JP4591489B2 - 光源装置、画像表示装置及びモニタ装置 - Google Patents
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Description
ここで、外部共振器を備える光源の場合、基本構成要素は、発光素子と、共振器ミラーとである。また、複数の発光素子を用いる場合であっても、コストや組み立ての容易さを考慮して、単一の波長を選択する共振器ミラーが用いられるのが一般的である。この共振器ミラーにおいては、レーザ発振させるために、選択する波長の帯域を狭くする必要がある。その結果、特許文献3に記載のように、アレイ光源から射出される光それぞれの波長にばらつきを持たせたとしても、波長選択素子により、単一の波長が選択されることになり、波長選択素子を含めた光源全体のコヒーレンスは低下しない。
また、選択する波長の帯域を狭くし、光源から射出された光を反射させる共振器ミラーは非常に高価であるため、全体のコストが高くなる。
本発明の光源装置は、光を発する複数の発光素子と、該複数の発光素子から射出された光を選択的に反射させる共振器として機能する共振ミラーと、前記発光素子と前記共振ミラーとの間の光路上に配置され、前記複数の発光素子から射出された光に対してそれぞれ選択が行われる複数の光選択領域を有し、前記複数の発光素子から射出された光の波長帯域のうち一部の波長帯域の光を透過させ、前記共振ミラーにおいて反射させる光の波長帯域幅に比べて、透過させる光の波長帯域幅が狭い波長選択素子と、前記複数の光選択領域の状態を変化させる状態変化手段とを備え、前記状態変化手段により、前記複数の光選択領域によって選択される光の波長が互いに異なるように、前記光選択領域の状態を変化させることを特徴とする。
なお、共振器ミラーの「光を選択的に反射させる」とは、入射した光を高い割合で反射し、一部を透過するという意味である。
このように、波長選択素子を備えることにより、共振ミラーの反射光の波長帯域幅を広くすることができる。したがって、波長選択素子を用いない場合は、共振ミラーとして、反射光の波長帯域幅の狭く、高い反射率を有するVBG(Volume Bragg Grating)素子を用いる必要があるため、非常に高価である。しかしながら、本発明では、反射光の波長帯域幅の広い安価な共振ミラーを用いることができるため、装置全体の低コスト化を図ることが可能となる。
したがって、発光素子から射出された光の波長と対応する波長選択素子の各光選択領域の選択する光の波長とを揃えることが可能となる。これにより、発光素子が製造誤差等により、出力波長にばらつきがあっても、スペックルノイズを低減させつつ、波長選択素子から射出される光の利用効率を向上させることが可能となる。
また、このとき、選択側状態変化手段により波長選択素子の光選択領域の状態を変化させている。これにより、複数の光選択領域から射出される光の波長を確実に異ならせることができる。
さらには、本発明では、上述したように、反射光の波長帯域幅の広い安価な共振ミラーを用いることができるため、装置全体の低コスト化を図ることが可能となる。
したがって、波長変換素子により、所望の波長の光を得ることができ、スペックルノイズを抑えた光を射出することが可能となる。
次に、本発明の第1実施形態について、図1から図4を参照して説明する。
本実施形態に係る光源装置10は、図1に示すように、発光部11と、波長選択素子14と、共振ミラー15とを備えている。
発光部11は、レーザ光を発する5つの発光素子(半導体レーザ:LD)11a,11b,11c,11d,11eを備えている。これらの発光素子11a〜11eは、いずれも支持部13に支持されている。発光素子11a〜11eから射出される光のピーク波長は、概ね一致している。ただし、完全に一致している必要は無く、多少のばらつきがあっても構わない。通常は、発光素子の製造誤差等により、数nm程度異なることが多い。
この波長選択素子14により、発光部11から射出された光のスペクトル線幅の波長帯域幅は、約5nm以内に狭帯域化される。また、波長選択素子14により、発光部11から射出された光のスペクトル線幅の波長帯域幅が、約10nm以内となることが望ましい。
そして、波長選択素子14の一端面14c,他端面14dにはそれぞれペルチェ素子16a,16bが設けられているため、波長選択素子14は、レーザ光の中心軸Oに対して垂直な方向、すなわち、ペルチェ素子16aからペルチェ素子16b側、あるいは、ペルチェ素子16bからペルチェ素子16a側に向かって加熱,冷却されることになる。また、ペルチェ素子16a,16bには、異なる温度が設定されているため、波長選択素子14内部に温度勾配が生じることになる。波長選択素子14は、加熱により熱膨張し冷却により収縮して、屈折率が変化する。この熱膨張に対応して、波長選択素子14の選択波長、つまり、波長選択素子14によって透過される光の波長が変化する。選択波長は、歪みが大きいほど短くなり、歪みが小さくなるに従って長くなる。熱膨張も歪みの一種であると考えられるので、より高温で熱膨張が大きい領域ほど選択波長が、長波長側にシフトする。
つまり、波長選択素子14の領域A,B,C,D,Eにおける選択波長をそれぞれλ1,λ2,λ3,λ4,λ5とすると、例えば、λ1>λ5>λ2>λ4>λ3となる。また、波長選択素子14の領域A,B,C,D,Eから射出され、共振ミラー15を透過する光W2の波長は、それぞれλ1,λ2,λ3,λ4,λ5となり、λ1>λ5>λ2>λ4>λ3の関係となる。
この共振ミラー15において反射される光の波長帯域幅は、波長選択素子14において透過される光の波長帯域幅より大きくなっている。具体的には、共振ミラー15の反射光の波長帯域幅は、約400nm程度である。
まず、発光素子11a〜11eは、赤色の半導体レーザであり、いずれも射出される光のピーク波長はλ1=630nmとなっている。このピーク波長は、すべての発光素子11a〜11eにおいて、ぴったりと一致している必要は無く、多少のばらつきがあっても構わない。通常は、発光素子の製造誤差等により、数nm程度異なることが多い。そして、このとき、波長選択素子14の領域A,B,C,D,Eにおける選択波長λ1,λ2,λ3,λ4,λ5が、それぞれ630nm,628nm,626nm,627nm,629nm(選択波長の差が、最大で4nm)となるようにペルチェ素子16a,16bを制御すると、波長選択素子14の領域A,B,C,D,Eから射出され、共振ミラー15を透過する光W2の波長も、それぞれ630nm,628nm,626nm,627nm,629nmとなる。
また、波長選択素子14は、通常用いられる大きさのままであるため、装置が大型化することは無いため、装置全体の小型化が可能となる。
以上より、本発明の光源装置10は、小型であって、かつ、複数のレーザ光同士のコヒーレンスを低減させ、スペックルノイズを抑えることが可能である。
つまり、本実施形態の光源装置は、低コストであって、かつ、複数の光同士のコヒーレンスを低減させ、スペックルノイズを抑えることが可能となる。
圧電素子は、電圧が印加されると変位し、この変位によって波長選択素子14に歪みを生じさせるものである。波長選択素子14は歪みが大きいほど、選択波長が短くなる。したがって、各領域A〜Eの歪みを検出する他の圧電素子(状態変化手段)を備え、他の圧電素子により検出された歪みに応じて圧電素子により各領域A〜Eの歪みの量を調整することにより、各領域A〜Eから射出される光の波長を異ならせることが可能となる。なお、歪み付与する手段としては、圧電素子の他に、例えば、歪みゲージや磁歪素子を用いても良い。
また、図2に示すように、波長選択素子14の両端面14c,14dではなく、入射端面14a及び射出端面14bに垂直であり、領域A〜領域Eを含む表面14eの各領域A〜Eごとに間隔をあけてペルチェ素子17a〜17eを設けた光源装置20であっても良い。そして、各領域A〜Eのペルチェ素子17a〜17e間に断熱材18を設けて、隣接する領域A〜E間で熱が伝わらないようにすることが好ましい。また、各ペルチェ素子17a〜17eは、異なる温度が設定されている。この構成により、複数の領域A〜Eから射出される光の波長を確実に異ならせることができる。なお、ペルチェ素子を複数の領域A〜Eごとに設けても良い。
さらに、複数の領域A〜Eごとに、すなわち、2つや3つの領域をまとめて1つのペルチェ素子により温度を制御しても良い。この構成の場合も、複数の領域A〜Eによって選択される光の波長が互いに異なるように温度を付与すれば良い。
また、具体例において、各領域A〜Eから射出される光の波長の差は、最大で4nmとしたが、最大で10nm程度までの範囲であれば、人間が感知する光の色度は変わらない。このように、各領域A〜Eから射出される光の波長の差を最大で10nm程度の範囲に抑えることにより、例えば、画像表示装置に光源装置10を用いた場合、極めて鮮明な画像を表示することが可能となる。
図1に示す第1実施形態では、各領域A〜Eの温度を変化させるために、ペルチェ素子16a,16bを用いたが、ペルチェ素子16a,16bに代えて、図4に示すように、温度変化部(状態変化手段、温度変化手段)35を用いた光源装置30であっても良い。
光源装置30に用いられる温度変化部(温度変化手段)35は、熱吸収膜31と、熱発生用レーザ光源32と、ミラー33とを備えている。
また、ミラー33は、熱発生用レーザ光源32から射出されたレーザ光を熱吸収膜31に向かって走査するものである。そして、ミラー33の傾き角度を制御することにより、どの領域A〜Eの熱吸収膜31に光を照射するかを制御し、ある傾き角度に保持する時間を決めることにより、熱吸収膜31への光の照射時間を制御する。これにより、照射されるレーザ光の時間が長いほど熱吸収膜31の温度が上昇し、領域A〜Eの温度が上昇する。そして、領域A〜Eの温度がそれぞれ異なるように、熱吸収膜31に照射するレーザ光の時間を制御する。
本変形例の光源装置30においても、第1実施形態の光源装置と同様にスペックルノイズを低減させることができるとともに、光の利用効率を向上させることが可能となる。
なお、熱吸収膜31を領域A〜Eごとに設けたが、波長選択素子14の表面14eの全面に設けても良い。
また、ミラー33としてはMEMSミラーを用いることも可能である。
次に、本発明に係る第2実施形態について、図5から図7を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態の図面において、上述した第1実施形態に係る光源装置10と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
発光部41は、支持部41fに、発光素子41a,41b,41c,41d,41eの5つが直線状に支持された構成となっている。発光素子41a〜41eから射出される光のピーク波長λ0は、概ね一致している。ただし、完全に一致している必要は無く、多少のばらつきがあっても構わない。通常は、発光素子の製造誤差等により、数nm程度異なることが多い。ピーク波長λ0は、例えば、青色のレーザ光を射出する青色レーザ光源装置の場合は920nm、緑色のレーザ光を射出する緑色レーザ光源装置の場合は1060nm、赤色のレーザ光を射出する赤色レーザ光源装置の場合は1240nmである。ただし、この波長は単なる一例に過ぎない。
このような分極周期構造は、製造時にピッチを異ならせることで形成できる。まず、非線形強誘電体材料(例えばLiTaO3)からなる基板に、レーザ光の中心軸O方向に沿って電極が有る領域と無い領域とが交互に並んだストライプ状の電極パターンを形成する。この時、各電極パターンの幅及び電極パターン同士の間隔は、領域P,Q,R,S,Tにおける各ドメインのピッチが、それぞれΛ1,Λ2,Λ3,Λ4,Λ5となるように最適化される。つまり、電極パターンの幅及び間隔は、領域P,Q,R,S,Tにおいてそれぞれ異なったものとする。次に、これら電極パターンにパルス状の電圧を印加することにより、図5に示したような分極周期構造が得られる。このようにして分極周期構造を形成した後、通常電極パターンは除去されるが、そのまま残しておいても良い。
このように、波長変換素子42は、領域P〜Tにおいて、それぞれ周期(ピッチ)の異なる分極反転構造を有している。よって、領域P〜Tを通過した光は、ピーク波長λ0の光に含まれる様々な波長成分のうち、互いに若干異なる波長λ01〜λ05の成分に変換作用を受け、それぞれ若干異なる波長λ1,λ2,λ3,λ4,λ5に変換される。
同様に、緑色レーザ光源装置を用いた場合の波長を例に挙げて説明すると、発光素子41a,41b,41c,41d,41eからそれぞれ射出されたピーク波長λ0=1060nmの光のうち、それぞれ波長λ01=1060nm,λ02=1058nm,λ03=1056nm,λ04=1054nm,λ05=1052nm付近の光が、波長λ1=530nm,λ2=529nm,λ3=528nm,λ4=527nm,λ5=526nmの光に変換される。
また同様に、赤色レーザ光源装置を用いた場合の波長を例に挙げて説明すると、発光素子41a,41b,41c,41d,41eからそれぞれ射出されたピーク波長1240nmの光のうち、それぞれ波長λ01=1240nm,λ02=1238nm,λ03=1236nm,λ04=1234nm,λ05=1232nm付近の光が、波長λ1=620,λ2=619nm,λ3=618nm,λ4=617nm,λ5=616nmの波長の光に変換される。
ただし、ここに挙げた波長は、単なる一例に過ぎない。
また、波長選択素子43としては、光を反復反射させることにより波長を狭帯域化させるバンドパスフィルタを用いる。
この波長選択素子43により、発光部41から射出された光のスペクトル線幅の波長帯域幅は、約5nm以内に狭帯域化される。また、発光部41から射出された光のスペクトル線幅の波長帯域幅は、約10nm以内であることが望ましい。
また、例えば青色レーザ光源装置の場合、ペルチェ素子16aは、領域A〜Eにおいて透過される光の波長が、それぞれ920nm,916nm,912nm,914nm,918nmとなるように制御される。緑色レーザ光源装置の場合、ペルチェ素子16aは、波長選択素子43の領域A〜Eにおいて透過される光の波長が、それぞれ1060nm,1056nm,1052nm,1054nm,1058nmとなるように制御される。赤色レーザ光源装置の場合、ペルチェ素子16aは、領域A〜Eにおいて透過される光の波長が、それぞれ1240nm,1236nm,1232nm,1234nm,1238nmとなるように制御される。
ただし、ここに挙げた波長は、単なる一例に過ぎない。
共振ミラー44によって反射された光W1(図5に示す破線)は、再び波長選択素子43及び波長変換素子42を通過し、発光素子41a〜41eに戻る。発光素子41a〜41eへ戻された光は、一部そこで吸収されて熱となってしまうが、大部分は発光のエネルギーとして用いられたり、発光素子41a〜41e内で反射されて再度発光素子41a〜41eから射出されたりすることで、有効に利用される。
一方、波長変換素子42によって波長λ1〜λ5に変換され、波長選択素子43を通過した光W2(図5に示す二点鎖線)は、共振ミラー44を透過する。
以上説明したように、発光部41から射出された光W3は、発光部41と共振ミラー44との間で反射を繰り返し、所定の波長に変換された変換光W2(図5に示す二点鎖線)が、共振ミラー44から射出されるようになっている。つまり、共振ミラー44は、第1実施形態の共振ミラー15とは若干作用が異なるものの、発光素子41a〜41eの共振器ミラーとしての機能を有している。
さらには、本実施形態では、上述したように、透過光の波長帯域幅の狭い波長選択素子43を備えているため、反射光の波長帯域幅の広い安価な共振ミラー44を用いることができるため、装置全体の低コスト化を図ることが可能となる。
以上より、本発明の光源装置40は、低コスト、かつ、複数のレーザ光同士のコヒーレンスを低減させ、スペックルノイズを抑えることが可能である。
また、本実施形態では、複数の発光素子41a〜41eとして、ピーク波長が概ね一致するものを用いたが、ピーク波長の異なる発光素子を積極的に用いるようにしても良い。
すなわち、ピーク波長がそれぞれλ01,λ02,λ03,λ04,λ05となるような発光素子41a,41b,41c,41d,41eを用い、領域A〜Eにおいて、発光素子11a〜11eのそれぞれのピーク波長と同じ波長の光が選択されるように、ペルチェ素子16aを制御するようにしても良い。このように、発光素子11a〜11eそれぞれのピーク波長と、波長選択素子43の領域A〜Eにおける選択波長とを一致させることにより、光の利用効率を向上させることが可能となる。
また、具体例において、各領域A〜Eから射出される光の波長の差は、最大で4nmとしたが、最大で10nm程度までの範囲であれば、人間が感知する光の色度は変わらない。このように、各領域A〜Eから射出される光の波長の差を最大で10nm程度の範囲に抑えることにより、例えば、画像表示装置に光源装置40を用いた場合、極めて鮮明な画像を表示することが可能となる。
また、ペルチェ素子に代えて圧電素子を用いても良い。
光源装置50は、図7に示すように、波長変換素子52の領域P,Q,R,S,Tの各ドメインのレーザ光の中心軸O方向の幅(以下、「ピッチ」という)Λ1は、同一である。
また、波長変換素子52の発光部41から射出された光が入射する入射端面52aに垂直な一端面(領域P側の端面)52c及び反対の他端面(領域T側の端面)52dには、ペルチェ素子(温度変化手段)53a,53bが接着されている。波長変換素子52も波長選択素子43と同様に、加熱により膨張し、冷却により収縮してドメインピッチが変化する。このドメインピッチに対応して、波長変換素子52の変換波長、つまり、波長変換素子52によって変換される光の波長が異なる。
さらに、波長変換素子52の各領域P〜Tごと、あるいは、複数の領域P〜Tごとに温度センサ(状態検出手段)を設けて、温度センサにより検出された領域P〜Tの温度に応じて、領域P〜Tによって変換される光の波長が互いに異なるように、波長変換素子52の領域P〜Tの状態を変化させても良い。
また、波長選択素子43及び波長変換素子52の両方に温度センサを用いることにより、波長選択素子43における選択波長と、波長変換素子52における変換波長とを同一にすることができるため、発光部41から射出された光が共振ミラー44から効果的に取り出される。したがって、光の利用効率を向上させることが可能となる。
次に、本発明に係る第3実施形態について、図8を参照して説明する。
本実施形態では、上記第1,第2実施形態の光源装置10,40を備える画像表示装置100について説明する。なお、図8中においては、簡略化のため画像表示装置100を構成する筐体は省略している。
また、画像表示装置100は、レーザ光源101R,101G,101Bから射出されたレーザ光をそれぞれ変調する液晶ライトバルブ(光変調装置)104R,104G,104Bと、液晶ライトバルブ104R,104G,104Bから射出された光を合成するクロスダイクロイックプリズム(色光合成手段)106と、液晶ライトバルブ104R,104G,104Bによって形成された像を拡大してスクリーン110に投射する投射レンズ(投射装置)107とを備えている。
また、第1,第2実施形態(変形例を含む)の光源装置は、走査型の画像表示装置にも適用される。このような画像表示装置の例を図9に示す。図9に示した画像表示装置200は、第1実施形態の光源装置10と、光源装置10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10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10から射出された光は、MEMSミラーを動かすことによって、スクリーン210上を横方向、縦方向に走査するように導かれる。カラーの画像を表示する場合は、発光部11を構成する複数の発光素子を、赤、緑、青のピーク波長を持つ発光素子の組み合わせによって構成すれば良い。
次に、第2実施形態に係る光源装置40を応用したモニタ装置300の構成例について説明する。図10は、モニタ装置の概略を示す模式図である。モニタ装置300は、装置本体310と、光伝送部320とを備える。装置本体310は、第2実施形態の光源装置40を備える。
なお、本実施形態のモニタ装置として、第2実施形態の光源装置40を用いたものを説明したが、他の実施形態(変形例を含む)の光源装置を用いることも可能である。
例えば、色光合成手段として、クロスダイクロイックプリズムを用いたが、これに限るものではない。色光合成手段としては、例えば、ダイクロイックミラーをクロス配置とし色光を合成するもの、ダイクロイックミラーを平行に配置し色光を合成するものを用いることができる。
Claims (9)
- 光を発する複数の発光素子と、
該複数の発光素子の各々から射出された光の一部を当該光が射出された発光素子に向けて反射させ、残りを透過させる共振ミラーと、
前記発光素子と前記共振ミラーとの間の光路上に配置され、前記複数の発光素子から射出された光に対してそれぞれ選択が行われる複数の光選択領域を有し、前記複数の発光素子から射出された光の波長帯域のうち一部の波長帯域の光を透過させ、前記共振ミラーにおいて反射させる光の波長帯域幅に比べて、透過させる光の波長帯域幅が狭い波長選択素子と、
前記複数の光選択領域の状態を変化させる状態変化手段と、
前記複数の光選択領域のそれぞれに設けられ、前記複数の光選択領域の状態を検出する状態検出手段と、を備え、
前記複数の発光素子の各々から射出された光が、前記共振ミラーにおいて反射され、前記発光素子と前記共振ミラーとの間で共振して増幅され、
前記状態変化手段が、前記状態検出手段により検出された前記複数の光選択領域の状態に応じて、前記複数の光選択領域によって選択される光の波長が互いに異なるように、前記光選択領域の状態を変化させることを特徴とする光源装置。 - 前記状態変化手段が、前記複数の光選択領域のそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
- 前記状態検出手段が、前記光選択領域の温度を検出する温度検出手段であり、
前記状態変化手段が、前記温度検出手段により検出された温度に応じて、前記光選択領域の温度を互いに異ならせる温度変化手段であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光源装置。 - 前記温度変化手段が、前記複数の光選択領域のそれぞれに設けられた熱吸収膜と、レーザ光を射出する熱発生用レーザ光源と、前記熱発生用レーザ光源から射出されたレーザ光を前記熱吸収膜に向けて走査するミラーと、を備えることを特徴とする請求項3に記載の光源装置。
- 光を発する複数の発光素子と、
該複数の発光素子から射出された光がそれぞれ通過する複数の光通過領域を有し、前記複数の発光素子から射出された光のうち、少なくとも一部の波長をそれぞれ所定の波長に変換する波長変換素子と、
前記複数の発光素子の各々から射出された光の一部を当該光が射出された発光素子に向けて反射させ、残りを透過させる共振ミラーと、
前記複数の発光素子から射出された光に対してそれぞれ選択が行われる複数の光選択領域を有し、前記複数の発光素子から射出された光の波長帯域のうち一部の波長帯域の光を透過させ、前記共振ミラーにおいて反射させる光の波長帯域幅に比べて、透過させる光の波長帯域幅が狭い波長選択素子と、
前記波長選択素子の複数の光選択領域の状態を変化させる選択側状態変化手段と、
前記波長選択素子の複数の光選択領域の状態を検出する選択側状態検出手段と、を備え、
前記複数の発光素子の各々から射出された光が、前記共振ミラーにおいて反射され、前記発光素子と前記共振ミラーとの間で共振して増幅され、
前記選択側状態変化手段が、前記選択側状態検出手段により検出された前記複数の光選択領域の状態に応じて、前記波長選択素子の前記複数の光選択領域によって選択される光の波長が互いに異なるように、前記波長選択素子の光選択領域の状態を変化させ、
前記選択側状態検出手段が、前記波長選択素子の光選択領域の温度を検出する温度検出手段であり、
前記選択側状態変化手段が、前記温度検出手段により検出された温度に応じて、前記波長選択素子の光選択領域の温度を互いに異ならせる温度変化手段であることを特徴とする光源装置。 - 前記複数の光通過領域によって変換される光の波長が互いに異なるように、前記波長変換素子の光通過領域の状態を変化させる変換側状態変化手段とを備えることを特徴とする請求項5に記載の光源装置。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の光源装置と、
該光源装置から射出された光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、
該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画像表示装置。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の光源装置と、
該光源装置から射出された光を被投射面上で走査する走査手段とを備えることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の光源装置と、
該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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