(57)【要約】半導体レーザ２００からの誘導放出光が多重散乱光学系を介して自由空間に放出される光源装置であって、多重散乱光学系は、半導体レーザ２００に近接する第１の領域２０４とその第１の領域２０４に接して自由空間に至る第２の領域２０５からなる。上記第１の領域２０４に散乱体を高濃度に含み、第２の領域２０５は、第１，第２の領域２０４，２０５間の境界面に形成される２次的な面光源の少なくとも主要部分に対する拡大鏡としてのレンズ部２０５ａを有する。これにより、簡単な構成で、高出力半導体発光素子を用いても人の目に安全で高い光の取り出し効率が得られると共に、低消費電力でかつ小型化と低コスト化ができ、高速かつ広範囲な通信エリアを有する光通信システムに適した光源装置およびそれを用いた光通信モジュールを提供する。
2003077389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源素子からの出力光が多重散乱光学系を介して外部に放出される光源装置であって、
上記多重散乱光学系は、少なくとも、上記光源素子に近接する第１の領域とその第１の領域に接して外部に至る第２の領域を含み、
上記第１の領域と上記第２の領域のうちの少なくとも上記第１の領域に上記第２の領域よりも散乱体を高濃度に含むことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光源装置において、
上記第２の領域がレンズ部を有することを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光源装置において、
上記レンズ部が、上記第１の領域と上記第２の領域との間の境界面に形成される２次的な面光源の少なくとも主要部分に対する拡大鏡であることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光源装置において、
上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓと上記光源素子の上記第１の領域の母材中での中心波長λとの関係を表すサイズパラメータｑを、
ｑ＝（２π／λ）・（Ｄｓ／２）
とするとき、上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓは、上記サイズパラメータｑが略１〜５０を満たす範囲にあり、かつ、上記散乱体の平均最近接距離が上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓの２０倍以下となるように、少なくとも上記第１の領域に上記散乱体が高濃度に分散された部分を含むことを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の光源装置において、
上記第１の領域がゲル状またはゴム状の物質を母材とすることを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光源装置において、
上記第１の領域の形状を定める壁面および底面を有し、上記壁面および底面の少なくとも一部に金属層が形成され、上記底面に上記光源素子が直接または間接に固着された凹部を備え、
上記凹部の上記壁面および底面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面が上記光源素子からの出力光の散乱光に対する反射面となることを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光源装置において、
上記凹部の壁面及び底面の少なくとも―部に形成された上記金属層は、少なくとも、上記第１の領域内に空間分布する散乱光の到達範囲内において、金属以外の物質が露出しないよう連続的に形成されることを特徴とする光源装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の光源装置において、
上記凹部の壁面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面が、上記光源素子の出射光の光軸方向を、上記第１，第２の領域の境界面側に変える反射面であると共に、
上記第１の領域における上記サイズパラメータｑが略１〜１５を満たす範囲にあることを特徴とする光源装置。
【請求項９】
請求項６または７に記載の光源装置において、
上記凹部の壁面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面が、上記光源素子の出射光の光軸方向を複数回変える反射面であると共に、
上記第１の領域における上記サイズパラメータｑが略１０〜５０を満たす範囲にあることを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の光源装置において、
上記凹部の開口が底面よりも径が大きく、上記凹部の底面の径に対する深さの比であるアスペクト比をｒとし、上記凹部の壁面の法線と上記光源素子の出射光の光軸方向とのなす角度をθ［ｄｅｇ］とするとき、
ｍａｘ｛２ｒ，３｝  ≦  θ  ≦  ２０ｒ
の条件を満足することを特徴とする光源装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の光源装置において、
上記凹部を構成する壁面の少なくとも一部は、開口部と底面部の断面形状が略同一の筒状をなし、その筒状の凹部の径に対する深さの比であるアスペクト比をｒとし、上記凹部の壁面の法線と上記光源素子の出射光の光軸方向とのなす角度をθ［ｄｅｇ］とするとき、
ｍａｘ｛ａｔａｎ（ｒ／５），３｝  ≦  θ  ≦  ａｔａｎ（ｒ／２）
の条件を満足することを特徴とする光源装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の光源装置において、
上記光源素子は半導体レーザであることを特徴とする光源装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光源装置において、
上記半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含む活性層を有し、発振波長が８８０ｎｍ〜９２０ｎｍの範囲であることを特徴とする光源装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光源装置において、
上記半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含む活性層を有し、ＩｎｘＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）で表される３元または４元からなる層の少なくとも一方を含むことを特徴とする光源装置。
【請求項１５】
請求項１２乃至１４のいずれか１つに記載の光源装置において、
上記半導体レーザが組成または層厚の少なくとも一方の空間的な揺らぎを有することを特徴とする光源装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の光源装置において、
上記半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含む活性層を有し、上記組成の空間的な揺らぎを有するＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）で表される３元または４元からなる層の少なくとも一方を含むことを特徴とする光源装置。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１つに記載の光源装置において、
上記半導体レーザに直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が、上記第２の領域内に存在することを特徴とする光源装置。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか１つに記載の光源装置を送信手段に用いたことを特徴とする光通信モジュール。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、トランスファーモールドやポッティング等により光学的なレンズ作用を持たせて樹脂封止された光源装置およびそれを用いた光通信モジュールに関する。
背景技術
近年、ＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｄａｔａ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）規格に準ずる赤外線通信モジュールは急激な小型化が進み、短距離（２０ｃｍ）仕様品はレンズ部分の径や高さが１ｍｍ〜２ｍｍ程度となるまでに至っている。通信速度については、ＩｒＤＡにおいても徐々にではあるが高速化が進む一方、光無線ＬＡＮ製品では、砲弾型のＬＥＤを２０個以上並列して光量を稼ぐ基地局と、鋭い指向性および追尾機能を有する端末装置との間で、数ｍの通信距離と１００Ｍｂｐｓ程度までの高速性の両立が図られつつある。
このようなワイヤレス光通信技術には、指向性や遮蔽が問題となる場面もあるが、高速性や秘匿性、特にコスト面の優位性を活かして、パームトップまたはハンドヘルドタイプの携帯端末装置の高速インターフェイスとしてその応用展開が期待される。しかしながら、上記高速光無線ＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）製品は一般的にサイズが大きく消費電力も相当に大きい。また過去には、高速化を重視して、比較的安価な近赤外波長域の半導体レーザをアイセーフ化してワイヤレス光通信に用いる試みが少なからずあったが、比較的大掛かりな拡散板やビーム整形光学系を用いるものが多く、ＩｒＤＡ準拠品並みの小型化や低価格化を実現するのは困難であった。
すなわち、既存のＩｒＤＡと光無線ＬＡＮの２者の間を埋め、より高速かつ広範囲な通信エリアを持つワイヤレス光通信システムを実現するために必要な、小型かつ安価な光通信モジュールは、未だかつて実用に供されていない。
発明の開示
そこで、この発明の目的は、簡単な構成で、高出力半導体発光素子を用いても人の目に安全で高い光の取り出し効率が得られると共に、低消費電力でかつ小型化と低コスト化ができ、高速かつ広範囲な通信エリアを有する光通信システムに適した光源装置およびそれを用いた光通信モジュールを提供することにある。
ここ数年にわたり、高速ＣＤ−Ｒ／ＲＷドライブやファイバアンプ励起光源に用いられる近赤外域（７８０ｎｍ帯，９８０ｎｍ帯）のＧａＡｓ系半導体レーザの高出力化技術には大いに進展があった。現在では、２μｍ〜６μｍ程度の狭ストライプ幅での単一基本横モード動作において、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ；連続波）１００ｍＷ〜３００ｍＷレベルの高出力化と数１０００時間以上の信頼性が達成されるに至っている。また、青色乃至は紫外域に発振波長を有するＩｎＧａＮ系半導体レーザも実用化に向けて開発が進み、次世代光ディスク用の書き込み光源として使用可能な３０ｍＷ以上の高出力も安定に得られるようになってきている。
自由空間にビームを放出する用途を想定すると、国際安全規格ＩＥＣ６０８２５−１や、国内においてはＪＩＳ  Ｃ６０８２等で定められるアイセーフティが満足されねばならない。特に民生機器への応用においては、光源からの出力光が何らかの光学系を介して直接目に入射する場合にも失明する危険のないクラス１レベルのアイセーフティが望まれる。
そこで、上記のような高出力半導体レーザの出力光を、特定のアパレント光源サイズに損失なく変換するアイセーフ化技術が確立されれば、先に述べたような次世代ワイヤレス光通信向けの基幹デバイスが実現されることとなる。本出願人は、そのための要素技術として、樹脂封止モジュール内部または送信レンズの内部に、３次元的に散乱材を導入することで空間的なコヒーレンシを低減する技術に注目した。
インコヒーレントな光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）の分野においては、輝度ムラの改善や白色ＬＥＤ向けの波長変換等の目的に応じて、各種粉体材料（いわゆるフィラー）を封止樹脂中に混入させることは周知である。例えば、特開昭５９−１１２６６５号公報や特開２０００−２００９２８号公報等によい例を見ることができる。しかしながら、半導体レーザを搭載する小型光源装置において、高い空間的コヒーレンシを低減するという観点から散乱材（フィラー）技術を詳細に検討した例は、本出願人の知る限り存在しない。
一方、コヒーレント光学や照明光学の分野においては、コヒーレンス度（Ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）の空間分布が異なる任意の面光源から、同一の放射強度分布（Ｒａｄｉａｎｔ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を構成し得ることが、面光源における等価定理（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ  Ｔｈｅｏｒｅｍ  ｏｆ  Ｐｌａｎａｒ  ｓｏｕｒｃｅ）として知られている（例えば、Ｍａｎｄｅｌ  ＆  Ｗｏｌｆ著，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｏｐｔｉｃｓ，１９９５  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，第５章参照）。すなわち、半導体レーザの出力光を何らかの散乱体を通して拡散させ、放射強度の角度分布を半導体レーザのそれと変わらぬよう光学系を構成することが、原理的には可能である。
しかしながら、上記分野のアプリケーション／インプリメンテーションにおいて利用される散乱体は、すりガラスやホログラムレリーフによる拡散板に代表されるように、表面または界面の粗さ・形状を利用して、入射光の位相および散乱角を局所的かつランダムに変化させるのが一般的である。これらは光源素子とは独立した光学素子であって、別途固定手段とそのスペースを必要とするため、光源系全体としてバルキーにならざるを得ない（かさが大きくなる）。あるいは、上記拡散板を軸周りに回転させたり、液体等に超音波を印加して動的回折格子を形成する等の技術も利用されているが、当然一段と大掛かりな光学系となる。
また、生体組織等の散乱体が密に詰まった光学的に厚い試料の性質を解析する場合、一般的には透過配置で前方散乱特性を調べることが行われている。基礎データとしての各種微粒子、血液や各部組織など個別のサンプルのコヒーレント散乱光成分の減衰や偏光解消等の諸特性に関する研究が蓄積されているものの、この発明で望まれるように、レーザ光源のコヒーレンシを微小体積内で効果的に消失させるという観点から多重散乱光学系の構成方法を系統的に示す研究はほとんど行われていない。
ところで、通常の半導体レーザの実装形態であるハーメチックシールのＣＡＮパッケージではなく、樹脂モールドパッケージを採用して低価格化を図る試みも従来からなされている。例えば、特許第２９２７０４４号や特開平０８−２３６８７３号公報等が参考となる。しかしながら、これらの技術は、光ディスク応用などの結像光学系への適用を狙って、半導体レーザが本来有する高い空間的コヒーレンシを保持することが大前提であって、それらの主旨、用途、技術的な背景は、この発明が対象とする多重散乱光学系とは大きく異なるものである。
この発明では、上記のように、高出力半導体レーザを搭載して出力光を安全に外部に放出することが可能な小型の光源装置や部品モジュールを、実際に安価に製造して実用に供するための種々の方法を明らかにしている。この発明で開示される構成に従えば、空間的コヒーレンシが十分に低減された上で、例えば１ｍｍ径のアパレントな光源サイズを有するモジュールにおいて、３０°の半値全幅の放射角で自由空間に発散するように制御されたビームが形成される。この場合、国際安全規格ＩＥＣ８０６２５−１  Ａｍｅｎｄｍｅｎｔ２に従えば、例えば８５０ｎｍの波長帯においてはＣＷで最大１５０ｍＷ程度の光出力が許容される。実用に際しては、ワイヤレス光通信モジュールの光源として、クラス１レベルのアイセーフティと同時に、放射角がある程度広くてかつ広すぎず（例えば６０°≧半値全幅の放射角≧３０°）、不要な広角への放射（裾引き）が抑制されて、１４０ｍＡ以下の駆動電流で１２０ｍＷのピーク出力が得られ、モジュール全体の厚みが３ｍｍ以下である高効率の超小型光源といった要求仕様が想定される。
したがって、本出願人は、典型的には出力光軸方向に１ｍｍ〜数ｍｍ以下程度のディメンジョン（寸法）を有する極めて微小な３次元構造体内において、半導体レーザからの出力光のコヒーレンシを低減しつつ、放射強度分布がよく制御された光源装置を構成するために、構造体内の特定の領域に散乱体を高濃度に分散させた多重散乱光学系を用いる手法を詳細に検討した。特に、散乱体の径や屈折率と分散濃度による上記微小な３次元構造体内での平均散乱回数、または、平均自由行程および輸送自由行程と、ランダムな干渉過程の結果生じるスペックルとの相関関係、さらには実用的な分散濃度範囲の上限および下限について、クラス１のアイセーフティを満足する条件を見出すための詳細な検討を重ねた。また、拡散板を用いた散乱光学系との比較や、コヒーレンシの低いＬＥＤやＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｄｉｏｄｅ）、またはブロードエリア半導体レーザを光源素子として用いる場合との比較も系統的に行った。
その結果、上記狭ストライプの光導波構造を有する高出力半導体レーザを用いた微小な多重散乱光学系において、その近視野像および遠視野像にはアイセーフティおよび放射強度の均一性のいずれにとっても深刻なレベルのスペックルパターンが発生し得るものの、この発明で開示される種々の評価方法および光学系の構成手段を用いることで、極めて効果的にスペックルが低減され、かつその他の光学的特性を両立できることが見出された。逆に、上記多重散乱光学系の構成手段を上記高出力半導体レーザ以外の光源素子にも好ましく適用することができる。例えば、ブロードエリア半導体レーザや面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ，Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）、それらのアレイバーや２次元アレイ、あるいはフェイズドアレイ等が挙げられる。さらに、上記多重散乱光学系の構成手段は光損失を極めて小さいレベルに抑制することができるため、ＳＬＤのように比較的時間的コヒーレンシの低い光源素子であって、光導波構造により通常のＬＥＤ（例えば数１００μｍ□）よりも小さい発光スポットを有する光源素子のアパレント光源サイズを拡大してアイセーフ化する場合にも有効である。
ところで、いわゆる中遠赤外線領域で発振可能な材料系や量子カスケード構造の半導体レーザを用いれば、強い近視野像スペックルが残留してもアイセーフティを確保することは可能ではある。しかし、上記通信用途では特に遠視野像におけるスペックルが実用上大きな問題となり得る。したがって、遠視野像と近視野像双方のスペックルを十分に低減する必要がある。近視野像スペックルを低減する手段を講じることで、基本的には遠視野像スペックルも低減される傾向にあるが、遠視野像のスペックルはある程度の改善レベルで飽和することもある。しかし、アイセーフティが確保されている場合には、放射強度の半値角（ピーク強度の半値となる放射角）以内の角度において半値を下回る擾乱（スペックルの振幅変動）が生じなければ、実用上差し支えはないと見なすことができる。
さて、近視野像のスペックルに関しては、散乱材で白濁化した光学系は一見集光性が低く見え安心感があることから、かえって人体を危険にさらすことになりかねない。また、比較的よく設計された拡散板やホログラム光学素子を用いる場合であっても、スペックルを完全に消失させることは容易ではない。
参考のため、特開平８−２６４８８５号公報に見られるいわゆる拡散板を用いて半導体レーザの空間的なコヒーレンシを低減した光学系の構成を図１６に示している。図１６に示すように、半導体レーザ１６００をステム１６０１上にダイボンドにより固定し、ワイヤボンディングにより電気的接続が行われている。そして、上記半導体レーザ１６００が搭載されたステム１６０１を覆うキャップ１６０２には、通常の低反射コートガラスに代えて、拡散板としての封止部材１６０３が設けられている。封止部材１６０３の片側表面を適当な粗面として、半導体レーザ１６００からの出射光の空間的コヒーレンシを低減する。透明半導体基板に対するエッチングやホログラム技術を用いることによって、拡散板を薄く形成し、小型の光源装置として構成されている。この光源装置の近視野像と遠視野像を後述する方法で評価したところ、遠視野像のスペックルは許容範囲内で製造できる場合もあった。しかしながら、放射強度分布（ＦＦＰ）では半値角以上の広角成分が大きく、理想的なガウシアン形状のＦＦＰに対して軸上放射強度が最大２割以上減少した。さらに、近視野像においては極めて大きなスペックルが発生し、拡散板の散乱面に工夫を施してもクラス１のアイセーフティを満足することは難しいことが分かった。
図１６の構成によれば、半導体レーザ１６００から放出された誘導放出光が、それを吸収／散乱しない封止気体領域１６０４を経て上記封止部材１６０３の散乱面に達し、自由空間に散乱光１６０５として放射される。このような表面を粗面化した拡散板を用いる場合、レーザ光が受ける散乱回数は極めて少なく、典型的には１回乃至高々数回程度である。したがって、少なくとも上記封止部材１６０３の粗面のグレインサイズ程度の局所領域内では空間的コヒーレンシが失われず、グレイン内または隣接するグレイン間の相互作用によって近視野像には顕著なスペックルが発生する。また、このような表面を粗面化した拡散板を用いる場合、アパレント光源サイズはレーザ素子の放射角特性と散乱面までの距離から幾何学的に決まるため、予め各部のディメンジョンの確定した小型の光源装置においては所望のサイズにまで拡大することが事実上困難となる。逆に、大きな光源サイズを得ようとすれば、レーザ素子と散乱面間の距離を大きく取らざるを得ない。
このような近視野像スペックルを有する微小光源からの出力光が、何らかの光学系を介して（状況によっては介さずとも）眼球に入射すると、網膜上に結ぶ像に含まれるスペックルの微細構造によって、局所的パワー／エネルギー密度の集中を招きレーザ光源特有の網膜熱損傷を惹起し得る。したがって、少なくとも、固視状態の眼球の自然な動き以下までスペックルパターンの構造を微細化し、かつ擾乱振幅が明瞭に観測できなくなるまで、時間的・空間的なコヒーレンシを低減することが望まれる。
一般的に、人間の眼球は１点を凝視した状態でも、静止せずに不随意運動している。フリック（０．０３秒〜５秒の間に１回、角度約２０分の飛躍）、ドリフト（１秒当たり約０〜３０分のドリフト）、トレモロ（３０Ｈｚ〜１００Ｈｚでの約１５分の微震動）の３成分が固視微動と総称されている。網膜上の像位置としては、高周波数成分として１秒あたりに数１０回、数１０μｍ程度の振幅で微震動しており、この移動量は、一般的に空間周波数が数１０本／ｍｍ以上の平行縞のコントラストを認識することが困難であるという事実と符合する。
典型的に観測される危険な状態のスペックルの光強度空間分布には、その最大値の１／ｅ（ｅは自然対数の底）以下にまで落ち込む急峻な微細構造が２次元的にランダムに空間分布する。特に、上記１００Ｈｚ程度の振動成分による綱膜上の像移動量（１０μｍ以上程度）と同程度、乃至は０．１ｍｍ程度までの広がりを有する微小なピークスポットが近視野像に多数含まれる場合、各スポットでの単位面積あたりのエネルギー密度が例えば平均値の５倍以上と大きくなり、網膜に重大な影響を及ぼし得る。
レーザ光源に対して空間的コヒーレンシを低減する何らかの手段を講じて光源サイズが拡大されている状況下では、ＬＥＤとのアイセーフティに関する本質的な違いは上記の点に集約される。なお、ある光源からのビームが何らかの集光光学系を介して網膜上に集光される場合、像スポットサイズは集光系の色収差の影響を強く受ける。実際、ＬＥＤ等の幅広い連続スペクトルを有する光を波長限界近くまで集光できない原因は、空間的コヒーレンシが低いことと並んで色収差の影響が大きい。後者は現状の安全規格では考慮されておらず、また定式化することも困難であるが、レーザ光源を主な対象とするこの発明の各手段や諸効果には何らかわるところはない。当然ながら、スペックルが発生しないＬＥＤや他の光導波構造を有する光源素子（例えばＳＬＤなど）においても、その発光スポットを損失なく拡大する場合にも好適に用いられ得る。
上記のように単一面光源の近視野像がスペックルを含む状況は、ＩＥＣ６０８２５−１規格等でアレイ光源に対してなされる考慮と以下の点で異なる。すなわち、個々のスペックルスポットが含む光パワーは、レーザからの全出力または面光源全体が有する光パワーに対してはわずかの割合を占めるのみである。各スポットでの局所的なエネルギー密度／パワー密度の増分は、ＰＡＲ（Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ａｖｅｒａｇｅ  Ｒａｔｉｏ）の局所的最大値とピークスポット面積の比で表される。したがって、上記微動量以下程度まで個々のスペックルスポットサイズを低減し、かつ、ＰＡＲの期待値（＝１）からの揺らぎの振幅を典型的には１／１００以下程度まで低減することが両立されれば、同一のアパレントサイズを有するＬＥＤ光源と同等のクラス１レベルのアイセーフティを確保することが可能である。
以下では、この発明が対象とする微小な多重散乱光学系の特徴と、解決すべき課題をまとめる。
まず、第１の特徴は、多重散乱光学系に入射する光は、ほぼ点光源から放出されるビームと見なされることである。光源装置全体は、樹脂基板やリードフレームまたはステム上に形成された微小光学系として、光源から外部までが一体化されて構成されたものを想定する。したがって、通常のコヒーレント光学系において一般的に行われるように、ビーム径をビームエキスパンダで数ｍｍ以上に拡大した後に多重散乱領域に入射させるような、空間的コヒーレンシを低減する光学的操作を行うことはできない。
第２の特徴として、多重散乱光学系において、光源から外部までの幾何学的距離は１ｍｍ〜数ｍｍ程度の極めて小さな光学系を想定している。したがって、多重散乱回数を稼ぐために、任意に光軸方向に長い光学系を構築することはできない。また、可動部や複合レンズ系等、一体部品としての形成が困難または不可能な構成は採用し難い。加えて、光学系全体のサイズが小さい故に、各工程や構成要素の精度が不足しがちであることも問題解決を難しくする。
第３の特徴として、用いられる光源素子は、比較的狭い１μｍ〜１０μｍ程度のストライプ幅を持つ単一横モードの高出力半導体レーザであることが望ましい。このような光源を用いることによって、ＬＥＤやＳＬＤ等の連続的な波長スペクトル分布を有するコヒーレンシの低い光源素子を用いる場合に比べ、格段の低消費電流化や従来実現不可能であった高出力化と高速化が両立される。
しかしながら、通常の狭ストライプ半導体レーザがｍＷ以上程度で動作する場合、スペクトル線幅は典型的に１０ＭＨｚ程度、コヒーレンス長（振幅分割した２つの光波が干渉可能な最大光路差）は、数１０ｍ以上程度である。数１０ｍＷ以上の高出力動作では、一般的には出力の逆数に比例して線幅が狭くなるが、場合によっては、縦モード間相互作用やゲイン飽和、定在波効果による軸方向またはストライプ横方向のホールバーニング（共振器内での電界強度分布の不均一性による局所的な利得飽和）等の非線形効果等によって、スペクトル線幅は逆に１０ＭＨｚ以上程度に広がり、コヒーレンス長は数ｍ以下程度となることもある。いずれにせよ、外部共振器等による強制的な周波数変調を行わない、通常のレーザのコヒーレンス長は、この発明で想定する光学系のディメンジョン（寸法）よりも遥かに長い。
上記諸課題の解決にあたって、スペックルパターンを本質的に消失させるには、多重散乱領域内での散乱光路長の分布を半導体レーザ固有のコヒーレンス長以上に十分長くとり、多重散乱光学系から出力される散乱光成分がコヒーレンスを時間的に喪失した状態とすることが十分条件となる。これは、必ずしも光学系の全長自体がコヒーレンス長以上必要ということを意味するわけではない。すなわち、高次の多重散乱によって実際の散乱光路長（またはその平均値）を幾何学長の数倍から数１０倍以上にまで拡大したり、半導体レーザの線幅を何らかの手法により意図的に広げたりすることができる。
しかしながら、半導体レーザ自身の時間的なコヒーレンスを、特殊な素子構造を採用してある程度低減しても、空間的にほぼ点光源と見なされる状況のままではアイセーフティの向上に寄与しない。一方、この発明のように微小な多重散乱光学系を採用し、波面分割を繰り返して空間的コヒーレンシを低減する場合も、全光路を上記半導体レーザのコヒーレンス長以上に拡大することは容易ではない。散乱領域のボリューム、散乱体の種類やサイズおよび分散濃度等のパラメータを変化させると、散乱光路長分布の変化に応じてスペックルパターンは劇的な変貌を遂げるため、これを制御する手段が必要である。
ここまでに説明したように、３次元構造内の極めて微小な領域に散乱材を高濃度分散させたスタティックな多重散乱光学系を対象として、半導体レーザの時間的・空間的コヒーレンシおよび放射強度を制御する場合に起こり得る問題点を明らかにし、散乱体の各パラメータ、散乱光路に含まれる反射面の影響、さらに多重散乱光学系全体の設計について具体的指針や最適化例を明示した文献は、本出願人の知る限り存在しない。この発明では、散乱光路長を拡大する種々の手段、または、微小な多重散乱光学系でより効果的に空間的なコヒーレンシを低減するための種々の手段を開示し、アイセーフティの確保に十分なスペックル低減を達成する。
上記微小３次元構造の多重散乱光学系においては、各所のパラメータが多岐にわたり、その最適化には拡散板単体の場合等と比べて大きな困難が伴う。例えば、上記スペックルの問題を解消するために、多重散乱光学系の全体にわたって散乱体濃度を上昇させると、外部への放射強度において半値角外への裾引き成分が顕著に現れ、動作電力は大幅に増大して光源装置として実用にたえないものとなる。また、散乱体濃度が高すぎる場合、光軸方向への透過光が隠蔽されて光源として利用可能な出力が十分に得られないことがある。この発明では、単に近視野像および遠視野像のスペックルを問題とならないレベルにまで抑制するのみならず、多重散乱光学系を介して外部に放出される光の放射強度の角度分布を整え、光源装置として利用可能な光出力を損なうことのない種々の手段を提供する。
次に、半導体レーザを取り囲んで一体化された多重散乱光学系を介して、半導体レーザからの誘導放出光を外部に放出する微小な光源装置において、近視野像を不可逆的に拡大しつつスペックルの問題を十分に抑制し、かつ所望の光学特性を有する多重散乱光学系を実現するための個々の手段を開示し、それらの作用について述べる。
上記目的を達成するため、この発明の光源装置は、光源素子からの出力光が多重散乱光学系を介して外部に放出される光源装置であって、上記多重散乱光学系は、少なくとも、上記光源素子に近接する第１の領域とその第１の領域に接して外部に至る第２の領域を含み、上記第１の領域と上記第２の領域のうちの少なくとも上記第１の領域に上記第２の領域よりも散乱体を高濃度に含む。また、上記第２の領域はレンズ部を含む。あるいはまた、上記第２の領域が、上記第１の領域と上記第２の領域との間の境界面に形成される２次的な面光源の少なくとも主要部分に対する拡大鏡となることを特徴としている。
上記構成の光源装置によれば、上記光源素子からの出力光の空間的コヒーレンシを十分に低減する多重散乱を主に上記第１の領域で生じさせ、放射強度の角度分布特性の制御を主に上記第２の領域の拡大鏡で行って、各部の最適化を切り分けて行うことができる。具体的には、例えば高出力の半導体レーザから、その半導体レーザに近接する第１の領域の母材中に、μｍ程度のスポットから略５°〜２０°（接合方向）および１０°〜４０°（層方向）程度の半値全幅を有してコヒーレント光が放出される典型的な状況において、上記第１の領域で後に詳しく説明する輸送平均散乱回数として数回以上の十分な多重散乱を経るように、適切な散乱特性を有する散乱体を適切な濃度で分散させる。これにより、微小体積内でもレーザ光の波面が極めて多数に分割されて効率よく拡散し、統計的に散乱パス間の交差角が広がる。したがって、近視野像においては、特にアイセーフティに関して問題となりうる０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の広がりを有する局所的ピークは微細化され不明瞭化される。ＰＡＲ（Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ａｖｅｒａｇｅ  Ｒａｔｉｏ）の振幅の確率分布はガウス分布と見なされ、ＰＡＲの偏差σが１０−１以下あるいは１０−２以下と極めて小さいレベルに低減される。このように、半導体レーザに近接する上記第１の領域内において十分な多重散乱を経ることにより、上記第１の領域と第２の領域の界面には、有限のサイズに拡大された単一の２次的面光源が形成され、２次的面光源全体として見ればグローバルな空間的コヒーレンシを喪失する。上記２次的面光源から放射されるレーザ光は、多重散乱の結果、完全ランバーシアンに近い放射強度分布を持って上記第２の領域に入射する。
さらに、上記レンズ部は、上記２次的面光源の少なくとも主要な部分に対する拡大鏡として、前側焦点付近においた物体（ここでは面光源）の拡大虚像を作るよう設けるのが望ましい。すなわち、外部から上記２次的面光源を観察した場合に、第２の領域は上記２次的面光源の正立虚像を形成するように、拡大鏡の光源側焦点が２次的面光源よりもさらに奥に位置するよう配置される。典型的には、上記焦点から上記第２の領域のレンズ部分を見込む立体角内に、上記２次的面光源の少なくとも主要な部分が収まるように、第１および第２の領域の境界面を上記焦点よりも光軸前方にシフトさせて配置する。
このように、上記第１の領域に接して第２の領域を構成することにより、多重散乱によって近視野像を拡大しつつ、広角への散乱成分まで効率よく集め、上記第２の領域で上記２次的面光源の近視野像が遠視野像に変換される過程において、光の経路が局所的に低角で重なり合う確率を低減することができる。したがって、光源素子として半導体レーザを用いた場合であっても、近視野及び遠視野像のスペックルを抑制しつつ放射強度の均一性が高く切れのよいビームパターンを形成し、微小な多重散乱光学系においても、好ましい光学特性とアイセーフ確保とを両立することができる。
このように、光源素子からの出力光は、上記第１の領域を経て空間的コヒーレンシが低減され、最終的に第２の領域が有するレンズ部において放射強度分布が整形されて、外部に放出される。この第２の領域の外部として、通常は自由空間が想定される。すなわち最終的な出力光は、大気、真空チャンバあるいは宇宙空間など光路を妨げる物体のない空間中に放出され得る。あるいは上記レンズ部が所望のビーム整形をなし得るならば、他の屈折率を有する媒質、すなわち各種樹脂／プラスチックや水等であっても良い。また、上記第２の領域の外部が、それ自身何らかの形に形成されたり、さらには枠体や容器等で囲まれるなど、本明細書では詳述されない変形を受けていても良い。それらが取り外されたり破損するなどして出力光が漏洩した場合においても、全く同様に光源装置としてのアイセーフティを確保することができる。
また、この光源装置は、近赤外線領域の高出力半導体レーザを組み込んだワイヤレス光通信モジュールや、青紫乃至紫外域の半導体レーザを波長変換機能を有する散乱材によって白色光源化した小型の映像プロジェクタ等に対して好適に用いることができる。
なお、この光源装置においては、上記多重散乱光学系の第２の領域が含んでもよい散乱体の濃度は、上記第１の領域が含む散乱体の濃度の１／１０以下であることが望ましい。また、上記第１の領域の散乱体とは異なるフィラー材料、すなわち光源素子からの出力光に対する散乱機能を有さないものであれば、上記濃度範囲を逸脱して分散させてもよい。いずれにせよ、上記第２の領域においては、光源素子からの出力光は平均として高々数回程度の散乱を受けるのみであるか全く散乱を受けないことが望ましい。これにより、多重散乱領域としての作用は主として第１の領域でなされ、放射強度の半値角外への不要な裾引きが抑制された均一性の良好なビーム光学系が、アイセーフティの確保と両立して構築される。
また、一実施形態の光源装置は、上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓと上記光源素子の上記第１の領域の母材中での中心波長λとの関係を表すサイズパラメータｑを、
ｑ＝（２π／λ）・（Ｄｓ／２）
とするとき、上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓは、上記サイズパラメータｑが略１〜５０を満たす範囲にあり、かつ、上記散乱体の平均最近接距離が上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓの２０倍以下となるように、少なくとも上記第１の領域に上記散乱体が高濃度に分散された部分を含むことを特徴としている。
レイリー散乱とミー散乱の境界状態において、比較的等方性が高く断面積の大きい散乱特性が得られることは古典的散乱理論からも知られる。しかしながら、上記多重散乱光学系におけるスペックルパターンの詳細な検討から、散乱振幅の不均斉が小さく（等方性が高いながらも後方散乱成分が少なく）、かつ、上記第１の領域として構成されるのに好ましい分散が可能となる散乱体として、典型的に上記サイズパラメータｑを１〜１５、特に１〜１０程度を主とすることが好ましいことが見出された。または、より微小なある種の多重散乱光学系の構成においては、上記サイズパラメータｑが１０〜５０程度を主とし前方散乱成分を意図的に増すことが好ましい場合がある。また、上記範囲内で複数の粒径分布ピークを有するように、異なる材料または粒径分布を有する散乱体を混合して分散することが好ましい場合もある。このようにサイズパラメータｑを設定することは、ＳＬＤのように数１０ｎｍの連続的波長スペクトル拡がりを有する光源素子、あるいは数１０ｎｍにわたってマルチモード発振する半導体レーザなどに対しても、十分に有効であることが見出された。すなわち、出力光の中心波長に対してサイズパラメータｑを設定することで、極めて効果的に空間的コヒーレンシを低減し、近視野像を不可逆的に拡大することができる。
上記第１の領域における散乱体と媒質の屈折率差の絶対値△ｎは、典型的には０．１以上、望ましくは０．１５以上の散乱体を主とすることが望ましい。ある種の多重散乱光学系においては、屈折率差△ｎが０．０５以上程度の散乱体を主とすることで好ましい結果が得られる場合もある。さらに、上記望ましいサイズパラメータｑの範囲内において、積△ｎ・ｑが略２〜８の範囲に選ぶことが望ましく、特に３の近傍となるよう上記サイズパラメータｑを選ぶことが望ましい。個々の散乱体の散乱振幅の角度分布は、屈折率差△ｎには強く依存しないため、散乱振幅の不均斉が小さく、後方散乱成分も比較的少ない望ましい粒子種を選択するための目安を与える。
上記散乱体の各パラメータについては実施の形態とともにその詳細を説明するが、上記の数値的な限定は主に、多重散乱光学系の微小さまたはそこでの高濃度の均一分散の困難さから生じるものであって、多重散乱光学系全体の構成を含めて解決されるべき本質的問題を含んでいる。
さらに、上記多重散乱光学系の第１の領域において、上記十分な多重散乱を、典型的には１ｍｍ〜数ｍｍの光軸方向ディメンジョンＬを有する上記第１の領域内で得るためには、散乱平均自由行程を数１０μｍ以下程度とすることが望まれる。一般論としては、散乱体単体の散乱断面積σｓを散乱理論から求め、散乱平均自由工程ｌを、
ｌ＝１／（σｓ・Ｎｓ）
（ただし、Ｎｓは単位体積あたりの散乱体数、数密度）
から、すなわち分散濃度（体積比または重量比）から推定することができる。
そこで、比Ｌ／ｌを平均散乱回数としてパラメータ化し、多重散乱領域の最適化過程におけるバリスティックな直進光成分の減衰のよい指標とすることができる。一方、散乱角θ、散乱体単体の位相関数ｐ（θ）により、不均斉因子ｇ（ｍｅａｎ  ｃｏｓｉｎｅ）を、
2003077389.tif 000003
から求め、輸送平均自由工程ｌＡＶＥを、
ｌＡＶＥ＝ｌ／（１−ｇ）
で定義することができる。この関係を用い、輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥをパラメータとすることで、多重散乱領域内の光軸方向への光の伝播によるコヒーレンシの消失過程の指標とすることができる。特に、この光源装置においては、望ましいサイズパラメータｑを満たす散乱体を用い、上記輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥを指標とすることで、スペックルを極めて低いレベルまで低減し、クラス１のアイセーフティを満足する各部の組み合わせ条件が抽出できることが判明した。
ここで、散乱体がランダムに空間分布する限りは、散乱体濃度または体積比が大きくなるほど上記平均散乱自由行程ｌは短くなるという事実に基づいて、上記手法によってこの光源装置の多重散乱光学系を望ましく構成することができる。典型的には、０．５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％程度の分散濃度範囲において好ましい製造条件を見出すことができる。しかしながら、散乱体が直接接し得るような高濃度の分散体においては、スペックルの低減という観点から好ましくない事象が発生し得る。原因の１つは微粒子の２次凝集の問題であり、もう１つは散乱体の空間分布が稠密構造を取るなどしてランダムさが減少することである。可能な限り微小な光学系で効率よく空間的なコヒーレンシを低減するために、上記望ましい散乱体粒径の範囲において、必要最低限の分散濃度を明らかにすることが、実際の製造工程を管理する上で重要である。
そこで、上記第１の領域に主として分散される散乱体の平均最近接距離を、上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓの２０倍以内程度となるように分散させることにより、ｍｍオーダの極微小な多重散乱光学系において、先述の輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥとして、数回〜数１００回の多重散乱を生じさせてアイセーフティを確保できることが見出された。
また、一実施形態の光源装置は、上記第１の領域がゲル状またはゴム状の物質を母材とすることを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、硬化後の硬さが所謂針入度やＪＩＳ  Ａ硬度で規定されるゲル状物質またはゴム状物質（エラストマー等）を用いることにより、第１の領域として硬化させる。これにより、散乱体の沈降等による散乱特性の経時変化を防止すると共に、トランスファーモールドのように樹脂封止等の圧入工程を経て上記第２の領域が形成される場合にも、上記第１の領域を安定に保持することができる。
また、ゲル状またはゴム状の物質を母材とすることで、入手の容易な各種散乱体を、強力な剪断力（シア）を有さない簡易な混練・分散装置によっても好ましく均一分散することができる。すなわち、上記１〜５０の範囲のサイズパラメータｑを有する散乱体を、０．５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％以下程度の濃度範囲でゲル状またはゴム状の物質に分散することにより、概ね上記平均最近接距離を粒径最頻値Ｄｓの２０倍以内程度とする良好な分散状態が得られる製造条件が見出される。典型的には、母材に対する散乱体の体積比１ｖｏｌ％〜１５ｖｏｌ％程度がスペックル低減に極めて効果的である。また特に、アクリル系、スチレン系、または変性シリコーン系等のポリマー微粒子は、この発明において散乱体として極めて好ましい特性を有する場合があり、一般的なシリコーン系のゲルやエラストマーとの間で適切な屈折率差と良好な分散性を確保することが可能である。
分散母材として特に、硬化前の流動性が比較的高く、硬化後にも十分な柔軟性を有するシリコーンゲルはより好ましく、硬化前の粘度が６０００ｍＰａ・ｓ以下程度のものは、例えば容器回転型のミキサー等の簡易型で安価な分散・混練装置に対して極めて好適に用いることができる。また、高濃度分散させる散乱体の粒径分布は、上記サイズパラメータの望ましい範囲内においてその偏差を大きくしたほうが、母材硬化後の硬さ（柔軟性）を適切に保つため、また均質な単分散を得るためにも好ましい。
このように、散乱体を適度に高濃度分散し適度な流動性を有するゲル状またはゴム状の物質を光源素子に近接して配置し、かつ、その体積および３次元形状を所望の状態に整えて硬化させることにより、多重散乱光学系の第１の領域として極めて好ましい特性を得ることができる。すなわち、光源素子近傍の微小体積内において、効率よく出力光の空間的コヒーレンシを喪失させることが可能になる。
上記作用に加えて以下のような諸作用が得られる。すなわち、ゲル状またはゴム状の物質を母材として用いることによって、光学系の他の部分から光源素子が受ける熱膨張率の違いによる応力を緩和し、また放熱性を向上して、高出力動作時の信頼性を確保することができる。とりわけ、半導体レーザを用いる場合、光軸上に生じるコヒーレント後方散乱ピーク、すなわちレーザ出射端面への戻り光を発生させて、その光量を散乱体（特に分散濃度）によってある程度制御することが可能になる。典型的には、分散体積比（分散濃度）１ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％程度の範囲において、半導体レーザのスペクトル線幅の増大または縦マルチモード化を適度に促して、半導体レーザそのものの時間的なコヒーレンシを低下させ得ることが見出された。ただし、散乱体の分散濃度が３０ｖｏｌ％を超えると典型的には散乱領域の強い隠蔽力からレーザ発振が不安定となって高出力化が図り難い傾向がある。
また、一実施形態の光源装置は、上記第１の領域の形状を定める壁面および底面を有し、上記壁面および底面の少なくとも一部に金属層が形成され、上記底面に上記光源素子が直接または間接に固着された凹部を備え、上記凹部の上記壁面および底面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面が上記光源素子からの出力光の散乱光に対する反射面となることを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記第１の領域の形状を定める壁面および底面を有する凹部を備えることによって、時間的または空間的コヒーレンシを十分に低減するための上記第１の領域が、ゲル状またはゴム状の流動性物質からなる場合にも、体積や３次元形状等、上記第１の領域のディメンジョン（寸法）を明確に規定することができる。すなわち、上記第１の領域の散乱体濃度を制御して、強度分布の均一性が高くサイズが明確な２次的面光源を得ることができる。
また、特に上記金属層が凹部の壁面および底面の少なくとも一部をなすことで、その内部に安定に形成・保持された第１の領域において発生する多重散乱光には、上記凹部の開口部が散逸口となって、全体として第１の領域に閉じ込められつつも第２の領域に向かって導波される。この過程において、空間的コヒーレンシが特に顕著に低下する作用が生じる。
この光源装置の強度分布均一性を高めて光源サイズを明確化する作用、および、空間的コヒーレンシを効率よく低減する作用を、光出力を損うことなく得るために、上記凹部の金属層へと光が入射するときの反射率はあらゆる入射角に対して高いことが望まれる。一般に、より屈折率（複素屈折率実部）が小さい方が全反射の臨界角が小さく、かつ、消衰係数（または複素屈折率虚部の絶対値）が大きい方が臨界角内でもより高い反射率が得られる。したがって、上記凹部の金属層をなす物質として典型的に好ましいのは、金、銀、銅等の金属である。
特に、シリコーンゲルを第１の領域の母材とし、上記金属層を銀とした場合、可視乃至赤外光に対して、全反射臨界角は１０°未満で臨界角内の反射率も９０％以上と高い値が得られる。したがって、上記凹部の金属層をＡｇベースのメッキ処理、またはＡｇペースト処理により形成することは実用上極めて好ましく、マグネシウムを含んだメッキ処理を施すことも同じ理由から好ましい。ここで、上記金属層の表面がごく薄い自然酸化物等で覆われても、上記光学特性上においては問題がなく、電気的にも通常のダイボンドまたはワイヤボンド等の工程によって良好な導通を得ることができるのは言うまでもない。
また、一実施形態の光源装置は、上記第１の領域の形状を定める壁面および底面の少なくとも一部に形成される金属層が、少なくとも、上記第１の領域内に空間分布する散乱光の到達範囲内にある主要な部分において、上記金属以外の物質が露出しないよう連続的に形成されることを特徴としている。
すなわち、上記金属層が単一の層からなる場合のみならず、複合的な凹部として、複数の金属層から形成される場合においても、上記単一または複数の金属層以外の全反射特性を示さない物質が、上記主要な部分と直接接することがないよう、上記単一または複数の金属層を連続的に形成する。このように第１の領域を構成することにより、第１の領域内に空間分布する散乱光が、光軸方向以外に漏れ出すことを効果的に防止することができる。したがって、上記第１の領域が有する、光源装置の強度分布均一性を高め光源サイズを明確化する作用、および、空間的コヒーレンシを効率よく低減する作用を、光出力の損失を招くことなく得ることができる。
また、一実施形態の光源装置は、上記凹部の壁面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面が、上記光源素子の出射光の光軸方向を、上記第１，第２の領域の境界面側に変える反射面であると共に、上記第１の領域における上記サイズパラメータｑが略１〜１５を満たす範囲にあることを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記凹部の壁面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面によって、上記第１の領域の全体として光軸を１回以上折り曲げ、より多くの散乱を生じさせて散乱光路長を広げることができる。また、少なくとも初期の散乱（乱反射）を、波長精度の鏡面であることを想定しない簡易な工程で得られる反射面によって生じさせる。したがって、厳しい小型化の要求に対して、より小さいディメンジョン（寸法）の多重散乱光学系でスペックルを十分に低減する多重散乱作用を得ることができる。
ここで、上記第１の領域内での光軸変換直後には、第２の領域の拡大鏡の光軸に略平行な光線の存在確率が相対的に高くなる。したがって、第１の領域に主として分散される散乱体は、サイズパラメータｑが略１〜１５の範囲、特に１〜１０の範囲を満たす比較的小粒径のものとし、上記不均斉因子ｇ（ｍｅａｎ  ｃｏｓｉｎｅ）が１から離れて完全ランバーシアンの値（２／３）に近いかそれを上回る程度とすることが望ましい。これにより、バリスティックな直進光成分を効果的に減衰させ、かつ後方散乱成分を抑制して、光源として利用できる光出力を効率よく得ることができる。上記第１の領域の母材と散乱体の屈折率差は、△ｎ＝０．１以上、特に０．１５以上程度の散乱体が、散乱振幅の角度依存性に対する要求と規格化散乱断面積を両立する上でより好ましい。後に詳しく説明するように、ｇの値や△ｎの差異は分散濃度の設定によりある程度吸収でき、例えば上記の範囲に設定することで安定して所望の特性が得られるが、特に上記サイズパラメータｑの範囲は重要である。
上記比較的小さな粒径の散乱体を主として含む構成は、高濃度分散が可能な母材および混練装置の組み合わせが利用可能であれば、最も容易にアイセーフティを確保し、散乱体の隠蔽力等による光損失の影響がない良好な光源特性を得ることが可能である。また、高出力動作が可能な一般的な端面発光型の半導体レーザを、簡便なダイボンドの形態によって実装できるため、上記特性を有する光源装置を極めて低コストで製造することが可能である。
上記第１の領域の変形例として、上記散乱体を主（数密度として最大）としながら、上記サイズパラメータｑが略１〜１５の範囲を逸脱する相対的に大粒径の散乱体を混合分散してもよい。すべての散乱体を含めた平均最近接距離が、最頻径すなわち主として分散される散乱体の最頻径Ｄｓの略２０倍以内程度となるよう分散する。これによって、アイセーフティを満足しつつ光取り出し効率を向上させ、分散工程を容易化する分散条件が見出される。また、上記凹部により形状が定まる第１の領域において、上記混合分散を行うかわりに、第１の領域内で異なるパラメータを持つ散乱体を空間的に分離したり、同じ散乱体を空間的に分散濃度を変えるなど、上記第１の領域を２層以上の複数の層からなる積層体として構成することも望ましい。上記第１の領域を複数の部分（または層）から構成し、コヒーレントな波面を多数に分割する作用を主眼とする部分と、均斉の高い散乱を多数回発生させることを主眼とする部分の体積を変えることにより、隠蔽力を抑制しつつ十分なスペックル低減効果を得ることが可能である。このように、第１の領域を多層化することにより、分散工程最適化の困難さは低減されるが、トータルのコスト面では不利になる。
また、一実施形態の光源装置は、上記凹部の壁面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面が、上記光源素子の出射光の光軸方向を複数回変える反射面であると共に、上記第１の領域における上記サイズパラメータｑが略１０〜５０を満たす範囲にあることを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記凹部の壁面の主要な部分に特定の傾斜角度を持たせ、散乱体が存在しないと仮定した場合に、光源素子の出射光（すなわち直達波）が２回〜５回程度の反射回数で上記凹部の開口に達する構成とすることにより、散乱光路長を格段に大きく取ることができ、比較的小さい体積内、特に第２の領域の光軸方向への厚みが薄い場合に、効果的に多重散乱を発生させつつ光の取り出し効率を高く保ち、かつ、第２の領域との界面に形成される２次的な面光源の均一性を格段に向上させて、スペックル低減を図ることができる。
また、上記構成においては、第１の領域に主として分散される散乱体のサイズパラメータｑは略１０〜５０の範囲、特に１５〜４０の範囲にある。すなわち、粒径が比較的大きく、上記不均斉因子ｇが０．９を超えるものの方が好ましい。これにより、上記壁面の多重反射と比較的強い前方散乱特性を有する散乱体の多重散乱によって、より効果的に近視野像を均一化し、容易にアパレント光源のサイズを広げることができる。比較的低屈折率差△ｎの散乱体を用いてもよく、シリコーンベースの母材に対して、アクリル系有機微粒子やＳｉＯ２、他の金属酸化物等も好適に用いることができる。例えば空気中において９００ｎｍで発振する近赤外半導体レーザに対して、サイズパラメータｑが１０〜５０とは、粒径Ｄｓで約１μｍ〜７μｍに相当する。上記比較的大きな粒径の散乱体を主として分散する場合、より簡易な混練・分散工程によって容易に微小な多重散乱光学系を構成することができる。また、上記構成では、高出力動作可能な端面発光型の半導体レーザを、簡便なダイボンドの形態によって実装し、所望の特性を有する光源装置を低コストで製造することができる。
上記構成においては勿論、屈折率差の大きいＴｉＯ２等を主な散乱体としても、  比較的大粒径の粒子であれば好適に用いることができるが、高屈折率差を有する無機酸化物系の大粒径微粒子は極めて高価となる傾向がある。上記多重反射と多重散乱の組み合わせを用いる構成においては、比較的低屈折率差（典型的には０．０５≦△ｎ≦０．２程度）であっても大粒径（ｑ≧１０程度）の散乱体を主とし、上記ＴｉＯ２のような高屈折率差（△ｎ≧０．２程度）で小粒径（ｑ≦１０程度）の散乱体を副として混合分散することは極めて好ましい。すべての散乱体を含めた平均最近接距離を、粒径最頻径すなわち主として分散される散乱体の最頻径Ｄｓの２０倍以内程度とし、スペックル低減の観点から許容可能な範囲内で比較的低い濃度でブレンドすることにより、より簡易な分散工程によって、２次的面光源の均一性と光出力の取り出し効率を、スペックル低減と両立することができる。
上記混合分散を行うかわりに、第１の領域内で異なるパラメータを持つ散乱体を空間的に分離したり、同じ散乱体でも分散濃度を変えるなどして、上記第１の層を２層乃至複数の層からなる積層体として構成してもよい。例えば、第１の領域の光源素子（例えば半導体レーザ）に近接する大部分の領域を比較的大粒径の散乱体１０ｖｏｌ％分散した層で構成し、その上部に比較的小粒径で高屈折率差の散乱体を１ｖｏｌ％程度分散した薄い層を設けてもよい。上記第１の領域の最上層が仮に凝集体を含む多分散となっていても、好ましいスペックル低減効果と光取り出し効率および近視野像の平坦化を両立する分散条件を見出すことができる。このように、上記第１の領域を複数の層または部分から構成し、コヒーレントな波面を多数に分割する作用を主眼とする部分と、均斉の高い散乱を多数回発生させることを主眼とする部分の体積（または体積比）を変えることにより、第１の領域の構成を最適化することができるが、トータルコストとしては不利になる。
また、一実施形態の光源装置は、上記凹部の開口が底面よりも径が大きく、上記凹部の底面の径に対する深さの比であるアスペクト比をｒとし、上記凹部の壁面の法線と上記光源素子の出射光の光軸方向とのなす角度をθ［ｄｅｇ］とするとき、
ｍａｘ｛２ｒ，３｝  ≦  θ  ≦  ２０ｒ
の条件を満足することを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記凹部の開口が底面よりも径が大きく、上記条件を満たすことによって、効果的に多重散乱を発生させつつ光の取り出し効率を高く保ち、かつ、第２の領域との界面に形成される２次的な面光源の均一性を格段に向上させて、スペックル低減を図ることができる。
また、上記角度θに下限を設けることが望ましい。すなわち、平均散乱回数が数１００回を超える多重散乱を生じ得る場合、光出力が隠蔽力されて取り出し難くなる傾向がある。上記凹部の壁面への入射回数が極めて大きくなると、統計的に上記壁面をなす金属層で反射されずに吸収される事象が無視できなくなり、第２の領域に効率よく光を導くことが困難となる傾向がある。そこで、２ｒ≦θとすることによって、上記多重散乱の平均回数が大きくなりすぎる問題を現実的に回避できることが見出された。上記凹部の壁面の最表面を構成する典型的な金属と、上記第１の領域の母材として典型的なシリコーン系ゲルやその他の樹脂系材料の組み合わせでは、全反射の臨界角は５°〜２０°程度となる。これに対して、多重散乱光学系の典型的構成例においては、３≦θ［ｄｅｇ］とすることによって、上記臨界角以内の金属層への平均入射回数が大きくなりすぎる問題を回避することができることが見出された。したがって、ｍａｘ｛２ｒ，３｝≦θ、すなわち（２ｒ）°と３°のうちのいずれか大きい値よりも上記角度θを大とすることにより、上記第２の領域に効率よく光を導くことが困難となるという問題を解決することができる。
上記凹部の壁面を完全に理想的な幾何学形状とすることにより、上記角度θは幾何学計算から簡単に求められる。しかしながら、この光源装置においては、より簡易な手段で多重散乱光学系の全要素を構成することが重要であって、例えば回転体による樹脂基板の掘削や、円柱または多角形柱の押圧または打抜等の工程によって上記凹部の構成要素を形成する場合に、特に底面および開口の近傍において理想的な形状や寸法からのずれを生じることが多い。上記θ≦２０ｒ、さらにはｍａｘ｛２ｒ，３｝≦θなる数値限定は、このような実際の製造工程を考慮した上で良品歩留まりを評価して得られたものである。
また、一実施形態の光源装置は、上記凹部を構成する壁面の少なくとも一部は、開口部と底面部の断面形状が略同一の筒状をなし、その筒状の凹部の径に対する深さの比であるアスペクト比をｒとし、上記凹部の壁面の法線と上記光源素子の出射光の光軸方向とのなす角度をθ［ｄｅｇ］とするとき、
ｍａｘ｛ａｔａｎ（ｒ／５），３｝  ≦  θ  ≦  ａｔａｎ（ｒ／２）
の条件を満足することを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記光源素子の出射光の光軸方向を複数回変換する構成として、上記第１の領域において、上記凹部を構成する壁面の少なくとも主要な一部は、開口部と底面部の断面形状がほぼ同一の筒状をなし、上記凹部のアスペクト比（深さ／光源素子の光軸方向の径）をｒ、上記壁面の法線と光源素子本来の光軸とのなす角度をθ［ｄｅｇ］として、
ａｔａｎ（ｒ／５）≦  θ  ≦  ａｔａｎ（ｒ／２）
なる関係を満たし、上記光源素子の出射光の光軸に対して上記凹部を構成する壁面の少なくとも主要な一部を相対的に傾斜させて設置してもよい。上記アスペクト比の値によっては上記角度θが極めて小さな値を取り得るが、既に述べたように、臨界角以内の金属層への平均入射回数が大きくなりすぎる問題を回避するために、少なくとも３°以上の上記角度θを与えることが望ましい。また、上記凹部は必ずしも断面が円形状である必要はなく、光源素子の光軸に対して軸対称あることが望ましく、また凹部の壁面形状の軸と光源素子の光軸を含む断面において、対向する辺がほぼ平行であれば良いことは言うまでもない。
上記構成においては、第１の領域に主として分散される散乱体のサイズパラメータｑは略１０〜５０の範囲、特に１５〜４０の範囲にあることを特徴とする。すなわち、粒径が比較的大きく、上記不均斉因子ｇが１に近いものの方が好ましい。これにより、上記壁面の多重反射と比較的強い前方散乱特性を有する散乱体の多重散乱によって、より効果的に近視野像を均一化し、容易にアパレント光源のサイズを広げることができる。また、比較的低屈折率差△ｎの散乱体を用いることもできる。
先に述べたように、比較的低屈折率差（典型的には０．０５≦△ｎ≦０．２程度）で大粒径（ｑ≧１０程度）の散乱体を主とし、比較的屈折率差が大きく（△ｎ≧０．２程度）で小粒径（ｑ≦１０程度）の散乱体を副として、それぞれをスペックル低減の観点から許容可能な範囲内で混合分散することは、２次的面光源の均一化と光出力の取り出し効率向上を図りながら、分散均一性を向上しスペックルを低減でき好ましい。あるいはまた、先に述べたように、上記混合分散を行うかわりに上記異なるパラメータを持つ散乱体を、空間的に分離したり分散濃度を変えたりして、上記第１の領域を２層乃至複数の層からなる積層体として構成してもよい。
また、一実施形態の光源装置は、上記光源素子が半導体レーザであることを特徴としている。
上記のように光損失の極めて小さいアイセーフ化手段を適用することで、ＬＥＤを光源素子に用いた従来の各種光源装置の電力効率を、少なくとも２乃至３倍以上改善することが可能になる。さらに、上記微小領域内でのアイセーフ化手段によれば、少なくとも数ＧＨｚ以下程度の周波数領域においてはレーザ本来の応答性を損なうこともないため、従来にない小型・軽量かつ低コストなワイヤレス光通信向けのトランシーバを容易に実現することができる。
また、一実施形態の光源装置は、上記半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含む活性層を有し、発振波長が８８０ｎｍ〜９２０ｎｍの範囲であることを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含んだ活性層を有する上記半導体レーザから誘導放出される８８０ｎｍ〜９２０ｎｍの波長帯の光は、受光素子として代表的なＳｉフォトダイオードのピーク感度波長に近く、この光源装置は光通信の送信手段として適する。また、このような半導体レーザの閾値電流および温度特性は、７８０ｎｍ帯の半導体発光素子等と比べて格段に向上する。したがって、この光源装置によれば、ワイヤレス光通信向けに、クラス１のアイセーフティを満たし、かつ最も安価で優れた電気的・光学的特性をあわせ持つ光通信モジュールを実現することができる。
また特に、光密度の高い層、例えばＩｎＧａＡｓ層に近接する量子バリア層や光ガイド層、あるいは活性層とは別に設ける光ガイド層等を、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）で表される３元または４元からなる層の少なくとも一方を含めて構成しＡｌフリー化することによって、上記８８０ｎｍ〜９２０ｎｍ波長帯において、最も高出力化が図れるアイセーフ光源装置を提供することが可能となる。したがって、この光源装置を用いることにより、ワイヤレス光通信向けに、クラス１のアイセーフティを満たし、最も安価でかつ優れた電気的・光学的特性をあわせ持つ光通信モジュールを構成することができる。
また、一実施形態の光源装置は、上記半導体レーザが組成または層厚の少なくとも一方の空間的な揺らぎを有することを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記半導体レーザの活性層等の結晶成長時に、意図的に島状の３次元成長を行って特にその層厚分布を顕著に発生させて擬似的なゲイングレーティング（Ｇａｉｎ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を形成することによって、レーザ動作時のスペクトル線幅を拡げることができる。また、量子井戸バリア層や光ガイド層等の結晶成長において、意図的に局所的な組成揺らぎを生じる成長を行うことで擬似的なインデックスグレーティング（Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ−Ｉｎｄｅｘ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を形成することによって、スペクトル線幅を拡げることができる。したがって、上記組成または層厚の揺らぎを有する半導体レーザは、スペックルの低減に有効である。
また、一実施形態の光源装置は、上記半導体レーザが、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含む活性層を有し、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）で表される３元または４元からなる層を含み、上記各層の少なくとも１つが組成または層厚の少なくとも一方の揺らぎを有することを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記ＩｎＧａＡｓ層を含む活性層を用いること、さらに量子井戸バリア層としてＧａＡｓＰ３元系材料またはＩｎＧａＡｓＰ４元系材料を用いること、または、光ガイド層としてＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰ４元系材料を用いることにより、以下の際立った作用が得られる。
すなわち、量子井戸として形成されるＩｎＧａＡｓ層の結晶成長時に、意図的に島状の３次元成長を行って特にその層厚分布を顕著に発生させて擬似的なゲイングレーティング（Ｇａｉｎ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を形成し、レーザ動作時のスペクトル線幅を拡げることができる。また、量子井戸バリア層または光ガイド層として形成されるＧａＡｓＰ層またはＩｎＧａＡｓＰ層の結晶成長において、意図的に局所的な組成揺らぎを生じる成長を行うことで擬似的なインデックスグレーティング（Ｉｎｄｅｘ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を形成し、スペクトル線幅を拡げることができる。このような位相の曖昧な擬似的なグレーティング（Ｇｒａｔｉｎｇ）を共振器内に有する半導体レーザから放出される出力光の時間的なコヒーレンシは、干渉実験によるビジビリティ（Ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ；干渉縞などのコントラストを表す尺度）観測結果から、通常の高出力半導体レーザのそれと比較して１桁以上低下し得ることが確認された。したがって、このような組成または層厚の揺らぎを有する半導体レーザは、多重散乱光学系の第１の領域および第２の領域と共に、この高出力光源装置の他の構成要素として好ましく併用される。
また、一実施形態の光源装置は、上記半導体レーザに直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が、上記第２の領域内に存在することを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記半導体レーザに直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が、上記第２の領域内にあることによって、上記第２の領域が破損・剥離しても、上記ワイヤが上記第２の領域とともに引き剥がされて断線するため、半導体レーザへの通電を遮断して、ユーザの目にコヒーレンシが高いままのレーザ光が入らないようにできる。上記作用は上記光源装置の使用中に破損が発生した場合であっても有効であるが、一旦破損した後に上記光源装置の使用を試みる場合に対しても同様に作用することは言うまでもない。
また、この発明の光通信モジュールは、上記光源装置を送信手段に用いたことを特徴としている。
上記構成の光通信モジュールによれば、上記光源装置を送信手段に用い、さらに例えば受光手段としてＳｉフォトダイオードを含む光通信モジュールを構成することにより、ワイヤレス光通信向けに、クラス１のアイセーフティを満たし、かつ、最も安価で優れた電気的・光学的特性をあわせ持つ光通信モジュールを実現することができる。また、特に、光通信モジュールとしては、多重散乱光学系の第１の領域が上記光源素子（半導体レーザ）に近接する徴小領域として形成されるため、フォトダイオードと集積化・一体モジュール化しても、受信系が感度劣化等の不利益を被ることがない。したがって、安価なＳｉフォトダイオードとこの発明の光源装置とを組み合わせて光通信モジュール化することにより、既存のＩｒＤＡトランシーバ並みの小型化および低コスト化と、既存の光無線ＬＡＮ製品並みまたはそれを凌ぐ高速性および広い通信エリアを兼ね備えたワイヤレス光通信に最適な光通信モジュールを実現できる。
発明を実施するための最良の形態
まず、この発明における多重散乱光学系の基本的構成の概要を図１を参照しながら説明し、その後、この発明の光源装置の実施形態におけるスペックルパターンの典型例や低減例およびアイセーフティを確保するための評価基準等について説明する。
図１に示すように、半導体レーザ（図示せず）からの光出力は、典型的にはμｍオーダのスポット１００から放出され、光軸１０１の方向に指向性を有する。これを取り囲むように近接する第１の領域１０２には、散乱体１０３が高濃度に均一分散されている。図１において、半導体レーザからの時間的にも空間的にもコヒーレンシの高い誘導放出光は、この第１の領域１０２内で多重散乱を受けて拡散しつつ、全体としては第２の領域１０４の光軸１０６方向に進行する。そうして、上記第２の領域１０４との境界面上には、単一の２次的面光源となるスポット１０５が形成される。
上記第１の領域１０２における多重散乱は、ランダムではあるがスタティックな過程であり、第１の領域１０２と第２の領域１０４との境界面上での空間的コヒーレンス度の分布は、半導体レーザ本来の放射強度の角度分布と第１の領域１０２の構成要素（母材と散乱材の組み合わせ）およびその各部ディメンジョン（寸法）等を反映する。上記スポット１０５は、アイセーフティの観点から問題とならぬように、スポット１０５全体として見ればグローバルに空間的コヒーレンシを喪失している。また、上記スポット１０５は、ほぼ均一な近視野像を有する２次的な面光源と見なし得るように、第１の領域１０２と第２の領域１０４との境界面上に拡大鏡としてのレンズ部１０４ａの径よりも小さい有限の広がりを持って形成される。上記第１の領域１０２での多重散乱の結果、上記２次的面光源の各要素からあらゆる方向に放射される光束は、それ自身のファーフィールド（ｆａｒ−ｆｉｌｅｄ；遠視野）としては、ほぼ完全ランバーシアン（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）のように振る舞う。
上記２次的面光源からの散乱光が入射する上記第２の領域１０４は、少なくとも、上記スポット１０５の主要な部分（例えばピーク強度の１／ｅ２以上の強度を有する領域）に対して拡大鏡として作用するように、自由空間と境界面間の距離および境界面形状を各媒質の屈折率をもとに定めた光軸１０６を有するレンズ部１０４ａを備える。自由空間側から光源素子（半導体レーザ）を観察する場合にスポット１０５の正立虚像が形成され、スポット１０５からの出力光が第２の領域１０４内において低角で交差する確率を低減すべく、レンズ部１０４ａの光源側の焦点が上記境界面よりも光源素子（半導体レーザ）側に配置される。また、この発明で想定する用途においては、上記虚像の歪についてはほとんど考慮する必要はない。
このように、この発明の光源装置は、例えば半導体レーザからの誘導放出光が多重散乱光学系を介して自由空間に放出される光源装置であって、上記多重散乱光学系は、半導体レーザに近接する第１の領域１０２とその第１の領域１０２に接して自由空間に至る第２の領域１０４からなり、上記第１の領域１０２と第２の領域１０４のうちの少なくとも第１の領域１０２に第２の領域１０４よりも散乱体を高濃度に含み、上記第２の領域１０４が第１，第２の領域１０２，１０４間の境界面に形成される２次的な面光源の少なくとも主要部分に対する拡大鏡を有するように構成される。典型的には、第１の領域１０２の光軸方向の厚みは１ｍｍ〜３ｍｍ程度、第２の領域１０４の光軸方向の厚みは、上記レンズ部１０４ａの形状に依存して２ｍｍ〜１０ｍｍ程度の範囲が想定される。また、図１はこの発明が対象とする光学系の概要を説明するための概念図であり、散乱体や全体のディメンジョン（寸法）等、各部のパラメータ詳細については、後述する種々の具体的な数値が適用される。
図１では、上記第１の領域１０２が平板状の構成のアイセーフ光源装置を示したが、面内方向には、第１の領域１０２の形状をスポット１０５程度の広がりに限定する構成要素を備えていない。例えば、樹脂基板上に搭載した半導体レーザの周りに、想定されるスポットサイズよりも大きい広がりを有する枠体を設け、この中に散乱体を分散した液状やゲル状またはゴム状の物質を滴下するなどして、容易に平板状の第１の領域を形成することができる。しかし、このような構成では、近接して他の機能を有する素子等を配置することができず、面方向の小型化が難しくなる。送受信可能なモジュールとして組み合わせるフォトダイオード等の受光素子直上にも上記第１の領域が形成されると集光効率の低下が発生し得ることから、光源部と隣接して配置することを避ける必要が生じる。
以下、この発明の光源装置としてのアイセーフ光源装置およびそれを用いた光通信モジュールを図示の実施の形態により詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１とは異なり、半導体レーザチップの周辺のみに、散乱体を分散した比較的高い粘性を有する適量の物質を直接滴下して、第１の領域としての十分な厚みおよび面内広がりを持たせることもできる。
図２はこの発明の第１実施形態の光源装置としてのアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。
図２に示すように、半導体レーザ２００は、サブマウント２０２にダイボンドおよびワイヤボンドされ（詳細は図示せず）、このサブマウント２０２を介して樹脂基板２０３上に搭載されている。上記半導体レーザ２００の光軸２０１は、第２の領域２０５の拡大鏡としてのレンズ部２０５ａの光軸２０６と略一致している。上記半導体レーザ２００のサブマウント２０２への搭載後、散乱体を高濃度分散し硬化材を比較的多めに配合した３００００ｃＰ（３０Ｐａ・ｓ）と高粘度のペースト状シリコーンゲルを、半導体レーザ２００が搭載されたサブマウント２０２を覆うように滴下する。そして、１５０℃１時間のゲル硬化工程を経て、図２に示すような第１の領域２０４を形成する。その後、一般的な熱硬化型エポキシ樹脂のトランスファーモールド工程を経て、第２の領域２０５によってアイセーフ光源装置として封止され、第１，第２の領域２０４，２０５からなる多重散乱光学系が完成する。なお、上記樹脂基板２０３を用いる場合のみならず、サブマウントを介さずにリードフレームを用いて上記アイセーフ光源装置の構成の変形例を得ることは容易である。
ここで、上記第１の領域２０４の母材として、ゲル状またはゴム状物質以外を用いると、この発明の多重散乱光学系を構成することが困難な例について説明する。例えば、粘性の低いシリコーンオイルに微粒子を単分散することは比較的容易であるが、シリコーンオイルは硬化させることができないため、第１の領域としてのディメンジョンを確定することができない。また、分散した散乱体が沈降し散乱特性が経時変化する。また、何らかの枠体を用いてオイルを保持しても、第２の領域を形成するトランスファーモールド工程でその大部分が流出してしまったり、熱硬化の間に変質したりする。
この第１実施形態のアイセーフ光源装置では、樹脂基板２０３の表面から第１の領域２０４頂上部までの厚みとしては１ｍｍ〜４ｍｍ程度まで変化させることができる。また、このアイセーフ光源装置では、樹脂基板２０３表面から第２の領域２０５のレンズ部２０５ａ頂上までの距離を４．０ｍｍ、レンズ部２０５ａの半径を２．０ｍｍとしている。第１の領域２０４の散乱体としては後述する種々の材料系による微粒子を用い、作製するモジュール（アイセーフ光源装置）毎に、サイズパラメータｑが０．０５〜５０の範囲内で微粒子粒径の最頻値Ｄｓを変化させ、また母材との屈折率差△ｎも０．０２〜１以上にわたって変化させた。ここで、サイズパラメータｑは、
ｑ  ＝（２π／λ）・（Ｄｓ／２）
（ただし、Ｄｓは散乱体の粒径最頻値、λはここでは半導体レーザのシリコーンゲル中での発振波長）で表される。また、分散濃度は、真比重による換算において０．０１ｖｏｌ％〜５０ｖｏｌ％の範囲内で変化させた。このように、散乱特性の異なる第１の領域２０４を含む多数のアイセーフ光源装置について、そのスペックル量を評価した。
ここで、微粒子粉体およびその分散工程について詳細に説明する。上記サイズパラメータｑの範囲で特定の粒度分布最頻値Ｄｓを有する粉体をそれぞれ用意する。典型的には、散乱体となる粒径が制御された微粒子（１次粒子）の集合体（凝集体）が多量の空気を含んだ形態で乾燥粉体として供給される。この発明における第１の領域に分散される粉体としてより好ましいのは、上記粉体の製造工程において、一旦１次粒子にまで微細化された状態で、分散母材（第１の領域の母材）への分散を容易化するための適切な表面処理を行い、その表面エネルギーを減少させたものである。
上記粉体を高濃度に母材に分散する場合、典型的には以下のような２段階の分散工程を行うことで最も好ましい分散体が得られる。まず、分散体のマスターバッチとして粉体重量比７０％〜９０％以上の高濃度で固練りする。この過程で、上記乾燥粉体に含まれる凝集体を効果的に粉砕する。さらに連続的に、含有空気を母材に置換しながら粉体を濡れさせる過程と、母材に混入・分散させる混練過程を経て、１次粒子が均質に分配された状態に至らしめることが可能になる。この一連の工程には、通常、１軸または２軸のスクリュー押出機やニーダ（ｋｎｅａｄｅｒ）、あるいはホモジェナイザー（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ）等、比較的大型で強い剪断力を印加し得る混練機が用いられる。
次に、上記マスターバッチを分散母材で希釈しながら混練（または混合・攪拌）を行い、所望の散乱体濃度の分散体を得ることができる。この希釈工程においては、小型のニーダやブレードを用いる混練ミキサー、または小型のホモジェナイザーやビーズミル、容器回転型のデスクトップミキサー等の比較的簡易な型式の混練機を用いても、凝集体を含まない良好な分散体を任意の濃度で作製することが可能となる。特に希釈を主目的とする場合には、気泡の発生が抑制される高速容器回転型のミキサーが好ましい。
上記アイセーフ光源装置を試作した粉体のパラメータ範囲は、上記２段階の分散工程によって好ましい分散体を得られる範囲のみならず、たとえ上記表面処理を行った１次粒子粉体であっても、分散機の性能上、アグロメレート（凝集物）やクラスタの形成が避けられないような極端に高濃度な範囲または極端に小さい粒径範囲をも含んでいる。これらを総合的に評価することで、実際に容易に製造可能な多重散乱光学系の構成を抽出することができる。
図３Ａは、上記種々のアイセーフ光源装置における近視野像の観測結果から得られた半値全幅とスペックル量の関係を示している。図３Ｂ〜図３Ｄにはスペックルが顕著なデータ点における測定例と解析例を示し、図３Ｅ〜図３Ｇには十分に低減されたデータ点における測定例と解析例を示している。これらの近視野像は、多重散乱系の外部からＣＣＤカメラ（分解能約４μｍ）によって上記第１の領域と第２の領域の境界面上に形成される２次的な面光源を観察し、その光強度分布を光軸にほぼ垂直な方向（Ｘ）に走査して得られたものである。なお、図３Ｂでは、生データの曲線と平均強度分布の曲線とが重なりあって見にくいが、滑らかな曲線の方が平均強度分布である。
詳しくは後述するが、図３Ｂ，図３Ｅにおいて、ＦＷＨＭは平均半値全幅、σＮＦＰは平均強度分布からの残差に基づくスペックル量を示している。また、図３Ｃ，図３Ｆにおいて、σＰＡＲはＰＡＲ（Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ａｖｅｒａｇｅ  Ｒａｔｉｏ）に基づくスペックル量を示している。
ここで用いるＣＣＤカメラの分解能は、上記典型的な眼球の固視微動量よりも高い必要があるが、桁違いに高分解とすることはアイセーフティの考慮に対して有意義ではない。仮に、１μｍの発振波長のレーザ素子を用いた多重散乱光学系の近視野像に０．５μｍ（半波長）程度のサイズを有する鋭いスペックル構造が顕著に存在するならば、その局所領域においては互いに逆方向から交差する光路が大勢を占め、光路がある面内に偏って存在していることを意味する。このような事象は、極めて高次の多重散乱を経た後には確率論的に発生し得ない。また、コヒーレントな干渉パターン自体から半波長よりも微細な構造が発生することもあり得ない。したがって、この発明が対象とする多重散乱光学系のアイセーフティ評価においては、通常のＣＣＤが有する１μｍ〜１０μｍ程度の分解能を用いて行うのは適当な選択である。
スペックルに関して定量評価を行うために、図３Ａの縦軸の値、すなわち近視野像のスペックル量として、σＰＡＲ（またはσＮＦＰ）を定義することができる。まず、ＸＹ面（ＣＣＤ撮像面）上において、あるＹ＝ＹｊでＸ方向に走査した離散化１次元光強度分布Ｉ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）を規格化する（１≦ｉ≦Ｎ）。次に、Ｉ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）に対して、例えば多項式近似によるスムージング処理を行った滑らかな空間分布Ｊ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）を求める。さらに、この仮想的にスペックルを平均化した平均値曲線Ｊ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）に対して、各測定点Ｘｉでの残差ρｉ＝Ｉ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）−Ｊ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）を全Ｎ点に対して求める。各測定点Ｘｉでの残差ρｉの標準偏差σＮＦＰは以下のように表される。
2003077389.tif 000004
なお、各測定点Ｘｉでの残差ρｉの空間軸（Ｘ方向）にわたる期待値は０である。また、上記Ｉ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）のＪ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）に対する比Ｉ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）／Ｊ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）、すなわち対平均値曲線、ＰＡＲ（Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ａｖｅｒａｇｅ  Ｒａｔｉｏ）の標準偏差σＰＡＲが以下のように求められる。
2003077389.tif 000005
なお、ＰＡＲの空間軸（Ｘ方向）にわたる期待値は１である。
ここで、上記平均値曲線Ｊ（Ｘｉ，Ｙ＝Ｙｊ）の導出方法としては、上記Ｉ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）に隣接する複数の平行な走査像Ｉ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｋ）；ｋ＝ｊ±１，２，３，…を各Ｘｉにおいて平均化したり、２次元での各点（Ｘｉ，Ｙｉ）から一定半径内にあるデータ点すべての平均値を用いることもできる。このような平均化操作は、個々の測定点Ｘｉに対して、少なくともスペックルの相関サイズ程度の広がりを含んで統計的に十分なデータ点数を用い、かつ、近視野像全体の形状または大きさの影響を受けない程度の範囲内のデータ点のみに制限して行う。この操作をＩ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）全体にスライドさせて行うことで平均値曲線Ｊ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）が得られる。
上記平均化手法のうち、特に複数の周辺データ点またはデータ列を平均化する手法は、半導体レーザ表面からのワイヤボンドの影がある場合等、多項式で表現できない不連続な変化を含む像に対してより望ましい方法となり得る。また、同等の多数のサンプルからアンサンブル平均を取ることもできる。また、平均値曲線Ｊ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）のピーク強度から１／ｅ２以上、１／ｅ以上、または、半値以上の強度を有する範囲内に限定してＩ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）のスペックル量を評価するといった工夫により、上記平均値曲線Ｊ（Ｘｉ；Ｙ＝Ｙｊ）の分布形状が全く異なる種々の多重散乱光学系を系統的に評価することも可能になる。
特に、確実にアイセーフティを考慮するための評価方法としては、以下で説明するように、上記ＰＡＲの振幅の確率分布およびその偏差σＰＡＲを指標とすることが好ましい。図３Ｃ，図３Ｄ，図３Ｆ，図３Ｇには、対応するＰＡＲとその振幅ヒストグラムも示している。
上記多重散乱光学系の構成で、スペックルが比較的良好に低減されるパラメータの領域においては、スペックルの空間構造が典型的固視微動量（数１０μｍ）よりも小さい程度にまで微細化されると共に、上記ＰＡＲの振幅の生起確率はガウス分布を示すようになる。典型的には、ＰＡＲは期待値１を中心として約±０．０６以内のみに出現する。図３Ｆでは、ＰＡＲは１±０．０３以内程度である。同図から分かるように、上記有限の分解能を有するＣＣＤでスペックル量を評価する場合、ＰＡＲ振幅の生起確率が０となる上限値ＰＡＲｍａｘが容易に見出される。また、いわゆる偏差σＰＡＲを、ＰＡＲ振幅分布から直接に、またはそれをガウシアンフィッティングして求めることもできる。
上記ＰＡＲｍａｘまたはスペックル量σＰＡＲを用いることによって、以下のようにアイセーフティが確保される。すなわち、観測される残留スペックルの構造単位（微小スポットのサイズ）の詳細とは無関係に、光強度の擾乱による単位面積あたりのパワー／エネルギー増分の最大値を考えることができる。例えば、ＰＡＲｍａｘ＝０．０６であれば、同じアイセーフ光源装置を多数個製造して任意に抽出されるサンプルにおいてもまた、近視野像におけるＰＡＲの最大値は＋６％程度となる。スペックル量σＰＡＲを用いる場合も同様に考えることができる。上記アイセーフ光源装置が有するアパレントな光源サイズ、発振波長、放射強度の角度分布等の光学的諸特性から、スペックルが全く存在しないとした場合のＡＥＬ（許容被爆限界）または光出力上限Ｐは、国際安全規格等に従って決定することができる。さらに、マージンαを用いて、上記アイセーフ光源装置に対する光出力の上限値ＰＬＩＭを、
ＰＬＩＭ＝Ｐ／（１＋ＰＡＲｍａｘ＋α）
と設定する。例えばα＝４％とすれば、光出力の上限値ＰＬＩＭはＰの約９０％であり、製品の仕様として出力上限値はＰＬＩＭ以下とされる。
この発明で開示される多重散乱光学系の構成においては、製造工程の再現性や経時変化を見込んで、上記マージンαが略１０％以下程度となるように、簡便な構成要素および製造工程が採用され得る。また、通常の工程管理や品質管理と同様に、３σＰＡＲ〜６σＰＡＲによって上記出力上限の仕様値や良品選別等を行うこともできる。ＰＡＲｍａｘとσＰＡＲの関係について、上記多重散乱光学系の構成のみならず、あらゆるこの発明の開示の構成について統計を取った結果、その平均値〈ＰＡＲｍａｘ〉は約３σＰＡＲ、その最大値ｍａｘ｛ＰＡＲｍａｘ｝は約５σＰＡＲであった。
このように、ＰＡＲｍａｘ等からマージンを設定して、光源装置としてアイセーフ半導体レーザモジュールの設計および製造にあたることは十分に合理的である。クラス１レベルのアイセーフを確保するためのスペックル上限値として、典型的にはσＰＡＲを３％〜８％程度の小さい値とすることは良い目安となる。また、上記スペックル量σＮＦＰとσＰＡＲの関係は、近視野像の全体的形状または全幅に依存する正の相関を持ち、多重散乱光学系の各部パラメータの変更に対して同様の挙動を示している。したがって、スペックル量σＮＦＰによって多重散乱光学系を検証し、製造工程を管理することもできる。
また、アイセーフティに対する別の考え方を元にした評価を行うことも可能である。通常、インコヒーレント光源に対しては、そのアパレントサイズは全光強度の６３％（＝１−１／ｅ）を含む領域のサイズとして定義される。これに対してスペックルを含む光源の場合には、例えばピーク強度の１／ｅを下回るスペックル擾乱を含まない確率が９９．９９９９％となるスペックル偏差の上限値をσＬＩＭ（≧σＰＡＲ）とすれば、ガウス分布の積分値を考慮して光出力の上限値σＬＩＭ＝０．０９なる値を設定することができる。ここまでにいくつかの例を示したように、アイセーフティに対する何らかのモデルに基づいた光源近視野像への要求を、ＰＡＲの統計量に還元して実際の製造工程または製品の品質管理を行い、クラス１レベルのアイセーフティを確保することができる。勿論、製造工程の安定性等から安全率が不充分と判断される場合は、より厳しく６σＰＡＲに対するマージンを満足するように、光源サイズを拡大する多重散乱光学系の再設計を行ったり、上記マージンαを増大して、光出力の上限値ＰＬＩＭを制限する等の対応によって、確実にクラス１のアイセーフティを保証する製品を製造することが可能である。
図３Ａに示したデータは簡単のために、分散母材をシリコーンゲルとし、散乱体は、ＳｉＯ２（×：屈折率差△ｎの絶対値は約０．０２）、アクリル系ポリマー（△：屈折率差△ｎの絶対値は約０．０９）、スチレン系ポリマー（●：屈折率差△ｎの絶対値は約０．１９）、ＴｉＯ２（□：屈折率差△ｎの絶対値は約０．９）をそれぞれ単体で用いた検討結果のみを含めている。ここで、図３Ａの横軸は近視野像の半値全幅であるが、これを変化させるパラメータは、硬化後のシリコーンゲル（図２に示す２０４）の高さ、各散乱体の粒径、屈折率および分散濃度である。図３Ａに示すように、全体的な傾向としては、シリコーンゲルの高さを稼ぎ、散乱体の小粒径化／高濃度化することで、平均散乱回数または輸送平均散乱回数が増すとスペックルが減少する。個々のデータを逐一対比させた詳細な説明は省略するが、以下のことが明らかとなった。
同一の散乱体に対して、粒径Ｄｓの分布から、輸送平均散乱回数（＝幾何学的ディメンジョンＬ／輸送平均自由行程ｌＡＶＥ）が数回〜数１００回程度、特に数回〜数１０回程度となる第１の領域の光軸方向の厚みおよびフィラーの組み合わせに対して、クラス１レベルのアイセーフティが得られる多重散乱光学系を、光の取り出し効率を大きく損なうことなく構成することが可能である。また、すべての散乱体に対して、分散濃度が１ｖｏｌ％、特に０．１ｖｏｌ％よりも希薄な場合、逆に３０ｖｏｌ％を大幅に上回る場合のいずれにおいても、十分にスペックルを低減する効果は得られない。特に、分散濃度が３０ｖｏｌ％以上では、光源サイズ自体は拡大されるものの、スペックルとしては増大する傾向がある。さらに、比較的屈折率差の大きい金属酸化物（ＴｉＯ２等）であっても、粒径最頻値Ｄｓまたはそのサイズパラメータｑが２０以上の場合には、全分散濃度範囲で十分にスペックルを低減することはできない。また、上記サイズパラメータｑが１を下回る場合には、隠蔽力が強く外部への光取り出し効率が低下する傾向があると共に、単分散自体も極めて困難で散乱特性の制御が難しい。また、極めて屈折率差の小さいＳｉＯ２においては、数ｍｍ以内の光軸方向の厚みでアイセーフティが得られる多重散乱光学系を構築することは困難である。
このようにして、図２の多重散乱光学系の構成に対して、第１の領域に主として分散される散乱体のサイズパラメータｑが略１〜１５の範囲にあって、散乱振幅の不均斉が小さくかつ後方散乱成分も顕著ではない領域とすることが望ましいことが見出された。さらに、第１の領域の母材との屈折率差として、△ｎ≧０．１５程度の散乱体を用い、屈折率差△ｎとサイズパラメータｑとの積△ｎ・ｑが略２〜８の範囲（特に３近傍）となるようサイズパラメータｑを設定することにより、散乱振幅の不均斉を小さくし散乱断面積を最大化して、より短い幾何学的距離（多重散乱がない場合の光路長）内で十分な多重散乱を発生させることができた。
ここで、この発明において散乱体を選択するときには、用いる半導体レーザの発振波長に対して、上記のような望ましい屈折率差△ｎの関係が満たされるべきことは言うまでもない。しかしながら、各種粉体材料の諸元として容易に入手可能なナトリウムＤ線（約５８９ｎｍ）に対する屈折率を選択の基準としても大きな問題は生じない。この発明の散乱体として適切な材料は、バンドギャップ波長がレーザ発振波長よりも十分短くレーザ光を吸収しないものであって、可視域（上記５８９ｎｍ）を吸収しない材料をこの発明の散乱体として近赤外域で使用する場合には、同じ正常分散領域内での屈折率差△ｎとして大きな誤差を生じることはない。
また、上記諸条件を満たす散乱体に対して、特に最近接散乱体間の平均距離がパラメータＤｓの２０倍以内となることを目安とすることにより、実用的かつ簡易に分散工程を実行することが可能であることが見出された。ここで、この発明における粒径の最頻値Ｄｓなるパラメータは、粒子が単分散される場合、複数の粒径分布を持つ粒子種が混合分散される場合、さらに２次粒子またはフラクタルクラスタ等の凝集体が生じている場合や、これらが多分散する場合等、いずれの状況に対しても、それら個々の粒子種に対して適用されるべきものである。ある外径を有するが内部に空隙を有するような凝集体を含む分散系に対しては、凝集体の外径そのものを考慮して最頻値Ｄｓを求め、それに対するサイズパラメータｑが上記略１〜１５の範囲を満たすことが望ましい。同じ外径サイズの凝集体であれば、波長と比べ十分に小さく、かつ、より小粒径の１次粒子からなるものの方が、凝集体の散乱振幅に微細構造が現れにくくなり、スペックル低減に対して良好な結果を得ることができる。
また、体積比による分散濃度は必ずしも完全な定義付けにならないことがある。母材（ゲルまたはゴムまたはエラストマー）への単分散が得難く２次粒子として凝集した場合や、吸油量の影響が大きい場合等がこれに相当する。２次粒子として凝集する前者については、凝集体間についても、その外径が既に述べた望ましい範囲にあるならば、上記平均最近接距離の関係がそのまま望ましい条件と考えてよい。一方、吸油量の影響が大きい後者については、十分な分散工程後（体積減少がほとんどなくなった後）、散乱体自体（結晶体）の比重（真比重）を用いて換算した体積比が、略１ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％程度の範囲であれば、良好な多重散乱領域を構成することが可能である。乾燥粉体の諸元として通常使用される見かけ比重（空隙部分の空気を含む見かけ上の比重）によって分散仕込み量を決定する場合、真比重による平均最近接距離の推定値との誤差が生じる。しかしながら、分散および硬化処理後に、実際に共焦点レーザ顕微鏡等で観察して散乱体間距離が平均粒径Ｄｓの２０倍以内程度であることを確認するのは困難なことではない。したがって、製造工程を調整して上記の望ましい分散濃度を見出すことが可能である。なお、気泡の脱気工程等、実際の分散工程上の注意および工夫が、上記第１の領域の散乱特性を制御するために重要となる場合があることは言うまでもない。
ここで、第１の領域の母材として、ゲル状またはゴム状物質以外を用いると、この発明の多重散乱光学系を構成することが困難な他の例を説明する。例えば、上記母材としてエポキシ樹脂を用いることも考えられる。シリコーン系のゲルやエラストマーと比較すると、微粒子の分散は比較的容易であるものの、ナトリウムＤ線に対する屈折率は一般的に１．５３以上程度と高い。したがって、先に列挙した種々の散乱体のうち、一般的な有機系微粒子として取り上げたアクリル系，スチレン系のいずれの微粒子に対しても屈折率差△ｎの絶対値が０．０５以下程度となり、第１の領域の母材にエポキシ樹脂を適用した場合、屈折率差不足から望ましい散乱特性を得ることができない（図３ＡのＳｉＯ２と同レベル）。一方で、有機系微粒子は、低コスト化や大粒径化が容易であると共に、後述の比較的大粒径の散乱体が有効なこの発明の多重散乱光学系の構成において、これらの有機微粒子が極めて有効である。しかしながら、多重散乱光学系の構成を選択する乃至は最適化する段階で複数の母材を使い分けることは、実際の製造工程において極めて非効率的であり、この発明の多重散乱光学系第１の領域の母材として最も好ましいとは言い難い。
図２に示したアイセーフ光源装置の構成は、上記比較的小粒径の散乱体の高濃度分散が可能な母材と混練装置の組み合わせが利用可能な場合、または、比較的小型化に対する要求が緩いアイセーフ光源装置を製造する場合に好ましく用いられる。一方、図２に示すアイセーフ光源装置のような構成によれば、その製造工程は簡便であるものの、第１の領域の光軸方向への厚さや上記２次的面光源のサイズの制御が難しく、特に効率よく上記２次的面光源のサイズを広げることが比較的難しい。また、第１の領域を構成する母材物質の流動性を高め、高濃度分散後のハンドリングを容易にしようとする場合、第１の領域の形状や散乱体濃度が制御し難く、製造歩留まりの問題が生じ得る。したがって、光出力の要求仕様が高く、ＡＥＬ（許容被爆限界）に対してマージンが大きく取れないアイセーフ光源装置を設計・製造する場合には採用し難い場合がある。そこで、このような問題を解決する構成のアイセーフ光源装置を次の第２実施形態において説明する。
（第２実施形態）
図４はこの発明の第２実施形態の光源装置としてのアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。図４において、上記第１実施形態の図２に示すアイセーフ光源装置と同一の構成部は同一参照番号を付している。
図４に示すように、半導体レーザ２００を樹脂基板２０３上にサブマウント２０２を介して縦置きした後、半導体レーザ２００が搭載されたサブマウント２０２を取り囲むように、円筒４００（内径１．１ｍｍ、高さｈ＝２ｍｍ）を銀ペーストによって固着する。このように、上記円筒４００の内側の壁面とし樹脂基板２０３表面側を底面とする凹部２１０を形成している。上記円筒４００の内周面にＡｕメッキにより金属層４０１を形成している。上記樹脂基板２０３上にＡｕメッキ配線パターン４０２を形成している。上記円筒４００の金属層４０１および樹脂基板２０３上のＡｕメッキ配線パターン４０２によって、凹部２１０の最表面の主要な部分が金属層となっている。
さらに、第１の領域２０４であるシリコーンゲルを母材とする分散体が、上記凹部２１０に注入されてその形状が確定し、その後のゲル硬化工程によって上記形状およびその散乱特性が良好に保持される。図４に模式的に示すように、多重散乱によって拡散しつつ第２の領域２０５の拡大鏡としてのレンズ部２０５ａの光軸方向２０６へと進行するレーザ光は、上記凹部２１０の壁面に達すると反射され、散乱光は第１の領域２０４に閉じ込められつつ全体として第２の領域２０５に進行する。上記凹部２１０の最表面における主要な部分とは、この３次元的な拡散領域に接する面を意味している。このような構成とすることにより、図４においては、上記円筒４００の開口部が第１の領域２０４からの光の散逸口となって、十分な多重散乱を受けたレーザ光が第２の領域２０５に導かれる。この結果、円筒４００の開口部近傍に存在する第１の領域２０４と第２の領域２０５の境界面上に、上記凹部２１０の開口と類似した形状を有する２次的面光源が形成される。上記第１の領域２０４と第２の領域２０５で多重散乱光学系を構成している。
図４の構成において、上記円筒４００の高さｈを種々に変更すると共に、図３Ａと同様、散乱体パラメータと濃度を広範囲にわたって変化させて得られる多数のアイセーフ光源装置に対して近視野像のスペックル量σＰＡＲを評価した結果を図５Ａに示している。また、図５Ｂ，図５Ｃ，図５Ｄには良好な近視野像、ＰＡＲおよびＰＡＲのヒストグラムを示している。近視野像の２次元形状は、上記円筒４００（図４に示す）の断面形状を反映して裾部分の切れがよくなっている。したがって、光源サイズを明確に規定することができ、製造時の再現性が格段に向上するため、アイセーフ光源装置を歩留まりよく低コストで製造できる。また、第１の領域の幾何学長が図２に示す光源装置とほぼ同じ値であっても、多重散乱領域が最表面を金属層とする凹部２１０によって取り囲まれていることによって、より効果的にスペックルを低減することが可能になる。
図５Ａにおいては、図３Ａと異なり、横軸に輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥを取っている。上記構成では、図４に示す第１の領域２０４の光軸２０６方向の厚みＬを明確に測定することができるため、図５Ａに示すように、より総合的な評価が可能になる。散乱体パラメータからミー（Ｍｉｅ）散乱理論に従い散乱断面積および不均斉因子ｇを求め、分散濃度から輸送平均自由工程ｌＡＶＥを算出することができる。図５Ａから、図３Ａでも見られた特徴がより一般的な傾向として散乱体種に依存せずに観測された。すなわち、高出力半導体レーザに接し、これを取り囲むように設けられる多重散乱領域である第１の領域において、輸送平均散乱回数が数回を超えると、クラス１レベルのアイセーフティを満足するレベルまでスペックルが低減された近視野像を得ることができるようになる。
しかしながら、上記右下がりの傾向を追求すると、散乱体自体のパラメータ（屈折率差と粒径）を変更し得る範囲にはおのずと制約があり、結局、分散濃度を例えば３０ｖｏｌ％〜５０ｖｏｌ％に高濃度化せざるを得ない。このような高濃度領域では、いずれの散乱体においても、かえってスペックルが増大する傾向が明白に観測された。このときの分散ゲルを光学顕微鏡で観察すると、大部分の散乱体が互いに接触してクラスタ化しているのが見出される場合が多い。上記スペックルが再び増大に転じる輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥの上限値は、各散乱体の幾何学的断面積で規格化した散乱断面積（すなわち主として屈折率差△ｎ）に応じて異なるものの、この発明で想定する各部のディメンジョンに対して、数１００回以上の多重散乱を好ましく発生させるような多重散乱領域を安定して得ることは困難であることが見出された。
この発明の多重散乱光学系として、特に図１や図２または図４のように幾何学的光路長が明確に定義できる光学系の構成に対して好ましく適用される散乱体種は、図３Ａや図５Ａに示したものに限定される必要はない。例えば、シリコーンゲル（ナトリウムＤ線に対する屈折率約１．４０）を母材とする場合、スチレン系架橋型ポリマー（同１．５９）やＴｉＯ２（同２．６）に加えて、ＣｅＯ２やＺｒＯ２（同２．３）も特に好適に用いられる。またはＺｎＯ（同２．０）、Ａｌ２Ｏ３（１．７７）等の金属酸化物、Ａｌ（ＯＨ）３（同１．６）等の水酸化物、または、各種ガラスビーズ（同約１．５〜１．６程度）も好ましく用いることができる。さらに各種材料を外殻とする中空微粒子（同１．０）や、顔料に使用される炭酸カルシウム（同１．６）、そのほか各種鉱物も着色剤等のうちレーザ光を吸収しないものであれば利用可能である。また、シリコーンゲル以外の特殊な母材の例として、硬化条件に応じて真球状の空隙や気泡（同１．０）を発生する紫外線硬化型の樹脂材料が挙げられる。また、上記種々の微粒子の形状は必ずしも真球状でなくてもよく、各ディメンジョン（寸法）を平均化して最頻値Ｄｓを求めても概ね良好に多重散乱光学系を構成することができる。
ところで、上記第１実施形態の図２およびこの第２実施形態の図４を用いて説明したアイセーフ光源装置では、半導体レーザとして発振波長８９０ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系構造を有するものを用いている。すなわち、通常のＣＤ−Ｒ／ＲＷ用向け７８０ｎｍ帯ＡｌＧａＡｓ系レーザの活性層井戸層をＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層に変更したものである。図３Ａまたは図５Ａに示した種々モジュール状態で、多重散乱後の誘導放出光が示す波長スペクトルと、半導体レーザ単体で測定される波長スペクトルには、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ；連続波）動作でも有意な差が生じていることが分かった。特に、体積比１ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％程度の良好なコヒーレンシ低減効果が得られる比較的高濃度の分散を行ったモジュールで、高出力動作時の縦モード間競合状態が単体レーザの場合と比べて顕著に観測された。この発明の構成においては、多重散乱光学系の第１の領域が半導体レーザに近接し、かつ取り囲むように形成されるため、多重散乱によって生じるコヒーレント後方散乱ピーク成分が、いわゆる戻り光として半導体レーザの出力端面にフィードバックされる。この戻り光によってスペクトル線幅の増大効果やモード競合が誘起される効果が生じるものと推測され（後述）、この発明の多重散乱光学系の著しい特徴と言える。
ここで、上記第１の領域が半導体レーザに近接するということについて説明する。上記第１の領域は、必ずしも半導体レーザに直接接する必要はなく、半導体レーザと第１の領域の間に、空隙領域または第１の領域としての散乱作用を有しない層が挟まれても構わない。例えば、半導体レーザと第１の領域の母材材料の濡れ性がよくない場合には境界に空隙部分が生じ得る。また、半導体レーザの端面に施される単層または多層の誘電体膜コーティングが、通常の波長の数倍程度の厚みではなく、波長の数１０倍以上にまで厚く形成される場合にも、半導体レーザと第１の領域との間に空隙が生じ得る。また、意図的に半導体レーザと上記第１の領域の接触を避け、散乱体がレーザ端面に密着することを避けたい場合もあり得る。このような場合に、典型的には、半導体レーザチップの端面と上記第１の領域が１ｍｍ以内程度の距離で近接していれば十分に第１の領域としての諸作用を得ることができる。あるいはまた、上記コヒーレント後方散乱ピークがレーザ光出力端面にフィードバックされ、戻り光として作用する程度に近接して配置されることが望ましい場合には、半導体レーザチップの単面と上記第１の領域が数μｍ〜数１００μｍ以内の距離で近接していれば、上記戻り光の作用を得られる。あるいはまた、上記第１の領域としての散乱体とは異なり、微小なマイクロハーフミラーあるいはマイクロレンズとして、個別には幾何光学的に振る舞うような比較的大きな粉体を含んだ領域を、半導体レーザと第１の領域の間に介在させても良い。すなわち、レーザからの光束をより効果的に空間的に広げ、その後第１の領域において分割された各光束が多重散乱を経るように光学系を構成することができる。このような構成によれば、スペックル低減及びアパレントな光源サイズの拡大がさらに容易になる。ここに示した複数の例のように、半導体レーザと第１の領域は必ずしも直接接して設けられる必要はない。
図２または図４の構成のアイセーフ光源装置においては、多重散乱光学系の全体としての厚み、すなわち光軸方向のディメンジョンは、典型的に４ｍｍ以上程度必要であった。勿論、図２における樹脂基板２０３にざぐり穴を設け、図４の凹部２１０と同様の作用を得て、光学系全体としての厚みを低減することは可能である。また、ざぐり穴と上記円筒を組み合わせた複合的な凹部を用いることもできる。
しかしながら、図１、図２または図４の構成例では、多重散乱光学系の薄型化に対する格段の作用を有する訳ではないので、極めて小型のアイセーフ光源装置を得たい場合、アパレントな光源サイズを十分拡大できずに光出力の上限値を限定せざるを得ない状況も起こり得る。そこで、このような問題を解決し、より有効に機能するアイセーフ光源装置を次の第３実施形態において説明する。
（第３実施形態）
図６Ａはこの発明の第３実施形態の光源装置としてのアイセーフ光源装置の構成を示す断面図であり、図６Ｂは半導体レーザの光路を示す概略図であり、図６Ｃは近視野像の相対光強度分布を示す図である。
この第３実施形態のアイセーフ光源装置に用いられる半導体レーザ６００は、チップ厚１００μｍ、チップ幅２３０μｍ、リッジストライプ幅２．５μｍ、共振器長５００μｍで両端面半波長コーティングのものを利用した。この半導体レーザ６００は、発振波長が８９０ｎｍとなるようにＩｎＧａＡｓＭＱＷ活性層と通常の７８０ｎｍ帯レーザと同じＡｌＧａＡｓ系バリア／ガイド／クラッド等の各層が調整されている。なお、端面コーティングをＡＲ／ＨＲから半波長コーティングとして両端面から光出力を得るように変更した点以外は、上記第１，第２実施形態の図２〜図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃ，図５Ｄの説明で用いた半導体レーザと全く同じである。このタイプの半導体レーザは、１０ｍＡ程度の閾値電流と２５０ｍＷを超えるＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ；端面の光学的損傷）レベルが得られ、Ｓｉをディテクタ（受光素子）として用いる低コストな高速ワイヤレス光通信システムのトランシーバの構成として、送信手段の高出力化を図るのに非常に有利な素子である。
図６Ａに樹脂基板６０３の上面に、深さ３５０μｍ、共振器方向の長さ６００μｍの平坦部（底面）および傾斜角度約５０°の壁面（斜面）を有する凹部６１０を形成している。上記樹脂基板６０３上および凹部６１０の最表面にＡｕメッキにより配線パターン６１２を形成している。上記半導体レーザ６００の下面は、凹部６１０の底面（配線パターン６１２）に銀ペーストを用いてダイボンドされ、半導体レーザ６００の上面は他の配線パターン６０８にワイヤボンドされる（ワイヤ６０２）。
上記アイセーフ光源装置において、好ましい散乱体として、例えば平均粒径０．８μｍ（シリコーンゲル中でｑ＝４，ｇ＝０．７）、粒径精度ＣＶ値５０％のスチレン系架橋微粒子を用いる。上記スチレン系架橋微粒子を散乱体として１５ｗｔ％と高濃度に分散させた熱硬化型シリコーンゲルを用いることができる（屈折率差△ｎは略０．２）。なお、種々の散乱体に関する詳細については後述する。
上記シリコーンゲルは、ジメチルポリシロキサンを主成分とし、単体で粘度２０００ｍＰａ・ｓ（２０００ｃＰ）と比較的高い流動性を有する。このようなシリコーンゲル主材は、ニーダによる散乱体の分散工程後、硬化剤と混合され脱気処理を行った後、５０００ｍＰａ・ｓ程度の流動性を保って上記凹部６１０に注入される。上記凹部６１０に注入された高濃度分散ゲルは、凹部６１０によってその形状が確定・保持されたまま、少なくとも１８０℃・１時間の熱硬化工程を経て、この発明の多重散乱光学系の第１の領域６０４となる。その後、散乱体を含まない熱硬化型エポキシ樹脂をトランスファーモールドすることによって、上記第１の領域６０４と接して自由空間に至る第２の領域６０５が形成され、樹脂基板６０３の上面全体が一体封止される。上記第２の領域６０５には、半径１．１ｍｍの球面の一部分を使って構成される光軸６０６を有する拡大鏡としてのレンズ部６０５ａが少なくとも含まれている。上記凹部６１０の底面からレンズ部６０５ａの頂点までの幾何学的距離は１．６５ｍｍである。上記第１の領域６０４と第２の領域６０５で多重散乱光学系を構成している。
上記構成のアイセーフ光源装置では、半導体レーザ６００の両端面からの出射光の光軸６０１は、第１の領域６０４と第２の領域６０５の境界面に至るまでに第２の領域６０５のレンズ部６０５ａの光軸６０６と略同じ方向を指向するように、その向きが変換される。
さらには、この第３実施形態の図６Ａのアイセーフ光源装置の構成を上記第２実施形態の図４のアイセーフ光源装置の構成と組み合わせるのも好ましい。このような組み合わせのアイセーフ光源装置の構成を図７Ａ，図７Ｃに２通り示している。
図７Ａに示すアイセーフ光源装置では、樹脂基板７０３に上方に向かって広がる円錐台形状の凹部７３０を設け、その凹部７３０内に半導体レーザ７００を配置している。上記樹脂基板７０３上および凹部７３０にＡｕメッキ配線パターン７１２を形成し、凹部７３０のＡｕメッキ配線パターン７１２上に半導体レーザ７００の下側電極（図示せず）を電気的に接続している。一方、半導体レーザ７００の上側電極（図示せず）を、樹脂基板７０３上かつ凹部７３０近傍に設けられた電極７１３にワイヤ７０２を介して電気的に接続している。さらに、樹脂基板７０３上に凹部７３０を囲うように円筒７１０を配置している。上記円筒７１０を樹脂基板７０３上に銀ペーストによって固着している。さらに、上記円筒７１０の内壁にＡｇメッキにより金属層７１１を形成することにより、内部表面を反射面にしている。
上記凹部７３０の壁面，底面および円筒７１０の内壁面によって複合的な凹部を形成している。この複合的な凹部に、図６Ａのアイセーフ光源装置と同じ高濃度分散ゲルを満たして、第１の領域７０４を形成している。そして、上記樹脂基板７０３上にエポキシ樹脂によるモールドされた第２の領域７０５を形成している。上記第２の領域７０５は、拡大鏡としてのレンズ部７０５ａを有している。ここでは、ＡＲ／ＨＲコーティングを施した半導体レーザ７００片端面からの出力光を利用し、これにあわせて凹部７３０の壁面を、角度４５°で対向させている。
一方、図７Ｃに示すアイセーフ光源装置は、図７Ａに示すアイセーフ光源装置と異なり、円筒７１０よりも径の小さい円筒７２０を用い、凹部７３０の壁面，底面および円筒７２０の内壁面によって形成された複合的な凹部に、同様の高濃度分散ゲルを満たして、第１の領域７１４を形成している。また、電極７１３は、第１の領域７０４の外側にあり、この電極７１３に接続されるワイヤ７０２の一部が第２の領域７０５にある。上記円筒７２０の内壁にＡｇメッキにより金属層７２１を形成している。この図７Ｃに示すアイセーフ光源装置の構成では、トランスファーモールド時のワイヤ剥がれ、または、上記円筒７２０とのショート不良が発生し易いが、図７Ａと比べると近視野像の平坦性または対称性が向上する（図７Ｂ，図７Ｄ参照）。他の構成要素は図６Ａと同一である。
ここで留意すべき構成上のポイントとその著しい効果を説明する。図６Ａまたは図７Ｃのアイセーフ光源装置において、ワイヤ６０２，７０２が、第２の領域６０５，７０５であるエポキシ樹脂の内部にまで延びている。このように構成することで、万が一、アイセーフ光源装置を使用中にモールド部（第２の領域６０５，７０５）が破損・剥離しても、ワイヤ６０２，７０２はモールド部とともに引き剥がされて断線するため、半導体レーザ６００または７００の通電回路はオープン状態となる。すなわち、モールド部のレンズゲインによって光源径が拡大されて安全規格を満足する仕様のアイセーフ光源装置の場合、換言すれば、モールド部が剥離した状態では、光源サイズが安全基準を満たさない大きさのアイセーフ光源装置の場合、半導体レーザ６００，７００への通電を遮断して、ユーザを危険な状態に晒すことがない。なお、このようにレンズゲインに頼った設計仕様のアイセーフ光源装置の全てにおいて、常に上記のような危険性が発生する訳ではない。何故ならば、モールドレンズがない場合には、第１の領域６０４，７０４からの散乱光の放射強度分布はほぼ完全ランバーシアンになるため放射角が広がり全体的に単位立体角あたりの放射強度が低下するからである。しかしながら、モールド部のない状態でも十分な安全性（アパレント光源サイズ）が確保されたアイセーフ光源装置が望ましいことに変わりはない。
さらに、図６Ａまたは図７Ｃのアイセーフ光源装置において顕著な特徴として、それぞれの凹部６１０の最表面金属層、または凹部７３０の最表面の金属層７２１は、散乱光の広がりの範囲において連続している。一方、例えば図７Ａにおいては、複合的な凹部７０４のうち、ざぐり穴部分の最表面金属層と円筒７１０の内壁金属層７１１の間にＦＲ４基板７０３が露出し、第１の領域７０４、特に図示したように散乱光の空間分布が比較的強い主要な領域内で接している。したがって、図７Ａにおいては、例えば０．７以下程度の比較的小さい不均斉因子ｇを有する散乱体を用いて第１の領域を構成した場合、あるいは任意の不均斉因子ｇであっても幾何学的な光路長が比較的長い場合などには、樹脂基板７０３側への散乱光の漏れ量が無視できなくなることが多い。
したがって、図６Ａあるいは図７Ｃに示したように、単一あるいは複合的な凹部の構成として、主要な部分の最表面金属層が連続して設けられていることによって、光源装置としてより高い光取出し効率を安定して得ることができる。上記主要な金属層が連続的に設けられることは、基板側ワイヤボンディング点６０８や７１３が第１の領域の外側にあること、すなわち先に述べた特徴である第２の領域にワイヤが延びていることと、必ずしも一致する構成要件ではない。しかしながら、一般的に、第２の領域にワイヤが延びる構成の方が、上記金属層の連続性を得ることが容易であるのは言うまでもない。
また、図７Ａ，図７Ｃにおいて、上記複合的な凹部を形成する円筒７１０，７２０の断面形状は必ずしも円である必要はない。製造工程を簡略化し低コスト化を図る上では円柱状または円錐状等が最も好ましいが、正方形や長方形をはじめとする多角形でもよく、半導体レーザの共振器軸に対して対称性を有することが近視野像引いては遠視野像の均一性の観点から好ましい。また、上記第２実施形態の図４およびこの第３実施形態の図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃから明らかなように、凹部全体の構成には任意性がある。すなわち、凹部全体としては、第２の領域に向かう開口部を有する形状であり、散乱領域としての主要な部分と接する最表面が金属層であることが望ましい。
図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃの構成のように、半導体レーザ６００，７００の出射光の光軸と第２の領域６０５，７０５のレンズ部６０５ａ，７０５ａの光軸が略直角に交わる多重散乱光学系の場合にも、凹部６１０，７３０の主要な壁面の傾斜角度を必ずしも４５°とする必要はない。すなわち、第１の領域６０４，７０４において極めて多数回の散乱を受けるため、完全に幾何光学的に設計する必要はない。
また、図７Ａ，図７Ｃの構成のように、主に半導体レーザ７００の片端面からの光出力を利用する場合には、散乱体が存在しないと仮定した場合に、第１の領域７０４と第２の領域７０５の境界面とレーザ光の光軸７０１との交点が上記２次的面光源の中心点を通るように、凹部７３０と第２の領域７０５のレンズ部７０５ａの中心軸をシフトすると好ましい。また、第１の領域７０４，７１４および第２の領域７０５の境界面上での光強度分布のピーク中心を、第２の領域７０５の光軸７０６上に載せて配置するのが望ましいことは言うまでもない。
また、例えば図６Ａに示すアイセーフ光源装置のように半導体レーザ６００の両端面からの光出力を利用する構成では、凹部６１０の壁面の傾斜角度を大きめに取ったり、逆に半導体レーザ６００の共振器が相対的に短ければ上記凹部６１０の壁面の傾斜角度を小さめに取るといった変形が可能である。すなわち、第１の領域の散乱体が存在しないと仮定した場合に、レーザ光の光軸が複数に分割されて存在する場合には、上記２次的面光源の中心点に対して対称にかつ均等に分布するよう設計するのがむしろ好ましい。このようにして近視野像の光強度分布の平坦性（平均化した光強度分布の均一性）を向上することは、空間的コヒーレンシを直接低減する作用を有し、スペックル低減にも効果的である。
図８は、図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃに示すアイセーフ光源装置の構成に対して、図３Ａで説明した各種散乱体を種々のサイズおよび濃度でシリコーンゲルに分散した多数のアイセーフ光源装置について、近視野像を総合的に評価した結果を示している。図８の横軸は、輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥで、仮想的に散乱体がないとした場合にレーザ光の光軸が第１の領域を通過するまでの幾何学的距離Ｌ（図６Ｂ参照）を、第１の領域内の輸送平均自由行程ｌＡＶＥで割った値である。図８の縦軸は、近視野像のスペックル量σＰＡＲである。図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃそれぞれの構成の良好な近視野像の相対光強度分布は図６Ｃ，図７Ｂ，図７Ｄに示している。
図８を図３Ａまたは図５Ａと比較すると、スペックル量σＰＡＲの値が全体的に低減されていることは明白である。また、図６Ａおよび図７Ａ，図７Ｃの構成によれば、同じ幾何学長であっても、多重散乱領域が最表面を金属層とする凹部によって取り囲まれていることによって効果的に散乱回数を稼ぎ、光学系全体の厚みを低減することが可能になる。特に、図７Ａ，図７Ｃの構成で第１の領域の厚みを拡大したことにより、単純換算で輸送平均散乱回数が数１０〜数１００回を超えると、スペックルが増大する場合があるという第２実施形態の図５Ａと同様の傾向が明確に確認された。
また、図６Ａまたは図７Ａ，図７Ｃによる凹部の構成に対しては、散乱材として粒度分布最頻値Ｄｓのサイズパラメータｑが略１〜１５の範囲にあり、シリコーンゲルに対する屈折率差△ｎを比較的大きく（△ｎ≧０．１５）取ることができるＴｉＯ２等の金属酸化物やスチレン系ポリマー等が材料として非常に好ましいことが見出され、この傾向は第２実施形態の図５Ａとほぼ同様である。
これらの散乱体を、典型的には０．５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％、より望ましくは１ｖｏｌ％〜１５ｖｏｌ％の濃度で分散することにより、好ましい散乱特性が得られた。スペックル量σＰＡＲ≦１０−１を目安にして、好ましい散乱特性を有する分散ゲルを光学顕微鏡で観察すると、散乱体は略均一に分散しており、最近接距離の平均値〈Ｒ〉は、常に〈Ｒ〉≦２０Ｄｓの関係を満たすことが見出された。また、平均値〈Ｒ〉≧３０Ｄｓでは、スペックル量σＰＡＲが急激に上昇した。逆に、散乱体を典型的には３０ｖｏｌ％以上に高濃度化するとスペックルが増大し始める傾向が明確に観測された。この状態の分散ゲルでは、１０μｍ以上のクラスタとなり、疎な空間の割合が極めて大きくなっている場合が多く観察された。
図６Ａや図７Ａ，図７Ｃの構成による新たな効果として、図６Ｃや図７Ｂ，図７Ｄの近視野像の相対光強度分布から明らかなように、近視野像全体としての平坦性が向上した。上記特性は、先に述べたとおり、スペックルの低減に直接作用するほか、遠視野像パターンを狭幅化したり無駄な裾引き成分を抑制したりするために大きな効果を発揮する（後述）。さらに、第１の領域と第２の領域の界面上に形成される２次的面光源の広がりは、凹部の開口に略類似した形状を持つため、光源サイズを明確に規定することができるアイセーフ光源装置を、確実にマージンを取って歩留まりよく製造することが可能になった。
また、第２実施形態の図４に示すアイセーフ光源装置の構成と比較すると、図６Ｂに示したように斜面を有する凹部壁面によって光軸が変換される分、上記幾何学的長さＬが拡大されると共に、上記凹部の壁面の金属層の粗面で乱反射されることによって効率よく光が第１の領域内に拡がる効果がある。したがって、上記第１実施形態の図２のアイセーフ光源装置および第２実施形態の図４のアイセーフ光源装置の構成と比べて、散乱体濃度を低減でき、分散工程が容易になる。また、図７Ａ，図７Ｃのように第１の領域の設計に自由度を設けることで、散乱体の粒径分布に対する許容範囲を広げ、アイセーフ光源装置の製造歩留まりを格段に向上することができた。特に、母材との屈折率差△ｎが０．０９と比較的小さいアクリル系高架橋ポリマー微粒子であっても、５ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％程度の比較的高濃度範囲に望ましい散乱特性を見出せる場合があった。このようなアクリル系微粒子は、有機系微粒子の中でも比較的小粒径化が容易であり、コスト的にも好ましい。
次に、遠視野像について説明する。図６Ａの構成に対して、第１の領域６０４および第２の領域６０５の境界面と第２の領域６０５の拡大鏡としてのレンズ部６０５ａ頂点との間の距離Ｈｃを変化させると共に、第２の領域６０５のレンズ部６０５ａの半径Ｒを１．０ｍｍ〜１．５ｍｍで変化させた。また、図７Ａ，図７Ｃの構成に対して、特に図７Ａ，図７Ｃの円筒７１０，７２０の高さｈを種々に変更することにより、第１の領域７０４，７１４と第２の領域７０５との境界面と、第２の領域７０５の拡大鏡としてのレンズ部７０５ａの頂点との間の距離Ｈｃを変化させると共に、第２の領域７０５のレンズ部７０５ａの半径Ｒを１．０ｍｍ〜１．５ｍｍで変化させた。さらには、図６Ａまたは図７Ａ，図７Ｃの各構成に応じて、２次的面光源の径も０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度の範囲で変化させた。このような種々のモジュールについて、遠視野像の半値全幅とスペックル量σＰＡＲを評価した結果を図９Ａに示している。なお、遠視野像についても近視野像と同様の方法でスペックル量σＰＡＲを定義できるが、一貫性のある評価を行うためには測定系のＦＯＶ（視野角）に注意が必要である。ここでは、ＩｒＤＡよりも若干厳しい仕様を想定し、１ｍの距離から１ｍｍφの受光部を望む立体角を測定ステップとし、これよりも高い分解能で固定して放射強度分布（ＦＦＰ）測定を行った。
図６Ａのアイセーフ光源装置の構成では、球面レンズ部６０５ａの半径はＲ＝１．１ｍｍであり、その材質であるエポキシ樹脂の屈折率ｎは約１．５であることから、焦点距離ｆは、
ｆ＝Ｒ・ｎ／（ｎ−１）
で表され、焦点は、レンズ部６０５ａの頂点から樹脂基板６０３側に略３．３ｍｍの距離に生じる。上記レンズ部６０５ａの頂点から第１の領域６０４と第２の領域６０５との境界面までの距離Ｈｃは約１．３ｍｍなので、横軸のＨｃ／ｆは０．３９である。このＨｃ／ｆを小さくし、焦点位置を樹脂基板６０３側により深く配置することで放射強度分布（ＦＦＰ）は狭くなる。これに伴い遠視野像のスペックル量σＰＡＲも増加する。２次的面光源がレンズ頂点に近付きすぎると、再び放射強度分布（ＦＦＰ）が広がり始め、スペックル量としては飽和するような傾向が見出された。ここで、図９Ｂ，図９Ｃから明らかなように、半値全幅が比較的狭い場合（図９Ｂ側の約２０度）も、広い場合（図９Ｃ側の約６０度）も、半値角よりも外側の広角領域において放射強度の裾引きはほとんど発生せず、一般化ランバーシアン（ｃｏｓのｎ乗）では表せない矩形に近い放射強度分布（ＦＦＰ）が得られることがわかる。
図９Ａに示したデータの大部分の領域で、放射強度分布（ＦＦＰ）半値全幅のほぼ２乗に反比例してスペックル量σＰＡＲが減少した。これは、上記２次的面光源は全体としてのグローバルなコヒーレンシはほぼ喪失しているものの、ローカルに見れば（散乱体のサイズのオーダでは）、近視野像には依然として空間的なコヒーレンシが残っていることに起因する。上記２次的面光源の各面素からの最終的な散乱光が、互いに相関を持ったまま微小な角度をなして放射され、第２の領域で近視野像から遠視野像に変換される過程において、微小な角度で再び交差する確率を０にすることはできない。狭半値全幅を得るべく構成された第２の領域では相対的に上記交差確率が相対的に増し、遠視野像には個々に相関関係のない極めて多数のスペックルパターンが重ね合わせられる。したがって、放射強度が極端に落ち込むほどのスペックルは発生しないものの、スペックルを完全に消失させることも難しい。また、半値全幅の放射角が１００°を超えると、上記スペックル量と半値角の相関関係が崩れると共に、放射強度分布（ＦＦＰ）には半値角外への無駄な裾引き成分が生じるようになる（図示せず）。この領域のＨｃ／ｆにおいては、全光量を第２の領域に導くように光学系を構成することは困難であり、光出力または効率も低下する。
しかしながら、多重散乱光学系の第２の領域を上記のように構成して上記低角交差の発生確率を低減することで、少なくともワイヤレス光通信用途として実用的に重要な放射角２０°〜６０°程度の半値全幅の範囲においては、遠視野像スペックル量を全く問題のない値に抑制することができた（σＰＡＲ＜＜１０−１）。より狭い放射強度分布（ＦＦＰ）を得るには、例えば第２の領域が非球面レンズを備え、その非球面レンズを２次的面光源に拡大鏡として作用するように配置するとよい。
ここで、上記第２実施形態の図４およびこの第３実施形態の図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃで示す第１の領域において、共通の問題となり得る隠蔽力について説明する。上記図４，図６Ａおよび図７Ａ，図７Ｃに示す構成において望ましい範囲の比較的小径（サイズパラメータｑ＝１〜３程度）の高屈折率差（屈折率差△ｎ＞０．５）を有する散乱体を、例えば２０ｖｏｌ％以上の濃度で分散して第１の領域を構成すると、スペックル量σＰＡＲは極めて小さいレベル（＜１０−２）に低減され得るものの、全出力光量が半導体レーザ本来の出力の半分に満たないモジュールとなる場合がある。この原因には複数あり、主に、散乱回数が極めて大きく凹部の最表面の金属層による吸収の累積が問題になる場合と、高濃度の散乱体を含む第１の領域からのコヒーレント後方散乱による戻り光によって半導体レーザ自身の発振特性が変わってしまう場合の２つがある。
このような問題を回避し、上記第２実施形態の図４および第３実施形態の図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃに共通して有効な第１の領域の構成の変形例を次に説明する。この変形例は、比較的小粒径の散乱体に対して均一分散を得ることが難しい場合にも好ましく実施することができる。例えば、上記散乱体を主（数密度として最大）としながら、上記範囲（サイズパラメータｑ＝１〜３）を逸脱し、相対的に大粒径の散乱体（ｑ≧１０）を混合分散するとよい。この場合も、すべての散乱体を含めた平均最近接距離が、最頻径すなわち主として分散される散乱体の最頻径Ｄｓの２０倍以内程度となるよう分散する。これにより、スペックル量を十分に低減しながら、第２の領域からの光の取り出し効率を高めるという効果が得られる。これは、主となる散乱体による不均斉の小さい散乱が依然として極めて多数回発生することと、副となる散乱体が鋭い前方散乱特性を示すものであっても光の波面分割および位相乱雑化の効果は期待でき、これらの相乗効果によってなされるものである。典型的には、主副混合比率を少なくとも９：１〜８：２程度まで変えても、スペックル量σＰＡＲを３×１０−２に維持して上記隠蔽力の問題を回避し、チップ状態の半導体レーザと上記種々のモジュールの電流−光出力特性にほとんど差が認められない分散条件を見出すことができた。このように、第１の領域内で混合分散を行うことにより分散工程が容易になると共に、第１の領域としての散乱特性は、主とする散乱体に対して想定される特性に近いものとしつつ、アイセーフティを満足する条件が見出された。
また、上記混合分散を行うかわりに、第１の領域内で、異なるパラメータを持つ散乱体を空間的に分離して配置したり、同じ散乱体でも空間的に分散濃度を変えるなど、上記第１の領域を２層以上の複数の層からなる積層体として構成してもよい。上記第２実施形態の図４および第３実施形態の図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃで示す第１の領域に対しては、このような変形を極めて容易に実施することができる。
例えば、比較的小粒径のサイズパラメータｑが１〜１５程度の散乱体を１５ｖｏｌ％で単一分散することが困難であり、５ｖｏｌ％以下の濃度では均一分散は可能でも十分な散乱特性が得られないという状況にある場合、第１の領域の半導体レーザに近接する９０％の領域を上記散乱体５ｖｏｌ％単一分散層で構成し、その最上部１０％の領域に同じ散乱体を５０ｖｏｌ％と高濃度分散した薄い層を設けてもよい。
上記第１の領域の大部分を閉める領域内ではコヒーレントな波面を多数に分割する作用を主眼とし、その後、上記最上層で十分な多重散乱を発生させることで、隠蔽力を抑制しつつ十分なスペックル低減効果を得ることが可能であった。このようにして、第１の領域を多層化することにより、分散工程最適化の困難さは低減されるが、トータルのコスト面では不利になる。
なお、ここで述べた第１の領域の変形例の効果は、上記隠蔽力の問題の解決に限られない。例えば、光学系としてサイズに対する制約が比較的緩く全光路長を長く取ることが可能な場合には、より分散工程が容易になったり、分散工程後の粘性を比較的低く保ってハンドリング（取り扱い）を容易にすることが可能になる。
これまでに示した構成例において、実際に示した近視野像の形状から明らかなように、アパレントな光源として一定の平均強度分布、すなわち矩形に近い近視野像を得ることは容易ではない。これはアイセーフティに対して必ずしも必要な条件ではないが、例えば光強度が１／ｅ以下となる近視野像の幅が、光強度分布の形状が単純でないことによってロット毎に大きくばらつく場合等には、製造歩留まりが悪化してコストアップにつながり得る。また、多重散乱光学系の光軸方向の厚みが極めて薄い場合には、隠蔽力が問題となる濃度で分散しないと、所望の多重散乱特性が得られない状況に陥る傾向がある。また、極端にいびつな分布形状を持つ場合には、放射強度分布（ＦＦＰ）の形状や対称性が実用的ではなくなる場合もある。
そこで、このような諸問題を解決し、一層の小型化・薄型化の要求に対して、より製造歩留まりの高く効果的にスペックルを低減することができるアイセーフ光源装置について次の第４実施形態において説明する。
（第４実施形態）
図１０Ａはこの発明の第４実施形態の光源装置としてのアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。この第４実施形態のアイセーフ光源装置は、凹部の形状を除いて第３実施形態の図３Ａに示すアイセーフ光源装置と同様の構成をしている。
図１０Ａにおいて、樹脂基板１００３に形成された凹部１０１０の主要な壁面部分は、その開口に向かって径が広がるように構成され、深さｈ＝４００μｍ，底面径ｄ＝８００μｍよりアスペクト比ｒ（＝ｈ／ｄ）は０．５である。また、上記樹脂基板１００３上および凹部１０１０の最表面にＡｕメッキにより配線パターン１０１２を形成している。上記半導体レーザ１０００の下面は、凹部１０１０の底面（配線パターン１０１２）に直接銀ペーストで固着されている。上記凹部１０１０の壁面の法線と半導体レーザ１０００の出射光の光軸１００１とのなす角度θが、設計上θ＝６°となるように、壁面を傾斜させており、散乱体が第１の領域に含まれないと仮定した場合には、図１０Ａに示すように、半導体レーザ１０００の出射光の光軸は、上記凹部１０１０内で複数回変換される。
このような凹部１０１０の壁面は、例えば、樹脂基板１００３に角度θおよび底面径を有する金属棒（図示せず）を、進入深さを制御して打ちこむといった工程で形成されるとよい。その後、上記凹部１０１０を有する樹脂基板１００３に、ニッケル、銅の下地メッキおよび銀の本メッキ処理を行って配線パターン１０１２を形成する。したがって、上記凹部１０１０の最表面をなす金属層は銀となっている。また、このように構成することにより、図６Ａや図７Ａ，図７Ｃを用いて説明したように、基板１００３側あるいは第２の領域の光軸方向１００６以外への散乱光の漏れを抑制することができる。
その後、発振波長８９０ｎｍのＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ１０００をダイボンドとワイヤボンドした後、粒径最頻値Ｄｓ＝４μｍのアクリル系高架橋ポリマー微粒子を熱硬化型シリコーンゲルに３ｗｔ％分散させ、上記凹部１０１０に注入し、硬化させて多重散乱光学系の第１の領域１００４とする。さらにエポキシ樹脂によるトランスファーモールドによって多重散乱光学系の第２の領域１００５が完成する。
図１０Ｂには、上記構成のアイセーフ光源装置で実際に得られる比較的良好な近視野像の相対光強度分布を示している。上記凹部１０１０の主要な壁面の構成は、傾斜角度θ［ｄｅｇ］が、
Ｃｍｉｎ・ｒ＝１
Ｃｍａｘ・ｒ＝２０
より、
Ｃｍｉｎ・ｒ  ≦  ３  ≦  θ  ≦  Ｃｍａｘ・ｒ
を満たしており、第２の領域１００５の光軸１００６方向への厚み、すなわち深さｈが４００μｍと短い場合であっても、効果的に多重散乱を発生させてスペックルを低減することができる。また、これまでに示したすべての構成例と比較しても、第１の領域１００４と第２の領域１００５との境界面に形成される２次的な面光源の強度分布の平坦性が格段に向上していることがわかる。このような構成により、微小体積内で最も効果的にスペックルを低減することができる。
これと同時に、遠視野像パターンも半値全幅約３０°の放射角で裾引きのないシャープな形状が得られた。また、近視野像のスペックル量σＰＡＲとして略２×１０−２と極めて低い値が得られ、遠視野像のスペックル量σＰＡＲとして略１×１０−２が得られた。さらに、一定の立体角内の出力光しか受光できないＩＬ（電流−光出力）測定系によって、半導体レーザのチップ状態と上記アイセーフ光源装置状態のＩＬ特性を比較しても、光の取り出し効率は低下していないことが確認された。
また、図１１Ａは、図１０Ａに示すアイセーフ光源装置と同様に、効果的に近視野像を均一化しスペックルを低減する他のアイセーフ光源装置の構成を示している。ここでは、上記第１の領域における複合的な凹部１１２０の主要な部分を、開口部と底面部の断面形状がほぼ同一の円筒１１１０で構成している。上記円筒１１１０の内周面にＡｇメッキにより金属層１１１１を形成している。樹脂基板１１０３上のＡｕメッキ配線パターン１１１２およびＡｕバンプ１１１３とあわせて凹部１１２０の全体が構成され、その最表面のほとんどが金属層となっている。
上記凹部１１２０の主要な部分である円筒１１１０は、高さｈ＝３５０μｍ，内径ｄ＝８００μｍよりアスペクト比ｒ（＝ｈ／ｄ）が０．４４である。上記金属層１１１１の法線と半導体レーザ１１００から出射光の光軸１１０２とのなす角度θ（傾斜角度）が略６°となるように、円筒１１１０を傾斜させて樹脂基板１１０３上に設置した。ここで、
ｒ／５＝０．０９
ｔａｎθ＝０．１１
ｒ／２＝０．２２
より、
ｒ／５  ≦  ｔａｎθ  ≦  ｒ／２
なる関係が満たされている。上記傾斜角度θは相対的なものであって、上記凹部１１２０の主要な部分（円筒１１１０）の軸を樹脂基板１１０３の法線に一致させ、かわりに半導体レーザチップを傾斜させてダイボンドしても、同様の効果が得られるが、いずれにしても実装の順序としては半導体レーザを先にダイボンドする方が容易である。
上記凹部１１２０の壁面は、図１０Ａに示すアイセーフ光源装置とは異なり、少なくとも内壁面全体に金属層１１１１を設けて予め準備された円筒１１１０を、配線パターン工程を終えた樹脂基板１１０３上に後付けする方が、製造工程および上記傾斜を与えるための工夫をより容易に実施することができる。図１１Ａでは、高さ約８０μｍのＡｕバンプ１１１３をＡｕメッキ配線パターン１１１２上に配置し、上記円筒１１１０との間に介在させて銀ペーストで固着することで精度よく上記傾斜角度θを確保している。傾斜角度θの与え方については、他の様々な実施変形例を考えることも容易であるが、その後の工程としてゲル乃至エラストマー等流動性の高い物質を注入することを考慮し、凹部１１２０全体として、樹脂基板１１０３との間に隙間なく形成される必要がある。また、このように構成することにより、図６Ａや図７Ａ，図７Ｃを用いて説明したように、基板１１０３側あるいは第２の領域の光軸方向１１０６以外への散乱光の漏れを抑制することができる。
この図１１Ａのアイセーフ光源装置では、粒径最頻値Ｄｓが６μｍのスチレン系高架橋ポリマー微粒子を用い、熱硬化型シリコーンゲルに６ｗｔ％分散させたものを凹部１１２０に注入して、多重散乱光学系の第１の領域１１０４を形成している。さらに、エポキシ樹脂によるトランスファーモールドによって、多重散乱光学系の第２の領域１１０５を形成している。
図１１Ｂには、上記構成のアイセーフ光源装置で実際に得られる近視野像を示している。上記凹部１１２０の主要な壁面の構成では、上記壁面の法線と半導体レーザの出射光の光軸とのなす角度θ［ｄｅｇ］が、
ｍａｘ｛ａｔａｎ（ｒ／５），３｝  ≦  θ  ≦  ａｔａｎ（ｒ／２）
なる関係を満たしている。このため、上記円筒１１１０の高さｈ（第１の領域の光軸１１０６方向への厚み）が３５０μｍと短い場合であっても、効果的に多重散乱を発生させてスペックルを低減することができた。図１０Ａのアイセーフ光源装置と同様に、極めて高い２次的な面光源均一性と、近視野像および遠視野像のスペックルも極めて小さいことが分かる（近視野像のスペックル量σＰＡＲ略８×１０−３、遠視野像のスペックル量σＰＡＲ略１×１０−２）。また、半導体レーザ１１００のチップ状態と上記アイセーフ光源装置状態の電流・光出力特性を比較しても、光の取り出し効率はほとんど低下していないことが確認された。
しかしながら、この第４実施形態の図１０Ａまたは図１１Ａに示すような多重反射および多重散乱を併用する第１の領域１００４，１１０４において、散乱体単体での規格化散乱断面積が大きく等方性が高いものを用いると、第２の領域１００５，１１０５の光軸１００６，１１０６に垂直な方向への拡散が十分に起こらず、２次的面光源としての一様な近視野像強度分布が得難い傾向があり、その場合にはスペックルも十分には低減されなかった。また、均一な近視野像が得られる場合でも、光の取り出し効率が低下する傾向が見出され、隠蔽力の影響が顕在化した。逆に、サイズパラメータｑが１０〜５０の比較的大粒径の好ましい散乱体を用い、上記傾斜角度θを変化させたモジュールの評価結果からは、図１０Ａの構成においては傾斜角度θが約１０°を超えた場合や、図１１Ａの構成においては傾斜角度θが約１５°を超えた場合には、各部のディメンジョンや散乱体の種類／濃度／混合比を最適化しても、過剰なスペックル（例えばσＰＡＲ＞３×１０−１）が発生し得ることが見出された。
さらに、サイズパラメータｑが１０〜５０の比較的大粒径の散乱体を用いて、上記傾斜角度θを０°とした場合には、図１０Ａと図１１Ａのいずれの構成でも、遠視野像の半値全幅としてはさほど変わらないものの、広角への放射強度が生じると共に、積分球による全光量測定で光出力が１０％以上低下するアイセーフ光源装置が多発した。これは、主に、上記凹部１０１０，１１２０の壁面に垂直に近い角度で入射する散乱光に対する微小な吸収の累積効果が顕在化したものである。上記凹部１０１０，１１２０のアスペクト比ｒによっては、上記傾斜角度θは極めて小さな値を取り得るが、上記広角への放射強度が生じるという問題と、積分球による全光量測定で光出力が１０％以上低下するという問題を回避するため、少なくとも３°以上の傾斜角度θを与えることが望ましいことが見出された。
このように、多重反射および多重散乱を利用する第１の領域として、図１０Ａの場合は、傾斜角度θが、
Ｃｍｉｎ・ｒ＝１
Ｃｍａｘ・ｒ＝１０
より、
Ｃｍｉｎ・ｒ  ≦  ３≦  θ≦  Ｃｍａｘ・ｒ
を満たすアスペクト比ｒで凹部１０１０の主要な壁面を構成する。また、図１１Ａの場合には、傾斜角度θが、
ｍａｘ｛ａｔａｎ（ｒ／５），３｝  ≦  θ  ≦  ａｔａｎ（ｒ／２）
を満たすアスペクト比ｒで凹部１１２０の主要な壁面を構成する。さらに、上記第１の領域に主として分散される散乱体をサイズパラメータｑが１０〜５０程度と比較的大粒径とすることにより、上記相反する複数の要求を同時に満たすことが可能であることが見出された。
また、上記のように比較的大粒径の散乱体を用いることで光源サイズは容易に拡大されて平坦化されるものの、スペックル低減効果が十分には得られない場合もあり得る。このような場合、例えばアクリル微粒子のように比較的低屈折率差の散乱体を主として１ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％、典型的には１０ｗｔ％程度分散し、さらに屈折率差△ｎ≧０．２程度で、かつ、サイズパラメータｑ≦１０程度の相対的に散乱能の高い微粒子（例えば平均０．３μｍ径のＴｉＯ２微粒子）を、０．１ｖｏｌ％程度の割合で副として加え、混合分散するとよい。副として混合分散する散乱体の体積比を略０．０１ｖｏｌ％〜０．１ｖｏｌ％とし、場合によっては１ｖｏｌ％までの範囲とすることにより、上記のスペックル低減効果が十分には得られないという問題を解決する条件を見出すことができた。
図１０Ａおよび図１１Ａの構成に対して種々の散乱体を適用し、特にこれまでの他の構成との違いが顕著な近視野像に関する結果を図１２に示し、特に、主となる低屈折率差の散乱体と、副となる高屈折率差の散乱体の混合分散に関する結果も示している。ここで、図１２の横軸は、図５Ａまたは図８と同じく輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥであるが、幾何学的なディメンジョンＬのとり方を変えている（図１０Ａ，図１１Ａ参照）。図１０Ａ，図１１Ａには散乱体がないと仮定した場合の半導体レーザの出射光の光軸が変換される様子を模式的に示しているが、これに沿って長さを定義しても、実際の多重散乱光学系としてはあまり意味がないためである。したがって、第１の領域１００４，１１０４および第２の領域１００５，１１０５の光軸１００６，１１０６方向への厚みをそれぞれＬとして評価した。
図１２の顕著な特徴として、低屈折率差△ｎのＳｉＯ２やアクリル系高架橋粒子が更なるスペックル量σＰＡＲの低減に対して効果的な場合があることが挙げられる。典型的には、５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％程度の濃度範囲で十分なスペックル量σＰＡＲの低減が実現できた。また、図１０Ａ，図１１Ａの構成では、高濃度分散化したときのスペックル量の再上昇があまり顕著には観察されず飽和傾向を示している。このような効果は、比較的低屈折率差で大粒径の微粒子を用いることによる近視野像平坦化と分散均一性の容易さから生じるものである。
比較的大きな屈折率差を有するＴｉＯ２やスチレン系においても、大粒径化することで、このアイセーフ光源装置の構成に適用してアイセーフティを確保することは可能であるが、特にＴｉＯ２では、隠蔽力の影響が大きく、図７Ｂ，図７Ｄの結果からさらにスペックル低減するような分散濃度範囲においては取り出せる光出力が極端に減少した。また、ＳｉＯ２（図１２の×印）やアクリル系（図１２の△印）の単体の分散では、スペックル量σＰＡＲが１０−２程度で飽和する傾向があるのに対して、比較的小粒径の高屈折率の散乱体を副として０．０１ｖｏｌ％〜０．１ｖｏｌ％程度混合して分散することにより、さらに優れた特性（＋：ＳｉＯ２＋ＴｉＯ２、▲：アクリル系＋ＴｉＯ２）が得られ、隠蔽力の影響を受けることもほとんどなかった。
このようにして、上記凹部の壁面の多重反射と散乱体の多重散乱の組み合わせを用いる構成においては、比較的低屈折率差（典型的には０．０５≦△ｎ≦０．２程度）であっても、大粒径（ｑ≧１０程度）の散乱体を主とし、上記ＴｉＯ２のような高屈折率差（△ｎ≧０．２程度）で小粒径（ｑ≦１０程度）の散乱体を副として混合分散することが好ましいことが見出された。スペックル低減の観点から許容可能な範囲内で比較的低い濃度でブレンドすることにより、より簡易な分散工程によって、主とする散乱体による２次的面光源の強度分布均一化作用と、光出力の取り出し効率を両立して十分なスペックル低減効果を得ることができる。
また、上記混合分散を行うかわりに、上記のように異なる散乱体を空間的に分離して分散配置したり、各々の分散濃度を変えて上記第１の領域を２層乃至複数の層からなる積層体として構成してもよい。例えば、比較的大粒径のサイズパラメータｑが１０〜５０の散乱体を１５ｖｏｌ％で均一分散しても十分な多重散乱特性が得られない場合に、第１の領域のうち半導体レーザに近接する９割の領域を上記散乱体が１０ｖｏｌ％の分散層で構成し、その上部の１割の領域に比較的小粒径でサイズパラメータｑが１〜１０程度の高屈折率差を有する散乱体を１ｖｏｌ％分散した薄い層を設けてもよい。このような多層化された第１の領域の最上層が仮に凝集体を含む多分散となっていても、上記各条件（サイズパラメータｑ，分散濃度）を最適化して好ましい多重散乱特性を見出すことができる場合がある。このように、第１の領域を多層化することにより、分散工程最適化の困難さは低減されるが、トータルコストとしては不利になる。
なお、図１０Ａと図１１Ａでは、簡単のために片端面出射の半導体レーザを用いたが、いずれの構成においても、両端面出射型の半導体レーザを用いることでより容易に近視野像の均一性を高めることができる。スペックル低減の効果に関しても、両端面出射の半導体レーザの方が若干優れるものの、点光源が１つと２つ程度の違いでは格段の違いは見られないため、光ディスク用途等で大量生産技術が確立されている片端面出射の高出力半導体レーザを用いた方がコスト面では好ましい。また、上記第１の領域を形成する凹部における壁面の変形例として、第２の領域のレンズ部の光軸方向上方から見た筒状部分の断面形状は必ずしも円である必要はない。このような筒状部分の断面形状は、半導体レーザの光軸に対して軸対称であることは望ましいが、多角形等の任意形状であってもよく、これにより半導体レーザの光軸を少なくとも３以上の複数に分割し、より効果的に空間的なコヒーレンシを低減することが可能である。
ここまで、高出力半導体レーザのコヒーレンシを低減するのに極めて有効な多重散乱光学系の構成要素である第１の領域および第２の領域について詳述してきたが、他の構成要素である半導体レーザ自身の特性については詳しく触れていなかった。以下では、このアイセーフ光源装置に用いられる半導体レーザの特性について説明する。
既に述べたように、単体の半導体レーザの典型的なスペクトル線幅は１０ＭＨｚ程度で、可干渉距離も少なくとも数ｍ以上あり、これまで述べた多重散乱光学系の詳細な説明も、実際このような特性の半導体レーザを搭載したアイセーフ光源装置の評価結果に基づいている。
特に、通信用光源としてＳｉディテクタに適した高出力半導体レーザとしては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のリッジストライプ構造が最も一般的であり、従来からＣＤ−Ｒ／ＲＷ用に大量生産される７８０ｎｍ帯の半導体レーザがコスト面の有利さからそのまま流用される場合があった。この発明で想定するような、高速・高出力動作のワイヤレス光通信用の光源装置に搭載する半導体レーザとして、既存の光ディスク用の７８０ｎｍ帯のものや、ＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器）用の９８０ｎｍ帯のものが、必ずしも最適という訳ではない。
８８０ｎｍ〜９２０ｎｍの波長帯は、Ｓｉのピーク感度波長に近いこともさることながら、半導体レーザの閾値電流および温度特性が上記光ディスク用の７８０ｎｍ帯素子と比べて格段に向上する。典型的には、共振器長６００μｍの７８０ｎｍ帯素子の閾値電流が３５ｍＡ程度であるのに対して、例えば８９０ｎｍでは１５ｍＡ、温度特性値Ｔ０約１６０Ｋ以上が得られる。このような特性は、理論的にも、９８０ｎｍ帯のＩｎＧａＡｓ活性層素子の特性からも予想されることではあるが、実際に半導体レーザとして詳しく調べられたことはほとんどなかった。本出願人は、７８０ｎｍＡｌＧａＡｓ系半導体レーザと最大限の製造プロセス上の互換性を取ることにより低コスト化を図りながら、半導体レーザのコヒーレンシに注目して素子構造に関する検討を進めた。その結果、上記ＩｎＧａＡｓを含む活性層を用いることに加え、量子井戸バリア層または光ガイド層として、Ａｌフリー化によるさらなる高出力動作に有利なＧａＡｓＰ３元系材料またはＩｎＧａＡｓＰ４元系材料を採用することで、次のような際立った作用，効果が得られることが見出された。
例えば、半導体レーザの層構造内に光ガイド層を設け、その光ガイド層の材料をＩｎＧａＡｓＰとする。上記光ガイド層となる、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓＰ混晶系においてはミシビリティギャップ（全率混晶が得られない成長条件）が存在する。この現象を利用して、光ガイド層の組成に空間的な揺らぎを生じさせることができる。この作用によって、レーザ発振波長に時間的な揺らぎを発生させ、時間的なコヒーレンシが低下する。このような半導体レーザをこの発明の多重散乱光学系と組み合わせることで、極めて効果的にスペックルを低減できることが見出された。
典型的には、減圧ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属気相成長）法を用いて結晶成長を行い、上記光ガイド層単体のフォトルミネッセンスをウェハ内でマッピングすると、ピーク波長面内分布の偏差として１５ｎｍ〜３０ｎｍ程度、その空間分布の平均サイズが約１０μｍ程度となる結晶成長条件を見出すことができる。例えば、成長温度Ｔｇを均一かつ良質な薄膜を得るための通常の成長最適温度に対して、約５０℃〜２００℃の範囲内で低下させるとよい。これにより、上記光ガイド層で光損失を生じるほどの結晶品質低下を招くことなく、組成揺らぎを発生させ得ることが素子特性から確認された。
ここで、上記通常の成長最適温度（条件）とは、フォトルミネッセンスの面内均一性およびその強度がほぼ最良となる条件であり、一般的にはスピノーダル分解温度から１００℃〜１５０℃程度高温側に設定される。また、他の層、特に活性層の成長条件と整合するように、上記１００℃〜１５０℃の範囲以上に高温には設定されない。
上記組成揺らぎを生じる条件は、基本的にはスピノーダル分解温度程度またはそれを下回る温度で結晶成長することにより見出されるが、フローチャンネル形状などの個々の結晶成長装置に大きく依存するパラメータも多く、ガス流量等まで含めた普遍的条件を定量化することは難しい。
図１３Ａ，図１３Ｂは上記のような層を有する半導体レーザの具体的構造を示す断面図である。まず、図１３Ａについて詳しく述べる。
図１３Ａに示すように、アンドープＤＱＷ（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）活性層は、８０Å厚のＩｎ０．０７４Ｇａ０．９２６Ａｓ井戸層１３０１、５０Å厚のＩｎ０．１００Ｇａ０．９００Ａｓ０．６５７Ｐ０．３４４バリア層１３０２（引張歪−０．５％）、さらに上記バリア層１３０２と同一組成で２００Å厚の光ガイド層１３０３（引張歪−０．５％）からなる。上記構造の半導体レーザにおいて、主として上記組成揺らぎの作用を与えるのは、光閉じ込め係数の関係からＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１３０３である。このような活性領域全体を、５１５℃と比較的低温で成長させる。なお、上記光ガイド層１３０２の混晶比は、組成揺らぎが生じないスピノーダル温度よりも高い通常の結晶成長を行った場合に、ＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロ分析）から求めた平均値である。上記バリア層１３０２のエネルギーギャップはＡｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓに相当する。また、上記アンドープＤＱＷ活性層の両側に設けられた３０Å厚のアンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ第２光ガイド層１３０４内で、結晶成長温度を通常のＡｌＧａＡｓ系材料の最適成長温度７７０℃にシフトさせる。
以下、素子構造全体の例として、発振波長８９０ｎｍに最適化した各層の詳細を示している。図１３Ａにおいて、１３０５は０．１μｍ厚のｐ型Ａｌ０．４０Ｇａ０．６０Ａｓ第３光ガイド層、１３０６は０．１μｍ厚のｎ型Ａｌ０．４０Ｇａ０．６０Ａｓ第３光ガイド層、１３０７は０．１３５μｍ厚のｐ型Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ａｓ第１クラッド層、１３０８は０．２０μｍ厚のｎ型Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ａｓ第１クラッド層、１３０９は３０Å厚のアンドープＧａＡｓエッチングストップ層、１３１０は１．２８μｍ厚のｐ型Ａｌ０．４７８Ｇａ０．５２２Ａｓ第２クラッド層、１３１１は２．３μｍ厚のｎ型Ａｌ０．４２５Ｇａ０．５７５Ａｓ第２クラッド層、１３１２はｎ型Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０Ａｓブロック層、１３１３はｐ＋＋型ＧａＡｓキャップ層、１３１４はバッファおよび基板のｎ型ＧａＡｓ層である。
上記半導体レーザ１３００を第３実施形態の図６Ａに構成を示した多重散乱光学系に適用した。散乱体には、図６Ａと同様の平均粒径０．８μｍのスチレン系架橋微粒子を、分散母材には熱硬化型シリコーンゲルを用いて１０ｗｔ％の濃度で分散したものを用いる。この半導体レーザ１３００を用いたアイセーフ光源装置のスペックル量σＰＡＲは、近視野像，遠視野像ともに図６Ａのアイセーフ光源装置の構成で得られた値と比べて、略１／２〜１／１０程度に低減された（図示せず）。なお、先に図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃ，図１０Ａおよび図１１Ａの構成要素として示した半導体レーザは、活性層井戸層がＩｎＧａＡｓ  ＤＱＷであることは同じであること以外はＣＤ−Ｒ／ＲＷ用の古典的なＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのみからなる構造を有している。すなわち、上記半導体レーザ１３００のような組成揺らぎは存在しないレーザ素子である。
このようにして、ＩｎＧａＡｓＰ層の空間的な組成揺らぎを有する半導体レーザ１３００は、この発明の多重散乱光学系の構成要素として、スペックルの低減に極めて有効であることが明らかになった。上記半導体レーザ１３００を搭載したアイセーフ光源装置は、ＣＷ１００ｍＷ動作時に、単峰ながら時間積分値として約１．５ｎｍのスペクトル幅を示し、この特性を保ったまま少なくとも７０℃で２０００時間以上の素子寿命が得られた。また、１００ｍＡｐ−ｐの大振幅で注入電流を変調すると、スペクトル線幅の拡がりがさらに顕著になることも見出された。
そこで、第３実施形態の図６Ａのアイセーフ光源装置と上記半導体レーザ１３００単体および上記半導体レーザ１３００を搭載した図６Ａのアイセーフ光源装置のそれぞれに対して、スペーシャルフィルタを通してマイケルソン干渉計により可干渉距離Ｌｃの測定を行った。その結果、半導体レーザ１３００を光源素子とする２者では１桁以上可干渉距離Ｌｃが短くなっており、なおかつ、この２者間でもモジュール化した方が可干渉距離Ｌｃが短いことが認められた。すなわち、半導体レーザ１３００では、通常のレーザと比べて時間的コヒーレンシが大幅に低下することに加え、この発明の多重散乱光学系の第１の領域が半導体レーザに近接して配置されるため、コヒーレント後方散乱ピークによって半導体レーザの光軸上に戻り光が発生し、上記半導体レーザ１３００自身のスペクトル線幅の増大作用とは独立に、時間的コヒーレンシを低下させる効果があることも確認された。
以上説明したように、半導体レーザ内部に、空間的に微小な組成揺らぎを有する光ガイド層を導入し、発振周波数（波長）にダイナミックな揺らぎを与えて時間的コヒーレンシを低減することができる。
さらに、図１３Ｂを参照して、同様の作用を有する他の半導体レーザの構造を説明する。図１３Ａと同一の層には同一参照番号を付している。ここでは、活性領域から距離を置いてｐ型Ｉｎ０．３７９Ｇａ０．６２１Ａｓ０．２５１Ｐ０．７４９光ガイド層１３２３を新たに設けて、上記光ガイド層１３２３のみに組成揺らぎを発生させている。光閉じ込め係数を確保し、時間的コヒーレンシの低減効果を顕著に得るために、光ガイド層１３２３は、比較的厚く４５０Å厚とし、ＧａＡｓ基板に概ね格子整合させている。上記光ガイド層１３２３の成長温度は６８０℃に下げた（スピノーダル分解温度は約７８０℃）。また、両側の（Ａｌ）ＧａＡｓ層１３０７，１３０９との成長温度の切り替えは、（Ａｌ）ＧａＡｓ層１３０７，１３０９の結晶成長時に待ち時間を設けて行う。また、ここでの活性領域内のバリア層１３２１および第１光ガイド層１３２２は、アンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓとし、ＩｎＧａＡｓ層１３０１と同じ成長温度６５０℃で成長させる。
図１３Ｂの素子構造を有する半導体レーザ１３２０を用いて、図１３Ａと同様のスペックル評価を行った結果、同等の組成揺らぎを有する光ガイド層１３０３と光ガイド層１３２３の光閉じ込め係数を略等しくすることで、ほぼ同様の時間的コヒーレンシ低減効果が得られることが明らかになった。
なお、半導体レーザの構造内に、通常のＡｌＧａＡｓ層にかえて組成揺らぎを有するＩｎＧａＡｓＰ層を導入することは、図１３Ａ，図１３Ｂの２つの半導体レーザで示した層のみに限定されるものではない。すなわち、量子井戸バリア層１３０２、それに隣接する光ガイド（ＳＣＨ）層１３０３、または新たに設ける光ガイド層１３２２等のいずれか、または任意の組み合わせに対して適用することができる。特に、多重量子井戸構造内などの比較的薄いバリア層１３０２等に対しては、格子不整合系を含めたＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０＜Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）で表される３元系またはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０＜Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）で表される４元系を用いることができる。あるいはまた、高出力化よりも温度特性を重視するレーザ素子においては、活性層からの電子のオーバーフローをブロックするための層として、例えば歪を有するＡｌＧａＡｓＳｂ層を、活性層内あるいはその近傍に加えることが効果的である。この場合においても、上記ＩｎＧａＡｓＰ層によるスペックル低減に対する諸効果は、温度特性の向上とは独立に、全く同様に得ることができるのは言うまでもない。さらにＭＯＣＶＤあるいはＭＢＥ（分子線ビームエピタキシー）等の種々の結晶成長条件を工夫することにより、上記ＡｌＧａＡｓＳｂ電子ブロック層においても、層厚及び組成の空間的な揺らぎを生じさせることも可能である。
さらに、歪量子井戸層１３０１（ＩｎＧａＡｓ）の結晶成長において、意図的に島状の３次元成長を行い、その層厚の面内分布を顕著に発生させることによって、擬似的なゲイングレーティングを形成することができる。これに関しても上記と同様のモジュール状態での評価を行った結果、上記ＩｎＧａＡｓＰ層と同様、スペクトル線幅の増大作用によるスペックルの低減効果が観察された。ただし、上記擬似的ゲイングレーティングを用いると、ＩＬ特性のリニアリティは損なわれる傾向が見られた。
上記組成または層厚の少なくとも一方に空間的な揺らぎを有する層構造を、半導体レーザ内で組み合わせることによって、一層のコヒーレンシ低減効果を生じさせ得ることは言うまでもない。しかしながら、半導体レーザの信頼性の観点からは、活性領域から距離を置いたＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１３２３等によってスペクトル線幅の増大作用を得て、量子井戸層１３０１自体は良好な結晶品質を得るための成長を行う方が好ましい。
上記のような擬似的なグレーティング作用によるスペクトル線幅の拡がりは、その形成方法から明らかなように、実空間における構造の位相が共振器全体として曖昧であること、または、典型的にはグレインサイズが波長の数倍以上に大きく、さらにブラッグ条件を正確に満たさないことに起因する。一方で、完全に平坦／組成揺らぎがない（または極めて小さい）層のみで構成された半導体レーザに比べ、ゲイン／等価屈折率の空間揺らぎと定在波とのオーバラップ量が縦モード毎に激しく変動するため、特定のモードで閾値利得が最低となり、単一縦モード発振する傾向が生じる。実際、上記レーザチップ単体の測定例では、少なくともＣＷ１００ｍＷまで単一縦・横モードを維持したまま動作し、電流・光出力特性のリニアリティも良好であった。素子によっては、上記効果に起因する高出力でのキンクまたはモードホッピングが発生することがあるものの、ワイヤレス光通信のようにバイナリで大振幅の強度変調を行うには十分な特性が得られる。
（第５実施形態）
ところで、図１３Ａ，図１３Ｂに示すスペクトル線幅を拡大した半導体レーザ１３００，１３２０に限らず任意の半導体レーザを多重散乱光学系と組み合わせて使用する場合に、これまで具体的に説明してきた樹脂基板上のモールド品やリードフレームベースの部品に限られる必要はない。すなわち、図１４に示すように、３．５ｍｍφや５．６ｍｍφの小型ＣＡＮパッケージを用いてこの発明の多重散乱光学系を構成することができる。
図１４に示すように、半導体レーザ１４００は、通常のパッケージングと同様に、ステム１４０３にダイボンドされワイヤボンドされる。さらに、キャップ１４１０の内部に散乱体を分散したシリコーンゲルを充填して、多重散乱光学系の第１の領域１４０４を形成している。特に、拡散光がキャップ１４１０の内壁にまで広がる場合には、多重散乱光学系に特有の内壁部による光吸収の累積問題を回避することが望ましい。すなわち、キャップ１４１０の内壁は、通常のＮｉメッキ等ではなく、Ａｕメッキまたは銀ペースト塗布等の表面処理がなされて、あらゆる角度の入射光に対して高反射率を有する金属層１４１１とするのがよい。これにより、一層のスペックル低減効果と近視野像の平坦性が格段に向上することは既に述べたとおりである。
また、通常のキャップシール工程は、ここでは上記シリコーンゲルの硬化工程に変更される。さらに、キャップガラス１４０６上に多重散乱系の第２の領域の拡大鏡として、レンズ作用を有するエポキシ樹脂層１４０５を形成している。図９Ｂ，図９Ｃを参照して説明したように、所望の放射強度分布が得られるように、ステム上の半導体レーザのダイボンド位置や、上記エポキシ層の厚さおよび曲率半径を調節することにより、第１の領域１４０４とキャップガラス１４０６の境界面に形成される２次的面光源とレンズ部であるエポキシ樹脂層１４０５の頂点との距離を好ましい値に設定できる。
このような多重散乱光学系の構成に対して、上記のようにモールドモジュールで行ったのと同様、半導体レーザ構造の違いを評価した。その結果、通常の組成揺らぎ等のないＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系レーザの場合と比べ、上記半導体レーザ１３００（図１３Ａに示す）を搭載した場合、近視野像のスペックル量σＰＡＲが少なくとも１／３〜１／１０程度のレベルに低下することが確認された。
ここで、上記第１〜第４実施形態の図２〜図１２で説明した多重散乱光学系の構成においては、第１の領域と第２の領域が直接接し、その境界面にコヒーレンシが効果的に低減された２次的な面光源が形成されていた。これに対して、図１４のアイセーフ光源装置では、この第１の領域１４０４とエポキシ樹脂層１４０５がキャップガラス１４０６を挟んで接している。しかしながら、ここまでに説明してきたこの発明の主旨から明らかなように、エポキシ樹脂層１４０５とキャップガラス１４０６を合わせた散乱体を全く含まない領域が、ここでの多重散乱光学系の第２の領域として作用する。
より詳しくは、第１の領域１４０４とキャップガラス１４０６との境界面に形成される２次的面光源から放出される散乱光は、屈折率１．４のシリコーンゲルを母材とする領域から、屈折率１．６のガラス層（１４０６）に入射しさらに屈折率１．５のエポキシ樹脂層１４０５に入射する。上記ガラス層（１４０６）とエポキシ樹脂層１４０５の境界には屈折率の不連続面が存在するものの、この２層（キャップガラス１４０６とエポキシ樹脂層１４０５）によって、半導体レーザ１４００の側にこれまでの構成と同様に近軸焦点が形成され、その位置は上記２次的面光源よりも深くに位置することは容易に示すことができる。したがって、上記ガラス層（１４０６）とエポキシ樹脂層１４０５の２層全体がこの発明の多重散乱光学系の第２の領域として作用することは明らかである。
このように、この発明の多重散乱光学系の第１の領域および第２の領域は、それぞれがこれまでに説明した作用を有するものである限り、上記第１，第２の領域内部を多層化する等の変形を施すことができる。ただし、第２の領域に、第２の領域内の他の部分または第１の領域母材よりも相対的に低屈折率で、かつ、屈折率差が例えば０．１以上と大きい層が含まれると、第１の領域から入射する散乱光がかなりの割合で全反射を受け、第２の領域から第１の領域への再入射する過程が顕著になる。この場合、第１の領域の散乱特性が増強される効果が得られ、場合によっては隠蔽力の影響が顕在化するが、これに応じた各部の最適化を行うことによって、好ましい多重散乱光学系を得ることができる。
（第６実施形態）
図１５Ａはこの発明の第６実施形態のアイセーフ光源装置を用いたワイヤレス光通信用の光通信モジュールの構成を示す断面図である。
まず、実装形態として、図１５Ａに示すように、光通信モジュールの支持体となる厚さ５００μｍのＦＲ４基板（ガラスエポキシ樹脂基板）１５０１上に、発振波長８９０ｎｍの半導体レーザ１５０２、駆動および受信回路を集積した駆動ＩＣ（集積回路）１５０６、および、厚さ２５０μｍのＳｉ−ｐｉｎフォトダイオード１５０７が能動素子として搭載されている。上記半導体レーザ１５０２は、平均ストライプ幅２．５μｍ、共振器長５００μｍ、ＡＲ／ＨＲ端面コート、ＩｎＧａＡｓ単一量子井戸活性層等の構造的特徴を備え、２８０ｍＷのＣＯＤレベルを有している。
上記半導体レーザ１５０２は、先述の詳細な説明と類似した傾斜角４５°の壁面を有する載頭円錐状の凹部１５０３ａが形成された金属基体１５０３にダイボンドされている。また、上記金属基体１５０３は全体の厚さが５００μｍ、上記凹部１５０３ａの深さは３００μｍであり、その最表面全面に滑らかなＡｇメッキが施されている。上記光通信モジュール全体の回路構成に関する詳細は割愛するが、各部がワイヤボンディングによってＦＲ４基板１５０１上のＡｕ配線パターンを介して電気的に接続されている。また、ＦＲ４基板１５０１の側面乃至裏面にかけて、はんだ付け用にＶｃｃやＧＮＤ、Ｔｘ／Ｒｘ等の各端子が引き出され配置されている。
さらに、上記金属基体１５０３の凹部１５０３ａは、平均粒径Ｄｓが０．３μｍ（ｑ＝２．１）のＴｉＯ２が２ｗｔ％の重量比で分散されたシリコーンゲルで満たされ、多重散乱光学系の第１の領域１５０４が形成されている。特に、凹部１５０３ａの開口の上面をも覆うように分散ゲル（シリコーンゲル）を注入することで、Ａｕワイヤ１５１０と金属基体１５０３がショートすることを効果的に防止している。また、光通信モジュール全体を、意図的な散乱体の分散を行っていないエポキシ樹脂をトランスファーモールドすることで封止している。十分な数のサンプルを評価し、測定誤差を含む平均値として、近視野像に関しては、半値全幅は約１．２ｍｍ、スペックル量の平均値〈σＰＡＲ〉＝０．０２５±０．００１が得られた。また、遠視野像は裾引きのない切れのよいパターンで、半値全幅は約３０°、スペックル量の平均値〈σＰＡＲ〉＝０．０２２±０．００１が得られた。
ここで、図１５Ａの実装形態において特に重要な特徴は、上記第１の領域１５０４が半導体レーザ１５０２に近接し、金属基体１５０３の凹部１５０３ａ内にのみ存在することである。これにより、既に述べてきたような第１の領域１５０４における空間的（あるいはまた時間的）なコヒーレンシの低減効果に加えて、送信系レンズ部である多重散乱光学系の第２の領域１５０５と、受信系レンズ部１５０８を含む上記封止樹脂を同一の工程で一括形成することができる。すなわち、送信系レンズ部（１５０５）および受信系レンズ部１５０８を含む封止樹脂中には散乱体が含まれないため、受信系レンズ部１５０８の形状とフォトダイオード１５０７との距離を、送信側の多重散乱光学系と独立して最適設計することが可能である。
このようにして、多重散乱光学系を有し、クラス１のアイセーフティを満たす送信部と、多重散乱光学系を含まずより広いＦＯＶ（視野角）と高い感度を両立する受信部とを同時に実現することができる。また、図１５Ａの光通信モジュール１５００は、ＦＲ４基板も含めた全体の厚さが１．６ｍｍ、幅は７ｍｍ×２ｍｍと極小型の電子部品として歩留まりよく製造され、かつ、−４０℃〜＋８５℃の使用条件下で十分な信頼性を有することを確認した。
なお、図１５Ｂには、上記光通信モジュール１５００の送信部の室温における電流・光出力特性を示している。典型的な１００ｍＷ動作（軸上放射強度２９５ｍＷ／ｓｒ）時の動作電流は１２０ｍＡ、動作電圧は１．８Ｖであった。また、上記駆動ＩＣ１５０６を介さず端子から直接に送信系の帯域幅を測定したところ、少なくとも測定装置上の限界である５００ＭＨｚまでパワーペナルティはなく、半導体レーザを搭載した光源として、高速化のポテンシャルも全く損なわれていないことが確認された。
上記第１〜第６実施形態では、半導体発光素子として単一の狭ストライプ高出力半導体レーザを用いたアイセーフ光源装置について説明したが、ＬＥＤに対する光電変換効率の優位性を有する半導体発光素子はこれに限らず、複数ストライプのアレイレーザ、ブロードエリアレーザ、あるいはＳＬＤ等、時間的・空間的なコヒーレンシが異なる種々の光源素子を用いた光源装置にこの発明を適用してもよい。
この発明の光源装置によれば、半導体レーザを搭載する小型の樹脂封止光通信モジュールにおいて、量産効果が高く高出力化技術が進んでいる近赤外域の半導体レーザを採用することにより、低電流高出力動作および高速動作と、スペックルフリーなクラス１のアイセーフティの確保が、同時に最低のコストで実現することができる。その結果、ビーム放射角を制御して使い勝手を損なわずに、安価で高速なワイヤレス光通信システムの基幹デバイスを実現することができる。
特に、この発明の光源装置の半導体発光素子として、ＩｎＧａＡｓを活性層に備え、８８０ｎｍ〜９２０ｎｍの波長範囲内で発振する半導体レーザを採用することによって、極めて閾値電流および動作電流を低くし、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）フリーまたはバイアスフリーの簡単な駆動回路で安定に高出力動作を行うと共に、受光素子には安価なＳｉフォトダイオードを用いることで、上記ワイヤレス光通信システムのコストパフォーマンスを格段に向上させることができる。
この発明で開示される光源装置の多重散乱光学系の個々の構成に対して得られる効果は次の通りである。
散乱体を相対的に高濃度に含み上記半導体レーザに近接する第１の領域と、上記第１の領域に接し自由空間に至る第２の領域からなる多重散乱光学系を有し、上記第１の領域と第２の領域との境界面に形成される２次的面光源の少なくとも主要な部分に対して、第２の領域を拡大鏡として作用させる。これにより、レーザ光の空間的コヒーレンシを低減する多重散乱を、極めて微小な第１の領域において効果的に生じさせて、第２の領域で放射強度の角度分布特性の制御を主に行うことによって、各部の最適化を切り分けて行うことができる。また、上記第２の領域が含む散乱体の濃度を第１の領域の１／１０以下とすることにより、放射強度の半値角外への不要な裾引きが抑制される。このように、簡便な光学系で近視野像のアイセーフティ化と遠視野像パターンの整形を両立することができる。
また、上記半導体レーザに近接した微小な第１の領域において、輸送平均散乱回数として少なくとも数回以上の多重散乱を経ることにより、上記第１の領域と第２の領域との境界面に、所望のアパレントな光源サイズを有する単一の２次的面光源を形成し、クラス１のアイセーフティを確保することができる。すなわち、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の広がりを有する近視野像の局所的なピーク構造が徴細化・不明瞭化される。また、近視野像のＰＡＲ振幅の確率分布がガウス分布と見なされるようになり、スペックル量σＰＡＲは１０−２台、またはそれ以下の極めて小さいレベルまで低減することができる。
また、上記第１の領域の作用によって、第１の領域と第２の領域との境界面に形成される２次的面光源の少なくとも主要な部分に対して、上記第２の領域が拡大鏡として作用することにより、比較的広角への散乱成分まで効率よく集めながら、上記第２の領域から自由空間への近視野から遠視野への変換過程において、光の経路が局所的に低角で重なり合う確率が低減される。したがって、遠視野像のスペックルを抑制しつつ放射強度の均一性が高く切れのよい遠視野像パターンが形成される。このように、微小な多重散乱光学系においても、好ましい光学特性とアイセーフティの確保を両立させることができる。
また、上記第１の領域の構成要素である散乱体の直径最頻値Ｄｓは、サイズパラメータｑとして略１〜５０の範囲から選択する。多重反射を用いない多重散乱光学系においては、サイズパラメータｑが１〜１５、より望ましくは１〜１０の範囲を満たす散乱体であって、分散媒質との屈折率差△ｎ≧０．１５程度の散乱体を主として分散させる。また、多重反射と多重散乱を併用する多重散乱光学系においては、サイズパラメータｑが１０〜５０の範囲の比較的低屈折率差の散乱体を主として分散する。
また、上記サイズパラメータの範囲内で複数の粒径分布ピークを有したり、異なる屈折率の材料による複数の散乱体を混合して分散する。このような構成によって、高濃度な単分散の困難さや近視野像の不均一性、遠視野像の裾引きといった問題を解決しながら、効果的にスペックルを低減してアイセーフティが確保される。上記サイズパラメータｑと、第１の領域の母材と主として分散される散乱体の屈折率差△ｎの関係は、積△ｎ・ｑが略２〜８の範囲、特に３の近傍となるように、サイズパラメータｑを選ぶことにより、望ましい粒子種を選択する目安が得られる。
上記第１の領域における上記散乱体の平均最近接距離が、その粒径最頻値Ｄｓの略２０倍以下となるよう高濃度分散することにより、ｍｍオーダの微小な体積内で極めて効率よく空間的コヒーレンシを低減する分散条件を容易に見出すことができる。また、半導体レーザ自身に戻り光誘起の周波数揺らぎを発生させることができる。
また、上記第１の領域を、ゲル状またはゴム状の物質（エラストマー）を母材とて構成することにより、体積比０．５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％、特に１ｖｏｌ〜１０ｖｏｌ％の散乱体濃度で均一分散を得つつ、トランスファーモールドのように高圧のかかる工程を経ても上記第１の領域を安定に保持することができる。特に、硬化前の粘度が６０００ｍＰａ・ｓ以下程度のシリコーンゲルは、簡易型の安価な分散・混練装置で好適に用いられる。さらに、散乱体をゲルまたはゴム等の母材に分散し、上記第１の領域として半導体レーザに近接して設けることにより、放熱性および応力緩和効果を得ると共に、コヒーレント後方散乱を発生させ、半導体レーザの時間的なコヒーレンシを低下させることができる。
また、最表面の少なくとも一部に金属層を有する壁面および底面から構成される凹部の底面に半導体レーザが直接または間接に固着され、上記凹部を構成する壁面および底面の少なくとも一部が、上記第１の領域内の散乱光に対する反射面となり、かつ上記第１の領域の形状を定める保持面とする。これにより、多重散乱領域のディメンジョン（寸法）を明確に規定し、散乱体濃度を制御することができる。特に、上記最表面の金属層が凹部をなすことで、その凹部内に安定に形成・保持された第１の領域で発生する散乱光が、全体として第２の領域に向かって導波される。特に、上記最表面の金属層に銀を用いることで、上記導波効果を有する境界面の反射率を高め、多重散乱特有の光吸収の累積問題を抑制できる。
また、上記最表面の金属層が、少なくとも、上記第１の領域内に空間分布する散乱光の到達範囲内にある主要な部分において、上記金属以外の物質が露出しないよう連続的に形成される。これにより、第１の領域内に空間分布する散乱光が、光軸方向以外（基板側等）に漏れ出すことを効果的に防止し、光出力の損失を招くことなく光源サイズを明確化し、空間的コヒーレンシを効率よく低減することができる。
また、上記凹部の壁面の少なくとも一部に形成された金属層の表面は、上記半導体レーザの出射光の光軸方向を、上記第１の領域と第２の領域との境界面側に変える反射面とすることにより、効果的に散乱光路長を広げ、少なくとも初期の散乱（乱反射）を簡易な工程で得られる反射面で生じさせて、小型の多重散乱光学系においても十分な多重散乱の作用を得られる。
上記構成において、主として分散される散乱体のサイズパラメータｑは略１〜１５の範囲、特に１〜１０の範囲を満たすものがよい。これにより、バリスティックな直進光成分を効果的に減衰させると共に、光源として利用可能な光出力が効率よく得られる。第１の領域の母材と散乱体の屈折率差△ｎは０．１以上、特に０．１５以上とすることにより、多重散乱光学系において好ましい散乱特性が得られる。
また、上記構成は、最も容易にアイセーフな微小多重散乱光学系を構成し、散乱体の隠蔽力の影響を軽減して、光出力を損失がない良好な光学特性を得ることができる。また、上記半導体レーザの出射光の光軸が凹部の底面に略平行になるように、端面発光型の半導体レーザを簡便なダイボンドの形態によって実装でき、低コストで製造できる。
上記比較的小粒径のサイズパラメータｑが１〜１５程度の散乱体を主とし、比較的大粒径のサイズパラメータｑが５０以下程度の散乱体を副として混合分散することにより、分散工程を容易にしつつアイセーフティを満足する条件が見出される。また、第１の領域を、上記比較的小粒径のサイズパラメータｑが１〜１５程度の散乱体を主とする部分と、相対的に大粒径の上記散乱体と同じまたは異なる散乱体を主とする部分とで積層化することによっても、分散工程の容易化とスペックル低減効果を両立することができる。
また、上記凹部を構成する壁面の少なくとも主要な一部は、上記半導体レーザの出力光の光軸を複数回変換する反射面とする。特に、その壁面の主要な部分に特定の傾斜角度を持たせ、散乱体が存在しないと仮定した場合に２回〜５回程度の反射回数で上記凹部の開口に達する構成とする。これにより、第２の領域の光軸方向への厚みが薄い多重散乱光学系においても、十分な多重散乱と光の取り出し効率を両立し、２次的面光源の均一性を格段に向上させてスペックル低減を図ることができる。
また、上記凹部が開口に向かって径が広がるようにし、その凹部の底面の径に対する深さの比であるアスペクト比ｒと、上記壁面の法線と半導体レーザの光軸とのなす角度をθ［ｄｅｇ］に対して、
ｍａｘ｛２ｒ，３｝  ≦  θ  ≦  ２０ｒ
なる関係を満たす。これにより、スペックル低減のための多重散乱とそれに伴う上記金属層による光吸収の累積問題に関する好ましい最適条件を見出すことができる。
上記構成において、第１の領域に主として分散される散乱体のサイズパラメータｑは略１０〜５０の範囲、特に１５〜４０の範囲とする。これにより、より効果的に近視野像を均一化し、容易にアパレント光源のサイズを広げることができる。また、比較的大きな粒径の散乱体を主として含む場合、分散工程における母材および混練装置の組み合わせに対する制限が緩和される。また、高出力半導体レーザとして一般的な端面発光型のものを、簡便なダイボンドによって実装し、余分なコスト要因を付加せずにアイセーフな光源装置を構成できる。
また、上記第１の領域において、上記凹部の開口部と底面部の断面形状がほぼ同一の筒状をなし、上記凹部のアスペクト比ｒと、上記凹部の壁面の法線が半導体レーザ本来の光軸となす角度θが、
ａｔａｎ（ｒ／５）≦  θ  ≦  ａｔａｎ（ｒ／２）
なる関係を満たし、上記凹部の壁面を、半導体レーザの取捨項の光軸に対して相対的に傾斜して設置する。これにより、第２の領域の拡大鏡の光軸方向への厚みが薄い多重散乱光学系においても、十分な多重散乱と光の取り出し効率を両立し、２次的面光源の均一性を格段に向上させてスペックル低減を図ることができる。
上記構成において、第１の領域に主として分散される散乱体のサイズパラメータｑは略１０〜５０の範囲、特に１５〜４０の範囲とする。これにより、より効果的に近視野像を均一化し、容易にアパレント光源のサイズを広げることができる。
上記多重反射と多重散乱の組み合わせを用いる構成においては、比較的低屈折率差で大粒径（ｑ≧１０程度）の散乱体を主とし、比較的高屈折率差で小粒径（ｑ≦１０程度）の散乱体を副として混合分散するのとよい。２次的面光源のスペックルの低減化および光強度分布の均一化と、光出力の取り出し効率の向上を両立することかが容易になる。また、比較的低屈折率差（典型的には△ｎ≦０．１程度）で大粒径（ｑ≧１０程度）の散乱体を主とする部分と、比較的高屈折率差（△ｎ≧０．１程度）で小粒径（ｑ≦１０程度）の散乱体を副とする部分とを積層化して第１の領域とするとよい。これにより、２次的面光源のスペックルの低減化および光強度分布の平坦化と、光出力の取り出し効率との両立を図ることが容易になる。
また、上記ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含んだ活性層を有し、発振波長が８８０ｎｍ〜９２０ｎｍの範囲にある半導体レーザを用いた光源装置を送信手段とすることによって、８８０ｎｍ〜９２０ｎｍ波長帯にピーク感度波長を有する受信手段としてのＳｉフォトダイオードとの間で光伝送が可能となる。したがって、この光源装置を用いることにより、ワイヤレス光通信向けに、クラス１のアイセーフティを満たし、最も安価でかつ優れた電気的・光学的特性をあわせ持つ光通信モジュールを構成することができる。
また特に、上記ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸層を含んだ活性層を有し、他の相対的に光密度の高い層、例えばＩｎＧａＡｓ層に近接する量子バリア層や光ガイド層、あるいは活性層とは別に設ける光ガイド層等を、ＩｎＸＧ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）で表される３元または４元からなる層の少なくとも一方を含めて構成しＡｌフリー化することによって、上記８８０ｎｍ〜９２０ｎｍ波長帯において、最も高出力化が図れるアイセーフ光源装置を提供することが可能となる。したがって、この光源装置を用いることにより、ワイヤレス光通信向けに、クラス１のアイセーフティを満たし、最も安価でかつ優れた電気的・光学的特性をあわせ持つ光通信モジュールを構成することができる。
また、上記半導体レーザのＩｎＧａＡｓ量子井戸層、あるいは量子バリア層や光ガイド層、あるいは活性層と別に設ける光ガイド層等の結晶成長において、意図的に層厚の揺らぎを生じる層を形成することによって、レーザ動作時のスペクトル線幅を拡げることができる。また、意図的に局所的な組成揺らぎを生じる層を形成することによって、スペクトル線幅を拡げることができる。このような組成または層厚の空間的な揺らぎを有する半導体レーザを用いることによって、多重散乱光学系との相乗効果によりスペックルをさらに低減することができる。
また特に、ＩｎＧａＡｓ活性層に近接する量子井戸バリア層や光ガイド層または活性層とは別に設けられる光ガイド層としてＧａＡｓＰ３元系材料またはＩｎＧａＡｓＰ４元系材料を層構造に含む半導体レーザを用いる場合に、成長条件の工夫により、位相の曖昧な擬似的グレーティングを共振器内に有する擬似的なＤＦＢ（分布帰還型）レーザを構成することができる。これにより、時間的なコヒーレンシを通常の高出力半導体レーザに比べ１桁以上低減できた。このようにしてスペクトル線幅を拡げながら、高出力動作に対する十分な信頼性が確保される。大振幅で注入電流を変調することでより一層のスペクトル線幅の拡大効果が得られる。したがって、スペックルをほぼ完全に消失したクラス１のアイセーフティを得ながら、高出力半導体レーザとして最高レベルの低動作電流特性を有する光源装置を構成することができる。
また、特に高出力化よりも温度特性を重視するレーザ素子においては、電子ブロック層として歪を有するＡｌＧａＡｓＳｂ層を、活性層内あるいはその近傍に含めることも好ましい。この場合も、上記ＩｎＧａＡｓやＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙで表される３元または４元からなる層による諸効果を同様に得ることができるのは言うまでもない。さらにＭＯＣＶＤあるいはＭＢＥ（分子線ビームエピタキシー）等の種々の結晶成長条件を工夫することにより、上記ＡｌＧａＡｓＳｂ電子ブロック層においても、層厚及び組成の空間的な揺らぎを生じさせることが可能である。
また、上記半導体レーザに直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が上記第２の領域内にあることによって、上記半導体レーザへの通電中に第２の領域が破損したり剥離したりしても、上記ワイヤが第２の領域とともに引き剥がされて断線して半導体レーザへの通電を遮断するため、ユーザの目にコヒーレンシの高いレーザ光が入るのを防止でき、安全性をより向上できる。
また、この多重散乱光学系は、樹脂基板やリードフレーム上のモールドタイプの光源装置のみならず、ＣＡＮパッケージを利用しても極めて小型のアイセーフ光源装置として利用することができる。特に、第１の領域および第２の領域を多層化することにより、種々の変形例を構成し得る。
また、上記半導体レーザを紫外域で発振する活性層を有する材料系とし、その出力光が、特に第１の領域内において白色光に波長変換されるとともに多重散乱されて外部に放出される光源装置を構成するとよい。または、上記光源装置を含むプロジェクション型のディスプレイモジュールを構成するとよい。これにより、壁面や紙面に文字や画像情報を投射する超小型かつ低消費電力のプロジェクションモジュールを極めて低コストに実現することができる。
上記光源装置では、多重散乱光学系の第１の領域が上記半導体レーザに近接する微小領域として形成されるため、フォトダイオードとの集積化・一体モジュール化において受信感度を劣化させることがない。したがって、既存のＩｒＤＡトランシーバ並みの小型化および低コスト化と、既存の光無線ＬＡＮ製品並みまたはそれを凌ぐ高速性および広い通信エリアを兼ね備えた従来にないワイヤレス光通信モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
図１はこの発明の光源装置としてのアイセーフ光源装置の多重散乱光学系の概略を説明する図である。
図２はこの発明の第１実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。
図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃ，図３Ｄ，図３Ｅ，図３Ｆ，図３Ｇは上記アイセーフ光源装置の近視野像に関するデータを総合的に示す図である。
図４はこの発明の第２実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。
図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃ，図５Ｄは上記アイセーフ光源装置の近視野像に関するデータを総合的に示す図である。
図６Ａはこの発明の第３実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図であり、図６Ｂは半導体レーザの光路を示す概略図であり、図６Ｃは近視野像の相対光強度分布を示す図である。
図７Ａは上記第３実施形態のアイセーフ光源装置の他の構成を示す断面図であり、図７Ｂは図７Ａに示すアイセーフ光源装置の近視野像の相対光強度分布を示す図であり、図７Ｃは上記第３実施形態のアイセーフ光源装置の他のもう１つの構成を示す断面図であり、図７Ｄは図７Ｃに示すアイセーフ光源装置の近視野像の相対光強度分布を示す図である。
図８は図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃに示すアイセーフ光源装置において、近視野像を総合的に評価した結果を示す図である。
図９Ａ，図９Ｂ，図９Ｃは図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃに示すアイセーフ光源装置において、遠視野像の半値全幅とスペックル量を評価した結果を示す図である。
図１０Ａはこの発明の第４実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図であり、図１０Ｂは上記アイセーフ光源装置の近視野像の相対光強度分布を示す図である。
図１１Ａはこの発明の第４実施形態のアイセーフ光源装置の他の構成を示す断面図であり、図１１Ｂは上記アイセーフ光源装置の近視野像の相対光強度分布を示す図である。
図１２は図１１Ａに示すアイセーフ光源装置の近視野像に関するデータを総合的に示す図である。
図１３Ａ，図１３Ｂは上記アイセーフ光源装置に特に好ましい高出力半導体レーザの構造を示す図である。
図１４はこの発明の第５実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。
図１５Ａは上記アイセーフ光源装置を用いた光通信モジュールの構成を示す断面図であり、図１５Ｂは上記光通信モジュールの送信部の室温における電流・光出力特性を示す図である。
図１６は従来の拡散板を用いた光源装置の構成を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
2003077389.tif 000036
【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
2003077389.tif 000039
【図１５Ｂ】
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【図１６】
2003077389.tif 000041
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月16日(2004.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源素子からの出力光が多重散乱光学系を介して外部に放出される光源装置であって、
上記多重散乱光学系は、少なくとも、上記光源素子に近接する第１の領域とその第１の領域に接して外部に至る第２の領域を有し、
上記第１の領域と上記第２の領域のうちの少なくとも上記第１の領域に上記第２の領域よりも高濃度に散乱体を含んでなり、
上記光源装置の近視野像スペックル量をσＰＡＲとするとき、
σＰＡＲ  ≧  ８×１０−３
を満たす範囲にあることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光源装置において、
上記第１の領域の形状を定める壁面および底面を有し、上記壁面および底面の少なくとも一部に金属層が形成され、上記底面に上記光源素子が直接または間接に固着された凹部を備え、
上記凹部の上記壁面および底面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面が上記光源素子からの出力光の散乱光に対する反射面となることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光源装置において、
上記凹部の壁面及び底面の少なくとも一部に形成された上記金属層は、少なくとも、上記第１の領域内に空間分布する散乱光の到達範囲内において、金属以外の物質が露出しないよう連続的に形成されることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項２に記載の光源装置において、
上記凹部の壁面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面が、上記光源素子の出射光の光軸方向を、上記第１，第２の領域の境界面側に変える反射面であると共に、
上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓと上記光源素子の上記第１の領域の母材中での中心波長λとの関係を表すサイズパラメータｑを、
ｑ＝（２π／λ）・（Ｄｓ／２）
とするとき、上記第１の領域における上記サイズパラメータｑが略１〜１５を満たす範囲にあることを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項２に記載の光源装置において、
上記凹部の壁面の少なくとも一部に形成された上記金属層の表面が、上記光源素子の出射光の光軸方向を複数回変える反射面であると共に、
上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓと上記光源素子の上記第１の領域の母材中での中心波長λとの関係を表すサイズパラメータｑを、
ｑ＝（２π／λ）・（Ｄｓ／２）
とするとき、上記第１の領域における上記サイズパラメータｑが略１０〜５０を満たす範囲にあることを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光源装置において、
上記凹部の開口が底面よりも径が大きく、上記凹部の底面の径に対する深さの比であるアスペクト比をｒとし、上記凹部の壁面の法線と上記光源素子の出射光の光軸方向とのなす角度をθ［ｄｅｇ］とするとき、
ｍａｘ｛２ｒ，３｝  ≦  θ  ≦  ２０ｒ
の条件を満足することを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項５に記載の光源装置において、
上記凹部を構成する壁面の少なくとも一部は、開口部と底面部の断面形状が略同一の筒状をなし、その筒状の凹部の径に対する深さの比であるアスペクト比をｒとし、上記凹部の壁面の法線と上記光源素子の出射光の光軸方向とのなす角度をθ［ｄｅｇ］とするとき、
ｍａｘ｛ａｔａｎ（ｒ／５），３｝  ≦  θ  ≦  ａｔａｎ（ｒ／２）
の条件を満足することを特徴とする光源装置。
【請求項８】
請求項１に記載の光源装置において、
上記第２の領域がレンズ部を有することを特徴とする光源装置。
【請求項９】
請求項８に記載の光源装置において、
上記レンズ部が、上記第１の領域と上記第２の領域との間の境界面に形成される２次的な面光源の少なくとも主要部分に対する拡大鏡であることを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の光源装置において、
上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓと上記光源素子の上記第１の領域の母材中での中心波長λとの関係を表すサイズパラメータｑを、
ｑ＝（２π／λ）・（Ｄｓ／２）
とするとき、上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓは、上記サイズパラメータｑが略１〜５０を満たす範囲にあり、かつ、上記散乱体の平均最近接距離が上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓの２０倍以下となるように、少なくとも上記第１の領域に上記散乱体が高濃度に分散された部分を含むことを特徴とする光源装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の光源装置において、
上記第１の領域がゲル状またはゴム状の物質を母材とすることを特徴とする光源装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の光源装置において、
上記光源素子は半導体レーザであることを特徴とする光源装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光源装置において、
上記半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含む活性層を有し、発振波長が８８０ｎｍ〜９２０ｎｍの範囲であることを特徴とする光源装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光源装置において、
上記半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含む活性層を有し、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）で表される３元または４元からなる層の少なくとも一方を含むことを特徴とする光源装置。
【請求項１５】
請求項１２に記載の光源装置において、
上記半導体レーザが組成または層厚の少なくとも一方の空間的な揺らぎを有することを特徴とする光源装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光源装置において、
上記半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ層を含む活性層を有し、上記組成の空間的な揺らぎを有するＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１）で表される３元または４元からなる層の少なくとも一方を含むことを特徴とする光源装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の光源装置において、
上記光源素子に直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が、上記第２の領域内に存在することを特徴とする光源装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の光源装置を送信手段に用いたことを特徴とする光通信モジュール。
【請求項１９】
請求項１に記載の光源装置において、
上記散乱体の輸送平均自由工程をＩＡＶＥ、上記第１の領域の光軸方向へのディメンジョンをＬとするとき、輸送平均散乱回数Ｌ／ＩＡＶＥが略１〜１００であることを特徴とする光源装置。
【請求項２０】
請求項１に記載の光源装置において、
上記近視野像スペックル量σＰＡＲが、
σＰＡＲ  ≦  ３×１０−１
を満たす範囲にあることを特徴とする光源装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の光源装置において、
上記光源素子は光導波構造を有することを特徴とする光源装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
とも上記第１の領域に上記第２の領域よりも高濃度に散乱体を含んでなり、上記光源装置の近視野像スペックル量をσＰＡＲとするとき、
σＰＡＲ  ≧  ８×１０−３
を満たす範囲にあることを特徴としている。
上記光源素子は光導波構造を有するのが望ましい。また、上記第２の領域はレンズ部を含む。あるいはまた、上記第２の領域が、上記第１の領域と上記第２の領域との間の境界面に形成される２次的な面光源の少なくとも主要部分に対する拡大鏡となることが望ましい。
上記構成の光源装置によれば、上記光源素子からの出力光の空間的コヒーレンシを十分に低減する多重散乱を主に上記第１の領域で生じさせ、放射強度の角度分布特性の制御を主に上記第２の領域の拡大鏡で行って、各部の最適化を切り分けて行うことができる。具体的には、例えば高出力の半導体レーザから、その半導体レーザに近接する第１の領域の母材中に、μｍ程度のスポットから略５°〜２０°（接合方向）および１０°〜４０°（層方向）程度の半値全幅を有してコヒーレント光が放出される典型的な状況において、上記第１の領域で後に詳しく説明する輸送平均散乱回数として数回以上の十分な多重散乱を経るように、適切な散乱特性を有する散乱体を適切な濃度で分散させる。これにより、微小体積内でもレーザ光の波面が極めて多数に分割されて効率よく拡散し、統計的に散乱パス間の交差角が広がる。したがって、近視野像においては、特にアイセーフティに関して問題となりうる０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の広がりを有する局所的ピークは微細化され不明瞭化される。ＰＡＲ（Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ａｖｅｒａｇｅ  Ｒａｔｉｏ）の振幅の確率分布はガウス分布と見なされ、ＰＡＲの偏差σが１０−１以下あるいは１０−２以下と極めて小さいレベルに低減される。このように、半導体レーザに近接する上記第１の領域内において十分な多重散乱を経ることにより、上記第１の領域と第２の領域の界面には、有限のサイズに拡大された単一の２次的面光源が形成され、２次的面光源全体として見ればグローバルな空間的コヒーレンシを喪失する。上記２次的面光源から放射されるレーザ光は、多重散乱の結果、完全ランバーシアンに近い放射強度分布を持って上記第２の領域に入射する。
さらに、上記レンズ部は、上記２次的面光源の少なくとも主要な部分に対する拡大鏡として、前側焦点付近においた物体（ここでは面光源）の拡大虚像を作るよう設けるのが望ましい。すなわち、外部から上記２次的面光源を観察した場合に、第２の領域は上記２次的面光源の正立虚像を形成するように、拡大鏡の光源側焦点が２次的面光源よりもさらに奥に位置するよう配置される。典型的には、上記


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
ータとすることで、多重散乱領域内の光軸方向への光の伝播によるコヒーレンシの消失過程の指標とすることができる。特に、この光源装置においては、望ましいザイズパラメータｑを満たす散乱体を用い、上記輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥを指標とすることで、スペックルを極めて低いレベルまで低減し、クラス１のアイセーフティを満足する各部の組み合わせ条件が抽出できることが判明した。
ここで、散乱体がランダムに空間分布する限りは、散乱体濃度または体積比が大きくなるほど上記平均散乱自由行程ｌは短くなるという事実に基づいて、上記手法によってこの光源装置の多重散乱光学系を望ましく構成することができる。典型的には、０．５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％程度の分散濃度範囲において好ましい製造条件を見出すことができる。しかしながら、散乱体が直接接し得るような高濃度の分散体においては、スペックルの低減という観点から好ましくない事象が発生し得る。原因の１つは微粒子の２次凝集の問題であり、もう１つは散乱体の空間分布が稠密構造を取るなどしてランダムさが減少することである。可能な限り微小な光学系で効率よく空間的なコヒーレンシを低減するために、上記望ましい散乱体粒径の範囲において、必要最低限の分散濃度を明らかにすることが、実際の製造工程を管理する上で重要である。
そこで、上記第１の領域に主として分散される散乱体の平均最近接距離を、上記散乱体の粒径最頻値Ｄｓの２０倍以内程度となるように分散させることにより、ｍｍオーダの極微小な多重散乱光学系において、先述の輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥとして、数回〜数１０回の多重散乱を生じさせてアイセーフティを確保できることが見出された。
また、一実施形態の光源装置は、上記第１の領域がゲル状またはゴム状の物質を母材とすることを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、硬化後の硬さが所謂針入度やＪＩＳ  Ａ硬度で規定されるゲル状物質またはゴム状物質（エラストマー等）を用いることにより、第１の領域として硬化させる。これにより、散乱体の沈降等による散乱特性の経時変化を防止すると共に、トランスファーモールドのように樹脂封止等の圧入工程を経て上記第２の領域が形成される場合にも、上記第１の領域を安定に保持することができる。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
組成揺らぎを生じる成長を行うことで擬似的なインデックスグレーティング（Ｉｎｄｅｘ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を形成し、スペクトル線幅を拡げることができる。このような位相の曖昧な擬似的なグレーティング（Ｇｒａｔｉｎｇ）を共振器内に有する半導体レーザから放出される出力光の時間的なコヒーレンシは、干渉実験によるビジビリティ（Ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ；干渉縞などのコントラストを表す尺度）観測結果から、通常の高出力半導体レーザのそれと比較して１桁以上低下し得ることが確認された。したがって、このような組成または層厚の揺らぎを有する半導体レーザは、多重散乱光学系の第１の領域および第２の領域と共に、この高出力光源装置の他の構成要素として好ましく併用される。
また、一実施形態の光源装置は、上記半導体レーザに直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が、上記第２の領域内に存在することを特徴としている。
上記実施形態の光源装置によれば、上記半導体レーザに直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が、上記第２の領域内にあることによって、上記第２の領域が破損・剥離しても、上記ワイヤが上記第２の領域とともに引き剥がされて断線するため、半導体レーザへの通電を遮断して、ユーザの目にコヒーレンシが高いままのレーザ光が入らないようにできる。上記作用は上記光源装置の使用中に破損が発生した場合であっても有効であるが、一旦破損した後に上記光源装置の使用を試みる場合に対しても同様に作用することは言うまでもない。
また、一実施形態の光源装置は、上記散乱体の輸送平均自由工程をＩＡＶＥ、上記第１の領域の光軸方向へのディメンジョンをＬとするとき、輸送平均散乱回数Ｌ／ＩＡＶＥが略１〜１００であることを特徴とする。
また、一実施形態の光源装置は、上記近視野像スペックル量σＰＡＲが、
σＰＡＲ  ≦  ３×１０−１
を満たす範囲にあることを特徴とする。
また、一実施形態の光源装置は、上記光源素子は光導波構造を有することを特徴とする。
また、この発明の光通信モジュールは、上記光源装置を送信手段に用いたことを特徴としている。
上記構成の光通信モジュールによれば、上記光源装置を送信手段に用い、さらに例えば受光手段としてＳｉフォトダイオードを含む光通信モジュールを構成することにより、ワイヤレス光通信向けに、クラス１のアイセーフティを満たし、かつ、最も安価で優れた電気的・光学的特性をあわせ持つ光通信モジュールを実現することができる。また、特に、光通信モジュールとしては、多重散乱光学系の第１の領域が上記光源素子（半導体レーザ）に近接する微小領域として形成されるため、フォトダイオードと集積化・一体モジュール化しても、受信系が感度劣化等の不利益を被ることがない。したがって、安価なＳｉフォトダイオードとこの


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
レベルのアイセーフティを確保することができる。勿論、製造工程の安定性等から安全率が不充分と判断される場合は、より厳しく６σＰＡＲに対するマージンを満足するように、光源サイズを拡大する多重散乱光学系の再設計を行ったり、上記マージンαを増大して、光出力の上限値ＰＬＴＭを制限する等の対応によって、確実にクラス１のアイセーフティを保証する製品を製造することが可能である。
図３Ａに示したデータは簡単のために、分散母材をシリコーンゲルとし、散乱体は、ＳｉＯ２（×：屈折率差△ｎの絶対値は約０．０２）、アクリル系ポリマー（△：屈折率差△ｎの絶対値は約０．０９）、スチレン系ポリマー（●：屈折率差△ｎの絶対値は約０．１９）、ＴｉＯ２（□：屈折率差△ｎの絶対値は約０．９）をそれぞれ単体で用いた検討結果のみを含めている。ここで、図３Ａの横軸は近視野像の半値全幅であるが、これを変化させるパラメータは、硬化後のシリコーンゲル（図２に示す２０４）の高さ、各散乱体の粒径、屈折率および分散濃度である。図３Ａに示すように、全体的な傾向としては、シリコーンゲルの高さを稼ぎ、散乱体の小粒径化／高濃度化することで、平均散乱回数または輸送平均散乱回数が増すとスペックルが減少する。個々のデータを逐一対比させた詳細な説明は省略するが、以下のことが明らかとなった。
同一の散乱体に対して、粒径Ｄｓの分布から、輸送平均散乱回数（＝幾何学的ディメンジョンＬ／輸送平均自由行程ｌＡＶＥ）が数回〜数１０回程度、特に１〜１０回程度となる第１の領域の光軸方向の厚みおよびフィラーの組み合わせに対して、クラス１レベルのアイセーフティが得られる多重散乱光学系を、光の取り出し効率を大きく損なうことなく構成することが可能である。また、すべての散乱体に対して、分散濃度が１ｖｏｌ％、特に０．１ｖｏｌ％よりも希薄な場合、逆に３０ｖｏｌ％を大幅に上回る場合のいずれにおいても、十分にスペックルを低減する効果は得られない。特に、分散濃度が３０ｖｏｌ％以上では、光源サイズ自体は拡大されるものの、スペックルとしては増大する傾向がある。さらに、比較的屈折率差の大きい金属酸化物（ＴｉＯ２等）であっても、粒径最頻値Ｄｓまたはそのサイズパラメータｑが２０以上の場合には、全分散濃度範囲で十分にスペックルを低減することはできない。また、上記サイズパラメータｑが１を下回る場合には、隠蔽力が強く外部への光取り出し効率が低下する傾向があると共


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
ている。上記構成では、図４に示す第１の領域２０４の光軸２０６方向の厚みＬを明確に測定することができるため、図５Ａに示すように、より総合的な評価が可能になる。散乱体パラメータからミー（Ｍｉｅ）散乱理論に従い散乱断面積および不均斉因子ｇを求め、分散濃度から輸送平均自由工程ｌＡＶＥを算出することができる。図５Ａから、図３Ａでも見られた特徴がより一般的な傾向として散乱体種に依存せずに観測された。すなわち、高出力半導体レーザに接し、これを取り囲むように設けられる多重散乱領域である第１の領域において、輸送平均散乱回数が１を超えると、クラス１レベルのアイセーフティを満足するレベルまでスペックルが低減された近視野像を得ることができるようになる。
しかしながら、上記右下がりの傾向を追求すると、散乱体自体のパラメータ（屈折率差と粒径）を変更し得る範囲にはおのずと制約があり、結局、分散濃度を例えば３０ｖｏｌ％〜５０ｖｏｌ％に高濃度化せざるを得ない。このような高濃度領域では、いずれの散乱体においても、かえってスペックルが増大する傾向が明白に観測された。このときの分散ゲルを光学顕微鏡で観察すると、大部分の散乱体が互いに接触してクラスタ化しているのが見出される場合が多い。上記スペックルが再び増大に転じる輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥの上限値は、各散乱体の幾何学的断面積で規格化した散乱断面積（すなわち主として屈折率差△ｎ）に応じて異なるものの、この発明で想定する各部のディメンジョンに対して、数１０回以上の多重散乱を好ましく発生させるような多重散乱領域を安定して得ることは困難であることが見出された。
この発明の多重散乱光学系として、特に図１や図２または図４のように幾何学的光路長が明確に定義できる光学系の構成に対して好ましく適用される散乱体種は、図３Ａや図５Ａに示したものに限定される必要はない。例えば、シリコーンゲル（ナトリウムＤ線に対する屈折率約１．４０）を母材とする場合、スチレン系架橋型ポリマー（同１．５９）やＴｉＯ２（同２．６）に加えて、ＣｅＯ２やＺｒＯ２（同２．３）も特に好適に用いられる。またはＺｎＯ（同２．０）、Ａｌ２Ｏ３（１．７７）等の金属酸化物、Ａｌ（ＯＨ）３（同１．６）等の水酸化物、または、各種ガラスビーズ（同約１．５〜１．６程度）も好ましく用いることができる。さらに各種材料を外殻とする中空微粒子（同１．０）や、顔料に使用される炭酸カルシウム（同１．６）、そのほ


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
た多数のアイセーフ光源装置について、近視野像を総合的に評価した結果を示している。図８の横軸は、輸送平均散乱回数Ｌ／ｌＡＶＥで、仮想的に散乱体がないとした場合にレーザ光の光軸が第１の領域を通過するまでの幾何学的距離Ｌ（図６Ｂ参照）を、第１の領域内の輸送平均自由行程ｌＡＶＥで割った値である。図８の縦軸は、近視野像のスペックル量σＰＡＲである。図６Ａ，図７Ａ，図７Ｃそれぞれの構成の良好な近視野像の相対光強度分布は図６Ｃ，図７Ｂ，図７Ｄに示している。
図８を図３Ａまたは図５Ａと比較すると、スペックル量σＰＡＲの値が全体的に低減されていることは明白である。また、図６Ａおよび図７Ａ，図７Ｃの構成によれば、同じ幾何学長であっても、多重散乱領域が最表面を金属層とする凹部によって取り囲まれていることによって効果的に散乱回数を稼ぎ、光学系全体の厚みを低減することが可能になる。特に、図７Ａ，図７Ｃの構成で第１の領域の厚みを拡大したことにより、単純換算で輸送平均散乱回数が数１０回を超えると、スペックルが増大する場合があるという第２実施形態の図５Ａと同様の傾向が明確に確認された。
また、図６Ａまたは図７Ａ，図７Ｃによる凹部の構成に対しては、散乱材として粒度分布最頻値Ｄｓのサイズパラメータｑが略１〜１５の範囲にあり、シリコーンゲルに対する屈折率差△ｎを比較的大きく（△ｎ≧０．１５）取ることができるＴｉＯ２等の金属酸化物やスチレン系ポリマー等が材料として非常に好ましいことが見出され、この傾向は第２実施形態の図５Ａとほぼ同様である。
これらの散乱体を、典型的には０．５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％、より望ましくは１ｖｏｌ％〜１５ｖｏｌ％の濃度で分散することにより、好ましい散乱特性が得られた。スペックル量σＰＡＲ≦１０−１を目安にして、好ましい散乱特性を有する分散ゲルを光学顕微鏡で観察すると、散乱体は略均一に分散しており、最近接距離の平均値〈Ｒ〉は、常に〈Ｒ〉≦２０Ｄｓの関係を満たすことが見出された。また、平均値〈Ｒ〉≧３０Ｄｓでは、スペックル量σＰＡＲが急激に上昇した。逆に、散乱体を典型的には３０ｖｏｌ％以上に高濃度化するとスペックルが増大し始める傾向が明確に観測された。この状態の分散ゲルでは、１０μｍ以上のクラスタとなり、疎な空間の割合が極めて大きくなっている場合が多く観察された。
図６Ａや図７Ａ，図７Ｃの構成による新たな効果として、図６Ｃや図７Ｂ，図７


【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ａ】
2003077389.tif 000042
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ｂ】
2003077389.tif 000043
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ｃ】
2003077389.tif 000044
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ｄ】
2003077389.tif 000045
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2003077389.tif 000046
【国際調査報告】
2003077389.tif 000047
2003077389.tif 000048
2003077389.tif 000049
2003077389.tif 000050
2003077389.tif 000051
2003077389.tif 000052
2003077389.tif 000053