JP2005191223A - 半導体レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザを複数個設け、それらの光を合成して高出力の光を得るようにした場合、各半導体レーザの温度や寿命の管理を適切にする必要がある。本発明は、消費電力の過剰な増大を防ぎ、かつ半導体レーザの長寿命化を両立させた半導体レーザ光源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 複数の半導体レーザと、各半導体レーザにそれぞれ駆動電流を供給する駆動電流源と、半導体レーザの発熱温度をそれぞれ検出する温度検出回路と、温度検出回路による検出結果に基いてそれぞれの半導体レーザの温度を所定の温度範囲内に制御する電子的温度制御回路と、発熱量が規定値を超えた半導体レーザの駆動電流源の駆動電流を制限する制御手段とを具備してなる半導体レーザ光源装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、投射型映像表示装置等に利用可能な半導体レーザ光源装置に関する。

半導体レーザは、例えば光通信システムなどの光伝送装置の光源として用いられている。例えば特許文献１においては、この種の用途として半導体レーザを用いた光伝送装置が開示されている。このような半導体レーザ装置は、動作適温を有し、特許文献１によれば０℃〜６０℃の温度範囲が適温であるとしている。このため、サーミスタにより半導体レーザの温度を検出し、温度条件が上記温度範囲外に達した場合には、吸熱発熱器により半導体レーザを加熱又は冷却するようにしている。これにより半導体レーザの動作温度範囲を例えば−４０℃〜８５℃の範囲まで拡張するとともに吸熱発熱器による消費電力の低減を図るようにしている。

また、半導体レーザは使用するにつれて劣化し、駆動電流値に対して光出力が低下する現象が徐々に進行することが知られており、光出力が低下した場合には駆動電流を増加することで光出力を一定に保つようにようにしている。しかしながら、駆動電流を増加して光出力を上げることは、半導体レーザの劣化を助長し、寿命を短くすることなる。しかも劣化によって光出力の効率が悪くなり発熱量が増えるため、吸熱発熱器により冷却を行うことになり、消費電力が増大するという欠点があった。

このため、特許文献２では、半導体レーザの長寿命化を図るため、半導体レーザの出力を検出する光検出器を設け、この光検出器の検出結果に基づき半導体レーザの出力を所定の設定値に合わせるように制御し、かつ半導体レーザの長期的な出力低下を検出し、この出力低下の検出結果に応じて前記設定値を下げるようにしたレーザ光源装置が記載されている。
特公平８−２１７４７号公報（第４カラム１８行目〜第５カラム１９行目、図１） 特開２００２−３１９７３４号公報（第４カラム１２行目〜第５カラム２６行目、図１）

上記したような特許文献１記載の半導体レーザにおいては、吸熱発熱器により半導体レーザを加熱又は冷却するようにしているが、半導体レーザの劣化によって発熱量が増えた場合、吸熱発熱器により強く冷却を行う必要があるため消費電力が増大するという欠点があった。同様に高温の環境下で使用された場合にも、冷却のために過剰な消費電力が生じるという不都合があった。又、半導体レーザの長期的な出力低下を検出し、この出力低下の検出結果に応じて半導体レーザの出力を制限する方法では、光出力が低下してしまうため、投射型映像表示装置に用いた場合には、表示画像の明るさを犠牲にすることになり、更なる改善が求められている。

さらに、近年では投射型映像表示装置の光源として半導体レーザを使用することが考えられているが、赤、青、緑の３原色光として、それぞれワットクラスの出力光が必要とされるため、半導体レーザを複数個設け、それらの光を合成して高出力の光を得るようにしているが、各半導体レーザの温度管理及び駆動手法として適切なものがなかった。
そこで、本発明は、消費電力の過剰な増大を防ぎ、かつ半導体レーザの長寿命化を両立さ
せた半導体レーザ光源装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数の半導体レーザと、これら半導体レーザにそれぞれ駆動電流を供給する駆動電流源と、前記半導体レーザの発熱温度をそれぞれ検出する温度検出回路と、前記温度検出回路による検出結果に基いて前記それぞれの半導体レーザの温度を所定の温度範囲内に制御する電子的温度制御回路と、前記温度検出回路の検出結果及び前記電子的温度制御回路からの制御信号を受け、発熱量が規定値を超えた半導体レーザの駆動電流源の駆動電流を制限する制御手段と、を具備したことを特徴とする半導体レーザ光源装置である。

また、本発明は、半導体レーザを含む複数のレーザユニットを有し、それぞれの半導体レーザからの光出力を合成し光源として利用する半導体レーザ光源装置であって、
前記各レーザユニットは、前記半導体レーザに駆動電流を供給する駆動電流源と、前記半導体レーザの発熱温度を検出する温度検出回路と、前記温度検出回路による検出結果に基いて前記半導体レーザの温度を所定の温度範囲内に制御する電子的温度制御回路とから成り、さらに、前記各レーザユニットの温度検出回路の検出結果及び前記電子的温度制御回路からの制御信号を受け、発熱量が規定値を超えた半導体レーザの駆動電流源の駆動電流を制限する制御手段を具備したことを特徴とする半導体レーザ光源装置である。

本発明によれば、消費電力の増大防止と長寿命化を両立させることができる半導体レーザ光源装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明に係る半導体レーザ光源装置について詳細に説明する。

以下、本発明の実施例について説明する。図１は本発明の半導体レーザ光源装置の構成を示すブロック図、図２は本発明の半導体レーザ光源装置の全体的な概要構成を示すブロック図である。

図１において、本発明の半導体レーザ光源装置は、複数のレーザユニット１００，２００…と、それらを制御する制御装置（マイクロコンピュータ１０）とから成っている。以下の説明では２つのレーザユニットを備える例について説明するが、それ以上のレーザユニットを有していても良い。

レーザユニット１００は、半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１を駆動する駆動電流源１２と、半導体レーザ１１の近傍に設けられた吸熱発熱器を構成するペルチェ素子１３と、このペルチェ素子１３を駆動する駆動回路１４を備えている。さらに、ペルチェ素子１３には、感温素子としてのサーミスタ１５が取付けられ、このサーミスタ１５に温度検出回路１６が接続され、温度検出回路１６による温度検出結果によってペルチェ駆動回路１４を制御するようにしている。

前記駆動回路１４は、ペルチェ素子１３へ流す駆動電流量に応じて増減する制御信号、及び前記温度検出回路１６にて検出した温度情報をマイクロコンピュータ１０へ伝送し、マイクロコンピュータ１０は、駆動電流源１２を制御する制御信号を出力する。尚、レーザユニット２００は、レーザユニット１００と同一の構成であるため、詳細な説明は省略する。

こうして、レーザユニット１００，２００…は構成されるが、図２で示すように、各ユニットの半導体レーザから出力される光は、光ファイバＦ１，Ｆ２…を介して光結合器Ｍに導かれ、合成されて１つになり、光ファイバＦ０から出力される。

次に本発明の半導体レーザ光源装置の動作について説明する。半導体レーザ１１は、マイクロコンピュータ１０の制御のもとに駆動電流源１２によって駆動され、所定波長のレーザ光を出力する。図２に示される光ファイバＦ１，Ｆ２…は、その詳細については省略するが、例えば入射側端面及び出射側端面に反射素子を配置して共振器ミラーを構成し、半導体レーザ１１から出力された光を光学系（レンズ）を介して励起光として入射するようにしている。

又、半導体レーザ１１はペルチェ素子１３の吸熱面上に取付けられ、このペルチェ素子１３には、感温素子としてサーミスタ１５が実装されている。サーミスタ１５は、温度によって抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化をもとに温度検出回路１６は温度を検出し、所定温度Ｔ１（例えば２５℃）との差に応じた制御信号Ｃ１を駆動回路１４に供給する。また、検出した温度情報Ｃ２をマイクロコンピュータ１０に供給する。

駆動回路１４は、温度検出回路１６からの制御信号Ｃ１によってペルチェ素子１３への駆動電流を制御し、検出温度が所定温度Ｔ１になるように動作する。又、駆動回路１４は、ペルチェ素子１３へ流す駆動電流に対応して増減する制御信号Ｃ３をマイクロコンピュータ１０に供給する。

マイクロコンピュータ１０は、制御信号Ｃ３を基に前記駆動電流源１２を制御する制御信号Ｃ４を生成する。駆動電流源１２は、制御信号Ｃ４に応答して半導体レーザ１１に流れる駆動電流を変化させ、ペルチェ素子１３の電流が所定電流値以下であれば、所定の定格電流を半導体レーザ１１に流して駆動し、ペルチェ素子１３の電流が所定値を超えた場合には、超過した電流量に相当する量だけ減じた電流を半導体レーザ１１に流す。

こうして、半導体レーザ１１はペルチェ素子１３により温度上昇が抑えられ、かつ異常に温度上昇した場合には、半導体レーザ１１に流す駆動電流を制限して温度上昇を防ぐことができる。

以下、図３を参照して、複数のレーザユニット１００，２００における半導体レーザ１１の電流制御と、ペルチェ素子１３の電力制御の動作を具体的に説明する。

図３において、上段はレーザユニット１００，２００それぞれの半導体レーザ１１の駆動電流の変化を示し、下段はレーザユニット１００，２００それぞれのペルチェ素子１３の駆動電流の変化に伴う消費電力を示している。仮にレーザユニット１００の半導体レーザ１１の方が劣化しているものとして説明する。

半導体レーザ光源装置の電源をオンにすると、先ずマイクロコンピュータ１０，サーミスタ１５，温度検出回路１６が動作する。温度検出回路１６は、電源投入時の温度情報Ｃ２をマイクロコンピュータ１０に送り、投入時の温度Ｔｓと前記所定温度Ｔ１との比較を行う。また前回動作時にマイクロコンピュータ１０に記憶された制御信号Ｃ３を基に半導体レーザ１１を所定電流値Ｉ１で駆動した場合の発熱推定量を算出する。

発熱推定量の計算の一例を以下に示す。制御信号Ｃ３がペルチェ素子に流す電流であるとする。ペルチェ素子の吸熱量Ｑｃ［Ｗ］と発熱量Ｑｈ［Ｗ］は、ペルチェ素子のパラメータであるPN素子間の熱起電力α［Ｖ／Ｋ］、高温側の面の絶対温度Ｔｈ［Ｋ］、低温側の面の絶対温度Ｔｃ［Ｋ］、電気抵抗Ｒ［Ω］、両面間の熱コンダクタンスＬ［Ｗ／Ｋ］
、ペルチェ素子に流す電流Ｉ［Ａ］を用いて以下の式で表せる。

Ｑｃ＝α・Ｔｃ・Ｉ−Ｉ²・Ｒ／２−Ｌ・（Ｔｈ−Ｔｃ） …（１）
Ｑｈ＝α・Ｔｈ・Ｉ＋Ｉ²・Ｒ／２−Ｌ・（Ｔｈ−Ｔｃ） …（２）
したがって、半導体レーザの発熱推定量をＱＬＤ［Ｗ］，所定温度Ｔ１［Ｋ］，投入時の温度Ｔｓ［Ｋ］，ペルチェ素子高温側と周囲環境との熱抵抗をＲａ［Ｋ／Ｗ］とし、説明の簡単のため半導体レーザの発熱量がペルチェ素子の吸熱量と等しく、他との熱の授受は無く半導体レーザ・ペルチェ素子間の熱抵抗を無視し得るものとすると、（１）式から
ＱＬＤ＝α・Ｔ１・Ｉ−Ｉ²・Ｒ／２−Ｌ・（Ｔｈ−Ｔ１） …（３）
（２）式から
Ｑｈ＝α・Ｔｈ・Ｉ＋Ｉ²・Ｒ／２−Ｌ・（Ｔｈ−Ｔ１） …（４）
周囲環境への放熱の関係から
Ｑｈ＝（Ｔｈ−Ｔｓ）／Ｒａ …（５）
したがって、（３）、（４）、（５）式を連立して解くことにより、
Ｔｈ＝（Ｒａ・Ｉ²Ｒ／２＋Ｌ・Ｒａ・Ｔ１）／（１−α・Ｉ・Ｒａ＋Ｌ・Ｒａ）…（６），
Ｑｈ，ＱＬＤが求められる。

さらにペルチェ素子１３の電流値を求め電力値を算出する。このとき、ペルチェ素子の消費電力ＰＴＥＣ［Ｗ］は、
ＰＴＥＣ＝Ｉ²Ｒ＋Ｉ・α・（Ｔｈ−Ｔｃ） …（７）
で求められる。

図３（ａ）はこのときの状態を示しており、各レーザユニット１００，２００の半導体レーザ１１を所定の電流値Ｉ１で駆動した場合には、レーザレーザユニット１００の方が劣化しているため、ユニット１００のペルチェ素子１３の消費電力が許容値を超えることが分かる。

したがって、マイクロコンピュータ１０は、許容電力量を超えているユニット１００に関しては、半導体レーザ１１に対して所定電流値を減じた電流Ｉ２で駆動するように制御して半導体レーザ１１での発熱を抑え、ペルチェ素子１３での消費電力が許容値以内になるように駆動回路１４を制御する。一方、ユニット２００についても電流Ｉ２で半導体レーザ１１を駆動するように制御する。このときの状態は図３（ｂ）で示すようになり、マイクロコンピュータ１０は、半導体レーザ１１の駆動電流をゼロから電流Ｉ２へと徐々に増加していく。

そして、最終的にはサーミスタ１５，温度検出回路１６の検出結果に応じて各ユニット１００，２００の駆動回路１４が制御され、さらに駆動電流源１２が制御される結果、図３（ｃ）で示すように各ユニット１００，２００の半導体レーザ１１の駆動電流とペルチェ素子１３の消費電力が制御されるようになる。また、前回の制御信号Ｃ４をも記憶しておき、半導体レーザの消費電力を算出し、ペルチェ素子の消費電力との和が許容値以内になるよう制御しても良い。

このように、本発明の半導体レーザ光源装置では、半導体レーザの劣化や使用環境温度が異常に高い場合等、発熱状態が規定値を越えるような場合でも駆動回路１４及び駆動電流源１２を制御することにより、発熱を規定以内に抑えることができる。また、複数のレーザユニットを使用し各ユニットからの出力光を合成しているため、劣化したレーザユニットでは半導体レーザの駆動電流量を制限することで長寿命化を図り、正常なレーザユニットは駆動電流量を制限することなく高い光出力を得ることができる。また、電源投入時にマイクロコンピュータ１０に記憶した情報をもとに各半導体レーザの状態を推定できる
ため、制御動作を迅速に行うことができる。

こうして、本発明では、消費電力の増大防止と長寿命化を両立させることができる半導体レーザ光源装置を提供することができる。

本発明の半導体レーザ光源装置を示すブロック図。（実施例１） 本発明の全体的な概略構成を示すブロック図。 本発明における半導体レーザ光源装置の制御動作を説明する説明図。

符号の説明

１００，２００ レーザユニット
１０ マイクロコンピュータ
１１ 半導体レーザ
１２ 駆動電流原
１３ ペルチェ素子
１４ 駆動回路
１５ サーミスタ
１６ 温度検出回路

Claims (7)

1. 複数の半導体レーザと、
   これら半導体レーザにそれぞれ駆動電流を供給する駆動電流源と、
   前記半導体レーザの発熱温度をそれぞれ検出する温度検出回路と、
   前記温度検出回路による検出結果に基いて前記それぞれの半導体レーザの温度を所定の温度範囲内に制御する電子的温度制御回路と、
   前記温度検出回路の検出結果及び前記電子的温度制御回路からの制御信号を受け、発熱量が規定値を超えた半導体レーザの駆動電流源の駆動電流を制限する制御手段と、
   を具備したことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
2. 前記電子的温度制御回路は、前記半導体レーザが発生する熱を吸熱するペルチェ素子と、前記温度検出回路の検出結果に応答して前記ペルチェ素子の駆動電流を制御する駆動回路とを含んで成ることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源装置。
3. 前記駆動電流制限手段は、前記電子的温度制御回路の制御出力に基き発熱量が規定値を超えた半導体レーザを定格駆動電流以下の電流で駆動することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源装置。
4. 前記制御手段は、マイクロコンピュータにて構成され、前記温度検出回路で検出した温度情報及び前記電子的温度制御回路からの制御信号情報を記憶するようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源装置。
5. 半導体レーザを含む複数のレーザユニットを有し、それぞれの半導体レーザからの光出力を合成し光源として利用する半導体レーザ光源装置であって、
   前記各レーザユニットは、前記半導体レーザに駆動電流を供給する駆動電流源と、前記半導体レーザの発熱温度を検出する温度検出回路と、前記温度検出回路による検出結果に基いて前記半導体レーザの温度を所定の温度範囲内に制御する電子的温度制御回路とから成り、
   さらに、前記各レーザユニットの温度検出回路の検出結果及び前記電子的温度制御回路からの制御信号を受け、発熱量が規定値を超えた半導体レーザの駆動電流源の駆動電流を制限する制御手段を具備したことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
6. 前記電子的温度制御回路は、前記半導体レーザが発生する熱を吸熱するペルチェ素子にて成り、前記温度検出回路は、前記ペルチェ素子に実装されたサーミスタ及びこのサーミスタの抵抗値変化に基いて温度情報を出力する回路にて成り、前記温度情報に応答して前記ペルチェ素子の駆動電流を制御するようにしたことを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ光源装置。
7. 前記制御手段は、マイクロコンピュータにて構成され、前記温度検出回路で検出した温度情報及び前記電子的温度制御回路からの制御信号情報を記憶可能にしたことを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ光源装置。
   
   
   

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