JP2014228797A - 光学系 - Google Patents
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Abstract
Description
ここでγはレーザ光の充填率を示しており、束ねられたN本のコリメート光がどれだけ密であるかを示している。上記(1)式から分かることは、一本の光ファイバに出来るだけ多くの半導体レーザを効率的に結合させるためには、光ファイバおよび半導体レーザの特性値(D、θ、M2)を変えることが出来ないのであれば、レーザ光の充填率γを高くするしかないということである。
導光部材へ光を集光する光学系であって、
第1光学部材と、第2光学部材とを備え、上記第1光学部材は、複数の光源から出射された光の進行方向をそれぞれ変化させることにより当該光を上記第2光学部材へ導き、上記第2光学部材は、上記第1光学部材によって進行方向が変更された光を集光し、上記導光部材へ入射させる。
本発明の実施の一形態について、図1に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
図1の(a)に示すように、光学系100は、発光装置(光源)1、反射ミラー(第1光学部材)3、集光レンズ(第2光学部材)4及びコリメートレンズ8を備えている。この光学系100は、複数の発光装置1から出射された複数の光を反射ミラー3と集光レンズ4とを経由して光ファイバ(導光部材)9に入射させる。具体的には、光学系100は、発光装置1に含まれる半導体レーザ2からのレーザ光を反射ミラー3で反射させ、集光レンズ4を通して光ファイバ9の入射端部9aに集光させる。
発光装置1は、反射ミラー3へ向けてレーザ光を出射する装置である。図1の(a)に示すように、発光装置1は、半導体レーザ(光源)2及び放熱部5を備えている。
半導体レーザ2は、励起光を出射する光源である。図1(b)に示すように、本実施形態では、半導体レーザ2として、赤、青及び緑色で発振する半導体3つのレーザ2a〜cを用いている。3色のレーザ光を1つの光ファイバ9に効率的に入射させることにより、光ファイバ9の出射端部9bでは均一に混ざった白色のレーザ光を得ることが出来る。半導体レーザ2の数は、所望の励起光の出力に応じて適宜定められればよい。
放熱部5は、ヒートシンク6と放熱フィン7とを備えている。放熱部5は、半導体レーザ2が発する熱を外部に放熱するものである。これにより、高出力の励起光を得る場合であっても、それぞれの半導体レーザ2が発生させた熱を適切に放熱することができるため、半導体レーザ2の寿命および発光効率の低下を抑制することができる。
上述のように光学系100は、3つの半導体レーザ2a〜cを備えている。これらの半導体レーザ2a〜cから出射されるレーザ光の光路が、集光レンズ4の光軸(図1における+Z軸方向)に対してそれぞれ角度をなすように、半導体レーザ2a〜cが配置されている。
反射ミラー3は、集光レンズ4の光軸上に配置されており、発光装置1a〜cから発せられたレーザ光(互いに異なる方向から出射されたレーザ光)を反射する複数の反射面3a〜cを有している。これら反射面3a〜cによって、発光装置1a〜cからのレーザ光はそれぞれ反射され、それらの進行方向が変更されることにより集光レンズ4へ導かれる。反射ミラー3によって反射された光の光路は、+Z軸及び集光レンズ4の光軸と平行である。
集光レンズ4は、反射ミラー3により進行方向を変えられた光を集光する光学部材である。反射ミラー3で反射した3つのレーザ光は、集光レンズ4に入射され、光ファイバ9の入射端部9aに集光される。
コリメートレンズ8は、屈折を用いてレーザ光が平行状態になるように光学調整を行う光学部材である。すなわち、発光装置1より照射されたレーザ光がコリメートレンズ8によって平行光に変換され、反射ミラー3へと照射される。コリメートレンズ8として、適宜最適な設計のレンズを用いればよい。なお、コリメートレンズ8を備える必要は必ずしもない。
光ファイバ9は、集光レンズ4により集光された光を導く導光部材であり、入射端部9a及び出射端部9bを備えている。光ファイバ9として、適宜最適な設計のものを用いればよい。光ファイバ9として、例えば、コア径100μmの石英ファイバを用いることが出来る。
上述のように光学系100では、3つの半導体レーザ2a〜cから出射されたレーザ光が反射ミラー3によって反射されることによって、当該レーザ光の進行方向が変更され、集光レンズ4へ導かれる。
本発明の他の実施形態について、図2に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
まず、図2の(a)に基づいて、光学系110の概略構成について説明する。
図2の(a)に示す発光装置11は、半導体レーザ12、放熱部5を備えている。半導体レーザ12は、5.6mmΦパッケージに実装された波長405nmの高出力レーザを用いている。
反射ミラー13は、半導体レーザ12から出射された光の進行方向を変更させる光学部材である。この反射ミラー13は、四角錘の形状を有しており、四角錘が有する三角形の4つの側面が、それぞれのレーザ光を反射する反射面13a〜dである。反射面13a〜dはアルミニウムでコーティングされているが、反射面13a〜dの形成方法は、これに限定されるものではない。例えば、ガラス面での全反射を用いたミラー等を用いてもよく、反射ミラー13は、レーザ光の進行方向を変えることが出来る光学部材であればよい。
蛍光体発光部10は、レーザ光を受けることによって蛍光を発する蛍光物質を封止材によって封止したもの、または蛍光物質を固めたものである。上記蛍光物質として、例えば、酸窒化物系蛍光体(例えば、サイアロン蛍光体)またはIII−V族化合物半導体ナノ粒子蛍光体を用いることができる。これらの蛍光物質は、高い出力(および/または光密度)のレーザ光に対しての熱耐性が高く、レーザ照明光源に最適である。ただし、上記蛍光物質は、上述のものに限定されず、窒化物蛍光体など、その他の蛍光物質であってもよい。
本実施形態の光学系110では、同一の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ2を4個、1本の光ファイバ9に光学的に結合させており、各半導体レーザ2を出力1Wにて発振させた場合に、光ファイバ9の出射端部9bでは3.8Wの出力を得ることが出来る。
図3は、光学系110の変形例である光学系120を示す図である。4つの異なる方向から照射した光を反射させる光学系110とは異なり、図3に示すように、光学系120は、半導体レーザ11を8個及び八角錐の反射ミラー14を備えた構成となっている。すなわち、光学系110は、8つの異なる方向から照射した光を反射させる構成となっている。
本発明のさらに他の実施形態について、図4に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
まず、図4の(a)に基づいて、光学系130の概略構成について説明する。
図4の(a)に示す発光装置21は、半導体レーザ(光源)22、放熱部25を備えている。
図4の(a)に示すように反射ミラー23は、複数の発光装置21からの光を反射ミラー24に向けて反射させる光学部材である。複数の反射ミラー23は、ヒートシンク26の表面に配置された複数の半導体レーザ22に対応する位置にそれぞれ配置されている。半導体レーザ22は6つ配置されているため、反射ミラー23も6つ配置されている。
反射ミラー24は、六角錘であり、六角錘が有する6つの三角形の側面が、反射ミラー23にて反射されたレーザ光をそれぞれ反射する反射面として機能する。
ロッドレンズ27は、入射端部27aから入射した光を導光し、当該光を出射端部27bから出射する導光部材である。本実施形態で使用するロッドレンズ27として、例えば、外径1mmの石英ロッドを用いることができる。ただし、ロッドレンズ27として角柱形状のロッドを用いてもよく、ロッドレンズ27の形状、大きさ及び材質は特に限定されない。
本実施形態の光学系130では、半導体レーザ2をヒートシンク26の表面において平面的に配置するために、半導体レーザ2の取り付け精度を高めることができる。
本発明のさらに別の実施形態について、図5〜図7に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
まず、図5に基づいて、光学系200の概略構成について説明する。図5は、光学系200の構成の一例を示す概略図である。
光源ユニット201は、集光レンズ4へ向けて光を照射する装置で、光源を含む発光装置31と反射ミラー34とが同じ基材上に実装されている。
発光装置31は、反射ミラー34に対して光を照射する装置である。図7の(a)に示すように、発光装置31は、半導体レーザ32及びサブマウント33を備えている。図7の(b)に示すように、12個の発光装置31が、銅ブロック41の表面において円形上に配置されている。
半導体レーザ32は、励起光を出射する光源である。半導体レーザ32として、LDチップを12個用いている。半導体レーザ32から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ8を通して反射ミラー34に照射される。なお、発光装置31(半導体レーザ32)の個数、種類及び配置方法は上述のものに限定されない。
サブマウント33は、半導体レーザ32を固定し、半導体レーザ32より出された熱を銅ブロック41へと伝えるものである。サブマウント33は、熱伝導率が高い材料からなり、例えば、熱伝導率が高い金属(例えば、Al)で構成することが好ましい。
反射ミラー34は、発光装置31から発せられたレーザ光の進行方向を所定の方向に変更させる光学部材であり、銅ブロック41の表面に配置されている。すなわち、発光装置31及び反射ミラー34は、共通の基材である銅ブロック41に配置されている。
銅ブロック41は、半導体レーザ32から放出される熱を、サブマウント33を経由して受け取り、その熱を大気中に放出するヒートシンクである。このようなヒートシンクの材料として、本実施形態では、銅を使用しているが、銅以外の金属を使用してもよく、例えば熱伝導率が高い金属(例えばAl)を使用していてもよい。
ステム42は、銅ブロック41を固定するための部材である。
パッケージ50は、光源ユニット201を保護する部材であり、窓51及びキャップ52を備えている。窓51は、反射ミラー34によって進行方向が変更された光を集光レンズ4へと導くための部材である。窓51は、例えばガラス板であるが、透明で光を通すことができる部材であればよい。
光源ユニット201の製造工程について説明する。図7は、光源ユニット201の製造工程の一部を示す図である。図7の(a)は発光装置31の斜視図、図7の(b)は光源ユニット201の平面図、図7の(c)はパッケージ50を取り付ける前の光源ユニット201の断面図、図7の(d)は、パッケージ50を取り付けた後の光源ユニット201の断面図である。
本実施形態の光学系200では、12個の半導体レーザ32及び反射ミラー34を、共通の基板である銅ブロック41に対して固定している。そのため、光学系200を構築するときに、複数の半導体レーザ32と反射ミラー34との相対位置関係を調節することが不要になり、容易に大出力の照明装置を実現できる。
本発明の態様1に係る光学系は、
導光部材へ光を集光する光学系であって、
第1光学部材(反射ミラー3、反射ミラー13、反射ミラー24及び反射ミラー34)と、第2光学部材(集光レンズ4)とを備え、
上記第1光学部材は、複数の光源(半導体レーザ2、半導体レーザ12、半導体レーザ22及び半導体レーザ32)から出射された光の進行方向をそれぞれ変化させることにより当該光を上記第2光学部材へ導き、上記第2光学部材は、上記第1光学部材によって進行方向が変更された光を集光し、上記導光部材へ入射させる。
上記複数の光源は、共通の基材に配置されており、
上記複数の光源から出射された光を反射することにより当該光を上記第1光学部材へ導く複数の第3光学部材(反射ミラー23)をさらに備えることが好ましい。
上記複数の光源をさらに備え、
当該複数の光源および上記第1光学部材は、共通の基材に配置されていることが好ましい。
上記光源から出射された光を平行光へ変換するコリメートレンズ(8)をさらに備えることが好ましい。
3 反射ミラー(第1光学部材)
4 集光レンズ(第2光学部材)
8 コリメートレンズ
12 半導体レーザ(光源)
13 反射ミラー(第1光学部材)
22 半導体レーザ(光源)
23 反射ミラー(第3光学部材)
24 反射ミラー(第1光学部材)
32 半導体レーザ(光源)
34 反射ミラー(第1光学部材)
41 銅ブロック(基材)
26 ヒートシンク(基材)
100 光学系
110 光学系
120 光学系
130 光学系
200 光学系
Claims (5)
- 導光部材へ光を集光する光学系であって、
第1光学部材と、
第2光学部材とを備え、
上記第1光学部材は、複数の光源から出射された光の進行方向をそれぞれ変化させることにより当該光を上記第2光学部材へ導き、
上記第2光学部材は、上記第1光学部材によって進行方向が変更された光を集光し、上記導光部材へ入射させることを特徴とする光学系。 - 上記第1光学部材は、互いに異なる方向から出射された光をそれぞれ反射する複数の反射面を有していることを特徴とする請求項1に記載の光学系。
- 上記複数の光源は、共通の基材に配置されており、
上記複数の光源から出射された光を反射することにより当該光を上記第1光学部材へ導く複数の第3光学部材をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の光学系。 - 上記複数の光源をさらに備え、
当該複数の光源および上記第1光学部材は、共通の基材に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光学系。 - 上記光源から出射された光を平行光へ変換するコリメートレンズをさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学系。
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