JP2013143473A - 光学部品、それを用いたレーザ光源装置、画像表示装置及びそれらの製造方法 - Google Patents

光学部品、それを用いたレーザ光源装置、画像表示装置及びそれらの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】出力ミラーの破損を未然に防止し、出力ミラーの取付位置の調整を簡略化することができる光学部品、それを用いたレーザ光源装置、画像表示装置及びそれらの製造方法を提供すること。
【解決手段】緑色レーザ光源装置2の出力ミラー100は、ガラス基板からなる基部110と、基部110にドライエッチングにより形成された凸部120と、凸部120の外周の基部110にドライエッチングが進行して形成された溝130と、凸部120の凸面120aに形成された膜140と、を有する。また、出力ミラー100の作製工程は、ガラス基板101にレジスト102を塗布するレジスト工程と、レジスト塗布されたガラス基板101に対して、レジスト102を介して凸部120を形成するドライエッチングを行うドライエッチング工程と、を有する。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体レーザを用いた光学部品、それを用いたレーザ光源装置、画像表示装置及びそれらの製造方法に関し、例えば画像表示装置の光源に用いられる光学部品、それを用いたレーザ光源装置及びそれらの製造方法に関する。
近年、画像表示装置の光源に半導体レーザを用いる技術が注目されている。この半導体レーザは、従来から画像表示装置に多用されてきた水銀ランプに比較して、色再現性がよい点、瞬時点灯が可能である点、長寿命である点、高効率で消費電力を低減できる点、並びに小型化が容易である点など、種々の利点を有している。
このような画像表示装置では、光の3原色である赤、緑、青のレーザ光が必要とされる。しかしながら、緑色レーザ光を直接出力する半導体レーザに高出力のものがない。このため、画像表示装置に用いられるレーザ光源装置において、半導体レーザから励起用レーザ光を出力させ、この励起用レーザ光で固体レーザ素子を励起させて赤外レーザ光を出力させ、この赤外レーザ光の波長を「波長変換素子」で変換して緑色レーザ光を出力するようにした技術が知られている(例えば特許文献1参照)。
この緑色レーザ光源装置は、励起用レーザ光を出力する半導体レーザと、励起用レーザ光により励起されて基本レーザ光(赤外レーザ光)を出力する固体レーザ素子と、基本レーザ光の波長を変換して半波長レーザ光(緑色レーザ光)を出力する波長変換素子と、固体レーザ素子とともに共振器を構成する凹面ミラーと、を備えている。
特開2008−16833号公報
このような従来の緑色レーザ光源装置にあっては、レーザ光の光軸に対する凹面ミラーの取付位置に応じてレーザ光の出力が変化するため、出力が最大となる取付位置に凹面ミラーを配置することが望ましい。そこで、組み付け後に、出力を監視しながら凹面ミラーの取付位置を調整することができる構成が考えられる。
しかしながら、凹面ミラーは、構造上、鋭利な端部を有し、該端部を凹面ミラー支持部に当接して接点保持される。凹面ミラー支持部に対し凹面ミラーを移動して調整する工程で、端部に欠けが発生することがある。
また、凹面ミラーの反射によるレーザ出力の変化には特徴点がなく、凹面ミラーの位置ずれがあったとしてもどの方向にどの程度、調整すればよいか判定しずらいという課題がある。
以上は、調整工程の手間の増大を招き、コストアップにつながる原因となっている。
本発明の目的は、出力ミラーの破損を未然に防止し、出力ミラーの取付位置の調整を簡略化することができる光学部品、それを用いたレーザ光源装置、画像表示装置及びそれらの製造方法を提供することである。
本発明の光学部品は、ガラス基板からなる基部と、前記基部にドライエッチングにより形成された凸部と、前記凸部の外周の前記基部にドライエッチングが進行して形成された溝と、を備える構成を採る。
本発明のレーザ光源装置は、励起用レーザ光を出力する半導体レーザと、励起用レーザ光により励起されて基本レーザ光を出力する固体レーザ素子と、前記固体レーザ素子とともに共振器を構成する出力ミラーと、を備え、前記出力ミラーは、上記光学部品が有する前記凸部の凸面に膜が形成された、構成を採る。
本発明の画像表示装置は、上記レーザ光源装置を備える構成を採る。
本発明の画像表示装置は、複数の光源と、前記光源からの出力光を平行ビームに変換するコリメータレンズと、前記平行ビームを同一の光路へと導くリレー光学系と、前記リレー光学系からの出力光を変調する空間光変調器と、前記空間光変調器により変調された光を外部へと投射する投射光学系と、前記光源、コリメータレンズ、リレー光学系、空間光変調器及び投射光学系を支持する筐体と、を備え、前記コリメータレンズは、上記光学部品により構成された構成を採る。
本発明の光学部品の製造方法は、ガラス基板にレジストを塗布するレジスト工程と、レジスト塗布されたガラス基板に対して、前記レジストを介して凸部を形成するドライエッチングを行うドライエッチング工程と、を有する。
本発明のレーザ光源装置の製造方法は、励起用レーザ光を出力する半導体レーザと、励起用レーザ光により励起されて基本レーザ光を出力する固体レーザ素子と、前記基本レーザ光の波長を変換して半波長レーザ光を出力する波長変換素子と、前記固体レーザ素子ともに共振器を構成する出力ミラーと、少なくとも前記出力ミラーを保持する基台と、を備えるレーザ光源装置の製造方法であって、前記出力ミラーは、凸部と、前記凸部の外周に形成された溝と、前記凸部の凸面に形成された膜と、を有し、前記出力ミラーの前記基台への取付工程は、前記基台に前記出力ミラーを設置する工程と、前記出力ミラーの設置位置に対する前記半波長レーザ光のレーザ出力を測定する工程と、前記半波長レーザ光が前記溝に入射したときの前記レーザ出力の測定結果に基づいて、前記出力ミラーの取付位置決めする取付工程と、を有する。
本発明の画像表示装置の製造方法は、複数の光源と、前記光源からの出力光を平行ビームに変換するコリメータレンズと、前記平行ビームを同一の光路へと導くリレー光学系と、前記リレー光学系からの出力光を変調する空間光変調器と、前記空間光変調器により変調された光を外部へと投射する投射光学系と、前記光源、コリメータレンズ、リレー光学系、空間光変調器及び投射光学系を支持する筐体と、を備える画像表示装置の製造方法であって、前記コリメータレンズは、凸部と、前記凸部の外周に形成された溝と、前記凸部の凸面に形成された膜と、を有し、前記光源の前記筐体への取付工程は、前記筐体に前記光源を設置する工程と、前記光源の設置位置に対する光出力を測定する工程と、前記光源からの光が前記溝に入射したときの前記光出力の測定結果に基づいて、前記光源の取付位置決めする取付工程と、を有する。
本発明によれば、出力ミラーの破損を未然に防止することができ、出力ミラーの取付位置の調整を格段に簡略化することができる。その結果、調整工程の手間を大幅に低減することができ、コスト低減を図ることができる。
本発明の実施の形態1に係るレーザ光源装置を備える画像表示装置の概略図 上記実施の形態1に係るレーザ光源装置の出力ミラーの斜視図 上記実施の形態1に係るレーザ光源装置におけるレーザ光の状況を示す模式図 上記実施の形態1に係るレーザ光源装置の斜視図 上記実施の形態1に係るレーザ光源装置の出力ミラーの製造方法を模式的に示す工程図 上記実施の形態1に係るレーザ光源装置の出力ミラーのドライエッチング工程を説明する図 上記実施の形態1に係るレーザ光源装置の出力ミラーの取付位置を説明する図 従来の出力ミラーである凹面ミラーの支持部への取付を説明する図 上記実施の形態1に係るレーザ光源装置の出力ミラー位置とレーザ出力との関係を示す図 上記実施の形態1に係るレーザ光源装置の出力ミラー平行度とレーザ出力との関係を示す図 本発明の実施の形態2に係るレーザ光源装置の出力ミラーの斜視図 上記実施の形態2に係るレーザ光源装置の出力ミラーの断面図 上記実施の形態2に係るレーザ光源装置の出力ミラーを用いた緑色レーザ光源装置の動作を説明する模式図 本発明の実施の形態3に係るレーザ光源装置を備える本画像表示装置をノート型の情報処理装置に内蔵した例を示す斜視図
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るレーザ光源装置を備える画像表示装置の概略図である。
図1に示すように、画像表示装置1は、所要の画像をスクリーンに投影表示する。画像表示装置1は、緑色レーザ光を出力する緑色レーザ光源装置2と、赤色レーザ光を出力する赤色レーザ光源装置3と、青色レーザ光を出力する青色レーザ光源装置4と、映像信号に応じて各レーザ光源装置2〜4からのレーザ光の変調を行う液晶反射型の空間光変調器5と、各レーザ光源装置2〜4からのレーザ光を反射させて空間光変調器5に照射させるとともに空間光変調器5から出射された変調レーザ光を透過させる偏光ビームスプリッタ6と、各レーザ光源装置2〜4から出射されるレーザ光を偏光ビームスプリッタ6に導くリレー光学系7と、偏光ビームスプリッタ6を透過した変調レーザ光をスクリーンに投射する投射光学系8と、を備える。
画像表示装置1は、いわゆるフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を表示する。画像表示装置1は、各レーザ光源装置2〜4から各色のレーザ光が時分割で順次出力され、各色のレーザ光による画像が視覚の残像効果によってカラー画像として認識される。
リレー光学系7は、各レーザ光源装置2〜4から出射される各色のレーザ光を平行ビームに変換するコリメータレンズ11〜13と、コリメータレンズ11〜13を通過した各色のレーザ光を所要の方向に導く第1及び第2のダイクロイックミラー14,15と、ダイクロイックミラー14,15により導かれたレーザ光を拡散させる拡散板16と、拡散板16を通過したレーザ光を収束レーザに変換するフィールドレンズ17と、を備える。
投射光学系8からスクリーンSに向けてレーザ光が出射される側を前側とすると、青色レーザ光源装置4から青色レーザ光が後方に向けて出射され、この青色レーザ光の光軸に対して緑色レーザ光の光軸及び赤色レーザ光の光軸が互いに直交するように、緑色レーザ光源装置2及び赤色レーザ光源装置3から緑色レーザ光及び赤色レーザ光が出射され、この青色レーザ光、赤色レーザ光、及び緑色レーザ光が、2つのダイクロイックミラー14,15で同一の光路に導かれる。すなわち、青色レーザ光と緑色レーザ光が第1のダイクロイックミラー14で同一の光路に導かれ、青色レーザ光及び緑色レーザ光と赤色レーザ光が第2のダイクロイックミラー15で同一の光路に導かれる。
第1及び第2のダイクロイックミラー14,15は、表面に所定の波長のレーザ光を透過及び反射させるための膜が形成されている。第1のダイクロイックミラー14は、青色レーザ光を透過するとともに緑色レーザ光を反射させる。第2のダイクロイックミラー15は、赤色レーザ光を透過するとともに青色レーザ光及び緑色レーザ光を反射させる。
これらの各光学部材は、筐体21に支持されている。筐体21は、各レーザ光源装置2〜4で発生した熱を放熱する放熱体として機能し、アルミニウムや銅などの熱伝導性の高い材料で形成されている。
緑色レーザ光源装置2は、側方に向けて突出した状態で筐体21に形成された取付部22に取り付けられている。取付部22は、リレー光学系7の収容スペースの前方と側方にそれぞれ位置する前壁部23と側壁部24とが交わる角部から側壁部24に直交する向きに突出した状態で設けられている。赤色レーザ光源装置3は、ホルダ25に保持された状態で側壁部24の外面側に取り付けられている。青色レーザ光源装置4は、ホルダ26に保持された状態で前壁部23の外面側に取り付けられている。
赤色レーザ光源装置3及び青色レーザ光源装置4は、いわゆるCANパッケージで構成され、レーザ光を出力するレーザチップが、ステムに支持された状態で缶状の外装部の中心軸上に光軸が位置するように配置されたものであり、外装部の開口に設けられたガラス窓からレーザ光が出射される。赤色レーザ光源装置3及び青色レーザ光源装置4は、ホルダ25,26に開設された取付孔27,28に圧入するなどしてホルダ25,26に対して固定される。青色レーザ光源装置4及び赤色レーザ光源装置3のレーザチップの発熱は、ホルダ25,26を介して筐体21に伝達されて放熱され、各ホルダ25,26は、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料で形成されている。
緑色レーザ光源装置2は、励起用レーザ光を出力する半導体レーザ31と、半導体レーザ31から出力された励起用レーザ光を集光する集光レンズであるFAC(Fast-Axis Collimator)レンズ32及びロッドレンズ33と、励起用レーザ光により励起されて基本レーザ光(赤外レーザ光)を出力する固体レーザ素子34と、基本レーザ光の波長を変換して半波長レーザ光(緑色レーザ光)を出力する波長変換素子(光学素子)35と、固体レーザ素子34とともに共振器を構成する出力ミラー100と、励起用レーザ光及び基本波長レーザ光の漏洩を阻止するガラスカバー37と、各部を支持する基台38と、各部を覆うカバー体39と、を備えている。カバー体39は、突起39aを有し、突起39aを介して出力ミラー100が載置される。
緑色レーザ光源装置2は、基台38を筐体21の取付部22に取り付けて固定され、緑色レーザ光源装置2と筐体21の側壁部24との間に所要の幅(例えば0.5mm以下)の間隙が形成される。これにより、緑色レーザ光源装置2の熱が赤色レーザ光源装置3に伝わりにくくなり、赤色レーザ光源装置3の昇温を抑制して、温度特性の悪い赤色レーザ光源装置3を安定的に動作させることができる。また、赤色レーザ光源装置3の所要の光軸調整代(例えば0.3mm程度)を確保するため、緑色レーザ光源装置2と赤色レーザ光源装置3との間に所要の幅(例えば0.3mm以上)の間隙が設けられている。
図2は、出力ミラー100の斜視図である。
図2に示すように、出力ミラー100は、凸レンズミラーである。
出力ミラー100は、ガラス基板からなる基部110と、基部110にドライエッチングにより形成された円形の凸部120と、凸部120の外周の基部110にドライエッチングが進行して形成された溝130と、凸部120の凸面120aに形成された膜140と、からなる。
凸部120は、実際には肉眼では判別できない程度の凸形状である。
溝130は、エッチング条件及びレジストの曲率半径によって深さ及び幅が異なる。例えば、溝130は、深さで1μm以下、幅で数十μm以下程度である。
膜140は、波長1064nmの基本波長レーザ光に対する高反射と、波長532nmの半波長レーザ光に対する反射防止の機能を有する。
出力ミラー100は、波長変換素子35(図1参照)に対向する側と反対側に凸部120が配置されるように設置される。これにより、固体レーザ素子34の膜42(図3参照)と出力ミラー100の凸面120aに形成された膜140との間で、波長1064nmの基本波長レーザ光が共振して増幅される。出力ミラー100の製造方法の詳細については、図5及び図6により後述する。
図3は、緑色レーザ光源装置2におけるレーザ光の状況を示す模式図である。
図3に示すように、半導体レーザ31のレーザチップ41は、波長808nmの励起用レーザ光を出力する。FACレンズ32は、レーザ光のファースト軸(光軸方向に対して直交し且つ図の紙面に沿う方向)の拡がりを低減する。ロッドレンズ33は、レーザ光のスロー軸(図の紙面に対して直交する方向)の拡がりを低減する。
固体レーザ素子34は、いわゆる固体レーザ結晶であり、ロッドレンズ33を通過した波長808nmの励起用レーザ光により励起されて波長1064nmの基本波長レーザ光(赤外レーザ光)を出力する。この固体レーザ素子34は、Y(イットリウム)VO4(バナデート)からなる無機光学活性物質(結晶)にNd(ネオジウム)をドーピングしたものであり、より具体的には、母材であるYVO4のYに蛍光を発する元素であるNd+3に置換してドーピングしたものである。
固体レーザ素子34におけるロッドレンズ33に対向する側には、波長808nmの励起用レーザ光に対する反射防止と、波長1064nmの基本波長レーザ光及び波長532nmの半波長レーザ光に対する高反射の機能を有する膜42が形成されている。固体レーザ素子34における波長変換素子35に対向する側には、波長1064nmの基本波長レーザ光及び波長532nmの半波長レーザ光に対する反射防止の機能を有する膜43が形成されている。
波長変換素子35は、略直方体の形状を有し、いわゆるSHG(Second Harmonics Generation)素子である。波長変換素子35は、固体レーザ素子34から出力される波長1064nmの基本波長レーザ光(赤外レーザ光)の波長を変換して波長532nmの半波長レーザ光(緑色レーザ光)を生成する。
波長変換素子35における固体レーザ素子34に対向する側には、波長1064nmの基本波長レーザ光に対する反射防止と、波長532nmの半波長レーザ光に対する高反射の機能を有する膜44が形成されている。波長変換素子35における出力ミラー100に対向する側には、波長1064nmの基本波長レーザ光及び波長532nmの半波長レーザ光に対する反射防止の機能を有する膜45が形成されている。
出力ミラー100は、波長変換素子35に対向する側と反対側に凸面120aを有し、この凸面120aには、波長1064nmの基本波長レーザ光に対する高反射と、波長532nmの半波長レーザ光に対する反射防止の機能を有する膜140が形成されている。これにより、固体レーザ素子34の膜42と出力ミラー100の膜140との間で、波長1064nmの基本波長レーザ光が共振して増幅される。
出力ミラー100は、凸形状でないフラットな裏側面を有し、この裏側面には波長1064nmと波長532nmに対する反射防止機能を有する膜が形成されている。
波長変換素子35では、固体レーザ素子34から入射した波長1064nmの基本波長レーザ光の一部が波長532nmの半波長レーザ光に変換され、変換されずに波長変換素子35を通過した波長1064nmの基本波長レーザ光は、出力ミラー100で反射されて波長変換素子35に再度入射し、波長532nmの半波長レーザ光に変換される。この波長532nmの半波長レーザ光は、波長変換素子35の膜44で反射されて波長変換素子35から出射される。
ここで、固体レーザ素子34から波長変換素子35に入射して波長変換素子35で波長変換されて波長変換素子35から出射されるレーザ光のビームB1と、出力ミラー100で一旦反射されて波長変換素子35に入射して膜44で反射されて波長変換素子35から出射されるレーザ光のビームB2とが互いに重なり合う状態では、波長532nmの半波長レーザ光と波長1064nmの基本波長レーザ光とが干渉を起こして出力が低下する。
そこでここでは、波長変換素子35を光軸方向に対して傾斜させて、入射面及び出射面での屈折作用により、レーザ光のビームB1、B2が互いに重なり合わないようにして、波長532nmの半波長レーザ光と波長1064nmの基本波長レーザ光との干渉を防ぐようにしており、これにより出力低下を避けることができる。
なお、図1に示したガラスカバー37には、波長808nmの励起用レーザ光及び波長1064nmの基本波長レーザ光が外部に漏洩することを防止するため、これらのレーザ光を透過しない膜が形成されている。
図4は、緑色レーザ光源装置2の斜視図である。
図4に示すように、半導体レーザ31、FACレンズ32、ロッドレンズ33、固体レーザ素子34、波長変換素子35(図示略)、及び出力ミラー100は、基台38に一体的に支持されている。基台38の底面51は光軸方向に対して平行となる。なおここでは、基台38の底面51に対して直交する方向を高さ方向とし、この高さ方向及び光軸方向に対して直交する方向を幅方向とする。また、基台38の底面51に近接する側を下、底面51と相反する側を上として説明するが、これは実際の装置の上下方向と必ずしも一致するものではない。
半導体レーザ31は、レーザ光を出力するレーザチップ41をマウント部材52に実装したものである。レーザチップ41は、光軸方向に長い帯板状をなし、光出射面をFACレンズ32側に向けた状態で、板状をなすマウント部材52の一面の幅方向の略中心位置に固着されている。この半導体レーザ31は、取付部材53を介して基台38に固定される。この取付部材53は、銅あるいはアルミ等の熱伝導性の高い金属で形成されており、これによりレーザチップ41の発熱が基台38に伝達されて放熱することができる。
FACレンズ32及びロッドレンズ33は、集光レンズホルダ54に保持される。この集光レンズホルダ54は、基台38に一体的に形成された支持部55に支持される。集光レンズホルダ54は、光軸方向に移動可能に支持部55に連結されており、これにより集光レンズホルダ54、すなわちFACレンズ32及びロッドレンズ33の位置が、光軸方向に調整される。FACレンズ32及びロッドレンズ33は位置調整作業の前に集光レンズホルダ54に接着剤で固定され、位置調整作業の後に、集光レンズホルダ54と支持部55とが接着剤で互いに固定される。
固体レーザ素子34は、基台38に一体的に形成された固体レーザ素子支持部56に支持される。
波長変換素子35(図示略)は、波長変換素子ホルダ58に保持される。波長変換素子ホルダ58は、波長変換素子35の幅方向の位置及び光軸方向に対する傾斜角度を調整することができるように、基台38に対して、幅方向に移動可能に、且つ光軸方向に対して略直交する軸周りに回動可能に設けられている。波長変換素子35は位置調整作業の前に波長変換素子ホルダ58に接着剤で固定され、位置調整作業の後に、波長変換素子ホルダ58と基台38とが接着剤で互いに固定される。
出力ミラー100は、基台38に一体的に形成された出力ミラー支持部61に支持される。
なお、前記の各部材、例えば波長変換素子ホルダ58と基台38との固定に用いる接着剤は、例えばUV硬化型接着剤が好適である。
図5は、出力ミラー100の製造方法を模式的に示す工程図である。
ステップS1:基板洗浄工程(図5(a)参照)
出力ミラー100の基板となるガラス基板101を洗浄する。基板洗浄は、例えば超音波洗浄、手拭洗浄である。
ステップS2:表面処理工程(図5(b)参照)
洗浄後のガラス基板101表面に対して、酸素プラズマ処理、オゾン処理による表面処理を施す。表面処理は、レジスト塗布の密着性を向上させる前処理工程である。
ステップS3:レジスト膜厚制御工程(図5(c)参照)
具体的には、レジスト膜厚制御は、ディスペンサーによるレジスト102の塗布である。本実施の形態では、レジスト102にAZエレクトロニックマテリアルズ(株)製AZ−6112を使用し、ディスペンサーにより塗布する。
ステップS4:プリベーク工程(図5(d)参照)
レジスト102塗布されたガラス基板101に対して、70℃〜90℃程度の温度でプリベークする。本実施の形態では、80℃でプリベーク(pre-bake)する。プリベークは、被処理基板であるガラス基板101に塗布されたレジスト膜中に残留する溶媒を蒸発させ、レジスト膜と基板の密着性を強化する。プリベークは、レジスト材料が反応しない比較的低い温度で行う。
ステップS5:ポストベーク工程(図5(e)参照)
プリベークされたレジスト102及びガラス基板101に対して、100℃〜150℃程度の温度でプリベークする。本実施の形態では、150℃でポストベーク(post-bake)する。ポストベークは、レジスト膜パターンの硬化や基板との密着性をより強化する。ポストベークは、レジスト耐熱性温度で行う熱処理である。
ステップS6:レジスト形状確認工程(図5(f)参照)
ポストベーク後のレジスト102の形状を確認する。本実施の形態では、この時点でのレジスト形状は、直径:1.5〜4mm、膜厚:40〜70μm、R:5〜15mmである。レジスト形状確認の結果、レジスト102が所定範囲であれば、ドライエッチング工程(図5(h)参照)に進み、所定範囲外であれば、レジスト膜厚制御工程(図5(g)参照)に進む。
ステップS7:レジスト膜厚制御工程(図5(g)参照)
ドライエッチングによるレジスト形状が所定範囲に収まるようにレジスト膜厚を制御する。具体的には、酸素プラズマ処理などのドライエッチングにより、レジストのみをエッチングして膜厚を制御する。本実施の形態では、この時点でのレジスト形状は、直径:2mm、膜厚:12μm、R:40mmである。
ステップS8:ドライエッチング工程(図5(h)参照)
RIEやICPなどのドライエッチング装置を用いて、基板のエッチングを行う。このドライエッチングによってレジスト102及びガラス基板101が共に削れるが、レジスト102がガラス基板101に対してマスクとして働くことで、ガラス基板101に凸面形状が形成される。
ドライエッチング後、ガラス基板101には、凸部120とその周囲に溝130が形成される。凸部120と溝130とは、レジスト間隔に沿ってアレイ状に複数形成される。その後、ガラス基板101表面(凸部120の凸面120a)にレーザ用の膜140を形成し、切断して出力ミラー100を完成させる。
図6は、上記出力ミラー100のドライエッチング工程を説明する図である。
図6(a)は、ドライエッチング前のレジスト102及びガラス基板101を示している。図6(b)に示すように、ドライエッチング途中では、主にレジスト102が削れていく。例えば、アルゴンによるドライエッチングの場合には、レジスト102とガラス基板101が削れていく。酸素によるドライエッチングの場合には、レジスト102のみが削れ、ガラス基板101は削れない。酸素によるドライエッチングは、大きな曲率の凸部を有する出力ミラーを形成する場合に有効である。
図6(b)矢印に示すように、アルゴンによるドライエッチングの場合、レジスト102に当たったアルゴンのプラズマがレジスト102の表面に沿ってレジスト102の周辺部に集中し、溝130を形成する。また、形状効果によって、エッジ部にプラズマが集中することでレジスト102の端部のエッチングレートが高くなり溝130を形成する。
図6(c)矢印に示すように、レジスト102が全て削れた段階で、ドライエッチング完了となる。上述したように、ガラス基板101表面(凸部120の凸面120a)に膜140を形成し、切断して出力ミラー100を完成させる。
完成した出力ミラー100は、ガラス基板101からなる基部110と、基部110にドライエッチングにより形成された円形の凸部120と、凸部120の外周の基部110にドライエッチングが進行して形成された溝130と、凸部120の凸面120aに形成された膜140と、からなる。特に、図6(c)に示すように、レジスト102が全て削れたドライエッチング完了段階で、凸部120の周囲に溝130が形成されることが特徴である。上記溝130は、エッチング条件又はレジストの曲率半径により深さ及び幅が異なり、例えば深さで1μm以下、幅で数十μm以下である。
また、出力ミラー100の凸形状でないフラットな裏側面には波長1064nmと波長532nmに対する反射防止機能を有する膜が形成される。
図7は、出力ミラー100の取付位置を説明する図である。図7(a)は、出力ミラー100が出力ミラー支持部61(図4参照)に適正に取り付けられた場合を示し、図7(b)(c)は、出力ミラー100が出力ミラー支持部61にずれて取り付けられた場合を示す。図中、破線は波長1064nmの基本波長レーザ光を示している。
図7(a)に示すように、出力ミラー100は、出力ミラー支持部61(図4参照)に適正に取付・支持される。この場合、入射した基本波長レーザ光は、出力ミラー100の光軸中心を通り、凸部120の凸面120aに形成されたレーザ用の膜140で反射する。
しかし取付誤差などにより、図7(b)(c)に示すように、出力ミラー100が出力ミラー支持部61に対しずれて取り付けられる場合がある。出力ミラー100が出力ミラー支持部61にずれて取り付けられた場合、入射した基本波長レーザ光は、出力ミラー100の光軸中心からずれた位置を通る。このため、入射した基本波長レーザ光の一部については、前記レーザ用の膜140によって適正方向に反射されない。図7(b)(c)に示すように、入射した基本波長レーザ光が出力ミラー100の凸部120の端部を超える程、出力ミラー100の取付が著しくずれている場合、凸部120の端部を超える入射光は、反射されない。このように、出力ミラー100がずれて取り付けられた場合、半導体レーザ31の出力効率は著しく劣化する。上記ずれの程度が所定範囲以上の場合には、検査工程で不良品として除外される。
本実施の形態では、出力ミラー100は、凸部120の周囲に溝130を有することで、図7及び図9で後述するように、出力ミラー100を、出力ミラー支持部61(図4参照)の適正位置に容易に取り付けることができる。
ところで、従来の出力ミラーは、出力ミラー支持部への取付が、それほど容易ではなかった。
以下、従来の凹面ミラーの支持部への取付・位置決めが困難な理由、及び本実施の形態の出力ミラー100の出力ミラー支持部61(図4参照)への取付・位置決めが容易なことについて説明する。
図8は、従来の出力ミラーである凹面ミラーの支持部への取付を説明する図である。図8(a)は、凹面ミラーと支持部を拡大して示す断面図、図8(b)は、図8(a)の要部拡大図である。
図8(a)に示すように、従来例では、共振器を構成する凹面ミラー511は、ベースメッキされた凹面ミラー支持部510に位置決めして取り付けられる。凹面ミラー511は、両端部511aが凹面ミラー支持部510に当接して接点保持される。また、凹面ミラー511は、凹面ミラー支持部510の軸心に取り付けなければならない。凹面ミラー511を、凹面ミラー支持部510の軸心に取り付けるためには、半導体レーザの組立て後、レーザ出力をモニタし、モニタ結果を基に、凹面ミラー支持部510に対し凹面ミラー511を移動させる。
(1)ところが、凹面ミラー511の反射によるレーザ出力の変化には特徴点がなく、凹面ミラー511の位置ずれがあったとしてもどの方向にどの程度、調整すればよいか判定しずらいという課題がある。すなわち、凹面ミラーの構造上、凹面ミラー511が少しずれていてもそれなりの反射はあり、反射効率の変化は緩慢であるので、調整の見極めが難しい。調整が不十分であると、半導体レーザの効率が低下してしまう。
(2)凹面ミラー511は、ベースメッキされた凹面ミラー支持部510に接点保持されている。図8(b)に示すように、凹面ミラー511の構造上、接点保持される凹面ミラー511の両端部511aは、鋭角である。このため、図8(b)矢印に示すように、凹面ミラー支持部510に対し凹面ミラー511を移動して調整する工程で、端部511aに欠けが発生することがある。また、凹面ミラー支持部510のメッキ表面が剥がれることがある。欠け等が発生した場合、平行度にずれが生じることになる。また、破損片などがカバー体内部に混入することが考えられる。
(3)上記(1)(2)は、調整工程の手間の増大を招き、コストアップにつながる。
図9は、出力ミラー位置とレーザ出力との関係を示す図である。縦軸に緑色光出力(W)、横軸に出力ミラー移動量y(mm)をとる。
前記図3及び図7に示すように、出力ミラー100は、凸部120の周囲に溝130が形成されている。
出力ミラー100を、図7(a)の位置から図7(b)又は図7(c)の位置に移動させることで、図9に示す特性図を得る。図9破線で囲んだ部分は、基本波長レーザ光が、溝130に入射したときのレーザ出力を示す。特に、レーザ光が溝130の中心部に入射したときのレーザ出力は、鋭い楔型の変曲点となる。出力ミラー100が、図7(b)(c)の状態にある場合である。
また、図9矢印は、ビーム径の大きさにより、溝130の中心よりも外側のレンズ周辺部がビーム内に入ってきたときの出力にばらつきが生じることを示している。ビーム径が小さい程、光出力は低下する。このように、溝130が励起赤外光ビームの領域内に入ることにより、レーザ出力は、特徴的に変化し、変曲点となって現れる。この変曲点を検出することで、出力ミラー100の移動方向と移動量を知ることができる。すなわち、この変曲点を検出することにより、光軸の調整者は、光源装置2〜4の光軸がその調整範囲から大きく逸脱したことを認識でき、すぐさまその逆方向へと調整し直すことができる。このように、出力ミラー100の移動方向と移動量が明確になるので、出力ミラー100の取付位置調整は非常に容易となる。
図10は、出力ミラー平行度とレーザ出力との関係を示す図である。縦軸に緑色光出力(mW)、横軸に出力ミラー平行度(deg)をとる。図中、破線は90%以上の出力を得るために、平行度が0.03(deg)以下でないと不可であることを例示している。
図10に示すように、出力ミラー平行度が0.03(deg)以下でないと90%以上の出力を得ることができない。上述したように、出力ミラー100が、図7(b)(c)の状態にある場合、レーザ光が溝130の中心部に入射したときのレーザ出力は、鋭い楔型の変曲点となる。
本実施の形態では、出力ミラー100は、凸部120の周囲に溝130を有することで、レーザ光が溝130の中心部に入射したときのレーザ出力の変曲点から出力ミラー100の取付位置を判定することができる。そして、出力ミラー100の取付位置を調整することで、出力ミラー平行度を所定範囲に保つことができる。
以上詳細に説明したように、本実施の形態の緑色レーザ光源装置2は、励起用レーザ光を出力する半導体レーザ31と、励起用レーザ光により励起されて基本レーザ光(赤外レーザ光)を出力する固体レーザ素子34と、固体レーザ素子から出力される赤外レーザ光の波長を変換して緑色レーザ光を出力する波長変換素子35と、固体レーザ素子34とともに共振器を構成する出力ミラー100と、を備える。出力ミラー100は、ガラス基板からなる基部110と、基部110にドライエッチングにより形成された凸部120と、凸部120の外周の基部110にドライエッチングが進行して形成された溝130と、凸部120の凸面120aに形成された膜140と、を有する。
また、出力ミラー100の作製工程は、ガラス基板101にレジスト102を塗布するレジスト工程と、レジスト塗布されたガラス基板101に対して、レジスト102を介して凸部120を形成するドライエッチングを行うドライエッチング工程と、を有する。
さらに、出力ミラー100の取付工程は、基台38に出力ミラー100を設置する工程と、設置された出力ミラー100位置に対するレーザ出力を測定する工程と、レーザ光が溝130に入射したときのレーザ出力の測定結果に基づいて、出力ミラー100の取付位置決めする取付工程と、を有する。
本実施の形態では、出力ミラー100は、凸レンズミラーであることで、従来の凹面ミラーのような鋭利な端部による接点保持がなく、取り付けの際の出力ミラーの破損を未然に防止することができる。
また、本実施の形態では、出力ミラー100は、凸部120の周囲に溝130を有することで、凹面ミラーの位置ずれを容易に判定することができ、出力ミラーの取付位置の調整を格段に簡略化することができる。その結果、調整工程の手間を大幅に低減することができ、コスト低減を図ることができる。
また、本実施の形態では、凸部120及び溝130を有する出力ミラー100の作製も非常に容易である。すなわち、基本的には、ガラス基板101にレジスト102を塗布し、レジスト102を介してドライエッチングを行うことで、凸部120及び溝130を形成することができる。複雑なフォトリソグラフィー技術を使用することなく、表面張力を利用した塗布するだけの簡単な技法を用いてレジストに凸面形状を付与し、その効果を利用したレジスト102を介してドライエッチングを行うことで、凸部120を形成する技術は、本発明者らがはじめて見出したものである。しかも、溝130形成のために新たな工程は不要である。さらに、従来の凹面ミラーでは、研磨工程を必要とし、このため部品単価を下げるのは困難であった。本出力ミラー100の製造方法は、上記作製容易の相乗効果で、製造コスト低減を図ることができる。
(実施の形態2)
図11は、本発明の実施の形態2に係るレーザ光源装置の出力ミラーの斜視図である。図12は、上記出力ミラーの断面図である。図2と同一構成部分には、同一番号を付して重複箇所の説明を省略する。
図11及び図12に示すように、出力ミラー200は、多重曲率半径を有する凸レンズミラーである。
出力ミラー200は、前記図3の緑色レーザ光源装置2の出力ミラー100に代えて使用可能である。
出力ミラー200は、ガラス基板からなる基部110と、基部110にドライエッチングにより形成された多重曲率半径を有する円形の凸部220と、凸部220の外周の基部110にドライエッチングが進行して形成された溝130と、凸部220の凸面221a及び凸面222aに形成された膜140と、からなる。また、出力ミラー100の凸形状でないフラットな裏側面には波長1064nmと波長532nmに対する反射防止機能を有する膜が形成される。
溝130は、エッチング条件及びレジストの曲率半径によって深さ及び幅が異なる。例えば、溝130は、深さで1μm以下、幅で数十μm以下程度である。
膜140は、波長1064nmの基本波長レーザ光に対する高反射と、波長532nmの半波長レーザ光に対する反射防止の機能を有する。
凸部220は、前記出力ミラー100の凸部120と同様に、実際には肉眼では判別できない程度の凸形状である。
図12に示すように、凸部220は、光軸中心部分で曲率半径の大きい(曲率半径R1)領域を有する凸面221aと、凸面221aの外周にあって曲率半径の小さい(曲率半径R2 但しR1>R2)領域を有する凸面222aと、からなる。凸部220は、曲率半径R1の凸面221aと曲率半径R2の凸面222aとの境界において曲率が不連続となっている。
以下、上述のように構成された出力ミラー200の動作について説明する。
図13は、出力ミラー200を用いた緑色レーザ光源装置の動作を説明する模式図である。動作を説明する模式図であるため、説明の便宜上、図3の構成を簡略化して示している。
図13に示すように、緑色レーザ光源装置2は、励起用レーザ光を出力する半導体レーザ31と、レーザ媒質である固体レーザ素子34と、波長変換素子35と、出力ミラー200と、を備える。
出力ミラー200は、波長変換素子35に対向する側と反対側に凸部220が配置されるように設置される。これにより、固体レーザ素子34の膜34aと出力ミラー200の凸面221aに形成された膜140との間でレーザ共振器を形成し、波長1064nmの基本波長レーザ光が共振して増幅される。
一般に、励起を増やすと基本波ビームが大きくなる。基本波ビームが大きくなると、発振モードが乱れ、いろいろな状態でレーザ発振する。発振状態を安定させるには、基本波ビームが大きくなることを抑制する必要がある。
本実施の形態の出力ミラー200は、凸部220が、曲率半径R1の凸面221aと曲率半径R2の凸面222aを有し、その境界において曲率を不連続とする。この構成により、曲率半径R2の凸面222aに入射した基本波ビームを、波長変換素子35を外れる方向に反射させることで、基本波ビームの径の拡がりを抑制して、発振モードの乱れを抑制している。
より詳細に説明する。図12に示すように、曲率半径R1の凸面221a部分に入射した基本波ビームは、固体レーザ素子34(図13参照)の膜34aと曲率半径R1の凸面221aの凸面221aに形成された膜140との間で、基本波長レーザ光が共振して増幅される。一方、曲率半径R2の凸面222a部分に入射した基本波ビームは、波長変換素子35(図13参照)を外れる方向に反射する。このため、基本波ビームの径の拡がりが抑制され、ビームをシングルモード化することが可能となる。ビームをシングルモード化することで、回折限界の近くまで集光させることが可能なビームとすることができる。すなわち、シングルモード化する際に横モードの拡がりを抑える効果がある。
次に、出力ミラー200の製造方法について説明する。
本実施の形態の出力ミラー200は、凸部220が、曲率半径R1の凸面221aと曲率半径R2の凸面222aを有する。本発明者らは、このような多重曲率半径を有する凸レンズは、ドライエッチングプロセスの途中で、エッチング条件を変えることで容易に実現できることを見出した。
例えば、ドライエッチングのプラズマパワー又は使用ガスを使い分けることにより形成可能である。具体的には、まずアルゴンによる強力なドライエッチングを施して曲率半径R2の凸面222aを形成した後、それよりも弱いドライエッチング(すなわちプラズマパワー小さい、及び/又は非アルゴンによる使用ガス)を施すことにより曲率半径R1の凸面221aを形成する。
他の製造工程は、前記図5の製造方法と同様である。
本実施の形態によれば、出力ミラー200は、凸部220が、曲率半径R1の凸面221aと曲率半径R2の凸面222aを有するので、基本波ビームの径の拡がりを抑制することができ、ビームをシングルモード化して、回折限界の近くまで集光させることができる。
また、本実施の形態では、ドライエッチングプロセスの途中で、エッチング条件を変えることで、多重曲率半径を有する凸部220を容易に形成することができる。
(実施の形態3)
図14は、本発明の実施の形態3に係るレーザ光源装置を備える本画像表示装置をノート型の情報処理装置に内蔵した例を示す斜視図である。
図14に示すように、情報処理装置151の筐体152には、画像表示装置1が出没自在に格納される収容スペースが、キーボードの裏面側に形成されている。画像表示装置1は、不使用時には筐体152内に収容され、使用時には筐体152から引き出される。画像表示装置1は、使用時には、画像表示装置1を回動自在に支持するベース部153に対して所要の角度に回動させることで、画像表示装置1からのレーザ光をスクリーンに投射することができる。
(実施の形態4)
図2に示す凸面の出力ミラー100又は図11に示す出力ミラー200は、以上に述べた図1における緑色レーザ光源装置2の他に、同じく図1における各色レーザ光のコリメータレンズ11〜13にも適用することが可能である。この場合、各色レーザ光を出力する光源装置は、レーザ光源装置2〜4の代わりに、LED光源装置を用いてもよい。
なお、図1に示す画像表示装置1に搭載される光源装置がレーザ光源装置であってもLED光源装置であっても、光源装置2〜4の光軸調整は必要となる。そして、その光軸調整の際には、図9に示すものと同様の出力プロファイルを示す。すなわち、光源からの出力光が図2に示す凸面ミラーの溝130の中心部に入射したときの光出力は、鋭い楔型の変曲点となる。但しこの光軸調整は、実施の形態1に示す緑色レーザ光源装置2へ適用される場合のように、コリメータレンズ11〜13としての出力ミラー100又は200を移動させるのではなく、光源装置2〜4の方を移動させることにより行われる。
このように、例えば図2に示す出力ミラー100の溝130が光源装置2〜4の光ビームの領域内に入ることにより、光出力は、特徴的に変化し、変曲点となって現れる。この変曲点を検出することで、光源装置2〜4と、コリメータレンズ11〜13としての出力ミラー100との相対的な移動方向と移動量を知ることができる。すなわち、この変曲点を検出することにより、調整者は光源装置2〜4の光軸がその調整範囲から大きく逸脱したことを認識でき、すぐさまその逆方向へと調整し直すことができるので、光源装置2〜4の光軸調整は非常に容易となる。このことについては、図9に示す出力ミラー200をコリメータレンズ11〜13に適用した場合にも同様のことが言える。
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
上記各実施の形態では、光学部品、レーザ光源装置、画像表示装置及びレーザ光源装置の製造方法という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、レーザ光出力装置、半導体装置の製造方法等であってもよい。
また、上記各実施の形態では、緑色レーザ光源装置2のレーザチップ41、固体レーザ素子34、及び波長変換素子35がそれぞれ、波長808nmの励起用レーザ光、波長1064nmの基本波長レーザ光(赤外レーザ光)、及び波長532nmの半波長レーザ光(緑色レーザ光)を出力するものとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。最終的に緑色レーザ光源装置2から出力されるレーザ光が緑色と認識できるものであればよく、例えばピーク波長が500nm〜560nmの範囲となる波長領域のレーザ光を出力するようにするとよい。
また、本画像表示装置をノート型の情報処理装置に適用した例について説明したが、本レーザ光源装置を備えるものであれば、どのような電子機器に適用してもよい。
さらに、上記レーザ光源装置の製造方法を構成する各工程、例えばレジスト塗布工程・ドライエッチングのガス種類・条件などは前述した実施の形態に限られない。
本発明の光学部品、それを用いたレーザ光源装置、画像表示装置及びそれらの製造方法は、出力ミラーを簡単に作製でき、出力ミラーの取付位置の調整を簡略化して低コスト化を図ることができる効果を有し、画像表示装置の光源に用いられるレーザ光源装置などとして有用である。
1 画像表示装置
2 緑色レーザ光源装置(光源装置)
100,200 出力ミラー(レンズ)
101 ガラス基板
102 レジスト
110 基部
120,220 凸部
120a,221a,222a 凸面
130 溝
140 膜

Claims (13)

  1. ガラス基板からなる基部と、
    前記基部にドライエッチングにより形成された凸部と、
    前記凸部の外周の前記基部にドライエッチングが進行して形成された溝と、
    を備える光学部品。
  2. 励起用レーザ光を出力する半導体レーザと、
    励起用レーザ光により励起されて基本レーザ光を出力する固体レーザ素子と、
    前記固体レーザ素子とともに共振器を構成する出力ミラーと、を備え、
    前記出力ミラーは、請求項1記載の光学部品が有する前記凸部の凸面に膜が形成された、レーザ光源装置。
  3. 前記出力ミラーは、曲率半径の異なる前記凸部を有する、請求項2記載のレーザ光源装置。
  4. 前記凸部は、光軸中心部分で曲率半径R1の領域を有する第1凸面と、前記第1凸面の外周にあって曲率半径R2(但しR1>R2)領域を有する第2凸面と、からなる、請求項2記載のレーザ光源装置。
  5. 前記凸部は、前記第1凸面と前記第2凸面との境界において曲率が不連続である、請求項2記載のレーザ光源装置。
  6. 前記固体レーザ素子から出力される基本レーザ光の波長を変換して緑色レーザ光を出力する波長変換素子をさらに備える、請求項2記載のレーザ光源装置。
  7. 請求項2乃至6のいずれか一項に記載のレーザ光源装置を備える画像表示装置。
  8. 複数の光源と、
    前記光源からの出力光を平行ビームに変換するコリメータレンズと、
    前記平行ビームを同一の光路へと導くリレー光学系と、
    前記リレー光学系からの出力光を変調する空間光変調器と、
    前記空間光変調器により変調された光を外部へと投射する投射光学系と、
    前記光源、コリメータレンズ、リレー光学系、空間光変調器及び投射光学系を支持する筐体と、を備え、
    前記コリメータレンズは、請求項1記載の光学部品により構成された画像表示装置。
  9. ガラス基板にレジストを塗布するレジスト工程と、
    レジスト塗布されたガラス基板に対して、前記レジストを介して凸部を形成するドライエッチングを行うドライエッチング工程と、を有する、光学部品の製造方法。
  10. 前記ドライエッチング工程では、前記凸部の外周に溝を形成する、請求項9記載の光学部品の製造方法。
  11. 前記ドライエッチング工程では、前記ドライエッチング途中でエッチング条件を変え、多重曲率半径を有する凸部を形成する、請求項9記載の光学部品の製造方法。
  12. 励起用レーザ光を出力する半導体レーザと、
    励起用レーザ光により励起されて基本レーザ光を出力する固体レーザ素子と、
    前記基本レーザ光の波長を変換して半波長レーザ光を出力する波長変換素子と、
    前記固体レーザ素子ともに共振器を構成する出力ミラーと、
    少なくとも前記出力ミラーを保持する基台と、を備えるレーザ光源装置の製造方法であって、
    前記出力ミラーは、凸部と、前記凸部の外周に形成された溝と、前記凸部の凸面に形成された膜と、を有し、
    前記出力ミラーの前記基台への取付工程は、
    前記基台に前記出力ミラーを設置する工程と、
    前記出力ミラーの設置位置に対する前記半波長レーザ光のレーザ出力を測定する工程と、
    前記半波長レーザ光が前記溝に入射したときの前記レーザ出力の測定結果に基づいて、前記出力ミラーの取付位置決めする取付工程と、
    を有する、レーザ光源装置の製造方法。
  13. 複数の光源と、
    前記光源からの出力光を平行ビームに変換するコリメータレンズと、
    前記平行ビームを同一の光路へと導くリレー光学系と、
    前記リレー光学系からの出力光を変調する空間光変調器と、
    前記空間光変調器により変調された光を外部へと投射する投射光学系と、
    前記光源、コリメータレンズ、リレー光学系、空間光変調器及び投射光学系を支持する筐体と、を備える画像表示装置の製造方法であって、
    前記コリメータレンズは、凸部と、前記凸部の外周に形成された溝と、前記凸部の凸面に形成された膜と、を有し、
    前記光源の前記筐体への取付工程は、
    前記筐体に前記光源を設置する工程と、
    前記光源の設置位置に対する光出力を測定する工程と、
    前記光源からの光が前記溝に入射したときの前記光出力の測定結果に基づいて、前記光源の取付位置決めする取付工程と、
    を有する、画像表示装置の製造方法。
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