JP2010123619A - 半導体レーザの駆動装置、表示装置および半導体レーザアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザを例えばプロジェクタの光源として用いる場合に、発光ピーク波長が外部の熱等によって変化してしまうときでも、色の変化及び光量変化を非常に少なくして表示を行うことのできるプロジェクタを提供する。
【解決手段】
プロジェクタ１のＬＤアレイ５を駆動する駆動装置４は、複数の半導体レーザからなるレーザアレイ５を制御する。半導体レーザの発光ピーク波長を検出し、所望の色範囲から逸脱している場合には、逸脱の方向に応じて半導体レーザへの電流供給量を増減させ、所望の色範囲を得る。それとともに、プロジェクタの光源として必要な光量を得るために、ＬＤアレイ５中で点灯される半導体レーザの数を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザの駆動装置、表示装置および半導体レーザアレイに関し、例えば半導体レーザを用いて映像の表示を行なう表示装置及びそれに用いられる半導体レーザアレイ、半導体レーザの駆動装置に関する。

近年、青色系発光ダイオード（ＬＥＤ）の出現により、ディスプレイの白色光源としてＬＥＤが用いられるようになっている。この白色光源は、プロジェクタの光源としても用いることができる。

また、ＬＥＤでなく、より発光強度の強いレーザダイオード（ＬＤ）を光源として用いることも検討されている。光の三原色のうちの赤色、青色のＬＤは実用化されているものの、緑色のＬＤは開発段階にある。

ＬＤ自体は、従来より光ディスクの読み出し、書込みのために用いられている。この場合、ＬＤは定電流駆動されていた（特許文献１参照）。
特開２００７−１４２２０２号公報 実開昭６３−２９９６８ 特開平５−２５９５４４

半導体材料を用いたＬＤをディスプレイの光源とすると、時間経過に応じて例えば室温が変化したり、またはディスプレイ内部の温度が変化したりする場合に、ディスプレイでの表示色が変化してしまうという問題を生ずる。

効果の大きさは具体的な半導体材料やＬＤの構造にも依るのであるが、半導体材料を用いたＬＤは、素子温度の変化により発振ピーク波長が変化してしまう。例えば、外部の影響により素子温度が上昇してしまう場合には、発振ピーク波長が長波長側にシフトし、発光色が変化（レッドシフト）する。また、外部の影響により素子温度が低下した場合には、発振ピーク波長が短波長側にシフトし、発光色が変化（ブルーシフト）する。このため、ディスプレイの表示色が変化してしまうおそれがある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、発光色を調整することのできる半導体レーザの駆動装置、表示装置および半導体レーザアレイを提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザの駆動装置は、半導体レーザに電流を供給して半導体レーザを駆動する駆動装置であって、上記半導体レーザのピーク発振波長を検出するための検出回路と、予め定めた目標ピーク発振波長と検出回路の検出した検出ピーク発振波長とを比較し、検出ピーク発振波長が目標ピーク発振波長よりも短波長であるときには半導体レーザへの供給電流を増加させ、検出ピーク発振波長が目標ピーク発振波長よりも長波長であるときには半導体レーザへの供給電流を減少させる、電流供給調整部を備えた制御回路を有する構成である。

また、上記駆動装置本体は、複数の半導体レーザを有する半導体アレイに対して、半導体レーザ毎に個別に電流を供給するための複数の供給端子を備えており、上記制御回路は、電流供給調整部の調整した半導体レーザへの供給電流に基づき半導体レーザの光出力ワット数を取得する出力取得部と、予め定めた目標光出力ワット数と出力取得部の取得した取得光出力ワット数とを比較することにより、上記複数の供給端子から電流を個別に供給する半導体レーザの個数を決定する個数決定部とをさらに有する構成であってもよい。

また、さらに上記出力取得部が、予め測定して記憶した半導体レーザへの供給電流と出力ワット数との関係に基づき、半導体レーザの光出力ワット数を取得する構成であってもよい。または、上記出力取得部が、上記検出回路にて検出した半導体レーザの光出力の一部に基づいて、半導体レーザの光出力ワット数を取得する構成であってもよい。

本発明に係る表示装置は、入力される画像信号を表示するための表示装置であって、複数の半導体レーザを有する半導体レーザアレイと、上記半導体レーザアレイを駆動するための、上述のいずれかの半導体レーザの駆動装置とを備え、上記駆動装置を用いて上記半導体レーザアレイを駆動することにより、入力される画像信号に応じた画像を装置本体外部のスクリーンに投影する構成である。

また、上記表示装置は、上記半導体レーザアレイの半導体レーザが、窒化物半導体を用いた緑色発光半導体レーザである構成であってもよい。

また、本発明に係るレーザアレイは、複数の半導体レーザが基板に一体化された半導体レーザアレイであって、複数の半導体レーザそれぞれに独立に電流を供給するための複数の端子を備えており、上記半導体レーザが、窒化物半導体を用いた緑色発光半導体レーザであり、供給される電流に応じてピーク発振波長が変化する構成であってもよい。

本発明によれば、半導体レーザを例えばプロジェクタの光源として用いる場合に、プロジェクタの外部・内部で温度の時間変化が生じてしまうときでも、色の変化及び光量変化が非常に少なくなるように表示を行うことのできるプロジェクタを提供できる。

本発明に係る半導体レーザの駆動装置、表示装置および半導体レーザアレイについて、図面を参照して説明する。

図１に示すように、プロジェクタ（表示装置）１は、制御部２、画像処理回路３、駆動装置（半導体レーザの駆動装置）４、ＬＤアレイ（半導体レーザアレイ）５を備えている。

プロジェクタ１には、電源が供給され、画像信号が入力される。制御部２は、電源電圧を画像処理回路３および駆動装置４に供給する。また、制御部２は、画像信号を画像処理回路３へと出力する。画像処理回路３は、画像信号を、駆動装置４へ出力するための出力信号へと変換する。駆動装置４は、画像処理回路３から出力された出力信号に応じてＬＤアレイ５を駆動し、プロジェクタ１外部の図示しない表示スクリーンへと映像を表示する。

ＬＤアレイ５は、複数の半導体レーザを有している。より具体的には、ＬＤアレイ５は、緑、青、赤の三原色の発光波長を有する半導体レーザを備えている。

次に、駆動装置４について、より詳細に説明する。

図２に示すように、駆動装置４は、検出回路７および制御回路８を備えている。検出回路７は、図２には示さない受光素子を備えている。検出回路７は、受光素子にてＬＤアレイ５の出力光を受光し、その出力光のピーク波長を検出する。検出回路７は、検出したピーク波長に応じた検出信号を制御回路８へと出力する。制御回路８は、駆動回路４に入力される出力信号に応じて、ＬＤアレイ５中の所望の色範囲の波長ピークを有する半導体レーザアレイ（緑ＬＤアレイ６、青ＬＤアレイ２６、赤ＬＤアレイ４６）を駆動する。例えば、出力信号が赤色の出力信号であれば、ＬＤアレイ５中の赤ＬＤアレイ４６を駆動する。

駆動装置４の制御回路８は、半導体レーザに電流を供給し、電流駆動する。半導体レーザに印加される電圧を検出することによって、半導体レーザのＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を得ることができる。制御回路８は、図示しない記憶装置に、半導体レーザのＩ−Ｖ特性、光出力Ｗ数を保存する。検出回路７がＬＤアレイ５の光出力の一部を検出することによって、半導体レーザの電流−光出力特性を得る構成であってもよい。制御回路８は、ＬＤアレイ５中で点灯するＬＤの数を調節し、ＬＤアレイ５による光出力Ｗ数を調整することができる。

また、本実施形態の制御回路８は、検出回路７からの検出信号と、映像信号に必要なピーク波長とを比較し、制御電流をＬＤアレイ５へと出力する。より具体的には、制御回路８は、検出信号におけるピーク波長が、映像信号のために必要となる所望のピーク波長よりも長波長側である場合には、制御電流を減少させる。これにより、ＬＤアレイ５へと供給される電流が減少し、これによってＬＤアレイ５から出力される発光のピーク波長が短波長化される。また、制御回路８は、検出信号におけるピーク波長が、映像信号のために必要となる所望のピーク波長よりも短波長側である場合には、制御電流を増加させ、ＬＤアレイ５へと供給される電流を増加させる。これにより、ＬＤアレイ５へと供給される電流が増加し、これによってＬＤアレイ５から出力される発光のピーク波長が長波長化される。

次に、図３、図４および図５を参照して、ＬＤアレイ５について説明する。

図３は、ＬＤアレイ５のうちの緑ＬＤアレイ（緑色発光素子）６について、断面図を示すものである。緑色発光素子は、一般にＡｌ_XＩｎ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）と表わすことのできる、窒化物半導体（ＧａＮ系化合物半導体）により形成される。断面図の構成は青色発光、赤色発光の場合もほぼ同様であるので、図示は省略した。

図３に示すように、緑ＬＤアレイ６は、ｍ面を主面とするＧａＮ系化合物半導体からなるｎ型基板１１の上面に、半導体積層部１２−１９を有している。ｎ型基板１１の底面にはｎ側電極１０を有している。

本実施形態の緑色発光素子では、分極電場の無い非極性面を主面とする。このような非極性面、または分極電場の少ない半極性面を主面とした半導体レーザでは、キャリア注入によるブルーシフト（短波長化）の影響を受けにくい。このため、緑色発光を実現することができる。一方、例えばＧａＮ系化合物半導体の極性面であるｃ面を主面とした場合、キャリア注入によるブルーシフト（短波長化）の影響を受けやすい。このため、発光が緑色であっても発振するのは青色になってしまう。したがって、ｃ面を主面とするＧａＮ系半導体を有するＬＤを用いる場合には、緑色ではなく青色発光素子として用いることが好ましい。

また、主面をｍ面とする緑色発光素子においては、ブルーシフトの影響が少ないため、装置外部での発熱・温度変化によるレッドシフトの影響が大きくなってしまう。このため、本実施形態の駆動装置４を用いて、駆動電流量を調整して発光波長を調節しているのである。また、赤色発光素子の場合も、一般的に用いられているＧａＰ系化合物半導体が極性を有しないため、装置外部での発熱・温度変化によるレッドシフトの影響がある。しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体と比較して駆動に要する電圧が低いため、レッドシフトの効果は相対的には少ないと考えられる。このため、本実施形態においては、実際には、ＬＤアレイ５中の緑ＬＤアレイ６のみについて、外部の熱等による色の変化および光量の変化を非常に少なくするように、駆動装置４で供給電流量などの制御を行なっている。ＬＤアレイ５中の青ＬＤアレイ２６、赤ＬＤアレイ４６については、定電流駆動を行なっている。但し、これに限るものではなく、青ＬＤアレイ２６、赤ＬＤアレイ４６について、以下で説明するような緑ＬＤアレイ６への電流供給制御と同様の制御を行なってもよい。

緑ＬＤアレイ６の半導体積層部１２−１９は、ｎ ＧａＮコンタクト層１２、ｎ ＡｌＧａＮクラッド層１３、ｎ ＩｎＧａＮガイド層１４、活性層１５、ｐ ＩｎＧａＮガイド層１６、ｐ
ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７、ｐ ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｐ型コンタクト層１９を有している。活性層１５の導波路は、ＧａＮ系化合物半導体のｃ軸と平行である。

また、緑ＬＤアレイ６は、複数の独立のリッジ部（リッジストライプ）（半導体レーザ素子）６ａ−６ｊを備えている。各リッジストライプは、リッジストライプまで電流を供給するためのｐ側電極９ａ−９ｊと、リッジストライプの側面に絶縁膜２０を有する。リッジストライプ６ａ−６ｊは、ｎ側電極１０は共通であるが、ｐ側電極９ａ−９ｊを用いて、独立に電流駆動され、別個の半導体レーザ素子として機能する。すなわち、緑ＬＤアレイ６の等価回路図は、図４に示すようになる。

また、図５に示すように、緑ＬＤアレイ６は、レーザ共振器の前端面にコート膜２２を、後端面にコート膜２３を有している。コート膜２２・２３は、薄膜誘電体層を複数積層した多層膜からなる。コート膜２２・２３の反射率は、膜厚や積層数を調整して決定できる。本実施形態のコート膜２２の反射率は７０％、コート膜２３の反射率はほぼ１００％としている。このように、レーザ光出射端面側の反射率を７０％以上とすれば、レーザの閾値を低減することが出来る一方で、スロープ効率も同時に低くなるため、少ない出力変動で発振波長を変動できる。

以上のような構成の緑ＬＤアレイ６は、発振ピーク波長が温度によって変化してしまう。具体的には、図６に示すように、緑色発光レーザ素子の発振ピーク波長は、温度の上昇に伴い長波長化してしまう。このため、プロジェクタ１の外部または内部の温度変化に伴い、緑ＬＤアレイ６の温度が変化した場合には、緑ＬＤアレイ６の発光色が変化してしまう。なお、図６は参照例として示すものであり、前端面の反射率を９７％に設定した場合のレーザ素子の温度−発振ピーク波長特性を示すものである。レーザ素子は、５ｍＷで連続（CW: continuous wave）発振させた。

そこで、本実施形態のプロジェクタ１では、駆動装置４が、緑ＬＤアレイ６の半導体レーザ素子６ａ−６ｊにそれぞれ供給する電流を調整することによって、発光色を所望のものとする。

具体的には、総出力を所定の範囲のものとしつつ、色を所望のものとするために、駆動装置４は以下のように制御を行なう。

図７の詳細ブロック図に示すように、駆動装置４の検出回路７はピーク検出素子（受光素子）７ａを備えている。ピーク検出素子７ａには、緑ＬＤアレイ６のレーザ素子６ａの射出光の一部が入射される。検出回路７は、ピーク検出素子７ａに入力された射出レーザ光のピーク発振波長（ピーク波長）を検出し、検出信号として制御回路８に出力する。（図８のＳ１）。検出回路７の温度検出素子７ｂは、レーザ素子６ａの温度を検出する。

制御回路８の電流供給調整部８ａは、検出回路７からの検出信号と、映像信号に必要なピーク発振波長（ピーク波長）とを比較する。ＬＤアレイ５の緑ＬＤアレイ６においては、例えば、映像信号に必要なピーク波長を５００ｎｍと予め設定する。電流供給調整部８ａは、検出信号におけるピーク波長が、設定されたピーク波長５００ｎｍよりも長波長側である場合には、制御電流を減少させる。また、電流供給調整部８ａは、検出信号におけるピーク波長が、設定されたピーク波長５００ｎｍよりも短波長側である場合には、制御電流を増加させる。（図８のＳ２）。供給された電流に応じてレーザ素子６ａが発光するので、その発光波長を再度ピーク検出素子７ａにて検出し、制御回路８の電流供給調整部８ａが上述のように供給電流を調整し、フィードバック制御がなされる。ただし、制御の方法はこれに限るものではない。例えば、制御電流を定めるにあたって、電流供給調整部８ａは、予め記憶した図示しない電流−発光波長特性のテーブルに基づき、温度検出素子７ｂが検出した温度に応じて、ピーク波長が５００ｎｍとなるような制御電流に設定してもよい。また、これに限るものではなく、映像信号に応じて、緑色発光レーザのための発振ピーク波長は所望の値に設定することができる。例えばピーク波長を５３０ｎｍとしてもよい。

ここで、本実施形態のレーザ素子６ａの特性を図９に示す。横軸は電流、左縦軸は光出力、右縦軸は電圧をそれぞれ示す。図９には、２５℃から７５℃まで１０℃刻みで測定した、連続(CW)発振させた場合の電流−光出力特性と、電流−電圧特性とが示されている。

また、レーザ素子６ａの他の特性を図１０に示す。横軸は投入電力で、縦軸が発振波長である。図１０には、本実施形態のレーザ素子６ａの前端面の反射率を７０％とした場合とともに、参照例として前端面の反射率を９７％とした場合との結果が示されている。レーザ素子は２５℃で連続(CW)発振させた。

電流供給調整部８ａが電流を調整すると、レーザ素子６ａには図９に示す関係に応じた電圧が印加される。これにより、レーザ素子６ａへの投入電力が定まり、図１０に示す関係に応じて、投入電力に応じた発振波長でレーザ素子６ａが発光する。

引き続いて、制御回路８の出力取得部８ｂは、設定した制御電流に基づき、素子１個分の光出力Ｗ数を取得する。（図８のＳ３）。具体的には、図９に示す電流−光出力特性に基づき、素子１個分の光出力を得ることができる。また、出力取得部８ｂの動作はこれに限るものではなく、例えば、出力取得部８ｂが、ピーク検出素子７ａにて測定した半導体レーザ６ａの出力の一部に基づき、半導体レーザの出力ワット数を取得するようにしてもよい。

次に、制御回路８の個数決定部８ｃは、プロジェクタとして必要とされる要求仕様の光出力Ｗ数に基づき、点灯させるレーザ素子の個数を計算する。（図８のＳ４）。

例えば、目標の光出力Ｗ数が３２mＷであると設定されている場合を考える。さらに、±２ｍＷの範囲が許容範囲と設定されているとする。素子１個分の光出力Ｗ数が３．５mＷであった場合、個数決定部８ｃは、点灯個数は９であると判定する。

より詳細には、個数決定部８ｃは、目標の光出力Ｗ数と素子１個分の光出力Ｗ数とを比較する。素子１個分の光出力Ｗ数の方が小さい場合には、１個分素子を余分に点灯することにして個数カウントを増加させるとともに、その分の光出力Ｗ数を増加させる。目標の光出力Ｗ数と点灯予定の素子による光出力Ｗ数とを比較し、点灯予定の光出力Ｗ数が目標およびその前後の許容範囲の範囲内に入った場合には、個数決定部８ｃは、その時点で個数のカウントを停止する。このようにして、点灯させるレーザ素子の個数を計算できる。

制御回路８は、素子１個に３．５ｍＷの出力を与えるための電流が１２０ｍＡとすると、９個の半導体レーザ素子６ａ−６ｉに、それぞれ独立に１２０ｍＡの電流を供給する。（図８のＳ５）。各レーザ素子６ｂ−６ｉは、レーザ素子６ａと同じ特性で発光する。制御回路８は、半導体レーザ素子６ｊへの電流供給は停止する。

これにより、緑ＬＤアレイ６は、周囲の温度変動等に依存せず、予め定めた発光色にて発光する。なお、青ＬＤアレイ２６、赤ＬＤアレイ４６を発光させる場合には、駆動装置４はそれぞれを定電流制御にて駆動する。

以上のように、プロジェクタ１においてＬＤアレイ５を光源として用いて、駆動装置４によって駆動することにより、発振ピーク波長が外部の熱等によって変化してしまうときでも、色の変化及び光量変化が非常に少なくなるように、外部のスクリーンに画像表示を行うことができる。

本発明は上述の実施の形態に限るものではない。

図１１は、本発明に係るＬＤアレイの他の一実施形態を示すものである。本実施形態の緑ＬＤアレイ５６は、放熱基板７１上に、導電膜７０を介して、複数（本実施形態では１０）の独立の半導体レーザ素子５６Ａ−５６Ｊを備えている。緑ＬＤアレイ５６は、各半導体レーザ素子５６Ａ−５６Ｊのｎ側端子が導電膜７０により接続され、ｐ側端子（ｐ電極６９Ａ−６９Ｊ）はそれぞれ別個の端子という構成である。このため、緑ＬＤアレイ５６の等価回路図は、図４に示す緑ＬＤアレイ６の等価回路図と同様のものとなる。この緑ＬＤアレイ５６を、上述の緑ＬＤアレイ６の代わりにプロジェクタ１中のＬＤアレイ５に備えてもよい。

本発明は上述の内容に限るものではなく、各実施形態にて説明した構成要素を組み合わせたものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明に係る表示装置の一実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る半導体レーザの駆動装置の一実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る半導体レーザアレイの一実施形態を示す断面図である。 上記半導体レーザアレイの等価回路図である。 上記半導体レーザアレイの側面図である。 半導体レーザの発振波長の温度変化の一例を示すグラフである。 上記駆動装置の詳細な一例を示すブロック図である。 上記駆動装置における処理の一例を示すフローチャートである。 上記半導体レーザの特性を示すグラフである。 上記半導体レーザの他の特性を示すグラフである。 本発明に係る半導体レーザアレイの他の一実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ プロジェクタ（表示装置）
２ 制御部
３ 画像処理回路
４ 駆動装置（半導体レーザの駆動装置）
５ ＬＤアレイ（半導体レーザアレイ、半導体レーザ素子）
６、５６ 緑ＬＤアレイ（半導体レーザアレイ、半導体レーザ素子）
６ａ−６ｊ、５６Ａ−５６Ｊ 半導体レーザ素子
７ 検出回路
８ 制御回路
９ａ−９ｊ、６９Ａ−６９Ｊ ｐ電極
１０ ｎ電極
１１、６１Ａ−６１Ｊ ｎ型基板
１５ 活性層
２０ 絶縁膜
７０ 導電膜
７１ 放熱基板

Claims (7)

1. 半導体レーザに電流を供給して半導体レーザを駆動する駆動装置であって、
   上記半導体レーザのピーク発振波長を検出するための検出回路と、
   予め定めた目標ピーク発振波長と検出回路の検出した検出ピーク発振波長とを比較し、検出ピーク発振波長が目標ピーク発振波長よりも短波長であるときには半導体レーザへの供給電流を増加させ、検出ピーク発振波長が目標ピーク発振波長よりも長波長であるときには半導体レーザへの供給電流を減少させる、電流供給調整部を備えた制御回路を有する半導体レーザの駆動装置。
2. 上記駆動装置本体は、複数の半導体レーザを有する半導体アレイに対して、半導体レーザ毎に個別に電流を供給するための複数の供給端子を備えており、
   上記制御回路は、電流供給調整部の調整した半導体レーザへの供給電流に基づき半導体レーザの光出力ワット数を取得する出力取得部と、予め定めた目標光出力ワット数と出力取得部の取得した取得光出力ワット数とを比較することにより、上記複数の供給端子から電流を個別に供給する半導体レーザの個数を決定する個数決定部とをさらに有する請求項１に記載の半導体レーザの駆動装置。
3. 上記出力取得部が、予め測定して記憶した半導体レーザへの供給電流と光出力ワット数との関係に基づき、半導体レーザの光出力ワット数を取得する請求項２に記載の半導体レーザの駆動装置。
4. 上記出力取得部が、上記検出回路にて検出した半導体レーザの光出力の一部に基づいて、半導体レーザの光出力ワット数を取得する請求項２に記載の半導体レーザの駆動装置。
5. 入力される画像信号を表示するための表示装置であって、
   複数の半導体レーザを有する半導体レーザアレイと、
   上記半導体レーザアレイを駆動するための、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザの駆動装置とを備え、
   上記駆動装置を用いて上記半導体レーザアレイを駆動することにより、入力される画像信号に応じた画像を装置本体外部のスクリーンに投影する表示装置。
6. 上記半導体レーザアレイの半導体レーザが、窒化物半導体を用いた緑色発光半導体レーザである請求項５に記載の表示装置。
7. 複数の半導体レーザが基板に一体化された半導体レーザアレイであって、
   複数の半導体レーザそれぞれに独立に電流を供給するための複数の端子を備えており、
   上記半導体レーザが、窒化物半導体を用いた緑色発光半導体レーザであり、供給される電流に応じてピーク発振波長が変化することを特徴とする半導体レーザアレイ。
   

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