JP6597096B2

JP6597096B2 - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP6597096B2
Application number: JP2015181361A
Authority: JP
Inventors: 知之廣木; 公資東條; 次郎齊川; 直也石垣; 進吾宇野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2035-09-15
Also published as: JP2017059603A

Description

本発明は、レーザ照明機器に適用される半導体レーザ装置に関する。

近年、半導体レーザの高出力化に伴い、プロジェクタや露光装置等の照明装置への半導体レーザの利用が期待されている。レーザ光源は、ランプ光源に比べて単色性、低消費電力、小型という点で優れているため、レーザ光源を利用した照明装置では色再現性の向上や低コスト、小型化が期待されている。

一方、コヒーレンス性の高いレーザ光を照明装置に用いた場合、投影する粗面において反射・拡散された光が互いに干渉し、不規則な斑状の強度分布（スペックル）が生ずる。このため、観測者にちらつきやノイズを与えてしまう。

このスペックルを低減する方法が特許文献１〜３に記載されている。特許文献１では、マルチモードファイバに導光し、マルチモードファイバを振動させることで空間的なコヒーレンスを低減させている。

特許文献２では、光路に設けられた光学素子を振動させて光路長を変化させることにより発生するスペックルパターンを時間的に変化させ、スペックルパターンを平均化させることで実質的にスペックルを低減させている。

特許文献３では、レーザモジュールに変調信号を加え、レーザ光のスペクトル幅を広げて時間的コヒーレンスを低減させて、スペックルを低減させている。

特開２００３−１５６６９８号公報特開２０１４−５９５１３号公報特開２０１３−２１１３０７号公報

しかしながら、特許文献１〜２に記載された方法では、機械的な負荷を光学素子に与えているため、信頼性が低下する。また、振動素子を付加すると、装置が大型化してしまう。

また、特許文献３では、レーザ光のスペクトルを広げるために、レーザの駆動信号を強度変調している。レーザ光を変調した場合、レーザ出力が時間的に変動するので、照明用レーザとして利用した場合には、レーザ駆動信号と映像信号とのずれによって、単位時間当たりのレーザ平均出力が変動する。このため、映像輝度の乱れが発生してしまうという課題を有していた。このため、特許文献３では、レーザ駆動信号と映像信号とを同期させることにより前記課題を解決している。

本発明の課題は、駆動信号と映像信号とを同期することなく、輝度の低下を防ぐことができる半導体レーザ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ装置は、レーザ光を出力する１以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザモジュールと、前記複数の半導体レーザモジュールの数よりも少ない数設けられ、互いに異なる位相を持つ変調信号を発生する複数の変調信号部と、前記複数の変調信号部の数と同数設けられ、一定値を持つ駆動信号を発生し且つ前記変調信号部からの変調信号により前記駆動信号を変調する複数の第１の駆動信号部と、前記複数の半導体レーザモジュールの数と前記複数の変調信号部の数との差の数だけ設けられ、一定値を持つ駆動信号を発生する１以上の第２の駆動信号部と、前記複数の第１の駆動信号部及び前記１以上の第２の駆動信号部に対応して設けられ、前記駆動信号により前記半導体レーザモジュールに電流を供給する複数の定電流回路と、前記複数の半導体レーザモジュールからの複数の出力光を重ね合わせてファイバに結合する結合光学系を備え、前記複数の変調信号部は、前記結合光学系で重ね合わせられた出力光が一定値となるように、各変調信号の位相がずらされていることを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザ装置によれば、各変調信号の位相がずらされているので、複数の半導体レーザモジュールからの出力光が結合光学系で重ね合わせられた出力光が任意の時間幅において一定値となる。従って、駆動信号と映像信号とを同期することなく、輝度の低下を防ぐことができる半導体レーザ装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置において正弦波信号からなる１８０度位相がずれた第１駆動信号と第２駆動信号を示す図である。本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置において矩形信号からなる１８０度位相がずれた第１駆動信号と第２駆動信号を示す図である。本発明の実施例２に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。本発明の実施例４に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。本発明の実施例５に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。

以下、本発明の半導体レーザ装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。この半導体レーザ装置は、図１に示すように、レーザ駆動回路１ａ、第１半導体レーザモジュール２ａ、第２半導体レーザモジュール２ｂ、集光レンズ３、ファイバ４を備えている。

第１及び第２半導体レーザモジュール２ａ，２ｂの各々は、レーザ光を出力する１以上の半導体レーザからなる。半導体レーザは、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。実施例１では、半導体レーザモジュールを２つとしたが、半導体レーザモジュールを３つ以上設けても良い。

レーザ駆動回路１ａは、第１及び第２半導体レーザモジュール２ａ，２ｂの各々を駆動する。レーザ駆動回路１ａは、第１変調信号部１１ａ、第２変調信号部１１ｂ、第１駆動信号部１２ａ、第２駆動信号部１２ｂ、第１定電流回路１３ａ、第２定電流回路１３ｂを有している。第１変調信号部１１ａ、第２変調信号部１１ｂ、第１駆動信号部１２ａ、及び第２駆動信号部１２ｂは、駆動信号発生回路１０ａを構成する。

第１変調信号部１１ａは、正弦波信号からなる第１変調信号を発生し、第１変調信号を第１駆動信号部１２ａに出力する。第２変調信号部１１ｂは、第１変調信号の位相とは１８０度位相がずれた正弦波信号からなる第２変調信号を発生し、第２変調信号を第２駆動信号部１２ｂに出力する。

第１駆動信号部１２ａは、一定値を持つ第１駆動信号を発生し且つ第１変調信号部１１ａからの第１変調信号により第１駆動信号を変調する。第２駆動信号部１２ｂは、一定値を持つ第２駆動信号を発生し且つ第２変調信号部１１ｂからの第２変調信号により第２駆動信号を変調する。なお、第１駆動信号及び第２駆動信号の各々には、外部からの映像信号が重畳される。

第１定電流回路１３ａは、第１駆動信号部１２ａからの正弦波信号により変調された第１駆動信号により駆動電流を第１半導体レーザモジュール２ａに供給する。第２定電流回路１３ｂは、第２駆動信号部１２ｂからの正弦波信号により変調された第２駆動信号により駆動電流を第２半導体レーザモジュール２ｂに供給する。集光レンズ３は、本発明の結合光学系に対応し、第１及び第２半導体レーザモジュール２ａ，２ｂからの複数の出力光を重ね合わせて光ファイバからなるファイバ４に結合する。

なお、実施例１では、結合光学系として、集光レンズ３を例示したが、例えば、結合光学系は、ミラー、プリズム等の一般的な光学素子でも良い。

このように実施例１の半導体レーザ装置によれば、第１変調信号部１１ａは、正弦波信号からなる第１変調信号を発生し、第２変調信号部１１ｂは、第１変調信号の位相とは１８０度位相がずれた正弦波信号からなる第２変調信号を発生する。

即ち、正弦波信号からなる第１変調信号の位相と正弦波信号からなる第２変調信号との位相が１８０度ずらされている。このため、図２に示すように、第１変調信号により変調された第１駆動信号Ｓ１の位相と、第２変調信号により変調された第２駆動信号Ｓ２との位相も１８０度ずらされている。

このため、第１半導体レーザモジュール２ａからの出力光と、第２半導体レーザモジュール２ｂからの出力光も互いに位相が１８０度ずらされている。従って、第１半導体レーザモジュール２ａからの出力光と、第２半導体レーザモジュール２ｂからの出力光とが集光レンズ３により重ね合わせられると、重ね合わせられた出力光は、どの時間幅においても一定値となる。従って、駆動信号と映像信号とを同期させることなく、輝度の低下を防ぐことができる半導体レーザ装置を提供することができる。

なお、第１及び第２変調信号は、正弦波信号でなくても良く、例えば、図３に示すような矩形信号であってもよい。この場合にも、第１矩形信号と第２矩形信号とが１８０度ずれていることで、重ね合わせられた出力光は、どの時間幅においても一定値となる。また、どの時間幅においても出力が一定値となれば、正弦波、矩形波以外の波形であっても良い。

図４は、本発明の実施例２に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。実施例２に係る半導体レーザ装置は、図１に示す実施例１に係る半導体レーザ装置の構成に、さらに、第３及び第４駆動信号部１２ｃ，１２ｄ、第３及び第４定電流回路１３ｃ，１３ｄ、第３及び第４半導体レーザモジュール２ｃ，２ｄを設けたことを特徴とする。

この場合、第１駆動信号及び第２駆動信号は、１８０度位相がずれた正弦波信号からなる第１及び第２変調信号により変調された信号である。第３及び第４駆動信号部１２ｃ，１２ｄは、第３駆動信号及び第４駆動信号を発生し、第３駆動信号及び第４駆動信号は、変調信号により変調されていない一定値の信号である。このため、第１乃至第４半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄからの光出力が集光レンズ３により重ね合わせられても、レーザ出力光の時間的な変化は発生しない。

従って、実施例２に係る半導体レーザ装置においても、実施例１に係る半導体レーザ装置の効果と同様な効果が得られる。

図５は、本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。実施例３に係る半導体レーザ装置は、第１乃至第３変調信号部１１ｃ〜１１ｅ、第１乃至第４駆動信号部１２ａ〜１２ｄ、第１乃至第４定電流回路１３ａ〜１３ｄ、第１乃至第４半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄ、集光レンズ３、ファイバ４を備えている。

この場合、第１乃至第３変調信号部１１ｃ〜１１ｅは、互いに位相が１２０度ずらされた正弦波信号からなる第１乃至第３変調信号を発生する。第１乃至第３駆動信号部１２ａ〜１２ｃは、一定値を持つ第１乃至第３駆動信号を発生し且つ第１乃至第３変調信号部１１ａ〜１１ｃからの第１乃至第３変調信号により第１乃至第３駆動信号を変調する。

第１駆動信号乃至第３駆動信号は、１２０度位相がずれた正弦波信号からなる変調信号により変調された信号である。第４駆動信号部１２ｄで発生する第４駆動信号は、変調信号により変調されていない一定値の信号である。このため、第１乃至第４半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄからの光出力が集光レンズ３により重ね合わせられても、レーザ出力光の時間的な変化は発生しない。

従って、実施例３に係る半導体レーザ装置においても、実施例１に係る半導体レーザ装置の効果と同様な効果が得られる。

図６は、本発明の実施例４に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。実施例４に係る半導体レーザ装置は、第１乃至第４変調信号部１１ｆ〜１１ｉ、第１乃至第４駆動信号部１２ａ〜１２ｄ、第１乃至第４定電流回路１３ａ〜１３ｄ、第１乃至第４半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄ、集光レンズ３、ファイバ４を備えている。

第１乃至第４変調信号部１１ｆ〜１１ｉは、互いに位相が９０度ずらされた正弦波信号からなる第１乃至第４変調信号を発生する。第１駆動信号乃至第４駆動信号部１２ａ〜１２ｄは、一定値を持つ第１乃至第４駆動信号を発生し且つ第１乃至第４変調信号部１１ｆ〜１１ｉからの第１乃至第４変調信号により第１乃至第４駆動信号を変調する。第１駆動信号乃至第４駆動信号は、９０度位相がずらされた正弦波信号からなる第１乃至第４変調信号により変調された信号である。

このため、第１乃至第４半導体レーザモジュール２ａ〜２ｄからの光出力が集光レンズ３により重ね合わせられても、レーザ出力光の時間的な変化は発生しない。

従って、実施例４に係る半導体レーザ装置においても、実施例１に係る半導体レーザ装置の効果と同様な効果が得られる。

また、どのような映像信号に対しても一定値のレーザ出力光となるような駆動方法であれば、変調が与えられる半導体レーザモジュールの数は、いくつであっても良い。

なお、実施例１〜実施例４に係る半導体レーザ装置からもわかるように、複数の変調信号部がｎ個（ｎ＞１で整数）のとき、各々の変調信号の位相を、互いに３６０度／ｎずらされるようにすればよい。従って、ｎが５個以上でも互いに３６０度／ｎずらされるようにすればよい。

図７は、本発明の実施例５に係る半導体レーザ装置の構成を示す図である。実施例５に係る半導体レーザ装置は、図１に示す実施例１に係る半導体レーザ装置の構成に、さらに、ハーフミラー７ａ，７ｂ、フォトダイオード５ａ，５ｂ、ＡＰＣ（オートパワーコントロール）回路６を設けたことを特徴とする。

ハーフミラー７ａは、第１半導体レーザモジュール２ａと集光レンズ３との間に配置され、第１半導体レーザモジュール２ａからの出力光を集光レンズ３とフォトダイオード５ａとに分岐する。

ハーフミラー７ｂは、第２半導体レーザモジュール２ｂと集光レンズ３との間に配置され、第２半導体レーザモジュール２ｂからの出力光を集光レンズ３とフォトダイオード５ｂとに分岐する。

フォトダイオード５ａ，５ｂは、本発明の光検出部に対応し、第１及び第２半導体レーザモジュール２ａ，２ｂに対応して設けられる。フォトダイオード５ａは、ハーフミラー７ａからの出力光を受光し、受光出力をＡＰＣ回路６に出力する。フォトダイオード５ｂは、ハーフミラー７ｂからの出力光を受光し、受光出力をＡＰＣ回路６に出力する。

ＡＰＣ回路６は、本発明の光出力制御部に対応し、フォトダイオード５ａからの受光出力が所定値となるように、第１駆動信号部１２ａの第１駆動信号の値を制御する。また、ＡＰＣ回路６は、フォトダイオード５ｂからの受光出力が所定値となるように、第２駆動信号部１２ｂの第２駆動信号の値を制御する。

このように実施例３に係る半導体レーザ装置によれば、各フォトダイオード５ａ，５ｂ毎にフォトダイオード５ａ，５ｂで検出された光出力が所定値となるように、各駆動信号部１２ａ，１２ｂ毎に駆動信号の値を制御するので、全ての半導体レーザモジュール２ａ，２ｂの光出力を所定値に制御することができる。

従って、半導体レーザの電気−光変換効率個体差や半導体レーザの経年劣化による変換効率の低下を軽減することができる。

なお、実施例1乃至４では、電流制御のみで光出力を決定しているため、半導体レーザモジュール毎の電気−光変換効率に合わせて、駆動電流と変調信号の強度を微調整する必要があった。

これに対して、実施例５では、駆動電流と変調信号の強度を微調整する必要はなくなる。また、駆動信号の波形及び位相に関して、実施例１乃至実施例４と同様に、レーザ出力が一定値となるならば、どのような波形、位相でも良い。

本発明は、レーザ照明機器に利用できる。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄレーザ駆動回路
２ａ〜２ｄ半導体レーザモジュール
３ａ〜３ｄ集光レンズ
４ファイバ
５ａ，５ｂフォトダイオード
６ＡＰＣ回路
１０ａ〜１０ｄレーザ信号発生回路
１１ａ〜１１ｄ変調信号部
１２ａ〜１２ｄ駆動信号部
１３ａ〜１３ｄ定電流回路

Claims

レーザ光を出力する１以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザモジュールと、
前記複数の半導体レーザモジュールの数よりも少ない数設けられ、互いに異なる位相を持つ変調信号を発生する複数の変調信号部と、
前記複数の変調信号部の数と同数設けられ、一定値を持つ駆動信号を発生し且つ前記変調信号部からの変調信号により前記駆動信号を変調する複数の第１の駆動信号部と、
前記複数の半導体レーザモジュールの数と前記複数の変調信号部の数との差の数だけ設けられ、一定値を持つ駆動信号を発生する１以上の第２の駆動信号部と、
前記複数の第１の駆動信号部及び前記１以上の第２の駆動信号部に対応して設けられ、前記駆動信号により前記半導体レーザモジュールに電流を供給する複数の定電流回路と、
前記複数の半導体レーザモジュールからの複数の出力光を重ね合わせてファイバに結合する結合光学系を備え、
前記複数の変調信号部は、前記結合光学系で重ね合わせられた出力光が一定値となるように、各変調信号の位相がずらされていることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記複数の変調信号部がｎ個（ｎ＞１で整数）のとき、各々の変調信号の位相は、互いに３６０度／ｎずらされていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記複数の半導体レーザモジュールに対応して設けられ、前記半導体レーザモジュールの光出力を検出する複数の光検出部と、
各光検出部毎に光検出部で検出された光出力が所定値となるように、各駆動信号部毎に駆動信号部の駆動信号の値を制御する光出力制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザ装置。