(57)【要約】  光源装置およびそれを用いた投影装置、ならびに蛍光励起装置において、半導体レーザから出射された光線のアスペクト比を調節した後に所定の集光位置に集光させ、集光位置におけるスポット径を小さくする。光源装置（１００）は、半導体レーザ（１０）と、半導体レーザ（１０）から出射された光線（５０）のアスペクト比を調節するビーム整形レンズ（２０）と、ビーム整形レンズ（２０）から出射された光線（５０）を集光位置（Ｐ）に集光させる集光レンズ（３０）と、を備え、ビーム整形レンズ（２０）は、入射される光線（５０）のスロー軸（Ｓ）の方向に対して負のパワーを有するシリンドリカルレンズとする。
2020071003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
前記半導体レーザから出射された光線のアスペクト比を調節して透過させるビーム整形レンズと、
前記ビーム整形レンズを透過した前記光線を、所定の集光位置に集光させる集光レンズと、を備え、
前記ビーム整形レンズは、前記光線のスロー軸方向に対して負のパワーを有するシリンドリカルレンズである、
光源装置。
【請求項２】
前記シリンドリカルレンズと前記集光レンズとの間隔によって前記集光位置が決まる、請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記集光レンズの集光特性によって前記集光位置が決まる、請求項１に記載の光源装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の光源装置と、前記所定の集光位置に配置された光走査ミラーとを備えた、投影装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の光源装置と、前記所定の集光位置に配置された蛍光体とを備えた、蛍光励起装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体レーザから出射された光線のアスペクト比を調節した後に所定の集光位置に集光させる光源装置およびそれを用いた投影装置、ならびに蛍光励起装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体レーザを用いる光源は、楕円光束のアスペクト比を調整するビーム整形光学系と発散光を平行光に変換するコリメートレンズが必要となる。ビーム整形光学系は２つのシリンドリカルレンズを組み合わせたものや、両面にトーリック面を配置したレンズを用いるものが知られている。これらのビーム整形光学系は、半導体レーザから出射された光線に対して、スロー軸の側の発散角を増加させ、ファスト軸の側の発散角を減少させるような光学処理が行われていた。【０００３】
なお、この開示に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１や特許文献２が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３２３６７３号公報
【特許文献２】特開昭５２−２４５４２号公報
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、ビーム整形光学系において上述したような光学処理を行った場合、光線のファスト軸の側は光学処理により光束径が減少されることになる。そしてこの光束径の減少に伴い、光源装置の集光位置におけるスポット径が大きくなってしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、本開示はこのような問題を解決し、光源装置の集光位置におけるスポット径を小さくすることを目的とする。
【０００７】
本開示の一態様における光源装置は、半導体レーザと、半導体レーザから出射された光線のアスペクト比を調節して透過するビーム整形レンズと、ビーム整形レンズを透過した光線を集光位置に集光させる集光レンズと、を備える。ビーム整形レンズは、入射される光線のスロー軸方向に対して負のパワーを有するシリンドリカルレンズとする。
【０００８】
本開示の一態様における投影装置は、光源装置と光源装置の集光位置に配置した光走査ミラーとを備える。光源装置は、半導体レーザと、半導体レーザから出射された光線のアスペクト比を調節するビーム整形レンズと、ビーム整形レンズから出射された光線を集光位置に集光させる集光レンズと、を備える。ビーム整形レンズは、入射される光線のスロー軸方向に対して負のパワーを有するシリンドリカルレンズとする。
【０００９】
本開示の一態様における蛍光励起装置は、光源装置と光源装置の集光位置に配置した蛍光体とを備える。光源装置は、半導体レーザと、半導体レーザから出射された光線のアスペクト比を調節するビーム整形レンズと、ビーム整形レンズから出射された光線を集光位置に集光させる集光レンズと、を備える。ビーム整形レンズは、入射される光線のスロー軸方向に対して負のパワーを有するシリンドリカルレンズとする。
【００１０】
この構成により、本開示は、集光位置におけるスポット径を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示における光源装置をスロー軸から見た場合を模式的に示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本開示における光源装置をファスト軸から見た場合を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本開示の光源装置に用いられるビーム整形レンズの斜視図である。
【図３】図３は、本開示の光源装置に用いられるビーム整形レンズのファスト軸の正方向から見た上面図である。
【図４】図４は、本開示の光源装置に用いられる光源とビーム整形レンズとの配置を示す斜視図である。
【図５】図５は、開口数とスポット径の関係を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本開示の光源装置の集光位置の調整方法をスロー軸から見た場合を示す模式図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本開示の光源装置の集光位置の調整方法をファスト軸から見た場合を示す模式図である。
【図７】図７は、本開示の投影装置を示す模式図である。
【図８】図８は、本開示の蛍光励起装置を示す模式図である。
【図９】図９は、本開示の車載ヘッドアップディスプレイの一例の概略を示す図である。
【図１０】図１０は、本開示の車載ヘッドアップディスプレイの模式図である。
【図１１】図１１は、本開示の当該車載ヘッドアップディスプレイに画像が表示される仕組みの概略を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本開示の光源装置の変形例Ａにかかるビーム整形レンズのファスト軸の正方向から見た上面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本開示の光源装置の変形例Ｂにかかるビーム整形レンズのファスト軸の正方向から見た上面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本開示の光源装置の変形例Ｃにかかるビーム整形レンズのファスト軸の正方向から見た上面図である。
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、本開示の光源装置の変形例Ｄにかかるビーム整形レンズのファスト軸の正方向から見た上面図である。
【図１２Ｅ】図１２Ｅは、本開示の光源装置の変形例Ｅにかかるビーム整形レンズのファスト軸の正方向から見た上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、本開示の実施の形態にかかる光源装置について図を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１３】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
【００１４】
（光源装置の構成）
以下、本開示の一態様の光源装置について図を用いて説明する。図１Ａおよび図１Ｂは光源装置１００の要部構成を模式的に示す図である。図１Ａは光源装置１００をスロー軸Ｓの方向から見た図である。図１Ｂは光源装置１００をファスト軸Ｆの方向から見た図である。また、図２は光源装置１００に用いられるビーム整形レンズ２０の斜視図である。図３は、図２に示すビーム整形レンズ２０をファスト軸Ｆの正方向から見た上面図である。図４は、光源装置１００に用いられる半導体レーザ１０とビーム整形レンズ２０との配置関係を示す斜視図である。図５は、ビーム整形レンズ２０を透過した後の光線５０のビーム形状を示す斜視図である。
【００１５】
図１Ａ、図１Ｂに示すように、光源装置１００は、半導体レーザ１０とビーム整形レンズ２０と集光レンズ３０とを備えている。半導体レーザ１０から出射される光線５０の光軸５１に垂直な平面で切った断面は、図４に示すように楕円である。図４に示すように、楕円の長軸が半導体レーザ１０のファスト軸Ｆである。ファスト軸Ｆは、半導体レーザ１０の劈開面と平行であり、かつ、半導体レーザ１０の活性層１０ａの厚み方向と一致する。楕円の短軸が半導体レーザ１０のスロー軸Ｓである。スロー軸Ｓは、半導体レーザ１０の劈開面と平行であり、かつ、半導体レーザ１０の活性層１０ａの幅方向と一致する。ビーム整形レンズ２０と集光レンズ３０は、半導体レーザ１０から出射される光線５０の光軸５１上に配置されている。半導体レーザ１０とビーム整形レンズ２０と集光レンズ３０は、この順で配置されている。
【００１６】
ビーム整形レンズ２０は、入射面２１と出射面２２を有する。入射面２１は、凹シリンドリカル面２３を有するシリンドリカルレンズで構成されている。凹シリンドリカル面２３の母線はファスト軸Ｆと平行である。出射面２２は、凸シリンドリカル面２４を有する。凸シリンドリカル面２４の母線はファスト軸Ｆと平行である。したがって、ビーム整形レンズ２０は、入射される光線５０のスロー軸Ｓに対する負の屈折力（パワー）を有しており、ファスト軸Ｆに対する屈折力を有していない。つまり、ビーム整形レンズ２０に入射された光線５０は、スロー軸Sの側に対してのみ屈折力が働く。なお、負の屈折力とは、当該負の屈折力を有する光学素子を光ビームが透過したとき、光ビームが拡がるような作用のことをいう。負の屈折力を有する光学素子の一例としては、例えば凹レンズがあげられる。
【００１７】
ビーム整形レンズ２０から出射される光線５０は、スロー軸Sの側の出射角θSとファスト軸Ｆの側の出射角θFが等しく、かつ、スロー軸Sの側のビーム径ＤSとファスト軸Ｆの側のビーム径ＤFが等しくなる。言い換えれば、半導体レーザ１０から射出された光線５０は、ビーム整形レンズ２０によって、断面がスロー軸Sのビーム径ＤSとファスト軸Ｆのビーム径ＤFとが等しい発散光線に変換される。発散光線の断面形状は、例えば円形状や四角形状である。
【００１８】
なお、上述したスロー軸Sの側のビーム径ＤSとファスト軸Ｆの側のビーム径ＤFのアスペクト比が等しいとは、光源装置１００において許容される範囲内のバラツキを含む。このスロー軸Sの側のビーム径ＤSとファスト軸Ｆの側のビーム径ＤFの差の許容範囲は、スロー軸Sの側のビーム径ＤSを基準として±１０％の範囲である。また、スロー軸Sの側の出射角θSとファスト軸Ｆの側の出射角θFが等しい範囲として、光源装置１００において許容される範囲内のバラツキを含む。このスロー軸Sの側の出射角θSとファスト軸Ｆの側の出射角θFの差の許容範囲は、スロー軸Sの側の出射角θSを基準として±１０％の範囲である。
【００１９】
集光レンズ３０は、入射面３１と出射面３２を有する。入射面３１は、光軸５１に対して回転対称な凸レンズ面３３を有する。出射面３２は、光軸５１に対して回転対称な凸レンズ面３４を有する。入射された光線５０は光軸５１上における所定の集光位置Ｐに集光される。
【００２０】
（ビーム径とスポット径との関係について）
ここで、集光レンズ３０に入射する光線５０のビーム径Ｄと、集光位置Ｐにおけるスポット径Ｗの関係について説明する。図５は、開口数（ＮＡ）に応じた集光特性を示している。図５において、実線はビーム径Ｄが大きい高ＮＡに応じた光線５０の集光特性を示している。図５中のＷ１は、高ＮＡの光線５０のスポット径である。破線はビーム径Ｄが小さい低ＮＡに応じた光線５０の集光特性を示している。図５中のＷ２は、低ＮＡの光線５０のスポット径である。図５から分かるように、集光スポットＷは、集光レンズ３０に入射するビーム径Ｄが大きいほど小さくなる。
【００２１】
したがって、本開示の光源装置１００のように、ビーム整形レンズ２０が、スロー軸Sの側のビーム径ＤSをファスト軸Ｆの側のビーム径ＤFに一致させるように調整する構成とする。この構成は、従来のビーム整形のようなファスト軸Ｆの側のビーム径の調整（出射角を減少させる方向の調整）を含む構成と比べ、半導体レーザ１０から出射された光線５０のビーム径（ＤF）を最大限有効に活用できる。そのため、本開示の構成は、光源装置１００のスポット径Ｗを小さくすることができる。
【００２２】
（集光位置の調整について）
また、このような光源装置１００においては、集光レンズ３０を光軸５１の方向に移動させてビーム整形レンズ２０と集光レンズ３０の間隔を変えることで集光位置Ｐを調整することができる。図６Ａおよび図６Ｂに、光源装置１００の集光位置Ｐの調整方法を模式図にて示す。図６Ａは光源装置１００をスロー軸Ｓの方向から見た図である。図６Ｂは光源装置１００をファスト軸Ｆの方向から見た図である。図６Ａ、図６Ｂにおいて実線は、集光レンズ３０の位置調整前の状態を示し、破線は位置調整後の状態を示す。
【００２３】
光源装置１００において、半導体レーザ１０とビーム整形レンズ２０の位置関係をそのままとして、集光レンズ３０のみを半導体レーザ１０の側に近づける。この時、集光位置Ｐも半導体レーザ１０の側に移動する。この現象を利用すれば、同じ光源装置１００において集光レンズ３０の位置を調節することで、異なる集光位置Ｐに対応することが可能となる。例えば、集光レンズ３０の位置調整により集光位置Ｐを１００ｍｍから２００ｍｍの範囲で調節することができる。
【００２４】
また、集光レンズ３０の位置を変えずに集光レンズ３０の集光特性を変えることで同様の集光位置Ｐの調整を行うことができる。なお、集光特性とは集光レンズ３０の焦点距離や開口数などを含む。なお、集光レンズ３０の位置と集光特性の両方を調節してもよい。
【００２５】
このような、光源装置１００の利用においては、図７に示すように半導体レーザ１０と集光位置Ｐの間に光走査ミラー２１０を配置した投影装置２００や、図８に示すように集光位置Ｐに蛍光体３１０を配置した蛍光励起装置３００に用いることができる。特に、半導体レーザ１０と集光位置Ｐの間に光走査ミラー２１０を配置した車載のヘッドアップディスプレイ用の光源装置１００として活用する場合、光源から集光位置（スクリーン）までの距離を自在に設定できるので、一つの光源装置１００で幅広い車種に対応することができる。
【００２６】
（車載用ヘッドアップディスプレイの一例）
以下、図９〜図１１を用いて、光源装置１００を用いた車載ヘッドアップディスプレイの一例を示す。
【００２７】
図９は、車載ヘッドアップディスプレイの概略を示す図である。図１０は、当該車載ヘッドアップディスプレイの模式図である。また、図１１は、当該車載ヘッドアップディスプレイに画像が表示される仕組みの概略を示す図である。
【００２８】
図９において、車載ヘッドアップディスプレイ４２０は、車両４０１に搭載されている。車載ヘッドアップディスプレイ４２０よりフロントガラス４１２へ虚像４３０が投影され、当該投影された虚像４３０を人４０２が目視する。
【００２９】
虚像４３０は図１０において、フロントガラス４１２の表示面に投影される。なお、車載ヘッドアップディスプレイ４２０は、計器盤４１１に搭載されている。
【００３０】
図１１において、車載ヘッドアップディスプレイ４２０は、投影装置２００およびミラー２２０を有する。なお、投影装置２００は、光源装置１００と光走査ミラー２１０を有する。透光装置２００より発した光は、ミラー２２０を介してフロントガラス４１２に虚像４３０として投影される。虚像４３０が人の目４０２ａによって確認される。ここで、光源装置１００から集光位置であるフロントガラス４１２までの距離が自在に設定できるので、一つの光源装置１００で幅広い車種に対応することができる。
【００３１】
なお、図８に示す蛍光励起装置３００において、蛍光体３１０としては例えばＹＡＧ蛍光体を用いることができる。その他、蛍光体３１０として、例えばＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋（ＢＡＭ）蛍光体やＳｒ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ２＋（ＳＭＳ）蛍光体に代表される青色の蛍光を生じる蛍光体、緑色や黄色の蛍光を生じる蛍光体（例えばＥｕドープＣａ−α―ＳｉＡｌＯＮやＥｕドープβ−ＳｉＡｌＯＮ）、赤色の蛍光を生じる蛍光体（例えばＥｕドープＣａＡｌＳｉＮ３）を用いることができる。
【００３２】
なお、半導体レーザ１０としては、例えば波長が７８０ｎｍのＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系半導体レーザでもよく、波長が６５０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザでもよく、波長が４２０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザでもよい。また、上記以外の波長を有する半導体レーザ、例えば紫外光を放射する半導体レーザでもよい。
【００３３】
また、ビーム整形レンズ２０や集光レンズ３０としては、ＢａＫ４等の光学ガラスや、光学プラスチックを用いて形成してもよい。
【００３４】
[変形例]
本開示の光源装置１００に用いられるビーム整形レンズ２０については、図３の斜視図や図４の上面図で示したものに限られず、以下の変形例が可能である。
【００３５】
以下、本開示の光源装置１００の変形例にかかるビーム整形レンズ２０について、図１２Ａ〜図１２Ｅを用いて説明する。
【００３６】
［変形例Ａ］
図１２Ａは、本開示の光源装置１００の変形例Ａにかかるビーム整形レンズ２０のファスト軸Ｆ方向からみた上面図である。すなわち、変形例Ａにかかるビーム整形レンズ２０の出射面２２全体が凸シリンドリカル面の形状を有している。このような形状としても、ビーム整形レンズ２０に対し入射する光線のスロー軸Ｓ方向に負の屈折力を持たせることができるので、スロー軸Ｓの側のビーム径ＤSをファスト軸Ｆの側のビーム径ＤFに一致させるように調整することができる。
【００３７】
［変形例Ｂ］
図１２Ｂは、本開示の光源装置１００の変形例Ｂにかかるビーム整形レンズ２０のファスト軸Ｆの方向からみた上面図である。すなわち、変形例Ｂにかかるビーム整形レンズ２０の出射面２２全体が平面形状を有している。このような形状としても、ビーム整形レンズ２０に対し入射する光線のスロー軸Ｓ方向に負の屈折力を持たせることができるので、スロー軸Ｓの側のビーム径ＤSをファスト軸Ｆの側のビーム径ＤFに一致させるように調整することができる。
【００３８】
［変形例Ｃ］
図１２Ｃは、本開示の光源装置１００の変形例Ｃにかかるビーム整形レンズ２０のファスト軸Ｆの方向からみた上面図である。すなわち、変形例Ｃにかかるビーム整形レンズ２０の出射面２２が、端部を除いて凹シリンドリカル面の形状を有している。このような形状としても、ビーム整形レンズ２０に対し入射する光線のスロー軸Ｓ方向に負の屈折力を持たせることができるので、スロー軸Ｓの側のビーム径ＤSをファスト軸Ｆの側のビーム径ＤFに一致させるように調整することができる。
【００３９】
［変形例Ｄ］
図１２Ｄは、本開示の光源装置１００の変形例Ｄにかかるビーム整形レンズ２０のファスト軸Ｆの方向からみた上面図である。すなわち、変形例Ｄにかかるビーム整形レンズ２０の出射面２２全体が凹シリンドリカル面の形状を有している。このような形状としても、ビーム整形レンズ２０に対し入射する光線のスロー軸Ｓの方向に負の屈折力を持たせることができるので、スロー軸Ｓの側のビーム径ＤSをファスト軸Ｆの側のビーム径ＤFに一致させるように調整することができる。
【００４０】
［変形例Ｅ］
図１２Ｅは、本開示の光源装置１００の変形例Ｅにかかるビーム整形レンズ２０のファスト軸Ｆの方向からみた上面図である。すなわち、変形例Ｅにかかるビーム整形レンズ２０の入射面２１全体が平面形状を有している。このような形状としても、ビーム整形レンズ２０に対し入射する光線のスロー軸Ｓ方向に負の屈折力を持たせることができるので、スロー軸Ｓの側のビーム径ＤSをファスト軸Ｆの側のビーム径ＤFに一致させるように調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本開示は、光源装置のスポット径を小さくできるという効果を有し、特に小型の走査光学系用途において有効である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  半導体レーザ
１１  活性層
２０  ビーム整形レンズ
２１、３１  入射面
２２、３２  出射面
２３  凹シリンドリカル面
２４  凸シリンドリカル面
３０  集光レンズ
３３  凸レンズ面
５０  光線
５１  光軸
１００  光源装置
２００  投影装置
２１０  光走査ミラー
３００  蛍光励起装置
３１０  蛍光体
４０１  車両
４０２  人
４０２ａ  目
４１１  計器盤
４１２  フロントガラス
４２０  車載ヘッドアップディスプレイ
４３０  虚像
Ｆ  ファスト軸
Ｐ  集光位置
Ｓ  スロー軸
【図１Ａ】
2020071003.tif 000003
【図１Ｂ】
2020071003.tif 000004
【図２】
2020071003.tif 000005
【図３】
2020071003.tif 000006
【図４】
2020071003.tif 000007
【図５】
2020071003.tif 000008
【図６Ａ】
2020071003.tif 000009
【図６Ｂ】
2020071003.tif 000010
【図７】
2020071003.tif 000011
【図８】
2020071003.tif 000012
【図９】
2020071003.tif 000013
【図１０】
2020071003.tif 000014
【図１１】
2020071003.tif 000015
【図１２Ａ】
2020071003.tif 000016
【図１２Ｂ】
2020071003.tif 000017
【図１２Ｃ】
2020071003.tif 000018
【図１２Ｄ】
2020071003.tif 000019
【図１２Ｅ】
2020071003.tif 000020
【国際調査報告】
2020071003.tif 000021
2020071003.tif 000022
2020071003.tif 000023
2020071003.tif 000024