JP5473774B2 - レーザ光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示に用いる画面を照明するレーザ光源装置に関する。

プロジェクタやプロジェクションテレビなどの画像表示装置では、画面の大型化に伴って高出力な光源が要求される。これらの要求を実現するため、狭い範囲に集光可能なレーザを光源として用いたレーザ光源装置（照明用レーザ光源）が開発されている。

レーザ光を光源として用いた場合、レーザ光は可干渉性が強いので、画像表示装置の画面にスペックルやシンチレーションが発生する。特に、直線偏光度の高いレーザ光では、可干渉性がさらに強くなるので、スペックルやシンチレーションを消すことが困難となる。

レーザ光を高出力化する方法の１つとして、複数の発光点をアレイ状に並べて一体としたレーザアレイ（アレイ型レーザ）を用いる方法がある。一般に、半導体レーザや固体レーザ媒質を用いたアレイ型レーザでは、出射するレーザ光の偏光が同じ方向を向いているので、スペックルやシンチレーションを発生しやすい。このため、非特許文献１に記載の方法では、レーザ光を２つの直交成分で分離し、分離後の各レーザ光に可干渉距離の光路差をつけ、その後、各レーザ光を再度合成して可干渉性を小さくしている。

菊池啓記、「光学」、応用物理学会、２００６年発行、３５巻、ｐ．３０１

しかしながら、上記従来の技術では、十分な光路差をつけるために光学系を大きくする必要があるという問題があった。また、光路差が不十分な場合、レーザ光が光ファイバや光学部品に入射すると、光ファイバの複屈折、光学部品の複屈折や反射特性により、偏光状態が変化して十分な偏光解消度が得られず、その結果、スペックルやシンチレーションが増加するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高出力でレーザ光を出射するとともに、簡易な構成でスペックル、シンチレーションおよび画面内の偏光分布を低減できるレーザ光源装置を得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、本発明のレーザ光源装置は、複数の発光点からレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源の１個もしくは複数個の発光点から出力されるレーザ光の光軸上に配置された偏光回転部と、前記偏光回転部を介して送られてくる前記レーザ光源からの第１のレーザ光と、前記偏光回転部を介さずに送られてくる前記レーザ光源からの第２のレーザ光と、を結合する集光部と、前記集光部で結合されたレーザ光を入射して伝播する光伝播部と、を備え、前記偏光回転部は、前記発光点のうちの前記約半数の発光点から出力されるレーザ光の偏光を約９０°回転させ、前記集光部は、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とが、異なる光路を経由して異なる入射角で前記光伝播部の入射面に入射するよう、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を前記光伝播部の入射面で直接結合し、前記光伝播部は、前記結合されたレーザ光の結合状態を維持するとともに前記結合されたレーザ光が光軸に回転対称な角度分布となるよう前記結合されたレーザ光を伝播して、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とが重ねられたレーザ光を出射することを特徴とする。

本発明によれば、高出力でレーザ光を出射するとともに、簡易な構成でスペックル、シンチレーションおよび画面内の偏光分布を低減することが可能になるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係るレーザ光源装置の構成を示す図である。 図２は、レーザ光の出射方向から１／２波長板を通してアレイ型レーザ光源を見た場合のレーザ光源装置の正面図である。 図３は、実施の形態２に係るレーザ光源装置の構成を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ光源装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の構成を示す図である。また、図２は、レーザ光の出射方向から１／２波長板を通してアレイ型レーザ光源を見た場合のレーザ光源装置の正面図である。図２では、図１に示したレーザ光源装置１０の、アレイ型レーザ光源１の偏光方向と、１／２波長板２の配置位置と、複屈折軸の軸方向と、を示している。

レーザ光源装置１０は、画像表示に用いる画面を照明する照明用の光源である。レーザ光源装置１０は、例えばプロジェクタやプロジェクションテレビなどの画像表示装置（映像表示装置）の光源に適用され、高出力レーザ装置や波長変換レーザ装置の光源として用いられる。

レーザ光源装置１０は、複数の発光点Ｐをアレイ状に並べて一体としたアレイ型レーザ光源１と、レーザ光の偏光を９０°回転させる１／２波長板（偏光回転部）２と、を含んで構成されている。アレイ型レーザ光源１は、半導体レーザや固体レーザ媒質を用いた光源であり、レーザ光の出射側（レーザ光出射面）となる平面内に複数の発光点Ｐを有している。

アレイ型レーザ光源１は、例えば、概略平板状をなしており、平板状の１つの側面（ｘｙ平面）上で略直線状（ｘ軸方向）に並ぶよう各発光点Ｐが配置されている。アレイ型レーザ光源１は、レーザ光出射面からレーザ光出射面に対して垂直（ｚ軸方向）となるレーザ光を各発光点Ｐから出射する。

各発光点Ｐから出射されてｚ軸方向が光軸方向となるレーザ光は、アレイ型レーザ光源１の主面に垂直な方向（ｙ軸方向）に偏光軸を有している。図１，２では、レーザ光の偏向方向を出射後偏向方向Ｄ１として示している。

１／２波長板２は、各発光点Ｐからの直線偏光を、直交する直線偏光に変換し、その位相差を１８０°にする波長板である。１／２波長板２は、概略平板状をなしており、その主面がアレイ型レーザ光源１から出射されたレーザ光の光軸と垂直になるよう、アレイ型レーザ光源１の前面（レーザ光の光軸上）に配置されている。換言すると、１／２波長板２は、主面がｘｙ平面と平行になり、かつアレイ型レーザ光源１のレーザ光出射面と平行になるよう配置されている。

１／２波長板２は、全発光点Ｐのうちの約半分の発光点Ｐからのレーザ光が照射されるよう配置されている。これにより、全発光点Ｐのうちの約半分の発光点Ｐからのレーザ光が１／２波長板２を介して伝播し、残りの約半分の発光点Ｐからのレーザ光は１／２波長板２を介することなく伝播していく。

例えば、１／２波長板２は、アレイ型レーザ光源１のレーザ光出射面のうち左半分に配置された発光点Ｐからのレーザ光が照射されるよう配置される。換言すると、アレイ型レーザ光源１から出射されるレーザ光の全光線数の半分が１／２波長板２に照射されるよう、１／２波長板２が配置される。

また、１／２波長板２は、複屈折軸の軸方向である複屈折軸方向Ｄ２が、アレイ型レーザ光源１の偏光軸方向に対して４５度となるよう配設される。図１に示す光線群Ａは、１／２波長板２を透過して偏光が９０°回転されたレーザ光であり、光線群Ｂは１／２波長板２を透過せずに出射されるレーザ光である。したがって、光線群Ａは、水平方向（ｘ軸方向）の直線偏光であり、光線群Ｂは、垂直方向（ｙ軸方向）の直線偏光である。図１では、光線群Ａの偏向方向を回転有り偏向方向Ｄａ（波長板有り）で示し、光線群Ｂの偏向方向を回転無し偏向方向Ｄｂ（波長板無し）で示している。

次に、レーザ光源装置１０の動作について説明する。アレイ型レーザ光源１の各発光点Ｐからは、垂直方向の直線偏光であるレーザ光が出射される。各発光点Ｐから出射したレーザ光のうち約半分のレーザ光は、光線群Ａとして１／２波長板２に照射され、残りの半分のレーザ光は光線群Ｂとして１／２波長板２に照射されることなく伝播する。

１／２波長板２に照射された光線群Ａは、１／２波長板２によって偏光方向が９０°回転され、水平方向の直線偏光となる。また、光線群Ｂは、垂直方向の直線偏光として伝播していく。

これにより、約半分の発光点Ｐからのレーザ光の偏光方向が互いに直交する。換言すると、全体の約半分の発光点Ｐからのレーザ光と、残りの約半分の発光点Ｐからのレーザ光と、の各偏向方向が直交している。このため、アレイ型レーザ光源１の全体では、ほぼ１００％の偏光解消度が得られる。

アレイ型レーザ光源１の各発光点Ｐは、それぞれ独立の共振器でレーザ発振しているので、各発光点Ｐから出射されるレーザ光の可干渉性は小さい。このため、各発光点Ｐから出射されるレーザ光を光ファイバなどの光伝播素子（光伝播部）、複屈折材料や反射ミラーなどの光学部品に入射させて、複屈折や反射による位相変化の影響を受けた場合であっても、全てのレーザ光に略同様の偏光状態の変化が発生する。したがって、垂直方向と水平方向の偏光成分比はほとんど変化せず、偏光解消度が保持される。例えば、レーザ光が、偏光が回転するような複屈折効果を受けた場合、垂直方向と水平方向とで、ともに同じ回転が発生するので、偏光解消度は保持される。これにより、途中の光学系によらず、スペックルやシンチレーションが低減可能なレーザ光源装置１０を構成できる。レーザ光源装置１０から出射された光線群Ａ，Ｂは、プロジェクタやプロジェクションテレビなどの画像表示装置の画面に送られて画面を照明する。

このように、アレイ型レーザ光源１からのレーザ光は、光伝播素子や光学部品の特性による影響を受けず、スペックルやシンチレーションを低減し、画面内の偏光分布を低減することができる。また、レーザ光源装置１０に１／２波長板２を配置すればよいので、簡易な構成で高い出力のレーザ光を出力することが可能となる。

なお、本実施の形態では、アレイ型レーザ光源１から出射されるレーザ光の偏光軸方向（出射後偏向方向Ｄ１）が垂直方向（ｙ軸方向）である場合について説明したが、出射後偏向方向Ｄ１は、垂直方向以外の方向でもよい。この場合も、各発光点Ｐが同じ偏光特性を有していれば、偏光軸方向や偏光状態によらず、出射後偏向方向Ｄ１が垂直方向である場合と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では、１／２波長板２によって偏光方向を９０°回転する場合について説明したが、旋光子やファラデーローテータなどの他の部品を用いて偏光方向を９０°回転してもよい。旋光子は、入射する直線偏光の光を異なる直線偏光の光に変換して出射する光学デバイスであり、ファラデーローテータは、ファラデー効果を用いて、入射するレーザ光と出射するレーザ光の偏光面を回転させる光学デバイスである。

また、１／２波長板２の配置位置は、図１や図２に示した例に限らず、他の位置に配置してもよい。例えば、１／２波長板２を、アレイ型レーザ光源１のレーザ光出射面のうち右半分に配置された発光点Ｐからのレーザ光が照射されるよう配置してもよい。また、１／２波長板２を、アレイ型レーザ光源１のレーザ光出射面のうち中央部に配置された発光点Ｐからのレーザ光が照射されるよう配置してもよい。また、１／２波長板２を複数準備しておき、各１／２波長板２に照射されるレーザ光の合計光線数が、全光線数の半分となるよう各１／２波長板２を配置してもよい。例えば、１／２波長板２を２枚準備しておき、一方の１／２波長板２に全光線数の１／４が照射され、他方の１／２波長板２に全光線数の１／４が照射されるよう、各１／２波長板２を配置しておく。

なお、上記本実施の形態では、アレイ型レーザ光源１の各発光点Ｐから出射したレーザ光のうち約半分の偏光方向を回転させることとしたが、１個、または、複数個（最大、発光点数−１）の発光点Ｐの偏光方向を回転させてもよい。この場合、偏光解消度は悪くなるので効果は小さくなるが、約半分の偏光方向を回転させる場合と同様の効果が得られる。

このように実施の形態１によれば、全発光点Ｐのうちの約半分の発光点Ｐからのレーザ光を１／２波長板２に照射して１／２波長板２で偏光方向を９０°回転させているので、簡易な構成でスペックル、シンチレーションおよび画面内の偏光分布を低減しつつ、レーザ光を高出力で出力することが可能になる。

実施の形態２．
つぎに、図３を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では、光源全体として偏光解消度をほぼ１００％とする方法について説明した。しかしながら、個々のレーザ光では、直線偏光が保持されているので、各発光点からのレーザ光が分離して照明されるような光学系構成の場合、スペックルやシンチレーションの抑制効果が低減してしまう。そこで、実施の形態２では、レーザ光をファイバ結合することによって、上記不具合を解消する。

図３は、実施の形態２に係るレーザ光源装置の構成を示す図である。図３では、レーザ光源装置１１をｙ軸方向から見た図（上面図）を示している。図３の各構成要素のうち図１および図２に示す実施の形態１のレーザ光源装置１０と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

レーザ光源装置１１は、アレイ型レーザ光源１、１／２波長板２、結合光学系３（集光部）、光ファイバ（光伝播部）４を備えている。結合光学系３は、１〜複数枚のレンズ、または、１〜複数の集光ミラーを含んで構成されている。結合光学系３は、１／２波長板２よりも光路の後段側に配置され、光線群Ａと光線群Ｂを結合する。結合光学系３は、結合した光線群Ａ，Ｂを、光ファイバ４の入射口に送出する。

光ファイバ４は、結合光学系３の後段側に配置されており、レーザ光源装置１１の後段側にレーザ光を伝播する。光ファイバ４は、結合光学系３によって集光された光線群Ａ，Ｂの集光位置がレーザ光の入射口（光ファイバの中心軸Ｃ上）となるよう配置される。

次に、レーザ光源装置１１の動作について説明する。アレイ型レーザ光源１から出射されたレーザ光は、光線群Ａが１／２波長板２を通過して偏光方向が９０°回転された後、光線群Ｂとともに、結合光学系３によって光ファイバ４の入射口で結合される。光ファイバ４によって結合されたレーザ光は、光ファイバ４の軸対称性によって、回転対称に広がりながら伝播する。

光線群Ａは、アレイ型レーザ光源１の片側（半分のレーザ光）であるので、光ファイバ４に入射する際には、光ファイバ４の軸に対して片側方向から入射されるが、光ファイバ４から出射される際には、光ファイバ４の光軸にほぼ回転対称な角度分布を持って出射される。一方、光線群Ｂは、光ファイバ４の光軸に対して光線群Ａと軸対称に入射されるが、光線群Ａと同様に、光ファイバ４から出射される際には、光線群Ａと同様に、光ファイバ４の光軸にほぼ回転対称な角度分布を持って出射される。

これにより、光線群Ａは光線群Ｂと重なって光ファイバ４から出射される。光線群Ａと光線群Ｂとは、互いに直交した偏光特性を有するので、光ファイバ４に入射したレーザ光が複屈折効果を受けて偏光状態が変化しても、入射した際の偏光解消度を保持できる。このため、画面内で空間的に偏光解消度が平均化されて偏光解消度の分布が小さなレーザ光源装置１１を得ることができる。

また、偏光解消度の分布が小さいので、画面やスクリーンの位置によらずスペックルやシンチレーションの発生状況を均一化できる。また、偏光解消度の分布が小さいので、偏光を利用して左右の目に入射する光を分離して３次元的に画像を表示する３Ｄ表示においても、画面の明るさにムラが発生することが少なくなる。

なお、ここでは光ファイバ４が軸対称である場合について説明したがが、光ファイバ４が、例えば矩形やＤ形状の断面を有する構成としてもよい。この構成により、一方向に入射したレーザ光の角度が光ファイバ４の側面で反射された際に角度（レーザ光の伝播角度）が大きく変化する。このため、光ファイバ４内でのレーザ光の分布が一様になりやすくなり、光ファイバ４の長さを短くできる。

また、本実施の形態では、結合光学系３を用いてレーザ光を光ファイバ４内に結合しているが、光ファイバ４の代わりに矩形や円形のインテグレータロッド（内面を鏡状にした中空ロッドまたはガラスロッド）を用いてもよい。

このように実施の形態２によれば、光線群Ａ，Ｂを、結合光学系３を用いて光ファイバ４に入射させているので、光線群Ａ，Ｂは、光ファイバ４の軸対称性によって回転対称に広がりながら伝播する。したがって、空間的に偏光解消度の分布を低減することが可能となる。

以上のように、本発明に係るレーザ光源装置は、画像表示に用いる画面の照明に適している。

１ アレイ型レーザ光源
２ １／２波長板
３ 結合光学系
４ 光ファイバ
１０，１１ レーザ光源装置
Ａ，Ｂ 光線群
Ｄ１ 出射後偏向方向
Ｄ２ 複屈折軸方向
Ｄａ 回転有り偏向方向
Ｄｂ 回転無し偏向方向
Ｐ 発光点

Claims (8)

1. 複数の発光点からレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源の１個もしくは複数個の発光点から出力されるレーザ光の光軸上に配置された偏光回転部と、
   前記偏光回転部を介して送られてくる前記レーザ光源からの第１のレーザ光と、前記偏光回転部を介さずに送られてくる前記レーザ光源からの第２のレーザ光と、を結合する集光部と、
   前記集光部で結合されたレーザ光を入射して伝播する光伝播部と、
   を備え、
   前記偏光回転部は、前記発光点のうちの前記約半数の発光点から出力されるレーザ光の偏光を約９０°回転させ、
   前記集光部は、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とが、異なる光路を経由して異なる入射角で前記光伝播部の入射面に入射するよう、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を前記光伝播部の入射面で直接結合し、
   前記光伝播部は、前記結合されたレーザ光の結合状態を維持するとともに前記結合されたレーザ光が光軸に回転対称な角度分布となるよう前記結合されたレーザ光を伝播して、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とが重ねられたレーザ光を出射することを特徴とするレーザ光源装置。
2. 前記レーザ光源は、前記レーザ光の出射面に各発光点がアレイ状に配置された半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 前記レーザ光源は、複数の発光点を有する固体レーザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
4. 前記偏光回転部は、１／２波長板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
5. 前記偏光回転部は、旋光子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
6. 前記偏光回転部は、ファラデーローテータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
7. 前記光伝播部は、光ファイバであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
8. 前記光伝播部は、インテグレータロッドであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。

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