JP6178991B2

JP6178991B2 - 光源ユニットおよびそれを用いた光源モジュール

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Description

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（ＳｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＤｉｏｄｅ：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（Ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅ、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（Ｏｕｔｇｏｉｎｇｂｅａｍ）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（Ｅｍｉｔｔｅｒｉｎｔｅｒｖａｌ）、縦軸がジャンクション温度（ＪｕｎｃｔｉｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）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（Ｏｐｔｉｃａｌａｘｉｓ）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（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌｒａｙ）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（Ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ）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（ＦａｒＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｎ）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θ_１で入射する。そして光学面から出射角θ_２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、
ｓｉｎθ_１／ｓｉｎθ_２＝ｎ_２／ｎ_１（数３）
となる。ここで、ｎ_１とｎ_２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。θ_２の値は、幾何学的に
θ_２＝θ_１−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θ_３がθ_２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θ_３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。

（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θ_３だけ傾斜している。このときのθ_３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。

（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。

（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Ｙ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２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
１１１，１１２，１１３，２１１，４１１，４１２，４１３，５１１，５１２，５１３，６１１，７１１，７１２，７１３，８１１，８１２，８１３，９１１，１１１１，１１１２，１１１３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

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複数の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。
前記複数の入射面が、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。
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。
前記主面が前記複数の発光点からの出射光の光軸に対して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。
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。
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。
前記主面が前記複数の発光点からの出射光の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。
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。
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。
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。
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。
前記光源は、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し、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請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光源ユニット。
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１２記載の光源ユニット。
請求項１〜１３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。