JP7255409B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置に関し、特に複数の半導体レーザチップを備えた光源装置に関する。

従来、半導体光源を用いて高出力の光を得るための光源装置として、複数の半導体レーザチップを、同一のパッケージ内に配置させて構成した光源装置が知られている。例えば、下記特許文献１及び２には、複数の半導体レーザチップが一つの保持部材に載置されてなる光源装置が記載されている。

特開２０１６－５１７５５号公報 国際公開第２０１６／１８６０４８号公報

複数の半導体レーザ光源を同一のパッケージ内に配置して構成される光源装置は、それぞれの半導体レーザチップから出射される光の出射方向や照射範囲等が許容される誤差範囲内に収まるように、光源部材とレンズとの位置関係をアライメント（位置合わせ）する作業が必要となる。なお、ここでいう「光源部材」とは、半導体レーザチップを搭載したステムを含む概念である。

上記特許文献１に記載の光源装置は、複数の保持部材を備え、一方の保持部材には複数の光源部材が載置され、他方の保持部材には複数のレンズが載置されており、これらが組み合わせられ構成されている。そのため、単一の光源部材と、これに対応する単一のレンズの位置関係を個別に微調整することができない。

上記特許文献２に記載の光源装置は、単一の保持部材によって、複数の光源部材と複数のレンズが一体的に保持されている。具体的には、前記保持部材は、一方の面側に深く形成されたザグリを有し、このザグリの深い領域に光源部材が載置される。そして、ザグリの浅い領域（表面側）にレンズが載置される。このため、ザグリの深い領域に載置される光源部材の位置の微調整が難しい。さらに、保持部材の形状が複雑で形成が難しい。

本発明の光源装置は、上記課題を鑑み、複数の光源部材をレンズと共に簡単かつ精度よく構成できる光源装置を提供することを目的とする。

本発明の光源装置は、
ステムと、前記ステム上に載置された放熱ブロックと、前記放熱ブロック上に載置された半導体レーザチップとを含み、前記ステムの主面に直交する第一方向から見たときに前記ステムの外周の内側に前記放熱ブロック及び前記半導体レーザチップが位置し、前記半導体レーザチップを基準として前記ステムとは反対方向に光を出射する、複数の光源部材と、
前記複数の光源部材が備えるそれぞれの前記ステムが当接されることで、前記複数の光源部材を平面上に固定的に配置する保持部材と、
筒状体を呈し、前記ステムの外側面と当接する内側面を有すると共に、前記筒状体の軸方向の端部が前記保持部材に当接するように配置されたレンズホルダと、
前記半導体レーザチップを基準として前記ステムとは反対側に前記半導体レーザチップと離間して配置され、前記レンズホルダに支持されたレンズとを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、各光源部材の半導体レーザチップの光出射面が同じ方向に面するため、光源装置の各光源部材から出射される光が、同一方向に向かって進行するように構成することができる。さらに、複数の光源部材を平面上に固定的に配置されることで、各光源部材の半導体レーザチップの光出射面と保持部材との距離が一定となるように配置される。なお、本明細書において、当接しているとは、部材同士の離間距離が１００μｍ以下である状態をいい、部材同士が直接接触している状態や、部材同士が接着剤等を介して配置されている状態をも含む。

また、筒状体であるレンズホルダの軸方向の端部が保持部材に当接することで、保持部材とレンズとの距離が一定となるように配置される。つまり、上述の内容により、各半導体レーザチップの出射面とそれぞれ対応するレンズとの距離が一定となるように配置することができる。さらに、レンズホルダの内側面がステムの側面に当接して配置されることで、半導体レーザチップから出射される光の光軸とレンズの光軸が一致するように配置される。

したがって、上記構成とすることで、アライメント等をすることなく、各光源部材から出射されるそれぞれの光の方向と角度、及び、各光源部材と対応するレンズとの位置関係について誤差が少ない高精度な光源装置を簡単に構成することができる。

上記光源装置において、
前記保持部材は、前記光源部材が配置されている側の面に形成された複数のザグリを有し、
前記複数の光源部材が備えるそれぞれの前記ステムは、対応する前記複数のザグリの露出面に当接するように配置されていても構わない。

上記構成とすることで、ザグリの露出面が光源部材のステムの側面にも当接して光源部材を保持するため、ステムが載置される平面と直交する方向に対しても、光源部材を固定される。したがって、保持部材の所定の位置に光源部材を固定して配置することができ、各光源部材間における出射される光の方向について、さらに誤差が少ない光源装置とすることができる。

上記光源装置において、
前記保持部材は、前記ザグリに連結され、前記ザグリの開口幅よりも狭い開口幅を有する溝を備えていても構わない。

光源部材を保持部材に固定するために、多くの場合、接着剤や半田等（以下、説明の便宜のため、これらをまとめて「接着剤」として説明する。）が用いられる。しかし、接着剤を用いて光源部材を固定する場合、接着剤の量が過剰であったときには、光源部材と保持部材の間で多量の接着剤が滞留したり、光源部材と保持部材の隙間から保持部材の表面に漏れ出したりしてしまう。そうすると、光源部材が保持部材から浮き上がった状態で固定されてしまい、各半導体レーザチップの間で、保持部材に対する光出射面の位置や、光出射角度に誤差が生じてしまう、あるいは、固まった接着剤が邪魔となり、レンズホルダが保持部材に当接できなくなってしまう。

上記構成とすることで、余分な接着剤は、光学部材と保持部材との間から溝に沿って各部材の配置の邪魔にならない領域へと排出される。したがって、光源部材と保持部材との間に接着剤が滞留してしまうことや、光源部材と保持部材の隙間から保持部材の表面に接着剤が漏れ出すことを回避することができる。なお、ザグリの露出面に当接して配置された光源部材が、溝に沿って移動してしまわないように、溝の開口幅は、レンズホルダの軸方向から保持部材に向かってザグリを見たときの最も狭い幅であるザグリの開口幅よりも狭く構成される。

上記光源装置において、
前記レンズは、前記レンズホルダの前記内側面に覆われた空間内に配置されていても構わない。

上記構成とすることで、レンズがレンズホルダの外部に露出しないため、レンズはレンズホルダによって外部の物と直接接触しにくくなり、衝突や摩擦から守られるため、光源装置としての耐久性を向上させることができる。

上記光源装置において、
前記レンズホルダの前記内側面は、前記半導体レーザチップから出射された光を吸収する材料で構成されていても構わない。

半導体レーザチップから出射面から出射された光は、ある程度の発散角を有するため、半導体レーザチップとレンズの入射面との距離によっては、一部の光がレンズの入射面に入射する前にレンズホルダの内側面に当たってしまう。ここで、何らの処理をしていないレンズホルダであれば、内壁面が少なからず光を反射してしまうため、内壁面で反射された光は、意図しない方向に向かって、レンズの出射面から出射されてしまう。

上記構成とすることで、レンズホルダの内壁面に照射された光は吸収されるため、レンズの出射面から意図しない方向に進行する光の出射を抑制することができる。

本発明によれば、複数の光源部材をレンズと共に簡単かつ精度よく構成できる光源装置が実現される。

本発明の光源装置の一実施形態を模式的に示す全体斜視図である。 図１Ａの光源装置からレンズホルダを取り除いた全体斜視図である。 図１Ａの光源装置からレンズホルダと光源部材を取り除いた全体斜視図である。 図１Ａの光源装置をＸ方向に向かって見たときの側面断面図である。 図１Ｂの光源装置をＸ方向に向かって見たときの側面断面図である。 図１Ｃの光源装置をＸ方向に向かって見たときの側面断面図である。 保持部材に載置された光源部材とレンズホルダの構成の一実施形態を示す図面である。 保持部材に載置された光源部材とレンズホルダの構成の一実施形態の一部を示す図面である。 保持部材に光源部材を載置する工程を模式的に示す図面である。 保持部材にレンズホルダを載置する工程を模式的に示す図面である。 光源装置の組み立て精度の実験結果を示すグラフである。 保持部材に載置された光源部材の構成の一実施形態を示す図面である。 本発明の光源装置の別実施形態を模式的に示す全体斜視図である。

以下、本発明の光源装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。

図１Ａは、本発明の光源装置１の一実施形態を模式的に示す全体斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの光源装置１からレンズホルダ１２を取り除いた全体斜視図である。図１Ｃは、図１Ａの光源装置１からレンズホルダ１２と光源部材１０を取り除いた全体斜視図である。図２Ａ～図２Ｃは、それぞれ図１Ａ～図１Ｃの光源装置１をＸ方向から向かって見たときの側面断面図である。図３Ａは、保持部材１１に載置された光源部材１０とレンズホルダ１２の構成の一実施形態を示す図面である。図３Ｂは、保持部材１１に載置された光源部材１０とレンズホルダ１２の構成の一実施形態の一部を示す図面である。以下、図１Ａ～図３Ｂの各図を参照して光源装置１の構造について説明する。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態の光源装置１は、保持部材１１と、保持部材１１上に整列して配置されたレンズホルダ１２と、各レンズホルダ１２に支持されているレンズ１３を備え、各レンズホルダ１２の内側には、光源部材１０が平面上に固定的に配置されている。ここで、本明細書では、ステム１０ａ、サブマウント１０ｂ、半導体レーザチップ１０ｃ、及び放熱ブロック１０ｄを含む概念を、「光源部材１０」と総称する。

さらに、図１Ｃに示すように、保持部材１１は、光源部材１０のステム１０ａを嵌合するための凹部（以下、「ザグリ１５」と称し、保持部材１１にザグリ１５を形成することによって外部に露出した面を「露出面１５ａ」と称する。）が形成されている。このザグリ１５は、保持部材１１に保持される対象となる光源部材１０の数に応じた数だけ設けられる。

なお、以下の説明において、半導体レーザチップ１０ｃの光出射面が向いている方向、すなわち、第一方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する面をＸＹ平面、半導体レーザチップ１０ｃが載置されている平面をＹＺ平面として説明する。

半導体レーザチップ１０ｃは、基板と基板上に積層された多層の半導体層とを含んでなり、半導体層の構成材料に応じて決定される波長のレーザ光Ｌ１を出射する。例えば、半導体層が、ＩｎＧａＰ、又はＩｎＧａＡｌＰからなる活性層を含む場合、半導体レーザチップ１０ｃは、波長が６００ｎｍ～８００ｎｍ帯の、いわゆる赤色光のレーザ光Ｌ１を出射する。ただし、本発明において、光源装置１が出射するレーザ光Ｌ１の波長は限定されない。

サブマウント１０ｂは、例えば面上に不図示の電極配線が設けられることで、半導体レーザチップ１０ｃに対する給電のための電気的な接続が形成される。また、サブマウント１０ｂは、半導体レーザチップ１０ｃの発光時に生じる熱を、放熱ブロック１０ｄ側に導く機能も有している。サブマウント１０ｂは、放熱性、絶縁性、半導体レーザチップ１０ｃとの線膨張係数差等に鑑み、適宜材料が選択される。一例として、サブマウント１０ｂは、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＣｕＷ等の材料で構成される。

ステム１０ａは、鉄（Ｆｅ）やコバール等の鉄合金、銅（Ｃｕ）、銅合金等を利用することができる。ステム１０ａの一部には貫通穴が設けられており、この貫通穴内に絶縁材料としての低融点ガラスを介して、給電ピン１０ｅが挿入される。給電ピン１０ｅは、コバール等の導電性材料で構成される。給電ピン１０ｅは、１個の半導体レーザチップ１０ｃに対して２本設けられ、これらの給電ピン１０ｅによって半導体レーザチップ１０ｃに対して電流が供給され、半導体レーザチップ１０ｃからレーザ光Ｌ１が出射される。

保持部材１１は、複数の光源部材１０を保持するための部材である。保持部材１１の形状は特に限定されない。なお、図１Ｂには、単一の保持部材１１に対して、４行×２列の計８個の光源部材１０が保持されている場合が図示されているが、保持される光源部材１０の個数についても限定されない。

保持部材１１は、熱伝導性の良好な材料で形成されていることが好ましく、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ステンレス等の金属材料や、ＡｌＮ等のセラミックス等で構成することができる。より好ましくは、熱伝導率の観点から無酸素銅やアルミニウム合金を材料として構成される。また、保持部材１１の表面には、ステム１０ａとの半田による接合性を高めるため、金属メッキが形成されていることが好ましい。金属メッキは、例えば、金、銀、ニッケル等で構成することができる。

また、図１Ｃに示すように、保持部材１１は、光源部材１０のステム１０ａを嵌合するためのザグリ１５が形成されており、ステム１０ａの一部がザグリ１５の露出面１５ａと当接して配置される。なお、本実施形態では、ステム１０ａの一部がザグリ１５の露出面１５ａの全面に当接して、光源部材１０を固定する構成で図示されているが、ステム１０ａの一部がザグリ１５の露出面１５ａの一部で当接するようにして光源部材１０を固定する構成であっても構わない。

レンズホルダ１２は、筒状体を呈し、保持部材１１に載置された光源部材１０を覆うように配置され、ステム１０ａの外側面は、レンズホルダ１２の内側面に当接して配置されている。すなわち、ステム１０ａは、ザグリ１５の内側面と、レンズホルダ１２の内側面のいずれにも当接するように構成されている。なお、本実施形態では、レンズホルダ１２は、円筒形状として図示したが、角筒形状や楕円筒状であっても構わなく、軸方向、すなわちＺ方向から見たときの形状がステム１０ａの主面の形状と異なっていても構わない。

なお、図３Ｂに示すように、保持部材１１と当接しているレンズホルダ１２のＺ方向の端部１２ｃの形状は、図３Ａに示すように、保持部材１１と面で当接するように形成されていなくてもよく、先端が尖っている形状や、円弧形状を呈するものであっても構わない。

図２Ａ及び図３Ａに示すように、レンズホルダ１２には、レンズ１３を支持するための突起１２ｂが形成されている。レンズ１３は、光入射面の一部が、レンズホルダ１２の突起１２ｂに引っ掛かるようにして所定の位置に配置される。そのため、保持部材１１とレンズ１３との距離ｄ１が一定となるように載置される。さらに、保持部材１１と光源部材１０の半導体レーザチップ１０ｃの光出射面との距離ｄ２は、保持部材１１において光源部材１０が平面上に固定的に配置されているため一定である。したがって、上述のように、各半導体レーザチップ１０ｃの出射面とそれぞれ対応するレンズ１３との距離ｄ３（＝ｄ１－ｄ２）は、一定となる。

さらに、レンズホルダ１２は、レンズ１３を支持しつつ、ステム１０ａの外側面を保持していることから、載置して固定するだけで、光源部材１０とレンズ１３のＸＹ平面上の位置関係を所定の配置となるように固定することができる。例えば、各光源部材１０とレンズ１３において、半導体レーザチップ１０ｃから出射された光の中心が、レンズ１３の光軸を通過するように構成することができる。

レンズホルダ１２の材料としては、Ｆｅ－Ｎｉ、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｃｒ、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｎｉ等のＦｅ系の合金材料、さらには、Ａｌ系、Ｃｕ系の合金材料等を採用することができる。

溝１４は、余分な接着剤が、光源部材１０と保持部材１１との間から排出できるように、ザグリ１５に連結するように保持部材１１に形成されている。また、溝１４は、上述のように、ザグリ１５に配置された光源部材１０が、溝１４に沿って移動してしまわないように、溝１４の開口幅が、ザグリ１５の開口幅よりも狭く形成されている。

本実施形態における溝１４の深さは、ザグリ１５の深さと同じように図示しているが、溝１４とザグリ１５の深さは、異なっていてもよく、保持部材１１の内部を延伸するトンネルのように形成されていても構わない。また、本実施形態における溝１４は、Ｙ方向に向かって配列して構成されているザグリ１５において、隣接するザグリ１５と連絡するように図示しているが、溝１４は、余分な接着剤を排出させるだけの十分な空間が設けられていればよいため、Ｘ方向に向かって配列したザグリ１５とで連絡していてもよく、他のザグリ１５と連絡していなくてもよい。また、接着剤の量が適切な量となるように機械等で制御する場合や、溶接のような接着剤を使用することなく固定する方法を用いる場合には、溝１４を設けなくても構わない。

ここで、本実施形態の光源装置１を構成する手順について説明する。なお、本実施形態では接着剤として半田を使用する。図４Ａは、保持部材１１に光源部材１０を載置する工程を模式的に示す図面である。図４Ａに示すように、まず、保持部材１１のザグリ１５に半田（不図示）を配置し、露出面１５ａに光源部材１０のステム１０ａが当接するように載置する。そして、半田を溶かすために保持部材１１が加熱される。このとき、保持部材１１に溝１４が構成されていることで、上述のように、余分な半田が存在していた場合は、光源部材１０と保持部材１１との間に残留させないように排出させることができる。

図４Ｂは、保持部材１１にレンズホルダ１２を載置する工程を模式的に示す図面である。図４Ｂに示すように、保持部材１１に光源部材１０を固定した後は、固定されている光源部材１０の半導体レーザチップ１０ｃを覆うと共に、レンズ１３を支持した状態のレンズホルダ１２を軸方向の端部１２ｃが保持部材１１に当接するように載置する。そして、レンズホルダ１２は、端部１２ｃと保持部材１１との当接している部分を接着剤、あるいは溶接によって固定される。

以上のように構成することで、光源装置１は、アライメント等をすることなく、それぞれの光源部材１０から出射される光の方向と角度、及び、光源部材１０とレンズ１３の位置関係の誤差が抑制される。

また、図２Ａ及び図３Ａに示すように、レンズ１３は、レンズホルダ１２の内壁面の内側の空間内に配置されているため、レンズ１３が外部の物と直接接触しにくくなり、衝突や摩擦から守られ、光源装置１の耐久性が向上される。

（検証）
本実施形態にかかる光源装置１による、各光源部材１０から出射される光の出射方向や出射角度につき、どの程度の誤差範囲内に収まっているのかを確認するために行った検証実験について説明する。

（検証方法）
本実施形態に記載の方法で配置した各光源部材から、レンズ１３の出射面から１ｍ先に配置したスクリーンに向かって光を出射させ、スクリーン上の到達位置を測定する。測定点は、スクリーンに到達した光のうち、光強度が一定値以上の領域の中心点とした。

（結果）
図５は、光源装置１の組み立て精度の実験結果を示すグラフである。理想的には、スクリーン上でのビームの配置は、光源部材１０の配置と同じ配置となる。図５には、ビームの到達位置の測定点と理想的なビーム位置との差をプロットしている。図５が示す結果によれば、本発明の光源装置１によれば、各光源部材１０から出射された光は、理想的な到達位置を示す原点に対して、Ｘ方向及びＹ方向それぞれで誤差が５ｍｍ以内の範囲に収まっている。以上より、上記構成によれば、アライメント等をすることなく、光の出射方向の誤差が十分小さい光源装置１を実現できていることが確認される。

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

〈１〉 本発明の光源装置１のレンズホルダ１２の内側面は、半導体レーザチップ１０ｃから出射された光を吸収する材料で構成されている。例えば、レンズホルダ１２が黒色の材料で構成されていてもよく、内壁面に黒色の材料が塗布されているものであってもよい。

また、内壁面で光を吸収させるために、化学反応や物理反応を用いて内壁面を黒色の材料でコーティングする方法がある。例えば、アルミニウムを含む材料でレンズホルダ１２を構成し、内壁面を黒アルマイト処理する方法や、銅やニッケル等を含む材料でレンズホルダ１２を構成し、内壁面を電着処理する方法、ステンレス材料でレンズホルダ１２を構成し、黒色のニッケルメッキやクロムメッキ等のメッキ処理を行う方法等があり、これらを採用しても構わない。

〈２〉 図６は、保持部材１１に載置された光源部材１０の構成の一実施形態を示す図面である。上述の各実施形態では、光源部材１０が、一つのチップにおいて一つの光出射面を有する、いわゆるシングルエミッタ型とも称される半導体レーザチップ１０ｃを備える光源装置１を説明したが、図６に示すように、光源部材１０が、一つのチップにおいて複数の光出射面を有する、いわゆるマルチエミッタ型とも称される半導体レーザチップ１０ｃを備えることによって光源装置１が構成されていても構わない。なお、図３Ａ等においては、半導体レーザチップ１０ｃをハッチングで図示しているが、図６においては、半導体レーザチップ１０ｃがマルチエミッタ型の半導体レーザチップ１０ｃであることを明示するために、半導体レーザチップ１０ｃにおいて、光の発振が生じる活性領域のみをハッチングで図示している。

〈３〉 図７は、本発明の光源装置１の別実施形態を模式的に示す全体斜視図である。図７に示すように、本発明の光源装置１のレンズホルダ１２が、複数の光源部材１０を内包し、各光源部材１０のステム１０ａの外側面と当接するものであってもよく、レンズ１３も同様に、複数の光源部材１０に対応したレンズ１３が、レンズホルダ１２に形成された、レンズ１３保持用の突起１２ｂに併せて、一体として構成されていても構わない。

〈４〉 上述した光源装置１が備える構成は、あくまで一例であり、本発明は、図示された各構成に限定されない。

１ ： 光源装置
１０ ： 光源部材
１０ａ ： ステム
１０ｂ ： サブマウント
１０ｃ ： 半導体レーザチップ
１０ｄ ： 放熱ブロック
１０ｅ ： 給電ピン
１１ ： 保持部材
１２ ： レンズホルダ
１２ｂ ： 突起
１２ｃ ： 端部
１３ ： レンズ
１４ ： 溝
１５ ： ザグリ
１５ａ ： 露出面
Ｌ１ ： レーザ光
ｄ１，ｄ２，ｄ３ ： 距離

Claims (4)

1. ステムと、前記ステム上に載置された放熱ブロックと、前記放熱ブロック上に載置された半導体レーザチップとを含み、前記ステムの主面に直交する第一方向から見たときに前記ステムの外周の内側に前記放熱ブロック及び前記半導体レーザチップが位置し、前記半導体レーザチップを基準として前記ステムとは反対方向に光を出射する、複数の光源部材と、
   前記複数の光源部材が備えるそれぞれの前記ステムが当接されることで、前記複数の光源部材を平面上に固定的に配置する保持部材と、
   前記保持部材の前記光源部材が配置されている側の面に形成された複数のザグリと、
   筒状体を呈し、前記ステムの外側面と当接する内側面を有すると共に、前記筒状体の軸方向の端部が前記保持部材に当接するように配置されたレンズホルダと、
   前記半導体レーザチップを基準として前記ステムとは反対側に前記半導体レーザチップと離間して配置され、前記レンズホルダに支持されたレンズとを備え、
   前記複数の光源部材が備えるそれぞれの前記ステムは、対応する前記複数のザグリの露出面に前記外側面が当接するように配置されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記保持部材は、前記ザグリに連結され、前記ザグリの開口幅よりも狭い開口幅を有する溝を備えることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記レンズは、前記レンズホルダの前記内側面に覆われた空間内に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記レンズホルダの前記内側面は、前記半導体レーザチップから出射された光を吸収する材料で構成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。

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