(57)【要約】  レーザ光源素子の高い面内実装密度を実現し、かつ、製造コストの増加を抑えるとともに各レーザ光源素子に対するレンズの位置を高精度に調整可能な技術を提供することを目的とする。レーザ光源装置１は、ベース３０と、ベース３０の上面上であり、かつ、ｘ軸群およびｙ軸群の交点からなる格子点上に配列される複数の半導体レーザ素子１０１〜１０４と、複数の半導体レーザ素子１０１〜１０４が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズ４１〜４４と、ベース３０の上面に配置されたスペーサ２０と、接着剤５０とを備える。スペーサ２０は、各レンズ４１〜４４毎に、円環状の支持面２０ｂと、壁部２０ｃとを備え、壁部２０ｃは格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝２０ｄを有する。レンズ４１〜４４の側面から、壁部２０ｃにおけるレンズ４１〜４４の側面と対向する面までの距離と、逃げ溝２０ｄの幅との和が一定である。
2019198219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面が平面であるベース（３０）と、
前記ベース（３０）の上面上であり、かつ、前記ベース（３０）の上面に対して平行な方向であるｘ軸および前記ベース（３０）の上面に対して平行な方向かつ前記ｘ軸に対して交差する方向であるｙ軸をそれぞれ配列したｘ軸群およびｙ軸群の交点からなる格子点上に配列される複数のレーザ光源素子（１０１〜１０４）と、
複数の前記レーザ光源素子（１０１〜１０４）が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズ（４１〜４４）と、
前記ベース（３０）の上面に配置され、複数の前記レンズ（４１〜４４）を支持するスペーサ（２０）と、
複数の前記レンズ（４１〜４４）を前記スペーサ（２０）に固定する接着剤（５０）と、
を備え、
前記スペーサ（２０）は、各前記レンズ（４１〜４４）毎に、前記レンズ（４１〜４４）の下面を支持する円環状の支持面（２０ｂ）と、前記レンズ（４１〜４４）の側面が前記接着剤（５０）にて固定される壁部（２０ｃ）とを備え、
前記壁部（２０ｃ）は前記格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝（２０ｄ）を有し、
前記レンズ（４１〜４４）の側面から、前記壁部（２０ｃ）における前記レンズ（４１〜４４）の側面と対向する面までの距離と、前記逃げ溝（２０ｄ）の幅との和が一定である、レーザ光源装置。
【請求項２】
前記壁部（２０ｃ）における前記レンズ（４１〜４４）の側面と対向する面の高さは、前記レンズ（４１〜４４）の側面の高さの６０％以下である、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
複数の前記レーザ光源素子（１０１〜１０４）は少なくとも３つの前記レーザ光源素子（１０１〜１０４）を備え、
少なくとも３つの前記レーザ光源素子（１０１〜１０４）のうち、互いに隣り合う３つの前記レーザ光源素子（１０１〜１０３）は、出射方向から視て正三角形状となるように配列される、請求項１記載のレーザ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子等のレーザ発振素子を備えたレーザ光源装置において、複数のレーザ発振素子を共通の筐体に組み込むための構成および保持構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクタ等の投射型表示装置の光源として半導体レーザ素子が注目されている。半導体レーザ素子は、発振される光の単色性、高指向性および低消費電力等の優れた特長を有し、現在普及しているランプの置き換え光源として期待されている。しかしながら現状の半導体レーザ素子は、１つの素子で投射型表示装置に求められる出力を達成することが困難であり、レーザ発振素子を複数搭載して投射型表示装置の光源を構成するのが一般的である。【０００３】
複数の半導体レーザ素子を搭載してプロジェクタの光源を構成する場合、エタンデュの要件から、半導体レーザ素子同士はできる限り近接して配置することが望ましい。エタンデュは光束の面積と拡がり角（換言すると立体角）の積で定義される量である。光学系の中でエタンデュは一定なので、光源側のエタンデュはプロジェクタ内の光学系のエタンデュにより制限される。例えば光源側のエタンデュが大きいと、プロジェクタ側で有効利用できない光束の割合が増加する。レーザ発振素子は発光面積が小さいことから光源側のエタンデュを小さくするのに本質的に有利であるが、複数のレーザ発振素子を使用する場合には、互いを近接配置して光源側のエタンデュを小さく保つ工夫が必要である。光の利用効率を高めることができればプロジェクタ内の光学系全体の小型化にも貢献し、装置全体のコストダウンを図ることができる。【０００４】
さらに、高輝度プロジェクタを実現するためには、まず光源側のエタンデュを小さくする必要がある。複数のレーザ発振素子の近接配置と併せて効果的なのが、レーザ出射光の拡がり角の低減であり、レーザ発振素子の位置、および個々の出射光の配光制御に高い精度が要求される。つまり、レーザ発振素子のひとつひとつに対応するレンズ手段を精密に位置調整して拡がり角のばらつきを抑制することでエタンデュを小さくすることができる。【０００５】
上記の課題に対し、例えば特許文献１には、レンズの保持部材を別の支持部材に溶接固定する際にレンズの位置調整機構が開示されている。【０００６】
特許文献２には、複数の半導体レーザ素子に対しレンズアレイを用いることで面内実装密度を向上させる技術が開示されている。また、特許文献２には、レンズホルダによりレンズアレイの位置を調整する機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５４５３９２７号公報
【特許文献２】特許第５８３５６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１では、レンズ保持用の鏡筒が半導体レーザ素子を複数配置する際の機構的な制約条件となり、半導体レーザ素子の面内実装密度を高めるという点で不利である。また、面内実装密度を高める目的で鏡筒を小型化する際には、それに応じたレンズの小型化が必須であり、光学設計の自由度が低下する。【０００９】
また、特許文献２では、レンズアレイが用いられているため、各半導体レーザ素子に対してレンズの位置を最適化することが難しい。各半導体レーザ素子をレンズアレイに対して個別調整しようとすると、通電した半導体レーザ素子を把持して微動させる技術が必要となり、著しく難易度が高まるだけでなく、複数の半導体レーザ素子と単一基板との接続が難しくなる。【００１０】
さらに、各半導体レーザ素子に対するレンズの位置を高精度に調整できるようにした場合にも、装置の製造コストの増加を抑えることが望ましい。【００１１】
そこで、本発明は、レーザ光源素子の高い面内実装密度を実現し、かつ、レーザ光源装置の製造コストの増加を抑えるとともに各レーザ光源素子に対するレンズの位置を高精度に調整可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るレーザ光源装置は、上面が平面であるベースと、前記ベースの上面上であり、かつ、前記ベースの上面に対して平行な方向であるｘ軸および前記ベースの上面に対して平行な方向かつ前記ｘ軸に対して交差する方向であるｙ軸をそれぞれ配列したｘ軸群およびｙ軸群の交点からなる格子点上に配列される複数のレーザ光源素子と、複数の前記レーザ光源素子が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズと、前記ベースの上面に配置され、複数の前記レンズを支持するスペーサと、複数の前記レンズを前記スペーサに固定する接着剤とを備え、前記スペーサは、各前記レンズ毎に、前記レンズの下面を支持する円環状の支持面と、前記レンズの側面が前記接着剤にて固定される壁部とを備え、前記壁部は前記格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝を有し、前記レンズの側面から、前記壁部における前記レンズの側面と対向する面までの距離と、前記逃げ溝の幅との和が一定であるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザ光源装置は、上面が平面であるベースと、ベースの上面上であり、かつ、ベースの上面に対して平行な方向であるｘ軸およびベースの上面に対して平行な方向かつｘ軸に対して交差する方向であるｙ軸をそれぞれ配列したｘ軸群およびｙ軸群の交点からなる格子点上に配列される複数のレーザ光源素子と、複数のレーザ光源素子が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズと、ベースの上面に配置され、複数のレンズを支持するスペーサと、複数のレンズをスペーサに固定する接着剤とを備え、スペーサは、各レンズ毎に、レンズの下面を支持する円環状の支持面と、レンズの側面が接着剤にて固定される壁部とを備え、壁部は格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝を有する。【００１４】
したがって、レーザ光源装置はレンズ保持用の鏡筒を備えず、スペーサに複数のレンズが固定されるため、レーザ光源素子の高い面内実装密度を実現することができる。また、スペーサに設けられた逃げ溝に沿ってレンズを把持することが可能であるため、レンズの高精度な位置調整が可能となる。【００１５】
レンズの側面から、壁部におけるレンズの側面と対向する面までの距離が大きすぎると、所望の接着力を得るための接着剤の量が多く必要となるため、接着剤の硬化時間が長くなったり材料コストが増加するという問題がある。しかし、本発明によれば、レンズの側面から、壁部におけるレンズの側面と対向する面までの距離と、逃げ溝の幅との和が一定である。これにより、当該距離と逃げ溝の幅の最適値を見つけやすくなり、製造コストの増加の抑制とレンズの位置の高精度な位置調整とを両立することができる。【００１６】
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態１に係るレーザ光源装置の斜視図である。
【図２】スペーサおよびレンズを取り除いた状態を示すレーザ光源装置の斜視図である。
【図３】図２のA-A線断面図である。
【図４】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図５】半導体レーザ素子の配列を説明するための図である。
【図６】スペーサの斜視図である。
【図７】スペーサの壁部およびその周辺部の拡大平面図である。
【図８】レンズが配置される前のスペーサの壁部およびその周辺部の平面図と断面図である。
【図９】レンズが配置された後のスペーサの壁部およびその周辺部の平面図と断面図である。
【図１０】レンズ把持機構によるレンズの調整工程を行っている状態を示すレーザ光源装置の斜視図である。
【図１１】図１０のD-D線断面図である。
【図１２】逃げ溝と隣り合う半導体レーザ素子のピッチ間隔との関係を示す図である。
【図１３】実施の形態２に係るレーザ光源装置を駆動した際に出射光がレンズの出射面を通過する領域を示す図である。
【図１４】実施の形態２に係るレーザ光源装置を駆動した際に出射光がレンズの出射面を通過する領域を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。最初に、実施の形態１に係るレーザ光源装置１の全体的な構成について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係るレーザ光源装置１の斜視図である。図２は、スペーサ２０およびレンズ４１〜４４を取り除いた状態を示すレーザ光源装置１の斜視図である。図３は、図２のA-A線断面図である。
【００１９】
図１〜図３に示すように、レーザ光源装置１は、レーザ光源素子としての半導体レーザ素子１０１〜１０４、レンズ４１〜４４、スペーサ２０、ベース３０、および接着剤５０を備える。レーザ光源装置１は、さらに駆動回路（図示省略）を備え、駆動回路を通じて半導体レーザ素子１０１〜１０４に電流を注入し、レンズ４１〜４４により平行光化された光出力を得る。
【００２０】
次に、半導体レーザ素子１０１〜１０４について、図４を用いて説明する。図４は、半導体レーザ素子１０１の斜視図である。半導体レーザ素子１０１〜１０４は同じ構造であるため、ここでは半導体レーザ素子１０１について説明する。
【００２１】
図４に示すように、半導体レーザ素子１０１は、例えばＴＯ−Ｃａｎタイプパッケージの半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１０１は、キャップ１１、ガラス窓１２、ステム１３、リードピン１４、およびキャップ１１の内部に設けられた半導体レーザチップ（図示省略）を備える。半導体レーザチップの主材料としてはＧａＡｓおよびＩｎＧａＮ等の化合物半導体であり、半導体レーザチップはステム１３に対して略垂直な方向に光を出射する。一般的に半導体レーザチップの端面は、駆動中に空気中の水分および粉塵が付着することで容易に破壊に至る。しかし、ＴＯ−Ｃａｎタイプパッケージの半導体レーザ素子ではキャップ１１により気密封止が保たれているため、駆動環境に求められる条件が緩和される。また、ＴＯ−Ｃａｎタイプパッケージの半導体レーザ素子は小型であるため、使用個数の調整、すなわち要求仕様に応じた光出力の増減が容易である。
【００２２】
端面発光型の半導体レーザ素子は、活性層に垂直な方向、すなわち速軸に沿った方向への出射光の拡がりが、活性層に水平な方向、すなわち遅軸に沿った方向への拡がりに対して約１０倍大きいという特長がある。したがって、図４に示すように、出射光７０の伝播方向に対する断面、すなわち遠視野像は楕円となっている。また、一般的にＴＯ−Ｃａｎパッケージタイプの半導体レーザ素子では、２本のリードピン１４の方向に対し半導体レーザ素子の活性層が水平であるため、図４に示すように、リードピン１４の配列方向の出射光の拡がりが小さく、９０度傾いた軸に対する出射光７０の拡がりが大きい。
【００２３】
図１と図２に示すように、ベース３０は、ＣｕおよびＡｌ等の金属、またはＳｉＣおよびＡｌＮ等のセラミックといった高熱伝導材を主材料とした、半導体レーザ素子１０１〜１０４を支持するための土台である。また、ベース３０の上面は平面である。なお、図面において説明のために設けたｘ、ｙ、ｚ軸は直交座標系であり、ｘ軸は、ベース３０の上面に対して平行な方向を指している。ｙ軸は、ベース３０の上面に対して平行な方向、かつ、ｘ軸に対して交差する方向を指している。より具体的には、ｙ軸は、ベース３０の上面に対して平行な方向、かつ、ｘ軸に対して直交する方向を指している。ｚ軸はベース３０の上面に対して垂直な方向を指している。
【００２４】
半導体レーザ素子１０１〜１０４の底面は、熱伝導グリスまたはシート状の放熱材を介してベース３０の上面に密着した状態で固定されている。さらに放熱性を高めるためには、ＳｕＡｇＣｕまたはＡｕＳｎ等を主成分とするはんだ材を用いて、半導体レーザ素子１０１〜１０４とベース３０を接合することが望ましい。なお、半導体レーザ素子１０１〜１０４は、外部駆動系から電流を注入するためのリードピン１４を有しているため、ベース３０はそれを逃すための貫通穴または溝を有している。
【００２５】
図２に示すように、直線８１，８２および直線９１，９２は、半導体レーザ素子１０１〜１０４のベース３０上での配置を説明するための仮想線である。直線８１，８２および直線９１，９２はそれぞれｘ軸およびｙ軸に平行な直線であり、かつ、ベース３０の上面上に存在する。ここで、直線８１，８２および直線９１，９２は互いに交差する。より具体的には、直線８１，８２および直線９１，９２は互いに直交する。また、直線８１と直線８２の間隔、直線９１と直線９２の間隔はそれぞれ等しい。すなわち、直線８１と直線８２の間隔、直線９１と直線９２の間隔をそれぞれａ，ｂとすると、次の（１）式の関係を満たす。
【００２６】
【数１】
2019198219.tif 000003
【００２７】
半導体レーザ素子１０１〜１０４は、その発光点が直線８１，８２および直線９１，９２の交点、すなわち正方格子点上に位置するよう配列され、面光源を形成している。図５は、半導体レーザ素子１０１〜１０４の配列を説明するための図である。図５に示すように、直線８１と直線９１の交点を（ｘ，ｙ）＝（０，０）とすると、（ｘ，ｙ）＝（０，０）、（ａ，０）、（０，ｂ）、（ａ，ｂ）の４点に発光点が位置する。
【００２８】
このときの半導体レーザ素子１０１〜１０４の配列間隔、すなわち格子点の配列間隔は、レーザ光源装置１が最終的に組み込まれるプロジェクタ等のシステムからの要求にも依存するが、一般的にはエタンデュの要件から密であることが望ましい。半導体レーザ素子１０１〜１０４の間隔が密であるほど、すなわち光源の発光面積が小さいほど、光源側のエタンデュを抑制できるため、プロジェクタ装置側の光利用効率を高めることができる。また、プロジェクタを構成する光学部品を小さくすることができるため、プロジェクタの製造コストを抑制できる。なお、直線８１，８２がｘ軸群に相当し、直線９１，９２がｙ軸群に相当する。
【００２９】
図１に示すように、レンズ４１〜４４は、半導体レーザ素子１０１〜１０４が出射するレーザ光（以下、「出射光」ともいう）を平行光化するためのレンズであり、上面が軸対称の球面または非球面である。半導体レーザ素子、特に端面発光型の半導体レーザ素子では、発振波長に対して出射口が非常に小さいため、回折効果によるビームの拡がりが生じる。特に半導体レーザチップのエピタキシャル成長方向に沿った方向、すなわち速軸方向の拡がりは全角で６０度ほどである。このため、半導体レーザ素子１０１〜１０４から比較的近い位置にコリメート作用を有するレンズ４１〜４４を配置し、ビームサイズを出射距離に対し略一定に維持させている。これは後段のプロジェクタの光学設計を簡素化するための重要な要件である。
【００３０】
半導体レーザ素子１０１〜１０４からの出射光が全角で６０度近くになることから、レンズ４１〜４４における出射光が入射する面は平面または曲率の小さい緩やかな曲面となる。また、レンズ４１〜４４における出射光が出射する面は曲率の大きな曲面となる。これは、レンズ４１〜４４の部品コストを抑制するために、１枚の単レンズで平行化を実現しようとすると、レンズ４１〜４４の主平面が入射面に近づき、出射面のレンズ形状が半球に近づくためである。
【００３１】
なお、単レンズは通常同心円状であり、拡がり角の大きな速軸方向に優先的に対応してレンズ設計が行われる、このため、拡がり角度が大きくても１０度程度にしかならない遅軸方向の出射光についてはレンズ作用をほとんど呈することがない。速軸と遅軸の両方に効果的に作用するためには、互いに直交する両軸に関して焦点距離の大きく異なる２つのレンズ機能を唯一の単レンズで具体化する、例えばアナモルフィックレンズの機能を持たせることとなり、部品コストの観点から実現性に乏しくなる。
【００３２】
ＴＯ−Ｃａｎタイプパッケージの半導体レーザ素子は、そのレーザチップの発光サイズ、または光出力に合わせたパッケージサイズを有する。業界標準としてはφ３．８ｍｍ、φ５．６ｍｍがあり、φ９ｍｍのパッケージも多く流通しているが、これらは図４に示すステム１３の直径を示し、平面上にＴＯ−Ｃａｎタイプパッケージの半導体レーザ素子を並べる際の物理的な制限となる。
【００３３】
ここでは、ステム径がφ９ｍｍのパッケージについて説明する。個々の半導体レーザ素子１０１〜１０４からの発散光を平行化する単レンズは、パッケージサイズに依存する所定の間隔、すなわちステム１３の直径以上の間隔を保って配置することができる。コリメータレンズを抱えるスペーサ２０はこれを実現するために設けられる、金属または樹脂を主材料とする筐体である。スペーサ２０は、半導体レーザ素子１０１〜１０４が接合されたベース３０に対し、ねじを用いた締結固定、接着剤を用いた固定、またはその両方によって固定されている。
【００３４】
なお、ＴＯ−Ｃａｎタイプパッケージの半導体レーザ素子の変形例として、キャップ１１の上面に設けられる平面窓をレンズ手段に代え、平行光を出射するレンズ付きキャップの例がよく知られている。しかし、この場合はキャップの直径より大きなレンズを抱えることが困難であり、より直径の大きなレンズ、すなわち焦点距離の長いレンズを採用できるという点で本実施の形態１に係るレーザ光源装置１が有利である。
【００３５】
すなわち、所定の半導体レーザチップの発光サイズに対し、より長い焦点距離を有するレンズで平行化すると、その平行度は小さくなり、エタンデュの要件から有利となる。例えば、φ９ｍｍパッケージのキャップ径は約７ｍｍであり、厚みのあるレンズによる密閉性の確保からレンズ径は５〜６ｍｍに設定される。しかし、本実施の形態１で採用される単レンズの径はステム径の９ｍｍより大きな約１０ｍｍであり、焦点距離に置き換えると単純に１．５倍以上の平行度改善効果が期待できる。
【００３６】
図６は、スペーサ２０の斜視図である。図６に示すように、スペーサ２０は、各レンズ４１〜４４毎に、半導体レーザ素子１０１〜１０４を内在するための空間２０ａと、空間２０ａにおけるスペーサ２０の上面側への開口の周縁部に設けられた支持面２０ｂと、支持面２０ｂに沿うようにスペーサ２０の上面から突出した壁部２０ｃとを有する。支持面２０ｂは、円環状であり、レンズ４１〜４４の下面を支持する。壁部２０ｃはレンズ４１〜４４の側面のほとんどを覆い、壁部２０ｃにレンズ４１〜４４の側面が接着剤５０により固定される。以下、「空間２０ａにおけるスペーサ２０の上面側への開口」を、単に「空間２０ａの開口」という。
【００３７】
空間２０ａは、半導体レーザ素子１０１〜１０４をスペーサ２０に内在させるだけではなく、半導体レーザ素子１０１〜１０４から出射されたレーザ光をレンズ４１〜４４に結合させるための役割を担う。したがって、空間２０ａの開口は、円形であるレンズ４１〜４４の同心円として形成されている。つまり、半導体レーザ素子１０１〜１０４と、これに対応するレンズ４１〜４４との間に専用の空間が設けられているため、隣接する半導体レーザ素子１０１〜１０４からのレーザ光が漏れこんで迷光となることがない。なお、スペーサ２０がその上面でレンズ４１〜４４を支持できるように、空間２０ａの開口の直径は、レンズ４１〜４４の直径よりも小さい。また、壁部２０ｃもレンズ４１〜４４と同心円として形成されており、壁部２０ｃにより形成される同心円内にレンズ４１〜４４が内在されるため、壁部２０ｃの内径はレンズ４１〜４４の直径よりも大きい。
【００３８】
図７は、スペーサ２０の壁部２０ｃおよびその周辺部の拡大平面図である。図７に示すように、上記の大小関係は、空間２０ａの開口の直径をｄ１、レンズ４１の直径をｄ２、壁部２０ｃの内径をｄ３とすると次の（２）式で表される。
【００３９】
【数２】
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【００４０】
例えば、φ１０ｍｍ程度の単レンズであれば、焦点距離は８ｍｍ程度に設定することができる。その場合のバックフォーカル長は５ｍｍ程度になることから、全角６０度で拡がる出射光が到達するレンズ入射面に必要なエリアは直径６ｍｍ程度である。半導体レーザ素子１０１〜１０４からの出射光を効率よくレンズ４１に結合させる必要性から、空間２０ａの開口の直径ｄ１はレンズ４１の直径ｄ２に対し小さ過ぎないほうがよい。半導体レーザ素子によっては全角７５度程度までは許容されるべきであるということを考えると、空間２０ａの開口の直径ｄ１は最小でも８ｍｍ程度は確保すべきである。
【００４１】
以上を考慮すると、空間２０ａの開口の直径ｄ１、レンズ４１の直径ｄ２との間には、次の（３）式のような関係が成立することが望ましい。
【００４２】
【数３】
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【００４３】
また、壁部２０ｃは搭載されるレンズ４１〜４４の側面に沿うように設けられているが、レンズ４１〜４４の側面全域に沿うようには設けられていない。図５〜図７に示すように、壁部２０ｃにおいて、半導体レーザ素子１０１〜１０４の位置する正方格子点の対角点どうしを結ぶ方向、すなわち格子点（０，ｂ）と格子点（ａ，０）を結ぶ直線と平行な方向に対しては幅Ｌ１を有する逃げ溝２０ｄが設けられている。逃げ溝２０ｄは、スペーサ２０上でレンズ４１〜４４を最適な位置に調整する際に、レンズ４１〜４４の側面を把持するために必要となる。
【００４４】
レンズ４１〜４４とスペーサ２０は接着剤５０を介して固定される。接着剤５０として、レーザ光源装置１の製造の観点から紫外線硬化型の接着剤であるエポキシ樹脂系またはアクリル樹脂系の接着剤が使用される。壁部２０ｃは、レンズ４１〜４４とスペーサ２０の接着固定を容易かつ強固に実現するための役割を担う。
【００４５】
次に、レーザ光源装置１の製造方法について、図８〜図１２を用いて説明する。図８（ａ）は、レンズ４１が配置される前のスペーサ２０の壁部２０ｃおよびその周辺部の平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のB-B線断面図である。図９（ａ）は、レンズ４１が配置された後のスペーサ２０の壁部２０ｃおよびその周辺部の平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のC-C線断面図である。図１０は、レンズ把持機構６０によるレンズ４１の調整工程を行っている状態を示すレーザ光源装置１の斜視図である。図１１は、図１０のD-D線断面図である。図１２は、逃げ溝２０ｄと隣り合う半導体レーザ素子１０１〜１０４のピッチ間隔との関係を示す図である。なお、断面図においては図面を簡略化するためにベース３０の記載を省略している。また、図１２のピッチ間隔Ｐは図３の格子点間隔と同じである。
【００４６】
先ず、半導体レーザ素子１０１〜１０４をベース３０に固定する。次に、スペーサ２０をベース３０に固定する。図８（ａ），（ｂ）に示すように、レンズ４１の接着に際し、始めにレンズ４１が配置されていない状態でスペーサ２０の支持面２０ｂ上に接着剤５０を塗布する。このとき、接着剤５０は壁部２０ｃの内周面２０ｅに沿って、半導体レーザ素子１０１の位置する正方格子点の対角点同士を結ぶ方向、すなわち格子点（０，０）と格子点（ａ，ｂ）を結ぶ直線と平行な方向に、レンズ４１を挟んで対向して２箇所ずつ塗布される。続いてレンズ４１をスペーサ２０に配置する。なお、壁部２０ｃの内周面２０ｅとは、壁部２０ｃにおけるレンズ４１の側面と対向する面である。
【００４７】
このとき、接着剤５０はレンズ４１と壁部２０ｃの間に挟まれることで周囲に拡がり、結果として図９（ａ），（ｂ）に示すように、レンズ４１の側面と入射面に回りこむ。これにより、壁部２０ｃがないときと比べて広い接着面積を確保でき、より高い接着強度を得ることができる。なお、接着強度の確保の観点から、壁部２０ｃの内周面２０ｅの高さＨは、図７に示すレンズ４１が乗る面の寸法であるｄ３−ｄ１、すなわち図９（ｂ）に示す寸法Ｗと少なくとも同程度以上とし、レンズ４１の側面に回りこむ接着剤５０の量と、レンズ４１の入射面に回りこんでそれぞれの接着に寄与する接着剤５０の量に大きな差が生じないようにすることが望ましい。
【００４８】
しかしながら、高さＨを大きくすると接着面積が増えて接着強度が高まる一方で、壁部２０ｃの成形性への影響、および材料体積が増えることによる製造コストへの影響が避けられないため、壁部２０ｃの内周面２０ｅの高さＨはレンズ４１の側面の高さＨ’の６０％以下であることが望ましい。
【００４９】
続いて、図１０と図１１に示すように、レンズ把持機構６０は、壁部２０ｃの逃げ溝２０ｄに配置され、矢印の方向に動作する。レンズ把持機構６０は、レンズ４１の側面を把持し、レンズ４１の位置調整を行う。レンズ４１の位置調整は、レンズ把持機構６０がレンズ４１を把持した状態で、スペーサ２０の上面を面内に移動しながら行われる。さらに、位置調整は、半導体レーザ素子１０１を電流駆動しレンズ４１からの出射光７０をモニタリングしながら行われる。すなわち、ある一定距離離れたスクリーン上に予め定められたターゲット位置に出射光７０の光源像を合わせこむことで位置調整を実施する。
【００５０】
レンズ４１は、壁部２０ｃの内径に沿って移動させることができるが、レンズ把持機構６０の寸法は、逃げ溝２０ｄの幅Ｌ１より小さくしなければならない。図１２に示すように、逃げ溝２０ｄの幅Ｌ１は、正方格子配列のピッチ間隔Ｐと、対角方向のピッチ間隔Ｐｄを用いて、（４）式、さらには（５）式のように表現できる。
【００５１】
【数４】
2019198219.tif 000006
【００５２】
【数５】
2019198219.tif 000007
【００５３】
例えば、Ｐ＝約１１ｍｍ、ｄ３＝壁部２０ｃの内径＝レンズ４１の直径１０ｍｍ＋α（αはレンズ４１の側面から内周面２０ｅまでの隙間に相当）、壁部２０ｃの厚みの最小値を約０．５ｍｍとすると、逃げ溝２０ｄの幅Ｌ１は、
【数６】
2019198219.tif 000008
となり、逃げ溝２０ｄの幅Ｌ１は、レンズ４１の側面と内周面２０ｅとの隙間とのトレードオフから決めることができる。αが大きすぎると所望の接着力を得るための接着剤５０の量が多く必要となるため、硬化時間が長くなったり、材料コストが増加したりして得策ではない。レンズ４１の位置調整に必要な寸法は、半導体レーザチップの発光サイズの±１０％程度とするのが目安であり、レンズ４１の側面と内周面２０ｅとの隙間に相当するαはレンズ４１の位置調整に必要な寸法の２倍程度取れば十分であることがわかった。本実施の形態１では、α＝０．６ｍｍであり、よってＬ１は４ｍｍとなる。詳細には実際のレーザ光源装置１の組立安定性および壁部２０ｃの成形性等を見ながら、それぞれの数値パラメータに対して最適値を決定することが望ましい。
【００５４】
以上のように、実施の形態１に係るレーザ光源装置１は、上面が平面であるベース３０と、ベース３０の上面上であり、かつ、ベース３０の上面に対して平行な方向であるｘ軸およびベース３０の上面に対して平行な方向かつｘ軸に対して交差する方向であるｙ軸をそれぞれ配列したｘ軸群およびｙ軸群の交点からなる格子点上に配列される複数の半導体レーザ素子１０１〜１０４と、複数の半導体レーザ素子１０１〜１０４が出射するレーザ光を平行光化する複数のレンズ４１〜４４と、ベース３０の上面に配置され、複数のレンズ４１〜４４を支持するスペーサ２０と、複数のレンズ４１〜４４をスペーサ２０に固定する接着剤５０とを備え、スペーサ２０は、各レンズ４１〜４４毎に、レンズ４１〜４４の下面を支持する円環状の支持面２０ｂと、レンズ４１〜４４の側面が接着剤５０にて固定される壁部２０ｃとを備え、壁部２０ｃは格子点の対角点を結ぶ方向に沿って形成された逃げ溝２０ｄを有する。
【００５５】
したがって、レーザ光源装置１はレンズ保持用の鏡筒を備えず、スペーサ２０に複数のレンズ４１〜４４が固定されるため、半導体レーザ素子１０１〜１０４の高い面内実装密度を実現することができる。また、スペーサ２０に設けられた逃げ溝２０ｄにレンズ把持機構６０が配置され、レンズ把持機構６０により逃げ溝２０ｄに沿ってレンズ４１〜４４を把持することが可能であるため、レンズ４１〜４４の高精度な位置調整が可能となる。
【００５６】
レンズ４１〜４４の側面から、壁部２０ｃにおけるレンズ４１〜４４の側面と対向する面、すなわち、壁部２０ｃの内周面２０ｅまでの距離が大きすぎると、所望の接着力を得るための接着剤５０の量が多く必要となるため、接着剤５０の硬化時間が長くなったり材料コストが増加する。しかし、本実施の形態１では、レンズ４１の側面から、壁部２０ｃの内周面２０ｅまでの距離と、逃げ溝２０ｄの幅との和が一定である。これにより、当該距離と逃げ溝２０ｄの幅の最適値を見つけやすくなり、レーザ光源装置１の製造コストの増加の抑制とレンズ４１〜４４の位置の高精度な位置調整とを両立することができる。
【００５７】
また、壁部２０ｃを利用してレンズ４１〜４４とスペーサ２０との間の接着面積を拡大することで、接着固定の強度を容易に高めることが可能となる。レンズ４１〜４４の側面と壁部２０ｃの内周面２０ｅとの隙間はレンズ４１〜４４の位置調整に必要な寸法の２倍程度、すなわち、半導体レーザチップの発光サイズの±１０％程度の２倍であることが好ましい。この場合、レンズ４１〜４４の直径の４０％程度の逃げ溝２０ｄの幅Ｌ１を確保することができる。以上より、レーザ光源装置１の小型化および耐久性の向上を図ることが可能となる。
【００５８】
壁部２０ｃにおけるレンズ４１〜４４の側面と対向する面の高さは、レンズ４１〜４４の側面の高さの６０％以下であるため、壁部２０ｃの成形性を損なうことなくレーザ光源装置１の製造コストの上昇も抑制できる。
【００５９】
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係るレーザ光源装置１について説明する。図１３と図１４は、実施の形態２に係るレーザ光源装置１を駆動した際に出射光がレンズの出射面を通過する領域を示す図である。より具体的には、図１３と図１４は、互いに隣り合う３つの半導体レーザ素子が図中点線で示される正三角形の関係となるように配列されることで、レーザ光源装置１の単位面積当たりの半導体レーザ素子の実装率を高めた例を示す図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【００６０】
半導体レーザ素子を最密充填に配置することは、エタンデュの要件から導出される典型的な要望である。そのため、実施の形態２では、図１３と図１４に示すように、互いに隣り合う３つの半導体レーザ素子１０１〜１０３は、出射方向から視て正三角形状となるように配列される。なお、半導体レーザ素子１０１〜１０３はレンズ４１〜４３の内側にそれぞれ配置されている。
【００６１】
図１３は、すべての半導体レーザ素子１０１〜１０４が同じ方向を向くように配列された例であり、出射光７０の長軸がすべてｙ軸に平行となっている。図１４は、上段の２つの半導体レーザ素子１０３，１０４は出射光７０の長軸がｙ軸に平行となっており、下段の２つの半導体レーザ素子１０１，１０２は出射光７０の長軸がｘ軸に平行となっている例である。図１３と図１４は、レーザ光源装置１のエタンデュをまず小さくしてプロジェクタの光利用効率を向上させる考えに基づいている。なお、半導体レーザ素子の数および配列間隔は、必要とされるプロジェクタの総光出力およびプロジェクタ内部の光学設計に対応して柔軟にスケーリングすることができるパラメータである。
【００６２】
レーザ光源装置１から出射したレーザ光は後段の光学手段で集約されたり分離されて、プロジェクタで効率よく利用される。このため、図１３と図１４に示すような正三角形状の配列をベースにした、エタンデュが最も小さくなるレーザ光源装置１が必ずしも最適とは言えず、実施の形態１に示した正方格子状に配列する方が望ましい場合もある。いずれにしても、レーザ光源装置１は高い柔軟性をもって、プロジェクタの光利用効率を高める効果を発揮することが可能である。
【００６３】
以上のように、実施の形態２に係るレーザ光源装置１では、互いに隣り合う３つの半導体レーザ素子１０１〜１０３は、出射方向から視て正三角形状となるように配列されるため、レーザ光源装置１の単位面積当たりの半導体レーザ素子の実装率を高めて、レーザ光源装置１のエタンデュを最小に近づけることができる。
【００６４】
＜その他の変形例＞
なお、レンズ４１〜４４は、必ずしもその入射面が平面である必要はなく、凹凸いずれの方向でも曲面形状を有していてもよい。ただし、レンズ４１〜４４をｘ軸およびｙ軸に平行な面内で調芯する工程で、レンズ４１〜４４におけるスペーサ２０の上面と接する可能性のある範囲内においては、平面が形成されていることが望ましい。
【００６５】
レンズ４１〜４４は、その出射面および入射面が軸対称の曲面でなくてもよく、例えば出射面または入射面の形状が半導体レーザ素子１０１〜１０４からの出射光を速軸方向にのみ平行光化するシリンドリカルレンズであってもよい。
【００６６】
接着剤５０の塗布位置は、半導体レーザ素子１０１〜１０４の出射光７０がレンズ４１〜４４の出射面を通過する領域の外側であれば、半導体レーザ素子１０１〜１０４の位置する格子点の対角点同士を結ぶ方向の延長線上に必ずしもある必要はない。
【００６７】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【００６８】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１  レーザ光源装置、２０  スペーサ、２０ｂ  支持面、２０ｃ  壁部、２０ｄ  逃げ溝、３０  ベース、４１〜４４  レンズ、５０  接着剤、１０１〜１０４  半導体レーザ素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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