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技術 レーザ光源装置

出願人 三菱電機株式会社
発明者 森田祥治柳澤隆行
出願日 2010年4月21日 (9年7ヶ月経過) 出願番号 2010-098095
公開日 2011年11月10日 (8年1ヶ月経過) 公開番号 2011-228537
状態 拒絶査定
技術分野 レーザ(2) 光偏向、復調、非線型光学、光学的論理素子 投影装置
主要キーワード 駆動電流設定値 各測定点間 駆動許可信号 線形補正 温度一定 基本波レーザ 光源駆動用 励起用レーザ
関連する未来課題
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図面 (7)

課題

温度変動が生じても高い効率で安定したパワー出力を実現できるレーザ光源装置を得ること。

解決手段

レーザ素子11と、前記レーザ素子11の温度を計測するレーザ素子用温度測定手段12と、前記レーザ素子11が出力するレーザ光波長変換を行う高調波発生素子15と、前記高調波発生素子15の温度を計測する高調波発生素子温度測定手段13と、前記高調波発生素子15の温度を調節する高調波発生素子温度調節手段14と、前記レーザ素子11の温度と前記高調波発生素子15が出力するレーザ光のパワーが最大となる前記高調波発生素子15の目標温度との関係を保持する記憶手段と、前記レーザ素子用温度測定手段13によって計測された前記レーザ素子11の温度から前記関係に従って求めた目標温度に前記高調波発生素子15の温度が調節されるように、前記高調波発生素子温度調節手段14を制御する制御手段20とを備える。

概要

背景

近年、モニタ装置プロジェクタ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。従来の光源であるUHPランプと比較すると、レーザ光源はスペクトル分光特性)の広がりがなく色の純度が高いため広色域で長寿命点灯後すぐに明るくなる等の利点がある。

レーザ光源としてはレーザダイオード半導体レーザ)や第2高調波発生(Second-Harmonic Generation:SHGレーザ等がある。レーザダイオードはSHGレーザより安価である反面、モニタ装置等、様々な色(RGBの3色が基本)を必要とする装置に対しては、まだ実用化されていない色がある。また、グリーン(Green)のように近年実用化されている色もあるが、高価である。

実用化出来ていない色、実用化出来ても高価な色のレーザ光源についてはSHGレーザのように基本波レーザ変換波長することが、容易に入手可能な汎用レーザ光源を用いて、所望の波長レーザ光を供給するのには現実的である。しかし、SHG素子は、温度変化によって屈折率分布が変化し波長変換効率が低下することが知られている。SHG素子を用いたレーザのレーザ光を高効率かつ安定した光量にするためにSHG素子の温度制御技術が用いられている(例えば、特許文献1、2参照)。

概要

温度変動が生じても高い効率で安定したパワー出力を実現できるレーザ光源装置を得ること。レーザ素子11と、前記レーザ素子11の温度を計測するレーザ素子用温度測定手段12と、前記レーザ素子11が出力するレーザ光の波長変換を行う高調波発生素子15と、前記高調波発生素子15の温度を計測する高調波発生素子温度測定手段13と、前記高調波発生素子15の温度を調節する高調波発生素子温度調節手段14と、前記レーザ素子11の温度と前記高調波発生素子15が出力するレーザ光のパワーが最大となる前記高調波発生素子15の目標温度との関係を保持する記憶手段と、前記レーザ素子用温度測定手段13によって計測された前記レーザ素子11の温度から前記関係に従って求めた目標温度に前記高調波発生素子15の温度が調節されるように、前記高調波発生素子温度調節手段14を制御する制御手段20とを備える。

目的

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ素子への駆動電流駆動信号を変動させることによって自己発熱によるレーザ素子とSHG素子の温度変動が生じても高い効率で安定したパワー出力を実現できるレーザ光源装置を得ることを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

レーザ素子と、前記レーザ素子の温度を計測するレーザ素子用温度測定手段と、前記レーザ素子が出力するレーザ光波長変換を行う高調波発生素子と、前記高調波発生素子の温度を計測する高調波発生素子温度測定手段と、前記高調波発生素子の温度を調節する高調波発生素子温度調節手段と、前記レーザ素子の温度と前記高調波発生素子が出力するレーザ光のパワーが最大となる前記高調波発生素子の目標温度との関係を保持する記憶手段と、前記レーザ素子用温度測定手段によって計測された前記レーザ素子の温度から前記関係に従って求めた目標温度に前記高調波発生素子の温度が調節されるように、前記高調波発生素子温度調節手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするレーザ光源装置

請求項2

大きさの異なる駆動電流によって駆動することにより前記レーザ素子を複数の異なる温度にしたそれぞれの場合において、前記高調波発生素子が出力するレーザ光のパワーが最大となる当該高調波発生素子の目標温度を測定し、各測定点を補間することにより前記関係を求めることを特徴とする請求項1に記載のレーザ光源装置。

請求項3

デューティの異なるPWM制御駆動許可信号によって駆動することにより前記レーザ素子を複数の異なる温度にしたそれぞれの場合において、前記高調波発生素子が出力するレーザ光のパワーが最大となる当該高調波発生素子の目標温度を測定し、各測定点を補間することにより前記関係を求めることを特徴とする請求項1に記載のレーザ光源装置。

請求項4

外気の温度を計測する外気温センサをさらに備え、前記外気温センサによって計測された外気の温度が所定の温度より高くなった場合に、前記駆動電流を小さくして前記レーザ素子を駆動することを特徴とする請求項2に記載のレーザ光源装置。

請求項5

外気の温度を計測する外気温センサをさらに備え、前記外気温センサによって計測された外気の温度が所定の温度より高くなった場合に、前記デューティを小さくして前記レーザ素子を駆動することを特徴とする請求項3に記載のレーザ光源装置。

請求項6

前記補間は、線形補間、n次式による補間、或いはn次多項式による補間であることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つに記載のレーザ光源装置。

技術分野

0001

本発明は、レーザ光源装置、特に波長変換素子を用いるレーザ光源装置の温度制御の技術に関する。

背景技術

0002

近年、モニタ装置プロジェクタ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。従来の光源であるUHPランプと比較すると、レーザ光源はスペクトル分光特性)の広がりがなく色の純度が高いため広色域で長寿命点灯後すぐに明るくなる等の利点がある。

0003

レーザ光源としてはレーザダイオード半導体レーザ)や第2高調波発生(Second-Harmonic Generation:SHGレーザ等がある。レーザダイオードはSHGレーザより安価である反面、モニタ装置等、様々な色(RGBの3色が基本)を必要とする装置に対しては、まだ実用化されていない色がある。また、グリーン(Green)のように近年実用化されている色もあるが、高価である。

0004

実用化出来ていない色、実用化出来ても高価な色のレーザ光源についてはSHGレーザのように基本波レーザ変換波長することが、容易に入手可能な汎用レーザ光源を用いて、所望の波長レーザ光を供給するのには現実的である。しかし、SHG素子は、温度変化によって屈折率分布が変化し波長変換効率が低下することが知られている。SHG素子を用いたレーザのレーザ光を高効率かつ安定した光量にするためにSHG素子の温度制御技術が用いられている(例えば、特許文献1、2参照)。

先行技術

0005

特開平8−101416号公報
特開2008−164900号公報

発明が解決しようとする課題

0006

従来の技術において、例えば特許文献1では、計測したレーザ素子温度変動に対してSHG出力パワー温度依存性テーブルで出力パワーを換算し、温度変化に対するSHG出力パワーをあらかじめテーブルとして記憶させておくことでSHG出力パワーを一定にして小型化、低消費電力を可能にする制御が提案されている。

0007

また、特許文献2においては、SHG素子の温度を計測してその計測結果に基づいてリアルタイムに温度制御を行う装置及び制御方法の提案がされている。しかし、これらの従来技術に基づいて実際にレーザ光源を制御しようとすると予想以上に温度が変動してしまったり、レーザ素子のバラつきが大きいと制御がうまく行えないことがあった。

0008

特許文献1に開示された手法では、SHG自体も温度特性を持っているためレーザ素子の温度特性を補正する温度依存性テーブルだけでは出力パワーが正しく制御出来ない場合があった。また、特許文献2に開示された手法では、計測する温度がSHG素子の温度とその周辺温度であるので、レーザ素子への駆動電流駆動信号を変動させることがあると、LDチップの温度の変動に対し、光出力を一定に保つ制御が行われていないので一定に制御することが難しい。したがって、レーザ素子への駆動条件によってレーザ素子の最適温度シフトするために高い効率を維持出来なくなる。

0009

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ素子への駆動電流や駆動信号を変動させることによって自己発熱によるレーザ素子とSHG素子の温度変動が生じても高い効率で安定したパワー出力を実現できるレーザ光源装置を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ素子と、前記レーザ素子の温度を計測するレーザ素子用温度測定手段と、前記レーザ素子が出力するレーザ光の波長変換を行う高調波発生素子と、前記高調波発生素子の温度を計測する高調波発生素子温度測定手段と、前記高調波発生素子の温度を調節する高調波発生素子温度調節手段と、前記レーザ素子の温度と前記高調波発生素子が出力するレーザ光のパワーが最大となる前記高調波発生素子の目標温度との関係を保持する記憶手段と、前記レーザ素子用温度測定手段によって計測された前記レーザ素子の温度から前記関係に従って求めた目標温度に前記高調波発生素子の温度が調節されるように、前記高調波発生素子温度調節手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

発明の効果

0011

本発明によれば、レーザ素子の温度変動に従って高調波発生素子の最適な目標温度設計値を補正することにより、レーザ光源装置において高い効率で光出力を実現できるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0012

図1は、本発明の実施の形態にかかるSHG素子を用いたレーザ光源装置の構成を示す図である。
図2は、レーザ素子の温度とSHG素子の高効率目標温度との関係を示す図である。
図3は、レーザ素子の温度とSHG素子の高効率目標温度との別の関係を示す図である。
図4は、レーザ素子の温度とSHG素子の高効率目標温度とのさらに別の関係を示す図である。
図5は、レーザ素子を駆動するための制御回路の構成を示す図である。
図6は、本発明の実施の形態にかかる外気温センサを備えたSHG素子を用いたレーザ光源装置の構成を示す図である。

実施例

0013

以下に、本発明にかかるレーザ光源装置の実施の形態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。

0014

実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかるSHG(第2高調波発生)素子を用いたレーザ光源装置100の構成図である。レーザ光源装置100は、レーザ素子(励起用レーザ)11とその温度を計測する例えばサーミスタ等のレーザ素子用温度測定手段12と、レーザ素子11の温度を調節する手段であるレーザ素子用ヒータ16、レーザセル10、波長変換のためのSHG素子15(高調波発生素子)とその温度を計測する例えばサーミスタ等のSHG素子用温度測定手段13(高調波発生素子温度測定手段)とSHG素子15の温度調節手段であるSHG素子用ヒータ14(高調波発生素子温度調節手段)とを備えており、SHG素子15から出射したレーザ光は共振ミラー17を通って外部へ出射される構造となっている。なお、SHG素子15は、一般には非線形素子であるから、第2高調波より高い次数の高調波を同時に出力する高調波発生素子でも構わない。

0015

光源駆動回路21に制御回路20(制御手段)から駆動信号と駆動電流設定値が送られ、光源駆動回路21でレーザ素子所望の電圧を生成し、レーザ光を励起させている。モニタ装置、プロジェクタの光源装置としてレーザ光源を用いる場合、映像信号レベルの変動や映像効果を狙った信号処理を行う。即ち、駆動電流の制御、或いは駆動許可信号のON/OFFの制御(駆動信号のPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御によるデューティ(Duty)の変更による制御)を行うことで、レーザ素子11、SHG素子15の温度が変動するため変換効率が変わり、光パワーが変動する。

0016

本実施の形態においては、駆動電流や駆動許可信号ON/OFFの制御によって生ずるレーザ素子11の温度変化がSHG素子15の効率の変動と連動しているところに着目する。即ち、レーザ素子11の温度とSHG素子15の高効率目標温度との関係を前もって測定して、両者の関係式、即ちレーザ素子11の温度からSHG素子15の高効率目標温度が求まる算出式導出しておく。そして、例えば、制御回路20内等に設けた記憶手段に保持しておく。これに基づいて、変動するレーザ素子の温度条件の中で最も効率のいいSHG目標温度に設定することができる。

0017

図2は、レーザ素子の温度とSHG素子の高効率目標温度との関係を示す。例えば、レーザ素子とSHG素子で構成されたグリーン(Green)用のレーザ光源では、レーザ素子の温度が上がるとSHG素子の高効率目標温度は下がる傾向である。この場合、駆動電流の大きい値と小さい値の2ポイントにおいて、レーザ素子の温度とレーザ素子が当該温度のときにSHG素子の効率が最も良くなる(最も光パワーが大きくなる)温度(高効率目標温度)を測定する。これにより、レーザ素子の温度とSHG素子の高効率目標温度との関係の算出式を導出することが出来る。

0018

レーザ素子の温度が上がるとSHG素子の高効率目標温度は下がる傾向があると上では述べたが、製造のばらつきにより、レーザ素子とそのサーミスタ(または温度センサ)、SHG素子とそのサーミスタ(または温度センサ)の関係(熱伝導率)が変わると、その関係は、図3に示すように逆転することもありうる。

0019

しかし、その場合でも同様に駆動電流量の大きい値と小さい値の2ポイントでレーザ素子の温度とSHG素子の効率が最も良くなる温度(高効率目標温度)を測定することでレーザ素子の温度とSHG素子の高効率目標温度との関係の算出式を導出することが出来る。

0020

具体的な測定方法としては、駆動電流量が大きい場合(レーザ素子11への駆動電流自体を大きくした場合、もしくはレーザ素子11の駆動許可信号(Enable)がPWM制御の場合はそのHの比率を多くしたデューティが大きい場合:第1の条件)と、駆動電流量が小さい場合(レーザ素子11への駆動電流自体を小さくした場合、もしくはレーザ素子11の駆動許可信号(Enable)がPWM制御の場合はそのHの比率を少なくしたデューティが小さい場合:第2の条件)のそれぞれの条件下でのレーザ素子11の温度とそれに対応するSHG素子15の高効率目標温度を計測により探し出す。

0021

まず、上記した駆動電流量が大きい場合については、それを満足する条件下においてSHG素子15の波長変換効率が高い温度を探す。SHG素子15には、SHG素子用温度測定手段13とSHG素子15の温度調節手段であるSHG素子用ヒータ14が備えられているので、SHG素子15を所望の温度に制御することが出来る。

0022

この条件を保ったままSHG素子15の目標温度を数℃ずつ変化させていき、その時の光パワーを計測する。最も光パワーの大きかった時のSHG素子15の目標温度が最も効率の良いSHG素子15の目標温度、即ち高効率目標温度ということになる。またこの時のレーザ素子11の温度を測定しておくことによって、駆動電流量が大きい場合という第1の条件の下での最適な光出力を実現するレーザ素子11の温度とSHG素子15の温度を求めることが出来る。

0023

次に、上記した駆動電流量が小さい場合については、それを満足する条件下においてSHG素子15の目標温度を数℃ずつ変化させていき、その時の光パワーを計測する。最も光パワーの大きかった時のSHG素子15の目標温度がその条件下で最も効率の良いSHG素子15の目標温度、即ち高効率目標温度ということになる。またこの時のレーザ素子11の温度を測定しておくことによって、駆動電流量が小さい場合という第2の条件の下での最適な光出力を実現するレーザ素子11の温度とSHG素子15の温度を求めることが出来る。

0024

上記した第1および第2の条件の下で求めたレーザ素子11の温度とSHG素子15の温度の関係を単に直線でつないでグラフにすると、先に示した図2の最適な光出力を実現するレーザ素子11の温度とSHG素子15の高効率目標温度との関係が得られることになる(線形補正を行った場合)。

0025

図2に示した関係を求めることにより、映像効果を狙った信号処理により駆動電流の変動、駆動許可信号ON/OFFの制御(駆動信号のPWM制御によるデューティ(Duty)の変更)で変化するレーザ素子11の温度に対応したSHG素子15の目標温度(高効率目標温度)を求めることができる。

0026

そして、制御回路20がSHG素子用ヒータ14を制御することにより、SHG素子15の温度が当該目標温度になるように追従制御する。これにより、SHG素子15はレーザ素子11の温度変動に対応した最適温度に制御され、最適な光出力を実現するレーザ光源システムを作ることが可能となる。

0027

図2に示したような、測定によって予め求められたレーザ素子11の温度とSHG素子15の高効率目標温度との関係式は、上述したように制御回路20内等に設けた記憶手段に保持されていてもよい。しかし、レーザ光源装置100の内外を問わずいずれかの場所に備えられた記憶手段に保持されて、この関係式に基づいてSHG素子15の温度制御が可能であればかまわない。

0028

ここで、映像効果を狙った信号処理を行うための回路構成について、図5を用いて説明する。図5は、レーザ素子11を駆動するための制御回路20の構成を示す。制御回路20は、マイコン30及び、マイコン30にそれぞれ制御される光源駆動用制御回路31と電流制御用IC32を備えている。

0029

測定によって予め得られたレーザ素子11の温度とSHG素子15の高効率目標温度との関係式は、例えばマイコン30内に備えられた記憶手段(図示せず)等に保持してもよい。

0030

光源駆動用制御回路31では入力される映像信号に同期した駆動信号を生成して光源駆動回路21に送る。従って、映像信号が来ない場合は、駆動信号をOFFにして消費電力下げ黒色原理的により黒くすることが出来る。また入力信号信号レベルによって光源駆動用信号をPWM制御することで光源自体ダイナミックに制御する構成になっている。

0031

電流制御用IC32は、信号レベルの情報をマイコン30を介して受け取る。これにより、光源のダイナミック制御をより大きくし、消費電力もより下げる構成を実現させている。光源駆動用制御回路31及び電流制御用IC32は、マイコン30によって制御され、光源駆動用制御回路31によって各制御部の制御が加味された駆動信号を出力する。

0032

昨今では、映像効果を狙った信号処理を行うために駆動電流の変動制御、駆動許可信号ON/OFFの制御(駆動信号のPWM制御によるデューティ(Duty)の変化)が行われるためにレーザ素子の温度が変動する。本実施の形態においては、レーザ素子の温度変動に対応したSHG素子の温度制御を行なうことにより、SHG素子における高効率な波長変換が可能になり電力消費の低減が期待出来る。

0033

実施の形態2.
図1のレーザ光源装置100の構成で、上記したようにレーザ素子11の温度とそれに対して最も光パワーの大きくなるSHG素子15の温度との関係を測定して関係式を求める方法においては、発生しうる条件の中で、図4に示すように測定点の数を増やすことでより正確に最適な光出力を実現することができる。

0034

実施の形態1においては、2点間つなぐ一次式を求めておき、レーザ素子11の温度を計測するとその温度で最適な、即ち最も効率の良いSHG素子15の温度が算出できる。従って、その最適なSHG素子15の温度をSHG素子15の目標温度にして、目標温度になるようにSHG素子15の温度を追従制御した。

0035

本実施の形態においては、駆動電流量等を変えることにより、さらに測定する条件の数、即ち、測定点の数を増やしてその測定結果をレーザ素子11の温度とSHG素子15の温度の関係としてグラフ化する。そして、図4に示すようにそのポイント間をつないで関係式を求めることで、より正確なレーザ素子11の温度とSHG素子の温度の関係が求められる。これにより、さらに最適で効率の良いSHG素子15の目標温度設定が可能となる。

0036

実施の形態3.
図1のレーザ光源装置100の構成で、駆動電流量等の条件を変えた2つ以上の条件下で、上記実施の形態で説明したようにレーザ素子の温度とSHG素子の温度の最適な関係を測定し、各測定点間を補間及び外挿して関係式を求める方法は、上記したような線形補間及び外挿の例に限定されるわけではない。

0037

本実施の形態においては、実現するレーザ素子11の温度とSHG素子15の温度の最適な関係式を、実測したデータに基づいてn次式或いはn次多項式で補間及び外挿して求める。これにより、レーザ光源装置100の実際の特性をより反映した関係式が得られると考えられ、より正確なSHG素子15の目標温度設定が可能になる。

0038

実施の形態4.
図1のレーザ光源装置100の構成に、さらに、レーザ素子11/SHG素子15の周辺温度、即ち外気の温度の影響も考慮した制御も考えられる。図6に、本実施の形態にかかる、外気温(周辺温度)センサ19のついたレーザ光源装置200の構成を示す。

0039

図1で示したレーザ光源装置100全体を製品としたときに、図6のレーザ光源装置200は、製品の外側に外気温センサ19が備えられており、外気温が計測できるようになっている。周辺温度(外気温)によっては、レーザ素子11/SHG素子15の効率が下がり発熱に伴う寿命劣化が懸念される。

0040

このため外気の温度が、予め定めた所定の温度より高くなった場合は、駆動電流量を小さくしていく(レーザ素子11への駆動電流自体を小さくする、もしくはレーザ素子11の駆動許可信号(Enable)がPWM制御の場合はそのHの比率を少なくする)制御を併用して信頼性を確保する。周辺温度(外気温)を制御の考慮因子含めることで、レーザ素子11の温度変動が駆動電流量の変動によるものなのか周辺温度の上昇によるものなのかが区別可能となる。従って、高効率での波長変換による電力消費の低減に加えて、さらに正確で信頼性の高い制御が実現される。

0041

レーザ光源装置において、レーザ素子を駆動させる駆動電流の変動、駆動信号のON/OFF変動(駆動信号のPWM制御によるデューティの変化等)によってレーザ光を効率よく出力をする制御を行おうとすると、SHG素子の温度が変動し光パワーの効率が変わる。最適な目標温度での温度一定制御に設定していると、この場合光パワーは下がることとなる。即ち、SHG素子の最適温度(一番効率よく光パワーが変換される温度)は駆動電流によって変動し、駆動電流の変動は、レーザ素子の温度変動とも連動している。上記実施の形態においては、レーザ素子及びSHG素子の両者に対して効率のよい温度制御を行うことで、高い効率の光出力が可能となる。

0042

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。例えば、実施例として記載したレーザ素子(励起用レーザ)11とレーザセル10の組み合わせについては半導体レーザでも代用できる。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

0043

以上のように、本発明にかかるレーザ光源装置は、温度制御されたレーザ光源装置に有用であり、特に、高調波発生素子を用いたレーザ光源装置に適している。

0044

10レーザセル
11レーザ素子(励起用レーザ)
12 レーザ素子用サーミスタ
13SHG素子用サーミスタ(高調波発生素子温度測定手段)
14 SHG素子用ヒータ(高調波発生素子温度調節手段)
15 SHG素子(高調波発生素子)
16 レーザ素子用ヒータ
17共振ミラー
18パッケージ
19外気温センサ
20制御回路
21光源駆動回路
30マイコン
31光源駆動用制御回路
32電流制御用IC
100 レーザ光源装置

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