JP7460880B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本開示は、複数の発光素子および複数のレンズを備える発光装置に関する。

特許文献１は、複数の半導体レーザ素子およびレンズアレイを備える発光装置を開示している。

特開２００７－０１９３０１号公報

特許文献１は、２個の半導体レーザ素子における各発光領域の位置が実装誤差を持つ場合において、レンズアレイの傾き角度を調整することにより、コリメート光の平行性を高めることを開示している。しかし、レンズアレイの傾き角度を調整するだけでは調整精度を充分に高めることは難しい。調整精度をさら高めることが可能な発光装置が求められている。

本開示の発光装置は、一態様において、第１発光素子および第２発光素子を含む複数の発光素子と、
前記複数の発光素子を封止するケースであって、前記複数の発光素子から放射された光を透過する透光領域を有するケースと、前記透光領域の少なくとも一部を覆う複数の主レンズであって、前記第１発光素子から放射される光をコリメートまたは収束する第１主レンズ、および、前記第２発光素子から放射される光をコリメートまたは収束する第２主レンズを含む、複数の主レンズと、前記ケースの内部に配置された複数の副レンズであって、前記第１発光素子と前記第１主レンズとの間の光路上に位置する第１副レンズ、および、前記第２発光素子と前記第２主レンズとの間の光路上に位置する第２副レンズを含む複数の副レンズとを備える。

上述の発光装置によれば、主レンズから出る光を目標とする品質の範囲内に収めることが可能になる。

図１は、複数の発光素子と複数のコリメートレンズを備えるが副レンズのない発光装置の構成例を模式的に示す図である。 図２は、副レンズのない発光装置が備える複数の発光素子が、それぞれ、異なる拡がり角で光を放射する例を模式的に示す図である。 図３は、本開示の発光装置の基本的な構成例を示す図である。 図４Ａは、本開示の第１の実施形態における発光装置を示す斜視図である。 図４Ｂは、第１の実施形態における発光装置の内部を示す斜視図である。 図５は、第１の実施形態における発光装置の、（ａ）Ｚ軸の正方向から見た上面、（ｂ）Ｘ軸の正方向から見た側面、および、（ｃ）Ｙ軸の正方向から見た側面を示す図である。 図６は、第１の実施形態における発光装置を示す断面図である。 図７は、第１の実施形態における発光装置の内部構成を示す平面図である。 図８は、第１の実施形態における発光装置に用いられ得るレンズアレイの例を示す斜視図である。 図９Ａは、本開示の第２の実施形態における発光装置を示す斜視図である。 図９Ｂは、第２の実施形態における発光装置の内部を示す斜視図である。 図１０は、第２の実施形態における発光装置の、（ａ）Ｚ軸の正方向から見た上面、（ｂ）Ｘ軸の正方向から見た側面、および、（ｃ）Ｙ軸の正方向から見た側面を示す図である。 図１１は、第２の実施形態における発光装置を示す断面図である。 図１２は、第２の実施形態における発光装置の内部構成を示す平面図である。 図１３Ａは、本開示の第３の実施形態における発光装置を示す斜視図である。 図１３Ｂは、第３の実施形態における発光装置の内部を示す斜視図である。 図１４は、第３の実施形態における発光装置の、（ａ）Ｚ軸の正方向から見た上面、（ｂ）Ｘ軸の正方向から見た側面、および、（ｃ）Ｙ軸の正方向から見た側面を示す図である。 図１５は、の第３の実施形態における発光装置を示す断面図である。 図１６は、第３の実施形態における発光装置の内部構成を示す平面図である。

本開示の実施形態を説明する前に、本発明者が見出した知見およびその技術背景を説明する。

まず、図１および図２を参照して、複数の発光素子から放射された光を複数のレンズによってコリメートまたは収束する発光装置に生じ得る幾つかの問題を説明する。

図１は、複数のレーザダイオード１１０と複数のレンズ１４０を備える発光装置１００Ｐの構成例を模式的に示す図である。発光装置１００Ｐは副レンズを備えておらず、すなわち、レーザダイオード１１０から放射された光Ｌが最初に到達するレンズがレンズ１４０である。この例におけるレンズ１４０は、レーザダイオード１１０から放射された光Ｌをコリメートする光学素子である。この場合、発光装置１００Ｐは、各レンズ１４０から出た光が、それぞれ、略平行なビームにコリメートされることを意図して設計している。そのため、各レーザダイオード１１０の設計上の位置および向きは、レーザダイオード１１０の出射端面における「発光領域」がレンズ１４０の焦点またはその近傍に一致し、且つ、光Ｌの中心部がレンズ１４０の光入射面に対して垂直に入射するように決定される。レーザダイオードの発光領域はエミッタ領域とも呼ばれる。以下、発光領域の設計上の位置を「目標位置（target position）」と呼ぶ場合がある。なお、レーザダイオード１１０の発光領域の目標位置は、必ずしもレンズ１４０の焦点に完全に一致する必要はなく、所望の光ビームを形成するように決定され得る。例えばコリメートされた光Ｌのビーム形状を制御するため、意図的に、焦点から僅かに離れた位置を目標位置に設定し、その目標位置に発光領域を配置させることがあり得る。そのような場合でも、光学設計に基づいて決められた設計位置すなわち目標位置に、レーザダイオード１１０の発光領域を正確に配置することが求められる。

レーザダイオード１１０を実装するとき、レーザダイオード１１０の位置が目標位置からずれることがある。このようなずれは、レーザダイオード１１０の実装時のばらつきに起因して生じ得る。発光領域が目標位置から外れる等、レーザダイオード１１０が設計上の位置からずれると、レンズ１４０を透過した光の方向および／または拡がり角が設計範囲から逸脱する可能性がある。図１の例では、各レーザダイオード１１０の発光領域が目標位置から外れているため、レンズ１４０を透過した光ビームが設計どおりにコリメートされず、光ビームの方向および拡がり角が目標から外れている状態が示されている。

レーザダイオード１１０の位置ずれは、個々のレーザダイオード１１０によって別々に生じ得る。レーザダイオード１１０を実装した後、発光領域の位置にあわせて個々のレンズ１４０の位置または向きを調整することができれば、それによって所望のコリメート光が得られるかもしれない。しかし、各レンズ１４０が共通の部材に固定されていたり、同じ材料から一体的に形成されていたりした場合、そのような個別の調整は実行できない。また、レンズ１４０をパッケージの透光部材上に固定するような場合は、調整可能なレンズ１４０の可動範囲が狭くなるため、個々のレンズ１４０の位置調整だけでは、発光領域の位置ずれを補正できないことがあり得る。

図２は、発光装置１００Ｐが備える複数のレーザダイオード１１０が、それぞれ、異なる拡がり角で光Ｌを放射する例を模式的に示す図である。図１と同様に、図２の発光装置１００Ｐも副レンズを備えていない。レーザダイオード１１０が放射する光Ｌの拡がり角が均一でない場合とは、例えば、レーザダイオード１１０が異なる色の光を放射する場合である。この場合、レーザダイオード１１０の構造およびサイズが相互に異なり得るため、放射する光の拡がり角が異なり得る。そして、そのような場合、レンズ１４０を透過した光ビームのビーム径が不均一になり得る。レーザダイオード１１０の種類に応じてレンズ１４０の焦点距離を変更することによってコリメート光のビーム径を均一に近付けようとすると、発光装置１００Ｐの光軸方向のサイズを大きくする必要がある。

このような課題は、レーザダイオード１１０に限らず、種々の発光素子とレンズを組み合わせる場合に起こり得る。

＜基本構成＞
以下、本開示の実施形態を説明する。まず、図３を参照しながら、後述する実施形態に共通する発光装置の基本的な構成の例を説明する。図３は、発光装置の構成例を模式的に示す図である。これらの図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が模式的に示されている。使用時における発光装置の向きは任意であり、図示されている発光装置の向きによって制限されない。

発光装置１００は、第１発光素子１０Ａおよび第２発光素子１０Ｂを含む複数の発光素子１０と、複数の発光素子１０を封止するケース２０とを備えている。ケース２０によって発光素子１０が気密に封止されていてよい。後述の例に示すように、発光素子１０の個数は、２個に限定されず、３個以上であってもよい。発光素子１０の例は、端面出射型半導体レーザ素子または垂直共振器面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）などのレーザ素子でありえる。このようなレーザ素子として、半導体層を有するレーザダイオード（ＬＤ）を用いることができる。発光素子１０は、非コヒーレント光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子であってもよい。発光素子１０はレーザ素子であることが好ましい。レーザ素子が放射するレーザ光は、ＬＥＤが放射する光よりも直進性が高く、より多くの割合の光をレンズに照射させることができるからである。発光素子１０の発光領域とは、発光素子１０の表面のうち光Ｌが放射される領域である。発光素子１０がレーザ素子である場合は、発光素子１０の発光領域とは、レーザビームが出射する領域を指す。発光素子１０から放射される光は、例えば可視光である。光の波長は、可視光域に限定されず、赤外域または紫外域の範囲にあってもよい。また、複数の発光素子１０が、それぞれ、異なる波長域の光を放射してもよく、異なる色の光を放射してもよい。図３の例において、第１発光素子１０Ａから放射される光のピーク波長は、第２発光素子１０Ｂから放射される光のピーク波長とは異なっている。

ケース２０は、複数の発光素子１０から放射された光Ｌを透過する透光領域３０を有している。透光領域３０は例えばガラスである。ケース２０をパッケージと呼んでもよい。ケース２０の具体的な構成例は、後述する。

発光装置１００は、透光領域３０の少なくとも一部を覆う複数の主レンズ４０を備えている。複数の主レンズ４０は、第１発光素子１０Ａから放射される光Ｌをコリメートまたは収束する第１主レンズ４０Ａと、第２発光素子１０Ｂから放射される光Ｌをコリメートまたは収束する第２主レンズ４０Ｂとを含む。図示される例において、主レンズ４０は、コリメートレンズである。

さらに、発光装置１００は、ケース２０の内部に配置された複数の副レンズ５０を備えている。複数の副レンズ５０は、第１発光素子１０Ａと第１主レンズ４０Ａとの間の光路上に位置する第１副レンズ５０Ａと、第２発光素子１０Ｂと第２主レンズ４０Ｂとの間の光路上に位置する第２副レンズ５０Ｂとを含んでいる。このため、第１発光素子１０Ａから放射された光は、第１副レンズ５０Ａを透過した後、第１主レンズ４０Ａに入射する。第１副レンズ５０Ａは、第１主レンズ４０Ａの補助的な機能を発揮し、第１主レンズ４０Ａおよび第１副レンズ５０Ａの組み合わせによって、所望のコリメーションまたは収束を実現し得る。同様に、第２発光素子１０Ｂから放射された光は、第２副レンズ５０Ｂを透過した後、第２主レンズ４０Ｂに入射する。第２副レンズ５０Ｂは、第２主レンズ４０Ｂの補助的な機能を発揮し、第２主レンズ４０Ｂおよび第２副レンズ５０Ｂの組み合わせによって、所望のコリメーションまたは収束を実現し得る。従って、主レンズ４０のレンズ形状は、副レンズ５０を用いない場合のレンズの形状とは異なり得る。

図３では、光Ｌを２本の破線に囲まれた領域によって模式的に表している。レーザビームなどの光Ｌの強度は、光Ｌの中心の伝搬方向に直交する平面内において、例えばガウシアン分布によって近似的に表され得る。このような光Ｌのビームの径は、ビーム中心の光強度に対して例えば１／ｅ^２以上の光強度を持つ領域のサイズによって規定され得る。ここで、ｅはネイピア数（約２．７１）である。ビームの径は、他の基準によって定義されてもよい。

複数の副レンズ５０のそれぞれは、相互に独立してケース２０に実装され得る。このため、個々の副レンズ５０の位置および向きは、互いに拘束されることなく調整され得る。なお、図３では、簡単のため、副レンズ５０を支持する部材の記載が省略されている。個々の副レンズ５０は、直接または間接的にケース２０に固定され得る。

第１副レンズ５０Ａの位置および向きは、第１発光素子１０Ａをケース２０内に実装した後、第１発光素子１０Ａの位置および向きに応じて決定される。同様に、第２副レンズ５０Ｂの位置および向きは、第２発光素子１０Ｂをケース２０内に実装した後、第２発光素子１０Ｂの位置および向きに応じて決定される。複数の副レンズ５０は、それぞれは、複数の発光素子１０の位置および／または向きのずれを補償する機能を発揮することが可能である。また、複数の発光素子１０に実装ずれが生じていない場合であっても、複数の副レンズ５０は、それぞれ、複数の発光素子１０から放射される光の波長および拡がり角などの特性の違いに基づいて異なり得るビーム径またはビーム収束点位置を調整する機能を発揮することも可能である。これらの機能から、副レンズ５０を、補正レンズまたは調整レンズと呼んでもよい。

個々の副レンズ５０の位置および向きの調整は、発光素子１０から光Ｌを放射させた状態で、副レンズ５０を透過した光Ｌをビームプロファイラなどの装置によって測定しながら実行され得る。例えば、紫外線硬化樹脂によって副レンズ５０をケース２０に固定する場合、副レンズ５０とケース２０との間に硬化前の紫外線硬化樹脂を介在させた状態で上記の調整を実行する。そして、副レンズ５０の位置および向きを決定した後、治具または保持装置によって副レンズ５０の位置および向きを保持したまま紫外線を樹脂に照射して樹脂を硬化させればよい。樹脂を用いる代わりに、加熱によって軟化または溶融する金属を含む接合材料を用いてもよい。このように発光素子１０から光Ｌを放射させた状態で副レンズ５０を実装することによって発光装置１００から出射される光Ｌの方向および／または拡がり角を調整することを「アクティブアライメント」と呼んでもよい。このようなアクティブアライメントが完了した後、主レンズ４０が実装される。

主レンズ４０には、副レンズ５０によって補正された光Ｌが入射する。このため、主レンズ４０から出る光を目標とする品質の範囲内に収めることが可能になる。この品質は、光の進行方向、拡がり角、サイズを含む。「目標とする品質の範囲内に収める」とは、これらのうち１以上が目標の範囲内に収まっていることを指し、それらすべてが目標の範囲内に収まっていることが好ましい。

また、複数の主レンズ４０が連結されたレンズアレイであっても、レンズアレイとして可能な程度の位置調整により、それぞれが目標とする品質の複数の光ビームを得ることが可能になる。

図３では、主レンズ４０は、ケース２０の外部においてケース２０に対して直接または間接的に固定されている。もし主レンズ４０がケース２０の内部に配置されている場合、主レンズ４０によってコリメートまたは収束された光が、透光領域３０を透過してケース２０の外部に取り出される。その場合、透光領域３０で屈折してビーム品質が劣化する可能性が排除できない。このため、図３に示すように、主レンズ４０をケース２０の外部に取り付けることが好ましい。これにより、そのようなビーム品質の劣化を避けることができる。一方、副レンズ５０は、ケース２０の外部ではなく内部に配置している。発光素子１０が放射する光Ｌは、発光領域から離れるにつれて広範囲に拡散する。副レンズ５０をケース２０の内部に配置することにより、副レンズ５０を発光素子１０の発光領域に近づけることができるため、ケース２０の外部に配置する場合よりも小さなサイズの副レンズ５０によって補正効果を得ることが可能になる。したがって、発光装置１００の小型化に有利である。

＜第１の実施形態＞
以下、図４Ａから図８を参照して、第１の実施形態を説明する。

まず、図４Ａ、図４Ｂ、図５（ａ）、図５（ｂ）、および図５（ｃ）を参照しながら、第１の実施形態における発光装置１００の概略構成を説明する。図４Ａは、第１の実施形態における発光装置１００の外観を示す斜視図である。図４Ｂは、第１の実施形態における発光装置１００の内部を示す斜視図である。図５（ａ）、図５（ｂ）、および図５（ｃ）は、それぞれ、第１の実施形態の発光装置１００をＺ軸の正方向から見た上面、Ｘ軸の正方向から見た側面、および、Ｙ軸の正方向から見た側面を示す図である。

第１の実施形態における発光装置１００は、第１発光素子１０Ａ、第２発光素子１０Ｂ、および第３発光素子１０Ｃを含む複数の発光素子１０と、複数の発光素子１０を封止するケース２０とを備えている。

図４Ｂの配置例において、各発光素子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃからは、Ｙ軸の負方向に光が放射される。ケース２０の内部には、３個の発光素子１０から放射された光をＺ軸の正方向に反射する３個のリフレクタＲが配置されている。また、図４Ａに示すように、ケース２０は、リフレクタＲで反射された光を透過する透光領域を含むカバー３２を有している。この例において、カバー３２の全体が透光性材料から形成されており、透光領域として機能する。カバー３２の全体ではなく一部が透光領域として機能してもよい。発光装置１００は、カバー３２の少なくとも一部を覆う複数の主レンズ４０、すなわち、第１主レンズ４０Ａ、第２主レンズ４０Ｂ、および第３主レンズ４０Ｃと、ケース２０の内部に配置された複数の副レンズ５０、すなわち、第１副レンズ５０Ａ、第２副レンズ５０Ｂ、および第３副レンズ５０Ｃとを備えている。この例において、複数の副レンズ５０は、それぞれ、複数の発光素子１０とリフレクタＲとの間に配置されている。

次に、図６、図７および図８を参照して、第１の実施形態における発光装置１００の構成を詳しく説明する。図６は、第１の実施形態における発光装置１００を示す断面図である。図７は、発光装置１００の内部構成を示す平面図であり、カバー３２および主レンズ４０の記載が省略されている。図８は、発光装置１００が備えることができるレンズアレイ４００の構成例を示す斜視図である。

図６に示されるように、発光装置１００のケース２０は、発光素子１０を支持する基部２２と、発光素子１０を覆うカバー３２とを有している。カバー３２は、例えばサファイアなどの透光性材料から形成され得る。カバー３２は、例えば、透光性材料からなる板を有する。その板の表面に金属層が設けられていてもよい。基部２２は、複数の発光素子１０が配列された底部２４と、複数の発光素子１０を取り囲む枠部２６とを含む。主レンズ４０を載せたカバー３２は枠部２６によって支持されている。

基部２２は、発光素子１０を外部電源と電気的に接続するための電極構造を有しており、この電極構造に発光素子１０が電気的に接続される。従って、基部２２は、発光素子１０を外部電源と電気的に接続する役割をも果たす。基部２２は、絶縁材料と導電材料の複合体から形成され得る。基部２２は、例えば、絶縁性のセラミックの本体と、電極として機能する導電性の金属部とを有する。

図６に示される例において、枠部２６は、カバー３２から底部２４に至るまでの間に段差部を有している。発光素子１０を外部電源に接続するための電極構造の少なくとも一部は、段差部の面２８に形成され得る。電極構造の一部は、基部２２を貫通するビア電極であり得る。電極構造と発光素子１０とは、例えばワイヤによって電気的に接続され得る。図６において、ワイヤの記載は省略されている。図７には、６本のワイヤ６０が模式的に記載されている。これらのワイヤ６０は、段差の面２８に形成された電極構造の一部である導電層と、各発光素子１０とを電気的に接続する。図７において、ワイヤ６０は直線的に記載されているが、ワイヤ６０は湾曲したり、屈曲したりしていてもよい。

図６の例において、各発光素子１０はサブマウント１２に固定されており、サブマウント１２が基部２２に固定されている。サブマウント１２は、発光装置１００の構成から省くことが可能である。サブマウント１２は、放熱性を高めるため、熱伝導率が基部２２の熱伝導率よりも高い材料から形成され得る。発光素子１０の発光領域は、リフレクタＲの側にあり、光Ｌは、発光領域からリフレクタＲに向けて放射される。図６では、光Ｌの光軸（中心）が矢印直線で模式的に示されている。発光素子１０の発光領域とリフレクタＲとの間には、副レンズ５０が配置されている。副レンズ５０の位置は、前述したように、発光素子１０の目標位置からのずれを補償するように調整された後、基部２２に固定されている。この「補償」とは、主レンズ４０と副レンズ５０の組み合わせからなるレンズ系の焦点と発光素子１０の発光領域とを必ずしも厳密に一致させることを意味しない。この焦点の位置が、副レンズ５０が無いときに比べて、発光素子１０の発光領域に相対的に接近するように副レンズ５０の位置および／または向きを整えることは「補償」に含まれる。

副レンズ５０のそれぞれの位置および向きは、主レンズ４０および副レンズ５０の組が規定する焦点を、発光素子１０の発光領域に一致させることが好ましい。これにより、副レンズ５０をそれぞれ透過した光Ｌを、より確実に、対応する主レンズ４０によってコリメートまたは収束することができる。また、主レンズ４０および副レンズ５０の少なくともいずれか一方は、複数のレンズが連結されたレンズアレイでなく、複数のレンズがそれぞれ独立した個別のレンズ部品であることが好ましい。これにより、両方がレンズアレイである場合と比較して、主レンズ４０および副レンズ５０の組が規定する焦点を調整可能な範囲を拡大することができる。したがって、その焦点を発光素子１０の発光領域に一致させることが容易になる。

リフレクタＲは、少なくとも一面に光反射面を有する。光反射面は、リフレクタＲの底面に対して傾斜しており、発光素子１０からの光Ｌを透過領域に向けて反射する。リフレクタＲは、発光素子１０からの放射光を受けるため、熱に強い材料から形成されることが好ましい。光反射面は、反射率の高い材料の層から形成され得る。リフレクタＲの本体部分は、石英もしくはＢＫ７（硼珪酸ガラス）などのガラス、アルミニウムなどの金属、または、Ｓｉなどから形成され得る。光反射面は、金属層および／または誘電体多層膜から形成され得る。

副レンズ５０は、基部２２に対する接合を可能にする形状、例えば直方体形状を一部に有していることが好ましい。副レンズ５０は、レンズ形状の部分として曲面を有する。この曲面は、凸でもよく、凹でもよい。副レンズ５０は、例えば、ＢＫ７やＢ２７０などのガラスから形成され得る。主レンズ４０も、例えば、ＢＫ７やＢ２７０などのガラスから形成され得る。主レンズ４０は、図４Ａに示されるように、Ｘ軸方向に配列された３つの主レンズ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを含んでいる。主レンズ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃのそれぞれの形状は、光Ｌが透過する部分において球面または非球面を有するレンズ形状の部分を有していれば、他の部分の形状は任意である。図４Ａにおいて、主レンズ４０のレンズ形状の部分は、板状部の部分から上方に突出した凸部である。主レンズ４０が有する複数の凸部を密に配置することは発光装置１００の小型化に利する。主レンズ４０が有する複数の凸部のそれぞれの間の距離は、例えば、１つの凸部のＸ軸方向における幅よりも小さくすることができる。

主レンズ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃは、個別のレンズ部品としてカバー３２に接合されていてもよいし、１個の一体化されたレンズアレイとしてカバー３２に固定されていてもよい。図８は、主レンズ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが連結されたレンズアレイ４００の構成例を示す斜視図である。レンズアレイ４００は、主レンズ４０Ａ、４０Ｂ、４０ＣがＸ軸方向に密に並んだ構造を有する一体部品（ｏｎｅ－ｐｉｅｃｅ ｂｏｄｙ）である。第１主レンズ４０Ａと第２主レンズ４０Ｂとの間、および、第２主レンズ４０Ｂと第３主レンズ４０Ｃと間には、隙間が存在してもよいし、３個の主レンズ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが隙間なく連結していてもよい。

図６に示されるように、主レンズ４０は、接合層３４を介してカバー３２に固定され得る。接合層３４は、例えば紫外線硬化樹脂などから形成され得る。なお、図８に示されるレンズアレイ４００も、同様の接合層を介してカバー３２に固定され得る。レンズアレイ４００では、主レンズ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの相互配置関係が固定された状態にあるため、カバー３２に対して主レンズ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃのそれぞれを別々に固定する必要はない。レンズアレイ４００は、一体部品としてハンドリングされるため、実装しやすい利点を有する。

複数の発光素子１０が放射する光は、それぞれ異なる色の光であってよい。例えば、青色、緑色、および赤色の光をそれぞれ用いることができる。第１の実施形態において、第１発光素子１０Ａ、第２発光素子１０Ｂ、および第３発光素子１０Ｃは、それぞれ、緑色レーザビームを出射する緑色半導体レーザ素子、青色レーザビームを出射する青色半導体レーザ素子、および赤色レーザビームを出射する赤色半導体レーザ素子である。いずれも端面出射型である。

青色半導体レーザ素子が出射するレーザビームのピーク波長は４３０ｎｍから４８０ｎｍであり、４５０ｎｍから４７０ｎｍであってもよい。緑色半導体レーザ素子が出射するレーザビームのピーク波長は５００ｎｍから５５０ｎｍであり、５２０ｎｍから５４０ｎｍであってもよい。赤色半導体レーザ素子が出射するレーザビームのピーク波長は６２０ｎｍから６６０ｎｍであり、６３０ｎｍから６５０ｎｍであってもよい。青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子は、主として窒化物半導体から形成され得る。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮが挙げられる。赤色半導体レーザ素子は例えば主としてガリウムヒ素系半導体から形成され得る。発光素子１０としてレーザ素子を採用する場合、その光エネルギーが強いほど、光集塵効果によって動作中のレーザ素子の光出射面に雰囲気中の塵埃などが付着しやすくなる。光出射面に塵埃などが付着すると光出力が低下し得る。光エネルギーは、レーザビームの波長が短くなるほど、また、光出力が高くなるほど高くなる。このため、緑色やそれよりも短い波長のレーザビームを出射するレーザ素子を発光素子１０として採用する場合は、ケース２０によって発光素子１０が気密封止されることが好ましい。ケース２０によって発光素子１０が気密に封止されたパッケージであれば、外部の塵埃のケース２０内への侵入を防ぐことができるため、レーザ素子の光出射面に塵埃などが付着する可能性を低減することができる。

赤色半導体レーザ素子では青色および緑色半導体レーザ素子よりも特性が温度によって変動しやすい場合がある。また、青色半導体レーザ素子は緑色半導体レーザ素子よりも電力変換効率が良いことから、発熱量は青色半導体レーザ素子の方が緑色半導体レーザ素子よりも小さい。このため、緑色半導体レーザ素子は赤色半導体レーザ素子から離して配置することが望ましい。本実施形態では、図７に示されるように、赤色半導体レーザ素子（第３発光素子１０Ｃ）と緑色半導体レーザ素子（第１発光素子１０Ａ）との間に青色半導体レーザ素子（第２発光素子１０Ｂ）を配置している。その結果、赤色半導体レーザ素子（第３発光素子１０Ｃ）の発光特性が安定する。

ケース２０の内部には、発光素子１０以外の半導体素子が配置されていてもよい。例えば、各発光素子１０に印加される逆方向電圧を所定レベル以下に抑えるツェナーダイオードなどの保護回路素子、および／または、光Ｌの強度をモニタするフォトダイオードなどの光検出素子が配置されていてもよい。

第１の実施形態では、発光素子１０の発光領域に近い位置に副レンズ５０が配置され得るため、発光領域から出た光Ｌは、大きく拡がる前に副レンズ５０に入射する。このため、副レンズ５０のサイズを小さくすることが可能である。また、副レンズ５０の位置をケース２０内で調整することにより、発光領域の位置ずれの補正を行うことができる。副レンズ５０の形状およびサイズは、図示されている例に限定されない。また、副レンズ５０がなければ主レンズ４０の光入射面における複数の発光素子１０からの光Ｌのビームサイズが不均一となる場合に、副レンズ５０を用いることで、それぞれの光Ｌのビームサイズを調整し、均一に近づけることが可能である。

＜第２の実施形態＞
以下、図９Ａから図１２を参照して、第２の実施形態を説明する。

まず、図９Ａ、図９Ｂ、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、および図１０（ｃ）を参照しながら、第２の実施形態における発光装置１００の概略構成を説明する。図９Ａは、第２の実施形態における発光装置を示す斜視図である。図９Ｂは、第２の実施形態における発光装置の内部を示す斜視図である。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、および図１０（ｃ）は、それぞれ、図９Ａの発光装置をＺ軸の正方向から見た上面、Ｘ軸の正方向から見た側面、および、Ｙ軸の正方向から見た側面を示す図である。

第２の実施形態における発光装置１００は、前述の第１の実施形態の発光装置１００と同様に、第１発光素子１０Ａ、第２発光素子１０Ｂ、および第３発光素子１０Ｃを含む複数の発光素子１０と、複数の発光素子１０を封止するケース２０とを備えている。第１の実施形態と異なる点は、ケース２０の内部に配置された複数の副レンズ５０の構成にある。以下、この点を詳細に説明する。

図９Ｂに示すように、第２の実施形態の発光装置１００は、第１副レンズ５０Ａ、第２副レンズ５０Ｂ、および第３副レンズ５０Ｃを備えている。第２の実施形態において、複数の副レンズ５０は、それぞれ、カバー３２とリフレクタＲとの間に配置されている。

次に、図１１および図１２を参照して、第２の実施形態における発光装置１００における副レンズ５０の構成を説明する。図１１は、第２の実施形態における発光装置１００を示す断面図である。図１２は、第２の実施形態における発光装置１００の内部構成を示す平面図であり、カバー３２および主レンズ４０の記載が省略されている。

図１１に示されるように、第２の実施形態においても、発光装置１００のケース２０は、複数の発光素子１０を支持する基部２２と、基部２２に支持されたリフレクタＲと、複数の発光素子１０を覆うカバー３２とを有している。基部２２は、複数の発光素子１０およびリフレクタＲが配列された底部２４と、複数の発光素子１０を取り囲む枠部２６とを含む。主レンズ４０を載せたカバー３２は枠部２６によって支持されている。主レンズ４０としては、図８のレンズアレイ４００を採用してもよい。

図１１に示される例において、枠部２６は、カバー３２から底部２４に至るまでの間に２段の段差部を有している。発光素子１０を外部電源に接続するための電極構造の少なくとも一部は、下側の段差部を構成する面のうちの１つである面２８Ａに形成され得る。第２の実施形態では、複数の副レンズ５０のそれぞれは、枠部２６の上側の段差部を構成する面のうちの１つである面２８Ｂによって支持されている。

図１１および図１２では、ワイヤの記載が省略されている。第２の実施形態における発光装置１００も、第１の実施形態について説明した電極構造およびワイヤを備えている。ここでは、その説明は繰り返さない。

図１２に示されているように、副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃは、それぞれ、プレート状に拡がる平坦な拡張部５２と、レンズ形状の部分として曲面を有する凸部とを有する。凸部があることでレンズとして機能する。副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃは、それぞれ、個別の部品であり、例えばガラス材料から形成される。副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃのそれぞれは、平面視において、略長方形の形状を有しており、そのＹ軸方向のサイズは、枠部２６の面２８Ｂにおける左側部分から右側部分に跨る長さを有している。副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃのそれぞれは、枠部２６に固定される前であれば、枠部２６の面２８Ｂに両端を支えられた状態でＸ軸方向にスライド可能である。また、その状態で、副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃのそれぞれは、Ｙ軸方向にもスライド可能である。このようなＹ軸方向のスライドを可能にするため、面２８Ｂの外側の端からＺ軸の正方向に伸びる側面のＹ軸方向の距離Ｌ１は、副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃのそれぞれの長さＬ２よりも長い。距離Ｌ１は、面２８Ｂの左側部分の左端から面２８Ｂの右側部分の右端までの距離と言い換えてもよい。また、長さの差であるＬ１－Ｌ２は、副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０ＣのＹ軸方向における可動量の上限を規定する。Ｌ１－Ｌ２は、発光装置１００の大きさに依存して適切な範囲に設定され得る。Ｌ２は、例えば、Ｌ１の０.５倍以上０.９５倍以下に設定してよい。Ｌ１－Ｌ２は、例えば０．０２ｍｍ～３ｍｍ程度に設定され得る。なお、面２８Ｂが副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃの両端を支えるため、面２８Ｂの内側の端からＺ軸の負方向に伸びる側面のＹ軸方向の距離Ｌ３は、副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃのそれぞれの長さＬ２よりも短い。距離Ｌ３は、面２８Ｂの左側部分の右端から面２８Ｂの右側部分の左端までの距離と言い換えてもよい。Ｌ３は、例えば、Ｌ２の０.５倍以上０.９５倍以下に設定してよい。また、それらの長さの差であるＬ２－Ｌ３は、例えば０．０２ｍｍ～３ｍｍ程度に設定され得る。

第２の実施形態では、副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを枠部２６に固定するとき、段差部の面２８Ｂに沿って二次元的にスライドさせることができるため、副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃの位置を調整することが容易である。

副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０ＣのＺ軸方向の位置を調整する場合は、段差部の面２８Ｂと副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃの下面との間に設ける接合層の厚さを調整すればよい。

第１の実施形態について説明したように、紫外線硬化樹脂によって副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃをケース２０に固定する場合、副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃの下面と段差部の面２８Ｂとの間に硬化前の紫外線硬化樹脂を介在させた状態で調整を実行する。そして、副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃのそれぞれの位置および向きを決定した後、治具または保持装置によって各副レンズ５０の位置および向きを保持したまま紫外線を樹脂に照射して樹脂を硬化させればよい。

第２の実施形態の発光装置１００では、複数の副レンズ５０のそれぞれが、枠部２６の段差部によって支持されている。これにより、副レンズ５０を発光素子１０やリフレクタＲよりも上方に配置することができるため、個々の副レンズ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃのハンドリングが容易になり、ＸＹ面内における位置決めがしやすいという利点がある。一方で、光の伝搬方向、すなわち光軸方向に沿って副レンズ５０の位置を調整するときの可動距離は、第１の実施形態の方が第２の実施形態よりも大きくすることができる。また、小型化の点からも第１の実施形態の方が有利である。第２の実施形態では、発光素子１０の発光領域から、対応する副レンズ５０までの距離が相対的に長くなることで、副レンズ５０のレンズ機能を有する凸部のサイズが相対的に大きくなるためである。

上記の各実施形態では、発光装置１００がリフレクタＲを備えているが、リフレクタＲは不可欠の要素ではない。

＜実施形態３＞
以下、図１３Ａから図１６を参照して、第３の実施形態を説明する。第３の実施形態における発光装置１００は、リフレクタＲを備えていない。

まず、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４（ａ）、図１４（ｂ）、および図１４（ｃ）を参照しながら、第３の実施形態における発光装置１００の概略構成を説明する。図１３Ａは、第３の実施形態における発光装置を示す斜視図である。図１３Ｂは、第３の実施形態における発光装置の内部を示す斜視図である。図１４（ａ）、図１４（ｂ）、および図１４（ｃ）は、それぞれ、第３の実施形態における発光装置をＺ軸の正方向から見た上面、Ｘ軸の正方向から見た側面、および、Ｙ軸の正方向から見た側面を示す図である。

第３の実施形態における発光装置１００も、前述の第１および第２の実施形態と同様に、第１発光素子１０Ａ、第２発光素子１０Ｂ、および第３発光素子１０Ｃを含む複数の発光素子１０と、複数の発光素子１０を封止するケース２０とを備えている。しかし、第３の実施形態の発光装置１００は、リフレクタＲは備えていない。ケース２０の内部に配置された複数の発光素子１０から出射された光は、ケース２０の側面から取り出される。以下、この点を詳細に説明する。ケース２０は、枠部２６を覆う蓋部７０を有している。図１３Ｂでは、蓋部７０および主レンズ４０の記載が省略されている。

図１３Ａに示すように、本実施形態の発光装置１００は、ケース２０の側面に位置するカバー３２に固定された第１主レンズ４０Ａ、第２主レンズ４０Ｂ、および第３主レンズ４０Ｃを備えている。また、発光装置１００は、ケース２０の内部に、第１副レンズ５０Ａ、第２副レンズ５０Ｂ、および第３副レンズ５０Ｃを備えている。第３の実施形態において、第１副レンズ５０Ａは、第１発光素子１０Ａと第１主レンズ４０Ａとの間の光路上に位置している。第２副レンズ５０Ｂは、第２発光素子１０Ｂと第２主レンズ４０Ｂとの間の光路上に位置している。第３副レンズ５０Ｃは、第３発光素子１０Ｃと第３主レンズ４０Ｃとの間の光路上に位置している。

次に、図１５および図１６を参照して、第３の実施形態における発光装置１００の構成を更に説明する。図１５は、第３の実施形態における発光装置１００を示す断面図である。図１６は、発光装置１００の内部構成を示す平面図であり、蓋部７０の記載が省略されている。

図１５に示されるように、第３の実施形態では、ケース２０の側面に、具体的には、枠部２６の一部に開口２６Ｘが形成されている。枠部２６の開口２６Ｘは、カバー３２によって塞がれている。そして、主レンズ４０は、接合層３４によって枠部２６に固定されている。主レンズ４０はカバー３２に固定してもよい。

各発光素子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃからは、Ｙ軸の正方向に光Ｌが放射される。ケース２０の内部には、３個の発光素子１０から放射された光を透過するように３個の副レンズ５０が配置されている。

蓋部７０は透光性材料を有する必要はないが、カバー３２は透光性材料を有する。カバー３２のうち少なくとも光Ｌを通過させる部分は透光性材料からなる。３個の副レンズ５０をそれぞれ透過した光Ｌは、対応する主レンズ４０によってコリメートまたは収束される。個々の副レンズ５０の調整および固定は、第１の実施形態について説明した方法によって実行され得る。第３の実施形態における発光装置１００も、前述した電極構造およびワイヤ６０を備えている。

第３の実施形態によれば、発光装置１００にリフレクタが不要になるため、部品点数が減少し、発光装置１００のサイズを小さくすることが可能になる。

以上説明した各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示したものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本開示は特許請求の範囲に示される部材を、各実施形態の部材に特定しない。各実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本開示の発光装置は、プロジェクタ、車載ヘッドライト、照明装置、通信装置、レーザ加工装置等の光源として使用することができる。

１０・・・発光素子、２０・・・ケース、３０・・・透光性部材、４０・・・主レンズ、５０・・・副レンズ、１００・・・発光装置

Claims (13)

1. 第１発光素子および第２発光素子を含む複数の発光素子と、
   前記複数の発光素子を封止するケースであって、前記複数の発光素子から放射された光を透過する透光領域を有するケースと、
   前記透光領域の少なくとも一部を覆う複数の主レンズであって、前記第１発光素子から放射される光をコリメートまたは収束する第１主レンズ、および、前記第２発光素子から放射される光をコリメートまたは収束する第２主レンズを含む、複数の主レンズと、
   前記ケースの内部に、前記第１主レンズ及び前記第２主レンズから離隔して、相互に独立して配置された複数の副レンズであって、前記第１発光素子と前記第１主レンズとの間の光路上に位置する第１副レンズ、および、前記第２発光素子と前記第２主レンズとの間の光路上に位置する第２副レンズを含む複数の副レンズと、
   を備え、
   前記第１副レンズおよび前記第２副レンズは、それぞれ、前記第１発光素子および前記第２発光素子の実装ずれ、または放射される光の特性の違いを補償し、
   前記複数の主レンズは、前記第１主レンズと前記第２主レンズとが連結されたレンズアレイに含まれている、発光装置。
2. 前記ケースは、前記複数の発光素子を支持する基部と、前記複数の発光素子を覆うカバーとを有し、
   前記透光領域は前記カバーの少なくとも一部に設けられている、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記基部は、前記複数の発光素子が配列された底部と、前記複数の発光素子を取り囲む枠部とを含み、
   前記カバーは前記枠部によって支持されている、請求項２に記載の発光装置。
4. 前記枠部は、前記カバーから前記底部に至るまでの間に段差部を有し、
   前記複数の副レンズのそれぞれは、前記枠部の前記段差部によって支持されている、請求項３に記載の発光装置。
5. 前記複数の発光素子は、それぞれ、端面からレーザビームを出射する複数のレーザ素子である、請求項１から４のいずれかに記載の発光装置。
6. 前記複数のレーザ素子から出射された前記レーザビームを前記透光領域に向けて反射するリフレクタを備える、請求項５に記載の発光装置。
7. 前記第１副レンズは、前記第１発光素子と前記リフレクタとの間に位置し、
   前記第２副レンズは、前記第２発光素子と前記リフレクタとの間に位置している、請求項６に記載の発光装置。
8. 前記複数の主レンズは、前記第１主レンズと前記第２主レンズとが連結されたレンズアレイに含まれており、
   前記レンズアレイは、前記ケースに支持されている、請求項１から７のいずれかに記載の発光装置。
9. 前記第１発光素子から放射される光のピーク波長は、前記第２発光素子から放射される光のピーク波長とは異なっている、請求項１から８のいずれかに記載の発光装置。
10. 前記第１副レンズの位置および向きは、前記第１主レンズおよび前記第１副レンズの組が規定する焦点を、前記第１発光素子の発光領域に一致させ、
    前記第２副レンズの位置および向きは、前記第２主レンズおよび前記第２副レンズの組が規定する焦点を、前記第２発光素子の発光領域に一致させる、請求項１から９のいずれかに記載の発光装置。
11. 前記複数の発光素子は、第３発光素子を含み、
    前記複数の主レンズは、前記第３発光素子から放射された光をコリメートまたは収束する第３主レンズを含み、
    前記複数の副レンズは、前記第３発光素子と前記第３主レンズとの間の光路上に位置する第３副レンズを含む、請求項１から１０のいずれかに記載の発光装置。
12. 前記第１発光素子から放射される光は青色の光であり、
    前記第２発光素子から放射される光は緑色の光であり、
    前記第３発光素子から放射される光は赤色の光である、請求項１１に記載の発光装置。
13. 前記第１主レンズは、前記第１発光素子から放射される光をコリメートし、
    前記第２主レンズは、前記第２発光素子から放射される光をコリメートする、請求項１から１２のいずれかに記載の発光装置。

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