特許 7507356 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】2024-06-20

(45)【発行日】2024-06-28

(54)【発明の名称】光源装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20210101AFI20240621BHJP

   H01S 5/02253 20210101ALI20240621BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20240621BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20240621BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20240621BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20240621BHJP

【ＦＩ】

H01S5/022

H01S5/02253

G03B21/14 A

F21S2/00 330

F21V5/04 250

F21Y115:30

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021563743

(86)(22)【出願日】2020-07-21

(86)【国際出願番号】 JP2020028215

(87)【国際公開番号】W WO2021117286

(87)【国際公開日】2021-06-17

【審査請求日】2023-02-17

(31)【優先権主張番号】P 2019221829

(32)【優先日】2019-12-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】杉田 知也

(72)【発明者】

【氏名】長谷山 亮

【審査官】大西 孝宣

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２１９７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０７３０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２０４８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１４８６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２２５４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０７８０４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１１１４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／００６１８３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１３８４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／１６１９３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／０１６９３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／２２５４３８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０

Ｇ０３Ｂ ２１／１４

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ５／００

Ｆ２１Ｖ ５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射する光源と、
前記レーザ光の出射方向に配置された光学素子と、を備えた光源装置であって、
前記光源は、前記レーザ光を出射する複数の半導体レーザ素子を有し、
前記光学素子は、第１面と、第２面と、を有し、
前記第１面には、前記レーザ光が入射する光強度変換部、
前記第１面と前記第２面との間には、前記レーザ光を透過する透光部、
前記第２面には、前記光強度変換部を透過した前記レーザ光が出射するコリメータ部、を有しており、更に、
前記光強度変換部は、複数のレンズアレイを有し、且つ前記複数のレンズアレイの各々が複数のレンズセルを有しており、
前記コリメータ部は、複数のコリメータレンズを有しており、
前記複数の半導体レーザ素子のうち所定の１つのレーザ素子から出射したレーザ光は、前記光強度変換部が有する複数のレンズアレイのうち所定の１つのレンズアレイに入射し、前記コリメータ部が有する複数のコリメータレンズのうち所定の１つのコリメータレンズを透過して出射するものであり、
前記所定の一つのレンズアレイに入射したレーザ光は、この所定の一つのレンズアレイが備える複数のレンズセルのうち少なくとも２つのレンズセルを透過し、このレーザ光の光強度分布は均一となり、
更に、前記所定の１つのコリメータレンズを透過したレーザ光は平行な光束を有する、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項2】

前記所定の一つのレーザ素子と、前記所定の一つのレンズアレイと、前記所定の一つのコリメータレンズは、この一つのレーザ素子から発せられるレーザ光の光軸上に配置されている、請求項１に記載の光源装置。

【請求項3】

前記光学素子を上面からみたとき、前記レンズアレイの外形は、前記コリメータレンズの外形より内側に位置している、請求項１に記載の光源装置。

【請求項4】

前記レンズセルのサグ量が１５μｍ以下である、請求項１に記載の光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複数の半導体レーザ素子から出射されたビームをコリメートするレンズアレイを備えた光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、プロジェクタ（映像投影装置）用の光源として、高圧水銀ランプ等が使用されている。近年、プロジェクタの高輝度化や省エネルギー対応のため、これまで主流であった高圧水銀ランプ等から半導体レーザ（レーザダイオード（Laser Diode）、以降ＬＤと称する）への切り替えが進んでいる。

【0003】

半導体レーザを光源として用いるプロジェクタは、大別して、赤色（Ｒ）・緑色（Ｇ）・青色（Ｂ）の三原色に対応する複数の波長のレーザ光を使用するタイプのものと、青色レーザ光を励起光（ポンプ光）として蛍光体に入射し黄色波長帯の蛍光に変換して白色光を得るタイプのものがある。いずれの場合においても、光強度の大きなレーザ光や蛍光光で画像表示部を照明し、画像表示部で形成された画像情報を投影光学系等でスクリーンに拡大投影することで、明るく大画面の映像表示装置として使用される。

【0004】

光源部の小型化・高輝度化・低価格化を目指した技術革新により、複数のＬＤチップを並列配置したマルチチップパッケージ（フラットパッケージ）が例えば特許文献１で提案され実用化されてきた。またこのような製品の登場に伴い、マルチチップパッケージに配置されたそれぞれのＬＤチップから出射されるレーザ光をコリメート光にするため、複数のＬＤチップのそれぞれに対応して複数のレンズが配置された製品が実用化されてきた。特に複数のレンズを一体的に形成した、いわゆるレンズアレイと呼ばれる構成が提案されており、将来的にプロジェクタ製品の多くがこのタイプのレーザ光源を採用すると見られている。

【0005】

このような複数ビームの青色レーザ光を励起光として蛍光体に入射し蛍光光に変換して白色光を得る場合、レンズ等を用いてできるだけ小さい領域にレーザ光を集光して照射させることが好ましい。しかし、蛍光体の輝度飽和（励起光の強度を高くすると蛍光体の温度上昇等による発光効率の低下）が発生するといった課題や、蛍光体の寿命が低下するといった不具合が生じる場合がある。そのため、過度に光強度を高めることはできない。特に一般的にＬＤから出射されるレーザ光の強度分布は中心部が高く周辺部が弱い、いわゆるガウシアンビームプロファイルとなっている。そのため、蛍光体の入射面近傍の光強度分布が強弱の分布を持つことになる。光強度の大きい部分では励起光（入射光）から蛍光への変換効率が飽和したり蛍光体が焼けたりする。一方で、光強度の小さい部分では十分な蛍光光（変換光）が得られずに照度ムラの要因となる不都合が生じていた。

【0006】

一方で、光学系やプロジェクタをできるだけ小さくするためには、レーザ光照射領域（蛍光発光領域）をできるだけ小さくしながら高輝度化を図る必要がある。従って、励起光であるレーザ光の強度分布をできるだけ均一化し、蛍光発光領域に照射されるピーク光強度を輝度飽和が発生しない強度で均一に励起することができれば、励起光照射領域全体が高輝度な蛍光発光領域とすることができる。

【0007】

そして、複数ビームのレーザ光をプロジェクタの照明光や蛍光体への励起光として利用する構成として、フライアイレンズと呼ばれるレンズセルが２次元アレイ状に並んだ光学素子を２枚組で使用して光強度分布の均一化を図る構成が、例えば特許文献２で提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１７－１６８５４７号公報

【文献】特開２００９－６３６１９号公報

【発明の概要】

【0009】

しかしながら、２枚のフライアイレンズ間距離や、フライアイレンズを構成する複数のレンズセルの位置を精度よくアライメントする必要があるため均一な光強度分布のコリメート光を得るための光学系のサイズが大きくなってしまうという問題があった。

【0010】

上記に述べた問題を解決するため、本開示は、複数のＬＤチップを並列配置したマルチチップパッケージ光源から出射された複数のレーザ光を、均一な光強度分布（いわゆるトップフラット光強度分布）を有する複数のコリメート光にする光源装置において、光学系のサイズを小さくすることを目的とする。なお、光学系とは、光源から出射されたレーザ光が対象物を照射するまでに透過する光学素子の集合体をいう。

【0011】

上記目的を達成するため、本開示に係る光源装置は、以下の構成を有する。

【0012】

すなわち、本開示に係る光源装置は、光源と、光学素子と、を備える。光源は、レーザ光を出射する。光学素子は、レーザ光の出射方向に配置されている。また光源は、複数の半導体レーザ素子を有する。複数の半導体レーザ素子の各々は、レーザ光を出射する。また光学素子は、第１面と、第２面と、を有する。第１面は、光強度変換部を有する。また、光強度変換部には、レーザ光が入射する。第１面と第２面との間には、透光部が備えられる。透光部において、レーザ光が透過する。第２面は、コリメータ部を有する。コリメータ部には、光強度変換部を透過したレーザ光が出射する。また、光強度変換部は、複数のレンズアレイを有する。また、コリメータ部は、複数のコリメータレンズを有する。複数の半導体レーザ素子のうち所定の１つから出射したレーザ光は、複数のレンズアレイのうち所定の１つに入射する。所定の１つのレンズアレイに入射したレーザ光は、複数のコリメータレンズのうち所定の１つを透過して出射する。複数のレンズアレイの各々は、複数のレンズセルを有する。レーザ光は、所定の１つのレンズアレイが備える複数のレンズセルのうち少なくとも２つを透過する。少なくとも２つのレンズセルを透過したレーザ光の光強度分布は、均一となる。レーザ光は、所定の１つのコリメータレンズを透過した後に平行な光束を有する。

【0013】

本開示により、均一な光強度分布を有する複数のコリメート光を出射する光源装置の光学系のサイズを小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本開示の一実施形態に係る光源装置を模式的に示した構成図である。

【図2】同光源装置をコリメータレンズの中心を通る平面で切ったときの断面図である。

【図3】同光源装置を光学素子の中心を通りかつ光学素子の上方から眺めたときの平面図である。

【図4】同光源装置において、１つのコリメータレンズ４ａの中心を通る平面で切った断面図である。

【図5A】半導体レーザ素子からのレーザ光がレンズアレイに入射するときのレンズアレイのレンズ面に接する平面におけるレーザスポットの大きさを示す図である。

【図5B】レンズアレイのレンズ面に接する平面におけるレンズアレイとレンズセルとの配置関係を示す平面図である。

【図5C】１つのレンズセル３ｂを示す平面図である。

【図6】半導体レーザ素子と、レンズアレイとコリメータレンズとの配置において、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光がコリメータレンズを透過した後にその光強度分布が均一化される様子を示す模式断面図である。

【図7】半導体レーザ素子から出射してすぐのレーザ光のファーフィールドパターンの光強度分布を示す図である。

【図8】半導体レーザ素子から出射したレーザ光がコリメータレンズを透過した後の光強度分布を示す図である。

【図9】本開示の変形例にかかる光源装置の光学素子の一例を示す平面図である。

【図10】同光源装置の光学素子の別の一例を示す平面図である。

【図11】本開示の光源装置を用いた白色光源の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本開示の一実施の形態にかかる光源装置について図を用いて説明する。なお、以下に示される光源装置およびその製造方法は、あくまで一例であって以下の内容に限定されない。

【0016】

図１は、一実施の形態に係る光源装置１００を模式的に示した構成図である。図２は、図１に示す光源装置１００を、コリメータレンズ４ａの中心を通りｘ軸に平行なII－II線を含む、ｘｚ平面に平行な平面で切った断面図である。図３は、図１に示す光源装置１００を、上方から眺めたときの平面図である。なお、「上方から眺める」とは、ｚ軸に平行で光学素子５の中心を通る直線上にあり、光学素子５のどの位置よりもｚの値が大きくなる位置で、かつ光学素子５より離れた位置から眺める、ということである。なお、図３においてパッケージ１ｂの記載は煩雑のため省略している。なお、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸については、後述する。

【0017】

光源装置１００は、光源１と、光学素子５と、を有している。

【0018】

光源１は、複数の半導体レーザ素子１ａと、複数の半導体レーザ素子１ａを内部に収容して固定するパッケージ１ｂを有している。

【0019】

光学素子５は、透光部２と、光強度変換部３と、コリメータ部４と、を有している。

【0020】

以下、本開示の一実施の形態にかかる光源装置１００を構成する各要素とその機能について説明する。

【0021】

（１）光源１
（１－１）半導体レーザ素子１ａ
半導体レーザ素子１ａは、多層構造を有する。当該多層構造は、基板の上に窒化ガリウム系の半導体を材料とした複数の層を積層することにより形成される。

【0022】

半導体レーザ素子１ａは、多層構造を構成する各層の面に垂直な方向すなわち積層方向をｘ軸としてパッケージ１ｂの上に配置されている。

【0023】

半導体レーザ素子１ａに所定の電圧を印加して電流を流すことにより、半導体レーザ素子１ａからレーザ光Ｌが出射する。半導体レーザ素子１ａが出射するレーザ光の発光波長は、例えば４４０～４６０ｎｍの青色波長帯である。また、半導体レーザ素子１ａの光出力は、例えば数１０ｍＷ～数１００ｍＷである。

【0024】

一般的にレーザ光Ｌは、半導体レーザ素子１ａの端面窓構造の形状に起因する拡がり角で出射される。本実施の形態において当該レーザ光Ｌは、単一横モード光である場合を例に説明するが、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、高出力化のためにＬＤの活性層の幅を数１０ミクロン程度のワイドストライプ構造としたマルチ横モード光であってもよい。その場合には、半導体レーザ素子１ａの光出力は数Ｗ以上となる。

【0025】

なお、図２以降の図面において光軸Ｃは、レーザ光Ｌの光分布の中心軸を示す。

【0026】

（１－２）パッケージ１ｂ
パッケージ１ｂは、例えば縦２０ｍｍ、横４０ｍｍ、高さ１５ｍｍの直方体の形状を有している。図１を含むそれ以降の図番にかかる図面において、パッケージ１ｂの横方向をｘ軸、縦方向をｙ軸、高さ方向をｚ軸と定義する。本実施の形態においては、６個の半導体レーザ素子１ａを所定の間隔で、等間隔に配置している。すなわち、６個の半導体レーザ素子１ａは、ｘ軸方向に３個、ｙ軸方向に２個配置されている。当該隣接する２個の半導体レーザ素子１ａの間隔は、１０ｍｍである。

【0027】

パッケージ１ｂは、一般的なＬＤ用パッケージである窒化アルミニウムや銅、金めっきを施した金属材料、タングステン銅などにより構成される。

【0028】

（２）光学素子５
光学素子５は、縦２０ｍｍ、横４０ｍｍ、厚み３ｍｍの直方体の形状を有している。

【0029】

（２－１）透光部２
透光部２は、光学ガラスで構成されている。透光部２は、光源１と対向する第１面２ａと、第１面２ａと反対側の第２面２ｂを有している。透光部２の厚み、つまり、第１面２ａから第２面２ｂまで距離は、３ｍｍである。光強度変換部３は、透光部２の第１面２ａに形成されている。コリメータ部４は、透光部２の第２面２ｂに形成されている。

【0030】

（２－２）光強度変換部３
光強度変換部３は、透光部２の第１面２ａに配置された複数のレンズアレイ３ａで構成される。それぞれのレンズアレイ３ａは、単一の半導体レーザ素子１ａから出射されたレーザ光Ｌ（図２においてレーザ光Ｌのビーム拡がりを破線で示している）の光強度分布を均一化するように構成されている。レンズアレイ３ａは、それぞれ、複数のレンズセル３ｂを二次元的に、できるだけ円形状に近くなるように配置した構成である。それぞれのレンズアレイ３ａの大きさは、直径が８．５ｍｍである。また、隣り合うレンズセル３ｂのピッチは、１５０μｍである。レンズセル３ｂの大きさや曲率を調節することでレーザ光Ｌの光強度分布を均一化することができる。なお、本実施形態にかかる光源装置１００において、レンズセル３ｂの形状を正六角形とし、複数のレンズセル３ｂをハニカム状に配置してレンズアレイ３ａを構成している。しかし、このレンズセル３ｂの形状は、正六角形に限定されない。レンズセル３ｂの他の形状として、正多角形、例えば正三角形、正方形、正五角形や正八角形も可能である。また、レンズセル３ｂの他の形状として、正多角形に限らず、他の多角形、例えば、三角形、四角形、五角形や六角形も可能である。また、レンズセル３ｂの形状として、円形や楕円形とすることができる。但し、レンズセル３ｂの形状が円形の場合には、レンズセル３ｂを密に配置した場合であっても隣接するレンズセル３ｂの間に非レンズ部が生じ、レーザ光Ｌのうち、非レンズ部を通過する光（レンズセルを通過しない光）成分は強度分布の均一化を阻害する要因となる。従ってレンズセルの外形は、隙間なく２次元配置が可能な形状、例えば正六角形や正方形、正三角形や長方形の方がよい。

【0031】

（２－３）コリメータ部４
コリメータ部４は、複数のコリメータレンズ４ａを二次元的に配置したレンズアレイで構成されている。コリメータレンズ４ａは、それぞれ、単一のレンズアレイ３ａを透過したレーザ光Ｌをコリメートするように構成されている。隣り合うコリメータレンズ４ａのピッチは、９．５ｍｍであり、半導体レーザ素子１ａのピッチと同一である。コリメータレンズ４ａの直径は、９ｍｍである。なお、ここでコリメートとは、コリメータレンズ４ａを透過する光を平行光にすることをいう。

【0032】

コリメータ部４は、６つのコリメータレンズ４ａを有する。６つのコリメータレンズ４ａは、６つのレンズアレイ３ａに応じて縦二列、横三列で等間隔で配置されている。

【0033】

なお、レンズアレイ３ａが設けられている領域は、レーザ光Ｌが透過する領域Ｒ（図１参照）を含む。レンズアレイ３ａの外周端は、領域Ｒよりも外側に設定されている。したがって、透光部２の第１面２ａにおいて隣り合うレンズアレイ３ａの間は平坦面となっているが、この平坦面にレンズセル３ｂが存在していてもよい。言換えると、第１面２ａの全面にレンズセル３ｂを配置してもよい。この場合、レンズアレイ３ａは上述した領域Ｒを含み、Ｒよりも大きい領域に形成されている。

【0034】

（３）光源１と光学素子５との配置関係
（３－１）本開示にかかる光源１と光学素子５との配置関係
以下、本開示にかかる光源１と光学素子５との配置関係の詳細について説明する。

【0035】

光源１を構成する半導体レーザ素子１ａと、レンズアレイ３ａと、コリメータレンズ４ａとは、一対一に対応して配置される。また、光源１を構成する半導体レーザの１ａの光軸Ｃは、ｚ軸に平行である。また、コリメータレンズ４ａの光軸は、ｚ軸に平行である。また、レンズアレイ３ａの中心を通りｚ軸に平行な線と、コリメータレンズ４ａの光軸と、光軸Ｃは一致する。

【0036】

図３において、１つのコリメータレンズ４ａの中心を通りｘ軸に平行なIV―IV線を含むｘｚ平面で切った断面図を図４に示す。すなわち、図４は、半導体レーザ素子１ａと、光学素子５を構成するレンズアレイ３ａと１つのコリメータレンズ４ａとの配置関係を示す断面図である。なお、図４においてパッケージ１ｂの記載は煩雑のため省略している。

【0037】

また、図５Ａは、半導体レーザ素子１ａからのレーザ光Ｌがレンズアレイ３ａに入射するときの、レンズアレイ３ａのレンズ面に接しかつｙｚ平面に平行な平面３ＡＰにおけるレーザスポットの大きさを示す平面図である。なお、レーザスポットは楕円形状を有する。図５Ｂは、平面３ＡＰにおけるレンズアレイ３ａとレンズアレイ３ａを構成するレンズセル３ｂとの配置関係を示す平面図である。図５Ｃは、１つのレンズセル３ｂを示す平面図である。

【0038】

半導体レーザ素子１ａの端面とレンズアレイ３ａのレンズ面との間の距離をＤとすると、Ｄ＝１０ｍｍである。

【0039】

レンズアレイ３ａの直径をＤｍｉとすると、Ｄｍｉ＝８．５ｍｍである。レンズアレイ３ａを構成するレンズセル３ｂは、図５Ｃに示すように平面視で正六角形の形状を有する。レンズセル３ｂの大きさは、正六角形の対向する２辺の間隔Ｌｃｅで定義される。本実施形態においては、Ｌｃｅ＝１５０μｍである。また、レンズセル３ｂのレンズ面は球面で、その曲率半径は０．７ｍｍである。

【0040】

また、コリメータレンズ４ａの直径をＤｃｏとすると、Ｄｃｏ＝９ｍｍである。コリメータレンズ４ａのレンズ面の曲率半径は球面で、その曲率半径は５ｃｍである。すなわち、レンズセル３ｂの曲率は、コリメータレンズ４ａの曲率より大きく、レンズセル３ｂ焦点距離は、コリメータレンズ４ａの焦点距離よりも小さい。

【0041】

また、レーザ光１Ｌの拡がり角について、ｘ軸方向をΘ１、ｙ軸方向をΘ２とすると、本実施の形態で検討した半導体レーザ素子１ａについてはΘ１＝２３°、Θ２＝８．５°である。このことから、平面３ＡＰにおけるレーザスポットの大きさは、ｘ軸方向について２×Ａｓｐ＝２×Ｄ×ｔａｎ（Θ１）＝８．４９ｍｍ、ｙ軸方向について２×Ｂｓｐ＝２×Ｄ×ｔａｎ（Θ２）＝２．９９ｍｍである。なお、拡がり角は、光軸Ｃからレーザ光Ｌの光強度がピーク値の１／ｅ^２の値（ｅは自然対数の底、ｅ＝２．７１８・・・）となる場所までのビームの拡がりを示す角度（半値）である。

【0042】

なお、図３に示すように、レンズアレイ３ａの外形は、入射されるレーザ光線に応じていればよく、上面視においてレンズアレイ３ａの外形は、対応するコリメータレンズの外形の内側とすることが好ましい。

【0043】

（３－２）考察
なお、光源装置１００においては、光強度変換部３を構成するレンズアレイ３ａの正面視における外形寸法（以降、セルサイズＸと称す）が重要なパラメーターとなる。

【0044】

半導体レーザ素子１ａから出射されたレーザ光Ｌが光強度変換部３に入射する際の断面形状は、一般的には図５Ａに示すように楕円形状である。このレーザ光Ｌの長軸側の拡がり角（半値）をΘ１、短軸側の拡がり角（半値）をΘ２として、半導体レーザ素子１ａの出射端面から光強度変換部３までの距離をＤとする。このとき、光強度変換部３に入射するレーザ光線Ｌの長軸側寸法はＤ×ｔａｎ（Θ１）、短軸側寸法はＤ×ｔａｎ（Θ２）となる。

【0045】

レンズアレイ３ａの直径Ｄｍｉは半導体レーザ素子１ａから出射されるレーザ光Ｌのスポットをすべて含む大きさがあればよく、Ｄｍｉ＞２×Ｄ×ｔａｎ（Θ１）であればよい。

【0046】

一方、コリメータレンズ４ａを出射した光がフラットな分布となるためには、少なくとも２つ以上のレンズセル３ｂを通過したレーザ光線Ｌがほぼ同一の空間に重ね合わされることが必要である。すなわち、レーザ光Ｌのスポットが少なくとも複数のレンズセル３ｂを照射する必要がある。そのため、Ｘ＜０．５×Ｄ×ｔａｎ（Θ２）であることが必要である。

【0047】

したがって、１つのレンズアレイ３ａの直径Ｄｍｉは、少なくともＤｍｉ≧２×Ｄ×ｔａｎ（Θ１）となり、かつ、１つのレンズセル３ｂのセルサイズＸが、Ｘ≦０．５×Ｄ×ｔａｎ（Θ２）の関係になることが好ましい。

【0048】

なお、レンズセル３ｂが正六角形の場合、Ｘ＝Ｌｃｅである。

【0049】

実用的には、単一の半導体レーザ素子１ａから出射されたレーザ光Ｌは、３つ以上のレンズセル３ｂを通過するように設計されることが望ましく、この場合には所望の位置における出射光の断面光強度分布が１５％以下のバラツキで均一化される。用途に応じて要望される光強度分布の均一度により、セルサイズＸと入射光線の短軸側寸法の比が大きくなるように設計・作製することができる。

【0050】

なお、レンズアレイ３ａの直径Ｄｍｉは半導体レーザ素子１ａから出射されるレーザ光Ｌのスポットをすべて含む大きさがあればよく、Ｄｍｉ＞２×Ｄ×ｔａｎ（Θ１）であればよい。また、レンズセル３ｂの大きさは、コリメータレンズ４ａを出射した光がフラットな分布となるためには、レーザ光Ｌのスポットが少なくとも複数のレンズセル３ｂを照射する必要がある。そのため、Ｌｃｅ＜０．５×Ｄ×ｔａｎ（Θ２）であることが必要である。

【0051】

本実施の形態においては、Ｄｍｉ＝８．５ｍｍであり、２×Ｄ×ｔａｎ（Θ１）＝８．４９ｍｍであるので上記関係式を満たしている。また、Ｌｃｅ＝１５０μｍ＝０．１５ｍｍであり、０．５×Ｄ×ｔａｎ（Θ２）＝０．７５ｍｍであるので上記関係式を満たしている。

【0052】

（４）光源装置１００の特性について
図６は、図４に示す半導体レーザ素子１ａと、光学素子５を構成するレンズアレイ３ａと１つのコリメータレンズ４ａとの配置における、半導体レーザ素子１ａから出射されたレーザ光Ｌの光強度分布が均一化される理論を説明する模式断面図である。

【0053】

図６に示すグラフＡは、半導体レーザ素子１ａと光強度変換部３の間のｘ軸に平行な線分VII－VIIにおけるレーザ光Ｌの光強度分布（ファーフィールドパターンのｘ軸方向の光分布）を示す。図６におけるグラフＢは、コリメータ部４を出射した後のｘ軸に平行な線分VIII－VIIIにおけるレーザ光Ｌの光強度分布を示す。

【0054】

図７は、位置VII－VIIにおける半導体レーザ素子１ａから出射したレーザ光Lのファーフィールドパターンのｘ軸方向の光強度分布を示す図である。図７に示す光強度分布のグラフは、図６におけるグラフＡと同じである。また、図８は、コリメータレンズ４ａを出射した後の位置VIII－VIIIにおけるｘ軸方向の光強度分布を示す図である。図８に示す光強度分布のグラフは、図６におけるグラフＢと同じである。

【0055】

レンズアレイ３ａに入射されるレーザ光Ｌの光強度分布は、グラフＡに示されるようにガウシアン分布である。レンズアレイ３ａに入射されるレーザ光Ｌは、複数のレンズセル３ｂに分かれて入射される。レンズセル３ｂに入射されたレーザ光Ｌは集光した後に発散される。例えば、光強度分布が大きい光軸Ｃの近傍領域のレーザ光Ｌは、レンズセル３ｂ１によってコリメータレンズ４ａのほぼ全体に発散される。光強度分布が小さい光束の外周近傍領域のレーザ光Ｌは、レンズセル３ｂ２によってコリメータレンズ４ａの全体に発散される。つまり、コリメータレンズ４ａから出射されるレーザ光Ｌの光強度分布は、各々のレンズセル３ｂにより発散されたレーザ光Ｌの重ね合わせた像となる。この結果、コリメータレンズ４ａから出射されるレーザ光Ｌの光強度分布は、グラフＢに示されるように均一化される。

【0056】

本開示における光源装置１００の特徴は、透光部２の第１面に光強度変換部３を一体的に構成して、透光部の第２面にコリメータ部４を一体的に構成したところである。光源装置１００において、光強度変換部３は、透光部２の第１面２ａに配置されている。つまり、光強度変換部３は、半導体レーザ素子１ａから出射されたレーザ光Ｌが所定の拡がり角をもって広がる段階に配置される。この構成では、レーザ光Ｌをコリメートした後に光強度変換を行う装置構成に比べ、光源１、光強度変換部３及びコリメータ部４を含む光学系の光路長を短縮することができる。つまり、光源装置１００における光学系のサイズを小さくすることができる。

【0057】

（５）透光部２の製造方法
また、このような光学ガラスを用いた透光部２は、プレス金型を用いたガラスモールド工法で作製することができる。プレス金型には、精密加工された超鋼金型が用いられる。超鋼金型の材料としては、例えば炭化タングステンが用いられる。

【0058】

ガラスモールド工法は、金型加工形状の自由度とプリフォーム硝材形状の自由度がある。この結果、大きなサグ量が必要となるコリメータレンズ４ａおよび微細な寸法のレンズアレイ３ａを転写するプレス金型を実現することができる。なお、ここでサグ量とは、金型加工面に対する掘削量のことをいう。

【0059】

プロジェクタ用光源や蛍光体の励起光として使用するレーザ光は、光ディスク装置等に使用するレーザ光に比べて要求されるビーム品質（収差特性や集光性能）レベルが低い。そのため、レンズの形状精度が例えば５～１０μｍ程度のばらつきが許され、金型加工における加工ツールや加工工数を抑えて低コストで金型作製ができるという利点もある。ガラスモールド工法に適した光学ガラスは、例えば小原光学株式会社の製品であるＢＳＬ７や住田光学ガラス株式会社の製品であるＰＢＫ４０などである。

【0060】

一方で、超鋼金型は、レンズアレイ３ａやコリメータレンズ４ａを転写する成形面の加工に時間がかかる。すなわち、加工量と加工コストが比例する。つまり、金型コストを下げるためには、プレス金型の加工面積を少なくすることが重要となる。したがって、図１や図２に示すように隣り合うレンズアレイ３ａの間は、平坦面であることが好ましい。すなわち、上述したように光強度変換部３をレーザ光Ｌの発散過程に配置することで、レンズアレイ３ａを大幅に小型化することができる。そのため、プレス金型の加工コストを削減することができる。

【0061】

また、例えば、レンズセル３ｂのレンズ曲率を大きく（レンズ曲率半径を小さく）したり、セルサイズＸを大きくしたりすると、レンズの飛び出し量（一般的にはレンズのサグ量と呼ばれる、レンズの深さ）が大きくなる。このような場合には、ガラスモールド工法によるレンズ成形プロセスにおいて不都合が生じることがある。特にプリフォーム硝材の光強度変換部３を形成する面がほぼ平坦面であった場合、レンズアレイ３ａを転写するためのプレス金型のセル境界（稜線）とプリフォーム硝材との間にできる空間が閉空間に近くなる。これにより転写部分にガラスが十分に充填されない「エアー溜り」と呼ばれる現象が発生しやすい。この現象は、レンズセル３ｂのサグ量が大きいほど顕著であった。しかし、サグ量が概ね１５ミクロンよりも小さい場合には、温度や圧力等のプロセス条件を適正に選択することによりほとんど発生しない成形が可能であることが確認された。従って、高い量産性と歩留りを確保するためには、レンズセル３ｂにおけるサグ量が１５ミクロン以下であることが好ましい。また、サグ量を小さくすることにより、金型加工に係る工数や金型作製費用の低減ができるという利点もある。また更には、サグ量が小さいことによりレンズセル３ｂの境界（稜線）における光の透過損失を小さくすることができ、半導体レーザ素子１ａから出射されたレーザ光Ｌの利用効率を高くすることができる。

【0062】

（５）変形例
なお、光源１を構成する半導体レーザ素子１ａの数は上述した６つに限定されるものではない。また、複数の半導体レーザ素子１ａの配置についても上述した列数に限定されない。つまり、光源１を構成する半導体レーザ素子１ａは複数個であり、その配置は、一次元的もしくは二次元的に整列配置される。また、レンズアレイ３ａやコリメータレンズ４ａも半導体レーザ素子１ａの配置に応じて適宜配置される。

【0063】

例えば、図９に示すように、コリメータレンズ４ａが縦３個、横３個等間隔に配置されていてもよい。また、図１０に示すように複数のコリメータレンズ４ａのうち隣接する３個が正三角形状に配置されていてもよい。また、図９、図１０に示す配置以外に、長方形状の配列や、五角形、六角形などの多角形状の配置であってもよい。また、円や楕円状の配置であってもよい。

【0064】

なお、図９、図１０において、煩雑さを避けるため、レンズアレイ３ａの記載を省略している。

【0065】

（６）その他の構成
なお、上記一実施の形態において、隣り合うレンズセル３ｂのピッチを１５０μｍとしたが、その値に限らず、５０μｍ以上かつ５００μｍ以下としてもよい。

【0066】

また、上記一実施の形態において、隣り合うコリメータレンズ４ａのピッチは、９．５ｍｍとしたが、その値に限らず、２ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下としてもよい。

【0067】

また、上記一実施の形態において、透光部２の厚みを３ｍｍとしたが、その値に限らず、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。

【0068】

また、図２では、半導体レーザ素子１ａのレーザ光Ｌの出射方向に透光部２を配置した構成として説明したが、半導体レーザ素子１ａと透光部２の間にプリズムミラー等の偏向素子を配置して、光路を非直線的なものとしてもよい。

【0069】

（６）白色光源
本開示の光源装置を用いた白色光源について、図１１にその概略を示す。

【0070】

図１１において、光源装置１００の上方に蛍光体層６が配置されている。蛍光体層６は、例えばＹＡＧ蛍光体を内部に含む。当該光源装置は、光源装置１００からの光を蛍光体層６に照射することにより、蛍光体層６から白色光を得ることができる。

【0071】

なお、蛍光体層６に含まれる蛍光体としては、ＹＡＧ以外にＳＩＡＬＯＮ蛍光体等がある。

【0072】

また、上記一実施の形態において、半導体レーザ素子１ａとして青色発光をする半導体レーザを用いたが、これに限らず、紫外光を発光する半導体レーザであってもよい。

【0073】

なお、蛍光体層６を透過したレーザ光Ｌのうち蛍光光に変換されなかった成分は、蛍光体層６内において乱反射等により位相が乱れ可干渉性が低下する。そのため、光源装置１００のスペックルノイズが低減される。

【0074】

また、パッケージ１ｂに配置される複数の半導体レーザ素子１ａの、それぞれの発光波長を少しずつ異ならせるようにすることにより、光源装置１００のスペックルノイズを低減することができる。

【0075】

（７）実施の態様
以下に、本開示の実施の態様について説明する。

【0076】

本開示の第１の実施の態様にかかる光源装置１００は、光源１と、光学素子５と、を備える。光源１は、レーザ光Ｌを出射する。光学素子５は、レーザ光Ｌの出射方向に配置されている。また光源１は、複数の半導体レーザ素子１ａを有する。複数の半導体レーザ素子１ａの各々は、レーザ光Ｌを出射する。また光学素子５は、第１面２ａと、第２面２ｂと、を有する。第１面２ａは、光強度変換部３を有する。また、光強度変換部３には、レーザ光Ｌが入射する。第１面２ａと第２面２ｂとの間には、透光部２が備えられる。透光部２において、レーザ光Ｌが透過する。第２面２ｂは、コリメータ部４を有する。コリメータ部４には、光強度変換部３を透過したレーザ光Ｌが出射する。また、光強度変換部３は、複数のレンズアレイ３ａを有する。また、コリメータ部４は、複数のコリメータレンズ４ａを有する。複数の半導体レーザ素子１ａのうち所定の１つから出射したレーザ光Ｌは、複数のレンズアレイ３ａのうち所定の１つに入射する。所定の１つのレンズアレイ３ａに入射したレーザ光Ｌは、複数のコリメータレンズ４ａのうち所定の１つを透過して出射する。複数のレンズアレイ３ａの各々は、複数のレンズセル３ｂを有する。レーザ光Ｌは、所定の１つのレンズアレイ３ａが備える複数のレンズセル３ｂのうち少なくとも２つを透過する。少なくとも２つのレンズセル３ｂを透過したレーザ光Ｌの光強度分布は、均一となる。レーザ光Ｌは、所定の１つのコリメータレンズ４ａを透過した後に平行な光束を有する。

【0077】

本開示の第２の実施の態様にかかる光源装置１００は、第１の実施の態様において、所定の半導体レーザ素子１ａと、所定のレンズアレイ３ａと、所定のコリメータレンズ４ａは、レーザ光Ｌの光軸Ｃ上に配置されている。

【0078】

本開示の第３の実施の態様にかかる光源装置１００は、第１の態様において、光学素子５を上面からみたとき、レンズアレイ３ａの外形は、コリメータレンズ４ａの外形より内側に位置している。

【0079】

本開示の第４の実施の態様にかかる光源装置１００は、第１の態様において、レンズセル３ｂのサグ量が１５μｍ以下である。

【0080】

以上説明したように、本開示の光源装置１００は、１つの小さなパッケージ１ｂに複数の光源を配置させて光学系を小さくすることができる。

【産業上の利用可能性】

【0081】

本開示は、少ない部品点数で強度分布が均一化された複数のコリメートレーザ光を提供するという効果を有し、小型で高い光利用効率の光学系が求められるレーザプロジェクタ用途やレーザ照明用途において有効である。

【符号の説明】

【0082】

１００ 光源装置
１ 光源
１ａ 半導体レーザ素子
１ｂ パッケージ
２ 透光部
２ａ 第１面
２ｂ 第２面
３ 光強度変換部
３ａ レンズアレイ
３ｂ、３ｂ１、３ｂ２ レンズセル
４ コリメータ部
４ａ コリメータレンズ
５ 光学素子
６ 蛍光体層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】