JPWO2016121725A1

JPWO2016121725A1 - 光源装置

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Publication number: JPWO2016121725A1
Application number: JP2016572037A
Authority: JP
Inventors: 誠二中野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: CN107210580A; US10539280B2; JP6246397B2; US20170292662A1; CA2964209A1; CA2964209C; CN107210580B; EP3252888A4; EP3252888A1; WO2016121725A1

Abstract

本発明は、小型かつ簡易な構造である光源装置の提供を目的とする。本発明に係る光源装置１０１は、レーザ光源部２０と、レーザ光源部２０が設置されるステム１３と、レーザ光源部２０を覆ってステム１３に接合され、開口部１６を有するキャップ１１と、開口部１６を跨いでキャップ１１の外表面に接合されたレンズホルダ１５と、レンズホルダ１５に支持され、レーザ光源部２０から出射され開口部１６を通過した光をコリメートするコリメートレンズ１２とを備える。

Description

この発明は、レーザ光源とコリメートレンズとを備えた光源装置に関する。

従来、プロジェクタ等のディスプレイ装置に含まれる光源には、ハロゲンランプやメタルはライドランプを用いた光源が使用されている。近年、長寿命、低消費電力、高輝度及び高色純度という特徴を有するレーザ光源のディスプレイ装置への応用が盛んである。

レーザ光源をプロジェクタに使用するには、ＲＧＢ（３原色）それぞれのレーザ光源（ユニット）から出射される光束を集光レンズで集光させ、複数の光ファイバに入射し、光ファイバによってレーザ光をプロジェクタが備える照明光学系の光学部品まで伝送させて映像を投射する方法がある。

特許文献１には、半導体発光チップを内蔵したレーザ光源とコリメートレンズとをホルダによって接続した光源装置が開示されている。この光源装置によれば、レーザ光源を搭載したステムをホルダの後端部内周に挿入し、生じたクリアランス内でレーザ光源ユニットを動かすことにより、レーザ光源とコリメートレンズとの光軸調整が可能である。

特開平５−２３５４８４号公報

しかしながら、特許文献１の光源装置では、レーザ光源を搭載したステムの側面とホルダとを接着固定するため、レーザ光源をホルダで覆うような構造となり、結果として光源装置が大型になりコストが高くなるという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、小型かつ簡易な構造である光源装置の提供を目的とする。

本発明に係る光源装置は、レーザ光源部と、レーザ光源部が設置されるステムと、レーザ光源部を覆ってステムに接合され、開口部を有するキャップと、開口部を跨いでキャップの外表面に接合されたレンズホルダと、レンズホルダに支持され、レーザ光源部から出射され開口部を通過した光をコリメートするコリメートレンズとを備える。

本発明に係る光源装置は、レーザ光源部と、レーザ光源部が設置されるステムと、レーザ光源部を覆ってステムに接合され、開口部を有するキャップと、開口部を跨いでキャップの外表面に接合されたレンズホルダと、レンズホルダに支持され、レーザ光源部から出射され開口部を通過した光をコリメートするコリメートレンズとを備える。従って、構造の簡易化や装置の小型化が可能となる。

本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態１に係る光源装置の断面図である。実施の形態１に係る光源装置の断面図である。比較例に係る光源装置の断面図である。実施の形態１に係るコリメートレンズの斜視図である。実施の形態１に係るコリメートレンズの斜視図である。実施の形態１に係るレンズホルダの斜視図である。実施の形態１に係るレンズホルダにコリメートレンズを接着した状態を示す斜視図である。実施の形態２に係る光源装置の断面図である。実施の形態２に係るコリメートレンズの斜視図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る光源装置１０１を概略的に示したものである。図１において、紙面の奥方向をＸ軸の正方向、紙面左方向をＹ軸の正方向、紙面上の上方向をＺ軸の正方向とする。図２は、図１に示したＡ−Ａ´断面を概略的に示したものである。図１を用いて光源装置１０１の構成を説明する。なお、図２において、図１と同符号はそれぞれ同一の構成を示しているので、図２については詳細な説明を省略する。

光源装置１０１は、ステム１３と、ステム１３に搭載されるレーザ光源ユニット２１と、レーザ光源ユニット２１に接着されたレンズユニット２２とを備える。レーザ光源ユニット２１は、光源素子１及び波長変換素子４，７を含む光源部２０と、光源部２０を内包しステム１３に設置されたキャップ１１と、キャップ１１の突出部１１ａに設けられた透過部１０と、ステム１３を貫通し光源部２０に電力を供給する外部接続用のピン１４とを備える。光源部２０の詳細な構成については後述する。

ステム１３は、板状に形成された部材であり、例えば表面にＡｕメッキが施された金属材料からなる。ステム１３は、光源部２０を固定すると共に、光源部２０で発生した熱を光源装置１０１の外部に逃がす役割を担っている。

キャップ１１は、光源部２０を覆う略円筒状の中空構造で、一方が閉鎖され他方が解放されている。キャップ１１の閉鎖された側の表面は、その中央部がそれ以外の表面よりも外部に突出し、突出部１１ａを形成している。また、突出部１１ａの表面中央部には開口部１６が形成されており、開口部１６を塞ぐように透過部１０が突出部１１ａ内に配置されている。透過部１０には、例えば石英ガラスを用いることができる。

また、キャップ１１の解放された側は、例えばプロジェクション溶接等によってステム１３にロウ付け（接合）されている。従って、キャップ１１はガラス窓１０およびステム１３により封止されている。キャップ１１と光源部２０とは、ステム１３の同一面に接合されている。

レンズユニット２２は、キャップ１１の外表面である上面に接着固定されて突出部１１ａを覆うレンズホルダ１５と、レンズホルダ１５に保持されたコリメートレンズ１２とを備える。図２に示すように、光源素子１、波長変換素子４，７、透過部１０及びコリメートレンズ１２がｚ方向に１直線に並ぶように配置されることで、光源部２０から出射したレーザ光ＬＢ１が透過部１０及びコリメートレンズ１２を通って光源装置１０外部に射出される。

次に、比較例を用いて光源装置１０１の特長を説明する。図３は、比較例に係る光源装置１００の断面図である。図４において、図１と同一の符号を付した構成は同一の構成を示しているため、説明を省略する。光源装置１００では、コリメートレンズ１２がレンズホルダ１５によらず直接第３ブロック９の上面に固定される。

図３に示すように、コリメートレンズ１２をキャップ１１の内部に配置する場合、キャップ１１の高さはコリメートレンズ１２をキャップ１１の外部に配置する光源装置１０１に比べて高くなる。従って、光源装置１０１ではコリメートレンズ１２をキャップ１１の外部に配置することで、コリメートレンズ１２をキャップ１１の内部に設置する場合よりも、キャップ１１の高さを低くすることが出来る。

キャップ１１の高さを低く出来ることで、キャップ１１の製造に係るコストを低減することができるとともに、光源装置１０１の小型化が実現できる。光源装置１０１の小型化は、光源装置１０１の外部に設置される放熱機構の小型化も可能にするため、光源装置１０１を利用した装置全体の小型化も実現できる。

また、比較例に係る光源装置１００では、コリメートレンズ１２を第３ブロック９の上に固定するため、光源部２０の振動によるモーメント力が大きく加わる。しかし、光源装置１０１では、コリメートレンズ１２をキャップ１１の外部に配置しているため、上記のモーメント力が大きく加わることを回避することができ、コリメートレンズ１２が外れるなどのリスクを低減することもできる。

さらに、レンズホルダ１５は透過部１０の上方でキャップ１１の上面と接着固定されるため、例えばレンズホルダ１５をステム１３の側面と接着固定する場合に比べて、構造の簡易化や装置の小型化が可能となる。

光源装置１０１の製造過程においては、キャップ１１内の封止工程と光源部２０とコリメートレンズ１２との光軸合わせ（調芯）工程とを行う必要がある。仮に、キャップ１１とコリメートレンズ１２が一体となっている構造や、図３に示す光源装置１００のようにコリメートレンズ１２をキャップ１１の内部に設置する構造であるならば、キャップ１１内の封止工程と、光源部２０とコリメートレンズ１２との調芯工程とを同時に行う必要があり、作業工程は複雑である。しかし、光源装置１０１では、コリメートレンズ１２をキャップ１１の外部に設置するため、キャップ１１内の封止工程と、光源部２０とコリメートレンズ１２との調芯工程とを個別に行うことができる。そのため、出射光の光軸ずれや焦点位置のブレなどのリスクが軽減されることで歩留まりが向上するという効果がある。

すなわち、実施の形態１に係る光源装置１０１は、光源部２０（レーザ光源部）と、レーザ光源部が設置されるステム１３と、レーザ光源部を覆ってステム１３に接合され、開口部１６を有するキャップ１１と、開口部１６を跨いでキャップ１１の外表面に接合されたレンズホルダ１５と、レンズホルダ１５に支持され、レーザ光源部から出射され開口部１６を通過した光をコリメートするコリメートレンズ１２とを備えている。コリメートレンズ１２をキャップ１１の外部に設けることから構造の簡易化や装置の小型化が可能となる。また、キャップ１１内の封止工程と光源部２０とコリメートレンズ１２との調芯工程とを個別に行うことができるため、出射光の光軸ずれや焦点位置のブレなどのリスクが軽減され歩留まりが向上する。また、コリメートレンズ１２はホルダ１５に支持されることから外的要因によるコリメートレンズ１２の破損が抑制される。

次に、光源部２０について図１を用いて詳しく説明する。図１に示すように光源部２０は、基本波レーザ光を発する光源素子１（励起光源）と、光源素子１から出射した基本波レーザ光を発振する第１波長変換素子４（固体レーザ素子）と、第１波長変換素子４によって発振されたレーザ光の波長を変換する第２波長変換素子７と、光源素子１、第１波長変換素子４および第２波長変換素子７をそれぞれ設置する第１サブマウント２、第２サブマウント５、第３サブマウント８と、第１、第２、第３サブマウント２，５，８をそれぞれ設置する第１ブロック３、第２ブロック６、第３ブロック９とを備える。

第１ブロック３はステム１３に設置されている。第１ブロック３のステム１３の反対側には第２ブロック６が接続されている。また、第２ブロック６の第１ブロック３と接続されている側の反対側には第３ブロック９が接続されている。なお、図示しないが、ピン１４は光源素子１に電力を供給可能なように接続されている。第１ブロック３とステム１３との接続、第１、第２、第３ブロック３，６，９同士の接続、第１、第２、第３サブマウント２，５，８と第１、第２、第３ブロック３，６，９それぞれの接続および第１、第２、第３サブマウント２，５，８と光源素子１，第１波長変換素子４，第２波長変換素子７それぞれの接続において、はんだ、導電性接着剤又は非導電性接着剤等を接着剤として用いることができる。

光源素子１、第１波長変換素子４および第２波長変換素子７は、ステム１３側からこの順序で直線状に配置されており、レーザ光を発生する。そして、第２波長変換素子７から出射したレーザ光は、透過部１０を透過しコリメートレンズ１２に入射する。

光源素子１には、例えば、ＧａＡｓを材料として用いることができる。第１波長変換素子４の光導波路には、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧを材料として用いることができる。第２波長変換素子７には、例えば、ｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３を材料として用いることができる。第１波長変換素子４の光導波路が、Ｎｄ：ＹＶＯ４により形成されている場合、光源素子１としては、波長８００ｎｍ帯の近赤外レーザ光を発するものを用いることができる。

より具体的には、波長８０８ｎｍの基本波レーザ光を発するレーザ光源を光源素子１として用いた場合、第１波長変換素子４から出射されるレーザ光の波長は１０６４ｎｍとなる。第１波長変換素子４から出射された波長１０６４ｎｍのレーザ光を第２波長変換素子７に入射することにより、第２波長変換素子７からは波長５３２ｎｍのレーザ光が出射される。すなわち、Ｇのレーザ光を出射する光源装置を得ることができる。

Ｇ以外の原色の光源装置では、光源装置に含まれる各種素子の数が少ない。このため、Ｇレーザのように複数の光源素子をキャップ１１内に含む構造の場合、コリメートレンズ１２をキャップ１１の外部に配置することは有効である。

光源装置１０１によれば、光源部２０は、光源素子１と、波長変換素子４，７とを備えているので、Ｇレーザのような高背構造の場合においても光源装置１００の小型化を実現できる。

次に、コリメートレンズ１２の形状について詳しく説明する。図４は、コリメートレンズ１２を出射面側から見た斜視図を示したものである。コリメートレンズ１２は、出射面となるレーザ光路１２１と、レーザ光路１２１を挟んで同じ方向に突出する第１凸部１２２および第２凸部１２３を有している。第１凸部１２２および第２凸部１２３はそれぞれ、同一の平面上に存在する面をそれぞれ有しており、当該面において第１凸部１２２はレンズホルダ１５と接着し、第２凸部１２３はレンズホルダ１５と接触する。

図４において、斜線でハッチングした領域は接着剤の塗布位置１２４を示している。コリメートレンズ１２をレンズホルダ１５へ接着する際、第１凸部１２２に含まれる面にのみ接着剤が塗布される。接着剤を塗布位置１２４に塗布することにより、接着剤がレーザ光路１２１を避けて塗布されるので、接着剤にレーザ光が漏れこむことによる焼けおよびアウトガスの発生を低減することができる。

また、第２凸部１２３はレンズホルダ１５に接するのみで接着はしないので、光源部２０の発熱によりコリメートレンズ１２自身が膨張しても、コリメートレンズ１２および接着剤のレンズホルダ１５からの剥落又は破損等を抑制できるとともに、コリメートレンズ１２の位置ずれを低減することができる。

第２凸部１２３は、第１凸部１２２と対応した大きさ（レーザ光路１２１から突出している高さが同一）であり、コリメートレンズ１２がレンズホルダ１５に接着された際のスペーサとして働くので、コリメートレンズ１２とレンズホルダ１５との距離の均衡度を維持することができる。以上のことから、第１凸部１２２は接着面を確保し第２凸部１２３はスペーサとしての役割を確保するため、例えば、同一平面上にある第１凸部１２２および第２凸部１２３のそれぞれの平面について、第１凸部１２２に含まれる平面の面積を第２凸部１２３に含まれる平面の面積よりも大きくすることが設計上望ましい。

図５は、コリメートレンズ１２を入射面１２５側から見た斜視図を示したものである。コリメートレンズ１２において、入射面１２５はレンズ面の凸形状である。光源部２０から出射した光が、入射面１２５に入射しレーザ光路１２１から出射されることにより、光源部２０から出射した光はコリメート（平行化）される。光源部２０に含まれる第２波長変換素子７から出射されるレーザ光の広がり角度は５０〜１００ｍｒａｄであり、この角度では、例えば、プロジェクタデバイスに用いる表示素子にレーザ光を入射させることが技術的に困難であるが、コリメートレンズ１２を用いることによって２０〜３０ｍｒａｄの広がり角度にすることが可能となる。コリメートレンズ１２に入射する光の広がり角とコリメートレンズ１２から出射する光の広がり角との比を角倍率とすると、コリメートレンズ１２の角倍率は０．３〜０．４倍であることが望ましい。

コリメートレンズ１２の周囲部である出射面１２５の両端部には位置決め部１２６が設けられている。位置決め部１２６は、コリメートレンズ１２をレンズホルダ１５に設置した後、レンズホルダ１５をキャップ１１に接着する際の位置決めのマーキングとして用いられる。すなわち、コリメートレンズ１２の光源部２０に対する位置決め部である。具体的には、Ｚ軸正方向から見たときに第２波長変換素子７が２つの位置決め部１２６の間に位置するようにレンズホルダ１５の位置を調整する。

図６は、レンズホルダ１５のコリメートレンズ１２との接着面を示す斜視図であり、図７は、レンズホルダ１５にコリメートレンズ１２を接着した状態を示す斜視図である。図６，７に示すように、レンズホルダ１５にはコリメートレンズ１２に対する位置決め用の穴１５２（位置決め部）が設けられている。穴１５２は、コリメートレンズ１２をレンズホルダ１５に接着する際の位置決めのマーキングとして用いられる。

また、レンズホルダ１５のコリメートレンズ１２の第１凸部１２２に対する接着面には、接着剤の厚みを考慮した切り欠き部１５１が設けられているので、コリメートレンズ１２のレンズホルダ１５に対する接着性が向上する。

また、レンズホルダ１５の外周部には、キャップ１１と接着固定するための接着剤を塗布する切り欠き部１５３が３か所設けられている。切り欠き部１５３に塗布する接着剤には、一般に使用されているアクリル系接着剤に比べて耐熱性が良く、紫外線硬化時の体積収縮率が小さい紫外線硬化型のエポキシ系接着剤（紫外線硬化接着剤）を使用することが望ましい。

＜Ｂ．実施の形態２＞
図８は、本発明の実施の形態２に係る光源装置１０２の断面図を概略的に示したものである。図８は、図２に示した光源装置１０１の断面図に対応するものであり、簡略化のため図２におけるキャップ１１の一部およびピン１４を省略して示している。光源装置１０２は光源装置１０１の光源部２０に代えて光源部３０を有し、コリメートレンズ１２に代えてコリメートレンズ３２を有する。光源部３０は、光源装置１０１の光源部２０における光源素子１、第１波長変換素子４、第２波長変換素子７をそれぞれ、光源素子３１、第１波長変換素子３４、第２波長変換素子３７に置き換えたものである。それ以外の構成は、実施の形態１と同一であるため説明を省略する。

図８に示すように、実施の形態２に係る光源装置１０１の光源部３０は、複数のレーザ光ＬＢ２を出射するマルチエミッタである。第２の波長変換素子３７は複数の光を出射する。すなわち、実施の形態２に係る光源部３２は、第２の波長変換素子３７の複数の光が出射される位置に対応した複数の光出射部３８を含む。複数の光出射部３８はそれぞれ図８についてのＸ軸方向に配列している。図８では光出射部３８が４つ配列した例を示しているが、光出射部３８の配列数は限定されず、光源部３０の特性に基づいて適宜調整すればよい。また、光源部３０が波長変換素子３４，３７を含まない構成の場合、光源部３０は、光源素子１が複数の光を出射する位置と対応した位置に光出射部３８を有する。

図９は、実施の形態２に係るコリメートレンズ３２の斜視図を示したものである。図９に示す斜視図は、実施の形態１における図５に対応したものである。図９に示すように、実施の形態２に係るコリメートレンズ３２は、入射面が複数のマイクロレンズ３２５を含むマイクロレンズアレイ３２６となっている。マイクロレンズ３２５は、実施の形態１で説明した角倍率をそれぞれ有していることが望ましい。それ以外の構成は、実施の形態１の構成と同一であるため説明を省略する。

複数のマイクロレンズ３２５は、図８に示した光源部３０の複数の光出射部３８にそれぞれ対応した数だけ出射面の長手方向に配置されている。マイクロレンズ３２５の数は、光源部３０が有する光出射部３８の数に応じて調節することができる。

本発明の実施の形態２に係る光源装置１０２によれば、光源部３０は、複数の光出射部３８を有し、コリメートレンズ３２は、複数の光出射部３８にそれぞれ対応した複数のマイクロレンズ３２５が配置されたマイクロレンズアレイ３２６を備えるので、光源部３０がマルチエミッタである場合にも効率よく光源部３０から出射した光をコリメートすることが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１，３１光源素子、２第１サブマウント、３第１ブロック、４，３４第１波長変換素子、５第２サブマウント、６第２ブロック、７，３７第２波長変換素子、８第３サブマウント、９第３ブロック、１０透過部、１１キャップ、１２コリメートレンズ、１３ステム、１４ピン、１５レンズホルダ、１６開口部、２０，３０レーザ光源部、２１レーザ光源ユニット、２２レンズユニット、３１光源素子、３２コリメートレンズ、３４第１波長変換素子、３７第２波長変換素子、３８光出射部、１００，１０１，１０２光源装置、１２１レーザ光路（出射面）、１２２第１凸部、１２３第２凸部、１２５入射面、１２６位置決め部、１５１，１５３切り欠き部、１５２穴、ＬＢ１，ＬＢ２レーザ光。

Claims

レーザ光源部（２０，３０）と、
前記レーザ光源部（２０，３０）が設置されるステム（１３）と、
前記レーザ光源部（２０，３０）を覆って前記ステム（１３）に接合され、開口部（１６）を有するキャップ（１１）と、
前記開口部（１６）を跨いで前記キャップ（１１）の外表面に接合されたレンズホルダ（１５）と、
前記レンズホルダ（１５）に支持され、前記レーザ光源部（２０，３０）から出射され前記開口部（１６）を通過した光をコリメートするコリメートレンズ（１２）とを備えた、
光源装置（１０１，１０２）。
前記コリメートレンズ（１２）は、
前記レーザ光源部（２０，３０）からの光が入射する入射面（１２５）と、
前記入射面（１２５）に入射した光が出射される出射面（１２１）と、
前記出射面（１２１）から突出し前記レンズホルダ（１５）に接着される第１凸部（１２２）を備える、
請求項１に記載の光源装置（１０１，１０２）。
前記コリメートレンズ（１２）は、前記出射面（１２１）の前記第１凸部（１２２）に対する側と反対の側から前記第１凸部（１２２）と同じ方向に突出する第２凸部（１２３）をさらに備える、
請求項２に記載の光源装置（１０１，１０２）。
前記第２凸部（１２３）は前記レンズホルダ（１５）に接着されない、
請求項３に記載の光源装置（１０１，１０２）。
前記コリメートレンズ（１２）は、前記入射面（１２５）に前記レーザ光源部（２０，３０）に対する位置決め部（１２６）を備える、
請求項２から４のいずれか１項に記載の光源装置（１０１，１０２）。
前記レンズホルダ（１５）は、前記コリメートレンズ（１２）に対する位置決め部（１５２）を備える、
請求項２から５のいずれか１項に記載の光源装置（１０１，１０２）。
前記レンズホルダ（１５）は、前記コリメートレンズ（１２）の前記第１凸部（１２２）との接着面に切り欠き部（１５１）を有する、
請求項２から６のいずれか１項に記載の光源装置（１０１，１０２）。
前記レーザ光源部（２０，３０）は、光源素子（１）と、波長変換素子（４，７）とを備える、
請求項１から７のいずれか１項に記載の光源装置（１０１，１０２）。
前記レーザ光源部（３０）は、複数の光出射部（３８）を有し、
前記コリメートレンズ（３２）は、複数の前記光出射部（３８）にそれぞれ対応した位置に複数のマイクロレンズ（３２５）が配置されたマイクロレンズアレイ（３２６）を含む、
請求項１から８のいずれか１項に記載の光源装置（１０２）。
前記コリメートレンズ（１２）は、前記レーザ光源部（２０，３０）から出射した光の広がり角度を０．３倍〜０．４倍に変換する、
請求項１から９のいずれか１項に記載の光源装置（１０１，１０２）。
前記レンズホルダ（１５）は、紫外線硬化接着剤により前記キャップ（１１）に接着固定された、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の光源装置（１０１，１０２）。