JP4894675B2

JP4894675B2 - 光源装置、照明装置、モニタ装置、画像表示装置、及び光源装置の制御方法

Info

Publication number: JP4894675B2
Application number: JP2007208981A
Authority: JP
Inventors: 誠座光寺
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: JP2009042600A

Description

本発明は、光源装置、照明装置、モニタ装置、画像表示装置、及び光源装置の制御方法、特に、波長変換素子を用いる光源装置の技術に関する。

近年、プロジェクタの光源装置としてレーザ光源を用いる技術が提案されている。レーザ光源は、高出力化及び多色化に伴い、プロジェクタの光源として開発されている。プロジェクタの光源として従来用いられているＵＨＰランプと比較すると、レーザ光源は、高い色再現性、瞬時点灯が可能、長寿命等の利点がある。レーザ光源は、光源からの基本波光をそのままの波長で射出するものの他、基本波光の波長を変換して射出するものが知られている。基本波光の波長を変換する波長変換素子として、例えば第二高調波発生（Second−Harmonic Generation；ＳＨＧ）素子が知られている。ＳＨＧ素子を用いることで、容易に入手可能な汎用の光源を用いて、所望の波長かつ十分な光量のレーザ光を供給することが可能となる。基本波光の出力は、環境温度等の変動に伴って変化する場合がある。基本波光の出力を制御するには、光源である半導体素子へ投入する電力を調整することとなる。半導体素子へ投入する電力を調整すると、基本波光の波長が変化することがある。基本波光の波長の変化により位相整合条件が崩れると、波長変換効率が低下することになる。波長変換効率の低下により、レーザ光源の出力は低下する。波長変換素子を用いるレーザ光源において出力を安定化させるための技術は、例えば、特許文献１に提案されている。特許文献１の技術では、波長変換素子に電界を生じさせ、電気光学効果、焦電効果等の電気応答効果により波長変換素子の屈折率を変化させる。基本波光の強度を一定とした上で波長変換素子の位相整合条件を変化させることで、高調波光の出力を安定化させる。

特開２００３−３１５８５９号公報

特許文献１の技術では、フィードバック制御により、基本波光の出力、及び電極に印加する電圧を調整する。フィードバック制御には、基本波光を検出する受光素子（光検出器）、及び高調波光を検出する受光素子が用いられる。また、波長変換素子から射出した光のうち基本波光の全部又は一部を受光素子へ導くためのビームサンプラ、高調波光の一部を受光素子へ導くためのビームサンプラも必要となる。ビームサンプラは、波長変換素子から射出されるレーザ光の光路中に設けられる。受光素子は、ビームサンプラからの光が入射する位置に設けられる。光検出のための受光素子やビームサンプラを光路中に設ける分、光源装置は大型化することとなる。このように、従来の技術によると、光源装置の出力の安定化が可能となる一方、光源装置が大型になるという問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、光検出のための受光素子等を不要とし、簡易かつ小型な構成により出力を安定化させることが可能な光源装置、その光源装置を用いる照明装置、モニタ装置、画像表示装置、及びその光源装置の制御方法を提供す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、本発明に係る光源装置は、光を射出する光源部と、前記光源部からの光の波長を変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を計測する温度計測部と、前記波長変換素子の温度を調節する温度調節部と、前記温度計測部により計測された計測値に基づいて前記温度調節部の駆動を制御する制御部と、を有し、前記計測値は、前記光源部から前記波長変換素子へ前記光を供給している状態にて、所定電力を供給することによって前記温度調節部を駆動した場合の前記波長変換素子の温度であり、前記制御部は、前記光源部から前記波長変換素子へ前記光の供給を停止した状態にて、前記所定電力を供給することによって前記温度調節部を駆動した場合の前記波長変換素子の温度を参照値として保持し、前記光源部からの前記光が前記波長変換素子へ吸収されることによる前記波長変換素子の温度の変化量を前記計測値と前記参照値との偏差として求め、前記温度調節部の温度を変化させることにより前記偏差が最小となる温度を検出し、前記光源部から出射される所定強度の前記光が前記波長変換素子に吸収されることによる前記波長変換素子の温度の変化量である設定値と前記最小の偏差とが一致するように、前記光源部の駆動を制御することにより、前記光源部からの前記光の出力を安定化させるよう構成されていることを特徴とする。

波長変換素子の位相整合条件が崩れた場合、波長変換効率が低下することにより、波長変換されない基本波光が増加する。基本波光が増加すると、波長変換素子への基本波光の吸収量が増加することにより、波長変換素子の温度が上昇することになる。波長変換素子の位相整合条件を満たす場合、基本波光の吸収による波長変換素子の温度の変化量は最小となる。光の吸収による波長変換素子の温度の変化量が最小となる温度を検出することで、基本波光の波長の変化に対して、位相整合条件を満足するような調整が可能となる。本発明では光検出のための受光素子等を用いずに、光源装置の出力を安定化できる。これにより、光検出のための受光素子等を不要とし、簡易かつ小型な構成により出力を安定化させることが可能な光源装置を得られる。
また、参照値は、温度調節部への投入電力と環境気温との関係から予め求めることができる。計測値及び参照値の偏差は、波長変換素子へ光が吸収されることによる波長変換素子の温度の変化量に相当する。これにより、波長変換素子へ光が吸収されることによる波長変換素子の温度の変化量を検出できる。
また、位相整合条件に適合する温度に波長変換素子を温度調節できる。
また、光源部からの光の強度が変化した場合、光源部からの光が波長変換素子へ吸収されることによる波長変換素子の温度の変化量が増大又は減少することとなる。計測値及び参照値の偏差と設定値とを比較することで、基本波光の強度変化量を検出できる。これにより、出力をさらに安定化させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、制御部は、波長変換素子の温度を上昇させたときの計測値及び参照値の偏差と、波長変換素子の温度を低下させたときの計測値及び参照値の偏差とを比較した結果に基づいて、温度調節部の駆動を制御することが望ましい。波長変換素子が位相整合条件に適合する温度に近いほど、計測値及び参照値の偏差は小さくなる。波長変換素子の温度を上昇させたとき、及び低下させたときの偏差を比較することで、位相整合条件に適合する温度が高温側、低温側のいずれにあるかを検出できる。

また、本発明の好ましい態様としては、制御部は、波長変換素子の所定の温度を目標値として温度調節部の駆動を制御し、計測値及び目標値の偏差が一定値以上である場合に、波長変換素子へ光源部からの光が吸収されることによる波長変換素子の温度の変化量に応じて温度調節部の駆動を制御することが望ましい。目標値は、基本波光の波長に対して位相整合条件を満たす温度であって、基本波光の波長から予め求めることができる。計測値及び目標値の偏差が一定値以上であるときに温度調節部の駆動を制御することで、出力を一定範囲内に安定化させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、光を射出する複数の発光部を備え、温度調節部及び温度計測部は、発光部からの光線ごとに配置されることが望ましい。複数の発光部を備える光源部を用いることで、光源装置を高出力化できる。また、光線ごとに配置された温度調節部及び温度計測部を用いることで、波長変換素子のうち光線が通過する部分ごとの正確な温度制御が可能となる。これにより、光源装置全体として高い効率で光を射出できる。

さらに、本発明に係る照明装置は、上記の光源装置を有し、光源装置からの光を用いて被照射物を照明することを特徴とする。上記の光源装置を用いることで、簡易かつ小型な構成により出力を安定化させることができる。これにより、簡易かつ小型な構成で、安定して光を供給することが可能な照明装置を得られる。

さらに、本発明に係るモニタ装置は、上記の照明装置と、照明装置により照明された被写体を撮像する撮像部と、を有することを特徴とする。上記の照明装置を用いることで、簡易かつ小型な構成により安定して光を供給できる。これにより、簡易かつ小型な構成で、安定した明るさの像をモニタすることが可能なモニタ装置を得られる。

さらに、本発明に係る画像表示装置は、上記の光源装置を有し、光源装置からの光を用いて画像を表示することを特徴とする。上記の光源装置を用いることで、簡易かつ小型な構成により出力を安定化させることができる。これにより、簡易かつ小型な構成で、安定した明るさの画像を表示することが可能な画像表示装置を得られる。

さらに、本発明に係る光源装置の制御方法は、光を射出する光射出工程と、前記光射出工程により射出された光の波長を波長変換素子にて変換する波長変換工程と、前記波長変換素子の温度を計測する温度計測工程と、前記波長変換素子の温度を調節する温度調節工程と、前記温度計測工程において計測された計測値に基づいて、前記波長変換素子の温度調節を制御する制御工程と、を含み、前記計測値は、前記光源部から前記波長変換素子へ前記光を供給している状態にて、所定電力を供給することによって前記温度調節部を駆動した場合の前記波長変換素子の温度であり、前記光源部から前記波長変換素子へ前記光の供給を停止した状態にて、前記所定電力を供給することによって前記温度調節部を駆動した場合の前記波長変換素子の温度が参照値として保持されており、前記制御工程において、前記光源部からの前記光が前記波長変換素子へ吸収されることによる前記波長変換素子の温度の変化量を前記計測値と前記参照値との偏差として求め、前記温度調節部の温度を変化させることにより前記偏差が最小となる温度を検出し、前記光源部から出射される所定強度の前記光が前記波長変換素子に吸収されることによる前記波長変換素子の温度の変化量である設定値と前記最小の偏差とが一致するように、前記光源部の駆動を制御することにより、前記光源部からの前記光の出力を安定化させるよう構成されていることを特徴とする。これにより、簡易かつ小型な構成により出力を安定化させることができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置１０の概略構成を示す。光源装置１０は、半導体素子１１、ＳＨＧ素子１４、及び外部共振器１９を有する半導体レーザである。半導体素子１１は、光射出工程において第１波長の基本波光を射出する光源部であって、例えば、面発光型の半導体素子である。基本波光は、例えば赤外光である。第１波長は、例えば１０６４ｎｍである。半導体素子１１は、第１波長の光を反射するミラー層１２、及びミラー層１２に積層された活性層１３を有する。

ミラー層１２は、高屈折率の誘導体と低屈折率の誘導体との積層体によって構成されている。ミラー層１２の積層構造は、半導体素子１１により射出される基本波光の波長である第１波長に対して最適化され、基本波光が干渉し強め合う条件に設定されている。不図示の電流供給部から所定量の電流が供給されると、活性層１３は、第１波長の基本波光を射出する。

ＳＨＧ素子１４は、第１波長の基本波光を入射させることにより、第２波長の高調波光を射出する。高調波光は、例えば可視光である。ＳＨＧ素子１４は、波長変換工程において半導体素子１１からの光の波長を変換する波長変換素子である。ＳＨＧ素子１４は、半導体素子１１及び外部共振器１９の間の光路中に設けられている。第２波長は、第１波長の半分の波長であって、例えば５３２ｎｍである。ＳＨＧ素子１４は、例えば、非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）の分極反転結晶（Periodically Poled Lithium Niobate；ＰＰＬＮ）である。ＳＨＧ素子１４は、直方体形状をなしている。

分極反転構造は、コヒーレント長ごとに非線形光学定数の符号を反転させて構成されている。分極反転構造は、基本波光の第１波長に対応するピッチで形成されている。分極反転構造の形成には、自発分極を持つ非線形光学結晶へ電圧を印加する手法が多く用いられている。分極反転構造は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板上に絶縁層の微細なパターンを形成し、金属膜或いは電解液を介して電圧を印加することにより得られる。

外部共振器１９は、ミラー層１２との間において、半導体素子１１からの光を共振させる。外部共振器１９は、第１波長の光を選択的に反射し、第１波長とは異なる波長（第２波長を含む）の光を透過させる。外部共振器１９としては、例えば、ＶＨＧ（Volume Holographic Grating）を用いることができる。ＶＨＧは、ＬｉＮｂＯ_３、ＢＧＯ等のフォトリフラクティブ結晶、ポリマー等を用いて形成できる。

ＶＨＧには、二方向から入射させた入射光によって生じた干渉縞が記録されている。干渉縞は、高屈折率部分と低屈折率部分とが周期的に配列された周期構造として記録される。ＶＨＧは、かかる干渉縞とブラッグ条件が適合する光のみを、回折により選択的に反射する。外部共振器１９は、直方体形状をなしている。外部共振器１９は、板状に形成された材料を切り分けることで得られる。外部共振器１９は、切り分け前の材料の厚みや、材料から切り出すサイズを適宜変更することで、所望の大きさとすることができる。外部共振器１９は、波長選択性を有するものであれば良く、ＶＨＧに限られない。外部共振器１９としては、例えば、バンドパスフィルタやダイクロイックミラーを用いても良い。

半導体素子１１の活性層１３から射出した基本波光は、ＳＨＧ素子１４へ入射する。ＳＨＧ素子１４で生じた高調波光は、外部共振器１９を透過し、光源装置１０の外部へ射出する。半導体素子１１側からＳＨＧ素子１４を透過した基本波光は、外部共振器１９で反射する。外部共振器１９で反射した基本波光は、ＳＨＧ素子１４へ入射する。外部共振器１９からＳＨＧ素子１４へ入射し、ＳＨＧ素子１４を透過した基本波光は、半導体素子１１へ入射する。半導体素子１１へ入射した基本波光は、ミラー層１２で反射した後、半導体素子１１からＳＨＧ素子１４へ向けて射出される。ミラー層１２及び外部共振器１９により反射された基本波光は、活性層１３から新たに射出される基本波光と共振して増幅される。

ＳＨＧ素子１４上には、熱拡散板１５及び基板１６が積層されている。熱拡散板１５及び基板１６は、いずれも、ＳＨＧ素子１４と略同じ大きさの矩形形状をなしている。熱拡散板１５は、ＳＨＧ素子１４へ伝導させる熱を拡散させる。熱拡散板１５は、高い熱伝導率を持つ部材、例えば金属部材である銅を用いて構成されている。基板１６は、絶縁性を持つ部材、例えばエポキシ樹脂を用いて構成されている。

基板１６上には、ヒータ１７及びサーミスタ１８が配置されている。ヒータ１７は、基板１６及び熱拡散板１５を介してＳＨＧ素子１４へ熱を供給する。ヒータ１７は、温度調節工程においてＳＨＧ素子１４の温度を調節する温度調節部である。ヒータ１７としては、例えば電熱ヒータを用いることができる。サーミスタ１８は、温度計測工程においてＳＨＧ素子１４の温度を計測する温度計測部である。ヒータ１７及びサーミスタ１８は、基板１６上に形成された不図示の配線パターンに接続されている。ヒータ１７及びサーミスタ１８は、配線パターンを通じた電力供給により駆動する。絶縁性の基板１６を設けることで、熱拡散板１５を介した不要な導通を遮断することができる。

ヒータ１７からの熱は、基板１６及び熱拡散板１５を介してＳＨＧ素子１４へ伝達する。熱拡散板１５で熱を拡散させることで、ＳＨＧ素子１４へ均一に熱を供給する。よって、ＳＨＧ素子１４の温度を均一化できる。なお、温度調節部としては、ヒータ１７に代えて他の素子、例えばペルチェ素子や、薄膜状の抵抗体等を用いても良い。サーミスタ１８は、ＳＨＧ素子１４の温度を計測可能であればいずれの位置に配置することとしても良い。

図２は、サーミスタ１８による計測結果に基づいて光源装置１０の出力を安定化させるためのブロック構成を示す。サーミスタ１８は、温度の変化を抵抗値の変化として制御部２１へ出力する。制御部２１は、ＣＰＵ２２、ＲＯＭ２３、ＲＡＭ２４を備え、コンピュータとして機能する。制御部２１は、ＲＯＭ２３に記憶されている制御プログラムに従ってＣＰＵ２２を動作させることにより、光源装置１０の駆動を制御する。ＲＡＭ２４は、光源装置１０の制御に必要なデータを記憶する。制御部２１は、制御工程において、サーミスタ１８により計測された計測値に基づいてヒータ１７の駆動、及び光源駆動部２５を制御する。光源駆動部２５は、制御部２１による制御に基づいて、半導体素子１１を駆動する。

図３は、ＳＨＧ素子１４で波長変換されず残された基本波光の強度Ｌ１、ＳＨＧ素子１４で波長変換された高調波光の強度Ｌ２、及びＳＨＧ素子１４の温度の関係を示す。図示するグラフ中、左縦軸は高調波光の強度Ｌ２、右縦軸は基本波光の強度Ｌ１、横軸はＳＨＧ素子１４の温度を示し、いずれも単位は任意であるものとする。ＳＨＧ素子１４が所定の温度Ｔ０のとき、ＳＨＧ素子１４は、基本波光に対して位相整合条件を満たす。ＳＨＧ素子１４が温度Ｔ０のとき、高調波光の強度Ｌ２は最大となる。また、ＳＨＧ素子１４が温度Ｔ０のとき、基本波光の強度Ｌ１は最小となる。

半導体素子１１及び外部共振器１９の間を往復する基本波光の一部は、ＳＨＧ素子１４へ吸収される。ＳＨＧ素子１４へ吸収された基本波光は、熱に変換される。半導体素子１１からの基本波光の強度が変化した場合、ＳＨＧ素子１４における基本波光の吸収量も変化するために、ＳＨＧ素子１４の温度が変化することとなる。ＳＨＧ素子１４の温度がＴ０から変化すると、高調波光の強度Ｌ２が減少し、かつ基本波光の強度Ｌ１が増加する。

基本波光の強度Ｌ１が増加すると、ＳＨＧ素子１４における基本波光の吸収量が増加し、ＳＨＧ素子１４の温度がさらに変化することになる。ＳＨＧ素子１４を一回透過することにより基本波光が高調波光へ変換される割合は低いため、ＳＨＧ素子１４内には高調波光に対して基本波光が多く存在することとなる。このため、基本波光の強度Ｌ１の変化は、ＳＨＧ素子１４の温度に大きな影響を及ぼすといえる。安定した強度のレーザ光を射出するには、光源装置１０は、半導体素子１１からの基本波光の強度を制御する必要がある。

また、半導体素子１１から射出される基本波光の波長が変化した場合、変化後の波長に対してＳＨＧ素子１４の位相整合条件を満たす温度はＴ０から変化することとなる。このときＳＨＧ素子１４の温度がＴ０のままであると、変化後の波長に対してＳＨＧ素子１４の位相整合条件は満たされないことになる。位相整合条件が満たされないと、高調波光の強度Ｌ２は減少し、かつ基本波光の強度Ｌ１は増加する。基本波光の強度Ｌ１が増加すると、ＳＨＧ素子１４における基本波光の吸収量が増加し、ＳＨＧ素子１４の温度がさらに変化することになる。安定した強度のレーザ光を射出するには、光源装置１０は、位相整合条件を満たす温度にＳＨＧ素子１４の温度を制御する必要がある。

図４は、光源装置１０の出力を安定化させるための手順を説明するフローチャートである。ステップＳ１において、制御部２１は、ＳＨＧ素子１４の所定の温度Ｔ０を目標値としてヒータ１７の駆動を制御する。目標値Ｔ０は、基本波光の当初の波長に対して位相整合条件を満たす温度であって、基本波光の当初の波長から予め求めることができる。目標値Ｔ０は、ＲＡＭ２４に記憶されている。制御部２１は、サーミスタ１８により計測される計測値ｔ０及び目標値Ｔ０の偏差ｄＴ０が小さくなるように、計測値ｔ０に基づいてヒータ１７をフィードバック制御する。

ステップＳ２において、制御部２１は、計測値ｔ０及び目標値Ｔ０の偏差ｄＴ０が一定値以上であるか否かを判断する。判断の基準となる一定値は、光源装置１０の用途に応じて適宜設定することができる。偏差ｄＴ０が一定値未満であると判断した場合、ステップＳ１に戻って、目標値Ｔ０を目標とするヒータ１７の制御を続行する。偏差ｄＴ０が一定値以上であると判断した場合、制御部２１は、ステップＳ３において、ＳＨＧ素子１４の温度を上昇させるようにヒータ１７の駆動を制御する。

このとき、例えば、ヒータ１７へ電力Ｗａが投入され、サーミスタ１８により計測される計測値がｔ０からｔａ（ｔ０＜ｔａ）へ上昇したとする。ステップＳ３において、制御部２１は、ＳＨＧ素子１４の温度を上昇させたときの計測値ｔａ及び参照値Ｔａの偏差ｄＴａを算出する。参照値Ｔａは、半導体素子１１からＳＨＧ素子１４への光の供給を停止した状態で、ヒータ１７へ電力Ｗａを投入した場合のＳＨＧ素子１４の温度である。参照値Ｔａは、ＲＡＭ２４に保持されている。偏差ｄＴａは、ＳＨＧ素子１４へ半導体素子１１からの光が吸収されることによるＳＨＧ素子１４の温度の変化量に相当する。

次に、制御部２１は、ステップＳ４において、ＳＨＧ素子１４の温度を低下させるようにヒータ１７の駆動を制御する。このとき、例えば、ヒータ１７へ電力Ｗｂが供給され、サーミスタ１８により計測値ｔｂが計測されたとする。計測値ｔｂは、ステップＳ２における計測値ｔ０より低い値である（ｔｂ＜ｔ０＜ｔａ）。制御部２１は、ＳＨＧ素子１４の温度を低下させたときの計測値ｔｂ及び参照値Ｔｂの偏差ｄＴｂを算出する。参照値Ｔｂは、半導体素子１１からＳＨＧ素子１４への光の供給を停止した状態で、ヒータ１７へ電力Ｗｂを投入した場合のＳＨＧ素子１４の温度である。参照値Ｔｂは、ＲＡＭ２４に保持されている。偏差ｄＴｂは、ＳＨＧ素子１４へ半導体素子１１からの光が吸収されることによるＳＨＧ素子１４の温度の変化量に相当する。参照値Ｔａ、Ｔｂは、ヒータ１７への投入電力、及び環境温度に関連付けて予め求められる。

このように、制御部２１は、ＳＨＧ素子１４へ半導体素子１１からの光が吸収されることによるＳＨＧ素子１４の温度の変化量を検出する。なお、ステップＳ３及びステップＳ４は、順序が逆であっても良い。次に、制御部２１は、ステップＳ５において、偏差ｄＴａ、及び偏差ｄＴｂを比較する。ここで、計測値及び参照値の偏差が小さいほど、ＳＨＧ素子１４へ吸収された基本波光は少ないといえる。ＳＨＧ素子１４の位相整合条件を満たすとき、計測値及び参照値の偏差は最小となる。

図５は、計測値及び参照値の偏差と、ＳＨＧ素子１４の温度との関係を示す。計測値及び参照値の偏差は、ＳＨＧ素子１４の位相整合条件を満足する温度ｔ０’において最小となる。例えば、偏差ｄＴａが偏差ｄＴｂより大きい場合、ＳＨＧ素子１４の位相整合条件を満たす温度ｔ０’は、ステップＳ２における計測値ｔ０より低い数値となる。ステップＳ５において偏差ｄＴａが偏差ｄＴｂより大きいと判断された場合、制御部２１は、ステップＳ６において、ＳＨＧ素子１４の温度を徐々に低下させるようにヒータ１７の駆動を制御する。さらに、制御部２１は、ステップＳ８において、ＳＨＧ素子１４の温度を変化させながら、偏差ｄＴｂが最小値ｄＴｍｉｎとなる温度ｔ０’を検出する。

偏差ｄＴａが偏差ｄＴｂより小さい場合、ＳＨＧ素子１４の位相整合条件を満たす温度ｔ０’は、ステップＳ２における計測値ｔ０より高い数値となる。ステップＳ５において偏差ｄＴａが偏差ｄＴｂより小さいと判断された場合、制御部２１は、ステップＳ７において、ＳＨＧ素子１４の温度を徐々に上昇させるようにヒータ１７の駆動を制御する。さらに、制御部２１は、ステップＳ８において、ＳＨＧ素子１４の温度を変化させながら、偏差ｄＴａが最小値ｄＴｍｉｎとなる温度ｔ０’を検出する。

ステップＳ８において、制御部２１は、ＲＡＭ２４に保持されている目標値Ｔ０をｔ０’に書き換える。その後、制御部２１は、目標値ｔ０’を目標としてヒータ１７の駆動を制御する。このようにして、半導体素子１１からの基本波光の波長の変化に対して、ＳＨＧ素子１４が位相整合条件を満足する温度となるようにヒータ１７の駆動を制御することができる。ＳＨＧ素子１４が位相整合条件を満足する温度となるようにヒータ１７の駆動を制御することで、波長変換効率の低下を低減でき、光源装置１０からのレーザ光の強度を安定化させることができる。

光源装置１０は、安定した出力を得るためには、半導体素子１１から所定の強度の基本波光を射出させる必要がある。ＲＡＭ２４は、半導体素子１１からの基本波光が所定の強度Ｐである場合に半導体素子１１からの基本波光がＳＨＧ素子１４へ吸収されることによるＳＨＧ素子１４の温度の変化量を、設定値Ｔ２として保持している。制御部２１は、ステップＳ９において、偏差ｄＴｍｉｎと設定値Ｔ２とを比較する。

図６は、計測値及び参照値の偏差と、半導体素子１１からの基本波光の強度との関係を示す。レーザ光の強度が大きくなるほど、ＳＨＧ素子１４へ光が吸収されることによる温度の変化量も大きくなる。ＲＡＭ２４には、計測値及び参照値の偏差と、半導体素子１１からの光の強度との関係がテーブルとして記憶されている。偏差ｄＴｍｉｎが設定値Ｔ２とは異なる値である場合、ステップＳ１０において、制御部２１は、偏差ｄＴｍｉｎが設定値Ｔ２に一致するように光源駆動部２５を制御する。偏差ｄＴｍｉｎが設定値Ｔ２より小さい場合、制御部２１は、半導体素子１１からの基本波光の強度を大きくするように光源駆動部２５を制御する。偏差ｄＴｍｉｎが設定値Ｔ２より大きい場合、制御部２１は、半導体素子１１からの基本波光の強度を小さくするように光源駆動部２５を制御する。光源駆動部２５の制御後、ステップＳ９において再び偏差ｄＴｍｉｎと設定値Ｔ２とが比較される。このようにして、半導体素子１１からの基本波光の強度の変化に対して、光源装置１０からのレーザ光の強度を安定化させることができる。

ステップＳ９において偏差ｄＴｍｉｎと設定値Ｔ２とが一致すると判断された場合、制御部２１は、ステップＳ１１において、光源装置１０の電源がＯＦＦにされたか否かを判断する。ステップＳ１１において光源装置１０の電源がＯＦＦにされたと判断した場合、ステップＳ１２において、ヒータ１７の駆動を停止する。ステップＳ１１において光源装置１０の電源がＯＦＦにされてないと判断した場合、ステップＳ１に戻り、制御部２１は、目標値ｔ０’を目標とするヒータ１７の制御を継続する。

本発明の光源装置１０は、光検出のための受光素子等を用いずに、光源装置１０からのレーザ光の強度を安定化できる。これにより、光検出のための受光素子等を不要とし、簡易かつ小型な構成により出力を安定化させることができるという効果を奏する。

図７は、本発明の実施例２に係る光源装置３０の概略構成を示す。本実施例の光源装置３０は、複数のレーザ光を射出するレーザアレイである。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。半導体素子３１は、基本波光を射出させる複数の発光部３２を備える面発光型のアレイ光源である。複数の発光部３２を備える半導体素子３１を用いることで、光源装置３０の高出力化が可能となる。なお、半導体素子３１は３つの発光部３２を備える構成に限られず、複数の発光部３２を備えていれば良い。

基板１６上には、ヒータ１７及びサーミスタ１８の組が、発光部３２からの光線ごとに配置されている。ヒータ１７及びサーミスタ１８は、ＳＨＧ素子１４内を透過する光線に沿って設けられている。半導体素子３１からの基本波光は、ＳＨＧ素子１４のうちヒータ１７及びサーミスタ１８の直下の部分を通過する。

制御部は、サーミスタ１８により計測された計測値に基づいて、光線ごとにヒータ１７及び基本波光の強度を制御する。光線ごとの制御を可能とすることで、ＳＨＧ素子１４のうち光線が通過する部分ごとの正確な温度制御、及び光線ごとの強度調節が可能となる。これにより、光源装置３０全体として高い効率でレーザ光を射出できる。ヒータ１７及びサーミスタ１８の数は、発光部３２の数と同数である場合に限られない。複数の光線に対して一組のヒータ１７及びサーミスタ１８を対応させる場合、ヒータ１７及びサーミスタ１８の数は、発光部３２より少なくしても良い。上記各実施例の光源装置は、各実施例で説明する構成である場合に限られず、構成を適宜変更しても良い。光源装置は、例えば、半導体レーザ励起固体（Diode Pumped Solid State；ＤＰＳＳ）レーザとしても良い。光源装置は、必要に応じて、偏光選択用フィルタ、波長選択用フィルタ等の光学素子を設けても良い。

図８は、本発明の実施例３に係るモニタ装置４０の概略構成を示す。モニタ装置４０は、装置本体４１と、光伝送部４２とを有する。装置本体４１は、上記実施例１の光源装置１０（図１参照）を備える。光伝送部４２は、２つのライトガイド４４、４５を有する。光伝送部４２のうち被写体（不図示）側の端部には、拡散板４６及び結像レンズ４７が設けられている。第１ライトガイド４４は、光源装置１０からの光を被写体へ伝送する。拡散板４６は、第１ライトガイド４４の射出側に設けられている。第１ライトガイド４４内を伝播した光は、拡散板４６を透過することにより、被写体側にて拡散する。光源装置１０から拡散板４６までの光路中の各部は、被写体を照明する照明装置を構成する。

第２ライトガイド４５は、被写体からの光をカメラ４３へ伝送する。結像レンズ４７は、第２ライトガイド４５の入射側に設けられている。結像レンズ４７は、被写体からの光を第２ライトガイド４５の入射面へ集光させる。被写体からの光は、結像レンズ４７により第２ライトガイド４５へ入射した後、第２ライトガイド４５内を伝播してカメラ４３へ入射する。

第１ライトガイド４４、第２ライトガイド４５としては、多数の光ファイバを束ねたものを用いることができる。光ファイバを用いることで、光を遠方へ伝送させることができる。カメラ４３は、装置本体４１内に設けられている。カメラ４３は、光源装置１０からの光により照明された被写体を撮像する撮像部である。第２ライトガイド４５から入射した光をカメラ４３へ入射させることで、カメラ４３による被写体の撮像ができる。上記実施例１の光源装置１０を用いることにより、簡易かつ小型な構成により出力を安定化させることができる。これにより、簡易かつ小型な構成で、安定した明るさの像をモニタできるという効果を奏する。なお、モニタ装置４０は、上記実施例２の光源装置３０を適用しても良い。

図９は、本発明の実施例４に係るプロジェクタ５０の概略構成を示す。プロジェクタ５０は、スクリーン５９に光を供給し、スクリーン５９で反射する光を観察することで画像を鑑賞するフロント投写型のプロジェクタである。プロジェクタ５０は、赤色（Ｒ）光用光源装置５１Ｒ、緑色（Ｇ）光用光源装置５１Ｇ、青色（Ｂ）光用光源装置５１Ｂを有する。各色光用光源装置５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは、いずれも上記実施例１の光源装置１０（図１参照）と同様の構成を有する。プロジェクタ５０は、各色光用光源装置５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂからの光を用いて画像を表示する画像表示装置である。

Ｒ光用光源装置５１Ｒは、Ｒ光を供給する光源装置である。拡散素子５２は、照明領域の整形、拡大、照明領域における光量分布の均一化を行う。拡散素子５２としては、例えば、回折光学素子である計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）を用いることができる。フィールドレンズ５３は、Ｒ光用光源装置５１Ｒからの光を平行化させ、Ｒ光用空間光変調装置５４Ｒへ入射させる。Ｒ光用光源装置５１Ｒ、拡散素子５２、及びフィールドレンズ５３は、Ｒ光用空間光変調装置５４Ｒを照明する照明装置を構成する。Ｒ光用空間光変調装置５４Ｒは、照明装置からのＲ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｒ光用空間光変調装置５４Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム５５へ入射する。

Ｇ光用光源装置５１Ｇは、Ｇ光を供給する光源装置である。拡散素子５２及びフィールドレンズ５３を経た光は、Ｇ光用空間光変調装置５４Ｇへ入射する。Ｇ光用光源装置５１Ｇ、拡散素子５２、及びフィールドレンズ５３は、Ｇ光用空間光変調装置５４Ｇを照明する照明装置を構成する。Ｇ光用空間光変調装置５４Ｇは、照明装置からのＧ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｇ光用空間光変調装置５４Ｇで変調されたＧ光は、クロスダイクロイックプリズム５５のうちＲ光が入射する面とは異なる面へ入射する。

Ｂ光用光源装置５１Ｂは、Ｂ光を供給する光源装置である。拡散素子５２及びフィールドレンズ５３を経た光は、Ｂ光用空間光変調装置５４Ｂへ入射する。Ｂ光用光源装置５１Ｂ、拡散素子５２、及びフィールドレンズ５３は、Ｂ光用空間光変調装置５４Ｂを照明する照明装置を構成する。Ｂ光用空間光変調装置５４Ｂは、照明装置からのＢ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｂ光用空間光変調装置５４Ｂで変調されたＢ光は、クロスダイクロイックプリズム５５のうちＲ光が入射する面、及びＧ光が入射する面とは異なる面へ入射する。透過型液晶表示装置としては、例えば高温ポリシリコンＴＦＴ液晶パネル（High Temperature Polysilicon；ＨＴＰＳ）を用いることができる。

クロスダイクロイックプリズム５５は、互いに略直交させて配置された２つのダイクロイック膜５６、５７を有する。第１ダイクロイック膜５６は、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第２ダイクロイック膜５７は、Ｂ光を反射し、Ｒ光及びＧ光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム５５は、それぞれ異なる方向から入射したＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成し、投写レンズ５８の方向へ射出する。投写レンズ５８は、クロスダイクロイックプリズム５５で合成された光をスクリーン５９に向けて投写する。

上記の光源装置１０と同様の構成を有する各色光用光源装置５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを用いることにより、簡易かつ小型な構成により出力を安定化させることができる。これにより、簡易かつ小型な構成で、安定した明るさの画像を表示できるという効果を奏する。なお、各色光用光源装置５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは、上記実施例２の光源装置３０と同様の構成を適用しても良い。プロジェクタ５０は、Ｒ光用光源装置５１Ｒ、Ｇ光用光源装置５１Ｇ、Ｂ光用光源装置５１Ｂがいずれも上記の光源装置１０、３０と同様の構成である場合に限られない。例えば、Ｒ光用光源装置５１Ｒは、ＳＨＧ素子を用いず光源部からの基本波光をそのまま射出するものとしても良い。

プロジェクタは、空間光変調装置として透過型液晶表示装置を用いる場合に限られない。空間光変調装置としては、反射型液晶表示装置（Liquid Crystal On Silicon；ＬＣＯＳ）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、ＧＬＶ（Grating Light Valve）等を用いても良い。プロジェクタは、色光ごとに空間光変調装置を備える構成に限られない。プロジェクタは、一の空間光変調装置により２つ又は３つ以上の色光を変調する構成としても良い。プロジェクタは、空間光変調装置を用いる場合に限られない。プロジェクタは、ガルバノミラー等の走査手段により光源装置からのレーザ光を走査させ、被照射面において画像を表示するレーザスキャン型のプロジェクタであっても良い。プロジェクタは、画像情報を持たせたスライドを用いるスライドプロジェクタであっても良い。プロジェクタは、スクリーンの一方の面に光を供給し、スクリーンの他方の面から射出する光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるリアプロジェクタであっても良い。

本発明の光源装置は、画像表示装置である液晶ディスプレイに適用しても良い。本発明の光源装置と導光板を組み合わせることにより、液晶パネルを照明する照明装置として用いることができる。この場合も、明るい画像を表示することができる。本発明の光源装置は、モニタ装置や画像表示装置に適用される場合に限られない。本発明の光源装置は、例えば、レーザ光を用いた露光のための露光装置やレーザ加工装置等の光学系に用いても良い。

以上のように、本発明に係る光源装置は、モニタ装置や画像表示装置に用いる場合に適している。

本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を示す図。光源装置の出力を安定化させるためのブロック構成を示す図。基本波光の強度、高調波光の強度、及びＳＨＧ素子の温度の関係を示す図。光源装置の出力を安定化させるための手順を説明するフローチャート。計測値及び参照値の偏差と、ＳＨＧ素子の温度との関係を示す図。計測値及び参照値の偏差と、基本波光の強度との関係を示す図。本発明の実施例２に係る光源装置の概略構成を示す図。本発明の実施例３に係るモニタ装置の概略構成を示す図。本発明の実施例４に係るプロジェクタの概略構成を示す図。

符号の説明

１０光源装置、１１半導体素子、１２ミラー層、１３活性層、１４ＳＨＧ素子、１５熱拡散板、１６基板、１７ヒータ、１８サーミスタ、１９外部共振器、２１制御部、２２ＣＰＵ、２３ＲＯＭ、２４ＲＡＭ、２５光源駆動部、３０光源装置、３１半導体素子、３２発光部、４０モニタ装置、４１装置本体、４２光伝送部、４３カメラ、４４第１ライトガイド、４５第２ライトガイド、４６拡散板、４７結像レンズ、５０プロジェクタ、５１ＲＲ光用光源装置、５１ＧＧ光用光源装置、５１ＢＢ光用光源装置、５２拡散素子、５３フィールドレンズ、５４ＲＲ光用空間光変調装置、５４ＧＧ光用空間光変調装置、５４ＢＢ光用空間光変調装置、５５クロスダイクロイックプリズム、５６第１ダイクロイック膜、５７第２ダイクロイック膜、５８投写レンズ、５９スクリーン

Claims

光を射出する光源部と、
前記光源部からの光の波長を変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子の温度を計測する温度計測部と、
前記波長変換素子の温度を調節する温度調節部と、
前記温度計測部により計測された計測値に基づいて前記温度調節部の駆動を制御する制御部と、を有し、
前記計測値は、前記光源部から前記波長変換素子へ前記光を供給している状態にて、所定電力を供給することによって前記温度調節部を駆動した場合の前記波長変換素子の温度であり、
前記制御部は、前記光源部から前記波長変換素子へ前記光の供給を停止した状態にて、前記所定電力を供給することによって前記温度調節部を駆動した場合の前記波長変換素子の温度を参照値として保持し、前記光源部からの前記光が前記波長変換素子へ吸収されることによる前記波長変換素子の温度の変化量を前記計測値と前記参照値との偏差として求め、前記温度調節部の温度を変化させることにより前記偏差が最小となる温度を検出し、前記光源部から出射される所定強度の前記光が前記波長変換素子に吸収されることによる前記波長変換素子の温度の変化量である設定値と前記最小の偏差とが一致するように、前記光源部の駆動を制御することにより、前記光源部からの前記光の出力を安定化させるよう構成されていることを特徴とする光源装置。
前記制御部は、前記波長変換素子の温度を上昇させたときの前記計測値及び前記参照値の偏差と、前記波長変換素子の温度を低下させたときの前記計測値及び前記参照値の偏差とを比較した結果に基づいて、前記温度調節部の駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記制御部は、前記波長変換素子の所定の温度を目標値として前記温度調節部の駆動を制御し、
前記計測値及び前記目標値の偏差が一定値以上である場合に、前記波長変換素子へ前記光源部からの光が吸収されることによる前記波長変換素子の温度の変化量に応じて前記温度調節部の駆動を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
前記光源部は、光を射出する複数の発光部を備え、
前記温度調節部及び前記温度計測部は、前記発光部からの光線ごとに配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光源装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置を有し、前記光源装置からの光を用いて被照射物を照明することを特徴とする照明装置。
請求項５に記載の照明装置と、
前記照明装置により照明された被写体を撮像する撮像部と、を有することを特徴とするモニタ装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置を有し、前記光源装置からの光を用いて画像を表示することを特徴とする画像表示装置。
光を射出する光射出工程と、
前記光射出工程により射出された光の波長を波長変換素子にて変換する波長変換工程と、
前記波長変換素子の温度を計測する温度計測工程と、
前記波長変換素子の温度を調節する温度調節工程と、
前記温度計測工程において計測された計測値に基づいて、前記波長変換素子の温度調節を制御する制御工程と、を含み、
前記計測値は、前記光源部から前記波長変換素子へ前記光を供給している状態にて、所定電力を供給することによって前記温度調節部を駆動した場合の前記波長変換素子の温度であり、
前記光源部から前記波長変換素子へ前記光の供給を停止した状態にて、前記所定電力を供給することによって前記温度調節部を駆動した場合の前記波長変換素子の温度が参照値として保持されており、
前記制御工程において、前記光源部からの前記光が前記波長変換素子へ吸収されることによる前記波長変換素子の温度の変化量を前記計測値と前記参照値との偏差として求め、前記温度調節部の温度を変化させることにより前記偏差が最小となる温度を検出し、前記光源部から出射される所定強度の前記光が前記波長変換素子に吸収されることによる前記波長変換素子の温度の変化量である設定値と前記最小の偏差とが一致するように、前記光源部の駆動を制御することにより、前記光源部からの前記光の出力を安定化させるよう構成されていることを特徴とする光源装置の制御方法。