JP7410875B2 - 光源ユニット、照明装置、加工装置及び偏向素子 - Google Patents
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Description
実施の形態1に係る光源ユニットについて説明する。
まず、本実施の形態に係る光源ユニットの全体構成について図1A~図3Eを用いて説明する。図1A~図1Dは、それぞれ本実施の形態に係る光源ユニット100の構成の概要を示す斜視図、平面図、側面図及び正面図である。ここで、平面図、側面図及び正面図は、それぞれ、光源ユニット100のX軸方向(後述する第3の方向)、Y軸方向(後述する第2の方向)及びZ軸方向(後述する第1の方向)から見た図を意味する。
半導体発光装置10について図1A~図1Dに加えて、図2A及び図2Bを用いて説明する。図2Aは、本実施の形態に係る半導体発光装置10の構成の概要を示す斜視図である。図2Bは、本実施の形態に係る半導体発光装置10の等価回路を示す回路図である。
第2の集光光学素子30は、図1A~図1Dに示されるように、第1の発光点13a及び第2の発光点13bと偏向素子50との間に配置される素子である。第2の集光光学素子30は、少なくとも第2の方向に集光するコリメータレンズを含み、第1の光線83a及び第2の光線83bの各々の発散を低減する。本実施の形態では、第2の集光光学素子30は、第2の方向及び第3の方向における第1の光線83a及び第2の光線83bの各々の発散を低減する非球面レンズからなるコリメータレンズである。
偏向素子50は、図1A~図1Dに示されるように、第1の光線85a及び第2の光線85bの少なくとも一方を、第1の方向及び第2の方向に垂直な第3の方向(各図のX軸方向)に偏向する素子である。本実施の形態では、偏向素子50は、第1の光線85a及び第2の光線85bの両方を、第3の方向に偏向する。
第1の集光光学素子70は、図1A~図1Cに示されるように偏向素子50から出射された第1の光線86a及び第2の光線86bを集光面91に集光する光学素子である。本実施の形態では、第1の集光光学素子70は、第1の光線86a及び第2の光線86bを第2の方向及び第3の方向に集光する集光レンズである。第1の集光光学素子70から出射された第1の光線87a及び第2の光線87bは、集光対象物90の集光面91に集光される。
集光対象物90は、図1A~図1Cに示されるように、第1の集光光学素子70から出射され、集光された第1の光線87a及び第2の光線87bが入射する部材である。本実施の形態では、集光対象物90は、光ファイバであり、集光面91は、光ファイバの端面である。第1の光線87a及び第2の光線87bは、光ファイバからなる集光対象物90の集光面91のうち、主にコア95に相当する領域に入射する。これにより、第1の光線87a及び第2の光線87bを光ファイバに結合できる。図1Aに示されるように、集光対象物90の集光面91には、第1の光線87a及び第2の光線87bの照射領域にそれぞれ対応する第1の集光スポット89a及び第2の集光スポット89bが第1の方向(X軸方向)に並ぶ。
次に、本実施の形態に係る光源ユニット100の作用及び効果について、シミュレーション結果を用いて説明する。図4は、本実施の形態に係る光源ユニット100のシミュレーション結果の例を示す図である。図4には、三つのシミュレーション結果から得られた集光面91における光強度分布が示されている。なお、図4には、光ファイバのコア95の輪郭が破線で示されている。
次に、本実施の形態の変形例2に係る偏向素子について説明する。本実施の形態に係る偏向素子50においては、第1の入射面51a及び第2の入射面51bによって、それぞれ第1の光線85a及び第2の光線85bが偏向されたが、変形例2に係る偏向素子は、第1の光線85a及び第2の光線85bが出射面において偏向される。以下、本変形例に係る偏向素子について、偏向素子50との相違点を中心に図5A~図5Cを用いて説明する。
実施の形態2に係る光源ユニットについて説明する。本実施の形態に係る光源ユニットは、主に、発光点及び光線の個数において、実施の形態1に係る光源ユニット100と相違する。以下、本実施の形態に係る光源ユニットについて、実施の形態1に係る光源ユニット100との相違点を中心に、図6~図10Cを用いて説明する。
まず、本実施の形態に係る光源ユニットの全体構成について説明する。図6は、本実施の形態に係る光源ユニット200の構成の概要を示す斜視図である。図6に示されるように、光源ユニット200は、複数の発光点を含む半導体発光装置210と、第2の集光光学素子30と、偏向素子250と、第1の集光光学素子70と、集光対象物90とを備える。
本実施の形態に係る半導体発光装置210について、図7Aを用いて説明する。図7Aは、本実施の形態に係る半導体発光装置210の構成の概要を示す斜視図である。
第2の集光光学素子30は、実施の形態1に係る第2の集光光学素子30と同様の構成を有する。第2の集光光学素子30は、第1の光線83a、第2の光線83b及び第3の光線83cの発散を低減して、それぞれ第1の光線85a、第2の光線85b及び第3の光線85cとして出射する。
偏向素子250は、透光性の光学部材であり、実施の形態1の変形例2に係る偏向素子50bと同様に、出射面において、各光線を偏向する。図6に示されるように、偏向素子250は、第1の出射面256aと、第2の出射面256bと、第3の出射面256cとを有する。第2の出射面256bの第3の方向に垂直な面と第2の出射面256bとの交線の、第2の方向からの傾斜角、及び、第2の方向に垂直な面と第2の出射面256bとの交線の、第3の方向からの傾斜角はともに0°である。
第1の集光光学素子70は、実施の形態1に係る第1の集光光学素子70と同様の構成を有する。第1の集光光学素子70は、第1の光線86a、第2の光線86b及び第3の光線86cを集光して、それぞれ第1の光線87a、第2の光線87b及び第3の光線87cとして出射する。
続いて、本実施の形態に係る光源ユニット200の作用及び効果について、シミュレーション結果を用いて説明する。図8は、本実施の形態に係る光源ユニット200のシミュレーション結果の例を示す図である。図8には、三つのシミュレーション結果から得られた集光面91における光強度分布が示されている。なお、図8には、光ファイバのコア95の輪郭が破線で示されている。
続いて、本実施の形態に係る各光線の相対位置について図10A~図10Dを用いて説明する。図10Aは、本実施の形態に係る光源ユニット200の集光面91における各光線の集光スポットを説明する図である。図10Aの模式図(a)は、集光面91における各光線の集光スポット及びその寸法などを示す。図10Aのグラフ(b)及び(c)は、それぞれ第3の方向及び第2の方向における各光線の光強度分布の模式的な図を示す。図10Bは、各光線の集光スポットの分布を比較するため、16種類の分布例を示した図である。図10Bにおいて三つの光線で集光スポットを形成する場合を示している。図10Bにおいて、横軸は第2の方向のビーム間隔を示し、右側に進むにしたがってビーム間隔は広くなる。また、縦軸は第3の方向のビーム間隔を示し、上側に進むにしたがってビーム間隔は広くなる。図10C及び図10Dは、それぞれ、互いに重なる複数の集光スポットの第2の方向及び第3の方向における光強度分布の計算結果を示すグラフである。
実施の形態3に係る光源ユニットについて説明する。本実施の形態に係る光源ユニットは、主に、第2の集光光学素子の構成において実施の形態2に係る光源ユニット200と相違する。以下の本実施の形態に係る光源ユニットについて、実施の形態2係る光源ユニット200との相違点を中心に説明する。
実施の形態4に係る光源ユニットについて説明する。本実施の形態に係る光源ユニットは、主に、複数の発光点から集光対象物90の集光面91までの光学系がパッケージ20に収納される点において、実施の形態3に係る光源ユニット300と相違する。以下、本実施の形態に係る光源ユニットについて、実施の形態3に係る光源ユニット300との相違点を中心に図13を用いて説明する。
実施の形態5に係る光源ユニットについて説明する。本実施の形態に係る光源ユニットは、主に、複数の半導体発光装置を備える点において、実施の形態4に係る光源ユニット400と相違する。以下、本実施の形態に係る光源ユニットについて、実施の形態4に係る光源ユニット400との相違点を中心に図14A及び図14Bを用いて説明する。
実施の形態6に係る光源ユニットについて説明する。本実施の形態に係る光源ユニットは、主に、集光対象物が蛍光体を含む点において、実施の形態1に係る光源ユニット100と相違する。以下、本実施の形態に係る光源ユニットについて、実施の形態1に係る光源ユニット100との相違点を中心に図15A~15C及び図16を用いて説明する。
以上、本開示に係る光源ユニットなどについて、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
11 半導体レーザアレイ
11a 第1の半導体発光素子チップ
11b 第2の半導体発光素子チップ
11c 第3の半導体発光素子チップ
11d 第4の半導体発光素子チップ
11e 第5の半導体発光素子チップ
11f 第6の半導体発光素子チップ
13a 第1の発光点
13b 第2の発光点
13c 第3の発光点
15a、15b、15c、15d 金属ワイヤー
19 サブマウント
19a 電極
20 パッケージ
20a、25a 実装面
21 ベース
22 枠体
22a シーリング部材
23 第1端子
23a、24a 絶縁部材
23b、24b 緩衝部材
23c、24c 接着部材
24 第2端子
25、561、562、563 キャリア
26 固定部材
29 リッド
30、330 第2の集光光学素子
35 ホルダ
36 透光板
40、540、541、542、640 反射ミラー
50、50a、50b、250、350、350a、950 偏向素子
50p 凸部
51 入射面
51a 第1の入射面
51b 第2の入射面
52 上面
53a、53b 側面
54 底面
55 出射面
55a、256a、356a、956a 第1の出射面
55b、256b、356b、956b 第2の出射面
60 筐体
60s スペーサー
70、670 第1の集光光学素子
80 光軸
83a、85a、86a、87a 第1の光線
83b、85b、86b、87b 第2の光線
83c、85c、86c、87c 第3の光線
89a 第1の集光スポット
89b 第2の集光スポット
89c 第3の集光スポット
89d 第4の集光スポット
89e 第5の集光スポット
89f 第6の集光スポット
90、690 集光対象物
91、691 集光面
95 コア
97 保持部材
98 出射面
100、200、300、400、500、600、900 光源ユニット
151ab、155ab 交線
152 基準面
153 基準線
180、181 出射光
256c、356c、956c 第3の出射面
331、511、512、513 ファスト軸コリメータレンズ
332、521、522、523 スロー軸コリメータレンズ
339、539 支持部材
356d 第4の出射面
356e 第5の出射面
356f 第6の出射面
610 第1のホルダ
615 第3のホルダ
620 第2のホルダ
630 放熱フィン
635 配線基板
637 キャップホルダ
645 可動ミラー
660 蛍光体
661 蛍光体支持部材
671 第1のシリンドリカルレンズ
672 第2のシリンドリカルレンズ
Claims (26)
- 第1の方向に沿った光軸を有する光源ユニットであって、
第1の光線を出射する第1の発光点と、
前記第1の方向に垂直な第2の方向において前記第1の発光点から離れて配置され、第2の光線を出射する第2の発光点と、
前記第1の光線及び前記第2の光線の少なくとも一方を、前記第1の方向及び前記第2の方向に垂直な第3の方向に偏向する偏向素子と、
前記偏向素子から出射された前記第1の光線及び前記第2の光線を集光面に集光する第1の集光光学素子とを備え、
前記第1の光線は、前記偏向素子に、前記第3の方向に垂直な第4の方向から入射し、
前記第2の光線は、前記偏向素子に、前記第3の方向に垂直な第5の方向から入射し、
前記第3の方向から見て、前記第4の方向と前記第1の方向とのなす角は、前記第5の方向と前記第1の方向とのなす角と異なり、
前記第1の光線は、前記偏向素子から第6の方向に出射し、
前記第2の光線は、前記偏向素子から第7の方向に出射し、
前記第6の方向は、前記第2の方向から見て、前記第4の方向から第1の偏向角だけ偏向し、
前記第7の方向は、前記第2の方向から見て、前記第5の方向から第2の偏向角だけ偏向し、
前記第1の偏向角と前記第2の偏向角とは異なり、
前記第3の方向から見て、前記第6の方向と前記第7の方向とは互いに平行であり、
前記第1の発光点における前記第1の光線と、前記第2の発光点における前記第2の光線とは、前記第3の方向において重なっており、
前記集光面において、前記第1の光線と前記第2の光線とは、前記第2の方向において重なり、かつ、前記第3の方向において離れている
光源ユニット。 - 第1の方向に沿った光軸を有する光源ユニットであって、
第1の光線を出射する第1の発光点と、
前記第1の方向に垂直な第2の方向において前記第1の発光点から離れて配置され、第2の光線を出射する第2の発光点と、
前記第1の光線及び前記第2の光線の少なくとも一方を、前記第1の方向及び前記第2の方向に垂直な第3の方向に偏向する偏向素子と、
前記偏向素子から出射された前記第1の光線及び前記第2の光線を集光面に集光する第1の集光光学素子とを備え、
前記第1の光線は、前記偏向素子に、前記第3の方向に垂直な第4の方向から入射し、
前記第2の光線は、前記偏向素子に、前記第3の方向に垂直な第5の方向から入射し、
前記第1の光線は、前記偏向素子から第6の方向に出射し、
前記第2の光線は、前記偏向素子から第7の方向に出射し、
前記第6の方向は、前記第2の方向から見て、前記第4の方向から第1の偏向角だけ偏向し、
前記第7の方向は、前記第2の方向から見て、前記第5の方向から第2の偏向角だけ偏向し、
前記第6の方向は、前記第3の方向から見て、前記第4の方向から第3の偏向角だけ偏向し、
前記第7の方向は、前記第3の方向から見て、前記第5の方向から第4の偏向角だけ偏向し、
前記第1の偏向角と前記第2の偏向角とは異なり、
前記第3の偏向角と前記第4の偏向角とは異なり、
前記第1の発光点における前記第1の光線と、前記第2の発光点における前記第2の光線とは、前記第3の方向において重なっており、
前記集光面において、前記第1の光線と前記第2の光線とは、前記第2の方向において重なり、かつ、前記第3の方向において離れている
光源ユニット。 - 前記偏向素子は、前記第1の光線が入射する第1の入射面と、前記第2の光線が入射する第2の入射面とを有し、
前記第1の入射面と前記第3の方向に垂直な面との交線は、前記第2の方向から第1の傾斜角だけ傾斜し、
前記第2の入射面と前記第3の方向に垂直な面との交線は、前記第2の方向から第2の傾斜角だけ傾斜し、
前記第1の入射面と前記第2の方向に垂直な面との交線は、前記第3の方向から第3の傾斜角だけ傾斜し、
前記第2の入射面と前記第2の方向に垂直な面との交線は、前記第3の方向から第4の傾斜角だけ傾斜し、
前記第1の傾斜角と前記第2の傾斜角とは異なり、
前記第3の傾斜角と前記第4の傾斜角とは異なり、
前記第1の傾斜角の絶対値より前記第3の傾斜角の絶対値の方が小さく、
前記第2の傾斜角の絶対値より前記第4の傾斜角の絶対値の方が小さい
請求項1又は2に記載の光源ユニット。 - 前記偏向素子は、前記第1の光線が出射する第1の出射面と、前記第2の光線が出射する第2の出射面とを有し、
前記第1の出射面と前記第3の方向に垂直な面との交線は、前記第2の方向から第5の傾斜角だけ傾斜し、
前記第2の出射面と前記第3の方向に垂直な面との交線は、前記第2の方向から第6の傾斜角だけ傾斜し、
前記第1の出射面と前記第2の方向に垂直な面との交線は、前記第3の方向から第7の傾斜角だけ傾斜し、
前記第2の出射面と前記第2の方向に垂直な面との交線は、前記第3の方向から第8の傾斜角だけ傾斜し、
前記第5の傾斜角と前記第6の傾斜角とは異なり、
前記第7の傾斜角と前記第8の傾斜角とは異なり、
前記第5の傾斜角の絶対値より前記第7の傾斜角の絶対値の方が小さく、
前記第6の傾斜角の絶対値より前記第8の傾斜角の絶対値の方が小さい
請求項1~3のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 前記偏向素子は、前記第3の方向に垂直な底面を有する
請求項3又は4に記載の光源ユニット。 - 前記第1の発光点及び前記第2の発光点は、同一の半導体基板上に形成された半導体レーザアレイに含まれる
請求項1~5のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 前記第3の方向に垂直な実装面をさらに備え、
前記第1の発光点は第1の半導体発光素子チップに含まれ、
前記第2の発光点は第2の半導体発光素子チップに含まれ、
前記第1の半導体発光素子チップ及び前記第2の半導体発光素子チップは、前記実装面に実装されている
請求項1~5のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 前記第1の発光点及び前記第2の発光点を収納するパッケージをさらに備える
請求項6又は7に記載の光源ユニット。 - 前記第1の発光点及び前記第2の発光点と前記偏向素子との間に配置される第2の集光光学素子を備える
請求項1~8のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 前記第2の集光光学素子は、前記第1の光線及び前記第2の光線の各々の発散を低減する
請求項9に記載の光源ユニット。 - 前記第1の光線は、前記第2の集光光学素子から、前記第4の方向に出射し、
前記第2の光線は、前記第2の集光光学素子から、前記第5の方向に出射する
請求項9又は10に記載の光源ユニット。 - 前記第1の光線と前記第2の光線とは、前記第2の集光光学素子と前記偏向素子との間で交差する
請求項11に記載の光源ユニット。 - 前記第2の集光光学素子は、少なくとも前記第2の方向に集光するコリメータレンズを含み、
前記コリメータレンズは、前記第1の光線及び前記第2の光線の各々の発散を低減する
請求項9~12のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 前記第1の光線は、前記第2の集光光学素子への入射位置において前記第2の集光光学素子の光軸から前記第2の方向に第1の距離だけ離れており、
前記第2の光線は、前記第2の集光光学素子への入射位置において前記第2の集光光学素子の光軸から前記第2の方向に第2の距離だけ離れており、
前記第1の光線の前記第2の集光光学素子への入射位置は、前記第2の光線の前記第2の集光光学素子への入射位置と異なる
請求項9~13のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 前記第2の集光光学素子は、前記第1の光線及び前記第2の光線の各々の前記第3の方向における発散を低減するファスト軸コリメータレンズと、前記第1の光線及び前記第2の光線の各々の前記第2の方向における発散を低減するスロー軸コリメータレンズとを含み、
前記スロー軸コリメータレンズは、前記ファスト軸コリメータレンズと前記偏向素子との間に配置される
請求項9~12のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 第1の方向に沿った光軸を有する光源ユニットであって、
第1の光線を出射する第1の発光点と、
前記第1の方向に垂直な第2の方向において前記第1の発光点から離れて配置され、第2の光線を出射する第2の発光点と、
前記第1の光線及び前記第2の光線の少なくとも一方を、前記第1の方向及び前記第2の方向に垂直な第3の方向に偏向する偏向素子と、
前記偏向素子から出射された前記第1の光線及び前記第2の光線を集光面に集光する第1の集光光学素子とを備え、
前記第1の光線及び前記第2の光線は、前記偏向素子を通過し、
前記第1の発光点における前記第1の光線と、前記第2の発光点における前記第2の光線とは、前記第3の方向において重なっており、
前記集光面において、前記第1の光線と前記第2の光線とは、前記第2の方向において重なり、かつ、前記第3の方向において離れている
光源ユニット。 - 前記第1の発光点及び前記第2の発光点を含む複数の発光点を備え、
前記集光面において、前記第1の光線と前記第2の光線との前記第2の方向における間隔は、前記第1の光線又は前記第2の光線の前記第2の方向におけるビーム幅の0.8倍以下であり、前記第1の光線と前記第2の光線との前記第3の方向における間隔は、前記第1の光線又は前記第2の光線の前記第3の方向におけるビーム幅の0.75倍を前記複数の発光点の個数で割った値以上である
請求項16に記載の光源ユニット。 - 前記第1の光線及び前記第2の光線は、前記集光面において前記第3の方向より前記第2の方向の方が長い形状で集光されている
請求項1、16、17のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 前記第1の発光点における前記第1の光線のニアフィールドパターン及び前記第2の発光点における前記第2の光線のニアフィールドパターンは、前記第3の方向より前記第2の方向の方が長い形状を有する
請求項1~18のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 前記第1の光線及び前記第2の光線が入射する蛍光体をさらに備える
請求項1~19のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 請求項20に記載の光源ユニットを備え、
前記蛍光体からの出射光を照明光として用いる
照明装置。 - 前記第1の光線及び前記第2の光線が入射する光ファイバをさらに備え、
前記第1の光線及び前記第2の光線は、前記光ファイバの端面に集光される
請求項1~19のいずれか1項に記載の光源ユニット。 - 請求項22に記載の光源ユニットを備え、
前記光ファイバからの出射光を加工に用いる
加工装置。 - 第1の方向に沿った光軸を有する光源ユニットに用いられる偏向素子であって、
前記光源ユニットは、
第1の光線を出射する第1の発光点と、
前記第1の方向に垂直な第2の方向において前記第1の発光点から離れて配置され、第2の光線を出射する第2の発光点と、
前記偏向素子から出射された前記第1の光線及び前記第2の光線を集光面に集光する第1の集光光学素子とを備え、
前記偏向素子は、前記第1の光線及び前記第2の光線の少なくとも一方を、前記第1の方向及び前記第2の方向に垂直な第3の方向に偏向し、
前記第1の発光点における前記第1の光線と、前記第2の発光点における前記第2の光線とは、前記第3の方向において重なっており、
前記集光面において、前記第1の光線と前記第2の光線とは、前記第2の方向において重なり、かつ、前記第3の方向において離れており、
前記偏向素子は、
前記第1の方向、及び、前記第2の方向と交差する第1の入射面と、
前記第1の方向と交差する第2の入射面と、
前記第1の方向及び前記第2の方向に垂直な第3の方向に垂直な底面とを有し、
前記第1の入射面と前記第3の方向に垂直な面との交線は、前記第2の方向から第1の傾斜角だけ傾斜し、
前記第2の入射面と前記第3の方向に垂直な面との交線は、前記第2の方向から第2の傾斜角だけ傾斜し、
前記第1の入射面と前記第2の方向に垂直な面との交線は、前記第3の方向から第3の傾斜角だけ傾斜し、
前記第2の入射面と前記第2の方向に垂直な面との交線は、前記第3の方向から第4の傾斜角だけ傾斜し、
前記第1の傾斜角と前記第2の傾斜角とは異なり、
前記第3の傾斜角と前記第4の傾斜角とは異なり、
前記第1の傾斜角の絶対値より前記第3の傾斜角の絶対値の方が小さく、
前記第2の傾斜角の絶対値より前記第4の傾斜角の絶対値の方が小さい
偏向素子。 - 前記第1の入射面と前記第2の入射面とに対向し、かつ、前記第1の方向に垂直な出射面を有する
請求項24に記載の偏向素子。 - 前記第1の入射面と前記第2の入射面とは、凸部を形成する
請求項24又は25に記載の偏向素子。
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