JP6567256B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに光学的に結合される光源と導光部材とを含む光学装置に関する。

断面が矩形のコアを有する光ファイバを用いると、光ファイバから出射されるビームのスポットは矩形になる。このような方形ビームは、レーザ加工機、レーザスクライビング、レーザピーニング、レーザリペア、医療用レーザ機器などの用途に好適に利用することができる。

特許文献１には、半導体レーザバーの複数の発光点から出射されたレーザ光を光回路内で集光し、複数の光回路から出射光を受光した複数の光ファイバを束ねる技術が記載されている。

特開２００４−３６１６５５号公報（２００４年１２月２４日公開）

光ファイバから出射されるレーザ光の光強度を高めるためには、複数の光ファイバを束ねる、および／または、光ファイバに複数のレーザ光を入射することが考えられる。単一の光ファイバに複数のレーザ光を入射すれば、出射されるレーザ光の光密度を高くし、かつ、装置の小型化・低コスト化を図ることもできる。

特許文献１の構成では、光ファイバとは別に光回路が必要になる。半導体レーザバー上の複数の発光点からの出射光は、それぞれ光回路の複数の光導波路に入射される。このような構成では、個別にパッケージされた複数の半導体レーザ素子からのレーザ光を小さなコア断面を有する単一の光ファイバに効率よく導入することはできない。

本発明は、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を、効率よく矩形状のコアを有する光ファイバに導入することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学装置は、レーザ光を発する複数の半導体レーザ素子と、上記レーザ光を導光する導光部を有する導光部材と、上記複数の半導体レーザ素子のレーザ光を、単一の上記導光部の入射端面に結像させる結像部とを備え、上記入射端面の外形が、上記導光部の幅を規定する第１辺および上記導光部の高さを規定する第２辺を有し、上記複数の半導体レーザ素子に対応する、上記入射端面上に結像された複数のスポットの長軸の方向は、互いに揃っており、上記第１辺が上記第２辺より長く、上記複数のスポットの上記長軸の方向は、上記入射端面の上記第１辺と揃っていることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、導光部へ入射するレーザ光の損失を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る光学装置の構成を示す上面図である。 図１のＡ−Ａ断面から見た光出射部の正面図である。 図１のＢ−Ｂ断面から見た光ファイバの入射端面の様子を示す図である。 コアに対する複数の光スポットの配置を比較するための図である。 本発明の一実施形態における複数の光スポットの配置の変形例を示す図である。 （ａ）は、本発明の他の実施形態における光ファイバの入射端面の様子を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のコアを拡大して示す図である。 （ａ）は、本発明の他の実施形態における光ファイバの入射方向から見た入射端面の様子を示す図であり、（ｂ）は、本発明の他の実施形態における光ファイバの出射方向を見た出射端面の様子（断面）を示す図であり、（ｃ）は、光ファイバからレーザ光を照射された蛍光部材を示す図である。 ステップインデックス型の光ファイバとグレーデッドインデックス型の光ファイバとの比較を示す図である。 （ａ）は、本発明のさらに他の実施形態における光ファイバの入射方向から見た入射端面の様子を示す図であり、（ｂ）は、本発明のさらに他の実施形態における光ファイバの出射方向を見た出射端面の様子（断面）を示す図であり、（ｃ）は、光ファイバからレーザ光を照射された蛍光部材を示す図である。 矩形のコアを有する光ファイバと円形のコアを有する光ファイバとを比較する断面図である。 （ａ）は、本発明のさらに他の実施形態における光ファイバの入射方向から見た入射端面の様子を示す図であり、（ｂ）は、本発明のさらに他の実施形態における光ファイバの入射方向から見た入射端面の様子を示す図であり、（ｃ）は、（ａ）の上記光ファイバからレーザ光を照射された蛍光部材を示す図であり、（ｄ）は、（ｂ）の光ファイバからレーザ光を照射された蛍光部材を示す図である。

〔実施形態１〕
図１は、本実施形態に係る光学装置１の構成を示す上面図である。光学装置１は、光出射部１０、結像部２０、および光ファイバ３０（導光部材）を備える。

光出射部１０は、光源としての複数の半導体レーザ素子１１、複数のステム１２、および支持部材１３（支持部）を備える。各半導体レーザ素子１１は、対応するステム１２に搭載されている。ステム１２は、半導体レーザ素子１１を電源などに電気接続するためのピン（図示せず）を有する。ステム１２は、対応する半導体レーザ素子１１を支持して、半導体レーザ素子１１を支持部材１３に固定する。なお、半導体レーザ素子１１は、炭化ケイ素、窒化アルミニウムなどからなるサブマウントを介してステム１２に搭載されていてもよい。支持部材１３は、複数の半導体レーザ素子１１をステム１２を介して支持し、複数の半導体レーザ素子１１を所定の位置関係（位置および角度）で固定する。また、ステム１２および支持部材１３を熱伝導率の高い金属などの材質で構成して、ステム１２および支持部材１３に放熱器としての役割を兼ねさせてもよい。または、支持部材１３に別の放熱器を設けてもよい。放熱器は、ヒートシンク、ファン、ペルチェなどを備えていてもよい。

半導体レーザ素子１１は、ここでは端面発光レーザである。端面発光レーザでは、半導体レーザ素子（チップ）の端面（劈開面）の光を出射する領域（光出射領域）が楕円状の形状である。端面発光レーザにおいて、クラッド層と活性層とが積層する方向は、端面発光レーザの製造時に半導体結晶が成長する方向に一致する。薄い活性層の一部が光出射領域となるため、光出射領域は、活性層に沿った方向に長くなる。また、端面発光レーザの光出射領域の短軸は、クラッド層と活性層とが積層する方向に一致する。また、端面発光レーザの近視野像も光出射領域と同じように楕円状の形状になり、近視野像の短軸はクラッド層と活性層とが積層する方向に一致する。

半導体レーザ素子１１は、キャップ（図示せず）で封止されている。ここでは、半導体レーザ素子１１の波長は４０５ｎｍまたは４４５ｎｍのものを使用しているが、これに限らず任意の波長のものを利用可能である。各半導体レーザ素子１１の端面（光出射領域を有する端面）は、互いに平行になるよう配置されており、支持部材１３の表面（ステム１２と接する面）に対しても平行である。

結像部２０は、複数の半導体レーザ素子１１から出射されたレーザ光を、光ファイバ３０の端面に結像（集光）させる結像光学部である。結像部２０は、複数のコリメートレンズ２１、および集光レンズ２２を備える。コリメートレンズ２１は、対応する半導体レーザ素子１１から出射されたレーザ光を平行光に変換する。集光レンズ２２は、複数のコリメートレンズ２１からのレーザ光を、光ファイバ３０の端面に集光し、結像させる。ここでは、結像部２０としてコリメートレンズ２１と集光レンズ２２とを用いているが、これに限らず、結像部２０は、複数の半導体レーザ素子１１のレーザ光を光ファイバ３０の端面に結像させるために、複数の集光レンズを用いてもよいし、他の任意の光学部材を利用することができる。

光ファイバ３０は、断面形状が矩形のコア３１（導光部）を有する。コア３１の周囲は、クラッド３２で覆われている。レーザ光はコア３１の中を入射端から出射端まで導光される。コア３１の大きさは、例えば、高さ（ｚ方向）２００μｍ、幅（ｙ方向）８００μｍであるとする。光ファイバ３０自体の外形は円形でも矩形でもよい。ここでは、光ファイバ３０は、マルチモードかつステップインデックス型の光ファイバである。なお、光ファイバ３０の代わりに、クラッドを有さずコアで構成される導光部材を用いることもできる。

図２は、図１のＡ−Ａ断面から見た光出射部１０の正面図である。Ａ−Ａ断面は、半導体レーザ素子１１の端面を通る。ここでは、ステムの図示を省略している。４つの半導体レーザ素子１１が、支持部材１３に配置されている。半導体レーザ素子１１の端面は、ｙ方向に長い矩形である。半導体レーザ素子１１の光出射領域ＥＡは、楕円状の形状である。複数の半導体レーザ素子１１の光出射領域ＥＡの長軸はｙ方向に揃っている。なお、複数の半導体レーザ素子１１におけるクラッド層と活性層とが積層する方向は、ｚ方向である。

図３は、図１のＢ−Ｂ断面から見た光ファイバ３０の入射端面の様子を示す図である。Ｂ−Ｂ断面は、光ファイバ３０の入射端面を通る。コア３１の入射端面はｙ方向に長い矩形であり、コア３１の周囲を覆うクラッド３２の外形は円形である。コア３１の入射端面の外形の下辺または上辺は、コア３１の幅（ｙ方向の長さ）を規定し、入射端面の外形の右辺または左辺は、コア３１の高さ（ｚ方向の長さ）を規定する。

複数の半導体レーザ素子１１から出射されたレーザ光は、それぞれ結像部２０によって、単一のコア３１の入射端面上に結像される。すなわち、１つのコア３１に複数の半導体レーザ素子１１のレーザ光が導入される。通常、端面発光レーザの近視野像と遠視野像とはその長軸の方向が９０°異なる。しかしながら、半導体レーザ素子１１のレーザ光は、結像部２０（集光レンズ２２）によってコア３１の入射端面上に結像されているので、入射端面上に形成される光スポットＳＰ（結像された像）は、半導体レーザ素子１１の光出射領域ＥＡと同じ楕円状の形状になる。また、光スポットＳＰの長軸の方向と光出射領域ＥＡの長軸の方向とは揃っている。複数の半導体レーザ素子１１による複数の光スポットＳＰは、単一のコア３１の入射端面の中に配置される。複数の半導体レーザ素子１１による複数の光スポットＳＰの長軸の方向は、互いに揃っており、ここではｙ方向に揃っている（平行である）。また、複数の光スポットＳＰの長軸の方向は、コア３１の入射端面の外形の下辺および上辺（長手方向に延びる辺）と揃っている（平行である）。なお、複数の半導体レーザ素子１１におけるクラッド層と活性層とが積層する方向（ｚ方向）は、コア３１の入射端面の外形の右辺および左辺（短手方向に延びる辺）と揃っている（平行である）。

矩形のコア３１に導入された複数のレーザ光は、光ファイバ３０の出射端まで導光され、光ファイバ３０から出射される。矩形の光ビームが、光ファイバ３０の矩形の出射端面（コア）全体から出射される。

（光スポットの配置の比較）
図４は、コアに対する複数の光スポットの配置を比較するための図である。図４の（ａ）〜（ｃ）は参考例で、図４の（ｄ）は本実施形態に対応する例である。図４の（ａ）に示す例では、円形のコア３１の中に、長軸の方向が揃っていない４つの光スポットＳＰが配置されている。図４の（ｂ）に示す例では、円形のコア３１の中に、長軸の方向が揃っている４つの光スポットＳＰが配置されている。ここで、光スポットＳＰを長方形で表しているが、光スポットＳＰは楕円形でも長方形でもよい。また、図における光スポットＳＰの中の点は、光スポットＳＰの中心の位置を表す。コア３１が円形の場合、光スポットＳＰの長軸がいずれの向きを向いていても、レーザ光源と光ファイバとの結合効率（光ファイバへの入射効率）は、変わらない。すなわち、図４の（ａ）に示す例のように、複数の光スポットＳＰの長軸の方向が揃っていなくても、図４の（ｂ）に示す例のように、複数の光スポットＳＰの長軸の方向が揃っていても、光ファイバへの入射効率は同じである。

一方で、コア３１が矩形の場合は結果が異なる。図４の（ｃ）に示す例では、矩形のコア３１の中に、長軸の方向が揃っていない４つの光スポットＳＰが配置されている。図４の（ｄ）に示す例では、矩形のコア３１の中に、長軸の方向が揃っている４つの光スポットＳＰが配置され、かつ、光スポットＳＰの長軸の方向がコア３１の一辺と揃っている。図４の（ｃ）に示すように、複数の光スポットＳＰの長軸の方向が揃っていない場合、矩形のコア３１から光スポットＳＰがはみ出しやすく、コア３１からはみ出した分がレーザ光の損失になる。また、たとえコア３１の中に全ての光スポットＳＰが収まる仕様（設計）であったとしても、製造における誤差によって光スポットＳＰの位置は変化し得る。図４の（ｃ）に示す例では、複数の光スポットＳＰが上側にシフトしても、下側にシフトしても、コア３１からはみ出る部分が増加し、入射効率は低下する。

これに対し、図４の（ｄ）に示すように、複数の光スポットＳＰの長軸の方向が矩形のコア３１の一辺と揃っている場合、製造における誤差が生じても、図４の（ｃ）に示す例に比べて、光スポットＳＰはコア３１からはみ出しにくく、入射するレーザ光の損失も抑えやすい。そのため、結像部２０の光学調整を容易にすることができる。また、光学装置１に生じた振動によって光スポットＳＰの位置が変化する場合であっても、入射効率を高く維持することができる。

それゆえ、本実施形態の光学装置１では、光ファイバ３０の出射端から高効率かつ高出力の矩形ビームを出射することができる。また、このように光スポットＳＰを配置することにより、入射効率を高く維持しつつコア３１の大きさを小さくすることができる。そのため、より光密度の高い矩形ビームを光ファイバ３０の出射端から得ることができる。本実施形態によれば、光ファイバの数を減らすことができるだけでなく、光学装置１の光学アライメント作業が容易になるため、製造コストの低減および生産性の向上を実現することができる。また、光学アライメントの許容範囲を大きくすることができるため、光学アライメントがずれるような光学装置１に振動が生じる使用に対しても、信頼性が高い。

なお、例えば光学装置１と蛍光体とを組み合わせて、光ファイバ３０から出射されるビームを蛍光体を含む蛍光部材に照射してもよい。蛍光部材によって一部の光を波長変換することにより、白色光（または任意の色の光）を発する照明装置を得ることができる。光学装置１を用いれば蛍光部材における発光領域を小さくすることができるので、高輝度かつ高効率の照明装置を得ることができる。この照明装置にさらに光学部品（ミラーまたはレンズなど）を設けることにより、配光パターン（配光分布）を制御することができる。この際、蛍光部材における発光領域が矩形であるので、特定の配光パターンを容易に得ることができ、光利用効率を高くすることができる。このような照明装置は、例えば、車輌（自動車など）のヘッドライト、サーチライト、およびプロジェクターなどに好適に利用することができる。

（変形例）
図５の（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の複数の光スポットの配置の変形例を示す図である。図５の（ａ）に示すように、複数（ここでは６個）の光スポットＳＰの長軸の方向が互いに揃っており、かつ、複数の光スポットＳＰの長軸の方向が、矩形のコア３１の短辺（左辺および右辺）に揃っていてもよい。この場合、複数の半導体レーザ素子１１におけるクラッド層と活性層とが積層する方向は、コア３１の長辺（上辺および下辺）と揃っている。図５の（ｂ）に示すように、複数の光スポットＳＰの一部が互いに重なっていてもよい。図５の（ｃ）に示すように、コア３１の形状が正方形であってもよい。図５の（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合も、複数の光スポットＳＰの長軸の方向は、互いに揃っており、かつ、コア３１の一辺に揃っている。光スポットＳＰをこのような配置とすることで、光ファイバ３０への入射効率を高くすることができる。

なお、光ファイバ３０のコア３１の端面に結像された像（光スポットＳＰ）は、少しぐらいぼけていてもよく、コア３１の範囲に収まる程度に集光されていればよい。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、複数の半導体レーザ素子の複数の光スポットが、１つに重なる場合について説明する。本実施形態では、実施形態１の光ファイバ３０の代わりに光ファイバ３０ａを用いる。

図６の（ａ）は、本実施形態における光ファイバ３０ａの入射端面の様子を示す図である。本実施形態では、上述の実施形態１よりも、光ファイバ３０ａにおけるコア３１ａの大きさ（断面積）が小さい。本実施形態では、コア３１ａの大きさは、例えば、高さ（ｚ方向）５０μｍ、幅（ｙ方向）２００μｍであるとする。なお、光スポットＳＰの大きさは、実施形態１と同程度である。そのため、複数の半導体レーザ素子１１からのレーザ光をコア３１ａ内に導入するために、複数（例えば４個）の光スポットＳＰは実質的に１つに重なるように配置される。言い換えれば、結像部が、複数の半導体レーザ素子１１から出射されたレーザ光を、光ファイバ３０ａのコア３１ａの入射端面において１箇所に重なるように結像させる。

図６の（ｂ）は、図６の（ａ）のコア３１ａを拡大して示す図である。Ｖｓは１つに重なった光スポットＳＰの高さ（短軸の長さ）、Ｈｓは該光スポットＳＰの幅（長軸の長さ）を示す。Ｖｃはコア３１ａの高さ、Ｈｃはコア３１ａの幅を示す。Ｖｍ１およびＶｍ２は、短軸方向における、光スポットＳＰの縁とコア３１ａの辺との間のマージン（余裕距離）を示す。Ｈｍ１およびＨｍ２は、長軸方向における、光スポットＳＰの縁とコア３１ａの辺との間のマージンを示す。

光スポットＳＰの位置がずれた場合、短軸方向に光スポットＳＰがコア３１ａからはみ出すことの影響が、長軸方向に光スポットＳＰがはみ出すことの影響より大きい。これは、光スポットＳＰがはみ出す長さが同じであっても、短軸方向の方がコアからはみ出す光量が大きいからである。そのため、短軸方向のマージンＶｍ１およびＶｍ２は、長軸方向のマージンＨｍ１およびＨｍ２よりも大きいことが好ましい。言い換えれば、ｍｉｎ（Ｖｍ１，Ｖｍ２）＞ｍａｘ（Ｈｍ１，Ｈｍ２）であることが好ましい。

コア３１ａの大きさが小さくなると、光ファイバ３０ａへの入射効率は低下しやすい。本実施形態では、複数の半導体レーザ素子１１に対応する複数の光スポットＳＰを１つに重ねることにより、入射するレーザ光の損失を低減することができる。そのため、より光密度が高い矩形ビームを得ることができる。また、本実施形態の光学装置を用いれば、より高輝度の照明装置を実現することができる。

なお、複数の光スポットＳＰが互いに一部重なっている場合、および全く重なっていない場合（図３参照）では、各光スポットＳＰ（個々の光スポット）について、短軸方向のマージンの小さい方（上辺／下辺に近い方のマージン）の値は、長軸方向のマージンの小さい方（左辺／右辺に近い方のマージン）の値より大きいことが好ましい。なお、短軸方向における複数の光スポットＳＰの最近接のコアの辺までの各距離は、長軸方向における複数の光スポットＳＰの最近接のコアの辺までの各距離より大きいことが好ましい。

〔実施形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、コアの形状が、一部が欠けた矩形である場合について説明する。本実施形態では、実施形態１の光ファイバ３０の代わりに光ファイバ３０ｂを用いる。

図７の（ａ）は、本実施形態における光ファイバ３０ｂの入射方向から見た入射端面の様子を示す図である。本実施形態では、光ファイバ３０ｂのコア３１ｂの外形は、ほぼ矩形であるが、矩形の一部が欠けた形状をしている。コア３１ｂの外形の下辺３３（第１辺）は、コア３１ｂの幅（ｙ方向の長さ）を規定し、コア３１ｂの外形の左辺３４（第２辺）は、コア３１ｂの高さ（ｚ方向の長さ）を規定している。複数の半導体レーザ素子１１に対応する複数の光スポットＳＰは、その長軸の方向がコア３１ｂの下辺と揃うように、コア３１ｂの中に配置される。

図７の（ｂ）は、本実施形態における光ファイバ３０ｂの出射方向を見た出射端面の様子（断面）を示す図である。コア３１ｂに導入されたレーザ光は、光ファイバ３０ｂの内部で反射を繰り返し、出射端ではコア３１ｂの全体から出射される。そのため、光ファイバ３０ｂから出射されるレーザ光のビーム形状は、コア３１ｂと同じ形状になる。

図７の（ｃ）は、光ファイバからレーザ光を照射された蛍光部材４０を示す図である。蛍光部材４０は、蛍光体を含む板状の基板であり、例えば光学装置の光ファイバ３０ｂの出射端の正面に配置される。光ファイバ３０ｂから出射されたレーザ光は、蛍光部材４０の領域４１に照射される。蛍光部材４０の領域４１はレーザ光によって励起され、白色光を発する。光ファイバ３０ｂから出射されるビーム形状が、コア３１ｂの形状と同じになるので、蛍光部材４０において発光する領域４１も、コア３１ｂの形状と同じになる。

そのため、放物曲面を有するミラーなどでその焦点に位置する蛍光部材４０からの光を反射することにより、図７の（ｄ）に示すような、コア３１ｂと同じ形状の照射パターン４２で投光（照射）を行う照明装置を容易に実現することができる。例えば自動車のヘッドライト（すれ違い用前照灯（ロービーム））では、対向車の幻惑を避けるため、図７の（ｄ）に示すような照射パターン４２（配光分布）で前方に照射を行う必要がある。そのため、本実施形態の光学装置を用いた照明装置は、自動車の照明装置に好適に適用することができる。このように、本実施形態によれば、コア３１ｂと同じ特定の形状のビームを得ることができるため、蛍光部材４０からの光を反射・屈折させる簡単な光学部材を用いて、所望の形状の照射パターン４２を得ることができる。なお、コアは、図７に示す例に限らず、ほぼ矩形状の任意の形状とすることができる。

〔実施形態４〕
本発明のさらに他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。上述の実施形態では、光ファイバは、ステップインデックス型であるとしたが、グレーデッドインデックス型であってもよい。

図８の（ａ）は、ステップインデックス型の光ファイバとグレーデッドインデックス型の光ファイバとの屈折率分布の比較を示す図である。縦軸は屈折率、横軸は光ファイバの断面における位置を示す。矢印で示す範囲がコアに対応する範囲である。ステップインデックス型では、クラッドとコアとの間で屈折率は段階的に変化する。一方、グレーデッドインデックス型では、コアの屈折率は連続的に変化し、コアの中心の屈折率が高い。

図８の（ｂ）は、ステップインデックス型の光ファイバとグレーデッドインデックス型の光ファイバとの光強度分布の比較を示す図である。縦軸は光ファイバの出射端面での光強度分布を示し、横軸は図８の（ａ）と同様に光ファイバの断面における位置を示す。ステップインデックス型では、コアの出射端面において光強度分布は均一になる。一方、グレーデッドインデックス型では、屈折率の分布を反映し、コアの中心の光強度分布が高くなる。

グレーデッドインデックス型の光ファイバを採用することで、光ファイバから出射される矩形ビームの中心の光強度をより高くすることができる。

〔実施形態５〕
本発明のさらに他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、実施形態１の光ファイバ３０の代わりに、マルチコア型の光ファイバ３０ｃを用いる。

図９の（ａ）は、本実施形態における光ファイバ３０ｃの入射方向から見た入射端面の様子を示す図である。本実施形態では、光ファイバ３０ｃは、複数（２つ）の矩形のコア３１ｃ・３１ｄを有する。コア３１ｃの長手方向とコア３１ｄの長手方向とは揃っている。複数の半導体レーザ素子１１に対応する複数の光スポットＳＰのうち、一部の光スポットＳＰはコア３１ｃの中に配置され、他の光スポットＳＰはコア３１ｄの中に配置される。少なくとも１つのコア３１ｄにおいては、複数の光スポットＳＰが配置されており、該複数の光スポットＳＰの長軸は、それぞれコア３１ｄの一辺（長手方向）に揃っている。また、コア３１ｄに配置された光スポットＳＰの長軸方向と、コア３１ｃに配置された光スポットＳＰの長軸方向とは揃っている。上述の実施形態と同様に、このように光スポットＳＰを配置することにより、入射するレーザ光の損失を低減することができる。

図９の（ｂ）は、本実施形態における光ファイバ３０ｃの出射方向を見た出射端面の様子（断面）を示す図である。コア３１ｃ・３１ｄに導入されたレーザ光は、それぞれ、出射端ではコア３１ｃ・３１ｄの全体から出射される。そのため、光ファイバ３０ｃから出射されるレーザ光のビーム形状は、コア３１ｃおよびコア３１ｄと同じ形状になる。

図９の（ｃ）は、光ファイバからレーザ光を照射された蛍光部材４０を示す図である。光ファイバ３０ｃのコア３１ｃおよびコア３１ｄから出射されたレーザ光は、それぞれ、蛍光部材４０の領域４１ｃおよび領域４１ｄに照射される。蛍光部材４０の領域４１ｃ・４１ｄはレーザ光によって励起され、白色光を発する。光ファイバ３０ｃから出射されるビーム形状が、コア３１ｃ・３１ｄの形状と同じになるので、蛍光部材４０において発光する領域４１ｃ・４１ｄも、コア３１ｃ・３１ｄの形状と同じになる。

本実施形態によれば、光ファイバの出射端のコア３１ｃとコア３１ｄとから、互いに異なる特性（例えば光強度）の光を出射させることができる。これにより、単一の蛍光部材４０の領域４１ｃ・４１ｄごとに異なる光強度の発光をさせることができる。すなわち、単一の蛍光部材４０を用いながら、複数の蛍光体励起光源を得ることができる。このような複数の光源を利用することにより、照明装置において所望の照射パターンを得るための設計の自由度が飛躍的に高まる。例えば、蛍光部材４０の発光する領域４１ｃ・４１ｄを、それぞれ自動車のヘッドライトのロービームおよびハイビームとして使い分けることができる。また、ロービーム（またはハイビーム）の配光方向を動的制御するために、これら複数の発光する領域４１ｃ・４１ｄをオン／オフして利用することもできる。

また、複数のコア３１ｃ・３１ｄに対応して異なる半導体レーザ素子１１を用いることで、コアごとに異なる色の光を出射させることができる。これにより、単一の蛍光部材４０の領域４１ｃ・４１ｄごとに異なる色の発光をさせることができる。

図１０は、矩形のコアを有する光ファイバと円形のコアを有する光ファイバとを比較する断面図である。本実施形態のようにマルチコア型の光ファイバを使用する場合、光ファイバ３０ｅのように複数の矩形のコア３１ｃ〜３１ｅを有するものの方が、複数の円形のコア３６ａ・３６ｂを有する光ファイバ３５よりも、コアを密に配置することができる。円形コアに比べて矩形コアの方が、より多くのコアを光ファイバに配置すること、または、コア数が同じでもコアの面積を広くすることが可能である。これにより、集光効率を高めることができる。

〔実施形態６〕
本発明のさらに他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、実施形態１の光ファイバ３０の代わりに、マルチコア型の光ファイバ３０ｆまたは光ファイバ３０ｇを用いる。

図１１の（ａ）は、本実施形態における光ファイバ３０ｆの入射方向から見た入射端面の様子を示す図である。光ファイバ３０ｆは、矩形のコア３１ｆと円形のコア３１ｈとを有する。複数の半導体レーザ素子１１に対応する複数の光スポットＳＰのうち、一部の複数の光スポットＳＰはコア３１ｆの中に配置され、他の光スポットＳＰはコア３１ｈの中に配置される。矩形のコア３１ｆにおいては、複数の光スポットＳＰが１つに重なるように配置されており、該複数の光スポットＳＰの長軸は、それぞれコア３１ｆの一辺（長手方向）に揃っている。このように、光ファイバ３０ｆの複数のコアのうちの一部のコアが円形であってもよい。

図１１の（ｃ）は、光ファイバ３０ｆからレーザ光を照射された蛍光部材４０を示す図である。光ファイバ３０ｆのコア３１ｆおよびコア３１ｈから出射されたレーザ光は、それぞれ、蛍光部材４０の領域４１ｆおよび領域４１ｈに照射される。蛍光部材４０の領域４１ｆ・４１ｈはレーザ光によって励起され、白色光を発する。光ファイバ３０ｆから出射されるビーム形状が、コア３１ｆ・３１ｈの形状と同じになるので、蛍光部材４０において発光する領域４１ｆ・４１ｈも、コア３１ｆ・３１ｈの形状と同じになる。

図１１の（ｂ）は、本実施形態における光ファイバ３０ｇの入射方向から見た入射端面の様子を示す図である。光ファイバ３０ｇは、実施形態３のコア３１ｂのような一部が欠けた矩形のコア３１ｇと、円形のコア３１ｈとを有する。複数の半導体レーザ素子１１に対応する複数の光スポットＳＰのうち、一部の複数の光スポットＳＰはコア３１ｇの中に配置され、他の光スポットＳＰはコア３１ｈの中に配置される。コア３１ｇにおいては、複数の光スポットＳＰが１つに重なるように配置されており、該複数の光スポットＳＰの長軸は、それぞれコア３１ｇの一辺（長手方向）に揃っている。

図１１の（ｄ）は、光ファイバ３０ｇからレーザ光を照射された蛍光部材４０を示す図である。光ファイバ３０ｇのコア３１ｇおよびコア３１ｈから出射されたレーザ光は、それぞれ、蛍光部材４０の領域４１ｇおよび領域４１ｈに照射される。蛍光部材４０の領域４１ｇ・４１ｈはレーザ光によって励起され、白色光を発する。光ファイバ３０ｇから出射されるビーム形状が、コア３１ｇ・３１ｈの形状と同じになるので、蛍光部材４０において発光する領域４１ｇ・４１ｈも、コア３１ｇ・３１ｈの形状と同じになる。

このように、互いに形状の異なる、矩形状のコア３１ｆ・３１ｇと円形のコア３１ｈとを組み合わせることにより、単一の蛍光部材４０上に異なる形状の発光する領域４１ｆ・４１ｇ・４１ｈを生じさせることができる。上述の実施形態と同様に、矩形状のコアにこのように光スポットＳＰを配置することにより、入射するレーザ光の損失を低減することができる。なお、コアにレーザ光を入射する半導体レーザ素子１１の数を、コアごとに変えてもよい。本実施形態によれば、所望の照射パターンを得るための配光の制御をさらに容易に行うことができ、照射パターンの形状の自由度が高まる。

なお、以上の実施形態においては光源として端面発光レーザを例に挙げて説明したが、面発光半導体レーザまたは発光ダイオードを光源として用いてもよい。面発光半導体レーザまたはＬＥＤを用いる場合、その光出射領域が長軸を有する形状（矩形状または楕円状）であれば、光ファイバの入射端面上に結像された光スポットも矩形状または楕円状の形状になる。そして、矩形状または楕円状の複数の光スポットの長軸（長手方向）を光ファイバの矩形状のコアの一辺に揃うように配置することで、上述の実施形態のように入射するレーザ光の損失を低減することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光学装置（１）は、レーザ光を発する複数の半導体レーザ素子（１１）と、上記レーザ光を導光する導光部（コア３１〜３１ｇ）を有する導光部材（光ファイバ３０〜３０ｇ）と、上記複数の半導体レーザ素子のレーザ光を、単一の上記導光部の入射端面に結像させる結像部（２０）とを備え、上記入射端面の外形が、上記導光部の幅を規定する第１辺および上記導光部の高さを規定する第２辺を有し、上記複数の半導体レーザ素子に対応する、上記入射端面上に結像された複数のスポット（光スポットＳＰ）の長軸の方向は、互いに揃っており、上記複数のスポットの上記長軸の方向は、上記入射端面の上記第１辺または上記第２辺と揃っている。

上記の構成によれば、複数のスポットの長軸の方向が、導光部の入射端面の幅または高さを規定する第１辺または第２辺と揃っているので、導光部へ入射するレーザ光の損失を低減することができる。また、光学装置に振動が生じる場合であっても、入射効率を高く維持することができる。このようにスポットを配置することにより、入射効率を高く維持しつつ導光部の大きさを小さくすることができる。そのため、より光密度の高いビームを導光部の出射端から得ることができる。

本発明の態様２に係る光学装置では、上記態様１において、上記第１辺が上記第２辺より長く、上記複数のスポットの上記長軸の方向は、上記第１辺と揃っている構成であってもよい。

上記の構成によれば、スポットの長軸の方向が導光部の長手方向に沿った第１辺と揃っているので、入射効率をさらに高くすることができる。

本発明の態様３に係る光学装置では、上記態様１において、各半導体レーザ素子のクラッド層と活性層とが積層する方向が、上記第１辺および上記第２辺のいずれかに対して揃っている構成であってもよい。

通常の半導体レーザ素子では、光出射領域は、クラッド層と活性層とが積層する方向に短く、それと垂直な方向に長い。そして、導光部の入射端面に結像されたスポットは、光出射領域に対応した形状になる。そのため上記の構成によれば、複数のスポットの長軸の方向が、導光部の第１辺または第２辺と揃っているので、導光部へ入射するレーザ光の損失を低減することができる。

本発明の態様４に係る光学装置では、上記態様２において、各半導体レーザ素子のクラッド層と活性層とが積層する方向が、上記第２辺と揃っている構成であってもよい。

上記の構成によれば、複数のスポットの短軸の方向が、導光部の短手方向である第２辺と揃うことになる。そのため、入射効率をさらに高くすることができる。

本発明の態様５に係る光学装置は、上記態様１から４において、上記複数の半導体レーザ素子のクラッド層と活性層とが積層する方向が互いに揃うよう、上記複数の半導体レーザ素子を固定する支持部を備える構成であってもよい。

上記の構成によれば、入射端面上に結像された複数のスポットの長軸の方向を、簡単に互いに揃えることができる。

本発明の態様６に係る光学装置では、上記態様２または４において、各スポットの短軸方向における該スポットと上記導光部の最近接の辺との距離は、長軸方向における該スポットと上記導光部の最近接の辺との距離よりも大きい構成であってもよい。

上記の構成によれば、光学装置に振動が生じたとしても、導光部に入射するレーザ光の損失を抑制することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、光学装置および照明装置などに利用することができる。

１ 光学装置
１０ 光出射部
１１ 半導体レーザ素子
１２ ステム
１３ 支持部材（支持部）
２０ 結像部
２１ コリメートレンズ
２２ 集光レンズ
３０〜３０ｇ 光ファイバ（導光部材）
３１〜３１ｈ コア（導光部）
３２ クラッド
４０ 蛍光部材

Claims (3)

1. レーザ光を発する複数の半導体レーザ素子と、
   上記レーザ光を導光する導光部を有する導光部材と、
   上記複数の半導体レーザ素子のレーザ光を、単一の上記導光部の入射端面に結像させる結像部とを備え、
   上記入射端面の外形が、上記導光部の幅を規定する第１辺および上記導光部の高さを規定する第２辺を有し、
   上記複数の半導体レーザ素子に対応する、上記入射端面上に結像された複数のスポットの長軸の方向は、互いに揃っており、
   上記第１辺が上記第２辺より長く、上記複数のスポットの上記長軸の方向は、上記入射端面の上記第１辺と揃っており、
   上記入射端面上の上記複数のスポットは互いに離間していることを特徴とする光学装置。
2. 各半導体レーザ素子のクラッド層と活性層とが積層する方向が、上記第２辺と揃っていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 上記複数の半導体レーザ素子のクラッド層と活性層とが積層する方向が互いに揃うよう、上記複数の半導体レーザ素子を固定する支持部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。

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