JP2017010636A - Ld光源装置および光源装置 - Google Patents

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Kiyoyuki Kaburagi
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Abstract

【課題】レーザーダイオード(LD)から出射されたレーザ光による光線束の中心軸間距離が二次元的に圧縮され、構造が簡単で装置の小型化が可能なLD光源装置及びこれを備えた光源装置を提供する。
【解決手段】レーザ光を出射する複数のLD12がx方向に離間して配置されたLD列の複数が、y方向に離間して配置されなる光源部11と、LDの各々から出射されたレーザ光による光線束の中心軸間距離を二次元的に圧縮する圧縮光学系20とを備える。圧縮光学系は一体のプリズムよりなり、LDに対向する光入射面と、y方向に並ぶ複数のLDからなるLD群14に対応する、レーザ光による光線束をx方向に反射する複数の光反射面からなる一次反射機構25と、一次反射機構からの光線束の中心軸間距離をy方向において圧縮する二次反射機構30とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数のLDを備えたLD光源装置およびこのLD光源装置を備えた光源装置に関する。
近年、光源装置においては、省エネルギー化および小型化の要請により、光源としてLD(レーザダイオード)等が利用されている。このようなLDを有するLD光源装置としては、高出力化を図るために、複数のLDが縦横に並ぶよう配置された光源部と、各LDからのレーザ光による光線束の中心軸間距離を圧縮する圧縮光学系とを備えてなるものが知られている(特許文献1参照。)。このLD光源装置における圧縮光学系は、それぞれ複数の光反射面が階段状に配置された、2つの階段状ミラーによって構成されている。
このようなLD光源装置によれば、圧縮光学系によって、各LDからのレーザ光による光線束の中心軸間距離が圧縮されるため、当該LD光源装置からの光を、集光光学系によって容易に集光することができる。
特許第5157961号
しかしながら、上記のLD光源装置においては、圧縮光学系を構成する階段状ミラーの構造が複雑であるため、圧縮光学系を作製する作業や、圧縮光学系を装置に組み込む作業が煩雑であり、しかも、装置の小型化を図ることが困難である、という問題がある。
また、LDから出射されたレーザ光のうち、光線束の中心軸に沿って進む光以外の光を利用することが困難である。
本発明の目的は、光源部におけるLDの各々から出射されたレーザ光による光線束の中心軸間距離を二次元的に圧縮することができ、しかも、構造が簡単で、装置の小型化を図ることができるLD光源装置およびこれを備えた光源装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記の目的に加えて、LDから出射された光の利用率が高いLD光源装置およびこれを備えた光源装置を提供することにある。
本発明のLD光源装置は、互いに直交する3つの方向をx方向、y方向およびz方向としたとき、
それぞれz方向にレーザ光を出射する複数のLDがx方向に互いに離間して並んだ状態で配置されてなるLD列の複数が、y方向に離間して配置されて構成された光源部と、
前記光源部における前記LDの各々から出射されたレーザ光による光線束の中心軸間距離を二次元的に圧縮する圧縮光学系と
を備えてなり、
前記圧縮光学系は、一体のプリズムよりなり、
前記プリズムは、前記LDの各々の発光面に対向する光入射面と、
y方向に並ぶ複数の前記LDからなるLD群の各々に対応して形成された、前記光入射面に入射されたレーザ光による光線束の各々をx方向に反射する複数の光反射面からなる一次反射機構と、
前記一次反射機構によって反射されたレーザ光による光線束の各々の中心軸間距離をy方向において圧縮する二次反射機構とを有し、
前記一次反射機構における前記光反射面の各々は、当該光反射面によって反射されたレーザ光による光線束の中心軸と、隣接する光反射面によって反射されたレーザ光による光線束の中心軸との間のz方向の距離が、x方向に隣接する前記LDの各々の発光面の中心間距離よりも小さくなるよう形成されていることを特徴とする。
本発明のLD光源装置においては、前記一次反射機構における互いに隣接する前記光反射面は、前記光入射面と平行な平面を介して連続していることが好ましい。
また、前記二次反射機構は、前記一次反射機構における前記光反射面によって反射されたレーザ光による光線束の各々をy方向に反射する第1光反射面と、当該第1光反射面によって反射されたレーザ光による光線束の各々をx方向に反射する第2光反射面とにより構成されていることが好ましい。
また、前記光源部は、前記LDの各々を固定するフレームを有してなり、
当該フレームの一面には、一平面に沿って延びる基準面が形成され、当該基準面に対して前記光入射面が対向するよう、前記プリズムが配置されていることが好ましい。
また、前記プリズムの光入射面には、前記LDの各々に対応してコリメートレンズ部が設けられていてもよい。
本発明の光源装置は、上記のLD光源装置と、
このLD光源装置からのレーザ光を集光する集光光学部材と
を備えてなることを特徴とする。
本発明の光源装置においては、前記LD光源装置からのレーザ光が前記集光光学部材を介して照射されることによって、蛍光を発する蛍光部材を有するものであってもよい。
このような光源装置においては、前記蛍光部材からの蛍光を集光する集光ミラーを有することが好ましい。
本発明によれば、圧縮光学系によって、光源部におけるLDの各々から出射されたレーザ光による光線束の中心軸間距離を二次元的に圧縮することができる。しかも、圧縮光学系は一体のプリズムよりなるため、簡単な構造で、装置の小型化を図ることができる。
また、一次反射機構における互いに隣接する光反射面が、光入射面と平行な平面を介して連続している構成によれば、LDから出射されたレーザ光のうち、光線束の中心軸に沿って進む光以外の光が、隣接する光反射面の間の平面によって反射されるため、高い光の利用率が得られる。
本発明のLD光源装置の一例における構成を示す説明図である。 図1に示すLD光源装置のA−A断面図である。 本発明の光源装置を搭載したファイバ照射型の光源装置の一例における構成を示す説明図である。 コリメートレンズ部が設けられた圧縮光学系を示す説明図である。 圧縮光学系の変形例を示す説明図である。 圧縮光学系の他の変形例を示す説明図である。 本発明のLD光源装置の他の例における構成を示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明のLD光源装置の一例における構成を示す平面図である。図2は、図1に示すLD光源装置のA−A断面図である。図1および図2において、それぞれ矢印で示すx方向、y方向およびz方向は、互いに直交する3つの方向である。
このLD光源装置10は、複数のLD(レーザダイオード)12を有する光源部11と、この光源部11におけるLD12の各々から出射されたレーザ光による光線束の中心軸間距離を二次元的に圧縮する、一体のプリズムよりなる圧縮光学系20と、この圧縮光学系20を固定する枠状の固定部材40とにより構成されている。図2においては、便宜上、固定部材40の図示が省略されている。
光源部11においては、それぞれz方向にレーザ光を出射する複数(図示の例では4つ)のCANパッケージ型のLD12がx方向に互いに離間して並んだ状態で配置されることによって、x方向に伸びるLD列13が形成されている。このLD列13の複数(図示の例では2列)が、y方向に離間して配置されている。
光源部11には、LD12の各々を固定する矩形の板状のフレーム15が設けられている。具体的に説明すると、フレーム15には、LD12の配置パターンに対応するパターンに従って複数の貫通孔16が形成されており、各貫通孔16内にLD12が固定されている。
また、フレーム15の各貫通孔16内には、コリメートレンズ17がLD12の発光面に対向するよう配置されている。このコリメートレンズ17は、保持部材18によって保持されている。
また、フレーム15の一面(図2において上面)には、圧縮光学系20を構成するプリズムを配置するための基準となる、一平面に沿って延びる基準面Sが形成されている。 フレーム15を構成する材料としては、ADC等のアルミニウム合金、FC等の鋳鉄などを用いることができる。
圧縮光学系20を構成するプリズムは、LD12の各々からのレーザ光が入射される光入射面21およびレーザ光が出射される光出射面22を有する。
光入射面21は、z方向に垂直な平面(x方向およびy方向に延びる平面)に沿って、LD12の各々の発光面に対向するよう形成されている。具体的には、圧縮光学系20を構成するプリズムは、その光入射面21がフレーム15の一面によって形成された基準面Sに平行に対向した状態で配置されている。光入射面21の表面粗さRaは、例えば50nm以下であることが好ましい。
光出射面22は、プリズムにおけるx方向の一端面によって形成され、x方向に垂直な平面とされている。
また、光入射面21および光出射面22には、無反射コートが施されていることが好ましい。
また、圧縮光学系20を構成するプリズムは、複数の光反射面26よりなる一次反射機構25を有する。一次反射機構25における光反射面26の各々は、y方向に並ぶ複数のLD12からなるLD群14の各々に対応して、x方向に互いに離間した状態で形成されている。これらの光反射面26は、LD群14におけるLD12の各々から光入射面21に入射されたレーザ光による光線束の各々を、z方向からx方向に反射するものであり、光入射面21に対して45°の角度で傾斜した状態で形成されている。光反射面26の表面粗さRaは、例えば50nm以下であることが好ましい。
そして、一次反射機構25における光反射面26の各々は、当該光反射面26によって反射されたレーザ光による光線束の中心軸Lcと、隣接する光反射面26によって反射されたレーザ光による光線束の中心軸Lcとの間のz方向の距離p2が、x方向に隣接するLD12の各々の発光面の中心間距離p1よりも小さくなるよう形成されている。このような構成とすることにより、各LD12からz方向に出射されたレーザ光による光線束の各々が各光反射面26によってx方向に反射されたときに、x方向に進む光線束の各々の中心軸間距離がz方向において圧縮される。
上記の各光線束の中心軸Lcの間の距離p2と各LD12の発光面の中心間距離p1との比(p2/p1)は、例えば0.15〜0.6である。
具体的な一例を示すと、x方向に隣接するLD12の発光面の中心間距離p1が11mmで、出射されるレーザ光の発散角度が小さいスロー軸方向(LD素子の積層結晶の接合面に平行な方向)がx方向となるよう、各LD12が配置され、コリメートレンズ17の焦点距離が4.7mmである場合には、隣接する光反射面26によって反射されたレーザ光による光線束の中心軸Lcとの間のz方向の距離p2が2mm(p2/p1=0.182)である。
一方、x方向に隣接するLD12の発光面の中心間距離p1が11mmで、出射されるレーザ光の発散角度が大きいファスト軸方向(LD素子の積層結晶の接合面に垂直な方向)がx方向となるよう、各LD12が配置された場合には、隣接する光反射面26によって反射されたレーザ光による光線束の中心軸Lcとの間のz方向の距離p2が5mm(p2/p1=0.454)である。
圧縮光学系20を構成するプリズムのz方向の厚さを小さくするためには、前者の構成、すなわち光源部11におけるLD12の各々が、スロー軸方向がx方向となるよう配置された構成が好ましい。
また、一次反射機構25においては、互いに隣接する光反射面26は、光入射面21と平行な平面27を介して連続して形成されている。具体的に説明すると、光反射面26におけるy方向に伸びる2つの側縁26a,26bのうち、光入射面21から離間した一方の側縁26aと、隣接する光反射面26における2つの側縁26a,26bのうち、光入射面21に接近した他方の側縁26bとは、光入射面21からの離間距離が同一とされている。そして、光反射面26における一方の側縁26aと、隣接する光反射面26における他方の側縁26bとの間に、光入射面21と平行な平面27が形成されている。
また、圧縮光学系20を構成するプリズムは、各光反射面26によって反射された各光線束の中心軸間距離をy方向において圧縮する二次反射機構30を有する。この二次反射機構30は、光反射面26によって反射されたx方向に進むレーザ光による光線束の各々をy方向に反射する第1光反射面31と、この第1光反射面31によって反射されたy方向に進むレーザ光による光線束の各々をx方向に反射する第2光反射面35とにより構成されている。
この例の二次反射機構30においては、2つのLD列13に対応して、2つの第1光反射面31および第2光反射面35が形成されている。具体的に説明すると、第1光反射面31の各々は、2つのLD列13の間の中央位置を含む、y方向に垂直な平面(x方向およびz方向に延びる平面)に対して互いに対称となるよう、x方向に垂直な平面(y方向およびz方向に延びる平面)に対して45°の角度に傾斜した状態で、互いに離間して形成されている。また、第2光反射面35の各々は、第1光反射面31に平行に対向する状態で形成されている。図1において、Hは空洞である。このような構成とすることにより、一方のLD列13のLD12から出射された、x方向に進むレーザ光による光線束のうち外側の一部と、他方のLD列13におけるLD12から出射された、x方向に進むレーザ光による光線束のうち外側の一部とが、第1光反射面31の各々によってy方向に互いに接近するよう反射され、更に、第2光反射面35の各々によってx方向に反射される。これにより、x方向に進む光線束の各々の中心軸間距離が実質的にy方向において圧縮される。
圧縮光学系20を構成するプリズムにおいて、光反射面26は、ゾルゲル法を利用して形成されていることが好ましい。ゾルゲル法は、金属アルコキシドの溶液からゾル状態、ゲル状態を経て固体のガラスを得る方法であり、この方法を利用して光反射面26を形成することによって、光反射面26と平面27との間の境界縁(稜線)をシャープに形成することができる。
以下、ゾルゲル法を利用したプリズムの作製方法の一例を示す。
シリカ(SiO2 )粒子(例えばナノメートルサイズのもの)、TEOS(Si(OC2 5 4 :テトラエトキシシラン)、エタノール、蒸留水、および塩酸若しくはアンモニア水を、各々の濃度で混合することによって、分散液(ゾル)を調製する。この分散液を、所定形状のモールドに注入し、TEOSの加水分解、重合を行うことにより、湿潤ゲルを形成する。次いで、湿潤ゲルを徐々に加温し、運搬が可能な多孔質湿潤ゲルを形成し、これを炉に入れ、1300℃以上で焼結させることによって、透明な石英ガラスのプリズムを作ることができる。
上記のLD光源装置10においては、光源部11における各LD12からレーザ光がz方向に出射される。このレーザ光の各々は、コリメートレンズ17を介して、圧縮光学系20を構成するプリズムの光入射面21に入射される。
圧縮光学系20を構成するプリズムにおいては、光入射面21に入射されてz方向に進むレーザ光による光線束の各々は、一次反射機構25における光反射面26の各々によってx方向に反射される。このとき、x方向に進むレーザ光による光線束の各々の中心軸間距離がz方向において圧縮される。
次いで、x方向に進むレーザ光による光線束の各々は、二次反射機構30における第1光反射面31の各々によってy方向に反射される。このとき、一方のLD列13におけるLD12に係るレーザ光による光線束と、他方のLD列13におけるLD12に係るレーザ光による光線束とは、第1光反射面31の各々によってy方向に互いに接近するよう反射される。その後、y方向に進むレーザ光による光線束の各々は、第2光反射面35の各々によってy方向に反射される。これにより、x方向に進むレーザ光による光線束の各々の中心軸間距離がy方向において圧縮される。
このようにして、中心軸間距離が二次元的に圧縮された、x方向に進むレーザ光による光線束の各々は、光出射面22から出射される。
図3は、本発明の光源装置を搭載したファイバ照射型の光源装置の一例における構成を示す説明図である。この光源装置は、筐体50を有し、この筐体50内には、図1に示す構成のLD光源装置10が配置されている。LD光源装置10における圧縮光学系20の出射面の前方には、LD光源装置10からx方向に出射されたレーザ光L1をz方向に反射する光反射部材51が配置されている。
また、筐体50内には、光反射部材51からのレーザ光L1を集光する集光光学部材52が配置設けられている。この集光光学部材52は、その光軸がz方向に伸びるよう配置されている。集光光学部材52の焦点には、LD光源装置10からのレーザ光L1が集光光学部材52を介して照射されることによって、蛍光L2を発する蛍光部材53が配置され、この蛍光部材53が一方の焦点に位置するよう、蛍光部材53からの蛍光L2を集光する、楕円反射鏡よりなる集光ミラー55が配置されている。蛍光部材53は、伝熱板54に保持されている。
また、この光源装置には、集光ミラー55からの蛍光L2を受光して導光する光ファイバ56が、筐体50の内部から当該筐体50を貫通して外部に伸びるよう設けられている。この光ファイバ56は、その入射端面が集光ミラー55の他方の焦点に位置するよう配置され、この状態で、固定部材57によって固定されている。
また、LD光源装置10は、光源部11に生ずる熱を放熱するヒートシンク58に固定されている。このヒートシンク58の背後には、ヒートシンク58を冷却する冷却ファン59が設けられている。
この光源装置においては、LD光源装置10からx方向に出射されたレーザ光L1は、光反射部材51によってz方向に反射される。そして、z方向に進むレーザ光L1は、集光光学部材52によって集光されて蛍光部材53に入射され、これにより、蛍光部材53から蛍光L2が放射される。蛍光部材53から放射された蛍光L2は、集光ミラー55によって集光されて光ファイバ56の入射端面に入射される。そして、光ファイバ56の入射端面に入射された蛍光L2は、当該光ファイバ56によって導光されて出射端面から出射される。
本発明のLD光源装置10によれば、圧縮光学系20によって、光源部11におけるLD12の各々から出射されたレーザ光による光線束の中心軸間距離を二次元的に圧縮することができる。しかも、圧縮光学系20は一体のプリズムよりなるため、簡単な構造で、装置の小型化を図ることができる。
また、一次反射機構25における互いに隣接する光反射面26が、光入射面21と平行な平面27を介して連続していることにより、LD12から出射されたレーザ光のうち、光線束の中心軸に沿って進む光以外の光が、隣接する光反射面26の間の平面27によって反射されるため、高い光の利用率が得られる。
本発明のLD光源装置は、上記の実施の形態に限定されず、以下のように、種々の変更を加えることが可能である。
(1)図4に示すように、圧縮光学系20を構成するプリズムの光入射面21には、LD12の各々に対応して、当該光入射面21から突出するコリメートレンズ部23が設けられていてもよい。コリメートレンズ部23の光入射面21からの突出高さは、例えば2mmである。
(2)二次反射機構30の具体的な構成は、x方向に進むレーザ光による光線束の各々の中心軸間距離をy方向において圧縮するものであれば、図1に示すものに限定されない。 例えば、図5に示すように、LD列13の各々に対応して形成された、それぞれx方向に進むレーザ光による光線束の各々を同一のy方向に反射する2つの第1光反射面31と、各第1光反射面31からy方向に進むレーザ光による光線束の各々をx方向に反射する単一の第2光反射面35とによって、二次反射機構30が形成されていてもよい。
また、図6に示すように、一方のLD列13のLD12に係るレーザ光による光線束のみをx方向からy方向に反射する第1光反射面31と、第1光反射面31からy方向に進むレーザ光による光線束の各々をx方向に反射する単一の第2光反射面35とによって、二次反射機構30が形成されていてもよい。
(3)図1に示すLD光源装置10においては、2列のLD列13が設けられているが、LD列13の数は2列に限定されず、例えば図7に示すように、4列のLD列が設けられていてもよい。
10 LD光源装置
11 光源部
12 LD
13 LD列
14 LD群
15 フレーム
16 貫通孔
17 コリメートレンズ
18 保持部材
20 圧縮光学系
21 光入射面
22 光出射面
23 コリメートレンズ部
25 一次反射機構
26 光反射面
26a,26b 側縁
27 平面
30 二次反射機構
31 第1光反射面
35 第2光反射面
40 固定部材
50 筐体
51 光反射部材
52 集光光学部材
53 蛍光部材
54 伝熱板
55 集光ミラー
56 光ファイバ
57 固定部材
58 ヒートシンク
59 冷却ファン
H 空洞
Lc 光線束の中心軸
L1 レーザ光
L2 蛍光
S 基準面

Claims (8)

  1. 互いに直交する3つの方向をx方向、y方向およびz方向としたとき、
    それぞれz方向にレーザ光を出射する複数のLDがx方向に互いに離間して並んだ状態で配置されてなるLD列の複数が、y方向に離間して配置されて構成された光源部と、
    前記光源部における前記LDの各々から出射されたレーザ光による光線束の中心軸間距離を二次元的に圧縮する圧縮光学系と
    を備えてなり、
    前記圧縮光学系は、一体のプリズムよりなり、
    前記プリズムは、前記LDの各々の発光面に対向する光入射面と、
    y方向に並ぶ複数の前記LDからなるLD群の各々に対応して形成された、前記光入射面に入射されたレーザ光による光線束の各々をx方向に反射する複数の光反射面からなる一次反射機構と、
    前記一次反射機構によって反射されたレーザ光による光線束の各々の中心軸間距離をy方向において圧縮する二次反射機構とを有し、
    前記一次反射機構における前記光反射面の各々は、当該光反射面によって反射されたレーザ光による光線束の中心軸と、隣接する光反射面によって反射されたレーザ光による光線束の中心軸との間のz方向の距離が、x方向に隣接する前記LDの各々の発光面の中心間距離よりも小さくなるよう形成されていることを特徴とするLD光源装置。
  2. 前記一次反射機構における互いに隣接する前記光反射面は、前記光入射面と平行な平面を介して連続していることを特徴とする請求項1に記載のLD光源装置。
  3. 前記二次反射機構は、前記一次反射機構における前記光反射面によって反射されたレーザ光による光線束の各々をy方向に反射する第1光反射面と、当該第1光反射面によって反射されたレーザ光による光線束の各々をx方向に反射する第2光反射面とにより構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のLD光源装置。
  4. 前記光源部は、前記LDの各々を固定するフレームを有してなり、
    当該フレームの一面には、一平面に沿って延びる基準面が形成され、当該基準面に対して前記光入射面が対向するよう、前記プリズムが配置されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のLD光源装置。
  5. 前記プリズムの光入射面には、前記LDの各々に対応してコリメートレンズ部が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のLD光源装置。
  6. 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のLD光源装置と、
    このLD光源装置からのレーザ光を集光する集光光学部材と
    を備えてなることを特徴とする光源装置。
  7. 前記LD光源装置からのレーザ光が前記集光光学部材を介して照射されることによって、蛍光を発する蛍光部材を有することを特徴とする請求項6に記載の光源装置。
  8. 前記蛍光部材からの蛍光を集光する集光ミラーを有することを特徴とする請求項7に記載の光源装置。
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