特許 7151497 光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-03

(45)【発行日】2022-10-12

(54)【発明の名称】光源装置

(51)【国際特許分類】

   F21S 2/00 20160101AFI20221004BHJP

   F21V 9/30 20180101ALI20221004BHJP

   F21V 9/20 20180101ALI20221004BHJP

   F21V 7/28 20180101ALI20221004BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20221004BHJP

【ＦＩ】

F21S2/00 340

F21V9/30

F21V9/20

F21V7/28 240

F21Y115:30

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019006041

(22)【出願日】2019-01-17

(65)【公開番号】P2020115416

(43)【公開日】2020-07-30

【審査請求日】2021-10-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三浦 雄一

【審査官】竹中 辰利

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－２０４５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１８７１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１９４１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０９８１９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ９／３０

Ｆ２１Ｖ ９／２０

Ｆ２１Ｖ ７／２８

Ｆ２１Ｙ １１５／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長変換素子を含み、前記波長変換素子によって波長が変換されてなる光を第一光出射領域及び前記第一光出射領域とは異なる第二光出射領域から出射する外部共振器型半導体レーザ光源と、
それぞれの光出射面から同一の照射面に対して光を出射する、円形状の入射面を含む第一光導波路及び第二光導波路と、
前記第一光出射領域から出射された複数の第一光線束を、前記第一光導波路の入射面に集光させる第一集光光学系と、
前記第二光出射領域から出射された複数の第二光線束を、前記第二光導波路の入射面に集光させる第二集光光学系とを備えることを特徴とする光源装置。

【請求項2】

前記第一集光光学系の入射面に入射される前記複数の第一光線束のうちの、前記第一集光光学系の光軸に最も近い位置に入射される第一特定光線束の主光線と前記第一集光光学系の光軸との間隔ｄ１ａは、前記第一特定光線束の主光線と前記第一特定光線束に隣接する前記第一光線束の主光線との間隔ｄ１ｂよりも短く、
前記第二集光光学系の入射面に入射される前記複数の第二光線束のうちの、前記第二集光光学系の光軸に最も近い位置に入射される第二特定光線束の主光線と前記第二集光光学系の光軸との間隔ｄ２ａは、前記第二特定光線束の主光線と前記第二特定光線束に隣接する前記第二光線束の主光線との間隔ｄ２ｂよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。

【請求項3】

前記間隔ｄ１ａと前記間隔ｄ２ａとの差は、前記間隔ｄ１ｂ又は前記間隔ｄ２ｂの１／４以上１／２以下であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。

【請求項4】

前記第一集光光学系は、前記複数の第一光線束のうちの一部が入射されて、前記第一光導波路の入射面上の第一集光領域に集光する第一レンズ部分と、前記複数の第一光線束のうちの別の一部が入射されて、前記第一光導波路の入射面上の前記第一集光領域とは異なる第二集光領域に集光する第二レンズ部分を有し、
前記第一集光光学系の入射面上において、前記第一レンズ部分の光軸と前記第二レンズ部分の光軸との間に、前記複数の第一光線束の中央に位置する光線束の主光線が位置していることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光源装置。

【請求項5】

前記第二集光光学系は、前記複数の第二光線束のうちの一部が入射されて、前記第二光導波路の入射面上の第三集光領域に集光する第三レンズ部分と、前記複数の第二光線束のうちの別の一部が入射されて、前記第二光導波路の入射面上の前記第三集光領域とは異なる第四集光領域に集光する第四レンズ部分を有し、
前記第二集光光学系の入射面上において、前記第三レンズ部分の光軸と前記第四レンズ部分の光軸との間に、前記複数の第二光線束の中央に位置する光線束の主光線が位置していることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。

【請求項6】

前記第一集光光学系と前記第二集光光学系は、結合して一体として構成されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の光源装置。

【請求項7】

前記外部共振器型半導体レーザ光源は、
基本光を発する半導体素子と、
前記半導体素子から見て、前記波長変換素子よりも遠い位置に配置され、前記半導体素子との間で前記基本光の外部共振器を構成すると共に、前記波長変換素子によって前記基本光の波長が変換されてなる変換光を透過させて前記第一光出射領域に導く、波長選択素子と、
前記波長変換素子から前記半導体素子の方向に向けて出射された前記変換光を反射して、前記第二光出射領域に導く、反射部材とを備えることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源装置に関し、特に外部共振器型半導体レーザ光源から出射された光を用いた光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光源装置の一つとして外部共振器型半導体レーザ光源が知られており、外部共振器型半導体レーザ光源は、光の取り出し効率を高めるために、複数の領域から光を出射するものが知られている。本出願人は、半導体素子から出射された複数の基本光を、波長変換素子によって波長変換し、２つの異なる光出射領域から同じ波長帯の光を出射するレーザ光源を開発している（下記、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－１８７１３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、複数の光出射領域を有するレーザ光源から出射される光を集光するには、集光レンズを用いて集光する方法が考えられる。しかし、本発明者は、上記特許文献１に記載されているレーザ光源のように、複数の出射領域から出射される同じ波長帯の光を、集光レンズによって集光する光源装置を検討したところ、以下のような課題が存在することを突き止めた。以下、図面を参照しながら説明する。

【0005】

まず、複数の光出射領域を有するレーザ光源として、上記特許文献１に記載されている、２つの光出射領域（１０ａ，１０ｂ）を有するレーザ光源１０の構成の一例を説明する。図１Ａは、上記特許文献１に記載されている外部共振型半導体レーザ光源の構成を示す模式的な側面図である。

【0006】

図１Ｂは、図１Ａに示す半導体素子１０１を光の出射方向（図１ＡにおけるＺ方向）から見たときの拡大図である。図１Ｂに示すように、半導体素子１０１上にアレイ状に形成された発光部１０２から出射された光は、ＶＢＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ）１０３によって、特定の波長帯の光が反射される。ＶＢＧ１０３によって反射された光は、半導体素子１０１との間で反射を繰り返して発振する。半導体素子１０１とＶＢＧ１０３との間で繰り返し反射された光は、波長変換素子１０４によって徐々に所定の波長帯の光へと変換されていく。

【0007】

波長変換素子１０４によって、所定の波長帯の光に変換された光は、ＶＢＧ１０３を通過してそのまま第一光出射領域１０ａから出射される。所定の波長帯の光に変換された残りの光は、半導体素子と波長変換素子１０４との間に配置された、所定の波長帯の光を反射する反射部材（１０５，１０６）によって、第二光出射領域１０ｂへと導光されて出射される。

【0008】

レーザ光源１０の第一光出射領域１０ａと第二光出射領域１０ｂとの離間距離は、波長変換素子１０４によって変換された光を、第二光出射領域１０ｂへと導光するための２つの反射部材（１０５，１０６）の配置間隔によって決められる。２つの反射部材（１０５，１０６）の間隔は、２つの反射部材が接触しないように配置される必要がある。また、２つの反射部材（１０５，１０６）の間隔を近づけることができたとしても、波長変換素子１０４へと再び入射しないようにする必要がある。波長変換素子１０４によって変換された光が、波長変換素子１０４に再び入射してしまうと、波長変換素子１０４によって一部の光が吸収されてしまい、そのまま出射される光よりも光強度が低下してしまう。従って、第一光出射領域１０ａと第二光出射領域１０ｂは、一定距離以上離間させる必要がある。

【0009】

上記の事情により、外部発振器型のレーザ光源１０は、一定距離以上離間した２つの光出射領域（１０ａ，１０ｂ）を有している。また、発光部１０２は、半導体素子１０１上にアレイ状に形成されていることによって、２つの光出射領域（１０ａ，１０ｂ）からも、それぞれ複数のビーム（光線束）が出射される。

【0010】

図２Ａは、レーザ光源１０、集光レンズ１１０及びファイバ１１１を含んで構成された、光源装置１００を模式的に示すＹＺ平面視の図面である。図２Ａは、レーザ光源１０の２つの異なる光出射領域（１０ａ，１０ｂ）から出射される光（レーザ光）の進行経路の側面視を模式的に図示している。図２Ａに示すように、レーザ光源１０から出射された各レーザ光は、集光レンズ１１０に入射する。集光レンズ１１０から出射された各レーザ光は、ファイバ１１１の入射面１１１ａに向かって集光する。

【0011】

図２Ａにおいては、ファイバ１１１の入射面１１１ａに対して直交する軸を光軸１１２とする。また、光軸１１２方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する平面をＸＹ平面とし、入射面１１１ａに対する光の入射角をθ１とする。さらに、各光出射領域（１０ａ，１０ｂ）において、発光部１０２がアレイ状に配置されていることに伴ってレーザ光が整列している方向をＸ方向とし、各光出射領域（１０ａ，１０ｂ）が対向している方向をＹ方向とする。また、本明細書では、各光出射領域（１０ａ，１０ｂ）の中心から光軸１１２と平行に出射される光線を「主光線」と称し、各光出射領域（１０ａ，１０ｂ）から出射される束状に形成された光線群を「光線束」と称する。

【0012】

次に、光源装置１００をＹ方向に向かって見た場合を説明する。図２Ｂは、図２Ａに示す光源装置１００を、Ｙ方向から見たときの模式的な図面である。

【0013】

レーザ光源１０から出射された複数の光線束は、第一光出射領域１０ａ及び第二光出射領域１０ｂから、一列に整列した状態で出射し、集光レンズ１１０に入射する。集光レンズ１１０から出射された複数の光線束は、ファイバ１１１の入射面１１１ａに向かって集光する。なお、第一光出射領域１０ａから出射される複数の光線束は、第二光出射領域１０ｂから出射される複数の光線束と同様に列をなして出射されているため、上面視（図２Ｂ）においては、第二光出射領域１０ｂから出射される複数の光線束によって隠されている。

【0014】

さらに、集光レンズ１１０の入射面１１０ａをＸＹ平面で見た場合を説明する。図２Ｃは、図２Ａの集光レンズ１１０の入射面１１０ａを、レーザ光源１０側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。図２Ｃに示すように、集光レンズ１１０の入射面１１０ａにおいて、第一光出射領域１０ａから出射した光線束Ｌ１０ａと、第二光出射領域１０ｂから出射した光線束Ｌ１０ｂが、光軸１１２を中心としてＹ方向に対称な位置に入射している。図２Ｃでは、光軸１１２を中心として、光軸１１２からの距離が同一である光線束の主光線を結んだ同心円が図示されている。

【0015】

このように集光レンズ１１０の入射面１１０ａに各光線束（Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂ）が入射すると、図２Ｃに示すように、光軸１１２付近には光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域が生じてしまう。

【0016】

集光レンズ１１０の入射面１１０ａにおいて、光軸１１２の周辺に光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域が生じている光が、集光レンズ１１０によってファイバ１１１の入射面１１１ａに向かって集光されると、ファイバ１１１に入射する光は、ファイバ１１１の入射面１１１ａにおける入射角θ１が小さい領域に光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域が生じた光となってしまう。図２Ａ～図２Ｃの示す構成による角度分布の詳細は、図３の説明において後述される。

【0017】

図３は、ファイバ１１１の入射面１１１ａにおける光の角度分布を模式的に示すグラフである。図３において、横軸は入射面１０３における光の入射角θ１に対応し、縦軸は入射角θ１毎の光強度に対応する。図３が示すように、ファイバ１１１の入射面１１１ａの入射角θ１が小さい領域において、一部に光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域が生じてしまう。

【0018】

ファイバ１１１の入射面１１１ａにおける光の角度分布は、出射面１１１ｂにおいても保持される。つまり、ファイバ１１１の出射面１１１ｂにおいても、光が存在する角度範囲において、一部に光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域が存在し、照度ムラの原因となってしまう。従って、複数の出射領域を有するレーザ光源を用いると、図２Ａ～図２Ｃに示すような構成の光源装置では、角度分布が均一な光が得られず、照度ムラが発生してしまうことがわかった。

【0019】

ここで、上記課題に鑑み、集光レンズ１１０の入射面１１０ａにおける光線束の入射位置をずらす方法が考えられる。しかし、上述のように、レーザ光源１０の光出射領域（１０ａ，１０ｂ）の離間距離を小さくすることには限界がある。従って、いずれか一方の光出射領域（１０ａ，１０ｂ）から出射される光線束が、光軸１１２に近くなるように調整すると、他方の光出射領域（１０ａ，１０ｂ）から出射される光線束が、さらに光軸１１２から離れてしまうこととなる。

【0020】

従って、集光レンズ１１０の入射面１１０ａにおける光線束の入射位置を調整したとしても、レーザ光源１０のそれぞれの光出射領域（１０ａ，１０ｂ）の間に一定の離間距離が必要であることから、光が存在する角度範囲において、一部に光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域は生じてしまうため、光源装置１００から出射される光の照度ムラは解消されない。

【0021】

本発明は、上記の課題に鑑み、複数の出射領域から光を出射する外部共振器型半導体レーザ光源を用いて、角度分布の均一性が向上された光を出射する光源装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0022】

本発明に係る光源装置は、
波長変換素子を含み、前記波長変換素子によって波長が変換されてなる光を第一光出射領域及び前記第一光出射領域とは異なる第二光出射領域から出射する外部共振器型半導体レーザ光源と、
それぞれの光出射面から同一の照射面に対して光を出射する、円形状の入射面を含む第一光導波路及び第二光導波路と、
前記第一光出射領域から出射された複数の第一光線束を、前記第一光導波路の入射面に集光させる第一集光光学系と、
前記第二光出射領域から出射された複数の第二光線束を、前記第二光導波路の入射面に集光させる第二集光光学系とを備えることを特徴とする。

【0023】

レーザ光源の第一光出射領域から出射された複数の第一光線束は、第一集光光学系の入射面に入射し、レーザ光源の第二光出射領域から出射された複数の第二光線束は、第二集光光学系の入射面に入射する。このような構成とすることで、複数の第一光線束は、第一集光光学系の入射面の任意の位置に入射させることができ、複数の第二光線束は、第二集光光学系の入射面の任意の位置に入射させることができる。

【0024】

光導波路は、入射面から入射された光を、光軸に対する入射角の角度を保持したまま、光軸を中心とした周方向の分布を均一化させて、出射面から入射角と同じ角度の出射で出射する。詳細は、図５Ｂの説明において後述する。

【0025】

集光光学系の任意の位置に光線束を入射させることで、光導波の入射面に対する入射角の分布を調整することができる。従って、光導波路から出射される光の角度分布を調整することで角度分布の均一性が向上され、照度ムラが抑えられた光を得ることができる。

【0026】

上記光源装置において、
前記第一集光光学系の入射面に入射される前記複数の第一光線束のうちの、前記第一集光光学系の光軸に最も近い位置に入射される第一特定光線束の主光線と前記第一集光光学系の光軸との間隔ｄ１ａは、前記第一特定光線束の主光線と前記第一特定光線束に隣接する前記第一光線束の主光線との間隔ｄ１ｂよりも短く、
前記第二集光光学系の入射面に入射される前記複数の第二光線束のうちの、前記第二集光光学系の光軸に最も近い位置に入射される第二特定光線束の主光線と前記第二集光光学系の光軸との間隔ｄ２ａは、前記第二特定光線束の主光線と前記第二特定光線束に隣接する前記第二光線束の主光線との間隔ｄ２ｂよりも短くても構わない。

【0027】

集光光学系の入射面において、光軸に近い領域に光線束が入射することで、光導波路の入射面における入射角の小さい領域の光を得ることができる。上述の構成とすることで、第一集光光学系の入射面における複数の第一光線束と、第二集光光学系の入射面における複数の第二光線束のいずれも、集光光学系の光軸に近い領域に光線束を入射させることができる。

【0028】

集光光学系の入射面に入射される複数の光線束のうちの、集光光学系の光軸に最も近い位置に入射される特定光線束の主光線と集光光学系の光軸との間隔（ｄ１ａ，ｄ２ａ）が、特定光線束の主光線と特定光線束に隣接する光線束の主光線との間隔（ｄ１ｂ，ｄ２ｂ）よりも短くすることで、光導波路の入射面において入射角の小さい光を入射させることができる。光導波路の入射面の入射角が小さい領域の光を得ることができ、より角度分布の均一性が向上され、照度ムラが抑えられた光を得ることができる。

【0029】

上記光源装置において、
前記間隔ｄ１ａと前記間隔ｄ２ａとの差は、前記間隔ｄ１ｂ又は前記間隔ｄ２ｂの１／４以上１／２以下であっても構わない。

【0030】

間隔ｄ１ａと間隔ｄ２ａに間隔ｄ１ｂ又は間隔ｄ２ｂの１／４以上１／２以下の差をつけることで、第一光導波路から出射される光の角度分布と、第二光導波路から出射される光の角度分布それぞれの光が存在する角度範囲において、一部に光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域を相互に補完することができ、より角度分布の均一性が向上され、照度ムラが抑えられた光を得ることができる。

【0031】

上記光源装置において、
前記第一集光光学系は、前記複数の第一光線束のうちの一部が入射されて、前記第一光導波路の入射面上の第一集光領域に集光する第一レンズ部分と、前記複数の第一光線束のうちの別の一部が入射されて、前記第一光導波路の入射面上の前記第一集光領域とは異なる第二集光領域に集光する第二レンズ部分を有し、
前記第一集光光学系の入射面上において、前記第一レンズ部分の光軸と前記第二レンズ部分の光軸との間に、前記複数の第一光線束の中央に位置する光線束の主光線が位置していても構わない。

【0032】

さらに、上記光源装置において、
前記第二集光光学系は、前記複数の第二光線束のうちの一部が入射されて、前記第二光導波路の入射面上の第三集光領域に集光する第三レンズ部分と、前記複数の第二光線束のうちの別の一部が入射されて、前記第二光導波路の入射面上の前記第三集光領域とは異なる第四集光領域に集光する第四レンズ部分を有し、
前記第二集光光学系の入射面上において、前記第三レンズ部分の光軸と前記第四レンズ部分の光軸との間に、前記複数の第二光線束の中央に位置する光線束の主光線が位置していても構わない。

【0033】

半導体レーザ光源は、光を出射する半導体素子（半導体レーザ素子）を有する。この半導体素子は、発光のために電流が流されると内部抵抗によって発熱する。つまり、複数の光線束を出射するように複数の半導体素子が配置されている場合、中央部に配置された半導体素子は、周囲の半導体素子の熱の影響も受けるため、端部に配置された半導体素子に比べて高温になる。

【0034】

半導体素子は、温度が上昇するにつれて、発光に必要な電流量（閾値電流）が大きくなるため、複数の半導体素子を一定の電流値で駆動していると、高温になってしまう中央部の半導体素子が不点灯又は光強度の低下が生じることがある。詳細は、図１０の説明において後述する。

【0035】

従って、半導体素子に電流を流して点灯させ、しばらくして半導体素子が高温になると、中央部の半導体素子が不点灯となり、半導体レーザ光源の第一光出射領域及び第二光出射領域から出射される複数の光線束のうち、中央部に位置する光線束が出射されなくなってしまう場合がある。

【0036】

上述の構成とすることで、一部の光線束が発熱によって消灯してしまったとしても、他の光線束によって、光が存在する角度範囲において、一部に光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域を相互に補完することができる。従って、レーザ光源の温度が上昇し、各光出射領域から出射される複数の光線束のうち、中央部に位置する光線束の光強度が低下してしまった場合に、光源装置から出射される光の角度分布の均一性が大幅に低下してしまうことを回避できる。

【0037】

上記光源装置において、
前記第一集光光学系と前記第二集光光学系は、結合して一体として構成されていても構わない。

【0038】

上記光源装置において、
前記外部共振器型半導体レーザ光源は、
基本光を発する半導体素子と、
前記半導体素子から見て、前記波長変換素子よりも遠い位置に配置され、前記半導体素子との間で前記基本光の外部共振器を構成すると共に、前記波長変換素子によって前記基本光の波長が変換されてなる変換光を透過させて前記第一光出射領域に導く、波長選択素子と、
前記波長変換素子から前記半導体素子の方向に向けて出射された前記変換光を反射して、前記第二光出射領域に導く、反射部材を備えるものであっても構わない。

【0039】

上記外部共振器型半導体レーザ光源において、
前記半導体素子は、アレイ状に配置された複数の発光部を有し、
前記複数の発光部のそれぞれが前記基本光を出射するものであっても構わない。

【0040】

半導体素子に複数の発光部がアレイ状に形成されていることで、外部共振器型半導体レーザ光源の第一光出射領域及び第二光出射領域から出射される光線束は、集光光学系の入射面において所定の間隔で整列して入射する。従って、入射位置によって角度分布を調整することが容易に行うことができる。

【発明の効果】

【0041】

本発明によれば、複数の光出射領域から光を出射する外部共振器型半導体レーザ光源を用いて、角度分布の均一性が向上された光を出射する光源装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0042】

【図1A】外部共振器型半導体レーザ光源の一実施形態を模式的に示す側面図である。

【図1B】図１Ａの半導体素子を光の出射方向から見たときの模式的な図面である。

【図2A】レーザ光源と集光レンズ及びファイバで構成された、光源装置を模式的に示すＹＺ平面視の図面である。

【図2B】図２Ａの光源装置を、Ｙ方向から見たときの模式的な図面である。

【図2C】図２Ａの集光レンズの入射面を、レーザ光源側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。

【図3】ファイバの入射面における光の角度分布を模式的に示すグラフである。

【図4A】光源装置の一実施形態の構成例を模式的に示すＹＺ平面視の図面である。

【図4B】図４Ａの光源装置を、Ｙ方向から見たときの模式的な図面である。

【図4C】図４Ａの集光光学系の入射面を、レーザ光源側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。

【図5A】ＹＺ平面視において、第一光導波路内を進行する光を模式的に示した図面である。

【図5B】ＸＹ平面視において、第一光導波路内を進行する光を模式的に示した図面である。

【図5C】第一光導波路から出射される光を模式的に示した図面である。

【図6】図４Ａの光源装置が照射する光の角度分布を模式的に示すグラフである。

【図7A】光源装置の別実施形態の構成例を模式的に示すＸＺ平面視の図面である。

【図7B】図７Ａの集光光学系の入射面を、レーザ光源側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。

【図8】図７Ａの光源装置が出射する光の角度分布を模式的に示すグラフである。

【図9A】光源装置の別実施形態の構成例を模式的に示すＸＺ平面視の図面である。

【図9B】図９Ａの集光光学系の入射面を、レーザ光源側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。

【図10】外部共振器型半導体レーザ光源の光出力の温度特性を示す図面である。

【図11】光源装置の別実施形態における集光光学系の入射面を、レーザ光源側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。

【図12】光源装置の別実施形態の構成例を模式的に示すＹＺ平面視の図面である。

【図13A】外部共振器型半導体レーザ光源の別実施形態を模式的に示す側面図である。

【図13B】図１３Ａの半導体素子を光の出射方向から見たときの模式的な図面である。

【発明を実施するための形態】

【0043】

以下、本発明の光源装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。

【0044】

［第一実施形態］
図４Ａは、光源装置１の一実施形態の構成例を模式的に示す図面である。図４Ａに示すように、光源装置１は、第一光出射領域１０ａと第二光出射領域１０ｂを有するレーザ光源１０と、第一集光光学系１１と、第二集光光学系１２と、第一光導波路１３と、第二光導波路１４とを備える。

【0045】

第一集光光学系１１は、第一光出射領域１０ａから出射された複数の光線束（以下、「第一光線束」と呼ぶ。）を、第一光導波路１３の入射面１３ａに集光させる光学系である。第二集光光学系１２は、第二光出射領域１０ｂから出射された複数の光線束（以下、「第二光線束」と呼ぶ。）を、第二光導波路１４の入射面１４ａに集光させる光学系である。

【0046】

第一光導波路１３は、円形状の入射面１３ａを有し、第一集光光学系１１から前記入射面１３ａに入射された光を光出射面１３ｂに導光した後、照射面１５に対して出射する導光部材である。第二光導波路１４は、円形状の入射面１４ａを有し、第二集光光学系１２から入射された光を光出射面１４ｂに導光した後、照射面１５に対して出射する導光部材である。すなわち、各光導波路（１３，１４）は、それぞれの光出射面（１３ｂ，１４ｂ）から同一の照射面１５に対して光を出射する構成である。

【0047】

以下の説明においては、第一光導波路１３及び第二光導波路１４の入射面（１３ａ，１４ａ）に対して直交するそれぞれの軸を光軸（１１ｃ，１２ｃ）とする。また、光軸（１１ｃ，１２ｃ）方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する平面をＸＹ平面とし、入射面１３ａに対する光の入射角をθ１とする。さらに、各出射領域（１０ａ，１０ｂ）において、光線束が整列している方向をＸ方向とし、各出射領域（１０ａ，１０ｂ）が対向している方向をＹ方向とする。

【0048】

図４Ｂは、図４Ａに示す光源装置１をＹ方向からみたときの模式的な図面である。図４Ｂに示すように、レーザ光源１０から出射された複数の第二光線束は、第二光出射領域１０ｂから、一列に整列した状態で出射し、第二集光光学系１２に入射する。第二集光光学系１２から出射された複数の光線束は、第二光導波路１４の入射面１４ａに向かって集光する。

【0049】

なお、図２Ｂと同様に、第一光出射領域１０ａから出射される複数の第一光線束は、第二光出射領域１０ｂから出射される複数の第二光線束と同様の列を成して出射されているため、上面視においては、第二光出射領域１０ｂから出射される複数の第二光線束によって隠されている。また、第一集光光学系１１及び第一光導波路１３は、それぞれ第二集光光学系１２と第二光導波路１４によって隠されている。

【0050】

第一実施形態において、レーザ光源１０は、外部共振器型半導体レーザ光源である。一例として、図１Ａを参照して上述した、従来のレーザ光源１０と共通の構造を採用することができる。すなわち、図１Ａに示すように、レーザ光源１０は、基本光を発する半導体素子１０１と、半導体素子１０１から見て、波長変換素子１０４よりも遠い位置に配置され、半導体素子１０１との間で基本光の外部共振器を構成すると共に、波長変換素子１０４によって前記基本光の波長が変換されてなる変換光を透過させて第一光出射領域１０ａに導く波長選択素子１１６と、波長変換素子１０４から半導体素子１０１の方向に向けて出射された変換光を反射して、第二光出射領域１０ｂに導く、反射部材（１０５，１０６）とを備える。

【0051】

第一集光光学系１１及び第二集光光学系１２は、レーザ光源１０から出射された光線束が、平坦面に入射し、凸面から出射されるように配置されているが、レーザ光源１０から出射された光線束が、凸面に入射し、平坦面から出射されるように配置されていても構わない。

【0052】

図４Ｃは、図４Ａの集光光学系（１１，１２）の入射面（１１ａ，１２ａ）を、レーザ光源１０側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。図４Ｃに示すように、第一実施形態においては、第一集光光学系１１に入射される第一光線束Ｌ１０ａの入射面１１ａ上における中心に対する相対的な入射位置と、第二集光光学系１２に入射される第二光線束Ｌ１０ｂの入射面１２ａ上における中心に対する相対的な入射位置は同じである。

【0053】

なお、図４Ｃの例では、それぞれの集光光学系（１１，１２）の入射面（１１ａ，１２ａ）に入射している各光線束の主光線は、直線上に並ぶように配置されており、各光線束の主光線を結んだ直線の中点が、それぞれの集光光学系（１１，１２）の光軸（１１ｃ，１２ｃ）上に位置するように配置されている。

【0054】

また、図４Ｃでは、光軸（１１，１２）を中心として、光軸（１１，１２）からの距離が同一である光線束の主光線を結んだ同心円が図示されている。以下、集光光学系の入射面を図示している図面においても同様に図示される。

【0055】

ここで、第一集光光学系１１の入射面１１ａに入射される複数の第一光線束のうちの、第一集光光学系１１の光軸１１ｃに最も近い位置に入射される光線束を「第一特定光線束」と呼ぶことにする。図４Ｃでは、入射面１１ａに入射される複数の第一光線束Ｌ１０ａの一例として、４つの光線束（７１，７２，７３，７４）が含まれる場合が図示されている。この例では、光線束７２又は光線束７３が上記第一特定光線束に該当する。ここでは、光線束７２を第一特定光線束として取り扱う。

【0056】

そして、第一特定光線束７２の主光線と第一集光光学系１１の光軸１１ｃとの間隔ｄ１ａとする。また、第一特定光線束７２の主光線と第一特定光線束に隣接する第一光線束（ここでは、光線束７１と光線束７３が該当する。）の主光線との間隔を間隔ｄ１ｂとする。

【0057】

第二集光光学系１２についても同様に、第二集光光学系１２の入射面１２ａに入射される複数の第二光線束のうちの、第二集光光学系１２の光軸１２ｃに最も近い位置に入射される光線束を「第二特定光線束」と呼ぶことにする。図４Ｃでは、入射面１２ａに入射される複数の第二光線束Ｌ１０ｂの一例として、４つの光線束（８１，８２，８３，８４）が含まれる場合が図示されている。この例では、光線束８２又は光線束８３が上記第一特定光線束に該当する。ここでは、光線束８２を第一特定光線束として取り扱う。

【0058】

そして、第二特定光線束８２の主光線と第二集光光学系１２の光軸１２ｃとの間隔ｄ２ａとする。また、第二特定光線束８２の主光線と第二特定光線束に隣接する第二光線束（ここでは、光線束８１と光線束８３が該当する。）の主光線との間隔を間隔ｄ２ｂとする。

【0059】

それぞれの集光光学系（１１，１２）の入射面（１１ａ，１２ａ）において、各光線束（Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂ）が図４Ｃに示すように配置されることで、間隔ｄ１ａが間隔ｄ１ｂより短くなり、間隔ｄ２ａが間隔ｄ２ｂより短くなる。間隔ｄ１ａが間隔ｄ１ｂより短くなり、間隔ｄ２ａが間隔ｄ２ｂより短くなっていることで、第一光出射領域１０ａ及び第二光出射領域１０ｂから出射され、光導波路（１３，１４）の入射面（１３ａ，１４ａ）に入射される光は、小さい入射角θ１において光が分布している。

【0060】

ここで、第一光導波路１３に入射した光線束が、どのように変換されて出射されるかを説明する。図５Ａは、ＹＺ平面視において、第一光導波路１３内を進行する光を模式的に示した図面である。図５Ａに示すように、第一光導波路１３は、入射された光を側面で繰り返し反射させながら、光線を出射面１３ｂへと導く。

【0061】

図５Ａでは、模式的に一本の光線のみを表しているが、第一光導波路１３には複数の光線束が入射され、光線が、第一光導波路１３内に集約されて出射面１３ｂから出射される。

【0062】

次に、光導波路（１３，１４）内を進行する光を、ＸＹ平面で見た場合を説明する。図５Ｂは、ＸＹ平面視において、第一光導波路１３内を進行する光を模式的に示した図面である。図５Ｂに示すように、第一光導波路１３に入射した光線束２２は、円形である第一光導波路１３の内壁面上で反射する。ここで、一定の幅を有する光線束２２は、第一光導波路１３の円形の内壁面上で反射すると、対向する壁面に向かって、幅が広がりながら進行する。

【0063】

図５Ｃは、第一光導波路１３から出射される光を模式的に示した図面である。上述のように、入射面１３ａから第一光導波路１３内に入射した光線束２２は、第一光導波路１３の内壁面上で反射を繰り返しながら進行し、やがて第一光導波路１３の内壁面の周方向全体にわたって反射しながら進行する光線束２２となる。

【0064】

出射面１３ｂに到達した光線束は、光軸１３ｃを中心とした出射角θ２の円環状の光線束２２として出射される。第一実施形態においては、第一光導波路１３は入射面１３ａと出射面１３ｂとの間が屈曲しているが、光の入射角θ１は出射面１３ｂまで維持されるため、図５Ｃに示した構成と同様に、出射面１３ｂから出射角θ２で出射される。

【0065】

第一光導波路１３から出射する光が、照度ムラを生じないためには、上述のように、第一集光光学系１１の入射面１１ａにおいて、第一集光光学系１１の光軸１１ｃを中心とする同心円上に光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域が存在しないように光源や光学系の配置をする必要がある。なお、第二光導波路１４に入射した光線束も、第一光導波路１３に入射した光線束２２と同じように変換されるため、説明は省略する。

【0066】

第一光導波路１３から出射される光と、第二光導波路１４から出射される光は、上述のように、同一の照射面１５に向かって光を出射している。ここで、第一光導波路１３及び第二光導波路１４の出射面（１３ｂ，１４ｂ）から出射されて照射面１５に照射される光の角度分布は、光導波路（１３，１４）の入射面（１３ａ，１４ａ）における入射角θ１についての角度分布が保持されているため、第一光導波路１３及び第二光導波路１４に入射する光の入射角θ１に対する角度分布の足し合わせたものである。

【0067】

図６は、図４Ａの光源装置１が出射する光の角度分布を模式的に示すグラフである。図６に示すように、光源装置１は、第一実施形態のような構成とすることで、光導波路（１３，１４）の入射面（１３ａ，１４ａ）において、小さな入射角θ１においても光が分布し、角度分布の均一性が向上される。すなわち、照度ムラが抑制された光を出射することができる。

【0068】

［第二実施形態］
本発明の光源装置の第二実施形態の構成につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

【0069】

図７Ａは、光源装置１の別実施形態の構成例を模式的に示すＸＺ平面視の図面である。また、図７Ｂは、図７Ａの集光光学系（１１，１２）の入射面（１１ａ，１２ａ）を、レーザ光源１０側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第二実施形態において、第一集光光学系１１は、間隔ｄ１ａが間隔ｄ１ｂの１／２となるように配置され、第二集光光学系１２は、間隔ｄ２ａが０、すなわち、第二特定光線束８２の主光線が第二集光光学系１２の光軸１２ｃに一致するように配置されている。なお、図７Ｂでは、間隔ｄ２ａは０であるため図示されていない。

【0070】

上述のとおり、光源装置１の出射する光の角度分布は、第一光導波路１３から出射される光の角度分布と第二光導波路１４から出射される光の角度分布の足し合わせであり、第一光導波路１３及び第二光導波路１４に入射する光の入射角θ１についての角度分布である。

【0071】

図８は、図７Ａの光源装置１が出射する光の角度分布を模式的に示すグラフである。図８に示すように、光源装置１が出射する光の角度分布は、一部に光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域を相互に補完することになり、角度分布の均一性が向上され、照度ムラが抑制された光を出射することができる。

【0072】

第二実施形態においては、第一集光光学系１１は、間隔ｄ１ａが間隔ｄ１ｂの１／２となるように配置され、第二集光光学系１２は、間隔ｄ２ａが０となるように配置されているが、他にも、第一集光光学系１１は、間隔ｄ１ａが間隔ｄ１ｂの１／４となるように配置され、第二集光光学系１２は、間隔ｄ２ａが０となるように配置されていても構わない。また、必ずしも、間隔（ｄ１ａ，ｄ２ａ）の一方が０でなくても構わなく、間隔ｄ１ａと間隔ｄ２ａとの差が、間隔ｄ１ｂ又は間隔ｄ２ｂの１／４以上１／２以下であればよい。

【0073】

［第三実施形態］
本発明の光源装置の第三実施形態の構成につき、第一実施形態及び第二実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

【0074】

図９Ａは、光源装置１の別実施形態の構成例を模式的に示すＸＺ平面視の図面である。また、図９Ｂは、図９Ａの集光光学系１２の入射面１２ａを、レーザ光源１０側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、第三実施形態において、第一集光光学系１１は、第一光導波路１３の入射面１３ａ上の第一集光領域１６ａに集光する第一レンズ部１１Ｌ、第一集光領域１６ａとは異なる第二集光領域１６ｂに集光する第二レンズ部１１Ｒを有している。第二集光光学系１２は、第二光導波路１４の入射面１４ａ上の第一集光領域１６ａに集光する第三レンズ部１２Ｌ、第一集光領域１６ａと異なる第二集光領域１６ｂに集光する第四レンズ部１２Ｒを有している。

【0075】

例えば、第二光導波路１４は、第一集光領域１６ａを一つの入射面とし、第二集光領域１６ｂを別の入射面とした、ファイババンドルとすることができる。第一光導波路１３についても同様である。

【0076】

第三実施形態において、第一集光光学系１１と第二集光光学系１２は同じ構成であり、第一光出射領域１０ａから出射された複数の第一光線束と、第二光出射領域１０ｂから出射された複数の第二光線束は、それぞれの入射面（１１ａ，１２ａ）に同じように入射する。以下、図９Ａ及び図９Ｂに基づいて第二光出射領域１０ｂから出射された第二光線束Ｌ１０ｂの変換についてのみ説明する。

【0077】

第三実施形態では、図９Ｂに示すように、入射面１２ａに入射される複数の第二光線束Ｌ１０ｂの一例として、８つの光線束（９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８）が含まれる場合が図示されている。第二光出射領域１０ｂから出射された８つの第二光線束Ｌ１０ｂのうち、一部の光線束（９１，９２，９３，９４）が、第二集光光学系１２の第三レンズ部分１２Ｌに入射し、残りの一部の光線束（９５，９６，９７，９８）が、第二集光光学系１２の第四レンズ部分１２Ｒに入射される。

【0078】

第三レンズ部分１２Ｌに入射した第二光線束（９１，９２，９３，９４）は、第一集光領域１６ａに集光されて、第二光導波路１４に入射する。第四レンズ部分１２Ｒに入射した第二光線束（９５，９６，９７，９８）は、第二集光領域１６ｂに集光されて、第二光導波路１４に入射する。また、第二集光光学系１２の入射面上において、第三レンズ部分１２Ｌの光軸１２ｄと、第四レンズ部分１２Ｒの光軸１２ｅとの間に、８つ第二光線束Ｌ１０ｂの中央部に位置する光線束（９４，９５）が位置している。

【0079】

まず、外部共振器型半導体レーザ光源の光出力に関する温度特性を説明する。図１０は、外部共振器型半導体レーザ光源の光出力の温度特性を示す図面である。外部共振器型のレーザ光源１０は、図１０に示すように、温度が上昇すると光出力が低下する。そのため、一定の駆動電流で点灯させていると、次第に発熱によって温度が上昇し、光出力が低下する。これは、基本光を発する半導体素子１０１の光出力の温度特性に依存している。

【0080】

第三実施形態におけるレーザ光源１０は、図１Ｂを参照して上述したように、基本光を発する複数の発光部１０２が一列のアレイ状に並べられている。一列のアレイ状に並べられた発光部１０２は、発光するための駆動電流が流されると、内部抵抗によって発熱する。アレイ状に配置された発光部１０２のうち、中央部側に位置する発光部１０２は、放熱されにくく、周囲の発光部１０２の熱の影響を受けるため、端部側に位置する発光部１０２よりも高温となる。

【0081】

従って、発光部１０２の中央部側に位置する発光部１０２は、端部側に位置する発光部１０２よりも光出力が低下しやすく、レーザ光源１０内での発振動作が停止しやすい。すなわち、各光出射領域（１０ａ，１０ｂ）から出射される各光線束（Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂ）は、中央部側の光線束が出力されなくなってしまう場合がある。

【0082】

図４Ｃや図７Ｂに示すような、第一実施形態や第二実施形態では、中央部側の光線束（７２，７３，８２，８３）の光出力が低下、又はこれらが消灯してしまうと、光導波路（１３，１４）から出力される光は、中央部の光強度が極端に低い、又は中央部の光が欠落した光となってしまう。

【0083】

そこで、図９Ａ及び図９Ｂに示すような構成とすることで、第三レンズ部分１２Ｌの光軸１２ｄの最も近くに入射されているのは光線束９２と光線束９３、第四レンズ部分１２Ｒの光軸１２ｅの最も近くに入射されているのは光線束９６と光線束９７となり、いずれも第二光線束Ｌ１０ｂの中央部に位置する光線束（９４，９５）ではなくなる。

【0084】

同様の理由により、第一集光光学系１１を構成する第一レンズ部分１１Ｌ及び第二レンズ部分１１Ｒについても、それぞれの光軸に最も近い位置に入射される光線束が、第一光線束Ｌ１０ａの中央部に位置する光線束ではなくなる。

【0085】

従って、仮に、発光部１０２の点灯状態が長時間にわたって継続して使用し、複数の発光部１０２からのうち、中央部に配置されている発光部１０２が、温度の上昇によって光出力が低下、又は消灯し、光線束（９４，９５）が出力されなくなってしまったとしても、光導波路（１３，１４）から出力される光は、中央部の光強度が極端に低い、又は中央部の光が欠落した光とならない。すなわち、レーザ光源１０の温度が上昇し、光線束（９４，９５）の光強度が低下してしまった場合に、光源装置１から出射される光の角度分布の均一性が大幅に低下してしまうことを回避できる。

【0086】

第三実施形態では、第一集光光学系１１と第二集光光学系１２は同じ構成であり、第一光出射領域１０ａから出射された複数の第一光線束と、第二光出射領域１０ｂから出射された複数の第二光線束は、それぞれの入射面（１１ａ，１２ａ）に同じように入射するものとしたが、集光光学系（１１，１２）の入射面（１１ａ，１２ａ）における入射位置を異ならせるように構成しても構わない。

【0087】

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

【0088】

〈１〉 図１１は、光源装置１の別実施形態における集光光学系（１１，１２）の入射面を、レーザ光源側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。図１１に示すように、第一集光光学系１１と第二集光光学系１２は、結合して一体として構成されていても構わない。

【0089】

〈２〉 図１２は、光源装置１の別実施形態の構成例を模式的に示すＹＺ平面視の図面である。図１２に示すように、第一光出射領域１０ａ又は第二光出射領域１０ｂから出射される光線束は、反射部材（２０，２１）を用いて任意の位置に導光され、集光光学系（１１，１２）の入射面（１１ａ，１２ａ）に入射される構成としても構わない。

【0090】

〈３〉 図１３Ａは、外部共振器型半導体レーザ光源の別実施形態を模式的に示す側面図である。図１３Ｂは、図１３Ａの半導体素子１０１を光の出射方向から見たときの模式的な図面である。図１３及び図１３Ｂが示すように、半導体素子１０１に構成された発光部１０２は、Ｘ方向に配置されていても構わない。さらに、Ｘ方向とＹ方向のいずれにおいても複数列を構成するように配置されていても構わない。

【0091】

図１Ａ及び図１Ｂで示す半導体素子１０１上に形成された発光部１０２は、Ｘ方向に向かって整列して配置されている。従って、それぞれの光出射領域（１０ａ，１０ｂ）から出射されるＸ方向において整列している複数の光線束は、Ｙ方向において対向するように出射される。

【0092】

図１３Ａ及び図１３Ｂで示す半導体素子１０１上に形成された発光部１０２は、Ｙ方向に向かって整列して配置されている。従って、光出射領域（１０ａ，１０ｂ）から出射される全ての光線束がＹ方向において整列して出射される。

【0093】

〈４〉 図１Ａ及び図１３Ａを参照して説明したレーザ光源１０は、波長選択素子として、特定の波長帯の光を選択的に反射するＶＢＧ１０３を含む場合を例に挙げて説明した。しかし、特定の波長帯の光を選択する素子（例えば、エタロンフィルタやＴＦＦ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｆｉｌｔｅｒ）等）と、ダイクロイックミラーの組み合わせ等であってもよい。

【符号の説明】

【0094】

１ ： 光源装置
１０ ： レーザ光源
１１ ： 第一集光光学系
１１ａ ： 入射面
１１ｃ ： 光軸
１１Ｌ ： 第一レンズ部
１１Ｒ ： 第二レンズ部
１２ ： 第二集光光学系
１２ａ ： 入射面
１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ ： 光軸
１２Ｌ ： 第三レンズ部
１２Ｒ ： 第四レンズ部
１３ ： 第一光導波路
１３ａ ： 入射面
１３ｂ ： 出射面
１３ｃ ： 光軸
１４ ： 第二光導波路
１４ａ ： 入射面
１４ｂ ： 出射面
１５ ： 照射面
１６ａ ： 第一集光領域
１６ｂ ： 第二集光領域
２０，２１ ： 反射部材
２２ ： 光線束
７１，７２，７３，７４ ：光線束
８１，８２，８３，８４ ：光線束
９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８ ：光線束
１００ ： 光源装置
１０１ ： 半導体素子
１０２ ： 発光部
１０３ ： ＶＢＧ
１０４ ： 波長変換素子
１０５，１０６ ： 反射部材
１１０ ： 集光レンズ
１１０ａ ： 入射面
１１１ ： ファイバ
１１１ａ ： 入射面
１１２ ： 光軸
ｄ１ａ，ｄ１ｂ，ｄ２ａ，ｄ２ｂ ： 距離
Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂ ： 光線束
θ１ ： 入射角
θ２ ： 出射角

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】