JP5473535B2

JP5473535B2 - 光源装置

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Publication number: JP5473535B2
Application number: JP2009248214A
Authority: JP
Inventors: 実透矢部; 行雄佐藤; 徹吉原; 哲生船倉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: EP2317614A3; CA2716066A1; US20110096543A1; CN102052608B; EP2317614A2; CA2716066C; CN102052608A; EP2317614B1; US8724668B2; JP2011096790A

Description

本発明は、映像表示装置などに用いられる光源装置に関し、特に、複数の半導体レーザ素子から射出されるレーザ光を合成して光ファイバなどに集光し、所定の光出力を得る光源装置に関する。

従来、複数の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を合成し、光ファイバ等に集光して所定の光出力を得る光源装置は、ヒートブロック上に配列固定された複数のチップ状の半導体レーザと、各半導体レーザに対応して設けられたコリメータレンズアレイと、これらによって生成されたコリメータ光束を１本の光ファイバに集光させる一つの集光レンズと、これら合波光学系を気密封止するための箱状のパッケージとを備えて構成されていた。

この種の光源装置では、複数の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を光ファイバに集光させるためには、半導体レーザ素子、コリメータレンズアレイ、集光レンズ及びファイバの各々が所定の位置精度で、かつ傾きが正確に合った状態で固定されていなければならない。このような各部品の固定を実現するために、高精度に作成された各部品の傾きをレーザオートコリメータで計測しながら、メカニカルハンドによって精密に位置決めして接着固定する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの半導体レーザ素子を使用した場合、合波光学系を固定する接着剤などの有機ガス（アウトガス）成分が、発光部や光学部品に堆積し、レーザ特性を劣化させる。この対策として、パッケージ内の有機ガスの濃度を１０００ｐｐｍ未満に規定し、かつ酸素濃度が１〜１００ｐｐｍを含む不活性ガスで封止した光源装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００６−２８４８５１号公報（第７頁、第１図）特許第４１１５７３２号公報（第５頁、第２図）

しかしながら、従来の光源装置は上記のように構成されていたため、気密パッケージから半導体レーザを駆動するための配線類を外部へ取り出す構造が複雑になるという問題がある。

また、半導体レーザ素子は、発光させることにより大量の熱を発生するが、熱によって発光効率が低下して寿命が短くなったり、波長がシフトするという特性があるため、放熱、温度コントロールが重要になるが、半導体レーザ素子が固定されたヒートブロックから外部に熱を効率よく逃がすことができないという問題がある。すなわち、集光レンズと半導体レーザ素子とが共通のベース板に設置されるため、温度制御対象部分の熱容量が大きく、効率良く冷却を行えない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体レーザ素子を気密封止することなく効率的な冷却が可能な光源装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、半導体レーザがステムの一方側に配され、該半導体レーザへ給電する電力を受電する受電端子が前記ステムの他方側に配された複数のレーザモジュールを有し、該複数のレーザモジュールから発せられたレーザ光を集光して出射させる光源装置であって、レーザモジュールが夫々嵌め込まれて収容される複数の取付穴を有するモジュール固定体と、取付穴に収容された各レーザモジュールの受電端子に接続される複数の給電端子が端部に形成された給電部材と、各半導体レーザを冷却する冷却部材と、を備え、モジュール固定体の一端面に給電部材が収容される溝部が形成され、冷却部材がモジュール固定体の一端面に密着配置されたことを特徴とする。

本発明によれば、半導体レーザ素子を気密封止することなく効率的な冷却可能であり、熱による半導体レーザ素子の発光効率の低下を抑えて、光源装置の長寿命化を実現できるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる光源装置の実施の形態１の構成を示す断面図である。図２は、本発明にかかる光源装置の実施の形態１の構成を示す底面図である。図３は、本発明にかかる光源装置の実施の形態１の構成を示す分解図である。図４ａは、実施の形態１のＬＤホルダの詳細な構成を示す斜視図である。図４ｂは、実施の形態１のＬＤホルダの詳細な構成を示す斜視図である。図５は、実施の形態１のＬＤが圧入されたＬＤホルダをベースに接着固定した後の拡大図である。図６は、実施の形態１のＬＤが圧入されたＬＤホルダをベースに接着固定した後の拡大図である。図７は、実施の形態１のＬＤ−Ｉの調整、固定方法を示す斜視図である。図８は、実施の形態１のＬＤ−Ｉの調整、固定方法を示す底面図である。図９は、実施の形態１のＬＤ−ＩＩＩの調整、固定方法を示す斜視図である。図１０は、実施の形態１のＬＤ−ＩＩＩの調整、固定方法を示す底面図である。図１１は、実施の形態１の接着剤追加塗布及び硬化方法の説明図である。図１２は、実施の形態１のアウトガス吸引方法の説明図である。図１３は、実施の形態１の光源装置全体の構成を示す分解図である。図１４は、実施の形態１の光源装置全体の構成を示す組立後の斜視図である。図１５は、実施の形態１の光源装置全体の構成を示す断面図である。図１６は、実施の形態１のフレキシブルプリント基板の構成を示す図である。図１７は、実施の形態１のフレキシブルプリント基板のはんだ付け方法を示す断面図である。図１８は、実施の形態１のフレキシブルプリント基板のはんだ付け方法を示す底面図である。図１９は、本発明にかかる光源装置の実施の形態２の主要部分の構成を示す分解図である。図２０は、本発明にかかる光源装置の実施の形態２の主要部分の構成を示す組立図である。図２１は、本発明にかかる光源装置の実施の形態２の主要部分の構成を示す断面図である。図２２は、実施の形態２のフレキシブルプリント基板のはんだ付け方法を示す底面図である。図２３は、実施の形態２の光源装置全体の構成を示す断面図である。

以下に、本発明にかかる光源装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１〜３は、本発明にかかる光源装置の実施の形態１の構成を示す図であり、図１は断面図、図２は底面図、図３は分解図である。なお、図１に示す断面は、図２における線分１−１での断面である。

ベース１は、アルミダイキャスト製であり、中心及びこれを中心点とする円周上には合計７個の段付き穴１ａ〜１ｇが円周上では等間隔に、外周部には寸法が異なる半円状の切り欠き部１ｈ、１ｉが高精度に加工されている。ここで、切り欠き部１ｈ、１ｉの中心は、中央に配置された段付き穴１ｄの中心に対して非対称である。７個の段付き穴１ａ〜１ｇのそれぞれには、第１のコリメータレンズ２、第１の間座３、第２のコリメータレンズ４が嵌め込まれ、第２のコリメータレンズ４はベース１の上面１ｊよりも僅かに出っ張るように配置されている。板バネ５は、バネ用ステンレス鋼（ＳＵＳ３０１）をエッチング加工することによって、ベース１の７個の段付き穴１ａ〜１ｇに対応した位置にジンバルバネ状のバネ部が、ベース１の切り欠き部１ｈ、１ｉに対応した部分に切り欠き部５ａ、５ｂが設けられた平板状に形成されている。拘束板６は、板バネ５よりも厚いステンレス材（ＳＵＳ３０４）をプレス加工することによって、ベース１の７個の段付き穴１ａ〜１ｇに対応した穴と、ベース１の切り欠き部１ｈ、１ｉに対応した切り欠き部６ａ、６ｂとが形成された平板状であり、バネ部以外の部分が変形しないように板バネ５を押さえる。板バネ５及び拘束板６は、ベース１の切り欠き部１ｈ、１ｉを基準にそれぞれの切り欠き部５ａ、５ｂと６ａ、６ｂとを一致させてベース１の上面１ｊに押さえつけるように複数のネジ７によって偏りなく固定されている。切り欠き部１ｈ、１ｉは、中央に配置された段付き穴１ｄの中心に対して非対称に配置されているため、板バネ５及び拘束板６の裏表も一意的に決まり、バリや部品の平面度によって板バネ５及び拘束板６が浮いたり、ずれたりしないように構成されている。以上のような構成により、第１のコリメータレンズ２、第１の間座３及び第２のコリメータレンズ４からなるコリメータレンズ群は、振動、衝撃が加わってもずれが発生しないようにかつ高精度にベース１に固定されている。また、接着剤を使用していないため、異物を取り除くなどの目的で分解する必要が生じた場合でも全ての部品を再利用可能に分解できるとともに、接着剤のアウトガスによって第１のコリメータレンズ２や第２のコリメータレンズ４などの光学部品を汚染することがない。

鏡筒８は、アルミニウムを切削加工して形成されており、内部には第１の集光レンズ９、第２の間座１０、第２の集光レンズ１１が嵌め込まれ、これらはネジリング１２によってネジ固定される。第２の間座１０及びネジリング１２は黄銅製である。ネジリング１２の側面の中央部分には、凹部１２ａが設けられており、鏡筒８に側面からネジ止めされる止めネジ１３の先端が凹部１２ａに挿入されることによって、緩まないようにして鏡筒８に固定される。また、鏡筒８の上面には、黄銅製のレセプタクル１４がネジ１５によって固定され、光ファイバ１６の着脱ができるようになっている。以上のような構成により、第１の集光レンズ９、第２の間座１０及び第２の集光レンズ１１からなる集光レンズ群は、振動、衝撃が加わってもずれが発生しないようにかつ高精度にベース１に固定されている。また、接着剤を使用していないため、異物を取り除くなどの目的で分解する必要が生じた場合でも、ネジリング１２のネジ部を傷付けることがなく、全ての部品を再利用可能に分解できるとともに、接着剤のアウトガスによって第１の集光レンズ９や第２の集光レンズ１１、光ファイバ１６などの光学部品を汚染することがない。

スペーサ１７は、ガラスファイバ入りのポリカーボネイトの成型物であり、ベース１が嵌め込まれる円筒部の内側にはベース１の切り欠き部１ｈ、１ｉに対応した凸部１７ａ、１７ｂが、円筒部の外側には鏡筒８に設けられた切り欠き部８ａに対応した凸部１７ｃがそれぞれ設けられている。スペーサ１７には、ベース１及び鏡筒８が高精度に位置決めされた状態で、これらの回転も規制できるように導電性を有する４本のネジ１８によって締結され、光源モジュール２４が構成される。スペーサ１７は、ベース１や鏡筒８に比べて熱伝導率が十分に低いため、ベース１と鏡筒８との間は、熱は伝わりにくくなっているが、導電性を有するネジ１８によって締結されているため電気的には導通している。

半導体レーザ（以下、ＬＤ（Laser Diode））１９は、波長が４４５ｎｍの青色光を発する光源である。ＬＤ１９は、光軸回転方向（偏光方向）のＬＤホルダ２０に対する相対的な向きが７個全てで同じとしてＬＤホルダ２０に圧入固定されている。ＬＤ１９及びＬＤホルダ２０は、コリメータレンズ群に対応してそれぞれ７個ある。以下の説明において、ＬＤ１９を区別する必要がある場合には、ＬＤ−Ｉ〜ＬＤ−ＶＩＩと、ＬＤホルダ２０を区別する必要がある場合にはＬＤホルダ−Ｉ〜ＬＤホルダ−ＶＩＩと表記する。詳細については後述するが、ＬＤ１９が圧入されたＬＤホルダ２０の上面２０ａは、ベース１の底面１ｋと当接するように配置され、この当接面に沿って各ＬＤ１９の光軸と各コリメータレンズ群の光軸とを所要の位置に調整し、アクリル系紫外線硬化型の接着剤２１ａ、２１ｂでＬＤホルダ２０をベース１に接着固定する。

金属製の鏡筒８をプラスチック製のスペーサ１７を介して導電性を有するネジ１８でベース１に固定することにより、ＬＤ１９のグランドは、ＬＤホルダ２０、ベース１及びネジ１８を介して鏡筒８と電気的に接続されるため、ＬＤ１９を高周波でパルス駆動する際の不要輻射の発生を抑制できる。なお、鏡筒８は、プラスチック製のスペーサ１７を介して、後述するペルチェモジュール３４に導電性を有するネジを用いて固定してもよい。

図４ａ、図４ｂは、ＬＤホルダ２０の詳細な構成を示す斜視図である。ＬＤホルダ２０は略円筒形状であり、外周面には、内面穴２０ｌの中心軸に対して対称な２対の切り欠き部２０ｂ、２０ｃ及び２０ｄ、２０ｅを有する。またＬＤホルダ２０は、ベース１との当接面である上面２０ａの反対側の下面２０ｆには、ＬＤ１９の光軸に対して対称な２対の穴部２０ｈ、２０ｉ及び２０ｊ、２０ｋと段落とし部２０ｇとを有する。穴部２０ｈ〜２０ｋは、穴部２０ｈ、２０ｉの各々の中心を結ぶ線と穴部２０ｊ、２０ｋの各々の中心を結ぶ線とが直交するように設けられている。なお、ＬＤホルダ２０の円筒内面である内面穴２０ｌは、ＬＤ１９が挿入される圧入穴２０ｍよりも径が一回り大きい。

図５、図６は、ＬＤ１９が圧入されたＬＤホルダ２０をベース１に接着固定した後の拡大図である。ＬＤ１９は標準のφ５．６ｍｍのＣＡＮパッケージであり、ステムの切り欠き部１９ａや通電用リード１９ｂを有し、レーザ光は出射窓１９ｃから出射される。ＬＤ１９の発光点１９ｄは、ＬＤホルダ２０の上面２０ａの高さと一致するように構成されており、光軸位置調整の際にＬＤホルダ２０に傾きが生じても発光点１９ｄの光軸と垂直方向の位置ずれ発生量が最小に抑えられるようになっている。これにより、調芯作業性と製品信頼性とを向上させている。また、ＬＤホルダ２０は、ＬＤ１９が圧入されたとき、ＬＤ１９の切り欠き部１９ａによってＬＤホルダ２０の内面穴２０ｌとの間に貫通穴２２が形成されるようになっている。つまり、ＬＤ１９がＬＤホルダ２０に圧入され、ベース１に接着固定された状態では、ベース１の段付き穴１ａ〜１ｇ及び第１のコリメータレンズ２とＬＤホルダ２０とＬＤ１９とによって構成される小室２３は、貫通穴２２によって外気と繋がるように構成されている。ＬＤホルダ２０を固定する接着剤２１ａは、ＬＤホルダ２０の外周側面である切り欠き部２０ｂ、２０ｃとベース１の底面１ｋとにまたがるようにＬＤ１９の光軸に対してほぼ対称に４点配置されている。また、接着剤２１ｂは、ＬＤホルダ２０の外周側面である切り欠き部２０ｄ、２０ｅとベース１の底面１ｋとにまたがるようにＬＤ１９の光軸に対してほぼ対称に配置される。また、図２に示すように、ＬＤホルダ−ＩＩＩ〜ＶＩＩは、段落ち部２０ｇが同じ方向を向くように配置されているが、ＬＤホルダ−Ｉは９０度、ＬＤホルダ−ＩＩは−９０度回転した向きで配置されている。光源モジュール２４は以上のように構成されている。

略円筒形状のＬＤホルダ２０が中心軸に対して対称に切り欠き部２０ｂ、２０ｃ及び２０ｄ、２０ｅを備え、切り欠き部２０ｂ〜２０ｅに接着剤２１ａ、２１ｂを配置することにより、接着しろの増加を抑え、光軸間隔を狭くして装置全体の小型化を図ることができる。さらに、ＬＤ１９の光軸に対してほぼ対称に複数箇所に接着剤を配置するため、接着剤が硬化収縮や線膨張しても、それらが互いに相殺され、ＬＤホルダ２０に位置ズレを発生させない。これにより、光源装置の歩留まりを向上させることができる。

次に、動作について説明する。ＬＤ１９から出射される発散光２５ａは、第１のコリメータレンズ２及び第２のコリメータレンズ４を有するコリメータレンズ群で平行光２５ｂに変換され、第１の集光レンズ９及び第２の集光レンズ１１を有する集光レンズ群でφ４００μｍの光ファイバ１６の端面に集光される。しかしながら、全ての部品精度、組立位置精度は設計中心値から誤差を持っているため、集光点２０ｃが光ファイバ１６の端面からずれて損失が発生し、光ファイバ１６に入射される光量が低下してしまうことがある。ここで、ＬＤ１９を光軸と直交する方向に移動させると平行光５ｂの光軸が傾き、集光点２５ｃを光軸と直交する方向に移動させることができるため、ＬＤ１９の位置を光軸と直交する方向に調整することにより、ＬＤ１９の発光点１９ｄの位置ズレ、第１のコリメータレンズ２ａ〜２ｇ及び第２のコリメータレンズ４ａ〜４ｇの光軸位置ズレ、第１の集光レンズ９及び第２の集光レンズ１１の傾き、レセプタクル１４の位置ズレ等を吸収して、集光点２５ｃを光ファイバ１６の端面に合わせることが可能となる。

次に、図７〜図１０を用いて、調整、固定方法について説明する。可動ブロック２６は、不図示の電動微動台によってＸＹＺ方向に駆動され、Ｚ方向に移動可能な先端が尖った２本の調整ピン２７ａ、２７ｂと接着剤を硬化させるための紫外線（以下、ＵＶ光（Ultraviolet）を照射する２本のＵＶファイバ２８ａ、２８ｂが固定されている。ここで、２本の調整ピン２７ａ、２７ｂは、ＬＤホルダ２０をベース１の底面１ｋ（図７や図９における＋Ｚ方向）に押し付けるように独立して弾性的に支持されている。この時調整ピン２７ａ、２７ｂの押し付ける力は、ＬＤホルダ２０がベース１の底面１ｋから浮かずにしかも当接面においてスムーズに動くようにそれぞれ約０．０５Ｎ（５ｇ重）に設定している。また、ＵＶファイバ２８ａ、２８ｂは、ＬＤホルダ２０の１対の切り欠き部２０ｂ、２０ｃとその付近のベース１の底面１ｋとにスポットで照射されるように配置している。また、ＬＤ１９には電流を供給するための不図示のソケットが取り付けられ、ＬＤ１９を所定の電流値で発光できるようになっている。

ＬＤ１９及びＬＤホルダ２０が固定される前の光源モジュール２４は、固定ブロック２９にガタ無く取り付けられている。なお、構成の理解を容易とするために、固定ブロック２９は図７、図９中では破線で示し、その影に位置する部材を透過して示している。また、レセプタクル１４には光ファイバ１６が取り付けられ、光ファイバ１６の反対側の端面から出射されるレーザ光は光パワーメータ３０で受光されるようになっている。

まずＬＤ−Ｉを調整、固定する際は、図７、図８に示すように、ＬＤ１９を圧入したＬＤホルダ２０をセッティングし、１対の穴部２０ｈ、２０ｉに調整ピン２７ａ、２７ｂを挿入する。このときＬＤホルダ２０の段落とし部２０ｇは、図８において右側（＋Ｘ方向）を向くようにセッティングされている。この状態でＬＤ−Ｉに所定の電流値の電流を通電し、光ファイバ１６から出射されるレーザパワーが最大になるように可動ブロック２６をＸＹ方向に移動させ、予め計算して求めた規格のパワーよりも大きくなっていることを確認し、接着剤２１ａをＬＤホルダ２０の外周面の切り欠き部２０ｂ、２０ｃとベース１の底面１ｋとにまたがるようにＬＤ１９の光軸に対して４ヶ所塗布し、ＵＶファイバ２８ａ、２８ｂからＵＶ光を照射して硬化させる。以上のように、接着剤２１ａには遮る物が無く確実にＵＶ光を照射し硬化させることが可能で、しかも接着剤２１ａはＬＤホルダ２０に対称に塗布されているため、接着剤の硬化収縮や線膨張によるＬＤホルダ２０のズレは発生しにくい。また、ＬＤホルダ２０に傾きが生じても、発光点１９ｄの位置ずれは発生しにくいように構成されているため、調整時に光パワーメータ３０の値がばらつかず調整作業性が良いとともに、ＬＤホルダ２０の傾きに対しても集光点１９ｄの位置が変化しにくく、より信頼性の高い光源装置を提供できる。

次に、ＬＤ−ＩＩを調整、固定する場合は、図８に示すように接着固定されたＬＤ−Ｉの左隣に、ＬＤ１９を圧入したＬＤホルダ２０を、段落とし部２０が左側（−Ｘ方向）を向くようにセッティングし、ＬＤ−Ｉと同様に調整、固定する。

ＬＤ−ＩＩＩを固定する場合は、図９、図１０に示すように、固定ブロック２９を反時計回りに９０度回転させた状態でＬＤ１９を圧入したＬＤ２０を段落とし部２０ｇが図１０において右側（＋Ｘ方向）を向くようにセッティングし、１対の穴部２０ｈ、２０ｉに調整ピン２７ａ、２７ｂを挿入して、ＬＤ−Ｉと同様に調整、固定する。ＬＤ−ＩＶ〜ＬＤ−ＶＩＩについても同様である。上記の方法では、ＬＤ−ＩＩＩ〜ＬＤ−ＶＩＩを調整、固定する際に固定ブロック２９を反時計回りに９０度回転させるが、固定ブロックを回転させずに、１対の穴部２０ｊ、２０ｋに調整ピン２７ａ、２７ｂを挿入しても同様の調整、固定が可能である。

ＬＤ−Ｉ〜ＬＤ−ＶＩＩの調整、固定が終了したら、光源モジュール２４は調整装置から降ろし、図１１に示すように７個のＬＤホルダ２０に対して接着剤２１ａと同じ種類の接着剤２１ｂをＬＤホルダ２０の外周側面である切り欠き部２０ｄ、２０ｅとベース１の底面１ｋとにまたがるように２点塗布し、７個のＬＤホルダ２０にまとめてＵＶ光を照射して硬化させる。このように、接着剤２１ｂをＬＤホルダ２０に対称に追加塗布、硬化させたため、接着剤２１ｂの硬化収縮によるＬＤホルダ２０の位置ズレが発生しなくなるとともに、ＬＤホルダ２０の接着強度を高めることができる。また、接着剤２１ａ、２１ｂは、ベース１とＬＤホルダ２０との当接面近傍で、ＬＤ１９が固定されたＬＤホルダ２０に対称に配置されているため、接着剤２１ａ、２１ｂの線膨張によるＬＤホルダ２０のずれ及びＬＤ１９の光軸位置ずれや光軸の傾きもほとんど発生しないように固定されている。ここで図２に示すようにＬＤホルダ２０のうちＬＤ−ＩＩＩ〜ＬＤ−ＶＩＩは段落ち部２０ｇが同じ方向を向くように配置されているが、ＬＤ−Ｉは９０度、ＬＤ−ＩＩは逆方向に９０度回転した向きで配置されているため、ＬＤ１９の偏光方向が一定でなく、光ファイバ１６に入射されるレーザ光の偏光方向が混ざるため、画像表示したときの映像の色むら（ユニフォミティ）を抑制できる。すなわち、ＬＤホルダ２０に対しては偏光方向を揃えて各ＬＤ１９を圧入し、ＬＤホルダ２０の一部の向きを変えてベース１に固定することにより、ＬＤ１９の偏光方向が混ざり、映像の色むらを抑制される。

鏡筒８が固定されたベース１と、ＬＤ１９が固定されたＬＤホルダ２０との当接面に沿ってレンズとＬＤ１９の光軸の位置を調整するため、調整作業を１ヶ所に集約できるとともに、部品寸法や光学特性のばらつきを吸収し、最適位置に調芯可能である。すなわち、ＬＤ１９が固定されたＬＤホルダ２０を、各光学部品（第１のコリメータレンズ２、第２のコリメータレンズ４、第１の集光レンズ９、第２の集光レンズ１１など）が固定されたベース１に対して当接面内で相対的に移動させることにより、１回の位置決め作業でＬＤ１９の光軸の位置を調整できる。また、ベース１の当接面とＬＤホルダ２０の側面とで接着するため、ＬＤホルダ２０やベース１が紫外線透過性を有していなくても確実な固定が可能となり、耐久性が向上する。さらに、ＬＤホルダ２０の下面２０ｆに設けられた位置調整用の凹部（穴部２０ｈ〜２０ｋ）に調整装置の調整ピン２７ａ、２７ｂを押し当てて位置調整を行うため、ミクロンオーダの位置調整を容易に行えるとともに、接着剤に調整冶具の影が入ることが無く、確実に紫外線を照射できる。

以上のようにして、ＬＤホルダ２０は接着時及び接着後のずれが発生しないように高い信頼性で接着硬化されるが、接着剤２１ａ、２１ｂは硬化する際にアクリレート系のモノマー（アクリル酸エステルのモノマー）をアウトガスとして発生させ、アウトガスはベース１とＬＤホルダ２０との当接面に形成される面粗さによる数ミクロンの隙間を介して小室２３の中に入り込み、ガス状となって存在している。この状態でＬＤ１９を点灯すると光子エネルギーによってアウトガスが重合し、微粒子となって周囲に付着する。この付着物は特に光子エネルギー密度が高いＬＤ１９の出射窓１９ｃや第１のコリメータレンズ２の表面にも付着し、ＬＤ１９から出射されるレーザ光の透過率が長時間かけて低下するという不具合を発生させる。これを避けるために、本実施の形態では、図１２に示すように、ベース１の底面１ｋ側を減圧装置３１に密着取り付けし、７ヶ所の小室２３の中に拡散しているアウトガスを貫通穴２２からまとめて吸引、除去している。以上のようにして接着剤硬化時に発生するアウトガスは光路上から取り除かれ、ＬＤ１９の光子エネルギーとの相互作用によって発生する汚れを抑制している。また、一般的にアクリル系ＵＶ硬化型接着剤は、熱によってもアウトガスを排出する。したがって、光源モジュール２４に熱処理を行うことによって、接着剤２１ａ、２１ｂからのアウトガス成分を出し切る。一例を挙げると、あるアクリル系ＵＶ硬化型接着剤は、６５℃、９時間の熱処理によって残存アウトガス量をＵＶ硬化のみに比べ１０％以下に減らすことができる。また、この際、接着剤２１ａ、２１ｂから発生したアウトガスがベース１とＬＤホルダ２０との当接面の隙間を介して小室２３の中に入り込むため、熱処理後に再び図１２に示すようにベース１の底面１ｋ側を減圧装置３１に密着取り付けし、７ヶ所の小室２３の中に拡散されているアウトガスを貫通穴２２からまとめて吸引、除去している。以上のようにしてアウトガスは光路上から取り除かれ、ＬＤ１９の光子エネルギーとの相互作用によって発生する汚れをより抑制し、ＬＤ１９から出射されるレーザ光の透過率低下を防いでいる。光源モジュール２４は以上のようにして調整、組立される。

ＬＤホルダ２０をベース１に固定するための接着剤２１として紫外線硬化型接着剤を用い、紫外線硬化後に熱処理を行って接着剤２１からアウトガスを発生させ、ベース１の段付き穴１ａ〜１ｇ及び第１のコリメータレンズ２とＬＤホルダ２０とＬＤ１９とによって構成される小室２３内のアウトガスを、貫通穴２２から吸引排気することにより、アウトガスの確実な除去と、経時的にアウトガスが発生することの防止とが可能である。

図１３〜図１５は、光源モジュール２４に給電手段としてのフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）３２、冷却手段としての放熱ユニット３６、光センサ等を組み付けた光源装置全体の構成を示す図であり、図１３は分解図、図１４は組立後の斜視図、図１５は図１４における１５−１５断面図である。ＬＤ１９に電流を給電するためのＦＰＣ３２は、耐光性や耐熱性に優れたポリイミドを材料とし、ＬＤホルダ２０の段落とし部２０ｇを通り、ＬＤ１９のアノード及びカソードである通電用リード１９ｂにはんだ付けされている。ＦＰＣ３２は、詳細を図１６〜図１８に示すように、ＬＤ１９に取り付けられる略円形のＬＤ取り付け部３２ａには穴が開いたはんだ付け用のランド３２ｂと先端には凸部３２ｃが形成され、凸部３２ｃがＬＤホルダ２０の内面穴２０ｌと弾性的に接触することにより、通電用リード１９ｂとはんだ付け用ランド３２ｂの穴も片側に押し付けられ（図１７、図１８参照）、ＬＤ取り付け部３２ａはＬＤ１９とはんだ付けする前でもＬＤホルダ２０から抜けずにガタつくこと無く固定されている。このような構成により、はんだ付けするＬＤ１９が複数ある場合でも、ＦＰＣ３２のＬＤ取り付け部３２ａはそれぞれ安定して固定されているため、容易な作業性と高い信頼性とを両立した確実なはんだ付けが可能となっている。また、貫通穴２２は、ＦＰＣ３２の凸部３２ｃで塞がれるため、はんだ付け時のフラックスの飛散やその煙などが小室２３に入り込みにくくなり、ＬＤ１９の出射窓１９ｃや第１のコリメータレンズ２の表面に汚れが付着することを防止できる。また、ＬＤ１９から出射された光の散乱光が貫通穴２２から漏れ出すことも防止できるため、漏れ出した散乱光によって周辺に配置された部品から汚れの原因となる物質が発生することを抑制できる。

熱伝導シート３３は、厚さが０．５ｍｍで弾性を備えたシリコン系の材料で形成されている。ペルチェモジュール３４は、ペルチェ素子を備えており、ペルチェ素子に電流を流すことによって表面温度を制御可能である。熱伝導シート３５は、熱伝導シート３３と同様である。放熱ユニット３６は、ヒートブロック３６ａ、ヒートパイプ３６ｂ、フィン３６ｃから構成されている。ペルチェカバー３７は、スペーサ１７と同様にガラスファイバ入りのポリカーボネイトの成型物であり、ベース１とペルチェモジュール３４とヒートブロック３６ａとの位置決めができるように設計されている。４本の固定ネジ３８は、ベース１側からペルチェカバー３７を介し、ヒートブロック３６ａに均一に締め付けられる。固定ネジ３８がヒートブロック３６ａに締め付けられることによって熱伝導シート３３及び熱伝導シート３５が弾性変形し、ＬＤホルダ２０、熱伝導シート３３、ペルチェモジュール３４、熱伝導シート３５及びヒートブロック３６ａが密着固定される。また、ペルチェカバー３７は、固定ネジ３８を締め付けた状態において、ベース１に固定されているスペーサ１７とヒートブロック３６ａとに接触するような高さに構成されており、ベース１とヒートブロック３６ａとはこれ以上近づけないようになっているため、固定ネジ３８の過度の締め付けや、外部からの振動や衝撃によってペルチェモジュール３４に過大な力が加わって破損することを防止できる。

また、プラスチック製のペルチェカバー３７を介して導電性を有する固定ネジ３８でヒートブロック３６ａをベース１に固定することにより、ペルチェモジュール３４が冷却する部分の熱容量が小さくなり、ＬＤ１９の効率的な冷却が可能となる。すなわち、ＬＤ１９の冷却のために必要なエネルギーを低減できる。また、ＬＤ１９の長寿命化を実現できる。

光センサモジュール３９は、光センサが固定されており、鏡筒８の側面に設けられた穴８ｂから漏れてきたレーザ光を検出できるようにセンサホルダ４０を介し、鏡筒８にネジ４１によって固定されている。穴８ｂの位置及び径は、光センサが飽和しないように設計されている。

光源装置の動作について説明する。まず、ＬＤ１９を発光させる時は、ＦＰＣ３２を外部の制御基板に各ＬＤ１９が直列に接続された状態で、所要の電流を通電させる。このとき、ＬＤ１９は発熱するため、ベース１に固定された不図示のサーミスタの温度情報に基づき、ＬＤホルダ２０と熱伝導シート３３とを介してペルチェモジュール３４で所要の温度となるように冷却する。鏡筒８はスペーサ１７によってベース１とは熱的に分離されるため、温度調整をする範囲の熱容量が必要以上に大きくならず、効率的な温度調整が可能である。また、ペルチェモジュール３４の駆動時に熱伝導シート３３とは反対側の面で発生する熱は、熱伝導シート３５を介してヒートブロック３６ａへと伝わり、さらにヒートパイプ３６ｂを介してフィン３６ｃへと伝わって、空気中に放熱される。光センサモジュール３９は、ＬＤ１９が発光しているときに鏡筒８の内面で反射して穴８ｂから漏れてきたレーザ光を検出することができ、光ファイバ１６から出射されているレーザパワーと比較することにより、光ファイバ１６に折れや劣化などの異常が無いかを監視し、異常があった場合にはＬＤ１９に給電している電流を遮断する非常停止処理に使われる。以上のようにＬＤ１９は所要の温度、所要の電流で駆動され、光ファイバ１６から正常にパワーが出射していることを監視しながら動作する。

本実施の形態にかかる光源装置は、ＬＤ１９の通電用リード１９ｂとＦＰＣ３２とを、ＬＤホルダ２０の内面穴２０ｌの中ではんだ付けし、ＬＤホルダ２０の下面２０ｆに熱伝導シート３３を介してペルチェモジュール３４を密着配置したことにより、小さいスペースでＦＰＣ３２の接続ができるとともに、ＬＤ１９を気密封止することなく容易かつ効率的にＬＤ１９の冷却が可能である。

また、ＬＤ１９が固定されるＬＤホルダ２０に外気と繋がる貫通穴を設け、ＬＤホルダの位置調整及び接着固定を行うことによりレーザ光を合成して光ファイバに集光するようにしたため、安価でありながら生産性、信頼性が高い。

実施の形態２．
図１９〜図２１は、本発明にかかる光源装置の実施の形態２の主要部分の構成を示す図であり、図１９は分解図、図２０は組立図、図２１は図２０における２１−２１断面図である。図示する部分は、実施の形態１におけるベース１、コリメータレンズ群、板バネ５、拘束板６、ネジ７、ＬＤ１９及びＬＤホルダ２０の部分に相当する構成であり、実施の形態１と同等の部材には同一の符号をしている。本実施の形態では、一つのベースホルダ５０の圧入穴５０ｍに対して六つのＬＤ１９が、通電用リード１９ｂ側から圧入固定されている。ユニフォミティを抑制するために、光軸回転方向が９０度異なる状態で三つずつＬＤ１９を配置することで、ＬＤ１９の偏光方向が均一に揃わないようにしている。ベースホルダ５０には、６個のＬＤ１９に対応して、それぞれ６個の第１のコリメータレンズ２、第１の間座３、及び第２のコリメータレンズ４が嵌め込まれ、これらのコリメータレンズ群は、１枚の板バネ５と１枚の拘束板６とを複数のネジ７で偏りなく固定することによって、振動、衝撃が加わってもずれが発生しないようにかつ高精度にベースホルダ５０に固定されている。

ベースホルダ５０の裏面５０ｆには、６個のＬＤ１９に対応して通電用リード１９ｂが配置される内面穴５０ｌと、ＦＰＣ３２が通る溝部５０ｇが形成されている。通電用リード１９ｂの先端及びＦＰＣ３２は、ベースホルダ５０の裏面５０ｆから出っ張らないように構成されている。また、図２２に示すように、ＦＰＣ３２のＬＤ１９に取り付けられる略円形のＬＤ取り付け部３２ａには、穴が開いたはんだ付け用のランド３２ｂと先端には凸部３２ｃが形成され、凸部３２ｃがベースホルダ５０の内面穴５０ｌと弾性的に接触することにより、通電用リード１９ｂとはんだ付け用ランド３２ｂの穴も片側に押し付けられ、ＬＤ取り付け部３２ａはＬＤ１９とはんだ付けする前でもベースホルダ５０から抜けずにガタつくこと無く固定されている。このような構成により、はんだ付けするＬＤ１９が複数ある場合でも、ＦＰＣ３２のＬＤ取り付け部３２ａはそれぞれ安定して固定されているため、容易な作業性と高い信頼性とを両立した確実なはんだ付けが可能となっている。サーミスタ４２は、ベースホルダ５０の温度を測定するためのサーミスタであり、ベースホルダ５０の裏面５０ｆに形成された凹部に裏面５０ｆから出っ張らないようにネジ４３によって固定され、ＦＰＣ３２にはんだ付けされている。ＦＰＣ３２の端部にはＬＤ１９及びサーミスタ４２と外部基板との接続を行うコネクタ４４がはんだ付けされ、ネジ４５によってベースホルダ５０の側面に位置決め固定されている。

図２３は、集光レンズ、冷却ユニット４６を組み立てた後での光源装置の断面図である。ベースホルダ５０の裏面５０ｆには熱伝導シート３３を介してチラーやペルチェモジュールによって温度調節が可能な冷却ユニット４６がネジによって密着配置され、ＬＤ１９の冷却を行う構成となっている。また、集光レンズ９が固定された鏡筒８は、冷却ユニット４６、鏡筒８に比べて十分に熱伝導率が低いガラスファイバ入りのポリカーボネイトの成型品であるスペーサ１７を介して、冷却ユニット４６へ導電性を有するネジ３８によって締結されている。このような構成により、冷却ユニット４６にはベースホルダ５０からは熱が伝わりやすいが鏡筒８からは熱が伝わりにくくなっており（換言すると、冷却ユニット４６が冷却する部分の熱容量が小さくなっており）、ＬＤ１９の効率的な冷却が可能となっている。すなわち、ＬＤ１９の冷却のために必要なエネルギーを低減できるともに、ＬＤ１９の長寿命化を実現できる。

金属製の鏡筒８をプラスチック製のスペーサ１７を介して導電性を有する固定ネジ３８で冷却ユニット４６に固定することにより、ＬＤ１９のグランドは、ベースホルダ５０及び固定ネジ３８を介して鏡筒８と電気的に接続され、ＬＤ１９を高周波でパルス駆動する際の不要輻射の発生を抑制できる。なお、実施の形態１と同様に、プラスチック製のスペーサ１７を介して鏡筒８を導電性を有するネジでベースホルダ５０に固定しても良い。

ＬＤ１９の通電用リード１９ｂとＦＰＣ３２とを、ベースホルダ５０の内面穴５０ｌの中ではんだ付けし、ベースホルダ５０の裏面５０ｆに冷却ユニット４６を密着配置したことにより、小さいスペースでＦＰＣ３２の接続ができるとともに、ＬＤ１９を気密封止することなく容易かつ効率的にＬＤ１９の冷却が可能である。

実施の形態１は、レーザ光を直径４００μｍの光ファイバの端に集光させるため、ＬＤとコリメータレンズとの光軸位置の調整を行う構成であったが、端部の面積の大きいロッド５６に集光させる場合は、本実施の形態のように、ＬＤとコリメータレンズは機械精度で組み立てることも可能である。このような構成であっても、組立性良くかつ半導体レーザを効率的に冷却できる光源装置を実現できる。

本発明にかかる光源装置は、レーザテレビなどのリアプロジェクタ装置及びフロント投射型プロジェクタ装置などの映像装置の光源として有用である。

１ベース
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ段付き穴
１ｈ、１ｉ、１９ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ切り欠き部
１ｊ、２０ａ上面
１ｋ底面
２第１のコリメータレンズ
３第１の間座
４第２のコリメータレンズ
５板バネ
６拘束板
７、１５、１８、４１、４３、４５ネジ
８鏡筒
９第１の集光レンズ
１０第２の間座
１１第２の集光レンズ
１２ネジリング
１３止めネジ
１４レセプタクル
１６光ファイバ
１７スペーサ
１９ＬＤ
１９ｂ通電用リード
１９ｃ出射窓
１９ｄ発光点
２０ＬＤホルダ
２０ｆ下面
２０ｇ段落とし部
２０ｈ、２０ｉ、２０ｊ、２０ｋ穴部
２０ｌ、５０ｌ内面穴
２０ｍ、５０ｍ圧入穴
２１ａ、２１ｂ接着剤
２２貫通穴
２３小室
２４光源モジュール
２５ａ発散光
２５ｂ平行光
２５ｃ集光点
２６可動ブロック
２７ａ、２７ｂ調整ピン
２８ａ、２８ｂＵＶファイバ
２９固定ブロック
３０光パワーメータ
３１減圧装置
３２フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）
３３、３５熱伝導シート
３４ペルチェモジュール
３６放熱ユニット
３６ａヒートブロック
３６ｂヒートパイプ
３６ｃフィン
３７ペルチェカバー
３８固定ネジ
３９光センサモジュール
４０センサホルダ
４２サーミスタ
４４コネクタ
４６冷却ユニット
５０ベースホルダ
５０ｆ裏面
５０ｇ溝部
５６ロッド

Claims

半導体レーザがステムの一方側に配され、該半導体レーザの駆動用の電力を受電する受電端子が前記ステムの他方側に配された複数のレーザモジュールを有し、該複数のレーザモジュールから発せられたレーザ光を集光して出射させる光源装置であって、
前記複数のレーザモジュールが夫々嵌め込まれて収容される複数の取付穴を有するモジュール固定体と、
基部と、該基部から分岐した複数の枝部と、該複数の枝部の各々の先端から延在し、前記複数の取付穴に収容された各レーザモジュールの前記受電端子に接続される複数の給電端子部とを有する給電部材と、
前記モジュール固定体の一端面に密着配置されて各半導体レーザを冷却する冷却部材と、
を備え、
前記複数の取付穴に各々嵌め込まれた前記複数のレーザモジュールは、前記受電端子が前記モジュール固定体から突出しない状態で前記モジュール固定体に収容されており、
前記冷却部材が配される前記モジュール固定体の前記一端面に、前記複数の取付穴の各々と繋がる複数の溝部が形成され、
前記給電部材の複数の枝部は、前記複数の溝部に各々収容されており、
前記冷却部材は、前記モジュール固定体の前記一端面との当接面に前記複数の枝部を収容する溝部が形成されていないことを特徴とする光源装置。
前記各給電端子部には凸部が形成され、該凸部を前記各取付穴の内周面で変形させて、前記各給電端子部を前記各取付穴に固定させることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
前記冷却部材は、吸熱側が前記モジュール固定体に当接されるペルチェモジュールと、該ペルチェモジュールの発熱側に配置されたヒートブロックと、を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の光源装置。
前記モジュール固定体は、
前記取付穴を有する筒形状の複数のホルダと、
前記ホルダに固定された複数のレーザモジュールからのレーザ光が通過するための複数の貫通穴を有し、前記複数のホルダの各々が前記モジュール固定体の前記一端面をなす側に突出し、かつ前記複数の貫通穴と前記複数の取付穴とが各々接続されるように固定される平板状のベースと、
を備え、
前記複数の溝は、前記複数のホルダの各々の前記ベースに固定される面と反対側の面に形成されており、
前記給電部材の前記枝部の各々は、先端側の一部分のみが前記複数の溝部に収容され、前記枝部の前記一部分以外の部分は、前記ベースと前記冷却部材との間に形成される隙間に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の光源装置。
前記各貫通穴から出射された複数のレーザ光をまとめて集光する集光レンズを保持し、前記ベースに固定される筒状のレンズ保持体と、
前記ベースと前記レンズ保持体との間に介在し、前記レンズ保持体よりも熱伝導率が低いスペーサと、
をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
前記各貫通穴から出射された複数のレーザ光をまとめて集光する集光レンズを保持し、前記冷却部材に固定される筒状のレンズ保持体と、
前記冷却部材と前記レンズ保持体との間に介在し、前記レンズ保持体よりも熱伝導率が低いスペーサと、
をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
前記モジュール固定体は、一体成形されており、
前記複数の溝部は前記給電部材の枝部と略同じ形状であり、かつ前記複数の溝部の前記複数の取付穴の反対側は、合流して前記給電部材の基部の外形と略同じ形状となっており、
前記給電部材は、前記基部及び前記複数の枝部が前記複数の溝部に収容されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の光源装置。
前記各取付穴から出射された複数のレーザ光をまとめて集光する集光レンズを保持し、前記冷却部材に固定される筒状のレンズ保持体と、
前記冷却部材と前記レンズ保持体との間に介在し、前記レンズ保持体よりも熱伝導率が低いスペーサと、
をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の光源装置。
前記各取付穴から出射された複数のレーザ光をまとめて集光する集光レンズを保持し、前記モジュール固定体に固定される筒状のレンズ保持体と、
前記モジュール固定体と前記レンズ保持体との間に介在し、前記レンズ保持体よりも熱伝導率が低いスペーサと、
をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の光源装置。