WO2019198219A1 - レーザ光源装置 - Google Patents

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WO2019198219A1 PCT/JP2018/015460 JP2018015460W WO2019198219A1 WO 2019198219 A1 WO2019198219 A1 WO 2019198219A1 JP 2018015460 W JP2018015460 W JP 2018015460W WO 2019198219 A1 WO2019198219 A1 WO 2019198219A1
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lenses
laser light
semiconductor laser
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充輝 二見
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三菱電機株式会社
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    • H01S5/4025Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar

Definitions

  • the present invention relates to a structure and a holding structure for incorporating a plurality of laser oscillation elements into a common housing in a laser light source device including a laser oscillation element such as a semiconductor laser element.
  • semiconductor laser elements have attracted attention as light sources for projection display devices such as projectors.
  • the semiconductor laser element has excellent features such as monochromaticity, high directivity, and low power consumption of oscillated light, and is expected as a replacement light source for lamps that are currently popular.
  • Etendue is an amount defined by the product of the area of the luminous flux and the divergence angle (in other words, the solid angle). Since the etendue is constant in the optical system, the etendue on the light source side is limited by the etendue of the optical system in the projector. For example, when the etendue on the light source side is large, the proportion of the luminous flux that cannot be effectively used on the projector side increases.
  • the laser oscillation element is essentially advantageous for reducing the etendue on the light source side because of its small emission area.
  • the etendue on the light source side is arranged close to each other. It is necessary to keep it small. If the use efficiency of light can be increased, it contributes to miniaturization of the entire optical system in the projector, and the cost of the entire apparatus can be reduced.
  • the etendue can be reduced by precisely adjusting the position of the lens means corresponding to each of the laser oscillation elements to suppress the spread angle variation.
  • Patent Document 1 discloses a lens position adjusting mechanism when a lens holding member is fixed to another support member by welding.
  • Patent Document 2 discloses a technique for improving the in-plane mounting density by using a lens array for a plurality of semiconductor laser elements. Patent Document 2 discloses a mechanism for adjusting the position of the lens array using a lens holder.
  • Patent Document 1 is disadvantageous in that the lens holding lens barrel is a mechanical constraint when a plurality of semiconductor laser elements are arranged, and the in-plane mounting density of the semiconductor laser elements is increased. Further, when the lens barrel is downsized for the purpose of increasing the in-plane mounting density, it is essential to reduce the size of the lens accordingly, and the degree of freedom in optical design is reduced.
  • Patent Document 2 since a lens array is used, it is difficult to optimize the position of the lens with respect to each semiconductor laser element.
  • a technique for gripping and finely moving the energized semiconductor laser element is required, which not only significantly increases the difficulty, but also includes a plurality of semiconductor laser elements and a single substrate. Connection with becomes difficult.
  • the present invention provides a technology that realizes a high in-plane mounting density of the laser light source elements, suppresses an increase in the manufacturing cost of the laser light source device, and adjusts the position of the lens with respect to each laser light source element with high accuracy.
  • the purpose is to do.
  • the laser light source device includes a base whose upper surface is a plane, an x-axis which is on the upper surface of the base and is parallel to the upper surface of the base, and parallel to the upper surface of the base.
  • the spacer includes, for each lens, an annular support surface that supports the lower surface of the lens, and a wall portion on which the side surface of the lens is fixed by the adhesive, and the wall portion is the lattice point. Diagonal of A relief groove formed along the connecting direction
  • a laser light source device includes a base whose upper surface is a plane, and an x-axis that is on the upper surface of the base and is parallel to the upper surface of the base and the upper surface of the base.
  • a plurality of lenses that collimate the laser light to be paralleled, a spacer that is disposed on the upper surface of the base and supports the plurality of lenses, and an adhesive that fixes the plurality of lenses to the spacer.
  • the laser light source device does not include a lens holding barrel, and a plurality of lenses are fixed to the spacer, so that a high in-plane mounting density of the laser light source elements can be realized.
  • the lens can be gripped along the relief groove provided in the spacer, the position of the lens can be adjusted with high accuracy.
  • the distance from the side of the lens to the surface of the wall facing the side of the lens is too large, a large amount of adhesive is required to obtain the desired adhesive force. There is a problem that the material cost increases.
  • the sum of the distance from the side surface of the lens to the surface of the wall portion facing the side surface of the lens and the width of the escape groove is constant. Thereby, it becomes easy to find the optimum value of the distance and the width of the relief groove, and it is possible to achieve both suppression of an increase in manufacturing cost and highly accurate position adjustment of the lens position.
  • FIG. 1 is a perspective view of a laser light source device according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a perspective view of the laser light source device which shows the state which removed the spacer and the lens. It is the sectional view on the AA line of FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view of a laser light source device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the laser light source device 1 showing a state where the spacer 20 and the lenses 41 to 44 are removed.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the laser light source device 1 includes semiconductor laser elements 101 to 104 as laser light source elements, lenses 41 to 44, a spacer 20, a base 30, and an adhesive 50.
  • the laser light source device 1 further includes a drive circuit (not shown), injects current into the semiconductor laser elements 101 to 104 through the drive circuit, and obtains a light output that is collimated by the lenses 41 to 44.
  • FIG. 4 is a perspective view of the semiconductor laser device 101. Since the semiconductor laser elements 101 to 104 have the same structure, the semiconductor laser element 101 will be described here.
  • the semiconductor laser element 101 is, for example, a TO-Can type package semiconductor laser element.
  • the semiconductor laser element 101 includes a cap 11, a glass window 12, a stem 13, lead pins 14, and a semiconductor laser chip (not shown) provided inside the cap 11.
  • the main material of the semiconductor laser chip is a compound semiconductor such as GaAs and InGaN.
  • the semiconductor laser chip emits light in a direction substantially perpendicular to the stem 13.
  • the end face of a semiconductor laser chip easily breaks due to adhesion of moisture and dust in the air during driving.
  • the hermetic sealing is maintained by the cap 11 in the TO-Can type package semiconductor laser device, the conditions required for the driving environment are eased.
  • the semiconductor laser element of the TO-Can type package is small, it is easy to adjust the number of use, that is, to increase or decrease the light output according to the required specifications.
  • the edge-emitting semiconductor laser device has a structure in which the light emitted in the direction perpendicular to the active layer, that is, the direction along the fast axis, spreads in the direction horizontal to the active layer, that is, along the slow axis. It is about 10 times larger. Therefore, as shown in FIG. 4, the cross section with respect to the propagation direction of the emitted light 70, that is, the far-field image is an ellipse.
  • the TO-Can package type semiconductor laser element since the active layer of the semiconductor laser element is horizontal with respect to the direction of the two lead pins 14, as shown in FIG. The spread of the emitted light is small, and the spread of the emitted light 70 with respect to the axis inclined by 90 degrees is large.
  • the base 30 is a base for supporting the semiconductor laser elements 101 to 104, which is mainly made of a high thermal conductive material such as a metal such as Cu and Al, or a ceramic such as SiC and AlN. It is.
  • the upper surface of the base 30 is a plane.
  • the x, y, and z axes provided for explanation in the drawings are an orthogonal coordinate system, and the x axis indicates a direction parallel to the upper surface of the base 30.
  • the y-axis indicates a direction parallel to the upper surface of the base 30 and a direction intersecting with the x-axis. More specifically, the y-axis indicates a direction parallel to the upper surface of the base 30 and a direction orthogonal to the x-axis.
  • the z-axis indicates a direction perpendicular to the upper surface of the base 30.
  • the bottom surfaces of the semiconductor laser elements 101 to 104 are fixed in close contact with the top surface of the base 30 via heat conductive grease or sheet-like heat dissipation material.
  • the straight lines 81 and 82 and the straight lines 91 and 92 are virtual lines for explaining the arrangement of the semiconductor laser elements 101 to 104 on the base 30.
  • the straight lines 81 and 82 and the straight lines 91 and 92 are straight lines parallel to the x-axis and the y-axis, respectively, and exist on the upper surface of the base 30.
  • the straight lines 81 and 82 and the straight lines 91 and 92 intersect each other. More specifically, the straight lines 81 and 82 and the straight lines 91 and 92 are orthogonal to each other.
  • the distance between the straight line 81 and the straight line 82 and the distance between the straight line 91 and the straight line 92 are equal. That is, if the distance between the straight line 81 and the straight line 82 and the distance between the straight line 91 and the straight line 92 are a and b, respectively, the relationship of the following equation (1) is satisfied.
  • the semiconductor laser elements 101 to 104 are arranged so that their light emission points are located on the intersections of the straight lines 81 and 82 and the straight lines 91 and 92, that is, on the square lattice points, thereby forming a surface light source.
  • the arrangement interval of the semiconductor laser elements 101 to 104 that is, the arrangement interval of the lattice points depends on a request from a system such as a projector in which the laser light source device 1 is finally incorporated. It is desirable to be dense from the requirements. The closer the semiconductor laser elements 101 to 104 are, that is, the smaller the light emitting area of the light source, the more the etendue on the light source side can be suppressed, so that the light utilization efficiency on the projector device side can be improved. Further, since the optical components constituting the projector can be reduced, the manufacturing cost of the projector can be suppressed.
  • the straight lines 81 and 82 correspond to the x-axis group, and the straight lines 91 and 92 correspond to the y-axis group.
  • the lenses 41 to 44 are lenses for collimating laser light (hereinafter also referred to as “emitted light”) emitted from the semiconductor laser elements 101 to 104, and the upper surface is axisymmetric. It is spherical or aspherical.
  • the exit port is very small with respect to the oscillation wavelength, so that beam expansion occurs due to the diffraction effect.
  • the spread along the epitaxial growth direction of the semiconductor laser chip, that is, the fast axis direction is about 60 degrees in all angles.
  • lenses 41 to 44 having collimating action are disposed at positions relatively close to the semiconductor laser elements 101 to 104, and the beam size is maintained substantially constant with respect to the emission distance. This is an important requirement for simplifying the optical design of the subsequent projector.
  • the surface on which the emitted light is incident on the lenses 41 to 44 is a flat surface or a gently curved surface with a small curvature.
  • the surfaces of the lenses 41 to 44 from which the emitted light exits are curved surfaces having a large curvature. This is because, in order to reduce the component cost of the lenses 41 to 44, if parallelism is attempted with one single lens, the main plane of the lenses 41 to 44 approaches the entrance surface, and the lens shape of the exit surface is hemispherical. To get closer to.
  • the single lens is usually concentric, and the lens design is preferentially corresponding to the fast axis direction with a large divergence angle. For this reason, even in the case where the divergence angle is large, the lens design is only about 10 degrees. The emitted light hardly exhibits a lens action.
  • the function of an anamorphic lens is realized by embodying two lens functions having greatly different focal lengths with respect to both axes orthogonal to each other with a single lens. Therefore, the feasibility is poor from the viewpoint of component cost.
  • the semiconductor laser element of the TO-Can type package has a light emitting size of the laser chip or a package size that matches the light output.
  • the spacer 20 that holds the collimator lens is a case that is provided in order to realize this, and is mainly made of metal or resin.
  • the spacer 20 is fixed to the base 30 to which the semiconductor laser elements 101 to 104 are bonded by fastening using screws, fixing using an adhesive, or both.
  • the semiconductor laser element of the TO-Can type package As a modified example of the semiconductor laser element of the TO-Can type package, an example of a cap with a lens that emits parallel light by replacing the plane window provided on the upper surface of the cap 11 with lens means is well known.
  • the laser light source device 1 according to the first embodiment is advantageous in that a lens having a larger diameter, that is, a lens having a long focal length can be adopted. It is.
  • the parallelism is reduced, which is advantageous from Etendue requirements.
  • the cap diameter of a ⁇ 9 mm package is about 7 mm, and the lens diameter is set to 5 to 6 mm in order to ensure sealing with a thick lens.
  • the diameter of the single lens employed in the first embodiment is about 10 mm, which is larger than 9 mm of the stem diameter, and if it is replaced with a focal length, an effect of improving parallelism of 1.5 times or more can be expected.
  • FIG. 6 is a perspective view of the spacer 20.
  • the spacer 20 is provided for each of the lenses 41 to 44 in a space 20a for containing the semiconductor laser elements 101 to 104 and a peripheral portion of an opening on the upper surface side of the spacer 20 in the space 20a.
  • a wall portion 20c protruding from the upper surface of the spacer 20 along the support surface 20b.
  • the support surface 20b is annular and supports the lower surfaces of the lenses 41 to 44.
  • the wall portion 20c covers most of the side surfaces of the lenses 41 to 44, and the side surfaces of the lenses 41 to 44 are fixed to the wall portion 20c by the adhesive 50.
  • the “opening to the upper surface side of the spacer 20 in the space 20a” is simply referred to as “opening of the space 20a”.
  • the space 20a not only makes the semiconductor laser elements 101 to 104 reside in the spacer 20, but also serves to couple the laser beams emitted from the semiconductor laser elements 101 to 104 to the lenses 41 to 44. Accordingly, the opening of the space 20a is formed as a concentric circle of the lenses 41 to 44 which are circular. That is, since a dedicated space is provided between the semiconductor laser elements 101 to 104 and the corresponding lenses 41 to 44, the laser light from the adjacent semiconductor laser elements 101 to 104 leaks and stray light. None become. Note that the diameter of the opening of the space 20a is smaller than the diameter of the lenses 41 to 44 so that the spacer 20 can support the lenses 41 to 44 on the upper surface thereof. Further, the wall portion 20c is also formed as a concentric circle with the lenses 41 to 44, and the lenses 41 to 44 are included in the concentric circle formed by the wall portion 20c. Bigger than.
  • FIG. 7 is an enlarged plan view of the wall portion 20c of the spacer 20 and its peripheral portion. As shown in FIG. 7, the above magnitude relationship is expressed by the following equation (2), where d1 is the diameter of the opening of the space 20a, d2 is the diameter of the lens 41, and d3 is the inner diameter of the wall portion 20c.
  • the focal length can be set to about 8 mm. Since the back focal length in that case is about 5 mm, the area necessary for the lens incident surface to which the outgoing light spreading at 60 degrees in all angles reaches is about 6 mm in diameter.
  • the diameter d1 of the opening of the space 20a should not be too small with respect to the diameter d2 of the lens 41 because it is necessary to efficiently couple the emitted light from the semiconductor laser elements 101 to 104 to the lens 41. Considering that depending on the semiconductor laser element, a full angle of about 75 degrees should be allowed, the diameter d1 of the opening of the space 20a should be at least about 8 mm.
  • the wall portion 20c is provided along the side surfaces of the mounted lenses 41 to 44, but is not provided along the entire side surfaces of the lenses 41 to 44. As shown in FIGS. 5 to 7, in the wall portion 20c, the direction connecting diagonal points of the square lattice points where the semiconductor laser elements 101 to 104 are located, that is, the lattice point (0, b) and the lattice point (a, A relief groove 20d having a width L1 is provided in a direction parallel to the straight line connecting 0). The escape groove 20d is necessary for gripping the side surfaces of the lenses 41 to 44 when the lenses 41 to 44 are adjusted to the optimum positions on the spacer 20.
  • the lenses 41 to 44 and the spacer 20 are fixed via an adhesive 50.
  • an adhesive 50 an epoxy resin-based or acrylic resin-based adhesive that is an ultraviolet curable adhesive is used from the viewpoint of manufacturing the laser light source device 1.
  • the wall portion 20c plays a role for easily and firmly realizing the adhesion and fixing of the lenses 41 to 44 and the spacer 20.
  • FIG. 8A is a plan view of the wall portion 20c of the spacer 20 and its peripheral portion before the lens 41 is arranged
  • FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 8A.
  • FIG. 9A is a plan view of the wall 20c of the spacer 20 after the lens 41 is disposed and its peripheral portion
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 9A.
  • FIG. 10 is a perspective view of the laser light source device 1 showing a state in which the adjustment process of the lens 41 is performed by the lens gripping mechanism 60.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the clearance groove 20d and the pitch interval between the adjacent semiconductor laser elements 101 to 104.
  • the base 30 is omitted for the sake of simplicity.
  • the pitch interval P in FIG. 12 is the same as the lattice point interval in FIG.
  • the semiconductor laser elements 101 to 104 are fixed to the base 30.
  • the spacer 20 is fixed to the base 30.
  • the adhesive 50 is first applied on the support surface 20b of the spacer 20 in a state where the lens 41 is not disposed.
  • the adhesive 50 extends along the inner peripheral surface 20e of the wall portion 20c in a direction connecting diagonal points of square lattice points where the semiconductor laser element 101 is located, that is, lattice points (0, 0) and lattice points ( It is applied at two locations facing each other across the lens 41 in a direction parallel to the straight line connecting a and b).
  • the lens 41 is disposed on the spacer 20.
  • the inner peripheral surface 20e of the wall portion 20c is a surface facing the side surface of the lens 41 in the wall portion 20c.
  • the adhesive 50 spreads by being sandwiched between the lens 41 and the wall portion 20c, and as a result, as shown in FIGS. 9A and 9B, wraps around the side surface and the incident surface of the lens 41. .
  • the height H of the inner peripheral surface 20e of the wall portion 20c is d3-d1, which is the dimension of the surface on which the lens 41 shown in FIG. 7 rides, that is, the dimension shown in FIG.
  • the amount of the adhesive 50 that wraps around the side surface of the lens 41 and the amount of the adhesive 50 that wraps around the entrance surface of the lens 41 and contributes to the respective adhesion do not cause a large difference. It is desirable to do.
  • the height H of the inner peripheral surface 20e of 20c is desirably 60% or less of the height H ′ of the side surface of the lens 41.
  • the lens gripping mechanism 60 is disposed in the escape groove 20d of the wall portion 20c and operates in the direction of the arrow.
  • the lens gripping mechanism 60 grips the side surface of the lens 41 and adjusts the position of the lens 41.
  • the position adjustment of the lens 41 is performed while moving the upper surface of the spacer 20 in the plane while the lens gripping mechanism 60 grips the lens 41.
  • the position adjustment is performed while the semiconductor laser element 101 is driven by current and the emitted light 70 from the lens 41 is monitored. That is, the position adjustment is performed by aligning the light source image of the emitted light 70 with a predetermined target position on a screen separated by a certain distance.
  • the lens 41 can be moved along the inner diameter of the wall 20c, but the size of the lens gripping mechanism 60 must be smaller than the width L1 of the escape groove 20d.
  • the width L1 of the relief groove 20d is expressed as in equation (4) and further in equation (5) using the pitch interval P of the square lattice arrangement and the pitch interval Pd in the diagonal direction. it can.
  • the width L1 of the escape groove 20d is
  • the width L1 of the relief groove 20d can be determined from a trade-off between the gap between the side surface of the lens 41 and the inner peripheral surface 20e. If ⁇ is too large, a large amount of the adhesive 50 for obtaining a desired adhesive force is required, which is not a good idea because the curing time becomes long or the material cost increases.
  • the dimension required for the position adjustment of the lens 41 is approximately ⁇ 10% of the light emission size of the semiconductor laser chip, and ⁇ corresponding to the gap between the side surface of the lens 41 and the inner peripheral surface 20e is It has been found that it is sufficient to take about twice the size required for position adjustment.
  • 0.6 mm, and thus L1 is 4 mm.
  • the laser light source device 1 includes the base 30 whose upper surface is a plane, and the x-axis that is on the upper surface of the base 30 and parallel to the upper surface of the base 30. And a plurality of semiconductor lasers arranged on lattice points formed by intersections of the x-axis group and the y-axis group each having a y-axis arranged in a direction parallel to the upper surface of the base 30 and intersecting the x-axis Elements 101 to 104, a plurality of lenses 41 to 44 that collimate laser beams emitted from the plurality of semiconductor laser elements 101 to 104, and spacers that are disposed on the upper surface of the base 30 and support the plurality of lenses 41 to 44 20 and an adhesive 50 for fixing the plurality of lenses 41 to 44 to the spacer 20.
  • the spacer 20 supports the lower surface of the lenses 41 to 44 for each lens 41 to 44, respectively.
  • a surface 20b and a wall portion 20c to which the side surfaces of the lenses 41 to 44 are fixed by an adhesive 50 are provided.
  • the wall portion 20c has a relief groove 20d formed along a direction connecting diagonal points of lattice points. .
  • the laser light source device 1 does not include a lens holding lens barrel, and the plurality of lenses 41 to 44 are fixed to the spacer 20, so that a high in-plane mounting density of the semiconductor laser elements 101 to 104 can be realized.
  • the lens gripping mechanism 60 is disposed in the clearance groove 20d provided in the spacer 20, and the lenses 41 to 44 can be gripped along the clearance groove 20d by the lens gripping mechanism 60. High-precision position adjustment is possible.
  • the distance from the side surface of the lens 41 to 44 to the surface of the wall portion 20c that faces the side surface of the lens 41 to 44, that is, the inner peripheral surface 20e of the wall portion 20c is too large, adhesion to obtain a desired adhesive force Since a large amount of the agent 50 is necessary, the curing time of the adhesive 50 becomes longer and the material cost increases.
  • the sum of the distance from the side surface of the lens 41 to the inner peripheral surface 20e of the wall portion 20c and the width of the escape groove 20d is constant. Thereby, it becomes easy to find the optimum value of the distance and the width of the relief groove 20d, and it is possible to achieve both suppression of an increase in manufacturing cost of the laser light source device 1 and highly accurate position adjustment of the positions of the lenses 41 to 44. .
  • the gap between the side surfaces of the lenses 41 to 44 and the inner peripheral surface 20e of the wall portion 20c is about twice as large as that required for adjusting the positions of the lenses 41 to 44, that is, about 2% which is about ⁇ 10% of the light emission size of the semiconductor laser chip. It is preferable that it is double. In this case, the width L1 of the escape groove 20d of about 40% of the diameter of the lenses 41 to 44 can be secured. As described above, the laser light source device 1 can be reduced in size and improved in durability.
  • the laser light source device 1 Since the height of the surface of the wall portion 20c that faces the side surfaces of the lenses 41 to 44 is 60% or less of the height of the side surface of the lenses 41 to 44, the laser light source device 1 does not impair the moldability of the wall portion 20c. An increase in manufacturing cost can be suppressed.
  • FIG. 13 and FIG. 14 are diagrams showing regions in which emitted light passes through the exit surface of the lens when the laser light source device 1 according to Embodiment 2 is driven. More specifically, FIG. 13 and FIG. 14 show that per unit area of the laser light source device 1 by arranging three semiconductor laser elements adjacent to each other so as to have an equilateral triangle relationship indicated by a dotted line in the figure. It is a figure which shows the example which raised the mounting rate of the semiconductor laser element of.
  • the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • Arranging semiconductor laser elements in the closest packing is a typical demand derived from Etendue requirements. Therefore, in the second embodiment, as shown in FIGS. 13 and 14, the three semiconductor laser elements 101 to 103 adjacent to each other are arranged so as to form an equilateral triangle when viewed from the emission direction.
  • the semiconductor laser elements 101 to 103 are disposed inside the lenses 41 to 43, respectively.
  • FIG. 13 shows an example in which all the semiconductor laser elements 101 to 104 are arranged so as to face the same direction, and the major axes of the emitted light 70 are all parallel to the y-axis.
  • the upper two semiconductor laser elements 103 and 104 have the major axis of the emitted light 70 parallel to the y axis
  • the lower two semiconductor laser elements 101 and 102 have the major axis of the emitted light 70 x. This is an example parallel to the axis.
  • FIGS. 13 and 14 are based on the idea that the etendue of the laser light source device 1 is first reduced to improve the light utilization efficiency of the projector. Note that the number and arrangement interval of the semiconductor laser elements are parameters that can be flexibly scaled according to the required total light output of the projector and the optical design inside the projector.
  • the laser light emitted from the laser light source device 1 is concentrated or separated by the optical means at the subsequent stage and is efficiently used by the projector. For this reason, the laser light source device 1 with the smallest etendue based on a regular triangular arrangement as shown in FIG. 13 and FIG. 14 is not necessarily optimal, and has the square lattice shape shown in the first embodiment. It may be desirable to arrange them. In any case, the laser light source device 1 can exhibit the effect of increasing the light use efficiency of the projector with high flexibility.
  • the three semiconductor laser elements 101 to 103 adjacent to each other are arranged so as to form an equilateral triangle when viewed from the emission direction.
  • the mounting rate of the semiconductor laser elements per unit area can be increased, and the etendue of the laser light source device 1 can be made close to the minimum.
  • the lenses 41 to 44 do not necessarily have a flat incident surface, and may have a curved surface shape in any direction of unevenness. However, in the step of aligning the lenses 41 to 44 in the plane parallel to the x axis and the y axis, a plane is formed in a range where the lenses 41 to 44 may contact the upper surface of the spacer 20. It is desirable.
  • the exit surfaces and entrance surfaces of the lenses 41 to 44 do not have to be axisymmetric curved surfaces.
  • the exit surface or the entrance surface has a shape in which the exit light from the semiconductor laser elements 101 to 104 is parallel light only in the fast axis direction. It may be a cylindrical lens.
  • the diagonal of the lattice point where the semiconductor laser elements 101 to 104 are located is provided. It does not necessarily have to be on the extended line in the direction connecting the points.
  • 1 laser light source device 20 spacer, 20b support surface, 20c wall, 20d relief groove, 30 base, 41-44 lens, 50 adhesive, 101-104 semiconductor laser element.

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Abstract

レーザ光源素子の高い面内実装密度を実現し、かつ、製造コストの増加を抑えるとともに各レーザ光源素子に対するレンズの位置を高精度に調整可能な技術を提供することを目的とする。レーザ光源装置1は、ベース30と、ベース30の上面上であり、かつ、x軸群およびy軸群の交点からなる格子点上に配列される複数の半導体レーザ素子101~104と、複数の半導体レーザ素子101~104が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズ41~44と、ベース30の上面に配置されたスペーサ20と、接着剤50とを備える。スペーサ20は、各レンズ41~44毎に、円環状の支持面20bと、壁部20cとを備え、壁部20cは格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝20dを有する。レンズ41~44の側面から、壁部20cにおけるレンズ41~44の側面と対向する面までの距離と、逃げ溝20dの幅との和が一定である。

Description

レーザ光源装置
 本発明は、半導体レーザ素子等のレーザ発振素子を備えたレーザ光源装置において、複数のレーザ発振素子を共通の筐体に組み込むための構成および保持構造に関するものである。
 近年、プロジェクタ等の投射型表示装置の光源として半導体レーザ素子が注目されている。半導体レーザ素子は、発振される光の単色性、高指向性および低消費電力等の優れた特長を有し、現在普及しているランプの置き換え光源として期待されている。しかしながら現状の半導体レーザ素子は、1つの素子で投射型表示装置に求められる出力を達成することが困難であり、レーザ発振素子を複数搭載して投射型表示装置の光源を構成するのが一般的である。
 複数の半導体レーザ素子を搭載してプロジェクタの光源を構成する場合、エタンデュの要件から、半導体レーザ素子同士はできる限り近接して配置することが望ましい。エタンデュは光束の面積と拡がり角(換言すると立体角)の積で定義される量である。光学系の中でエタンデュは一定なので、光源側のエタンデュはプロジェクタ内の光学系のエタンデュにより制限される。例えば光源側のエタンデュが大きいと、プロジェクタ側で有効利用できない光束の割合が増加する。レーザ発振素子は発光面積が小さいことから光源側のエタンデュを小さくするのに本質的に有利であるが、複数のレーザ発振素子を使用する場合には、互いを近接配置して光源側のエタンデュを小さく保つ工夫が必要である。光の利用効率を高めることができればプロジェクタ内の光学系全体の小型化にも貢献し、装置全体のコストダウンを図ることができる。
 さらに、高輝度プロジェクタを実現するためには、まず光源側のエタンデュを小さくする必要がある。複数のレーザ発振素子の近接配置と併せて効果的なのが、レーザ出射光の拡がり角の低減であり、レーザ発振素子の位置、および個々の出射光の配光制御に高い精度が要求される。つまり、レーザ発振素子のひとつひとつに対応するレンズ手段を精密に位置調整して拡がり角のばらつきを抑制することでエタンデュを小さくすることができる。
 上記の課題に対し、例えば特許文献1には、レンズの保持部材を別の支持部材に溶接固定する際にレンズの位置調整機構が開示されている。
 特許文献2には、複数の半導体レーザ素子に対しレンズアレイを用いることで面内実装密度を向上させる技術が開示されている。また、特許文献2には、レンズホルダによりレンズアレイの位置を調整する機構が開示されている。
特許第5453927号公報 特許第5835606号公報
 特許文献1では、レンズ保持用の鏡筒が半導体レーザ素子を複数配置する際の機構的な制約条件となり、半導体レーザ素子の面内実装密度を高めるという点で不利である。また、面内実装密度を高める目的で鏡筒を小型化する際には、それに応じたレンズの小型化が必須であり、光学設計の自由度が低下する。
 また、特許文献2では、レンズアレイが用いられているため、各半導体レーザ素子に対してレンズの位置を最適化することが難しい。各半導体レーザ素子をレンズアレイに対して個別調整しようとすると、通電した半導体レーザ素子を把持して微動させる技術が必要となり、著しく難易度が高まるだけでなく、複数の半導体レーザ素子と単一基板との接続が難しくなる。
 さらに、各半導体レーザ素子に対するレンズの位置を高精度に調整できるようにした場合にも、装置の製造コストの増加を抑えることが望ましい。
 そこで、本発明は、レーザ光源素子の高い面内実装密度を実現し、かつ、レーザ光源装置の製造コストの増加を抑えるとともに各レーザ光源素子に対するレンズの位置を高精度に調整可能な技術を提供することを目的とする。
 本発明に係るレーザ光源装置は、上面が平面であるベースと、前記ベースの上面上であり、かつ、前記ベースの上面に対して平行な方向であるx軸および前記ベースの上面に対して平行な方向かつ前記x軸に対して交差する方向であるy軸をそれぞれ配列したx軸群およびy軸群の交点からなる格子点上に配列される複数のレーザ光源素子と、複数の前記レーザ光源素子が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズと、前記ベースの上面に配置され、複数の前記レンズを支持するスペーサと、複数の前記レンズを前記スペーサに固定する接着剤とを備え、前記スペーサは、各前記レンズ毎に、前記レンズの下面を支持する円環状の支持面と、前記レンズの側面が前記接着剤にて固定される壁部とを備え、前記壁部は前記格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝を有し、前記レンズの側面から、前記壁部における前記レンズの側面と対向する面までの距離と、前記逃げ溝の幅との和が一定であるものである。
 本発明によれば、レーザ光源装置は、上面が平面であるベースと、ベースの上面上であり、かつ、ベースの上面に対して平行な方向であるx軸およびベースの上面に対して平行な方向かつx軸に対して交差する方向であるy軸をそれぞれ配列したx軸群およびy軸群の交点からなる格子点上に配列される複数のレーザ光源素子と、複数のレーザ光源素子が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズと、ベースの上面に配置され、複数のレンズを支持するスペーサと、複数のレンズをスペーサに固定する接着剤とを備え、スペーサは、各レンズ毎に、レンズの下面を支持する円環状の支持面と、レンズの側面が接着剤にて固定される壁部とを備え、壁部は格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝を有する。
 したがって、レーザ光源装置はレンズ保持用の鏡筒を備えず、スペーサに複数のレンズが固定されるため、レーザ光源素子の高い面内実装密度を実現することができる。また、スペーサに設けられた逃げ溝に沿ってレンズを把持することが可能であるため、レンズの高精度な位置調整が可能となる。
 レンズの側面から、壁部におけるレンズの側面と対向する面までの距離が大きすぎると、所望の接着力を得るための接着剤の量が多く必要となるため、接着剤の硬化時間が長くなったり材料コストが増加するという問題がある。しかし、本発明によれば、レンズの側面から、壁部におけるレンズの側面と対向する面までの距離と、逃げ溝の幅との和が一定である。これにより、当該距離と逃げ溝の幅の最適値を見つけやすくなり、製造コストの増加の抑制とレンズの位置の高精度な位置調整とを両立することができる。
 この発明の目的、特徴、局面、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に係るレーザ光源装置の斜視図である。 スペーサおよびレンズを取り除いた状態を示すレーザ光源装置の斜視図である。 図2のA-A線断面図である。 半導体レーザ素子の斜視図である。 半導体レーザ素子の配列を説明するための図である。 スペーサの斜視図である。 スペーサの壁部およびその周辺部の拡大平面図である。 レンズが配置される前のスペーサの壁部およびその周辺部の平面図と断面図である。 レンズが配置された後のスペーサの壁部およびその周辺部の平面図と断面図である。 レンズ把持機構によるレンズの調整工程を行っている状態を示すレーザ光源装置の斜視図である。 図10のD-D線断面図である。 逃げ溝と隣り合う半導体レーザ素子のピッチ間隔との関係を示す図である。 実施の形態2に係るレーザ光源装置を駆動した際に出射光がレンズの出射面を通過する領域を示す図である。 実施の形態2に係るレーザ光源装置を駆動した際に出射光がレンズの出射面を通過する領域を示す図である。
 <実施の形態1>
 本発明の実施の形態1について、図面を用いて以下に説明する。最初に、実施の形態1に係るレーザ光源装置1の全体的な構成について、図1~図3を用いて説明する。図1は、実施の形態1に係るレーザ光源装置1の斜視図である。図2は、スペーサ20およびレンズ41~44を取り除いた状態を示すレーザ光源装置1の斜視図である。図3は、図2のA-A線断面図である。
 図1~図3に示すように、レーザ光源装置1は、レーザ光源素子としての半導体レーザ素子101~104、レンズ41~44、スペーサ20、ベース30、および接着剤50を備える。レーザ光源装置1は、さらに駆動回路(図示省略)を備え、駆動回路を通じて半導体レーザ素子101~104に電流を注入し、レンズ41~44により平行光化された光出力を得る。
 次に、半導体レーザ素子101~104について、図4を用いて説明する。図4は、半導体レーザ素子101の斜視図である。半導体レーザ素子101~104は同じ構造であるため、ここでは半導体レーザ素子101について説明する。
 図4に示すように、半導体レーザ素子101は、例えばTO-Canタイプパッケージの半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子101は、キャップ11、ガラス窓12、ステム13、リードピン14、およびキャップ11の内部に設けられた半導体レーザチップ(図示省略)を備える。半導体レーザチップの主材料としてはGaAsおよびInGaN等の化合物半導体であり、半導体レーザチップはステム13に対して略垂直な方向に光を出射する。一般的に半導体レーザチップの端面は、駆動中に空気中の水分および粉塵が付着することで容易に破壊に至る。しかし、TO-Canタイプパッケージの半導体レーザ素子ではキャップ11により気密封止が保たれているため、駆動環境に求められる条件が緩和される。また、TO-Canタイプパッケージの半導体レーザ素子は小型であるため、使用個数の調整、すなわち要求仕様に応じた光出力の増減が容易である。
 端面発光型の半導体レーザ素子は、活性層に垂直な方向、すなわち速軸に沿った方向への出射光の拡がりが、活性層に水平な方向、すなわち遅軸に沿った方向への拡がりに対して約10倍大きいという特長がある。したがって、図4に示すように、出射光70の伝播方向に対する断面、すなわち遠視野像は楕円となっている。また、一般的にTO-Canパッケージタイプの半導体レーザ素子では、2本のリードピン14の方向に対し半導体レーザ素子の活性層が水平であるため、図4に示すように、リードピン14の配列方向の出射光の拡がりが小さく、90度傾いた軸に対する出射光70の拡がりが大きい。
 図1と図2に示すように、ベース30は、CuおよびAl等の金属、またはSiCおよびAlN等のセラミックといった高熱伝導材を主材料とした、半導体レーザ素子101~104を支持するための土台である。また、ベース30の上面は平面である。なお、図面において説明のために設けたx、y、z軸は直交座標系であり、x軸は、ベース30の上面に対して平行な方向を指している。y軸は、ベース30の上面に対して平行な方向、かつ、x軸に対して交差する方向を指している。より具体的には、y軸は、ベース30の上面に対して平行な方向、かつ、x軸に対して直交する方向を指している。z軸はベース30の上面に対して垂直な方向を指している。
 半導体レーザ素子101~104の底面は、熱伝導グリスまたはシート状の放熱材を介してベース30の上面に密着した状態で固定されている。さらに放熱性を高めるためには、SuAgCuまたはAuSn等を主成分とするはんだ材を用いて、半導体レーザ素子101~104とベース30を接合することが望ましい。なお、半導体レーザ素子101~104は、外部駆動系から電流を注入するためのリードピン14を有しているため、ベース30はそれを逃すための貫通穴または溝を有している。
 図2に示すように、直線81,82および直線91,92は、半導体レーザ素子101~104のベース30上での配置を説明するための仮想線である。直線81,82および直線91,92はそれぞれx軸およびy軸に平行な直線であり、かつ、ベース30の上面上に存在する。ここで、直線81,82および直線91,92は互いに交差する。より具体的には、直線81,82および直線91,92は互いに直交する。また、直線81と直線82の間隔、直線91と直線92の間隔はそれぞれ等しい。すなわち、直線81と直線82の間隔、直線91と直線92の間隔をそれぞれa,bとすると、次の(1)式の関係を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 半導体レーザ素子101~104は、その発光点が直線81,82および直線91,92の交点、すなわち正方格子点上に位置するよう配列され、面光源を形成している。図5は、半導体レーザ素子101~104の配列を説明するための図である。図5に示すように、直線81と直線91の交点を(x,y)=(0,0)とすると、(x,y)=(0,0)、(a,0)、(0,b)、(a,b)の4点に発光点が位置する。
 このときの半導体レーザ素子101~104の配列間隔、すなわち格子点の配列間隔は、レーザ光源装置1が最終的に組み込まれるプロジェクタ等のシステムからの要求にも依存するが、一般的にはエタンデュの要件から密であることが望ましい。半導体レーザ素子101~104の間隔が密であるほど、すなわち光源の発光面積が小さいほど、光源側のエタンデュを抑制できるため、プロジェクタ装置側の光利用効率を高めることができる。また、プロジェクタを構成する光学部品を小さくすることができるため、プロジェクタの製造コストを抑制できる。なお、直線81,82がx軸群に相当し、直線91,92がy軸群に相当する。
 図1に示すように、レンズ41~44は、半導体レーザ素子101~104が出射するレーザ光(以下、「出射光」ともいう)を平行光化するためのレンズであり、上面が軸対称の球面または非球面である。半導体レーザ素子、特に端面発光型の半導体レーザ素子では、発振波長に対して出射口が非常に小さいため、回折効果によるビームの拡がりが生じる。特に半導体レーザチップのエピタキシャル成長方向に沿った方向、すなわち速軸方向の拡がりは全角で60度ほどである。このため、半導体レーザ素子101~104から比較的近い位置にコリメート作用を有するレンズ41~44を配置し、ビームサイズを出射距離に対し略一定に維持させている。これは後段のプロジェクタの光学設計を簡素化するための重要な要件である。
 半導体レーザ素子101~104からの出射光が全角で60度近くになることから、レンズ41~44における出射光が入射する面は平面または曲率の小さい緩やかな曲面となる。また、レンズ41~44における出射光が出射する面は曲率の大きな曲面となる。これは、レンズ41~44の部品コストを抑制するために、1枚の単レンズで平行化を実現しようとすると、レンズ41~44の主平面が入射面に近づき、出射面のレンズ形状が半球に近づくためである。
 なお、単レンズは通常同心円状であり、拡がり角の大きな速軸方向に優先的に対応してレンズ設計が行われる、このため、拡がり角度が大きくても10度程度にしかならない遅軸方向の出射光についてはレンズ作用をほとんど呈することがない。速軸と遅軸の両方に効果的に作用するためには、互いに直交する両軸に関して焦点距離の大きく異なる2つのレンズ機能を唯一の単レンズで具体化する、例えばアナモルフィックレンズの機能を持たせることとなり、部品コストの観点から実現性に乏しくなる。
 TO-Canタイプパッケージの半導体レーザ素子は、そのレーザチップの発光サイズ、または光出力に合わせたパッケージサイズを有する。業界標準としてはφ3.8mm、φ5.6mmがあり、φ9mmのパッケージも多く流通しているが、これらは図4に示すステム13の直径を示し、平面上にTO-Canタイプパッケージの半導体レーザ素子を並べる際の物理的な制限となる。
 ここでは、ステム径がφ9mmのパッケージについて説明する。個々の半導体レーザ素子101~104からの発散光を平行化する単レンズは、パッケージサイズに依存する所定の間隔、すなわちステム13の直径以上の間隔を保って配置することができる。コリメータレンズを抱えるスペーサ20はこれを実現するために設けられる、金属または樹脂を主材料とする筐体である。スペーサ20は、半導体レーザ素子101~104が接合されたベース30に対し、ねじを用いた締結固定、接着剤を用いた固定、またはその両方によって固定されている。
 なお、TO-Canタイプパッケージの半導体レーザ素子の変形例として、キャップ11の上面に設けられる平面窓をレンズ手段に代え、平行光を出射するレンズ付きキャップの例がよく知られている。しかし、この場合はキャップの直径より大きなレンズを抱えることが困難であり、より直径の大きなレンズ、すなわち焦点距離の長いレンズを採用できるという点で本実施の形態1に係るレーザ光源装置1が有利である。
 すなわち、所定の半導体レーザチップの発光サイズに対し、より長い焦点距離を有するレンズで平行化すると、その平行度は小さくなり、エタンデュの要件から有利となる。例えば、φ9mmパッケージのキャップ径は約7mmであり、厚みのあるレンズによる密閉性の確保からレンズ径は5~6mmに設定される。しかし、本実施の形態1で採用される単レンズの径はステム径の9mmより大きな約10mmであり、焦点距離に置き換えると単純に1.5倍以上の平行度改善効果が期待できる。
 図6は、スペーサ20の斜視図である。図6に示すように、スペーサ20は、各レンズ41~44毎に、半導体レーザ素子101~104を内在するための空間20aと、空間20aにおけるスペーサ20の上面側への開口の周縁部に設けられた支持面20bと、支持面20bに沿うようにスペーサ20の上面から突出した壁部20cとを有する。支持面20bは、円環状であり、レンズ41~44の下面を支持する。壁部20cはレンズ41~44の側面のほとんどを覆い、壁部20cにレンズ41~44の側面が接着剤50により固定される。以下、「空間20aにおけるスペーサ20の上面側への開口」を、単に「空間20aの開口」という。
 空間20aは、半導体レーザ素子101~104をスペーサ20に内在させるだけではなく、半導体レーザ素子101~104から出射されたレーザ光をレンズ41~44に結合させるための役割を担う。したがって、空間20aの開口は、円形であるレンズ41~44の同心円として形成されている。つまり、半導体レーザ素子101~104と、これに対応するレンズ41~44との間に専用の空間が設けられているため、隣接する半導体レーザ素子101~104からのレーザ光が漏れこんで迷光となることがない。なお、スペーサ20がその上面でレンズ41~44を支持できるように、空間20aの開口の直径は、レンズ41~44の直径よりも小さい。また、壁部20cもレンズ41~44と同心円として形成されており、壁部20cにより形成される同心円内にレンズ41~44が内在されるため、壁部20cの内径はレンズ41~44の直径よりも大きい。
 図7は、スペーサ20の壁部20cおよびその周辺部の拡大平面図である。図7に示すように、上記の大小関係は、空間20aの開口の直径をd1、レンズ41の直径をd2、壁部20cの内径をd3とすると次の(2)式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 例えば、φ10mm程度の単レンズであれば、焦点距離は8mm程度に設定することができる。その場合のバックフォーカル長は5mm程度になることから、全角60度で拡がる出射光が到達するレンズ入射面に必要なエリアは直径6mm程度である。半導体レーザ素子101~104からの出射光を効率よくレンズ41に結合させる必要性から、空間20aの開口の直径d1はレンズ41の直径d2に対し小さ過ぎないほうがよい。半導体レーザ素子によっては全角75度程度までは許容されるべきであるということを考えると、空間20aの開口の直径d1は最小でも8mm程度は確保すべきである。
 以上を考慮すると、空間20aの開口の直径d1、レンズ41の直径d2との間には、次の(3)式のような関係が成立することが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 また、壁部20cは搭載されるレンズ41~44の側面に沿うように設けられているが、レンズ41~44の側面全域に沿うようには設けられていない。図5~図7に示すように、壁部20cにおいて、半導体レーザ素子101~104の位置する正方格子点の対角点どうしを結ぶ方向、すなわち格子点(0,b)と格子点(a,0)を結ぶ直線と平行な方向に対しては幅L1を有する逃げ溝20dが設けられている。逃げ溝20dは、スペーサ20上でレンズ41~44を最適な位置に調整する際に、レンズ41~44の側面を把持するために必要となる。
 レンズ41~44とスペーサ20は接着剤50を介して固定される。接着剤50として、レーザ光源装置1の製造の観点から紫外線硬化型の接着剤であるエポキシ樹脂系またはアクリル樹脂系の接着剤が使用される。壁部20cは、レンズ41~44とスペーサ20の接着固定を容易かつ強固に実現するための役割を担う。
 次に、レーザ光源装置1の製造方法について、図8~図12を用いて説明する。図8(a)は、レンズ41が配置される前のスペーサ20の壁部20cおよびその周辺部の平面図であり、図8(b)は、図8(a)のB-B線断面図である。図9(a)は、レンズ41が配置された後のスペーサ20の壁部20cおよびその周辺部の平面図であり、図9(b)は、図9(a)のC-C線断面図である。図10は、レンズ把持機構60によるレンズ41の調整工程を行っている状態を示すレーザ光源装置1の斜視図である。図11は、図10のD-D線断面図である。図12は、逃げ溝20dと隣り合う半導体レーザ素子101~104のピッチ間隔との関係を示す図である。なお、断面図においては図面を簡略化するためにベース30の記載を省略している。また、図12のピッチ間隔Pは図3の格子点間隔と同じである。
 先ず、半導体レーザ素子101~104をベース30に固定する。次に、スペーサ20をベース30に固定する。図8(a),(b)に示すように、レンズ41の接着に際し、始めにレンズ41が配置されていない状態でスペーサ20の支持面20b上に接着剤50を塗布する。このとき、接着剤50は壁部20cの内周面20eに沿って、半導体レーザ素子101の位置する正方格子点の対角点同士を結ぶ方向、すなわち格子点(0,0)と格子点(a,b)を結ぶ直線と平行な方向に、レンズ41を挟んで対向して2箇所ずつ塗布される。続いてレンズ41をスペーサ20に配置する。なお、壁部20cの内周面20eとは、壁部20cにおけるレンズ41の側面と対向する面である。
 このとき、接着剤50はレンズ41と壁部20cの間に挟まれることで周囲に拡がり、結果として図9(a),(b)に示すように、レンズ41の側面と入射面に回りこむ。これにより、壁部20cがないときと比べて広い接着面積を確保でき、より高い接着強度を得ることができる。なお、接着強度の確保の観点から、壁部20cの内周面20eの高さHは、図7に示すレンズ41が乗る面の寸法であるd3-d1、すなわち図9(b)に示す寸法Wと少なくとも同程度以上とし、レンズ41の側面に回りこむ接着剤50の量と、レンズ41の入射面に回りこんでそれぞれの接着に寄与する接着剤50の量に大きな差が生じないようにすることが望ましい。
 しかしながら、高さHを大きくすると接着面積が増えて接着強度が高まる一方で、壁部20cの成形性への影響、および材料体積が増えることによる製造コストへの影響が避けられないため、壁部20cの内周面20eの高さHはレンズ41の側面の高さH’の60%以下であることが望ましい。
 続いて、図10と図11に示すように、レンズ把持機構60は、壁部20cの逃げ溝20dに配置され、矢印の方向に動作する。レンズ把持機構60は、レンズ41の側面を把持し、レンズ41の位置調整を行う。レンズ41の位置調整は、レンズ把持機構60がレンズ41を把持した状態で、スペーサ20の上面を面内に移動しながら行われる。さらに、位置調整は、半導体レーザ素子101を電流駆動しレンズ41からの出射光70をモニタリングしながら行われる。すなわち、ある一定距離離れたスクリーン上に予め定められたターゲット位置に出射光70の光源像を合わせこむことで位置調整を実施する。
 レンズ41は、壁部20cの内径に沿って移動させることができるが、レンズ把持機構60の寸法は、逃げ溝20dの幅L1より小さくしなければならない。図12に示すように、逃げ溝20dの幅L1は、正方格子配列のピッチ間隔Pと、対角方向のピッチ間隔Pdを用いて、(4)式、さらには(5)式のように表現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 例えば、P=約11mm、d3=壁部20cの内径=レンズ41の直径10mm+α(αはレンズ41の側面から内周面20eまでの隙間に相当)、壁部20cの厚みの最小値を約0.5mmとすると、逃げ溝20dの幅L1は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
となり、逃げ溝20dの幅L1は、レンズ41の側面と内周面20eとの隙間とのトレードオフから決めることができる。αが大きすぎると所望の接着力を得るための接着剤50の量が多く必要となるため、硬化時間が長くなったり、材料コストが増加したりして得策ではない。レンズ41の位置調整に必要な寸法は、半導体レーザチップの発光サイズの±10%程度とするのが目安であり、レンズ41の側面と内周面20eとの隙間に相当するαはレンズ41の位置調整に必要な寸法の2倍程度取れば十分であることがわかった。本実施の形態1では、α=0.6mmであり、よってL1は4mmとなる。詳細には実際のレーザ光源装置1の組立安定性および壁部20cの成形性等を見ながら、それぞれの数値パラメータに対して最適値を決定することが望ましい。
 以上のように、実施の形態1に係るレーザ光源装置1は、上面が平面であるベース30と、ベース30の上面上であり、かつ、ベース30の上面に対して平行な方向であるx軸およびベース30の上面に対して平行な方向かつx軸に対して交差する方向であるy軸をそれぞれ配列したx軸群およびy軸群の交点からなる格子点上に配列される複数の半導体レーザ素子101~104と、複数の半導体レーザ素子101~104が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズ41~44と、ベース30の上面に配置され、複数のレンズ41~44を支持するスペーサ20と、複数のレンズ41~44をスペーサ20に固定する接着剤50とを備え、スペーサ20は、各レンズ41~44毎に、レンズ41~44の下面を支持する円環状の支持面20bと、レンズ41~44の側面が接着剤50にて固定される壁部20cとを備え、壁部20cは格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝20dを有する。
 したがって、レーザ光源装置1はレンズ保持用の鏡筒を備えず、スペーサ20に複数のレンズ41~44が固定されるため、半導体レーザ素子101~104の高い面内実装密度を実現することができる。また、スペーサ20に設けられた逃げ溝20dにレンズ把持機構60が配置され、レンズ把持機構60により逃げ溝20dに沿ってレンズ41~44を把持することが可能であるため、レンズ41~44の高精度な位置調整が可能となる。
 レンズ41~44の側面から、壁部20cにおけるレンズ41~44の側面と対向する面、すなわち、壁部20cの内周面20eまでの距離が大きすぎると、所望の接着力を得るための接着剤50の量が多く必要となるため、接着剤50の硬化時間が長くなったり材料コストが増加する。しかし、本実施の形態1では、レンズ41の側面から、壁部20cの内周面20eまでの距離と、逃げ溝20dの幅との和が一定である。これにより、当該距離と逃げ溝20dの幅の最適値を見つけやすくなり、レーザ光源装置1の製造コストの増加の抑制とレンズ41~44の位置の高精度な位置調整とを両立することができる。
 また、壁部20cを利用してレンズ41~44とスペーサ20との間の接着面積を拡大することで、接着固定の強度を容易に高めることが可能となる。レンズ41~44の側面と壁部20cの内周面20eとの隙間はレンズ41~44の位置調整に必要な寸法の2倍程度、すなわち、半導体レーザチップの発光サイズの±10%程度の2倍であることが好ましい。この場合、レンズ41~44の直径の40%程度の逃げ溝20dの幅L1を確保することができる。以上より、レーザ光源装置1の小型化および耐久性の向上を図ることが可能となる。
 壁部20cにおけるレンズ41~44の側面と対向する面の高さは、レンズ41~44の側面の高さの60%以下であるため、壁部20cの成形性を損なうことなくレーザ光源装置1の製造コストの上昇も抑制できる。
 <実施の形態2>
 次に、実施の形態2に係るレーザ光源装置1について説明する。図13と図14は、実施の形態2に係るレーザ光源装置1を駆動した際に出射光がレンズの出射面を通過する領域を示す図である。より具体的には、図13と図14は、互いに隣り合う3つの半導体レーザ素子が図中点線で示される正三角形の関係となるように配列されることで、レーザ光源装置1の単位面積当たりの半導体レーザ素子の実装率を高めた例を示す図である。なお、実施の形態2において、実施の形態1で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
 半導体レーザ素子を最密充填に配置することは、エタンデュの要件から導出される典型的な要望である。そのため、実施の形態2では、図13と図14に示すように、互いに隣り合う3つの半導体レーザ素子101~103は、出射方向から視て正三角形状となるように配列される。なお、半導体レーザ素子101~103はレンズ41~43の内側にそれぞれ配置されている。
 図13は、すべての半導体レーザ素子101~104が同じ方向を向くように配列された例であり、出射光70の長軸がすべてy軸に平行となっている。図14は、上段の2つの半導体レーザ素子103,104は出射光70の長軸がy軸に平行となっており、下段の2つの半導体レーザ素子101,102は出射光70の長軸がx軸に平行となっている例である。図13と図14は、レーザ光源装置1のエタンデュをまず小さくしてプロジェクタの光利用効率を向上させる考えに基づいている。なお、半導体レーザ素子の数および配列間隔は、必要とされるプロジェクタの総光出力およびプロジェクタ内部の光学設計に対応して柔軟にスケーリングすることができるパラメータである。
 レーザ光源装置1から出射したレーザ光は後段の光学手段で集約されたり分離されて、プロジェクタで効率よく利用される。このため、図13と図14に示すような正三角形状の配列をベースにした、エタンデュが最も小さくなるレーザ光源装置1が必ずしも最適とは言えず、実施の形態1に示した正方格子状に配列する方が望ましい場合もある。いずれにしても、レーザ光源装置1は高い柔軟性をもって、プロジェクタの光利用効率を高める効果を発揮することが可能である。
 以上のように、実施の形態2に係るレーザ光源装置1では、互いに隣り合う3つの半導体レーザ素子101~103は、出射方向から視て正三角形状となるように配列されるため、レーザ光源装置1の単位面積当たりの半導体レーザ素子の実装率を高めて、レーザ光源装置1のエタンデュを最小に近づけることができる。
 <その他の変形例>
 なお、レンズ41~44は、必ずしもその入射面が平面である必要はなく、凹凸いずれの方向でも曲面形状を有していてもよい。ただし、レンズ41~44をx軸およびy軸に平行な面内で調芯する工程で、レンズ41~44におけるスペーサ20の上面と接する可能性のある範囲内においては、平面が形成されていることが望ましい。
 レンズ41~44は、その出射面および入射面が軸対称の曲面でなくてもよく、例えば出射面または入射面の形状が半導体レーザ素子101~104からの出射光を速軸方向にのみ平行光化するシリンドリカルレンズであってもよい。
 接着剤50の塗布位置は、半導体レーザ素子101~104の出射光70がレンズ41~44の出射面を通過する領域の外側であれば、半導体レーザ素子101~104の位置する格子点の対角点同士を結ぶ方向の延長線上に必ずしもある必要はない。
 この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、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。
 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。
 1 レーザ光源装置、20 スペーサ、20b 支持面、20c 壁部、20d 逃げ溝、30 ベース、41~44 レンズ、50 接着剤、101~104 半導体レーザ素子。

Claims (3)

  1.  上面が平面であるベース(30)と、
     前記ベース(30)の上面上であり、かつ、前記ベース(30)の上面に対して平行な方向であるx軸および前記ベース(30)の上面に対して平行な方向かつ前記x軸に対して交差する方向であるy軸をそれぞれ配列したx軸群およびy軸群の交点からなる格子点上に配列される複数のレーザ光源素子(101~104)と、
     複数の前記レーザ光源素子(101~104)が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズ(41~44)と、
     前記ベース(30)の上面に配置され、複数の前記レンズ(41~44)を支持するスペーサ(20)と、
     複数の前記レンズ(41~44)を前記スペーサ(20)に固定する接着剤(50)と、
     を備え、
     前記スペーサ(20)は、各前記レンズ(41~44)毎に、前記レンズ(41~44)の下面を支持する円環状の支持面(20b)と、前記レンズ(41~44)の側面が前記接着剤(50)にて固定される壁部(20c)とを備え、
     前記壁部(20c)は前記格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝(20d)を有し、
     前記レンズ(41~44)の側面から、前記壁部(20c)における前記レンズ(41~44)の側面と対向する面までの距離と、前記逃げ溝(20d)の幅との和が一定である、レーザ光源装置。
  2.  前記壁部(20c)における前記レンズ(41~44)の側面と対向する面の高さは、前記レンズ(41~44)の側面の高さの60%以下である、請求項1記載のレーザ光源装置。
  3.  複数の前記レーザ光源素子(101~104)は少なくとも3つの前記レーザ光源素子(101~104)を備え、
     少なくとも3つの前記レーザ光源素子(101~104)のうち、互いに隣り合う3つの前記レーザ光源素子(101~103)は、出射方向から視て正三角形状となるように配列される、請求項1記載のレーザ光源装置。
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