WO2007099847A1 - 照明光源及びレーザ投射装置 - Google Patents

Abstract

　所定の利得領域を持つレーザ媒質を有するレーザ光源と、狭帯域の反射特性を有する反射体と、を備える照明光源である。レーザ光源から出射されるレーザ光の一部を反射体による反射によって帰還させることにより、レーザ光源の発振波長を反射波長に固定し、レーザ光源の発振特性の変化によりレーザ媒質の利得領域のピークを反射波長から移動させることにより、レーザ光源の発振波長を反射波長から変化させる。それにより、レーザ光源の発振スペクトルを広げ、スペックルノイズの低減を図る。

Description

明 細 書

照明光源及びレーザ投射装置

技術分野

[0001] 本発明は、スペックルノイズの少ない照明光源及び、その照明光源を用いたレーザ 投射装置に関する。

背景技術

[0002] 窒化ガリウムをはじめとする III— V族窒化物系半導体材料 (Al Ga in N (ただ し、 0≤x≤l、 0≤y≤lである））からなる半導体レーザ、及び AlGaAs系半導体材料 または AlGalnP系半導体材料による赤色半導体レーザは、光ディスクによる超高密 度記録を実現するためのキーデバイスである。同様に、これらの可視光半導体レー ザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザデイス プレイへの応用など、新たな技術分野の開拓に必須の技術である。

[0003] 可視光半導体レーザを投射装置や表示装置などの照明用の光源として利用する 場合に問題となるの力 スペックルノイズである。スペックルノイズとは、レーザ光のよ うなコヒーレンスの高い光を照明光源として利用する場合、照明物から反射する光が 、照明物の表面の凹凸によって、反射光の波面が乱され、ランダムな干渉パターンが 観測される現象である。反射光にギラギラとしたスペックルパターンが観測され、投射 装置や表示装置の画像の劣化の原因となる。

[0004] このようなスペックルノイズを低減する方法として、光源のコヒーレンスを低下させる 方法がいくつ力提案されている。第 1の方法は、空間的なコヒーレンスを低減する方 法であり、レーザ光が照射されるスクリーンを振動させるなどに代表される方法で、レ 一ザ光の光路や光学系にお 、て空間的な変化を与えることでスペックルノイズを低 減する方法である。

[0005] 一方、半導体レーザ光のコヒーレンスを直接低減する方法も提案されている。特許 文献 1に示されているように、光源のコヒーレンスを低減する方法である。この第 2の 方法では、半導体レーザの駆動に高周波が重畳されることにより、発振波長のスぺク トル幅が増大し、コヒーレンスが低減する。 [0006] し力しながら、レーザ光を空間的に変化させる、上記の第 1の方法は、光学系内部 に機械的な駆動系を必要とし、光学系が大型化、複雑ィ匕するという問題がある。さら に、空間的な変動を与えるだけでは、スペックルノイズを完全に抑圧することが難しい

[0007] 一方、半導体レーザのスペクトルをマルチモード化する、上記の第 2の方法は、コヒ 一レンスを低減するには有効である力 スペクトル幅を lnm以上に拡大しなければ、 十分なコヒーレンス低減効果が得られない。半導体レーザの駆動に高周波を重畳す るだけでは、スペクトル幅の拡大が十分でなぐスペックルノイズの低減効果が不十 分であると!/、う課題があった。

特許文献 1：特開 2002— 323675号公報

発明の開示

[0008] 本発明の目的は、レーザ光源の発振スペクトルの幅を拡大することで、スペックルノ ィズの少ない照明光源及びこの照明光源を用いたレーザ投射装置を実現することで ある。

[0009] 本発明の一局面に従う照明光源は、所定の利得領域を持つレーザ媒質を有するレ 一ザ光源と、狭帯域の反射特性を有する反射体と、を備え、前記反射体の反射波長 は、前記レーザ媒質の利得領域内で設定されており、前記レーザ光源から出射され るレーザ光の一部は前記反射体による反射によって前記レーザ光源に帰還され、前 記レーザ光源の発振波長は、前記レーザ光源の発振特性の変化により前記レーザ 媒質の利得領域のピークを前記反射波長力 移動させることにより、前記反射波長 力 変化される。

[0010] 上記の照明光源では、レーザ光源から出射されるレーザ光の一部を反射体による 反射によってレーザ光源に帰還させることによりレーザ光源の発振光を反射体の波 長に固定する。そして、レーザ光源の発振特性を変化させることでレーザ光源の利得 領域のピークを固定された反射波長から変動させる。このため、レーザ光源の発振波 長が大きく変動させることができるので、レーザ光源の発振スペクトル幅が広がりコヒ 一レンスが低下する。従って、スペックルノイズの少ない照明光源を実現することがで きる。 図面の簡単な説明

[図 1]図 1Aは、本発明の実施の形態 1に係る照明光源の構成を示す図、図 1Bは、半 導体レーザの出力特性を示す図、図 1Cは、半導体レーザの発振波長特性を示す図 である。

[図 2]図 2Aは、本発明の実施の形態 1に係る照明光源の構成を示す図、図 2Bは、半 導体レーザの発振スペクトルの特性を示す図、図 2Cは、半導体レーザの発振波長 特性を示す図である。

[図 3]図 3Aは、本発明の実施の形態 1に係る照明光源の構成を示す図、図 3Bは、半 導体レーザの発振スペクトルの他の特性を示す図、図 3Cは、半導体レーザの他の 発振波長特性を示す図である。

[図 4]図 4Aは、半導体レーザに印加される駆動電流のパルス列の一例を示す図、図 4Bは、図 4Aのパルス列の駆動電流の印加時の半導体レーザの活性層の温度変化 を示す図、図 4Cは、図 4Aのパルス列の駆動電流の印加時の半導体レーザの発振 波長特性を示す図、図 4D〜Fは、図 4Aのパルス列の駆動電流の印加時の半導体 レーザの発振スペクトルの分布を示す図である。

[図 5]本発明の実施の形態 1に係る照明光源の反射体として体積グレーティングを用 いた構成を示す図である。

[図 6]本発明の実施の形態 1に係る照明光源の反射体として狭帯域フィルターを用い た構成を示す図である。

[図 7]本発明の実施の形態 1に係る照明光源の反射体としてグレーティングが形成さ れたファイバーを用いた構成を示す図である。

[図 8]図 8Aは、本発明の実施の形態 1に係る照明光源の発振波長の特性評価に使 用した光源の構成を示す図、図 8B及び Cは、半導体レーザの発振スペクトルの観察 結果を示す図である。

[図 9]図 9Aは、本発明の実施の形態 1に係る照明光源の半導体レーザの利得ピーク 波長と反射体の発振波長との波長差の検討に使用した光源の構成を示す図、図 9B 〜Dは、半導体レーザの発振スペクトルの観察結果を示す図である。

[図 10]図 10Aは、温度調整可能な半導体レーザの構成を示す図、図 10Bは、温度 調整可能な半導体レーザの他の構成を示す図である。

[図 11]図 11Aは、 DBRレーザの構造を示す断面図、図 11Bは、 DFBレーザの構造 を示す断面図である。

[図 12]本発明の実施の形態 2に係る照明光源の構成を示す図である。

[図 13]図 13A及び Bは、本発明の実施の形態 3に係る照明光源の半導体レーザの 駆動方法を説明するための図であり、図 13Aは、光フィードバックにより波長ロックさ れた半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図 13Bは、 図 13Aの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す 図である。

[図 14]図 14A及び Bは、本発明の実施の形態 3に係る照明光源の半導体レーザの 他の駆動方法を説明するための図であり、図 14Aは、光フィードバックにより波長ロッ クされた半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図 14B は、図 14Aの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示 す図である。

[図 15]図 15A及び Bは、本発明の実施の形態 3に係る照明光源の半導体レーザのさ らに他の駆動方法を説明するための図であり、図 15Aは、光フィードバックにより波 長ロックされた半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図 15Bは、図 15Aの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スぺタト ルを示す図である。

[図 16]本発明の実施の形態 5に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。

[図 17]本発明の実施の形態 6に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。

[図 18]本発明の実施の形態 1〜3に係る照明光源を用いた液晶ノ ックライトの構成を 示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0012] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の 図面の記載において、同じ要素または類似する要素には同じまたは類似の符号を付 しており、説明を省略する場合がある。

[0013] (実施の形態 1) 図 1Aは、本発明の実施の形態 1に係る照明光源の構成を示す図である。図 1Aに おいて、本実施の形態に係る照明光源は、その基本構成として、光源である半導体 レーザ 1と、半導体レーザ 1からの出射光 4の一部を反射する反射体 2と、を備える。 半導体レーザ 1から出射された出射光 4は、狭帯域な反射特性を有する反射体 2で 特定波長が反射され、反射光 5が半導体レーザ 1の活性層内に入射する。半導体レ 一ザ 1の発振波長は、活性層内に帰還した反射光 5の光フィードバックにより、反射 波長に固定されている。この半導体レーザ 1を駆動電源 3によってパルス駆動する。 このときの出力を図 1Bに示す。図 1Bに示すように、半導体レーザ 1の出力は、パル ス列の出力となっている。本実施の形態に係る照明光源は、 1パルス内で半導体レ 一ザ 1の波長が、図 1Cに示すように大きく変動することを特徴とする。すなわち、 1パ ルス内で半導体レーザ 1の発振波長が反射体 2の反射波長からそれ以外の波長に 変動することでスペクトル変化が大きくなり、半導体レーザ 1の発振スペクトルが広が る。その結果、半導体レーザ 1のコヒーレンスが低下し、スペックルノイズの少ない光 を発生できる。

[0014] この原理について、図 2A〜Cを用いて説明する。

[0015] 半導体レーザ 1の発振は、活性層内のロスとゲインとの関係で決定される。パルス 発生の初期段階では、活性層温度が低いため、反射体 2によって帰還した反射光 5 に対してロスが少なくなり、発振波長が反射体 2からの特定反射波長 λ Βに固定され ている。ところが、 1パルス内で半導体レーザ 1の活性層の温度が上昇すると、図 2Β に示すように、半導体レーザ 1の利得 (ゲイン)領域が長波長側にシフトする。その結 果、反射波長 λ Βにおける利得が低下し、半導体レーザ 1の発振波長が反射波長え Βからゲインのピークに移動することで、半導体レーザ 1の発振波長が大きく変化する 。図 2Cに示すように、半導体レーザ 1の発振波長が 1パルス内で、反射体 2の反射波 長 λ Βからそれ以外の波長にシフトすることで、半導体レーザ 1の発振波長が大きく 変化し、発振スペクトルが広がることでコヒーレンスが低下する。これによつてスペック ルノイズ低減効果が増大する。

[0016] 次に、照明光源における半導体レーザのスペクトル変化をより大きくしてスペックル ノイズの抑圧効果を強化する構成にっ 、て述べる。 [0017] 第 1は、図 2Aの半導体レーザ 1の利得領域と反射体 2の反射波長 λ Βとが次に述 ベる関係を満たすようにすることである。図 2Βに示すように、反射体 2の反射波長え Βの値は、室温での半導体レーザ 1の利得波長のピーク（ゲインピーク）に対して、短 波長側に設定するのが望ましい。通常のパルス発振においても、活性層内には温度 変化が生じ、発振スペクトルは 1パルス内で短波長から長波長にシフトし、その値は 1 nm以下である。これに対して、反射波長 λ Βをゲインピークより短波長側に設定する ことで、スペクトルの波長変化の幅をゲインピークの変動幅より大きくできる。これによ つて、波長変動を lnm以上の波長域にわたり波長変動を生じさせ、スペックルノイズ の低減がはかれる。発振波長 λ Βから外れた場合の発振波長が大きく変化すること になり、スペクトル幅を拡大できる。

[0018] 第 2に、反射体 2の反射率は 1%〜10%程度が望ましい。 1%以下では光フィード ノ ックによる反射波長 λ Βへの固定が難しくなり、 10%以上になるとパルス駆動時に 半導体レーザ 1の発振波長が外れてゲインピークにシフトする現象が現れにくくなる

[0019] 第 3に、半導体レーザ 1の活性層に反射光 5を戻す反射体 2の狭帯域特性も重要で ある。反射体 2の狭帯域特性としては、波長幅で 5nm以下が好ましぐさらに好ましく は lnm以下である。反射波長幅が広がると、活性層内での波長選択性が低下するた め、光フィードバックによる発振波長の固定が難しくなる。このため、波長幅は 5nm以 下にする必要がある。さらに lnm以下にすることで、半導体レーザ 1の発振波長の反 射波長での選択性を高めることができる。半導体レーザ 1の波長をゲインのピークか ら 2nm以上の短波長領域で発振が可能となり、出力変調による波長変化が 3nm以 上の広い波長範囲に及んだ。半導体レーザ 1の発振波長をゲインのピーク力 大きく ずらすことで、強度変調により波長が変化する波長が大きくなる。

[0020] 第 4に、半導体レーザ 1のパルス駆動のパルスに 1MHz以上の高周波を重畳する ことが望ましい。高周波を重畳することでスペクトルが広がり、コヒーレンスが低下する ことで光フィードバックの効果が弱くなる。これによつて、パルス駆動による波長シフト 力 り簡単に発生する。また、この構造は GaNレーザに特に有効である。 GaN基板 をベースとする半導体レーザは、緩和振動が大きく高周波重畳を行うと、スパイクノィ ズが発生する。これは、半導体レーザへ注入する電流を高周波で変調すると、緩和 振動により出力光波形がスパイク状に変化し、変調度の何倍も高いパルス出力が発 生する現象である。このため、高周波重畳によるコヒーレンスの劣化がより大きくなり、 スペックルノイズ低減効果が強化される。なお、半導体レーザのパルス駆動のパルス に高周波を重畳する構成については、後述する実施の形態 3で詳しく説明する。

[0021] 第 5に、パルス駆動するときのパルス幅も重要である。パルス幅は 1 μ s以上が望ま しい。パルス駆動による波長シフトは、半導体レーザの活性層の温度変化による利得 領域の波長シフトを利用している。半導体レーザの温度変化の応答周波数は 1MHz 以下であり、これ以上高い周波数での変化は温度変化が追随しない。従って、周波 数では 1MHz以下、パルス幅では 1 μ s以上のパルス駆動が必要である。

[0022] 第 6に、反射体 2として、図 1に示した狭帯域の反射波長を 1つ有するもの以外に、 複数の反射波長を有するものを採用することが、さらに波長変化量を拡大できるため 有効である。図 3Αにおいて、パルス駆動により変化するゲインピークの移動幅より広 い波長領域を挟んで、反射体 2に対して、 2つの反射波長 λ Β1、 λ Β2を設定する。 半導体レーザ 1をパルス駆動すると、 1パルス内の初期状態では、図 3Βに示すように 、ゲインピークに近い λ ΒΙで発振する。 1パルス内で活性層温度が上昇してゲインピ ークが長波長側にシフトすると、ゲインピークが λ Β2に近づき、やがて λ Β2での発 振ゲインが λ ΒΙでの発振ゲインを上まわり、 λ Β2の発振に移動する。これによつて、 反射波長が 1つの場合に比べて、半導体レーザ 1の波長変化がより大きくなり、スぺ ックルノイズ低減効果が強化される。

[0023] なお、上記の構成例では、半導体レーザ 1に印加されるパルス幅を単一の矩形状 にしたが、パルス形状を変えることでスペクトル形状をコントロールできる。図 4A〜F を用いて、パルス波形によるスペクトル分布の制御方法について説明する。スペック ルノイズを抑圧するには、スペクトル幅を広げるのが有効である力 スペクトルは広い 波長領域に分布するのがより好ましい。図 4A〜Fは、パルス列を用いてスペクトル分 布を制御する方法を説明する図である。

[0024] 図 4Aでは、パルス列として、先頭にピークの高いパルス 41を発振し、その後、尖塔 値のより低い複数のパルス 42を印加し、最後はより尖塔値の低いパルス 43を印加し ている。パルス列を印加したときの活性層の温度変化を図 4Bに、そのときの半導体 レーザの波長変化を図 4Cに示している。活性層の温度は、光出力に対して遅延しな 力 追随するので、初期に尖塔値の高いパルス 41を印加すると、領域 Aで活性層温 度が上昇する前に高い光出力が得られる。領域 Aでは反射体による光フィードバック 波長により半導体レーザの発振波長が固定されている。その後、光出力とは少し遅 れて活性層の温度が上昇する。この温度上昇により半導体レーザのゲインピークが 長波長にずれてくると、ある時点で反射体による発振波長以外に、ゲインピークでの 発振も開始し、半導体レーザの発振波長がマルチ発振の不安定な状態になる (領域 B)。その後、ゲイン波長が反射体による発振波長より大きく長波長側にシフトすること で、半導体レーザの発振波長はゲインピークでの発振波長に移行し、温度上昇ととも に長波長で発振するようになる (領域 C)。

[0025] このように、パルス列によって活性層の温度変化を制御すると、発振波長スペクトル を広い波長領域に分布させることが可能となり、スペクトル分布のばらつきを、より大 きく取れる。このときのスペクトル分布の全体を図 4Dに示す。また、図 4Eに、図 4Aの 尖塔値の高い初期ピーク 41を用いない場合のスペクトル分布を示す。この場合、短 波長域でのスペクトルが減少する。一方、図 4Fに、反射体による光フィードバックが ない場合のスペクトル分布を示す。図 4D〜Fから明らかなように、尖塔値の高いパル ス列を用いることで、スペクトル分布のばらつきが大きくなり、スペックルノイズの抑圧 効果がより強化された。複数のパルス列を用いることで、活性層の温度変化を制御し 、スペクトル分布をより広げることが可能となる。

[0026] また、半導体レーザのストライプ幅は 5 μ m以上のワイドストライプ構造が好まし 、。

横モードシングルのストライプ構造にお 、ては、発振スペクトルが狭帯域な状態で変 動するのに対して、横モードをマルチモード化することで、スペクトル幅が広がった状 態で変化するので、平均的なスペクトル形状がなめらかになる。ワイドストライプ構造 にすることで、高出力化が図れるとともに、発振する横モードをマルチモードィ匕できる 。横モードをマルチモードィ匕することで、複数の横モードを励起し、半導体レーザの 発振スペクトルを拡大できる。光フィードバックにより波長を固定し、これをレーザのパ ルス駆動によりスペクトル変化させるときに、横モードのマルチ化によりスペクトル幅が 広がり、スペクトルの分散が大きくなることで、スペックルノイズを大幅に低減できる。

[0027] また、その他のレーザ、例えば、 AlGaAs系半導体材料や AlGalnP系半導体材料 であっても、光フィードバックと出力変調を同時に加えることでスペクトルの広い発振 が可能となり、スペックルノイズの少ない出力発生が可能となる。

[0028] さらに、マルチストライプレーザを利用することで出力の増大及びスペクトルの大幅 な増大が得られる。マルチストライプに、反射波長の異なる反射体を設置することで、 それぞれのストライプが異なる波長で発振するとともに、パルス駆動することで発振波 長の変動が起こるため、全体で広い波長範囲で発振が可能となる。この結果、レー ザ光のコヒーレンスが大幅に低減し、スペックルノイズを大幅に低減することが可能と なった。

[0029] さらに、半導体レーザの出力端近傍を窓構造にすることで、出力の安定化、高出力 化が可能となる。導波路窓構造は、出力端面破壊を防止し、高出力化に有効である 力 本発明のような光フィードバックを用いる構成にはより有効である。光フィードバッ クにより外部から光を帰還させることで、端面部での光パワー密度はより大きくなり、 端面劣化の発生が顕著になる。特に、パルス駆動することで出力の高い光が発生す る場合、より端面劣化が生じやすい。このため、端面窓構造にすることで高出力化が 達成でき、同時に信頼性の高い光源が実現できた。

[0030] 次に、図 1Aの反射体 2の構成について説明する。反射体 2としては、いくつもの構 成が存在する。反射体 2としては特定の波長を反射する狭帯域特性が要求される。 図 5に示す照明光源では、反射体 51として体積グレーティングを用 ヽた構成を採用 する。反射体としての体積グレーティング 51は、誘電体に屈折率グレーティングを形 成したもので、ブラッグ反射により特定波長を反射できる。半導体レーザ 1からの出射 光 4をレンズ 52でコリメートし、体積グレーティング 51で特定波長を反射することで、 半導体レーザ 1の波長を固定できる。これによつて、本発明の構成が実現できる。体 積グレーティング 51は小型構成が容易なため、小型の照明光源を実現できる。また グレーティングを干渉露光で作製できるため、複数の反射波長を反射する構成も容 易に実現できると 、う特徴を有する。

[0031] 図 6に示す照明光源では、狭帯域フィルター 61と反射体 64を組み合せた構成を採 る。狭帯域フィルター 61を透過した光を反射体 64で一部反射することで特定波長が 半導体レーザ 1に帰還する。この特定波長帰還により波長ロックする構成が実現でき る。この構成で、本発明の構成が実現できる。

[0032] 図 7に示す照明光源では、ファイバー 71内に形成されたファイバーグレーティング 72を利用した構成を採る。ファイバー 71内にグレーティング 72を形成したグレーティ ングファイバーにより、半導体レーザ 1をロックし、これをパルス駆動することで実現で きる。

[0033] 次に、本実施の形態に係る照明光源の発振波長の特性評価を行った結果につい て説明する。図 8Aに、この評価に使用した照明光源の構成を示す。この評価に使用 した照明光源は、その基本構成として、半導体レーザ 1と、半導体レーザ 1からの出 射光 4の一部を反射する反射体 2と、半導体レーザ 1と反射体 2との間に配置された レンズ 81と、を備えるものである。図 8Aの照明光源を用いて、半導体レーザ 1の発振 波長につ!、て実験を行 、、半導体レーザ 1の発振スペクトルを観測した。

[0034] 図 8Aの照明光源では、半導体レーザ 1から出射された光 4をレンズ 81でコリメート し、反射体 2で一部を反射させ、反射光 5を半導体レーザ 1の活性層に帰還させる。 反射体 2は体積グレーティングで構成され、ブラッグ反射による狭帯域の反射特性を 有している。反射体 2の反射波長は 808nmに設定されており、反射光 5の帰還により 半導体レーザ 1の発振波長は、反射波長である 808nmの近傍に固定されている。半 導体レーザ 1は、ストライプ幅 200 μ mのワイドストライプレーザであり、その横モード はマルチモードである。

[0035] このような構成の照明光源において、半導体レーザ 1を 200Hz程度で変調しながら 出力を増大させ、スペクトルアナライザ一により発振スペクトルを観察した。図 8B及び Cにその結果を示す。図 8Bは、半導体レーザ 1のピーク出力が 2W未満の場合を示 しており、半導体レーザ 1の発振波長は反射体 2の反射波長 808nmに固定されてい ることがわ力る。発振スペクトルが若干の広がりを持つのは、半導体レーザ 1がワイド ストライプのマルチモードレーザであるためである。一方、図 8Cは、半導体レーザ 1の 出力を増大させて、ピーク出力が 3Wを超えた場合を示している。この場合、半導体 レーザ 1の発振波長が反射体 2の反射波長 808nm以外の波長に広がっていること がわかる。具体的には、反射波長 808nmから 5nm程度、長波長側に発振スペクトル が広がっている。このことは、半導体レーザ 1の利得ピークの波長が反射波長 808η mより長波長側に存在することによるものである。半導体レーザ 1の出力が増大する に伴い、半導体レーザ 1の活性層の温度が上昇し、利得ピークが長波長側にシフトし たのである。

[0036] このようにして、反射体 2で発振波長をロックした半導体レーザ 1の出力を変調する ことにより、半導体レーザ 1の発振スペクトルを広げることができることが確認された。

[0037] 上述したように、半導体レーザ 1としてはワイドストライプのマルチモードレーザを用 いることが好ましい。また、そのストライプ幅としては 10 μ m以上、 200 μ m以下であ ることが好ましい。ストライプ幅を 10 m以上に広げることにより、出力を増大させ、横 モードのマルチ化が可能となる。横モードをマルチ化することにより、反射体 2の反射 波長での発振波長のロックが弱くなる。このため、発振波長のロックが外れやすくなり 、出力変調により容易にスペクトルを変動させることができる。一方、ストライプ幅が 20 0 μ m以上になると、今度は逆に、横モードのマルチモード数が多すぎて、ロックが必 要以上に弱くなつてしまう。このため、反射体 2の反射波長に発振波長をロックするこ と自体が困難になってしまう。以上より、半導体レーザ 1のストライプ幅は 10 m以上 、 200 m以下であることが好ましい。

[0038] また、反射体 2の反射率としては、上述したように、 1%以上、 10%以下であることが 好ましい。今回の評価では、反射率が 1%以下になると、反射体 2の反射波長によつ て半導体レーザ 1の発振波長をロックできず、利得ピークの波長のみの発振となり、 発振スペクトルが広がる効果を得ることができな力つた。一方、 10%以上にすると、半 導体レーザ 1の出力損失が大きくなり、出力の利用効率が下がるという問題が生じた

[0039] 上述したように発振波長がロックされた半導体レーザ 1の発振スペクトルを変調によ り拡大させる場合、半導体レーザ 1の利得ピークの波長と反射体 2の発振波長との波 長差が重要となる。通常、半導体レーザ 1の構造や反射体 2の反射率により、最適な 波長差は大きく変化するが、少なくとも波長差は 5nm以上、 20nm以下であることが 好ましい。波長差が 5nm以下の場合、発振スペクトルの移動が発生しないからである 。一方、 20nm以上の場合、反射波長でロックされること無ぐ利得ピークの波長で発 振を開始してしまうからである。このため、この場合であっても、発振スペクトルの移動 は発生しないことになる。

[0040] このように、半導体レーザ 1の利得ピークの波長と反射体 2の発振波長との波長差 を変調によりスペクトル移動が生じる最適な値に調整する必要がある。以下では、こ の波長差の調整を目的とする半導体レーザ 1の温度調整ついて検討を行った結果 について説明する。

[0041] 図 9Aに、この検討に使用した照明光源の構成を示す。この評価に使用した照明光 源は、その基本構成として、半導体レーザ 91と、半導体レーザ 91からの出射光の一 部を反射する反射体 93と、半導体レーザ 91と反射体 93との間に配置されたレンズ 9 2と、半導体レーザ 91を保持するホルダー 95と、ホルダー 95に設置され、半導体レ 一ザ 91の温度を制御する温度コントローラ 96と、を備えるものである。図 9Aの照明 光源を用いて、半導体レーザ 91の温度変化に対する発振波長の変化について実験 を行 、、半導体レーザ 91の発振スペクトルの変化を観測した。

[0042] ここでは、半導体レーザ 91としてはストライプ幅 100 μ mのレーザを利用し、反射体 93の反射波長 808nmの近傍で発振波長をロックしている。そして、温度コントローラ 96により半導体レーザ 91の温度を変化させ、その温度変化に伴う発振スペクトルの 変化を観測した。その観測結果を図 9B〜Dに示す。図 9Bは半導体レーザ 91の温 度を 25°Cに設定した場合、図 9Cは 30°Cに設定した場合、図 9Dは 40°Cに設定した 場合である。図 9Bの 25°Cの場合では、反射体 93の反射波長と半導体レーザ 91の 利得ピークの波長との間に差がないので、半導体レーザ 91は反射体 93の反射波長 で発振している。図 9Cの 30°Cの場合、半導体レーザ 91の温度上昇に伴い、利得ピ ークが長波長側に移動する。このため、半導体レーザ 91の利得ピークの波長と反射 体 93の反射波長と間に差が生じ、利得ピーク近傍での発振が始まる。図 9Dの 40°C の場合、半導体レーザ 91は、利得ピークの波長と反射波長の両方の近傍で発振し ている。この結果、半導体レーザ 91の発振スペクトルは大きく広がることとなり、スぺッ クルノイズが大幅に低下した。

[0043] 以上の結果から、半導体レーザ 91の温度を調節することにより、半導体レーザ 91 の利得ピークの波長と反射体 93の反射波長との差を最適な値とし、それにより、変調 時にスペクトル拡大が可能になることを実証することができた。従って、半導体レーザ 91の温度を調整する機能を付加することで、変調によるスペクトル拡がりを最大に調 整することが可能となる。

[0044] 図 10Aに、温度調整可能な半導体レーザ 91の構成例を示す。図 10Aに示す半導 体レーザ 91は、基板 101上に形成された活性層 103と、活性層 103を挟むように配 置された薄膜ヒータ 102と、を備えている。薄膜ヒータ 102は、図 9Aの温度コントロー ラ 96と接続され、温度コントローラ 96により薄膜ヒータ 102が制御される。薄膜ヒータ 102により半導体レーザ 91の温度を最適化することにより、図 9Dに示した最適な波 長差とする。それにより、半導体レーザ 91の利得ピークの波長と反射体 93の反射波 長との波長差を制御し、スペクトル拡大を容易に実現することができる。

[0045] また、図 10Bに、温度調整可能な半導体レーザ 91の他の構成例を示す。図 10Bに 示す半導体レーザ 91は、基板 101上に形成された活性層 103と、活性層 103を挟 むように配置された薄膜ヒータ 102と、反射体として形成された回折格子 104と、を備 えている。この構成では、反射体を回折格子 104として半導体レーザ 91内部に形成 することにより、光源を小型化することができる。図 10Bに示すように、活性層 103の 一部に回折格子 104が形成されて 、る。回折格子 104のブラッグ反射により半導体 レーザの発振波長が固定される。半導体レーザ 91のストライプ幅は 100 mであり、 横モードをマルチモード化することで高出力化を図り、かつ回折格子 104による波長 の固定を弱くしている。これによつて、変調によるスペクトル変動が容易になる。この 半導体レーザ 91の出力を変調することで、回折格子 104の反射波長と活性層 103 の利得ピーク波長との間でスペクトルを変動させて、スペックルノイズを低減できる。 変調によりスペクトルを変動させる場合に、利得ピーク波長と回折格子 104の反射波 長との波長差を最適化するために、薄膜ヒータ 102による温度制御が重要である。温 度を制御することでスペクトルの変動の最適状態に調整できる。さらに、消費電力を 下げるためには、出力変調に合わせて、薄膜ヒータ 102への電力も変調するのが好 ましい。スペクトルが半導体レーザ 91の利得ピークに移動する時に、半導体レーザ 9 1の温度が高くなるように、半導体レーザ 91の変調に合わせて、薄膜ヒータ 102の駆 動電流を制御することで、薄膜ヒータ 102の消費電力を低減できる。半導体レーザ 9 1に形成した薄膜ヒータ 102は高速応答が可能であり、変調速度に追従できる。また 、薄膜ヒータ 102のみならず、プラズマ効果を利用して半導体レーザの屈折率を変調 する方法や、薄膜ヒータ 102の代わりに電極を形成して、基板 101自体に電流を流 すことで半導体レーザ 91自体の温度制御することも可能である。

[0046] さらに、反射体を半導体レーザ内部に形成する構成として、半導体レーザ内部に 狭帯域な反射特性を有する周期構造を形成した DFBレーザや、 DBRレーザ等も同 様に利用できる。通常、 DFBレーザ及び DBRレーザは、発振波長がグレーティング の選択波長から外れな 、ように、グレーティングによる反射波長と活性層内の励起光 の波長との結合係数を高めている。しかしながら、本実施の形態では、結合係数を通 常の半分以下に低減する必要がある。本発明の構成においては、半導体レーザの 発振波長がパルス駆動でロック波長力も外れる必要がある。このため、パルス駆動に よりグレーティングの固定波長力 外れる程度の結合を実現する必要がある。すなわ ち、半導体レーザの最大出力の 50%近傍ではグレーティングのブラッグ波長で発振 し、最大出力近傍の CW発振においては、グレーティングのブラッグ波長以外の波長 で発振する DFBレーザ及び DBRレーザであることが好まし!/、。このような DFBレー ザ及び DBRレーザを用いると、非常に小型の照明光源の構成が実現できる。半導体 レーザをパルス駆動することで、グレーティングの反射波長とそれ以外の波長で発振 することで、広い波長領域でのレーザ発振が可能となり、スペックルノイズの少ない光 源が実現できる。また DFBまたは DBR構造を有するマルチストライプの構造は高出 力化により有効である。また、自励発振に使われる過飽和吸収体を活性層近傍に設 けた構造にも有効である。過飽和吸収体はレーザ発振による屈折率変化が通常の 媒体に比べて大きいので、半導体レーザの発振波長の変化が大きくなり、スペクトル 幅をより拡大できる。

[0047] 特に、 DBRレーザを用いる場合、グレーティング構造を活性層内に形成することが 好ましい。 DBRレーザのグレーティングは、温度変化による波長変動を抑圧するため 、導波路を不活性処理した部分に形成する。これに対して、本実施の形態では、活 性層の内部または活性層の表面に直接形成する。活性層が電流注入により温度が 上昇することにより屈折率が変化し、これによつて、 DBR部の反射波長がシフトする のを利用すれば、パルス発生による温度変化により反射波長が変化し、スペクトル幅 を拡大することが可能となる。この結果、スペックルノイズの抑圧が達成される。

[0048] 次に、図 11A及び Bを用いて、上述した DFBレーザ及び DBRレーザの構成につ いて具体的に説明する。図 11Aは、 DBRレーザの構造を示す断面図、図 11Bは、 D FBレーザの構造を示す断面図である。上述したように、 DFBレーザ及び DBRレー ザは、レーザ内部に回折格子 (グレーティング)形成することにより、この回折格子を 反射体として集積ィ匕することができる。回折格子を集積ィ匕することで、半導体レーザ の発振波長を回折格子の反射波長に固定し、変調によりスペクトルを変動させてス ペックルノイズを低減する。半導体レーザのストライプ幅は 100 mであり、横モードを マルチモード化することで高出力化を図り、かつ、回折格子による波長の固定を弱く している。これによつて、変調によるスペクトル変動が容易になる。ストライプ幅として は 10〜200 mが好ましい。回折格子魏積ィ匕することで非常に小型の照明光源が 実現できる。

[0049] 最初に、 DBRレーザの構成について図 11Aを用いて説明する。図 11Aに示す DB Rレーザでは、活性層 115によりレーザ発振し、出力制御電極 112からの電流注入 により、レーザ光 111の強度を制御し、端面 117から出力する。活性層 115の端面 1 16側に設けた回折格子 114で特定波長をブラッグ反射し、この波長により半導体レ 一ザの発振波長が固定される。回折格子 114の上部には波長調整電極 113が形成 されており、電流注入により回折格子 114の温度を変えることで、発振波長を制御し ている。出力制御電極 112への注入電流を変調することで出力変調するとともに、活 性層 115の温度上昇によって利得波長を変動させ、回折格子 114の反射波長と利 得波長の差を大きくすることで、発振スペクトルを回折格子 114の反射波長と利得ピ ーク波長の間で変動させることができる。これによつて、半導体レーザの発振スぺタト ルを変動させスペックルノイズを低減できる。

[0050] 出力変調によりレーザの発振スペクトルを回折格子 114の反射波長と活性層 115 の利得ピーク波長との間で変動させることで、発振スペクトルの拡大が可能となる。利 得ピーク波長と反射波長の最適値を波長調整電極 113に注入する電流により制御 することができる。従って、波長調整電極 113により、スペクトルの変動範囲を調整す ることが可能となる。さらに、出力変調に合わせて、波長調整電極 113への電流も変 調するのが好ま 、。スペクトルが半導体レーザの利得ピークに移動する時に半導 体レーザの温度が高くなるように、半導体レーザの変調に合わせて、波長調整電極 1 13の駆動電流を制御することにより、スペクトルの変動量を拡大できる。このため、ス ペックルノイズをさらに低減できる。また、波長調整部での電力消費を低減して低消 費電力化できるという利点を有する。

[0051] 通常の DBRレーザの場合、回折格子 114と端面 117で共振器を構成するように、 回折格子 114側の端面 116からの反射を抑圧している。具体的には、端面 116に反 射防止膜を形成し、また、活性層 115のストライプを端面 116の近傍で曲げて、端面 反射を低減するなどの方法がとられている。これに対して、本実施の形態では、半導 体レーザの発振が端面 117と回折格子 114で共振器を構成する波長ロックの状態と 、端面 116及び 117の間でレーザ共振する状態に変化することで、発振スペクトルを 変動させることができる。このため、端面 116には反射膜が形成されている。

[0052] 次に、 DFBレーザの構成について図 11Bを用いて説明する。図 11Bに示す DFB レーザでは、活性層 115全体に回折格子 114が形成されている。出力制御電極 112 に注入する電流を変調することで、発振スペクトルを変動させ、スペックルノイズを低 減できる。また、図 10A及び図 10Bに示したレーザの温度を調整する機構を設けるこ とで、発振スペクトルの変動の最適状態の調整が可能となる。

[0053] なお、半導体レーザの変調周波数は、 0. lkHz〜lMHzが好ましい。照明光源と して人間が認識するスペックルノイズとして 0. 1kHz以下でスペクトルが変化すると、 スペクトル変化を肉眼で観測できるため、スペックルノイズ低減効果が弱まる。スぺク トル変動を人間が認識できないように周波数を 0. 1kHz以上に上げる必要がある。 一方、半導体レーザの変調において、半導体レーザの活性層内の温度変化によりス ベクトルが移動するには、レーザのオン'オフ切り替えにおいて活性層内の温度変化 の差が大きくないとスペクトル変動が発生しない。周波数が 1MHz以上になると半導 体の熱の拡散速度の影響により活性層内の温度変化が出力変調に追従しなくなる ため、変調によるスペクトルの移動が発生しなくなる。このため、変調速度は 1MHz以 下が好ましい。

[0054] また、半導体レーザを駆動するパルスのデューティ比（パルス幅 Zパルス繰り返し 間隔）は 50%以下が好ましい。デューティ比を 50%以下にすることで、平均パワーに 対するパルスのピーク出力を 2倍以上に設定できる。デューティ比を小さくして、ピー ク出力を大きくすることで、 1パルス内での活性層温度の変化を大きくとれるため、波 長シフト量が増大でき、スペックルノイズの抑圧効果がより大きくなる。さらに望ましく は 30%以下に設定することで、よりスペックルノイズが低減される。

[0055] (実施の形態 2)

次に、本発明の実施の形態 2について説明する。上記の実施の形態 1では、半導 体レーザ力 出射されるレーザ光を投射装置や表示装置の照明光源としてそのまま 利用するものであった。これに対し、本実施の形態では、半導体レーザからのレーザ 光で固体レーザ媒質を励起することにより固体レーザ媒質力 出射されるレーザ光を 照明光源として利用するものである。

[0056] 図 12に、本実施の形態に係る照明光源の構成を示す。図 12に示す照明光源は、 半導体レーザ 1と、反射体 121と、固体レーザ 122と、非線形光学素子 123と、ミラー 124及び 125と、を備えている。半導体レーザ 1は波長 808nmのポンプ光源であり、 半導体レーザ 1から出た光は、固体レーザ 122を励起して、レーザ発振を起こす。固 体レーザ 122から出た出射光 4は、ミラー 124及び 125で構成される共振器構造内 でレーザ発振を行う。共振器内に設置された体積グレーティングからなる反射体 121 は選択波長を固体レーザ 122に帰還するので、固体レーザ 122は反射体 121の反 射波長に固定される。レーザ結晶には Nd:YVOを用い、発振するレーザ光は 106

4

4nmである。共振器内に非線形光学素子 123を設置する。非線形光学素子 123は 周期状の分極反転構造を有する Mgドープ LiNbOである。共振器内で発生した出

3

射光 4は、非線形光学素子 123で第 2高調波に変換され、波長 532nmの緑色光を 発生する。この構成において、半導体レーザ 1をポンプする駆動電源 3によって半導 体レーザ 1をパルス駆動する。

[0057] この構成において、反射体 121の反射波長を例えば 1063nm程度に設定する。固 体レーザ 122として、 Ndのドープ量を 3at%程度に増加させると、レーザ発振の利得 波長領域が広がり、 1063nmでも高い発振強度が得られた。半導体レーザ 1を強度 変調することで、固体レーザ 122が出力変調される。変調周波数を lkHz、パルスの デューティを onZoff比で 25%にして変調したところ、固体レーザ 122の出力も同様 に出力変調された。固体レーザ 122がパルス励起により温度変化することで、初期の 発振波長 1063nm力ら 1064. 5nm程度まで波長が変化した。これは、固体レーザ 1 22の温度変化により発振波長が反射体 121の反射波長から、それ以外の波長に変 化したことによる波長変動である。この動作によって、出力される緑色の SHG光は波 長 531. 5〜532. 3nmまでのスペクトル拡大が可能となり、スペックルノイズが低減 できた。さらに、固体レーザ 122のドープ量の最適化を進めることで、レーザ発振の 利得波長領域がさらに広がり、その結果、緑色の SHG光は波長 531. 5-532. 5n mまでのスペクトル拡大を達成できた。

[0058] なお、図 12では、狭帯域特性を有する反射体である体積グレーティング 121をミラ 一 124及び 125からなるレーザ共振器内部に設置した力 その他の構成として、レー ザ共振器の外部力も共振器に光フィードバックすることでも、レーザの発振波長を制 御することが可能である。外部から波長を帰還すると、共振器内部の損失を低減でき るため、高効率化に有利である。共振器の外部から狭帯域の反射波長を帰還する方 法では、図 6で示した狭帯域フィルターや、図 7で示したファイバーグレーティングを 用いる構成も可能である。

[0059] また、固体レーザ 122自体にグレーティング構造を形成する構成も有効である。セ ラミックレーザを用い Ndなどのドープ量を部分的に分布させることでレーザ媒質内部 に周期的な屈折率分布が形成できる。これによつて固体レーザ 122の DFB構造が 実現する。これをパルス光で励起すると固体レーザの屈折率変動が大きいため、ダレ 一ティングの反射波長領域が利得波長領域から外れ、同様に波長変動によるスぺク トル拡大が実現できる。

[0060] また狭帯域特性を有する反射体として、複数の反射波長を有する反射体を用いる 構成も可能である。さらに、半導体レーザの出力変調にさらに高周波を重畳すること で、固体レーザの発振を不安定にし、スペクトルの広がりを大きくすることでスペック ルノイズがさらに低減する効果も得られる。 [0061] また、レーザ媒質として固体レーザの代わりにファイバーレーザを用いることも可能 である。

[0062] (実施の形態 3)

次に、本発明の実施の形態 3について説明する。本実施の形態は、半導体レーザ に印加される駆動電流に高周波を重畳することにより駆動電流を変調し、半導体レ 一ザの発振スペクトルを大きく変動させるものである。

[0063] 図 13A及び Bは、本実施の形態に係る照明光源の半導体レーザの駆動方法を説 明するための図である。図 13Aは、光フィードバックにより波長ロックされた半導体レ 一ザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図 13Bは、図 13Aの電流 波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。なお 、図 13A及び Bにおいて、「on」は駆動電流に高周波が重畳されている期間、「off」 は駆動電流に高周波が重畳されて 、な 、期間を示して 、る。

[0064] 半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳することで半導体レーザの出力光のコヒ 一レンスが低下する。光フィードバックを利用した半導体レーザは外部からの特定の 波長の光をレーザの活性層内に帰還することで、出力波長を固定できる。これに対し て、半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳すると、光のコヒーレンスが低下するた め、外部から帰還する戻り光との相関が低下し、光のロックがはずれる。駆動電流に 高周波を重畳する期間としない期間とを設けることにより、半導体レーザの発振波長 を外部からの戻り光の波長に固定されたスペクトル（図中「off」の期間）と、外部から の戻り光による波長ロックからはずれた状態（図中「on」の期間）との間で、時間的に スペクトルを変化させることができる。これによつて、レーザ光の発振波長が時間的に 変化し、人間が観測した場合のスペックルノイズを大幅に低減することができる。半導 体レーザのコヒーレンスを下げるための高周波重畳の周波数は 10MHz以上の高周 波が必要である。また、スペクトル変化によりスペックルノイズが低下すると人間が認 識するには、高周波の印加を切り替える周波数として 1kHz以上が必要であった。

[0065] なお、高周波重畳の場合、駆動電流の最小値は、半導体レーザのしき 、値電流 It hの値より小さ 、方が望ま 、。駆動電流をしき!、値電流 Ith以下の値から変調するこ とで、半導体レーザのコヒーレンスは大幅に低下し、半導体レーザの波長ロックが、よ り外れやすくなる。

[0066] また、半導体レーザは横モードがマルチモード発振であるワイドストライプのレーザ が好ましい。シングルモードの半導体レーザは、波長ロックがかかりやすぐ高周波重 畳しても波長ロックが外れにくいため、非常に強い振幅の高周波重畳が必要となるが 、ワイドストライプは容易に波長ロックが外れるため、高周波重畳の消費電力を低減 できる。

[0067] さらに、高周波重畳を加えると、図 13Bの「on」期間に示すように、単一のスペクトル 自体も広げることができる。これにより、コヒーレンスをさらに低減し、スペックルノイズ をより低減することが可能となる。

[0068] 図 14A及び Bは、本実施の形態に係る照明光源の半導体レーザの他の駆動方法 を説明するための図である。図 14Aは、光フィードバックにより波長ロックされた半導 体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図 14Bは、図 14Aの 電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。 図 14A及び Bにおいて、「大」は駆動電流に高強度の高周波が重畳されている期間 、「小」は駆動電流に低強度の高周波が重畳されている期間を示すものとする。図 14 Bに示すように、高周波の振幅強度を時間的に変調することにより、図 13A及び Bの 場合と同様、半導体レーザの発振波長を 2つのスペクトルで発振することが可能とな る。

[0069] 図 15A及び Bは、本実施の形態に係る照明光源の半導体レーザのさらに他の駆動 方法を説明するための図である。図 15Aは、光フィードバックにより波長ロックされた 半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図 15Bは、図 15 Aの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す図であ る。図 15A及び Bにおいて、「A」は駆動電流の最小値がしきい値電流 Ithを下回る期 間、「B」は駆動電流の最小値がしきい値電流 Ithを上回る期間を示すものとする。こ の駆動方法では、高周波のバイアスを変調して振幅の最小値が、半導体レーザのし き 、値電流 Ithの上下で変化するように駆動する。高周波重畳された駆動電流の最 小値が半導体レーザのしきい値電流を以下になると、半導体レーザのコヒーレンスが 大幅に低下する。この現象を利用して、しきい値電流の上下で駆動電流の最小値が 上下するように、高周波重畳の振幅またはバイアスを変調することで、半導体レーザ の発振スペクトルを 2波長間で変化させることが可能となる。さらに、この構成におい ては、波長ロックされた状態でも高周波重畳された状態になるので、図 15Bの「B」期 間に示すように、発振スペクトルの広がりを大きくできる。このため、スペックルノイズの 低減効果をより強くすることができる。

[0070] また、高周波の周波数を変調することも有効である。光フィードバックにより波長を 固定する場合、反射体と半導体レーザの距離に依存して、高周波がかかりやすい周 波数が存在する。これは、光が反射体力 反射して半導体レーザに帰還する時間に より決定される。このため、高周波の周波数を時間的に変化させることによつても、波 長ロックの強度を変えることができる。即ち、波長ロックの強い周波数では、外部の反 射体から帰還する波長に固定され、波長ロックの弱まる周波数では、外部から帰還 する波長から外れて、半導体レーザのゲインピークで発振することになり、半導体レ 一ザが 2つの波長スペクトルでさせることが可能となる。

[0071] なお、本実施の形態では、レーザ媒質として半導体レーザにつ!、て示したが、レー ザ媒質として固体レーザ、ファイバーレーザを用いた場合にも適用可能である。固体 レーザ、ファイバーレーザの場合、高周波を重畳する対象は、レーザ媒質を励起する ポンプ用の半導体レーザとなる。また、ファイバーレーザの場合、特定波長を反射す る反射体としてはファイバー内に周期的な屈折率分布を形成したファイバーグレーテ イングを用いる構成が好ましい。ポンプ用の半導体レーザを高周波駆動し、高周波の 周波数、振幅を変調することで、固体レーザまたはファイバーレーザの発振スぺタト ルを時間的に変化させることが可能となる。これによつて、レーザ光のスペクトルを大 幅に低減することができた。

[0072] なお、反射体として、レーザ媒質に外部から特定波長を反射する反射体を設けた 構成について記載したが、レーザ媒質の内部、例えば、半導体レーザの内部にダレ 一ティング構造を形成した DFBレーザ、 DBRレーザにぉ 、ても同様の構成が可能 である。

[0073] (実施の形態 4)

次に、本発明の実施の形態 4について説明する。本実施の形態は、上記の実施の 形態 1〜 3に係る照明光源を用 Vヽてレーザディスプレイを実現するものである。

[0074] レーザディスプレイは、 RGBレーザ光を用いたディスプレイ装置であり、レーザ出力 としては数 lOOmW力も数 W以上の大出力が必要とされる。レーザディスプレイの場 合、光に回折限界の集光特性は要求されない。従って、半導体レーザの横モードは 単一モードである必要がない。そこで、ワイドストライプ構造の高出力半導体レーザを 用いる。赤色レーザには AlGaAs系半導体材料または AlGalnP系半導体材料を用 い、発振波長は 630〜640nmの赤色レーザを用い、青色レーザには GaN基板をべ ースとする半導体レーザを用い、発振波長は 440〜450nmである。カラーディスプレ ィを実現するには、 RGB照明によるカラー表示が必要である力 ここでは、 RGBを切 り替えて表示するフィールドシーケンシャル方式を用いる。周波数は 60Hzで青、赤、 緑は発光時間をそれぞれ 30%で切り替える。空間変調素子としては DLPを用い、レ 一ザ光を画像変換する。 RGB光源を周波数 120Hz、デューティ 30%で駆動して、 R GBを順番に切り替え、それぞれの色の絵を合成することでカラー画像を表示させた

[0075] 半導体レーザはそれぞれグレーティングによって特定波長の反射光を帰還して!/、 る。半導体レーザを 500mWのピーク出力でパルス駆動することで、発振波長がダレ 一ティングの反射波長から、それ以外の波長にシフトし、発振波長が変化した。 RGB の切り替え駆動によりスペクトルが拡大し、スペックルノイズを大幅に低減でき、高画 質の画像が実現できた。本実施の形態では、特別な構成を必要とせず、カラー表示 に必要な RGBの画像切り替え変調により光源のスペクトルを拡大し、スペックルノィ ズの低減が可能になった。

[0076] ここでは、レーザディスプレイへの応用を目的とした Wクラスのレーザ光源につ!、て 述べる。 100インチクラスの大画面をレーザの照明により実現するには、光源特性と して数 Wの出力が必要となる。フルカラー出力を得るためには、赤、青、緑の波長領 域のレーザをそれぞれ数 Wクラスのものをそろえる必要がある。し力しながら、単一ス トライプ構造の半導体レーザにおいて、 Wクラスの出力を得るのは難しい。そこで、マ ルチストライプ構造の半導体レーザを利用して数 W出力を得る構成を提案する。スト ライプ幅は 50 μ m、ストライプ間隔は 300 μ m、チップ幅 12mmで、 10本程度のスト ライプが集積ィ匕されている。 1ストライプあたりの出力は数 lOOmW程度で、 1チップで 4Wの出力が可能である。体積グレーティングにより各ストライプに光フィードバックす ることで発振波長を固定している。このレーザアレイを RGBで切り替えて出力変調す ることで、発振波長が変化し、スペクトル幅が拡大することでスペックルノイズが大幅 に低減された。さらに、グレーティングの反射波長をストライプ間で異なる波長に設計 することで光源のスペクトルをより拡大することができた。さらにパルス変調することで スペクトルが時間的に変化し、かつスペクトル幅を拡大することができるので、スぺッ クルノイズがより低減された。

[0077] また、高出力化が容易なワイドストライプ構造により、高出力化、歩留まり向上、信頼 性向上を実現できた。

[0078] (実施の形態 5)

次に、本発明の実施の形態 5について説明する。本実施の形態は、上記の実施の 形態 4に係るレーザディスプレイの一種であるレーザ投射装置に係る形態である。レ 一ザ投射装置は、 RGB光源と、投射光学系とからなり、レーザ光源からの光を投射 光学系によりスクリーン等へ投射することでフルカラーの映像を投射できる。その方式 としては、外部のスクリーンや壁などの投射体に映像して反射光を見るタイプと、背面 投射型としてスクリーンの背面力 光を照射して反射光を見るタイプに分かれる。 ヽ ずれの場合も、スクリーン等で散乱された光によって色を認識できる。しかしながら、 コヒーレンスの高いレーザを利用する場合、スクリーンで散乱された光が干渉してス ペックルノイズを発生すると ヽぅ問題が発生する。スペックルノイズを低減する有効な 方法はレーザ光のコヒーレンスを低減すること方法である。レーザ光のコヒーレンス低 減には、レーザの発振スペクトルを拡大するのが有効である。

[0079] 図 16は、本実施の形態に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。本実施の 形態に係るレーザ投射装置は、上記実施の形態 1〜3に係る照明光源を用い、レー ザ光を 2次元スィッチである液晶パネルにより画像変換して、スクリーン上に映像を投 影するレーザディスプレイである。照明光源 161から出射された光は、コリメート光学 系 162及びインテグレータ光学系 163を通って、拡散板 164を通過した後、 2次元ス イッチである液晶パネル 165により画像変換され、投影レンズ 167によりスクリーン 16 6に投影される。拡散板 164は、揺動機構により位置変動しており、照明光源 161の スペクトル拡大と合わせてスクリーン 166上で発生するスペックルノイズを低減する。

[0080] 本実施の形態に係るレーザ投射装置では、照明光源 161の波長変動を利用して、 コヒーレンスを下げることで、スクリーン上で発生するスペックルノイズを低減して 、る 。照明光源 161は、外部の温度変化に対しても安定した出力が得られ、小型、高出 力で安定な映像が実現できた。また、高いビーム品質のため、光学系の設計を容易 にし、小型化、簡素化が可能となった。

[0081] さら、上記実施の形態 1〜3に係る照明光源を複数用いることにより、スペックルノィ ズをより低減することが可能である。照明光源を複数用いて、それぞれの光源の反射 体の波長を異なる波長に設定することで、照明光源の発振スペクトルが全体で大きく 広がる。これによつて、スペックルノイズを大幅に低減できる。

[0082] なお、 2次元スィッチとしては、液晶パネル以外にも、反射型液晶スィッチ、 DMDミ ラー等の利用も可能である。

[0083] (実施の形態 6)

次に、本発明の実施の形態 6について説明する。本実施の形態は、上記の実施の 形態 4に係るレーザディスプレイの一種である他のレーザ投射装置に係る形態である

[0084] 図 17は、本実施の形態に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。照明光源 1 71から出射されたレーザ光 174は、ミラー 172及び 173で走査することにより、スクリ ーン 175上に 2次元的な画像を描く。この場合に、照明光源 171に高速なスィッチ機 能が必要である。本実施の形態に係る照明光源 171は、高出力化が可能であり、出 力安定化に優れ、簡易な温度制御によって安定した出力を得ることができる。また、 出力変調することでスペクトルの拡大が同時にできるため、画像形成のための出力 変調とスペクトル拡大のための出力変調を兼任できると 、う利点を有する。画像形成 のための出力変調によりスペックルノイズを低減できるため、スペックルノイズ低減の みに必要な構成が不要となる。また、ビーム走査光学系としては MEMSを利用した 小型走査装置も利用できる。高いビーム品質は集光特性、コリメート特性に優れ、 M EMS等の小型ミラーも利用可能となる。これによつて、走査型のレーザディスプレイ が実現できた。

[0085] なお、上記実施の形態 4〜6では、光学装置としてはレーザディスプレイについて 説明したが、その他、液晶のノ ックライトへの応用も可能となる。液晶のバックライト用 の光源として照明光源を用いれば、スペックルノイズが抑圧され、高品質な画像が実 現できる。さらにレーザ光により広い色範囲が表現できるため、色再現性に優れたデ イスプレイが実現できる。図 18に、上記の実施の形態 1〜3に係る照明光源を用いた 液晶バックライトの構成を示す。導光板 186の端面から照明光源 181〜183からのレ 一ザ光 185をマイクロレンズ 184を通して入射し、面状のバックライト光源を形成して いる。レーザ光を複数使用することで、輝度を上げるとともに、照明光源を複数用い、 それぞれの光源の反射体の波長を異なる波長に設定することで、スペクトルは全体 で大きく広がる。これによつて、スペックルノイズを大幅に低減できる。

[0086] また、その他、レーザ照明、イルミネーションなど、レーザ光源を照明光源として利 用する場合には、スペックルノイズの低い光源として有望である。

[0087] 本発明の照明光源は、光フィードバックによって波長ロックされたレーザ媒質にお いて、レーザ媒質の出力変調時に発生する利得波長領域の変動を利用して、レーザ 媒質の発振波長を大きく変動させる。これによつてレーザ媒質の発振スペクトルの変 動幅を増大させスペックルノイズの少なヽ光源を実現する。この光源を用いた照明光 学システムおよび投射光学システムによりスペックルノイズの少ない高画質な照明光 学系を実現できる。

[0088] 上記の各実施の形態力も本発明について要約すると、以下のようになる。すなわち 、本発明に係る照明光源は、所定の利得領域を持つレーザ媒質を有するレーザ光 源と、狭帯域の反射特性を有する反射体と、を備え、前記反射体の反射波長は、前 記レーザ媒質の利得領域内で設定されており、前記レーザ光源から出射されるレー ザ光の一部は前記反射体による反射によって前記レーザ光源に帰還され、前記レー ザ光源の発振波長は、前記レーザ光源の発振特性の変化により前記レーザ媒質の 利得領域のピークを前記反射波長力 移動させることにより、前記反射波長力 変化 される。

[0089] 上記の照明光源では、レーザ光源から出射されるレーザ光の一部を反射体による 反射によってレーザ光源に帰還させることによりレーザ光源の発振光を反射体の波 長に固定する。そして、レーザ光源の発振特性を変化させることでレーザ光源の利得 領域のピークを固定された反射波長から変動させる。このため、レーザ光源の発振波 長が大きく変動させることができるので、レーザ光源の発振スペクトル幅が広がりコヒ 一レンスが低下する。従って、スペックルノイズの少ない照明光源を実現することがで きる。

[0090] 前記反射体の反射波長は、前記レーザ媒質の利得領域のピークに対して短波長 側に設定されることが好ましい。

[0091] この場合、反射波長を短波長側に設定しておくことにより、レーザ光源の利得領域 のピークは長波長側にシフトする場合、レーザ光源の発振波長の変動をより大きくす ることがでさる。

[0092] 前記レーザ光源の発振波長の変化量は、 lnm以上であることが好ましい。

[0093] この場合、レーザ光源の発振波長の変化量をレーザ光源の利得領域のピークの変 動幅よりも大きくすることができる。

[0094] 前記反射体の反射波長は、複数の反射波長を含み、前記レーザ光源の発振波長 は、前記複数の反射波長間で変化されることが好ましい。

[0095] この場合、レーザ光源の発振波長を複数の反射波長間で変化させることができるの で、発振波長の変化量をより大きくすることができる。

[0096] 前記レーザ光源に印加される駆動電流をパルス変調することにより、前記レーザ光 源の発振特性を変化させると共に、前記パルス変調のパルスのデューティ比は、 50

%以下であることが好まし!/、。

[0097] この場合、駆動電流のピーク出力を平均出力に対して大きくすることができるので、 レーザ光源の発振特性の変化を大きくとることができる。

[0098] 前記パルス変調のパルス幅は、 1 μ s以上であることが好まし!/、。

[0099] この場合、駆動電流のパルス変調に追従するようにレーザ光源の発振特性を変化 させることがでさる。

[0100] 前記パルス変調のパルスは、複数の短パルスの組み合わせ力 構成されることが 好ましい。 [0101] この場合、レーザ光源の発振特性の変化をより大きくとることができる。

[0102] 前記反射体は、屈折率グレーティングが形成された誘電体力 なることが好ましい。

[0103] この場合、屈折率グレーティングが形成された誘電体は小型化が可能であるので、 照明光源の小型化を図ることができる。

[0104] 前記反射体は、グレーティングが形成されたファイバ一力もなることが好ましい。

[0105] この場合、簡単な構成で反射体を実現できる。

[0106] 前記反射体は、狭帯域フィルターと、前記狭帯域フィルターを透過する光の一部の みを反射する反射部材と、からなることが好ましい。

[0107] この場合、簡単な構成で反射体を実現できる。

[0108] 前記レーザ光源は、半導体レーザであることが好ましい。

[0109] この場合、高輝度、高出力のレーザ光源を利用することができる。

[0110] 前記反射体は、前記半導体レーザの内部に形成されていることが好ましい。

[0111] この場合、照明光源の小型化を図ることができる。

[0112] 前記半導体レーザは、 III— V族窒化物系半導体材料力もなることが好ましい。

[0113] この場合、高輝度、高出力のレーザ光源を得ることができる。

[0114] 前記半導体レーザは、 AlGaAs系半導体材料力もなることが好ましい。

[0115] この場合、高輝度、高出力のレーザ光源を得ることができる。

[0116] 前記半導体レーザは、 AlGalnP系半導体材料力もなることが好ましい。

[0117] この場合、高輝度、高出力のレーザ光源を得ることができる。

[0118] 前記レーザ光源は、固体レーザであることが好ましぐ前記固体レーザは、固体レ 一ザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む共振器と、前記共振器内に設置された非線 形光学素子と、力もなることが好ましい。

[0119] この場合、大パワー出力のレーザ光を得ることができる。

[0120] 前記レーザ光源は、ファイバーレーザであることが好ましい。

[0121] この場合、高効率でレーザ光を得ることができる。

[0122] 前記駆動電流には、前記駆動電流の周波数、振幅及びバイアスのうちの少なくとも

1つを変調する高周波信号が重畳されて 、ることが好ま 、。

[0123] この場合、レーザ光源から出射されるレーザ光のコヒーレンスを低下させることがで きるので、反射波長に固定されたレーザ光源の発振波長の変動をより容易に行うこと が可能となる。

[0124] 前記高周波信号の周波数は、 10MHz以上であり、前記高周波信号の周波数、振 幅及びバイアスのうちの少なくとも 1つを変調する変調信号の周波数は、 1kHz以上 であることが好ましい。

[0125] レーザ光源から出射されるレーザ光のコヒーレンスを低下させつつ、スペックルノィ ズの低減の効果を観察者に感知させることができる。

[0126] 前記駆動電流の最小値は、前記レーザ光源のしきい値電流値を中心として上下変 動することが好ましい。

[0127] この場合、レーザ光源の発振波長が反射波長に固定されている状態においても、 発振波長に広がりを持たせることができる。

[0128] 前記半導体レーザはさらに、前記半導体レーザを加熱する加熱部を備え、前記半 導体レーザの発振特性の変化に追従するように、前記加熱部力 発生される熱によ る加熱が制御されることが好まし 、。

[0129] この場合、半導体レーザの発振特性の変化を最適な状態で行うことができる。

[0130] 前記反射体は、回折格子からなり、前記回折格子によるブラッグ反射により前記反 射波長が設定され、前記半導体レーザはさらに、前記駆動電流が供給され、前記半 導体レーザの出力を制御可能な出力制御電極と、波長制御用電流が供給され、前 記波長制御用電流の注入による前記回折格子の温度制御により、前記半導体レー ザの発振波長を制御可能な波長制御電極と、を備え、前記駆動電流のパルス変調 に追従するように前記波長制御用電流をパルス変調することが好ま 、。

[0131] この場合、駆動電流のパルス変調に追従するように波長制御用電流をパルス変調 することにより、半導体レーザの発振波長の変化量を拡大することができる。

[0132] 前記反射体の反射率は、 1〜10%であることが好ましい。

[0133] この場合、レーザ光源の発振波長を反射波長に固定しつつ、固定された反射波長 力 の変化を容易に行うことができる。

[0134] 前記反射体の狭帯域幅は、 5nm以下であることが好ましい。

[0135] この場合、レーザ光源の発振波長を反射波長に容易に固定することができる。 [0136] 本発明に係るレーザ投射装置は、上記のいずれかの照明光源を少なくとも 1っ備 え、前記照明光源から出射されるレーザ光を投射する光学系、をさらに備える。

[0137] 上記のレーザ投射装置では、スペックルノイズを効果的に抑制した良好な映像を投 射可能なレーザ投射装置を実現できる。

[0138] 前記レーザ光源から出射されるレーザ光の横モードは、マルチモードであることが 好ましい。

[0139] この場合、レーザ光源から出射されるレーザ光の高出力化を図ることができる。

[0140] 前記レーザ光源から出射されるレーザ光の縦モードの波長間隔は、 lnm以上であ ることが好ましい。

[0141] この場合、レーザ光源の発振波長の変化量をレーザ光源の利得領域のピークの変 動幅よりも大きくすることができる。

[0142] 前記反射体の反射波長が互いに異なって 、ることが好ま U、。

[0143] この場合、照明光源全体としての発振スペクトルを大きく広げることができるので、ス ペックルノイズを低減することができる。

[0144] 前記照明光源力 出射されるレーザ光が入射される導光板を、さらに備えることが 好ましい。

[0145] この場合、画面全体に均一にレーザ光を照射することができる。

産業上の利用可能性

[0146] 本発明に係る照明光源は、光フィードバックとパルス駆動によるゲインシフトを利用 して、半導体レーザの発振波長を大きく変化させることで、半導体レーザのスペック ルノイズを低減するのに有効である。半導体レーザを照明光源として利用する場合、 スペックルノイズの低減は必須の技術であり、本発明の小型で簡単な構成は、照明 光源として非常に有効である。

Claims

請求の範囲

[1] 所定の利得領域を持つレーザ媒質を有するレーザ光源と、

狭帯域の反射特性を有する反射体と、を備え、

前記反射体の反射波長は、前記レーザ媒質の利得領域内で設定されており、 前記レーザ光源から出射されるレーザ光の一部は前記反射体による反射によって 前記レーザ光源に帰還され、

前記レーザ光源の発振波長は、前記レーザ光源の発振特性の変化により前記レー ザ媒質の利得領域のピークを前記反射波長力 移動させることにより、前記反射波 長から変化されることを特徴とする照明光源。

[2] 前記反射体の反射波長は、前記レーザ媒質の利得領域のピークに対して短波長 側に設定されることを特徴とする請求項 1に記載の照明光源。

[3] 前記レーザ光源の発振波長の変化量は、 lnm以上であることを特徴とする請求項

1に記載の照明光源。

[4] 前記反射体の反射波長は、複数の反射波長を含み、

前記レーザ光源の発振波長は、前記複数の反射波長間で変化されることを特徴と する請求項 1に記載の照明光源。

[5] 前記レーザ光源に印加される駆動電流をパルス変調することにより、前記レーザ光 源の発振特性を変化させると共に、前記パルス変調のパルスのデューティ比は、 50

%以下であることを特徴とする請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の照明光源。

[6] 前記ノ ルス変調のパルス幅は、 1 μ s以上であることを特徴とする請求項 5に記載の 照明光源。

[7] 前記パルス変調のパルスは、複数の短パルスの組み合わせ力 構成されることを 特徴とする請求項 5に記載の照明光源。

[8] 前記反射体は、屈折率グレーティングが形成された誘電体からなることを特徴とす る請求項 1〜7のいずれ力 1項に記載の照明光源。

[9] 前記反射体は、グレーティングが形成されたファイバ一力もなることを特徴とする請 求項 1〜7のいずれか 1項に記載の照明光源。

[10] 前記反射体は、狭帯域フィルターと、前記狭帯域フィルターを透過する光の一部の みを反射する反射部材と、からなることを特徴とする請求項 1〜7のいずれか 1項に記 載の照明光源。

[11] 前記レーザ光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項 5〜7のいずれか

1項に記載の照明光源。

[12] 前記反射体は、前記半導体レーザの内部に形成されていることを特徴とする請求 項 11に記載の照明光源。

[13] 前記半導体レーザは、 III— V族窒化物系半導体材料力 なることを特徴とする請 求項 11または 12に記載の照明光源。

[14] 前記半導体レーザは、 AlGaAs系半導体材料力もなることを特徴とする請求項 11 または 12に記載の照明光源。

[15] 前記半導体レーザは、 AlGalnP系半導体材料力もなることを特徴とする請求項 11 または 12に記載の照明光源。

[16] 前記レーザ光源は、固体レーザであることを特徴とする請求項 5〜7のいずれか 1 項に記載の照明光源。

[17] 前記固体レーザは、固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む共振器と、前 記共振器内に設置された非線形光学素子と、力もなることを特徴とする請求項 16に 記載の照明光源。

[18] 前記レーザ光源は、ファイバーレーザであることを特徴とする請求項 5〜7のいずれ 力 1項に記載の照明光源。

[19] 前記駆動電流には、前記駆動電流の周波数、振幅及びバイアスのうちの少なくとも

1つを変調する高周波信号が重畳されていることを特徴とする請求項 5〜7のいずれ 力 1項に記載の照明光源。

[20] 前記高周波信号の周波数は、 10MHz以上であり、前記高周波信号の周波数、振 幅及びバイアスのうちの少なくとも 1つを変調する変調信号の周波数は、 1kHz以上 であることを特徴とする請求項 19に記載の照明光源。

[21] 前記駆動電流の最小値は、前記レーザ光源のしきい値電流値を中心として上下変 動することを特徴とする請求項 19に記載の照明光源。

[22] 前記半導体レーザはさらに、前記半導体レーザを加熱する加熱部を備え、前記半 導体レーザの発振特性の変化に追従するように、前記加熱部力 発生される熱によ る加熱が制御されることを特徴とする請求項 12〜15のいずれか 1項に記載の照明光 源。

[23] 前記反射体は、回折格子からなり、前記回折格子によるブラッグ反射により前記反 射波長が設定され、

前記半導体レーザはさらに、前記駆動電流が供給され、前記半導体レーザの出力 を制御可能な出力制御電極と、波長制御用電流が供給され、前記波長制御用電流 の注入による前記回折格子の温度制御により、前記半導体レーザの発振波長を制 御可能な波長制御電極と、を備え、

前記駆動電流のパルス変調に追従するように前記波長制御用電流をパルス変調 することを特徴とする請求項 12〜15のいずれか 1項に記載の照明光源。

[24] 前記反射体の反射率は、 1〜10%であることを特徴とする請求項 1〜10のいずれ 力 1項に記載の照明光源。

[25] 前記反射体の狭帯域幅は、 5nm以下であることを特徴とする請求項 1〜 10のいず れか 1項に記載の照明光源。

[26] 請求項 1〜25のいずれか 1項に記載の照明光源を少なくとも 1つ備え、前記照明光 源から出射されるレーザ光を投射する光学系、をさらに備えることを特徴とするレーザ 投射装置。

[27] 前記レーザ光源から出射されるレーザ光の横モードは、マルチモードであることを 特徴とする請求項 26に記載のレーザ投射装置。

[28] 前記レーザ光源から出射されるレーザ光の縦モードの波長間隔は、 lnm以上であ ることを特徴とする請求項 26に記載のレーザ投射装置。

[29] 前記反射体の反射波長は、互いに異なっていることを特徴とする請求項 26〜28の いずれか 1項に記載のレーザ投射装置。

[30] 前記照明光源力 出射されるレーザ光が入射される導光板を、さらに備えることを 特徴とする請求項 29に記載のレーザ投射装置。