JP6351090B2 - 光源ユニット、光源ユニットを用いた照明光学系 - Google Patents

Description

本発明は、複数の半導体レーザ素子を搭載した光源ユニットに関し、特に、照明光学系に用いられる光源ユニットに関する。

近年、赤色帯域、緑色帯域および青色帯域のレーザ光を発する半導体レーザが開発され、その実用化が進められている。半導体レーザを光源に利用することができれば、従来の放電ランプ光源と比較して、消費電力の低減、長寿命化、小型化を期待することができる。

特許文献１は、対向配置された第１および第２固体光源ユニットからの光を反射する反射ユニットと、反射ユニットの光で励起される蛍光発光板とを備えた光源装置を開示する。特許文献２は、レーザダイオードがアレイ状に配置された発光素子ユニットを対向して配置し、各発光素子ユニットからの光を反射ミラーで反射する照明装置を開示している。

特開２０１２−１３３３３７号公報 特開２０１２−１１８１２９号公報

レーザ素子をアレイ化した光源ユニットは、素子数の増加、高出力化に伴い発熱量が増加するため、これを如何に効率よく放熱させるかが課題である。特に、光源ユニットを照明光学系に適用した場合、半導体レーザ素子の近傍にミラーやレンズなどの光学部品を配置しなければならず、放熱のための十分なスペースを確保することが難しくなる。他方、そのようなスペースを確保しようとすれば、光源ユニットの薄型化、小型化が難しくなる。

本発明は、小型化、薄型化を図りつつ放熱効率を向上させた光源ユニットおよびそれを用いた照明光学系を提供することを目的とする。

本発明に係る光源ユニットは、複数の半導体レーザ素子を第１の直線方向に整列させる整列手段と、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の各々を入射し、第２の方向に反射させる複数の反射部材と、前記整列手段に熱的に結合された放熱部材とを有し、前記放熱部材は、少なくとも複数の反射部材が配置された領域上に存在する。

好ましい態様では、前記放熱部材は、２次元的に広がる金属部材を一対含み、一対の金属部材の間に前記整列手段および前記反射部材が配置される。好ましくは前記金属部材は、平坦な面を含み、当該平坦な面から垂直方向に突出する複数の放熱フィンを有する。好ましくは前記金属部材は、平坦な面を含み、当該平坦な面と平行な複数の放熱フィンを有する。好ましくは前記平坦な面の端部は第１の角度で傾斜し、前記複数の放熱フィンの端部は第２の角度で傾斜し、前記平坦な面の端部と前記複数のフィンの端部が交差する。好ましくは第１の角度と第２の角度の合計は９０度である。好ましくは前記整列手段、前記反射部材および前記放熱部材の組み合わせは、実質的に矩形状の外形を有する。好ましくは前記整列手段は、複数の半導体レーザ素子を収容するための凹部が形成された金属製の固定部材を含む。好ましくは前記固定部材は、複数の半導体レーザ素子からの光をコリメートするための複数のコリメートレンズを含む。好ましくは前記固定部材は、前記半導体レーザ素子およびコリメートレンズの少なくとも一方を位置決めする位置決め手段を含む。好ましくは前記整列手段は、複数の半導体レーザ素子を対向する側に整列させる。好ましくは光源ユニットアレイは、光源ユニットを複数積層して構成される。好ましくは、一方の光源ユニットの平坦な面の端部が他方の光源ユニットの放熱フィンの端部に当接され、一方の光源ユニットの放熱フィンの端部が他方の光源ユニットの平坦な面の端部に当接され、２つの光源ユニットが水平方向に結合される。好ましくは光源ユニットアレイさらに、前記放熱部材を冷却する冷却装置を含む。

本発明によれば、反射部材が配置された領域上に放熱部材を形成するようにしたので、反射部材上の空間を利用して整列手段で発生した熱を効果的に放熱させることができ、同時に、光源ユニットの薄型化、小型化を図ることができる。

本発明の実施例に係る光源ユニットアレイの外観斜視図である。 本発明の第１の実施例に係る光源ユニットの概略断面図である。 本発明の第１の実施例に係る光源ユニットに用いられる金属部材の斜視図である。 本発明の第１の実施例に係る固定部材の斜視図である。 本発明の第１の実施例に用いられる半導体レーザ素子の一例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例において、固定部材が金属部材に取付けられたときの状態を説明する模式的な概略平面図である。 コリメータレンズを固定する位置決め部材の一例を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る光源ユニットの概略断面図である。 本発明の第３の実施例に係る光源ユニットの概略断面図である。 本発明の第３の実施例において、固定部材が金属部材に取付けられたときの状態を説明する模式的な概略平面図である。 本発明の第４の実施例に係る光源ユニットの概略断面図である。 本発明の第５の実施例において、固定部材が金属部材に取付けられたときの状態を説明する模式的な概略平面図である。 本発明の実施例に係る固定部材の他の構成例を示す図である。 本発明の第６の実施例に係る光源ユニットの平面図と側面図である。 本発明の実施例の光源ユニットに用いることが可能な他の反射ミラーの構成例を示す図である。 本発明の実施例による反射ミラーの取付け例を説明する図である。 本発明の第７の実施例に係る光源ユニットを示し斜視図である。 本発明の第７の実施例に係る光源ユニットを組み合わせて構成された光源ユニットアレイを示す斜視図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の好ましい態様では、光源ユニットは、複数の半導体レーザ素子を搭載して構成される。半導体レーザ素子は、赤色帯域、緑色帯域、および青色帯域のいずれであってもよいが、好ましい実施態様では、青色帯域のレーザ光を出射する。また、半導体レーザ素子は、面発光型半導体レーザ素子、端面発光型レーザ素子のいずれのタイプであってもよい。さらに好ましい態様では、光源ユニットは、プロジェクタ、内視鏡、照明装置等の照明光学系の光源に利用される。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

図１は、本発明の実施例に係る光源ユニットアレイの外観斜視図を示す。本実施例の光源ユニットアレイ１０は、単一または複数の光源ユニットから構成される。図に示す光源ユニットアレイ１０は、４つの光源ユニット１０−１〜１０−４から構成されている。１つの光源ユニットは、ライン状に配列された複数の半導体レーザ素子と、複数の半導体レーザ素子から発せられた光を反射する反射ミラーを包含したほぼ矩形状の形状を有し、その１つの側面の開口１２からレーザ光が出射されるように構成される。好ましい例では、１つ光源ユニット内には、Ｙ方向に複数の半導体レーザ素子が配列され、半導体レーザ素子の数に対応する数の反射ミラー１４が入射されたレーザ光をＹ方向へ反射し、光源ユニットの側面の開口１２からレーザ光が外部へ出力される。

１つの光源ユニットは、薄型化、小型化のために矩形状に組立てられ、熱伝導率の高い材料、例えば金属から構成される。任意の数の光源ユニットをＺ方向に積層することにより光源ユニットアレイ１０が構成される。例えば、１つの光源ユニット内にｍ個の半導体レーザ素子が搭載され、ｎ個の光源ユニットが積層されたとき、１つの光源ユニットアレイ１０は、ｍ×ｎの半導体レーザ素子を有するアレイ光源を構成する。

次に、光源ユニットの詳細な構成について説明する。図２は、第１の実施例に係る光源ユニットのＸ方向の概略断面図である。第１の実施例に係る光源ユニット１００は、一対の板状の金属部材１１０と、複数の半導体レーザ素子を固定する固定部材１２０と、一対の金属部材１１０の間に挟まれる複数の反射ミラー１３０とを有する。

図３（Ａ）は、金属部材の表面側の斜視図、図３（Ｂ）は、金属部材の裏面側の斜視図である。金属部材１１０は、例えば、アルミニウム、銅などの熱伝導性の高い金属から構成される。金属部材１１０は、ほぼ矩形状を有し、第１の平坦な面１１２と、第１の平坦な面１１２から段差１１３を介して接続された第２の平坦な面１１４とを有する。第２の平坦な面１１４の裏面１１４Ａには、そこから垂直に突出した複数の放熱フィン１１６が形成される。第１の平坦な面１１２の裏面１１２Ａの高さは、複数の放熱フィン１１６の高さとほぼ等しい。

一対の金属部材１１０は、好ましくは同じものであり、このような一対の金属部材１１０は、一方の第１および第２の平坦な面１１２、１１４が他方の第１および第２の平坦な面１１２、１１４に互いに平行に対向するように配置され、第２の平坦な面１１４の間に複数の反射ミラー１３０が配置され、第１の平坦な面１１２の間に固定部材１２０が配置される。固定部材１２０は、後述するように内部に直線状に整列された複数の半導体レーザ素子２００と、各半導体レーザ素子２００の光軸と一致するように整列された複数のコリメートレンズ２４０とを固定する。半導体レーザ素子２００から発せられたレーザ光は、コリメートレンズ２４０によって集光され、集光された光は、反射ミラー１３０によって反射され、一対の金属部材１１０間の間隙から外部へ出射される。

図４（Ａ）は、固定部材の外観斜視図、図４（Ｂ）は、固定部材の背面図である。固定部材１２０は、図４（Ａ）に示すように、Ｘ方向の長さＬ、Ｙ方向の幅Ｗ、Ｚ方向の高さＨのほぼ矩形状の中空の金属材料（例えば、アルミニウムや銅）から構成される。固定部材１２０の上側表面１２２には、内部に固定する半導体レーザ素子２００の数に対応する数の開口１２４が形成される。開口１２４は、例えば矩形状を有する。半導体レーザ素子２００およびコリメートレンズ２４０は、開口１２４を介して固定部材１２０の内部に挿入され、そこで、固定および最終的な位置調整が行われる。固定部材１２０の前方の側面１２６には、複数の円形状の出射窓１２８が形成される。各出射窓１２８は、半導体レーザ素子２００から発せられた光を反射ミラー１３０へ向けて通過させる。

金属部材１１０の第１の平坦な面１１２の長さおよび幅は、固定部材１２０の長さＬおよび幅Ｗにほぼ等しく、段差１１３の高さは、固定部材１２０の高さＨの１／２よりも幾分小さい。固定部材１２０の前方の側面１２６を段差１１３に当接することで固定部材１２０が位置決めされる。一対の金属部材１１０の第１の平坦な面１１２の間に固定部材１２０が挟持されたとき、一対の第２の平坦な面１１４の間には空間Ｓが形成される。空間ＳのＺ方向の高さは、反射ミラー１３０の高さとほぼ等しく、また、固定部材１２０の前方の側面１２６の出射窓１２８の径よりも幾分大きい。

図５（Ａ）に、半導体レーザ素子の一構成例を示す。半導体レーザ素子２００は、円盤状の金属製のステム２１０上に図示しない半導体チップを搭載し、ステム２１０上にカップ状のハウジング２２０が取り付けられる。ハウジング２２０の頂部には、レーザ光を透過可能な透過窓が形成されている。また、ステム２１０からは２本のリード端子２３０が外部に延出され、リード端子２３０は、ハウジング内で半導体チップに電気的に接続される。リード端子２３０に駆動電流が供給されたとき、ハウジング頂部から光軸Ｃに沿って青色帯域のレーザ光が出射される。このような半導体レーザ素子の構成は一例であって、他の構成であってもよいことは勿論である。例えば、半導体レーザ素子は、出力を監視するための受光素子を含むことができ、その場合には３本のリード端子が外部に延在する。

好ましい態様では、半導体レーザ素子からの遠視野像Ｐ（ＦＦＰ）が図５（Ｂ）に示すように楕円状である場合には、短軸がＺ方向に一致するように半導体レーザ素子の向きが整列される。これにより、反射ミラー１３０のＺ方向を小さくすることができ、結果として光源ユニットの薄型化がさらに改善される。

図２および図４（Ｂ）に示すように、固定部材１２０の後方には、半導体レーザ素子２００の円盤状のステム２１０を収容する円筒状の凹部１２９が形成される。凹部１２９の外径は、幾分だけステム２１０の外径より大きい。また、凹部１２９の底面には、後方の側面１２６Ａに貫通する貫通孔が形成される。こうして、開口１２４から挿入された半導体レーザ素子２００のステム２１０が凹部１２９内に収容され、リード端子２３０が貫通孔内に挿入され、後方の側面１２６Ａからリート端子２３０が突出する。金属製のステム２１０の底面および側面が凹部１２９に接触するため、半導体レーザ素子２００で発生した熱が固定部材１２０へ好適に伝導される。

好ましい態様では、半導体レーザ素子２００を固定ないし位置決めするため、環状またはＣ字状のリング部材１２９Ａが凹部１２９内に挿入される。リング部材１２９Ａは、例えば、熱伝導性の良い部材、あるいはゴム等の弾性部材から構成され、ステム２１０が凹部１２０内に収容されたとき、ハウジング２２０と凹部１２９との周方向の間隙に挿入され、半導体レーザ素子を固定する。リング部材１２９Ａは、接着剤とともに間隙内に挿入されるようにしてもよい。このような位置決め固定の方法は、一例であり、他の位置決めないし固定方法を用いてもよい。

また、固定部材１２０は、図４（Ｃ）に示すように、複数の固定部材１２０−１〜１２０−ｎから構成され、１つの固定部材が１つの半導体レーザ素子および１つのコリメートレンズを収容するものであってもよい。この場合、それぞれの固定部材１２０−１〜１２０−ｎは、図示しない締結部材、例えば連結ネジなどを用いて連結される。

図６は、１つの金属部材の第１の平坦な面上に固定部材が取付けられ、第２の平坦な面上に反射ミラーが取付けられたときの平面図である。図面には、一例として、３つの半導体レーザ素子２００が搭載された例が示されている。半導体レーザ素子２００は、固定部材１２０の開口１２４から内部に挿入され、ステム２１０が凹部１２９内に収容され、リード端子２３０が後方の側面１２６Ａから突出される。上記したように、ステム２１０は、凹部１２９内に嵌合、あるいは挿入され、凹部１２９の直径がステム２１０の直径よりも幾分大きくとき、半導体レーザ素子２００のＸ、Ｙ、Ｚ方向の微調整を行うことが可能である。図示しない冶具等によって半導体レーザ素子の位置を保持し、その状態で、凹部１２９内に紫外線硬化樹脂等を充填し、紫外線を照射して半導体レーザ素子の位置決めを行う。あるいは、ステム２１０を押圧するようにリング部材１２９を挿入し、そこで紫外線硬化樹脂等を充填するようにしてもよい。こうして、固定部材１２０のＹ方向に沿って複数の半導体レーザ素子２００が整列される。

また、固定部材１２０の開口１２４を介してコリメートレンズ２４０が内部に挿入され、半導体レーザ素子２００の光軸Ｃに整合するように固定ないし位置決めされる。好ましい態様では、コリメートレンズ２４０は、図７に示すような位置決め部材２５０によって固定される。位置決め部材２５０は、その底部２５２が固定部材１２０に固定され、底部２５２から半円状に延びる支持部２５４を有している。支持部２５４は、コリメートレンズ２４０の外周を支持するが、支持部２５４の曲率は、コリメートレンズ２４０の曲率よりも小さくなるように（支持部２５４がコリメートレンズに対してバカ穴となるように）形成されている。また、支持部２５４の軸方向の幅は、コリメートレンズ２４０の軸方向の厚さよりも十分に小さくなるように形成される。コリメートレンズ２４０を支持部２５４上に載置したとき、コリメートレンズ２４０のＸ、Ｙ、Ｚ方向の微小な角度を変化させることができる。

例えば、半導体レーザ素子からのレーザ光を反射ミラー１３０を介してスクリーン等に投射させた状態で、図示しない冶具を用いてコリメートレンズ２４０の位置を決定し、その状態で、例えば紫外線硬化型の樹脂を支持部２５４とコリメートレンズ２４０の間隙に充填し、その後、紫外線を照射することでコリメートレンズ２４０の位置が固定される。なお、このような位置決め方法は、一例であって、例えばコリメートレンズの微調整および固定をネジなどの部材を用いて行うようにしてもよい。こうして、半導体レーザ素子２００から出射されたレーザ光がコリメートレンズ２４０によってコリメートされ、反射ミラー１３０へ導かれる。

反射ミラー１３０は、金属部材１１０の第２の平坦な面１１４上に取付けられる。例えば、第２の平坦な面１１４上には、反射ミラー１３０を位置決めするための溝が形成され、当該溝内に反射ミラー１３０の端面が勘合され、あるいは接着剤等によって固定される。そして、半導体レーザ素子２００から出射されたレーザ光は、反射ミラー１３０によってＸ方向へ反射され、一対の金属部材１１０間の空間Ｓから外部へ出力される。

再び図２を参照すると、一対の金属部材１１０の間には、半導体レーザ素子２００およびコリメートレンズ２４０を整列させた固定部材１２０が密着した状態で挟持され、かつ固定部材１２０から出射されたレーザ光をＹ方向に反射するように反射ミラー１３０が挟持されている。一対の金属部材１１０は、図示しないネジ等によって固定部材１２０の上下面に固定される。

半導体レーザ素子２００で発生された熱は、金属ステム２１０を介して固定部材１２０へ効率よく熱伝導される。さらに固定部材１２０の上側表面１２２とこれに対向する下側表面は、第１の平坦な面１１２に面接触されるため、固定部材１２０の熱が効果的に金属部材１１０へ伝導される。さらに金属部材１１０へ伝導された熱はさらに、第２の平坦な面１１４に形成された複数の放熱フィン１１６によって外部へ放出される。

第２の平坦な面１１４は、段差１１３を介して第１の平坦な面１１２に接続されるため、その段差１１３のＺ方向の高さを利用して、反射ミラー１３０と反対側の第２の平坦な面１１４の面上に複数の放熱フィン１１６が形成され、放熱フィン１１６の高さと第１の平坦な面１１２の高さを揃えることができる。

１つの光源ユニットは、Ｙ方向に複数の半導体レーザ素子２００を配列し、かつレーザ光をＸ方向に反射する複数の反射ミラー１３０を備え、さらに反射ミラー１３０のＺ方向の空間を利用して放熱フィン１１６を形成し、その結果、図２に示すように、第１の平坦な面１１２の裏面１１２Ａと放熱フィン１１６の先端とがほぼ同一の高さまたは同一の面を形成する。複数の半導体レーザ素子２００と複数の光学部品（反射ミラー１３０）を集積化し、かつ放熱フィンによる冷却構造でありながら、光源ユニットの薄型化、小型化を可能にしていることに留意すべきである。さらに、図２に示すような光源ユニット１００を、図１に示すようにＺ方向に積層する場合、光源ユニット間が密接した状態で熱的に結合されるため、放熱特性に優れたアレイ光源ユニットを提供することができる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図８は、第２の実施例に係る光源ユニット１００Ａの概略断面図であり、第１の実施例と同様の構成については同一参照番号を付しその説明を省略する。第２の実施例では、複数の放熱フィン１１６Ａは、段差１１３から第２の平坦な面１１４と平行になるように延在する点で、第１の実施例と異なる。好ましくは、放熱フィン１１６ＡのＸＹ面のサイズは、第２の平坦な面１１４と同じである。

図８（Ａ）に示す例では、放熱フィン１１６Ａは、金属部材１１０と一体成型され、段差１１３からＸ方向に延在する。複数の放熱フィン１１６Ａの間隔が狭くなり、あるいはＸ方向の距離が大きくなると、型により一体形成は難しくなる。そこで、図８（Ｂ）に示すように、複数の放熱フィン１１６Ａは、金属部材１１０と別体で構成するようにしてもよい。この場合、複数の放熱フィン１１６Ａは、アルミニウム等の連結部材１１７によってその間隔が平行になるように保持され、連結部材１１７をネジ等の締結部材によって第２の平坦な面上に固定するようにしてもよい。さらに図８（Ｃ）に示すように、固定部材１２０は、金属部材の一方１１０Ａに一体化されることも可能である。これにより熱伝導効率が上昇し放熱効率がさらに向上する。この場合、固定部材１２０の開口から出射窓に至る上側部分Ｐは、金属部材１１０Ａに必ずしも一体化させる必要はない。必要であれば、上側部分Ｐは、上側の金属部材１１０に一体化させてもよい。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。図９は、第３の実施例に係る光源ユニット１００Ｂの概略断面図である。第１の実施例では、金属部材１１０のＹ方向の片側に固定部材１２０が取付けられる構成であるのに対し、第３の実施例では、金属部材１１０のＹ方向の両側に固定部材１２０が取付けられる。この場合、金属部材１１０は、中心線に関して線対称となるように、すなわち、第２の平坦な面１１４の両側に段差１１３を介して２つの第１の平坦な面１１２が形成され、両側の第１の平坦な面１１２間にそれぞれ固定部材１２０が挟持される。また、反射ミラー１３０は、両側の固定部材１２０から発せられたレーザ光を反射する両面ミラーに構成される。

図１０（Ａ）は、固定部材１２０が金属部材１１０の両側に取付けられたときの状態を説明する模式的な平面図である。図面に向かって左側に取付けられた固定部材１２０の半導体レーザ素子２００から発せられたレーザ光は、各反射ミラー１３０Ａの一方の面によってＹ方向に反射され、光源ユニット１００Ｂの一方の側部から光線束Ｌ１が出力される。図面に向かって右側に取付けられた固定部材１２０の半導体レーザ素子２００から発せられたレーザ光は、各反射ミラー１３０Ａの他方の面によって−Ｙ方向に反射され、光源ユニットの他方の側部から光線束Ｌ２が出力される。光線束Ｌ１、Ｌ２は、所望の光学系を用いて合成することも可能である。このように、第３の実施例によれば、両側に固定部材を取付けることで、光源ユニット１００Ｂの高出力化を図ることができる。

また、図１０（Ｂ）に示すように、右側に取付けられた固定部材１２０の半導体レーザ素子からのレーザ光を、反射ミラー１３０Ａを用いて同方向に反射させるようにしてもよい。

次に、本発明の第４の実施例について説明する。図１１は、第４の実施例に係る光源ユニット１００Ｃの概略断面図である。第４の実施例では、光源ユニットの外側に放熱フィン２６０を取付けるものである。図の例は、第３の実施例のような両側に固定部材１２０を取付けたとき、両側の固定部材１２０に熱的に結合するように金属製の放熱フィン２６０が結合される。放熱フィン２６０のＺ方向の高さは、一対の金属部材１１０のＺ方向の高さにほぼ等しく、複数の光源ユニット１００ＣをＺ方向に積層したときに障害にならないようにする。第４の実施例の光源ユニット１００Ｃによれば、放熱フィン２６０を固定部材１２０に熱的に結合させることで、半導体レーザ素子の熱を効果的に外部へ放出させることができる。なお、このような外付けの放熱フィンは、他の実施例にも適用することが可能である。

次に、本発明の第５の実施例について説明する。図１２は、第５の実施例に係る光源ユニット１００Ｄの模式的な概略平面図である。第５の実施例では、図１２に示すような２つの光源ユニット１００Ｄを結合し、第３の実施例のような光源ユニット１００Ｂを構成する。好ましい態様では、金属部材１１０は、反射ミラー１３０の配列方向に沿うように、例えば４５度で傾斜する端部２７０を有する。このような構成の光源ユニット１００Ｄの端部２７０を結合することで、第３の実施例のような２方向から光線束が出力される光源ユニットを得ることができる。第５の実施例の光源ユニット１００Ｄを単体で使用することも勿論可能であり、この場合、第１の実施例の光源ユニット１００と比較してＸＹ方向のサイズを小さくすることが可能である。

図１２（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、Ｂ部の拡大図であり、コリメートレンズの他の位置決めの例を示す。図１２（Ｂ）に示すように、固定部材１２０の内部には、コリメートレンズ２４０の端部２４２に係合するような段差１２４Ａが形成される。段差１２４Ａの径は、コリメートレンズ２４０の外径よりも幾分大きく、コリメートレンズ２４０が微調整されたときに接着剤や紫外線硬化型樹脂を用いて固定部材１２０に固定される。また、図１２（Ｃ）に示すように、コリメートレンズ２４０の軸方向の長さに対応する段差１２４Ｂが形成されるようにしてもよい。

図１２（Ｂ）、（Ｃ）では、固定部材１２０の上側表面の開口１２４から半導体レーザ素子２００およびコリメートレンズ２４０を取り付けるものであるが、図１２（Ｄ）は、コリメートレンズ２４０を固定部材１２０の前方の側面から取付けるものである。同図に示すように、開口１２４は、固定部材１２０の前方の側面に形成された出射窓１２８に連通するように形成される。好ましくは、開口１２４によって形成された固定部材１２０内の径は、コリメートレンズ２４０の外径とほぼ等しく、コリメートレンズ２４０は、出射窓１２８から固定部材１２０の内部に挿入される。開口１２４によって形成された固定部材１２０内の径は、コリメートレンズ２４０の外径よりも大きく形成してもよく、その場合、コリメートレンズ２４０の光軸がＸ、Ｙ、Ｚ方向に微調整できるようにコリメートレンズ２４０が接着剤または紫外線硬化型樹脂で固定される。

図１２Ａは、図１２（Ｄ）の態様をさらに詳細に示した図であり、同図（Ａ）は、固定部材の正面図、同図（Ｂ）はその斜視図である。固定部材１２０Ａは、前方の側面１２６に出射窓１２８が形成され、当該出射窓１２８が連続するように開口１２４が上側表面１２２に形成される。開口１２４によって内部に形成された円形状の溝の径は、出射窓１２８の径と等しい。開口１２４を介して形成された溝は、半導体レーザ素子を収容するための円形状の凹部１２９に繋がる。本例では、開口１２４を介して形成された溝の径は、凹部１２９の径よりも幾分大きい。好ましくは、コリメートレンズ２４０の径は、出射窓１２８または開口１２４を介して形成された溝の径と等しく、コリメートレンズ２４０が出射窓１２８から内部に挿入される。半導体レーザ素子は、出射窓１２８または開口１２４を介して凹部１２９内に挿入される。その後、開口１２４を介して、半導体レーザ素子およびコリメートレンズ２４０の光軸のＸ、Ｙ、Ｚ方向の微調整が冶具等を用いて行われ、最終的に接着剤、紫外線硬化型樹脂、ネジ等の固定手段を用いて位置決め固定される。このように、平面上に半導体レーザ素子、コリメートレンズおよび反射ミラーをユニット化して構成したため、上側表面１２２の開口１２４を介してレンズ光軸をＸ、Ｙ、Ｚ軸の各々で調整することができ、また反射部材も調整可能なため、正確かつ簡単に組み立てができる。

次に、本発明の第６の実施例について説明する。図１３（Ａ）は、第６の実施例に係る光源ユニット１００Ｄの概略平面図、図１３（Ｂ）は、その正面図である。第６の実施例では、光源ユニット１００Ｅは、送風装置３００を含んでいる。図１３に示すように、光源ユニット１００Ｅが、４つの光源ユニット１０−１〜１０−４を積層して構成されたとき、一方の側部に送風装置３００が取付けられる。送風装置３００は、各光源ユニット１０−１〜１０−４の上下面に形成された放熱フィン１１６／１１６Ａに強制的に吸気するか、あるいは強制的に排気することで、冷却効率をさらに向上させる。送風装置３００は、例えば、軸流ファンまたはシロッコファンを用いて構成される。なお、図１３の例では、光源ユニット１００Ｅの１つの側部から光線束Ｌ１が出力されるので、その障害とならない位置に送風装置３００が取付けられる。仮に、１つの光源ユニット１０−１が第１の実施例のような放熱フィン１１６（図２、図３）を備えている場合には、放熱フィン１１６が延在する方向（Ｙ方向）に送風装置３００を取付け、放熱フィン１１６の間隙を空気が通過するようにすることが望ましい。

上記実施例では、複数の反射ミラーを取付ける例を示したが、反射ミラーは、一体化された構成であってもよい。例えば、図１４に示すように、反射ミラー１３０は、半導体レーザ素子２００の数に応じて、複数の反射面１３０−１、１３０−２、１３０−３、１３０−４を有するような一体構成であってもよい。

図１５（Ａ）、（Ｂ）は、反射ミラーの他の取付け例を示す図である。同図に示すように、一方の金属部材１１０の第２の平坦な面１１４には、反射ミラーを位置決めするための僅かな深さを有する位置決め溝１３２が形成される。反射ミラーの端部は、当該溝１３２内に位置決めされ、そこで接着剤により固定される。さらに同図に示すように、溝１３２を２次元アレイ状に形成することで、任意の溝を選択して反射ミラーを取付けることができる。他の好ましい例では、図１５（Ｂ）に示すように、反射ミラー１３０は、金属部材１１０の第２の平坦な面１１４上に一体形成されるものであってもよい。

次に、本発明の第７の実施例について図１６を参照して説明する。上記実施例の金属部材１１０が段差１１３を介して第１の平坦な面と第２の平坦な面とを有するのに対し、第７の実施例に係る光源ユニット１００Ｆでは、金属部材が、平坦な面４００と、当該平坦な面４００上に形成された複数の放熱フィン４１０と、平坦な面４００の端部で複数の放熱フィン４１０をＺ方向に接続する接続部４２０とを有している。平坦な面４００の開放端４０２がＸ方向に対して角度θ１となるように斜め方向に延在し、放熱フィン４１０の開放端４１２がＸ方向に対して角度θ２となるように斜め方向に延在する。開放端４０２と開放端４１２は、ちょうど交差する位置関係にあり、好ましくは、θ１＝θ２である。あるいは、θ１＋θ２＝９０の関係になるようにしてもよい。

このような一対の金属部材を積層することで、図１６に示す１つの光源ユニット１００Ｆが構成される。２つの光源ユニット１００Ｆが対向するように入れ子状に組み合わされ、すなわち、一方の光源ユニット１００Ｆの平坦な面４００の開放端４０２が、他方の光源ユニット１００Ｆの放熱フィン４１０の開放端４１２に当接される。一対の金属部材を積層したときの平坦な面４００のＺ方向の高さは、放熱フィン４１０のＺ方向の高さにほぼ等しいか、それよりも幾分だけ大きい。

こうして構成された光源ユニットアレイ１０Ａを図１７に示す。平坦な面４００の開放端４０２が、放熱フィン４１０の開放端４１２にきっちりと接合され、全体として矩形状の光源ユニットアレイ１０Ａが構成される。この場合、最上段および最下段を構成する一方の光源ユニットは、必ずしも放熱フィン３１０を必要とせず、上面および底面には、平坦な面４３０が提供されるようにしてもよい。図中のＬは、レーザ光が出射される方向を示している。このような光源ユニットアレイ１０Ａは、図１３で示したように冷却装置３００と結合され、冷却装置３００による吸気または排気が放熱フィン間を通過することで、アレイ１０Ａを効率よく冷却することができる。

本発明の光源ユニットは、プロジェクタ等の種々の電子機器の光源に利用することができる。好ましい例では、光源ユニットから出射されたレーザ光線束を、プロジェクタの照明光学系に利用することができる。例えば、光源ユニットから出射されたレーザ光線束は、レンズ、ミラー、プリズム等を介して光学変調デバイスへ照射される。また、必要に応じて、レーザ光線束は、蛍光体などを利用して所望の波長に変換されるようにしてもよい。例えば、蛍光体層が塗布された回転ホイールに青色帯域のレーザ光線束を照射し、波長変換された黄色、緑色、あるいは赤色の帯域の光を生成するようにしてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施例に限定されるものではないし、第１ないし第７の実施例の中から適宜複数の実施例を組み合わせるものであっても良い。本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０：光源ユニットアレイ
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ：光源ユニット
１０−１〜１０−４：光源ユニット（光源ユニット）
１１０：金属部材
１１２：第１の平坦な面
１１３：段差
１１４：第２の平坦な面
１１６、１１６Ａ：放熱フィン
１２０：固定部材
１２２：上側表面
１２４：開口
１２６：前方の側面
１２８：出射窓
１２８Ａ：固定穴
１２９：凹部
１３０：反射ミラー
１３２：溝
２００：半導体レーザ素子
２１０：ステム
２２０：ハウジング
２３０リード端子
２４０：コリメートレンズ
２５０：位置決め部材
２６０：外付け放熱フィン
２７０：端部
３００：送風装置
４００：平坦な面
４０２、４１２：開放端
４１０：放熱フィン
４２０：接続部

Claims (5)

1. 複数の半導体レーザ素子を第１の直線方向に整列させる整列手段と、
   複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の各々を入射し、第２の方向に反射させる複数の反射部材と、
   前記整列手段に熱的に結合された放熱部材とを有し、
   前記放熱部材は、２次元的に広がる金属部材を一対含み、一対の金属部材の間に前記整列手段および前記反射部材が配置され、前記放熱部材は、少なくとも複数の反射部材が配置された領域上に存在し、
   前記金属部材は、平坦な面を含み、当該平坦な面の裏面には複数の放熱フィンが形成され、前記平坦な面の端部は第１の角度で傾斜し、前記複数の放熱フィンの端部は第２の角度で傾斜し、前記平坦な面の端部と前記複数のフィンの端部が交差する、光源ユニット。
2. 複数の半導体レーザ素子を第１の直線方向に整列させる整列手段と、
   複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の各々を入射し、第２の方向に反射させる複数の反射部材と、
   前記整列手段に熱的に結合された放熱部材とを有し、
   前記放熱部材は、２次元的に広がる金属部材を一対含み、一対の金属部材の間に前記整列手段および前記反射部材が配置され、前記放熱部材は、少なくとも複数の反射部材が配置された領域上に存在し、
   前記整列手段は、複数の半導体レーザ素子を収容するための凹部が形成された金属製の固定部材を含み、前記固定部材は、複数の半導体レーザ素子からの光をコリメートするための複数のレンズを含み、前記固定部材は、前記半導体レーザ素子およびレンズの少なくとも一方を位置決めする位置決め手段を含む、光源ユニット。
3. 前記金属部材は、平坦な面を含み、当該平坦な面の裏面には複数の放熱フィンが形成され、前記平坦な面の端部は第１の角度で傾斜し、前記複数の放熱フィンの端部は第２の角度で傾斜し、前記平坦な面の端部と前記複数のフィンの端部が交差する、請求項２に記載の光源ユニット。
4. 請求項１に記載の光源ユニットを複数含み、一方の光源ユニットの平坦な面の端部が他方の光源ユニットの放熱フィンの端部に当接され、一方の光源ユニットの放熱フィンの端部が他方の光源ユニットの平坦な面の端部に当接され、２つの光源ユニットが水平方向に結合される、光源ユニットアレイ。
5. 複数の半導体レーザ素子を第１の直線方向に整列させる整列手段と、
   複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の各々を入射し、第２の方向に反射させる複数の反射部材と、
   ２次元的に広がる少なくとも一対の同一形状の金属部材とを含み、
   前記金属部材は、第１の平坦な面と当該第１の平坦な面から段差を介して形成された第２の平坦な面とを含み、前記第２の平坦な面の裏面には放熱フィンが形成され、第１の平坦な面の裏面と、前記第２の平坦な面の裏面から突出する放熱フィンの端部との高さとほぼ等しく、
   一対の金属部材が対向して配置されるとき、前記第１の平坦な面間に前記整列部材が配置され、前記第２の平坦な面間に前記複数の反射部材が配置され、
   前記一対の金属部材が複数積層可能である、光源ユニットアレイ。
   

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