JP4416018B2

JP4416018B2 - 波長変換素子、光源装置、照明装置、モニタ装置及びプロジェクタ

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Publication number: JP4416018B2
Application number: JP2007195516A
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Inventors: 俊司上島
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Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2010-02-17
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Description

本発明は、波長変換素子、光源装置、照明装置、モニタ装置及びプロジェクタ、特に、レーザ光を射出する光源装置に用いられる波長変換素子の技術に関する。

近年、プロジェクタの光源装置としてレーザ光源を用いる技術が提案されている。レーザ光源は、高出力化及び多色化に伴い、プロジェクタの光源として開発されている。プロジェクタの光源として従来用いられているＵＨＰランプと比較すると、レーザ光源は、高い色再現性、瞬時点灯が可能、長寿命である等の利点がある。レーザ光源は、光源からの基本波光をそのままの波長で射出するものの他、基本波光の波長を変換して射出するものが知られている。基本波光の波長を変換する波長変換素子として、例えば第二高調波発生（Second−Harmonic Generation；ＳＨＧ）素子が知られている。ＳＨＧ素子を用いることで、容易に入手可能な汎用の光源を用いて、所望の波長かつ十分な光量のレーザ光を供給することが可能となる。高い効率で安定した光量の高調波光を得るための波長変換素子の技術は、例えば特許文献１に提案されている。特許文献１に提案される技術は、非線形光学結晶のうち光を入射させる側の面、及び光を射出する側の面にて温度差を設けるものである。

特開平６−２８９４４６号公報

ＳＨＧ素子は、温度変化によって屈折率分布が変化する場合、位相整合条件が崩れ、波長を変換する効率が低下することが知られている。非線形光学結晶に温度勾配を設ける場合、位相整合条件が崩れる部分が非線形光学結晶内に生じることとなる。位相整合条件が崩れる部分が生じると、波長変換素子全体としては波長変換効率が低下してしまう。このように、従来の技術によると、高い波長変換効率を得ることが困難であるという問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、高い波長変換効率を得ることが可能であり、かつ所定の位相整合温度に短時間で設定可能な波長変換素子、その波長変換素子を用いる光源装置、照明装置、モニタ装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る波長変換素子は、第１波長の光を入射させることにより、第１波長とは異なる波長である第２波長の光を射出する波長変換素子であって、分極方向を反転させた分極反転層が特定方向へ並列された分極反転結晶と、分極反転結晶の温度を調節する複数の温度調節素子と、を有し、分極反転層は、特定方向に略直交する第１面に略平行に形成され、複数の温度調節素子は、第１面に略直交する第２面に配置されることを特徴とする。

第２面に複数の温度調節素子を配置することで、分極反転構造を構成する各分極反転層及び各自発分極層について均等に温度調節することが可能である。複数の温度調節素子を適宜制御することで、分極反転結晶の温度の変動を抑制することも可能となる。分極反転結晶の設定温度に対する温度変化を低減させることで、高い波長変換効率を得ることが可能となる。これにより、高い波長変換効率を得ることが可能であり、かつ所定の位相整合温度に短時間で設定可能な波長変換素子を得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、第１温度調節素子と、第１温度調節素子の容量より大きい容量の第２温度調節素子と、を有することが望ましい。第１温度調節素子と第２温度調節素子を用いることで、分極反転結晶の設定温度と計測温度との偏差に応じた高精度な温度調節ができる。

また、本発明の好ましい態様としては、第１温度調節素子及び第２温度調節素子は、熱を供給することにより分極反転結晶の温度を設定温度にする調節を行い、第２温度調節素子は、設定温度及び分極反転結晶の温度の偏差が一定値以内である場合に、温度の調節を停止することが望ましい。これにより、短時間において分極反転結晶の温度を設定温度にまで上昇させ、かつ設定温度からの温度のぶれを抑制することができる。さらに、装置の立ち上げに必要な時間が短縮され、瞬時点灯が可能となる。

また、本発明の好ましい態様としては、第２温度調節素子は、第２面の略中央に配置されることが望ましい。これにより、分極反転結晶の温度を短時間で均一に上昇させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、分極反転結晶へ伝導させる熱を拡散させる熱拡散部を有することが望ましい。これにより、分極反転結晶の温度をさらに均一化できる。

また、本発明の好ましい態様としては、温度調節素子及び熱拡散部を接続する接続部と、熱拡散部に対して分極反転結晶の側とは反対側であって、接続部が設けられた部分以外の部分に設けられた絶縁層と、を有することが望ましい。これにより、温度調節素子に接続された配線同士の不要な導通を遮断させ、かつ温度調節素子からの熱を効率良く熱拡散部へ伝導することができる。また、絶縁層上に温度調節素子を直接実装可能とすることで、簡易な組み立てを可能にできる。

また、本発明の好ましい態様としては、温度調節素子に対して分極反転結晶の側とは反対側に設けられ、熱を放散させる放熱部を有することが望ましい。ヒートポンプとしての機能を持つペルチェ素子等を温度調節素子として用いる場合、放熱部を用いることで、分極反転結晶側への効率的な熱供給が可能となる。これにより、効率的な温度調節ができる。

また、本発明の好ましい態様としては、温度調節素子は、第２面と、第２面とは反対側の面である第３面に配置されることが望ましい。これにより、第２面及び第３面に直交する方向について、分極反転結晶の温度を均一化することができる。

さらに、本発明に係る光源装置は、第１波長の光を射出する光源部と、光源部からの第１波長の光を入射させることにより、第１波長とは異なる波長である第２波長の光を射出する波長変換素子と、を有し、波長変換素子は、上記の波長変換素子であることを特徴とする。上記の波長変換素子を用いることにより、高い効率で光源部からの光を波長変換できる。これにより、高い効率で安定した光量の光を射出することが可能な光源装置を得られる。

さらに、本発明に係る照明装置は、上記の光源装置を有し、光源装置からの光を用いて被照射物を照明することを特徴とする。上記の光源装置を用いることにより、高い効率で安定した光量の光を射出できる。これにより、高い効率で安定した光量の光を供給可能な照明装置を得られる。

さらに、本発明に係るモニタ装置は、上記の照明装置と、照明装置により照明された被写体を撮像する撮像部と、を有することを特徴とする。上記の照明装置を用いることで、高い効率で安定した光量の光を供給できる。これにより、安定して明るい像をモニタすることが可能なモニタ装置を得られる。

さらに、本発明に係るプロジェクタは、上記の光源装置を有し、光源装置からの光を用いて画像を表示することを特徴とする。上記の光源装置を用いることで、高い効率で安定した光量の光を射出できる。これにより、安定して明るい画像を表示可能なプロジェクタを得られる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置１０の概略構成を示す。光源装置１０は、半導体素子１１、ＳＨＧ素子１４、及び外部共振器１５を有する半導体レーザである。半導体素子１１は、第１波長の基本波光を射出する光源部であって、例えば、面発光型の半導体素子である。第１波長は、例えば１０６４ｎｍである。半導体素子１１は、第１波長の光を反射させるミラー層１２、及びミラー層１２に積層された活性層１３を有する。

ミラー層１２は、高屈折率の誘導体と低屈折率の誘導体の積層体によって構成されている。ミラー層１２の積層構造は、半導体素子１１により射出される基本波光の波長である第１波長に対して最適化され、基本波光が干渉し強め合う条件に設定されている。不図示の電流供給部から所定量の電流が供給されると、活性層１３は、第１波長の基本波光を射出する。

ＳＨＧ素子１４は、第１波長の基本波光を入射させることにより、第２波長の高調波光を射出する波長変換素子である。ＳＨＧ素子１４は、半導体素子１１及び外部共振器１５の間の光路中に設けられている。第２波長は、第１波長の半分の波長であって、例えば５３２ｎｍである。

外部共振器１５は、ミラー層１２との間において、半導体素子１１からの光を共振させる。外部共振器１５は、第１波長の光を選択的に反射し、第１波長とは異なる波長（第２波長を含む）の光を透過させる。外部共振器１５としては、例えば、ＶＨＧ（Volume Holographic Grating）を用いることができる。ＶＨＧは、ＬｉＮｂＯ_３、ＢＧＯ等のフォトリフラクティブ結晶、ポリマー等を用いて形成できる（例えば、Ondax, Inc. “Volume Holographic Grating (VHG)” インターネット＜URL: http://www.ondaxinc.com/PDFs/whitepaper-VHG.pdf＞参照）。

ＶＨＧには、二方向から入射させた入射光によって生じた干渉縞が記録されている。干渉縞は、高屈折率部分と低屈折率部分とが周期的に配列された周期構造として記録される。ＶＨＧは、かかる干渉縞とブラッグ条件が適合する光のみを、回折により選択的に反射させる。外部共振器１５は、直方体形状をなしている。外部共振器１５は、板状に形成された材料を切り分けることで得られる。外部共振器１５は、切り分け前の材料の厚みや、材料から切り出すサイズを適宜変更することで、所望の大きさとすることができる。

半導体素子１１の活性層１３から射出した基本波光は、ＳＨＧ素子１４へ入射する。ＳＨＧ素子１４で生じた高調波光は、外部共振器１５を透過し、光源装置１０の外部へ射出する。半導体素子１１側からＳＨＧ素子１４を透過した基本波光は、外部共振器１５で反射する。外部共振器１５で反射した基本波光は、ＳＨＧ素子１４へ入射する。外部共振器１５からＳＨＧ素子１４へ入射し、ＳＨＧ素子１４を透過した基本波光は、半導体素子１１へ入射する。半導体素子１１へ入射した基本波光は、ミラー層１２で反射した後、半導体素子１１からＳＨＧ素子１４へ向けて射出される。ミラー層１２及び外部共振器１５により反射された基本波光は、活性層１３から新たに射出される基本波光と共振して増幅される。

図２は、ＳＨＧ素子１４の断面構成を示す。ＳＨＧ素子１４は、分極反転結晶２０を有する。分極反転結晶２０は、例えば、非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）の分極反転結晶（Periodically Poled Lithium Niobate；ＰＰＬＮ）である。分極反転結晶２０は、自発分極層２１及び分極反転層２２を交互に並列させた分極反転構造を有する。自発分極層２１及び分極反転層２２は、光を透過させる特定方向であるＺ軸方向へ並列している。

図３は、分極反転結晶２０の分極反転構造について説明するものである。図示する自発分極層２１及び分極反転層２２は、模式的に表したものである。分極反転構造は、コヒーレント長ｌ_Ｃごとに非線形光学定数ｄの符号を反転させて構成されている。分極反転構造の形成には、自発分極を持つ非線形光学結晶へ電圧を印加する手法が多く用いられている。分極反転構造は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板上に絶縁層の微細なパターンを形成し、金属膜或いは電解液を介して電圧を印加することにより得ることができる。分極反転層２２は、分極反転結晶２０のうち非線形光学結晶の自発分極から分極方向を反転させた層状領域である。自発分極層２１は、分極反転結晶２０のうち非線形光学結晶の自発分極が残された層状領域である。自発分極層２１及び分極反転層２２は、Ｚ軸方向に略直交する第１面であるＸＹ平面に略平行に形成されている。

図４は、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４、サーミスタ２７の配置について説明するものである。メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４、及びサーミスタ２７は、分極反転結晶２０の上面Ｓ１に配置されている。上面Ｓ１は、第１面であるＸＹ平面に略直交する第２面であって、ＸＺ平面である。メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４は、分極反転結晶２０へ熱を供給することにより分極反転結晶２０の温度を調節する温度調節素子である。

第１温度調節素子であるメインヒータ２３ａ〜２３ｄは、いずれも略同等の容量を持つ。第２温度調節素子であるサブヒータ２４は、メインヒータ２３ａ〜２３ｄの容量より大きい容量を持つ。メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４としては、ペルチェ素子を用いることができる。上面Ｓ１にメインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４を配置することで、各自発分極層２１及び各分極反転層２２について均等に温度調節することが可能となる。

４つのメインヒータ２３ａ〜２３ｄは、矩形形状の上面Ｓ１の隅近傍にそれぞれ配置されている。サブヒータ２４は、上面Ｓ１の略中央に配置されている。メインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４を、それぞれ間隔を設けて上面Ｓ１に配置することで、分極反転結晶２０の温度を均一化することが可能となる。図２の断面構成に示すように、メインヒータ２３ａ、２３ｂ、及びサブヒータ２４は、接着層２５を介して上面Ｓ１に固定されている。図示を省略したメインヒータ２３ｃ、２３ｄも、接着層２５を介して上面Ｓ１に固定されている。

接着層２５は、熱伝導性接着剤を用いて構成されている。例えば、熱伝導性接着剤としては、アクリル系材料等の柔軟性材料に、熱伝導性のフィラー、例えば金属粒を添加したものを用いることができる。仮に、接着層２５に硬化性材料を用いると、硬化による材料の収縮から、接着界面に応力が生じる場合がある。かかる応力によって分極反転構造が歪むと、位相整合条件が崩れ、高い波長変換効率を得ることが難しくなる。このため、接着層２５には、柔軟性材料を用いることが望ましい。

サーミスタ２７は、分極反転結晶２０の温度を計測する温度計測部である。サーミスタ２７は、上面Ｓ１のうち２つのメインヒータ２３ａ、２３ｃの間に配置されている。なお、サーミスタ２７は、分極反転結晶２０の温度を計測可能であればいずれの位置に配置することとしても良い。メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４、及びサーミスタ２７に対して分極反転結晶２０の側とは反対側には、放熱板２６が設けられている。放熱板２６は、分極反転結晶２０と略同じ大きさの矩形形状をなしている。放熱板２６は、熱を放散させる放熱部として機能する。ペルチェ素子は、二種類の金属部材の接合部へ電流を供給することで、一方の金属部材から他方の金属部材へ熱を移動させる。メインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４は、分極反転結晶２０とは反対側に設けられた放熱板２６を用いた放熱により、分極反転結晶２０へ効率良く熱を供給することができる。

図５は、サーミスタ２７による計測結果に基づいて分極反転結晶２０の温度を調節するためのブロック構成を示す。サーミスタ２７は、温度の変化を抵抗値の変化として温度制御部２８へ出力する。温度制御部２８は、サーミスタ２７により計測された計測温度、及び所定の設定温度の偏差からメインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４へ供給する電力量を計算し、計算された電力量に応じた電力をメインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４へ供給する。分極反転結晶２０の温度が設定温度であるとき、位相整合条件が成立する。なお、サブヒータ２４は、メインヒータ２３ａ〜２３ｄとは別に駆動可能とする。各メインヒータ２３ａ〜２３ｄは、個別に駆動可能であっても良く、一括して駆動可能であっても良い。

図６は、分極反転結晶２０の温度を調節する手順を説明するフローチャートである。光源装置１０の電源をＯＮにすると、温度制御部２８は、ステップＳ１において、分極反転結晶２０について設定された設定温度を読み込む。また、ステップＳ２において、温度制御部２８は、サーミスタ２７により計測された計測温度を読み込む。そして、ステップＳ３において、温度制御部２８は、ステップＳ１において読み込まれた設定温度、及びステップＳ２において読み込まれた計測温度の偏差を計算する。

ステップＳ４において、温度制御部２８は、ステップＳ３において計算された偏差が一定値以内か否かを判断する。判断の基準となる一定値とは、設定温度と、設定温度以下の所定の閾値との偏差である。ステップＳ４において、偏差が一定値以内ではないと判断した場合、ステップＳ６において、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４の双方により温度調節を行う。偏差が一定値以内ではない場合とは、言い換えると、計測温度が閾値以下であった場合である。

ステップＳ４において、偏差が一定値以内であると判断された場合、ステップＳ５において、サブヒータ２４は駆動を停止し、メインヒータ２３ａ〜２３ｄのみにより温度調節を行う。偏差が一定値以内である場合とは、言い換えると、計測温度が閾値以上であった場合である。ステップＳ５の温度調節モードと、ステップＳ６の温度調節モードとは、サブヒータ２４のＯＮ／ＯＦＦにより、容易に切り換えることができる。

ステップＳ５の後、及びステップＳ６の後、温度制御部２８は、ステップＳ７において、光源装置１０の電源がＯＦＦにされたか否かを判断する。ステップＳ７において光源装置１０の電源がＯＦＦにされたと判断した場合、ステップＳ８において、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４はいずれも駆動を停止する。ステップＳ７において、光源装置１０の電源がＯＦＦにされていないと判断した場合、ステップＳ２に戻り、温度制御部２８は、計測温度を読み込む。

図７は、分極反転結晶２０の温度変化について説明するものである。図中縦軸は分極反転結晶２０の温度、横軸は時間を表している。本実施例による分極反転結晶２０の温度変化は、実線の曲線Ｃ１で表している。破線の曲線Ｃ２及び一点鎖線の曲線Ｃ３は、比較例の場合の温度変化を表している。ここでは、分極反転結晶２０の温度が室温Ｔ１から上昇し、設定温度Ｔ３で安定するまでの過程を説明する。

光源装置１０の電源をＯＮにする間、温度制御部２８は、サーミスタ２７により計測された分極反転結晶２０の温度を常時読み込む。分極反転結晶２０の温度が閾値Ｔ２以下である場合、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、及びサブヒータ２４は、分極反転結晶２０へ熱を供給する。メインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４による温度調節により、分極反転結晶２０の温度は、時間の経過とともに上昇する。メインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４を上面Ｓ１にて分散させることで、上面Ｓ１にて分極反転結晶２０の温度を均一化することができる。また、サブヒータ２４を上面Ｓ１の略中央に配置することで、大きい容量のサブヒータ２４からの熱を上面Ｓ１全体に伝え易くすることができる。

分極反転結晶２０の温度が閾値Ｔ２以上となった時点で、サブヒータ２４は、温度調節を停止する。大きい容量を持つサブヒータ２４を停止させ、小さい容量のメインヒータ２３ａ〜２３ｄによって熱を供給することで、分極反転結晶２０の温度上昇は徐々に緩やかになる。そして、メインヒータ２３ａ〜２３ｄの制御により、分極反転結晶２０の温度は、設定温度Ｔ３で安定する。このように、温度制御部２８は、サーミスタ２７による計測結果に基づいて、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４のフィードバック制御を行う。

メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４の制御には、例えば、出力値（計測温度）及び目標値（設定温度Ｔ３）の偏差、その積分、及び微分を要素として入力値（電力量）を制御するＰＩＤ制御を採用することができる。分極反転結晶２０の計測温度が閾値Ｔ２以下であるとき、温度制御部２８は、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４へ供給する電力量が計測温度及び設定温度Ｔ３の偏差に比例するように制御する比例制御（Ｐ）を行う。これにより、分極反転結晶２０の温度を短時間で設定温度Ｔ３にまで上昇させることができる。

分極反転結晶２０の計測温度が閾値Ｔ２以上となったとき、温度制御部２８は、サブヒータ２４への電力供給を停止させ、メインヒータ２３ａ〜２３ｄへの電力量を徐々に少なくする微分制御（Ｄ）を行う。これにより、設定温度Ｔ３から分極反転結晶２０の温度が上昇及び下降するハンチング（振動）を抑制することができる。計測温度が設定温度Ｔ３に到達したとき、温度制御部２８は、計測温度及び設定温度Ｔ３の偏差をなくすようにメインヒータ２３ａ〜２３ｄへの電力量を調整する積分制御（Ｉ）を行う。これにより、分極反転結晶２０の温度を設定温度Ｔ３で安定させることができる。閾値Ｔ２は、閾値Ｔ２にてメインヒータ２３ａ〜２３ｄのみの駆動とすることでハンチングを十分抑制可能な温度であって、適宜決定することができる。閾値Ｔ２は、設定温度Ｔ３にできるだけ近い温度とすることで、分極反転結晶２０の温度を設定温度Ｔ３とするまでの時間をできるだけ短くすることができる。

サブヒータ２４のみによって分極反転結晶２０へ熱を供給する場合、曲線Ｃ２で示すように、本実施例の場合と同様に短時間において、分極反転結晶２０の温度を設定温度Ｔ３にまで上昇させることが可能である。但し、大きい容量を持つサブヒータ２４は、計測温度及び設定温度Ｔ３の偏差をなくすような微調整が困難である。このため、分極反転結晶２０の温度は、設定温度Ｔ３に対して上昇及び下降をしばらく繰り返し、設定温度Ｔ３で安定するまでに長い時間を要することになる。

メインヒータ２３ａ〜２３ｄのみによって分極反転結晶２０へ熱を供給する場合、曲線Ｃ３で示すように、本実施例の場合と同様に、分極反転結晶２０の温度を設定温度Ｔ３まで上昇させた後、設定温度Ｔ３で安定させることができる。但し、小さい容量のメインヒータ２３ａ〜２３ｄは、室温Ｔ１から設定温度Ｔ３まで短時間において分極反転結晶２０の温度を上昇させることが困難である。分極反転結晶２０の温度は、設定温度Ｔ３となるまでに長時間を要することとなる。また、光源装置１０の稼動中に分極反転結晶２０の温度を変化させる要因が生じた場合、短時間のうちに分極反転結晶２０の温度を設定温度Ｔ３に戻すことも困難である。

本発明の光源装置１０は、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４を用いることで、分極反転結晶２０の温度を上昇させる時間の短縮化、及び分極反転結晶２０の設定温度Ｔ３での安定化を両立できる。分極反転結晶２０の温度を設定温度Ｔ３で略一定にできることで、ＳＨＧ素子１４は、高い効率で半導体素子１１からの基本波光を波長変換できる。従って、光源装置１０は、高い効率で安定した光量のレーザ光を射出できる。分極反転結晶２０の温度は、光源装置１０の立ち上げ時の他、光源装置１０の稼動中であっても、例えば、周辺温度の変化等により変化する場合がある。この場合も、計測温度及び設定温度Ｔ３の偏差に応じた同様の制御により、安定した光量のレーザ光を射出できる。これにより、高い効率で安定した光量の光を射出できるという効果を奏する。

光源装置１０は、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４のフィードフォワード制御を行うこととしても良い。フィードフォワード制御は、分極反転結晶２０の温度を変化させる要因、例えば、光源装置１０の周辺温度や半導体素子１１の出力の検出結果に基づいて行うことができる。かかる検出結果に対しても同様の制御を行うことにより、短時間で安定した光量が得られる。フィードフォワード制御を併用することで、分極反転結晶２０の温度変化に先回りしてメインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４を制御可能とし、さらに安定した光量のレーザ光を射出できる。光源装置１０は、サーミスタ２７による計測温度に基づいてメインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４を制御する場合に限られない。

図８は、分極反転結晶２０の温度を調節する他の手順を説明するフローチャートである。ここでは、光源装置１０の電源をＯＮにしてからの経過時間と分極反転結晶２０の温度との関係を予め求めておき、かかる経過時間に基づいてメインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４を制御する。光源装置１０の電源をＯＮにしてからの経過時間は、タイマ等を用いて計測できる。光源装置１０の電源をＯＮにすると、温度制御部２８は、ステップＳ１１において、設定時間を計算する。設定時間とは、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４の熱供給により分極反転結晶２０の温度が室温Ｔ１から閾値Ｔ２となるまでに要する時間である。また、ステップＳ１２において、温度制御部２８は、タイマ等により計測された経過時間を読み込む。

ステップＳ１３において、温度制御部２８は、設定時間を経過したか否かを判断する。ステップＳ１３において設定時間が経過していないと判断した場合、温度制御部２８は、ステップＳ１５において、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４の双方により温度調節を行う。ステップＳ１３において設定時間が既に経過したと判断した場合、温度制御部２８は、ステップＳ１４において、サブヒータ２４は駆動を停止し、メインヒータ２３ａ〜２３ｄのみにより温度調節を行う。

ステップＳ１４、ステップＳ１５の後、温度制御部２８は、ステップＳ１６において、光源装置１０の電源がＯＦＦにされたか否かを判断する。ステップＳ１６において光源装置１０の電源がＯＦＦにされたと判断した場合、ステップＳ１７において、温度制御部２８は、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ、サブヒータ２４はいずれも駆動を停止する。ステップＳ１６において、光源装置１０の電源がＯＦＦにされていないと判断した場合、ステップＳ１２に戻り、温度制御部２８は、経過時間を読み込む。かかる手順によっても、分極反転結晶２０の温度を制御することができる。光源装置１０は、光源装置１０の電源をＯＮにしてから設定時間が経過した後は、サーミスタ２７による計測温度に基づく制御に切り換えることとしても良い。

光源装置１０は、光源部として半導体素子を用いる他、半導体レーザ励起固体（Diode Pumped Solid State；ＤＰＳＳ）レーザや、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ等を用いる構成としても良い。光源部は、複数の光を射出するアレイ光源であっても良い。光源装置１０は、本実施例で説明する構成である場合に限られず、構成を適宜変更しても良い。

図９は、本発明の実施例２に係るＳＨＧ素子３０の構成を説明するものである。本実施例のＳＨＧ素子３０は、上記実施例１の光源装置１０に適用することができる。本実施例のＳＨＧ素子３０は、熱拡散板３１を有することを特徴とする。上記実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。分極反転結晶２０上には、熱拡散板３１、及び絶縁層３２が設けられている。

熱拡散板３１及び絶縁層３２は、いずれも、分極反転結晶２０と略同じ大きさの矩形形状をなしている。熱拡散板３１は、分極反転結晶２０へ伝導させる熱を拡散させる熱拡散部として機能する。熱拡散板３１は、高い熱伝導率を持つ部材、例えば金属部材である銅を用いて構成されている。絶縁層３２は、絶縁性を持つ部材、例えばエポキシ樹脂を用いて構成されている。

メインヒータ３３ａ〜３３ｄ、サブヒータ３４は、分極反転結晶２０へ熱を供給することにより分極反転結晶２０の温度を調節する温度調節素子である。メインヒータ３３ａ〜３３ｄ、サブヒータ３４としては、電熱ヒータを用いることができる。メインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４は、ＳＨＧ素子３０の上面Ｓ２に配置されている。上面Ｓ２は、絶縁層３２のうち熱拡散板３１側とは反対側の面である。上面Ｓ２は、第１面であるＸＹ平面に略直交する第２面であって、ＸＺ平面である。

図１０は、ＳＨＧ素子３０のうち、１つのメインヒータ３３ａが設けられた部分の断面構成を示す。熱拡散板３１及びメインヒータ３３ａは、接続部３５により接続されている。接続部３５は、絶縁層３２を貫かせて設けられている。絶縁層３２は、熱拡散板３１に対して分極反転結晶２０側とは反対側であって、接続部３５が設けられた部分以外の部分に設けられている。接続部３５は、絶縁層３２を構成する樹脂部材と比較して高い熱伝導率を持つ部材、例えば銅、インジウム、半田等を用いて構成されている。熱拡散板３１及び接続部３５は、一体としても良い。図９に戻って、各メインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４は、それぞれ接続部３５上に配置されている。なお、不図示のサーミスタは、上記実施例１と同様に、分極反転結晶２０上に配置されている。図９及び図１０では、次に説明する配線パターン及び電極の図示を省略している。

図１１及び図１２は、メインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４を駆動するための構成を説明するものである。図１１に示すように、絶縁層３２上には、配線パターン３６が形成されている。配線パターン３６は、絶縁層３２のうち、熱拡散板３１側とは反対側の面に設けられている。メインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４は、配線パターン３６に接続されている。

図１２に模式的に示すように、メインヒータ３３ａの電極３７は、配線パターン３６に接続されている。配線パターン３６は、電源３８、ヒータ駆動部３９と電極３７とを接続する。電源３８は、メインヒータ３３ａへ電力を供給する。ヒータ駆動部３９は、温度制御部２８（図５参照）の制御に応じて、メインヒータ３３ａを駆動する。電極３７及び配線パターン３６は、絶縁層３２上に配置されている。他のメインヒータ３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ及びサブヒータ３４についても、図１２に示すメインヒータ３３ａについての構成と同様の構成を有する。

絶縁層３２を設けることで、熱拡散板３１を介した電極３７、配線パターン３６の不要な導通を遮断することができる。また、絶縁層３２上にメインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４を直接実装可能とすることで、簡易な組み立てが可能となる。熱拡散板３１及び接続部３５は、例えば平板状の銅部材のうち接続部３５以外の部分をエッチングすることで、一体として形成できる。絶縁層３２は、熱拡散板３１のうち接続部３５が設けられた部分以外の部分に絶縁部材を塗布することで形成できる。配線パターン３６は、絶縁層３２及び接続部３５上にめっきを施すことにより銅箔を形成した後、パターニング及びエッチングを施すことで形成できる。絶縁層３２に配線パターン３６を形成することで、メインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４の実装に要する時間を短縮できる。

メインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４からの熱は、それぞれ接続部３５及び熱拡散板３１を介して分極反転結晶２０へ伝導する。熱拡散板３１を用いることで、分極反転結晶２０の温度をさらに均一化できる。また、接続部３５を介した熱伝導により、メインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４からの熱を効率良く熱拡散板３１へ伝導することができる。本実施例の場合も、高い効率で光を波長変換できる。

図１３は、本実施例の変形例に係るＳＨＧ素子４０の側面構成を示す。本変形例のＳＨＧ素子４０は、ＳＨＧ素子４０の上面Ｓ２及び底面Ｓ３にメインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４が配置されている。底面Ｓ３は、ＳＨＧ素子４０のうち、第２面である上面Ｓ２とは反対側の第３面である。底面Ｓ３に設けられたメインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４は、上面Ｓ２に設けられたメインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４と同様に配置されている。サーミスタ２７は、上面Ｓ２及び底面Ｓ３にそれぞれ配置されている。

上面Ｓ２及び底面Ｓ３にそれぞれメインヒータ３３ａ〜３３ｄ及びサブヒータ３４を配置することで、上面Ｓ２及び底面Ｓ３に直交する方向であるＹ軸方向についても、均等に温度調節することが可能となる。サーミスタ２７は、メインヒータ３３ａ〜３３ｄ、サブヒータ３４と同様、接続部３５に配置することが望ましい。これにより、分極反転結晶２０の温度を正確に計測することが可能となる。なお、上記のＳＨＧ素子３０も、絶縁層３２の上にサーミスタ２７を配置することとしても良い。

上記実施例１のＳＨＧ素子１４（図２参照）も、分極反転結晶２０のうち上面Ｓ１とは反対側の底面に、メインヒータ２３ａ〜２３ｄ及びサブヒータ２４を配置することとしても良い。各実施例のＳＧＨ素子に設けられるメインヒータ及びサブヒータの数、形状、配置は、各実施例で説明する場合に限られず、適宜変更しても良い。例えば、本実施例のＳＨＧ素子３０、４０の場合、熱拡散板３１により熱を十分に拡散させることが可能であれば、メインヒータ及びサブヒータを集中させて配置することとしても良い。また、複数のサブヒータを設けることとしても良い。

上記各実施例では、第１温度調節素子及び第２温度調節素子としてペルチェ素子や電熱ヒータを用いているが、第１温度調節素子及び第２温度調節素子はこれに限られず、赤外線照射等のエネルギーを制御することで温度制御を行うものを利用しても良い。また温度調節素子を上面Ｓ１、上面Ｓ２及び底面Ｓ３の中央部及び周囲に配置する構成について説明したが、上面Ｓ１、Ｓ２及び底面Ｓ３の略中央に複数の温度調節素子を配置する構成であっても良い。例えば、同じ容量の温度調節素子を中央部に２個備え、起動時のみ２個を用い、定常状態では１個の温度調節素子を用いることとしても良い。

図１４は、本発明の実施例３に係るモニタ装置５０の概略構成を示す。モニタ装置５０は、装置本体５１と、光伝送部５２とを有する。装置本体５１は、上記実施例１の光源装置１０（図１参照）を備える。上記実施例１と重複する説明は省略する。光伝送部５２は、２つのライトガイド５４、５５を有する。光伝送部５２のうち被写体（不図示）側の端部には、拡散板５６及び結像レンズ５７が設けられている。第１ライトガイド５４は、光源装置１０からの光を被写体へ伝送する。拡散板５６は、第１ライトガイド５４の射出側に設けられている。第１ライトガイド５４内を伝播した光は、拡散板５６を透過することにより、被写体側にて拡散する。光源装置１０から拡散板５６までの光路中の各部は、被写体を照明する照明装置を構成する。

第２ライトガイド５５は、被写体からの光をカメラ５３へ伝送する。結像レンズ５７は、第２ライトガイド５５の入射側に設けられている。結像レンズ５７は、被写体からの光を第２ライトガイド５５の入射面へ集光させる。被写体からの光は、結像レンズ５７により第２ライトガイド５５へ入射した後、第２ライトガイド５５内を伝播してカメラ５３へ入射する。

第１ライトガイド５４、第２ライトガイド５５としては、多数の光ファイバを束ねたものを用いることができる。光ファイバを用いることで、レーザ光を遠方へ伝送させることができる。カメラ５３は、装置本体５１内に設けられている。カメラ５３は、光源装置１０からの光により照明された被写体を撮像する撮像部である。第２ライトガイド５５から入射した光をカメラ５３へ入射させることで、カメラ５３による被写体の撮像ができる。上記実施例１の光源装置１０を用いることにより、高い効率で安定した光量の光を供給することができる。これにより、高い効率で供給された光を用いて明るい像をモニタできるという効果を奏する。なお、モニタ装置５０は、上記各実施例で説明するいずれのＳＨＧ素子を適用しても良い。

図１５は、本発明の実施例４に係るプロジェクタ６０の概略構成を示す。プロジェクタ６０は、スクリーン６９に光を供給し、スクリーン６９で反射する光を観察することで画像を鑑賞するフロント投写型のプロジェクタである。プロジェクタ６０は、赤色（Ｒ）光用光源装置６１Ｒ、緑色（Ｇ）光用光源装置６１Ｇ、青色（Ｂ）光用光源装置６１Ｂを有する。各色光用光源装置６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂは、いずれも上記実施例１の光源装置１０（図１参照）と同様の構成を有する。上記実施例１と重複する説明は省略する。プロジェクタ６０は、各色光用光源装置６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂからの光を用いて画像を表示する。

Ｒ光用光源装置６１Ｒは、Ｒ光を供給する光源装置である。拡散素子６２は、照明領域の整形、拡大、照明領域におけるレーザ光の光量分布の均一化を行う。拡散素子６２としては、例えば、回折光学素子である計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）を用いることができる。フィールドレンズ６３は、Ｒ光用光源装置６１Ｒからのレーザ光を平行化させ、Ｒ光用空間光変調装置６４Ｒへ入射させる。Ｒ光用光源装置６１Ｒ、拡散素子６２、及びフィールドレンズ６３は、Ｒ光用空間光変調装置６４Ｒを照明する照明装置を構成する。Ｒ光用空間光変調装置６４Ｒは、照明装置からのＲ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｒ光用空間光変調装置６４Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム６５へ入射する。

Ｇ光用光源装置６１Ｇは、Ｇ光を供給する光源装置である。拡散素子６２及びフィールドレンズ６３を経たレーザ光は、Ｇ光用空間光変調装置６４Ｇへ入射する。Ｇ光用光源装置６１Ｇ、拡散素子６２、及びフィールドレンズ６３は、Ｇ光用空間光変調装置６４Ｇを照明する照明装置を構成する。Ｇ光用空間光変調装置６４Ｇは、照明装置からのＧ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｇ光用空間光変調装置６４Ｇで変調されたＧ光は、クロスダイクロイックプリズム６５のうちＲ光が入射する面とは異なる面へ入射する。

Ｂ光用光源装置６１Ｂは、Ｂ光を供給する光源装置である。拡散素子６２及びフィールドレンズ６３を経たレーザ光は、Ｂ光用空間光変調装置６４Ｂへ入射する。Ｂ光用光源装置６１Ｂ、拡散素子６２、及びフィールドレンズ６３は、Ｂ光用空間光変調装置６４Ｂを照明する照明装置を構成する。Ｂ光用空間光変調装置６４Ｂは、照明装置からのＢ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｂ光用空間光変調装置６４Ｂで変調されたＢ光は、クロスダイクロイックプリズム６５のうちＲ光が入射する面、及びＧ光が入射する面とは異なる面へ入射する。透過型液晶表示装置としては、例えば高温ポリシリコンＴＦＴ液晶パネル（High Temperature Polysilicon；ＨＴＰＳ）を用いることができる。

クロスダイクロイックプリズム６５は、互いに略直交させて配置された２つのダイクロイック膜６６、６７を有する。第１ダイクロイック膜６６は、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第２ダイクロイック膜６７は、Ｂ光を反射し、Ｒ光及びＧ光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム６５は、それぞれ異なる方向から入射したＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成し、投写レンズ６８の方向へ射出する。投写レンズ６８は、クロスダイクロイックプリズム６５で合成された光をスクリーン６９に向けて投写する。

上記の光源装置１０と同様の構成を有する各色光用光源装置６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂを用いることにより、高い効率で安定した光量のレーザ光を供給できる。これにより、安定して明るい画像を表示できるという効果を奏する。なお、各色光用光源装置６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂは、上記各実施例で説明するいずれのＳＨＧ素子を適用しても良い。プロジェクタ６０は、例えば、Ｒ光用光源装置６１ＲについてはＳＨＧ素子を用いず光源部からの基本波光をそのまま射出するものとし、Ｇ光用光源装置６１Ｇ及びＢ光用光源装置６１Ｂについて、上記の光源装置１０と同様の構成としても良い。

プロジェクタは、空間光変調装置として透過型液晶表示装置を用いる場合に限られない。空間光変調装置としては、反射型液晶表示装置（Liquid Crystal On Silicon；ＬＣＯＳ）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、ＧＬＶ（Grating Light Valve）等を用いても良い。プロジェクタは、色光ごとに空間光変調装置を備える構成に限られない。プロジェクタは、一の空間光変調装置により２つ又は３つ以上の色光を変調する構成としても良い。プロジェクタは、空間光変調装置を用いる場合に限られない。プロジェクタは、ガルバノミラー等の走査手段により光源装置からのレーザ光を走査させ、被照射面において画像を表示するレーザスキャン型のプロジェクタであっても良い。プロジェクタは、画像情報を持たせたスライドを用いるスライドプロジェクタであっても良い。プロジェクタは、スクリーンの一方の面に光を供給し、スクリーンの他方の面から射出される光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるリアプロジェクタであっても良い。

本発明の光源装置は、モニタ装置やプロジェクタに適用される場合に限られない。本発明の光源装置は、例えば、レーザ光を用いて露光を行う露光装置やレーザ加工装置等の光学系に用いても良い。

以上のように、本発明に係る波長変換素子は、モニタ装置やプロジェクタの光源装置に用いる場合に適している。

本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を示す図。ＳＨＧ素子の断面構成を示す図。分極反転結晶の分極反転構造について説明する図。メインヒータ、サブヒータ、サーミスタの配置について説明する図。分極反転結晶の温度を調節するためのブロック構成を示す図。分極反転結晶の温度を調節する手順を説明するフローチャート。分極反転結晶の温度変化について説明する図。分極反転結晶の温度を調節する他の手順を説明するフローチャート。本発明の実施例２に係るＳＨＧ素子の構成を説明する図。ＳＨＧ素子の一部分の断面構成を示す図。メインヒータ及びサブヒータを駆動するための構成を説明する図。メインヒータ及びサブヒータを駆動するための構成を説明する図。実施例２の変形例に係るＳＨＧ素子の側面構成を示す図。本発明の実施例３に係るモニタ装置の概略構成を示す図。本発明の実施例４に係るプロジェクタの概略構成を示す図。

符号の説明

１０光源装置、１１半導体素子、１２ミラー層、１３活性層、１４ＳＨＧ素子、１５外部共振器、２０分極反転結晶、２１自発分極層、２２分極反転層、２３ａ〜２３ｄメインヒータ、２４サブヒータ、２５接着層、２６放熱板、２７サーミスタ、Ｓ１上面、２８温度制御部、３０ＳＨＧ素子、３１熱拡散板、３２絶縁層、３３ａ〜３３ｄメインヒータ、３４サブヒータ、３５接続部、Ｓ２上面、３６配線パターン、３７電極、３８電源、３９ヒータ駆動部、４０ＳＨＧ素子、Ｓ３底面、５０モニタ装置、５１装置本体、５２光伝送部、５３カメラ、５４第１ライトガイド、５５第２ライトガイド、５６拡散板、５７結像レンズ、６０プロジェクタ、６１ＲＲ光用光源装置、６１ＧＧ光用光源装置、６１ＢＢ光用光源装置、６２拡散素子、６３フィールドレンズ、６４ＲＲ光用空間光変調装置、６４ＧＧ光用空間光変調装置、６４ＢＢ光用空間光変調装置、６５クロスダイクロイックプリズム、６６第１ダイクロイック膜、６７第２ダイクロイック膜、６８投写レンズ、６９スクリーン

Claims

第１波長の光を入射させることにより、前記第１波長とは異なる波長である第２波長の光を射出する波長変換素子であって、
分極方向を反転させた分極反転層が特定方向へ並列された分極反転結晶と、
前記分極反転結晶の温度を調節する第１温度調節素子と前記第１温度調節素子よりも容量が大きい第２温度調節素子と、を有し、
前記分極反転層は、前記特定方向に略直交する第１面に略平行に形成され、
前記第１温度調節素子及び前記第２温度調節素子は、前記第１面に略直交する第２面に配置され、
前記第１温度調節素子及び前記第２温度調節素子は、熱を供給することにより前記分極反転結晶の温度を設定温度にする調節を行い、
前記第２温度調節素子は、前記分極反転結晶の温度が前記設定温度から一定値低い温度まで上昇すると、温度の調節を停止し、
複数の前記第１温度調節素子を備えており、
前記第２温度調節素子は、前記第２面の略中央に配置され、
前記複数の第１温度調節素子は、前記第２面の周囲に配置されていることを特徴とする波長変換素子。
前記分極反転結晶へ伝導させる熱を拡散させる熱拡散部を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
前記温度調節素子及び前記熱拡散部を接続する接続部と、
前記熱拡散部に対して前記分極反転結晶の側とは反対側であって、前記接続部が設けられた部分以外の部分に設けられた絶縁層と、を有することを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
前記温度調節素子に対して前記分極反転結晶の側とは反対側に設けられ、熱を放散させる放熱部を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
前記温度調節素子は、前記第２面と、前記第２面とは反対側の面である第３面に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
第１波長の光を射出する光源部と、
前記光源部からの前記第１波長の光を入射させることにより、前記第１波長とは異なる波長である第２波長の光を射出する波長変換素子と、を有し、
前記波長変換素子は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子であることを特徴とする光源装置。
請求項６に記載の光源装置を有し、前記光源装置からの光を用いて被照射物を照明することを特徴とする照明装置。
請求項７に記載の照明装置と、
前記照明装置により照明された被写体を撮像する撮像部と、を有することを特徴とするモニタ装置。
請求項８に記載の光源装置を有し、前記光源装置からの光を用いて画像を表示することを特徴とするプロジェクタ。