JP2005311133A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザを用いた光源装置において、温度変動に対して安定な光出力を保証する。
【解決手段】 レーザ光源を用いた光源装置１において、レーザ光源２の温度を検出する温度検出手段３と、短期的な温度変化に対してレーザ光源２の光出力を一定化させるための制御手段４と、該制御手段４からの信号を受けてレーザ光源２に電力を供給する電源部５を設ける。電流制御手段４ｃは温度検出手段３による検出温度のみを入力情報とし、温度情報から算出される電流値の制御信号を電源部５に送出する。その結果、電源部５からレーザ光源２に供給される電流が制御されて光出力が一定化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを用いた光源装置や該光源装置を使った各種装置（画像装置等）への適用において、温度変化の影響に対して安定な光出力を得るための技術に関する。

半導体レーザを光源に用いた装置では、レーザの光出力及び波長の安定性が求められ、例えば、プロジェクタ装置等の画像表示への適用において、レーザ光源の経時変化や周囲温度の変化等による影響を受けて光出力が変動すると、画質や性能低下等の問題を引き起こす虞がある。

そのため、レーザ光出力をモニタ用ダイオード等で監視しながらレーザダイオード（以下、「ＬＤ」と記す。）の駆動電流を制御する方法や、温度検出手段（温度センサ）やバックモニタダイオード等を用いてＬＤの温度を計測し、温度情報に応じて発光制御や冷却制御を行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。尚、ＬＤはその駆動電流を一定としたとき、温度上昇につれて光出力が低下する特性を有するので、一定の光強度を得ようする場合に、温度が高くなれば、駆動電流を大きくする必要があり、よって、ＬＤの温度情報を参照して駆動電流を補正（温度補償）すれば良い。

特開２００１−２１６６７２号公報

しかしながら、従来の構成では、短期的な温度変化の影響を低減して光出力を安定化させることと、ＬＤの経年劣化等の長期的な影響に起因する弊害を防止することとの間で両立化を図ることが困難である。

例えば、ＬＤの劣化等に伴う光出力の低下対策については、ＬＤに流れる電流を制御（自動電流制御）して、光出力を一定化すれば良い（即ち、経年変化等に伴って光出力が次第に低下しなように、駆動電流を増加させる。）が、上記したＬＤの温度補償により、ＬＤの温度上昇時においてはさらに電流を流すように制御が行われる。即ち、ＬＤの使用初期に温度が許容範囲である場合に流れる電流に比して大きな電流が流れてしまうため、短寿命化の原因となったり、劣化を速めてしまう等の弊害が問題となる。

そこで、ＬＤの使用時間や劣化度を監視しつつＬＤに適切な電流を流す必要が生じるが、そのための制御や回路構成の複雑化を伴う場合には、部品点数やコストが増加し、あるいは装置の小型化を阻害したり、省スペース化等に支障が出る。

本発明は、レーザを用いた光源装置において、温度変動に対して安定な光出力を保証することを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、レーザ光源と、該レーザ光源の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段によって検出される短期的な温度変化に対して該レーザ光源の光出力を一定化させるための制御手段と、該制御手段からの指示を受けてレーザ光源に電力を供給する電源部を備えており、温度検出手段による検出温度のみを入力情報として、該情報から算出される電流値に従ってレーザ光源に電流を流すための制御信号が制御手段から上記電源部に送出され、その結果、電源部からレーザ光源に供給される電流が制御されるように構成したものである。

従って、本発明では、レーザ光源の温度検出情報のみからレーザ光源に流す電流値が規定されるのであって、温度検出情報を参照して駆動電流の温度補償を行う構成とは明らかに区別される。例えば、レーザ光源に係る自動電流制御において温度補償を行う場合には、経年変化に伴う駆動電流の増加分に対して、温度上昇による駆動電流の増加分が加わった結果として、大きな電流が流れることに起因する弊害が生じるが、本発明では、そのような弊害を伴わない（短期的な温度上昇による駆動電流の増加分だけが考慮される。）。

本発明によれば、短期的な温度変化の影響を低減して光出力を安定化させることができ、しかも、レーザ光源の経年劣化等による長期的な影響に対して、定出力の電流制御及び温度補償を行うことに起因する弊害を防止することができる。よって、本発明を用いた装置の性能や信頼性を高めることが可能である。

そして、レーザ光源に流れる電流を、検出温度「Ｔ」の関数「Ｉ（Ｔ）」と記すとき、検出温度Ｔが予め決められた範囲内である場合において、Ｉ（Ｔ）の導関数「ｄＩ／ｄＴ」が一定の正値又は「（ｄＩ／ｄＴ）＞０」となるように、レーザ光源の電流制御を行うと、短期的な温度上昇変化に対してレーザ光源に流れる電流を増加させて光出力を安定化させることができる。

また、温度検出手段による検出温度が予め決められた範囲から外れて上昇した場合には、レーザ光源への供給電流を一定値に制限することによって、過剰電流による寿命や劣化等への影響を低減することができる。

温度検出手段からの検出温度に応じてレーザ光源の温度を一定化させることにより該レーザ光源の光出力を安定化させるための温度制御手段を設けた構成形態において、該温度制御手段のみによっては除去することのできない微小な温度変化に対して、上記制御手段から上記電源部に送出される制御信号に従って該電源部からレーザ光源に供給される電流を制御し、その光出力が微調整されるように構成すると、制御の正確性を高め、充分な精度を保証することが可能となる。

本発明は、従来のようにレーザ光源の温度検出情報を参照して該レーザ光源の駆動電流値を補正するのではなく、レーザ光源の温度検出情報から駆動電流値を直接的に算出することによって簡単な構成で充分な精度を出せるようにした光源装置を提供するものである。

図１は、本発明に係る光源装置の基本構成例を示す図である。尚、本構成については、レーザ光源を用いた各種の装置、例えば、画像投射装置やプリンタ等の画像出力装置、あるいはレーザ加工装置等への適用が可能であるが、電流制御に伴う多少の波長変動を許容し得る用途に好適である。

光源装置１は、レーザ光源２と、該レーザ光源２の温度を検出するための温度検出手段３を備えている。例えば、温度調節機能を有するＬＤマウント上にＬＤ２ａとその温度センサ３ａが搭載されており、温度センサ３ａの検出情報が制御手段４に送出される。

制御手段４は、温度計測手段４ａ、温度制御手段４ｂ、電流制御手段４ｃを有する。

サーミスタや測温抵抗体等を用いた温度センサ３ａによる検出信号が温度計測手段４ａに送られて温度情報が得られ、該温度情報は温度制御手段４ｂ及び電流制御手段４ｃに送出される。

温度制御手段４ｂは、上記温度情報を受けてレーザ光源２の温度を安定化させ、該温度が許容範囲内から外れないようにＬＤマウントに設けられた冷却装置（ペルチェ素子やＭＥＭＳクーラ、水冷装置等）又は放熱装置（送風ファン等）を制御するものである。つまり、温度制御手段４ｂは、温度検出温度に応じてレーザ光源の温度を一定化させることにより該レーザ光源の光出力を安定化させる役割を有する（レーザ光源２と温度制御手段４ｂを繋ぐ接続線は冷却配管又は配線を示している。）。

電流制御手段４ｃは、温度検出手段３によって検出される、数十秒乃至数分程度の短期的な温度変化に対して、レーザ光源２の光出力を一定化するための電流制御を行う。つまり、温度制御手段４ｂによる温度制御のみでは除去できない、レーザ光源２に係る微小な温度変化に対して、該レーザ光源の光出力を微調整する役割を有する。そのために、電流制御手段４ｃは、温度検出手段３による検出温度のみを入力情報として、温度情報から算出される電流値に従ってレーザ光源２に電流を流すための制御信号（電流指示信号）を電源部５に送出する。

電源部５は、電流制御手段４ｃからの電流指示信号に従ってレーザ光源２に電力を供給するための回路（可変電流源を含む。）を備えている。

図２は、ＬＤ出力制御について要部の回路構成例を示したブロック図である。

ＬＤマウント６上に配置されたＬＤブロック７の温度は、その近辺に配置された温度センサ３ａによって監視され（モニタリング）、該温度センサ３ａによる検出信号が制御ブロック８に送出される。

制御ブロック８は、プリアンプ８ａ、アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）８ｂ、ＣＰＵ（中央処理装置）８ｃ、ディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）８ｄを備えている。

温度センサ３ａによる検出信号は、プリアンプ８ａでの増幅後にアナログ−ディジタル変換器８ｂに送られてディジタル化される。そして、ＣＰＵ８ｃ及び該ＣＰＵによって実行されるプログラムによって算出されるＬＤの目標電流値がディジタル−アナログ変換器８ｄを介して電流駆動ブロック９に送出される（つまり、目標電流値をアナログ信号に変換することで得られる電流指令値信号が電流駆動ブロック９に送られる。）。

電流駆動ブロック９は上記電源部５を構成し、上記目標電流値に相当する駆動電流がＬＤに流れるようにＬＤブロック７を制御する（ＬＤの電流を温度検出情報に応じて変化させる。）。

図３は、横軸にＬＤブロック７のベース温度（単位：°Ｃ）をとり、縦軸には、所定温度にて「１」に規格化した駆動電流（任意単位）をとって、温度変化に対する電流制御特性を例示したものである。

温度センサ３ａによる検出温度を「Ｔ」と記し、半導体レーザに流れる電流を「Ｉ」として、これをＴの関数「Ｉ（Ｔ）」と記すとき、Ｔが予め決められた範囲内である場合に、電流Ｉ（Ｔ）の導関数（電流の温度変化率）「ｄＩ／ｄＴ」が、一定の正値を示すように（図の実線「ＧＡ」参照）、レーザ光源の電流制御が行われる。つまり、短期的な温度変動が生じ、例えば、ＬＤの温度が変化した場合には、該温度上昇（又は低下）に伴って駆動電流値を大きく（又は小さく）してやれば光出力を一定に維持することができる（実線ＧＡで示すグラフ線の勾配を「α」（＞０）とし、電流軸上での切片を「β」とするとき、「Ｉ（Ｔ）＝α・Ｔ＋β」で表される。）。

尚、このような線形特性は制御性の面で有効であるが、これに限らず、例えば、図に示す一点鎖線「ＧＢ」や二点鎖線「ＧＣ」（右上がり曲線）のような場合、Ｔについての予め決められた範囲内では「（ｄＩ／ｄＴ）＞０」となるように、レーザ光源の電流制御が行われる（温度上昇変化に対してレーザ光源に流れる電流を増加させて光出力を安定化させることができる。）。

また、本例ではＣＰＵを含む制御ブロック８を用いた構成形態を示したが、駆動電流「Ｉ（Ｔ）」がＴの関数であることから、Ｉ（Ｔ）の制御特性を実現するためのハードウェアロジックや制御回路等を用いることもできる。

また、温度検出手段による検出温度Ｔが、予め決められた範囲（本例では１８°Ｃ≦Ｔ≦２１°Ｃ）から外れた場合には、図３に実線（横軸に平行な直線）で示すように、電流値を一定値に制限するか、あるいは、電流値を所定値（ゼロを含む。）に低下させることが好ましい。

例えば、ＬＤの温度が上昇した場合に、該ＬＤへの供給電流Ｉ（Ｔ）の値が一定値に制限されるようにする（上限リミッタ）と、過剰電流による寿命や劣化等への影響を低減することができる。

図４は本発明に係る別の構成例を示したものであり、図１との相違点は下記の通りである。

・上記温度計測手段４ａと電流制御手段４ｃの機能を有する温度計測及び電流制御手段１０を備えていること
・温度制御機器１１によってＬＤマウントの温度制御が行われること。

本例に示す光源装置１Ａでは、温度センサ３ａによる検出情報が温度計測及び電流制御手段１０と温度制御機器１１の両方に送出される。

温度制御機器１１は、その内部に温度計測部を備えており、検出温度に応じてレーザ光源の温度を一定化させて該レーザ光源の光出力を安定化させる役割を有する（光出力の粗調整）。

また、温度計測及び電流制御手段１０は、温度センサ３ａにより検出される短期的な温度変化に対して、レーザ光源２の光出力を一定化するための電流制御を行う（光出力の微調整）。つまり、温度センサ３ａによる検出温度のみを入力情報として、ＬＤに流すべき駆動電流値を算出して、その電流指示信号を電源部５に送出する。

尚、本例では単一のレーザ光源への適用例を示したが、複数のレーザ光源を用いたシステムへの適用において、各レーザ光源の温度検出情報を温度制御機器１１に送出して温度の安定化を図ることが可能である。

図５は本発明に係るさらに別の構成例を示したものであり、図４との相違点は、光源装置１Ｂにおいて温度センサ３ａによる検出情報が温度計測及び電流制御手段１０だけに送出されることである（温度制御機器１１の温度センサが別に設けられているか又は該温度センサを必要としない構成形態とされる。）。尚、本例に限らず、温度計測及び電流制御手段１０のもつ機能を電源部５に内蔵させた構成形態等、各種の実施態様が可能である。

図６はＬＤの光出力の温度依存性について説明するためのグラフ図であり、横軸にＬＤのベース温度（単位：°Ｃ）をとり、縦軸には、所定温度にて「１」に規格化したＬＤの光出力（任意単位）をとって、温度変化に対する出力特性を例示したものである。

図中に実線のグラフ線ｇａで示すように、本発明を適用した場合、所定の温度範囲（本例では、１８°Ｃ≦Ｔ≦２１°Ｃ）において光出力が一定値を示すことが分かる。これに対して、温度変化に応じた電流制御を行わない場合には、図に破線で示す右下がりのグラフ線ｇｂのように温度上昇に伴って光出力が低下していく。つまり、２０°Ｃ付近より温度が低い場合には光出力が１よりも大きく、２０°Ｃ付近を越えると光出力が１未満に低下する。）。

上記に説明した構成によれば、下記に示す利点が得られる。

・温度調整されたＬＤの出力制御システムに関して、受光素子を追加することなく出射光の強度変動を低減することができる
・短期的な温度変化による光出力への影響を低減することができること
・経年変化等による長期的な光出力の低下に対して、自動電流制御及び温度補償を行う場合に比べて、ＬＤの寿命を延ばすことが可能である
・プロジェクタ装置等に使用するレーザ光源への適用において、温度特性に起因する出力変動の影響を抑制して装置の性能及び品質を保証することができる。

本発明に係る基本構成例を示す図である。 本発明に係る光源装置について要部の回路構成例を示したブロック図である。 温度変化に対する電流制御特性を例示したグラフ図である。 本発明に係る別の構成例を示す図である。 本発明に係るさらに別の構成例を示す図である。 光出力の温度依存性について説明するためのグラフ図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ…光源装置、２…レーザ光源、３…温度検出手段、４…制御手段、４ｂ…温度制御手段、５…電源部

Claims (4)

1. レーザ光源と、該レーザ光源の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段によって検出される短期的な温度変化に対して該レーザ光源の光出力を一定化させるための制御手段と、該制御手段からの指示を受けてレーザ光源に電力を供給する電源部を備えた光源装置において、
   上記温度検出手段による検出温度のみを入力情報として、該情報から算出される電流値に従って上記レーザ光源に電流を流すための制御信号が上記制御手段から上記電源部に送出される
   ことを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載した光源装置において、
   上記検出温度を「Ｔ」と記し、半導体レーザを用いた上記レーザ光源に流れる電流をＴの関数「Ｉ（Ｔ）」と記すとき、該検出温度が予め決められた範囲内である場合に、電流Ｉ（Ｔ）の導関数「ｄＩ／ｄＴ」が一定の正値又は「（ｄＩ／ｄＴ）＞０」となるように、上記制御手段によって上記レーザ光源の電流制御が行われる
   ことを特徴とする光源装置。
3. 請求項２に記載した光源装置において、
   上記検出温度が予め決められた範囲から外れて上昇した場合に、上記制御手段によって上記レーザ光源への供給電流が一定値に制限される
   ことを特徴とする光源装置。
4. 請求項１に記載した光源装置において、
   上記検出温度に応じて上記レーザ光源の温度を一定化させることにより該レーザ光源の光出力を安定化させるための温度制御手段を設けるとともに、
   上記レーザ光源に係る微小な温度変化に対して、上記制御手段から上記電源部に送出される制御信号に従って該電源部から上記レーザ光源に供給される電流を制御することでその光出力が微調整されるようにした
   ことを特徴とする光源装置。

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