JP2009139578A - 光源装置、プロジェクタ、モニタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換素子の回転に伴う装置の大型化、製造コストの高騰を抑えることが可能な光源装置を提供する。
【解決手段】本発明の光源装置１３は、複数の発光部を有する発光素子（半導体レーザ１４）と、複数の発光部からの複数のレーザ光の各々を所定の波長を持つレーザ光に変換する波長変換素子１７と、少なくとも波長変換素子の光入射面に接するように設けられ、空気の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率材１８と、波長変換素子１７により所定の波長に変換されたレーザ光を透過するとともに、所定の波長に変換されなかったレーザ光を発光素子に向けて反射させ、発光素子の外部共振器として機能する波長選択素子１９と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置、プロジェクタ、モニタ装置に関するものである。

非線形光学効果を利用した波長変換素子は、入射光の波長を変換することでレーザ光源の使用波長の拡大が図れるため、多くの分野で利用されている。特に、緑色光は直接発光可能なレーザ光源が現在実現されていないため、波長変換が必須となっている。この種の波長変換素子は、隣り同士で分極方向が反転した領域を所定のピッチで交互に繰り返した構造（本明細書では以下、この構造を「分極反転周期構造」と呼ぶ）を有している。

ところが、波長変換素子は位相整合条件のマージンが少なく、位相整合条件から外れると変換効率が急激に低下してしまう、という問題がある。「位相整合条件」とは、基本波の波長と波長変換素子の温度を指している（波長変換素子の温度が変化すると、分極反転周期構造のピッチが変化するため、基本波の波長と合わなくなる）。そこで、波長変換素子の変換効率を確保する手段として、波長選択フィルターを用いて、基本波の波長を位相整合条件に合致するようにロックする方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

もしくは、波長変換素子を回転させることによって、基本波の光が通過する領域の実質的なピッチを変える方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。すなわち、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、ピッチＰの分極反転周期構造Ｂを有する波長変換素子１００を、光入射面１００ａに対して光Ｌ１が垂直に入射する位置から光軸に垂直な軸（紙面に垂直な軸）を中心として角度θだけ回転させたとき、光入射面１００ａで光Ｌ１が屈折して進行する方向と波長変換素子１００の光入射面１００ａの法線Ｈとのなす角をθ’とすると、光が通過する領域の実質的なピッチをＰ’＝Ｐ／ｃｏｓθ’と元のピッチＰに対して長くでき、基本波の波長と合わせることで位相整合させることができる。
特開平７−１５２０５５号公報 特開２００３−１７４２２２号公報

しかしながら、実際の波長選択フィルターで波長精度を上げようとすると、極めて高精度の波長選択フィルターが必要となり、部品コストが高くなってしまう。そこで、波長選択フィルターの波長精度を下げ、その分を波長変換素子の温度調整で補おうとすると、例えば波長精度を±５ｎｍ（レンジで１０ｎｍ）と設定した場合、波長変換素子の温度を約１００℃変化させなければならず、現実的には極めて難しい。

また、特許文献１には、一つの波長変換素子内に周期が異なる複数の分極反転周期構造を作り込む構成、チャープ構造を実現する構成等が提案されている。ところが、例えば１０ｎｍ（０．０１μｍ）レンジの基本波の波長シフトに対応しようとすると、ピッチを約０．２μｍといったサブミクロンオーダーで制御する必要がある。通常の波長変換素子の製造バラツキを考えると、この制御量を実現するのは実質的に困難であった。

この場合、特許文献２の方法であれば、波長変換素子を回転させることでピッチを変えられるため、分極反転周期構造のピッチを高精度に制御する必要がなく、実現が可能である。ところが、特許文献２の方法を採用した場合、基本波の波長と波長変換素子の回転角度との関係を示す図１３のグラフから明らかなように、例えば１０ｎｍレンジの波長シフトに対応しようとすると、波長によっては３５°程度（青色光（図１３中の符号Ｂ）の場合）まで波長変換素子を大きく回転させなければならない。この場合、波長変換素子を回転させるためのスペースが必要となり、波長変換素子自体のサイズも大きくしなければならない。そのため、光源装置全体のサイズが大きくなる、光源装置の製造コストが高くなる、といった問題が生じる。

また、更なる問題として、波長変換素子の回転角度を大きくすればする程、波長変換素子の光入射面と入射光の光軸とのなす角度が９０°から大きくずれることになる。このように、波長変換素子の回転角度が大きくなる程、波長変換素子の光入射面で反射する光の割合が多くなるため、光の利用効率が低下する。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、分極反転周期構造のピッチを高精度に制御する必要がなく、また、波長変換素子の回転に伴う装置の大型化、製造コストの高騰を抑えることができる光源装置、およびこれを用いたプロジェクタ、モニタ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の光源装置は、レーザ光を射出する複数の発光部を有する発光素子と、前記複数の発光部から射出された複数のレーザ光が入射され、前記複数のレーザ光の各々を所定の波長を持つレーザ光に変換する波長変換素子と、少なくとも前記波長変換素子の光入射面に接するように設けられ、空気の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率材と、前記波長変換素子により所定の波長に変換されたレーザ光を透過するとともに、所定の波長に変換されなかったレーザ光を前記発光素子に向けて反射させ、前記発光素子の外部共振器として機能する波長選択素子と、を備えたことを特徴とする。

本発明の光源装置においては、空気の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率材が少なくとも波長変換素子の光入射面に接するように設けられているため、光が波長変換素子に入射する際の境界面での屈折率差が、高屈折率材が設けられていない（すなわち、波長変換素子の光入射面が空気と接している）従来の光源装置に比べて小さくなる。一般的に、波長変換素子はニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬＴ：ＬｉＴａＯ_３）等の無機非線形光学材料から構成され、その屈折率は２．１〜２．２程度であり、空気の屈折率は１である。よって、本発明の高屈折率材の一例としては、屈折率が１より大きく、２．１より小さい材料が好適である。ただし、必ずしも高屈折率材の屈折率が空気の屈折率と波長変換素子の屈折率との間にあるものに限定されるわけではなく、空気の屈折率よりも大きいことさえ満足すれば、波長変換素子の屈折率よりも高屈折率材の屈折率の方が大きくても良い。

ここで、図８に示すように、高屈折率材が設けられていない構成（以下、従来の構成と呼ぶ）における媒質（空気）の屈折率をｎ１、波長変換素子１０の屈折率をｎ２、高屈折率材１１の屈折率をｎ１’、波長変換素子１０の光入射面１０ａに対する光Ｌの入射角をθ１、従来の構成での光Ｌの屈折角をθ２、高屈折率材１１が設けられた構成（以下、本発明の構成と呼ぶ）における光Ｌの屈折角をθ２’、分極反転周期構造のピッチをＰとする。従来の構成における光入射面１０ａ前後での屈折率差をΔｎ、本発明の構成における光入射面１０ａ前後での屈折率差をΔｎ’とする。

高屈折率材１１の屈折率ｎ１’が波長変換素子１０の屈折率ｎ２と空気の屈折率ｎ１との間の値を取るとすると、ｎ２＞ｎ１’＞ｎ１であるから、
Δｎ＝ｎ２−ｎ１
Δｎ’＝ｎ２−ｎ１’
Δｎ＞Δｎ’ ……（１）
となる。

２つの屈折率差Δｎ、Δｎ’が（１）式の関係にある場合、スネルの法則から、
θ１−θ２＞θ１−θ２’ ……（２）
となる。
すなわち、光Ｌの入射角θ１が一定の場合、従来の構成では屈折角θ２が小さいため、図８に示すように、光入射面１０ａに対して斜めに入射した光Ｌは光入射面１０ａの法線Ｈに近づく方向に光Ｌが屈折するのに対し、本発明の構成では屈折角θ２’がθ２よりも大きく、かつθ１に近くなるため、光入射面１０ａに対して斜めに入射した光Ｌはあまり屈折せずに波長変換素子１０内を進行する。

これにより、従来の構成での入射光に対する分極反転周期構造の実効的なピッチをＰ１、本発明の構成での入射光に対する分極反転周期構造の実効的なピッチをＰ１’とすると、
Ｐ１’＞Ｐ１ ……（３）
となる。
（３）式から明らかなように、光の入射角θ１が同じであれば、本発明の構成の方が従来の構成よりも分極反転周期構造の実効的なピッチを大きくすることができる。逆に考えると、本発明の構成の方が従来の構成よりも同じピッチを得るのに光の入射角が小さくて済む。換言すると、本発明の構成の方が従来の構成よりも同じピッチを得るのに波長変換素子の回転角度が小さくて済む。

したがって、本発明によれば、波長変換素子を回転させることで分極反転周期構造のピッチを調整できるため、素子製造時に分極反転周期構造のピッチを高精度に制御する必要がなく、さらに、従来に比べて波長変換素子の回転角度が小さくて済むため、装置の大型化、製造コストの高騰を抑えることができる。

また、高屈折率材の光入射面と波長変換素子の光入射面とが非平行に配置され、発光素子から高屈折率材までの間を通るレーザ光の光軸と高屈折率材の光入射面とのなす角度が、レーザ光の光軸と波長変換素子の光入射面とのなす角度よりも９０°に近い構成とすることが望ましい。

波長変換素子を備えた光源装置において、通常は波長変換素子の光入射面に対して垂直に光を入射させるが、本発明では波長変換素子を回転させるため、波長変換素子の光入射面に対して斜めに光が入射することになる。この場合、波長変換素子の光入射面での光の反射による損失を考慮しなければならない。そこで、高屈折率材の光入射面と波長変換素子の光入射面を非平行とし、発光素子から高屈折率材までの間を通るレーザ光の光軸と高屈折率材の光入射面とのなす角度が、レーザ光の光軸と波長変換素子の光入射面とのなす角度よりも９０°に近い構成とすれば、波長変換素子を回転させても高屈折率材の光入射面に対してはより垂直に近い角度で光が入射するため、光の反射が少なく、損失を少なくできる。

また、前記波長変換素子の分極反転周期構造は、前記発光素子から射出されたレーザ光が前記波長選択素子の許容波長範囲の下限の値で位相整合するように、前記分極反転周期構造のピッチが設定されていることが望ましい。
波長変換素子を回転させる場合、波長変換素子の分極反転周期構造のピッチを長くする方向には調整できるものの、ピッチを短くする方向には調整できない。したがって、レーザ光が波長選択素子の許容波長範囲の下限の値で位相整合するように分極反転周期構造のピッチを設定しておけば、調整幅を最も大きく取ることができる。

また、発光素子と波長変換素子との間に、発光部から射出される所定の波長範囲のレーザ光のうち、特定の波長のレーザ光を選択的に透過する波長選択フィルターが設けられることが望ましい。
この構成によれば、発光素子から射出されたレーザ光が波長変換素子に入射する前に、波長範囲がより絞られるため、位相整合条件を満たす光の割合が増え、波長変換素子での変換効率をより高めることができる。

また、空気の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率材が、波長変換素子の光射出面に接するように設けられることが望ましい。
この構成によれば、光射出面側でも光入射面側と同様の屈折が生じるため、高屈折率材が光射出側にない場合と比べて波長変換素子からの光の射出方向が入射方向とより平行になる。そのため、光源装置の設計（光学素子の配置等）が容易になる。

また、波長変換素子を収容する容器を備え、容器内の波長変換素子の周囲が液体状の高屈折率材で満たされた構成としても良い。
高屈折率材の具体的な構成は適宜選択が可能であるが、上記の構成によれば、本発明に要求される屈折率を有する液体（例えばシリコンオイル等）を適宜選択することで本発明の光源装置を容易に構成することができる。

また、波長選択フィルターと波長選択素子とが、容器の光入射面と光射出面にそれぞれ固定されている構成としても良い。
この構成によれば、小型でコンパクトな光源装置を実現することができ、波長選択フィルターと波長選択素子を容器の光入射面と光射出面に密着させた場合には、界面での反射による光の損失を低減することができる。

本発明の他の光源装置は、レーザ光を射出する複数の発光部を有する発光素子と、前記複数の発光部から射出された複数のレーザ光が入射され、前記複数のレーザ光の各々を所定の波長を持つレーザ光に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子により所定の波長に変換されたレーザ光を透過するとともに、所定の波長に変換されなかったレーザ光を前記発光素子に向けて反射させ、前記発光素子の外部共振器として機能する波長選択素子と、を備え、前記波長変換素子の分極反転周期構造の各分極領域の光入射面が前記波長変換素子の光入射面に対して非平行とされたことを特徴とする。

本発明の他の光源装置によれば、波長変換素子の分極反転周期構造の各分極領域の光入射面が波長変換素子の光入射面に対して非平行とされているため、分極反転周期構造の各分極領域が光入射面に対して平行に形成されていた従来の波長変換素子を用いた場合に比べて回転角度を小さくすることができる。これにより、装置の大型化、製造コストの高騰を抑えることができる。

本発明のプロジェクタは、上記本発明の光源装置と、前記光源装置から射出されたレーザ光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により形成された画像を投射する投射装置と、を備えることを特徴とする。
本発明のプロジェクタは上記本発明の光源装置を備えているので、小型、安価で明るい画像表示が可能なプロジェクタを実現することができる。

本発明のモニタ装置は、上記本発明の光源装置と、前記光源装置から射出された光により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は上記本発明の光源装置を備えているので、小型、安価で鮮明な撮像が可能なモニタ装置を実現することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図５を参照して説明する。
本実施形態では、半導体レーザから射出された赤外光を波長変換素子により波長変換し、緑色光として射出する光源装置の例を挙げて説明する。
図１は、本実施形態の光源装置の構成を示す平面図である。図２は、本実施形態の光源装置において位相整合条件を満たす基本波の波長と波長変換素子の回転角度との関係を各色光毎に示す図である。図３は、高屈折率材の屈折率を変化させたときの波長変換素子の回転角度と反射率および基本波の波長との関係を示す図である。図４は、波長変換素子の光入射側の拡大図である。図５は、高屈折率材の光入射面の角度を変化させたときの基本波の波長と回転角度との関係を示す図である。
なお、以下の各図面においては、各構成部材を見やすくするため、各構成部材毎に縮尺を異ならせている。

本実施形態の光源装置１３は、図１に示すように、半導体レーザ１４（発光素子）と、波長選択フィルター１５と、透明ケース１６（容器）と、波長変換素子１７と、高屈折率材１８と、波長選択素子１９とを備えている。半導体レーザ１４は、複数個（本実施形態では５個）のエミッタ２０（発光部）を有している。各エミッタ２０からは、同一のピーク波長を有する赤外光が射出される。半導体レーザ１４は、例えばウェハ上で多数個が一括して作り込まれ、ダイシングにより個片化されてチップの形態となったものである。また、波長選択フィルター１５は、基板上に誘電体多層膜が形成された薄膜光学素子である。波長選択フィルター１５は、半導体レーザ１４から射出される所定の波長範囲のレーザ光のうち、波長変換素子１７で位相整合する特定波長のレーザ光のみを選択的に透過する。

透明ケース１６の内部には波長変換素子１７が収容され、波長変換素子１７の周囲は液体状の高屈折率材１８で満たされている。本実施形態の波長変換素子１７は、第２高調波発生素子（ＳＨＧ：Second Harmonic Generator）であり、入射光を略半分の波長の光に変換する非線形光学素子である。波長変換素子１７は、隣り同士で分極方向が反転した領域を所定のピッチで交互に繰り返した分極反転周期構造Ｂを有している。互いに逆向きの分極方向を有する隣接する２つの分極領域２２ａ，２２ｂの光透過方向の寸法が分極反転周期構造ＢのピッチＰとなる。波長変換素子１７の分極反転周期構造Ｂは、ニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬＴ：ＬｉＴａＯ_３）等の無機非線形光学結晶に電極形成領域と電極非形成領域とを交互にストライプ状に設け、電極にパルス状電圧を印加して電極形成領域の分極方向を電極非形成領域に対して反転させることで形成することができる。

透明ケース１６の平面形状は矩形であり、透明ケース１６の光入射面１６ａと光射出面１６ｂとは互いに平行である。波長変換素子１７の平面形状も矩形であり、波長変換素子１７の光入射面１７ａと光射出面１７ｂとは互いに平行である。また、波長変換素子１７の光入射面１７ａに対して分極反転周期構造Ｂの各分極領域２２ａ，２２ｂの光入射面が平行となるように形成されている。

波長変換素子１７は、無機非線形光学結晶基板の板厚方向が図１の紙面を貫通する方向であり、透明ケース１６に対して板厚方向に延在する軸を中心として時計回りに回転した状態で、透明ケース１６に対して任意の手段により固定されている。回転角度は、その時の位相整合条件によって異なるが、基本波波長シフトを１０ｎｍ、高屈折率材１８の屈折率を１．４としたとき、最大で２５°程度である。透明ケース１６は、半導体レーザ１４から射出されたレーザ光光軸Ｌと透明ケース１６の光入射面１６ａとが９０°の角度をなすように配置されている。すなわち、半導体レーザ１４から射出されたレーザ光Ｌは透明ケース１６の光入射面１６ａに垂直に入射する。

また、波長変換素子１７が透明ケース１６に対して回転していることにより、半導体レーザ１４から射出されたレーザ光の光軸Ｌと波長変換素子１７の光入射面１７ａとは６５°より大きく、９０°より小さい角度をなしている。すなわち、レーザ光の光軸Ｌと高屈折率材１８の光入射面１８ａとのなす角度は、レーザ光の光軸Ｌと波長選択素子１７の光入射面１７ａとのなす角度よりも９０°に近い。また、波長変換素子１７の分極反転周期構造Ｂは、半導体レーザ１４から射出されたレーザ光Ｌが波長選択素子１７の許容波長範囲の下限の値で位相整合するようにピッチが設定されている。

本実施形態の場合、波長変換素子１７は透明ケース１６の略中央に配置されているため、波長変換素子１７の光入射側、光射出側を含めて波長変換素子１７の周囲全てが高屈折率材１８で満たされている。波長変換素子１７を構成するニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の屈折率は概ね２．１〜２．２程度であり、高屈折率材１８としては、屈折率ｎが空気（ｎ＝１）より大きく、波長変換素子（ｎ＝２．１〜２．２）より小さい液体材料が好適である。例えばこの種の高屈折率材としてシリコンオイル（ｎ≒１．４）を例示することができる。

波長選択素子１９が、透明ケース１６の光射出面１６ｂに対向するように配置されている。波長選択素子１９は、波長変換素子１７により所定の波長に変換されたレーザ光（緑色光）を透過するとともに、所定の波長に変換されなかったレーザ光（赤外光）を半導体レーザ１４に向けて反射させる。したがって、この波長選択素子１９は、半導体レーザ１４の外部共振器として機能する。波長選択素子１９の具体例としては、例えば周期的な格子構造を有するホログラムのような光学素子を挙げることができる。

上記構成の光源装置１３においては、半導体レーザ１４から射出された基本波の光が波長選択素子１９との間で反射を繰り返すうちに共振し、増幅されてレーザ光Ｌとして発振する。このとき、一部の光は波長変換素子１７によって波長変換され、緑色レーザ光として波長選択素子１９から射出される。

本実施形態の光源装置１３は、波長変換素子１７の周囲が空気の屈折率よりも大きく、波長変換素子１７の屈折率よりも小さい屈折率を持つ高屈折率材１８で満たされているため、光の入射角を一定としたとき、従来の構成よりも波長変換素子１７の光入射面１７ａでの屈折が小さく、分極反転周期構造Ｂの実効的なピッチを大きくできる。その結果、本実施形態の構成の方が従来の構成よりも同じピッチを得るのに光の入射角が小さくて済み、波長変換素子１７の回転角度が小さくて済む。

図２は、本実施形態の光源装置１３において、位相整合条件を満たすレーザ光の基本波波長と波長変換素子１７の回転角度との関係を示す図である。図２の横軸が基本波波長、縦軸が回転角度［度］である。ここでは、本実施形態で例示した緑色光（Ｇ）の他、青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）についても示した。図２と図１３を比較すると、１０ｎｍの基本波波長シフトに対応させようとした場合、回転角度が最大となる青色光（Ｂ）を見ると、従来の装置では回転角度を３５°（図１３参照）にする必要があったが、屈折率が１．４のシリコンオイルを用いた本実施形態の場合、回転角度は２５°（図２参照）で済む。したがって、本実施形態の光源装置１３によれば、波長変換素子１７を回転させることで分極反転周期構造Ｂのピッチ調整が可能なため、分極反転周期構造Ｂのピッチを高精度に制御する必要がないことに加え、波長変換素子１７の回転角度が小さくて済むため、装置の大型化、製造コストの高騰を抑えることができる。

さらに、半導体レーザ１４から射出されたレーザ光Ｌが透明ケース１６の光入射面１６ａに対して垂直に入射するため、光の反射が少なく、損失を少なくできる。また、波長変換素子１７の分極反転周期構造ＢのピッチＰが、レーザ光Ｌが波長選択素子１９の許容波長範囲の下限の値で位相整合するように設定されているため、位相整合の調整幅を最も大きく取ることができる。また、光入射側と同一の高屈折率材１８が波長変換素子１７の光射出面１７ｂ側にも存在するため、光射出面１７ｂ側でも光入射面１７ａ側と同じ角度の屈折が生じて、透明ケース１６からの射出光が透明ケース１６への入射光と平行になり、光源装置の設計（光学素子の配置等）が容易になる。また、半導体レーザ１４と波長変換素子１７との間に波長選択フィルター１５が設けられているため、位相整合条件を満たす光の割合が増え、波長変換素子１７での変換効率をより高めることができる。

上記実施形態では、高屈折率材１８の屈折率を空気の屈折率よりも大きく、波長変換素子１７の屈折率よりも小さい範囲に想定したが、本発明者らは、この範囲外を含めて高屈折率材の屈折率を変えたときの本発明の効果について検討した。
図３は、高屈折率材１８の屈折率をパラメータとした波長変換素子１７の回転角度と高屈折率材１８と波長変換素子１７との界面での反射率との関係、および波長変換素子１７の回転角度と基本波の波長との関係を示す図である。図３の横軸が回転角度［度］、右側の縦軸が波長変換素子１７を回転させたときに位相整合条件を満たすレーザ光の基本波の波長、左側の縦軸が反射率である。図３中の実線のグラフが反射率、破線のグラフが基本波波長を示している。ここでは、波長変換素子１７の回転角度が最も大きくなる青色光についてのみ検討した。

高屈折率材１８の屈折率を１（空気の屈折率）より大きくすると、波長変換素子１７の屈折率（２．１〜２．２程度）に近づくにつれて屈折率差が小さくなるため、反射率が一旦低下する。そして、高屈折率材１８の屈折率を３，４，…とさらに大きくしていくと、今度は屈折率差が大きくなるため、波長変換素子１７の回転角度が小さくても反射率が高くなり、光の損失が大きくなる。ところが、高屈折率材１８の屈折率が十分に大きくなると、位相整合条件を満たす波長を得るのに必要な回転角度が十分に小さくなるため、回転角度が十分に小さい領域では実際には屈折率が１の場合の反射率よりも小さい。したがって、光の損失はほとんど問題とならず、波長変換素子１７の回転角度を低減する効果の方が大きく現れる。すなわち、高屈折率材１８の屈折率は、必ずしも空気の屈折率と波長変換素子１７の屈折率との間の値を取るものを選択する必要はなく、むしろ大きいほど好ましい。

次に、高屈折率材１８の光入射面１８ａと入射光Ｌの光軸とのなす角度について検討した。
図５は、図４に示す波長変換素子１７の光入射面１７ａ側に位置する高屈折率材１８の光入射面１８ａの角度をパラメータとして、位相整合条件を満たすレーザ光Ｌの基本波の波長と波長変換素子１７の回転角度との関係を示したものである。図５において、横軸は基本波の波長、縦軸は波長変換素子１７の回転角度［度］である。高屈折率材１８の光入射面１８ａの角度は、半導体レーザ１４からの光が光入射面１８ａに対して垂直に入射する状態を０°とし、５°まで変化させた。また、高屈折率材１８の屈折率は１．５で一定とした。

図５に示したように、高屈折率材１８の光入射面１８ａの角度を大きくすると、空気と高屈折率材１８との界面（屈折率ｎ＝１→１．５）および高屈折率材１８と波長変換素子１７との界面（屈折率ｎ＝１．５→２．１）でレーザ光の角度が変換されるだけであり、波長変換素子１７の回転角度低減の効果は得られない。むしろ高屈折率材１８の光入射面１８ａの角度を大きくすると、その角度分を余計に補正しなければならないため、波長変換素子１７の回転角度は逆に増えてしまう。したがって、空気から高屈折率材１８への入射時にはレーザ光の角度の変換が生じず、高屈折率材１８から波長変換素子１７への入射時のみでレーザ光の角度の変換が生じるようにしないと、波長変換素子１７の回転角度低減の効果が得られない。この観点から、半導体レーザ１４からの光の光軸Ｌに対して高屈折率材１８の光入射面１８ａが垂直（半導体レーザ１４の光射出面に対して平行）になるように配置することが好ましい。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図６を参照して説明する。
図６は、本実施形態の光源装置の構成を示す平面図である。本実施形態の光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であるため、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

第１実施形態の光源装置１３においては、波長変換素子１７の入射側の波長選択フィルター１５と、射出側の波長選択素子１９はそれぞれ透明ケース１６から離間した位置に配置されていた。これに対して、本実施形態の光源装置２３は、図６に示すように、透明ケース１６の光入射面１６ａに波長選択フィルター１５が密着した状態で固定されるとともに、透明ケース１６の光射出面１６ｂに波長選択素子１９が密着した状態で固定されている。

本実施形態の光源装置２３においても、波長変換素子１７の回転角度が小さくて済み、装置の大型化、製造コストの高騰が抑えられる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。特に本実施形態の場合、波長選択フィルター１５と波長選択素子１９がともに透明ケース１６に密着して固定されているため、小型でコンパクトな光源装置を実現することができる。また、第１実施形態に比べて間に介在する空気層が減るため、界面での反射による光の損失を低減することができる。

［第３の実施の形態］
以下、本発明の第３の実施の形態を図７を参照して説明する。
第１，第２実施形態では波長変換素子を透明ケース内に収容し、波長変換素子の周囲を高屈折率材で満たしたが、本実施形態では高屈折率材を用いない形態を例示する。
図７は、本実施形態の光源装置の構成を示す平面図である。図７において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

第１，第２実施形態では、波長変換素子１７の光入射面１７ａに対して分極反転周期構造Ｂの各分極領域２２ａ，２２ｂの光入射面が平行に形成されていた。これに対して、本実施形態の光源装置３３は、図７に示すように、波長変換素子３７の光入射面３７ａに対して分極反転周期構造Ｂの各分極領域２２ａ，２２ｂの光入射面が所定の角度をなすように形成されている。波長変換素子３７の光入射面３７ａと分極反転周期構造Ｂの各分極領域２２ａ，２２ｂの光入射面とのなす角度は０°〜３５°程度である。また、波長変換素子３７の分極反転周期構造ＢのピッチＰは、レーザ光Ｌが波長選択素子１９の許容波長範囲の下限の値で位相整合するように設定されている。ここで言うピッチＰとは、分極反転周期構造Ｂの各分極領域２２ａ，２２ｂの光入射面に対して垂直な方向に測ったときの寸法である。

本実施形態の波長変換素子３７は、非線形光学結晶のウェハ上に多数個の波長変換素子を一括して作り込み、ダイシングにより個片化する際に分極反転周期構造Ｂに対してダイシングラインを斜めに配置して切り出すことで作製が可能である。そして、波長変換素子３７を作製する際には、波長変換素子３７の光入射面３７ａと分極反転周期構造Ｂの各分極領域２２ａ，２２ｂの光入射面とのなす角度が０°〜３５°の範囲内で角度が異なるものを複数種類作製しておく。

本実施形態の光源装置３３においては、波長変換素子３７の元々のピッチが一定であり、波長変換素子３７の光入射面３７ａに対して光を垂直に入射させたとしても、波長変換素子３７の光入射面３７ａと分極反転周期構造Ｂの各分極領域２２ａ，２２ｂの光入射面とのなす角度が変われば、それに伴って実効的なピッチが変わることになる。したがって、波長変換素子３７の光入射面３７ａと分極反転周期構造Ｂの各分極領域２２ａ，２２ｂの光入射面とのなす角度が異なるものの中から最も位相整合するものを選択することによって、波長変換素子３７の回転角度を最小に抑えることができる。位相整合条件に完全に合致するものがあれば、波長変換素子３７を全く回転させる必要がなくなる。このように、本実施形態の光源装置３３によれば、波長変換素子３７の回転に要するスペースを大きく取ったり、波長変換素子３７のサイズを大きくする必要がなく、光源装置の大型化、コストの高騰を抑えることができる。

［第４の実施の形態］
以下、本発明の第４の実施の形態について図９を参照して説明する。
本実施形態では、上記第１〜第３実施形態の光源装置を備えるプロジェクタについて説明する。図９は本実施形態のプロジェクタの概略構成図である。

本実施形態のプロジェクタ５０は、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ射出する赤色レーザ光源装置１３Ｒ，緑色レーザ光源装置１３Ｇ、青色レーザ光源装置１３Ｂを備えており、これら光源装置が上記第１〜第３実施形態の光源装置である。
プロジェクタ５０は、上記のレーザ光源装置１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂから射出された各色光をそれぞれ変調する透過型の液晶ライトバルブ（光変調装置）５４Ｒ，５４Ｇ，５４Ｂと、液晶ライトバルブ５４Ｒ，５４Ｇ，５４Ｂから射出された光を合成して投写レンズ５７に導くクロスダイクロイックプリズム（色合成手段）５６と、液晶ライトバルブ５４Ｒ，５４Ｇ，５４Ｂによって形成された像を拡大してスクリーン６０に投射する投射レンズ（投射手段）５７と、を備えている。

さらに、プロジェクタ５０は、レーザ光源装置１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂから射出されたレーザ光の照度分布を均一化させるための均一化光学系５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂを備えており、照度分布が均一化された光によって液晶ライトバルブ５４Ｒ，５４Ｇ，５４Ｂを照明している。本実施形態では、均一化光学系５２Ｒ，５２Ｇ、５２Ｂは、例えばホログラム５２ａとフィールドレンズ５２ｂによって構成されている。

各液晶ライトバルブ５４Ｒ，５４Ｇ，５４Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム５６に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投射レンズ５７によりスクリーン６０上に投写され、拡大された画像が表示される。

本実施形態のプロジェクタ５０においては、赤色レーザ光源装置１３Ｒ，緑色レーザ光源装置１３Ｇ，青色レーザ光源装置１３Ｂとして上記第１〜第３実施形態の光源装置が用いられているので、小型、安価で明るい画像表示が可能なプロジェクタを実現することができる。

なお、本実施形態においては、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、反射型のライトバルブを用いても良いし、液晶以外の光変調装置を用いても良い。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型液晶ライトバルブやデジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device）が挙げられる。投射光学系の構成は、使用されるライトバルブの種類によって適宜変更すればよい。

［第５の実施の形態］
以下、本発明の第５の実施の形態について図１０を参照して説明する。
本実施形態では、走査型の画像表示装置について説明する。図１０は本実施形態の画像表示装置の概略構成図である。

本実施形態の画像表示装置２００は、図１０に示すように、第１〜第３実施形態の光源装置１３と、光源装置１３から射出された光をスクリーン２１０に向かって走査するＭＥＭＳミラー（走査手段）２０２と、光源装置１３から射出された光をＭＥＭＳミラー２０２に集光させる集光レンズ２０３とを備えている。光源装置１３から射出された光は、ＭＥＭＳミラー２０２の駆動によってスクリーン２１０上を水平方向、垂直方向に走査される。カラー画像を表示する場合は、例えば半導体レーザ１４を構成する複数のエミッタを、赤、緑、青のピーク波長を持つエミッタの組み合わせによって構成すれば良い。

［第６の実施の形態］
以下、第１〜第３実施形態の光源装置１０を応用したモニタ装置３００の構成例について図１１を用いて説明する。
図１１は、本実施形態のモニタ装置の概略構成図である。
本実施形態のモニタ装置３００は、図１１に示すように、装置本体３１０と、光伝送部３２０と、を備える。装置本体３１０は、前述の第１〜第３実施形態の光源装置１３を備えている。

光伝送部３２０は、光を送る側と受ける側の２本のライトガイド３２１，３２２を備えている。各ライトガイド３２１，３２２は、多数本の光ファイバを束ねたものであり、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３２１の入射側には光源装置１３が設置され、その出射側には拡散板３２３が設置されている。光源装置１３から射出されたレーザ光は、ライトガイド３２１を通じて光伝送部３２０の先端に設けられた拡散板３２３に送られ、拡散板３２３により拡散されて被写体を照射する。

光伝送部３２０の先端には、結像レンズ３２４が設けられており、被写体からの反射光を結像レンズ３２４で受けることができる。受けた反射光は、受け側のライトガイド３２２を通じて装置本体３１０内に設けられた撮像手段としてのカメラ３１１に送られる。この結果、光源装置１３から射出されたレーザ光で被写体を照射して得られた反射光に基づく画像をカメラ３１１で撮像することができる。

本実施形態のモニタ装置３００によれば、上記第１〜第３実施形態の光源装置が用いられているので、小型、安価で鮮明な撮像が可能なモニタ装置を実現することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば第１、第２実施形態では、透明ケース内に波長変換素子を収容し、波長変換素子の周囲を液体状の高屈折率材で満たした構成例を示したが、高屈折率材は必ずしも液体状である必要はなく、固体状であっても良い。固体状の高屈折率材を用いる場合には、波長変換素子を透明ケース内に収容する必要はなく、高屈折率材を波長変換素子の光入射面や光射出面に直接固定しても良い。また、光源装置の設計（光学素子の配置等）を容易にするためには、高屈折率材を波長変換素子の光入射面と光射出面の双方に配置する方が好ましいが、波長変換素子の回転角度低減の効果を得るには高屈折率材は少なくとも波長変換素子の光入射面にあれば良い。その他、上記実施形態で例示した各構成要素の形状、寸法、個数等に関する具体的な構成は適宜変更が可能である。

本発明の第１実施形態の光源装置の構成を示す平面図である。 本実施形態における基本波波長と波長変換素子の回転角度との関係を色光毎に示す図である。 高屈折率材の屈折率をパラメータとした波長変換素子の回転角度と反射率、基本波波長との関係を示す図である。 波長変換素子の光入射側の拡大図である。 高屈折率材の光入射面角度をパラメータとした基本波波長と回転角度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の光源装置の構成を示す平面図である。 本発明の第３実施形態の光源装置の構成を示す平面図である。 本発明の原理を説明するための図である。 本発明の第４実施形態のプロジェクタの概略構成図である。 本発明の第５実施形態の画像表示装置の概略構成図である。 本発明の第６実施形態のモニタ装置の概略構成図である。 波長変換素子の回転に伴う作用を説明するための図である。 従来の基本波波長と波長変換素子の回転角度との関係を色光毎に示す図である。

符号の説明

１０，１７，３７…波長変換素子、１１，１８…高屈折率材、１３，１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ，２３，３３…光源装置、１４…半導体レーザ（発光素子）、１５…波長選択フィルター、１６…透明ケース（容器）、１９…波長選択素子、５０…プロジェクタ、２００…画像表示装置、３００…モニタ装置、Ｂ…分極反転周期構造。

Claims (10)

1. レーザ光を射出する複数の発光部を有する発光素子と、
   前記複数の発光部から射出された複数のレーザ光が入射され、前記複数のレーザ光の各々を所定の波長を持つレーザ光に変換する波長変換素子と、
   少なくとも前記波長変換素子の光入射面に接するように設けられ、空気の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率材と、
   前記波長変換素子により所定の波長に変換されたレーザ光を透過するとともに、所定の波長に変換されなかったレーザ光を前記発光素子に向けて反射させ、前記発光素子の外部共振器として機能する波長選択素子と、
   を備えたことを特徴とする光源装置。
2. 前記高屈折率材の光入射面と前記波長変換素子の光入射面とが非平行に配置され、前記発光素子から前記高屈折率材までの間を通るレーザ光の光軸と前記高屈折率材の光入射面とのなす角度が、前記レーザ光の光軸と前記波長変換素子の光入射面とのなす角度よりも９０°に近いことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記波長変換素子の分極反転周期構造は、前記発光素子から射出されたレーザ光が前記波長選択素子の許容波長範囲の下限の値で位相整合するように、前記分極反転周期構造のピッチが設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記発光素子と前記波長変換素子との間に、前記発光部から射出される所定の波長範囲のレーザ光のうち、特定の波長のレーザ光を選択的に透過する波長選択フィルターが設けられたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 空気の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率材が、前記波長変換素子の光射出面に接するように設けられたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記波長変換素子を収容する容器を備え、前記容器内の前記波長変換素子の周囲が液体状の前記高屈折率材で満たされたことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記波長選択フィルターと前記波長選択素子とが、前記容器の光入射面と光射出面にそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. レーザ光を射出する複数の発光部を有する発光素子と、
   前記複数の発光部から射出された複数のレーザ光が入射され、前記複数のレーザ光の各々を所定の波長を持つレーザ光に変換する波長変換素子と、
   前記波長変換素子により所定の波長に変換されたレーザ光を透過するとともに、所定の波長に変換されなかったレーザ光を前記発光素子に向けて反射させ、前記発光素子の外部共振器として機能する波長選択素子と、を備え、
   前記波長変換素子の分極反転周期構造の各分極領域の光入射面が前記波長変換素子の光入射面に対して非平行とされたことを特徴とする光源装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出されたレーザ光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により形成された画像を投射する投射装置と、を備えることを特徴とするプロジェクタ。
10. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出された光により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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