JP2004101808A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路型ＳＨＧ素子を備えた光源装置において第２高調波への変換効率を可及的に向上する。
【解決手段】レーザ光源ＬＳと、そのレーザ光源ＬＳの出射光ビームを集光するレンズ４４と、そのレンズ４４によって光導波路に入射された光ビームの第２高調波を生成する光導波路型ＳＨＧ素子５３とが備えられた光源装置において、前記レンズ４４にて集光された光ビームのビームウェストが、前記光導波路の光入射端面又はその近傍に位置し、且つ、前記光入射端面における前記光ビームの幅が、前記光導波路の幅に略一致するように光軸調整されている。
【選択図】　　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光源と、そのレーザ光源の出射光ビームを集光するレンズと、そのレンズによって光導波路に入射された光ビームの第２高調波を生成する光導波路型ＳＨＧ素子とが備えられた光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる光源装置は、レーザ光源が出射する光ビームを光導波路型ＳＨＧ素子の光導波路に入射させ、入射光ビームの１／２の波長を有する第２高調波を生成して出力する装置である。
レーザ光源から出射された光ビームを、レンズにて光導波路型ＳＨＧ素子の光導波路に集光するには、例えば特許文献１に記載のように各部品を機械的な位置精度で配置することで光軸調整したり、あるいは、各部品に微調整機構を備えて光軸調整する手法等が考えられている。
上述のような調整手法によって光導波路に入射した光が光導波路内を導波されるためには、光導波路の境界で全反射させるための光軸からの最大傾き角より小さい入射角で入射させる必要があり、前記最大傾き角より大きい角度で入射させた光は、光導波路外へ漏れ出てしまうことなる。
従って、従来、前記最大傾き角を開口数（ＮＡ）と同様の表現で「導波路ＮＡ」と表現すると、前記レンズのＮＡを前記導波路ＮＡと同程度に設定して光軸調整をしていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−２２３７２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構成では、実際の前記導波路ＮＡが、０．１以下と小さく、そのような小さいＮＡで、一般に１０μｍ以下程度と幅の狭い前記光導波路の入射端に的確にレーザ光を集光するのは容易ではなく、レーザ光源の出射光の光導波路型ＳＨＧ素子へのカップリング効率の低下を招き、その結果として第２高調波への変換効率の低下を招いていた。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、光源装置の第２高調波への変換効率を可及的に向上する点にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記請求項１記載の構成を備えることにより、レーザ光源と、そのレーザ光源の出射光ビームを集光するレンズと、そのレンズによって光導波路に入射された光ビームの第２高調波を生成する光導波路型ＳＨＧ素子とが備えられた光源装置において、前記レンズにて集光された光ビームのビームウェストが、前記光導波路の光入射端面又はその近傍に位置し、且つ、前記光入射端面における前記光ビームの幅が、前記光導波路の幅に略一致するように光軸調整されている。
【０００６】
すなわち、本発明の発明者は、開口数（ＮＡ）の大きいレンズを使用して、レーザ光源の出射光ビームを光導波路型ＳＨＧ素子に形成された光導波路の光入射端面に集光する実験を行っている際に、前記導波路ＮＡとレンズのＮＡとの関係から予想されるカップリング効率よりも遙かに大きい効率を示す場合があることを見出し、そのような大きなカップリング効率が得られるのは、前記レンズにて集光された光ビームのビームウェストが、前記光導波路の光入射端面又はその近傍に位置し、且つ、前記光入射端面における前記光ビームの幅が、前記光導波路の幅に略一致するときであることを突き止め、しかも、そのように光軸調整された状態では、集光するレンズのＮＡには依存しないことを突き止めた。
【０００７】
そこで、前記レンズにて集光された光ビームのビームウェストが、前記光導波路の光入射端面又はその近傍に位置し、且つ、前記光入射端面における前記光ビームの幅が、前記光導波路の幅に略一致するように光軸調整して光源装置を構成することで、レーザ光源からの出射光の光導波路型ＳＨＧ素子へのカップリング効率が高効率となり、それによって第２高調波への変換効率を可及的に向上できる。
しかも、前記導波路ＮＡを考慮すること無くレンズのＮＡを設定できるので、光源装置の光学系の設計が容易となる。
【０００８】
尚、このように大きなカップリング効率が得られる理由としては、レンズにて集光された光ビームのビームウェストでは波面の湾曲が十分に小さくなっており、このビームウェストの位置で光導波路型ＳＨＧ素子の光導波路の光入射端に入射し、且つ、ビームの幅を前記光導波路の幅に略一致させて幅方向でのビームの広がりを規制することで、平行ビームを光導波路に入射させた状態に類似する状態となって、レンズのＮＡに依存しなくなるためと考えられる。
従って、光ビームをビームウェストの位置で前記光導波路の光入射端に入射させた状態において、ビームの幅を前記光導波路の幅よりも小さくするにつれて、前記光導波路内でビームが広がって光導波路外へ漏れ出ることによって、カップリング効率が低下することになり、逆に、ビームの幅を前記光導波路の幅よりも大きくするにつれて、光導波路の光入射端からはみ出したビームスポットの部分が光導波路に入射しないことによって、カップリング効率が低下することになる。このカップリング効率の低下の度合いは、ビームの幅を前記光導波路の幅よりも小さくする場合がより急峻となる。
尚、ビームウェストにおけるビームの幅は、一般に、光エネルギーのピークの位置の１／ｅ^２となる幅で規定される。
【０００９】
又、上記請求項２記載の構成を備えることにより、前記レーザ光源が、半導体レーザ素子を備えて構成されている。
すなわち、半導体レーザ素子を使用するレーザ光源は低コスト化が図れるものの、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は、ガスレーザ等から得られるレーザ光に比べてレーザ光としての品質が悪く、小さなスポットに集光し辛いものである。
このようなレーザ光源を使用する場合において、上述のようにレンズのＮＡを大きくしても、前記光導波路へのカップリング効率を高効率にできることが特に有効となり、装置の低コスト化を図りながら、第２高調波への変換効率を可及的に向上できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光源装置を写真プリントシステムにおける露光用の光源として備えた場合の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施の形態で例示する写真プリントシステムＤＰは、いわゆるデジタルミニラボ機として知られているものであり、図７のブロック構成図に示すように、現像処理済みの写真フィルムやメモリーカード，ＭＯあるいはＣＤ−Ｒ等から写真プリントを作製するための画像データを入力する画像入力装置ＩＲと、画像入力装置ＩＲにて入力した画像データを印画紙２に露光処理する露光・現像装置ＥＰとから構成されている。
【００１１】
〔画像入力装置ＩＲの概略構成〕
画像入力装置ＩＲには、図７に概略的に示すように、写真フィルムの駒画像を読み取るフィルムスキャナ３と、メモリーリーダ，ＭＯドライブ及びＣＤ−Ｒドライブ等を備えた外部入出力装置４と、汎用小型コンピュータシステムにて構成されてフィルムスキャナ３や外部入出力装置４の制御のほか写真プリントシステムＤＰ全体の管理を実行する主制御装置５とが備えられ、更に、主制御装置５には、仕上がりプリント画像をシミュレートしたシミュレート画像や各種の制御用の情報を表示するモニタ５ａと、露光条件の手動設定等や制御情報の入力操作をするための操作卓５ｂとが接続されている。
【００１２】
〔露光・現像装置ＥＰの全体構成〕
露光・現像装置ＥＰは、筐体内部に、画像露光装置ＥＸと、画像露光装置ＥＸにて露光された印画紙２を現像処理する現像処理装置ＰＰと、筐体内に配置された印画紙マガジン６から引き出された印画紙２を多数の搬送ローラ９等にて現像処理装置ＰＰへ搬送する印画紙搬送系ＰＴとが設けられている。
図示を省略するが、露光・現像装置ＥＰの筐体外部には、現像処理装置ＰＰにて現像処理及び乾燥処理された印画紙２をオーダ毎に分類するためのソータが備えられ、このソータへ印画紙２を搬送するコンベア１０が筐体上面に備えられている。
更に、印画紙搬送系ＰＴの搬送経路の途中には、印画紙マガジン６から引き出された長尺の印画紙２を設定プリントサイズに切断するカッタ１１と、一列で搬送される印画紙２を複数の搬送列に振り分けるための振り分け装置１２が備えられている。
【００１３】
〔画像露光装置ＥＸの構成〕
画像露光装置ＥＸは、印画紙２に対して光ビームを走査することにより印画紙２上に露光画像を形成する画像露光ユニット１３と、画像露光ユニット１３を制御する露光制御装置１４とを主要部として構成されている。
〔画像露光ユニット１３の構成〕
画像露光ユニット１３は、レーザを光源として印画紙２上に画像を露光するいわゆるレーザ露光式を採用しており、その概略構成を図６のブロック構成図に示す。
画像露光ユニット１３には、赤色，緑色及び青色の単色光を夫々出射する赤色ビーム用光源装置２０ｒ，緑色ビーム用光源装置２０ｇ及び青色ビーム用光源装置２０ｂと、各光源装置２０ｒ，２０ｇ，２０ｂの出射光を強度変調するための音響光学変調素子２１（以下、「ＡＯＭ素子２１」と略称する）と、各光源装置２０ｒ、２０ｇ、２０ｂから出射される光ビームＬＢのビーム径を調整するためのビームエキスパンダ２２と、シリンドリカルレンズ２３と、赤色，緑色及び青色の３本の光ビームＬＢの光軸を１本の光軸にまとめるプリズム２４と、光ビームＬＢを走査するためのポリゴンミラー２５と、ｆ−θ特性と面倒れ補正機能とを有する結像レンズ群２６とが備えられる他、光ビームＬＢの光路を屈曲させるミラー２７やプリズム２４へ入射する光を規制するアパーチャ２８が配置されている。
【００１４】
〔光源装置２０ｇ，２０ｂの構成〕
各光源装置２０ｒ，２０ｇ，２０ｂは、何れも半導体レーザ素子をレーザ光源としているのであるが、赤色ビーム用光源装置２０ｒが半導体レーザ素子の出射光をそのまま光ビームＬＢとしているのに対し、緑色ビーム用光源装置２０ｇ及び青色ビーム用光源装置２０ｂは、半導体レーザ素子の出射光を光導波路型ＳＨＧ素子に入射させて第２高調波を生成し、その第２高調波を光ビームＬＢとして取り出している。
以下、緑色ビーム用光源装置２０ｇ及び青色ビーム用光源装置２０ｂの構成について更に説明するが、これらの光源装置２０ｇ，２０ｂは基本的に同一構成であるので、両者を併せて説明する。
【００１５】
緑色ビーム用光源装置２０ｇ及び青色ビーム用光源装置２０ｂは、図５に概略的に説明するように、半導体レーザ素子を筐体内に収納したレーザ光源ＬＳとしての半導体レーザ装置４１と、半導体レーザ装置４１の位置決めを行うレーザ取付部材４２と、レーザ取付部材４２に取付けられて半導体レーザ装置４１の温度を設定温度に維持するための熱電冷却装置４３と、半導体レーザ装置４１の出射光を集光するレンズ４４と、第２高調波を生成する第２高調波発生装置４５と、第２高調波発生装置４５から出射した第２高調波の光ビームＬＢをＡＯＭ素子２１に集光する集光レンズ４６とが備えられて構成されている。レンズ４４は、半導体レーザ装置４１の出射光を平行光にするコリメートレンズ４４ａと、その平行光を集光する集光レンズ４４ｂとによって構成されている。
【００１６】
〔第２高調波発生装置４５の構成〕
第２高調波発生装置４５は、図４に示すように、ベース板５１と、熱電冷却装置５２と、レンズ４４に集光されて光導波路５３ａの一端側に入射されたレーザ光の第２高調波を生成する光導波路型ＳＨＧ素子５３と、光導波路型ＳＨＧ素子５３を支持するＳＨＧ素子支持体５４と、光導波路型ＳＨＧ素子５３を支持した状態のＳＨＧ素子支持体５４を覆うカバー５５とが備えられている。
ＳＨＧ素子支持体５４には、光導波路型ＳＨＧ素子５３を載置するための溝５４ａが形成されている。
【００１７】
光導波路型ＳＨＧ素子５３は、光入射端面ＦＳを概略的に示す図１のように、ＬｉＮｂＯ_３基板５３ｂに、プロトン交換法等により光導波路５３ａを形成し、更に、図示を省略する周期ドメイン反転構造を電界印加法あるいはＴｉ拡散法等で形成した後、例えばＺｎＯ等の屈折率がＬｉＮｂＯ_３基板５３ｂに近い保護層５３ｃを積層して構成されている。すなわち、光導波路５３ａの横幅方向及び縦方向における光導波路５３ａの両側の屈折率が同一又は略同一となっている。
【００１８】
レンズ４４と光導波路型ＳＨＧ素子５３とは、レンズ４４にて集光された光ビームＬＢのビームウェストが、光導波路５３ａの光入射端面ＦＳに位置し、且つ、光入射端面ＦＳにおける前記光ビームＬＢの幅が、光導波路５３ａの幅に略一致するように光軸調整されており、本実施の形態では、光入射端面ＦＳにおける光ビームＬＢの幅が、光導波路５３ａの横幅方向及び縦方向において光導波路５３ａの幅に略一致し、図１において１点鎖線Ａで示すビームスポットを形成するように光軸調整されている。
レンズ４４にて集光された光ビームＬＢを側面視で示す図２、及び、平面視で示す図３のように、光導波路型ＳＨＧ素子５３が存在しない状態では、光ビームＬＢは、矢印Ｃで示すビームウェストの位置から２点鎖線Ｂで示すように広がって行くのであるが、上記のように光軸調整することによって、レンズ４４にて集光された光ビームＬＢは４０％近いカップリング効率で光導波路５３ａを伝播する。
【００１９】
尚、光入射端面ＦＳにおける光ビームＬＢの幅を上記のように光軸調整された状態から変化させると、特に光ビームＬＢの幅を狭小化する側において大きくカップリング効率が低下するが、実用的なカップリング効率が得られる範囲で光入射端面ＦＳにおける光ビームＬＢの幅を変化させても良く、その意味で、光入射端面ＦＳにおける光ビームＬＢの幅は、光導波路５３ａの幅に略一致すれば良い。
更に、光軸方向においては、図２及び図３では、光ビームＬＢのビームウェストの位置がまさに光入射端面ＦＳに位置する場合を示しているが、光軸方向におけるビームウェストの近傍では、非常に緩やかにビーム径等が変化するので、光ビームＬＢのビームウェストの位置が光入射端面ＦＳからわずかにずれても、それほど極端にはカップリング効率が低下しない。従って、光ビームＬＢのビームウェストの位置が厳密に光入射端面ＦＳに位置する必要は必ずしもなく、実用的なカップリング効率が得られる範囲内において、光ビームＬＢのビームウェストの位置が光入射端面ＦＳの近傍に位置すれば良い。
【００２０】
上記のように光軸調整された緑色ビーム用光源装置２０ｇ及び青色ビーム用光源装置２０ｂは、半導体レーザ装置４１から出射された光ビームＬＢがレンズ４４を経て光導波路型ＳＨＧ素子５３の光導波路５３ａに入射すると、光導波路５３ａを伝播するレーザ光の一部が、波長が１／２の第２高調波に変換されて出射され、印画紙２を露光するための光ビームＬＢとなる。
【００２１】
〔露光制御装置１４の構成〕
露光制御装置１４には、図６に概略的に示すように、上記構成の画像露光ユニット１３を制御するために、画像入力装置ＩＲから入力される画像データを画像露光ユニット１３の露光特性を考慮した画像データに補正演算する画像処理回路３０と、画像処理回路３０にて求められた画像データを赤色，緑色及び青色の各色毎に記憶する画像データメモリ３１と、赤色，緑色及び青色の各色毎に備えられて画像データメモリ３１の出力データをＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータ３２と、各Ｄ／Ａコンバータ３２からの入力信号に応じた振幅を有する制御信号をＡＯＭ素子２１に出力するＡＯＭ制御回路３３と、各Ｄ／Ａコンバータ３２から送出する画像信号の送出タイミングを制御するタイミング制御回路３４とが備えられている。
【００２２】
〔画像露光装置ＥＸの露光動作〕
次に、上記構成の画像露光ユニット１３及び露光制御装置１４の動作を説明する。
画像入力装置ＩＲから入力された露光用画像データは、画像処理回路３０によって補正演算されて、画像露光ユニット１３によって露光されたときに良好なプリント画像が得られる画像データに変換され、画像データメモリ３１に順次書き込まれる。
画像データメモリ３１に一旦記憶されたデータは、各画素のデータ毎に、タイミング制御回路３４から入力されるクロック信号と同期して画素単位でＤ／Ａコンバータ３２に送られ、アナログ信号に変換された後にＡＯＭ制御回路３３に送られる。
タイミング制御回路３４は、印画紙搬送系ＰＴから得られる印画紙２の搬送情報に基づいて、印画紙２の前端が所定の露光開始位置まで搬送されて来たことを検知すると、光ビームＬＢの走査位置の検出信号と同期をとりながら、画像露光ユニット１３の露光処理スピードに対応した速度で画像信号を画像露光ユニット１３へ順次送信するように前記クロック信号を生成する。
【００２３】
ＡＯＭ制御回路３３は、入力信号に応じた振幅の制御信号をＡＯＭ素子２１に出力し、ＡＯＭ素子２１は入力制御信号の振幅に応じた回折率で各光源装置２０ｂ，２０ｇ，２０ｒから入射する光ビームＬＢを変調する。
上記のようにして変調された各光ビームＬＢは、ビームエキスパンダ２２等を通過した後にプリズム２４に入射し、赤色，緑色及び青色の３本の光ビームＬＢが１本の光ビームＬＢにまとめられ、ポリゴンミラー２５の反射面に照射される。
【００２４】
駆動モータ２５ａにて回転駆動されているポリゴンミラー２５の反射面で反射された光ビームＬＢは、ポリゴンミラー２５の回転軸芯と直交する面内で走査され、搬送移動される印画紙２上に結像レンズ群２６によって集光される。光ビームＬＢの走査方向は印画紙２の搬送方向と交差（より具体的には、直交）しており、光ビームＬＢの走査方向が主走査方向、印画紙２の搬送方向が副走査方向となる。光ビームＬＢの走査と印画紙２の搬送移動によって、印画紙２上にプリントする画像が潜像として形成される。
【００２５】
〔写真プリントの作製動作〕
次に、上記構成の写真プリントシステムＤＰによる写真プリントの作製動作を概略的に説明する。
操作者が写真フィルムの駒画像について写真プリントの作製を指示入力したときは、主制御装置５は、フィルムスキャナ３に対して写真フィルムの読み取りを指令し、フィルムスキャナ３からその写真フィルムの画像データを順次受取って、内蔵されているメモリに記録する。
一方、操作者がメモリーカード，ＭＯあるいはＣＤ−Ｒ等の記録媒体に記録された画像データについて写真プリントの作製を指示入力したときは、主制御装置５は、外部入出力装置４の該当するドライブに画像データの読み取りを指令し、そのドライブから画像データを順次受取ってメモリに記録する。
【００２６】
主制御装置５は、上記のようにして入力された画像データに基づいて、その画像データによってプリントを作製した場合に得られるであろうシミュレート画像を図示を省略する画像処理回路にて演算して求め、それをモニタ５ａに表示する。
操作者は、このモニタ５ａ上のシミュレート画像を観察して、適正な画像が得られていなければ、操作卓５ｂから露光条件の修正入力操作を行う。
主制御装置５の画像処理回路は、入力された画像データとその修正入力とに従って予め設定された演算条件で赤色、緑色、青色毎の露光用画像データを生成する。
【００２７】
この露光用画像データは、露光・現像装置ＥＰの露光制御装置１４に送られ、上述のようにして印画紙２にプリント画像の潜像が形成される。
画像露光ユニット１３にて露光処理された印画紙２は、印画紙搬送系ＰＴにて現像処理装置ＰＰへ搬送されて、各現像処理タンクを順次通過することにより現像され、現像処理された印画紙２は、更に乾燥処理された後にコンベア１０上に排出され、ソータにてオーダー毎にまとめられる。
【００２８】
〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、本発明の光源装置を、写真プリントシステムＤＰの画像露光装置ＥＸにおいて印画紙２に露光画像を形成するための光源に適用する場合を例示しているが、光ディスク装置の読取り及び記録用の光源として用いる等、種々の用途に用いることができる。
（２）上記実施の形態では、緑色及び青色の第２高調波を得る場合を例示しているが、赤色あるいはその他の色の第２高調波を生成する場合にも本発明を適用できる。
【００２９】
（３）上記実施の形態では、光導波路型ＳＨＧ素子５１において、光導波路型ＳＨＧ素子５３の基板材料としてＬｉＮｂＯ_３を例示しているが、例えばＬｉＴａＯ_３やＫＴＰ等の他の材料を用いても良い。
（４）上記実施の形態では、光導波路型ＳＨＧ素子５３にて第２高調波を発生させるためのレーザ光源ＬＳに半導体レーザ素子を備える場合を例示しているが、例えばＹＡＧレーザ等の半導体レーザ素子以外のレーザ光源を用いても良い。
（５）上記実施の形態では、レーザ光源ＬＳの出射光を集光するレンズ４４を、コリメートレンズ４４ａ及び集光レンズ４４ｂによって構成する場合を例示しているが、単一のレンズによって構成しても良いし、又、３つ以上のレンズにて構成しても良い。
【００３０】
【発明の効果】
上記請求項１記載の構成によれば、前記レンズにて集光された光ビームのビームウェストが、前記光導波路の光入射端面又はその近傍に位置し、且つ、前記光入射端面における前記光ビームの幅が、前記光導波路の幅に略一致するときに、光導波路型ＳＨＧ素子に対するカップリング効率が大となり、しかも、集光するレンズのＮＡには依存しないという知見に基づいて、レーザ光源の出射光の第２高調波への変換効率を可及的に向上できるものとなった。
又、上記請求項２記載の構成によれば、レーザ光としての品質がそれほど良くない半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を使用しても、前記光導波路へのカップリング効率を高効率にできるものとなり、装置コストの低減を図りながら、第２高調波への変換効率を可及的に向上できるものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる光導波路型ＳＨＧ素子の光入射端面を示す図
【図２】本発明の実施の形態にかかる側面視による光導波路への光の入射状態を示す図
【図３】本発明の実施の形態にかかる平面視による光導波路への光の入射状態を示す図
【図４】本発明の実施の形態にかかる第２高調波発生装置の斜視図
【図５】本発明の実施の形態にかかる光源装置の概略構成図
【図６】本発明の実施の形態にかかる画像露光装置の概略構成図
【図７】本発明の実施の形態にかかる写真プリントシステムのブロック構成図
【符号の説明】
ＦＳ　　光入射端面
ＬＳ　　レーザ光源
４４　　レンズ
５３　　光導波路型ＳＨＧ素子
５３ａ　光導波路

Claims (2)

1. レーザ光源と、そのレーザ光源の出射光ビームを集光するレンズと、そのレンズによって光導波路に入射された光ビームの第２高調波を生成する光導波路型ＳＨＧ素子とが備えられた光源装置であって、
   前記レンズにて集光された光ビームのビームウェストが、前記光導波路の光入射端面又はその近傍に位置し、且つ、前記光入射端面における前記光ビームの幅が、前記光導波路の幅に略一致するように光軸調整されている光源装置。
2. 前記レーザ光源が、半導体レーザ素子を備えて構成されている請求項１記載の光源装置。

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