーザダイオード３０ｂとが配置されるサブマウント２０、リフレクタ４０および光検出器５０を囲うように底部１１の縁に位置し、それらを収容する空間を規定する。基体１０はセラミックを主材料として形成することができる。なお、基体１０はセラミックに限られず金属から形成されていてもよい。例えば、セラミックでは窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化ケイ素等を、金属では銅、アルミニウム、鉄、複合物として銅モリブデン、銅－ダイヤモンド複合材料、銅タングステン等を、その他にシリコンや樹脂等を基体の主材料に用いることができる。

サブマウント２０は、底部１１の支持面１１ａに接合されている。このような接合は、金属などの無機材料、また有機材料の層を介して実現され得る。ただし、青色または緑色の光を発するレーザダイオードを用いる場合、レーザ光による集塵の影響を考慮すると有機材料の使用は避けることが好ましい。サブマウント２０は、第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂが配置される実装面２０ａを有している。第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂは、サブマウント２０に固定された状態で底部１１の支持面１１ａ上に実装されている。

サブマウント２０は放熱部材であり、典型的には、直方体の形状を有しているが、これに限定されない。サブマウント２０は、レーザダイオードから発生した熱を逃がす役割を果たす。放熱性をより向上させる観点から、サブマウント２０は、レーザダイオードよりも熱伝導率の高い材料から形成されることが好ましい。当該材料には、例えば、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮなどのセラミック材料や、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、およびＣｕＭｏからなる群から選択される少なくとも１つを含む金属等を用いることができる。

サブマウント２０は、レーザダイオードのレーザ光１４の出射位置を調整することもできる。後述するリフレクタ４０の配置位置との関係から、レーザ光１４の出射位置をより上方に設定し、リフレクタ４０における光の照射位置を調整することができる。また、サブマウント２０は、レーザ光１４が基体１０に照射されることを抑制し、これにより、レーザ光の出力損失を低減することもできる。

図１または図２に示される例において、複数のレーザダイオード３０は第１レーザダイオード３０ａおよび第２レーザダイオード３０ｂを含むが、これに限定されず３個以上のレーザダイオードを含み得る。第１レーザダイオード３０ａおよび第２レーザダイオード３０ｂは、例えば０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の間隔でサブマウント２０上に配置され得る。ここで、間隔は、隣り合う２個のレーザダイオードのレーザ光１４の中心軸間の距離を表す。

レーザダイオード３０は、ｐ側電極と、ｎ側電極と、ｐ側半導体層、ｎ側半導体層、およびこれらの層の間に位置する活性層を含む半導体積層構造体（不図示）とを有する。活性層の一方の端面は、レーザ光１４を出射する出射端面（または発光領域）３０ｅである。ｐ側電極およびｎ側電極に電圧を印加して内部に電流を流すことによって、レーザダイオード３０の出射端面３０ｅからレーザ光１４が出射される。

レーザダイオードには、例えば、青色の光を放射するレーザダイオード、緑色の光を放射するレーザダイオード、または、赤色の光を放射するレーザダイオードなどを採用することができる。また、これら以外の光、例えば近赤外線や紫外線を放射するレーザダイオードを採用してもよい。複数のレーザダイオード３０のそれぞれが、同一の発光ピーク波長を有するレーザ光を放射するようにしてもよく、それぞれが、異なる発光ピーク波長を有するレーザ光を放射するようにしてもよい。

本実施形態において、第１レーザダイオード３０ａの発光ピーク波長は、第２レーザダイオード３０ｂの発光ピーク波長とは異なる。第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂは、赤、緑、青色のレーザダイオードの中から選択される２つの組み合わせであり得る。例えば、第１レーザダイオード３０ａは青色の光を放射するレーザダイオードであり、第２レーザダイオード３０ｂは緑色の光を放射するレーザダイオードである。

本明細書において、青色の光は、発光ピーク波長が４２０ｎｍ～４９４ｎｍの範囲内にある光である。緑色の光は、発光ピーク波長が４９５ｎｍ～５７０ｎｍの範囲内にある光である。赤色の光は、発光ピーク波長が６０５ｎｍ～７５０ｎｍの範囲内にある光である。

青色の光を発するレーザダイオード、または、緑色の光を発するレーザダイオードとして、例えば、窒化物半導体を含むレーザダイオードが挙げられる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＧａＮを用いることができる。赤色の光を発するレーザダイオードとして、ＩｎＡｌＧａＰ系やＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓ系やＡｌＧａＡｓ系の半導体を含むもの等が挙げられる。

レーザダイオード３０から放射されるレーザ光１４は、拡がりを有し、レーザ光１４の出射端面３０ｅに平行な面において楕円形状のファーフィールドパターン（以下「ＦＦＰ」という。）を形成する。ＦＦＰは、出射端面３０ｅから離れた位置におけるレーザ光１４の光強度分布によって規定される。この強度分布はガウシアン分布で近似することができる。この光強度分布において、ピーク強度値に対して１／ｅ^２以上の強度を有する部分をビーム断面と呼んでもよい。

本実施形態において、レーザダイオード３０は、レーザ光１４を出射する端面を有する端面出射型であるが、面発光型（ＶＣＳＥＬ）であってもよい。レーザ光１４は、不図示のレンズを含む光学系によって、コリメートまたは収束され得る。そのような光学系は、光源装置１００の内部または外部に設けられ得る。

リフレクタ４０は、複数のレーザダイオードから出射されるレーザ光をそれぞれ上方に反射する立ち上げミラーである。リフレクタ４０は底部１１の支持面１１ａ上に固定されている。リフレクタ４０は、反射面４０ｒおよび反射面４０ｒと反対側に位置する出射面４０ｓを有する。反射面４０ｒは、第１レーザダイオード３０ａおよび第２レーザダイオード３０ｂからそれぞれ出射されるレーザ光１４の一部を光源装置１００のキャップ６０側に反射し、一部を透過する。出射面４０ｓは反射面４０ｒを透過した光を出射する。反射面４０ｒはリフレクタ４０の傾斜面であり、反射面４０ｒと底部１１の支持面１１ａとがなす角度は例えば４５度である。リフレクタ４０のうち、その外形を形成する部分は、母材として、例えばガラスまたは金属から形成され得る。耐熱性・耐光性を考慮すると、母材は熱に強く、かつ、使用するレーザダイオードの波長に対して高い透過率を有する材料であることが望ましく、例えば、石英もしくはＢＫ７（硼珪酸ガラス）、無アルカリガラス、アルカリガラスなどのガラス、薄膜Ａｌ、薄膜Ａｇなどの金属、またはＳｉを含み得る。リフレクタ４０の詳細な構造・機能は後述する。

本実施形態において、光検出器５０は基体１０の支持面１１ａに直接または間接的に支持され、リフレクタ４０を基準として、レーザダイオードと反対側の位置に配置されている。光検出器５０は、第１レーザダイオード３０ａから出射されるレーザ光１４ａの出力、および、第２レーザダイオード３０ｂから出射されるレーザ光１４ｂの出力をモニタする。光検出器５０は、第１レーザダイオード３０ａから出射されるレーザ光１４ａの一部をモニタ光として受ける第１受光素子と、第２レーザダイオード３０ｂから出射されるレーザ光１４ｂの一部をモニタ光として受ける第２受光素子とを有する。受光素子の例は、フォトダイオードなどの光電変換素子である。光検出器５０の動作については、後述する。

キャップ６０は板状の部材であり、基体１０の上端面１２ａに固定されている。より詳細には、基体１０の上端面１２ａが、キャップ６０の主面６０ｂに接合されている。キャップ６０は、第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂを、基体１０の側壁部１２によって規定される空間内に気密に封止する。気密封止することにより、レーザ光による集塵の影響を抑制することができる。ただし、気密封止することは必須ではない。

キャップ６０は、リフレクタ４０で上方に反射されたレーザ光１４を透過する透光部６１を有する。キャップ６０において透光部６１は、レーザ光１４を横切る位置に配置されている。キャップ６０のうちの少なくとも透光部６１は、例えばガラスまたは透明セラミック材料から形成され得る。ガラスはサファイアや蛍光体を含有していてもよい。キャップ６０の透光部６１以外の部分は、ガラス、またはガラスとは異なる材料、例えば基体１０と同じ材料から形成され得る。透光部６１以外の部分の表面は遮光膜で覆われていてもよい。また、透光部６１は反射防止膜で覆われていてもよい。

図４を参照して、リフレクタ４０および光検出器５０の機能・構造を詳細に説明する。

図４は、リフレクタ４０と光検出器５０とを分離して示す模式図である。リフレクタ４０は、レーザダイオードごとに区分けされた複数の部分を有する。本実施形態におけるリフレクタ４０は、第１部分４０ａおよび第２部分４０ｂを有する。反射面４０ｒは第１反射面４５ｒおよび第２反射面４６ｒを含み、出射面４０ｓは第１出射面４５ｓおよび第２出射面４６ｓを含む。第１部分４０ａは、第１反射面４５ｒおよび第１出射面４５ｓによって規定されるリフレクタ４０の一部であり、第２部分４０ｂは、第２反射面４６ｒおよび第２出射面４６ｓによって規定されるリフレクタ４０の一部である。

第１反射面４５ｒは第１レーザダイオード３０ａから出射されるレーザ光１４ａの一部を反射して一部を透過し、第２反射面４６ｒは第２レーザダイオード３０ｂから出射されるレーザ光１４ｂの一部を反射して一部を透過する。第１出射面４５ｓは第１反射面４５ｒを透過した光を出射し、第２出射面４６ｓは第２反射面４６ｒを透過した光を出射する。換言すると、第１出射面４５ｓは第１レーザダイオード３０ａのモニタ光を出射し、第２出射面４６ｓは第２レーザダイオード３０ｂのモニタ光を出射する。各反射面の反射率については、後で詳しく説明する。

リフレクタ４０の第１出射面４５ｓおよび第２出射面４６ｓが、光検出器５０の第１受光素子５１ａの受光面５１ｔおよび第２受光素子５１ｂの受光面５１ｕにそれぞれ対向するように光検出器５０はリフレクタ４０の背面側、つまり出射面４０ｓ側に配置されている。受光面５１ｔおよび受光面５１ｕが、第１出射面４５ｓおよび第２出射面４６ｓにそれぞれ接するようにリフレクタ４０の出射面４０ｓ側に光検出器５０を配置することが好ましい。

第１受光素子５１ａは第１出射面４５ｓから出射される光を受け、第２受光素子５１ｂは第２出射面４６ｓから出射される光を受ける。上述したように、出射端面から離れた位置におけるレーザ光１４の光強度分布はガウシアン分布であるので、この分布においてピーク強度を示す部分の光は安定している。したがって、リフレクタ４０を基準としてレーザダイオードと反対側の位置に光検出器５０を配置することで、レーザ光の中心部分の光をモニタすることが可能となり、その結果、モニタ光の精度が向上し得る。

リフレクタ４０は、第１反射面４５ｒを透過した光が第２出射面４６ｓから出射されることを抑制し、かつ、第２反射面４６ｒを透過した光が第１出射面４５ｓから出射されることを抑制する遮光構造を有している。遮光構造として種々の構造を採用することができる。以下、代表的な構造例の幾つかを説明する。

リフレクタ４０は、第１部分４０ａと第２部分４０ｂとの間に設けられた遮光部４３を遮光構造として有する。図４に示される例において、リフレクタ４０はプレート４２上に配置されている。リフレクタ４０はプレート４２と一体的に形成されていてもよいし、プレート４２とは別部材であってもよい。ただし、プレート４２は必須ではない。遮光部４３は第１部分４０ａと第２部分４０ｂとの間にスリット状に形成されている。遮光部４３はＹＺ平面に平行な面に沿って延びる溝である。この溝によって、第１部分４０ａと第２部分４０ｂとの間に空気層が介在している。より詳しく説明すると、遮光部４３は、リフレクタ４０の上面４０ｐ、反射面４０ｒおよび出射面４０ｓに切れ込みを入れることによって形成される。スリット幅は、例えば０．０２ｍｍ～０．５ｍｍ程度であり、好ましくは３０μｍである。例えば、レーザダイシングまたはブレードダイシングなどの切削加工によってリフレクタ４０にスリット状の溝を形成することにより、第１部分４０ａ、第２部分４０ｂ、および、それらの間に遮光部４３を比較的容易に形成することができる。また、切削加工することによって遮光部４３の表面を粗面にすることができる。光がその粗面で散乱されるので、第１部分４０ａおよび第２部分４０ｂの一方から他方に進入することが抑制される。この抑制についてはこの後で詳しく説明する。

図３において、第１レーザダイオード３０ａおよび第２レーザダイオード３０ｂからそれぞれ放射されるレーザ光１４がリフレクタ４０の内部を透過する様子が示されている。先ず、リフレクタ４０が遮光構造を有しない場合を考える。上述したとおり、レーザダイオードから放射されるレーザ光は拡がりを有しているために、第１反射面４５ｒを透過した光はリフレクタ４０の内部を透過して、第２出射面４６ｓに達し得る。その結果、１反射面４５ｒを透過した光の一部は、第２出射面４６ｓから出射される。これと同様に、第２反射面４６ｒを透過した光はリフレクタ４０の内部を透過して、第１出射面４５ｓに達し得る。その結果、第２反射面４６ｒを透過した光の一部は、第１出射面４５ｓから出射される。このように、第１出射面４５ｓから出射される第１レーザダイオード３０ａのモニタ光に、第２レーザダイオード３０ｂから出射されるレーザ光の一部が混在し、第２出射面４６ｓから出射される第２レーザダイオード３０ｂのモニタ光に、第１レーザダイオード３０ａから出射されるレーザ光の一部が混在し得る。隣り合う２個のレーザダイオードの間隔が極めて狭く（例えば１．０ｍｍ以下）なると、このような混在が生じ易くなる。

本実施形態によれば、図３に示されるようにリフレクタ４０に遮光部４３を設けることによって、第１反射面４５ｒを透過して第２出射面４６ｓに向かう光の大部分は遮光部４３の表面（例えば空気層との界面）で反射される。仮に、一部の光がその表面を透過したとしても、第２出射面４６ｓに達するまでに散乱または減衰される。そのため、第１部分４０ａから第２部分４０ｂへの光の進入が抑制される。これと同様に、第２反射面４６ｒを透過して第１出射面４５ｓに向かう光の大部分は遮光部４３の表面で反射される。そのため、第２部分４０ｂから第１部分４０ａへの光の進入が抑制される。その結果、第１レーザダイオード３０ａのモニタ光に、第２レーザダイオード３０ｂから出射されるレーザ光の一部が混在することが抑制され、第２レーザダイオード３０ｂのモニタ光に、第１レーザダイオード３０ａから出射されるレーザ光の一部が混在することが抑制される。したがって、第１受光素子５１ａおよび第２受光素子５１ｂは、第１レーザダイオード３０ａおよび第２レーザダイオード３０ｂのモニタ光をそれぞれ高い精度で検出することが可能となる。

遮光部４３の表面に遮光膜が形成されていてもよい。例えば、厚さ１００ｎｍ程度の金属膜をスリットの表面にスパッタリングで成膜することができる。または、遮光部４３の一部または全部は遮光材料で充填され得る。あるいは、遮光性を有する金属プレートなどが遮光部４３に挿入され得る。遮光膜または遮光部材をさらに採用することで、遮光部４３の遮光構造としての機能がより一層発揮され得る。その結果、第１受光素子５１ａおよび第２受光素子５１ｂは、第１レーザダイオード３０ａおよび第２レーザダイオード３０ｂのモニタ光をそれぞれ一層高い精度で検出することが可能となる。

遮光部４３は、リフレクタ４０の一部に切れ込みを入れることによって形成することが可能である。遮光部４３は、リフレクタ４０の上面４０ｐ、下面４０ｑ、反射面４０ｒ、および出射面４０ｓの少なくとも１つに形成された凹部であり得る。この凹部の例はスリット状または切り欠き状の溝である。図５、図６、図７Ａおよび図７Ｂにおいて、リフレクタ４０の変形例による構造が示されている。

図５に示される構造例において、遮光部４３は、リフレクタ４０＿１の上面４０ｐ、下面４０ｑおよび反射面４０ｒに切れ込みを入れることによってスリット状に形成された溝である。この溝は出射面４０ｓの近くにまで達する比較的深い溝である。図６に示される構造例において、遮光部４３は、リフレクタ４０＿２の下面４０ｑ、反射面４０ｒおよび出射面４０ｓに切れ込みを入れることによってスリット状に形成された溝である。この溝は上面４０ｐの近くにまで達する比較的深い溝である。

図７Ａに示される構造例において、遮光部４３は、リフレクタ４０＿３の上面４０ｐ、下面４０ｑおよび出射面４０ｓに切れ込みを入れることによってスリット状に形成された溝である。この溝は、上面４０ｐと反射面４０ｒとの境界の近くにまで達する比較的深い溝である。または、凹部は、スリット状に形成された比較的深い溝である必要はなく、切り欠き加工によって形成される比較的浅い溝であり得る。図７Ｂにおいて、溝よりも浅い切れ込みを入れて形成されるリフレクタ４０＿４の構造例が示されている。遮光部４３は、リフレクタ４０＿４の上面４０ｐ、下面４０ｑおよび出射面４０ｓに切れ込みを入れることによって形成された比較的浅い溝である。図３を参照して説明したとおり、レーザダイオードから放射されるレーザ光は拡がりを有しているために、少なくともリフレクタ４０＿４の出射面４０ｓ側に切れ込みを設けることにより遮光構造の機能が発揮される。図５から図７Ｂに示される構成例においても、遮光部４３の表面に遮光膜が形成されていてもよいし、遮光部４３は遮光材料で充填されていてもよい。

第１反射面４５ｒおよび第２反射面４６ｒに、入射光の一部を反射し一部を透過する光反射制御膜が形成され得る。光反射制御膜は、例えば、Ａｇ、Ａｌなどの薄膜金属から形成され得る。または、光反射制御膜は、Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２などから形成された誘電体多層膜であり得る。利用するレーザダイオードの出力に基づいて、光反射制御膜の光反射率を調整できる。

第１反射面４５ｒおよび第２反射面４６ｒのぞれぞれの光反射率は、反射させる光のピーク波長に対して、例えば９０％以上９９％以下とすることが好ましい。換言すると、第１反射面４５ｒおよび第２反射面４６ｒのぞれぞれの光透過率は、例えば１％以上１０％以下とすることが好ましい。

光反射制御膜の膜厚や材料を変えることによって、反射面の光反射率を制御することが可能となる。これは、モニタ光の光量を制御できることを意味する。例えば、平均出力５００ｍＷのレーザダイオードを利用する場合、光反射制御膜の光反射率を１％に設定することで、５ｍＷ以下のモニタ光が得られる。または、平均出力１００ｍＷのレーザダイオードを利用する場合、光反射制御膜の光反射率を５％に設定することで、５ｍＷ以下のモニタ光が得られる。このように、光反射制御膜の光反射率を調整することによって、任意の出力のレーザ光に対し、所望の出力のモニタ光を得ることが可能となる。また、リフレクタ４０の内部を透過する光の光量を抑えることにより、外部に出力される光の利用効率の低下を抑制することができ、その結果、モニタ光を高い精度で検出しつつ、かつ、高出力を維持することができる。

本実施形態によれば、ピーク波長が異なる少なくとも２個のレーザダイオードを１パッケージに実装することによって、各色のレーザダイオードパッケージを個別に使用してＲＧＢの光源装置を実現する場合に比べ、光源装置を小型化することができる。例えば、赤色の光を放射するレーザダイオードと緑色の光を放射するレーザダイオードとを１パッケージに実装したものと、青色の光を放射するレーザダイオードパッケージとを組み合わせることより、ＲＧＢの光源装置が実現される。

図８から図１１を参照して、３個以上のレーザダイオードを備える光源装置の構成例を説明する。

図８は、本実施形態に係る光源装置１０１の斜視図である。図９は、光源装置１０１が備える、リフレクタ４０＿５と光検出器５０とを分離して示す模式図である。光源装置１０１は、サブマウント２０上に配置された３個のレーザダイオード３０ａ、３０ｂおよび３０ｃを備えている点で、上述した光源装置１００とは異なる。以下、その差異点を説明し、光源装置１００と共通する部分の説明は省略する。

図８に示される例において、複数のレーザダイオードは、第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂおよび第３レーザダイオード３０ｃを含む。例えば、第１レーザダイオード３０ａは青色の光を放射するレーザダイオードである。第２レーザダイオード３０ｂは緑色の光を放射するレーザダイオードである。第３レーザダイオード３０ｃは赤色の光を放射するレーザダイオードである。レーザダイオードの配置は上記の例に限られず、例えば、赤色の光を放射する第１レーザダイオード３０ａと緑色の光を放射する第３レーザダイオード３０ｃとの間に青色の光を放射する第２レーザダイオード３０ｂを配置してもよい。

リフレクタ４０＿５は、第３レーザダイオード３０ｃから出射されるレーザ光の一部を反射して一部を透過する第３反射面４７ｒ、および、第３反射面４７ｒを透過した光を出射する第３出射面４７ｓをさらに有する。光検出器５０は、第３出射面４７ｓから出射される光を受ける第３受光素子５１ｃをさらに有する。第３出射面４７ｓは光検出器５０の第３受光素子５１ｃの受光面５１ｖに対向している。

リフレクタ４０＿５は、第１部分４０ａ、第２部分４０ｂおよび第３部分４０ｃを有する。第３部分４０ｃは、第３反射面４７ｒおよび第３出射面４７ｓによって規定されるリフレクタ４０＿５の一部である。第１部分４０ａと第２部分４０ｂとの間に遮光部４３ａが設けられており、第２部分４０ｂと第３部分４０ｃとの間に遮光部４３ｂが設けられている。つまり、光源装置１０１は隣り合う２つの部分の間に遮光構造を有している。第２部分４０ｂと第３部分４０ｃとの間に位置する遮光部４３ｂは、第２反射面４６ｒを透過した光が第３出射面４７ｓから出射されることを抑制し、かつ、第３反射面４７ｒを透過した光が第２出射面４６ｓから出射されることを抑制する。

本実施形態によれば、例えばＲＧＢの三原色のレーザダイオードを実装した小型の光源装置が提供される。

図１０においてリフレクタ４０＿６のさらなる構造例が示されている。リフレクタ４０＿６において、第２部分４０ｂと第３部分４０ｃとの間には遮光部４３ｂが設けられているが、第１部分４０ａと第２部分４０ｂとの間には遮光構造が設けられていない。例えば、ＲＧＢのうち、ピーク波長の間隔が最も離れている青色レーザダイオードと赤色レーザダイオードの組み合わせであれば、受光素子の受光波長の間隔も離れているため、リフレクタ４０＿６におけるそれらの対応した２つの部分の間に遮光構造はなくてもよい。また、同一のピーク波長を有するレーザダイオードの組み合わせでも、個別にレーザ光の出力をモニタする必要がなければ、対応した２つの部分の間に遮光構造はなくてもよい。

図１１は、４個のレーザダイオードを備える光源装置１０２の斜視図である。

本実施形態において、サブマウント２０上に配置されるレーザダイオードの個数は、２個または３個に限定されず、４個または５個以上であり得る。図１１に示される構成例において、複数のレーザダイオード３０は、第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂ、第３レーザダイオード３０ｃおよび第４レーザダイオード３０ｄを含む。各レーザダイオードから放射されるレーザ光のピーク波長は任意であり得る。例えば、第１レーザダイオード３０ａは青色の光を放射するレーザダイオードである。第２レーザダイオード３０ｂは緑色の光を放射するレーザダイオードである。第３レーザダイオード３０ｃは赤色の光を放射するレーザダイオードである。第４レーザダイオード３０ｄは赤外線を放射するレーザダイオードである。図示はされないが、１つのパッケージに５個以上のレーザダイオードを実装することによって、より高出力の光源装置が得られる。

リフレクタ４０＿７は第１部分４０ａ、第２部分４０ｂ、第３部分４０ｃおよび第４部分４０ｄを含む。光検出器５０は、第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂ、第３レーザダイオード３０ｃおよび第４レーザダイオード３０ｄのモニタ光をそれぞれ受ける第１受光素子、第２受光素子、第３受光素子および第４受光素子を有する。リフレクタ４０＿７において第１部分４０ａと第２部分４０ｂとの間に遮光部４３ａが設けられ、第２部分４０ｂと第３部分４０ｃとの間に遮光部４３ｂが設けられ、第３部分４０ｃと第４部分４０ｄとの間に遮光部４３ｃが設けられている。

図１２から図１５を参照して、本実施形態に係る光源装置１００の変形例の構成を説明する。図１２は、本実施形態に係る光源装置１００の変形例の構成例を模式的に示す斜視図である。図１３は、光源装置１００の変形例の、図１２におけるＹＺ平面に平行な断面図である。図１３において構成要素３０ａ、４０ａを含む断面が示されている。図１４はリフレクタ４０＿５と光検出器５０とを分離して示す模式図である。

本実施形態に係る光源装置１００の変形例である光源装置１０３は、基体１０とリフレクタ４０＿５との間に光検出器５０が配置されている点で、上記の光源装置１０１とは異なる。以下、その差異点を主に説明し、光源装置１０１と共通する部分の説明は省略する。

図１２に示される構成例において、複数のレーザダイオード３０は第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂおよび第３レーザダイオード３０ｃを含み、リフレクタ４０＿５は第１部分４０ａ、第２部分４０ｂおよび第３部分４０ｃを含む。光検出器５０は第１受光素子５１ａ、第２受光素子５１ｂおよび第３受光素子５１ｃを有する。リフレクタ４０＿５において第１部分４０ａと第２部分４０ｂとの間に遮光部４３ａが設けられ、第２部分４０ｂと第３部分４０ｃとの間に遮光部４３ｂが設けられている。光検出器５０は基体１０の支持面１１ａに固定されており、リフレクタ４０＿５は光検出器５０の上方に配置されている。すなわち、Ｙ方向において光検出器５０は基体１０とリフレクタ４０＿５との間に位置している。

本変形例において、リフレクタ４０＿５の出射面４０ｓは、光検出器５０の受光面に対向する、リフレクタ４０＿５の下面４０ｑに位置している。リフレクタ４０＿５の第１出射面４５ｓは光検出器５０の第１受光素子５１ａの受光面５１ｔに対向している。第２出射面４６ｓは光検出器５０の第２受光素子５１ｂの受光面５１ｕに対向している。第３出射面４７ｓは光検出器５０の第３受光素子５１ｃの受光面５１ｖに対向している。リフレクタ４０＿５の第１反射面４５ｒを透過し、リフレクタ４０＿５の下面４０ｑに達する光がモニタ光として第１出射面４５ｓから出射される。これと同様に、リフレクタ４０＿５の第２反射面４６ｒ、第３反射面４７ｒを透過し、リフレクタ４０＿５の下面４０ｑに達する光が、それぞれ、第２出射面４６ｓ、第３出射面４７ｓからモニタ光として出射される。また、リフレクタ４０＿５の背面４０ｗを出射面４０ｓに対して傾斜させてもよい。傾斜させた背面４０ｗで反射した光は、光検出器５０の受光面に向けて反射されやすくなる。その結果、レーザダイオードへの戻り光が低減され得る。

本変形例によれば、第１受光素子５１ａ、第２受光素子５１ｂおよび第３受光素子５１ｃは、第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂおよび第３レーザダイオード３０ｃのモニタ光をそれぞれ高い精度で検出することが可能となる。さらに、光検出器５０をリフレクタ４０＿５の背面側に配置する場合と比べ、基体１０に固定された光検出器５０の上方にリフレクタ４０＿５を配置することにより、光源装置１０３のＺ方向におけるサイズを小さくすることができる。

図１５はリフレクタ４０＿８と光検出器５０とを分離して示す模式図である。リフレクタ４０＿８は、第１部分４０ａ、第２部分４０ｂ、第３部分４０ｃ、２つの遮光部４３ａおよび４３ｂを有する。図１５に示されるリフレクタ４０＿８の構造例において、２つの遮光部４３ａ、４３ｂは、それぞれ、リフレクタ４０＿８の下面４０ｑ、反射面４０ｒおよび出射面４０ｓに切れ込みを入れることによってスリット状に形成された溝である。この溝は上面４０ｐの近くにまで達する比較的深い溝である。このようなリフレクタ構造を採用した場合においても、第１レーザダイオード３０ａ、第２レーザダイオード３０ｂおよび第３レーザダイオード３０ｃのモニタ光をそれぞれ高い精度で検出することが可能となり、さらに、光源装置１０３のＺ方向におけるサイズを小さくすることができる。

本実施形態に係るリフレクタが有する遮光構造の効果を光学シミュレータを用いて検証した。後述する、比較例および実施例に係るリフレクタ構造をＲＧＢの三原色のレーザダイオードを実装した光源装置に適用した場合、隣り合う２個のレーザダイオードの一方のモニタ光に、他方から出射されるレーザ光の一部がどの程度混在するかを検証した。

［比較例］
図１６Ａにおいて、比較例におけるリフレクタ９９の構造が示されている。リフレクタ９９は遮光構造（つまり、遮光部）を有していない。図１６Ｂに示されるように、３つの受光面を含む光検出器５０がリフレクタ９９の背面側に配置されている。比較例における光源装置１１０は、図８に示される光源装置１０１においてリフレクタ９９を上記のリフレクタ９９に置換したものに対応する。緑色のレーザダイオード３０ｂの両隣に青色のレーザダイオード３０ａおよび赤色のレーザダイオード３０ｃがサブマウント２０上に配置されている。光検出器５０の３つの受光面は、それぞれ、３つのレーザダイオード３０ａ、３０ｂおよび３０ｃから出射されるレーザ光のモニタ光を受ける。

［実施例１］
実施例１における光源装置は、図８に例示される光源装置１０１である。実施例１におけるリフレクタは、図９に例示されるリフレクタ４０＿５であり、第１部分４０ａ、第２部分４０ｂ、第３部分４０ｃ、２つの遮光部４３ａおよび４３ｂを有する。隣り合う２つの部分の間に遮光部４３ａ、４３ｂがそれぞれ設けられている。これらの遮光部は、リフレクタの上面４０ｐ、反射面４０ｒおよび出射面４０ｓに切れ込みを入れることによってスリット状に形成された比較的に深い溝である。

［実施例２］
実施例２における光源装置は、図８に例示される光源装置１０１においてリフレクタ４０＿５を、図１７に示されるリフレクタ４０＿９に置換したものに対応する。実施例２におけるリフレクタ４０＿９は、実施例１と同様に、第１部分４０ａ、第２部分４０ｂ、第３部分４０ｃ、２つの遮光部４３ａおよび４３ｂを有する。これらの遮光部は、リフレクタの上面４０ｐ、下面４０ｑおよび出射面４０ｓに切れ込みを入れることによってスリット状に形成された比較的に深い溝である。

比較例および実施例の本シミュレーションにおいて、２つの条件下で、光検出器の３つの受光面のうちの、緑色のレーザダイオードのモニタ光を受ける受光面に入射する光のインコヒーレント放射照度［Ｗ／ｃｍ^２］（以下、単に「放射照度」と表記する。）およびパワー［Ｗ］をシミュレーションした。放射照度のシミュレーション対象である受光面（以下、受光面Ｔと表記する。）は、図９に例示される受光面５１ｕに相当する。第１条件下では、赤色のレーザダイオードと青色のレーザダイオードとを発光させ、それらの２つのレーザダイオードに挟まれた緑色のレーザダイオードを発光させない。第２条件下では、赤色のレーザダイオードと青色のレーザダイオードとを発光させず、緑色のレーザダイオードだけを発光させる。

図１８Ａにおいて、第１条件下における比較例によるシミュレーション結果が示され、図１８Ｂにおいて、第２条件下における比較例によるシミュレーション結果が示されている。シミュレーション結果の放射照度を示す図において、横軸は受光面ＴのＸ座標を示し、縦軸は受光面ＴのＹ座標を示す。受光面ＴのＸ座標、Ｙ座標の座標軸は、それぞれ、図面における直交する３軸のうちのＸ軸、Ｙ軸に一致する。受光面ＴのＸ軸方向における幅ｍに対するＹ軸方向における長さｎの比率（ｎ／ｍ）は、概ね３．６である。

第１条件下で測定された、受光面Ｔに入射する光の総パワーＡは、１．７２×１０^－２Ｗであった。総パワーは放射束を意味し、放射照度を受光面の面積で積分した値である。一方で、第２条件下で測定された、受光面Ｔに入射する光の総パワーＢは、８．１６×１０^－１Ｗであった。ここで、総パワーＡ／総パワーＢの比率は、緑色のレーザダイオードのモニタ光を検出するための、受光面Ｔを有する受光素子のノイズレベルを表す。このノイズは、緑色のレーザダイオードに隣り合う青色および赤色のレーザダイオードからそれぞれ出射されるレーザ光の一部が受光面Ｔに到達することに起因して生じる。比較例では、総パワーＡ／総パワーＢの比率は、２．０８％であった。

受光素子が、光の強度に応じて例えば８ビットの受光信号（デジタル信号）を出力する場合、１階調当たりの信号レベルの割合は０．３９（１／２５６）％となる。比較例において、総パワーＡ／総パワーＢの比率２．０８％は、１階調当たりの割合０．３９％に対して５倍程大きい。換言すると、ノイズレベルが、１階調当たりの信号レベルよりも遙かに大きい。結果として、緑色のレーザダイオードのモニタ光を検出する受光素子はそのモニタ光の検出精度が低くなる。この理由は、青色のレーザ光の一部および赤色のレーザ光の一部が受光面Ｔに達し、受光信号のノイズ成分となるためである。

図１９Ａにおいて、第１条件下における実施例１によるシミュレーション結果が示され、図１９Ｂにおいて、第２条件下における実施例１によるシミュレーション結果が示されている。第１条件下で測定された、受光面Ｔに入射する光の総パワーＡは、１．６８×１０^－３Ｗであった。一方で、第２条件下で測定された、受光面Ｔに入射する光の総パワーＢは、８．１５×１０^－１Ｗであった。総パワーＡ／総パワーＢの比率は０．２１％となった。総パワーＡ／総パワーＢの比率０．２１％は、１階調当たりの割合０．３９％よりも小さい値である。すわなち、ノイズレベルが、１階調当たりの信号レベル以下に抑えられていることが分かる。ノイズレベルは、比較例におけるノイズレベルよりも１桁程小さくなった。この理由は、青色のレーザ光の一部および赤色のレーザ光の一部が受光面Ｔに到達することが遮光部によって抑制され、結果として、緑色のモニタ光の受光信号のノイズ成分が低下したためである。

図２０Ａにおいて、第１条件下における実施例２によるシミュレーション結果が示され、図２０Ｂにおいて、第２条件下における実施例２によるシミュレーション結果が示されている。第１条件下で測定された、受光面Ｔに入射する光の総パワーＡは、２．６８×１０^－４Ｗであった。一方で、第２条件下で測定された、受光面Ｔに入射する光の総パワーＢは、８．１７×１０^－１Ｗであった。総パワーＡ／総パワーＢの比率は、０．０３％となった。総パワーＡ／総パワーＢの比率０．０３％は、実施例１における比率０．２１％よりもさらに１桁程小さく、１階調当たりの信号レベルは、ノイズレベルよりも十数倍程大きくなった。実施例２によれば、ノイズレベルが、１階調当たりの信号レベル以下に大幅に抑えられていることが分かる。この理由は、リフレクタ４０＿９の遮光部により、青色のレーザ光の一部および赤色のレーザ光の一部が受光面Ｔに到達することが効果的に抑制されるためである。結果として、緑色のモニタ光の受光信号のノイズ成分が大幅に減少し、緑色のモニタ光を高精度に検出することが可能となる。特に、隣り合う２個のレーザダイオードの間隔が極めて狭い場合（例えば１．０ｍｍ以下である場合）など、レーザ光の混在を抑制する観点から、リフレクタ４０＿９の遮光構造を採用することは大変有利である。

本開示の光源装置は、レーザ光の出力を高い精度でモニタすることができ、また小型化に適しているため、ヘッドマウントディスプレイなどの小型光源として好適に利用され得る。

１０・・・基体、２０・・・サブマウント、３０ａ・・・第１レーザダイオード、３０ｂ・・・第２レーザダイオード、４０、４０＿１、４０＿２、４０＿３、４０＿４、４０＿５、４０＿６、４０＿７、４０＿８、４０＿９、９９・・・リフレクタ、４０ａ・・・第１部分、４０ｂ・・・第２部分、５０・・・光検出器、５１ａ・・・第１受光素子、５１ｂ・・・第２受光素子、６０・・・キャップ、１００、１０１、１０２、１０３・・・光源装置

Claims

第１レーザダイオードと、
第２レーザダイオードと、
前記第１レーザダイオードから出射されるレーザ光の一部を反射して一部を透過する第１反射面、前記第２レーザダイオードから出射されるレーザ光の一部を反射して一部を透過する第２反射面、前記第１反射面を透過した光を出射する第１出射面、および、前記第２反射面を透過した光を出射する第２出射面を有するリフレクタと、
前記第１出射面から出射される第１光を受ける第１受光素子および前記第２出射面から出射される第２光を受ける第２受光素子を有する光検出器と、
前記第１レーザダイオード、前記第２レーザダイオード、前記リフレクタおよび前記光検出器を直接または間接的に支持する基体と、
を備え、
前記リフレクタは、前記第１反射面および前記第１出射面によって規定される第１部分と、前記第２反射面および前記第２出射面によって規定される第２部分との間に設けられ、前記第１反射面を透過した光が前記第２出射面から出射されることを抑制し、かつ、前記第２反射面を透過した光が前記第１出射面から出射されることを抑制する遮光部を有しており、
前記遮光部は、前記第１部分と前記第２部分との間にスリット状に形成されている、光源装置。
第１レーザダイオードと、
第２レーザダイオードと、
前記第１レーザダイオードから出射されるレーザ光の一部を反射して一部を透過する第１反射面、前記第２レーザダイオードから出射されるレーザ光の一部を反射して一部を透過する第２反射面、前記第１反射面を透過した光を出射する第１出射面、および、前記第２反射面を透過した光を出射する第２出射面を有するリフレクタと、
前記第１出射面から出射される第１光を受ける第１受光素子および前記第２出射面から出射される第２光を受ける第２受光素子を有する光検出器と、
前記第１レーザダイオード、前記第２レーザダイオード、前記リフレクタおよび前記光検出器を直接または間接的に支持する基体と、
を備え、
前記リフレクタは、前記第１反射面および前記第１出射面によって規定される第１部分と、前記第２反射面および前記第２出射面によって規定される第２部分との間に設けられ、前記第１反射面を透過した光が前記第２出射面から出射されることを抑制し、かつ、前記第２反射面を透過した光が前記第１出射面から出射されることを抑制する遮光部を有しており、
前記遮光部は、前記リフレクタの上面、下面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記第１出射面および前記第２出射面の少なくとも１つに形成された凹部である、光源装置。
前記遮光部の表面に遮光膜が形成されている、請求項１または２に記載の光源装置。
前記遮光部は遮光材料で充填されている、請求項１または２に記載の光源装置。
前記第１反射面および前記第２反射面に、入射光の一部を反射し一部を透過する光反射制御膜が形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の光源装置。
前記光検出器は、前記リフレクタを基準として、前記第１レーザダイオードおよび前記第２レーザダイオードと反対側の位置に配置され、
前記リフレクタの前記第１出射面および前記第２出射面は、前記第１受光素子の受光面および前記第２受光素子の受光面にそれぞれ対向している、請求項１から５のいずれかに記載の光源装置。
前記光検出器は前記基体の上面に支持され、
前記リフレクタは、前記光検出器の上方に配置されており、
前記リフレクタの前記第１出射面および前記第２出射面は、前記第１受光素子の受光面および前記第２受光素子の受光面にそれぞれ対向している、請求項１から５のいずれかに記載の光源装置。
前記第１レーザダイオードの発光ピーク波長は、前記第２レーザダイオードの発光ピーク波長とは異なる、請求項１から７のいずれかに記載の光源装置。
第３レーザダイオードをさらに備え、
前記リフレクタは、前記第３レーザダイオードから出射されるレーザ光の一部を反射して一部を透過する第３反射面、および、前記第３反射面を透過した光を出射する第３出射面をさらに有し、
前記光検出器は、前記第３出射面から出射される第３光を受ける第３受光素子をさらに有しており、
前記リフレクタは、前記第２反射面を透過した光が前記第３出射面から出射されることを抑制し、かつ、前記第３反射面を透過した光が前記第２出射面から出射されることを抑制する他の遮光部を有している、請求項１または２に記載の光源装置。
前記リフレクタは、前記第３反射面および前記第３出射面によって規定される第３部分を有し、
前記他の遮光部は、前記第２部分と前記第３部分との間に設けられる、請求項９に記載の光源装置。