JP5098803B2 - レーザ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディスプレイ用レーザ光源に用いるレーザ駆動装置に関する。

従来より、励起レーザ光を出射する半導体レーザとその励起レーザ光を基本波として所定波長のレーザ光に波長変換する非線形光学結晶の光波長変換素子とからなるレーザが知られている。

このような非線形光学結晶を用いたレーザは、非線形光学結晶の温度によって光出力が変化する。図３に、励起用の半導体レーザから一定の光を入射した時の非線形光学結晶の温度と光出力との関係を表す特性を示す。図３に示す通り、光出力が最大になる最適温度が存在するため、非線形光学結晶の温度がこの最適温度になるように温度制御する必要がある。

しかし、この非線形光学結晶の温度対光出力特性は、使用環境の変化や経年変化により変化する。

このような変化を考慮した制御方法として、光出力を一定に制御する場合、非線形光学結晶の温度が最適値からずれていると、光出力を一定にするために励起用の半導体レーザの出力を大きくするように制御され、その結果、駆動電流が大きくなる。この駆動電流の増加を検出して、この値が規定値になるように非線形光学結晶の温度を制御するという提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。

図４は従来のレーザ駆動装置の一例の構成を示すブロック図である。

図４において、１は励起レーザ光を出射する励起レーザとしての半導体レーザ１１とその励起レーザ光を基本波として所定波長のレーザ光に波長変換する光波長変換素子としての非線形光学結晶１２とからなるレーザ、２は半導体レーザ１１を駆動して励起レーザ光を出射させる駆動手段、３はレーザ１から出射された波長変換されたレーザ光の光出力を検出する光検出手段、４は光検出手段３から出力された光検出値と光出力目標値とを比較して制御値を算出し、駆動手段２に制御値を出力して、レーザ１から出射されたレーザ光の光出力が光出力目標値となるよう制御する光出力制御手段、５は駆動手段２のレーザ駆動電流を検出する電流検出手段、６は電流検出手段５からの電流検出値から温度設定値を求める動作温度設定手段、７は動作温度設定手段６で求めた温度設定値に一致するように非線形光学結晶１２の温度を制御する温度制御手段であり、温度制御手段７は、非線形光学結晶１２を加熱、冷却するための図示しないペルチェ素子、および非線形光学結晶１２の温度を検出する図示しない温度検出素子を含む。

つぎに、図４に示すレーザ駆動装置において、レーザ１の光出力が最大になるように非線形光学結晶１２の温度制御を行う動作について説明する。

まず、点灯開始時に、動作温度設定手段６は、前回の最後に設定された温度Ｔ０を初期温度設定値として温度制御手段７に与え、温度制御を開始させる。その際、レーザ１が目標の光出力を発生するように光出力制御手段４が動作し、動作温度設定手段６は、その時電流検出手段５が検出した電流検出値Ｉ０を記憶する。適宜の時間が経過した後、動作温度設定手段６は温度設定値を微小温度ΔＴだけ高温側に移動させ、その温度設定値Ｔ０＋ΔＴにて検出した電流検出値Ｉ１を記憶する。Ｉ１≦Ｉ０なら現在の温度設定値Ｔ０＋ΔＴを新たな温度設定値とする。反対にＩ１＞Ｉ０なら、Ｔ０よりも低い温度設定値Ｔ０−ΔＴに移動させ、そこでの電流検出値Ｉ２を記憶する。もしＩ２≦Ｉ０なら現在の温度Ｔ０−ΔＴを新たな温度設定値とする。反対にＩ２＞Ｉ０なら最初の温度設定値Ｔ０に戻す。以上の動作により、非線形光学結晶１２の温度対出力特性の経時変化があっても、常に最適の温度で動作させることが出来る。
特開２００１−１６８４３９号公報

ところで、非線形光学結晶からなるレーザは、例えば液晶ディスプレイのバックライト光源に有用であるが、液晶ディスプレイのバックライト光源に用いた場合は、ダイナミックな調光が必要になる。

しかし、図４に示すレーザ駆動装置を液晶ディスプレイのバックライト光源に用いた場合、ダイナミックな輝度調整のために頻繁に調光を行うことで、電流検出値が変化してしまい最適な温度設定値が決まらないという問題がある。また光出力を検出してその値が最大になるように温度を制御する方法では、調光時に光出力を変化させた時、光出力の最大値が決まらないので制御が困難という問題を有する。

ところで、励起レーザと非線形光学結晶を用いたレーザの調光を行う方法として、リニアに駆動電流を変化させる方法と、駆動電流をパルス幅変調（ＰＷＭ）する方法とがあるが、効率の観点から、ＰＷＭ駆動の方が有利である。その理由を説明する。

リニア駆動は励起レーザの駆動電流を調整して非線形光学結晶の光出力を制御する。図５にこの駆動方法の場合のレーザの入力電力と光出力との関係および入力電力と効率との関係を示す。励起レーザの光出力はほぼ入力電力に比例し、非線形光学結晶の光出力は励起レーザの光出力のほぼ２乗に比例するため、レーザの光出力は入力電力の概２乗に比例して増加し、効率は入力電力に対して概線形に増加することとなる。つまり、入力電力に対して効率が変化することになる。

次に図６にリニア駆動時のレーザの駆動電流に対する光出力および効率の関係を示す。励起レーザの駆動電圧はほぼ一定であるので、図６（ｃ）に示すとおり、入力電力は駆動電流にほぼ比例することになる。図６（ａ）は駆動電流と光出力との関係を示す。駆動電流に対して概２乗に比例して光出力が増加していき、励起レーザの光出力の飽和の影響でレーザの光出力は飽和していく。図６（ｂ）は駆動電流と効率との関係を示す。効率は駆動電流に比例して増加していき、励起レーザの飽和の影響で効率は低下していく。

これに対してＰＷＭによるパルス駆動は、振幅一定のパルス電流で励起レーザを駆動し、パルスのデューティを調整して非線形光学結晶の平均光出力を制御する。図７にこの駆動方法の場合のレーザの平均入力電力と平均光出力との関係および平均入力電力と効率との関係を示す。ＰＷＭ駆動時の振幅は一定であるので平均値はデューティで決まることになるため、平均光出力は平均入力電力に比例して増加し、効率は平均入力電力に対して一定になる。つまり、平均入力電力に対して効率は変化しないことになる。このように、ＰＷＭ駆動の場合は、非線形光学結晶が常に効率の高いところで動作する。

以上の通り、ダイナミックな調光動作を行う場合には、ＰＷＭ駆動の方が効率の点で有利であるため、ＰＷＭ駆動においても、非線形光学結晶を最適の温度で動作させる必要がある。

図３で、励起用の半導体レーザから一定の光を入射した時の非線形光学結晶の温度と光出力との関係を示したように、光出力が最大になる最適温度が存在するため、ＰＷＭ駆動の場合においても光出力が最大になるように常に温度制御する必要がある。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、ＰＷＭによるパルス駆動で調光した場合は、非線形光学結晶の温度が一定の場合、図７で示した様に効率がほぼ一定になることに注目し、効率に相当する値を検出してこの値が最大になるように温度制御することにより、ＰＷＭ駆動でダイナミックな調光動作を行う場合でも、非線形光学結晶を最適の温度で動作させることが出来るレーザ駆動装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のレーザ駆動装置は、励起レーザ光を出射する励起レーザと前記励起レーザ光を基本波として所定波長のレーザ光に波長変換する光波長変換素子とを含み、前記光波長変換素子で波長変換されたレーザ光を光出力として出射するレーザと、パルス電流で前記レーザの前記励起レーザを駆動する駆動手段と、前記レーザから出射されるパルス状の前記光出力の平均値を検出し光検出値として出力する光検出手段と、前記パルス電流の平均値に相当する値を検出し電流検出値として出力する電流検出手段と、前記光検出値と前記電流検出値とから単位電流当たりの光出力値を演算しその演算結果を効率値として出力する効率検出手段と、前記効率値を入力し、前記効率値が最大となるように温度設定値を導出する最大化制御手段と前記光波長変換素子の温度を前記温度設定値になるように制御する温度制御手段とを備えたものである。

また、前記パルス電流がパルス幅変調された電流であることを特徴とするものである。

また、さらに、前記光検出値と光出力目標値とを比較した比較結果に基づき前記パルス電流のパルス幅を変調するパルス幅変調手段を備えたものである。

また、前記比較結果を前記パルス電流の平均値に相当する値としたことを特徴とするものである。

また、本発明のレーザ駆動装置は、励起レーザ光を出射する励起レーザと前記励起レーザ光を基本波として所定波長のレーザ光に波長変換する光波長変換素子とを含み、前記光波長変換素子で波長変換されたレーザ光を光出力として出射するレーザと、パルス電流で前記レーザの前記励起レーザを駆動する駆動手段と、前記レーザから出射されるパルス状の前記光出力の振幅値を検出し効率値として出力する効率検出手段と、前記効率値を入力し、前記効率値が最大となるように温度設定値を導出する最大化制御手段と、前記光波長変換素子の温度を前記温度設定値になるように制御する温度制御手段とを備えたものである。

また、前記最大化制御手段は、予め、前記温度設定値に対する前記効率値の特性を保持し、この特性における前記効率値が最大となる前記温度設定値をＴｍとし、まず、前記Ｔｍよりも所定温度低いまたは高い温度設定値Ｔ１を出力し、その結果入力される効率値を前記特性に当て嵌めて得られる温度設定値をＴ２として、Ｔｍ＋（Ｔ１−Ｔ２）を前記効率値が最大となる温度設定値として導出することを特徴とするものである。

また、前記最大化制御手段は、まず現在の温度設定値Ｔ０に対する効率値Ｅ０を入力し、次に微小値ΔＴだけ変化させた温度設定値Ｔ０＋ΔＴを出力して効率値Ｅ１を入力し、Ｅ１とＥ０との比較結果に基づき、温度設定値をＴ０＋ΔＴに保持もしくはＴ０に戻して保持のいずれかにより、前記効率値が最大となる温度設定値を導出することを特徴とするものである。

また、前記最大化制御手段は、前記電流検出値が所定の値よりも大きいときに前記効率値が最大となるように温度設定値を導出し、それ以外のときに前記温度設定値を保持することを特徴とするものである。

また、前記最大化制御手段は、前記電流検出値が最大値に近いときに前記効率値が最大となるように温度設定値を導出し、それ以外のときに前記温度設定値を保持することを特徴とするものである。

また、前記最大化制御手段は、前記電流検出値の変動が小さいときに、前記効率値が最大となるように温度設定値を導出し、それ以外のときに前記温度設定値を保持することを特徴とするものである。

本発明のレーザ駆動装置によれば、調光時にも光出力が最大になるように非線形光学結晶の温度を制御することを可能にする。

以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図８にＰＷＭ駆動時の平均駆動電流と平均光出力および効率との関係を示す。半導体レーザの駆動電圧はほぼ一定であるので、図８（ｃ）に示すとおり、平均入力電力は平均駆動電流にほぼ比例することになる。図８（ａ）は平均駆動電流と平均光出力との関係を示す。平均駆動電流に対して比例して平均光出力が増加していく。効率は、図８（ｂ）に示すとおり、平均駆動電流に関わらず一定になる。

上記の効率は、非線形光学結晶を用いたレーザの光出力と励起用の半導体レーザに注入する入力電力との比である。半導体レーザの駆動電圧はほぼ一定であるので、入力電力は半導体レーザの駆動電流にほぼ比例する。従って、効率は、平均光出力／平均入力電力、すなわち平均光出力／平均駆動電流となり、単位平均駆動電流あたりの平均光出力は効率に比例した値となるので、この値が最大になるように温度制御すればよいことになる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図である。

図１において、１は励起レーザ光を出射する励起レーザとしての半導体レーザ１１とその励起レーザ光を基本波として所定波長のレーザ光に波長変換する光波長変換素子としての非線形光学結晶１２とからなるレーザ、２は半導体レーザ１１を駆動して励起レーザ光を出射させる駆動手段、３はレーザ１の光出力の平均値を検出した光検出値を出力する光検出手段、４は光検出手段３の光検出値が光出力目標値に一致するように制御値を出力する光出力制御手段、５は駆動手段２のレーザ駆動電流の平均値を検出した電流検出値を出力する電流検出手段、７は非線形光学結晶１２の温度を制御する温度制御手段、８は、光出力制御手段４からの制御値をＰＷＭによりパルス化して駆動手段２に出力するＰＷＭ発生手段、９は電流検出手段５で検出した電流検出値で光検出手段３で検出した光検出値を除算することにより単位平均電流当たりの平均光出力すなわち効率値を演算する効率検出手段、１０は効率検出手段９で得た効率値が最大になる様に温度設定値を求める光出力最大化制御手段である。

光出力制御手段４から出力される制御値をＰＷＭ発生手段８でパルス化し、駆動手段２を通して非線形光学結晶１２を用いたレーザ１をパルス駆動することにより、効率をほぼ一定に保てる。電流検出手段５でレーザ駆動電流の平均値を検出し、光検出手段３で光出力の平均値を検出し、これらの値を用いて、効率検出手段９で単位平均電流当たりの平均光出力を演算する。パルス駆動を行うことで、非線形光学結晶１２を用いたレーザ１の効率はほぼ一定になっているので、単位平均電流当たりの平均光出力値すなわち効率値は光出力目標値の値に関わらず、ほぼ一定になる。そこでこの効率値が最大になるように光出力最大化制御手段１０で温度設定値を求め、非線形光学結晶１２の温度がこの設定値になるように温度制御手段７で温度制御する。以上の動作により、光出力目標値の大小に関わらず、その時の光出力目標値に対して光出力が最大になるような動作をさせることができる。

光出力目標値と光検出値との偏差より非線形光学結晶１２を用いたレーザ１の光出力を制御する光出力制御手段４からの制御値を、ＰＷＭ発生手段８によりパルス化して非線形光学結晶１２を用いたレーザ１をパルス駆動する。パルス駆動時は効率がほぼ一定になるので制御値が変化して平均光出力が変化してもその時の非線形光学結晶１２の温度に応じた効率でほぼ一定になる。光検出手段３で検出した平均光出力を電流検出手段５で検出した平均駆動電流で除算した値は、効率にほぼ比例した値となるので、効率検出手段９でこの値を求め、光出力最大化制御手段１０でこの値が最大になるような温度設定値を求めて、温度制御手段７にて非線形光学結晶１２を温度制御することにより、効率最大、つまり任意の光出力目標値を与える調光時にも、光出力が最大になるように温度制御することができる。

つぎに、光出力最大化制御手段１０の動作について図２を用いて説明する。非線形光学結晶１２の温度に対する光出力の特性は、図３で説明したとおり、光出力が最大となる温度が存在するが、この温度は経時変化する。その様子を図２に示す。

図２は、図３の光出力が最大となる付近を拡大したもので、横軸が図３の温度に対応する光出力最大化制御手段１０の出力の温度設定値を、縦軸が図３の光出力に対応する効率検出手段９の出力の効率値を、実線の特性が初期特性を、破線の特性が実特性をそれぞれ表す。また、初期特性の効率値の最大値をＥｍ、そのときの温度設定値をＴｍとする。

光出力最大化制御手段１０は、予め図２の実線で示す初期特性を記憶しておく。そして、本レーザ駆動装置の電源投入時等に、Ｔｍよりも所定温度低い、または高い設定温度Ｔ１を出力する。その結果入力される効率値Ｅ１を得る。このＥ１を初期特性に当て嵌めて得られる温度設定値Ｔ２を求め、このＴ１とＴ２の差をＴｍの経時変化分Ｔｄと見做し、それをＴｍに加算した温度設定値Ｔを、効率値が最大になる温度設定値として、温度制御手段７に出力する。

以上のようにして、光出力最大化制御手段１０が求めた温度設定値によって、温度制御手段７が非線形光学結晶１２を温度制御することにより、任意の光出力目標値を与える調光時にも光出力が最大になるように温度制御することができる。

ところで、光出力目標値が小さい範囲では、レーザ駆動電流のパルス幅が狭くなるため、パルスの立ち上がりや立ち下がり傾斜の影響などにより、図８（ｂ）に示すように、平均駆動電流の小さいところで効率が下がることがある。その結果、光出力を最大にするための制御が不安定になることがある。これを避けるため、光出力最大化制御手段１０は、電流検出手段５からの電流検出値を入力し、その値が所定の値よりも小さい範囲では、制御動作を行わず、前の値を保持するようにしている。

また、電流検出値の変動が大きい場合も、制御が不安定になることがあるため、電流検出値の変動が大きい場合に制御動作を行わないようにしてもよい。

また、電流検出値の値が大きくなるほど、制御は安定するため、電流検出値が最大値に近いときに制御を行うようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、電流検出手段５が駆動手段２の平均駆動電流を検出するようにしているが、その代わりに光出力制御手段４から出力される制御値を検出するようにしてもよいし、ＰＷＭ発生手段８もしくは駆動手段２の出力のデューティ比を検出するようにしてもよいし、また、レーザ１の光出力のデューティ比を検出するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、効率検出手段９が光検出値を電流検出値で除算して効率値を求めているが、その代わりに、レーザ１の光出力のパルス振幅値をサンプリングしたものを効率値としてもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の構成は、図１に示す実施の形態１の構成と同じであるが、光出力最大化制御手段１０の動作が異なる。本実施の形態における光出力最大化制御手段１０の動作は、図４に示す動作温度設定手段６の動作と似ている。以下、その動作について説明する。

光出力最大化制御手段１０は、まず現在の温度設定値Ｔ０に対する効率値Ｅ０を入力する。次に微小値ΔＴだけ高温に変化させた温度設定値Ｔ０＋ΔＴを出力して効率値Ｅ１を入力する。Ｅ１がＥ０より大きい場合は、温度設定値をＴ０＋ΔＴに保持する。Ｅ１がＥ０より小さい場合は、微小値ΔＴだけ低温に変化させた温度設定値Ｔ０−ΔＴを出力して効率値Ｅ２を入力する。Ｅ２がＥ０より大きい場合は、温度設定値をＴ０−ΔＴに保持する。Ｅ２がＥ０より小さい場合は、温度設定値をＴ０に戻して保持する。以上の動作により、光出力最大化制御手段１０は、効率値が最大となる温度設定値を温度制御手段７に出力する。

以上のようにして、光出力最大化制御手段１０が求めた温度設定値によって、温度制御手段７が非線形光学結晶１２を温度制御することにより、任意の光出力目標値を与える調光時にも光出力が最大になるように温度制御することができる。

本発明は、半導体レーザから出力されたレーザ光を波長変換して所望のレーザ光を生成するレーザ駆動装置において効率の高い駆動が可能であるためレーザ駆動装置の分野において有用である。

本発明の実施の形態１に係るレーザ駆動装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１に係るレーザ駆動装置の動作を示す説明図 波長変換素子を用いたレーザの光出力の温度依存性の説明図 従来のレーザ駆動装置の一例の構成を示すブロック図 リニア駆動時の駆動電流に対する光出力特性の説明図 リニア駆動時の駆動電流に対する光出力特性の説明図 ＰＷＭ駆動時の平均入力電力に対する光出力特性の説明図 ＰＷＭ駆動時の平均駆動電流に対する光出力特性の説明図

符号の説明

１ レーザ
２ 駆動手段
３ 光検出手段
４ 光出力制御手段
５ 電流検出手段
６ 動作温度設定手段
７ 温度制御手段
８ ＰＷＭ発生手段
９ 効率検出手段
１０ 光出力最大化制御手段

Claims (10)

1. 励起レーザ光を出射する励起レーザと前記励起レーザ光を基本波として所定波長のレーザ光に波長変換する光波長変換素子とを含み、前記光波長変換素子で波長変換されたレーザ光を光出力として出射するレーザと、
   パルス電流で前記レーザの前記励起レーザを駆動する駆動手段と、
   前記レーザから出射されるパルス状の前記光出力の平均値を検出し光検出値として出力する光検出手段と、
   前記パルス電流の平均値に相当する値を検出し電流検出値として出力する電流検出手段と、
   前記光検出値を前記電流検出値で除算した値を効率値として出力する効率検出手段と、
   前記効率値を入力し、前記効率値が最大となるように温度設定値を導出する最大化制御手段と
   前記光波長変換素子の温度を前記温度設定値になるように制御する温度制御手段とを備えたレーザ駆動装置。
2. 前記パルス電流がパルス幅変調された電流であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動装置。
3. さらに、前記光検出値と光出力目標値とを比較した比較結果に基づき前記パルス電流のパルス幅を変調するパルス幅変調手段を備えた請求項２に記載のレーザ駆動装置。
4. 前記比較結果を前記パルス電流の平均値に相当する値としたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ駆動装置。
5. 励起レーザ光を出射する励起レーザと前記励起レーザ光を基本波として所定波長のレーザ光に波長変換する光波長変換素子とを含み、前記光波長変換素子で波長変換されたレーザ光を光出力として出射するレーザと、
   パルス電流で前記レーザの前記励起レーザを駆動する駆動手段と、
   前記レーザから出射されるパルス状の前記光出力の振幅値を検出し効率値として出力する効率検出手段と、
   前記効率値を入力し、前記効率値が最大となるように温度設定値を導出する最大化制御手段と、
   前記光波長変換素子の温度を前記温度設定値になるように制御する温度制御手段とを備えたレーザ駆動装置。
6. 前記最大化制御手段は、予め、前記温度設定値に対する前記効率値の特性を保持し、この特性における前記効率値が最大となる前記温度設定値をＴｍとし、まず、前記Ｔｍよりも所定温度低いまたは高い温度設定値Ｔ１を出力し、その結果入力される効率値を前記特性に当て嵌めて得られる温度設定値をＴ２として、Ｔｍ＋（Ｔ１−Ｔ２）を前記効率値が最大となる温度設定値として導出することを特徴とする請求項１または請求項５に記載のレーザ駆動装置。
7. 前記最大化制御手段は、まず現在の温度設定値Ｔ０に対する効率値Ｅ０を入力し、次に微小値ΔＴだけ変化させた温度設定値Ｔ０＋ΔＴを出力して効率値Ｅ１を入力し、Ｅ１とＥ０との比較結果に基づき、温度設定値をＴ０＋ΔＴに保持もしくはＴ０に戻して保持のいずれかにより、前記効率値が最大となる温度設定値を導出することを特徴とする請求項１または請求項５に記載のレーザ駆動装置。
8. 前記最大化制御手段は、前記電流検出値が所定の値よりも大きいときに前記効率値が最大となるように温度設定値を導出し、それ以外のときに前記温度設定値を保持することを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動装置。
9. 前記最大化制御手段は、前記電流検出値が最大値に近いときに前記効率値が最大となるように温度設定値を導出し、それ以外のときに前記温度設定値を保持することを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動装置。
10. 前記最大化制御手段は、前記電流検出値の変動が小さいときに、前記効率値が最大となるように温度設定値を導出し、それ以外のときに前記温度設定値を保持することを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動装置。