JP2007019383A

JP2007019383A - 光源およびレーザ画像形成装置

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Publication number: JP2007019383A
Application number: JP2005201496A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Morikawa; 顕洋森川; Kenichi Kasasumi; 研一笠澄; Tetsuo Mizushima; 哲郎水島; Toshifumi Yokoyama; 敏史横山; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本; Shinichi Kadowaki; 愼一門脇
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】レーザ画像表示装置において、複数のレーザ共振器から発光したマルチビームの全光量を一定に制御し、かつ複数のレーザ共振器の長寿命化を図る。
【解決手段】複数のレーザ共振器を有し、前記複数のレーザ共振器から出射される光の総本数をＮ本とし、（Ｎ−１）本以下の光を合波して使用する。それぞれのレーザ共振器の劣化を診断し、駆動電流値を制御したり、電流注入を停止し、別のレーザ共振器に代替したりするためにそれぞれのレーザ共振器の長寿命化が図れ、レーザ画像形成装置としても長期間にわたり高輝度の画像を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源およびレーザを使用するレーザ画像形成装置に関するものである。より詳細には、複数の共振器をもつレーザから出射される複数本のレーザビームを有する光源、およびそれを用いて画像を形成するレーザ画像形成装置に関するものである。

図７にレーザ画像形成装置の概略構成を示す。ＲＧＢ３色（Ｒ：赤色、Ｇ：緑色、Ｂ：青色）のレーザ光源１０１ａ〜１０１ｃからの光は始めにエキスパンダ光学系１０２により、ビーム拡大される。次に、拡大された光は、レンズと小型レンズアレイで構成されたインテグレータ光学系１０３により、空間光変調素子１０５に均一照射するためにビーム成形される。入力映像信号に応じて空間光変調素子１０５ａ〜１０５ｃで強度変調され、ダイクロイックプリズム１０６にて合波される。強度変調された光は、投射レンズ１０７で拡大され、スクリーン１０８上に２次元の画像が表示される。この構成のディスプレイでは、ＲＧＢそれぞれの光源の光が単色光であるため、適当な波長のレーザ光源を用いることで色純度が高く、鮮やかな画像の表示が可能となる。

このようなディスプレイにおいて、高輝度の明るい画像を実現する場合、大きな光強度を必要とするため、ＲＧＢの各波長において、ひとつの光源を使用せず、複数のビームを使用し、制御する方法が用いられる。

半導体レーザを用いたマルチビームの制御方法では、特許文献１、特許文献２に記載されるように複数本のレーザビームを実現するために複数個の半導体レーザ素子を用いてレーザアレイ化し、レーザビームの光量を制御方法が開示されている。これを用いることで、各々のビームの光量が一定になるように個別に制御され、レーザプリンターに適用することで高画質を有する画像を実現することができる。

また、特許文献３では、複数本のレーザビームを用いてレーザ装置、映像表示装置を実現する場合、全体の光出力を低下させて、半導体レーザの長寿命化を図る方法も開示されている。
特開平８−１１６１１９号公報特開平９−４８１５２号公報特開２００４−２７９９４３号公報

特許文献３では、レーザ装置の一部が故障した場合、光出力低下により表示映像の明るさを低下させてレーザ画像形成装置の制御をおこなったり、レーザの長寿命化を図るためにレーザの出力を低下させてレーザを使用したりする手法が開示されているが、これらの手法ではパワー減少による映像の明るさ低下は避けられない。本発明の目的は、複数の共振器をもつレーザにおいて、出力低下のない光源を実現すること、さらに複数の共振器をもつレーザを用いたレーザ画像形成装置において輝度低下のない一定の明るさを維持するレーザ画像形成装置を実現することにある。

上記課題を解決するため、本発明の光源は、Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器を有し、（Ｎ−１）個以下のレーザ共振器を用いて発光することを特徴とする。

また、本発明の光源は、Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器を有し、前記Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器の特性を随時学習し、特性に対応する光出力で発光することを特徴とする。

さらに、本発明の光源は、Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器を有し、Ｍ個（Ｍ≧１の整数で、Ｎ＞Ｍ）のレーザ共振器が劣化したレーザ共振器と診断された場合、劣化したレーザ共振器は電流注入を停止または低減し、（Ｎ―Ｍ）個の劣化していないレーザ共振器で劣化したレーザ共振器の光量を補うことを特徴とする。

また、本発明のレーザ画像形成装置は、本発明の光源からの出力光を空間光変調素子で変調し、空間変調された光をスクリーンに投射することを特徴とする。

また、本発明のレーザ画像形成装置は、ワイドストライプまたはマルチストライプの少なくともいずれか一方のストライプを有する半導体レーザからの出力光を空間光変調素子で変調し、空間変調された光をスクリーンに投射することを特徴とする。

以上説明したように、本発明の光源は、Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器を有し、（Ｎ−１）個以下のレーザ共振器を用いて発光するという構成により、レーザ共振器が劣化して出力が低下した場合、劣化していないレーザ共振器を劣化したレーザ共振器の代わりに予め用意しておき、発光させることで、全体の光量の一定化、さらにはレーザ共振器の長寿命化が可能となる。

また、本発明のレーザ画像形成装置は、ワイドストライプまたはマルチストライプの少なくともいずれか一方のストライプを有する半導体レーザからの出力光を空間光変調素子で変調し、空間変調された光をスクリーンに投射するという構成により、レーザの長寿命化を実現し、レーザ画像形成装置としての使用可能期間を延ばすことができる。また、常に高輝度で、明るさの乱れのない画像を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に本発明の光源の概略図を示す。本実施の形態では、青色レーザ光源に関して説明をおこなう。本実施の形態における光源は、高輝度レーザディスプレイ対応のため、高出力化可能なＧａＮ系のマルチストライプ半導体レーザ１１を使用している。本実施の形態では、図１のようにマルチストライプの本数を８本（（ａ）〜（ｈ））とし、通常時（劣化のない場合）は、７本（（ａ）〜（ｇ））のレーザ共振器に電流注入し、発光させるものとする。また、残り１本のレーザ共振器（ｈ）は７本のうちのいずれか１本のレーザ共振器が劣化した場合に使用する代替レーザ共振器とする。図１に示されるように半導体レーザの各ストライプ上にはそれぞれ駆動電流を流すための電極が施され、駆動電流値は制御回路で制御されている。また、半導体レーザチップの出射面の一方（画像形成側と反対面）には、ひとつの光フォトディテクタ（ＰＤ１２）が設置され、それぞれのストライプからのビーム光量を検出し、制御回路１３にフィードバックする構成になっている。

本実施の形態では、図２に示すように７本のレーザ共振器は定光出力制御（ＡＰＣ）動作により制御をおこない、それぞれ同一の光出力に制御した。また、本実施の形態での劣化判断基準は、初期時に測定した発振閾値の２倍に到達した時とした。このマルチストライプ半導体レーザの７本のレーザ共振器を連続点灯させた際、レーザ共振器（ｇ）が初期時に測定した発振閾値の２倍になった。そこで、レーザ共振器（ｇ）が劣化したと判断し、レーザ共振器への電流注入を停止し、予め用意しておいた代替レーザ共振器（ｈ）に電流注入し発光させた。これによって、７本のレーザ共振器で得られる全光量を減少させることなく、高輝度の画像を長期間にわたり得ることが可能となった。

なお、本実施の形態では、レーザ共振器を８本用意し、そのうち１本のレーザ共振器を代替用として用意したが、代替用共振器は何本であってもかまわない。

なお、本実施の形態では、半導体レーザとして単一の半導体基板で作製されたマルチストライプ半導体レーザを使用した。複数のレーザ共振器を用いて全体光量として高いパワーを得る場合、複数個の分離した半導体レーザを使用すると大型化するが、マルチストライプ半導体レーザを使用すれば、ひとつの半導体チップで対応可能なため光源を小型化できるという効果も有する。

なお、本実施の形態では、半導体レーザとして単一の半導体基板で作製されたマルチストライプ半導体レーザを使用したが、複数の半導体チップで構成された半導体レーザ、あるいは面発光レーザ等のアレイ上に並んだ半導体レーザであってもかまわない。複数の半導体チップで構成された半導体レーザでは、それぞれの発光点を離すことにより、発光による発熱の影響を軽減して温度上昇を緩和させることができるという効果を有する。

なお、本実施の形態では、レーザ共振器の劣化判断基準を初期時に測定した発振閾値の２倍になったときとした。他の劣化判断方法としては、例えば定光出力制御（ＡＰＣ）動作させた際、初期電流値の１．５倍の電流値に到達したとき、あるいは定電流制御（ＡＣＣ）動作させた際、初期光量の半分の光量に到達したときに劣化と判断し、該当するレーザ共振器は電流注入を停止する、等の方法がある。劣化判断基準を緩くすれば各レーザ共振器への負荷が大きく（許容される注入電流値が大きい）、レーザの劣化が進みやすい。反対に判断基準を厳しくすれば、各レーザ共振器への負荷は小さい（許容される注入電流値が小さい）反面、劣化判断がすぐに下されるようになるために代替ストライプを多数準備する必要がある。

なお、レーザ共振器の劣化判断基準としてレーザチップの温度により判断することも可能である。例えば、所定の温度に到達した場合にそのレーザ共振器は劣化したと判断する、等の劣化判断方法がある。

なお、代替のレーザ共振器を使い切り、劣化したレーザ共振器が新たに発生した場合の処置としては、例えば光量を減少させるという方法がある。このとき注意が必要なのは、光量を減らすことによってＲＧＢ三色の光を用いたレーザ画像形成装置の場合はホワイトバランスが崩れるということである。そのため、全体光量を減少させる際はホワイトバランスをとるために他の色の光もパワー比を一定にするために出力を低下させる必要がある。

（実施の形態２）
本実施の形態では、複数のレーザ共振器を有するマルチビームレーザにおいて、初期時に測定した同一駆動電流値におけるレーザパワーでレーザ駆動電流、出力を決定し、全体光量として一定に制御し、高輝度のレーザ画像形成装置を実現する方法について説明する。

本実施の形態では簡単にするため、１色のマルチビームレーザ光源に限定し、図３の青色レーザ光源について説明する。青色レーザ光源には高輝度レーザディスプレイ対応のため、高出力化可能なＧａＮ系のマルチストライプ半導体レーザ３１を使用している。本実施の形態では、マルチストライプの本数を７本（（ａ）〜（ｇ））として発光させるものとした。

このマルチストライプ半導体レーザ３１において、同一駆動電流値Ｉにおけるパワーを測定した。図４に示されるようにそれぞれのレーザ共振器におけるパワーは、Ｐ_１〜Ｐ_７であった。パワー比率はＰ_１を１とすると、順に１、１．１、１、０．９、１．２、１．３、０．８であった。この測定されたパワー比率に基づき、所望の光出力に応じてパワーを決定する。その際、各共振器（ａ）〜（ｇ）から出力されるパワー比率は、前述したパワー比率を用いる。この方法を用いることで各共振器においては、ほぼ同程度の駆動電流で発光させることが可能となる。本実施の形態では、それぞれのレーザ共振器にほぼ同程度の電流値を注入することで、各ストライプへの負荷を均等にすることができ、それぞれのレーザ共振器の寿命を延ばすことが可能となった。

なお、本実施の形態は、同一電流値でパワー測定することで優劣を決定し、割り当てるパワーを決めたが、同一電流値のパワー比較による優劣判定に限られることではない。発振閾値を測定し、発振閾値を比較することでレーザ共振器の優劣をつける手法でもかまわない。また、発振閾値、スロープ効率を測定し、その値に応じて優劣をつけ、パワー配分を決定してもよい。

なお、本実施の形態では、初期時に測定したレーザパワーで各共振器におけるパワー比率を決定したが、パワー比率の決定はレーザ点灯の毎におこなっても構わない。これによって、さらに各共振器の寿命を延ばすことが可能となる。

なお、本実施の形態は、７本のマルチストライプの中でいずれかのレーザ共振器が劣化する場合に備えて、代替用のレーザ共振器を予め準備しておいても構わない。共振器の劣化判断基準、劣化判別方法は、例えば実施の形態１に記載した方法によって決定することができる。これにより、劣化したレーザ共振器へ電流注入することがないために、レーザが劣化してもこれまで得られていたトータル光量を減少させることなく、高輝度の画像を長期間にわたり得ることが可能となる。なお、代替用のレーザ共振器は何本準備しておいてもかまわない。

なお、本実施の形態では、半導体レーザとして単一の半導体基板で作製されたマルチストライプ半導体レーザであったが、複数の半導体チップで構成された半導体レーザ、あるいは面発光レーザ等のアレイ上に並んだ半導体レーザであってもかまわない。

（実施の形態３）
本実施の形態では、複数のレーザ共振器を有するマルチビームレーザにおいて、あるレーザ共振器が劣化した場合に、残りのレーザ共振器で劣化した共振器分の光量を補い、全体光量を一定に保ち、高輝度のレーザ画像形成装置を実現する方法について説明する。

本実施の形態では簡単にするため、１色のマルチビームレーザ光源に限定し、図４の青色レーザ光源について説明する。青色レーザ光源には高輝度レーザディスプレイ対応のため、高出力化可能なＧａＮ系のマルチストライプ半導体レーザを使用している。本実施の形態では、マルチストライプの本数を７本とした。

本実施の形態では、７本のレーザ共振器は定光出力制御（ＡＰＣ）動作により制御をおこない、それぞれ同一の光出力に制御した。また、本実施の形態での劣化判断基準は、初期時に測定した発振閾値の２倍に到達した時とした。このマルチストライプ半導体レーザの７本のレーザ共振器を同一パワーで連続点灯させた際、レーザ共振器（ｇ）が初期時に測定した発振閾値の２倍になった（図５）。そこで、レーザ共振器（ｇ）が劣化したと判断し、レーザ共振器への電流注入を停止し、他の６本のストライプ（（ａ）〜（ｆ））において駆動電流を上昇させて、劣化したストライプで発生したパワーを６等分してそれぞれに割り当てた。その後、再びＡＰＣ動作を継続した。

本実施の形態のように、全体光量を一定に保つために必要なパワーを各レーザ共振器へ等分することで各レーザ共振器にかかる負荷を均等化することができるため、劣化していないレーザ共振器の長寿命化を実現することできる。これによって、全体光量を一定に保ち、高輝度のレーザ画像形成装置を長期にわたり維持することができた。

なお、本実施の形態では劣化したレーザ共振器のパワーを他のレーザ共振器で等分することで補ったが、実施の形態２に示したように各ストライプの特性に優劣をつけてパワー配分を行ってもかまわない。各ストライプの優劣の応じパワー配分をしたほうが各レーザ共振器の寿命をさらに延ばすことができる。

なお、本実施の形態では１色のレーザ画像形成装置を説明したが、これがＲＧＢ３色となった場合においても、本実施の形態を用いて３色をそれぞれ制御し、色バランスをとることは可能である。

（実施の形態４）
本実施の形態では、マルチストライプを有する半導体レーザにおいて、マルチビームを発光させて、全体光量を一定に保ち、高輝度のレーザ画像形成装置を実現する方法について説明する。

本実施の形態では簡単にするため、１色のマルチビームレーザ光源に限定し、図６の青色レーザ光源について説明する。青色レーザ光源には高輝度レーザディスプレイ対応のため、高出力化可能なＧａＮ系のマルチストライプ半導体レーザ６１を使用している。本実施の形態では、マルチストライプの本数を７本とした。また、本実施の形態では、各ストライプのストライプ幅を広げて各ストライプにおいて発光するビーム本数が３本となるようにレーザ共振器を設計した。

本実施の形態ではこのようなマルチストライプでかつワイドストライプの半導体レーザを用いることで、２１本のマルチビームを有する高出力の青色出力を得ることができ、かつ所望の出力を得るための電流注入量を減らすことができたので各共振器における劣化発生率を低減させることに成功した。これによって、本光源を用いると高輝度で長期間使用可能なレーザ画像形成装置を実現することができる。

なお、本実施の形態では各ストライプにおいて３本のマルチビームが発光するようにストライプの設計をおこなったが、３本以上のマルチビームによりレーザ画像形成装置で発生するスペックルノイズをより低減することができるためにより効果的である。

なお、本実施の形態ではすべて同じ幅のストライプ幅を持つマルチストライプ半導体レーザを用いたが、ストライプ幅が異なるマルチストライプ半導体レーザを使用しても構わない。各ストライプによって、発光するビーム本数が異なるためにスペックルノイズがより低減できるためにより効果的である。

なお、本実施の形態ではストライプ間隔を均一に配置したが、非等間隔にストライプを配置しても構わない。これによって、熱の偏在を緩和し、レーザの長寿命化を実現することができ効果的である。

なお、本実施の形態ではすべてのストライプを点灯させていたが、隣り合うストライプを点灯させない、あるいは順次選択的にストライプを点灯させる、あるいは点灯させるストライプの数を減らすことで熱集中を回避することでき、レーザの長寿命化を実現することができるためにより効果的である。

なお、本実施の形態ではすべてのストライプを点灯用として使用したが、劣化した際の代替用共振器として何本かのストライプを予め容易してもよい。これによって、劣化したストライプが発生しても劣化ストライプを使用することなく、一定の輝度を維持するレーザ画像形成装置を実現することができるためにより効果的である。

本発明にかかる光源は、光量の一定化、さらにはレーザ共振器の長寿命化が可能となる特有の効果を有し、複数の共振器をもつレーザから出射される複数本のレーザビームを有する光源、およびそれを用いて画像を形成するレーザ画像形成装置として有用である。

本発明の光源の実施の形態１における概略構成図実施の形態１における劣化時のパワー配分の説明図本発明の光源の実施の形態２、３における概略構成図実施の形態２における劣化時のパワー配分の説明図実施の形態３における劣化時のパワー配分の説明図実施の形態４のレーザ画像形成装置における光源１色の概略構成図レーザ画像形成装置の概略構成図

符号の説明

１１，３１，６１マルチストライプ半導体レーザ
１２，３２光検出器（ＰＤ）
１３，３３制御回路
１４，３４，６２活性層
１０１ａ赤色レーザ光源
１０１ｂ緑色レーザ光源
１０１ｃ青色レーザ光源
１０２エキスパンダ光学系
１０３インテグレータ光学系
１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃフィールドレンズ
１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ空間光変調素子
１０６ダイクロイックプリズム
１０７投射レンズ
１０８スクリーン
１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ集光レンズ
１１０振動モータ

Claims

Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器を有し、（Ｎ−１）個以下のレーザ共振器を用いて発光することを特徴とする光源。
１個以上のレーザ共振器が劣化したレーザ共振器と診断された場合、前記劣化したレーザ共振器は電流注入を停止または低減し、予め用意した代替レーザ共振器で前記劣化したレーザ共振器の光量を補うことを特徴とする請求項１記載の光源。
前記Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器は、発振閾値電流を随時学習し、前記発振閾値電流が所定の発振閾値電流に到達したとき、劣化した共振器と診断され、前記劣化した共振器は電流注入を停止または低減することを特徴とする請求項１または２記載の光源。
前記Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器は、同一電流値での光量を随時学習し、前記同一電流値での光量が所定の光量に到達したとき、劣化した共振器と診断され、前記劣化した共振器は電流注入を停止または低減することを特徴とする請求項１または２記載の光源。
前記Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器は、定光出力制御（ＡＰＣ）動作で電流値を随時学習し、前記電流値が所定の電流値に到達したとき、劣化した共振器と診断され、前記劣化した共振器は電流注入を停止または低減することを特徴とする請求項１または２記載の光源。
Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器を有し、前記Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器の特性を随時学習し、前記特性に対応する光出力で発光することを特徴とする光源。
前記Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器は、発振閾値電流を随時学習し、前記発振閾値電流に対応した光出力で発光することを特徴とする請求項６記載の光源。
前記Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器は、同一電流値の光量を随時学習し、前記同一電流値の光量に対応した光出力で発光することを特徴とする請求項６記載の光源。
前記Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器は、定光出力制御（ＡＰＣ）動作時の電流値を随時学習し、前記定出力制御（ＡＰＣ）動作時の電流値に対応した光出力で発光することを特徴とする請求項６記載の光源。
Ｎ個（Ｎ≧２の整数）のレーザ共振器を有し、Ｍ個（Ｍ≧１の整数で、Ｎ＞Ｍ）のレーザ共振器が劣化したレーザ共振器と診断された場合、前記劣化したレーザ共振器は電流注入を停止または低減し、（Ｎ―Ｍ）個の劣化していないレーザ共振器で前記劣化したレーザ共振器の光量を補うことを特徴とする光源。
前記劣化したレーザ共振器の光量を前記劣化していないレーザ共振器で等分配して補うことを特徴とする請求項１０記載の光源。
前記劣化したレーザ共振器の光量を、前記劣化していないレーザ共振器の特性を随時学習し、前記劣化していないレーザ共振器の特性に応じて、分配して補うことを特徴とする請求項６または１０記載の光源。
請求項１〜１２記載の光源からの出力光を空間光変調素子で変調し、空間変調された光をスクリーンに投射することを特徴とするレーザ画像形成装置。
ワイドストライプまたはマルチストライプの少なくともいずれか一方のストライプを有する半導体レーザからの出力光を空間光変調素子で変調し、空間変調された光をスクリーンに投射することを特徴とするレーザ画像形成装置。
前記ワイドストライプは３本以上のビームからなるストライプであることを特徴とする請求項１４記載のレーザ画像形成装置。
前記マルチストライプは異なるストライプ幅を持つことを特徴とする請求項１４記載のレーザ画像形成装置。
前記マルチストライプは非等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１４記載のレーザ画像形成装置。
前記マルチストライプは順次選択的に点灯させることを特徴とする請求項１４記載のレーザ画像形成装置。
前記マルチストライプにおいて、隣あうストライプを同時に点灯させないことを特徴とする請求項１４記載のレーザ画像形成装置。
前記マルチストライプは通常よりも点灯させるストライプの数を減らすことを特徴とする請求項１４記載のレーザ画像形成装置。