CN1883087A - 激光光源和二维图像形成装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种激光光源和二维图像形成装置。该激光光源(10)具有：多个半导体激光器(1)；以及传输来自上述多个半导体激光器(1)的出射光的波导管(3)，且以来自上述多个半导体激光器的出射光(4)从上述波导管的一端面(31)入射到上述波导管内、从上述波导管的另一个端面(32)射出的方式，把上述多个半导体激光器配置在上述波导管的入射面(31)侧上端。由此，可以实现高输出、且能输出具有均匀的出射光强度分布的出射光的小型的激光光源。

Description

激光光源和二维图像形成装置
技术领域
本发明涉及激光光源和二维图像形成装置，特别涉及高输出且具有均匀的出射光强度分布的激光光源、和使用了该激光光源的二维图像形成装置。
背景技术
迄今为止，激光光源的用途的主流是计测、光通信、光盘等利用激光的聚光特性和高相干性的用途。然而，激光光源的研究和开发异常显著，以半导体激光器为代表的小型高输出激光器也正在进入实用化，虽然输出波长受到限制，但在半导体激光器中，例如，在多模式半导体激光器中也有达到数W级的输出的。
随着这样的激光光源的小型化和高输出化，使用小型且高输出的激光光源的应用的开拓和装置的开发正在日益活跃。
高输出光源，被期待应用于图像显示装置、照明装置、半导体曝光装置等广泛的用途，特别是高输出激光光源，正在摸索有效利用其单色性，例如，实现利用RGB三原色的高输出激光器的激光显示器的高色纯度鲜明图像。另外，也期待将小型且高输出的激光光源应用于低功耗长寿命的照明光源中。而且，上述高输出激光光源也应用于激光加工，利用该高输出的激光器的微细形状加工正在实用化。
使用了这样的高输出激光光源的应用，除了利用激光的单色特性和高输出特性，对均匀的断面光强度分布的要求也很高，过去就存在满足此要求的方法。
例如，在专利文献1和专利文献2中，公开了使用称为均化器的光量均匀化器件和光学系统，使来自具有高斯光强度分布的激光光源的输出光成形为其光强度分布均匀的方法。另外，在专利文献3和专利文献4中，公开了使用称为光学积分器(integrator)的光学器件与上述同样地使来自激光光源的输出光成形。
专利文献1：日本专利申请特开平07-306304号公报
专利文献2：日本专利第3410813号公报
专利文献3：日本专利申请特开2002-40327号公报
专利文献4：日本专利申请特开2003-57514号公报
发明内容
(发明要解决的问题)
然而，在现有的专利文献1～3所示的方法中，由于必须在来自激光光源的输出光入射到光学器件和光学系统之前将其断面积适当扩大，存在使包含激光光源的光学系统复杂化，装置面积规模大的问题。此外，在将激光光源发出的输出光的断面积扩大之后入射到光学器件的场合，由于切掉该输出光的光束的外周部，存在产生光量损失的问题。
此外，在专利文献4所示的方法中，不需要扩大上述输出光的断面积，但为了使来自该激光光源的输出光的光强度均匀化后输出，必须使杆状光学积分器的光传输方向的长度加长，其结果，存在装置面积大的问题。
另外，在使用干涉性高的激光光源作为光源的场合，从上述那样的使光量均匀化的光学器件出射的光，会产生称为斑纹噪声(speckle noise)的激光特有的微细的干涉图样引起的微细的斑状的噪声。作为消除此斑纹噪声的方法，迄今为止采用使屏幕振动的方法和透过扩散板对激光在时间空间上赋予随机相位的方法。然而，在使屏幕振动的方法中存在屏幕不能固定的问题，而在使用扩散板等的方法中存在在图像投影中使用的光量降低的同时、装置面积变大的问题。
本发明正是为解决上述问题而完成的，其目的在于提供出射光的强度分布均匀的、小型且高输出的激光光源、和使用了该激光光源的二维图像形成装置。
(解决问题的手段)
为解决上述问题，在本发明的方案1(对应于权利要求1，下同)中记述的激光光源，包括：多个半导体激光器；以及传输光的波导管，且入射到上述波导管内的、从上述多个半导体激光器射出的多个激光在该波导管内传输且从其一端面向外部射出。
由此，可以实现高输出、且能输出具有均匀的发射光强度分布的出射光的小型的激光光源。
另外，在本发明的方案2中记述的激光光源是，在方案1中记述的激光光源中，上述多个半导体激光器在该各半导体激光器的出射光的展角小的方向上并列配置。
由此，可以更加缩短激光光源的光传输方向的长度，其结果，可以使激光光源更加小型化。
另外，在本发明的方案3中记述的激光光源是，在方案1中记述的激光光源中，从上述波导管的光出射端面到最近的光入射位置的长度L满足以下关系式(1)：
L≥W/tan(sin-1(sin(θ/2)/n))        ...(1)
W：上述波导管的宽度
n：上述波导管内部的折射率
θ：上述半导体激光器具有的最小光束展角。
由此，可以使具有均匀的出射光强度分布的激光光源的光传输方向的长度成为必需的最小极限，可以使输出具有均匀的出射光强度分布的出射光的激光光源尽可能地小。
另外，在本发明的方案4中记述的激光光源是，在方案1中记述的激光光源中，上述波导管具有其断面面积相对于光传输方向变化的台阶部分，上述多个半导体激光器配置在该台阶部分上。
由此，无需支撑部件就可以容易地在波导管上配置上述多个半导体激光器。
另外，在本发明的方案5中记述的激光光源是，在方案4中记述的激光光源中，上述台阶部分为多个。
由此，无需支撑部件也可以容易地在波导管上配置上述多个半导体激光器，而且，可以更加促进激光的强度分布的均匀化，提供更加紧凑的激光光源。
另外，在本发明的方案6中记述的激光光源是，在方案1中记述的激光光源中，在上述半导体激光器的出射光的展角小的方向上并列的一列半导体激光器和其它列的半导体激光器在光的出射方向上错开配置。
由此，可以在各半导体激光器出射激光时使该半导体激光器具有的热散热，获得激光输出稳定且寿命长的激光光源。
在本发明的方案7中记述的激光光源是，在方案6中记述的激光光源中，上述波导管具有其断面面积相对于光传输方向呈阶梯状变化的阶梯状部分，上述半导体激光器配置在该阶梯状的各台阶部分上。
由此，充分确保了各半导体激光器的与外部大气相接的散热面，并且来自各半导体激光器的全部入射激光在波导管的侧面被反射，可以在波导管内有效地传输入射到波导管的激光光量的大部分。
另外，在本发明的方案8中记述的激光光源是，在方案1中记述的激光光源中，上述多个半导体激光器包含振荡波长互不相同的至少两个半导体激光器，上述振荡波长不同的半导体激光器的最大振荡波长差A≥1nm，A为实数。
由此，可以减小以半导体激光器为主要原因的观测到的斑纹图样的相关性，可以降低激光光源特有的斑纹噪声。
另外，在本发明的方案9中记述的激光光源是，在方案8中记述的激光光源中，上述多个半导体激光器包含振荡波长互不相同的至少三个半导体激光器，相邻的振荡波长的间隔是实质上恒定的。
由此，可以更有效地降低激光光源特有的斑纹噪声。
另外，在本发明的方案10中记述的激光光源是，在方案8中记述的激光光源中，上述最大振荡波长差A为1nm≤A≤30nm。
由此，可以同时获得降低斑纹噪声的效果和提高红、蓝、绿各色的颜色纯度的效果。
另外，在本发明的方案11中记述的激光光源是，在方案1中记述的激光光源中，上述各半导体激光器的输出光强度大致均匀。
由此，可以获得降低斑纹噪声的效果。
另外，在本发明的方案12中记述的激光光源是，在方案1中记述的半导体激光器中，上述多个半导体激光器由多条带激光器构成。
由此，可以简单地提高激光光源的光输出。
另外，在本发明的方案13中记述的激光光源是，在方案1中记述的激光光源中，上述多个半导体激光器由多堆叠激光器构成。
由此，可以简单地提高激光光源的光输出。
另外，在本发明的方案14中记述的激光光源是，在方案1中记述的激光光源中，上述多个半导体激光器配置成构成至少一个激光器阵列。
由此，可以容易地控制从各半导体激光器射出的激光的出射位置和相邻半导体激光器的间隔，其结果，可以使高输出激光光源的制作工艺变得容易。
另外，在本发明的方案15中记述的激光光源是，在方案1中记述的激光光源中，上述波导管具有中空结构，在该中空部分中封入了液体。
由此，可以在各半导体激光器射出激光时使产生的热有效地散热，获得激光输出稳定且寿命长的激光光源。
另外，在本发明的方案16中记述的激光光源是，在方案15中记述的激光光源中，具有与上述波导管连接、使封入到该波导管的中空部分中的液体循环的冷却机构；利用该冷却机构进行上述多个半导体激光器的冷却。
由此，可以使各半导体激光器射出激光时产生的热更有效地散热。
本发明的方案17中记述的二维图像形成装置，具有：多个半导体激光器、对来自上述激光光源的输出光进行调制的空间光调制器、和使从上述激光光源射出的输出光对上述空间光调制器进行照明的照明光学系统，上述激光光源具有：多个半导体激光器；以及传输光的波导管，且入射到上述波导管内的、从上述多个半导体激光器射出的多个激光在该波导管内传输且从其一端面向外部射出。
由此，可以实现小型的二维图像形成装置。
另外，在本发明的方案18中记述的二维图像形成装置是，在方案17中记述的二维图像形成装置中，具有：对来自上述空间光调制器件的输出光进行投射的投射光学系统。
由此，可以实现小型的二维图像形成装置。
(发明的效果)
根据本发明的激光光源，由于具有多个半导体激光器和传输光的波导管，从上述多个半导体激光器射出的光在上述波导管内混合输出，所以可以实现高输出、且能输出具有均匀的出射光强度分布的出射光的小型的激光光源。
另外，由于在上述波导管上设有切口部，构成为在该切口部上配置上述多个半导体激光器，所以在无需支撑部件就能容易地把各半导体激光器设置在上述波导管上的同时，还具有使该结构更加紧凑的效果。
另外，由于把构成激光光源的多个半导体激光器配置成，相邻的半导体激光器相互之间的位置在光传输方向上错开，所以可以使高输出激光光源具有充分的散热功能，获得实现光源输出稳定性和长寿命化的效果。
另外，由于构成为，构成激光光源的半导体激光器的输出波长在特定的波长范围内以适当的间隔分布，具有可以降低干涉性高的激光光源中产生的斑纹噪声的效果。
而且，由于波导管采用中空盒(cell)结构，在该盒内封入适当的液体，可以借助于波导管使射出激光时产生的热更有效地散热。另外，通过使用与上述中空盒结构的波导管连接的冷却装置，使该盒内的液体循环，可以更有效地冷却高输出激光器和波导管，可实现光源输出的稳定化和长寿命化。
附图说明
图1是说明根据本发明的实施方式1的激光光源的立体图(图(a))和断面图(图(b))。
图2是说明上述实施方式1的激光光源的动作的图，示意地展示了从该激光光源发出的多个激光的光强度分布。
图3是说明上述实施方式1的激光光源的动作的图，以几何光学方式展示了在波导管内传输的激光。
图4是说明上述实施方式1的激光光源的动作的图，与激光的自由空间中的光强度分布的变化(图(a))进行对比，示出在波导管内的激光的光强度分布的均匀化(图(b)、图(c))。
图5是具体地说明在上述实施方式1的激光光源的波导管内传输激光的传输光路的图。
图6是展示在上述实施方式1的激光光源上追加了激光器阵列的例子的立体图。
图7是展示夹有间隔地配置构成把上述实施方式1的激光光源的多个半导体激光器的例子的立体图。
图8是说明根据本发明的实施方式2的激光光源的立体图(图(a))和断面图(图(b))。
图9是说明根据本发明的实施方式3的激光光源的立体图(图(a))和断面图(图(b))。
图10是以几何光学方式展示在上述实施方式3的激光光源的波导管内传输的激光的传输光路的图。
图11是说明根据本发明的实施方式4的激光光源的立体图。
图12是说明根据本发明的实施方式5的激光光源的图，展示了激光光源和驱动它的驱动部。
图13是说明上述实施方式5的激光光源的动作的图。
图14是说明根据本发明的实施方式6的照明装置的图。
图15是说明根据本发明的实施方式7的二维图像形成装置的图。
(附图标记说明)
1  半导体激光器
1a、L1、L2  激光
2、2a、2b、22a、22b、32a～32g、52  激光器阵列
3、40、53  波导管
4  出射光
5a、5b  棱镜
11  驱动部
31  入射侧端面
32、42  出射面
33  反射膜
34  切口部
54  液体
101、101a、101b、102、103、104、105  激光光源
160  照明装置
162  液晶屏
163  透镜
170  二维图像形成装置
171  投影透镜
172  屏幕
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
在本实施方式1中说明使用半导体激光器和波导管的、高输出、且输出断面强度分布被均匀化了的出射光的小型的激光光源。
图1为说明本实施方式1的激光光源101的图，图1(a)为立体图，图1(b)为断面图。
图1所示的激光光源101具有：由多个半导体激光器1构成的激光器阵列2、以及传输从该各半导体激光器射出的激光1a的由例如玻璃材料构成的透明的波导管3。上述波导管3具有大致为长方体的形状，具有把成为波导管3的激光入射部的、上述波导管3的背面31侧的上端部切割而形成的、能配置上述半导体激光器2的切口部34。
在此，上述波导管3具有使来自上述各半导体激光器1的激光射出的出射面32，在除了该出射面32和其相反侧的光入射侧端面即背面31以外的四个侧面的、除在上述背面31的上端设置的切口部34以外的部分上，形成把入射到上述波导管3内的光封闭的反射膜33。该反射膜33是例如由铝材料等构成的金属膜。
然后，在上述波导管3的背面31侧的上端部形成的切口部34上，把构成上述激光器阵列2的多个半导体激光器沿该背面上端排列成一列。
图中，4是从波导管射出的出射激光，X方向是波导管3的上下方向，Y方向是上述半导体激光器1的排列方向即波导管的宽度方向，Z方向是波导管内的光传输的光传输方向。
下面说明作用效果。
首先，对使用半导体激光器和波导管，可以实现高输出、且出射光的断面强度分布被均匀化了的激光光源这一点进行说明。
从构成激光器阵列2的半导体激光器1射出的激光被入射到波导管3。入射的激光一边在波导管内反复全反射一边传输，成为出射光4从波导管3射出。这时，入射到波导管3的激光在射出半导体激光器1的时刻分别具有高斯分布的断面光强度分布，但一边多重反射一边在波导管内传输时，断面光强度分布被均匀化。即，通过把从各半导体激光器1射出的多个激光混合，在波导管3的与光传输方向垂直的面内看到的光强度分布，随着在光传输方向上从光入射端面越来越远，在面内慢慢地均匀化。
因此，通过把波导管3的光传输方向上的长度设定成适当的值，可以在出射端面上得到均匀的断面光强度。
图2示意地展示了来自激光器阵列的多个激光随着在波导管内传输被混合的状态。
如图2所示，在波导管内的区域3a中，从激光器阵列2中的多个半导体激光器1射出的多个激光1a在波导管内传输的同时被混合，光强度分布被均匀化。
即，在波导管内的离激光器阵列2近的与光传输方向Z垂直的面内A中，从各半导体激光器输出的激光不混合，但在离激光器阵列2远的与光传输方向Z垂直的面内B中，由于来自相邻的半导体激光器的出射光的混合而光强度分布稍微均匀化，而在离激光器阵列2更远的与光传输方向Z垂直的面内C中，由于来自相邻的半导体激光器的输出光的混合而光强度分布更加均匀化。图2中，为了简化说明，没有考虑波导管的侧面上的激光的反射。
这样，从多个半导体激光器输出的激光的强度分布，在波导管内传输的同时被均匀化。
另外，在图2的说明中，虽然未考虑波导管侧面上的激光的反射，但是如果例如使波导管的宽度(Y方向的尺寸)与激光器阵列2的宽度为同等程度，由于到达波导管侧面的激光被全反射，波导管内的光强度分布成为在波导管的侧面上折返的分布，来自各半导体激光器的激光的混合更加复杂化并被促进。
另外，在制作器件和使用该器件的观点看，尽可能地紧凑的激光光源是优选的，为此，波导管3的长度尽可能地短是优选的。于是，以下，对可以以尽可能地短的距离实现光强度的均匀化的波导管3的长度进行描述。
如前所述，在本实施方式1的激光光源101中，由于上述波导管3的光传输方向(Z方向)的长度是决定激光光源101的大小的主要原因，尽可能地减短光传输方向的长度是必须的。
图3是以几何光学方式展示来自单一的半导体激光器1的出射光1a在波导管3内传输的传输光路的图。在此，为了简化说明，展示单一的半导体激光器1的出射光在波导管内传输的状态。
图3中，θ1是在波导管3内的激光1a的展角，由光强度分布的半值全角表示。另外，W为激光扩展方向的波导管3的宽度，L为从激光的入射面到波导管3的出射面的长度。
如果从半导体激光器射出的激光1a入射到波导管3，则由波导管3的侧面反射入射光的一部分。所以，在波导管3内部的区域中，可观测到自由空间中的光强度分布在波导管3的侧壁折返并重叠的光强度分布。
图4为说明由于在这样的波导管侧面中的激光的反射使光强度分布均匀化的状态的图。
图4(a)示出在激光在自由空间中的传输的场合的强度分布，图4(b)示出激光在波导管内传输的场合在波导管侧壁中的光强度分布的重叠状态，而图4(c)示出利用上述光强度分布的重叠得到的光强度分布。另外，在图4中，1是半导体激光器，3是由折射率为n的透明材料构成的波导管。另外，θ3表示在折射率为n的波导管3内的激光的展角，而θ2表示自由空间中的半导体激光的展角。
如图4(a)所示，在自由空间中传输的来自半导体激光器1的出射光，在传输的同时以展角θ2扩展。这样，在自由空间中，来自半导体激光器1的出射光的空间扩展增大，但其强度分布不改变，其断面强度分布继续维持高斯分布型的强度分布。
即，在半导体激光器1附近的与光传输方向垂直的面内D、离开半导体激光器1的与传输方向垂直的面内F和位于这些之间的与光传输方向垂直的面内E中，任何光强度分布都是高斯分布。
另一方面，如图4(b)、(c)所示，在波导管3内传输的来自半导体激光器1的出射光在该波导管3的侧面上发生全反射。在此场合，入射到折射率n的波导管3内的激光的展角θ3为：
θ3＝2×sin-1((sin(θ2/2))/n)
其中在设波导管3的宽度为W时，当入射到该波导管3的光束到达距入射面的距离为W/(2×tan(sin-1(sin(θ2/2)/n)))的位置时，其光强度分布的一部分开始受到波导管3的侧面的反射。于是，当入射的光束越过此位置时，反射的光的强度分布缓慢增大，一直到到达波导管3的出射面32为止，如图4(a)所示，可观测到光在自由空间中传输的场合的光强度分布在与波导管的侧壁相当的部分折返并重叠的光强度分布(图4(b))。
此时，为了使实质的断面光强度(图4(c))变为足够均匀，例如，越是将波导管3的长度取得足够长，增加全反射次数越好。然而，从器件的制作和使用的观点考虑，优选是尽可能紧凑的激光光源。
于是，对于使波导管3内的激光的光强度分布均匀化而必需的波导管的长度L进行分析时，可知在至少满足以下所示的(式1)的条件时，使光强度分布均匀化。
L≥W/tan(sin-1(sin(θ3/2)/n))    ...(式1)
θ3：激光出射光的展角
n：波导管内部的折射率
W：波导管宽度。
另外，不仅上述的波导管3的光传输方向的长度，激光器阵列相对于波导管3的配置方式也对装置的小型化有影响。在此，在例如一般的半导体激光器(AIGaAs系或AlGaInP系、GaN系等)中，出射光的长宽比和展角不同，垂直方向(图1中是X方向)的展角大。因此例如在使用了断面长宽比约为1的波导管时，对于展角大的方向为了使断面光强度分布均匀化必需的导波距离短，而对于展角小的方向其距离必须加长。于是，例如如图1所示，具体地，通过把多个半导体激光器在展角小的方向(Y方向)上并排配置构成激光器阵列2，可以使从多个半导体激光器振荡的激光在与X方向垂直的面内的混合变得容易，可以以非常短的距离使出射光4的断面光强度分布均匀化。
但是，在本实施方式1中由于在波导管3内部配置半导体激光器1，该(式1)中所示的值L，如图5所示，相当于从半导体激光器1射出的激光的波导管3内的入射位置Lp到波导管3的出射面33的距离。
下面说明本实施方式1的激光光源101的制作工艺。
利用半导体工艺制作激光器阵列2。如果这样，可以容易地控制从各半导体激光器射出的激光的出射位置、以及相邻半导体激光器1的间隔。
波导管3，准备明确了上述的厚度方向X、宽度方向Y、光传输方向Z各自的长度条件的石英玻璃，对该石英玻璃利用高精度机械加工工艺和研磨工艺切割波导管3的与光传输方向垂直的一方的端面侧的上端部，形成能装入激光器阵列2的切口部34。另外，上述的波导管3的加工也可以用干蚀刻高精度地进行。
然后，在波导管3的加工成的切口部34上用例如树脂或接合剂(binder)粘接接合激光器阵列2。
另外，在波导管3对在其内部传输的传输光满足全反射条件时，也可以没有上述反射膜33，此时也能实现低损失光传输。
像以上这样，根据本实施方式1，由于在激光光源101中具有：把多个高输出半导体激光器1配置成一列而成的激光器阵列2、以及传输从该各半导体激光器1射出的激光的波导管3，所以可以以高输出输出其断面光强度均匀化了的激光。
另外，根据本实施方式1，由于把多个半导体激光器1在该出射光的展角小的方向上排列而构成激光器阵列2，因此在半导体激光器的排列方向上根据相邻的半导体激光器的出射光的混合使光强度分布均匀化。其结果，可以减小出射激光的强度分布的均匀化所需的波导管3的光传输方向的长度，可以使激光光源101更加小型化。
另外，根据本实施方式1，通过将波导管3内的折射率n、波导管3的宽度W、激光的展角θ、以及从波导管3的光入射面到光出射面32的长度L设定成满足关系式L≥W/tan(sin-1sin(θ/2)/n))，可以实现使出射光4的光强度分布均匀化了的紧凑的激光光源101。
在本实施方式1中虽然展示了具有一个激光器阵列的激光光源，但激光光源中的激光器阵列的结构和配置并不限于上述实施方式1的情形。
图6是说明实施方式1的激光光源的另一例的图。
图6所示的激光光源101a，是在实施方式1的激光光源101中，在波导管的背面侧下端部也设置与位于背面侧上端部的激光器阵列2相对置的切口部34a，在该背面侧下端部的切口部34a上配置另一激光器阵列2a。
这样的激光光源101a中，从位于波导管3的背面31侧的上下两个激光器阵列输出的激光在波导管内被混合，与图1所示的只有一个激光器阵列的激光光源101相比，更加促进激光的强度分布的均匀化。其结果，可以使激光光源101a的波导管3的长度比实施方式1的激光光源101更短。
图7是展示实施方式1的激光光源的又一例的图。
图7所示的激光光源101b中，取代实施方式1的激光光源101的激光器阵列2，而具有使半导体激光器1等间隔地分离而排列成的激光器阵列2b。
在这样的激光光源101b中也是，从构成激光器阵列的多个半导体激光器输出的激光在波导管内被混合，可以实现激光光源中的高输出和光强度分布的均匀化。
另外，在本实施方式1中，虽然没有具体地记载构成激光器阵列2的多个半导体激光器1的配置间隔和个数，但通过调整配置间隔或个数，可以自由地设计波导管3的出射端面的长宽比和出射光强度。
例如，实施方式1的激光光源也可以是，作为构成其激光器阵列的半导体激光器，具有在一个激光器芯片中有多个发光点的多条带激光器或半导体激光器部被配置成层叠状的多层叠激光器等的激光光源。
另外，在本实施方式1中，虽然举例说明了沿波导管3的背面31侧的端面设置了一个或多个切口部34的场合，但设置切口部的位置并不限于背面上端部。
而且，本发明的激光光源并不限于象上述实施方式1中说明的那样，在波导管3的一部分上形成切口部34来配置上述激光器阵列2。例如，上述激光光源也可以不形成波导管3的切口部34，把激光器阵列2配置成其激光出射端面与波导管3的背面31相对置。但是这时，必须有支撑上述激光器阵列2的部件。另外，上述激光光源也可以是在波导管3的上面或下面配置上述激光器阵列2。
(实施方式2)
图8为说明根据本发明的实施方式2的激光光源的图，图8(a)为展示激光光源的立体图，图8(b)为断面图。
该实施方式2的激光光源102具有：由多个半导体激光器1构成的第1和第2激光器阵列22a和22b；传输从该各半导体激光器射出的激光的由例如玻璃材料构成的透明的波导管3；以及把从该各激光器阵列的半导体激光器1输出的激光导入到上述波导管3内的第1和第2棱镜5a、5b。
上述波导管3具有大致为长方体的形状，在除了使来自上述各半导体激光器1的激光射出的出射面32和与出射面32相反侧的端面即背面31以外的四个侧面的、除配置了激光器阵列22a、22b和棱镜5a、5b以外的部分上，形成把入射到上述波导管3内的光封闭的反射膜33。
另外，上述第1激光器阵列22a在上述波导管3的上表面上沿其背面31侧上端配置，上述第2激光器阵列22b在上述波导管3的下表面上沿其背面31侧下端配置。上述棱镜5a配置在波导管3的上表面上的激光器阵列22a的光出射面侧，来自该激光器阵列22a的各激光被该棱镜5a反射而入射到波导管3内部。上述棱镜5b配置在波导管3的下表面上的激光器阵列22b的光出射面侧，来自该激光器阵列22b的各激光被该棱镜5b反射而入射到波导管3内部。
在这样构成的实施方式2的激光光源102中，由于在波导管的上表面和下表面上配置激光器阵列22a、22b，从该激光器阵列22a、22b射出的激光被在各激光器阵列的出射面侧配置的棱镜5a、5b反射而导入波导管3内，所以无须在波导管中通过波导管3的加工形成用来埋入激光器阵列2的空间，激光光源102的制作变得简单。
另外，在本实施方式2中，举例说明了沿波导管3的背面31上端配置激光器阵列22和棱镜的场合，但配置该激光器阵列22和棱镜5的位置并不限于波导管3的背面上端，只要是可以把来自激光器阵列22的出射光导入波导管3内的位置即可。
另外，在上述各实施方式的说明中，展示了在波导管3的除光出射面32和与该出射面平行的面31以外的面上形成反射膜33的场合，但在波导管3对在其内部传输的传输光满足全反射条件时，即使没有上述反射膜33也可以，此时也能实现低损失光传输。
另外，在上述实施方式中，虽然展示了具有一个或两个激光器阵列的激光光源，但上述激光光源也可以具有三个或更多个激光器阵列，通过具有多个激光器阵列可以实现激光光源的高输出化。而且，这时，也可以与波导管的背面侧整个表面相对置地层叠配置多个激光器阵列。
但是，此时，由于激光器阵列2在射出激光时产生高热，从光源的输出稳定性和寿命的观点来看，激光出射时的散热是重要的问题。
于是，下面说明解决这样的散热问题的本发明的实施方式3的激光光源。
(实施方式3)
图9为说明根据本发明的本实施方式3的激光光源的图，图9(a)为立体图，图9(b)为断面图。
该实施方式3的激光光源103具有：把多个半导体激光器1配置成一列而成的多个激光器阵列32a～32g、以及传输从该各半导体激光器1射出的激光的由例如玻璃材料构成的透明的波导管40。
在此，在具有大致长方体形状的波导管40的位于与光出射端面相反的一侧的光入射侧端部上设置上述激光器阵列32a～32g。另外，各激光器阵列32a～32g，以其激光出射面越靠近波导管的上端和下端则越靠近波导管40的光出射端面42的方式在光出射方向Z上错开呈阶梯状设置。即，在本实施方式中，将波导管40的光入射侧端部加工成使上述那样的各激光器阵列的光出射端面在光出射方向上错开配置的阶梯状。图中，43b～43g是在波导管40的光入射侧端部形成的阶梯状部分的各个台阶部分。
下面说明作用效果。
首先，说明本实施方式3中的激光光源103的高输出功能。如图9所示，本实施方式3的激光光源103，由于具有多个把多个高输出半导体激光器1配置成一列而成的激光器阵列，当然从该激光光源103射出的出射光4是比较高的输出。另外，在上述的本实施方式3中，由于波导管40的光出射端部的厚度在与波导管宽度方向垂直的面内呈阶梯状地变化，在该阶梯状部分上配置的一个激光器阵列的半导体激光器不会成为其它激光器阵列的半导体激光器1的阴影，来自各半导体激光器1的入射激光在波导管40的管壁上被全反射，不会产生光量的损失。因此，可以在波导管40内有效地传输入射到波导管40的激光的光量的几乎全部。
另外，关于本激光光源103的光强度分布的均匀化功能，像上述实施方式1中说明过的那样，波导管40的光传输方向上的长度越长，波导管40内的光的全反射次数越多，从上述多个半导体激光器1射出的激光的断面光强度在到达该波导管40的出射面42之前被充分地均匀化。
另外，波导管40的光传输方向的长度只要是上述实施方式1中所示的(式1)所示的值L，就可以使激光光源103小型化。但是，在本实施方式3中由于在波导管端面的阶梯状加工部分上设置多个激光器阵列，上述(式1)所示的值L，如图10所示，是从离波导管的光出射面42最近的半导体激光器的光出射面到波导管40的出射面42的长度。
另外，如上述实施方式1中说明过的那样，来自半导体激光器的出射光的展角大时光强度容易被均匀化，所以只要使光的展角小的方向的波导管40的尺寸(宽度)加大，使在该方向上配置的半导体激光器的个数增多，就可以以更短的距离使光强度均匀化。
另外，在本实施方式3中，如图9所示，由于在波导管40中安装多个激光器阵列32a～32g，在波导管40内传输的光增加，各光更容易混合。因此，与上述实施方式1相比，可以更加缩短波导管40的光传输方向上的长度。
下面，说明本激光光源103的散热功能。
半导体激光器1的散热，一般认为把该各半导体激光器1固定在硅底座等的使用了热传导性高的材料的散热基板上，以与半导体激光器1的活性层平行的面作为半导体激光器和散热基板的接触面是有效的。因此，为了进行更有效的散热，虽然优选为把半导体激光器的与X方向垂直的表面作为散热面，但在堆叠(stack)状地配置的激光器阵列的激光出射面位于大致为同一面时，散热状态差，不能有效地排除产生的热。
于是，如果如图9所示，把至少相邻的激光器阵列32a～32g的激光出射面位置在光传输方向上错开，露出各激光器阵列32a～32g的与X轴方向垂直的表面，则容易配置散热措施，可以更有效地排除产生的热。
在实验中，通过把一个激光器阵列和与其相邻的激光器阵列在波导管40的光传输方向上错开一定长度(在一般的高输出激光器中是几百微米～几毫米)，可以效率最高地散热，且可以实现紧凑的高输出激光光源。
当然，在本实施方式3中也是，与上述实施方式1同样地，也可以在上述波导管40的所有面中的除入射激光的入射面和射出该激光的出射面以外的四个面上，形成把入射到上述波导管40内的光封闭的反射膜43。该反射膜是例如由铝材料等构成的金属膜。
下面说明本实施方式3的激光光源103的制作工艺。
利用半导体工艺制作激光器阵列32a～32g。如果这样，可以容易地控制从各半导体激光器射出的激光的出射位置、以及相邻半导体激光器1的间隔。
波导管40，准备明确了上述的厚度方向X、宽度方向Y、光传输方向Z各自的长度条件的石英玻璃，对该石英玻璃利用高精度机械加工工艺和研磨工艺，如图9所示加工成其光入射侧端部的断面为阶梯状。
然后，在用反射膜覆盖波导管40的管壁时，在波导管40的除光入射面和光出射面42以外的面上形成铝等的金属膜。
然后，在波导管40的加工成的光入射侧端部用例如树脂或接合剂粘接接合激光器阵列32a～32g。
像以上这样，根据本实施方式3，由于在激光光源103中具有：把多个高输出半导体激光器1配置成一列而成的多个激光器阵列32a～32g、以及传输从该各半导体激光器1射出的激光的波导管40，所以可以提供能够以更高输出输出其断面光强度均匀化了的激光的激光光源。
另外，根据本实施方式3，由于上述多个激光器阵列32a～32g以相邻的激光器阵列不接触的方式沿光出射方向错开配置激光器阵列的光出射面，所以可以有效地排除从上述各半导体激光器1产生的热。而且，在上述各激光器阵列相对于相邻的激光器阵列错开的距离为激光器阵列的Z轴方向长度(在一般的高输出激光器中为几百微米～几毫米)时，可以实现效率最高、紧凑的高输出激光光源103。
另外，由于波导管40的光入射侧端部加工成阶梯状，在该阶梯状部分上配置多个激光器阵列32a～32g，所以任何一个激光器阵列的半导体激光器不会成为其它激光器阵列的半导体激光器1的阴影中，入射到波导管40的激光，几乎不会产生光量的损失，可以实现在波导管40内有效地传输的低损失激光光源。
另外，在本实施方式3中，虽然没有具体地记载构成激光器阵列的多个半导体激光器1的配置间隔和个数，但通过调整配置间隔或个数，可以自由地设计波导管40的出射端面的长宽比和出射光强度。
(实施方式4)
图11为说明根据本发明的实施方式4的激光光源的立体图。
该实施方式4的激光光源104具有：由多个半导体激光器1构成的激光器阵列52；传输从该各半导体激光器射出的激光的由例如玻璃材料构成的透明的波导管53；以及把从该各激光器阵列的半导体激光器1输出的激光导入到上述波导管53内的棱镜55。
在此，上述激光器阵列52，在具有大致长方体形状的波导管53的上表面上沿其背面侧上端配置。上述棱镜55配置在波导管53的上表面上的激光器阵列52的光出射面侧，反射来自该激光器阵列的各激光而导入波导管内部。而且，上述波导管53内部是中空结构，在该波导管53的内部封入在使用的半导体激光器1的波长区域中透明的液体。而且，波导管53和激光器阵列52以把由半导体激光器1产生的热有效地向波导管传导的方式、以粘接面上的热阻小的状态粘接起来。
在这样构成的激光光源104中，从激光器阵列的各半导体激光器输出的激光在波导管内一边反复反射一边传输，在波导管内来自各半导体激光器的激光有效地混合。因此可以得到可以使来自激光光源的出射光的断面光强度均匀化的激光光源104。
另外，在本实施方式4的激光光源104中，由于在波导管53的内部封入的液体对流，获得更加提高散热效率的效果。
在上述实施方式4中，激光光源104具有中空盒结构的波导管53且在波导管的内部封入了液体，但实施方式4的激光光源104也可以是具有内部封入了液体的中空结构的波导管53和与该波导管53直接连接、使其内部的液体循环来强制地冷却波导管53的冷却机构。此时，可以显著提高与波导管粘接的激光器阵列52的散热和冷却效率。
另外，使用中空结构的波导管、在波导管的内部封入了液体的激光光源并不限于实施方式4的激光光源，例如图1、图6、图7、图8或图9所示的激光光源的波导管也可以是具有中空结构且在内部封入了液体的波导管。
(实施方式5)
图12为说明根据本发明的实施方式5的激光光源的图。
该实施方式5的激光光源105具有：由多个半导体激光器1构成的激光器阵列2；传输从该各半导体激光器射出的激光的由例如玻璃材料构成的透明的波导管3；以及驱动上述激光器阵列的各半导体激光器1的驱动部11。
在此，上述波导管3和激光器阵列2与实施方式1中的相同。
而且，上述激光器驱动部11向各半导体激光器施加大小不同的驱动电流使得从上述激光器阵列2的各半导体激光器输出的激光的波长不同。
下面说明作用效果。
这样的构成的实施方式5的激光光源105，在确保高输出且均匀的断面光强度的同时可以除去激光光源特有的斑纹噪声，下面详细说明。
所谓斑纹噪声，指在例如用激光光源向屏幕进行图像投影时，激光被屏幕散射时，由于来自屏幕上的各部分的散射光彼此干涉而产生的微细的斑状的噪声。作为除去该斑纹噪声的方法，迄今已采用了振动屏幕的方法、透过扩散板向激光赋予在时间空间上随机的相位的方法。
但是，在振动屏幕的方法中，存在屏幕不能固定的问题，而在采用扩散板等的方法中，存在图像投影用的光量下降的问题。
本实施方式5的激光光源，通过在实施方式1的激光光源中控制构成激光器阵列的半导体激光器的振荡波长而解决了上述问题，下面对上述的振荡波长控制进行说明。
如上所述，斑纹噪声是在使用干涉性高的激光时产生的噪声，屏幕上的散射光相互间的干涉是其主要原因。因此，通过使来自光源的激光的相位在时间上、空间上随机地散乱，可以使因来自各光源的激光观察到的斑纹图样平均化，降低斑纹噪声。
于是，考虑在激光光源中，使用波长互不相同的多个激光来降低斑纹噪声的方法。
即，在屏幕上投射多个激光时，最终观察屏幕时得到的斑纹图样是各激光产生的斑纹图样的重合。而且如果激光的波长不同，则得到的斑纹图样不同。因此，在使用了具有不同波长的多个激光时，最终在屏幕上观察到的斑纹图样是使多个斑纹图样在空间上平均化得到的。另外，在各斑纹图样是相互独立(无相关性)地得到的时，可以有效地进行斑纹图样的平均化。
在观察上述的屏幕时看到的斑纹噪声，具体而言屏幕表面的凹凸各部中的反射激光的干涉是其原因。
在此，作为简单的例子，考虑振荡波长不同的两个激光产生的斑纹图样。
如图13所示，如果两个振荡波长不同的激光，被屏幕S的凸部Sa反射后的一个激光(振荡波长λ1)的相位、和被屏幕的凹部Sb反射后的另一个激光(振荡波长λ2)的相位之间的相位差大于等于1个波长；则在屏幕上显现出来的由这两个激光产生的斑纹图样可以呈相互之间相关性小的状态。
例如，考虑把具有λ1、λ2(λ2＝λ1+Δλ)的不同波长的两个激光照射到具有台阶差100μm的凹凸的一般的屏幕上的场合。
被屏幕表面的最跟前(凸部Sa)反射的波长λ1的激光和被屏幕表面的最里面(凹部Sb)反射的波长λ2的激光的光路差为200μm。因此，这时，只要两个激光的波长差Δλ满足(200/λ2)×Δλ≥λ1，被屏幕反射的波长不同的两个激光的相位差就是这些激光的大于等于1个波长的相位差。
在此，如果λ2＝470nm(蓝色的可见光)，从λ2＝λ1+Δλ可知Δλ≈1.1×10-3μm＝1.1nm。因此，只要两个激光的波长差Δλ大于等于1nm，则以各激光为主要原因的观察到的斑纹图样的相关性小，结果进行了斑纹图样的平均化。
而且，如果从空间上的斑纹图样的平均化的观点看，为了有效地进行平均化，构成激光器阵列的多个半导体激光器中，相邻的任意两个半导体激光器的振荡波长差也为相同程度是优选的。换言之，激光器阵列由3个半导体激光器构成时，这些半导体激光器的振荡波长在例如Anm(A为实数)的范围内不同时，相邻的的任意两个半导体激光器的振荡波长差为小于等于(A/2)nm是优选的。
一般地，在激光器阵列由N(N是≥3的整数)个半导体激光器构成时，相邻的半导体激光器的振荡波长差为约(A/(N-1))nm是优选的。
另外，由于相邻的半导体激光器的振荡波长差大时斑纹图样的相关性小，通过设为(A/(N-1))＞1nm，可以更有效地降低斑纹噪声。
另外，虽然各半导体激光器的输出强度大致均匀是优选的，但确认了只要以输出最高的为基准，其它半导体激光器具有至少≥50％的输出强度；就能得到充分的斑纹噪声降低效果。
而且，上述的半导体激光器的最大振荡波长差A≤30nm是优选的。这是因为，在把本激光光源作为例如图像显示装置的光源使用时，如果上述各半导体激光器的最大振荡波长差A≤30nm，则可以同时获得降低斑纹噪声的效果和提高红、蓝、绿各色的色纯度的效果。
如以上所述，根据本实施方式5，由于激光光源105具有：由多个半导体激光器1构成的激光器阵列2；传输从该各半导体激光器射出的激光的波导管3；以及驱动上述激光器阵列的各半导体激光器1的驱动部11，且上述驱动部11向各半导体激光器施加不同的驱动电流，使得从上述激光器阵列2的各半导体激光器输出的激光的波长不同，所以通过上述振荡波长不同的激光产生的不同的斑纹图样的重合，可以使在屏幕上显现的斑纹图样在空间上平均化，降低斑纹噪声。
在本实施方式5中虽然展示了驱动实施方式1的激光光源的多个半导体激光器以使各振荡波长不同的情形，但也可以驱动图6、7、8、9、11中的任一个所示的激光光源的半导体激光器以使各振荡波长不同，这时也获得与实施方式5同样的效果。
另外，在实施方式5中，激光光源具有由特性大致相同的半导体激光器构成的激光器阵列且用驱动部向各半导体激光器施加大小不同的驱动电流以使振荡波长不同，但是激光光源也可以是，构成激光器阵列的多个半导体激光器为射出振荡波长各不相同的激光的激光的、特性不同的半导体激光器，向各半导体激光器施加同一级别的驱动电流。另外，上述激光光源也可以是，构成激光器阵列的多个半导体激光器为DBR(分配布拉格(Bragg)反射器)激光器等的、可以用与驱动电流不同的控制电流来调整振荡波长的半导体激光器，驱动部具有除了上述驱动电流外的向各半导体激光器施加波长控制电流的电路结构。
(实施方式6)
图14为展示根据本发明的实施方式6的照明装置的图。
该实施方式6的照明装置160具有：射出激光的激光光源161、作为空间光调制器件的液晶屏162、以及使来自上述激光光源的出射光L1照射上述液晶屏162的聚光透镜163。另外，L2是透过液晶屏162之后的激光。
在此，上述激光光源161是与图6所示的激光光源101a相同的激光光源。
在该实施方式6的激光光源161中，如在上述实施方式1中所述，从半导体激光器1入射到波导管3的激光，在波导管3内传输时断面光强度分布均匀化，并从激光光源输出断面光强度分布均匀化的出射光4。而且，波导管3的出射端面的像(即出射光L1)由透镜163扩大投影到液晶屏162。此时，例如，通过将波导管3的断面形状作成与液晶屏162的形状的相似形，出射光L1的光量可以几乎毫无损失地有效地照射到液晶屏162上。照射到液晶屏162上的出射光L1，例如，通过将二维图像信号提供给液晶屏162，就可以调制成为具有任意的强度分布，即作为二维图像显示的激光103。
通过使用这样的实施方式6的照明装置160，就可以实现例如，背投式显示器以及头戴式显示器那样的大小各种显示器。另外，透过空间光调制器件162的激光L2，使用适当的投影光学系统，也可以扩大投影到例如屏幕上。
另外，在上述实施方式6中，上述激光光源161是与图6所示的实施方式1的激光光源101a相同的激光光源，但此激光光源161也可以是与图1、图7、图8、图9、图11中任一个所示的激光光源相同的激光光源。
(实施方式7)
图15为说明根据本发明的实施方式7的二维图像形成装置的图。
该实施方式7的二维图像形成装置170具有：构成照明光学系统的照明装置170a、将从该照明装置170a输出的经过调制的激光扩大投影的投影透镜171、以及接受来自该投影透镜171的投影光而显示二维图像的屏幕172。在此，上述照明装置170a，具有与上述实施方式6的照明装置160相同的结构。
在这样的二维图像形成装置170中，如前所述，来自激光光源161的出射光L1由透镜163聚光，以均匀光强度分布对作为空间光调制器件的液晶屏162进行照明。照射到液晶屏上的激光，由上述液晶屏162调制成为具有任意的强度分布的激光L2并由投影透镜171扩大投影到屏幕172上。
这样，在本实施方式7的二维图像形成装置170中，由于激光光源具有多个半导体激光器、和传输从各半导体激光器射出的光的波导管，所以可以容易地实现小型、高输出且断面光强度均匀化了的激光光源。由此，可以实现小型的可以进行100英寸尺寸级的投影的、例如激光投影机那样的扩大投影二维图像形成装置。
另外，通过使激光光源成为，构成激光器阵列的各半导体激光器的振荡波长分别不同的激光光源，或波导管由中空盒构成且内部注入了液体的激光光源，可以降低斑纹噪声，由此实现二维图像形成装置170的光学部件数目的削减导致的装置整体的节省空间和降低成本。
另外，在上述实施方式7中，二维图像形成装置是具有单一激光光源的装置，但二维图像形成装置也可以是具有与红、蓝、绿各色相对应的激光光源的装置。在此场合，例如，与各色相对应的激光光源，将构成此激光光源的半导体激光器1的波长选择为与红、蓝、绿各色相对应的波长，通过与分别在实施方式1至5所示的激光光源同样地，构成为具有多个半导体激光器、和传输并输出来自各半导体激光器的出射光的波导管，就可以实现高输出且具有断面光强度被均匀化的激光光源的全色二维图像形成装置。
另外，在上述实施方式6或7中说明的照明装置，作为构成激光光源的半导体激光器，通过使用紫外光波长区域的半导体激光器，也可以应用到需要高输出且均匀照明的半导体曝光装置等等。
本发明涉及高输出且具有均匀的强度分布的激光光源，可以适用于高输出照明和激光辅助加工等，并且也可以适用于电视接收机、影像投影机等图像显示装置以及半导体曝光装置等的图像形成装置。

Claims (18)

1、一种激光光源，其特征在于包括：
多个半导体激光器；以及
传输光的波导管，且
入射到上述波导管内的、从上述多个半导体激光器射出的多个激光在该波导管内传输且从其一端面向外部射出。
2、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
上述多个半导体激光器在该各半导体激光器的出射光的展角小的方向上并列配置。
3、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
从上述波导管的光出射端面到最近的光入射位置的长度L满足以下关系式(1)：
L≥W/tan(sin-1(sin(θ/2)/n))     ...(1)
W：上述波导管的宽度
n：上述波导管内部的折射率
θ：上述半导体激光器具有的最小光束展角。
4、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
上述波导管具有其断面面积相对于光传输方向变化的台阶部分，
上述多个半导体激光器配置在该台阶部分上。
5、如权利要求4所述的激光光源，其特征在于：
上述台阶部分为多个。
6、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
在上述半导体激光器的出射光的展角小的方向上并列的一列半导体激光器和其它列的半导体激光器在光的出射方向上错开配置。
7、如权利要求6所述的激光光源，其特征在于：
上述波导管具有其断面面积相对于光传输方向呈阶梯状变化的阶梯状部分，
上述半导体激光器配置在该阶梯状的各台阶部分上。
8、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
上述多个半导体激光器包含振荡波长互不相同的至少两个半导体激光器，
上述振荡波长不同的半导体激光器的最大振荡波长差A≥1nm，A为实数。
9、如权利要求8所述的激光光源，其特征在于：
上述多个半导体激光器包含振荡波长互不相同的至少三个半导体激光器，
相邻的振荡波长的间隔是实质上恒定的。
10、如权利要求8所述的激光光源，其特征在于：
上述最大振荡波长差A为1nm≤A≤30nm。
11、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
上述各半导体激光器的输出光强度大致均匀。
12、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
上述多个半导体激光器由多条带激光器构成。
13、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
上述多个半导体激光器由多堆叠激光器构成。
14、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
上述多个半导体激光器配置成构成至少一个激光器阵列。
15、如权利要求1所述的激光光源，其特征在于：
上述波导管具有中空结构，在该中空部分中封入了液体。
16、如权利要求15所述的激光光源，其特征在于：
具有与上述波导管连接、使封入到该波导管的中空部分中的液体循环的冷却机构；
利用该冷却机构进行上述多个半导体激光器的冷却。
17.一种二维图像形成装置，具有：多个半导体激光器、对来自上述激光光源的输出光进行调制的空间光调制器、和使来自上述激光光源的输出光对上述空间光调制器进行照明的照明光学系统，其特征在于：
上述激光光源，具有：
多个半导体激光器；以及
传输光的波导管，且
入射到上述波导管内的、从上述多个半导体激光器射出的多个激光在该波导管内传输且从其一端面向外部射出。
18.如权利要求17中所述的二维图像形成装置，其特征在于具有：
对来自上述空间光调制器的输出光进行投射的投射光学系统。
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