JP2004085589A

JP2004085589A - Module for light source and light source device

Info

Publication number: JP2004085589A
Application number: JP2002230224A
Authority: JP
Inventors: Akira Takahashi; 高橋　彰; Shinichi Kosuge; 小菅　信一; Ichiro Oikawa; 及川　一郎; Katsuya Kusaka; 日下　勝弥; Hiroyuki Abe; 安部　洋行; Yasushi Takahashi; 高橋　靖
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: JP4121329B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel module for light sources which can increase the output as light sources by effectively increasing the number of LDs in an LD bar and is hardly effected by the errors in positional relations. <P>SOLUTION: The module for light sources couples the light from the LD bar 60 to one optical fiber 70, in which a coaxial collimating lens array 62 collimates the divergent luminous fluxes radiated from the respective LDs to parallel luminous fluxes; the array width in the array direction of the luminous fluxes collimated to the parallel luminous fluxes is compressed by means 63, 64 and 65 for compressing the array width of the luminous fluxes; and the luminous fluxes are condensed to an incident end surface of the one optical fiber 70 by a beam-condensing coaxial lens 66. The lateral magnification in the direction where the LDs are arrayed is effectively set small. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光源用モジュールおよび光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎ（≧２）個のＬＤ（半導体レーザ）を、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化してなるＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュールの開発が、各種の光照射装置の光源部に関連して意図されている。
【０００３】
このような光源用モジュールにおいて「光源としての出力」を大きくするため、ＬＤバーを構成するＬＤの数：Ｎを増大させると、光結合の横倍率が大きくなり、集光スポット径が光ファイバのコア径より大きくなって光結合効率が低下し、出力を大きくするという目的を達成できなくなったり、あるいは「ＬＤバー・光源用モジュール・光ファイバ相互の位置関係のずれ」により集束スポット位置が大きく変動するので上記位置関係に高精度が必要となり、上記位置関係の僅かな誤差により光結合効率が大きく低下してしまったりする問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、ＬＤバーにおけるＬＤの数を有効に増大させて、光源としての出力を増大させることができ、なおかつ、ＬＤバー・光源用モジュール・光ファイバ相互の位置関係の誤差に影響され難い、新規な光源用モジュールの実現を課題とする。
【０００５】
この発明はまた、上記光源用モジュールとＬＤバーとを組合せた光源装置の実現を課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の光源用モジュールは「Ｎ（≧２）個のＬＤを、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化してなるＬＤバーからの光を、１本の光ファイバに結合させる光源用モジュール」であって、光結合手段として、共軸コリメートレンズアレイと、集光用共軸レンズと、光束配列幅圧縮手段とを有する（請求項１）。
「光結合手段」は、光源用モジュールを構成する光学系である。
【０００７】
「共軸コリメートレンズアレイ」は、Ｎ個のコリメートレンズを、ＬＤバーにおけるＬＤの配列に応じて配列一体化してなり、ＬＤバーのＮ個のＬＤから放射される発散光束をそれぞれ平行光束化する。
【０００８】
「集光用共軸レンズ」は、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化された光束を、１本の光ファイバの入射端面に集光するレンズである。
【０００９】
「光束配列幅圧縮手段」は、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化され、ＬＤ配列方向に配列する光束の配列幅を圧縮する手段である。
そして、光結合手段の横倍率が有効に小さく設定される。
【００１０】
請求項１記載の光源用モジュールにおける「光束配列幅圧縮手段」は、共軸コリメートレンズアレイの各コリメートレンズにより平行光束化された光束をそれぞれ２回反射させ、ＬＤ配列方向における光束間隔を減少させる反射手段であることができる（請求項２）。
【００１１】
請求項１記載の光源用モジュールにおける「共軸コリメートレンズアレイ」は、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化したものとすることにより、平行光束化された光束の配列幅を圧縮する機能を持たせ「光束配列幅圧縮手段を兼ねさせる」ことができる（請求項３）。
【００１２】
上記請求項１記載の光源用モジュールにおける「光束配列幅圧縮手段」はまた、１／２波長板と、偏光ビームスプリッタと、反射ミラーを有する構成とすることができる（請求項４）。
【００１３】
「１／２波長板」は、共軸コリメートレンズアレイを透過した平行光束の配列において、配列方向に略２等分された一方の平行光束群を透過させて、その偏向面を９０度旋回させる。
【００１４】
「偏光ビームスプリッタ」は、略２等分された他方の平行光束群を透過させるとともに、１／２波長板により偏光面を９０度旋回された平行光束群を、上記透過する平行光束群と合成する。
【００１５】
「反射ミラー」は、１／２波長板により偏光面を９０度旋回される平行光束群を、偏光ビームスプリッタを透過する平行光束群と合成させるべく、偏光ビームスプリッタに向けて反射する。
【００１６】
即ち、共軸コリメートレンズアレイから偏光ビームスプリッタへ、１／２波長板と反射ミラーとを介して至る光路において、１／２波長板と反射ミラーとの配列は、どちらが共軸コリメートレンズ側にあっても良い。
【００１７】
上述したように、ＬＤバーはＮ個の半導体レーザを有し、従って、最大でＮ本の光束を放射する。Ｎ本の光束が放射されるとき、Ｎ本の光束は共軸コリメートレンズアレイにより各々平行光束化されてＮ本の平行光束として配列する。
【００１８】
上の「共軸コリメートレンズアレイを透過した平行光束の配列における、配列方向に略２等分された一方の平行光束群」との表現において、略２等分は、以下の意味を有する。
【００１９】
即ち、Ｎが偶数である場合には、Ｎ本の平行光束の配列が配列方向に２等分され「互いに隣接し合うＮ／２本の平行光束群」が２群できることになる。また、Ｎが奇数である場合には、Ｎ本の平行光束が「（Ｎ＋１）／２本の平行光束群」と、残りの「（Ｎ−１）／２本の平行光束群」に分けられる。
【００２０】
請求項４記載の光源用モジュールにおける「共軸コリメートレンズアレイ」は、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化した」もので、光束配列幅圧縮手段の一部をなすものであることができる（請求項５）。
【００２１】
上記請求項３または５記載の光モジュールにおける「共軸コリメートレンズアレイ」は、「配列方向のレンズ径が小さいガラス研磨レンズによるコリメートレンズをＮ個接合したもの」もしくは「配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、エッチング加工もしくはモールドにより一体に形成されたガラスレンズアレイ」もしくは「配列方向のレンズ径が小さいＮ個のコリメートレンズを、樹脂成形により一体に形成された樹脂レンズアレイ」もしくは「配列方向のレンズ径が小さく、回折によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした回折光学素子レンズアレイ」もしくは「配列方向のレンズ径が小さく、屈折率分布によるコリメート作用を有するＮ個のコリメートレンズを一体とした屈折率分布型レンズアレイ」の何れかであることができる（請求項６）。
【００２２】
上記請求項４または５または６記載の光源用モジュールにおける「偏光ビームスプリッタ」は、「キューブ型のもの」であることもできるし「平板型」であることもできる（請求項７）。また、上記請求項１〜７の任意の１に記載の光源用モジュールにおける「集光用共軸レンズ」は、「研磨によるガラスレンズ」もしくは「ガラスモールドレンズ」もしくは「樹脂成形レンズ」もしくは「回折光学素子レンズ」もしくは「屈折率分布レンズ」の何れかであることができる（請求項８）。
【００２３】
上記請求項１〜８の任意の１に記載の光源用モジュールにおける「光結合手段の横倍率」は１０倍以下であることが好ましい（請求項９）。
【００２４】
この発明の光源装置は、上記請求項１〜９の任意の１に記載の光源用モジュールとＬＤバーとを組合せてなる（請求項１０）。
【００２５】
発明の実施の形態を説明するに先立って「光結合手段の横倍率」と、その低減方法を説明する。
【００２６】
図１は、共軸コリメートレンズアレイと、集光用共軸レンズとにより、ＬＤバーの各ＬＤからの光束を光ファイバの入射端面に結合させる状態を模式的に示している。図１の上の図は、水平方向図で（Ｘ−Ｚ面）での結合の様子を示し、下の図は垂直方向図で（Ｙ−Ｚ面）での結合の様子を示す。
【００２７】
周知の如く、ＬＤ（半導体レーザ）の発光部は長方形形状を有し、ＬＤバーは「Ｎ（≧２）個のＬＤを、各発光部がその長手方向に連なるようにして、１列に配列一体化」した構成となっている。このような構成で、ＬＤの配列方向、即ち「個々のＬＤにおける発光部の長手方向」がＸ方向であり、各ＬＤから放射される発散性レーザ光束の主光線の方向がＺ方向である。そして、これらＸ、Ｚ方向に直交する方向がＹ方向である。
【００２８】
周知の如く、ＬＤから放射される発散性の光束は、その発散角が一様でなく、上記発光部の長手方向に平行な面内、即ち水平方向（Ｘ−Ｚ面）において発散角は最小の値：θ_Ｈ（以下「最小発散角」という）をとり、発光部の長手方向に直交する面内、即ち、垂直方向（Ｙ−Ｚ面）において発散角は最大の値：θ_Ｖ（以下「最大発散角」という）をとる。
【００２９】
図１には、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：３の場合が示されている。
図１は、共軸コリメートレンズアレイにおける、個々の共軸コリメートレンズＬ１が円形状で「有効径の周辺部」で互いに接し、ピッチ：Ｐで配列されている場合を示している。図中にＰ１で示すのは、個々の共軸コリメートレンズ（薄いレンズ）の主平面を示している。
【００３０】
個々の共軸コリメートレンズＬ１の有効径は、図１の下図のように、最大発散角：θ_Ｖの光束をコリメートできる大きさに定められている。従って、個々の共軸コリメートレンズＬ１によりコリメートされた光束は、図１下図のように、垂直方向に「有効径：Ｄ_Ｖに等しい光束径」を持った平行光束となる。
【００３１】
一方、最小発散角：θ_Ｈは、最大発散角：θ_Ｖの１／３であるから、個々の共軸コリメートレンズＬ１によりコリメートされた光束が水平方向において持つ光束径：Ｄ_Ｈは前記有効径：Ｄ_Ｖの１／３になる。
【００３２】
このようにして、共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化されたＮ本の平行光束群は、集光用共軸レンズＬ２（薄いレンズとし、その主平面を符号Ｐ２により示す）により集光され、１本の光ファイバの入射端面Ｐ３上に結像する。
【００３３】
上に述べたところを「近軸理論」で説明する。
共軸コリメートレンズアレイにおける個々の共軸コリメートレンズＬ１の焦点距離をｆ_１、集光用共軸レンズＬ２の焦点距離をｆ_２とする。
共軸コリメートレンズＬ１における水平方向のＮＡ（開口数）をａとすると、
ａ＝Ｄ_Ｈ／２ｆ_１
で、これから
Ｄ_Ｈ＝ａ・２ｆ_１　　　　　　（１）
が得られる。
【００３４】
最大発散角：θ_Ｖ＝３θ_Ｈであるから、垂直方向の開口数は、
３ａ＝Ｄ_Ｖ／２ｆ_１
であり、これから
Ｄ_Ｖ＝３ａ・２ｆ_１　　　　　（２）
となる。即ち、
Ｄ_Ｖ＝３Ｄ_Ｈ
である。また共軸コリメートレンズＬ１は円形レンズであるので、
Ｄ_Ｖ＝３Ｄ_Ｈ＝Ｐ　　　　　　（３）
となる。
【００３５】
これらＮ本の光束を集光用共軸レンズＬ２により、１本の光ファイバの入射端面に集光することになるが、光ファイバのＮＡをｂとすると、水平方向に関しては、本来、光源側の「ＮＡ＝ａの光束をＮ本」取り込めればよいはずであるが、共軸コリメートレンズＬ１が円形レンズであるため、垂直方向と同様に「光源側のＮＡ＝３ａ、光ファイバ側：ＮＡ＝ｂ／Ｎ」の光束をＮ本取り込めるようにする必要がある。
【００３６】
即ち、集光用共軸レンズＬ２は、水平方向に関しては、図１上図における幅：Ｄ_Ｎの光束をＮＡ＝ｂの光ファイバに集光させねばならない。
【００３７】
一般的な関係式：ＮＡ＝Ｄ／２ｆ（Ｄ：光束径、ｆ：焦点距離）により、
光源側では、３ａ＝Ｄ_Ｖ／２ｆ_１から、
ｆ_１＝Ｄ_Ｖ／６ａ　　　　　　　　（４）
であり、光ファイバ側では、ｂ＝Ｄ_Ｎ／２ｆ_２＝ＮＤ_Ｖ／２ｆ_２により、
ｆ_２＝ＮＤ_Ｖ／２ｂ　　　　　　　（５）
となる。
【００３８】
共軸コリメートレンズＬ１と集光用共軸レンズＬ２との合成系、即ち「光結合手段」の横倍率：βは、
β＝ｆ_２／ｆ_１＝（ＮＤ_Ｖ／２ｂ）／（Ｄ_Ｖ／６ａ）＝３ａＮ／ｂ　　（６）
で与えられる。
【００３９】
図１の如き光結合形態の場合につき、具体的な計算を行ってみる。
１例として、光源側のＮＡが水平方向につきａ＝０．１５、垂直方向につき３ａ＝０．４５、光ファイバのＮＡ＝ｂ＝０．２、ＬＤの配列数：Ｎ＝１５であるとすると、横倍率：β＝３ａＮ／ｂ＝３×０．１５×１５／０．２＝３３．７５となる。
【００４０】
個々のＬＤの発光部（エミッション・エリア）のサイズを、水平方向：２μｍ、垂直方向：１μｍとすると、上記の光結合手段により光ファイバの入射端面に結像する発光部像の大きさは、６７．５μｍ×３３．７５μｍとなる。光ファイバのコア径が５０μｍであるとすると、上記発光部像はコア径内に納まらず、光結合効率が低下することになる。
【００４１】
また、横倍率：βが３３．７５倍と大きいため、例えば、光結合手段に対してＬＤバーが僅かにずれても発光部像は大きく変位してしまうため、ＬＤバー・光結合手段・光ファイバ相互の位置関係誤差の影響を受けやすい。
【００４２】
上に述べたところから、ＬＤバーにおけるＬＤの配列数：Ｎを増大させて光出力を増大しつつ光結合効率の低下を防ぎ、なおかつ、位置関係の誤差に影響され難くするには、光結合手段の横倍率：βを小さくするのが有効であり、この発明においては、光結合手段の横倍率を小さく設定する。
【００４３】
「光結合手段」の横倍率：βは、β＝ｆ_２／ｆ_１であるから、横倍率：βを小さくするには、焦点距離：ｆ_２を小さくするか、焦点距離：ｆ_１を大きくすればよい。しかし、ＬＤからの放射レーザ光束が発散性であることを考えると、共軸コリメートレンズの焦点距離：ｆ_１を大きくすることは、共軸コリメートレンズの有効径が大きくなることを意味し、光源用モジュールのコンパクト化の面から好ましくない。
【００４４】
一方、集光用共軸レンズの焦点距離：ｆ_２を小さくすることは、光源用モジュールのコンパクト化に有利である。
なお、上において、式（１）〜（６）は、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：３の場合を例にとって説明したが、式（１）〜（６）を、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：ｍの場合に一般化することは容易であり、結果を示せば以下の如くになる。
【００４５】
Ｄ_Ｈ＝ａ・２ｆ_１　　　　　　（１１）
Ｄ_Ｖ＝ｍａ・２ｆ_１　　　　　（１２）
Ｄ_Ｖ＝ｍＤ_Ｈ＝Ｐ　　　　　　（１３）
ｆ_１＝Ｄ_Ｖ／２ｍａ　　　　　（１４）
ｆ_２＝ＮＤ_Ｖ／２ｂ　　　　　（１５）
β＝ｆ_２／ｆ_１＝ｍａＮ／ｂ　（１６）
式（１１）〜（１６）が式（１）〜（６）に対応する。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を説明する。
ＬＤバーにおけるＬＤ配列方向、即ち、水平方向における横倍率：βを小さくするには、図１上図における「Ｎ本の平行光束の配列幅：Ｄ_Ｎ」を小さくすればよい。光ファイバに結合させるべきＮ本の平行光束は、個々には水平方向に幅：Ｄ_Ｈを有するが、ピッチ：Ｐ＝ｍＤ_Ｈ（図１ではｍ＝３）で配列しているため、隣接する平行光束間に（ｍ−１）Ｄ_Ｈの「隙間」がある。
【００４７】
従って、水平方向におけるＮ本の平行光束の配列幅（上記：Ｄ_Ｎ）を小さくするには、上記「隙間」を小さくするか無くせば良い。この発明では、この目的のために、光結合手段中に「光束配列幅圧縮手段」を用いる。
【００４８】
図２は、請求項２記載の光源用モジュールの実施の１形態を特徴部分のみ模式的に示している。符号ＬＤＢはＬＤバー（の発光部の配列面）を示す。図の簡単化のために、ＬＤの配列数：Ｎを３としている。各ＬＤから放射される発散光束の最小発散角：θ_Ｈ、最大発散角：θ_Ｖは、θ_Ｈ：θ_Ｖ＝１：３を満足するものとしている。符号Ｐ１は、共軸コリメートレンズアレイにおける各共軸コリメートレンズ（薄いレンズ）の「主面」を示している。
【００４９】
この実施の形態においては、光束配列幅圧縮手段２０は、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡの各コリメートレンズにより平行光束化された光束ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３をそれぞれ２回反射させ、ＬＤ配列方向における光束間隔を減少させる反射手段である。
【００５０】
即ち、平行光束ＦＬ１は反射面２０１１、２０１２により順次反射され、平行光束ＦＬ２は反射面２０２１、２０２２により順次反射され、平行光束ＦＬ３は反射面２０３１、２０３２により順次反射される。
【００５１】
図２に示すように、反射面２０１１、２０１２、２０２１、２０２２、２０３１、２０３２の位置関係により、これら反射面により２回反射された平行光束ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３は、配列幅が、反射前における配列幅：Ｄ_ＮからＤ_Ｎ／３に圧縮されている。このようにすると、光結合手段の横倍率：βを、光束配列幅圧縮手段を用いない場合（図１の場合）に比して１／３に小さくできる。
【００５２】
図２における反射面２０１１、２０１２、２０２１、２０２２、２０３１、２０３２はミラー面として形成しても良いしプリズム面としてもよい。プリズム面とする場合には、反射面２０１１、２０１２、２０２１、２０２２、２０３１、２０３２を持つ「単体のプリズム部材」として光束配列幅圧縮手段２０を構成することができる。
【００５３】
図３を参照して、請求項３記載の光源用モジュールの特徴部分を説明する。
図１に即した説明では、共軸コリメートレンズアレイにおける各共軸コリメートレンズは円形レンズであって、その有効径：Ｄ_Ｖは、ＬＤから放射される発散性の光束の最大発散角：θ_Ｖの光束を取り込める大きさに設定されていた。
【００５４】
しかしながら、円形レンズを用いた場合、図３（ａ）に示すように、垂直方向には幅：Ｄ_Ｖの光束を取り込む必要があっても、水平方向に関しては「幅：Ｄ_Ｈの光束を取り込むだけの幅」があればよく、実際に必要なレンズ面は図３（ａ）において「斜線を施した部分」である。
【００５５】
そこで、図３（ｂ）に示すように、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡとして、ＬＤバーにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比（θ_Ｖ：θ_Ｈ）に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズＣＬ（図３（ａ）に示す「斜線を施した部分」の形状を持つ）を、レンズ径の小さい方向を配列方向（図３（ｂ）で左右方向）にしてアレイ化したものを、配列方向がＬＤバーのＬＤ配列方向に対応するようにして用いれば、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡ自体が「平行光束化された光束の配列幅を圧縮する機能（図１において、水平方向における「平行光束間の光束のない領域」を減少もしくはなくす機能）」を有し、光束配列幅圧縮手段を兼ねることができる。
【００５６】
図３（ｂ）において、Ｄ_Ｖは「コリメートレンズＣＬの垂直方向の有効径」である。Ｄ_Ｈは「コリメートレンズＣＬの水平方向の有効径」であって、図の例ではＬＤバーにおけるＬＤの配列ピッチ：Ｐに等しい。
【００５７】
図４を参照して、請求項４記載の光源用モジュールの特徴部分を説明する。
請求項４記載の光源用モジュールは、光束配列幅圧縮手段４０が、１／２波長板４１と、偏光ビームスプリッタ４２と、反射ミラー４３を有する。
【００５８】
図示されない共軸コリメートレンズアレイにより平行光束化され、水平方向（図の上下方向に）配列した平行光束群は、図の左方から右方へ進行し、配列方向における略１／２は、偏光ビームスプリッタ４２に入射する。ＬＤバーを構成する個々のＬＤから放射されるレーザ光束は、実質的にその全てが、水平方向に偏光面をもつ直線偏光状態にあるので、偏光ビームスプリッタ４２に図の左方から入射する光束は、そのまま透過する。
【００５９】
１／２波長板４１は「共軸コリメートレンズアレイを透過した平行光束の配列における、配列方向に略２等分された一方の平行光束群」を透過させて、その偏向面を９０度旋回させる。このように偏光面を旋回させられた平行光束群は、反射ミラー４３に入射する。
【００６０】
反射ミラー４３は、入射してくる平行光束群を「偏光ビームスプリッタ４２を透過する平行光束群」と合成させるべく、偏光ビームスプリッタ４２に向けて反射する。このようにして反射ミラー４３に反射された平行光束群は、偏光ビームスプリッタ４２に入射して偏光分離膜により反射され、偏光ビームスプリッタ４２を透過する平行光束群と合成されて射出する。
【００６１】
このようにして、光束配列幅圧縮手段４０は、共軸コリメートレンズアレイ側から入射する平行光束群の光束配列幅：Ｄ_Ｎを光束配列幅：Ｄ_Ｎ’（≒Ｄ_Ｎ／２）に圧縮する。
なお、１／２波長板４１を、図４の位置に代えて、反射ミラー４３と偏光ビームスプリッタ４２との間に配置し、反射ミラー４３に反射された平行光束群が、１／２波長板４１を介して偏光ビームスプリッタ４２に（図の下方から）入射するようにしても良い。
【００６２】
図２ないし図４に即して説明した「光束配列幅圧縮」は、勿論、単独で行うことができるが、これらを組合せることにより、更なる圧縮が可能になる。
【００６３】
図５を参照して、請求項５記載の光源用モジュールの特徴部分を説明する。繁雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては、図１、図３、図４におけると同一の符号を用いた。
【００６４】
共軸コリメートレンズアレイＣＬＡは、図３に即して説明した「ＬＤバーＬＤＢにおける個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズ（図中の符号Ｐ１は主面を示す）を、レンズ径の小さい方向を配列方向（図の上下方向）にしてアレイ化したもの」で、後述のように光束配列幅圧縮手段の一部をなす。
【００６５】
ＬＤバーＬＤＢから放射されたＮ本の発散光束は、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡの個々のコリメートレンズＬ１’により平行光束化され、コリメートされたＮ本の平行光束は、水平方向において「互いに近接もしくは密接」する。
個々のコリメートレンズＬ１’は、図１におけるコリメートレンズＬ１と同じ焦点距離：ｆ_１を有する。
【００６６】
コリメートされた平行光束群は、１／２波長板４１、偏光ビームスプリッタ４２、反射ミラー４３を有する光束配列幅圧縮手段４０（図４に即して説明したのと同様のもの）により、光束配列幅を更に１／２に圧縮される。そして、集光用共軸レンズＬ２’により、光ファイバの入射端面Ｐ３に集光される。
【００６７】
この実施の形態では「光束配列幅の水平方向における圧縮」は、光束配列幅圧縮手段４０により行われると共に、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡによっても行われる。即ち、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡは、光束配列幅圧縮手段４０の圧縮手段を助長するものである。換言すれば、光束配列幅圧縮手段４０と共軸コリメートレンズアレイＣＬＡとが、請求項１における「光束配列幅圧縮手段」を構成する。
【００６８】
１例として、ＬＤバーにおける個々のＬＤの放射する発散性レーザ光束の最大発散角：θ_Ｖが、最小発散角：θ_Ｈの３倍、即ち、θ_Ｖ＝３θ_Ｈの場合について計算を行ってみる。共軸コリメートレンズアレイＣＬＡにおける各共軸コリメートレンズＬ１’の焦点距離をｆ_１、集光用共軸レンズＬ２’の焦点距離をｆ_２’とする。
【００６９】
平行光束の配列幅は、共軸コリメートレンズアレイＣＬＡの圧縮助長作用により、図１の円形コリメートレンズのアレイを用いる場合に比して１／３に圧縮され、さらに、光束配列幅圧縮手段４０の作用により１／２に圧縮されるので、全体としては１／６に圧縮されることになる。このため、集光用共軸レンズＬ_２’の焦点距離：ｆ_２’を、図１の場合におけるｆ_２の１／６に縮小できる。
【００７０】
光結合手段（共軸コリメートレンズアレイＣＬＡと光束配列幅圧縮手段４０と集光用共軸レンズＬ２’を有する）の水平方向の横倍率：β’は、β’＝ｆ_２’／ｆ_１であるが、ｆ_２’＝ｆ_２／６となっているので、横倍率：β’を、図１の場合の横倍率：βの１／６に低減させることができる。
【００７１】
図１に即して説明した、光源側のＮＡが水平方向につきａ＝０．１５、垂直方向につき３ａ＝０．４５、光ファイバのＮＡ＝ｂ＝０．２、ＬＤの配列数：Ｎ＝１５の場合には、横倍率：β＝３３．７５であったが、図５の場合には、横倍率：β’は１／６の略５．６倍となる。
【００７２】
個々のＬＤの発光部サイズが、水平方向：２μｍ、垂直方向：１μｍであれば図５の光結合手段により光ファイバの入射端面に結像する発光部像の大きさは、１１．２μｍ×５．６μｍとなり、光ファイバのコア径が５０μｍであるとすると、発光部像はコア径内に十分に納まり、光結合効率が高く、前述した「位置関係誤差」にも影響され難くなる。
【００７３】
請求項４の光源用モジュールにおいて、請求項５記載の共軸コリメートレンズアレイで圧縮効果を助長する場合、ＬＤバーにおける個々のＬＤの放射する発散性光束の最大発散角：θ_Ｖが、最小発散角：θ_Ｈのｍ倍、即ち、θ_Ｖ＝ｍθ_Ｈである一般の場合、請求項４記載の光束配列幅圧縮手段には、水平方向の配列幅を１／２に圧縮する機能があり、上記共軸コリメートレンズアレイには、水平方向の光束配列幅を１／ｍに圧縮する機能があるから、上記式（１５）、（１６）に対応して、集光用共軸レンズの焦点距離：ｆ_２’、光結合手段の水平方向の横倍率：β’は、それぞれ、

となる。
【００７４】
【実施例】
以下、具体的な実施例を説明する。
【００７５】
図６は、実施例の光源用モジュール・光源装置の構成を説明するための図である。（ａ）は水平方向の構成を示し、符号６０はＬＤバー、符号６２は共軸コリメートレンズアレイ、符号６３は１／２波長板、符号６４は偏光ビームスプリッタ、符号６５は反射ミラー、符号６６は集光用共軸レンズ、符号７０は光ファイバを示している。図６（ｂ）は垂直方向の構成を、１／２波長板６３、偏光ビームスプリッタ６４、反射ミラー６５の図示を省略して描いてある。
【００７６】
光源用モジュールの「光結合手段」は、共軸コリメートレンズアレイ６２と、１／２波長板６３と、偏光ビームスプリッタ６４と、反射ミラー６５と、集光用共軸レンズ６６とにより構成され、これらを光結合手段として有する光源用モジュールとＬＤバー６０とは「光源装置」を構成する。
【００７７】
ＬＤバー６０は「波長：４００ｎｍの発散光束を放射する１５個のＬＤ（半導体レーザ）を、各発光部がその長手方向（Ｘ方向）に連なるようにして１列に配列一体化」したものである。
【００７８】
各ＬＤは、その発光部（エミッション・エリア）のサイズが、水平方向：１．７μｍ、垂直方向：０．５μｍであり、１／ｅ^２強度によるＮＡは、水平方向：０．１５、垂直方向０．４５である（即ち、θ_Ｖ＝３θ_Ｈ）。また、ＬＤの配列ピッチ：Ｐは３６０μｍである。
【００７９】
ＬＤバー６０からの光束を光結合される光ファイバ７０は、コア径：５０μｍ、ＮＡ＝０．２のものである。
【００８０】
共軸コリメートレンズアレイ６２は、ＬＤバー６０におけるＬＤの配列ピッチ：Ｐ＝３６０μｍであることに鑑み、図６（ｃ）に示すように、アレイ配列する個々の共軸コリメートレンズＣＬの有効径を水平方向に３６０μｍと設定し、水平方向におけるレンズ間隔も３６０μｍとした。
【００８１】
この条件であると、垂直方向の有効径：Ｄ_Ｖは、式（１３）において、ｍ＝３として、
Ｄ_Ｖ＝３Ｄ_Ｈ＝３×３６０＝１０８０μｍ
と算出され、焦点距離：ｆ_１は、式（１４）から、

と算出される。
【００８２】
光ファイバ７０のＮＡは０．２であるが、余裕を見て、設計値としてＮＡ：０．１７を設定する。また、ＬＤバー６０におけるＬＤの配列数：Ｎ＝１５で、これを略２等分するのに８と７とに分ける。そこで、設計上はＮ＝１６とする。１／２波長板６３、偏光ビームスプリッタ６４、反射ミラー６５による光束配列幅圧縮手段は、上述の如く水平方向の光束配列幅を１／２に圧縮するので、集光用共軸レンズ６６の焦点距離：ｆ_２’は上記式（１５’）により、

となる。
【００８３】
このとき、光結合手段による水平方向の倍率：β’は、（１６’）式により
β’＝ｆ_２’／ｆ_１≒８．４ｍｍ／１．２ｍｍ＝７
となる。従って、集光用共軸レンズ６６は、焦点距離：８．４ｍｍ、有効径：２．９ｍｍ（光束配列幅：０．３６ｍｍ×８＝２．８８ｍｍを取り込める有効径）の円形レンズとなる。
【００８４】
光結合手段が光ファイバ７０の入射端面に結像させる発光部像は、水平方向に１１．９μｍ、垂直方向に３．５μｍであり、光ファイバ７０のコア径：５０μｍに比して小さいので、コア径内に納まることは勿論、前記位置関係誤差の影響を受け難い。
【００８５】
共軸コリメータレンズアレイを石英ガラスにより、集光用共軸レンズをＢＫ−７ガラス材料で作製し、光結合効率として９８．７％を設計値として得ることができた。
【００８６】
上に実施例を説明した光源用モジュールは、ＬＤバー６０からの光を１本の光ファイバ７０に結合させる光源用モジュールにおいて、光結合手段として、共軸コリメートレンズアレイ６２と、集光用共軸レンズ６６と、光束配列幅圧縮手段６３、６４、６５とを有し、共軸コリメートレンズアレイ６２はＮ（＝１５）個のコリメートレンズをＬＤバー６０におけるＬＤの配列に応じて配列一体化してなり、各ＬＤから放射される発散光束を平行光束化するものであり、集光用共軸レンズ６６は、共軸コリメートレンズアレイ６２により平行光束化された光束を１本の光ファイバ７０の入射端面に集光するレンズであり、光束配列幅圧縮手段６３、６４、６５は、共軸コリメートレンズアレイ６２により平行光束化された光束の配列方向における配列幅を圧縮する手段であり、光結合手段の横倍率を有効に小さく設定した（７倍）ものである（請求項１）。
【００８７】
また、光束配列幅圧縮手段が、１／２波長板６３と、偏光ビームスプリッタ６４と、反射ミラー６５を有し、１／２波長板６４は、共軸コリメートレンズアレイ６３を透過した平行光束の配列における、配列方向に略２等分された一方の平行光束群（７本の平行光束からなる）を透過させて、その偏向面を９０度旋回させ、偏光ビームスプリッタ６４は、略２等分された他方の平行光束群（８本の平行光束からなる）を透過させるとともに、偏光面を９０度旋回された平行光束群を上記透過する平行光束群と合成し、反射ミラー６５は、１／２波長板６３により偏光面を９０度旋回される平行光束群を、偏光ビームスプリッタ６４を透過する平行光束群と合成させるべく、偏光ビームスプリッタ６４に向けて反射するものである（請求項４）。
【００８８】
共軸コリメートレンズアレイ６２は、ＬＤバー６０における個々のＬＤから放射される発散光束における発散角比に応じて、互いに直交する２方向におけるレンズ径を設定されたコリメートレンズＣＬを、レンズ径の小さい方向を配列方向にしてアレイ化したもので、請求項１記載の光束配列幅圧縮手段の一部をなし（請求項５）、「１／２波長板６３と、偏光ビームスプリッタ６４と、反射ミラー６５による光束配列幅圧縮手段」の作用を助長する。
【００８９】
共軸コリメートレンズアレイ６２はまた、配列方向のレンズ径が小さいＮ（＝１５）個のコリメートレンズを、エッチング加工により一体に形成された石英ガラスによるガラスレンズアレイであり（請求項６）、偏光ビームスプリッタ６４は「キューブ型」のものであり（請求項７）、集光用共軸レンズ６６は、ＢＫ−７ガラスによるガラスモールドレンズである（請求項８）。
【００９０】
そして、光結合手段の横倍率（＝７倍）は１０倍以下である（請求項９）。
【００９１】
図６の実施例において、上記光源用モジュールとＬＤバー６０とを組合せた部分は、請求項１０記載の光源装置の実施の１形態である。
【００９２】
なお、ＬＤバーにおけるＬＤの配列数：Ｎの上限は２０程度である。
【００９３】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば新規な光源用モジュールおよび光源装置を実現できる。この光源用モジュールは、光ファイバへの光結合効率が高く、ＬＤバー・共軸コリメートレンズアレイ・光ファイバ相互の相対的な位置関係の誤差の影響を受け難い。
【００９４】
このような光源用モジュールとＬＤバーとの組合せによるこの発明の光源装置は、高い光結合効率を持ち、取り扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光結合手段の横倍率と、その低減方法を説明するための図である。
【図２】請求項２記載の発明の実施の１形態を特徴部分のみ示す図である。
【図３】請求項３記載の発明の実施の１形態の特徴部部を説明するための図である。
【図４】請求項４記載の発明の実施の１形態の特徴部分を説明するための図である。
【図５】請求項４記載の発明の実施の１形態を説明するための図である。
【図６】光源用モジュールと光源装置の１実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
６０　　　ＬＤバー
６２　　　共軸コリメートレンズアレイ
６３　　　１／２波長板
６４　　　偏光ビームスプリッタ
６５　　　反射ミラー
６６　　　集光用共軸レンズ
７０　　　光ファイバ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light source module and a light source device.
[0002]
[Prior art]
N (≧ 2) LDs (semiconductor lasers) are arranged in a row in such a manner that each light-emitting portion is connected in the longitudinal direction, and light from an LD bar that is arranged and integrated in one row is coupled to one optical fiber. The development of a light source module is intended in connection with the light source part of various light irradiation devices.
[0003]
In order to increase the "output as a light source" in such a light source module, when the number of LDs constituting the LD bar: N is increased, the lateral magnification of optical coupling increases, and the condensing spot diameter becomes smaller than that of the optical fiber. Larger than the core diameter, the optical coupling efficiency decreases, and the purpose of increasing the output cannot be achieved, or the focal spot position greatly fluctuates due to the "difference in the positional relationship between the LD bar, the light source module, and the optical fiber" Therefore, high precision is required for the positional relationship, and there is a problem that a slight error in the positional relationship greatly reduces the optical coupling efficiency.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention can effectively increase the number of LDs in an LD bar to increase the output as a light source, and is less susceptible to errors in the positional relationship among the LD bar, light source module, and optical fiber. The task is to realize a new light source module.
[0005]
Another object of the present invention is to realize a light source device in which the light source module and an LD bar are combined.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The light source module according to the present invention is configured such that light from an LD bar formed by integrating N (≧ 2) LDs in a row so that each light emitting portion is continuous in the longitudinal direction is converted into one light. A light source module to be coupled to a fiber ", which includes, as optical coupling means, a coaxial collimating lens array, a converging concentric lens, and a light beam array width compression means (claim 1).
"Optical coupling means" is an optical system that constitutes the light source module.
[0007]
The “coaxial collimating lens array” is configured such that N collimating lenses are arranged and integrated according to the arrangement of LDs in the LD bar, and divergent light beams emitted from the N LDs in the LD bar are converted into parallel light beams. .
[0008]
The “condensing concentric lens” is a lens that condenses a light beam that has been converted into a parallel light beam by the coaxial collimating lens array on the incident end face of one optical fiber.
[0009]
The “beam array width compressing unit” is a unit that compresses the array width of the beam that is parallelized by the coaxial collimating lens array and arranged in the LD array direction.
Then, the lateral magnification of the optical coupling unit is set to be effectively small.
[0010]
The "light beam array width compression means" in the light source module according to claim 1 reflects the light beam converted into a parallel light beam by each of the collimating lenses of the coaxial collimating lens array twice, thereby reducing the light beam interval in the LD array direction. It can be a reflection means (claim 2).
[0011]
In the “coaxial collimating lens array” in the light source module according to claim 1, lens diameters in two directions orthogonal to each other are set according to a divergence angle ratio of divergent light beams emitted from individual LDs in the LD bar. By making the collimating lens an array with the direction of the smaller lens diameter being arrayed, it has the function of compressing the array width of the parallelized light beam, and `` also serves as the light beam array width compression means '' (Claim 3).
[0012]
The "light beam array width compressing means" in the light source module according to the first aspect of the present invention may further include a half-wave plate, a polarizing beam splitter, and a reflection mirror (claim 4).
[0013]
The “１／ wavelength plate” transmits one parallel light beam group, which is approximately equally divided in the arrangement direction, in the arrangement of the parallel light beams transmitted through the coaxial collimating lens array, and rotates the deflection surface by 90 degrees. .
[0014]
The “polarizing beam splitter” transmits the other parallel light flux group that is approximately equally divided into two, and combines the parallel light flux group whose polarization plane is rotated by 90 degrees by the half-wave plate with the above-mentioned parallel light flux group. I do.
[0015]
The “reflection mirror” reflects the parallel light beam group rotated by 90 ° on the polarization plane by the half-wave plate toward the polarization beam splitter in order to combine the parallel light beam group with the parallel light beam group transmitted through the polarization beam splitter.
[0016]
In other words, in the optical path from the coaxial collimating lens array to the polarizing beam splitter via the half-wave plate and the reflecting mirror, which of the arrangement of the half-wave plate and the reflecting mirror is closer to the coaxial collimating lens side. May be.
[0017]
As mentioned above, the LD bar has N semiconductor lasers and therefore emits at most N light beams. When the N light beams are emitted, the N light beams are converted into parallel light beams by the coaxial collimating lens array, and are arranged as N parallel light beams.
[0018]
In the above expression “one parallel light flux group substantially bisected in the arrangement direction in the arrangement of the parallel light fluxes transmitted through the coaxial collimating lens array”, the substantially bisecting has the following meaning.
[0019]
That is, when N is an even number, the array of N parallel light beams is bisected in the array direction, and two “N / 2 parallel light beam groups adjacent to each other” can be formed. When N is an odd number, the N parallel light fluxes are divided into “(N + 1) / 2 parallel light flux groups” and the remaining “(N−1) / 2 parallel light flux groups”. .
[0020]
In the “coaxial collimating lens array” in the light source module according to the fourth aspect, lens diameters in two directions orthogonal to each other are set according to a divergence angle ratio of divergent light beams emitted from individual LDs in the LD bar. The collimating lens is arrayed with the direction of the lens diameter being smaller in the array direction, "and may be a part of the light beam array width compression means (claim 5).
[0021]
The "coaxial collimating lens array" in the optical module according to the third or fifth aspect is "a lens in which N collimating lenses are joined by a glass polished lens having a small lens diameter in the arrangement direction" or "a lens diameter in the arrangement direction is small." A glass lens array in which N collimating lenses are integrally formed by etching or molding "or a" resin lens array in which N collimating lenses having a small lens diameter in the arrangement direction are integrally formed by resin molding "or "Diffractive optical element lens array integrating N collimating lenses with a small lens diameter in the array direction and having a collimating action by diffraction" or "N lenses having a small lens diameter in the array direction and having a collimating action by a refractive index distribution" Graded index lens with integral collimating lens It can be either an array "(claim 6).
[0022]
The "polarizing beam splitter" in the light source module according to claim 4 or 5 or 6 may be a "cube type" or a "flat plate type" (claim 7). In the light source module according to any one of the first to seventh aspects, the “condensing concentric lens” may be a “glass lens by polishing”, a “glass molded lens”, a “resin molded lens”, or a “diffraction lens”. It can be either an "optical element lens" or a "refractive index distribution lens" (claim 8).
[0023]
In the light source module according to any one of the first to eighth aspects, the “lateral magnification of the optical coupling means” is preferably 10 times or less (claim 9).
[0024]
A light source device according to the present invention is a combination of the light source module according to any one of claims 1 to 9 and an LD bar (claim 10).
[0025]
Prior to describing the embodiments of the present invention, “lateral magnification of optical coupling means” and a method of reducing the magnification will be described.
[0026]
FIG. 1 schematically shows a state in which a light beam from each LD of an LD bar is coupled to an incident end face of an optical fiber by a coaxial collimating lens array and a converging concentric lens. The upper diagram in FIG. 1 shows the state of coupling in the (XZ plane) in the horizontal direction, and the lower diagram shows the state of coupling in the (YZ plane) in the vertical direction.
[0027]
As is well known, the light-emitting portion of an LD (semiconductor laser) has a rectangular shape, and the LD bar is composed of "N (≥2) LDs arranged in one row so that each light-emitting portion is continuous in the longitudinal direction. It has an integrated configuration. In such a configuration, the arrangement direction of the LDs, that is, the “longitudinal direction of the light emitting unit in each LD” is the X direction, and the direction of the chief ray of the divergent laser beam emitted from each LD is the Z direction. The direction orthogonal to the X and Z directions is the Y direction.
[0028]
As is well known, the divergent light beam emitted from the LD has a non-uniform divergence angle, and has a minimum divergence angle in a plane parallel to the longitudinal direction of the light emitting portion, that is, in a horizontal direction (XZ plane). The value of: θ_H(Hereinafter referred to as “minimum divergence angle”), and the divergence angle is the maximum value in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the light emitting portion, that is, in the vertical direction (YZ plane): θ_V(Hereinafter referred to as "maximum divergence angle").
[0029]
FIG. 1 shows that θ_H: Θ_V= 1: 3 is shown.
FIG. 1 shows a case where the individual coaxial collimating lenses L1 in the coaxial collimating lens array are circular and are in contact with each other at the “peripheral portion of the effective diameter” and are arranged at a pitch: P. P1 in the drawing indicates the principal plane of each coaxial collimating lens (thin lens).
[0030]
The effective diameter of each coaxial collimating lens L1 is, as shown in the lower diagram of FIG._VIs determined so that the light beam can be collimated. Therefore, the light beam collimated by each of the coaxial collimating lenses L1 has an "effective diameter: D" in the vertical direction as shown in the lower diagram of FIG._VIs a parallel light beam having a light beam diameter equal to.
[0031]
On the other hand, the minimum divergence angle: θ_HIs the maximum divergence angle: θ_V１／, the light beam diameter collimated by the individual coaxial collimating lens L1 in the horizontal direction: D_HIs the effective diameter: D_VOf 1/3.
[0032]
In this way, the N parallel light flux groups that have been converted into parallel light fluxes by the coaxial collimating lens array are condensed by the converging concentric lens L2 (thin lens, the main plane of which is indicated by the symbol P2). An image is formed on the incident end face P3 of one optical fiber.
[0033]
The above description will be explained with "paraxial theory".
Let f be the focal length of each coaxial collimating lens L1 in the coaxial collimating lens array.₁, The focal length of the converging concentric lens L2 is f₂And
Assuming that the horizontal NA (numerical aperture) of the coaxial collimating lens L1 is a,
a = D_H/ 2f₁
In the future
D_H= A 2f₁(1)
Is obtained.
[0034]
Maximum divergence angle: θ_V= 3θ_HTherefore, the numerical aperture in the vertical direction is
3a = D_V/ 2f₁
And from now on
D_V= 3a / 2f₁(2)
It becomes. That is,
D_V= 3D_H
It is. Since the coaxial collimating lens L1 is a circular lens,
D_V= 3D_H= P (3)
It becomes.
[0035]
These N light beams are condensed on the incident end face of one optical fiber by the concentric lens L2 for condensing. However, when the NA of the optical fiber is b, the light source side is originally in the horizontal direction. Should be able to capture “N light beams with NA = a”, but since the coaxial collimating lens L1 is a circular lens, “NA = 3a on the light source side, optical fiber side: NA” as in the vertical direction. = B / N ”.
[0036]
That is, in the horizontal direction, the concentric lens L2 for condensing has a width: D in the upper diagram of FIG._NMust be focused on the optical fiber of NA = b.
[0037]
By a general relational expression: NA = D / 2f (D: beam diameter, f: focal length),
On the light source side, 3a = D_V/ 2f₁From
f₁= D_V/ 6a (4)
On the optical fiber side, b = D_N/ 2f₂= ND_V/ 2f₂By
f₂= ND_V/ 2b @ (5)
It becomes.
[0038]
The composite system of the coaxial collimating lens L1 and the condensing coaxial lens L2, that is, the lateral magnification β of the “optical coupling means” is:
β = f₂/ F₁= (ND_V/ 2b) / (D_V/ 6a) = 3aN / b (6)
Given by
[0039]
Specific calculations will be performed for the optical coupling mode as shown in FIG.
As an example, suppose that the NA on the light source side is a = 0.15 in the horizontal direction, 3a = 0.45 in the vertical direction, NA = b = 0.2 in the optical fiber, and the number of LDs: N = 15. , Lateral magnification: β = 3aN / b = 3 × 0.15 × 15 / 0.2 = 33.75.
[0040]
Assuming that the size of the light emitting portion (emission area) of each LD is 2 μm in the horizontal direction and 1 μm in the vertical direction, the size of the light emitting portion image formed on the incident end face of the optical fiber by the above-described optical coupling means is as follows. 67.5 μm × 33.75 μm. Assuming that the core diameter of the optical fiber is 50 μm, the light emitting unit image does not fit within the core diameter, and the optical coupling efficiency is reduced.
[0041]
Further, since the lateral magnification β is as large as 33.75 times, for example, even if the LD bar is slightly displaced with respect to the optical coupling means, the image of the light emitting portion is largely displaced. It is susceptible to the positional error between the fibers.
[0042]
From the above description, it is necessary to increase the number N of LDs in the LD bar to increase the optical output while preventing the optical coupling efficiency from decreasing, and to reduce the effect of positional errors on the optical coupling. It is effective to reduce the lateral magnification β of the means, and in the present invention, the lateral magnification of the optical coupling means is set small.
[0043]
Lateral magnification of “optical coupling means”: β is β = f₂/ F₁Therefore, to reduce the lateral magnification: β, the focal length: f₂Or the focal length: f₁Should be increased. However, considering that the laser beam emitted from the LD is divergent, the focal length of the coaxial collimating lens: f₁Increasing the diameter means increasing the effective diameter of the coaxial collimating lens, which is not preferable in terms of downsizing the light source module.
[0044]
On the other hand, the focal length of the concentric lens for focusing: f₂Is advantageous for making the light source module compact.
In the above, the expressions (1) to (6) are represented by θ_H: Θ_V= 1: 3, the equations (1) to (6) are expressed by θ_H: Θ_VIt is easy to generalize to the case of = 1: m, and the results are as follows.
[0045]
D_H= A 2f₁(11)
D_V= Ma 2f₁(12)
D_V= MD_H= P (13)
f₁= D_V/ 2ma (14)
f₂= ND_V/ 2b @ (15)
β = f₂/ F₁= MaN / b (16)
Expressions (11) to (16) correspond to Expressions (1) to (6).
[0046]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments will be described.
In order to reduce the lateral magnification β in the LD arrangement direction, that is, the horizontal direction in the LD bar, the arrangement width of the N parallel light beams: D in FIG._NMay be reduced. Each of the N parallel light beams to be coupled to the optical fiber has a horizontal width: D_HBut pitch: P = mD_H(M = 3 in FIG. 1), so that (m-1) D_HThere is a "gap".
[0047]
Therefore, the array width of the N parallel light beams in the horizontal direction (above: D_N) Can be reduced by reducing or eliminating the “gap”. In the present invention, "light beam array width compression means" is used in the optical coupling means for this purpose.
[0048]
FIG. 2 schematically shows only one characteristic part of an embodiment of the light source module according to the second aspect. The symbol LDB indicates the LD bar (the arrangement surface of the light emitting units). For simplification of the drawing, the number of LD sequences: N is set to 3. Minimum divergence angle of divergent light beam emitted from each LD: θ_H, Maximum divergence angle: θ_VIs θ_H: Θ_V= 1: 3. Reference symbol P1 indicates the “principal surface” of each coaxial collimating lens (thin lens) in the coaxial collimating lens array.
[0049]
In this embodiment, the light beam array width compressing means 20 reflects the light beams FL1, FL2, and FL3, which have been converted into parallel light beams by the respective collimating lenses of the coaxial collimating lens array CLA, twice, respectively, so that the light beam spacing in the LD array direction is obtained. Reflecting means for reducing the
[0050]
That is, the parallel light beam FL1 is sequentially reflected by the reflection surfaces 2011 and 2012, the parallel light beam FL2 is sequentially reflected by the reflection surfaces 2021 and 2022, and the parallel light beam FL3 is sequentially reflected by the reflection surfaces 2031 and 2032.
[0051]
As shown in FIG. 2, due to the positional relationship between the reflecting

surfaces

2011, 2012, 2021, 2022, 2031 and 2032, the parallel light fluxes FL1, FL2 and FL3 reflected twice by these reflecting surfaces have an array width before the reflection. Array width: D_NTo D_N/ 3. In this way, the lateral magnification β of the optical coupling means can be reduced to 1/3 as compared with the case where the light beam array width compression means is not used (the case of FIG. 1).
[0052]
The reflecting

surfaces

2011, 2012, 2021, 2022, 2031 and 2032 in FIG. 2 may be formed as mirror surfaces or prism surfaces. When a prism surface is used, the light beam array width compression unit 20 can be configured as a “single prism member” having the reflection surfaces 2011, 2012, 2021, 2022, 2031 and 2032.
[0053]
With reference to FIG. 3, the characteristic part of the light source module of claim 3 will be described.
In the description according to FIG. 1, each coaxial collimating lens in the coaxial collimating lens array is a circular lens, and its effective diameter is D._VIs the maximum divergence angle of the divergent light beam emitted from the LD: θ_VIt was set to a size that could capture the light flux.
[0054]
However, when a circular lens is used, as shown in FIG._VEven if it is necessary to take in the luminous flux of "_HIt is sufficient if there is a width enough to take in the light flux of FIG. 3, and the actually necessary lens surface is the “hatched portion” in FIG.
[0055]
Therefore, as shown in FIG. 3B, as a coaxial collimating lens array CLA, the divergence angle ratio (θ) in the divergent light beam emitted from each LD in the LD bar_V: Θ_H3), the collimating lens CL (having the shape of the “hatched portion” shown in FIG. 3A) in which the lens diameters are set in two directions orthogonal to each other is arranged in the direction in which the lens diameter is small. If the array formed in the left and right direction (FIG. 3B) is used so that the array direction corresponds to the LD array direction of the LD bar, the coaxial collimating lens array CLA itself becomes “parallel light beam. It has a function of compressing the arrangement width of the light flux (in FIG. 1, a function of reducing or eliminating “a region where there is no light flux between parallel light fluxes” in the horizontal direction), and can also serve as a light flux arrangement width compression unit.
[0056]
In FIG. 3B, D_VIs the “effective diameter of the collimating lens CL in the vertical direction”. D_HIs the "effective diameter of the collimating lens CL in the horizontal direction", which is equal to the arrangement pitch P of the LDs in the LD bar in the example of the figure.
[0057]
With reference to FIG. 4, the characteristic part of the light source module according to claim 4 will be described.
In the light source module according to the fourth aspect, the light beam arrangement width compression unit 40 includes a half-wave plate 41, a polarization beam splitter 42, and a reflection mirror 43.
[0058]
A parallel light flux group formed by a coaxial collimating lens array (not shown) and arranged in a horizontal direction (vertical direction in the figure) travels from the left to the right in the figure. The light enters the beam splitter 42. Since substantially all of the laser light beams emitted from the individual LDs constituting the LD bar are in a linear polarization state having a plane of polarization in the horizontal direction, the light beams incident on the polarization beam splitter 42 from the left side of the drawing are shown. Is transmitted as it is.
[0059]
The 波長 wavelength plate 41 transmits “one parallel light flux group which is substantially equally divided in the arrangement direction in the arrangement of the parallel light flux transmitted through the coaxial collimating lens array”, and rotates the deflection surface thereof by 90 degrees. . The parallel light flux group whose polarization plane has been rotated in this way enters the reflection mirror 43.
[0060]
The reflection mirror 43 reflects the incident parallel light flux toward the polarization beam splitter 42 in order to combine the parallel light flux group with the “parallel light flux group that transmits through the polarization beam splitter 42”. The parallel light flux group reflected by the reflection mirror 43 in this manner enters the polarization beam splitter 42, is reflected by the polarization splitting film, is combined with the parallel light flux group transmitted through the polarization beam splitter 42, and exits.
[0061]
In this manner, the light beam array width compression means 40 is configured to output the light beam array width: D of the parallel light beam group incident from the coaxial collimating lens array side._NIs the luminous flux array width: D_N’(≒ D_N/ 2).
The half-wave plate 41 is disposed between the reflection mirror 43 and the polarization beam splitter 42 instead of the position shown in FIG. The light may be incident on the polarizing beam splitter 42 from below (from below in the figure).
[0062]
The “light beam arrangement width compression” described with reference to FIGS. 2 to 4 can be performed alone, but by further combining these, further compression becomes possible.
[0063]
With reference to FIG. 5, the characteristic part of the light source module according to claim 5 will be described. In order to avoid complication, the same reference numerals as those in FIGS. 1, 3 and 4 are used for those which do not seem to be confused.
[0064]
In the coaxial collimating lens array CLA, the lens diameters in two directions orthogonal to each other are set according to the divergence angle ratio of the divergent light beams emitted from the individual LDs in the LD bar LDB described with reference to FIG. A collimating lens (indicated by P1 in the figure, the principal surface thereof) is an array in which the direction of the smaller lens diameter is arranged in the arrangement direction (the vertical direction in the figure). Make a part.
[0065]
The N divergent light beams emitted from the LD bar LDB are converted into parallel light beams by the individual collimating lenses L1 ′ of the coaxial collimating lens array CLA. Close ".
Each collimating lens L1 'has the same focal length f as the collimating lens L1 in FIG.₁Having.
[0066]
The collimated parallel light beam group is subjected to light beam arrangement by light beam arrangement width compressing means 40 (similar to that described with reference to FIG. 4) having a half-wave plate 41, a polarizing beam splitter 42, and a reflection mirror 43. The width is further reduced by half. Then, the light is condensed on the incident end face P3 of the optical fiber by the concentric lens L2 '.
[0067]
In this embodiment, "compression of the light beam arrangement width in the horizontal direction" is performed by the light beam arrangement width compression means 40 and also by the coaxial collimating lens array CLA. That is, the coaxial collimating lens array CLA assists the compression means of the light beam array width compression means 40. In other words, the light beam array width compressing means 40 and the coaxial collimating lens array CLA constitute "light beam array width compressing means" in claim 1.
[0068]
As an example, the maximum divergence angle of the divergent laser beam emitted from each LD in the LD bar: θ_VIs the minimum divergence angle: θ_HThree times, that is, θ_V= 3θ_HLet's calculate for the case. Let f be the focal length of each coaxial collimating lens L1 'in the coaxial collimating lens array CLA.₁, The focal length of the converging concentric lens L2 'is f₂’.
[0069]
The arrangement width of the parallel light beam is reduced to 1/3 by the compression promoting action of the coaxial collimating lens array CLA as compared with the case of using the array of circular collimating lenses in FIG. Since the data is compressed to 1/2 by the action, the data is compressed to 1/6 as a whole. For this reason, the concentric lens L for condensing₂’Focal length: f₂′ To f in the case of FIG.₂Can be reduced to 1/6.
[0070]
The horizontal lateral magnification of the optical coupling means (including the coaxial collimating lens array CLA, the light beam arrangement width compressing means 40, and the condensing concentric lens L2 ') is β' = f₂’/ F₁Where f₂’= F₂Therefore, the horizontal magnification β ′ can be reduced to に of the horizontal magnification β in FIG.
[0071]
As described with reference to FIG. 1, the NA on the light source side is a = 0.15 in the horizontal direction, 3a = 0.45 in the vertical direction, NA = b = 0.2 in the optical fiber, and the number of LDs arranged: N = In the case of 15, the lateral magnification: β = 33.75, but in the case of FIG. 5, the lateral magnification: β ′ is approximately 5.6 times that of 1/6.
[0072]
If the light emitting portion size of each LD is 2 μm in the horizontal direction and 1 μm in the vertical direction, the size of the light emitting portion image formed on the incident end face of the optical fiber by the optical coupling means in FIG. 5 is 11.2 μm × 5. If the core diameter of the optical fiber is 50 μm, the light emitting unit image is sufficiently contained within the core diameter, the optical coupling efficiency is high, and the image is hardly affected by the “positional relationship error” described above.
[0073]
In the light source module according to the fourth aspect, when the coaxial collimating lens array according to the fifth aspect promotes the compression effect, the maximum divergence angle of the divergent light flux emitted from each LD in the LD bar: θ._VIs the minimum divergence angle: θ_HM times, that is, θ_V= Mθ_HIn the general case, the light beam arrangement width compressing means according to claim 4 has a function of compressing the arrangement width in the horizontal direction to 共, and the coaxial collimating lens array has a light arrangement width in the horizontal direction. Is reduced to 1 / m, so that the focal length of the converging concentric lens is f according to the above equations (15) and (16).₂′, The horizontal magnification of the optical coupling means in the horizontal direction: β ′

It becomes.
[0074]
【Example】
Hereinafter, specific examples will be described.
[0075]
FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the light source module / light source device according to the embodiment. (A) shows the configuration in the horizontal direction, reference numeral 60 denotes an LD bar, reference numeral 62 denotes a coaxial collimating lens array, reference numeral 63 denotes a half-wave plate, reference numeral 64 denotes a polarizing beam splitter, reference numeral 65 denotes a reflection mirror, and reference numeral 66. Denotes a concentric lens for condensing light, and reference numeral 70 denotes an optical fiber. FIG. 6B illustrates the configuration in the vertical direction by omitting illustration of the half-wave plate 63, the polarization beam splitter 64, and the reflection mirror 65.
[0076]
The “light coupling unit” of the light source module is constituted by a coaxial collimating lens array 62, a half-wave plate 63, a polarizing beam splitter 64, a reflecting mirror 65, and a condensing concentric lens 66. The light source module having these as optical coupling means and the LD bar 60 constitute a “light source device”.
[0077]
The LD bar 60 is obtained by “arranging and integrating 15 LDs (semiconductor lasers) that emit a divergent light beam having a wavelength of 400 nm in a row so that each light emitting unit is connected in the longitudinal direction (X direction)”. is there.
[0078]
Each LD has a light emitting portion (emission area) size of 1.7 μm in the horizontal direction and 0.5 μm in the vertical direction, and 1 / e²The NA according to the intensity is 0.15 in the horizontal direction and 0.45 in the vertical direction (ie, θ_V= 3θ_H). The arrangement pitch P of the LD is 360 μm.
[0079]
The optical fiber 70 for optically coupling the light beam from the LD bar 60 has a core diameter of 50 μm and NA = 0.2.
[0080]
In consideration of the arrangement pitch of the LDs in the LD bar 60: P = 360 μm, the coaxial collimating lens array 62 has an effective diameter of each of the coaxial collimating lenses CL arranged in an array as shown in FIG. It was set to 360 μm in the horizontal direction, and the lens spacing in the horizontal direction was also 360 μm.
[0081]
Under this condition, the effective diameter in the vertical direction: D_VIs obtained by setting m = 3 in the equation (13).
D_V= 3D_H= 3 × 360 = 1080 μm
And the focal length is f₁From the equation (14),

Is calculated.
[0082]
Although the NA of the optical fiber 70 is 0.2, NA: 0.17 is set as a design value with a margin. Also, the number of LDs in the LD bar 60 is N = 15, which is divided into 8 and 7 to divide the LD into approximately two equal parts. Therefore, N = 16 in design. The luminous flux array width compressing means including the 波長 wavelength plate 63, the polarization beam splitter 64, and the reflection mirror 65 compresses the horizontal luminous flux array width to く as described above. Distance: f₂Is given by the above equation (15 ').

It becomes.
[0083]
At this time, the magnification in the horizontal direction due to the optical coupling means: β ′ is given by the equation (16 ′).
β '= f₂’/ F₁≒ 8.4 mm / 1.2 mm = 7
It becomes. Accordingly, the condensing concentric lens 66 is a circular lens having a focal length of 8.4 mm and an effective diameter of 2.9 mm (light beam arrangement width: 0.36 mm × 8 = an effective diameter capable of capturing 2.88 mm).
[0084]
The light emitting unit image formed by the optical coupling unit on the incident end face of the optical fiber 70 is 11.9 μm in the horizontal direction and 3.5 μm in the vertical direction, which is smaller than the core diameter of the optical fiber 70: 50 μm. It is, of course, within the core diameter and hardly affected by the positional error.
[0085]
The coaxial collimator lens array was made of quartz glass, and the concentric lens for condensing was made of BK-7 glass material, and 98.7% as the optical coupling efficiency could be obtained as a design value.
[0086]
The light source module described in the above embodiment is a light source module that couples the light from the LD bar 60 to one optical fiber 70. In the light source module, the coaxial collimating lens array 62 The coaxial collimating lens array 62 includes an axial lens 66 and light beam array width compressing means 63, 64, 65, and integrates (= 15) N (= 15) collimating lenses according to the array of LDs in the LD bar 60. The converging coaxial lens 66 converts the divergent light beam emitted from each LD into a parallel light beam by the coaxial collimating lens array 62 to convert the light beam into a parallel light beam. This is a lens that condenses light on the incident end face, and the light beam array width compressing means 63, 64, and 65 are arranged in the array direction of the light beams converted into parallel light beams by the coaxial collimating lens array 62. A means for compressing the sequences width, those set effectively reduce the lateral magnification of the optical coupling means (7 times) (claim 1).
[0087]
Further, the light beam arrangement width compressing means has a half-wave plate 63, a polarizing beam splitter 64, and a reflection mirror 65, and the half-wave plate 64 converts the parallel light beam transmitted through the In the array, one parallel light flux group (consisting of seven parallel light fluxes), which is approximately bisected in the arrangement direction, is transmitted, and its deflection surface is turned by 90 degrees. The other parallel light beam group (consisting of eight parallel light beams) is transmitted, and the parallel light beam group whose polarization plane is turned by 90 degrees is combined with the above-mentioned parallel light beam group. In order to combine a group of parallel light beams whose polarization plane is rotated by 90 degrees by the two-wavelength plate 63 with a group of parallel light beams transmitted through the polarizing beam splitter 64, the light is reflected toward the polarizing beam splitter 64 (claim 4).
[0088]
The coaxial collimating lens array 62 replaces a collimating lens CL having a lens diameter in two directions orthogonal to each other with a small lens diameter according to a divergence angle ratio of a divergent light beam emitted from each LD in the LD bar 60. The light beam is arranged in an array with the direction being an array direction, and forms a part of the light beam array width compressing means according to claim 1 (claim 5). "A half-wave plate 63, a polarizing beam splitter 64, a reflection mirror 65 promotes the operation of the light beam arrangement width compression means.
[0089]
The coaxial collimating lens array 62 is a glass lens array made of quartz glass in which N (= 15) collimating lenses having a small lens diameter in the arrangement direction are integrally formed by etching (claim 6). The beam splitter 64 is of a "cube type" (Claim 7), and the converging concentric lens 66 is a glass mold lens made of BK-7 glass (Claim 8).
[0090]
The lateral magnification (= 7 times) of the optical coupling means is 10 times or less (claim 9).
[0091]
In the embodiment of FIG. 6, the part in which the light source module and the LD bar 60 are combined is one embodiment of the light source device according to claim 10.
[0092]
The upper limit of the number of LD arrays: N in the LD bar is about 20.
[0093]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a novel light source module and light source device can be realized. This light source module has high optical coupling efficiency to an optical fiber, and is hardly affected by an error in the relative positional relationship between the LD bar, the coaxial collimating lens array, and the optical fiber.
[0094]
The light source device of the present invention using such a combination of the light source module and the LD bar has high optical coupling efficiency and is easy to handle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a lateral magnification of an optical coupling unit and a method of reducing the lateral magnification.
FIG. 2 is a diagram showing only a characteristic portion of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a characteristic portion according to one embodiment of the invention described in claim 3;
FIG. 4 is a diagram for explaining a characteristic portion of one embodiment of the invention described in claim 4;
FIG. 5 is a view for explaining an embodiment of the invention described in claim 4;
FIG. 6 is a view for explaining one embodiment of a light source module and a light source device.
[Explanation of symbols]
60mm LD bar
62 ° coaxial collimating lens array
63 wavelength plate
64 ° polarizing beam splitter
65mm reflection mirror
66 ° concentric lens for focusing
70 ° optical fiber

Claims

In a light source module for coupling light from an LD bar formed by integrating N light emitting units so that each light emitting unit is continuous in the longitudinal direction thereof and forming one light emitting unit into one optical fiber,
As a light coupling means, a coaxial collimating lens array, a concentric lens for light collection, and a light beam array width compression means,
The coaxial collimating lens array is configured such that N collimating lenses are arrayed and integrated according to the arrangement of LDs in the LD bar, and divergent light beams emitted from the N LDs are converted into parallel light beams, respectively.
The condensing concentric lens is a lens that condenses a light beam converted into a parallel light beam by the coaxial collimating lens array on an incident end surface of the one optical fiber,
The light beam array width compression unit is a unit that compresses the array width of the light beam that is parallelized by the coaxial collimating lens array and is arranged in the LD array direction.
A light source module, wherein the lateral magnification of the optical coupling means is set to be effectively small.

The light source module according to claim 1,
The light beam arrangement width compression means is a reflection means for reflecting the light beams parallelized by the respective collimating lenses of the coaxial collimating lens array twice, thereby reducing the light beam interval in the LD array direction. module.

The light source module according to claim 1,
A coaxial collimating lens array arranges collimating lenses in which lens diameters are set in two directions orthogonal to each other in accordance with a divergence angle ratio of divergent light beams emitted from individual LDs in an LD bar, and arranges the directions in which the lens diameters are smaller. An optical module which is arrayed in the direction, has a function of compressing the arrangement width of parallel light beams, and also serves as a light beam arrangement width compression unit.

The light source module according to claim 1,
The light beam arrangement width compression means has a half-wave plate, a polarization beam splitter, and a reflection mirror,
The half-wave plate transmits one parallel light beam group, which is substantially equally divided in the arrangement direction, in the arrangement of the parallel light beams transmitted through the coaxial collimating lens array, and rotates its deflection surface by 90 degrees.
The polarization beam splitter transmits the other approximately parallel bisected parallel light beam group, and combines the parallel light beam group whose polarization plane is turned by 90 degrees with the transmitted parallel light beam group,
The reflecting mirror reflects the light toward the polarization beam splitter so as to combine a parallel light flux group whose polarization plane is rotated by 90 degrees by the half-wave plate with a parallel light flux group transmitted through the polarization beam splitter. A light source module, characterized in that:

The light source module according to claim 4,
A coaxial collimating lens array arranges collimating lenses in which lens diameters are set in two directions orthogonal to each other in accordance with a divergence angle ratio of divergent light beams emitted from individual LDs in an LD bar, and arranges the directions in which the lens diameters are smaller. A light source module, which is arranged in an array in a direction and forms a part of a light beam array width compression unit.

The optical module according to claim 3 or 5,
The coaxial collimating lens array
N-collimated lens with a glass polished lens whose lens diameter in the array direction is small, or
A glass lens array in which N collimating lenses having a small lens diameter in the arrangement direction are integrally formed by etching or molding, or
A resin lens array in which N collimating lenses having a small lens diameter in the arrangement direction are integrally formed by resin molding, or
A diffractive optical element lens array integrating N collimating lenses having a small lens diameter in the array direction and having a collimating action by diffraction, or
A gradient index lens array in which N collimating lenses having a small lens diameter in the array direction and having a collimating action by a refractive index distribution are integrated;
A light source module, characterized in that:

The light source module according to claim 4, 5 or 6,
A light source module, wherein the polarizing beam splitter is of a cube type or a flat type.

The light source module according to any one of claims 1 to 7,
The concentric lens for focusing is
Polished glass lens, or
Glass molded lens, or
Resin molded lens, or
Diffractive optical element lens, or
Refractive index distribution lens,
A light source module, characterized in that:

The light source module according to any one of claims 1 to 8,
A light source module, wherein a lateral magnification of the optical coupling means is 10 times or less.

A light source device comprising a combination of the light source module according to any one of claims 1 to 10 and an LD bar.