(57)【要約】【課題】出力光量の調整を行っても光変換効率の低下が少なく、低消費電力の光源装置および画像表示装置を提供する。【解決手段】発光素子としてのレーザーアレイチップ１１と、共振器ミラーとしての外部ミラー１７と、波長変換素子１６とを備え、レーザーアレイチップ１１と外部ミラー１７の間で発生した基本レーザー光Ｗ１を、波長変換素子１６に通して波長変換された出力光Ｗ２を生成するレーザーモジュール１０と、レーザーモジュール１０をパルス状の駆動信号２１で駆動する制御部２０と、からなる光源装置であって、制御部２０は、外部から入力される光量コントロール信号２３に応じて、レーザーモジュール１０の駆動信号２１のパルス周期３３を変化させることにより、出力光Ｗ２の光量を調整することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
共振器ミラーと、
波長変換素子と、を含み、
前記発光素子と前記共振器ミラーの間で発生した基本レーザー光を、前記波長変換素子に通して波長変換された出力光を生成するレーザーモジュールと、
前記レーザーモジュールをパルス状の駆動信号で駆動する制御部と、からなる光源装置であって、
前記制御部は、外部からの光量コントロール信号に応じて、前記レーザーモジュールの前記駆動信号のパルス周期を変化させることにより、前記出力光の光量を調整することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記駆動信号のパルス幅が一定であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記駆動信号のパルス幅は、前記光量コントロール信号の光量指示値がより低いときにより長くなるよう制御されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の光源装置を備え、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置、および画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクターなどの画像表示装置においては、従来のランプ光源よりも小型化、低消費電力化、高色域化が可能な、ＲＧＢ３色固体光源を使用して液晶パネルなどのライトバルブの照明を行う方法が実用化されている。固体光源としては、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源やレーザー光源などが実用化されているが、特にレーザー光源は光束の指向性が高く、光を無駄なく使用することができて都合が良い。また、レーザー光源は出力光量を調整することが容易にできるため、ＲＧＢの出力光量配分を変えてホワイトバランスを調整したり、画像の視聴環境に応じて出力光量を調整したりすることが可能である。出力光量の調整方法としては、特許文献１に示すように、駆動する電流の絶対値、すなわち駆動電力の振幅を変化させて調整するのが一般的である。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−４９９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術には以下のような課題が残されている。すなわち、レーザー光源にはしきい値が存在し、ある値の駆動電力以下ではレーザー発振せず、出力光が得られないという特性がある。従って、駆動電力の振幅を調整して出力光量の調整を行うと光変換効率が低下するという現象が生じてしまう。ここでいう出力光量とは出力光の光パワーの時間平均値であり、光変換効率とは、出力光量を投入された駆動電力の時間平均値で割った値である。この光変換効率が低下するという現象は出力光量が小さいほど顕著になり、例えばほんの微小な光を出力しようとすると、投入された駆動電力のほとんどがしきい値を超えるための電力として消費されてしまうため、光変換効率は大きく低下してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するように、以下の形態または適用例として実現される。
【０００６】
〔適用例１〕本適用例の光源装置は、発光素子と、共振器ミラーと、波長変換素子と、を含み、前記発光素子と前記共振器ミラーの間で発生した基本レーザー光を、前記波長変換素子に通して波長変換された出力光を生成するレーザーモジュールと、前記レーザーモジュールをパルス状の駆動信号で駆動する制御部と、からなる光源装置であって、前記制御部は、外部からの光量コントロール信号に応じて、前記レーザーモジュールの前記駆動信号のパルス周期を変化させることにより、前記出力光の光量を調整することを特徴とする。
かかる構成によれば、一定時間内でのパルス数を変化させることにより時間平均的に出力光量が調整されるためしきい値が低減し、出力光量の調整を行っても光変換効率の低下が少なく、消費電力が低減する。
【０００７】
〔適用例２〕また、上記適用例に記載の光源装置であって、前記駆動信号のパルス幅が一定であることを特徴とする。
かかる構成によれば、各パルスにおけるレーザー光の出力が等しく、すなわち光変換効率は原理的に出力光量によらず一定となるため、好ましい。
【０００８】
〔適用例３〕また、上記適用例に記載の光源装置であって、前記駆動信号のパルス幅は、前記光量コントロール信号の光量指示値がより低いときにより長くなるよう制御されることを特徴とする。
かかる構成によれば、出力光量を低減させてパルス周期を長くしたときに、パルス間での冷却効果によって出力光の立ち上がりが遅くなり、光変換効率が低下してしまうことを補償することができる。
【０００９】
〔適用例４〕本適用例の画像表示装置は、上記適用例に記載の光源装置を備え、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である。
かかる構成によれば、上記適用例の光源装置を備えているので、出力光量の調整を行っても光変換効率の低下が少なく、低消費電力の画像表示装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、図１、図２および図３を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る光源装置の全体ブロック図であり、図２はレーザーモジュールの上面図、図３は、図２のレーザーモジュールの側面図である。
図１に示すように、本実施形態に関わる光源装置は、制御部２０とレーザーモジュール１０から構成されている。制御部２０では、レーザーモジュール１０からの光量モニター信号２２より出力光量を認識し、レーザーモジュール１０の駆動信号２１を調整して、出力光量が光量コントロール信号２３の光量指示値と一致するようにフィードバック制御を行っている。すなわちＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）駆動を行っている。
【００１１】
本実施形態のレーザーモジュール１０は、図２に示すように、発光素子としてのレーザーアレイチップ１１と、共振器ミラーとしての外部ミラー１７と、波長変換素子１６とを備えており、これらは、基台２上に配置されている。
【００１２】
レーザーアレイチップ１１は、ＧａＡｓ基板上に半導体プロセスにより一括形成し切り出されたもので、基板面に対して垂直方向に光を出射する面発光レーザーアレイのチップであり、レーザー光を放射する７つの発光部１１ａを備えている。このレーザーアレイチップ１１は、支持部１３により支持されている。また、支持部１３は、基台２上の一端部２ａ側に載置された固定部材３に固定されている。
【００１３】
また、発光部１１ａから出射される７本の光のピーク波長は略等しく、本実施形態では１０６０ｎｍである。発光部１１ａは、図２の拡大図に示すように、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓが周期的に積層されたＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層１１ｂ上に、ＩｎＧａＡｓからなる活性層１１ｃが積層された構成になっている。ＤＢＲ層１１ｂは高い反射率を持つミラーとして機能する。
【００１４】
外部ミラー１７及び波長変換素子１６は、発光部１１ａから射出された光の光路上に配置されている。  外部ミラー１７は、ＶＨＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｇｒａｔｉｎｇ）と呼ばれる高屈折率層と低屈折率層が周期的に繰り返された構造を持つ素子であり、１０６０ｎｍの基本レーザー光Ｗ１の波長の光に対してのみ選択的に反射するミラーとして作用し、それ以外の波長の光に対しては透過させる機能を持つ。発光部１１ａから出射した基本レーザー光Ｗ１は外部ミラー１７によって選択的に反射され、発光部１１ａに戻された後、発光部１１ａの中にあるＤＢＲ層１１ｂにおいて再び反射する。このように、発光部１１ａと外部ミラー１７との間にレーザー共振器構造が形成されるため、基本レーザー光Ｗ１は反射を繰り返し、活性層１１ｃを通過することによって増幅されてレーザー発振状態となる。
【００１５】
波長変換素子１６としては、非線形光学素子であるＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ）を用いており、図３に示すように、基台２上に載置された支持部材４上に設けられ、基本レーザー光Ｗ１が波長変換素子１６のほぼ中心を通るように位置が調整されている。本実施形態では、発光部１１ａと外部ミラー１７との間に波長変換素子１６が配置されている。図３に示すように、発光部１１ａから出射され、外部ミラー１７に向かう基本レーザー光Ｗ１の一部は、波長変換素子１６を通過することによって、半分の波長（５３０ｎｍ）の光、すなわち２次高調波の光に変換される。外部ミラー１７は、２次高調波の波長に対しては透過特性を持っているため、波長変換された２次高調波の光は出力光Ｗ２として外部ミラー１７を通して外部に出力される。外部ミラー１７に反射され、発光部１１ａに戻る基本レーザー光Ｗ１の一部も波長変換されるが、この光は発光部１１ａ周辺で吸収され熱に変わる。本実施形態ではこの光は使用されずに吸収されてしまうが、波長選択フィルタなどを使用して適宜取り出し、出力光Ｗ２として使用してもかまわない。また、本実施形態ではレーザー共振器構造の中に波長変換素子１６を配置したが、レーザー共振器構造の外に波長変換素子１６を配置してもかまわない。この場合は、波長変換素子１６の中を１回だけ基本レーザー光が通るため、波長変換された出力光Ｗ２は１方向にしか出力しない。
【００１６】
波長変換素子１６における波長変換の効率（波長変換効率）は非線形の特性を有しており、例えば、波長変換素子１６に入射する基本レーザー光Ｗ１の強度（振幅）が強いほど、波長変換効率が高くなる。ただし、波長変換素子１６における全体の波長変換効率は４０〜７０％程度である。つまり、発光部１１ａから射出された基本レーザー光Ｗ１のすべてが、２次高調波である出力光Ｗ２に変換されるわけではない。
【００１７】
外部に出力された出力光Ｗ２は、ビームスプリッタ１９を通過し、その一部が分離されて受光素子１８に入射する。受光素子１８は、入射した光の光量に応じた電流を出力し、光量モニター信号２２として、受光素子１８に接続されたモニターＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）１５を通じて制御部２０に送っている。
【００１８】
発光部１１ａはワイヤボンディング１１ｄにより給電ＦＰＣ１４に接続されており、さらに制御部２０に接続されている。制御部２０は給電ＦＰＣ１４を通じて駆動電力を発光部１１ａに供給し、レーザーモジュール１０を駆動している。
【００１９】
つぎに、本実施形態に係る光源装置の駆動方法を従来の駆動方法と比較しながら図４〜図７を参照して説明する。図４は従来の駆動信号を示す図、図５はその駆動電力と出力光量の関係を示す図、図６は本実施形態における駆動信号を示す図、図７はその駆動電力と出力光量の関係を示す図である。なお、光源装置の構成については、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００２０】
波長変換素子１６は、基本レーザー光Ｗ１の瞬時パワーが大きいほど波長変換効率が高くなるため、一定信号で駆動するよりも、断続的な信号、すなわちパルス状の駆動信号で駆動するほうが、レーザーモジュール１０の光変換効率が高くなる。パルス周期３３は目に感じられないよう非常に短いほうが好ましく、一般的には数百μｓから１μｓ程度の値で駆動される。発光素子としてのレーザーアレイチップ１１や波長変換素子１６の特性によって、光変換効率が高くなるようにパルス周期３３とパルス幅３４が決められる。
【００２１】
従来における出力光量の調整は、図４に示すように駆動信号のパルス振幅３１を変化させて出力光量を制御する方法を使用しており、パルス周期３３は１μｓ、パルス幅３４は０．５μｓとする。その駆動電力と出力光量の関係は、図５に示すように１１．５Ｗ程度のしきい値３２を持った特性となる。すなわち、１１．５Ｗまでは電力を投入してもほとんど光らず、それ以上の駆動電力で急激に出力光量が増加する特性となっている。
【００２２】
ここで、しきい値３２では出力光量が０になるわけではなく多少の光が出力されるが、これは発光部１１ａが複数あり、それぞれの発光部１１ａにおけるしきい値３２が異なるために起きている現象である。ここでは図５に示すように、出力光量の傾きを直線近似して、出力光量が０になるラインとの交点の駆動電力をしきい値３２としている。
【００２３】
本実施形態では、制御部２０は、出力光量を０．５Ｗから４Ｗの範囲にて調整する。例えば、光量コントロール信号２３が４Ｗに設定されたとき、制御部２０は光量モニター信号２２が４Ｗに相当する値になるように駆動信号２１の振幅を調整して光源装置をＡＰＣ駆動する。
【００２４】
図５に示すように、このときの駆動電力は４２．６Ｗ、光変換効率は９．４％となった。この状態では光変換効率がほぼ最大の状態で駆動されていることがわかる。しかし、この光源装置を、出力光量が０．５Ｗになるように調整して使用した場合、駆動電力は１６．２Ｗ、光変換効率は３．１％になり、光変換効率が低下してしまう。
【００２５】
上記従来例に対し、本実施形態では、図６に示すように駆動信号２１のパルス幅３４を変化させずにパルス周期３３を変化させることにより、駆動電力の時間平均値を変化させて出力光量を調整する。制御部２０では、光量コントロール信号２３に応じたパルス周期３３があらかじめ決められており、制御部２０内のメモリに計算式として格納されている。このパルス周期３３の計算式は事前の実験により最適な値が設定されている。例えば本実施形態では、以下の式（１）を用いる。
【００２６】
【数１】
2010177406.tif 000003
【００２７】
ここで、Ｔｐはパルス周期３３（μｓ）、Ｐｖは光量コントロール信号２３の光量指示値（Ｗ）である。ここでは、パルス幅３４は上記従来例と等しい０．５μｓとしている。
式（１）では、出力光量４Ｗにおけるパルス周期３３は１μｓとなり、前記従来例と等しい駆動条件となる。
【００２８】
光量コントロール信号２３を変更して出力光量を調整するときは、制御部２０は、駆動信号２１のパルス周期３３を、式（１）に則って変更する。このときに光量コントロール信号２３とほぼ等しい出力光量が得られるように式（１）の係数が決められている。例えば、出力光量が０．５Ｗになるように調整するときは、パルス周期３３は式（１）より約３．３μｓに設定される。この条件ではパルス振幅３１を変更しなくても概ね０．５Ｗの出力光量が得られる。
【００２９】
さらに、制御部２０は、光量モニター信号２２が光量コントロール信号２３に対応する値になるように駆動信号２１のパルス振幅３１を調整して光源装置をＡＰＣ駆動する。
このような駆動方法を用いた結果、駆動電力と出力光量の関係は図７のようになった。出力光量が０．５Ｗになるように調整して使用した場合、駆動電力は１２．９Ｗ、光変換効率は３．９％となり、従来例に比べて改善されていることが分かる。また、しきい値３２は８．８Ｗとなり、従来例に比べて低下している。
【００３０】
本実施形態のように、パルス幅３４は変更せずに、パルス周期３３を長くして出力光量の調整を行うことにより、出力光量の調整を行っても光変換効率の低下が少なくなるため、低消費電力の光源装置を提供することができる。本実施形態ではパルス振幅３１を調整してＡＰＣ駆動したが、パルス周期３３やパルス幅３４を調整して駆動電力を調整し、ＡＰＣ駆動しても良い。
【００３１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について、図８および図９を参照して説明する。図８は本実施形態における駆動信号を示す図、図９はその駆動電力と出力光量の関係を示す図である。
【００３２】
本実施形態の駆動方法は、図８に示すようにパルス周期３３とパルス幅３４の両方を変更して制御する方法である。
本実施形態においても、制御部２０は、出力光量を０．５Ｗから４Ｗの範囲にて調整する。出力光量が４Ｗにおける駆動条件は第１実施形態と同様であるが、図８に示すように駆動信号２１のパルス周期３３とパルス幅３４の両方を変化させて出力光量を調整する。制御部２０では、光量コントロール信号２３に応じたパルス周期３３とパルス幅３４があらかじめ決められており、制御部２０内のメモリに計算式として格納されている。このパルス周期３３とパルス幅３４の計算式は事前の実験により最適な値が設定されている。例えば本実施形態では、以下の式（２）、式（３）を用いる。
【００３３】
【数２】
2010177406.tif 000004
【００３４】
【数３】
2010177406.tif 000005
【００３５】
ここで、Ｔｐはパルス周期３３（μｓ）、Ｐｖは光量コントロール信号２３の光量指示値（Ｗ）、Ｔｗはパルス幅３４（μｓ）である。
式（２）、式（３）では、出力光量４Ｗにおけるパルス周期３３は１μｓ、パルス幅３４は０．５μｓとなり、前記従来例と等しい駆動条件であるが、光量指示値Ｐｖが４Ｗよりも低いときには、パルス幅３４は長くなり、パルス周期３３はパルス幅３４に応じてさらに長くなるという駆動条件になっている。
【００３６】
例えば、出力光量が０．５Ｗになるように調整するときは、パルス周期３３は式（２）より約１７．０μｓに、パルス幅３４は式（３）より２．３μｓに設定される。この条件ではパルス振幅３１を変更しなくても概ね０．５Ｗの出力光量が得られる。
【００３７】
さらに、制御部２０は、光量モニター信号２２が光量コントロール信号２３に対応する値になるように駆動信号２１のパルス振幅３１を調整して光源装置をＡＰＣ駆動する。
このような駆動方法を用いた結果、駆動電力と出力光量の関係は図９のようになった。
【００３８】
出力光量が０．５Ｗになるように調整して使用した場合、駆動電力は１１．９Ｗ、光変換効率は４．２％、しきい値３２は６．８Ｗとなり、従来例のみならず、第１実施形態に比べてもさらに改善されていることが分かる。
【００３９】
なお、本実施形態ではパルス振幅３１を調整してＡＰＣ駆動したが、パルス周期３３やパルス幅３４を調整して駆動電力を調整し、ＡＰＣ駆動しても良い。
【００４０】
本実施形態のように、前記駆動信号のパルス幅３４は、光量コントロール信号２３の光量指示値がより低いときにより長くなるよう制御されることにより、出力光量を低減させてパルス周期３３を長くしたときに、パルス間での冷却効果によって出力光の立ち上がりが遅くなり、光変換効率が低下してしまうことを補償することができる。また、波長変換素子のレーザー光を吸収する特性により、特に基本レーザー光の平均パワーが小さい時に波長変換素子の温度が低下してしまうような場合においても、光変換効率が低下してしまうことを補償することができる。このことにより、出力光量の調整を行っても光変換効率の低下がさらに少なくなるため、さらに低消費電力の光源装置を提供することができる。
【００４１】
（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について図１０を参照して説明する。
本実施形態では、上記第１、第２実施形態の光源装置を備える画像表示装置としてのプロジェクターについて説明する。図１０は本実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
【００４２】
本実施形態のプロジェクター（画像表示装置）１００は、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ射出する赤色レーザー光源装置１０１Ｒ、緑色レーザー光源装置１０１Ｇ、青色レーザー光源装置１０１Ｂを備えており、これらレーザー光源装置が上記第１、第２実施形態の光源装置（レーザーモジュール１０）である。
【００４３】
プロジェクター１００は、レーザー光源装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂから射出された各色光をそれぞれ変調する透過型の液晶ライトバルブ（画像形成装置）１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂと、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂから射出された光を合成して投射レンズ１０７に導くクロスダイクロイックプリズム（色合成手段）１０６と、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂによって形成された像を拡大してスクリーン１１０に投射する投射レンズ（投射手段）１０７と、を備えている。さらに、プロジェクター１００は、レーザー光源装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂから射出されたレーザー光の照度分布を均一化させるための均一化光学系１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂを備えており、照度分布が均一化された光によって液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂを照明している。本実施形態では、均一化光学系１０２Ｒ，１０２Ｇ、１０２Ｂは、例えばホログラム１０２ａとフィールドレンズ１０２ｂによって構成されている。
【００４４】
各液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム１０６に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投射光学系である投射レンズ１０７によりスクリーン１１０上に投写され、拡大された画像が表示される。
【００４５】
本実施形態のプロジェクター１００においては、赤色レーザー光源装置１０１Ｒ、緑色レーザー光源装置１０１Ｇ、青色レーザー光源装置１０１Ｂとして上記第１、第２実施形態の光源装置１０が用いられているので、出力光量の調整を行っても光変換効率の低下が少ない、すなわち低消費電力のプロジェクターを実現することができる。
【００４６】
なお、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、反射型のライトバルブを用いても良いし、液晶以外の光変調装置を用いても良い。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型液晶ライトバルブやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）が挙げられる。投射光学系の構成は、使用されるライトバルブの種類によって適宜変更すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る光源装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザーモジュールの上面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザーモジュールの側面図である。
【図４】従来の駆動信号を示す図である。
【図５】従来の駆動電力と出力光量の関係を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る駆動信号を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る駆動電力と出力光量の関係を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る駆動信号を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る駆動電力と出力光量の関係を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るプロジェクターの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０…レーザーモジュール、１１…レーザーアレイチップ、１６…波長変換素子、１７…外部ミラー、１８…受光素子、２０…制御部。
【図１】
2010177406.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010177406.tif 000010
【図６】
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【図７】
2010177406.tif 000012
【図８】
2010177406.tif 000013
【図９】
2010177406.tif 000014
【図１０】
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