本発明は、合成装置又は合成装置に搭載される発光装置に関する。

従来より、複数の発光素子から放射された光を合成する技術が知られている。例えば、特許文献1には、互いに偏光の異なる2つの半導体レーザからの光を偏光ビームスプリッタ(PBS)に入射して合成する光源ユニットが開示されている。

特開2016−186566

しかしながら、特許文献1は、1つの光源ユニットが偏光の異なる2つの半導体レーザを有し、この光源ユニットから出射される光を合成するものであり、複数の光源ユニットから放射された光の合成については開示されていない。

本発明に係る合成装置は、それぞれが、1以上の第1半導体レーザ素子と、1以上の第2半導体レーザ素子と、を有する複数の発光装置と、前記複数の発光装置のうち第1発光装置が有する前記第1半導体レーザ素子から放射された光の偏光方向を変える第1偏光制御部材と、前記複数の発光装置のうち第2発光装置が有する前記第2半導体レーザ素子から放射された光の偏光方向を変える第2偏光制御部材と、前記第1偏光制御部材によって偏光方向を変えられた前記第1半導体レーザ素子からの光を含む前記第1発光装置からの出射光と、前記第2偏光制御部材によって偏光方向を変えられた前記第2半導体レーザ素子からの光を含む前記第2発光装置からの出射光と、を合成する合成部材と、を有しており、前記複数の発光装置は、それぞれ、前記第1半導体レーザ素子により放射された光が前記発光装置から出射するときの出射光の偏光方向と、前記第2半導体レーザ素子により放射された光が出射するときの出射光の偏光方向と、が異なる。

また、本発明に係る発光装置は、投影装置としての合成装置に複数搭載される発光装置であって、各発光装置は、少なくとも1つの第1半導体レーザ素子と、少なくとも2つの第2半導体レーザ素子と、を有し、前記第1半導体レーザ素子は、赤色の光を放射し、前記2つの第2半導体レーザ素子のうちの一つは青色の光を放射し、残りの一つは緑色の光を放射し、前記第1半導体レーザ素子により放射された光が前記発光装置から出射するときの出射光の偏光方向と、前記第2半導体レーザ素子により放射された光が出射するときの出射光の偏光方向と、が異なる。

本発明に係る合成装置によれば、複数の発光装置を用いて効果的に光を合成することができる。

また、本発明に係る発光装置は、本発明に係る投影装置としての合成装置に好適に利用され、複数の発光装置を用いて効果的に光を合成することのできる投影装置を提供できる。

図1は、実施形態に係る投影装置の光学構成を示す模式図である。

図2は、実施形態に係る第1偏光制御部材の斜視図である。

図3は、実施形態に係る第2偏光制御部材の斜視図である。

図4は、シングルエミッターの半導体レーザ素子からの放射光に係る中心、第1径、及び、第2径について説明するための模式図である。

図5は、マルチエミッターの半導体レーザ素子からの放射光に係る中心、第1径、及び、第2径について説明するための模式図である。

図6は、実施形態に係る発光装置の斜視図である。

図7は、図6のVII-VIIを結ぶ直線における発光装置の断面図である。

図8は、発光装置の内部構造を説明するための斜視図である。

図9は、発光装置の内部構造を説明するための上面図である。

本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら以下に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。

実施形態では、合成装置の一例である投影装置1を挙げて、発明の詳細を説明する。合成装置は、複数の発光装置100と、第1偏光制御部材21と、第2偏光制御部材22と、合成部材と、を有している。また、複数の発光装置100は、それぞれが、1以上の第1半導体レーザ素子121と、1以上の第2半導体レーザ素子122と、を有する。

図1は実施形態に係る投影装置1の光学構成を示す図である。また、矢印は光の進行方向を説明するために補助的に付加したものである。投影装置1は、動画や静止画などの画像をスクリーンに投影する装置である。プロジェクタは、投影装置1の一例に挙げられる。

投影装置1は、2つの発光ユニット10、2つの偏光制御部材20、ミラー30、偏光ビームスプリッタ(以下、PBSと記す)40、4つのレンズ50、デジタルマイクロミラーデバイス(以下、DMDと記す)60、2つのプリズム70、及び、投影ユニット80を有する。なお、発光ユニット10、及び、偏光制御部材20は、複数であれば2つの構成に限らない。レンズ50は4つの構成に限らない。プリズム70は2つの構成に限らない。

また、発光ユニット10は、発光装置100、及び、実装基板103を有する。2つの偏光制御部材20とは、第1偏光制御部材21、及び、第2偏光制御部材22である。4つのレンズ50とは、拡散レンズ51、コリメートレンズ52、レンズアレイ53、及び、重畳レンズ54である。

ここで、本明細書において、2つの発光ユニット10を区別する場合、それぞれ第1発光ユニット11、第2発光ユニット12と呼ぶものとする。また、第1発光ユニット11が有する発光装置100と、第2発光ユニット12が有する発光装置100を区別する場合、それぞれ第1発光装置101、第2発光装置102と呼ぶものとする。

また、発光装置100は、複数の半導体レーザ素子120を有する。この半導体レーザ素子120は直線偏光の光を出射する。また、複数の半導体レーザ素子120には、1以上の第1半導体レーザ素子121と、1以上の第2半導体レーザ素子122と、が含まれる。

第1半導体レーザ素子121と第2半導体レーザ素子122とは、発光装置100から出射される光の偏光方向がそれぞれ異なる。また、第1半導体レーザ素子121及び第2半導体レーザ素子122のそれぞれから放射された光は、発光装置100から同じ方向へと出射される。

つまり、発光装置100から同じ方向を進むようにして出射された第1半導体レーザ素子121からの出射光と、第2半導体レーザ素子122からの出射光と、は偏光方向が異なる。ここで、半導体レーザ素子120から放射された光が発光装置100の外部に出射されるまでを放射光、発光装置100の外部に出射された後を出射光といい、区別するものとする。

例えば、発光装置100には、出射端面から放射される光の偏光方向が異なる第1半導体レーザ素子121と第2半導体レーザ素子122を用いることができる。このような半導体レーザ素子120として、例えば、第1半導体レーザ素子121を偏光がTMモード(TM偏光)の半導体レーザ素子120とし、第2半導体レーザ素子122を変更がTEモード(TE偏光)の半導体レーザ素子120とすることができる。なお、投影装置1に適用される発光装置100の一例は後述する。

ここで、半導体レーザ素子120からの放射光は、半導体レーザ素子120の光の出射端面と平行な面において、活性層を含む複数の半導体層の積層方向の長さがそれに垂直な方向の長さよりも長い、楕円形状のファーフィールドパターン(FFP)を有する。FFPとは、半導体レーザ素子120の光の出射端面から十分に離れた位置における、放射光の形状や光強度分布である。

本明細書において、ピーク強度値の1/e²以上の光強度を有する光を、その半導体レーザ素子120の主要部分の光というものとする。また、FFPというときは、ピーク強度値の1/e²の光強度の光によるFFPの形状をいうものとする。また、FFPを表す楕円の中心を進む光を中心光と呼ぶものとする。また、出射端面における中心光の放射位置とFFPの楕円の中心を通る直線を光軸とする。つまり、本明細書において、中心光は、出射端面から光軸上を通る光である。

発光装置100において、第1半導体レーザ素子121と第2半導体レーザ素子122とは、少なくとも、それぞれの中心光が同じ方向に出射される。ここで「同じ方向」とは、5度の差を含むものとする。またあるいは、発光装置100の設計において、同じ方向に進むように設計され、製造時において生じる誤差の範囲を含むものとする。

なお、1つの発光装置100において、それぞれ1または複数の第1半導体レーザ素子121及び第2半導体レーザ素子122を有することができる。また、発光装置100から出射する中心光の偏光方向が、第1半導体レーザ素子121及び第2半導体レーザ素子122のいずれとも異なる別の半導体レーザ素子120をさらに有していてもよい。

図1で示す例では、1つの発光装置100において、3つの半導体レーザ素子120から放射された光がそれぞれ出射している。また、それぞれの出射光は、コリメートされたコリメート光となって出射される。ここで、3つの半導体レーザ素子120のうち、1つは第1半導体レーザ素子121であり、2つは第2半導体レーザ素子122である。

第1発光装置101から出射される出射光と第2発光装置102から出射される出射光に関し、それぞれの第1半導体レーザ素子121からの出射光は、同じ進行方向(出射方向)、かつ、同じ偏光方向で出射される。同様に、それぞれの第2半導体レーザ素子122からの出射光についても、同じ方向、かつ、同じ偏光方向で出射される。ここで、偏光方向が同じとは、それぞれの半導体レーザ素子120からの出射光の偏光方向の相対的な角度差が10度以内にある関係をいうものとする。

図1で示す例では、2つの発光ユニット10は同じ向きに並べて配置される。2つの発光ユニット10は、発光ユニット10間で、中心光の進行方向、第1半導体レーザ素子121同士の偏光方向、及び、第2半導体レーザ素子122同士の偏光方向、が同じになるように配置される。

偏光制御部材20は、ダイクロイックミラー200と波長板201とを有する。図2及び図3は、それぞれ第1偏光制御部材21と第2偏光制御部材22を模式的に示す斜視図である。第1偏光制御部材21は、第1発光ユニット11の第1発光装置101からの出射光の偏光方向を制御する部材である。第2偏光制御部材22は、第2発光ユニット12の第2発光装置102からの出射光の偏光方向を制御する部材である。

第1偏光制御部材21及び第2偏光制御部材22は、いずれも3つのダイクロイックミラー200を並べて配置している。3つのダイクロイックミラー200のそれぞれが、発光装置100に配置される3つの半導体レーザ素子120のそれぞれに対応する。つまり、対応する半導体レーザ素子120により放射される光の波長に基づき、ダイクロイックミラー200はその波長の光は反射するが、その他の波長の光は透過する。

なお、ダイクロイックミラー200の数は複数であれば3つに限らない。また、発光装置100に配置される半導体レーザ素子120の数と一致していなくてもよい。また、1つの半導体レーザ素子120からの出射光を反射するだけでよく、別の半導体レーザ素子120からの出射光を透過しないでよいダイクロイックミラー200については、ダイクロイックミラー200に代えて、反射するだけのミラーを用いてもよい。

3つのダイクロイックミラー200によって、3つの半導体レーザ素子120からの出射光は合成される。つまり、3つのダイクロイックミラー200を介することで、3つの半導体レーザ素子120からの出射光は同じ方向に進む。なお、同じ方向とは、3つの半導体レーザ素子120のうち任意の2つの半導体レーザ素子120の間で、中心光の進む方向の相対的な角度差が5度以内に収まることをいうものとする。

ここで、図4及び5を用いながら、各半導体レーザ素子120から放射される光に関する、中心、第1径、第2径を規定する。図4は、エミッター(発光点)が1つのシングルエミッターの半導体レーザ素子120の場合を、図5は、エミッターが2つあるマルチエミッターの半導体レーザ素子120の場合を、それぞれ記す。それぞれの図において、楕円形状はFFPを表している。また、点〜は中心を、線分〜は第1径を、線分〜は第2径を示している。なお、半導体レーザ素子120は、出射点に近いところを部分的に記している。

図4に示すように、シングルエミッターの半導体レーザ素子120においては、1つのエミッターに対応した1つの楕円形状が記される。一方で、マルチエミッターの半導体レーザ素子120においては、複数のエミッターに対応した複数の楕円形状が記されることとなる。図5では、各発光点から2つのレーザ光が放射され2つのFFPが記される。

図4に示すように、シングルエミッターの場合では、光軸を通る点が中心となり、FFPの長径が第1径、短径が第2径となる。つまり、本明細書において、第1径の方はFFPの長径に対応する方向の径であり、第2径はFFPの短径に対応する方向の径である。

次に、エミッターが2つのマルチエミッターの場合、中心は、2つのFFPの光軸を通る光について、光路長が同じ長さにおける2点の重心、この場合は2点間の中点となる。また、2つの楕円形状をいずれも包含する最小の矩形において、楕円の長径方向に対応する辺の長さが第1径、楕円の短径方向に対応する辺の長さが第2径となる。なお、ここでの「対応する」とは、望ましくは矩形の辺と楕円の径の方向が同じであることだが、矩形の辺と楕円の径の方向が同じでない場合は、複数の辺と径の組合せのうち相対的な角度差が小さい辺と径の組合せをいうものとする。

なお、エミッターが3以上のマルチエミッターについても、同様の考え方で、中心、第1径、及び、第2径を規定できる。つまり、中心は、光路長が同じ長さにおいて、全てのエミッターにおける光軸を通る点に基づいて求められる重心であり、第1径及び第2径は、全てのFFPを包含する最小の矩形に基づいて求められる長径方向あるいは短径方向に対応する辺の長さである。

このように規定した中心をP、第1径をX、第2径をYとする。また、1つ目の半導体レーザ素子120である第1半導体レーザ素子121についてはP(1)、X(1)、Y(1)と、2つ目の半導体レーザ素子120である一方の第2半導体レーザ素子122についてはP(2)、X(2)、Y(2)と、3つ目の半導体レーザ素子120である他方の第2半導体レーザ素子122についてはP(3)、X(3)、Y(3)と表すものとする。なお、発光装置100が4つ以上の半導体レーザ素子120を有している場合にも、同様の考え方で、括弧内に番号を付して区別するものとする。

3つの半導体レーザ素子120から放射された光は、偏光制御部材20から出射する出射点において、いずれの中心も、3つの半導体レーザ素子120の光のそれぞれの第1径の和を一方の辺の長さとし、3つの半導体レーザ素子120のそれぞれの第2径の和を他方の辺の長さとする矩形に収まるように合成されるのが好ましい。つまり、P(1)、P(2)、及び、P(3)が、X(1)+X(2)+X(3)を一辺とし、Y(1)+Y(2)+Y(3)を他辺とする矩形の領域内に集まっているのが好ましい。

またさらには、3つの半導体レーザ素子120から放射された主要部分の光のいずれも、偏光制御部材20から出射する地点において、3つの半導体レーザ素子120のそれぞれの第1径の和を一方の辺の長さとし、3つの半導体レーザ素子120のそれぞれの第2径の和を他方の辺の長さとする矩形に収まるように合成されるのが好ましい。

また、3つの半導体レーザ素子120から放射された光のいずれの中心も、偏光制御部材20により重なって合成されるような設計に基づいて各部材が実装されるのが望ましい。このように光を合成することで、3つの半導体レーザ素子120から放射された主要部分の光がより小さな領域に収まるように合成することができる。なお、発光装置100が4つ以上の半導体レーザ素子120を有している場合であっても、同様に、各半導体レーザ素子120の径の和、あるいは、中心に基づく考え方で捉えればよい。

第1偏光制御部材21が有する波長板201は、第1発光装置101に配置される第1半導体レーザ素子121からの出射光の偏光方向を変える。また、第2偏光制御部材22が有する波長板201は、第2発光装置102に配置される第2半導体レーザ素子122からの出射光の偏光方向を変える。波長板201としては、例えば、λ/2の位相差を与えるλ/2波長板を用いることができる。λ/2波長板によって偏光方向が90度回転する。

図1で示す例では、発光装置100は、1つの第1半導体レーザ素子121と、2つの第2半導体レーザ素子122と、が配置されている。そのため、第1偏光制御部材21は、1つの第1半導体レーザ素子121に対応した1つの波長板201を有し、第2偏光制御部材22は、2つの第2半導体レーザ素子122のそれぞれに対応した2つの波長板201を有している。

波長板201は、発光装置100からの出射光がダイクロイックミラー200に入射する前に波長板201に入射するように配置される。図1に示す例では、ダイクロイックミラー200において発光装置100からの出射光が入射する面(入射面)に、波長板201が接合された偏光制御部材20が形成されている。このように、ダイクロイックミラー200と、波長板201と、を一体に接合した偏光制御部材20とすることで合成装置をより小型に設計することができる。

なお、ダイクロイックミラー200と、波長板201と、を一体に接合した偏光制御部材20でなくてもよい。例えば、ダイクロイックミラー200と波長板201とが別個に設けられていてもよい。この場合、光の偏光方向を変える波長板201が偏光制御部材20に相当する。

第1偏光制御部材21の波長板201によって、第1半導体レーザ素子121からの出射光の偏光方向が90度回転し、第2半導体レーザ素子122からの出射光の偏光方向と同じになる。また、第2偏光制御部材22の波長板201によって、第2半導体レーザ素子122からの出射光の偏光方向が90度回転し、第1半導体レーザ素子121からの出射光の偏光方向と同じになる。従って、偏光制御部材20に入射する前の出射光において、発光装置100から出射される第1半導体レーザ素子121からの出射光と第2半導体レーザ素子122からの出射光とでは、偏光方向が90度異なっている。

ミラー30は、反射面に入射した光を反射する光反射部材である。投影装置1において、ミラー30は、第2発光装置102からの出射光に対して設けられる。また、第1発光装置101からの出射光に対しては設けられていない。なお、第1発光装置101からの出射光に対して設け、第2発光装置102からの出射光に対しては設けないようにしてもよい。また、第1発光装置101及び第2発光装置102のそれぞれに対応して複数のミラー30を設けてもよい。

PBS40は、p偏光の光を透過し、s偏光の光を反射する光学フィルタである。投影装置1において、第1発光装置101の第1及び第2半導体レーザ素子122による出射光は、第1偏光制御部材21によってp偏光に揃えられてPBS40に入射する。また、第2発光装置102の第1及び第2半導体レーザ素子122による出射光は、第2偏光制御部材22によってs偏光に揃えられてPBS40に入射する。

これにより、PBS40において、第1発光装置101からの出射光は透過し、第2発光装置102からの出射光は反射する。その結果、第1発光装置101からの出射光と、第2発光装置102からの出射光とが合成される。つまり、PBS40によって、第1発光装置101からの出射光と、第2発光装置102からの出射光とは同じ方向に進む。

なお、ここでの同じ方向とは、第1発光装置101及び第2発光装置102に搭載される6つの半導体レーザ素子120のうち任意の2つの半導体レーザ素子120からの光の間で、それぞれの中心光の進む方向の相対的な角度差が10度以内に収まることをいうものとする。PBS40は、第1発光装置101からの出射光と、第2発光装置102からの出射光と、を合成する合成部材の一例である。

合成される第1発光装置101からの出射光は、第1偏光制御部材21によって偏光方向を変えられた第1半導体レーザ素子121からの光と、第2半導体レーザ素子122からの光とを有している。また、合成される第2発光装置102からの出射光は、第1半導体レーザ素子121からの光と、第2偏光制御部材22によって偏光方向を変えられた第2半導体レーザ素子122からの光とを有している。

6つの半導体レーザ素子120から放射された光は、PBS40から出射する地点において、いずれの中心も、6つの半導体レーザ素子120のそれぞれの第1径の和を一方の辺の長さとし、6つの半導体レーザ素子120のそれぞれの第2径の和を他方の辺の長さとする矩形に収まるように合成されるのが好ましい。

つまり、P(1)、P(2)、P(3)、P(4)、P(5)、及び、P(6)が、X(1)+X(2)+X(3)+X(4)+X(5)+X(6)を一辺とし、Y(1)+Y(2)+Y(3)+Y(4)+Y(5)+Y(6)を他辺とする矩形の領域内に集まっているのが好ましい。

またさらには、6つの半導体レーザ素子120から放射された主要部分の光のいずれも、PBS40から出射する地点において、6つの半導体レーザ素子120の光のそれぞれの第1径の和を一方の辺の長さとし、6つの半導体レーザ素子120の光のそれぞれの第2径の和を他方の辺の長さとする矩形に収まるように合成されるのが好ましい。

また、第1発光装置101及び第2発光装置102の間で、同じ配置関係にある半導体レーザ素子120からの光の中心が、PBS40により重なって合成されるような設計に基づいて実装されるのが望ましい。同じ配置関係にある半導体レーザ素子120とは、第1半導体レーザ素子121同士、第1半導体レーザ素子121の隣にある第2半導体レーザ素子122同士、その第2半導体レーザ素子122の隣にある残りの第2半導体レーザ素子122同士が相当する。このように光を合成することで、6つの半導体レーザ素子120から放射された主要部分の光がより小さな領域に収まるように合成することができる。

第1発光装置101及び第2発光装置102から出射された光は、PBS40によって合成されることによって、第1発光装置101あるいは第2発光装置102から出射された地点における出射光の光エネルギーの140%以上の光がPBS40から出射される。あるいは、第1発光装置101から出射された地点における出射光の光エネルギーと第2発光装置102から出射された地点における出射光の光エネルギーとの和の70%以上の光がPBS40から出射される。なお、光エネルギーは、例えば、パワーメーターによって測定することができ、単位には、例えば、ワットが用いられる。

ここで、実施形態における、PBS40による光の合成までの各構成要素の配置について説明する。2つの発光ユニット10のうち、第1発光ユニット11の方が、第2発光ユニット12よりも、PBS40から遠い位置に配置される。また、第1発光ユニット11と第1偏光制御部材21の間の距離は、第2発光ユニット12と第2偏光制御部材22の間の距離よりも長い。また、第1偏光制御部材21のダイクロイックミラー200によって反射された出射光と、第2偏光制御部材22のダイクロイックミラー200によって反射された出射光と、は同じ方向に進む。

第2偏光制御部材22のダイクロイックミラー200によって反射された出射光は、ミラー30によって反射され、第1偏光制御部材21のダイクロイックミラー200によって反射された出射光が進む方向と、90度異なる方向を進む。そして、PBS40に入射するときには、第1発光装置101からの出射光の進行方向と、第2発光装置102からの出射光の進行方向と、は90度異なる。

このように、PBS40に入射する方向を90度異ならせてPBS40の透過と反射の性質を利用するために、第1発光装置101においては第1半導体レーザ素子121の偏光方向を変えて第2半導体レーザ素子122の偏光方向に揃え、第2発光装置102においては第2半導体レーザ素子122の偏光方向を変えて第1半導体レーザ素子121の偏光方向に揃えるようにしている。

拡散レンズ51は、このようにして合成された光(以下、合成光と呼ぶ。)を拡散する。拡散レンズ51は、シリンドリカル面の凹レンズの形状を有している。シリンドリカル面にすることで、曲率を有さない方向については、拡散レンズ51によって光が拡散されないようにすることができる。

投影装置1において、楕円形状のFFPを有する半導体レーザ素子120からの光のうち、楕円の長径方向がシリンドリカル面の曲率を有さない方向となるように、拡散レンズ51は配置される。拡散レンズ51に入射するときの合成光の照射領域は、楕円の長径を通る光に対応する方向の幅が、楕円の短径を通る光に対応する方向の幅よりも大きい。よって、拡散レンズ51を通過することで、この幅の差が小さくなる。

拡散レンズ51を通過した光はコリメートレンズ52を通過することによって、拡散方向の光、つまり楕円の短径に対応する方向の光がコリメートされる。なお、楕円の長径に対応する方向は既にコリメートされている。コリメートレンズ52によりコリメートされた光は、レンズアレイ53を通過することによって複数の小さな光の束に分割される。レンズアレイ53によって複数の小さな光の束に分割された光は、重畳レンズ54を通過することによって、より均一な光がDMD60に入射するように重畳される。DMD60は、入射した光を時分割で変調し、画面に投影する映像光を生成する。DMD60により生成された映像光は、2つのプリズム70を透過して投影ユニット80に入射する。投影ユニット80に入射された映像光はスクリーンに投影される。

このように、投影装置1によれば、偏光方向の異なる光を出射する発光装置100を複数用いて、複数の発光装置100から出射される光を効果的に合成することができる。

次に、図6乃至図9を用いて、実施形態に係る投影装置1に適用される発光装置100の一形態を説明する。なお、投影装置1において適用される発光装置100の形態はこれに限らない。図6は、実装基板103に接合された発光装置100の斜視図である。図7は、図6のVII-VIIを結ぶ直線における断面図である。図8は、発光装置100の内部構造を説明するための斜視図である。図9は、発光装置100の内部構造を説明するための上面図である。

発光装置100は、構成要素として、基部110、3つの半導体レーザ素子120、サブマウント130、光反射部材140、保護素子160、ワイヤ150、蓋部材170、接着部180、及びレンズ部材190を有する。また、3つの半導体レーザ素子120のうち、1つの第1半導体レーザ素子121であり、2つは第2半導体レーザ素子122である。

基部110は、下面BSと、下面BSと交わる外側面OSと、を有する。また、第1上面UAと、第1上面UAと交わる内側面ISと、第1上面UAと反対側で内側面ISと交わる第2上面UBと、を有し、外側面OSは内側面ISと反対側で第2上面UBと交わる。また、内側面ISの一部には段差が形成される。従って、段差が形成される部分において、内側面ISは、第1上面UAと交わる第1内側面IAと、第2上面UBと交わる第2内側面IBと、を有する。そして、第1内側面IAと第2内側面IBとに交わる第3上面UCが形成される。また基部110は、凹構造を形成し、凹構造における窪みは第2上面UBから第1上面UAにまで達する。従って、上面視で、第1上面UAは、第2上面UBにより囲まれる。

基部110は、セラミックを主材料として形成することができる。なお、セラミックに限らず金属で形成してもよい。例えば、セラミックでは窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化ケイ素を、金属では銅、アルミニウム、鉄、複合物として銅モリブデン、銅-ダイヤモンド複合材料、銅タングステンを基部110の主材料に用いることができる。

基部110の第3上面UCには、複数の金属膜111が設けられる。また、下面にも金属膜111が設けられる。基部110の内部を通る金属により、第3上面UCにおける金属膜111と下面における金属膜111とは電気的に接続することができる。

なお、基部110は、枠を形成する枠部と、第1上面を形成する底部と、がそれぞれ異なる主材料により形成され、枠部と底部とを接合することで形成されてもよい。例えば、金属を主材料として第1上面UAから下面BSまでの厚みを有する板状の底部と、セラミックを主材料として第2上面UBから下面BSまでの高さの枠を有する枠部と、を接合して形成してもよい。

第1半導体レーザ素子121は、下面と、上面と、側面とを有し、1つの側面から偏光がTMモードのレーザ光を放射する。2つの第2半導体レーザ素子122は、下面と、上面と、側面とを有し、1つの側面から偏光がTEモードのレーザ光を放射する。

また、第1半導体レーザ素子121は赤色の光を放射する。2つの第2半導体レーザ素子122のうち、1つは青色の光を放射し、もう1つは緑色の光を放射する。なお、これ以外の色の光を放射する半導体レーザ素子120を用いてもよく、また、同じ色の半導体レーザ素子120を複数配置してもよい。また、配置される半導体レーザ素子120の数は、1以上であれば3つに限らなくてもよい。

ここで、赤色の光は、その発光ピーク波長が605nm〜750nmの範囲内にある光をいうものとする。発光装置100に採用する赤色の光としては、610nm〜700nmの範囲内にあるものがなお好ましい。赤色の光を発する半導体レーザ素子120としては、例えば、InAlGaP系やGaInP系、GaAs系やAlGaAs系の半導体を含むものが挙げられる。これらの半導体レーザ素子120は、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子120よりも、熱によって出力が低下しやすい。この点を考慮して、2以上の導波路領域を備えるとよい。導波路領域を増やすことにより熱を分散させ、半導体レーザ素子120の出力低下を低減することができる。

青色の光は、その発光ピーク波長が420nm〜494nmの範囲内にある光をいうものとする。発光装置100に採用する青色の光としては、440nm〜475nmの範囲内にあるものがなお好ましい。青色の光を発する半導体レーザ素子120としては、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子120が挙げられる。窒化物半導体としては、例えば、GaN、InGaN、及びAlGaNを用いることができる。

緑色の光は、その発光ピーク波長が495nm〜570nmの範囲内にある光をいうものとする。発光装置100に採用する緑色の光としては、510nm〜550nmの範囲内にあるものがなお好ましい。緑色の光を発する半導体レーザ素子120としては、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子120が挙げられる。窒化物半導体としては、例えば、GaN、InGaN、及びAlGaNを用いることができる。

また、第1半導体レーザ素子121は、図5で示したような、エミッターが2つあるマルチエミッターの半導体レーザ素子120である。第2半導体レーザ素子122は、図4で示したような、シングルエミッターの半導体レーザ素子120である。

サブマウント130は下面と、上面と、側面とを有し、直方体の形状で構成される。なお、形状は直方体に限らなくてよい。サブマウント130は、例えば、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、又は炭化ケイ素を用いて形成することができる。また、これに限らず他の材料を用いることも出来る。また、サブマウント130の上面には金属膜が設けられている。

光反射部材140は、下面と、下面と交わる側面と、下面と反対側で一部の側面と交わる上面と、を有する。また、下面と反対側で別の一部の側面と交わり、かつ、上面の側面と交わらない領域で交わる光反射面を有する。光反射面は平面であり、上面から下面にかけて傾斜している。光反射面は、下面に対して45度の角度を成すように設計される。なお、この角度は45度に限らなくてもよく、また、光反射面は平面でなく曲面であってもよい。

光反射部材140は、主材料に用いてその外形を形成し、形成した外形のうち光反射面を設けたい面に光反射膜を成膜して形成することができる。主材料は熱に強い材料がよく、例えば、石英若しくはBK7(硼珪酸ガラス)等のガラス、アルミニウム等の金属、又はSi等を採用することができる。光反射膜は光反射率の高い材料がよく、Ag、Al等の金属やTa₂O₅/SiO₂、TiO₂/SiO₂、Nb₂O₅/SiO₂等の誘電体多層膜等を採用することができる。

なお、金属等の光反射率の高い材料を主材料に用いてその外形を形成した場合、光反射膜の形成は省略してもよい。光反射面は、反射させるレーザ光のピーク波長に対する光反射率を99%以上とすることができる。これらの光反射率は100%以下あるいは100%未満とすることができる。保護素子160は、例えば、ツェナーダイオードである。ワイヤ150は、金属の配線である。

蓋部材170は下面と、上面と、側面とを有し、直方体の形状で構成され、全体として透光性である。なお、一部に非透光性の領域を有していてもよい。また、形状は直方体に限らなくて良い。蓋部材170は、サファイアを主材料に用いて形成することができる。また、一部の領域に金属膜が設けられる。サファイアは、比較的屈折率が高く、比較的強度も高い材料である。なお、主材料には、サファイアの他に、例えばガラス等を用いることもできる。

接着部180は、接着剤が固まって形成される。接着部180を形成する接着剤としては、紫外線硬化型の樹脂を用いることができる。紫外線硬化型の樹脂は加熱せずに比較的短い時間で硬化することができるため所望の位置にレンズ部材190を固定しやすい。

レンズ部材190は、下面と、側面と、側面と交わる上面と、を有する。また、レンズ部材190の上面は、レンズ形状を有するレンズ部191と、それ以外の非レンズ部192と、を有する。あるいは、レンズ部材190は、直方体の非レンズ部192の上面にレンズ形状のレンズ部191が配された形をしている。また、レンズ部材190の上面には、複数のレンズ部191が設けられる。この複数のレンズ部191は一体的に連結した形状で成形されている。レンズ部材190には、例えば、BK7、B270等のガラス等を用いることができる。

実装基板103は、下面と、側面と、上面とを有する。また、主材料が金属で構成され、その上に絶縁膜123と金属膜113が設けられる。実装基板103の上面には、この絶縁膜123及び金属膜113がそれぞれ露出した領域がある。金属としては、例えば、アルミニウムや銅を用いることができる。このような金属を用いることで、第1半導体レーザ素子121や第2半導体レーザ素子122から発生した熱に対し良好な放熱効果を得ることができる。つまり、実装基板103は放熱部材にもなり得る。

次に、これらの構成要素を用いて製造される発光装置100について説明する。 3つの半導体レーザ素子120が、サブマウント130を介して基部110の第1上面UAに配置される。また、サブマウント130は、それぞれの半導体レーザ素子120に対して別個に設けられている。なお、1つのサブマウント130の上面に複数の半導体レーザ素子120を配してもよい。また、サブマウント130を介さないで第1上面UAに直接半導体レーザ素子120を配置することもあり得る。

サブマウント130は、その下面で基部110の第1上面UAと接合し、その上面で半導体レーザ素子120と接合する。半導体レーザ素子120の出射端面が、サブマウント130の側面と揃うか、あるいは、突出するように、半導体レーザ素子120は配される。これにより、半導体レーザ素子120から放射された光がサブマウント130の上面に照射されないようにできる。また、サブマウント130の上面に、保護素子160が配される。

サブマウント130は、その熱伝導率が基部110の第1上面UAよりも高いものを用いると、ヒートスプレッダーとしてより高い効果を得ることができる。例えば、基部110の第1上面UAに窒化アルミニウムが用いられる場合、サブマウント130には、窒化アルミニウム、又は炭化ケイ素を用いることができる。なお、この場合のサブマウント130に用いる窒化アルミニウムは、基部110に用いる窒化アルミニウムよりも熱伝導率の高いものである。

また、サブマウント130は、3つの半導体レーザ素子120の間で、第1上面UAからの高さが同じになるように設計される。また、各半導体レーザ素子120の出射端面は、仮想的な1つの同じ平面上に配されるように設計される。なお、設計上は同じでも実装段階における部材公差や実装公差などによって誤差は生じる。発光装置100に関して、高さ、長さ、位置、相対的な位置関係などが同じというときは、このような誤差は許容範囲を含まれるものとする。

光反射部材140は、基部110の第1上面UAに配される。それぞれの半導体レーザ素子120に対応して、別個に光反射部材140が配されている。また、3つの半導体レーザ素子120の間で、各半導体レーザ素子120の出射端面と対応する光反射部材140との間の距離は同じになるように設計される。また、3つの半導体レーザ素子120のいずれも、光反射部材140によって反射された中心光は、第1上面UAに対して垂直な方向に進行する。なお、複数の半導体レーザ素子120に対応して1つの光反射部材140を配してもよい。

半導体レーザ素子120から放射された光の主要部分は、対応する光反射部材140の光反射面に照射される。光反射部材140を介することで、光反射部材140を介在させない場合と比べて半導体レーザ素子120から放射された光の光路長を長くできる。光路長が長い方が光反射部材140と半導体レーザ素子120との実装ずれによる影響を小さくすることができる。

段差部の上面(第3上面UC)に設けられた金属膜111には、複数のワイヤ150の一端が接合される。複数のワイヤ150の他端はそれぞれ半導体レーザ素子120か保護素子160かサブマウント130の上面に設けられた金属膜に接合される。これにより半導体レーザ素子120及び保護素子160は、基部110の下面に設けられた金属膜111を介して電気的に接続される。

半導体レーザ素子120から放射され光軸を通る光の進行方向の先にある基部110の内側面ISには、段差部は設けられない。この内側面ISに段差部を設けてワイヤ150を張ると、ワイヤ150が光反射部材140を跨ぐようになり、反射光の光路上でワイヤ150が邪魔になるため、電気的な接続を図るための段差部は設けられていない。段差部を内側面の全周に亘って設けないことで、基部110のサイズを小型化することができる。

蓋部材170は、その下面において、基部110の第2上面UBと接合する。蓋部材170と基部110は、接合される領域に金属膜が設けられ、Au−Sn等を介して固定される。基部110と蓋部材170とが接合することで閉空間が形成される。この閉空間は気密封止された空間となる。このように気密封止することで、半導体レーザ素子120の光の出射端面に有機物等が集塵することを抑制することができる。

光反射部材140の光反射面により反射された反射光は蓋部材170に入射する。蓋部材170は、少なくとも主要部分の光の反射光が入射してから出射するまでの領域が透光性となるように設計される。ここで、透光性とは、光に対する透過率が80%以上であることとする。

接着部180は、蓋部材170の上面において、蓋部材170とレンズ部材190とを接着する領域に形成される。接着部180は、蓋部材170の上面とレンズ部材190の下面とに接着剤が付いた状態で接着剤を硬化することで形成される。このとき、接着部180は、蓋部材170とレンズ部材190が接触しないように形成される。このように接着部180に厚みを持たせることで、位置や高さを調整した上で、レンズ部材190を蓋部材170に接合することができる。また、接着部180は、半導体レーザ素子120から発せられた光の光路上に設けられないように形成する。そのため、好ましくはレンズ部材190の外縁に形成される。

レンズ部材190は、接着部180を介して蓋部材170と接合し、蓋部材170の上に配置される。レンズ部材190におけるレンズ部191の数は、基部110に配された半導体レーザ素子120の数と同じである。従って、3つの半導体レーザ素子120が配されれば、レンズ部材190には3つのレンズ部191が一体的に連結した形状で設けられる。

また、1つの半導体レーザ素子120と1つのレンズ部191が対応する。各レンズ部191は、対応する半導体レーザ素子120から放射された主要部分の光のうち光反射部材140により反射された反射光が、レンズ部191を通過してコリメートされるように、その配置及び形状が設計される。

発光装置100は、下面に設けられた対の金属膜111が、実装基板103の金属膜113と接合する。発光装置100と実装基板103との接合は、はんだ付けによって行うことが出来る。発光装置100の下面における金属膜111と、実装基板103の金属膜113と、の接合により、発光装置100を実装基板103に固定するときのセルフアライメントを働かせている。

このような発光装置100によって、赤色、青色、及び、緑色のコリメート光が発光装置100の外に出射される。また、これらのコリメート光は、実装基板103の上面、あるいは、基部110の第1上面UAに対して垂直な方向に進行する。また、3つの半導体レーザ素子120は、その中心光が出射端面から同じ方向に進むことから、出射端面から放射された時点、及び、レンズ部材190を通過した時点で、第1半導体レーザ素子121から放射された光と、第2半導体レーザ素子122から放射された光とでは、偏光方向が90度異なっている。例えば、片方がp偏光であれば、もう片方はs偏光であるといった関係が生じることになる。

また、発光装置100は実装基板103に接合され、発光ユニット10として、投影装置1に組み込まれるが、このとき、3つの半導体レーザ素子120のうち第1半導体レーザ素子121が、PBS40までの光路長が最も短くなるように配置される。別の観点では、マルチエミッターの第1半導体レーザ素子121の方が、シングルエミッターの第2半導体レーザ素子122よりも、PBS40までの光路長が短くなるように配置される。

マルチエミッターの場合、各エミッターからレーザ光が放射される。それぞれのエミッターからの中心光が1つのレンズ部191の異なる点を通過する。レンズ部191を通過した中心光はその後、互いに近付きある点で交わる。そのようにして交差した後は、互いに離れていく。つまり、マルチエミッターの第1半導体レーザ素子121から放射された光は、公差後は光路長が長くなるほど互いの中心光の間の距離が離れる。従って、第1半導体レーザ素子121のPBS40までの光路長が第2半導体レーザ素子122のそれよりも短くなるように配置することで、拡がりを抑えることができる。

以上、本発明が適用される一つの実施形態を開示したが、本発明はこの実施形態に限らず適用され得るものである。例えば、実施形態に係る投影装置1において示された光学構成の一部あるいは全部を利用することで、複数の発光ユニットのそれぞれから出射された光を合成する合成装置を構築することができる。合成装置は、複数の発光ユニットと、複数の発光装置からの出射光を合成する合成ユニットと、で構成される。

また、発光ユニットは、少なくとも発光装置を有し、合成ユニットは、少なくとも偏光制御部材及び合成部材を有する。また、合成ユニットは、実施形態に係る投影装置1において示された、ダイクロイックミラー200、波長板201、ミラー30、PBS40、レンズ50、DMD60、プリズム70、投影ユニット80の一部あるいは全部で構成されることができる。従って、合成装置は、投影装置1としての合成装置に限らず、光を制御する種々の装置に適用することが可能である。

また、技術的特徴を有する投影装置は、実施形態において開示された投影装置1の構造に限られるわけではない。例えば、実施形態に開示のない構成要素を有する投影装置であっても本発明は適用され得るものであり、実施形態の投影装置1と違いがあることは本発明を適用できないことの根拠とはならない。

このことはつまり、本発明が、実施形態により開示された投影装置1の全ての構成要素を必要十分に備えることを必須とせずに、適用され得ることを示す。例えば、特許請求の範囲に、実施形態により開示された投影装置1の構成要素の一部が記載されていなかった場合、その一部の構成要素については、代替、省略、形状の変形、材料の変更などの当業者による設計の自由度を認め、その上で特許請求の範囲に記載された発明が適用されることを請求するものである。

各実施形態に記載の合成装置は、プロジェクタ、車載ヘッドライト、照明、ディスプレイのバックライト等に使用することができる。

1 投影装置 10 発光ユニット 11 第1発光ユニット 12 第2発光ユニット 100 発光装置 101 第1発光装置 102 第2発光装置 110 基部 111 金属膜 120 半導体レーザ素子 121 第1半導体レーザ素子 122 第2半導体レーザ素子 130 サブマウント 140 光反射部材 150 ワイヤ 160 保護素子 170 蓋部材 180 接着部 190 レンズ部材 191 レンズ部 192 非レンズ部 103 実装基板 113 金属膜 123 絶縁膜 20 偏光制御部材 21 第1偏光制御部材 22 第2偏光制御部材 200 ダイクロイックミラー 201 波長板 30 ミラー 40 PBS 50 レンズ 51 拡散レンズ51 52 コリメートレンズ 53 レンズアレイ 54 重畳レンズ 60 DMD 70 プリズム 80 投影ユニット