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JP7244745B2 - 発光装置、及び、光学装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光装置、及び、発光装置を有する光学装置に関する。
特許文献１には、半導体レーザ素子を基板とキャップによって気密封止し、半導体レーザ素子からの光が通る領域に透光性部材を設けた半導体レーザ装置が開示されている。また、特許文献２に開示される液晶プロジェクターのように、光源から出射される光を利用する際に、その光の偏光特性が考慮される光学装置がある。
特開２０１２－９４７２８ 特開２０１９－３２０９
本発明は、偏光比の良好な発光装置を実現することを課題とする。
本明細書により開示される発光装置は、半導体レーザ素子と、少なくとも前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が下面から上面へと透過する領域がサファイアで構成される透光性部材と、を有し、前記透光性部材は、前記レーザ光が入射する入射面がサファイアのｃ軸に平行な平面であり、かつ、上面視で前記入射面に入射する前記レーザ光の偏光方向がサファイアのｃ軸と平行または垂直となる向きで設けられる。
また、本明細書により開示される発光装置は、半導体レーザ素子と、少なくとも前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が下面から上面へと透過する領域がサファイアで構成される透光性部材と、を有し、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、ファーフィールドパターンが楕円形状であり、前記透光性部材は、前記レーザ光が入射する入射面がサファイアのｃ軸に平行な平面であり、かつ、上面視で前記レーザ光の楕円形状の長径方向に対応する方向がサファイアのｃ軸と平行または垂直となる向きで設けられる。
また、本明細書により開示される発光装置は、半導体レーザ素子と、コリメートレンズと、少なくとも前記半導体レーザ素子から出射され、前記コリメートレンズによってコリメートされたレーザ光が透過する領域がサファイアで構成される透光性部材と、を有し、前記透光性部材は、前記レーザ光が入射する入射面がサファイアのｃ面である。
また、本明細書により開示される光学装置は、本明細書により開示される発光装置と、前記発光装置から出射された光が入射する偏光素子と、前記発光装置から出射され、前記偏光素子を介した光が入射する液晶パネルと、前記発光装置から出射された光に基づいて作成された投影画像を投影させる投影レンズと、を有する。
本開示によれば、偏光比の良好な発光装置を実現することができる。
図１は、実施形態に係る発光装置の斜視図である。 図２は、実施形態に係る発光装置の構成要素を説明するための斜視図である。 図３は、実施形態に係る発光装置の上面図である。 図４は、実施形態に係る発光装置の構成要素を説明するための上面図である。 図５は、図３のV-V線における実施形態に係る発光装置の断面図である。 図６は、図５の断面図に基づき、実施形態に係る発光装置の光の出射領域を示す断面図である。 図７は、実施形態に係る発光装置の透光性部材における光の出射領域を示す上面図である。 図８は、実施形態に係る発光装置のレンズ部材における光の出射領域を示す上面図である。 図９は、サファイアの透光性部材の平面方向の角度を変えて偏光比を測定した実験データである。 図１０は、サファイアの透光性部材の平面方向の角度を変えて偏光比を測定した実験データである。 図１１は、サファイアの透光性部材の平面方向の角度を変えて偏光比を測定した実験データである。 図１２は、図９乃至図１１の実験条件の模式図である。 図１３は、サファイアの透光性部材の高さ方向の角度を変えて偏光比を測定した実験データである。 図１４は、サファイアの透光性部材の高さ方向の角度を変えて偏光比を測定した実験データである。 図１５は、サファイアの透光性部材の高さ方向の角度を変えて偏光比を測定した実験データである。 図１６は、図１２乃至図１５の実験条件の模式図である。 図１７は、サファイアの透光性部材の厚みを変えて偏光比を測定した実験データである。 図１８は、別の実施形態に係る発光装置の断面図である。 図１９は、実施形態に係る発光装置が搭載された液晶プロジェクターの模式図である。
本明細書または特許請求の範囲において、三角形や四角形などの多角形に関しては、多角形の隅に角丸め、面取り、角取り、丸取り等の加工が施された形状も含めて、多角形と呼ぶものとする。また、隅（辺の端）に限らず、辺の中間部分に加工が施された形状も同様に、多角形と呼ぶものとする。つまり、多角形をベースにして加工が施された形状は、本明細書及び特許請求の範囲で記載される“多角形”の解釈に含まれるものとする。
また、多角形に限らず、台形や円形や凹凸など、特定の形状を表す言葉についても同様である。また、その形状を形成する各辺を扱う場合も同様である。つまり、ある辺において、隅や中間部分に加工が施されていたとしても、“辺”の解釈は加工された部分も含む。なお、意図的な加工が加えられていない“多角形”や“辺”を、加工された形状と区別する場合は“厳密な”を付して、例えば、“厳密な四角形”などと記載するものとする。
また、本明細書または特許請求の範囲において、ある構成要素に関し、これに該当するものが複数あり、それぞれを区別して表現する場合に、その構成要素の頭に“第１”、“第２”と付記して区別することがある。このとき、本明細書と特許請求の範囲とで区別する対象や観点が異なっていれば、本明細書における付記の態様と、特許請求の範囲における付記の態様と、が一致しないことがある。
以下に、図面を参照しながら、本明を実施するための形態を説明する。ただし、示される形態は、本発明の技術思想が具体化されたものではあるが、本発明を限定するものではない。また、以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略することがある。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。
＜実施形態＞
図１は、実施形態に係る発光装置１の斜視図である。図２は、発光装置１における半導体レーザ素子２０などの構成要素の配置を示すために、一部の構成要素が省略された斜視図である。図２において、透光性部材６０を波線で記し、透過図としている。図３は、発光装置１の上面図である。図４は、図２の斜視図に対応する上面図である。図５は、図３のV-V線における発光装置１の断面図である。図６は、図５の断面図に基づき、半導体レーザ素子２０から出射された光の出射領域を示す断面図である。図６において、図５で発光装置１の構成要素に記したハッチングは除き、光の出射領域を矢印とハッチングで表している。図７は、発光装置１のレンズ部材７０における光の出射領域を示す上面図である。図８は、発光装置１の透光性部材６０における光の出射領域を示した上面図である。図７及び図８において、主要部分の光の出射領域を波線で囲まれたハッチング領域で表している。
発光装置１は、構成要素として、基部１０、４つの半導体レーザ素子２０、４つのサブマウント３０、４つの光反射部材４０、４つの保護素子５０、透光性部材６０、及びレンズ部材７０を有する。また、透光性部材６０とレンズ部材７０の間に接着剤による接着部８０が形成される。
基部１０は、上面視で外形が矩形であり、外形の内側において凹形状を形成する。この凹形状は、上面から下面の方向に向かって窪んだ凹部を有する。また、基部１０は、上面、底面、下面、内側面、及び、外側面を有する。上面視で、上面が枠を形成し、枠の内側に凹部が形成される。また、基部１０は、凹部において段差部１３を形成し、そのため、段差部１３を構成する段差上面及び段差側面を有する。
上面は、内側面及び外側面と交わり、下面は外側面と交わる。上面視で、内側面は矩形の形状を形成する。また、この矩形の各辺に対応した４つの側面で構成される。底面は、下面よりも上方かつ上面よりも下方で、凹部の底となる上面を形成する。
段差部１３は、内側面を構成する４つの側面のうちの対向する２つの側面の全長に亘って設けられる。残りの２つの側面は、交差部分を除いて段差部１３はない。なお、交差部分とは側面と側面とが交わる端の部分である。
ここで、前者の２つの側面を第１側面１４、後者の２つの側面を第２側面１５と呼ぶものとする。また、それぞれ上面視で、第１側面１４に平行な方向を第１方向Ｘ、第２側面１５に平行な方向を第２方向Ｙと呼ぶものとする（図４参照）。基部１０の外形は、第１方向Ｘよりも第２方向Ｙの方が長い矩形である。また、発光装置１において、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙを平面方向、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに垂直な方向を高さ方向、と呼ぶものとする。
段差部１３が形成される領域では、段差側面が底面と交わり、段差上面が内側面と交わる。段差部１３が形成されない領域では、底面と内側面とが交わる。なお、段差部１３を設ける領域はこれに限らない。１つの側面にのみ設けてもよく、また、３つ以上の側面に設けてもよい。
基部１０は、底面を含む底部１２と、内側面や段差部１３を含み底部１２または底面を囲う枠を形成する枠部１１と、を有し、底部１２と枠部１１とを接合することで形成される。また、底部１２と枠部１１とは、異なる主材料によって形成される。例えば、枠部１１にはセラミックを主材料に用い、底部１２にはセラミックよりも熱伝導率の高い金属を主材料に用いて、基部１０を形成できる。
セラミックとしては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化ケイ素を用いることができる。金属としては、例えば、銅、アルミニウム、鉄、複合物として銅モリブデン、銅タングステン、銅－ダイヤモンドを用いることができる。
なお、基部１０は、底部１２と枠部１１とに分かれたパーツを用いて形成されなくてもよい。例えば、セラミックを主材料とした１つの部材によって基部１０を形成してもよい。なお、セラミックに限らず金属で形成してもよい。
基部１０の下面と段差上面にはそれぞれ金属膜が設けられる。また、下面側の金属膜と、段差上面側の金属膜とは、基部１０の内部を通る金属で繋がっており、電気的に接続することができる。なお、金属膜は、基部１０の別の領域に設けられてもよい。例えば、段差上面に代えて底面に、下面に代えて基部１０の上面や外側面に設けられてもよい。
半導体レーザ素子２０は、上面視で長方形の外形を有する。また、長方形の２つの短辺のうちの一辺と交わる側面が、半導体レーザ素子２０から放射される光の出射端面となる。また、半導体レーザ素子２０の上面及び下面は、出射端面よりも面積が大きい。
半導体レーザ素子から放射される光（レーザ光）は拡がりを有し、光の出射端面と平行な面において楕円形状のファーフィールドパターン（以下「ＦＦＰ」という。）を形成する。なお、ＦＦＰとは、出射端面から離れた位置における出射光の形状や光強度分布のことである。この光強度分布において、ピーク強度値に対して１／ｅ２以上の強度を有する光を、主要部分の光と呼ぶものとする。
楕円形状のＦＦＰは、半導体レーザ素子における活性層を含む複数の半導体層の層方向よりも、それに垂直な積層方向の方が長い楕円である。なお、層方向（楕円形状の短径方向）をＦＦＰの水平方向、積層方向（楕円形状の長径方向）をＦＦＰの垂直方向というものとする。
また、ＦＦＰの光強度分布に基づき、光強度分布の半値全幅に相当する角度を、その半導体レーザ素子の光の拡がり角とする。ＦＦＰの垂直方向における光の拡がり角を垂直方向の拡がり角、ＦＦＰの水平方向における光の拡がり角を水平方向の拡がり角というものとする。
半導体レーザ素子２０には、例えば、青色の光を放射する半導体レーザ素子を採用することができる。また、これ以外にも、緑色の光や赤色の光、あるいは、その他の色の光を放射する半導体レーザ素子を採用してもよい。
ここで、青色の光は、その発光ピーク波長が４２０ｎｍ～４９４ｎｍの範囲内にある光をいうものとする。緑色の光は、その発光ピーク波長が４９５ｎｍ～５７０ｎｍの範囲内にある光をいうものとする。赤色の光は、その発光ピーク波長が６０５ｎｍ～７５０ｎｍの範囲内にある光をいうものとする。
青色の光を発する半導体レーザ素子としては、例えば、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子が挙げられる。また、窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＧａＮを用いることができる。
サブマウント３０は、直方体の平板形状で形成され、上面と、下面と、側面とを有する。また、サブマウント３０は上下方向の幅が最も小さい。なお、形状は直方体に限らなくてよい。サブマウント３０は、例えば、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、又は炭化ケイ素を用いて形成される。また、これに限らず他の材料を用いることも出来る。
光反射部材４０は、光を反射する光反射面を有する。また、光反射面は、下面に対して傾斜している。つまり、光反射面は、下面からみて垂直でも平行でもない。例えば、光反射面として、下面に対して４５度の傾斜角を成す平面（傾斜面）が設けられる。なお、光反射面は曲面であってもよい。
光反射部材４０は、その外形を形成する主材料に、ガラスや金属などを用いることができる。主材料は熱に強い材料がよく、例えば、石英若しくはＢＫ７（硼珪酸ガラス）等のガラス、アルミニウム等の金属、又はＳｉを用いることができる。
また、光反射面は、反射させるレーザ光のピーク波長に対する光反射率を９９％以上とすることができる。このような光反射面は、例えば、Ａｇ、Ａｌ等の金属やＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２等の誘電体多層膜を用いて形成することができる。なお、光反射率は１００％を超えない値である。
保護素子５０は、特定の素子（例えば半導体レーザ素子２０）に過剰な電流が流れて破壊されるのを防ぐ。保護素子５０としては、例えば、Ｓｉで形成されたツェナーダイオードを用いることができる。
透光性部材６０は、直方体の平板形状で形成され、上面と、下面と、側面とを有する。また、透光性部材６０は上下方向の幅が最も小さい。ここで、透光性とは、光に対する透過率が８０％以上であることとする。なお、形状は直方体に限らなくてよい。また、一部に非透光性の領域を有していてもよい。
透光性部材６０は、サファイアを主材料に用いて形成される。また、透光性を有する部分は、サファイアで構成される。サファイアは、比較的屈折率が高く、比較的強度も高い材料である。また、透光性部材６０にはアンドープのものが用いられる。
また、透光性部材６０の下面または上面は、サファイアの面方位におけるｃ軸と平行な面となっている。具体的には、ａ面となっている。なお、ｍ面であってもよい。またあるいは、透光性部材６０の下面または上面は、サファイアの面方位におけるｃ面となっている。
透光性部材６０は、上面から下面までの幅（厚み）が、０．２ｍｍ以上から１．０ｍｍ以下の範囲で形成することができ、好ましくは０．３ｍｍ以上から０．６ｍｍ以下の範囲で形成されるとよい。また、上面または下面の面積が、２．０ｍｍ２から１００ｍｍ２で形成することができ、好ましくは９．０ｍｍ２から５０ｍｍ２で形成されるとよい。これにより、発光装置１としての十分な強度を保ちつつ、小型化にも寄与できる。なお、透光性部材６０の大きさはこの範囲に限らなくてもよい。
接着部８０は、接着剤を硬化させて形成される。接着部８０を形成する接着剤としては、紫外線硬化型の樹脂を用いることができる。紫外線硬化型の樹脂は加熱せずに比較的短い時間で硬化することができる。
レンズ部材７０は、平板の上面にレンズが配された形状で形成され、上面と、下面と、側面とを有する。そのため、下面は平面であるが、上面は、側面と交わり下面と平行な平面領域７１と、レンズ面を形成するレンズ領域７２を有する。レンズ領域７２は、平面領域７１に囲まれており、この平面に対して上方に、レンズ形状が形成される。
レンズ領域７２では、複数のレンズが一方向に連なった形状が形成される。具体的には、４つのレンズが、上面視で１つの側面方向に連結している。レンズ部材７０では、上面視で、この側面方向（連結方向Ｐ）の幅がこれに垂直な方向の幅よりも大きい（図３参照）。また、上面視で４つ全てのレンズと交わる直線方向の幅が、これに垂直な直線方向の幅よりも大きい。
また、平面領域７１において、側面と交わる位置からレンズ領域７２に到達するまでの最短距離（幅）は、連結方向Ｐにおける幅Ｗ１の方が、これに垂直な方向における幅Ｗ２よりも大きい（図３参照）。少なくとも、連結方向Ｐに平行な２つの側面のうちの一方の側面においてこの関係が満たされるのが、発光装置１の小型化の観点から好ましい。レンズ部材７０には、例えば、ＢＫ７等のガラスを用いることができる。
次に、これらの構成要素を用いて製造される発光装置１について説明する。
まず、半導体レーザ素子２０及び保護素子５０が、サブマウント３０に配置される。１つのサブマウント３０に対して、１つの半導体レーザ素子２０と１つの保護素子５０とが配置される。従って、４つの半導体レーザ素子２０に対して４つのサブマウント３０が用意される。
なお、１つのサブマウント３０に複数の半導体レーザ素子２０または複数の保護素子５０を配置してもよい。また、保護素子５０は、サブマウント３０以外のところに設けられてもよい。また、発光装置１において保護素子５０は設けなくてもよい。
サブマウント３０の上面には金属膜が設けられ、この金属膜の上に半導体レーザ素子２０及び保護素子５０は配置され接合される。半導体レーザ素子２０は、出射端面が、サブマウント３０の側面と揃うか、あるいは、側面から突出するように、所定の位置でその下面を接合させる。このように配置することで、半導体レーザ素子２０から出射された光がサブマウント３０の上面に照射されることを回避できる。
なお、突出する場合は、側面から僅かな距離だけ離すとよい。距離が空きすぎると接合が不安定になるためである。例えば、０．０５ｍｍ以下とするとよい。またあるいは、光がサブマウント３０の上面に照射されない位置で、出射端面がサブマウント３０の側面の内側にくるように配置してもよい。
サブマウント３０は、半導体レーザ素子２０から発生した熱を逃がす役割を果たすことができる。具体的には、半導体レーザ素子２０よりも熱伝導率の良い材料でサブマウント３０を形成すればよい。従って、この役割を果たす場合は、サブマウント３０を放熱部材として捉えることができる。
また、放熱性の観点でみれば、サブマウント３０には、その熱伝導率が基部１０の底面よりも高いものを用いるとよい。例えば、基部１０の底面が窒化アルミニウムである場合、サブマウント３０に炭化ケイ素を用いるとよい。
また、サブマウント３０は、半導体レーザ素子２０の光の出射位置を調整する役割を果たすことができる。他の構成要素の配置位置に基づいて光の出射位置を決める場合に、サブマウント３０の厚みを所定の値にし、その上に半導体レーザ素子２０を配置する。例えば、発光装置１では光反射部材４０との位置関係から出射位置が決定される。この役割を果たす場合は、サブマウント３０を調整部材として捉えることができる。
次に、サブマウント３０が、基部１０の底面に配置される。つまり、半導体レーザ素子２０または保護素子５０が、基部１０の底面側に配置される。４つのサブマウント３０は、それぞれにおける半導体レーザ素子２０の出射端面が、同じ平面上にくるように並んで配置される。なお、出射端面を同じ平面上に揃えずに、個々に配置位置を調整してもよい。
４つのサブマウント３０は、対向する第１側面１４、または、対向する段差部１３を挟んで並べられる。また、４つのサブマウント３０は、第２方向Ｙに並んで配置される。また、配置された半導体レーザ素子２０から出射された光は、対向する第２側面１５のうちの一方の第２側面１５がある方向へ、または、第１方向Ｘへと向かって進む。
４つの半導体レーザ素子２０の間で、出射された光のＦＦＰの垂直方向同士、及び、水平方向同士は同じである。ここでの同じは、３度以内の差を含む。また、半導体レーザ素子２０から出射された光軸を通る光は第１方向Ｘに進む。また、楕円形状のＦＦＰの長径を構成する光は、底面と垂直な方向の直線上に写像され、ＦＦＰの短径を構成する光は、第２方向Ｙの直線上に写像される。
ここで、ＦＦＰの長径を構成する光が写像される直線の方向を、ＦＦＰの垂直方向に対応する方向Ｍ、ＦＦＰの短径を構成する光が写像される直線の方向を、ＦＦＰの水平方向に対応する方向Ｎ、というものとする。従って、半導体レーザ素子２０から出射された光のＦＦＰの垂直方向が底面と垂直な方向に対応し、水平方向が第２方向Ｙに対応するといえる。
次に、光反射部材４０が、基部１０の底面に配置される。１つのサブマウント３０、または、１つの半導体レーザ素子２０に対して、１つの光反射部材４０が配置される。なお、複数のサブマウント３０、または、複数の半導体レーザ素子２０に対して、１つの光反射部材４０を配してもよい。
光反射部材４０は、半導体レーザ素子２０から放射された光の主要部分が、光反射面に照射されるように配置される。従って、半導体レーザ素子２０から出射された光の進行方向に光反射部材４０があり、光反射面が設けられる。また、４つの光反射部材４０は、それぞれの光反射面が、同じ平面上にくるように配置される。なお、同じ平面上に揃えなくてもよい。
４つの光反射部材４０は、対向する第１側面１４、または、対向する段差部１３を挟んで並べられる。また、４つの光反射部材４０は、第２方向Ｙに並んで配置される。また、４つの光反射部材４０は、半導体レーザ素子２０と、半導体レーザ素子２０から出射された光の進む先にある第２側面１５との間に配置される。
また、光反射部材４０は、サブマウント３０または半導体レーザ素子２０から所定の距離をあけて配置される。従って、１つの半導体レーザ素子２０と、その半導体レーザ素子２０から出射された光の主要部分が照射される１つの光反射部材４０を１組の光出射ユニットとすると、４つの光出射ユニット間で、サブマウント３０と光反射部材４０の距離、または、半導体レーザ素子２０と光反射部材４０の距離は、一定である。
発光装置１では、光軸を進む光は、サブマウント３０の上面と平行な方向に進み、光反射面によって反射され、底面から垂直に、上方へと進行する。また、図７に示すように、光反射面に反射されることで、ＦＦＰの垂直方向に対応する方向Ｍは、底面と垂直な方向から第１方向Ｘに変わる。ＦＦＰの水平方向に対応する方向Ｎは、光反射面による反射の前後で変わらず、第２方向Ｙである。
次に、半導体レーザ素子２０及び保護素子５０を電気的に接続するために配線が接合される。配線により、半導体レーザ素子２０及び保護素子５０は、段差上面に設けられた金属膜と電気的に接続することができる。従って、基部１０の下面に設けられた金属膜を介して、外部からの電源供給を受けることができる。
次に、透光性部材６０が、基部１０の上面に配置される。また、透光性部材６０の下面と、基部１０の上面とが接合される。透光性部材６０の下面において、外縁の近傍に基部１０との接合のための金属膜が設けられ、Ａｕ－Ｓｎ等を介して基部１０に固定される。
また、透光性部材６０は、上面視で基部１０の外側面の近傍にまで達する大きさを有する。具体的には、例えば、基部１０の上面における外側面から内側面までの幅の７０％以上が重なる大きさを有する。これにより、基部１０の上面との接合面積を大きくできる。また、後述するように、レンズ部材７０との接合面積を大きくすることができる。
半導体レーザ素子２０から出射され、光反射部材４０の光反射面により反射された光は、拡がりながら透光性部材６０の下面に入射する。つまり、透光性部材６０の下面は、光の入射面といえる。また、光軸を通る光は、透光性部材６０の下面に対して垂直に入射する。
また、透光性部材６０の下面または上面において、ＦＦＰの垂直方向に対応する方向Ｍは第１方向Ｘであり、ＦＦＰの水平方向に対応する方向Ｎは第２方向Ｙである。なお、入射した光の８０％以上が透過して、透光性部材６０の上面から出射される。つまり、透光性部材６０において光の通る領域は、透光性を有している。
透光性部材６０が基部１０に接合されることで、半導体レーザ素子２０が配された閉空間が形成される。このように凹部のような開いた空間に蓋がされ、閉空間が形成される場合、透光性部材６０は蓋部材として捉えることができる。
また、半導体レーザ素子２０が配された閉空間は、気密封止された状態で形成される。気密封止をすることで、半導体レーザ素子２０の光の出射端面に有機物等が集塵することを抑制することができる。
次に、レンズ部材７０が、透光性部材６０の上方に配置され、透光性部材６０に固定される。レンズ部材７０は、透光性部材６０から出射された光が、レンズによって適当に制御される位置に調整されて固定される。固定すべき位置に配置されたレンズ部材７０と透光性部材６０との間を接着剤が補う。この接着剤によりレンズ部材７０は固定され、接着剤が硬化した接着部８０が形成される。
レンズ部材７０は、連結されたレンズの１つが、１つの半導体レーザ素子２０からの光を制御するように配置される。従って、連結された４つのレンズによって、４つの半導体レーザ素子２０からの光が制御される。
具体的には、発光装置１では、レンズ部材７０のレンズを通過した光はコリメート光となってレンズ部材７０から出射される。つまり、レンズ部材７０はコリメートレンズを有しており、透光性部材６０に入射する時点でコリメートされていない光が拡がりながら透光性部材６０を通過し、レンズ部材７０を通過することでコリメート光となって出射される。なお、制御の態様は、コリメートに限らず、集光や拡散などであってもよい。
レンズ部材７０は、上面視で、レンズの連結方向Ｐと、半導体レーザ素子２０が並ぶ方向（第２方向Ｙ）とが、同じになるように配置される。また、レンズの連結方向Ｐと、レンズ部材７０に入射するＦＦＰの水平方向に対応する方向Ｎとが同じ方向になり、上面視で連結方向Ｐに垂直な方向（第１方向Ｘ）と、レンズ部材７０に入射するＦＦＰの垂直方向に対応する方向Ｍとが同じ方向になるように配置される。
また、半導体レーザ素子２０から出射された光軸を通る光が、レンズの頂点（レンズの上下方向に最も高い位置）を通るように配置される。また、レンズ領域７２の第１方向Ｘにおける幅の両端は、上面視で、一端が基部１０の上面に、他端が内側面の内側（凹部内）に設けられる。より多くの光を制御し、かつ、発光装置１の小型化を図るため、一端が基部１０の上面にまで及んでいる。
一方で、レンズ部材７０は、第２方向Ｙにおいては、レンズ領域７２の幅の両端が、上面視で基部１０の上面にはなく、内側面の内側にくるように設けられる。つまり、レンズ領域７２が、上面視で、対向する第１側面１４の間にくるように配置される。第１側面１４に段差部１３が設けられる配置になっているため第１側面１４の内側に設けることができる。
接着剤が設けられる領域（接着部８０が形成される領域）は、上面視で、レンズ部材７０の平面領域７１と重なり、かつ、レンズ領域７２とは重ならない。そのため、接着剤は、レンズ部材７０の下面の外縁近傍に設けられる。また、レンズ部材７０の下面における４つの辺のうち、第１方向Ｘに伸びる辺の近傍に設けられる。
レンズ部材７０の平面領域７１は、連結方向Ｐの幅Ｗ１がこれに垂直な方向の幅Ｗ２よりも大きくなるように設けており、これにより透光性部材６０との接合面積を大きくすることができる。以上のようにして、発光装置１は製造される。
ここで、サファイアの面方位及び光の入射方向と、光の偏光比との関係を測定した実験データについて説明する。
図９乃至図１１は、入射面がａ面の場合とｃ面の場合とで、サファイアの透光性部材６０を平面方向の角度を変えて偏光比を測定した実験データである。また、図９は、半導体レーザ素子２０として青色の光を出射するＴＥモードの半導体レーザ素子を用いた場合、図１０は緑色の光を出射するＴＥモードの半導体レーザ素子を用いた場合、図１１は赤色の光を出射するＴＭモードの半導体レーザ素子を用いた場合の実験データである。図１２は、図９乃至図１１の実験データを得たときの実験条件の模式図である。
図１２に示すように、この実験では、半導体レーザ素子２０から出射された光軸を通る光が、透光性部材６０の入射面に垂直に入射するようにして測定を行った。また、垂直に入射する状態を保ったまま、光軸を軸にして透光性部材６０を回転し、いくつかの異なる角度で測定を行った。以下では、この角度を平面回転角αと呼ぶものとする。
入射面がａ面の場合おいては、ＦＦＰの垂直方向に対応する方向とサファイアのｃ軸とが平行になっている状態の平面回転角αを０度、ＦＦＰの垂直方向に対応する方向とサファイアのｃ軸とが垂直になっている状態の平面回転角αを９０度とした。図８には、発光装置１の透光性部材６０の入射面がサファイアのａ面であり、ｃ軸が図の矢印の向きであった場合の平面回転角αの値を記している。
入射面がｃ面の場合おいては、ＦＦＰの垂直方向に対応する方向とサファイアのａ軸とが平行になっている状態の平面回転角αを０度、ＦＦＰの垂直方向に対応する方向とサファイアのａ軸とが垂直（ｍ軸に平行）になっている状態の平面回転角αを９０度とした。
入射面がａ面の透光性部材６０もｃ面の透光性部材６０も、厚みは５００μｍで揃えた。また、透光性部材６０を配置しない状態で測定したときの偏光比は、青色が３１３４ＴＥ／ＴＭ、緑色が２４８７ＴＥ／ＴＭ、赤色が３６ＴＭ／ＴＥであった。図９乃至図１１には、比較のため、透光性部材を配置しないときの光の偏光比を直線で記している。
なお、測定には、偏光子Ｅ２として、ソーラボ社製のグランレーザ解石偏光子を、ＮＤフィルタＥ３として、メレスグリオ株式会社製の金属膜ＮＤフィルタを、検出器フォトダイオードＥ４として、浜松ホトニクス製の検出器フォトダイオードを使用した。
図９乃至図１１の測定結果から、入射面をｃ面とした場合には、角度が変化しても偏光比に大きな変化は見られないことがわかる。つまり、ｃ面は、平面方向の回転に対する偏光比依存がないか、非常に小さいことが考察される。
一方で、入射面をａ面とした場合には、平面回転角αが変化すると偏光比も変化することがわかる。また、平面回転角αが０度から４５度にかけて偏光比は減少し、４５度から９０度にかけて増加しており、０度または９０度で偏光比は最大に、４５度で偏光比は最小になっていることがわかる。
また、平面回転角αが４５度のときには、偏光比は著しく低い値となる。図９乃至図１１のいずれにおいても、平面回転角αが３０度以上から６０度以下の範囲では良好な偏光比は得られず、偏光比の値は１以上から５以下の範囲となった。
一方で、平面回転角αが０度と９０度とにおいては、高い偏光比が得られている。つまり、ＴＥモードの光に対してもＴＭモードの光に対しても、平面回転角αが０度または９０度で、良好な偏光比が得られることが考察される。そのため、ＴＥモードとＴＭモードの半導体レーザ素子が混在した発光装置であっても良好な偏光比が得られることが考察される。
また、上面視で、入射面におけるＦＦＰの垂直方向に対応する方向あるいは水平方向に対応する方向が、互いに９０度異なる発光装置であっても良好な偏光比が得られることが考察される。例えば、上面視で、光軸を通る光の進行方向が互いに９０度異なるように２つの半導体レーザ素子２０を配置し、光軸を通る光がそれぞれ垂直上方に進行するように光反射部材４０を配置した発光装置１であっても良好な偏光比が得られることが考察される。
また、図１１に示すように、透光性部材６０を透過する前の偏光比の値が低い光（偏光比の値が２桁の光）に対しては、平面回転角αが０度または９０度において、透過後の方が偏光比の値は高くなった。なお、図９乃至図１０のように透過前の偏光比の値が高い光（偏光比が４桁の光）に対しては、平面回転角αが０度または９０度で、おおよそ同じ程度かあるいは低くなっていることがわかる。
図９及び図１０では、平面回転角αが０度で２０００以上あった偏光比が、５度になると２００程度にまで下がり、１０度になると５０程度にまで下がった。また、図１１では、平面回転角αが１０度になると、透光性部材６０を透過する前よりも偏光比が低い値となった。
このことから、ａ面を入射面とする偏光比の平面回転角αに対する角度依存性の高さが窺える。また、良好な偏光比を得るには、平面回転角αが０度以上から１０度以下、または、８０度以上から９０度以下の範囲にあるのが好ましいと考察される。なお、平面回転角αが９０度から１８０度、１８０度から２７０度、２７０度から３６０度の範囲でも、同様の原理がいえる。
また、ａ面とｃ面とでは、ａ面の方が偏光比の最大値が大きい。つまり、平面回転角αが０度または９０度においては、ｃ面よりもａ面の方が、より高い偏光比を得ることができる。
次に、図１３乃至図１５は、入射面がａ面の場合とｃ面の場合とで、サファイアの透光性部材６０の入射面に光が入射する角度を変えて偏光比を測定した実験データである。以下では、この角度を平面傾斜角βと呼ぶものとする。図１３は平面回転角αが０度、図１４は平面回転角αが４５度、図１５は平面回転角αが９０度の状態での実験データである。図１６は、図１３乃至図１５の実験データを得たときの実験条件の模式図である。
図１６に示すように、この実験では、図１２のようにＦＦＰの拡がりを有したままの光を透光性部材６０に入射させるのではなく、半導体レーザ素子２０から出射された光軸を通る光を、コリメートレンズＥ１によりコリメートさせ、さらに絞りＥ５で絞ってから透光性部材６０に入射させた。
なお、図１３乃至図１５のグラフにおける平面傾斜角βが０度とは、光軸を通る光が入射面に対して垂直に入射する状態を示している。つまり、発光装置１における透光性部材６０の配置は、０度の状態に相当する。そのため、平面傾斜角βが９０度のときは、光が透光性部材６０の下面から入射せず、側面から入射することになる。また、透光性部材６０が斜めに傾いた配置されている例（平面傾斜角βが０°＜β＜９０°の例）は図１８に記されている。
なお、透光性部材６０の厚みや、使用した偏光子Ｅ２、ＮＤフィルタＥ３、及び、検出器フォトダイオードＥ４は、図１２と同様である。また、図１３乃至１５はいずれも、半導体レーザ素子２０として、図９の測定のときと同じ青色の光を出射する半導体レーザ素子を使用して測定を行った。
図１３乃至図１５の測定結果から、ａ面とｃ面とでは、ｃ面の方が角度の変化に対する偏光比の変化が大きいことがわかる。また、ａ面は、角度を変化させても偏光比の変化が小さいことがわかる。つまり、ａ面の方が、光の平面傾斜角βに対する偏光比依存がなく、あったとしても小さい。
なお、ａ面であってもｃ面であっても、平面傾斜角βの角度によって、例えば、１０００以上あった偏光比が２桁や１桁の値になるなどといった、著しく変化はなかった。
また、図１３と図１５の結果では、角度が大きくなるほど、ｃ面の偏光比の値がａ面の偏光比の値に近付いている。この結果から、ｃ軸に平行な面については、偏光比の特性に大きな変化がないことが考察される。
つまり、ｃ面から平面傾斜角βを９０度回転させた面は、ｃ軸に平行な面であり、ＦＦＰの垂直方向に対応する方向とサファイアのｃ軸とが平行になっている。また、ａ面もｃ軸に平行な面であり、平面回転角αが９０度の状態（図１５）では、平面傾斜角βをどの角度にしてもｃ軸に平行な面である（例えば、９０度傾斜した面はｍ面である。）。従って、ｃ軸に平行な面であれば、ａ面の測定結果と似た測定結果が得られると考察できる。
また、図９と比べると、ｃ面については、コリメートしたことで、偏光比が飛躍的に大きくなっていることがわかる。つまり、ｃ面を透過させる場合、透過する光のコリメート性（どれくらいコリメートされた光であるか）が、偏光比に大きく影響するものと考察される。一方で、ａ面については、拡がる光が入射するか、拡がらない光（コリメート光）が入射するか、によって偏光比は大きく変わらない。
コリメート光で比較すれば、平面回転角αが０度の状態において、ｃ面の方がａ面よりも偏光比の値が大きい。従って、コリメート光を入射させるのであれば、入射面がｃ面の透光性部材の方が、ａ面の透光性部材よりも高い偏光比を得られると考察される。
以上の実験結果から、サファイアの透光性部材に関して、入射面にｃ軸に平行な面を用いる場合と、ｃ面を用いる場合と、で以下のことがいえるものと考察される
＜ｃ軸に平行な面を入射面に用いる場合＞
入射面において、レーザ光のＦＦＰの垂直方向（楕円形状の長径方向）に対応する方向が、ｃ軸と平行または垂直となる向きで設けると、良好な偏光比が得られる。
入射面に入射するレーザ光の偏光方向が、ｃ軸と平行または垂直となる向きで設けると、良好な偏光比が得られる。言い換えると、ｓ偏光またはｐ偏光がｃ軸と平行となる向きで設けると、良好な偏光比が得られる。
偏光比の値が小さな光を透過させると、透過前よりも偏光比を高くすることができる。ここで、偏光比の値が小さな光とは、例えば、偏光比が１以上から５０以下の光である。
光軸を通る光が入射面に垂直に入射せず斜めに入射したとしても、偏光比の値が大きく変化することはなく、安定した偏光比が得られる。言い換えると、光軸を通る光の入射面に対する入射角（平面傾斜角β）が０度以上から９０度以下の間で、安定した偏光比が得られる。従って、発光装置１において、半導体レーザ素子２０からのレーザ光のＦＦＰの垂直方向に対応する方向あるいは偏光方向と、サファイアの透光性部材６０におけるｃ軸の方向とが、上面視（または下面視）で平行または垂直となる向きであれば、良好な偏光比が得られる、といえる。
コリメート光と、拡がる光との間で、偏光比に大きな差がない。
＜ｃ面を入射面に用いる場合＞
入射面に垂直な軸を中心に回転させても、偏光比の値が大きく変化することはなく安定した偏光比が得られる。
光をコリメートしてから入射させることで、コリメートされていない光よりも優れた偏光比が得られる。
このように、サファイアのａ面やｍ面といったｃ軸に平行な面、または、ｃ面を、適切な条件で配置することで、良好な偏光比を得ることができる。なお、良好な偏光比とは、本質的には光学装置２が要求する偏光比を満たすことである。
図１７は、発光装置の他の実施形態を示す断面図である。図１７に示す発光装置１Ａでは、基部１０Ａの枠部１１Ａにおいて、透光性部材６０よりも下方にレンズ部材７０Ａが配置される形状となっている。そのため、レンズ部材７０Ａによってコリメートされた光が透光性部材６０に入射する。このような発光装置１Ａでは、入射面にサファイアのｃ面を用いて透光性部材６０を形成するとよい。なお、ａ面を用いてもよい。
図１８は、発光装置の他の実施形態を示す断面図である。図１８に示す発光装置１Ｂでは、基部１０Ｂの枠部１１Ｂの上面が傾斜しているため、透光性部材６０も傾斜して配置される。そのため、光軸を通る光は透光性部材６０の入射面に垂直に入射しない。また、透光性部材６０に入射するレーザ光はコリメートされておらず、拡がりながら透光性部材６０を通過する。このような発光装置１Ｂでは、入射面にサファイアのｃ軸に平行な面であるａ面を用いて透光性部材６０を形成するとよい。
次に、実施形態に係る発光装置を有する光学装置２の一例として、液晶プロジェクターについて説明する。液晶プロジェクターの基本的な構造については、例えば、特開２０１８－９２１１２、特開２０１８－１４１９９４、特開２０１９－３２０９などの特許公開公報に記載されている。これらの記載や、その他の従来技術からもわかるように、液晶プロジェクターは、構成要素に、光源２０１、偏光素子２０２、液晶パネル２０３、投影レンズ２０４などを有する。
また、光源２０１から出射された光は、液晶パネル２０３に到達する前に、偏光素子２０２を通る。この偏光素子２０２としては、例えば、ビームスプリッタ―が用いられ、これにより、光源２０１から出射された光の一方の偏光成分が反射され、他方の偏光成分が透過する。つまり、液晶プロジェクターの機構は、液晶パネル２０３に特定の偏光成分のみが入射するように構成されている。このような構成から、液晶プロジェクターでは偏光比の良好な光が求められ、例えば、偏光比の値が１００以上の光を出射する光源２０１が求められる。
従って、図１９に示すように、実施形態に係る発光装置を光源２０１に用いた液晶プロジェクターにより、効率よく、特定の偏光成分の光を液晶パネル２０３に入射させることができる。具体的には、液晶プロジェクターは、発光装置１を有する。また、発光装置１から出射された光が入射する偏光素子２０２を有する。また、発光装置１から出射され、偏光素子２０２を介した光が入射する液晶パネル２０３を有する。また、発光装置１から出射された光に基づき作成された投影画像を投影させる投影レンズ２０４を有する。また、これ以外の構成要素を有してよい。
以上、実施形態に係る発光装置及び光学装置を説明してきたが、本発明に係る発光装置及び光学装置は実施形態に厳密に限定されるものではない。つまり、本発明は、実施形態により開示された発光装置及び光学装置の外形や構造に限定されなければ実現できないものではない。また、全ての構成要素を必要十分に備えることを必須とせずに適用され得るものである。例えば、特許請求の範囲に、実施形態により開示された発光装置の構成要素の一部が記載されていなかった場合、その一部の構成要素については、代替、省略、形状の変形、材料の変更などの当業者による設計の自由度を認め、その上で特許請求の範囲に記載された発明が適用されることを特定するものである。
実施形態に記載の発光装置は、プロジェクター、車載ヘッドライト、照明、ディスプレイ等の光源に使用することができる。
１（１Ａ）（１Ｂ） 発光装置
１０（１０Ａ）（１０Ｂ） 基部
１１（１１Ａ）（１１Ｂ） 枠部
１２ 底部
１３ 段差部
１４ 第１側面
１５ 第２側面
２０ 半導体レーザ素子
３０ サブマウント
４０ 光反射部材
５０ 保護素子
６０ 透光性部材
７０（７０Ａ） レンズ部材
７１ 平面領域
７２ レンズ領域
８０ 接着部
２ 光学装置
２０１ 光源
２０２ 偏光素子
２０３ 液晶パネル
２０４ 投影レンズ
Ｅ１ コリメートレンズ
Ｅ２ 偏光子
Ｅ３ ＮＤフィルタ
Ｅ４ 検出器フォトダイオード
Ｅ５ 絞り

Claims (12)

  1. 半導体レーザ素子と、
    少なくとも前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が下面から上面へと透過する領域がサファイアで構成される透光性部材と、
    を有し、
    前記透光性部材は、前記レーザ光が入射する入射面がサファイアのｃ軸に平行な平面であり、かつ、上面視で前記入射面に入射する前記レーザ光の偏光方向がサファイアのｃ軸と平行または垂直となる向きで設けられた発光装置。
  2. 半導体レーザ素子と、
    少なくとも前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が下面から上面へと透過する領域がサファイアで構成される透光性部材と、
    を有し、
    前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、ファーフィールドパターンが楕円形状であり
    前記透光性部材は、前記レーザ光が入射する入射面がサファイアのｃ軸に平行な平面であり、かつ、上面視で前記レーザ光の楕円形状の長径方向に対応する方向がサファイアのｃ軸と平行または垂直となる向きで設けられた発光装置。
  3. 前記サファイアのｃ軸に平行な平面は、サファイアのａ面である請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 複数の前記半導体レーザ素子を有し、
    複数の前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光に対し、上面視で前記レーザ光の偏光方向がサファイアのｃ軸と平行または垂直となる向きで、前記透光性部材の入射面が設けられた請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
  5. 複数の前記半導体レーザ素子は、ＴＥモードの半導体レーザ素子と、ＴＭモードの半導体レーザ素子と、を含む請求項４に記載の発光装置。
  6. 前記複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を反射する１または複数の光反射部材を有し、
    前記透光性部材の入射面には、前記１または複数の光反射部材によって反射された光が入射し、
    複数の前記半導体レーザ素子は、上面視で、光軸を通る光の進行方向が互いに９０度異なる第１半導体レーザ素子と第２半導体レーザ素子と、を含む請求項４または５に記載の発光装置。
  7. 前記透光性部材から出射された前記レーザ光が通過するレンズ部材を有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光装置。
  8. 前記レンズ部材を通過した前記レーザ光は、コリメート光である請求項７に記載の発光装置。
  9. 前記透光性部材に入射する前記レーザ光は、コリメート光ではない請求項７または８に記載の発光装置。
  10. 前記透光性部材は、前記レーザ光が入射する入射面から、前記レーザ光が出射する出射面までの厚みが、０．３ｍｍ以上から１．０ｍｍ以下である請求項１乃至９のいずれか一項に記載の発光装置。
  11. 半導体レーザ素子と、
    コリメートレンズと、
    少なくとも前記半導体レーザ素子から出射され、前記コリメートレンズによってコリメートされたレーザ光が透過する領域がサファイアで構成される透光性部材と、
    を有し、
    前記透光性部材は、前記レーザ光が入射する入射面がサファイアのｃ面である発光装置。
  12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の発光装置と、
    前記発光装置から出射された光が入射する偏光素子と、
    前記発光装置から出射され、前記偏光素子を介した光が入射する液晶パネルと、
    前記発光装置から出射された光に基づいて作成された投影画像を投影させる投影レンズと、
    を有する光学装置。
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