JP2003298180A

JP2003298180A - 半導体レーザ駆動装置

Info

Publication number: JP2003298180A
Application number: JP2002095480A
Authority: JP
Inventors: Masami Hatori; 正美羽鳥; Shinichiro Sonoda; 慎一郎園田; Yoshinori Morimoto; 美範森本; Kenichi Saito; 賢一斉藤
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】光ビームを安定かつ効率的に出力することが
できる半導体レーザ駆動装置を得る。【解決手段】光源３０は、高周波重畳された駆動電流
によって半導体レーザ３２から射出された光ビームが導
波路型のＳＨＧ素子３４で第２高調波の光ビームに変換
され、集光レンズ３６及びビームスプリッタ３８介して
フォトダイオード４０で光出力強度が検出される。これ
らの半導体レーザ３２からフォトダイオード４０までの
素子は、ペルチエ素子５０により温度調整される。これ
によって、導波路型のＳＨＧ素子３４における変換特性
は単調増加傾向になり、かつ温度調整により安定的かつ
効率的な出力が得られ、滑らかな変動特性を得ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ駆動
装置にかかり、特に、光ビームを走査しながら該光ビー
ムの光量を変調して画像を露光媒体に露光する画像露光
装置に用いて好適な、半導体レーザを駆動するための半
導体レーザ駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザなどの光源から出力される
光ビームを集光光学系によって集光し、その焦点位置に
露光媒体（例えば、高速に回転するドラムの周面に貼り
付けられた記録媒体）を配置し、光ビームをドラムの軸
線方向に走査（主走査）しながら、ドラムを回転（副走
査）させることにより、露光媒体上に画像を露光（記
録）する画像露光装置や画像形成装置が知られている
（特開平１０−２２８１４９号公報参照）。この場合、
主走査及び副走査をしながら光ビームを変調すること
で、画像を露光する。このような画像形成装置では、光
ビームの光量を安定させるために、光源から射出された
光ビームの出力を検出しつつ光量調整を行っている。

【０００３】画像形成装置で、多色画像を形成する場
合、複数の光ビームを変調してほぼ同時に露光すること
で短時間で画像形成できる。また、画像を形成する媒体
に波長感度を有するときには、その波長に合致した波長
の光ビームで露光することで、容易に画像露光が可能と
なる。可視光の波長域における所謂３原色（Ｒ，Ｇ，
Ｂ）に感光域を有する銀塩感剤などを露光する際には、
従来、入射された赤外光ビームの波長をほぼ１／２の波
長に変換して射出する第２高調波発生素子としての波長
変換素子（所謂ＳＨＧ素子）を用いて得られる、可視光
の波長域の光ビームを選択的に用いる場合がある。

【０００４】ところが、ＳＨＧ素子で波長変換可能な波
長域は狭く、その波長域の光ビームでしか第２高調波の
光ビームを得ることができなかった。また、半導体レー
ザは温度変化によって発振波長が変動することが知られ
ており、この発振波長の変動によって、ＳＨＧ素子にお
ける変換効率が悪化する場合があった。

【０００５】この問題を解消するため、半導体レーザか
らＳＨＧ素子などの光ビームを射出するまでの系を温度
調整して、出力が最大または安定する温度に設定して、
射出される光ビームの安定化を図る各種装置が提案され
ている（特開平６−１５２０１４号、特開平１２−４０
８４８号、特開平１０−６５２５１号、特開平１１−２
６８６１号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術では、単にＳＨＧ素子から射出される光ビームの出
力が高くなる温度や出力が安定する温度を求めてその温
度に設定することで、効率的に変換するものであるた
め、得られる出力は効率的であるものの、半導体レーザ
の波長との関係を考慮していない。すなわち、半導体レ
ーザの駆動電流と、変換された波長の光ビームの出力と
の関係が滑らかな単調増加特性を有する状態を保証する
ものではなかった。

【０００７】本発明は、上記事実を考慮して、光ビーム
を安定かつ効率的に出力することができる半導体レーザ
駆動装置を得ることが目的である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】近年実用化に至った導波
路型の波長変換素子（ＳＨＧ素子）について、半導体レ
ーザの駆動電流を高周波で駆動することによりすなわち
駆動電流を高周波重畳することで、半導体レーザの駆動
電流に対しＳＨＧ素子の出力が滑らかに増加する特性
（図２参照）が得られる。

【０００９】図２に示すように、半導体レーザを単一モ
ードで発振させ、その射出光を導波路型のＳＨＧ素子で
波長変換して得られる出力（ＳＨ出力）の特性（図２の
点線）は、全体的には、駆動電流が増加するに伴ってＳ
Ｈ出力が増加する傾向にあるが、微細的に見ると、ＳＨ
出力の増減の繰り返しが見られる。このような変則的な
特性の場合、ＳＨ出力を安定させるためのフィードバッ
ク制御が安定的になされずに、結果的にＳＨ出力が不安
定になる場合がある。

【００１０】この半導体レーザを駆動するための駆動電
流を高周波で重畳させて発振させ、その射出光を導波路
型のＳＨＧ素子で波長変換して得られる出力（ＳＨ出
力）の特性（図２の実線）は、駆動電流が増加するに伴
ってＳＨ出力が徐々に増加する単調増加傾向にある。こ
れによって、ＳＨ出力を安定させるためのフィードバッ
ク制御が容易に可能となり、ＳＨ出力を安定させること
が可能になる。

【００１１】そこで、上記目的を達成するために本発明
の半導体レーザ駆動装置は、入力された駆動信号により
光ビームを射出する半導体レーザと、前記半導体レーザ
から射出された光ビームの波長を第２高調波に変換して
該変換された波長の光ビームを射出する変換素子と、前
記半導体レーザから所定光量の光ビームを射出するため
の信号に、予め定めた高周波信号を重畳した駆動信号を
生成して前記変換素子における変換特性が単調増加特性
となるように前記半導体レーザを駆動する駆動手段と、
少なくとも前記半導体レーザから前記変換素子の間の素
子を加熱または冷却するための熱エネルギを印加する印
加手段と、前記半導体レーザから前記変換素子の間の素
子が予め定めた所定温度を維持するように、前記印加手
段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

【００１２】本発明では、入力された駆動信号によって
半導体レーザから射出された光ビームの波長を、波長変
換素子により第２高調波に変換して射出する。この半導
体レーザは、駆動手段により駆動され、その駆動信号と
して、半導体レーザから所定光量の光ビームを射出する
ための信号に、予め定めた高周波信号を重畳した駆動信
号を生成する。この駆動信号により、変換素子における
変換特性が単調増加特性となるように半導体レーザを駆
動することができる。この半導体レーザから変換素子の
間の素子は、印加手段によって、加熱または冷却するた
めの熱エネルギが印加される。制御手段は、半導体レー
ザから変換素子の間の素子が予め定めた所定温度を維持
するように、印加手段を制御する。これにより、半導体
レーザの駆動信号例えば駆動電流が増加するに伴って変
換素子の出力が滑らかに増加する単調増加傾向になり、
さらに温度調整されるのでさらに安定的な出力が得ら
れ、滑らかな変動特性を得ることができる。

【００１３】前記半導体レーザ駆動装置の制御手段にお
ける予め定めた所定温度は、前記半導体レーザへ供給す
る駆動信号のうち駆動電流について任意の駆動電流領域
で測定した有限の離散測定値に対して特定の関数形によ
る回帰曲線を求め、隣り合う測定点の測定値間の傾き
と、その何れかの測定点における回帰曲線の微分係数と
を複数の測定点について比較して決定することを特徴と
する。

【００１４】前記半導体レーザ駆動装置の制御手段は、
予め定めた所定温度を維持するように前記印加手段を制
御する場合、次のようにして予め定めた所定温度を維持
するように制御する。ここでの予め定めた所定温度と
は、変換素子から安定的な出力が得られる最適温度であ
る。まず、半導体レーザへ供給する駆動信号のうち駆動
電流について、駆動電流に対する変換素子の出力値を異
なる駆動電流について測定する。この有限の離散的な測
定値に対して、特定の関数形による回帰曲線を求める。
この回帰曲線が、駆動電流と変換素子の出力との特性に
対応する。次に、隣り合う測定点について傾きを求め、
その何れかの測定点に対する回帰曲線の微分係数すなわ
ち接線の傾きを求め、これらの傾きを複数の測定点につ
いて比較することで決定する。この場合、傾きが近いす
なわち、傾きの差が小さい温度に決定することが好まし
い。

【００１５】前記半導体レーザ駆動装置の制御手段にお
ける予め定めた所定温度は、前記半導体レーザへ供給す
る駆動信号のうち駆動電流について任意の駆動電流領域
で測定した有限の離散測定値に対して特定の関数形によ
る回帰曲線を求め、駆動電流と変換素子の出力との特性
図上で、隣り合う測定点を結ぶ直線と前記回帰曲線とに
囲まれる領域の大きさに基づいて決定することを特徴と
する。

【００１６】前記半導体レーザ駆動装置の制御手段で維
持させる予め定めた所定温度、すなわち最適温度の決定
では、まず、半導体レーザへ供給する駆動信号のうち駆
動電流について、駆動電流に対する変換素子の出力値を
異なる駆動電流について測定する。この有限の離散的な
測定値に対して、特定の関数形による回帰曲線を求め
る。この回帰曲線が、駆動電流と変換素子の出力との特
性に対応する。次に、隣り合う測定点を結ぶ直線を求
め、駆動電流と変換素子の出力との特性図上で、隣り合
う測定点を結ぶ直線と前記回帰曲線とに囲まれる領域の
大きさを求める。この大きさを比較することで決定す
る。この場合、大きさが小さいすなわち、面積が少なく
なる温度に決定することが好ましい。

【００１７】前記半導体レーザ駆動装置では、前記制御
手段において、予め定めた時期に半導体レーザから変換
素子の間の素子が予め定めた所定温度を維持するよう
に、印加手段を制御する。この予め定めた時期とは、所
定間隔毎になされる定期的な制御がある。

【００１８】前記半導体レーザ駆動装置の制御手段は、
前記変換素子で変換された光ビームのノイズが最小とな
るように、予め定めた熱エネルギを印加するように前記
印加手段を制御することを特徴とする。

【００１９】前記変換素子から出力される光ビームは、
その安定温度によりノイズ成分の含有量が変動する。そ
こで、前記変換素子で変換された光ビームのノイズが最
小となるように、予め定めた熱エネルギを印加すること
で、光ビームをノイズ西武んが抑制されて安定しかつ効
率的に出力することができる半導体レーザ駆動装置を提
供できる。

【００２０】前記半導体レーザ駆動装置の制御手段は、
前記変換素子の変換効率が最大となるように、予め定め
た熱エネルギを印加するように前記印加手段を制御する
ことを特徴とする。

【００２１】前記変換素子は、調整される温度により変
換効率も変動する。そこで、変換素子の変換効率が最大
となるように、、予め定めた熱エネルギを印加するよう
に印加手段を制御することで、変換効率が大きい光ビー
ムを安定かつ効率的に出力することができる半導体レー
ザ駆動装置を提供することができる。この変換効率を最
大にするためには、任意の駆動電流における光出力が最
大となるように、予め定めた熱エネルギを印加すること
により達成できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の一例を詳細に説明する。本実施の形態はレー
ザ露光装置に本発明を適用したものである。

【００２３】〔第１実施の形態〕図３には、本実施の形
態のレーザ露光装置１０が示されている。レーザ露光装
置１０は、半導体レーザから出力されたレーザビームＬ
を露光ドラム２８上に照射することで、画像を露光する
構造となっている。

【００２４】詳細には、レーザ露光装置１０は、半導体
レーザを含む光源３０を備えており、光源３０の光射出
側には、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２
０が順に配置されており、更に、ポリゴンミラー２０の
光偏向側には、ｆθレンズ２２、及び露光ドラム２８が
順に配置されている。なお、ポリゴンミラー２０による
露光ドラム２８を走査する走査範囲外の光路上には、主
走査開始を検出する同期センサ２６へ光ビームを案内す
るサンプリングミラー２４が設けられている。

【００２５】光源３０から射出された光ビームは、図示
しないコリメータレンズによって略平行光とされ、シリ
ンドリカルレンズ１８によって副走査方向に集束されて
ポリゴンミラー２０の反射面へ結像される。そして、ポ
リゴンミラー２０の回転によって偏向されて、ｆθレン
ズ２２を介して露光ドラム２８上に結像される。

【００２６】なお、ポリゴンミラー２０の矢印Ａ方向へ
の回転によって主走査が行われ、露光ドラム２８の矢印
Ｂ方向への回転によって副走査が行われ、主走査及び副
走査しながら光強度変調装置１６による光強度変調する
ことで、露光ドラム２８上に二次元画像が形成される。

【００２７】また、本実施の形態では、ポリゴンミラー
２０の反射面へ光ビームＬを結像する光学系を採用する
が、本発明は、これに限定されるものではない。例え
ば、ポリゴンミラー２０の反射面を少なくとも含む光束
をポリゴンミラー２０へ照射してポリゴンミラー２０へ
主走査してもよい。この場合には、光学系及び光学素子
が一部変更になるが、容易に構成を変更することは可能
である。

【００２８】本実施の形態では、画像を形成するための
変調については特に言及しないが、周知のように半導体
レーザは、直接駆動が可能であり、そのオンオフ制御の
光強度変調によって、射出される光ビームを変調するこ
とが可能である。また、高速の直接変調が困難な半導体
レーザもあり、このような半導体レーザは外部変調で可
能である。外部変調のための素子は音響光学変調素子
（以下、ＡＯＭという）が知られている。ＡＯＭは印加
する信号により入射された光ビームに対して回折現象を
生じさせる素子である。すなわち、ＡＯＭ結晶中を伝播
される超音波により生じるグレーティングによっての回
折現象である。この回折強度は、伝播される超音波の強
度に依存する。この回折現象は、ブラッグ回折現象と同
様に、ｎ次回折光が所定の回折角度をなして回折され
る。この回折光を取り出す光学系を採用することで、超
音波を伝播させるための部位（トランスデューサ）へ印
加する信号を制御することで回折された光ビームが変調
された光ビームとして用いることができる。

【００２９】次に、本実施の形態のレーザ露光装置１０
における光源３０について詳細を説明する。

【００３０】図１に示すように、本実施の形態の光源３
０は、半導体レーザ３２を備えており、半導体レーザ３
２から射出される光ビームは導波路型のＳＨＧ素子３４
へ入射される。導波路型のＳＨＧ素子３４の射出側には
集光レンズ３６、ビームスプリッタ３８が順に配設され
ている。ビームスプリッタ３８の透過側が光源３０の光
ビームの出力側であり、反射側にはフォトダイオード４
０が設置されている。

【００３１】半導体レーザ３２から射出される波長λ１
の光ビームは導波路型のＳＨＧ素子３４によって、波長
λ１の１／２の波長λ２の光ビームに変換されて射出さ
れる（詳細は後述）。ＳＨＧ素子３４から射出された光
ビームは、光源３０から出力されると共に、フォトダイ
オード４０へ入射される。

【００３２】これらの半導体レーザ３２からフォトダイ
オード４０までの光学系は、台座を介してペルチエ素子
５０に取付られている。すなわち、導波路型のＳＨＧ素
子３４は台座４２を介してペルチエ素子５０に取り付け
られ、集光レンズ３６は台座４４を介してペルチエ素子
５０に取り付けられ、フォトダイオード４０は台座４６
を介してペルチエ素子５０に取り付けられている。

【００３３】ペルチエ素子５０は入力された信号により
取り付けられた部品に対して加熱または冷却するための
熱エネルギを印加するものである。なお、ペルチエ素子
５０により印加される熱エネルギにより基も影響を受け
るのは、半導体レーザ３２、導波路型のＳＨＧ素子３４
及びフォトダイオード４０の何れかであり、これらに対
して加熱または冷却するための熱エネルギを印加できれ
ばよく、より好ましくは半導体レーザ３２及び導波路型
のＳＨＧ素子３４であり、さらには少なくとも半導体レ
ーザ３２に対して加熱または冷却するための熱エネルギ
を印加できればよい。

【００３４】また、半導体レーザ３２の近傍には、温度
検出のための検出器４８を設けることができる。

【００３５】図４には、本実施の形態のレーザ露光装置
１０における光源３０を制御する制御装置５２の概略構
成をブロック図で示した。

【００３６】制御装置５２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ
を含んむマイクロコンピュータで構成されたコントロー
ラ６０を備えており、コントローラ６０には検出器４８
で検出された温度値が入力されるように接続されてい
る。また、コントローラ６０には、後述する温度制御す
るときに設定する最適温度を記憶するためのメモリ６２
が接続されている。さらにコントローラ６０は、ペルチ
エ素子５０に接続されたドライバ６６に接続されてお
り、ドライバ６６へペルチエ素子５０を駆動するための
駆動電流値を出力する。

【００３７】また、コントローラ６０には、画像形成の
ための画像データが入力されるように画像処理装置６４
に接続されている。

【００３８】さらに、コントローラ６０は、駆動信号生
成装置５６、及びオートパワーコントローラ（以下、Ａ
ＰＣ）５４を介して半導体レーザ３２に接続されてい
る。駆動信号生成装置５６には、所定の高周波信号を発
生する発信器５８が接続されており、駆動信号生成装置
５６で半導体レーザ３２を駆動するための高周波信号が
重畳された駆動信号が生成される。この駆動信号によっ
て、ＡＰＣ５４では半導体レーザ３２を所定の光量にな
るように駆動する。このＡＰＣ５４には、フォトダイオ
ード４０からの検出光量が入力されるようにフォトダイ
オード４０も接続されている。

【００３９】なお、本実施の形態では、検出器４８を設
けて温度検出するように構成した場合を説明するが、検
出器４８を備えることに限定されない。例えば、半導体
レーザ３２から出力された光量に対応する光量検出器と
してのフォトダイオード４０による検出光量の変動を検
知することで温度変動を検知することもできる。また、
ペルチエ素子５０へ供給する駆動電流値を検知し、その
検知電流値に対応する温度を求めて検知温度としてもよ
い。

【００４０】また、本実施の形態では、コントローラ６
０からの信号により駆動信号生成装置５６で駆動信号を
生成してＡＰＣ５４で半導体レーザ３２を駆動する場合
を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、
半導体レーザ３２を一定光量にフォードバック制御する
場合にも適用可能であり、この場合には、駆動信号生成
装置５６とコントローラ６０との接続は不要である。ま
た、光量制御自体をコントローラ６０で行う場合には、
フォトダイオード４０からの検出光量が入力されるよう
にフォトダイオード４０をコントローラ６０に接続すれ
ばよい。

【００４１】次に、本実施の形態で、光ビームの出力安
定化を図るため、高周波重畳信号による半導体レーザ３
２の駆動について説明する。

【００４２】単一モード（波長）で発振する半導体レー
ザ３２が温度によって発振波長が離散的に変化すると共
に、ノイズが発生することが知られている。半導体レー
ザ３２は、駆動電流の増加に対して、発振波長が離散的
に変化することが顕著に現れ、図５（Ｂ）に示すよう
に、半導体レーザ３２の発振波長のスペクトルλｓが所
定域の間λｙで変動（波長シフト）する。図５（Ｂ）に
は、導波路型のＳＨＧ素子３４の変換効率αの特性ｒも
示した。

【００４３】図５（Ｂ）に示すように、導波路型のＳＨ
Ｇ素子３４の変換効率αが最大となるように、半導体レ
ーザ３２の発振波長のスペクトルλｓが設定した場合、
所定域λｙで波長シフトすると、変換効率αが大きく変
動し、結果的には光ビームの出力が安定しない。

【００４４】そこで、駆動電流を所定（例えば、数百Ｍ
Ｈｚ）の高周波を重畳し、半導体レーザ３２を駆動す
る。これにより、発振波長は安定し、駆動電流による出
力の大きな変化を抑制することができる。この結果を図
５（Ｃ）に示した。高周波重畳により、半導体レーザ３
２の発振波長のスペクトルλｓ以外に、２次的な発振波
長のスペクトルλｓｓ、λｓｔを有することとなる。こ
のスペクトルλｓｓ、λｓｔの波長及び振幅は、重畳す
る高周波の周波数及び振幅で定まる。

【００４５】このように、図５（Ａ）に示すように高周
波重畳によって図５（Ｂ）に示すようにシングルモード
の発振が図５（Ｃ）に示すようにマルチモードになり、
光ビームの出力安定化を図ることができる。

【００４６】そこで、本実施の形態では、半導体レーザ
３２の駆動電流と導波路型のＳＨＧ素子３４の出力との
関係である特性が滑らかな単調増加特性となるように、
半導体レーザ３２の駆動電流に重畳する高周波の周波数
及び振幅を設定する。この設定値は、予め実験などによ
り求めた値である。

【００４７】上記のようにして半導体レーザ３２の駆動
電流に重畳する高周波の周波数及び振幅を設定すること
で、半導体レーザ３２の駆動電流と導波路型のＳＨＧ素
子３４の出力とは滑らかな単調増加特性となるが、半導
体レーザ３２の自己発熱などにより光学系が温度変化を
伴うことで、発振波長が変動したり変換効率が変動した
りする場合がある。

【００４８】そこで、本実施の形態では、半導体レーザ
３２からフォトダイオード４０までの間の光学系を一定
温度に温度調整している。なお、ここでは半導体レーザ
３２からフォトダイオード４０までの間の光学系を一定
温度に温度調整する場合を説明するが、本発明は、半導
体レーザ３２からフォトダイオード４０までの間の全て
の光学素子を温度調整することに限定されない。半導体
レーザ３２及び導波路型のＳＨＧ素子３４の温度調整が
効果的であり、また、半導体レーザ３２及び導波路型の
ＳＨＧ素子３４の少なくとも一方を温度調整することで
も効果的である。

【００４９】次に、上記光学系を一定温度に温度調整す
る場合における最適温度の導出について説明する。

【００５０】半導体レーザ３２の駆動電流と導波路型の
ＳＨＧ素子３４の出力とを滑らかな単調増加特性とする
ための最適温度Ｔthは、半導体レーザ３２からフォトダ
イオード４０までの間の光学系の各光学素子の特性のば
らつきや組み立て公差により差異が生じる。そこで、こ
の差異を有する光学系について最適温度Ｔthを決定する
方法を説明する。

【００５１】温度調整する任意の温度（以下、温調温度
という）Ｔ₁のとき、半導体レーザ３２の駆動電流Ｉ_k、
及びそのときの導波路型のＳＨＧ素子３４の出力強度Ｌ
_k（Ｉ_k）を複数測定する。すなわち、離散的に駆動電流
Ｉ_kを印加し、この駆動電流Ｉ_kに対応する出力強度Ｌ_k
をｋ＝０〜Ｎ（Ｎは最大測定数）までＡＰＣ用モニタ検
出器すなわちフォトダイオード４０で測定する。

【００５２】このとき、そのデータ列（Ｉ_k，Ｌ_k）の回
帰曲線Ｆ（Ｉ）を所定の関数形式で設定し、最小自乗法
で求める。この関係を図６に示した。

【００５３】例えば、２次のべき関数としてデータ列の
回帰曲線Ｆ（Ｉ）を設定する場合は、次の（１）式で表
すことができる。

【００５４】Ｆ（Ｉ）＝ａ₀（Ｔ₁）＋ａ₁（Ｔ₁）・Ｉ＋ａ₂（Ｔ₂）・Ｉ² ・・・（１）ただし、ａ₀（Ｔ₁）、ａ₁（Ｔ₁）、ａ₂（Ｔ₂）は係数で
ある。

【００５５】これらの係数ａ₀（Ｔ₁）、ａ₁（Ｔ₁）、ａ
₂（Ｔ₂）は、次の行列式の解として求めることができ
る。

【００５６】

【数１】

【００５７】そして、予め定めた任意の温度範囲
（Ｔ₁、Ｔ₂、・・・、Ｔ_n）で温調温度を変更し、上記
手順を行い、すなわち、駆動電流Ｉ_k、及びそのときの
導波路型のＳＨＧ素子３４の出力強度Ｌ_k（Ｉ_k）を複数
測定する。すなわち、半導体レーザ３２へ離散的に駆動
電流Ｉ_k（ｋ＝０〜Ｎ）を印加して駆動電流Ｉ_kに対応す
る出力強度Ｌ_kをフォトダイオード４０で測定し、その
データ列（Ｉ_k，Ｌ_k）の回帰曲線Ｆ（Ｉ）を所定の関数
形式で設定し、最小自乗法で求める。この回帰曲線の値
Ｆ_k（Ｉ_k）と、実測値Ｌ_k（Ｉ_k）を、各温度毎に比較す
ることで、最適温度Ｔthを求めることができる。この最
適温度Ｔthの導出時の判定は、次の方法による。

【００５８】（第１判定法）第１判定法は、実測値に変
動（本実施の形態では実測値間の変動の比率）と回帰曲
線の変動（本実施の形態では接線の傾き）を比較するも
のである。

【００５９】第１判定法では、次の判定条件式（２）、
及び判定値導出式（３）を用いる。１／Ｃ≦｛（Ｌ_k−Ｌ_k-1）／（Ｉ_k−Ｉ_k-1）｝／（ａ₁
＋２・ａ₂・Ｉ_k）≦ＣでかつＬ_k−Ｌ_k-1＞０・・・（２）ｍｉｎ［｛（Ｌ_k−Ｌ_k-1）／（Ｉ_k−Ｉ_k-1）｝／（ａ₁＋２・ａ₂・Ｉ_k）］・・・（３）ただし、Ｃは定数である。

【００６０】上記判定条件式（２）に合致する駆動電流
Ｉ_k、及びそのときの導波路型のＳＨＧ素子３４の出力
強度Ｌ_kについて、判定値導出式（３）により判定値を
各温度毎に求め、判定値導出式（３）による判定値が最
大の温度を最適温度Ｔthに設定する。

【００６１】すなわち、図７に示すように、任意の温度
における、実測値Ｌ_k-1（Ｉ_k-1）、Ｌ_k（Ｉ_k）について
その変動量の比率である実測値Ｌ_k-1（Ｉ_k-1）、Ｌ
_k（Ｉ_k）を結ぶ直線の傾きを求め、回帰曲線Ｆ（Ｉ）の
接線の傾きを求める。これら、実測値間の変動の比率で
ある傾きと回帰曲線の変動である接線の傾きが最も近い
ときの温度を最適温度Ｔthとする。

【００６２】（第２判定法）第２判定法は、実測値に対
する回帰曲線の寄与度合を比較するものである。第２判
定法では、寄与度合として、回帰曲線から実測値までの
距離の総和の温度毎の大小によって判定するものであ
る。この第２判定法では、次の判定値導出式（４）を用
いる。

【００６３】

【数２】

【００６４】まず、各温調温度Ｔ_mにおいて、（４）式
による判定値Ｐ（Ｔ_m）を求め、求めた判定値Ｐが最小
になる温調温度を最適温度Ｔthに設定する。

【００６５】すなわち、図８に示すように、各温調温度
Ｔ_mにおいて、回帰曲線Ｆ（Ｉ）を求め、各実測値Ｌ
_k（Ｉ_k）について、回帰曲線Ｆ（Ｉ）までの距離の総和
を求める。この総和は、隣り合う実測値｛Ｌ_k（Ｉ_k），
Ｌ_k-1（Ｉ_k-1）｝を結ぶ直線と回帰曲線Ｆ（Ｉ）とで囲
まれる領域（図８に斜線で示す領域）の面積を求めるこ
とに相当し、面積が小さいほど、実測値に対して回帰曲
線の寄与度合が大きいことになる。従って、この判定値
Ｐが最小になる温調温度を最適温度Ｔthに設定すること
で、実測値に対して回帰曲線の寄与度合が最大の温度を
決定することができる。

【００６６】以上のようにして決定した最適温度Ｔthを
メモリ６２に記憶する。これにより、メモリ６２から読
み出すのみで、温調温度を最適温度Ｔthに容易に設定す
ることができる。

【００６７】ところで、上記のようにして初期値とし
て、最適温度Ｔthを決定することが可能であるが、経時
変化によって最適温度Ｔthが変化する場合がある。そこ
で、一定の条件の下で繰り返し最適温度Ｔthを決定する
ことが好ましい。この一定の条件には、第１の例として
は、予め定めた所定期間（１日、１週間、１ヶ月、１年
など）の所定時期があり、この所定期間毎に、変換効率
特性ｒの測定、最適温度Ｔthの判定、再設定を実行す
る、ことがある。第２の例としては、オペレータなどの
走査指示による任意の時期があり、この任意の時期に、
変換効率特性ｒの測定、最適温度Ｔthの判定、再設定を
実行する、ことがある。

【００６８】なお、上記再設定することにより最適温度
Ｔthが変動する場合があるが、この変動の履歴機能を有
するようにすれば、これを再利用することが可能とな
る。

【００６９】次に、本実施の形態のレーザ露光装置１０
における光源３０の作動を説明する。この光源３０の作
動時は、コントローラ６０において、図９に示す処理ル
ーチンが実行される。

【００７０】ステップ１００では、上述のように最適温
度Ｔthを決定するための一定の条件として所定時期であ
るか否かを判断し、肯定判断のときはステップ１０４へ
進み、否定判断のときはステップ１０２へ進み温度調整
フィードバック処理を実行した後に本ルーチンを終了す
る。この温度調整フィードバック処理は、設定値の温調
温度を維持する処理であり、測定温度と最適温度との差
異が生じたときにペルチエ素子５０により熱エネルギを
印加し、最適温度を維持することを継続する処理であ
る。なお、光源３０において最初に本ルーチンが実行さ
れる場合もステップ１００では肯定される。

【００７１】ステップ１０４では、上述の最適温度の導
出の欄で説明したようにして求め、メモリ６２に記憶さ
れた最適温度Ｔthを読み取る。なお、本実施の形態で
は、メモリ６２に記憶された最適温度Ｔthを用いる場合
を説明するが、経時変化などの対応で、ステップ１００
で肯定された場合、ステップ１０２では、最適温度Ｔth
の読み取りに代えて、上述の最適温度の導出の欄で説明
した手順により、最適温度Ｔthの導出処理を再度実行
し、求めた再実行結果の値を最適温度Ｔthとして更新す
る。

【００７２】次のステップ１０６では、検出器４８によ
り温度を検出し、次のステップ１０８おいて許容温度か
否かを判断する。すなわち、検出器４８の検出温度がス
テップ１０２で読み取った（または再設定した）温度に
対して予め定めた許容温度範囲内か否かを判断する。肯
定判断のときはステップ１０２へ進み温調フィードバッ
ク処理を継続して本ルーチンを終了する。

【００７３】一方、ステップ１０８で肯定されると、ス
テップ１１０へ進み、ペルチエ素子５０へ印加する電流
値を導出し、次のステップ１１２においてその電流値を
ペルチエ素子５０へ印加する。ここでは測定温度と最適
温度とに差異が生じたときにその差異に相当するペルチ
エ素子５０により印加すべき熱エネルギ対応する電流値
を導出して、その導出した電流値をペルチエ素子５０へ
印加することで、熱エネルギを供給して、加熱または冷
却する。

【００７４】すなわち、ステップ１０６乃至ステップ１
１２の処理が、温調フィードバック処理に相当する。

【００７５】次のステップ１１４では、温調フィードバ
ック処理するか否かを判断する。温調フィードバック処
理は最適温度を維持するまで継続するが、環境が悪条件
であったり素子の不具合があったりする場合には、加熱
または冷却を繰り返すことになり、装置として不具合が
生じる場合がある。そこで、予め定めた所定時間以内の
継続を越えた場合や素子不具合が検出された場合を判断
条件とすることで、これを回避することができる。な
お、この場合、オペレータに報知することが好ましい。

【００７６】次のステップ１１６では、上記読み取った
最適温度または再設定した最適温度を、現在時間と共に
履歴として記憶する。この履歴は、最適温度に変動が生
じた場合にその変動時期を把握することが可能になると
共に、どの程度変動したのかを把握することが可能にな
る。また、最適温度に変動がない場合には、どの程度の
期間について最適温度を維持しているのかを把握するこ
とが可能になる。

【００７７】以上詳細に説明したように、本実施の形態
のレーザ露光装置１０では、入力された駆動信号によっ
て半導体レーザ３２から射出された光ビームの波長を、
導波路型のＳＨＧ素子３４により第２高調波に変換して
射出するにあたって、半導体レーザ３２の駆動信号に、
予め定めた高周波信号を重畳して半導体レーザ３２を駆
動すると共に、半導体レーザ３２からフォトダイオード
４０の間の素子が、最適温度Ｔthとなるようにペルチエ
素子５０で加熱または冷却するための熱エネルギが印加
される。これによって、導波路型のＳＨＧ素子３４にお
ける変換特性すなわち半導体レーザ３２の駆動電流が増
加するに伴って導波路型のＳＨＧ素子３４の出力が徐々
に増加する単調増加傾向になり、かつ温度調整により安
定的かつ効率的な出力が得られ、滑らかな変動特性を得
ることができる。

【００７８】〔第２実施の形態〕次に、本発明の第２実
施の形態を説明する。本実施の形態では、導波路型のＳ
ＨＧ素子３４において生じるノイズを効率的に抑制する
場合に適用したものである。なお、本実施の形態は、上
記の実施の形態とほぼ同様の構成のため、同一部分には
同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【００７９】図１０に示すように、半導体レーザ３２の
高周波重畳による駆動及び温度調整を行うことで、レー
ザ露光装置１０の光源３０では、導波路型のＳＨＧ素子
３４における変換特性が単調増加特性として得られる。
ところが、半導体レーザ３２の高周波重畳駆動により、
半導体レーザ３２の発振波長の変動すなわち波長シフト
は小さくなるが、半導体レーザ３２の微細な変動（波長
の揺らぎ）が残存する。この波長の揺らぎは、導波路型
のＳＨＧ素子３４で効率的に変換可能な波長域に許容さ
れる場合やそれを越える場合がある。これらの場合にあ
っては導波路型のＳＨＧ素子３４の出力に影響する場合
がある。この波長の揺らぎによると、導波路型のＳＨＧ
素子３４のノイズとして検出される場合が多い。

【００８０】そこで、本実施の形態では、導波路型のＳ
ＨＧ素子３４のノイズが最小となる温度を最適温度とし
て決定するものである。

【００８１】波長の揺らぎは、温調温度や半導体レーザ
３２の駆動電流に依存する。図１１には、或る駆動電流
Ｉにおいて、温調温度Ｔを変化させた場合の導波路型の
ＳＨＧ素子３４のノイズ成分（％ｒｍｓ）の特性を示し
た。図から理解されるように、或る駆動電流Ｉに対して
ノイズ成分が最小となる温調温度Ｔが存在する。

【００８２】任意の半導体レーザ３２の駆動電流Ｉ
_jで、複数の温調温度Ｔ_u（ｕは任意の温度）、及びその
ときの導波路型のＳＨＧ素子３４の出力強度Ｌ_uにおけ
るノイズ成分Ｚ_uを求める。すなわち、一定の駆動電流
Ｉ_jの下で離散的に温調温度Ｔ_uを変化させ、この温調温
度Ｔ_uに対応する出力強度Ｌ_uのノイズ成分Ｚ_uをｕ＝０
〜Ｍ（Ｍは最大測定数）まで測定する。この測定を複数
の駆動電流で行う。

【００８３】これらの任意の半導体レーザ３２の駆動電
流Ｉ_jと温調温度Ｔ_uのときの導波路型のＳＨＧ素子３４
のノイズ成分Ｚ_uが最小となる、温調温度Ｔ_uを最適温度
Ｔthと設定し、また駆動電流Ｉ_jとする。

【００８４】これによって、定電流により効率的に波長
変換を行う場合の駆動電流Ｉと温調温度Ｔとの関係を求
めることができ、ノイズを効率的に抑制することができ
る。

【００８５】〔第３実施の形態〕次に、本発明の第３実
施の形態を説明する。本実施の形態では、導波路型のＳ
ＨＧ素子３４において波長変換する変換効率を向上させ
る場合に適用したものである。なお、本実施の形態は、
上記の実施の形態とほぼ同様の構成のため、同一部分に
は同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【００８６】本発明者は、温調温度Ｔが変動すること
で、導波路型のＳＨＧ素子３４の変換効率が変動するこ
とを実験的に得ている。図１２には、一定駆動電流にお
いて温調温度Ｔを変動させた場合における、導波路型の
ＳＨＧ素子３４の出力特性を示したものである。図から
理解されるように、導波路型のＳＨＧ素子３４から一定
の出力を得ようとして半導体レーザ３２を駆動する場
合、その駆動電流も変動することになる。ここで、半導
体レーザ３２の寿命を考慮すると、半導体レーザ３２の
駆動電流は極力小さい方が半導体レーザ３２は長寿命に
なる。

【００８７】そこで、本実施の形態では、導波路型のＳ
ＨＧ素子３４の変換効率が最大となる温度を最適温度と
して決定するものである。

【００８８】図１２に示すように、或る駆動電流Ｉにお
いて、温調温度Ｔを変化させた場合の導波路型のＳＨＧ
素子３４の変換効率は最大値を有するものとなる。そこ
で、半導体レーザ３２を定電流駆動モードすなわち駆動
電流を一定にして、その任意の半導体レーザ３２の駆動
電流Ｉ_wで、複数の温調温度Ｔ_v（ｖは任意の温度）、及
びそのときの導波路型のＳＨＧ素子３４の出力強度Ｌ_v
を求める。すなわち、一定の駆動電流Ｉ_wの下で離散的
に温調温度Ｔ_vを変化させ、この温調温度Ｔ_vに対応する
出力強度Ｌ_vをｖ＝０〜Ｓ（Ｓは最大測定数）まで測定
する。この測定を複数の駆動電流で行う。

【００８９】これらの任意の半導体レーザ３２の駆動電
流Ｉ_wと温調温度Ｔ_vのときの導波路型のＳＨＧ素子３４
の出力強度Ｌ_vが最大となる、温調温度Ｔ_vを、駆動電流
Ｉ_wのときの最適温度Ｔthと設定する。

【００９０】これによって、定電流により効率的に波長
変換を行う場合の駆動電流Ｉと温調温度Ｔとの関係を求
めることができ、導波路型のＳＨＧ素子３４による変換
効率を最大にできる温度を容易に設定でき、効率的に波
長変換をすることができる。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、変
換特性が単調増加特性となるように半導体レーザの駆動
信号に高周波信号を重畳して半導体レーザから変換素子
の間の素子が予め定めた所定温度を維持させるので、変
換特性が単調増加傾向でかつ温調による安定的な出力で
得られ、滑らかな変動特性を得ることができる、という
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態にかかる光源の構成
を示すブロック図である。

【図２】半導体レーザを高周波駆動することで、導波
路型の波長変換素子の出力特性を滑らかにすることを説
明するための説明図である。

【図３】本発明の第１実施の形態にかかるレーザ露光
装置の構成を示すブロック図である。

【図４】本発明の第１実施の形態にかかる制御装置の
構成を示すブロック図である。

【図５】半導体レーザを高周波駆動して導波路型の波
長変換素子の出力特性を滑らかにすることの説明図であ
り、（Ａ）は半導体レーザの駆動電流と出力との関係を
示し、（Ｂ）は、発振波長の変動を示し、（Ｃ）は発振
波長の安定化を示している。

【図６】本発明の第１実施の形態にかかる最適温度を
導出する過程を説明するための測英値との回帰曲線の関
係を示す特性図である。

【図７】本発明の第１実施の形態にかかる最適温度を
導出するときに、最適温度を判定する第１判定法の説明
図である。

【図８】本発明の第１実施の形態にかかる最適温度を
導出するときに、最適温度を判定する第２判定法の説明
図である。

【図９】本発明の第１実施の形態にかかるレーザ露光
装置における光源を最適温度に設定する処理の流れを示
すフローチャートである。

【図１０】本発明の第２実施の形態にかかる温度変動
による波長揺らぎにより導波路型の波長変換素子の変換
効率が変化することを説明する説明図である。

【図１１】本発明の第２実施の形態にかかる温調温度
と導波路型の波長変換素子によるノイズ成分との関係を
示す特性図である。

【図１２】本発明の第３実施の形態にかかる温調温度
と導波路型の波長変換素子の出力強度との関係を示す特
性図である。

【符号の説明】

Ｆ…データ列の回帰曲線Ｌ…光ビームＴth…最適温度ｒ…変換効率特性 λｓ…半導体レーザ３２の発振波長のスペクトル３０…光源３２…半導体レーザ３４…導波路型のＳＨＧ素子３６…集光レンズ３８…ビームスプリッタ４０…フォトダイオード４８…検出器５０…ペルチエ素子５２…制御装置

フロントページの続き (72)発明者森本美範神奈川県足柄上郡開成町宮台798番地富士写真フイルム株式会社内 (72)発明者斉藤賢一神奈川県足柄上郡開成町宮台798番地富士写真フイルム株式会社内Ｆターム(参考） 2C362 AA12 AA53 AA54 AA60 AA61 BA82 DA32 2K002 AA05 AB12 CA03 DA03 EB15 GA04 HA20 5F073 AB15 AB23 AB27 BA07 EA15 FA02 FA25 GA03 GA12 GA14 GA19 GA22 GA24 GA37

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力された駆動信号により光ビームを射
出する半導体レーザと、前記半導体レーザから射出された光ビームの波長を第２
高調波に変換して該変換された波長の光ビームを射出す
る変換素子と、前記半導体レーザから所定光量の光ビームを射出するた
めの信号に、予め定めた高周波信号を重畳した駆動信号
を生成して前記変換素子における変換特性が単調増加特
性となるように前記半導体レーザを駆動する駆動手段
と、少なくとも前記半導体レーザから前記変換素子の間の素
子を加熱または冷却するための熱エネルギを印加する印
加手段と、前記半導体レーザから前記変換素子の間の素子が予め定
めた所定温度を維持するように、前記印加手段を制御す
る制御手段と、を備えたことを特徴とする半導体レーザ駆動装置。
【請求項２】前記半導体レーザ駆動装置の制御手段に
おける予め定めた所定温度は、前記半導体レーザへ供給
する駆動信号のうち駆動電流について任意の駆動電流領
域で測定した有限の離散測定値に対して特定の関数形に
よる回帰曲線を求め、隣り合う測定点の測定値間の傾き
と、その何れかの測定点における回帰曲線の微分係数と
を複数の測定点について比較して決定することを特徴と
する請求項１に記載の半導体レーザ駆動装置。
【請求項３】前記半導体レーザ駆動装置の制御手段に
おける予め定めた所定温度は、前記半導体レーザへ供給
する駆動信号のうち駆動電流について任意の駆動電流領
域で測定した有限の離散測定値に対して特定の関数形に
よる回帰曲線を求め、駆動電流と変換素子の出力との特
性図上で、隣り合う測定点を結ぶ直線と前記回帰曲線と
に囲まれる領域の大きさに基づいて決定することを特徴
とする請求項１に記載の半導体レーザ駆動装置。
【請求項４】前記制御手段は、前記変換素子で変換さ
れた光ビームのノイズが最小となるように、予め定めた
熱エネルギを印加するように前記印加手段を制御するこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ駆動装
置。
【請求項５】前記制御手段は、前記変換素子の変換変
換効率が最大となるように、予め定めた熱エネルギを印
加するように前記印加手段を制御することを特徴とする
請求項１に記載の半導体レーザ駆動装置。