JP2008172148A - レーザ光源装置、照明装置、画像表示装置、及びモニタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各発光部からの光の焦点距離のバラツキを無くし、高い波長変換効率を得る、レーザ光源装置、照明装置、画像表示装置、及びモニタ装置を提供する。
【解決手段】複数の発光部Ｅ１〜Ｅ８を備えてなるアレイ状の光源１０と、光源１０に対して所定の距離だけ離間して配置され、光源１０との間で共振器構造を構成する外部共振器と、光源１０と外部共振器との間に配設され、光源１０からの光を波長変換する波長変換素子と、を備えたレーザ光源装置である。光源１０の温度分布によって生じた、各発光部Ｅ１〜Ｅ８における焦点距離のバラツキを均一化させる焦点距離調整手段を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光源装置、照明装置、画像表示装置、及びモニタ装置に関する。

近年、光通信、光応用測定、光表示などのオプトエレクトロニクス分野において、レーザ光源装置が広く使用されている。こうしたレーザ光源装置としては、基本波レーザの波長をそのまま利用するものと、基本波レーザの波長を変換して利用するものとがある。後者のレーザ光源装置において、基本波レーザの波長の変換を行う素子として、波長変換素子が知られている。この波長変換素子は、第二次高調波光発生（SHG: Second Harmonic Generation)素子とも呼ばれる。

上記波長変換素子を組み合わせたレーザ光源装置の一例として、特許文献１のようなものが知られている。このレーザ光源では波長変換素子の特性を改善することで光利用効率のさらなる向上を図っている。また、光源からの光利用効率をより向上させる技術としては、レーザ光源装置に光源からの光を共振させる外部共振器を組み合わせ、波長変換素子内を透過する光量を増加させ、波長変換効率を向上させることによりレーザ光の高出力化を図っている。
特開平５−２９７４２８号公報

上記特許文献１のレーザ光源装置に外部共振器を組み合わせる場合、光源と外部共振器との間で良好な光の共振が得られるように、外部共振器で反射された光を光源内に多く戻すのが望ましい。そこで、光源の光が焦点を結ぶ位置に外部共振器を配置して、レーザ出力を高めることができる。また、光源からの光を外部共振器に集光させるために、光源の発光面の表層部に例えばレンズ層を設け、これによって外部共振器で共振される光量の増加が図られる。

ところで一般に、光源はアレイ状に配置された複数の発光部から構成されている。このように発光部がアレイ状に配置されていると、光源の中央部及び両端部にて熱分布が生じてしまう。すると、光源の表層部に設けられたレンズ層に屈折率分布が生じてしまい、各発光部からの光がレンズ層を透過する際にそれぞれ異なった状態に屈折される。すると、各発光部から射出された光はそれぞれ焦点距離が異なったものとなり、外部共振器と光源との間で共振される光が減少する。よって、波長変換素子内を透過する光量の減少に伴って、波長変換効率が低下し、さらにはレーザ出力の低下を招いてしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、各発光部からの光の焦点距離のバラツキを無くし、高い波長変換効率を得る、レーザ光源装置、照明装置、画像表示装置、及びモニタ装置を提供することを目的としている。

本発明のレーザ光源装置は、複数の発光部を備えてなるアレイ状の光源と、該光源に対して所定の距離だけ離間して配置され、前記光源との間で共振器構造を構成する外部共振器と、前記光源と前記外部共振器との間に配設され、前記光源からの光を波長変換する波長変換素子と、を備えたレーザ光源装置であって、前記光源の温度分布によって生じた、前記各発光部における焦点距離のバラツキを均一化させる焦点距離調整手段を備えたことを特徴とする。

本発明のレーザ光源装置によれば、光源内の温度分布によって各発光部からの光の焦点距離にバラツキが生じた場合でも、焦点距離調整手段により上記焦点距離のバラツキが均一化される。よって、各発光部から射出された光が焦点を結ぶ位置を、光源に対して所定の距離だけ離間して配置された外部共振器に揃えることができる。これにより、外部共振器で反射され、波長変換素子内を透過する光量を増加させることができ、簡素な構成で、かつ波長変換効率の高いものとなる。

また、上記レーザ光源装置においては、前記光源の表層部には、前記各発光部から射出された光を前記外部共振器に集光させるレンズ層が設けられるのが好ましい。
レンズ層は、光源内の温度分布により内部に屈折率分布が生じるようになる。すると、各発光部からの光がそれぞれ異なる位置で焦点を結び、結果的に外部共振器及び光源間で共振される光量が減少してしまう。したがって、本発明を採用すれば、レンズ層を備えることで特に焦点距離のバラツキの生じやすい光源に対し、特に効果的なものとなる。

また、上記レーザ光源装置においては、前記焦点距離調整手段は、前記光源の温度制御を行う温度調整部を含んでいるのが好ましい。
この構成によれば、光源の温度制御を行うことで焦点距離にバラツキが生じるのを防止することができ、各発光部における焦点距離を同一の場所に揃えることができる。
なお、前記温度調整部は、前記光源を加熱するヒータであるのが望ましい。
この場合、ヒータを用いることで光源内の温度バラツキによって生じた、各発光部における焦点距離のバラツキを簡便な構成によって確実に均一化することができる。

また、上記レーザ光源装置によれば、前記焦点距離調整手段は、前記各発光部における光学特性を変化させる光学部材を含んでいるのが好ましい。
この構成によれば、各発光部から射出された光が光学部材内を透過することで、その焦点距離（光学特性）を変化させることができる。よって、上記光学部材を用いることで、簡便かつ確実に各発光部における焦点距離を同一の場所に揃えることができる。

上記光学部材は、前記各発光部に対応して設けられたマイクロレンズから構成されていてもよい。
この構成によれば、マイクロレンズの曲率を変化させることで、各発光部から射出される光の焦点距離を相対的に延ばしたり、縮めたりすることができ、それぞれの焦点距離を容易に調整し、光源全体における焦点距離を同一の位置に揃えることができる。
あるいは、上記光学部材は、前記各発光部に対応して設けられた凹レンズから構成されていてもよい。
この場合、それぞれの曲率を変化させた凹レンズにより、各発光部から射出される光の焦点距離を相対的に延ばしたり、縮めたりすることで、それぞれの焦点距離を容易に調整し、光源全体における焦点距離を同一の位置に揃えることができる。
さらに、上記光学部材は、シリンドリカルレンズから構成されていてもよい。
この場合には、各発光部に対応した曲率を有するシンドリカルレンズにより、各発光部から射出される光の焦点距離を相対的に延ばしたり、縮めたりすることで、それぞれの焦点距離を容易に調整し、光源全体における焦点距離を同一の位置に揃えることができる。

本発明の照明装置は、上記のレーザ光源装置を備えることを特徴とする。

本発明の照明装置によれば、装置の小型化を実現するとともに光の利用効率が高い、上記レーザ光源装置を備えているので、被照射物に鮮明かつ均一な照度分布を有した光照射をなす、小型かつ高性能なものとなる。

本発明の画像表示装置は、上記のレーザ光源装置からなる光源と、該光源から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、を備えることを特徴とする。

本発明の画像表示装置によれば、上述したようなレーザ光源装置を光源として備えているので、光の利用効率が高いものとなる。

本発明のモニタ装置は、上記のレーザ光源装置と、該レーザ光源装置により照射された被写体を撮像する撮像手段と、を備えることを特徴とする。

本発明のモニタ装置によれば、上述したようなレーザ光源装置を備えているので、光の利用効率が高いものとなる。

以下、本発明について図面を参照して説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。

（第一実施形態）
図１は、第一実施形態に係るレーザ光源装置の概略構成を示す図である。レーザ光源装置１は、光源１０、該光源１０との間で共振器構造を構成する外部共振器２０、及び波長変換素子３０を備えている。前記光源１０、外部共振器２０、及び波長変換素子３０は、図示されないフレーム等に一体形成されることで、レーザ光源装置１を構成している。なお、前記外部共振器２０は、後述するように光源１０に対して所定の距離だけ離間した状態に配置されている。

（光源）
図２（ａ）は光源１０の概略構成を示す斜視図であり、図２（ｂ）は光源１０の回路構成を示す図である。
図２（ａ）に示すように、光源１０は、アレイ化された複数のエミッタ（発光部）を備えたものとなっている。具体的には、８つのエミッタＥ１〜Ｅ８が一列に並んでいる。なお、発光部の数や、列の数は本実施形態に示すものに限られない。

前記エミッタＥ１〜Ｅ８はいわゆる面発光半導体レーザであり、例えば半導体ウエハからなる基板と、基板上に形成され、反射ミラーとしての機能を有するミラー層と、このミラー層の表面に積層されたレーザ媒体とを有している。レーザ媒体は、ミラー層と、図１に示した外部共振器２０との間で光を共振させることにより、光を増幅させる。

ミラー層は基板上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成された、高屈折率の誘電体と低屈折率の誘電体の積層体によって構成される。ミラー層を構成する各層の厚さ、各層の材料、層の数は、光源１０から射出される光の波長に対して最適化され、反射光が干渉し強め合う条件に設定される。

また、光源１０の表層部には、レンズ層１１が設けられており、このレンズ層１１は各エミッタＥ１〜Ｅ８から射出された光を前記外部共振器２０に集光させるように機能するものである。

図２（ｂ）に示すように光源１０には、該光源１０の温度を測定するためのサーミスタ１２と、前記光源１０の温度制御を行うヒータ（焦点距離制御手段）１３とを備えている。これらサーミスタ１２及びヒータ１３は温度制御部１４に電気的に接続されており、前記サーミスタ１２が検出した光源１０の温度データに基づいて、温度制御部１４がヒータ１３を駆動することで後述するように光源１０の温度制御が行われるようになっている。これらサーミスタ１２、ヒータ１３、及びこれらを制御する温度制御部１４は、後述するように光源１０の温度分布によって生じた、前記各エミッタＥ１〜Ｅ８における焦点距離のバラツキを均一化させる焦点距離調整手段として機能するものである。

波長変換素子３０は、入射した光の波長をほぼ半分の波長の光に変換することができる。図３は波長変換素子３０の構造を模式的に示す断面図である。波長変換素子３０は、例えば四角柱形状をなし、波長変換部３０Ａと、波長変換部３０Ａの光源１０側の面（入射端面）に形成された反射防止（ＡＲ：anti-reflective）膜３０Ｂと、波長変換部３０Ａの外部共振器２０側の面（射出端面）に形成されたＡＲ膜３０Ｃとを備えている。

波長変換部３０Ａは、入射した光の第二高調波を生成する第二次高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）素子である。波長変換部３０Ａは、周期的な分極反転構造を備えており、擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）による波長変換によって、入射した光の波長をほぼ半分の波長（第二の波長）の光に変換する。このようにすれば、他のタイプの波長変換素子に比べて変換効率の高い擬似位相制御型を用いることで、本発明の効果をより高めている。

例えば、光源１０から射出される光の波長が１０６４ｎｍ（近赤外）である場合、波長変換部３０Ａは、これを半分の波長５３２ｎｍに変換して、緑色の光を生成する。ただし、背景技術でも述べたように、波長変換部３０Ａの波長変換効率は、一般的に３０〜４０％程度である。つまり、光源１０から射出された光のすべてが、第二の波長の光に変換されるわけではない。

周期的な分極反転構造は、例えばニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ_３）やタンタル酸リチウム（ＬＴ：ＬｉＴａＯ_３）などの無機非線形光学材料の結晶基板内部に形成されている。具体的には、周期的な分極反転構造は、このような結晶基板内部に、光源１０から射出された光に対して略直交する方向に、相互に分極方向が反転した２つの領域３０Ａａ，３０Ａｂを、所定の間隔で交互に多数形成した構成となっている。これら２つの領域３０Ａａ，３０Ａｂのピッチは、入射光の波長と結晶基板の屈折率分散とを考慮して、適宜決定される。

なお、一般に半導体レーザから発振されるレーザ光は、利得帯域の中で複数の縦モードが発振し、温度の変動などの影響によりそれらの波長が変化する。すなわち、波長変換素子３０において変換される光の波長の許容幅は０．３ｎｍ程度であり、使用環境温度の変化に対して、０．１ｎｍ／℃程度変動する。

ＡＲ膜３０Ｂ，３０Ｃは、例えば単層または多層からなる誘電体膜であり、第一の波長の光および第二の波長の光の双方を例えば９８％以上の透過率で透過させる。なお、これらのＡＲ膜３０Ｂ，３０Ｃは、波長変換素子３０の機能を達成する上で必須の構成ではないため、省略することも可能である。つまり、波長変換素子３０を、波長変換部３０Ａのみで構成することも可能である。

外部共振器２０は、第一の波長の光を選択的に反射して光源１０の方に向かわせ、それ以外の波長（第二の波長を含む）の光を透過する機能を有する。外部共振器２０は、第一の波長の光を選択的に反射することで、増幅する光の波長を狭帯域化する機能も担っている。

図４は外部共振器２０の構造を模式的に示す断面図である。外部共振器２０は、波長変換素子３０と同様、四角柱形状をなしている。そして、ブラッグ格子構造が内部に形成された体積型位相格子としてのブラッグ格子部２０Ａと、その波長変換素子３０側の端面（入射端面）に形成された反射防止（ＡＲ）膜２０Ｂとを備えている。
ブラッグ格子部２０Ａは、光路Ｏ１に沿って設けられた多数の層によって構成されている。

ブラッグ格子部２０Ａは、ＳｉＯ_２を主体とした例えばアルカリボロアルミノシリケートガラスなどのガラス層に所定波長の紫外線を照射し、ガラス層中に屈折率の異なる干渉パターンを層状に形成したものである。このブラッグ格子部２０Ａによって、上述した外部共振器２０の機能がもたらされる。

ＡＲ膜２０Ｂは、単層または多層からなる誘電体膜であり、第一の波長の光および第二の波長の光の双方を例えば９８％以上の透過率で透過させる。ＡＲ膜２０Ｂは、ブラッグ格子部２０Ａの入射端面だけでなく、射出端面にも形成することが可能である。
なお、ＡＲ膜２０Ｂは、外部共振器２０の機能を達成する上で必須の構成ではないため、省略することも可能である。つまり、外部共振器２０を、ブラッグ格子部２０Ａのみで構成することも可能である。

ところで、一般に光源と外部共振器とを組み合わせる場合、光源から射出された光が外部共振器の位置で焦点を結ぶことが望ましい。以下、その理由について説明する。

図５（ａ）は、光源（エミッタＥ）１０からの光が外部共振器２０にて焦点を結ぶ（焦点距離が外部共振器２０に対応している）場合を示している。図５（ｂ）は、光源からの光が外部共振器２０にて焦点を結ばない（焦点距離が外部共振器に一致していない）場合を示している。

図５（ａ）に示す場合には、焦点位置にて反射された光は、再び光源１０内に入射され、光源内部に形成されている反射膜（図示せず）によって反射され、再度光源１０から射出される。このように光源１０の光を共振させることで波長変換素子３０内を透過する光量を増加させることができ、波長変換効率を高めることで強いレーザ出力を得ることができる。なお、図５（ａ）は、本実施形態に係るレーザ光源装置１の場合を示している。すなわち、レーザ光源装置１では、外部共振器２０は光源１０に対して所定の距離（焦点距離）だけ離間して配置されたものとなっている。

このとき、レーザ出力を高めるに波長変換素子３０の長さ、すなわち光路長を大きくして波長変換効率を向上させるのが望ましい。したがって、光源１０と外部共振器２０との配置は、上述したように焦点距離によって決定されることから、本実施形態に係るレーザ光源装置１では、光源１０及び外部共振器２０を配設した後、これらの間隙内で配置することのできる最大の大きさの波長変換素子３０を備えている。

一方、図５（ｂ）に示す場合には、焦点位置外で反射された光はエミッタＥ内に十分に入射されることがなくなる。したがって、図５（ａ）に示した場合に比べ、光の共振効果が低下し、これに伴って波長変換素子３０内を透過する光量が少なくなり、波長変換効率が低下してレーザ出力も弱くなる。

このように本実施形態に係るレーザ光源装置１によれば、波長変換光路長を最大限に確保しつつ、光源１０の光が焦点を結ぶ位置に外部共振器２０が配置されたものとなっている。これにより、各エミッタＥ１〜Ｅ８からの光は外部共振器３０にて焦点を結び、一部の光（波長変換されていない光）は反射される。

ところで、上述したように光源１０は複数の発光部から構成されている。そのため、レーザ光源装置１を駆動させると、発光部が両側に設けられている光源１０の中央部（具体的には、エミッタＥ４，Ｅ５の周辺）と、発光部が片側に設けられている光源１０の両端部（エミッタＥ１、或いはエミッタＥ８の周辺）とで、光源１０の表面に温度分布が生じる。具体的には、光源１０に図６中実線に示されるような温度分布が生じる。なお、図６中において、横軸は図２（ａ）に示したＡ−Ａ´方向に対応しており、縦軸は光源１０の温度を示している。

また、上述したように光源１０の表層部には、レンズ層１１が設けられている（図１参照）。光源１０に図６に示したような温度分布が生じると、レンズ層１１内に屈折率分布が生じる。このように屈折率分布が生じたレンズ層１１を介し、各エミッタＥ１〜Ｅ８から射出された光はそれぞれ屈折される度合いが異なったものとなり、結果的にそれぞれの焦点距離が外部共振器３０からずれてしまう。

具体的には、図７中実線で示されるように、各エミッタＥ１〜Ｅ８にて焦点距離のバラツキが生じる。なお、図７中、横軸は図６に対応するものであり、縦軸は各エミッタＥ１〜Ｅ８における焦点距離を示している。

これにより、一部のエミッタから射出される光は、外部共振器２０で反射された際に焦点外反射となる。焦点距離がズレた光を外部共振器２０にて反射した場合には、上述したように反射された光のうち光源１０に量は少ない。よって、焦点距離のズレが大きいエミッタからの光は、光源１０と外部共振器との間で共振させることができず、したがってレーザ出力が低下するおそれがある。

本実施形態に係るレーザ光源装置１では、図２（ｂ）に示したように光源１０にサーミスタ１２と、前記光源１０の温度制御を行うヒータ１３とを備えている。これらサーミスタ１２及びヒータ１３に電気的に接続される温度制御部１４は、前記サーミスタ１２が検出した光源１０の温度データに基づいてヒータ１３を駆動させ、光源１０の温度を制御している。

具体的には、温度制御部１４によりヒータ１３を制御することで、光源１０の温度は、図６中破線で示すような値に補正される。このとき、図６に示したように、各エミッタＥ１〜Ｅ８における温度は、ほぼ均一となっている。

このように各エミッタＥ１〜Ｅ８における温度差を無くすことで、上述したようなレンズ層内で屈折率分布のバラツキが生じるのを無くすことができる。よって、ヒータ１３による温度補正を行った後には、図７に示すように各エミッタＥ１〜Ｅ８のそれぞれから射出された光の焦点距離は、ほぼ一致したもの（一定なもの）となる。したがって、本実施形態に係るレーザ光源装置１によれば、エミッタＥ１〜Ｅ８から射出された各光の焦点を、光源１０に対して所定の距離だけ離間配置された外部共振器３０にて結ばせることができる。これにより、複数のエミッタＥ１〜Ｅ８からなる光源１０の光を外部共振器３０との間で良好に共振させることができ、レーザ出力を向上させることができる。

本実施形態に係るレーザ光源装置１によれば、光源１０内の温度分布によって各エミッタＥ１〜Ｅ８からの光の焦点距離にバラツキが生じた場合でも、上記サーミスタ１２、ヒータ１３、及びこれらを制御する温度制御部１４から構成される焦点距離調整手段によって光源の温度バラツキを無くすことで、各エミッタＥ１〜Ｅ８における焦点距離を、光源１０に対して所定の距離だけ離間して配置された外部共振器２０に揃えることができる。よって、外部共振器２０で反射され、波長変換素子３０内を透過する光量を増加させることができ、簡素な構成で、かつ波長変換効率の高いものとなる。

（第二実施形態）
次に、本発明に係るレーザ光源装置の第二実施形態について説明する。図８は、第二実施形態に係るレーザ光源装置の概略構成を示す図である。なお、本実施形態に係るレーザ光源装置は、焦点距離調整手段として光源を構成する各発光部における光学特性を変化させる光学部材を備える点において、上記第一実施形態とは異なっている。それ以外の構成については、上記第一実施形態と共通の構造を有しているため、以下の説明では上記実施形態と共通の構成については、同一符号を付してその構成を説明することとする。

レーザ光源装置１００は、光源１０、該光源１０との間で共振器構造を構成する外部共振器２０、波長変換素子３０、及び前記光源１０と波長変換素子３０との間に設けられた焦点距離調整手段としての光学部材を備えている。この光学部材としては、本実施形態では曲率の異なる凹レンズ５０が用いられる。

図９は凹レンズ５０を設けた際の光学特性の変化を示す図であり、図９（ａ）は凹レンズが設けられていない従来構成を示し、図９（ｂ）は凹レンズ５０が設けられた本実施形態に係る構成を示している。

図７を参照して説明したように、焦点距離調整手段を用いない場合には、エミッタＥ１はエミッタＥ４に比べ、相対的に焦点距離が延びる。一方、本実施形態では、図９（ｂ）に示すように凹レンズ５０を設けることで、各エミッタＥ１〜Ｅ８から射出された光を拡散させることで、図９（ａ）に比べて焦点距離を延ばしている。

具体的に本実施例では、図１０に示すように、エミッタＥ１に対応する凹レンズ５０の曲率をエミッタＥ４に対応する凹レンズ５０の曲率に比べて相対的に大きくしている。なお、エミッタＥ２に対応する凹レンズ５０の曲率は、前記エミッタＥ１と前記エミッタＥ４との間の大きさとしている。

本実施形態では、このように凹レンズ５０の曲率を適宜調整することにより、各エミッタＥ１〜Ｅ８の焦点距離を外部共振器２０に合わせ込むことができる。これにより、図５（ａ）に示したように各エミッタＥ１〜Ｅ８から射出された光のうち、波長変換素子３０によって波長変換された光は外部共振器２０にて焦点位置で反射され、波長変換素子３０内を再び透過して各エミッタＥ１〜Ｅ８に向かう。よって、光源１０と外部共振器２０との間で光を共振させることができ、波長変換効率を向上させることが可能となる。

（第三実施形態）
次に、本発明に係るレーザ光源装置の第三実施形態について説明する。本実施形態に係るレーザ光源装置は、上記第二実施形態とは異なる光学部材として、メニスカスレンズを備えている。それ以外の構成については、上記第一および第二実施形態と共通の構造を有しているため、以下の説明では上記実施形態と共通の構成については、同一符号を付してその構成を説明することとする。

レーザ光源装置２００は、光源１０、該光源１０との間で共振器構造を構成する外部共振器２０、波長変換素子３０、及び前記光源１０と波長変換素子３０との間に設けられた焦点距離調整手段としてのメニスカスレンズ５１を備えている。

図１１はメニスカスレンズ５１を設けた際の光学特性の変化を示す図であり、図１１（ａ）はメニスカスレンズが設けられていない従来の構成を示し、図１１（ｂ）はメニスカスレンズ５１が設けられた本実施形態に係る構成を示している。

ここでメニスカスレンズとは、片面が凸レンズからなり、もう片面が凹レンズから構成されている。また、メニスカスレンズには、凹状あるいは凸状のものがあり、凸メニスカスレンズはレンズの中央がレンズの周辺部より厚くなっており、凹メニスカスレンズはレンズの中央よりレンズの周辺部のほうが厚くなっている。

図７を参照して説明したように、焦点距離調整手段を用いない場合には、エミッタＥ１はエミッタＥ４に比べて相対的に焦点距離が延びている。本実施形態では、図１１（ｂ）に示すようにメニスカスレンズ５１を設けることで、各エミッタＥ１〜Ｅ８から射出された光を拡散させることで、図１１（ａ）に比べて焦点距離を延ばしている。

本実施例では、図１２に示すように、エミッタＥ１に対応するメニスカスレンズ５１の曲率を、エミッタＥ４に対応するメニスカスレンズ５１の曲率に対し、相対的に小さくしている。なお、エミッタＥ２に対応するメニスカスレンズ５１の曲率は、前記エミッタＥ１と前記エミッタＥ４との間の大きさとしている。

本実施形態では、このようにメニスカスレンズ５１の曲率を適宜調整することにより、図１２に示すように、メニスカスレンズ５１_Ｅ１を介して射出された光は、メニスカスレンズ５１_Ｅ４を介して射出された光に対して集光度合が大きくなって、各エミッタＥ１〜Ｅ８の焦点距離を外部共振器２０の位置に合わせ込むことができる。
よって、本実施形態に係るレーザ光源装置によれば、上記実施形態と同様に、外部共振器２０で反射された光が波長変換素子３０内を透過し、各エミッタＥ１〜Ｅ８にて反射された後、再び波長変換素子３０内に入射される。このように波長変換素子３０内を透過するエミッタＥ１〜Ｅ８からの光量が増加するので、波長変換された光をより多く得ることができる。したがって、メニスカスレンズ５１を設けるといった簡素な構造により、波長変換効率の高いレーザ光源装置を提供することができる。

（レーザ光源装置の変形例）
本発明のレーザ光源装置は上記第一実施形態〜第三実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。以下に変形例として挙げられているような形態であっても、前述の実施形態と同様な効果を得ることができる。

例えば、図１３に示すように、各エミッタＥ１〜Ｅ８に対応してマイクロレンズ（光学部材）ＭＬＡを設けるようにしてもよい。この場合、マイクロレンズＭＬＡは、各エミッタＥ１〜Ｅ８における所望の位置（外部共振器２０）にて焦点を結ばせることが可能な屈折率を得る曲率、或いは形状を有している。これにより、各エミッタＥ１〜Ｅ８から射出される光の焦点距離を相対的に延ばしたり縮めたりすることができ、各焦点距離を容易に調整することで光源１０全体における焦点距離を外部共振器２０に合わせることができる。

また、光学部材として、図１４（ａ），（ｂ）に示すようなシリンドリカルレンズを用いてもよい。図１４（ａ）は、光出射面側にシリンドリカルレンズ５２が配置された光源１０の平面図であり、図１４（ｂ）は、シリンドリカルレンズ５２の斜視構成図である。シリンドリカルレンズ５２は、図１４（ｂ）に示すように、レンズ表面の一方向（同図中Ｘ軸方向断面）のみがレンズとして働き、直交する他方向（同図中Ｙ軸方向）はレンズ機能を有していない。曲率がある断面では光を集光・発散させ、平面の断面内では光をそのまま透過させるようになっている。

具体的には、シリンドリカルレンズ５２は、図１４（ｂ）中、Ｘ軸方向の断面で規定される曲率がＹ軸方向に沿って連続的に変化している。具体的に本実施形態では、光源１０の中央部（エミッタＥ３，Ｅ４周辺部）の曲率が、周辺部（エミッタＥ１，Ｅ８周辺部）に対して、小さくなっている。この構成により、上述したような光源１０の熱分布に起因するエミッタＥ１〜Ｅ８間の焦点距離のバラツキを無くすことができ、上記実施形態と同様に高い波長変換効率を得ることができる。

また、波長変換素子３０を構成する非線形光学材料としては、先にＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３）や、ＬＴ（ＬｉＴａＯ_３）を例示したが、これ以外にもＫＮｂＯ_３、ＢＮＮ（Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）、ＫＴＡ（ＫＴｉＯＡｓＯ_４）、ＢＢＯ（β―ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_７）などの無機非線形光学材料を利用してもよい。また、メタニトロアニリン、２−メチル−４−ニトロアニリン、カルコン、ジシアノビニルアニソール、３，５−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）ピラゾール、Ｎ−メトキシメチル−４−ニトロアニリンなどの低分子有機材料や、ポールドポリマなどの有機非線形光学材料を用いてもよい。波長変換素子３０として、上述したＳＨＧ素子に変えて、第三次高調波発生素子を用いても良い。

外部共振器３１３としては、先に説明した体積型位相格子以外に、結晶型の体積ホログラム、フォトポリマ体積ホログラム、ブレーズド型回折格子（溝の断面形状が鋸歯状である回折格子）などを用いても良い。

（照明装置）
次に、本発明に係る照明装置の一実施形態として、例えば上記第一実施形態に係るレーザ光源装置１を応用した照明装置５００の構成例について説明する。図１５は、照明装置５００の概略を示す模式図である。
図１５に示すように、照明装置５００は、前記レーザ光源装置１と、該レーザ光源装置１から発したレーザ光を拡散する拡散素子１１４とを備えている。この拡散光学部材１１４としては、例えばホログラム素子を例示できる。具体的には、ホログラム原板に計算機で計算して人工的に作成した干渉縞が形成された計算機ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）を用いることがきできる。計算機ホログラムは、回折格子の分割領域の自由な設定が可能であり、収差の問題が生じないので好適である。
以上のように構成された照明装置５００によれば、光の利用効率の高いレーザ光源装置１を備えているので、被照射物に鮮明かつ均一な照度分布を有した光照射をなす高性能なものとなる。

（画像表示装置）
次に、上記レーザ光源装置を含む照明装置５００を応用した画像表示装置の一例として、プロジェクタ３の構成について説明する。図１６は、プロジェクタ３の光学系の概略を示す模式図である。

図１６において、プロジェクタ３は、光源としての上記照明装置５００、光変調装置としての液晶パネル（光変調素子）３２、偏光板３３１及び３３２、クロスダイクロイックプリズム３４、投射レンズ３５などを備えている。なお、液晶パネル３２と、その光入射側に設けられた偏光板３３１及び光射出側に設けられた偏光板３３２によって液晶ライトバルブ３３が構成される。

照明装置５００からなる光源は、赤色レーザ光を射出する赤色光用光源５００Ｒと、青色レーザ光を射出する青色光用光源５００Ｂと、緑色レーザ光を射出する緑色光用光源５００Ｇとから構成されたものとなっている。これらの光源装置５００Ｒ、５００Ｇ、５００Ｂは、それぞれクロスダイクロイックプリズム３４の側面三方にそれぞれ対向するように配置されている。図１６では、クロスダイクロイックプリズム３４を挟んで、赤色光用光源５００Ｒと青色光用光源装置１Ｂとが互いに対向し、投射レンズ３５と緑色光用光源５００Ｇが互いに対向しているが、これらの位置は、適宜入れ替えることが可能である。

液晶パネル３２は、例えば、ポリシリコンＴＦＴ（Thin Film Transistor）をスイッチング素子として用いたものである。各光源５００Ｒ、５００Ｇ、５００Ｂから射出された色光は、入射側偏光板３３１を介して液晶パネル３２に入射する。液晶パネル３２に入射した光は、画像情報に応じて変調されて、液晶パネル３２から射出される。液晶パネル３２によって変調された光のうち、特定の直線偏光だけが、射出側偏光板３３２を透過して、クロスダイクロイックプリズム３４に向かう。

クロスダイクロイックプリズム３４は、各液晶パネル３２によって変調された各色光を合成して、カラー画像を形成する光学素子である。このクロスダイクロイックプリズム３４は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなしている。そして、これら４つの直角プリズムの界面には、２種類の誘電体多層膜がＸ字状に設けられている。これら誘電体多層膜は、互いに対向する各液晶パネル３２から射出された各色光を反射し、投射レンズ３５に対向する液晶パネル３２から射出された色光を透過する。このようにして、各液晶パネル３２にて変調された各色光が合成されて、カラー画像が形成される。

投射レンズ３５は、複数のレンズが組み合わされた組レンズとして構成される。この投射レンズ３５は、カラー画像Ｌを拡大投射する。

本実施形態に係るプロジェクタ３によれば、上述したような照明装置５００を光源として備えているので、光の利用効率が高いものとなる。

なお、本実施形態では、各光源５００Ｒ、５００Ｇ、５００Ｂとして上記照明装置５００を用いているが、これらのうち一部を上述したレーザ光源装置に置き換えても良い。

この実施形態では、光変調素子を３つ用いたプロジェクタの例について説明したが、光変調装置を１つ、２つ、あるいは４つ以上用いたプロジェクタにも適用することができる。また、この実施形態では、透過型のプロジェクタについて説明したが、上記照明装置５００は、反射型プロジェクタにも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、光変調素子が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、光変調素子が光を反射するタイプであることを意味している。

また、光変調素子は液晶パネル３２に限られず、例えばマイクロミラーを用いたデバイスであっても良い。さらに、プロジェクタとしては、投射面を観察する方向から画像投射を行うフロントタイプと、投射面を観察する方向とは反対側から画像投射を行うリアタイプとがあるが、上記レーザ光源装置は、いずれのタイプにも適用可能である。また、上記レーザ光源装置の変形例を応用した照明装置を光源として用いてもよい。

（モニタ装置）
最後に、次に、第一の実施形態に係るレーザ光源装置１を備えたモニタ装置４０の構成例について説明する。図１７は、モニタ装置の概略を示す模式図である。モニタ装置４０は、装置本体４１０と、光伝送部４２０とを備える。装置本体４１０は、前述した第一実施形態のレーザ光源装置１を備える。

図１７に示すように、光伝送部４２０は、光を送る側と受ける側の２本のライトガイド４２１，４２２を備える。各ライトガイド４２１，４２２は、多数本の光ファイバを束ねたもので、レーザ光を遠方に送ることができる。光を送る側のライトガイド４２１の入射側にはレーザ光源装置１が配設され、その出射側には拡散板４２３が配設されている。レーザ光源装置１から出射したレーザ光は、ライトガイド４２１を伝って光伝送部４２０の先端に設けられた拡散板４２３に送られ、拡散板４２３により拡散されて被写体を照射する。

光伝送部４２０の先端には、結像レンズ４２４も設けられており、被写体からの反射光を結像レンズ４２４で受けることができる。その受けた反射光は、受け側のライトガイド４２２を伝って、装置本体４１０内に設けられた撮像手段としてのカメラ４１１に送られる。この結果、レーザ光源装置１により出射したレーザ光により被写体を照射したことで得られる反射光に基づく画像をカメラ４１１で撮像することができる。

以上のように構成されたモニタ装置４０によれば、光の利用効率の高いレーザ光源装置１により被写体を照射することができることから、カメラ４１１により得られる撮像画像の明るさを高めることができる。なお、この応用例では、第一実施形態に係るレーザ光源装置１を用いているが、これを、他の実施形態に係るレーザ光源装置４１，５１あるいは変形例に係るレーザ光源装置に置き換えても良い。また、上記他の実施形態に係るレーザ光源装置あるいはこれらの変形例に係るレーザ光源装置を備えた照明装置に置き換えても良い。

第一実施形態に係るレーザ光源装置の概略構成を示す図である。 （ａ）は光源の構造を模式的に示し、（ｂ）は回路構成を示す図である。 波長変換素子の構造を模式的に示す断面図である 外部共振器の構造を模式的に示す断面図である。 光源と外部共振器と配置関係を説明するための図である。 光源に生じる温度分布を説明するための図である。 各エミッタから射出される光に生じる焦点距離のバラツキを示す図である。 第二実施形態に係るレーザ光源装置の概略構成を示す図である。 第二実施形態に係るレーザ光源装置の光学特性を示す図である。 第二実施形態に係るレーザ光源装置の光学特性を示す図である。 第三実施形態に係るレーザ光源装置の光学特性を示す図である。 第三実施形態に係るレーザ光源装置の光学特性を説明する図である。 発光部の変形例に係る概略構成を示す図である。 発光部の変形例に係る概略構成を示す図である。 照明装置の概略を示す模式図である。 プロジェクタの光学系の概略を示す模式図である。 モニタ装置の概略を示す模式図である。

符号の説明

１…レーザ光源装置、３…プロジェクタ（画像表示装置）、１０…光源、１１…レンズ層、１３…ヒータ（温度調整部、焦点距離調整手段）、２０…外部共振器、３０…波長変換素子、３２…液晶パネル（光変調素子）、４０…モニタ装置、５０…凹レンズ（光学部材）、５２…シリンドリカルレンズ（光学部材）、Ｅ１〜Ｅ８…エミッタ（発光部）、５００、５００Ｒ、５００Ｇ、５００Ｂ…照明装置、ＭＬＡ…マイクロレンズ（光学部材）

Claims (11)

1. 複数の発光部を備えてなるアレイ状の光源と、該光源に対して所定の距離だけ離間して配置され、前記光源との間で共振器構造を構成する外部共振器と、前記光源と前記外部共振器との間に配設され、前記光源からの光を波長変換する波長変換素子と、を備えたレーザ光源装置であって、
   前記光源の温度分布によって生じた、前記各発光部における焦点距離のバラツキを均一化させる焦点距離調整手段を備えたことを特徴とするレーザ光源装置。
2. 前記光源の表層部には、前記各発光部から射出された光を前記外部共振器に集光させるレンズ層が設けられることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 前記焦点距離調整手段は、前記光源の温度制御を行う温度調整部を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ光源装置。
4. 前記温度調整部は、前記光源を加熱するヒータであることを特徴とする請求項３に記載のレーザ光源装置。
5. 前記焦点距離調整手段は、前記各発光部における光学特性を変化させる光学部材を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ光源装置。
6. 前記光学部材は、前記各発光部に対応して設けられたマイクロレンズからなることを特徴とする請求項５に記載のレーザ光源装置。
7. 前記光学部材は、前記各発光部に対応して設けられた凹レンズからなることを特徴とする請求項５に記載のレーザ光源装置。
8. 前記光学部材は、シリンドリカルレンズから構成されることを特徴とする請求項５に記載のレーザ光源装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ光源装置を備えることを特徴とする照明装置。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ光源装置からなる光源と、該光源から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、を備えることを特徴とする画像表示装置。
11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ光源装置と、該レーザ光源装置により照射された被写体を撮像する撮像手段と、を備えることを特徴とするモニタ装置。

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