WO2014115194A1 - 光源、光源ユニットおよびそれを用いた光源モジュール - Google Patents

光源、光源ユニットおよびそれを用いた光源モジュール Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a light source, a light source unit, and a light source module that have a large light output and are used for displays such as projectors, welding, and processing devices.
  • a light source that efficiently emits light having excellent directivity has been studied in various applications.
  • a semiconductor light emitting device in which a semiconductor light emitting element having an optical waveguide, represented by a semiconductor laser, is mounted on a package or the like can be given.
  • semiconductor light emitting devices using compound semiconductors such as InAlGaP and InAlGaAs are light sources for industrial processing equipment such as welding equipment, processing equipment, laser scribing equipment, thin film annealing equipment, and long wavelength light sources for displays. Development is progressing for applications.
  • semiconductor light emitting devices using nitride semiconductors such as InAlGaN are being developed as light sources for image display devices such as laser displays and projectors, and light sources for excitation light source units of white solid light sources.
  • a light source module in which a light source that is a semiconductor light emitting device is used as an excitation light source and combined with a phosphor can emit white light with high light output. For this reason, development is progressing for projection-type image display devices such as projectors.
  • the light output of these light sources and light source units is desired to emit light of very high energy exceeding, for example, a total of several tens of watts. For this reason, various devices are required for a structure for exhausting heat generated in the light source and a structure for efficiently radiating light emitted from the light source to the outside of the optical system.
  • Patent Document 1 proposes a light source unit structure in which a plurality of light sources are combined.
  • the light source unit 1000 includes a light source group 1010 in which a plurality of light sources 1001 are arranged in a plane so as to form rows and columns, and a light source 1001 arranged on the optical axis of the light source group 1010 and constituting each row of the light source group 1010.
  • the first reflection mirror group 1020 is configured to reflect as a light beam whose cross-sectional area is reduced in the column direction by narrowing the row interval of the emitted light beam.
  • the light source 1001 includes a plurality of semiconductor laser elements 1005 and a plurality of collimating lenses 1007 that convert light generated from the laser elements into parallel light.
  • the first reflecting mirror group 1020 is configured by arranging different strip-like reflecting mirrors 1025 in a stepped manner on the optical axis of the light bundle emitted from each row of the light source group 1010 as parallel light.
  • Reference numeral 1025 is arranged so as to reduce the interval between the reflected lights from the respective reflecting mirrors 1025, whereby the cross-sectional area of the light bundle can be reduced. Further, since the plurality of light beams generated from the plurality of laser elements are parallel to each other, they can be collected and used by a small optical system.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a light source, a light source unit, and a projection type image display apparatus that are small in size, high in output, high in coupling efficiency with an optical system, and capable of efficiently dispersing and exhausting heat generation sources. There is to do.
  • a light source unit of the present invention includes a light source that includes a plurality of light emitting points, emits emitted light in the same direction and with a predetermined divergence angle from each of the plurality of light emitting points, and a collimator that transmits the emitted light.
  • a lens and an optical element having different angles of inclination with respect to the main surface and having an incident surface for each of a plurality of outgoing lights.
  • the incident surface is further inclined toward the light source side with respect to the main surface.
  • the optical axes of the plurality of emitted lights have a predetermined angle difference after passing through the lens, and the inclination angle is half of the predetermined angle difference.
  • the main surface has an angle of 45 degrees with respect to the optical axis, and the plurality of incident surfaces reflect the emitted light.
  • the optical element further includes a plurality of mirrors having an incident surface.
  • the optical element further transmits outgoing light, and the incident surface is inclined so as to be convex toward the optical element with respect to the main surface.
  • the main surface is perpendicular to the optical axis and the plurality of surfaces transmit the emitted light.
  • the light source further emits three outgoing lights arranged in a line with the first outgoing light, the second outgoing light, and the third outgoing light in order, and the optical element includes the first outgoing light
  • the second outgoing light and the third outgoing light has a first incident surface, a second incident surface, and a third incident surface, and the second incident surface coincides with the main surface, It is preferable that the incident surface and the third incident surface have a predetermined inclination angle with respect to the main surface.
  • the optical element is preferably a lens.
  • the light source unit of the present invention further includes a package on which an optical element is mounted, and further includes an incident surface on the package.
  • the light source is preferably a semiconductor laser array. According to this preferable configuration, the output of the light source can be increased, and the output of the entire light source unit can be increased.
  • the main surface is perpendicular to the optical axis and the plurality of emission surfaces transmit the emitted light. According to this preferable configuration, it is possible to obtain a group of light beams parallel to each other without largely changing the emission direction of the emitted light from the light source.
  • the main surface has an angle of 45 degrees with respect to the optical axis, and the plurality of optical surfaces reflect the emitted light.
  • the light emitted from the laser array serving as the light source can be bent 45 degrees in the direction of emission, and light flux groups parallel to each other can be obtained. Furthermore, the density of the light beam group can be increased.
  • the light source of the present invention is a light source that includes a plurality of light emitting points and emits emitted light in the same direction and with a predetermined divergence angle from each of the plurality of light emitting points, and the interval between the plurality of light emitting points is 20 ⁇ m or more and 120 ⁇ m or less. It is preferable. With this preferred configuration, even when collimated light is formed by a collimating lens or the like, the optical loss in the collimating lens is small and the deviation angle between the propagation directions can be sufficiently small.
  • the light source is preferably a nitride semiconductor laser array element.
  • the output of the light source can be increased, and the output of the entire light source unit can be increased.
  • the emitted light is parallel and radiates light in a small area with a simple configuration. be able to.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a light source unit according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the light source unit according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the effect of the light source unit of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the effect of the light source unit of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the configuration of the light source according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of the light source unit of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of the light source unit of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the effects of the light source and the light source unit of the first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a light source unit according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the light source unit according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the effect
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a comparative example for explaining the effect of the light source unit according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a modification of the light source unit according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of the light source unit according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the configuration of the light source unit according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a first modification of the light source unit according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a second modification of the light source unit according to the third embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a light source module according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a light source unit according to the fifth embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a light source unit according to the fifth embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining a conventional light source unit.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a light source unit according to a first embodiment of the present invention.
  • the light source unit 100 includes a plurality of light sources 111, 112 and 113, a plurality of collimating lenses 131, 132 and 133, and a plurality of concave reflecting mirrors 151, 152 and 153.
  • the light source 111 is a semiconductor light emitting element in which two waveguides 111A and 111B are formed on the same substrate, and emits emitted light with high directivity from the two emitters 111a and 111b, for example, a laser array element.
  • the light source is not limited to a laser element, but may be a semiconductor light emitting element that generates light having directivity that can be collimated by a collimating lens.
  • a super luminescent diode SLD may be used.
  • the outgoing lights 121a and 121b emitted from the emitters 111a and 111b of the light source 111 each have a certain divergence angle. These emitted lights 121a and 121b are taken into the collimating lens 131 and converted into collimated lights (parallel lights) 141a and 141b, respectively. At this time, the propagation directions of the two collimated lights are not parallel. As will be described later, the principal rays of the two collimated lights have an angle difference of a beam shift angle 2 ⁇ .
  • the two collimated lights 141a and 141b are bent at a right angle by the concave reflecting mirror 151 and emitted as a light beam group 160 from the light source unit.
  • the concave reflecting mirror 151 is installed at an angle of approximately 45 ° with respect to the light emission direction from the light source 111.
  • the shape of the concave reflecting mirror 151 is a concave surface corresponding to the beam shift angle 2 ⁇ of the two collimated lights 141a and 141b.
  • the reflection points 151a and 151b at which the light beams 141A and 141B of the collimated light beams 141a and 141b are reflected are slightly inclined toward the reflection surface by an angle ⁇ .
  • the principal rays of the collimated light beams 161a and 161b formed by the collimated light beams 141a and 141b being reflected by the concave reflecting mirror 151 can be made parallel to each other.
  • subjected to the concave surface reflecting mirrors 151, 152, and 153 in FIG. 1 represents a plane.
  • the concave reflecting mirrors 152 and 153 are similarly arranged for the light source 112 and the light source 113, and the collimated lights 142a, 142b, 143a, and 143b are formed at the reflection points 152a, 152b, 153a, and 153b of the concave reflecting mirrors 152 and 153.
  • the propagation directions of the collimated lights 162a, 162b, 163a and 163b formed by reflecting the light can also be made parallel to each other. As a result, six collimated lights parallel to each other are output from the light source unit as the light beam group 160.
  • the light source that is three semiconductor light emitting elements is used, but the same configuration can be used even if four or more light sources are used.
  • FIG. 2 schematically illustrates the design of the collimating lens.
  • FIG. 2 shows a relative positional relationship between the emitter (light emitting point) and a lens that is a collimating lens.
  • ⁇ tan ⁇ 1 (D / (2 ⁇ f)) (Equation 2) As determined.
  • FIG. 3 shows the angular distribution of the emitted light intensity of the laser element used by the inventors as a semiconductor light emitting element.
  • the horizontal axis indicates the light emission angle (Diverence angle, unit is degree (°)), and the vertical axis indicates the light intensity (Intensity, arbitrary unit (au)).
  • the solid line indicates the vertical radiation intensity (direction perpendicular to the main surface of the active layer of the semiconductor light emitting element), and the broken line indicates the horizontal radiation intensity (direction parallel to the main surface of the active layer of the semiconductor light emitting element).
  • the capture angle ⁇ is about 20 °.
  • FIG. 4 shows the relationship between the collimating lens capture angle ⁇ and the optical loss.
  • the horizontal axis represents the capture angle (°)
  • the vertical axis represents the loss of light (optical loss) from the semiconductor light emitting element due to the collimating lens.
  • FIG. 4 shows that the optical loss can be reduced by increasing the capture angle ⁇ , that is, by reducing the focal length f. Further, it is desirable that the emitted light emitted from the light source passes through the collimator lens as much as possible. For example, it is desirable that the capture angle ⁇ is 24 ° or more and the optical loss is about 1% or less.
  • the light source used for the light source unit and the light source module requires a high light output of a watt class with a light output of 1 watt or more.
  • the light output of the semiconductor light emitting device is limited by the temperature of the light emitting device itself.
  • the input current is increased to increase the light output, heat generation inside the light emitting element increases, and the temperature of the element rises.
  • the number of electron-hole pairs overflowing from the active layer that generates light increases (carrier overflow), and heat generation is further promoted.
  • a phenomenon in which the optical output does not increase even when the current is increased, that is, thermal saturation of the optical output occurs. Therefore, in order to obtain a high optical output, it is necessary to suppress carrier overflow.
  • a laser array structure in which a plurality of waveguides are formed inside one chip and each waveguide functions as an emitter for generating laser light is effective as a technique for achieving both high output operation and suppression of heat generation.
  • the light output can be extracted as the sum of the light outputs of the emitters.
  • the light output Po of each emitter may be Pt / N with respect to the light output Pt obtained from one chip, a high light output can be realized while suppressing thermal saturation.
  • N is the number of emitters formed in the chip.
  • the emitters serving as heat generation sources are spatially separated, the entire chip can be effectively used as a heat dissipation path, and the temperature rise of each emitter can be suppressed.
  • the light source 111 is a nitride semiconductor laser element, and the number of emitters (the number of waveguides) is two.
  • a nitride semiconductor multilayer film such as a light emitting layer 111F is laminated on a substrate 111G which is an n-type GaN substrate, and ridge-type waveguides 111A and 111B are formed.
  • the laser light converted and generated by the two waveguides 111A and 111B of the light source 111 is emitted as outgoing light from the two emitters 111a and 111b.
  • the emitter interval d is large.
  • the emitter and waveguide formed in the semiconductor light emitting element are not only a light emitting part but also a heat generating source. Therefore, when the emitter interval d is larger, the heat generation in the semiconductor light emitting element can be dispersed, the temperature rise of the emitter portion can be easily suppressed, and a high light output can be obtained.
  • the graph of FIG. 6 shows that when a semiconductor light emitting element having a chip length of 800 ⁇ m and a chip thickness of 90 ⁇ m is mounted on a predetermined package, the chip width Wc is 160 ⁇ m, 200 ⁇ m, and 260 ⁇ m,
  • the junction temperature Tj which is the light emitting layer temperature, is plotted against the emitter interval d based on experiments and calculations.
  • the horizontal axis represents the emitter interval and the vertical axis represents the junction temperature.
  • An emitter interval of 0 ⁇ m represents a single emitter.
  • the light source has a configuration in which the semiconductor light emitting device shown in FIG. 5 is mounted on the package shown in FIG.
  • the light output (Po) is 3 W and the package temperature (Tc) is 50 ° C.
  • the junction temperature Tj it is possible to effectively reduce the junction temperature Tj by increasing the emitter spacing d in the configuration of a plurality of (two) emitters, rather than increasing the chip width Wc in the configuration of a single emitter. Recognize. That is, the light output of the light source (semiconductor light emitting element) can be effectively increased.
  • the two principal rays are shifted by an angle 2 ⁇ , which is preserved without depending on the position of the optical axis.
  • a collimating lens having a large capture angle ⁇ small focal length f
  • the deviation angle 2 ⁇ between the two lights that have passed through the collimating lens becomes larger, and if this angle 2 ⁇ is larger, as will be described later, In the light source module, the light use loss in the subsequent optical system increases.
  • FIG. 8 shows the correlation between the collimating lens capture angle ⁇ , the beam deviation angle 2 ⁇ after exiting the collimating lens, and the emitter spacing d.
  • the horizontal axis represents the emitter interval d
  • the vertical axis represents the beam deviation angle 2 ⁇ after exiting the collimating lens. From FIG. 8, the beam deviation angle 2 ⁇ increases as the emitter interval d increases. Furthermore, it can be seen that 2 ⁇ further increases when the capture angle ⁇ is increased.
  • the light source unit 1100 includes light sources 1111, 1112 and 1113 which are laser array elements in which two emitters are integrated in one semiconductor light emitting element, collimator lenses 1131, 1132 and 1133, and a reflective mirror 1151 having a flat reflective surface. 1152 and 1153. Now, focusing on the light source 1111, emitted light 1121 a and 1121 b are emitted from the two emitters 1111 a and 1111 b of the light source, respectively. At this time, since the emitter 1111a and the emitter 1111b are spatially separated by a predetermined distance, the chief rays (lines connecting the emitter and the lens center) of the emitted lights 1121a and 1121b are not parallel to each other.
  • the collimated lights 1141a and 1141b after passing through the collimating lens are not parallel to each other, but enter the reflection mirror 1151 with a predetermined angle (beam deviation angle).
  • This beam deviation angle is preserved even after passing through the reflection mirror 1151.
  • the luminous flux width 1160 of the light source is larger than the desired luminous flux width 1160a. That is, in a small optical system, a loss occurs in the light beam widths 1160b and 1160c.
  • the light beam emitted from the light source unit 1100 has a light emission angle distribution corresponding to the beam shift angle, the light use efficiency in the subsequent optical system is lowered, and it is difficult to reduce the size of the apparatus. It becomes difficult to collect the light flux emitted from the light source unit.
  • the light utilization efficiency of the collimating lens is high.
  • the capture angle is set to 24 ° or more.
  • the emitter interval is set to 120 ⁇ m or less.
  • the distance between the light sources 1111, 1112, 1113 is 12 mm
  • the collimating lenses 1131, 1132, 1133 have a pupil diameter D of 6 mm, a focal length f of 6.7 mm, and a capture angle ⁇ of 24.
  • the beam shift angle 2 ⁇ is 1 °.
  • the light beam width 1160c is 0.3 mm or less even if the distance L2 between the light source unit 1100 and the optical system (Optical system) in the subsequent stage is 30 mm away.
  • the light beam width 1160a needs to be at least 18 mm (three times the pupil diameter), the light beam width 1160c can be made sufficiently small to reduce the loss of optical coupling efficiency.
  • the said structure is shown in the range shown with the light source of this embodiment of FIG.
  • the junction temperature can be effectively reduced and the light output of the light source can be increased by setting the emitter interval in the range of 20 ⁇ m or more, preferably 40 ⁇ m or more. .
  • the light source unit of the present embodiment it is possible to effectively increase the output of the semiconductor light emitting device by increasing the emitter interval d, reduce the optical loss of the collimator lens, and collimate the collimated beam group (reducing the beam deviation angle). Can be realized.
  • the emitter interval d is sufficient to increase the light output, specifically, for example, 100 ⁇ m or more.
  • the emitter spacing d of the light source is set to 200 ⁇ m.
  • the taking-in angle of the collimating lens is set to a level at which the optical loss can be sufficiently lowered, that is, the level at which the optical loss at the collimating lens is 1% or less, and the lens taking-in angle ⁇ is set to 24 degrees.
  • the angle is 40 degrees and the light use efficiency is 99.9% or more.
  • a specific collimating lens design has a pupil diameter of 6 mm and a focal length of about 3.6 mm.
  • the beam deviation angle 2 ⁇ after passing through the collimating lens is about 3.2 degrees.
  • the angle of the reflecting surface is increased to the reflecting surface side by an angle ⁇ (1.6 degrees).
  • the two collimated lights 161a and 161b after passing through the concave reflecting mirror 151 are collimated.
  • the light beams 141A and 141B of the collimated light beams 141a and 141b have an elliptical beam shape in which the light distribution in the far field (Far Field Patten) is larger in the vertical direction than in the horizontal direction, as shown in FIG. Therefore, the distance between the principal point of the collimating lens 131 and the center of the concave reflecting mirror 151 is set to 30 mm or more, for example.
  • the beam width in the horizontal direction is about 1.5 mm, but the distance between the centers of the two beams can be made larger than 1.5 mm, so that each collimator at the beam reflection points 151a and 151b.
  • the light can be reflected independently, the angular deviation of the collimated light beams 161a and 161b can be reduced, and the light beams can be made parallel to each other.
  • the light source unit 100 can emit the light beam group 160 having a small emission angle distribution and a small light beam size.
  • the configuration of the present embodiment can realize a light source and a light source unit that are small and have high output, have high coupling efficiency with an optical system, can efficiently disperse heat sources, and can exhaust heat.
  • a semiconductor light emitting element that is a laser array element having two emitters is used as the light source.
  • a semiconductor light emitting element having three emitters the configuration shown in FIG. That's fine.
  • FIG. 10 only one light source 211, a collimating lens 231, and a concave reflection mirror 251 are illustrated for simplification.
  • the emitted light 221a, 221b and 221c of the three emitters 211a, 211b and 211c formed at the ends of the three waveguides 211A, 211B and 211C of the light source 211 are collimated light (parallel light) by the same collimator lens. Converted.
  • the collimated lights 241a, 241b and 241c are respectively projected on the concave reflecting mirror 251 to obtain the reflected lights 261a, 261b and 261c constituting the light beam group 260.
  • the semiconductor with two emitters shown in the first embodiment The same effect can be obtained as when a light emitting element is used.
  • a plurality of collimated lights having emission directions parallel to each other can be obtained by changing the reflection angle of the point where each collimated light is reflected by the reflecting mirror.
  • the light source unit 200 can be realized by the configuration of this modified example, which is small and has high output, has high coupling efficiency with the optical system, and can efficiently dissipate heat sources and exhaust heat.
  • the concave reflecting mirrors 151, 152, 153, 251 may be constituted by a plurality of reflecting planes or a plurality of reflecting concave curved surfaces.
  • the lens effect is also generated by the concave reflecting mirror. Therefore, the distance between the light source, the collimating lens, and the concave curved surface may be finely adjusted, and the radiated light emitted from the light source unit may be straight light.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a light source unit 400 according to the second embodiment of the present invention.
  • the light source unit 400 includes a plurality of light sources 411, 412 and 413, a plurality of collimating lenses 431, 432 and 433, and a plurality of reflecting mirrors 451a, 451b, 452a, 452b, 453a and 453b.
  • the light source 411 is a laser array element composed of two emitters 411a and 411b.
  • the outgoing lights 421a and 421b emitted from the emitters 411a and 411b each have a certain divergence angle. These emitted lights 421a and 421b are taken into the collimating lens 431 and converted into collimated lights (parallel lights) 441a and 441b, respectively. At this time, the emission directions of the two collimated lights are not parallel but have a beam shift angle 2 ⁇ .
  • the configuration up to this point is exactly the same as in the first embodiment.
  • the difference in this embodiment is the configuration of the reflection mirror. That is, in the first embodiment, one concave mirror is arranged for one semiconductor light emitting element and one collimating lens, whereas in this embodiment, two plane mirrors are arranged.
  • an optical system can be configured by using a plurality of the same plane mirrors and arranging them at a predetermined angle.
  • the concave mirror needs to be designed and manufactured according to the beam shift angle 2 ⁇ determined by the collimating lens capture angle and the emitter spacing of the laser array chip. is there.
  • the collimated light 461a, 461b is simply adjusted by adjusting the positions and angles of the reflecting mirrors 451a, 451b, 452a, 452b, 453a, and 453b.
  • 462a, 462b, 463a, and 463b can be emitted as a bundle of light beams 460 parallel to each other.
  • the configuration of the present embodiment can realize a light source unit that is compact and has high output, has high coupling efficiency with an optical system, and that can efficiently dissipate heat sources and exhaust heat.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of the light source unit of the present embodiment according to the present invention.
  • the light source unit 500 includes a plurality of light sources 511, 512 and 513, a plurality of collimating lenses 531, 532 and 533, and an optical element 550.
  • the optical element 550 includes a plurality of optical surfaces 551a, 551b, 552a, 552b, 553a, and 553b that are inclined by ⁇ 2 from the main surface. Now, attention is focused on the light source 511.
  • the light source 511 includes two emitters 511a and 511b. Laser beams 521a and 521b emitted from the respective emitters enter the collimator lens 531 and are converted into collimated beams 541a and 541b. At this time, the emission directions of the two collimated lights are not parallel, and have the beam shift angle 2 ⁇ as described above.
  • n 1 and n 2 are the refractive indices of the transparent material used for air and the optical element 550, respectively.
  • ⁇ 2 ⁇ 1 ⁇ (Equation 4) It becomes.
  • the inclination angle theta 3 with respect to the main surface of the optical element 550 of the optical surface 551b What is necessary is just to make it equal to (theta) 2 .
  • the beam deviation angle 2 ⁇ is 1.8 degrees.
  • the optical element 550 is formed of an optical glass material having a refractive index of 1.5, when ⁇ 3 is set to about 3.6 degrees, collimated light travels in a direction perpendicular to the main surface of the optical element 550.
  • the two collimated lights 561a and 561b emitted as the light beam group 560 from the optical element 550 become parallel light beams.
  • the optical surfaces are similarly designed and arranged for other light sources and collimating lenses, the light beam groups emitted from all the light sources constituting the light source unit 500 become parallel to each other.
  • FIG. 12 illustrates the light source unit 500 including the three light sources 511, 512, and 513, the three collimating lenses 531, 532, and 533, and the optical element 550, but there are four or more sets of light sources and collimating lenses. Even in this case, the optical surface of the optical element 550 may be added.
  • the configuration of the present embodiment can realize a light source unit that is compact and has high output, has high coupling efficiency with an optical system, and that can efficiently dissipate heat sources and exhaust heat.
  • FIG. 13 illustrates a configuration of a light source unit in the case where one light source 611 includes three emitters 611a, 611b, and 611c.
  • one light source 611 includes three emitters 611a, 611b, and 611c.
  • the light source unit may be composed of a plurality of light sources, collimating lenses, and optical elements.
  • the emitted lights 621a, 621b and 621c from the emitters 611a, 611b and 611c are converted into collimated lights 641a, 641b and 641c by the collimating lens 631, respectively.
  • the optical element 650 includes three optical surfaces 651a, 651b, and 651c. These optical surfaces 651a, 651b and 651c are designed to collimate the collimated lights 641a, 641b and 641c, respectively. Collimated lights 641a and 641c propagating at an inclination with respect to the main surface of optical element 650 are incident on optical surfaces 651a and 651c, respectively. At this time, the optical surfaces 651 a and 651 c are inclined by ⁇ 3 with respect to the main surface of the optical element 650. As described above, the design value of ⁇ 3 at this time is determined by the refractive index of the optical element 650 and the beam shift angle 2 ⁇ of the collimated lights 641a and 641c.
  • the collimated light 641b propagates perpendicularly to the main surface of the optical element 650. Therefore, the optical surface 651b on which the collimated light 641b is incident may be parallel to the main surface of the optical element 650. As a result, the three collimated lights 641a, 641b and 641c become parallel light beams, and a light beam group 660 is formed.
  • a collimated light beam group which is also a light beam that is parallel to each other, can be realized by designing an optical surface on which each collimated light is incident.
  • the configuration of the present embodiment can realize a light source unit that is compact and has high output, has high coupling efficiency with an optical system, and that can efficiently dissipate heat sources and exhaust heat.
  • a light source 711 which is a semiconductor light emitting element has two emitters 711a and 711b.
  • the light sources 712 and 713 similarly have emitters 712a, 712b, 713a and 713b.
  • the emitted lights 721a, 721b, 722a, 722b, 723a and 723b from the respective emitters are all converted into collimated lights 741a, 741b, 742a, 742b, 743a and 743b by collimating lenses 731, 732 and 733, respectively.
  • the basic configuration of the optical system so far is exactly the same as the configuration shown in FIG.
  • the difference from the configuration of FIG. 12 is that the optical surface of the optical element 750 is formed of a curved surface.
  • the incident point is defined as an optical point 751b. If the angle formed between the tangent line 751n to the curved surface at the optical point 751b and the principal surface of the optical element 750 is designed by the above-described method, the propagation direction of the collimated light 741b can be perpendicular to the principal surface of the optical element 750. it can. On the other hand, the same design is applied to the optical point 751a and the tangent line 751m, whereby the collimated light beams 741a and 741b can be converted into parallel light.
  • a light beam group 760 composed of light beams parallel to each other is formed. can do.
  • the configuration of the present embodiment can realize a light source unit that is compact and has high output, has high coupling efficiency with an optical system, and that can efficiently dissipate heat sources and exhaust heat.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of a light source module 800 of the fourth embodiment.
  • the light source module 800 includes a light source unit 801, a dichroic mirror 865, a condenser lens 870, a rotating plate 875 with a phosphor layer 876, and a DC motor 880.
  • the light source unit 801 basically has the same configuration as the light source unit shown in the first embodiment, and shows a more specific embodiment. That is, it is composed of a plurality of light sources 811, 812 and 813 having two emitters, a plurality of collimating lenses 831, 832 and 833, and concave reflecting mirrors 851, 852 and 853.
  • the light sources 811, 812, and 813 are semiconductor laser elements that generate laser light having a wavelength of about 405 nm, and are mounted on the package 810. Specifically, the light sources 811, 812, and 813 are mounted on a post formed on a metal base 810 a made of iron or copper via a submount 810 c. On the metal base 810a, lead wires 810d and 810e for electrically connecting the light sources 811, 812 and 813 and the outside are formed. A cap 810b is fixed to the metal base 810a and hermetically sealed so as to cover the light sources 811, 812, and 813.
  • the cap 810b is formed with a light transmission window having a thickness of 0.2 to 0.3 mm, for example, so that the emitted light emitted from the light sources 811 812 813 is incident on the collimator lenses 831 832 833 without optical loss. Furthermore, the heat generated by the light sources 811, 812, 813 is transmitted to the heat sink 805 made of a metal or alloy such as iron, aluminum, or copper via the submount 810 c and the package 810, and effectively the light source unit. Heat is dissipated from 801 to the outside.
  • the light sources 811, 812, 813 have a plurality of emitters as described above.
  • the light beam group 860 emitted from the light source unit 801 is emitted as a plurality of light beams parallel to each other. For this reason, the light beam has a small size and is emitted as light having high coupling efficiency with the optical system at the subsequent stage.
  • the light beam group 860 is schematically indicated by a dotted arrow in FIG.
  • the luminous flux group 860 passes through the dichroic mirror 865 and the condenser lens 870 and is condensed on the phosphor layer 876 on the rotating plate 875.
  • the dichroic mirror 865 is a reflection mirror having wavelength selectivity, and has a characteristic of transmitting light having a wavelength shorter than 420 nm and reflecting light having a wavelength longer than 420 nm. Therefore, since the light beam group 860 has a wavelength of about 405 nm, it passes through the dichroic mirror 865.
  • the rotating plate 875 is formed with a phosphor layer 876 formed by mixing phosphors such as Ce-activated Y 3 (Ga, Al) 5 O 12 phosphor and Eu-activated ⁇ sialon phosphor in a binder such as glass.
  • the phosphor layer 876 has three primary colors of light, that is, blue (center wavelength: 420 to 500 nm), green (500 to 590 nm), and red (590 to 660 nm) in addition to the configuration of forming one kind of phosphor layer.
  • the phosphor layer composed of three types of phosphors that emit fluorescence) may be divided into regions.
  • the luminous flux group 860 collected by the condensing lens 870 is applied to the rotating plate 875 with a phosphor layer, and the phosphor is excited to generate fluorescence.
  • the rotating plate 875 with the phosphor layer is rotated by the DC motor 880, and the phosphor layer 876 is continuously irradiated with the light beam group 860, thereby suppressing deterioration of the phosphor layer 876.
  • a light beam group 890 (schematically indicated by solid line arrows in FIG. 15) composed of fluorescence generated in the phosphor layer 876 passes through the condenser lens 870 and reaches the dichroic mirror 865. Since the dichroic mirror 865 used here reflects light having a wavelength longer than 420 nm as described above, the light beam group 890 is reflected by the dichroic mirror 865 and emitted to the outside of the light source module 800.
  • the light of the light beam group 860 can be converted into the light beam group 890 composed of light of different spectra using a phosphor and efficiently emitted from the light source module 800.
  • the light beam group 860 since the light beam group 860 is composed of parallel light beams, the light beam group 860 can be efficiently incident on the condensing lens 870 and condensed on a very small region of the phosphor layer 876. For this reason, fluorescence with a small etendue can be emitted from the phosphor layer 876. Therefore, fluorescence with high light output can be easily converted into parallel light by the condenser lens 870. That is, it is possible to realize a light source module that can efficiently radiate a light beam group composed of fluorescent light having high rectilinearity using the condenser lens 870 and the dichroic mirror 865.
  • each color of blue, green, and red can be emitted in a time-sharing manner from the light source module. That is, if the control of the light output emitted from the light source unit 801 and the rotation of the rotating plate 875 with a phosphor are synchronized, an arbitrary color including white can be formed.
  • a projection type image display device can be easily formed by irradiating the reflected light beam group 890 to an image forming device such as a digital micromirror device (DMD).
  • DMD digital micromirror device
  • the light source unit 801 is the light source unit using the concave reflecting mirror shown in the first embodiment, but the light source unit using the planar reflecting mirror shown in the second embodiment.
  • a light source unit using the optical element shown in the third embodiment may be used. It suffices that the luminous flux group emitted from the light source unit 801 is a collimated luminous flux group made parallel to each other. In the present embodiment, three semiconductor light emitting elements are used, but a light source module with higher luminance can be formed by increasing the number thereof.
  • a semiconductor laser array having a plurality of emitters is used as the semiconductor light emitting element.
  • the light output obtained from one semiconductor light emitting element is high. Therefore, a higher light output can be obtained with fewer semiconductor light emitting elements.
  • a light source module having a small size and high luminance can be configured.
  • FIG. 16 is a schematic perspective view of the light source unit 900 of the present embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating the function of the light source unit 900 according to this embodiment.
  • the light source unit 900 has a first waveguide 911A and a second waveguide 911B formed on a substrate, and emits highly directional emitted light from the first emitter 911a and the second emitter 911b.
  • a light source 911 which is a semiconductor light emitting element is mounted on a package 905 and configured.
  • a first reflection mirror 951a and a second reflection mirror 951b are formed.
  • the emitted lights 921a and 921b emitted from the first emitter 911a and the second emitter 911b of the light source 911 are reflected by the first reflecting mirror 951a and the second reflecting mirror 951b, reflected in the vertical direction, and emitted light 941a.
  • 941b is emitted from the light source unit 900.
  • the first reflection mirror 951a and the second reflection mirror 951b are set to have a minute angle.
  • the apparent light emission points of the outgoing lights 941a and 941b reflected by the first reflection mirror 951a and the second reflection mirror 951b are set to be the same light emission point 990.
  • the collimating lens 931 set as the main axis of the emitted light 941a and 941b can be radiated as a light beam group 960 that is parallel emitted light.
  • the configuration of the present embodiment provides a light source, a light source unit, and a projection-type image display apparatus that are compact, have high output, have high coupling efficiency with an optical system, and can efficiently dissipate and exhaust heat. realizable.
  • the light emission center wavelength of the light source which is a semiconductor light emitting element in the said 1st to 5th embodiment was about 405 nm, it is not this limitation.
  • the emission center wavelength is set between 420 to 500 nm and used as a blue light source, or the center wavelength is set between 490 to 550 nm as a green light source.
  • the light source, light source unit, and light source module of the present invention are useful as a light source for devices that require a relatively high light output, such as image display devices such as laser displays and projectors, and industrial laser equipment such as laser processing and laser annealing. It is.
  • Light source unit 111 112, 113, 211, 411, 412, 413, 511, 512, 513, 611, 711, 712, 713, 811, 812, 813, 911 1111, 1 112, 1113
  • Emitter 121a, 121b Emission light 131,132,133,231,431,432,433,531,532,533,631,731,732,733,831,832,833,931 Remate lenses 141a, 141b, 142a, 142b, 143a, 143b Collimated light 151,

Landscapes

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Abstract

　小型・高出力で光学系との結合効率が高く、また発熱源を効率良く分散させ、排熱させることが可能な光源、光源ユニットおよび光源モジュールを提供する。本発明の光源ユニットは、光源が半導体レーザアレイであることを特徴とする。この構成により光源の高出力化が実現でき、光源ユニット全体の高出力化が実現できる。さらに光源ユニットは出射光を平行光に変換するレンズと、主面に対して異なる微少傾斜角を有する複数の光学面を有する光学素子とで構成され、複数の出射光のレンズの主点を通る光線と交差する複数の光学面の微少傾斜角が主面に対して反対になることを特徴とする。

Description

光源、光源ユニットおよびそれを用いた光源モジュール
　本発明は、プロジェクタなどのディスプレイや、溶接、加工装置などに用いられる光出力の大きな光源、光源ユニットおよび光源モジュールに関する技術である。
　光出力が１ワットを超える非常に高いエネルギーの光を放射する光源の開発が進んでいる。特に指向性の優れた光を効率よく放射させる光源は様々な用途で検討されている。このような指向性の優れた光を放射する光源として、半導体レーザに代表される、光導波路を有する半導体発光素子をパッケージなどに搭載した半導体発光装置が挙げられる。例えば、ＩｎＡｌＧａＰ系、ＩｎＡｌＧａＡｓ系などの化合物半導体を用いた半導体発光装置は、溶接装置、加工装置、レーザスクライビング装置、薄膜のアニール装置などの産業用加工装置の光源や、ディスプレイの長波長光源などの用途に開発が進んでいる。またＩｎＡｌＧａＮ系などの窒化物半導体を用いた半導体発光装置は、レーザディスプレイやプロジェクタなどの画像表示装置の光源や、白色固体光源の励起光源ユニット用の光源として開発が進んでいる。例えば、半導体発光装置である光源を励起光源とし、蛍光体と組み合わせた光源モジュールについては、高い光出力の白色光を出射させることができる。このため、プロジェクタなどの投写型画像表示装置用に開発が進んでいる。
　これらの光源や光源ユニットの光出力は、例えば合計数１０ワットを超える非常に高いエネルギーの光を放射することが望まれている。このため、光源において発生した熱を排熱する構造や、光源から放射される光を光学系外部に効率良く放射させる構造についてもさまざまな工夫が必要となる。
　上記のような課題に対し、例えば、特許文献１には複数の光源を組み合わせた光源ユニットの構造について提案がなされている。以下、図１８を用いて、従来の光源ユニットについて説明する。光源ユニット１０００は、複数の光源１００１が行及び列をなすように平面状に配列された光源群１０１０と、光源群１０１０の光軸上に配置され、光源群１０１０の各行を構成する光源１００１から射出された光線束の行間隔を狭めることにより列方向に断面面積が縮小された光線束として反射する第一反射ミラー群１０２０と、から構成される。光源１００１は複数の半導体レーザ素子１００５と、レーザ素子から発生した光を平行光に変換する複数のコリメートレンズ１００７から構成される。第一反射ミラー群１０２０は、光源群１０１０の各行から平行光として射出される光線束の光軸上にそれぞれ異なる短冊状の反射ミラー１０２５が階段状に配置されることによって構成され、各反射ミラー１０２５は、各反射ミラー１０２５からの反射光相互の間隔を小さくするように配置されており、これにより光線束の断面面積を縮小することができる。また、複数のレーザ素子から発生した複数の光束は互いに平行になっているので、小型の光学系で集光して利用することができる。
特開２０１１－０１３３１７号公報
　しかしながら、従来の光源ユニットにおいて、光出力を高くしようとした場合、光源の光出力増加に限界があるため、光源数が増加し、光源ユニットの大きさが大きくなり、後段の光学系との結合効率が悪化するなどの課題を有する。
　本発明が解決する課題は、小型・高出力で光学系との結合効率が高く、また発熱源を効率良く分散させ、排熱させることが可能な光源、光源ユニットおよび投写型画像表示装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明の光源ユニットは、複数の発光点を備え、複数の発光点のそれぞれより同一方向かつ所定の拡がり角をもって出射光を放射する光源と、出射光を透過するコリメートレンズと、主面に対して異なる傾斜角を有し、かつ複数の出射光それぞれに対する入射面を有する光学素子とで構成されたものである。
　この構成により、複数の発光点から発生した光をそれぞれ平行化し、さらに平行化された複数の光束を互いに平行にすることができる。
　本発明の光源ユニットは、さらに入射面が、主面に対し光源側に傾いていることが好ましい。
　本発明の光源ユニットは、さらに複数の出射光の光軸は、レンズを透過した後に所定の角度差を有し、傾斜角は所定の角度差の半分であることが好ましい。
　本発明の光源ユニットは、さらに主面が光軸に対して４５度の角度を有し、複数の入射面が出射光を反射することが好ましい。
　本発明の光源ユニットは、さらに光学素子は、入射面を備えたミラーを複数有することが好ましい。
　本発明の光源ユニットは、さらに光学素子は出射光を透過し、かつ入射面は主面に対し光学素子側に凸になるように傾いていることが好ましい。
　本発明の光源ユニットは、さらに主面が光軸に対して垂直で、複数の面が出射光を透過することが好ましい。
　本発明の光源ユニットは、さらに光源は、順に第１の出射光、第２の出射光、第３の出射光と一列に並んだ３つの出射光を放射し、光学素子は第１出射光、第２の出射光および第３の出射光のそれぞれに対し第１の入射面、第２の入射面および第３の入射面を有し、第２の入射面は主面に一致し、第１の入射面と第３の入射面とは、主面に対し所定の傾斜角を有することが好ましい。
　本発明の光源ユニットは、さらに光学素子は、レンズであることが好ましい。
　本発明の光源ユニットは、さらに光学素子を搭載するパッケージをさらに備え、入射面をパッケージに備えたことが好ましい。
　本発明の光源ユニットは、さらに光源が半導体レーザアレイであることが好ましい。この好ましい構成によれば、光源の高出力化が実現でき、光源ユニット全体の高出力化が実現できる。
　さらに本発明の光源ユニットは、主面が光軸に対して垂直で、複数の出射面が出射光を透過することが好ましい。この好ましい構成によれば、光源からの出射光をその出射方向を大きく変えることなく、互いに平行な光束群を得ることができる。
　さらに本発明の光源ユニットは、主面が光軸に対して４５度の角度を有し、複数の光学面が出射光を反射することが好ましい。この好ましい構成によれば、光源となるレーザアレイからの出射光をその出射方向を４５度折り曲げ、互いに平行な光束群を得ることができる。さらに光束群の密度を高めることができる。
　また、本発明の光源ユニットを含むことによって、輝度の高い投写型画像表示装置を実現できる。
　本発明の光源は、複数の発光点を備え、複数の発光点のそれぞれより同一方向かつ所定の拡がり角をもって出射光を放射する光源であって、複数の発光点間隔が２０μｍ以上１２０μｍ以下であることが好ましい。この好ましい構成により、コリメートレンズ等でコリメート光を形成しても、コリメートレンズにおける光学損失が小さくかつ互いの伝搬方向のズレ角度を十分小さくすることができる。
　さらに本発明の光源は、光源が窒化物半導体レーザアレイ素子であることが好ましい。
　この好ましい構成によれば、光源の高出力化が実現でき、光源ユニット全体の高出力化が実現できる。
　本発明の構成によれば、半導体レーザアレイなどの所定の間隔で複数の発光点を有する半導体発光素子を光源に用いても、簡単な構成で出射光が平行で、小さな領域で光を放射することができる。
図１は、第１の実施形態の光源ユニットの構成を説明する図である。 図２は、第１の実施形態の光源ユニットの構成を説明する図である。 図３は、第１の実施形態の光源ユニットの効果を説明する図である。 図４は、第１の実施形態の光源ユニットの効果を説明する図である。 図５は、第１の実施形態の光源の構成を説明する概略図である。 図６は、第１の実施形態の光源ユニットの効果を説明する図である。 図７は、第１の実施形態の光源ユニットの効果を説明する図である。 図８は、第１の実施形態の光源および光源ユニットの効果を説明する図である。 図９は、第１の実施形態の光源ユニットの効果を説明するための比較例を説明する図である。 図１０は、第１の実施形態の光源ユニットの変形例を説明する図である。 図１１は、第２の実施形態の光源ユニットの構成を説明する図である。 図１２は、第３の実施形態の光源ユニットの構成を説明する図である。 図１３は、第３の実施形態の光源ユニットの変形例１を説明する図である。 図１４は、第３の実施形態の光源ユニットの変形例２を説明する図である。 図１５は、第４の実施形態の光源モジュールを説明する概略図である。 図１６は、第５の実施形態の光源ユニットを説明する図である。 図１７は、第５の実施形態の光源ユニットを説明する図である。 図１８は、従来の光源ユニットを説明する図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
　（第１の実施形態）
　図１は本発明の第１の実施形態となる光源ユニットの構成図である。光源ユニット１００は、複数の光源１１１、１１２および１１３、複数のコリメートレンズ１３１、１３２および１３３、複数の凹面反射ミラー１５１、１５２および１５３からなる。光源１１１は、同一基板上に二つの導波路１１１Ａおよび１１１Ｂが形成され、二つのエミッタ１１１ａおよび１１１ｂから指向性の高い出射光を放射する半導体発光素子であり、例えばレーザアレイ素子である。ここで、光源はレーザ素子に限らず、コリメートレンズによって平行化が可能な程度の指向性を持つ光を発生する半導体発光素子であればよい。たとえば、スーパールミネッセントダイオード（Ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ　Ｄｉｏｄｅ：ＳＬＤ）を用いてもよい。
　光源１１１のエミッタ１１１ａおよび１１１ｂから放出された出射光１２１ａおよび１２１ｂは、それぞれある拡がり角をもっている。これらの出射光１２１ａおよび１２１ｂはコリメートレンズ１３１に取り込まれ、それぞれコリメート光（平行光）１４１ａおよび１４１ｂに変換される。このとき、二つのコリメート光の伝搬方向は平行ではなく、後述するように、二つのコリメート光の主光線は、ビームずれ角２αの角度差が生じる。
　次に、二つのコリメート光１４１ａおよび１４１ｂは凹面反射ミラー１５１によっておよそ直角に折り曲げられ、光源ユニットから光束群１６０として放出される。凹面反射ミラー１５１は光源１１１からの光の出射方向に対して概ね４５°の角度をもって設置されている。ただし、凹面反射ミラー１５１の形状は、二つのコリメート光１４１ａ、１４１ｂのビームずれ角２αに応じた凹面とする。具体的には、コリメート光１４１ａ、１４１ｂの光束１４１Ａ、１４１Ｂがそれぞれ反射される反射点１５１ａ、１５１ｂでは、それぞれ角度αだけ反射面側に微少傾斜している。この構成により、コリメート光１４１ａ、１４１ｂが凹面反射ミラー１５１で反射されることによりなるコリメート光１６１ａおよび１６１ｂの主光線を互いに平行とすることができる。なお、図１において凹面反射ミラー１５１、１５２、１５３に付した破線は、平面を表す。
　同様に光源１１２、光源１１３についても同様に凹面反射ミラー１５２、１５３が配置されており、凹面反射ミラー１５２および１５３の反射点１５２ａ、１５２ｂ、１５３ａ、１５３ｂで、コリメート光１４２ａ、１４２ｂ、１４３ａ、１４３ｂが反射されてなるコリメート光１６２ａ、１６２ｂ、１６３ａおよび１６３ｂの伝搬方向も互いに平行にすることができる。結果として光源ユニットから、光束群１６０として互いに平行な６本のコリメート光が出力される。本実施形態では、３個の半導体発光素子である光源を用いたが、４個以上の光源を用いても同様の構成を用いることができる。
　つぎに、図２から図８を用いて光源および光源ユニットの具体的な設計を用いて好ましい形態について述べる。図２はコリメートレンズの設計を模式的に説明している。図２にはエミッタ（発光点）とコリメートレンズであるレンズとの相対的な位置関係が示されている。コリメートレンズの瞳に入射する光の入射角度の最大角度である取り込み角度θは、開口数をＮＡとして
　ＮＡ＝ｓｉｎθ　　（数１）
で表されるが、レンズの瞳径Ｄと焦点距離ｆで近似的に
　θ＝ｔａｎ－１（Ｄ／（２・ｆ））　　（数２）
として決定される。エミッタが一つだけの半導体発光素子を用いる場合には、エミッタの中心軸（発光点）をコリメートレンズの中心軸と一致させれば、取り込み角θよりも小さな拡がり角の光はレンズに取り込まれ、コリメート光に変換される。したがって、焦点距離ｆを小さくして、取り込み角θが大きくなるように光学系を設計すれば、より多くの光をレンズに取り込むことができる。
　図３は発明者らが半導体発光素子として使用したレーザ素子の出射光強度の角度分布を示している。図３において横軸は光放射角度（Ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ　ａｎｇｌｅ、単位は度（°））、縦軸は光強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ、任意単位（ａ．ｕ．））を示す。また、実線は垂直放射強度（半導体発光素子の活性層の主面に対し垂直な方向）、破線は水平放射強度（半導体発光素子の活性層の主面に対し平行な方向）を示す。ここで例えばコリメートレンズの有効径Ｄを６ｍｍ、焦点距離ｆを８．２ｍｍとすると取り込み角θは約２０°となる。２０°以上の拡がり角度をもつ出射光の成分（同図中ハッチング部分）はレンズに取り込まれず、光学的な損失となる。図４は、コリメートレンズの取り込み角θと光学損失の関係を示している。図４において、横軸が取り込み角（°）、縦軸はコリメートレンズによる半導体発光素子からの光の損失（光学損失）を示す。図４より、取り込み角θを大きくする、すなわち焦点距離ｆを小さくすると光学損失を低減できることがわかる。また、光源から出射された出射光はできるだけコリメートレンズを通過することが望ましく、例えば取り込み角θを２４°以上とし、光学損失を約１％以下とすることが望ましい。
　続いて光源である半導体発光素子の好ましい形態について説明する。光源ユニットおよび光源モジュールに用いる光源は、光出力が１ワット以上のワットクラスの高い光出力を必要とする。しかし、半導体発光素子の光出力は発光素子自体の温度によって制限される。投入電流を大きくして光出力を高めると、発光素子内部での発熱が増大し、素子の温度は上昇する。その結果、半導体発光素子の内部では、発光を生じる活性層からあふれる電子正孔対の数が増大して（キャリアのオーバーフロー）、さらに発熱が促進される。その結果、電流を増やしても光出力が増大しない現象すなわち光出力の熱飽和が生じる。したがって、高い光出力を得るためには、キャリアのオーバーフローを抑制する必要がある。
　そこで、高出力動作と発熱の抑制を両立する手法として、一つのチップの内部で複数の導波路を形成し、各導波路がレーザ光を発生するエミッタとして機能させるレーザアレイ構造が有効である。この構造では、光出力は各エミッタの光出力の総和として取り出すことができる。換言すれば、一つのチップから得られる光出力Ｐｔに対して、各エミッタの光出力ＰｏはＰｔ／Ｎでよいため、熱飽和を抑制しながら、高い光出力を実現できる。ここでＮはチップ内に形成されたエミッタの数である。また、発熱源となるエミッタは空間的に離れて配置されているために、効果的にチップ全体を放熱経路として利用することができ、各エミッタの温度上昇を抑制することができる。
　具体的に図５に示した本実施形態の光源１１１として用いる半導体発光素子の模式図を用いて説明する。本実施形態において光源１１１は窒化物半導体レーザ素子であり、エミッタ数（導波路数）は２本である。具体的にｎ型ＧａＮ基板である基板１１１Ｇ上に発光層１１１Ｆなどの窒化物半導体積層膜が積層され、リッジ型の導波路１１１Ａ、１１１Ｂが形成される。光源１１１の２つの導波路１１１Ａ、１１１Ｂで変換され生成されたレーザ光は２つのエミッタ１１１ａ、１１１ｂから出射光（Ｏｕｔｇｏｉｎｇ　ｂｅａｍ）として出射される。
　上記の光源１１１において、前述のように各エミッタ（エミッタ１１１ａと１１１ｂ）の間隔は互いになるべく離れている（エミッタ間隔ｄが大きい）ことが望ましい。半導体発光素子に形成されたエミッタおよび導波路は発光部であると同時に発熱源でもある。したがって、エミッタ間隔ｄが大きいほうが、半導体発光素子内での発熱を分散させることができ、エミッタ部の温度上昇を抑制しやすく、高い光出力を得ることができる。
　具体的に図６を用いて熱分散の効果について説明する。図６のグラフは、チップ長さ８００μｍ、チップ厚み９０μｍの半導体発光素子を所定のパッケージに実装したものに対して、チップ幅Ｗｃを１６０μｍ、２００μｍ、２６０μｍとした場合に、半導体発光素子のエミッタの発光層温度であるジャンクション温度Ｔｊをエミッタ間隔ｄに対して実験および計算に基づいてプロットしたものである。図６において横軸がエミッタ間隔（Ｅｍｉｔｔｅｒ　ｉｎｔｅｒｖａｌ）、縦軸がジャンクション温度（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）である。なおエミッタ間隔０μｍはシングルエミッタを表す。光源の構成は、図５に示した半導体発光素子を図１５に示したパッケージに搭載したものを用いて、光出力（Ｐｏ）を３Ｗ、パッケージ温度（Ｔｃ）を５０℃としている。図６の結果より、シングルエミッタの構成でチップ幅Ｗｃを増加させるよりも、複数（２つ）のエミッタの構成でエミッタ間隔ｄを増加させることで効果的にジャンクション温度Ｔｊを下げることができることがわかる。つまり光源（半導体発光素子）の光出力を効果的に増加させることができる。
　一方、空間的に距離ｄだけ離れた二つのエミッタをもつ光源を用いて光源ユニットを構成する場合の課題について図７から図９を用いて説明する。
　まず、図７に示すように２つのエミッタ（Ｅｍｉｔｔｅｒ）を有する光源を１つのコリメートレンズを用いてコリメート光を生成する場合について説明する。ここで、コリメートレンズの焦点距離をｆ、２つのエミッタの中間に光軸（Ｏｐｔｉｃａｌ　ａｘｉｓ）を配置したとする。この場合、２つのエミッタは光軸上から所定の距離で離れているため、それぞれの主光線（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｒａｙ）は光軸から角度α（＝ｔａｎ－１（ｄ／（２・ｆ））だけずれる。したがって、２つの主光線は角度２αだけずれる。この角度２αは光軸の位置に依存せず保存される。このような構成において取り込み角θを大きく（焦点距離ｆを小さく）したコリメートレンズを用いて、より多くの光を取り込もうとすると、コリメートレンズを通過した二つの光のずれ角２αは大きくなる。この角度２αが大きいと、後述のように、これらのコリメート光を利用した光源ユニットや光源モジュールにおいて、後段の光学系での光利用損失が増大する。
　このような課題は、エミッタ間隔ｄを大きくした場合でも同様に生じる。図８は、コリメートレンズの取り込み角θ、コリメートレンズ出射後におけるビームずれ角２α、エミッタ間隔ｄの相関を示している。図８において横軸がエミッタ間隔ｄ、縦軸がコリメートレンズ出射後におけるビームずれ角２αを示す。図８より、エミッタ間隔ｄが大きくなるほどビームずれ角２αが大きくなる。さらに、取り込み角θを大きくすると２αはさらに増大することがわかる。
　このような光学系の構成を、光源ユニットの構成に適用した場合について、図９に示す比較例の光源ユニットを用いて説明する。
　光源ユニット１１００は、１つの半導体発光素子に２つのエミッタが集積されたレーザアレイ素子である光源１１１１、１１１２および１１１３と、コリメートレンズ１１３１、１１３２および１１３３と、平面である反射面を有する反射ミラー１１５１、１１５２および１１５３とで構成される。いま、光源１１１１に着目すると、この光源の二つのエミッタ１１１１ａと１１１１ｂからそれぞれ、出射光１１２１ａおよび１１２１ｂが放射される。このときエミッタ１１１１ａとエミッタ１１１１ｂは所定の距離だけ空間的に離れて配置されているため、出射光１１２１ａと１１２１ｂの主光線（エミッタとレンズ中心を結ぶ線）は互いに平行にはならない。このため、コリメートレンズを通過した後のコリメート光１１４１ａと１１４１ｂは、それぞれ互いに平行にはならず、所定の角度（ビームずれ角）を持って、反射ミラー１１５１に入射する。このビームずれ角は反射ミラー１１５１を通過した後も保存される。このため、光源の光束幅１１６０は、求める光束幅１１６０ａよりも大きくなってしまう。つまり、小型の光学系においては、光束幅１１６０ｂ、１１６０ｃにおいてロスが生じる。さらに、この光源ユニット１１００から出射される光束はビームずれ角だけ出射角度分布を持った光束となるため、後段の光学系における光の利用効率が低下するため、装置の小型化が難しくなることや、光源ユニットから放射される光束を集光させることが困難になる。
　このような課題に対して、本実施形態においては、光源の高出力化が可能で、かつ後段の光学系において光の利用効率が高い光源および光源ユニットを提供することができる。
　まず、光源については、図４に示すようにコリメートレンズの光利用効率を高く、例えば表面反射を除いた光利用効率を９９％以上とするためには、取り込み角を２４°以上とする。この場合、ビームずれ角２αを１°以内に抑えるためには、エミッタ間隔は１２０μｍ以下とする。この構成によりビームずれ角２αを１°以下とすることにより、後段の光学系における光結合効率のロスを十分低減することができる。例えば図９に示す光学系の構成において、光源１１１１、１１１２、１１１３の間隔を１２ｍｍ、コリメートレンズ１１３１、１１３２、１１３３は、瞳径Ｄが６ｍｍ、焦点距離ｆが６．７ｍｍ、取り込み角θが２４°であるものを用いたとすると、ビームずれ角２αは１°となる。このとき、光源ユニット１１００と後段の光学系（Ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ）との距離Ｌ２が３０ｍｍ離れていても光束幅１１６０ｃは０．３ｍｍ以下である。このとき光束幅１１６０ａは少なくとも１８ｍｍ（瞳径の３倍）必要であるため、十分光束幅１１６０ｃを小さくし、光結合効率のロスを低くすることができる。上記構成は、図８の本実施形態の光源で示した範囲で示される。また、上記構成においては、図６に示すように、エミッタ間隔を２０μｍ以上、好ましくは４０μｍ以上の範囲で設定することにより、ジャンクション温度を効果的に低減させ光源の光出力を増大させることができる。
　また、本実施形態の光源ユニットを用いることで、エミッタ間隔ｄの拡大による半導体発光素子の高出力化、コリメートレンズの光学損失低減およびコリメート光束群平行化（ビームずれ角の低減）を効果的に実現することができる。以下、図１を中心に具体的な例を挙げて説明する。まず第一に、光源である半導体発光素子では、光出力を高めるために十分なエミッタ間隔ｄ、具体的には例えば１００μｍ以上とする。本実施形態では、光源のエミッタ間隔ｄとして２００μｍとする。つぎに、コリメートレンズの取り込み角は光学損失を十分低くできる水準、すなわちコリメートレンズでの光学損失が１％以下となる水準として、レンズ取り込み角度θを２４度とする。具体的には本実施形態では、４０度とし、光利用効率を９９．９％以上とする。このとき具体的なコリメートレンズの設計は瞳径６ｍｍ、焦点距離約３．６ｍｍとなる。このとき、コリメートレンズ通過後のビームずれ角２αはおよそ３．２度となる。そして、図１に示した凹面反射ミラー１５１のビーム反射点１５１ａ、１５１ｂにおいて反射面の角度を反射面側にそれぞれ角度α（１．６度）だけ大きくする。その結果、凹面反射ミラー１５１を通過した後の二つのコリメート光１６１ａ、１６１ｂは平行化される。
　またこのとき、コリメート光１４１ａ、１４１ｂの光束１４１Ａ、１４１Ｂは、図７に示すように遠視野（Ｆａｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｐａｔｔｅｎ）における光分布が水平方向より垂直方向の方が大きい楕円のビーム形状である。よって、コリメートレンズ１３１の主点と凹面反射ミラー１５１の中心の距離を例えば３０ｍｍ以上とする。この構成により水平方向のビーム幅が約１．５ｍｍ程度であるのに対して、２つのビーム中心の距離は１．５ｍｍよりも大きくすることができるため、ビーム反射点１５１ａ、１５１ｂにおいてそれぞれのコリメート光を独立に反射し、コリメート光１６１ａ、１６１ｂの角度ズレを低減させ、互いに平行な光とすることができる。
　上記の構成により光源ユニット１００から、出射角度分布が小さく、光束の大きさが小さい光束群１６０を放射させることができる。
　以上、本実施形態の構成により、小型・高出力で光学系との結合効率が高く、また発熱源を効率良く分散させ、排熱させることが可能な光源および光源ユニットを実現できる。
　（第１の実施形態の変形例）
　上述した光源ユニットでは、光源として、２つのエミッタをもつレーザアレイ素子である半導体発光素子を使用したが、３つのエミッタをもつ半導体発光素子を使用した場合には、図１０のような構成とすればよい。図１０では、簡略化のため、一つの光源２１１、コリメートレンズ２３１、凹面反射ミラー２５１のみを図示している。光源２１１の３つの導波路２１１Ａ、２１１Ｂおよび２１１Ｃの端部に形成された３つのエミッタ２１１ａ、２１１ｂおよび２１１ｃのそれぞれの出射光２２１ａ、２２１ｂおよび２２１ｃは同一のコリメートレンズでコリメート光（平行光）に変換される。コリメート光２４１ａ、２４１ｂおよび２４１ｃはそれぞれ凹面反射ミラー２５１に投射され、光束群２６０を構成する反射光２６１ａ、２６１ｂおよび２６１ｃが得られる。このとき、各コリメート光の反射点２５１ａ、２５１ｂおよび２５１ｃの角度を、反射光２６１ａ、２６１ｂおよび２６１ｃが互いに平行になるように設計すれば、第１の実施形態で示した、エミッタ数２の半導体発光素子を用いた場合と同じ効果を得ることができる。エミッタの数を４以上に増やした場合も同様で、各コリメート光が反射ミラーで反射される点の反射角度を変えることで、互いに平行な出射方向をもつ複数のコリメート光を得ることができる。
　以上、本変形例の構成により、小型・高出力で光学系との結合効率が高く、また発熱源を効率良く分散させ、排熱させることが可能な光源ユニット２００を実現できる。
　なお、本実施形態および変形例において、凹面反射ミラー１５１、１５２、１５３、２５１は、複数の反射平面で構成しても、複数の反射凹曲面で構成しても良い。複数の反射凹曲面で構成する場合は、凹面反射ミラーでもレンズ効果が発生するため、光源、コリメートレンズ、凹面曲面の距離を微少調整し、光源ユニットから放射させる放射光を直進光としてもよい。
　（第２の実施形態）
　続いて図１１を用いて第２の実施形態の光源ユニットについて説明する。本実施形態の光源ユニットは第１の実施形態とほぼ同じ構成であるため異なる部分を中心に説明する。
　図１１は本発明の第２の実施形態にかかる光源ユニット４００の構成図である。光源ユニット４００は、複数の光源４１１、４１２および４１３、複数のコリメートレンズ４３１、４３２および４３３、複数の反射ミラー４５１ａ、４５１ｂ、４５２ａ、４５２ｂ、４５３ａおよび４５３ｂからなる。光源４１１は二つのエミッタ４１１ａおよび４１１ｂからなるレーザアレイ素子である。
　エミッタ４１１ａおよび４１１ｂから放出された出射光４２１ａおよび４２１ｂは、それぞれある拡がり角をもっている。これらの出射光４２１ａおよび４２１ｂはコリメートレンズ４３１に取り込まれ、それぞれコリメート光（平行光）４４１ａおよび４４１ｂに変換される。このとき、二つのコリメート光の出射方向は平行ではなく、ビームずれ角２αの角度をもっている。ここまでの構成は、第１の実施形態と全く同一である。
　本実施形態の相違点は、反射ミラーの構成にある。すなわち、第１の実施形態では一つの半導体発光素子と一つのコリメートレンズに対して一つの凹面ミラーを配置していたのに対して、本実施形態では、二つの平面ミラーを配置している。同一の平面ミラーを複数個用い、所定の角度で配置することで、光学系を構成できることが最も大きな特徴である。たとえば、第１の実施形態に示した凹面ミラーを用いた光学ユニットでは、凹面ミラーはコリメートレンズの取り込み角度とレーザアレイチップのエミッタ間隔によって決まるビームずれ角２αに応じて設計、製作される必要がある。そのため、コリメートレンズの開口数や光源のエミッタ間隔などを変更した場合には、凹面ミラーの設計を変更する必要がある。一方、本実施形態に示した光源ユニットでは、コリメートレンズや光源を変更した場合でも、反射ミラー４５１ａ、４５１ｂ、４５２ａ、４５２ｂ、４５３ａおよび４５３ｂの位置と角度を調整するだけで、コリメート光４６１ａ、４６１ｂ、４６２ａ、４６２ｂ、４６３ａおよび４６３ｂを互いに平行な光束群４６０として放射させることができる。
　以上、本実施形態の構成により、小型・高出力で光学系との結合効率が高く、また発熱源を効率良く分散させ、排熱させることが可能な光源ユニットを実現できる。
　（第３の実施形態）
　上述した実施形態においては、反射ミラーを用いて光源ユニットを構成した。一方では本実施形態では、反射ミラーではなく光の屈折を利用した光学系を用いている。図１２は本発明にかかる本実施形態の光源ユニットの構成図である。光源ユニット５００は、複数の光源５１１、５１２および５１３、複数のコリメートレンズ５３１、５３２および５３３、光学素子５５０から構成される。さらに、光学素子５５０はその主面からθ２だけ傾斜した複数の光学面５５１ａ、５５１ｂ、５５２ａ、５５２ｂ、５５３ａ、５５３ｂから構成される。いま、光源５１１について着目する。光源５１１は二つのエミッタ５１１ａおよび５１１ｂを備える。それぞれのエミッタから放射されたレーザ光５２１ａおよび５２１ｂはコリメートレンズ５３１に入射し、コリメート光５４１ａおよび５４１ｂに変換される。このとき、二つのコリメート光の出射方向は平行ではなく、上述したように、ビームずれ角２αの角度をもっている。
　さらにいま、コリメート光５４１ｂに着目する。このコリメート光５４１ｂは光学素子５５０の光学面５５１ｂに入射角θ１で入射する。そして光学面から出射角θ２の角度をもって光学素子から後方に伝播する。このとき、光学面５５１ｂでの光の入射角と出射角の関係はスネルの法則に従う。すなわち、
　ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝ｎ２／ｎ１　　（数３）
となる。ここで、ｎ１とｎ２はそれぞれ空気と光学素子５５０に用いられる透明材料の屈折率である。θ２の値は、幾何学的に
　θ２＝θ１－α　　（数４）
となる。ここで、光学面５５１ｂを屈折して透過したコリメート光が光学素子５５０の主面に対して垂直になるようにするためには、光学面５５１ｂの光学素子５５０の主面に対する傾斜角θ３がθ２に等しくなるようにすればよい。
　たとえば、ビームずれ角２αが１．８度になる場合を考える。光学素子５５０を屈折率１．５の光学ガラス材料で形成するとθ３を約３．６度にすると、コリメート光は光学素子５５０の主面に対して垂直に方向に進む。
　同様に、コリメート光５４１ｂについても光学面５５１ａを設計すると、光学素子５５０から光束群５６０として放射される二つのコリメート光５６１ａと５６１ｂは互いに平行な光束となる。
　さらに、これを他の光源とコリメートレンズについて、同様に光学面を設計し、配置すれば、光源ユニット５００を構成するすべての光源から発せられた光束群は互いに平行になる。
　なお、図１２では、３個の光源５１１、５１２および５１３と３個のコリメートレンズ５３１、５３２および５３３、光学素子５５０で構成された光源ユニット５００を例示したが、光源とコリメートレンズが４組以上となった場合でも、光学素子５５０の光学面を追加すればよい。
　以上、本実施形態の構成により、小型・高出力で光学系との結合効率が高く、また発熱源を効率良く分散させ、排熱させることが可能な光源ユニットを実現できる。
　（第３の実施形態の変形例１）
　上記実施形態において、光源に三つのエミッタを形成してもよい。この場合の変形例として図１３に示す光源ユニット６００を用いて説明する。図１３は、一つの光源６１１が３個のエミッタ６１１ａ、６１１ｂよび６１１ｃで構成された場合の光源ユニットの構成を図示する。簡単化のために、一つの光源、コリメートレンズ、光学素子のセットのみを図示するが、光源ユニットは複数の光源、コリメートレンズ、光学素子で構成されていても構わない。
　エミッタ６１１ａ、６１１ｂおよび６１１ｃからの出射光６２１ａ、６２１ｂおよび６２１ｃはコリメートレンズ６３１によってそれぞれコリメート光６４１ａ、６４１ｂおよび６４１ｃに変換される。
　光学素子６５０は、三つの光学面６５１ａ、６５１ｂおよび６５１ｃで構成される。これらの光学面６５１ａ、６５１ｂおよび６５１ｃは、それぞれコリメート光６４１ａ、６４１ｂおよび６４１ｃを互いに平行化するように設計される。光学素子６５０の主面に対して傾斜して伝播するコリメート光６４１ａおよび６４１ｃは、それぞれ光学面６５１ａおよび６５１ｃに入射する。このとき光学面６５１ａおよび６５１ｃは光学素子６５０の主面に対してθ３だけ傾斜している。このときのθ３の設計値は上述した通り、光学素子６５０の屈折率、コリメート光６４１ａと６４１ｃのビームずれ角２αで決定される。一方、コリメート光６４１ｂは光学素子６５０の主面に対して垂直に伝播する。したがって、コリメート光６４１ｂが入射する光学面６５１ｂは光学素子６５０の主面と平行であればよい。その結果、三つのコリメート光６４１ａ、６４１ｂおよび６４１ｃは互いに平行な光束となり、光束群６６０が形成される。
　エミッタの数が４個以上になった場合も同様に、それぞれのコリメート光が入射する光学面を設計することによって、やはり互いに平行な光束であるコリメートな光束群を実現できる。
　以上、本実施形態の構成により、小型・高出力で光学系との結合効率が高く、また発熱源を効率良く分散させ、排熱させることが可能な光源ユニットを実現できる。
　（第３の実施形態の変形例２）
　上述した実施形態は、平面で構成された複数の光学面をもつ光学素子を用いた。これを拡張して、曲面で構成される光学面を用いた光学素子を利用することも可能である。図１４の光源ユニット７００を用いて、曲面で構成された光学面を持つ光学素子を用いた場合の実施形態について説明する。
　半導体発光素子である光源７１１は二つのエミッタ７１１ａおよび７１１ｂを有している。光源７１２および７１３も同様にエミッタ７１２ａ、７１２ｂ、７１３ａおよび７１３ｂを有している。各エミッタからの出射光７２１ａ、７２１ｂ、７２２ａ、７２２ｂ、７２３ａおよび７２３ｂはコリメートレンズ７３１、７３２および７３３によってすべてコリメート光７４１ａ、７４１ｂ、７４２ａ、７４２ｂ、７４３ａ、７４３ｂにそれぞれ変換される。ここまでの光学系の基本構成は図１２に示した構成と全く同一である。図１２の構成と異なる点は光学素子７５０の光学面が曲面で構成されていることである。
　コリメート光７４１ｂが光学素子７５０に入射したとき、その入射点を光学点７５１ｂと定義する。この光学点７５１ｂにおける曲面に対する接線７５１ｎと光学素子７５０の主面のなす角を上述した手法で設計すれば、コリメート光７４１ｂの伝播方向は、光学素子７５０の主面に対して垂直とすることができる。一方、光学点７５１ａおよび接線７５１ｍについても同様の設計をすることで、コリメート光７４１ａと７４１ｂを互いに平行な光に変換できる。他のコリメート光７４２ａ、７４２ｂ、７４３ａと７４３ｂと光学点７５２ａ、７５２ｂ、７５３ａ、７５３ｂ、接線７５２ｍ、７５２ｎ、７５３ｍ、７５３ｎについても同様に行なえば、互いに平行な光束で構成される光束群７６０を形成することができる。
　以上、本実施形態の構成により、小型・高出力で光学系との結合効率が高く、また発熱源を効率良く分散させ、排熱させることが可能な光源ユニットを実現できる。
　（第４の実施形態）
　次に、本発明にかかる第４の実施形態として光源ユニットと蛍光体を組み合わせた光源モジュールについて説明する。図１５は第４の実施形態の光源モジュール８００の模式図である。光源モジュール８００は、光源ユニット８０１、ダイクロイックミラー８６５、集光レンズ８７０、蛍光体層８７６つき回転板８７５および直流モータ８８０から構成される。
　光源ユニット８０１は第１の実施形態に示した光源ユニットと基本的に同じ構成で、より具体的な実施形態を示す。すなわち、２個のエミッタをもつ複数の光源８１１、８１２および８１３と、複数のコリメートレンズ８３１、８３２および８３３、凹面反射ミラー８５１、８５２および８５３から構成される。
　ここで光源８１１、８１２および８１３は波長４０５ｎｍ付近のレーザ光を発生する半導体レーザ素子でありパッケージ８１０に実装されてなる。具体的には、鉄もしくは銅などからなる金属ベース８１０ａ上に形成されたポスト上にサブマウント８１０ｃを介して光源８１１、８１２、８１３は実装される。金属ベース８１０ａには光源８１１、８１２、８１３と外部とを電気的に接続するためのリード線８１０ｄ、８１０ｅが形成される。また、光源８１１、８１２、８１３を覆うようにキャップ８１０ｂが金属ベース８１０ａに固定され気密封止されている。またキャップ８１０ｂには例えば厚み０．２～０．３ｍｍの透光窓が形成され、光源８１１、８１２、８１３から放射された出射光を光学損失なくコリメートレンズ８３１、８３２、８３３に入射させる。さらに、光源８１１、８１２、８１３で発生した熱は、サブマウント８１０ｃ、パッケージ８１０を介して、鉄、アルミニウムまたは銅などの金属や合金などで構成されたヒートシンク８０５へ伝達され、効果的に光源ユニット８０１から外部へと放熱される。ここで光源８１１、８１２、８１３は前述のように複数のエミッタを有する。このため、光源８１１、８１２、８１３の導波路およびエミッタで発生した熱は効果的にパッケージへと排熱され、ジャンクション温度を低減させることができる。そして光源ユニット８０１から放射される光束群８６０は、互いに平行な複数の光束として出射されている。このため、光束の大きさが小さく、後段の光学系との結合効率の高い光として放射される。光束群８６０は図１５では点線矢印で模式的に示す。
　この光束群８６０は、ダイクロイックミラー８６５および集光レンズ８７０を通過して、回転板８７５上の蛍光体層８７６上に集光される。ここでダイクロイックミラー８６５は波長選択性のある反射ミラーで、４２０ｎｍよりも短い波長の光を透過し、４２０ｎｍよりも長い波長の光を反射する特性のものを配置した。したがって、光束群８６０は波長が約４０５ｎｍなので、このダイクロイックミラー８６５を透過する。
　回転板８７５には、例えばＣｅ賦活Ｙ３（Ｇａ，Ａｌ）５Ｏ１２蛍光体やＥｕ賦活βサイアロン蛍光体などの蛍光体がガラス等のバインダに混合されてなる蛍光体層８７６が形成される。ここで蛍光体層８７６は１種類の蛍光体層を形成する構成の他に、光の三原色、すなわち、青（中心波長４２０～５００ｎｍ）、緑（同５００～５９０ｎｍ）、赤（同５９０～６６０ｎｍ）の蛍光を放射する３種類の蛍光体からなる蛍光体層を領域分割して形成しても良い。
　集光レンズ８７０によって集光された光束群８６０は、この蛍光体層つき回転板８７５に照射され、蛍光体を励起して、蛍光が発生される。蛍光体層つき回転板８７５は、直流モータ８８０によって回転され、蛍光体層８７６に連続して光束群８６０が照射され、蛍光体層８７６が劣化するのを抑制する。
　蛍光体層８７６で発生した蛍光で構成される光束群８９０（図１５中では実線矢印で模式的に示す）は、集光レンズ８７０を通過して、ダイクロイックミラー８６５に到達する。ここに用いたダイクロイックミラー８６５は、前述のように４２０ｎｍより長い波長の光を反射するので、光束群８９０はダイクロイックミラー８６５で反射され光源モジュール８００の外部に放射される。
　上記構成により、光束群８６０の光を、蛍光体を用いて異なるスペクトルの光で構成される光束群８９０へ変換させ光源モジュール８００から効率良く出射させることができる。このとき光束群８６０は、平行な光束で構成されるため効率良く集光レンズ８７０に入射させ、蛍光体層８７６の微少領域に集光させることができる。このため、エテンデュの小さい蛍光を蛍光体層８７６から放射させることができる。したがって、光出力の高い蛍光を集光レンズ８７０で容易に平行光に変換することができる。すなわち集光レンズ８７０やダイクロイックミラー８６５を用いて、効率良く直進性の高い蛍光で構成される光束群を放射させることができる光源モジュールを実現できる。
　なお、回転板８７５上に青、緑、赤の３種類の蛍光体を領域ごとに形成した場合、光源モジュールから青、緑、赤の各色を時分割で放射させることができる。すなわち光源ユニット８０１から放出される光出力の制御と蛍光体つき回転板８７５の回転を同期させれば、白色を含めた任意の色を形成することができる。
　さらに、図示しないが、反射した光束群８９０をデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）などの画像形成デバイスに照射すれば、投射型画像表示装置（プロジェクタ装置）が容易に形成される。
　なお、本実施形態では、光源ユニット８０１には、第１の実施形態で示した凹面反射ミラーを用いた光源ユニットを用いたが、第２の実施形態に示した平面反射ミラーを用いた光源ユニット、第３の実施形態で示した光学素子を用いた光源ユニットを用いても構わない。光源ユニット８０１から放出される光束群が互いに平行化されたコリメート光束群になっていればよい。また、本実施形態では、３個の半導体発光素子を用いたが、その数を増やして、より輝度の高い光源モジュールを形成することもできる。
　本実施形態では、半導体発光素子に複数のエミッタをもつ半導体レーザアレイが用いられている。単一のエミッタしか持たない半導体レーザに比べて、一つの半導体発光素子から得られる光出力が高い。そのため、少ない半導体発光素子でより高い光出力を得ることができる。結果として、小型で高輝度の光源モジュールを構成することができる特徴がある。
　（第５の実施形態）
　続いて図１６および図１７を用いて本発明にかかる第５の実施形態の光源ユニットについて説明する。図１６は本実施形態の光源ユニット９００の模式的な斜視図である。図１７は本実施形態の光源ユニット９００の機能を説明する図である。
　光源ユニット９００は、基板上に第１の導波路９１１Ａと第２の導波路９１１Ｂが形成され、第１のエミッタ９１１ａと第２のエミッタ９１１ｂから指向性の高い出射光を放射するレーザアレイ素子などの半導体発光素子である光源９１１がパッケージ９０５に搭載されて構成される。パッケージ９０５には第１の反射ミラー９５１ａと第２の反射ミラー９５１ｂが形成される。光源９１１の第１のエミッタ９１１ａと第２のエミッタ９１１ｂから出射された出射光９２１ａ、９２１ｂは第１の反射ミラー９５１ａと第２の反射ミラー９５１ｂにより反射され、垂直方向に反射され、出射光９４１ａ、９４１ｂとして光源ユニット９００から放射される。このとき第１の反射ミラー９５１ａと第２の反射ミラー９５１ｂは微小角度を有するように設定される。
　上記構成において、図１７に示すように第１の反射ミラー９５１ａと第２の反射ミラー９５１ｂによって反射された出射光９４１ａ、９４１ｂの見かけの発光点は、同一の発光点９９０になるように設定される。この構成により出射光９４１ａ、９４１ｂの主軸に設定されたコリメートレンズ９３１により平行な出射光である光束群９６０として放射させることができる。
　以上、本実施形態の構成により、小型・高出力で光学系との結合効率が高く、また発熱源を効率良く分散させ、排熱させることが可能な光源、光源ユニットおよび投写型画像表示装置を実現できる。
　なお、上記、第１から第５の実施形態において半導体発光素子である光源の発光中心波長をおよそ４０５ｎｍとしたがこの限りではない。例えば、窒化物半導体材料を持ち半導体発光素子であれば、発光中心波長を４２０～５００ｎｍの間に設定して青色光源として用いることや、中心波長を４９０～５５０ｎｍの間に設定して緑色光源として用いることができる。また砒化ガリウム系半導体材料を用いて中心波長５５０～７００ｎｍの赤色光源として用いることや、それよりも長波長である赤外光源として用いることもできる。
　本発明の光源、光源ユニットおよび光源モジュールは、レーザディスプレイやプロジェクタなどの画像表示装置や、レーザ加工やレーザーアニールなどの産業用のレーザ機器などの比較的高い光出力が必要な装置の光源として有用である。
　１００，２００，４００，５００，６００，７００，９００　光源ユニット
　１１１，１１２，１１３，２１１，４１１，４１２，４１３，５１１，５１２，５１３，６１１，７１１，７１２，７１３，８１１，８１２，８１３，９１１，１１１１，１　１１２，１１１３　光源
　１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１３ａ，１１３ｂ，２１１ａ，２１１ｂ，４１１ａ，４１１ｂ，５１１ａ，５１１ｂ，６１１ａ，６１１ｂ，７１１ａ，７１１ｂ，７１２ａ，７１２ｂ，７１３ａ，７１３ｂ，９１１ａ，９１１ｂ，１１１１ａ，１１１１ｂ　エミッタ
　１２１ａ，１２１ｂ　出射光
　１３１，１３２，１３３，２３１，４３１，４３２，４３３，５３１，５３２，５３３，６３１，７３１，７３２，７３３，８３１，８３２，８３３，９３１　コリメートレンズ
　１４１ａ，１４１ｂ，１４２ａ，１４２ｂ，１４３ａ，１４３ｂ　コリメート光
　１５１，１５２，１５３，８５１，８５２，８５３　凹面反射ミラー
　１５１ａ，１５１ｂ，１５２ａ，１５２ｂ，１５３ａ，１５３ｂ　反射点
　１６１ａ，１６１ｂ，１６２ａ，１６２ｂ，１６３ａ，１６３ｂ　コリメート光
　１６０，２６０，４６０，５６０，６６０，７６０，８６０，８９０，９６０　光束群
　４５１ａ，４５１ｂ，４５２ａ，４５２ｂ，４５３ａ，４５３ｂ　反射ミラー
　５５０，６５０，７５０　光学素子
　５５１ａ，５５１ｂ，５５２ａ，５５２ｂ，５５３ａ，５５３ｂ，６５１ａ，６５１ｂ，６５１ｃ　光学面
　７５１ａ，７５１ｂ，７５２ａ，７５２ｂ，７５３ａ，７５３ｂ　光学点
　８００　光源モジュール
　９５１ａ，９５１ｂ　反射面

Claims (14)

  1. 複数の発光点を備え、前記複数の発光点のそれぞれより同一方向かつ所定の拡がり角をもって出射光を放射する光源と、
    前記出射光を透過するコリメートレンズと、
    主面に対して異なる傾斜角を有し、かつ前記複数の出射光それぞれに対する入射面を有する光学素子とで構成されたことを特徴とする光源ユニット。
  2. 前記入射面が、前記主面に対し前記光源側に傾いていることを特徴とする、請求項１に記載の光源ユニット。
  3. 前記複数の出射光の光軸は、前記レンズを透過した後に所定の角度差を有し、前記傾斜角は前記所定の角度差の半分であることを特徴とする、請求項２に記載の光源ユニット。
  4. 前記主面が前記光軸に対して４５度の角度を有し、前記複数の入射面が前記出射光を反射することを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の光源ユニット。
  5. 前記光学素子は、前記入射面を備えたミラーを複数有することを特徴とする、請求項１に記載の光源ユニット。
  6. 前記光学素子は前記出射光を透過し、かつ前記入射面は前記主面に対し前記光学素子側に凸になるように傾いていることを特徴とする、請求項１に記載の光源ユニット。
  7. 前記主面が前記光軸に対して垂直で、前記複数の入射面が前記出射光を透過することを特徴とする請求項６に記載の光源ユニット。
  8. 前記光源は、順に第１の出射光、第２の出射光、第３の出射光と一列に並んだ３つの出射光を放射し、前記光学素子は前記第１の出射光、前記第２の出射光および前記第３の出射光のそれぞれに対し第１の入射面、第２の入射面および第３の入射面を有し、前記第２の入射面は前記主面に一致し、前記第１の入射面と前記第３の入射面とは、前記主面に対し所定の傾斜角を有することを特徴とする、請求項１または請求項６に記載の光源ユニット。
  9. 前記光学素子は、レンズであることを特徴とする、請求項６に記載の光源ユニット。
  10. 前記光学素子を搭載するパッケージをさらに備え、前記入射面を前記パッケージに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の光源ユニット。
  11. 前記光源が半導体レーザアレイであることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１つに記載の光源ユニット。
  12. 請求項１～１１のいずれか１つに記載の光源ユニットと蛍光体を含み、前記光源ユニットから放射される出射光が前記蛍光体に照射されることを特徴とする光源モジュール。
  13. 複数の発光点を備え、前記複数の発光点のそれぞれより同一方向かつ所定の拡がり角をもって出射光を放射する光源であって、前記複数の発光点間隔が２０μｍ以上１２０μｍ以下であることを特徴とする光源。
  14. 前記光源が窒化物半導体レーザアレイであることを特徴とする請求項１３記載の光源。
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