JP4618487B2

JP4618487B2 - １次元照明装置及び画像生成装置

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Publication number: JP4618487B2
Application number: JP2004250532A
Authority: JP
Inventors: 美智雄岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2024-08-30
Also published as: JP2006066818A

Description

本発明は、１次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明装置及び画像生成装置において、照明光の均一性を高め、画質等を向上させるための技術に関する。

固体レーザは高い出力を必要とする場合に使用され、その励起用光源として半導体レーザを用いる場合に、例えば、複数のエミッタ（放射源）を有するレーザアレイと、光学素子（マイクロレンズアレイ）を組み合わせた形態が知られている（例えば、特許文献１参照）。

レーザ光源及び光変調素子を用いた画像生成装置（プロジェクタやプリンタ等）への適用において、例えば、レーザ光源と、ビーム拡大器、空間光変調器等を備えるとともに、小型レンズアレイを有するフライアイ・インテグレータを用いた装置構成が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１８５７９２号公報特開２００３−９８４７６号公報

しかしながら、従来の構成にあっては、スペックル低減や照明光の均一性、レーザ光源の出力や効率面等に関して問題がある。

例えば、画像投射装置等への適用においては、レーザ光の干渉性が高いことに起因するスペックルノイズの低減対策が必要とされ、レンズアレイを用いたインテグレータ光学系等が用いられるが、光学的な位置設定や調整（アライメント）を高い精度で行う必要が生じたり、調整箇所が増えることに起因する安定性への影響等が問題となる。

また、干渉縞を充分に平均化することが困難であるか又はそのための構成や制御が複雑化する等の問題を抱えている。

そこで、本発明は、干渉に起因する照明ムラをなくして、照明光プロファイルの均一性を高めるのに有効な１次元照明装置及び画像生成装置の提供を課題とする。

本発明に係る１次元照明装置は、上記した課題を解決するために、１次元横マルチモード発振の固体レーザ共振器内に波長変換用素子を設けた１次元照明装置において、励起用光源としての半導体レーザと、共振器内のレーザ媒質及び上記波長変換用素子としての非線形光学結晶又は非線形光学素子を備え、上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子との間の光路上に凹面鏡を配置し、上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射し、真円を除く楕円状の横モードパターンでレーザ媒質を励起し、Ｍ^２値が７以上で横モード数が５０以上の発振により得られるビームを上記非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射して、線状光を出力し、上記線状光の横幅は上記レーザ媒質の側面幅がアパーチャーとなって決定され、上記線状光の縦幅が上記凹面鏡の曲率半径の選定により規定されるようにしたものである。

また、本発明に係る画像生成装置は、１次元横マルチモード発振の固体レーザ共振器内に波長変換用素子を設けた１次元照明光源と、該光源からの光を変調する１次元光変調手段と、該１次元光変調手段からの光を走査する光走査手段を備えた画像生成装置において、励起用光源としての半導体レーザと、共振器内のレーザ媒質及び上記波長変換用素子としての非線形光学結晶又は非線形光学素子を備え、上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子との間の光路上に凹面鏡を配置し、上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射し、真円を除く楕円状の横モードパターンでレーザ媒質を励起し、Ｍ^２値が７以上で横モード数が５０以上の発振により得られるビームを上記非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射することにより波長変換して線状光を出力し、１次元レンズアレイを用いたインテグレータ光学系を介して上記１次元光変調素子に照射し、上記線状光の横幅は上記レーザ媒質の側面幅がアパーチャーとなって決定され、上記線状光の縦幅が上記凹面鏡の曲率半径の選定により規定されるようにしたものである。

従って、本発明では、Ｍ²値が７以上で、横モード数が５０以上の線状ビームを用いることで、コントラスト（強度平坦部でのピーク−ボトム差の比率）を約１４％以下に低減し、均一性の高い１次元照明光（所謂トップハット形状の強度分布）を得ることができる。また、共振器中に非線形光学結晶又は非線形光学素子に配置し、高効率での波長変換が可能であり、連続発振が可能となる。

本発明によれば、高出力かつ高効率で均一性の高い線状ビームを得ることができ、しかも、そのためにＭ²値と多モードとの関係を利用しているので、装置構成の複雑化等の弊害を伴うことがなく、低コスト化に有利である。そして、インテグレータ光学系に関する調整精度の許容度を大きくすることができる（多少の位置変化等は許容される）ので、調整作業や経時変化等への対応が容易である。また、１次元光変調素子を用いた画像生成装置への適用において、光学素子等を用いたスペックルノイズの低減対策が不要となり、構成の簡素化や小型化等を実現することが可能である。

半導体レーザを用いてレーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射する形態（側面励起方式、所謂サイドポンプ）の採用は、高出力化の他、構成の簡単化及び部品点数の削減等に有効であり、Ｍ²値の設定に関して、レーザ媒質の側面幅がアパーチャー（開口）となって、線状ビームの横幅が規定される。

そして複数のレーザエミッタを１次元的に配列させた並列化光源（レーザアレイ）の使用によって、高出力化を実現することができ、該並列化光源とレーザ媒質との間に配置されるレンズアレイを用いることで、レーザ媒質に関する高効率での励起が可能となる。

また、並列化光源を用いてレーザ媒質を直接励起する形態では、部品点数を削減することができ、光学アライメントの不要化により工数削減に寄与する。その結果として低コスト化が図られ、また、品質管理面でも有効である。この場合、レーザ媒質に光閉じ込め手段を設け、励起光の閉じ込めにより効率を高めることが好ましい。

共振器内に配置される非線形光学素子については、周期分極反転構造を有する光学デバイスを用いる場合に、非線形光学定数が大きく、高い変換効率が得られる。また、ウエハープロセス技術による大量生産が可能であり、低コスト化に好適である。特に、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムを用いる場合には、光損傷に強く長期信頼性に優れた素子が得られ、波長変換効率が高いため、高出力の光を安定に得ることができる。また、レーザ媒質からの線状ビーム長（横幅）に対して素子の横幅（厚み方向及び光軸方向に直交する方向における幅）を大きくすることにより対応できるので、高出力化対策に有効である。

レーザ媒質と非線形光学結晶又は非線形光学素子との間の光路上に凹面鏡を配置した構成では、該凹面鏡の曲率半径の選定により、線状ビームの縦幅を規定することができる。

そして、非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いた第二高調波発生により、紫外光又は青色光又は緑色光の線状ビームを出力する形態において、例えば、希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置することにより、固体レーザ媒質からの高出力の赤外光に基づいて可視光（線状光）を得ることができる。

１次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明光源からの光を、１次元光変調素子によって変調するとともに、光走査によって２次元画像を生成する画像生成装置への適用において、光変調素子に係る１次元方向（長軸方向）と横マルチモードの方向を合わせることで、プロファイル変換の必要がなくなり、部品点数や光学調整箇所を削減できる。そして、回折格子型の１次元光変調素子（あるいは１次元空間変調素子）を用いる場合に要求される線状の照明光（つまり、素子の有効長に亘って広がり、かつ該素子の短軸方向には充分に集光された光）を該素子に対して照射することができ、性能や画質等の向上に有効である。そして、１次元レンズアレイを用いたインテグレータにおいて干渉ノイズの低減効果を充分に引き出すことが可能となる。

本発明は、１次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明装置及び画像生成装置に関するものであり、例えば、光変調素子を用いた画像表示装置（画像投射装置等）や描画装置、プリンタ等の画像出力装置、各種の加工装置等に適用することができる。

図１及び図２は、本発明に係る基本構成例を示したものである。

図１は、１次元光変調素子に対する１次元照明装置の構成例を示している。

１次元照明装置１を構成するレーザ光源は、１次元横マルチモードレーザであり、励起用光源２と、共振器３内のレーザ媒質４及び波長変換用素子５を備えている。

励起用光源２にはレーザや放電灯等が用いられるが、小型化や寿命等を考慮した場合に半導体レーザの使用が好ましい（全固体レーザ化が可能である。）。

レーザ媒質４には、希土類添加の固体レーザ材料が用いられ、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄、Ｙｂ：ＹＡＧ等が挙げられる。

波長変換用素子５を構成する非線形光学結晶又は非線形光学素子は、例えば、ＳＨＧ、ＴＨＧ（第三高調波発生）等の波長変換に用いられ、あるいは、和周波発生や光パラメトリック発振等に用いられる。使用材料には、ＫＴｉＯＰＯ₄、β−ＢａＢ₂Ｏ₄、ＬｉＢ₃Ｏ₅、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃や、ＰＰ−ＫＴｉＯＰＯ₄、ＰＰ−ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃、ＰＰ−ＭｇＯ：Ｓ−ＬｉＮｂＯ₃、ＰＰ−Ｓ−ＬｉＴａＯ₃等の非線形光学材料（例えば、電圧印加等による周期分極制御により周期分極反転構造をもつ）が挙げられる。尚、ここで「ＰＰ」は「Periodical Poling」、「Ｓ」は「Stoichiometric」を意味する。

非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いた波長変換用素子５を共振器中に配置することによって、共振器３の内部に閉じ込められる発振光のパワー密度が高く、高効率での波長変換が可能である。また、非線形光学結晶又は非線形光学素子を共振器３の外部に置くとパルス発振が必要となるが、共振器３の内部に配置する場合には、連続発振が可能である。

励起用光源２の出力する励起光がレーザ媒質４に照射され、楕円状の横モードパターンでレーザ媒質４が励起される。これによって得られる線状ビームは非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射され、波長変換された線状光が共振器３から出力される。本発明ではビームのＭ²値が７以上であって、横モード数が５０以上とされる。尚、Ｍ²値（あるいはＭ²因子）は横モードの品質を表すもので、ＴＥＭ00のガウシアンビームの場合に１である。

ビーム成形光学系６は共振器３に後段に配置された光学系でありインテグレータ光学系とエキスパンダー光学系を有する。

インテグレータ光学系は、周知のように、１次元方向に沿って複数のレンズエレメントを配列させた１次元レンズアレイ（フライアイ・レンズ）を用いて構成される（例えば、一対のレンズアレイを所定の空気間隔で配置した構成等。）。

また、エキスパンダー光学系は、１次元光変調素子７の長手方向（長軸方向）に拡がった線状照明光を得るために設けられており、例えば、集光レンズや視野レンズ等の光学素子を用いた構成が挙げられる。

ビーム成形光学系６を経て、図中に「Ｉ」で示す強度分布（一定範囲が平坦とされかつ裾野部分において強度が急峻に低下する、所謂トップハット形状の分布）をもって１次元光変調素子７への照明が行われる。

１次元光変調素子７は、図示しない駆動回路からの信号を受けて制御され、画像信号に基づいて光を変調する。

本発明の適用において１次元光変調素子の如何は問わないが、例えば、米国シリコン・ライト・マシン（ＳＬＭ）社が開発したグレーティング・ライト・バルブ（Grating Light Valve）素子を用いることができる。この素子は反射型回折格子を用いて構成され、多数の可動リボンが所定間隔をもって配置され、隣り合う可動リボンの間に固定リボンが配置されている。そして、共通電極と可動リボンとの間に駆動電圧を印加することによって可動リボンが移動し、入射光に対する回折格子が構成される。つまり、この状態（所謂ピクセルオン時）では１次回折光が発生し、また、可動リボンを動かさずに固定リボンに揃えた状態（所謂ピクセルオフ時）では１次回折光が発生しない（入射光に対する正反射のみである。）。特定の回折光を利用する構成により、高い回折効率をもって画像表示等に用いることができる（例えば、高階調の画像表示にはブレーズ型素子が好ましい。）。

上記構成において、例えば、励起用光源２に近赤外レーザを用いて、赤外共振器内にレーザ媒質４及び波長変換用素子５（ＳＨＧ素子）を配置した形態において、第二高調波発生により緑色又は青色の線状ビームを出力して、ビーム成形光学系６を経て１次元光変調素子７への照明を行うことができる。

線状ビームを形成するには、例えば、レーザダイオード等によって得られるスポットをラインジェネレータ（レンズ）で線状化にする方法も挙げられるが、それには高い位置精度を必要とする。これに対して、上記のように光励起段階から横長の線状ビームを用いる構成形態を採用することで光学素子を使わなくても済み、部品点数が削減され、光学アライメントが容易になる等の利点が得られる。

図２は、画像生成装置８の要部（１次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明光源を除く。）の構成例を概略的に示しており、プロジェクションシステムへの適用例を示している。

１次元光変調素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色にそれぞれ対応して設けられ、各色照明光を変調する光変調手段を構成している。これらの１次元光変調素子を用いて変調された光は、Ｌプリズム等の合成手段９によって混合された後に、後段の光学系１０、光走査手段１１を経てスクリーンＳＣＮ上に投影される。

光学系１０には、空間フィルターや投影系等が含まれ、１次元光変調素子を用いて変調された光は、例えば、シュリーレンフィルターに通されて１次回折光が選別される。

光走査手段１１は、光変調手段からの出力光を所定方向（図の矢印「ＳＳ」参照）に走査するものであり、回転反射鏡が用いられ、その反射光は前方のスクリーンＳＣＮに向けて照射される。尚、光走査については、ガルバノミラーやポリゴンミラー等を用いた各種形態が挙げられる。

スクリーンＳＣＮに対して投影される１次元像は、光走査によって２次元像に展開されて映し出される。

尚、本例に限らず、光走査系と投影系との位置関係を逆にして、光走査手段１１とスクリーンＳＣＮとの間に投影系を配置した形態等、光学要素の変更に関して各種形態での実施が可能である。

次に、１次元照明装置に関する具体的な構成について説明する。

励起方式については、例えば、下記に示す形態が挙げられる。

（Ａ）レーザ媒質に対してレーザ出力軸に沿う方向の端部に励起光を照射する端面励起方式（所謂エンドポンプ）
（Ｂ）レーザ媒質に対してレーザ出力軸に対して平行な側面部から励起光を照射する側面励起方式（所謂サイドポンプ）。

先ず、形態（Ａ）について説明する。

励起用光源として、例えば、発光領域幅の広いブロードエリアＬＤ（レーザダイオード）を用いて楕円状の横モードパターンでの励起を行う形態が挙げられ、この場合に単一又は複数のＬＤが用いられる。また、バーレーザ等の並列化光源とマイクロレンズアレイを用いて光励起を行う形態が挙げられる。

図３及び図４に示す構成例１２では、半導体レーザ（bar laser）、マイクロレンズを使ったコリメートレンズ、集光レンズ等を用いてレーザ媒質（ＹＶＯ等）に励起光を照射する。

図３は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図４は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており、ｘ軸が光軸に沿うように設定されている。

励起用光源を構成する並列化光源１３として、半導体レーザが用いられ、図５に示す例（１次元ＬＤアレイ）では、複数のレーザエミッタを１次元的に配列させたアレイ構造を有する。例えば、ＧａＡｌＡｓ（ガリウム・アルミニウム・砒素）の量子井戸構造のレーザダイオードを用いて波長８０８ｎｍ（ナノメートル）、４０Ｗ程度の出力を得ることができ、開口幅「ｗａ」のストライプ状エミッタ１３ａ、１３ａ、…が所定の間隔（図中の「ｄ」参照。）をもってｐｎ接合面に沿う方向に形成されている。各エミッタからほぼ楕円状をした横モードパターンの出力光が得られる。尚、光源部の長手方向のサイズ「Ｄ」は１０ｍｍ程度である。

多数のエミッタを並列化させることで、高出力化を実現でき、また、エミッタについては、発光領域幅が数十乃至数百μｍのブロードエリア構造を用いることが好ましい。

図３及び図４に示すように、半導体レーザアレイを構成する各エミッタの出力光線は、２つのコリメートレンズ１４、１５によって平行光線化される。例えば、独国ＬＩＭＯ社製のレンズユニットを用いることができる。このレンズユニットは、半導体レーザの「Fast Axis」、「Slow Axis」の各方向の発散をコリメートするシリンドリカルレンズを組み合わせて構成されており、その一方「Fast Axis Collimator」(FAC)が非球面シリンドリカルレンズとされ、他方「Slow Axis Collimator」(SAC)が、レーザアレイのエミッタ配列ピッチ及び発散角に合わせた球面シリンドリカルレンズアレイである。つまり、半導体レーザアレイに近い方のコリメートレンズ１４を「FAC」、他方のコリメートレンズ１５を「SAC」として、コリメートレンズ１４によって図４のｘ−ｙ平面において各エミッタの出力光線が集光されて平行化され、コリメートレンズ１５のマイクロレンズによって図３のｘ−ｚ平面内において各エミッタの出力光線が集光されて平行化される。尚、レーザダイオードの発散角に関して、ｘ−ｙ平面内ではｘ−ｚ平面内に比べて大きな発散角をもつが、各面について別個のシリンドリカルレンズを用いるので、出射ビーム径をそれぞれ独立に制御して所望のビーム形状にすることができる。また、レーザダイオードの発光領域が大きい場合において、非点収差が問題となるときには、その補正用として上記のシリンドリカルレンズを用いることが好ましい。

コリメートレンズ１４、１５を透過した光は後段の集光レンズ１６によって収束され、線状ビームとしてレーザ媒質１７の一端に照射される。

レーザ媒質１７の端面（反射面）又はこれに付設したミラー、反射手段（１８、１９、２０）を用いて構成される共振器内には、ＳＨＧ等による波長変換用に非線形光学結晶（又は非線形光学素子）２１が設けられている。

レーザ媒質１７と非線形光学結晶２１との間の光路上に配置されたミラー１８（平面鏡）、１９（凹面鏡）は、光路折り返し用の反射手段として設けられたものである。本例ではレーザ媒質１７の出力光がｘ軸方向に沿ってミラー１８に到達し、該ミラーにて反射された光がミラー１９に向かうように光路変更を受ける。そして、ミラー１９の反射光が非線形光学結晶２１を透過してミラー２０に到達して反射される。尚、反射手段（１８、１９）を用いた光路折り返しにより、装置サイズの小型化が可能である。

非線形光学結晶を用いたＳＨＧ素子の場合、ミラー１８、１９、２０は、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされる。そして、ミラー１９、２０から有効出力や後方出力（フォトダイオード等の光検出手段を用いてモニタリングされ、図示しない制御回路によって励起用光源の出力制御が行われる。）に係る光がそれぞれｘ軸に沿って反対方向に出射される。また、レーザ媒質１７の端面又は付設のミラーについては、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされ、入射光波長（励起光波長）に対して高透過率とされる。

光路折り返し用のミラー１８、１９において第二高調波（ＳＨＧ光）に対する反射率を最小とすることで迷光を低減できる。

以上のように、レーザダイオードを用いた励起光によって高効率が得られる。

複数のレーザエミッタを１次元的に配列させた並列化光源を用いる場合には、該並列化光源とレーザ媒質との間に配置されるレンズアレイを用いて、各レンズの光軸を各エミッタに対して空間的に一致させることにより高効率での励起が可能となる（特に、１次元横マルチモードの場合、レーザ発振光に対してレーザダイオードのビームパターンの形状が一致するため高効率化に有効である。）。

次に、上記形態（Ｂ）について説明する。

サイドポンプの採用は、構成の簡素化によって部品点数の削減やコスト低減に有効であり、光学的な調整箇所が少ない等の利点が得られ、例えば、下記に示す構成形態が挙げられる。

（Ｂ−１）並列化光源及び２つのコリメートレンズを用いる形態（図６、図７参照）
（Ｂ−２）並列化光源及び１つのコリメートレンズを用いる形態（図８、図９参照）
（Ｂ−３）コリメートレンズなしで並列化光源による励起光をレーザ媒質に直接照射する形態（図１０、図１１参照）。

図６及び図７に示す構成例２２では、半導体レーザ（bar laser）、２つのコリメートレンズを用いてレーザ媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ等）に励起光を照射する。

尚、図６は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図７は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており（共振器についてはレーザ媒質だけを示す。）、ｚ軸が共振器光軸に沿うように設定されている。

励起用光源を構成する上記並列化光源１３と、コリメートレンズ１４、１５を用いる点において、図３及び図４の構成例と同様であるが、下記の点で相違する。

・レーザ媒質１７の出力軸がｚ軸方向（長軸方向）に設定されており、並列化光源１３からの励起光がコリメートレンズ１４、１５によって平行化されてｘ軸方向からレーザ媒質１７に対して照射されること
・ｚ軸上に配置されるミラー１８及び２３がレーザ媒質１７を挟んで互いに反対側に位置されていること。

本例では、スラブ状結晶のレーザ媒質１７において、その長手方向（長軸方向）がレーザ発振方向とされ、並列化光源１３の出射光がコリメートレンズ１４、１５を透過して、レーザ媒質１７の側面（ｘ軸に直交する一方の側面）１７ａに照射される。つまり、並列化光源１３を構成するＬＤの各エミッタからの出力光は、コリメートレンズ１４によって図７のｘ−ｙ平面において集光され、コリメートレンズ１５のマイクロレンズによって図６のｘ−ｚ平面内において集光される。そして、コリメートされた平行光線がレーザ媒質１７の側面１７ａに垂直入射する。

尚、固体レーザ媒質として、例えば、ネオジウムイオンをイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ₃Ａl₅Ｏ₁₂）をドープしたＮｄ：ＹＡＧが挙げられる。その形状については板状のものや、長軸方向における端面が長軸に直交する平面に対して傾斜されて、ブリュースター角での入射条件が得られるように加工された形状が用いられる。

図６に示す反射手段（１８、１９、２０、２３）を用いて構成される共振器内には、ＳＨＧ等による波長変換用に非線形光学結晶（又は非線形光学素子）２１が設けられており、レーザ媒質１７の長軸方向（ｚ軸方向）における両端面からそれぞれ出射されるレーザ発振光の一方がミラー２３に到達して反対方向に反射され、他方の発振光がミラー１８に向けて出力される。

ｚ軸方向に沿ってミラー１８に到達した光は該ミラーで反射され、ミラー１９に向かうように光路変更を受ける。そして、ミラー１９の反射光が非線形光学結晶２１を透過してミラー２０に到達して反射される。

非線形光学結晶を用いたＳＨＧ素子の場合、ミラー１８、１９、２０は、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされ、第二高調波の波長に対して高透過率とされる。そして、ミラー１９、２０から有効出力や後方出力（モニタ光として励起用光源の出力制御に利用される。）に係る光がそれぞれ反対方向に出射される。また、ミラー２３については、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされる。

図８及び図９に示す構成例２４では、半導体レーザ（bar laser）と１つのコリメートレンズを用いてレーザ媒質に励起光を照射するが、並列化光源１３からの出射光が、コリメートレンズ１４を透過してレーザ媒質１７に照射される点において、上記構成例２２と相違する。

図８は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図９は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており（共振器についてはレーザ媒質１７だけを示す。）、ｚ軸が共振器光軸に沿うように設定されている。

本例では、コリメートレンズ１５を使わないため、ｘ−ｙ平面内においてのみコリメーションが行われる。

尚、共振器構成等については上記構成例２２の場合と同様である。また、本例では、非線形光学結晶２１がＳＨＧ素子である場合において、該素子から互いに反対方向に出射された光のうち、一方がモニタ光とされるが、これに限らず、例えば、ミラー２０を第二高調波光に対して高反射率とし、ミラー１９の透過光だけを取り出して図示しないコリメートレンズを介して平行化する構成が挙げられる。

図１０及び図１１に示す構成例２５では、半導体レーザ（bar laser）だけを用い、該レーザにレーザ媒質を近接させてコリメートレンズなしで励起光を照射する。

図１０は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図１１は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており（共振器についてはレーザ媒質だけを示す。）、ｚ軸が共振器光軸に沿うように設定されている。

本例では、並列化光源１３を用いてレーザ媒質１７を直接励起するため、コリメートレンズが一切不要であり、部品点数を削減できる。また、その光学アライメントが必要ないので作製工数の削減に有効である。

但し、並列化光源１３からレーザ媒質１７への照射光について、ｘ−ｙ平面内で比較的大きな発散角をもってレーザ媒質１７に入射される場合に、この光がレーザ媒質１７を透過して外部に漏れてしまうと効率低下の原因となる。

そこで、レーザ媒質１７に対して光閉じ込め手段を設けることが好ましく、例えば、該手段として下記に示す構成形態が挙げられる。

・全反射利用を利用する形態
・反射膜を形成する形態
・反射部材等を付設する形態。

例えば、レーザ媒質１７への入射光が、その内部で全反射されるように角度設定や研磨等を行う形態では、反射部材等の付加的な手段が不要である。また、レーザ媒質１７の外表面（ｚ軸に直交する端面を除く。）に反射膜を形成したり、反射部材を設ける形態では、レーザ媒質の内部に入射された光を、反射膜や反射部材での反射によって効率良く閉じ込めることができる。

図１１の丸枠の部分を拡大して右上に示す例では、レーザ媒質１７に対して反射手段（金属膜や金属製ミラー等）２６を用いた励起光の閉じ込めによって、高効率での光吸収が実現され、レーザ効率を向上させることができる。尚、共振器構成等については上記構成例２２の場合と同様である。

上記した（Ｂ−１）、（Ｂ−２）、（Ｂ−３）の順にコリメートレンズが１つずつ減り、これに従って構成が簡単になるが、（Ｂ−３）では、光閉じ込め手段が必要とされる。

以上のように、形態（Ｂ）によれば、簡易な構成であり、高出力化に適する。そして、励起光を分散できるため、排熱（レーザ媒質の放熱対策）が形態（Ａ）よりも容易であり、安定性の向上や長寿命化等に有利である。さらには、１次元マルチモード発振の場合、励起法の工夫によってエンドポンプ並みの効率を得ることが可能である。

上記（Ｂ−１）のように、レンズアレイによるコリメートを行う形態では、平行光での励起により、高効率のサイドポンプを実現することが可能である。発振モードサイズと励起光のサイズを一致させれば、１次元横モード発振においてエンドポンプの場合と同様の高効率発振が可能となる。

また、上記（Ｂ−２）では、ロッドレンズ（コリメータ）を用いて、ｘ−ｙ平面内でのコリメーションを行い、縦方向（ｚ軸方向）において発振モードサイズと励起光のサイズを一致させることができる。

上記（Ｂ−３）では、レンズを使わないので、部品点数やコストの削減等に有効である。

次に、１次元横マルチモード照明系において、Ｍ²値と横モード数、コントラストの関係について説明する。

１次元横マルチモードの場合に、Ｍ²値（以下、式中では「Ｍ２」と記す。）に対して、存在するモード数「ｍ」は、下式に示すように、およそＭ²値の二乗に等しい。

ここで、多モードから生じるコントラストを「Ｃ」と記すとき、これはスペックルコントラスト同様に、モード数ｍに対して、下式のように、ほぼその平方根の逆数となる。尚、この場合のコントラストＣは、「（ピーク値−ボトム値）／２」を平均値で割った値として定義される。

図１２は、横軸にＭ²値をとり、縦軸にコントラストをとって両者の関係を示したグラフである。

従って、Ｍ²値が７以上であれば、コントラストＣの値を約１４％以下にすることができる。つまり、コントラストが小さければ、その分、平坦な光量分布が得られることになる。

実際、図１３に示すプロファイル例３２では、Ｍ²値が約７のとき、利用率８５％を越える有効なトップハット形状が得られている。尚、図１３は、横軸に１次元光変調素子の長軸方向における位置（任意単位）をとり、縦軸に光強度（任意単位）をとって強度分布の一例を示したグラフ図である。

Ｍ²値の設定や制御については、レーザ媒質の幅又は共振器を構成するミラーの曲率等を設計上のパラメーターとして変更することにより実現できる。

図１４は、形態（Ｂ−３）に係る構成例２７を概略的に示した斜視図である。

図中に設定した３次元直交座標系については、矩形状をしたレーザ媒質１７のレーザ出力軸方向に延びる軸をｚ軸とし、該レーザ媒質１７の側面部への励起光の照射方向に沿う軸をｘ軸に選定し、ｚ軸及びｘ軸に直交する軸をｙ軸に設定している。

レーザダイオードアレイを用いた光源２８からの側方照射光によって共振器２９内のレーザ媒質１７（Ｎｄ：ＹＡＧ、ＹＶＯ等）の光励起が行われ、レーザ発振光が反射手段３０（平面鏡３０ａと凹面鏡３０ｂ）によって折り返されて線状ビームが非線形光学素子３１に照射される。

側面励起方式では、レーザ媒質の横幅がアパーチャーとなって、ビーム横幅が決まる。また、縦方向の幅については、共振器ミラー（凹面鏡３０ｂ）の曲率半径を選定することにより、そのサイズを決めることができる。

実験例では、Ｎｄ：ＹＡＧの横幅を３ｍｍとし、凹面鏡３０ｂの曲率半径を１００ｍｍとして設計した場合に、横幅３ｍｍ、縦幅０．４ｍｍのビームが形成され、縦横比で約１：７のビームにより、「Ｍ２≒７」を実現できることが確認されている。

また、図１５に示す別の構成例３３では、上記形態（Ｂ−２）を採用した場合に、Ｍ²値として１０以上の値が可能である。

並列化光源１３の出力するレーザ光は、コリメートレンズ１４を透過した後、反射鏡（赤外反射鏡）３４にて反射された上でレーザ媒質１７（Ｎｄ：ＹＡＧ）に側面から照射される。

共振器は、ミラー（平面鏡）２３、凹面鏡３５、ミラー（平面鏡）３６を用いて構成され、８０ｍｍの間隔をもって配置されたミラー２３、凹面鏡３５の間の光路上にレーザ媒質１７が配置されている。また、凹面鏡３５とミラー３６との間の光路上には、非線形光学素子（後述のＰＰＳＬＴ）３１が所定の距離（２６ｍｍ）をもって配置されている。

尚、ミラー２３、凹面鏡３５は、基本波に対して高反射率とされ、ミラー３６は基本波及び高調波に対して高反射率とされる。

レーザ媒質１７の出力する基本波は、曲率半径５０ｍｍの凹面鏡３５に入射角１０°で入射し、その反射光が非線形光学素子３１を透過してミラー３６で反射される。

非線形光学素子３１で発生する高調波は、凹面鏡３５を透過し、該凹面鏡から所定の距離（５．１ｍｍ）をもって位置されたコリメートレンズ（ｆ３０ｍｍ）３７によって平行化されて出力される。

本例では、レーザ媒質「Ｎｄ：ＹＡＧ」の横幅を５ｍｍとし、凹面鏡３５の曲率半径を５０ｍｍとした場合において、「Ｍ２≧１０」が可能である。

上記した各構成において、線状ビームが非線形光学素子３１を透過することにより、波長変換された線状出力光が得られる。該非線形光学素子３１には、例えば、周期分極反転構造を有する光学デバイスの使用が好ましい。従来の非線形光学結晶に比べて非線形光学定数が大きく、高い変換効率が得られるとともに、ウエハープロセス技術による大量生産が可能であるため、低コスト化に有利である。周期分極反転構造を有する非線形光学デバイス（ＳＨＧ素子等）への適用において、周期分極反転材料として、気相平衡法処理（ＶＴＥ：Vapor Transport Equilibration）された化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）を用いる場合には、光損傷に強く、長期信頼性に優れており、変換効率が高いデバイスが得られるので、数ワット以上の高出力光（ＳＨＧ光等）を安定に得ることができる。また、その横マルチモード方向と、スラブレーザの横マルチモード方向を一致させることで、横方向にパワースケーリングが可能である。

強誘電体材料を用いて気相平衡法処理される基板を加工して作製される光学デバイスについて、以下では、化学量論組成周期分極タンタル酸リチウム（ＬｉＴａ０₃）を例にして説明する。

製造プロセスとしては、概ね下記に示す工程を経て光学デバイスが作製される。

（１）ウエハー投入
（２）ＶＴＥ
（３）単分域化
（４）パターニング（電極形成等）
（５）周期分極反転（電圧印加による分極反転）
（６）切断・研磨・コート。

先ず、基板(結晶基板)を装置に投入して設定作業を行う。

ＶＴＥ工程では、例えば、原料粉末が充填された白金皿等をアルミナ容器に入れて、原料粉末上に基板を配置した後、原料粉末及び基板の周囲を白金るつぼで覆った状態とし、それらをアルミナ容器内に収容して、高温で所定時間加熱する。

そして、ＶＴＥによる高温処理を経た基板を取り出した後、所定温度で所定の電圧を印加することで単分域化し、リソグラフィーによるパターンニング工程で所定周期（数μｍ程度）の電極（アルミニウム電極等）を形成する。周期分極反転構造では、例えば、強誘電体の基板において分極周期パターンに一致する櫛状電極や格子状電極等を形成し、対をなす電極間（表裏面の電極対等）に所定の外部直流電圧を印加する。これによって、所要の分極反転周期をもったドメイン構造が実現される。

その後、研磨等の処理工程を経て基板上に形成された個々の素子部分が分離され、光学デバイス（ＳＨＧ素子等）が完成する。

周期分極反転材料を用いた基板厚は０．５乃至１ｍｍ程度とされ、厚い基板ではＶＴＥの処理時間が長くなる等の問題が生じるため、厚みには一定の限界があるが、基板幅（光線伝播方向及び厚み方向に直交する方向の幅）に限界はなく、横幅を充分に大きくすることが可能である。このことは、レーザ媒質から出力される線状ビームに対して、充分な横幅をもった非線形光学素子を配置できることを意味する。つまり、結晶光密度（単位面積当たりの光出力）の限界に対しては、基板の横幅を大きくすることができるので、幅方向へのビーム拡大に関して容易に対応することができ、高出力化に好適である（基板厚に一定の限界が課せられる場合には、基板の幅方向を拡げることが有効である。）。

このような非線形光学素子を用いたＳＨＧによって、紫外光又は青色光又は緑色光の線状ビームを出力する場合には、希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置する。固体レーザ媒質による高出力の赤外出力光が赤外共振器中の非線形光学素子に照射され、ＳＨＧにより可視光が得られる。例えば、希土類の発振波長により、光色（緑や青）のもととなる発振光を得ることができる（赤外波長１０６４ｎｍ、９１４ｎｍの場合、ＳＨＧ光の波長は、それぞれ５３２ｎｍ、４５７ｎｍである。）。

上記した１次元光変調素子への照明において、該変調素子の１次元方向（長軸方向）と横マルチモードの方向とを合わせることで、ラインジェネレータ等によるプロファイル変換を不要にすることができる。即ち、従来の構成では、固体レーザ出力であるガウシアンビームを、トップハット状に変換（プロファイル変換）する必要があったが、上記した構成では、プロファイル変換の必要がなく、部品点数を削減することができる。

また、例えば、回折格子型の１次元空間変調素子（グレーティング・ライト・バルブ素子等）への１次元照明に用いるビーム拡大系について各色共通の構成を用いることができる。つまり、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のビーム毎に異なる構成のビームエキスパンダを用いることは、構成の複雑化等の原因となるため、各色について同じ構成のビームエキスパンダを用いることが好ましく、上記の構成によれば、緑色や青色のビームに対して、赤色ビームの場合と同じ光学的構成を用いて、線状ビームを所定倍率（例えば、ビーム長を数ｍｍとし、変調素子の長手方向の有効長を数十ｍｍとした場合に、十乃至数十倍）で拡大して１次元光変調素子に照射することができる。例えば、４枚の平凸レンズと１枚の円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）を用いた既知の光学系が挙げられ、１次元光変調素子の長軸方向及び光軸方向を含む面内において、線状ビームを一旦集光してから、該長軸方向に拡大整形すれば良い。

１次元横マルチモードレーザ光源を用いた、回折格子型１次元空間変調素子への照明系を有する画像投射装置等への適用を想定した場合に、該素子への照明光に関して、１次元方向（変調素子の長軸方向）では集光特性の空間コヒーレンスに対する要求が厳しくないが、当該方向に直交する方向（変調素子の短軸方向）では所定幅（数十μｍ程度）にビームを絞るために高いコヒーレンスが要求される。上記した構成の照明光学系を採用することによって、そのような要求を満たすべく、変調素子の長軸方向（長手方向）において横マルチモードでの光励起によって１次元方向に拡がったビームを得るとともに、変調素子の短軸方向では、ほぼ回折限界まで絞り込んだ線状ビームを１次元光変調素子に照射することができる。

１次元照明光の強度分布について、均一性を高めるために前記１次元インテグレータ光学系を用いてビームを空間的に重ね合わせる方法が用いられるが、この場合に、横モード数が５０以上であることが重要である。つまり、モード数がこれより少ない場合には、インテグレータ光学系でのスペックル低減効果を充分に期待できなくなるか、あるいは光学アライメントに高い精度を要求される等の問題が生じてくる。

さらには、上記した照明光学系を複数用いることにより、複数本のビームを１次元的又は２次元的に配列させたマルチビーム構成（あるいはビームスタック構成）の採用は、スペックルノイズの低減等にとって有効である。

上記に説明した構成によれば、１次元横マルチモードで、高効率の照明が可能となり、スペックルノイズの低減に有効であって簡易な光学系で効率の良い１次元照明を実現することが可能となる。

本発明に係る１次元照明装置の構成例を示す説明図である。本発明に係る画像生成装置の構成例について要部を示す説明図である。図４とともに、本発明に係る１次元照明装置を例示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。図３とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。並列化光源としてレーザダイオードアレイを例示した斜視図である。図７とともに、本発明に係る１次元照明装置の別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。図６とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。図９とともに、本発明に係る１次元照明装置の別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。図８とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。図１１とともに、本発明に係る１次元照明装置の別例として、並列化光源からの光をレーザ媒質に直接照射する形態を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。図１０とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。Ｍ²値とコントラストとの関係を示したグラフ図である。プロファイル例を示すグラフ図である。本発明に係る１次元照明装置の構成例を示した斜視図である。本発明に係る１次元照明装置の構成の別例を示した図である。

符号の説明

１…１次元照明装置、２…励起用光源、３…共振器、４…レーザ媒質、５…波長変換用素子、７…１次元光変調素子、７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ…光変調手段、８…画像生成装置、１３…並列化光源、１３ａ…エミッタ、１７、１７Ａ、１７Ｂ…レーザ媒質、２１…非線形光学結晶、２９…共振器、３０ｂ…凹面鏡、３１…非線形光学素子、３５…凹面鏡

Claims

１次元横マルチモード発振の固体レーザ共振器内に波長変換用素子を設けた１次元照明装置において、
励起用光源としての半導体レーザと、共振器内のレーザ媒質及び上記波長変換用素子としての非線形光学結晶又は非線形光学素子を備え、
上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子との間の光路上に凹面鏡を配置し、
上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射し、
真円を除く楕円状の横モードパターンでレーザ媒質を励起し、Ｍ^２値が７以上で横モード数が５０以上の発振により得られるビームを上記非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射して、線状光を出力し、
上記線状光の横幅は上記レーザ媒質の側面幅がアパーチャーとなって決定され、上記線状光の縦幅が上記凹面鏡の曲率半径の選定により規定される
ことを特徴とする１次元照明装置。
請求項１に記載した１次元照明装置において、
上記励起用光源として、複数のレーザエミッタを１次元的に配列させた並列化光源を用いて上記レーザ媒質を直接励起する
ことを特徴とする１次元照明装置。
請求項２に記載した１次元照明装置において、
上記並列化光源と上記レーザ媒質との間の光路上にレンズアレイを配置した
ことを特徴とする１次元照明装置。
請求項１に記載した１次元照明装置において、
上記励起光が上記レーザ媒質を透過して外部に漏れないように上記レーザ媒質に励起光を閉じ込めるための光閉じ込め手段を設けた
ことを特徴とする１次元照明装置。
請求項１に記載した１次元照明装置において、
上記非線形光学素子が周期分極反転構造を有する
ことを特徴とする１次元照明装置。
請求項５に記載した１次元照明装置において、
上記非線形光学素子の基板作製に用いる材料が、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムである
ことを特徴とする１次元照明装置。
請求項１に記載した１次元照明装置において、
上記非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いた第二高調波発生により、紫外光又は青色光又は緑色光の線状ビームを出力する
ことを特徴とする１次元照明装置。
請求項７に記載した１次元照明装置において、
希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置した
ことを特徴とする１次元照明装置。
１次元横マルチモード発振の固体レーザ共振器内に波長変換用素子を設けた１次元照明光源と、該光源からの光を変調する１次元光変調手段と、該１次元光変調手段からの光を走査する光走査手段を備えた画像生成装置において、
励起用光源としての半導体レーザと、共振器内のレーザ媒質及び上記波長変換用素子としての非線形光学結晶又は非線形光学素子を備え、
上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子との間の光路上に凹面鏡を配置し、
上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射し、
真円を除く楕円状の横モードパターンでレーザ媒質を励起し、Ｍ^２値が７以上で横モード数が５０以上の発振により得られるビームを上記非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射することにより波長変換して線状光を出力し、１次元レンズアレイを用いたインテグレータ光学系を介して上記１次元光変調素子に照射し、
上記線状光の横幅は上記レーザ媒質の側面幅がアパーチャーとなって決定され、上記線状光の縦幅が上記凹面鏡の曲率半径の選定により規定される
ことを特徴とする画像生成装置。
請求項９に記載した画像生成装置において、
上記励起用光源として、複数のレーザエミッタを１次元的に配列させた並列化光源を用いて上記レーザ媒質を直接励起する
ことを特徴とする画像生成装置。
請求項１０に記載した画像生成装置において、
上記並列化光源と上記レーザ媒質との間の光路上にレンズアレイを配置した
ことを特徴とする画像生成装置。
請求項９に記載した画像生成装置において、
上記励起光が上記レーザ媒質を透過して外部に漏れないように上記レーザ媒質に励起光を閉じ込めるための光閉じ込め手段を設けた
ことを特徴とする画像生成装置。
請求項９に記載した画像生成装置において、
上記非線形光学素子が周期分極反転構造を有する
ことを特徴とする画像生成装置。
請求項１３に記載した画像生成装置において、
上記非線形光学素子の基板作製に用いる材料が、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムである
ことを特徴とする画像生成装置。
請求項９に記載した画像生成装置において、
上記非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いた第二高調波発生により、紫外光又は青色光又は緑色光の線状ビームを出力する
ことを特徴とする画像生成装置。
請求項１５に記載した画像生成装置において、
希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置した
ことを特徴とする画像生成装置。
請求項９に記載した画像生成装置において、
回折格子型の１次元光変調素子を用いる
ことを特徴とする画像生成装置。