JP5113668B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源から出射された光を光ファイバに結合して出力するレーザ装置に関する。

表示装置には、自ら発光する有機発光表示装置やプラズマ表示装置等の発光型表示装置と、液晶表示装置等の自ら発光することができず別の光源を必要とする受光型表示装置とがある。一般的な液晶表示装置は、電界生成電極が具備された２個の表示板と、その間にある誘電率異方性を有する液晶層とを含む。電界生成電極に電圧を印加して液晶層に電場を生成し、電圧を変化させてこの電場の強度を調節することでライトバルブを形成し、液晶層を通過する光の透過率を調節して所望する画像を得る。この光には、別途具備された人工のバックライト光源が使われることが一般的である。

液晶表示装置用のバックライト光源としては、液晶パネルの後面で液晶パネル全体に均一に光を照射する冷陰極管蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）等を使用するケースが多い。通常、導光板側面から入射されたＣＣＦＬの光は、導光板前面から略均一な光を出力して、液晶パネルの背面を照射するエッジライト型や、ＣＣＦＬを液晶パネル背面に複数本配列し、拡散板を通して液晶パネルを直接照射する直下型が、一般的である。

ところで近年、環境問題や省電力の観点から水銀を使用しない、より消費電力の少ない光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザを光源とした画像表示装置の開発が進められている。特にレーザは、消費電力の低さのみならず、画像表示装置用光源として用いた場合、色再現範囲の広さ等画質上の観点からも、画像表示装置に最適な光源と言える。

一方で、液晶テレビを簡便に、また薄型に構成するために、一般にはライトボックスや導光板が用いられている。このライトボックスや導光板を用いたバックライト装置が様々に提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２を参照）。

例えば、特許文献１では、レーザ光の単色性、偏光性、及び直進性を利用して、レーザ光をホログラムミラーで線状に反射してライトボックス内に入射させ、ハーフミラーアレイで平面状に照射するシステムが提案されている。

また、特許文献２では、導光板の左右に光源をアレイ状に配置し、導光板底面に設けた三角形状により、平面状に照射するシステムが提案されている。これらのシステムでは光源に偏光方向の揃ったレーザ光を用いた場合、偏光を維持することで、無偏光の場合と比較して、高効率なバックライトを構成できるという利点がある。
特開２００２−１６９４８０号公報 特開２００６−２０２７０３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のホログラムミラーを用いてレーザ光を反射させたシステムでは、レーザ光源として例えばＲＧＢの三原色を用いた場合には、色毎にホログラムミラーでの反射方向が違うことで、最終的に導光板から出射される光の分布に色ムラが生じる可能性がある。また、平面のホログラムミラーで反射したレーザ光の光量分布は、レーザ光のプロファイルをそのまま反映することになる、よって、例えばガウシアン形状を持つレーザ光であれば、導光板中央部の輝度が上昇することになり、不均一な輝度しか得られなくなり、都合が悪い。

また、一般に、ホログラムミラーの反射率は、波長によっては回折効率が低く、どうしても光量ロスが生じる。さらには、レーザ光を二次元に立ち上げる構成にハーフミラーが用いられていることから、ハーフミラーの反射率誤差が輝度分布に反映され、さらには各ハーフミラーで反射されたレーザ光の分布にも、そのまま光源の光量分布が反映される。従って、ハーフミラーのピッチで、光源プロファイルの輝度ムラが生じることになる。また、大面積を薄型に照射する場合には、透過特性を微妙に違えた多数のハーフミラーが必要になり、製造上非常に困難で高コストになる等、課題も多く現実性が極めて乏しい。

また、上記特許文献２に記載の導光板側面に光源をアレイ状に配置するシステムでも、やはり光源のプロファイルがそのまま導光板内で立ち上げられ、複数の光源のプロファイルが足し合わせられたような輝度ムラが生じることになる。また、特許文献２の光源としてレーザを用いた場合は、その直進性から導光板に入射したレーザ光はそのまま入射した側の導光板側面の逆側の側面に到達してしまい、透過して損失してしまう。又は、反射部材等で折り返した場合でも、水平に伝播するレーザ光はそのまま反射しながら長距離を伝搬し続け、導光板の吸収により光量ロスとなる。逆に、導光板入口付近で拡げて入射した場合には、入口付近の輝度が上昇してしまい輝度ムラとなってしまう等、このシステムでも問題点を多く残している。

それ故に、本発明の目的は、ディスプレイ用光源として、ビーム品質が良く、高結合効率で、均一な輝度を持ち、色ムラもほとんどなく、少ない部品点数で安価に実現できるレーザ装置を提供することである。

本発明は、レーザ光を光ファイバから出力するレーザ装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の一態様のレーザ装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を光ファイバに結合させる光学部品と、光学部品を保持するアクチュエータと、アクチュエータを駆動して光学部品の位置を制御する制御装置とを備える。光ファイバから出力されるレーザ光をモニターする受光器を備えれば、制御装置は、受光器によるモニターの結果に従って、アクチュエータを駆動して光学部品の位置を制御できる。

光学部品には、結合レンズや拡散素子が適している。典型的なレーザ光源は、ファイバレーザから発せられるレーザ光を基本波とし、基本波を非線形光学素子により波長変換して得られたレーザ光を出射する。

制御装置は、レーザ光源が点灯している期間に、１００〜１ｋＨｚの周波数でアクチュエータを振動させることが好ましい。また、制御装置は、受光器で受光される光強度に基づいて、光学部品の位置を移動させて、光ファイバへのレーザ光入射位置を決定する。なお、アクチュエータとして電磁アクチュエータが考えられる。

また、レーザ光源から発せられるレーザ光のＭ²値が２以下であることが好ましい。レーザ光源が半導体レーザである場合には、半導体レーザ光源から出射されるレーザ光は、活性層に対して垂直又は水平のいずれか一方向あるいは両方のＭ²値が２以下であることが好ましい。

なお、光ファイバのコア部分に散乱部を設けて空間光強度分布を均一化させてもよい。
また、ファイバコアの中心からファイバコアとクラッドとの境界までの距離をｒとすると、入射するレーザ光のビーム半径をωとした場合、光ファイバへレーザ光を結合させる集光位置を０．２５（ｒ−ω）〜０．７５（ｒ−ω）の範囲に設計することが望ましい。また、光ファイバは、長さが１０ｍ以上かつ直径が１５０ｍｍ以下でコイルされているか、長さが１０ｍ〜２５ｍの範囲である。この光ファイバはコネクタによって着脱可能であってもよい。

液晶表示パネルと液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備えた液晶表示装置において、バックライト照明装置として本発明のレーザ装置を用いることができる。

上記本発明によれば、ビーム品質が良く、高結合効率で、均一な輝度を持ち、色ムラもほとんどなく、少ない部品点数で安価なレーザ装置が実現可能となる。

以下、本発明の実施形態に係るレーザ装置について、図面を参照しながら説明する。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置１００の構成を示す図である。図１のレーザ装置１００は、ファイバレーザ１０１と、ダイクロイックミラー１０６及び１０７と、集光レンズ１０８と、非線形光学素子１０９と、コリメートレンズ１１１と、受光器１１２と、ビームスプリッタ１１３と、結合レンズ１１４と、アクチュエータ１１８と、電源装置１１６と、制御装置１１７と、コネクタ１１５と、伝搬ファイバ１２６とを備える。

第１の実施形態に係るレーザ装置１００は、ファイバレーザ１０１で発生したレーザ光を基本波とし、非線形光学素子１０９を用いて波長変換して第２高調波を発生させることにより得られた緑色レーザ光を使用している。これにより、例えば、液晶パネルの照明用としてレーザ装置１００を利用することができる。

ファイバレーザ１０１は、励起用レーザ光源１０２、Ｙｂ（イッテルビウム）ドープファイバ１０３、及び共振ミラーの役割を果たすファイバグレーティング１０４ａ及び１０４ｂで構成されている。Ｙｂドープファイバ１０３は、偏波保持・ダブルクラッドファイバであることが望ましく、またレーザ共振器内には基本波の偏光方向を単一偏光にする単一偏光化機構を具備していることが望ましい。

ファイバレーザ１０１から出射された基本波１０５は、ダイクロイックミラー１０６及び１０７を経て、集光レンズ１０８によって非線形光学素子１０９へ集光される。本実施形態では、非線形光学素子１０９に分極反転構造を持つＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃結晶素子を使用した。この分極反転構造ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃結晶素子を使用することにより、基本波から第２高調波である緑色レーザ光への変換効率を大幅に高めることができる。

非線形光学素子１０９で発生した第２高調波１１０は、コリメートレンズ１１１によって平行光となり、結合レンズ１１４を通して伝搬ファイバ１２６へ結合される。また、この第２高調波１１０は、ビームスプリッタ１１３で反射されて受光器１１２でモニターされる。伝搬ファイバ１２６は、コネクタ１１５によってレーザ装置１００に接続されている。

本発明では、結合レンズ１１４がアクチュエータ１１８で保持されていることが特徴である。このアクチュエータ１１８は、ムービングコイル型の電磁アクチュエータであり、制御装置１１７の制御に従って振動する。また、励起用レーザ光源１０２は、電源装置１１６及び制御装置１１７で駆動されている。この結合レンズ１１４を、拡散素子に代えてもよい。

図２は、液晶パネルのバックライト光源にレーザ装置１００を使用した液晶ディスプレイ３００の構成例を示す図である。図２の液晶ディスプレイ３００は、レーザ装置１００、伝搬ファイバ１２６、コリメートレンズ３０１、導光板３０２、第１の拡散板３０３、第２の拡散板３０４、液晶パネル３０５、第１の偏光フィルタ３０６、カラーフィルタ３０７、及び第２の偏光フィルタ３０８から構成されている。

レーザ装置１００から出射されたレーザ光は、伝搬ファイバ１２６にカップリングされて、導光板３０２の近傍まで導光される。伝搬ファイバ１２６から出射したレーザ光は、コリメートレンズ３０１によって略平行光に変換され、図示しない偏光ビームスプリッタ、１／２波長板、及びリデューサによって偏光方向が揃えられた後、導光板３０２に入射される。導光板３０２に入射されたレーザ光は、導光板３０２に設けられたビーム変換部で二次元に変換された後、第１及び第２の拡散板３０３及び３０４を透過し、第１の偏光フィルタ３０６にて所定の偏光方向のみが透過する。その後、液晶パネル３０５を透過して、画素毎に所定の光量で透過した後に、カラーフィルタ３０７を透過してＲＧＢ各色に該当する箇所を透過させた後、第１の偏光フィルタ３０６とクロスニコルに配置した第２の偏光フィルタ３０８とを経由して、所望の画像が得られるという仕組みになっている。このとき、伝搬ファイバ１２６からの出射ビームの強度分布によっては、液晶パネルを照明するレーザ光の強度がパネル面内で均一でない状態、つまり輝度ムラが発生する。

従来のレーザ装置２００の構造を図１８に示す。従来のレーザ装置２００では、レーザ光源２０１から出射されたレーザ光２０５は、ダイクロイックミラー２０６及び２０７を経て結合レンズ２１４で伝搬ファイバ１２６へ結合される、という構造である。この場合、従来のレーザ装置２００から発せられる光は、横モードがマルチモードで、ビーム品質（Ｍ²値）も５以上とかなり悪いものであり、ファイバ端面１２６ａでは伝搬ファイバ１２６のコア径より大きな径に絞ることしかできなかった。そのため、伝搬ファイバ１２６への結合効率は低いが、伝搬ファイバ１２６のコア位置が多少ずれていても結合効率はおおむね７０％±５％前後で安定していた。

図１９Ａは、従来のレーザ装置２００に伝搬ファイバ１２６のサンプル１〜８を接続した場合の、結合効率バラツキをプロットした図である。横軸は結合効率を示しており、縦軸にはそれぞれ伝搬ファイバ１２６のサンプル名を示している。ファイバ端面１２６ａには無反射コート等は施していないため、端面反射ロス以外のロスがない状態で９４％〜９５％の結合効率が得られる計算である。図１９Ａの結果から、結合効率は、最も低いサンプル６（図中の△で示す）から最も高いサンプル７（図中の○で示す）まで、７０±５％程度のバラツキとなっている。

一方、本実施形態のファイバレーザ１０１と非線形光学素子１０９とを組み合わせた構成の場合、Ｍ²値は２以下（概ね１．５以下）と高いビーム品質のレーザビームが得られる。本実施形態の構成では、ビーム品質が高い故、非線形光学素子１０９による波長変換効率も大きくすることができるという特徴を併せ持っている。しかしながら、本実施形態におけるレーザ装置１００を使用した場合、ファイバ端面１２６ａでの集光ビーム径を小さくすることができるため、伝搬ファイバ１２６への結合効率も向上することができる反面、伝搬ファイバ１２６のコア位置ずれの影響を受けやすい。

図１９Ｂは、本実施形態に係るファイバレーザ１０１と非線形光学素子１０９とを組み合わせたレーザ装置１００を伝搬ファイバ１２６のサンプル１〜８に結合させた場合の、結合効率バラツキをプロットした図である。最も高い結合効率は９０％以上あり従来のレーザ装置２００よりも良好であるが、最も低い結合効率は６７％と従来のレーザ装置２００と同程度の結合効率であり、バラツキが非常に大きくなっていることが分かる。このように、本実施形態に係るレーザ装置１００では、伝搬ファイバ１２６のコア位置がビーム集光位置とずれていると結合効率が低下する。この原因としては、ファイバ自身の製造誤差とファイバの先端にコネクタを取り付けるときに生じる位置誤差によるものと分かっている。

本実施形態では、上述したコア位置が変位することによる結合ロス低下を抑制するために、アクチュエータ１１８に保持された結合レンズ１１４を用いる。伝搬ファイバ１２６をファイバレーザ１０１に接続した際、伝搬ファイバ１２６から出射するレーザ光の強度をモニターしながら、結合レンズ１１４をアライメントする機構を有していることが特徴となる。
以下、その結合レンズ１１４をアライメントするレーザ光結合位置補正機構について説明する。

図３は、レーザ光結合位置補正機構５０１の構成とその周辺部を模式的に示した図である。レーザ光結合位置補正機構５０１は、受光器１１２、ビームスプリッタ１１３、結合レンズ１１４、アクチュエータ１１８、及び制御装置１１７で構成されている。

非線形光学素子１０９から出射された第２高調波１１０は、受光器１１２でモニターされる。制御装置１１７は、受光器１１２によるモニターの結果に基づいて、第２高調波１１０の出力が一定となるように、励起用レーザ光源１０２（図５では図示せず）の出力を制御する。一方、伝搬ファイバ１２６を通過したレーザ光も、受光器５０３でモニターされる。この伝搬ファイバ１２６を通過した後の光量を元にして、結合レンズ１１４の位置が最適になるようにアクチュエータ１１８で制御を行う。

図４Ａ及び図４Ｂでは、伝搬ファイバ１２６のコア位置が紙面で下方向に変位している場合の補正方法を説明している。
図４Ａに示す結合レンズ１１４が中心位置（初期位置）にある場合、結合レンズ１１４で集光される集光点は、伝搬ファイバ１２６のコア上部にある。このとき、アクチュエータ１１８により結合レンズ１１４の位置を下側にシフトすることで、集光位置も下側にシフトすることができる。コネクタ付きファイバの製作バラツキは±５μｍ程度であり、レンズ位置の調整マージンは±１０μｍ程度である。この方法での変位量は±１５μｍ程度であるので、十分対応できる。

図５は、制御装置１１７の内部構成の一例を示す図である。
制御装置１１７は、伝搬ファイバ１２６へ入射するレーザ光の強度を測定する受光器１１２からの信号と、伝搬ファイバ１２６から出射されるレーザ光の強度を測定する受光器５０３からの信号とを、デジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ６０１、Ａ／Ｄコンバータ６０１でデジタル値に変換された信号６０５ａ及び６０５ｂを処理するＭＰＵ６０３、処理した数値を保存しておくレジスタ６０４、及びアクチュエータ１１８への駆動信号６０６ａをデジタル値からアナログ電圧値へ変換するＤ／Ａコンバータ６０２から構成されている。

図６は、レーザ光結合位置補正機構５０１が行うレンズ位置調整時の補正アルゴリズムを説明する図である。
まず、レーザ装置１００のコントロールパネルを介して、ファイバアラインの指示を入力する。この際、伝搬ファイバ１２６の出口には、受光器５０３が設置された状態としておく。次に、アクチュエータ１１８に駆動信号が入力され、伝搬ファイバ１２６のｙ軸方向へビームをスキャンする。この際、駆動電圧と伝搬ファイバ１２６から出射されるレーザ光の強度とをレジスタ６０４内に保存し、最もレーザ光の強度が大きくなる駆動電圧をサーチする。

次に、ｙ軸方向において最もレーザ光の強度が大きくなる位置へアクチュエータ１１８を移動し、ｘ軸方向へビームをスキャンする。ここでも、伝搬ファイバ１２６から出射されるレーザ光の強度をレジスタ６０４内に保存し、最もレーザ光の強度が大きくなる駆動電圧をサーチする。

最後に、伝搬ファイバ１２６に入射される前後のレーザ光の光量を比較し、レジスタ６０４に保存されている製品出荷時の光量データと比較する。比較の結果、±１０％以内であれば位置データ（アクチュエータ１１８への印加電圧値）を保存し、アラインを終了する。それ以上の差異があれば、もう一度現在値からスキャンを行い、２度アライン動作を実施し、比較結果が１０％以内に収まらないようであればエラー信号を発生し、材場ファイバレーザ１０１の使用ができないようにする。

この際、ファイバコアを原点として横軸に焦点位置の変位量を縦軸に光強度を示した図が、図７である。図７でわかるように、ビームの焦点位置が伝搬ファイバ１２６のコアに近づくにつれ、レーザ光量のピークが平坦となるため、矢印６０８のようにピークの中央値を選ぶようにすることが重要である。

図８には、レーザ光結合位置補正機構５０１を導入した場合の結合効率バラツキをプロットした図である。図８によれば、本発明の機構で、８３〜９２％とバラツキを大幅に小さくすることができた。なお、伝搬ファイバ１２６を通過したレーザ光をモニターする受光器５０３は、スリットランプ内に設けることでリアルタイム制御することも可能であるが、実際には、レーザ装置１００に設置し、使用前又はファイバ交換時にアライメントを行う程度で十分である。

（第２の実施形態）
次に、伝搬ファイバ１２６から出射されるレーザビームの強度分布のばらつきを改善する方法について説明する。
図９Ａ及び図９Ｂは、強度分布（横モード）のバラツキの一例について示している。このようなバラツキは、ビーム品質（Ｍ²値）が２以下とビーム品質のよいレーザビームを使用する際に顕著に現れ、ディスプレイ上の輝度ムラの原因となっていた。また、伝搬ファイバ１２６を変異させることで、プロファイルが変化することがわかっている。

また、今回レーザ光が伝搬ファイバ１２６のコアのどの位置に入射すると、どの位置から出射されるのか検討を行った結果、図１０に示したように、ファイバコアの中心から距離ｒだけ離れた点９０２に入射した場合、出射側の光強度は半径ｒのリング状の部分９０３が大きくなることがわかった。このことを利用して、本実施形態の機構では、入射位置つまり中心から入射点までの距離ｒを時間的に変化させることで、強度分布のバラツキを改善させる。

強度分布低減補正機構を、図１１を用いて説明する。この機構は、第１の実施形態に記載の。レーザ光結合位置補正機構とほぼ同じである。
結合レンズ１１４は、アクチュエータ１１８で保持されている。この際、アクチュエータ１１８に与えている電圧信号に、正弦波又は矩形波を重畳させることで、結合レンズ１１４で集光される第２高調波１１０の集光点５０４を微動させることができる。実験では、最大で±５μｍ程度、１００〜１ｋＨｚで振動させることにより、強度分布を大幅に改善することができた。集光点５０４を微動させる方向は直線方向でよく、２次元に動かす必要はない。また、伝搬ファイバ１２６のファイバ端面１２６ａへの入射角度をアクチュエータ１１８で変化させることによっても、同様の効果が得られる。

一方、第１の実施形態と異なる機構で同様の効果が得られるものとして、図１２に記載の機構も挙げられる。
図１２に示す機構は、第２高調波１１０をコリメートするコリメートレンズ１１１、受光器１１２、レーザビームを一度集光する集光レンズ１１０１、集光を平行光へ変換するコリメートレンズ１１０２、結合レンズ１１４、コネクタ１１５、伝搬ファイバ１２６、補正機構として拡散板１１０３、及び拡散板揺動機構１１０４で構成されている。拡散板１１０３の拡散角は、５度程度である。拡散板１１０３は、第２高調波１１０が集光レンズ１１０１で集光されている集光点に配置されており、１００〜１ｋＨｚで振動させている。拡散板揺動機構１１０４には、アクチュエータや圧電素子を使用することができる。１〜２ｋＨｚと周波数が高くなると併せて高周波の音も発生するため、１００〜１ｋＨｚの周波数とすることが実用上望ましい。

図１３に、図１１に示す機構で強度分布を改善した後の伝搬ファイバ１２６から出射されるビームプロファイルを示しているが、均一な強度分布が得られており、いわゆる遠視野像（ファーフィールドパターン；ＦＦＰ）のビームプロファイルが得られている。図１２のような拡散板を用いる方法でも、同じような形状のプロファイルが得られており、同様の結果が得られていることを確認している。

（第３の実施形態）
従来例では、Ｍ²値が５以上のレーザビームを使用して、ファイバから出射されるビームプロファイルを時間平均してトップハット形状を得る方法がいくつか提案されている。しかし、従来例のようにファイバを単純に振動させたりする方法では、本発明のようにＭ²値が２以下と小さなビーム品質のよいレーザビームを集光させる場合、図１３のようなファーフィールドパターンとならず、三角形のような形状となる。

そこで、第３の実施形態では、伝搬ファイバ１２６のコア部分に多数の散乱部を設けることにより、この強度分布のばらつきを改善する方法を説明する。特に、散乱部を設ける方法として、伝搬ファイバ１２６を長さが短いファイバをつなぎ合わせて構成する方法を提案している。

図１４は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ装置に用いられる伝搬ファイバ１２６の構成の模式図である。図１５は、散乱部１００１付近の伝搬ファイバ１２６及び内部を通るレーザ光１００２の模式図である。

伝搬ファイバ１２６の全長は２ｍ程度であるが、短いファイバを融着することにより２ｍ長のファイバを得ている。融着点９０１（図中の×印部分）の個数は７個程度である。各融着点９０１の部分では、融着の際にファイバを構成するガラスが一度溶融するために屈折率差が生じる。この屈折率差（散乱部１００１）により、コア部分を導波しているレーザ光１００２が散乱される。散乱部１００１を通過するレーザビームの角度が変化することで、散乱部１００１を通過したレーザビーム１００５は、様々なＮＡを持つレーザビームが導波するような効果を得ることができる。

以上のような効果から、ファイバ断面方向の光強度分布の差異が小さくなる。融着部分をレーザビームが通過するたびに強度分布の差異が小さくなり、光強度分布を均一化することができる。

ファイバを融着することで得た伝搬ファイバ１２６を使用することで、伝搬ファイバ１２６から出射したレーザビームのファーフィールドパターンは、図１６に示すように図９のパターンと比較して均一化されており、本構成を使用する効果があることが確認された。また、図１７Ａ〜Ｃには、それぞれ散乱部１００１が３個、７個、及び１０個の場合の強度分布を示している。図１７Ａ〜Ｃが示すように、散乱部１００１の個数により強度ムラが小さくなることが分かる。例えば、液晶ディスプレイ用のレーザ装置である場合には、３個以上の散乱部１００１を設ければ十分であると言える。

なお、散乱部１００１を形成する方法として、ファイバ融着時に融着点に気泡を生じさせる方法やコネクタ１１５でファイバを継いでいく方法も使用できるが、接続点での損失が融着した場合と比較して大きくなるため、ファイバを融着する本実施形態で述べた方法を使用するのが望ましい。

また、本実施形態のように伝搬ファイバ１２６を構成した場合、図１５の模式図で示すと、ファイバ中心を座標０、ファイバコアとクラッドとの境界を座標ｒとし、入射するレーザ光のビーム半径をωとした際、伝搬ファイバ１２６にレーザビームを結合させる際の集光位置は０．２５（ｒ−ω）〜０．７５（ｒ−ω）の範囲であることが望ましい。この範囲とすることにより、レーザ光の伝搬ファイバ１２６への結合効率に影響を与えることなく強度分布を均一化することができる。

また、このような散乱部１００１をファイバ内部に設けなかった場合においても、伝搬ファイバ１２６の長さを１０ｍ以上とし、直径１５０ｍｍ以下でコイルすることにより、、伝搬ファイバ１２６内を通るレーザビームの反射角度が変化し、伝搬ファイバ１２６から出射したレーザビームのファーフィールドパターンを均一化できる。しかし、散乱部１００１を設ける方法と比較して均一化の効果は小さく、中央部の強度が大きく周辺部の強度が小さい強度分布となる。なお、この際のファイバ長は、ファイバの導波ロス等を考慮すると、レーザビームの波長が５００ｎｍ〜６５０ｎｍの場合で、１０ｍ〜２５ｍの間であることが望ましい。

なお、上記第１〜第３の実施形態では、伝搬ファイバ１２６としてコア径が５０μｍ又は１０５μｍの石英系ステップインデックスファイバを使用しているが、スリットランプ２０４に合わせてそれ以外の光ファイバを使用しても良い。上述した強度分布のバラツキは１００μｍ以下のコア径の伝搬ファイバで顕著となるため、本実施形態の構成は１００μｍ以下の伝搬ファイバを使用する場合に特に有効である。

また、上記第１〜第３の実施形態では、伝搬ファイバ１２６に入射されるレーザビームのビーム品質（Ｍ²値）が１．３であるグリーンレーザを使用したが、Ｍ²値で２以下のレーザビームであれば本構成の効果が十分に得られる。

また、上記第１〜第３の実施形態では、伝搬ファイバ１２６に入射されるレーザビームは、ファイバレーザ１０１からの基本波光を波長変換したものを用いていたが、半導体レーザから出射されるレーザビームでも使用可能である。この際、活性層に対して水平方向／垂直方向のいずれか又は両方のＭ²値が２以下であれば十分効果がある。このとき、ビームの走査方向は、Ｍ²値が小さい軸方向に垂直な方向となっていることが望ましい。

さらに、上記第１〜第３の実施形態では、結合光学系を構成する結合レンズ１１４を変位させるアクチュエータ１１８として、ムービングコイル型の電磁アクチュエータを使用したが、超音波モータを使用したアクチュエータを使用しても良い。但し、制御という観点からみると電磁アクチュエータの方が、印加電圧値で入射位置情報を管理できることから電磁アクチュエータを使用する方が望ましい。

本発明のレーザ装置は、液晶表示装置用のバックライト光源等に利用可能であり、特にビーム品質が良く、高結合効率で、均一な輝度を持ち、色ムラもほとんどない光源を、少ない部品点数で安価に実現したい場合等に適している。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図 本発明のレーザ装置を使用した液晶ディスプレイの構成例を示す図 レーザ光結合位置補正機構の構成とその周辺部を模式的に示した図 レーザ光結合位置補正機構の動作仕組みを説明する図 レーザ光結合位置補正機構の動作仕組みを説明する図 制御装置１１７の内部構成の一例を示す図 レーザ光結合位置補正機構の補正アルゴリズムを説明する図 レーザ光結合位置補正機構のファイバ位置とレーザ光強度との関係を示す図 レーザ光結合位置補正機構を導入した場合の結合効率バラツキをプロットした図 第１の実施形態に係るレーザ装置のファイバから出力される強度分布のプロファイル 第１の実施形態に係るレーザ装置のファイバから出力される強度分布のプロファイル 伝搬ファイバにおけるレーザ光の入射及び出射位置の関係を説明する図 強度分布低減補正機構の動作仕組みを説明する図 他の強度分布低減補正機構の動作仕組みを説明する図 本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置のファイバから出力される強度分布のプロファイル 本発明の第３の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図 散乱部付近の伝搬ファイバ及び内部を通るレーザ光の模式図 第３の実施形態に係るレーザ装置のファイバから出力される強度分布のプロファイル 散乱部が３個の場合の強度分布のプロファイル 散乱部が７個の場合の強度分布のプロファイル 散乱部が１０個の場合の強度分布のプロファイル 従来のレーザ装置の構成を示す図 従来のレーザ装置における結合効率バラツキをプロットした図 従来のレーザ装置における結合効率バラツキをプロットした図

符号の説明

１００、２００ レーザ装置
１０１ ファイバレーザ
１０２ 励起用レーザ光源
１０３ Ｙｂドープファイバ
１０４ａ、１０４ｂ ファイバグレーティング
１０６、１０７ ダイクロイックミラー
１０８、１１０１ 集光レンズ
１０９ 非線形光学素子
１１１、３０１、１１０２ コリメートレンズ
１１２、５０３ 受光器
１１３ ビームスプリッタ
１１４ 結合レンズ
１１５ コネクタ
１１６ 電源装置
１１７ 制御装置
１１８ アクチュエータ
１２６ 伝搬ファイバ
３００ 液晶ディスプレイ
３０２ 導光板
３０３、３０４、１１０３、１１０４ 拡散板
３０５ 液晶パネル
３０６、３０８ 偏光フィルタ
３０７ カラーフィルタ
５０１ レーザ光結合位置補正機構
６０１ Ａ／Ｄコンバータ
６０２ Ｄ／Ａコンバータ
６０３ ＭＰＵ
６０４ レジスタ
９０１ 融着点
１００１ 散乱部
１００３ クラッド部
１００４ コア部

Claims (15)

1. レーザ光を光ファイバから出力するレーザ装置であって、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記光ファイバに結合させる光学部品と、
   前記光学部品を保持するアクチュエータと、
   前記アクチュエータを駆動して前記光学部品の位置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記レーザ光源が点灯している期間に、１００〜１ｋＨｚの周波数で前記アクチュエータを振動させ、
   ファイバコアの中心からファイバコアとクラッドとの境界までの距離をｒとし、入射するレーザ光のビーム半径をωとした場合、前記光ファイバへレーザ光を結合させる集光位置を０．２５（ｒ−ω）〜０．７５（ｒ−ω）の範囲で変動させる、レーザ装置。
2. 前記光ファイバから出力されるレーザ光をモニターする受光器をさらに備え、
   前記制御装置は、前記受光器によるモニターの結果に従って、前記アクチュエータを駆動して前記光学部品の位置を制御する、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記光学部品が結合レンズである、請求項１に記載のレーザ装置。
4. 前記光学部品が拡散素子である、請求項１に記載のレーザ装置。
5. 前記レーザ光源は、ファイバレーザから発せられるレーザ光を基本波とし、当該基本波を非線形光学素子により波長変換して得られたレーザ光を出射する、請求項１に記載のレーザ装置。
6. 前記レーザ光源が半導体レーザである、請求項１に記載のレーザ装置。
7. 前記制御装置は、前記受光器で受光される光強度に基づいて、前記光学部品の位置を移動させて、前記光ファイバへのレーザ光入射位置を決定する、請求項２に記載のレーザ装置。
8. 前記アクチュエータが電磁アクチュエータである、請求項１に記載のレーザ装置。
9. 前記レーザ光源から発せられるレーザ光のＭ^２値が２以下である、請求項１に記載のレーザ装置。
10. 前記半導体レーザ光源から出射されるレーザ光は、活性層に対して垂直又は水平のいずれか一方向あるいは両方のＭ^２値が２以下である、請求項６に記載のレーザ装置。
11. 前記光ファイバのコア部分に散乱部を設けて空間光強度分布を均一化させた、請求項１に記載のレーザ装置。
12. 前記光ファイバは、長さが１０ｍ以上かつ直径が１５０ｍｍ以下でコイルされている、請求項１に記載のレーザ装置。
13. 前記光ファイバは、長さが１０ｍ〜２５ｍの範囲である、請求項１に記載のレーザ装置。
14. 前記光ファイバがコネクタによって着脱可能である、請求項１に記載のレーザ装置。
15. 液晶表示パネルと、
    前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、
    前記バックライト照明装置として請求項１に記載のレーザ装置を用いた、液晶表示装置。

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