(57)【要約】  本発明は、共通キャリア上に、第１軸１０に沿って並んで配置される複数のサブモジュール１を有するレーザモジュールに関する。前記サブモジュール１のそれぞれは、サブモジュール１の面に配置される半導体レーザの１又は複数のアレイから形成されるレーザエリア８を有する。前記半導体レーザ２のそれぞれにより放射されるレーザ照射は、サブモジュール１の前記面に面する加工面に強度分布を形成する。サブモジュール１及びレーザエリア８は、隣接するサブモジュール１のレーザエリア８が、前記第１軸１０と垂直な方向に部分的に重なるようにデザインされ、配置される。このようなレーザモジュールを用いると、モジュールと加工面との間の距離と無関係に、レーザラインの長さに沿って均一な強度分布を持つ細いレーザライン焦点が生成され得る。個々の半導体レーザ２は、長方形に成形された発光を有するＶＣＳＥＬであってもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通キャリア上に、第１軸に沿って並んで配置される複数のサブモジュールを有し、前記サブモジュールのそれぞれは、前記サブモジュールの面の上に、１又は複数の半導体レーザのアレイから形成されるレーザエリアを有し、前記半導体レーザから放射されるレーザ照射は、前記サブモジュールの前記面に面する加工面に強度分布を形成し、前記サブモジュール及び前記レーザエリアは、隣接するサブモジュールのレーザエリアが前記第１軸と垂直な方向において部分的に重なるように配置される、レーザモジュール。
【請求項２】
前記レーザエリアは、２つの平行な側端部を有する前記半導体レーザのアレイのアレンジメントから形成され、隣接するレーザエリアの前記平行な側端部は、互いに平行であり、前記第１軸に対して０°＜β＜９０°の角度βだけ傾斜している、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
前記半導体レーザのアレイの前記アレンジメントは、長方形エリアを形成する、請求項２に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記角度βは、条件：Ｈ×ｃｏｓβ＝ｎ×（Ｂ＋Ｇ）／ｓｉｎβに従って選択され、ｎは任意の整数、Ｂは前記長方形レーザエリアの幅、Ｈは前記長方形レーザエリアの高さ、及びＧは隣接するサブモジュールの前記レーザエリア間のギャップの幅である、請求項３に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
前記アレンジメントの前記平行な側端部は、前記第１軸に対してβ＝４５°の角度だけ傾斜し、前記半導体レーザは長方形又は正方形の発光エリアを持ち、前記発光エリアの側端部が前記アレンジメントの前記平行な側端部に対して４５°の角度で配向されている、請求項２に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
前記アレンジメントの前記平行な側端部は、前記第１軸に対してβ＝３０°又はβ＝６０°の角度だけ傾斜し、前記半導体レーザの各アレイは六角形アレンジメントのレーザを有し、前記六角形アレンジメントの主軸が前記第１軸に平行に配向される、請求項２に記載のレーザモジュール。
【請求項７】
前記サブモジュールは、前記半導体レーザの正面に個々のマイクロレンズ及び／又は単一円筒レンズを有し、前記マイクロレンズ及び／又は円筒レンズは、前記加工面にレーザラインを生成する前記半導体レーザによって放射されるレーザ照射をコリメートする又は合焦させ、前記レーザラインは、前記第１軸に平行に延びる、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
前記半導体レーザは、ＶＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬである、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項９】
前記サブモジュール及び前記レーザエリアは、前記サブモジュールの幾つかをカバーする前記レーザモジュールの少なくとも中央部分において、前記半導体レーザによって放射されるレーザ照射のレーザパワーが、前記第１軸に垂直な方向に積分された場合に、前記第１軸の各部分に対して±１０％の精度内で一致し、前記第１軸の前記部分は、隣接する半導体レーザ間の距離よりも大きく、隣接するレーザエリア間のギャップよりも小さいように配置される、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項１０】
前記加工面内で対象物面を動かす又は前記第１軸に垂直に前記レーザモジュールを動かす装置に実装される、請求項１に記載のレーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共通キャリア上に並んで配置される複数のサブモジュールを有し、前記サブモジュールのそれぞれは、１又は複数の半導体レーザのアレイから形成されるレーザエリアを有するレーザモジュールに関する。
【０００２】
多くの既存の及び将来のアプリケーション分野において、半導体レーザでの加熱は、関心が高まっているトピックである。一部のアプリケーションは、辺長の比率が高いトップハットの長方形プロファイルを意味する均一な線形強度プロファイルを必要とする。一例は、最大１．１ｍの長さ及びほんの数ミリメートル幅のレーザラインを要するプロ用の印刷機におけるインクの乾燥である。他のアプリケーション分野は、金属若しくはプラスチックの加熱、脱毛、肌のお手入れ、又は製造における接着剤及び塗料の乾燥である。
【背景技術】
【０００３】
印刷、インク乾燥、ロール・ツー・ロール製造プロセス、又は他のアプリケーションにレーザ加熱線を使用する場合、面で加熱される対象物は、加熱線の下をライン方向に垂直な方向に通る。代替的に、加熱線は、対象物に関して線方向に垂直な方向に動く。半導体レーザで十分に高いレーザパワーのレーザラインを生成するためには、面発光半導体レーザのアレイを有する複数のサブモジュールを共通キャリア上に並べて配置することが必要である。単一半導体レーザの出射は、その後、適切なレンズシステム、特に、円筒レンズによって加工面上に所望のライン形状に焦点が合わせられる。このようなモジュールを用いると、個々のサブモジュール間の回避できないギャップに起因する問題が発生し、レーザラインに沿って複数の強度最小値をもたらす。このような強度最小値を回避する又は低減するために、ＷＯ２０１１／２１１４０  Ａ２は、レーザラインに沿って隣接するサブモジュールの強度分布を重ねる、加工面上にレーザ照射の焦点を合わせるための光学系の特別なデザインを提案する。２つのサブモジュール間の光学ギャップは、このとき、モジュールと加工面との間のある距離に対して閉じることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、特別にデザインされた光学系を必要とすることなく、ラインに沿って均一な強度分布を持つレーザラインの生成を可能とする複数のサブモジュールを有するレーザモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本目的は、請求項１によるレーザモジュールで達成される。レーザモジュールの有利な実施形態は、従属請求項の主題であり又は明細書の後述部分に説明される。
【０００６】
提案されるレーザモジュールは、共通キャリア上に、第１軸に沿って並んで配置される複数のサブモジュールを有する。サブモジュールのそれぞれは、サブモジュールの面の上に配置される１又は複数の半導体レーザのアレイから形成されるレーザエリアを有する。前記半導体レーザから放射されるレーザ照射は、サブモジュールの前記面に面する加工面に強度分布を形成する。レーザエリアは、サブモジュールの面の表面エリアと同一でもよく、又はこの表面エリアより小さくてもよい。サブモジュール及びレーザエリアは、隣接するサブモジュールのレーザエリアが第１軸と垂直な方向において部分的に重なるようにデザインされ、配置される。
【０００７】
好ましい実施形態では、レーザエリアは、２つの平行な側端部を有する半導体レーザのアレイのアレンジメントから形成される。隣接するサブモジュールのレーザエリアの平行な側端部は、互いに平行であり、前記第１軸に対して角度β（０°＜β＜９０°）だけ傾斜している。一般に、レーザエリア及び更にサブモジュールの面は、長方形であるが、２つの平行な側端部を持つ他の形状、例えば台形の幾何学的デザインも可能である。
【０００８】
このようなモジュールで生成される強度分布は、好ましくは細長い形状、例えば加工面における長さが幅よりも大きい長方形形状を持つ。好ましい実施形態では、強度プロファイルは、ライン形状を有する。このようなライン形状強度プロファイルは、レーザラインと垂直な方向に放射されるレーザ照射を所望の線幅に焦点を絞るために、半導体レーザと加工面との間に適切な光学系を必要とする。加工面における強度プロファイルの長い方の辺の方向は、第１軸に沿ってサブモジュールがキャリア上に配置される当該第１軸と平行である。キャリアは、サブモジュールを実装することができる任意の構造、例えばプレート又はフレームでもよい。
【０００９】
サブモジュールは、上記実施形態において、キャリア上に互いに平行なレーザエリアの平行な側端部を備えて配置される。既知の、これら側端部の、第１軸に対して垂直なアレンジメントと対照的に、サブモジュールは、提案されるモジュールにおいて、これらのレーザエリアの側端部が、第１軸に対して０°より大きく、９０°よりも小さい角度で配置される。角度は、前記第１軸に平行な方向の加工面における強度プロファイルの強度変動が０°又は９０°のアレンジメントに対して減少するように、隣接するサブモジュールの面の平行な側端部間の距離又は隣接するサブモジュールのレーザエリア間の距離に依存して選択される。
【００１０】
サブモジュール面又はレーザエリアのこれらの光学軸周りのこの回転により、生成された強度プロファイルの均一性は、第１軸に平行な方向、特に強度プロファイルの長さ方向で、特にレーザラインの場合に、改善される。サブモジュールのレーザエリア間の所定の距離で適切な回転角度を選択することにより、サブモジュール間又はレーザエリア間のギャップに起因する加工面における強度最小値は、レーザモジュールからの加工面の距離と無関係に完全に取り除くことができる。これは、レーザ出射をコリメートする及び／又は所望の形状に焦点を絞るためにレーザの正面で使用される任意の光学系と無関係である。提案されるデザインは、上記効果を達成するために特別な光学系を全く必要とせず、よって製造が簡単である光学アレンジメントを使用することを可能にする。例えば円形又は長方形のＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザ、ＶＣＳＥＬ：vertical cavity surface emitting laser）又はＶＥＣＳＥＬ（垂直外部共振器型面発光レーザ、ＶＥＣＳＥＬ：vertical extended cavity surface emitting laser）が有り得るレーザアレイにおける半導体レーザのデザインにも同じことが当てはまる。隣接するサブモジュールのレーザエリアが第１軸に垂直な方向において部分的に重なるようなサブモジュール及びレーザエリアの他のデザイン及びアレンジメントの場合に、同じ利点が達成される。サブモジュール及びレーザエリアは、更に例えばこの目的のために三角形状を有してもよい。
【００１１】
サブモジュール及びレーザエリアのデザイン及びアレンジメントは、好ましくは、レーザモジュールの境界エリアを除いては、半導体レーザにより放射されたレーザ照射のレーザパワーが、第１軸に垂直な方向に積分された場合、第１軸の各部分に対して±１０％の精度内に一致するように選択される。第１軸に沿って上記積分強度が合計される又は積分される当該第１軸のこの部分のサイズは、当然ながら隣接する半導体レーザ間の距離よりも大きいが、隣接するレーザエリア間のギャップよりも小さい。個々のレーザ間の相互距離は、この軸に沿ったレーザモジュールの面の小さなスケール上に強度変動を引き起こすため、第１軸のこの部分のサイズの下限が必要である。レーザモジュールのこのようなデザインで、通常、隣接するレーザエリア間又はサブモジュール間のギャップに起因して発生する、生成されたレーザラインに沿った強度変動は、完全に取り除かれる。
【００１２】
提案されるレーザモジュールの好ましい実施形態では、個々の半導体レーザは、両辺がレーザエリアの側端部に平行する二次グリッドアレンジメントで配置され、長方形又は正方形の発光エリアを有し、正方形又は長方形の発光エリアの端部は、レーザエリアの平行な側端部に４５°の角度で配向されている。代替的に、正方形又は長方形の発光エリアの端部は、二次グリッドアレンジメントの両辺に平行に配向され、二次グリッドアレンジメントは、レーザエリアの平行な側端部に４５°の角度で配向されている。レーザエリアの平行な側端部は、レーザの正方形又は長方形の発光エリアの端部が第１軸に平行で、加工面の強度プロファイルの長い方の辺の方向に平行であるように、どちらの場合にも前記第１軸に対して４５°の角度で配向されている。
【００１３】
別の有利な実施形態では、各レーザアレイは、サブモジュールの面の前記側端部に対して３０°又は６０°の角度で主軸に配向される六角形アレンジメントのレーザを有する。この実施形態では、サブモジュールは、前記第１軸に対して３０°又は６０°の角度で配向される。両実施形態は、必要であればコリメート用の従来のマイクロレンズアレイ又は単一の大型円筒レンズと組み合わせることができる実質的に従来型のレーザアレイのレイアウトの利点を有する。円筒マイクロレンズは、強度プロファイルの長い方の辺の方向、特にレーザライン、すなわち第１軸に対して回転される必要がないレンズの横列及び縦列を形成する場合に、使用されることができる。単一の大型円筒レンズを用いる場合にも同じことが当てはまる。
【００１４】
本特許出願においてサブモジュールなる用語は、１又は複数の半導体レーザのアレイを有する任意のユニットに関する。モジュールの構造又はサイズに依存して、このようなサブモジュールは、複数の半導体レーザチップ又は半導体レーザの小さなアレイを有するチップが実装されるサブマウントから形成されることができる。このようなユニット又はサブモジュールは、複数の上記サブマウント又は半導体レーザを備える複数のチップ若しくは半導体レーザのアレイが上に実装されるマイクロ冷却器から形成されることができる。
【００１５】
長方形レーザエリアの好ましい実施形態では、傾斜角度、すなわち第１軸とレーザエリアのまっすぐに平行な端部との間の角度は、下記の条件：Ｈ×ｃｏｓβ＝ｎ×（Ｂ＋Ｇ）／ｓｉｎβ（ｎは任意の整数、βは傾斜角度、Ｂは２つの平行な側端部間のレーザエリアの幅、Ｈは長方形レーザエリアの高さ、Ｇはサブモジュールのレーザエリア間のギャップのサイズ、すなわち隣接するサブモジュールの面の対向する側端部間（又はレーザエリアの幅Ｂがサブモジュールの面の幅よりも小さい場合は、隣接するレーザエリア間）のギャップ）に従って選択される。この条件では、生成されるレーザラインに沿った強度最小値、又はサブモジュール間若しくはレーザエリア間のギャップによる細長いレーザ強度分布の強度最小値を完全に回避することができる。提案されるアレンジメントで達成される均一性は、もはやモジュールからの加工面の距離に依存しない。
【００１６】
提案されるレーザモジュールは、最も長い延長方向に沿って高い均一性を有する、加工面における細長いレーザ強度プロファイルを必要とする任意のアプリケーションに使用することができる。提案されるレーザモジュールは、十分に多くのサブモジュールをキャリア上に第１軸に沿って配置することにより、充分な長さ及び小さな幅のレーザラインの生成を可能にする。このようなレーザモジュールを用いると、明細書の導入部分に既に説明されたように、プロ用の印刷機でのインクの乾燥、金属若しくはプラスチックの加熱、脱毛、肌のお手入れ、又は製造時における接着剤並びに塗料の乾燥といったアプリケーションが可能である。それでもやはり、レーザモジュールは、このような均一な強度プロファイルを必要とする任意の他のアプリケーションにも適している。
【００１７】
提案されるレーザモジュールは、請求項により規定される保護範囲を限定することなく、添付の図面に関連する例として以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、従来技術によるレーザモジュールのサブモジュールのアレンジメントの例である。
【図２】図２は、対象物の上をｙ方向に動かしたときの単一レーザアレイ、サブモジュール、及び傾斜したサブモジュールの積分強度プロファイルを示す図である。
【図３】図３は、傾斜したサブモジュールと、レーザとサブモジュールのレーザアレイとの対応するデザインとを示す図である。
【図４】図４は、レーザと図３ａの傾斜したサブモジュールのレーザアレイとのデザインの他の例を示す図である。
【図５】図５は、本発明による複数のサブモジュールのアレンジメントの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、従来技術のレーザモジュールにおけるサブモジュール１のアレンジメントを模式図で示している。モジュール全体は、（ｙ方向に）長さＨ及び（ｘ方向に）幅Ｂを有するレーザエリア８を持つ多くのサブモジュールから作られる。サブモジュール１は、第１軸１０上に沿って配置される。ｙ方向は、加熱される又は照明されるべき対象物がレーザモジュールに対して動く又はレーザモジュールが対象物に対して動く方向である。レーザモジュールで、対象物の上に、すなわち加工面に生成されるレーザラインは、ｘ方向に延びる。サブモジュール１のレーザエリア８は、半導体レーザのアレイ、特にＶＣＳＥＬの小アレイを備えるＶＣＳＥＬチップから形成される。サブモジュール１を共通キャリアに実装するとき、電気接続、組立公差、安全要件、及び他の理由から、通常、ギャップ幅Ｇを有するギャップが隣接サブモジュール１間にできることを回避できない。
【００２０】
このようなレーザモジュールを、加工面に所望のレーザライン又はレーザ強度分布を生成するために使用すると、積分強度分布
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は、ｘ方向において変化する。これは、図１の下部に示されており、完全にはコリメートされていない個々のレーザのレーザ出射を仮定している。強度分布における最小値９又は不均一性は、レーザエリア８間又はサブモジュール１間のギャップによってそれぞれ起こる。
【００２１】
図２は、単一レーザ若しくはレーザの小アレイを有する単一チップ２（図２ａ）、単一サブモジュール１（図２ｂ）、及び本発明による傾斜したサブモジュール１若しくはサブモジュール面（図２ｃ）について、この積分強度分布を表す３つの図を示している。この図に示されるように、サブモジュール面の角度αの傾斜は、積分強度分布をｘ方向に広げる。この図においても、個々のレーザのレーザ出射は、完全にはコリメートされていないと仮定される。積分は、照射される対象物のｙ方向における速い動きを考慮に入れている。サブモジュール１のこの傾斜は、全積分強度プロファイル積分
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の変調度を低減する。
【００２２】
本発明は、この効果を利用し、サブモジュール面又はサブモジュール１全体を、これらの平行な側端部がレーザモジュールにおける移動方向（ｙ方向）に対して角度α≠０°及びα≠９０°で配置する。サブモジュール１は、このレーザモジュールにおいてｘ方向に平行な第１軸１０に沿って配置されるので、これは、サブモジュール１が、これらの面の平行な側端部が第１軸１０に対して角度β＝９０°−αで配置されることを意味する。この傾斜角度は、隣接するサブモジュール１のレーザエリア８が視野方向としてのｙ方向に関して部分的に重なるように選択される。
【００２３】
細い線焦点（ｙ方向に小さな寸法）を達成するために、個々の半導体レーザの出射は、例えば円筒マイクロレンズアレイによってｙ方向にコリメートされることが多くの場合必要である。モジュール全体の出射は、更に適切な円筒レンズで所望の線幅に焦点が絞られてもよい。従って、半導体チップ上の半導体レーザと、非回転対称ＶＣＳＥＬ形状の場合は、更に個々のＶＣＳＥＬの方向と、ＶＣＳＥＬの正面の円筒マイクロレンズの方向とのアレイアレンジメントは、ｙ軸に対して同じ角度βだけ傾斜される必要がある。
【００２４】
一部の特別な傾斜角度については、ＶＣＳＥＬレイアウトは、図３及び図４に示されるように、より従来型のものになり得る。図３ａは、面がｘ方向に対して角度βだけ傾斜しているサブモジュール１を示す。マイクロレンズアレイが取り付けられたＶＣＳＥＬアレイチップ４が図に模式的に示されている。好ましい実施形態では、六角形アレンジメントの主軸の一つ６が、チップエッジの一つに対して３０°又は６０°である六角形アレンジメントを備え、実装されるサブモジュール１上にｘ方向と平行にあるＶＣＳＥＬアレイに対して、傾斜角度βは、３０°又は６０°である。これは、六角形アレンジメントの単一ＶＣＳＥＬ５を備えるＶＣＳＥＬアレイチップ２を示す図３ｂに示されている。図３ｃは、チップ２の対応する側端部に対して同じく３０°又は６０°傾斜されているアレイのマイクロレンズの横列７のアレンジメントを示す。
【００２５】
他の実施形態では、図４に示されるように、主軸がチップ軸と垂直である二次アレイアレンジメントを備えるＶＣＳＥＬアレイに対して、傾斜角度βは、４５°である。この図は、チップエッジに対して４５°で配置される長方形のＶＣＳＥＬ５を有する二次アレイを備えるチップ２の例を示す。
【００２６】
傾斜角度βは、好ましくは、レーザエリア８間又はサブモジュール１間のギャップが、投影されるレーザラインに対して完全に閉じるように選択される。従って、条件Ｈ×ｃｏｓβ＝ｎ×（Ｂ＋Ｇ）／ｓｉｎβ（ｎは整数）が、図５に例示されるように満たされなければならない。図５は、ｎ＝２のレーザモジュールの面又はサブモジュール１の傾斜したアレンジメントを示す。サブモジュール１は、第１軸１０に沿って（ｘ軸に平行に）配置され、これらの平行な側端部３が前記第１軸に対して角度β＝９０°−α（αは、ｙ方向に対する側端部３の角度）で傾斜している。この例ではレーザエリア８と一致する、サブモジュール１の面の平行な側端部３間の固定されたギャップ幅Ｇについて、他のモジュール要件で複数の解決策のセット｛Ｈ，Ｂ，β｝を見つけることが可能である。例えば：Ｈは、ユニット長毎のパワーにも影響を及ぼし、βは、好ましくは３０°、４５°、又は６０°などである。上記要件に対して、レーザラインにおける光学ギャップを完全に回避することができる。均一性は、レーザモジュールと加工面との間の距離に依存しない。図５の下部は、ｘ軸上の位置に依存するレーザラインの積分強度分布
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を示す。レーザラインは、条件ｘ１＜ｘ＜ｘ３の全て位置に対して均一であり、ｘ１及びｘ３は、図の上部に示されている。
【００２７】
本発明は、図面及び前述の記載において詳細に図示及び説明されたが、このような図示及び説明は、解説的又は例示的であって限定するものではないと見なされるべきである。即ち、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態に対する他のバリエーションは、当業者により、請求項に係る発明を実施する際に、図面、開示内容、及び添付の請求項の精査から理解され、達成され得る。請求項において「有する(comprising)」なる単語は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に引用されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。デバイスに関する全請求項の特徴は、自由に組み合わせることができる。請求項における任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００２８】
１    サブモジュール
２    ＶＣＳＥＬアレイチップ
３    平行な側端部
４    マイクロレンズアレイを備えるＶＣＳＥＬアレイ
５    単一ＶＣＳＥＬ
６    六角形アレンジメントの主軸
７    マイクロレンズの横列
８    レーザエリア
９    強度分布の最小値
１０  第１軸
【図１】
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【図２ａ）】
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【図２ｂ）】
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【図２ｃ）】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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