(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発生する励起用光源と、
前記励起光により基本波光を発生するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質を挟んで配置されて、前記基本波光を共振させる２つの共振器ミラーと、
前記２つの共振器ミラーの間に配置されて前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、
パルス変調信号を生成して前記励起用光源をパルス駆動する駆動部と、
前記励起用光源と前記レーザ媒質との間に配置され、曲率が変更可能な可変レンズとを備え、
前記レーザ媒質は、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなり、
前記駆動部により生成される前記パルス変調信号は、パルスの立ち上がりを含む初期区間と前記初期区間に続く残余区間とを有し、前記初期区間の平均信号強度が前記残余区間の平均信号強度よりも高く、
前記駆動部は、前記可変レンズを駆動して、前記パルス変調信号の前記初期区間では前記可変レンズの曲率を第１曲率値に設定し、前記パルス変調信号の前記残余区間では前記可変レンズの曲率を前記第１曲率値より小さい第２曲率値に設定することを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記２つの共振器ミラーの平行度をθ（分）、前記パルス変調信号の前記初期区間におけるエネルギーをＥ（ジュール）としたとき、前記駆動部は、
３．３３θ＋１＜Ｅ＜３．７８θ＋３
を満たすパルス変調信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記レーザ媒質は、軸が前記励起光の入射方向に平行な円柱状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
円柱状の中空部を有し、前記レーザ媒質を前記中空部に収容して保持する保持部をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記レーザ媒質の直径は、前記レーザ媒質に入射する前記励起光の直径の２倍以上かつ５倍以下であることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記駆動部は、前記レーザ媒質が前記基本波光を発生するしきい値を超えない信号強度の直流信号を前記パルス変調信号に重畳した信号を生成することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記２つの共振器ミラーのうち、一方の共振器ミラーは、前記レーザ媒質の端面で構成され、他方の共振器ミラーは、前記波長変換素子の端面で構成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記レーザ媒質と前記波長変換素子とが、前記基本波光の光軸に沿って隣接して配置され、または接合されていることを特徴とする請求項７に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記励起用レーザ光源の外部または内部に、波長選択部をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記波長変換素子から出る前記基本波光を受光する基本波光検出器をさらに備え、
前記駆動部は、前記基本波光検出器により受光された前記基本波光の出力波形に応じて前記励起用光源の変調の強さを変えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記駆動部により生成される前記パルス変調信号は、立ち上がり時点の信号強度が最大であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１２】
入射光を空間的に変調する空間変調素子と、
前記空間変調素子を一方の主面側から照明する光を出射するレーザ光源を有する照明部と、を備え、
前記照明部は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源および青色レーザ光を出射する青色レーザ光源を含んで構成され、
前記緑色レーザ光源は、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の波長変換装置を含む固体レーザ光源で構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１３】
入力される画像信号に基づき前記空間変調素子に駆動信号を供給して前記空間変調素子をフィールドシーケンシャル方式により駆動し、かつ、前記空間変調素子に供給する駆動信号に同期して前記赤色、緑色および青色レーザ光源を順に発光させる制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記固体レーザ光源の前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを前記空間変調素子に供給する駆動信号の立ち上がりよりも早くすることを特徴とする請求項１２に記載の画像表示装置。
【請求項１４】
入射光を空間的に変調する空間変調素子と、
赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源および青色レーザ光を出射する青色レーザ光源を有し、前記空間変調素子を一方の主面側から照明する照明部と、
入力される画像信号に基づき前記空間変調素子に駆動信号を供給して前記空間変調素子をフィールドシーケンシャル方式により駆動し、かつ、前記空間変調素子に供給する駆動信号に同期して前記赤色、緑色および青色レーザ光源を順に発光させる制御部と、
を備え、
前記緑色レーザ光源は、波長変換装置を含む固体レーザ光源で構成され、
前記波長変換装置は、
励起光を発生する励起用光源と、
熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなり、前記励起光により基本波光を発生するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質を挟んで配置されて、前記基本波光を共振させる２つの共振器ミラーと、
前記２つの共振器ミラーの間に配置されて前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、
前記励起用光源をパルス駆動する駆動部と、
前記励起用光源と前記レーザ媒質との間に配置され、曲率が変更可能な可変レンズとを含み、
前記制御部は、前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを前記空間変調素子に供給する駆動信号の立ち上がりよりも早くし、
前記駆動部は、前記可変レンズを駆動して、前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がり時には前記可変レンズの曲率を第１曲率値に設定し、前記空間変調素子に供給する駆動信号の立ち上がり時には前記可変レンズの曲率を前記第１曲率値より小さい第２曲率値に設定することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】
前記制御部は、前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを、フィールドシーケンシャル方式により駆動している前記空間変調素子に供給する１つ前の駆動信号の立ち下がりと同時とすることを特徴とする請求項１３または１４に記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記制御部は、前記空間変調素子を１８０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下の周波数で駆動することを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１７】
前記空間変調素子により空間的に変調された前記高調波光を検出する高調波光検出器をさらに備え、
前記制御部は、前記高調波光検出器により検出された前記高調波光の立ち上がりが前記空間変調素子の駆動信号の立ち上がりより遅れているか否かを判定し、遅れていると判定すると、前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを早めることを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１８】
前記空間変調素子は、反射型液晶表示パネルであることを特徴とする請求項１２ないし１７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波光を効率よく高調波光に変換できる波長変換装置およびそれを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源にレーザを用いたプロジェクタや液晶テレビなどの画像表示装置が、研究開発されている。理想的な点光源に近いレーザ光源は、小面積に効率よく集光することができる。そのため、プロジェクタの光学系を小さくすることができ、小型のプロジェクタを実現することができる。また、直線偏光のレーザ光を液晶テレビのバックライトに利用すれば、光利用効率の高い低消費電力の液晶テレビを実現することができる。なぜならば、液晶パネルは直線偏光の光を入射させる必要があるため、光源にランダム偏光であるランプやＬＥＤを用いている場合、従来の液晶テレビは、ランダム偏光から直線偏光に変換する偏光フィルターを有していた。直線偏光のレーザ光を光源に用いれば、液晶テレビから偏光フィルターを取り除くことができ、光の損失を抑えることができるからである。
【０００３】
このような画像表示装置の光源にレーザ光源を使用する場合、光の三原色である赤色、緑色、及び青色のレーザ光源が必要となる。しかしながら、赤色および青色の高出力レーザ光源は半導体レーザにより実現されているものの、緑色の高出力レーザ光源は半導体レーザとして構成できる実用的に最適な材料の構成が難しく実現が困難である。そこで、例えば、固体レーザからの基本波光を波長変換素子により高調波に波長変換して緑色の高出力レーザ光を出力する波長変換装置が注目され量産化に向けた開発が進められている。固体レーザとは、レーザ媒質を用いてレーザ光を得る構成を指し、例えば半導体レーザによって励起する半導体レーザ励起の固体レーザ等がある。
【０００４】
図１５は、従来の波長変換装置１００の概略構成を示す平面図である。図１５に示す従来の波長変換装置１００は、励起用レーザ光源１１０と、集光レンズ１１０ｃと、レーザ媒質１２０と、凹面ミラー２００と、２つの共振器ミラー１３０（１３０ａ、１３０ｂ）と、波長変換素子１４０と、を備えている。励起用レーザ光源１１０から出射された励起光１１０ａは、集光レンズ１１０ｃで集光されてレーザ媒質１２０に入射する。レーザ媒質１２０は励起光１１０ａを吸収し、２つの共振器ミラー１３０（１３０ａ、１３０ｂ）によって、基本波光１２０ａを生成する。波長変換素子１４０は、２つの共振器ミラー１３０（１３０ａ、１３０ｂ）の間に配置されて基本波光１２０ａを高調波光１６０に波長変換する。なお、それぞれの構成要素は、波長変換装置１００の基台１００ａに固定されて配置されている。図１５に示すように、基本波光１２０ａを共振させる２つの共振器ミラー１３０（１３０ａ、１３０ｂ）のうち一方の共振器ミラー１３０ａは、凹面ミラー２００の曲面からなる端面３００を利用している。従来の波長変換装置１００は、部品点数が多く、コストが高くなるという課題があった。そこで、共振器ミラー１３０ａを凹面ミラー２００の端面３００ではなく、波長変換素子１４０の端面に作成して、凹面ミラー２００を取り除く構成が提案されている。
【０００５】
しかし、波長変換素子１４０の端面に共振器ミラー１３０ａを作成した場合、従来の波長変換装置１００に比べて、励起用レーザ光源への投入電力から高調波光１６０へ変換される効率（以下、電気から光への変換効率とする）が低くなるという課題があった。
【０００６】
電気から光への変換効率の高い低消費電力の緑色レーザ光源を実現するためには、波長変換素子において、基本波光から高調波光へ効率よく変換することが必要となる。
【０００７】
そのために、例えば、基本波光を出力するレーザ媒質の入力端部を加熱して、レーザ媒質に屈折率変化を生じさせ、その屈折率変化により波長変換素子を伝播する基本波光を収束させる方法がある。これにより、波長変換素子において、伝播する基本波光の光軸に垂直な面における単位断面積当たりの光出力が増大して非線形効果が増大し、高調波光への高い変換効率が得られることを示している（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、画像表示装置において、このようにして得られた高効率の緑色のレーザ光源を利用する場合には、緑色レーザ光の出力を一定の値に安定させて動作させることが、表示される画像の表示を高品質に維持する上で重要である。そのために、波長変換素子を用いた複数の緑色レーザ光源を駆動制御装置により電気的に制御し、フィールドシーケンシャル方式により高輝度かつ高画質な画像表示装置を提案している（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２−１４６７８４号公報
【特許文献２】特開２００８−２５００３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記の技術においては、このようにして得られた高調波光の立ち上がりが急峻でなかった。そのため、そのまま画像表示装置に使用しようとすると、高輝度の画像表示装置を得ることが困難であるという課題があった。また、立ち上がりが急峻でないために、階調制御が難しく高画質を得るのが困難であるという課題がった。
【００１１】
本発明は前記従来の課題を解決するものであり、そのまま画像表示装置に使用しても高輝度かつ高画質の画像が表示でき、小型化および低コスト化に適した高効率の波長変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一局面に従う波長変換装置は、励起光を発生する励起用光源と、前記励起光により基本波光を発生するレーザ媒質と、前記レーザ媒質を挟んで配置されて、前記基本波光を共振させる２つの共振器ミラーと、前記２つの共振器ミラーの間に配置されて前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、パルス変調信号を生成して前記励起用光源をパルス駆動する駆動部と、を備え、前記レーザ媒質は、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなり、前記駆動部により生成される前記パルス変調信号は、パルスの立ち上がりを含む初期区間と前記初期区間に続く残余区間とを有し、前記初期区間の平均信号強度が前記残余区間の平均信号強度よりも高い。
【００１３】
本発明の他の局面に従う画像表示装置は、入射光を空間的に変調する空間変調素子と、前記空間変調素子を一方の主面側から照明する光を出射するレーザ光源を有する照明部と、を備え、前記照明部は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源および青色レーザ光を出射する青色レーザ光源を含んで構成され、前記緑色レーザ光源は、上記の波長変換装置を含む固体レーザ光源で構成されている。
【００１４】
本発明の他の局面に従う画像表示装置は、入射光を空間的に変調する空間変調素子と、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源および青色レーザ光を出射する青色レーザ光源を有し、前記空間変調素子を一方の主面側から照明する照明部と、入力される画像信号に基づき前記空間変調素子に駆動信号を供給して前記空間変調素子をフィールドシーケンシャル方式により駆動し、かつ、前記空間変調素子に供給する駆動信号に同期して前記赤色、緑色および青色レーザ光源を順に発光させる制御部と、を備え、前記緑色レーザ光源は、波長変換装置を含む固体レーザ光源で構成され、前記波長変換部は、励起光を発生する励起用光源と、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなり、前記励起光により基本波光を発生するレーザ媒質と、前記レーザ媒質を挟んで配置されて、前記基本波光を共振させる２つの共振器ミラーと、前記２つの共振器ミラーの間に配置されて前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、前記励起用光源をパルス駆動する駆動部と、を含み、前記制御部は、前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを前記空間変調素子に供給する駆動信号の立ち上がりよりも早くする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置の概略構成を示す平面図、（ｂ）は、本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置の励起用レーザ光源を駆動するパルス変調信号の１例を示す図、（ｃ）は、本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置の２つの共振器ミラーの平行度を説明する図。
【図２】２つの共振器ミラーに挟まれたレーザ媒質中を基本波光が伝播する様子を模式的に示す図で、（ａ）は、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなるレーザ媒質の場合を示す図で、（ｂ）は、熱光学効果を有しない材料からなるレーザ媒質の場合を比較例として示す図。
【図３】（ａ）は、２つの共振器ミラーの間に熱光学効果を有するレーザ媒質と波長変換素子とを配置しているレーザ共振器の構成を示す図、（ｂ）および（ｃ）は、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号により励起用レーザ光源が変調されるときの、（ａ）のＹ軸に沿った方向のレーザ媒質内の温度分布を模式的に示す図。
【図４】（ａ）は、レーザ媒質および保持部の側断面図、（ｂ）は、レーザ媒質および保持部の正面図、（ｃ）は、レーザ媒質および励起光の直径を示す図、（ｄ）は、レーザ媒質および保持部の隙間に樹脂を挿入した例を示す側断面図。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる波長変換装置の概略構成を示す平面図。
【図６】駆動部により矩形の電流波形で励起用レーザ光源を駆動したときの励起光の出力と高調波光の出力を同じ時間軸で見たときの光出力波形を示す図で、（ａ）は高調波光の光出力波形を示す図、（ｂ）は励起光の光出力波形を示す図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、パルス変調信号の立ち上がり部分の信号強度が、平均信号強度より高い電流波形で励起用レーザ光源を駆動したときの励起光出力波形と高調波光出力波形を示す図で、（ａ）、（ｃ）は高調波光出力波形を示す図、（ｂ）、（ｄ）は励起光出力波形を示す図、（ｅ）は（ｄ）に示される励起光を出力するためのパルス変調信号を示す図、（ｆ）はパルス変調信号の別の例を示す図。
【図８】（ａ）は、本発明の実施の形態４にかかる波長変換装置を示す図、（ｂ）は、駆動部が生成するパルス変調信号を示す図、（ｃ）、（ｄ）は、集光レンズの曲率および励起光のビーム径を示す図。
【図９】本発明の実施の形態５にかかる画像表示装置の概略構成を示す平面図。
【図１０】本発明の実施の形態５にかかる画像表示装置がフィールドシーケンシャル方式により変調されるときのレーザ光と画像駆動信号とのタイミングを示す図で、（ａ）は、レーザ光の発光のタイミングを示す図、（ｂ）は、空間変調素子の各画像の駆動信号のタイミングを示す図。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかる画像表示装置において、光出力波形を示す図で、（ａ）はＧ光源の高調波光出力の時間波形を示す図、（ｂ）は（ａ）の高調波光出力のための励起光出力の時間波形を示す図、（ｃ）は（ａ）の高調波光出力の大きさを均等に分けた例を示す図。
【図１２】本発明の実施の形態１で示したパルス変調信号の立ち上がり部分の信号強度が、平均信号強度より高い電流波形で励起用レーザ光源を駆動したときの励起光出力波形と高調波光出力波形を示す図で、（ａ）は、高調波光出力波形を示す図、（ｂ）は励起光出力波形を示す図。
【図１３】空間変調素子と固体レーザ光源との駆動信号並びに高調波光出力の時間的な関係を示す図で、（ａ）は高調波光出力の時間波形を示す図、（ｂ）は励起光出力の時間波形を示す図、（ｃ）は空間変調素子の駆動信号の時間波形を示す図。
【図１４】本発明の実施の形態６にかかる画像表示装置がフィールドシーケンシャル方式により変調されるときのレーザ光と画像駆動信号とのタイミングを示す図で、（ａ）は、励起光を含むレーザ光の発光のタイミングを示す図、（ｂ）は、空間変調素子の各画像の駆動信号のタイミングを示す図。
【図１５】従来の波長変換装置の概略構成を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、同じ構成要素または同様の作用、動作をなす構成要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
【００１７】
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置１０の概略構成を示す平面図、図１（ｂ）は、本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置１０の励起用レーザ光源１１を駆動するパルス変調信号の１例を示す図、図１（ｃ）は、本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置１０の２つの共振器ミラーの平行度を説明する図である。
【００１８】
図１（ａ）に示すように本実施の形態１の波長変換装置１０は、励起用光源としての励起用レーザ光源１１と、レーザ媒質１２と、２つの共振器ミラー１３（１３ａ、１３ｂ）と、波長変換素子１４と、駆動部１５と、を備えている。ここで、励起用レーザ光源１１は、励起光１１ａを発生し、レーザ媒質１２は、この励起光１１ａにより基本波光１２ａを発生する。励起用レーザ光源１１は、例えば８０８ｎｍのレーザ光を発生する半導体レーザであり、レーザ媒質１２は、８０８ｎｍの光を吸収する、１％のＮｄがドープされたＹＶＯ４結晶である。また、２つの共振器ミラー１３（１３ａ、１３ｂ）の表面のコーティングは、例えば、１０６４ｎｍの光に対して９９％以上の反射率を有している。さらに、共振器ミラー１３ａのコーティングは、５３２ｎｍの光に対して、例えば透過率が９５％以上となっており、共振器ミラー１３ｂのコーティングは、８０８ｎｍの光に対して、例えば透過率が９５％以上となっている。２つの共振器ミラー１３（１３ａ、１３ｂ）は、励起光１１ａの入射方向においてレーザ媒質１２を挟んで配置されて、基本波光１２ａを共振させる。波長変換素子１４は、２つの共振器ミラー１３（１３ａ、１３ｂ）の間に配置されて基本波光１２ａを高調波光１６に波長変換する。そして、駆動部１５は、励起用レーザ光源１１を、例えば図１（ｂ）のパルス変調信号により駆動する。なお、それぞれの構成要素は、波長変換装置１０の基台１０ａに固定されて配置されている。
【００１９】
レーザ媒質１２は、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなる。励起用レーザ光源１１で発生された励起光１１ａがレーザ媒質１２に入射する。レーザ媒質１２は、励起光１１ａによって、励起光１１ａの光軸１３ｃに対して垂直な方向に温度分布を生じる。言い換えると、励起光１１ａの光軸１３ｃから離れた位置に比べて、励起光１１ａの光軸１３ｃの近傍におけるレーザ媒質１２の温度が高くなって、光軸１３ｃに垂直な方向に温度差を有する温度分布が形成される。レーザ媒質１２は熱光学効果を有しているため、上記温度差により、励起光１１ａの光軸１３ｃに垂直な方向に屈折率差が生じて、レーザ媒質１２はレンズ効果を有することになる（以下、「熱レンズ効果」と称する）。また、レーザ媒質１２の熱光学定数は正であるため、熱光学効果による熱レンズ効果は光学的に凸レンズと同様の作用をもつ。この熱レンズ効果によって生じる凸レンズの作用によって、基本波光１２ａが収束されるため、基本波光１２ａが、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂで安定に共振する。
【００２０】
そして、駆動部１５が励起用レーザ光源１１をパルス変調駆動する場合に、図１（ｂ）に示すようにパルス変調信号の立ち上がり部分の信号強度Ｉ１が、パルス変調信号の平均信号強度Ｉａｖｅより高い信号強度で駆動する構成としている。ここで、図１（ｂ）に示すパルス変調信号は、パルス周期がＴｐ、オン時間がＴｏｎでデューティ比Ｒｐ＝Ｔｏｎ／Ｔｐの変形された矩形信号を使用している。言い換えると、駆動部１５は、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号を生成して、励起用レーザ光源１１をパルス駆動する。図１（ｂ）に示されるパルス変調信号は、パルスの立ち上がりを含む初期区間Ｐ１と初期区間Ｐ１に続く残余区間Ｐ２とを有する。初期区間Ｐ１および残余区間Ｐ２は、矩形波形状を有し、初期区間Ｐ１の信号強度Ｉ１は残余区間Ｐ２の信号強度Ｉ２より高くなっている。
【００２１】
なお、初期区間Ｐ１および残余区間Ｐ２は矩形波形状を有しているため、初期区間Ｐ１の平均信号強度は、信号強度Ｉ１に等しく、残余区間Ｐ２の平均信号強度は、信号強度Ｉ２に等しい。したがって、初期区間Ｐ１の平均信号強度は、残余区間Ｐ２の平均信号強度より大きくなっている。また、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号では、立ち上がり時点の信号強度が最大になっている。また、図１（ｂ）に示されるように、初期区間Ｐ１のパルス幅（時間）はＴ１、残余区間Ｐ２のパルス幅（時間）はＴ２になっている。つまり、Ｔｏｎ＝Ｔ１＋Ｔ２になっている。
【００２２】
この構成により、波長変換装置１０は、後述するように、変調時の立ち上がり時間の課題（つまりパルス駆動時に高調波光の立ち上がりが急峻でないという課題）を解消でき、画像表示装置に使用したときに、ブランク時間を低減できる。これにより、高輝度かつ高画質の画像が表示でき、小型化および低コスト化に適した高効率の波長変換装置１０を実現できる。
【００２３】
次に本実施の形態１の波長変換装置１０の基本的な動作について説明する。図２は、２つの共振器ミラー１３（１３ａ、１３ｂ）に挟まれたレーザ媒質中を基本波光１２ａが伝播する様子を模式的に示す図で、図２（ａ）は、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなるレーザ媒質１２の場合を示す図で、図２（ｂ）は、熱光学効果を有しない材料からなるレーザ媒質１２１の場合を比較例として示す図である。
【００２４】
図２（ａ）に示すように励起光１１ａが平行光よりもやや発散するように一方の共振器ミラー１３ｂからレーザ媒質１２に入射すると、基本波光１２ａは拡がりながらレーザ媒質１２内を伝播する。しかしながら、この基本波光１２ａはレーザ媒質１２を伝播すると共に、その一部がレーザ媒質１２に吸収されて熱レンズ効果が生じる。その結果、レーザ媒質１２全体で図２（ａ）に破線で示す凸レンズ１２ｄが内蔵されているかのように作用して、発散光として伝播していた基本波光１２ａは、レーザ媒質１２の途中から収束光として伝播して、他方の共振器ミラー１３ａに到達する。そして、共振器ミラー１３ａにより、その一部が反射された基本波光１２ａは、同じ経路を逆に進んで共振器ミラー１３ｂに到達する。これにより、図２（ａ）に示すように、レーザ媒質１２とレーザ媒質１２を挟む２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂにより安定なレーザ共振器が形成される。
【００２５】
一方、熱光学効果を有しない材料からなるレーザ媒質１２１の場合には、一方の共振器ミラー１３ｂからレーザ媒質１２１に励起光１１ａが入射しても、基本波光１２ａはそのまま拡がりながらレーザ媒質１２１内を伝播する。したがって、基本波光１２ａは、発散光として２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂの間を伝播するので、レーザ媒質１２１とレーザ媒質１２１を挟む２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂとはレーザ共振器を形成することなく、基本波光１２ａは発散してしまう。
【００２６】
図３（ａ）は、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂの間に熱光学効果を有するレーザ媒質１２と基本波光１２ａを高調波光１６に変換する波長変換素子１４とを配置しているレーザ共振器の構成を示す図である。基本波光１２ａは、平坦な２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂの間でレーザ媒質１２の熱レンズ効果により形成された凸レンズ１２ｄによって発散することなく反射を繰り返し、レーザ媒質１２とレーザ媒質１２を挟む２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂとは安定にレーザ共振器を構成している。
【００２７】
図３（ｂ）および図３（ｃ）は、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号により励起用レーザ光源１１が変調されるときの、図３（ａ）のＹ軸に沿った方向のレーザ媒質１２内の温度分布を模式的に示す図である。図３（ｂ）は、パルス変調信号の先頭部分の光が通過したときのレーザ媒質１２の温度分布を示している。図３（ｂ）において、温度分布ＴＰ１は、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号の初期区間Ｐ１が通過したときのレーザ媒質１２の温度分布である。温度分布ＴＰ１０は、通常の矩形波形のパルス変調信号の先頭部分が通過したときのレーザ媒質１２の温度分布であり、比較例として示している。図３（ｃ）において、温度分布ＴＰ２は、パルス変調信号の先頭部分以外（つまり図１（ｂ）に示されるパルス変調信号の残余区間Ｐ２）の光が通過したときのレーザ媒質１２の温度分布である。
【００２８】
２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂの間で構成されたレーザ共振器の中を伝播する基本波光１２ａは、光軸１３ｃ近傍において光量が最大となるガウス型光量分布を有するビームとして伝播する。したがって、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、光軸１３ｃ近傍において温度が最大となる温度分布が形成される。ここで、レーザ媒質１２が熱レンズ効果により、光学的に凸レンズと同じように基本波光１２ａを収束する効果を出して安定なレーザ共振器を形成するためには、屈折率をｎとし、レーザ媒質１２の温度をＴとすると、熱光学定数（ｄｎ／ｄＴ）＞０であることが必要となる。
【００２９】
熱光学定数が、３．０×１０−６／Ｋで正となる、例えば本実施の形態１の波長変換装置１０のレーザ媒質１２として使用しているＮｄ：ＹＶＯ４結晶は熱レンズ効果により、光学的に凸レンズの効果を生じる。さらに大きい効果を得るためには、例えば、熱光学定数が、４．７×１０−６／Ｋで正となる、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶などをレーザ媒質１２として用いることが好ましい。Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、温度による屈折率変化がさらに大きいので、凸レンズの効果がさらに大きくなる。
【００３０】
なお、レーザ媒質は単結晶でなく、例えばＹＡＧ等のセラミックであってもよい。
【００３１】
この構成により、Ｎｄの濃度を１０％程度までに高められ、セラミックの、入射する励起光に対する吸収率を、大きくすることができ、小型の波長変換装置が実現できる。また、Ｎｄ濃度を２％から１０％として吸収率を高めることにより熱レンズ効果が顕著となり、より変調時の立ち上がり時間が早い波長変換装置となる。
【００３２】
また、レーザ媒質にセラミックを用いる、もしくは、添加物の濃度を３％以上とする、または、結晶に残存するＦｅ等の不純物を多くすること等でも、発熱量を増加させることができ、熱レンズ効果を顕著にできる。したがって、変調時の立ち上がり時間が早い波長変換装置１０となる。言い換えると、パルス駆動時の高調波光の立ち上がりが急峻な波長変換装置１０を実現することができる。
【００３３】
高調波光１６の光源として求められる仕様に応じてパルス変調と、レーザ媒質１２の吸収率を高めることを単独で用いても良いし、組み合わせて用いても良い。
【００３４】
次に、図１（ｂ）および図１（ｃ）を参照して、パルス変調信号の初期区間Ｐ１における信号強度Ｉ１が説明される。パルス変調信号の立ち上がり時に必要な励起光１１ａの強度は、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂの平行度によって変化する。なぜなら、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂの平行度が高い場合は、基本波光１２ａが好適に共振するため、レーザ媒質１２の熱光学効果による熱レンズ効果が小さくても、急峻に高調波光１６の強度は立ち上がるが、平行度が低い場合は、基本波光１２ａが好適に共振しないため、高調波光１６の強度は急峻に立ち上がらないからである。ここで、平行度は、図１（ｃ）に示されるように、共振器ミラー１３ａと共振器ミラー１３ｂとの相対的な傾きθにより表される。すなわち、θ＝０のときに平行度が最も高くなる。
【００３５】
共振器ミラー１３ａ、１３ｂの平行度が低い場合にも急峻に高調波光１６の強度を立ち上げるには、平行度が高い場合に比べて、より高い励起光１１ａの強度が必要となる。発明者らが行った実験によれば、励起光１１ａの強度を一定とし、θ＝０のときに得られた高調波光１６の強度を１００％としたとき、θ＝０．０１５（度）のときに得られた高調波光１６の強度は９０％、θ＝０．０２（度）のときに得られた高調波光１６の強度は８０％、θ＝０．０３５（度）のときに得られた高調波光１６の強度は５０％となった。
【００３６】
そこで、この実施形態では、駆動部１５は、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂの平行度をθ（分）、パルス変調信号における初期区間Ｐ１のエネルギーをＥ（ジュール）としたとき、
３．３３θ＋１＜Ｅ＜３．７８θ＋３    ・・・（１）
を満たすパルス変調信号を生成する。ここで、初期区間Ｐ１のエネルギーＥは、初期区間Ｐ１の平均信号強度Ｉ１（ワット）と初期区間Ｐ１のパルス幅Ｔ１（秒）とを用いて、
Ｅ＝Ｉ１×Ｔ１    ・・・（２）
で表される。したがって、この実施形態では、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂの平行度に応じて、必要な励起光１１ａの強度を得ることが可能になっているため、高調波光１６の強度を急峻に立ち上がらせることができる。
【００３７】
上記式（１）は、パルス変調信号の初期区間Ｐ１のパルス幅Ｔ１が短ければ、それだけ高い信号強度Ｉ１が必要であり、逆に初期区間Ｐ１のパルス幅Ｔ１を長くとることができるならば、信号強度Ｉ１を抑えることが可能であることを示している。そのため、本実施形態を光源に利用した画像表示装置では、回路で供給可能な電流の最大値を考慮して信号強度Ｉ１を決定し、その信号強度Ｉ１と上記式（１）とに基づき、初期区間Ｐ１のパルス幅Ｔ１を決める必要がある。
【００３８】
次に本実施の形態１の波長変換装置１０の構成要素について、具体的に説明する。図１（ａ）に示すように、レーザ媒質１２は、大きい熱光学定数を有する、例えばＮｄ：ＹＶＯ４結晶を用いる。このレーザ媒質１２を励起するために、励起用レーザ光源１１として波長８０８ｎｍにロックされた、例えばＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザを用いる。ここで、励起用レーザ光源１１のリア側の端面１１ｂに対向して回折格子などの波長選択部１１ｄ（図１（ａ）に破線で示される）を配置し、励起用レーザ光源１１のリア側端面１１ｂからのレーザ光（図示せず）の一部を回折格子などの波長選択部１１ｄで波長選択してリア側端面１１ｂに入射して戻す。これにより、波長選択して戻したレーザ光の波長により８０８ｎｍに波長ロックしている。また、波長ロックの方法としては波長選択素子を励起用レーザ光源１１のチップ内に形成してもよい。代替的に、励起用レーザ光源１１を分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ｆｅｅｄ  Ｂａｃｋ）レーザで構成してもよい。さらに代替的に、励起用レーザ光源１１を分布ブラッグ反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザで構成してもよい。
【００３９】
この構成により、励起光１１ａの温度変化による波長変化を低減でき、安定した高調波光１６の出力を得ることができる。また、後述するようにブランク時間が温度の影響を受けて増大することがなく、低減されて保持できるので、さらに出力が安定した波長変換装置１０が実現できる。
【００４０】
このような励起用レーザ光源１１から出射された励起光１１ａは、集光レンズ１１ｃにより集光されてレーザ媒質１２の端面１２ｅに入射する。この励起光１１ａによりレーザ媒質１２は励起され、波長１０６４ｎｍの基本波光１２ａを生じる。基本波光１２ａは、レーザ媒質１２中を増幅されながら伝播し、レーザ媒質１２の熱レンズ効果により、図１（ａ）に示すようにやや収束された状態で波長変換素子１４に入射する。波長変換素子１４は、基本波光１２ａの一部を非線形光学効果により第２高調波である５３２ｎｍの緑色の高調波光１６に変換し、一方の端面１４ａから出力光として出力する。ここで、レーザ媒質１２は、厚み２ｍｍでＮｄを１％ドープしたＮｄ：ＹＶＯ４結晶を用いている。また、波長変換素子１４は、厚み０．５ｍｍのＰＰＭｇＬＮを用いている。
【００４１】
図１（ａ）に示すように、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂのうち、一方の共振器ミラー１３ｂは、レーザ媒質１２の端面１２ｅで構成され、他方の共振器ミラー１３ａは、波長変換素子１４の端面１４ａで構成されてもよい。
【００４２】
この構成により、新たに共振器ミラーを配置しなくてよいので、コンパクトな波長変換装置１０が実現できる。
【００４３】
レーザ媒質１２および波長変換素子１４の両端面は、たとえば誘電体多層膜１３１、１３２、１３３、１３４によりコーティングされている。ここで、誘電体多層膜１３１は、波長１０６４ｎｍおよび５３２ｎｍに対して高反射率で、波長８０８ｎｍに対して無反射となるように形成されている。誘電体多層膜１３２、１３３は、波長１０６４ｎｍに対して無反射となるように形成されている。誘電体多層膜１３４は、波長１０６４ｎｍに対して高反射率で、波長５３２ｎｍに対して無反射となるように形成されている。
【００４４】
この構成により、励起光１１ａは、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂで構成されるレーザ共振器にロスが少なく効率よく入射し、出力光である高調波光１６は、ロスが少なく効率よく出力される。また、基本波光１２ａは、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂで構成されるレーザ共振器において安定に発振している。
【００４５】
このような構成において、波長８０８ｎｍ、出力ピーク値３Ｗの励起光１１ａで波長変換装置１０を励起したところ、波長５３２ｎｍ、出力ピーク値０．９Ｗの緑色レーザ光を高効率で得ることができた。このときの励起用レーザ光源１１を駆動部１５により変調したときの変調周波数１／Ｔｐは１２０Ｈｚであり、デューティ比Ｒｐは３３．３％であった。
【００４６】
図４（ａ）は、レーザ媒質および保持部の側断面図、図４（ｂ）は、レーザ媒質および保持部の正面図、図４（ｃ）は、レーザ媒質および励起光の直径を示す図、図４（ｄ）は、レーザ媒質および保持部の隙間に樹脂を挿入した例を示す側断面図である。図１（ａ）および図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照して、レーザ媒質等の構造が説明される。
【００４７】
レーザ媒質１２への励起光１１ａの入射により生じる熱光学効果によって発生する屈折率変化の分布は、励起光１１ａの光軸に対して軸対称になっていることが望ましい。なぜなら、屈折率変化の分布が軸対称であれば、屈折率変化の分布が軸対称でない場合に比べて、熱光学効果による熱レンズ効果が励起光１１ａの光軸に対して歪むことをより防ぐことができ、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂで共振される基本波光１２ａのビームが歪むことをより防ぐことができるからである。基本波光１２ａのビームの歪みを抑えることで、高調波光１６を高効率で得ることができる。
【００４８】
そこで、この実施形態では、図４（ａ）および図４（ｂ）に示されるように、レーザ媒質１２を軸が励起光１１ａの入射方向に平行な円柱状に作製し、さらに、レーザ媒質１２を保持する保持部１２ｆを円柱状の中空部を有するように作製している。そして、保持部１２ｆは、円柱状の中空部にレーザ媒質１２を収容して保持することで、レーザ媒質１２で発生した熱を励起光１１ａの光軸に対して軸対称に、逃がすことができる。そのため、温度差が生じている温度分布を軸対称に形成でき、熱光学効果によって発生した屈折率変化の分布を軸対称にすることができる。
【００４９】
また、この実施形態では、図４（ｃ）に示されるように、レーザ媒質１２の直径をＤ、励起光１１ａのビームの直径をｄとしたとき、２ｄ≦Ｄ≦５ｄとしている。レーザ媒質１２の直径Ｄが励起光１１ａのビーム径ｄよりも小さい場合には、レーザ媒質１２の入射面にて励起光１１ａのけられが発生し、効率を低下させてしまう。これに対して、レーザ媒質１２の直径Ｄが励起光１１ａのビーム径ｄの２倍以上であれば、レーザ媒質１２の入射面での励起光１１ａのけられを生じなくすることができる。さらに、レーザ媒質１２の直径Ｄが励起光１１ａのビーム径ｄの５倍以下であれば、励起光１１ａの吸収によるレーザ媒質１２の発熱箇所と保持部１２ｆとの間の熱抵抗を小さくできるので、レーザ媒質１２全体の温度上昇を抑えることができる。そのため、レーザ媒質１２全体の温度上昇による、励起光１１ａから基本波光１２ａへの変換効率低下を抑えることができる。
【００５０】
すなわち、レーザ媒質１２に生じる熱光学効果を利用して、基本波光１２ａのレーザ発振を安定に行うためには、レーザ媒質１２の基本波光１２ａが通る領域内に温度差を形成し、基本波光１２ａに対して熱レンズ効果を生じさせることが必要である。そのためには、基本波光１２ａが通る領域内においては、基本波光１２ａのビーム中心と、ビームの外側での温度差が大きい方が好ましい。一方、レーザ媒質１２の温度が高くなれば、励起光１１ａから基本波光１２ａへの変換効率が低下するため、レーザ媒質１２全体の温度は低いほうがよい。そのため、レーザ媒質１２から保持部１２ｆへの放熱性能は、高い方が好ましい。
【００５１】
そこで、この実施形態では、保持部１２ｆを金属で形成している。例えば、銅、鉄、アルミ、亜鉛等を用いることができる。金属は熱伝導率が高いため、レーザ媒質１２全体の温度を効率よく低減することが可能であり、レーザ媒質１２全体の温度上昇を低減することが可能である。
【００５２】
なお、図４（ｄ）に示されるように、レーザ媒質１２と保持部１２ｆの隙間には、レーザ媒質１２と保持部１２ｆとの密着性を高めるために、伝熱グリス等の樹脂１２ｇが隙間に挿入されていることが好ましい。そうすることによって、レーザ媒質１２と保持部１２ｆとの間の伝熱性を高めることができ、レーザ媒質１２全体の温度上昇を抑えることができる。なお、伝熱グリスの代わりに、インジウムメッキ等の、密着性を高めることが可能な金属を用いてもかまわない。
【００５３】
さらに、レーザ媒質１２内の基本波光１２ａが通る領域に温度差を生じさせるためには、レーザ媒質１２の熱伝導率は低いほうが好ましい。例えば、熱伝導率が１４Ｗ／ｍ・ＫであるＮｄ：ＹＡＧよりも、熱伝導率が５．３２Ｗ／ｍ・Ｋと、Ｎｄ：ＹＡＧよりも低い、Ｎｄ：ＹＶＯ４をレーザ媒質１２として用いるほうが好ましい。
【００５４】
さらに、変換効率を高めるために、レーザ媒質１２と波長変換素子１４とが、光軸１３ｃに沿って隣接して配置され、または接合されている構成としてもよい。
【００５５】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２にかかる波長変換装置２０の概略構成を示す平面図である。図５に示す波長変換装置２０は、図１（ａ）に示す波長変換装置１０と同様に、励起用レーザ光源１１と、レーザ媒質１２と、２つの共振器ミラー１３（１３ａ、１３ｂ）と、波長変換素子１４と、駆動部１５と、を備えている。
【００５６】
レーザ媒質１２は、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなり、励起光１１ａがレーザ媒質１２に入射される。このことにより、基本波光１２ａが２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂで共振し、その光軸１３ｃに対して垂直な方向に温度差を有する温度分布を生じ、この温度分布により基本波光１２ａの共振を安定させる。そして、駆動部１５が励起用レーザ光源１１をパルス変調駆動する場合に、図１（ｂ）に示すようにパルス変調信号の立ち上がり部分の信号強度Ｉ１が、パルス変調信号の平均信号強度Ｉａｖｅより高い信号強度で駆動する構成としている。ここで、図１（ｂ）に示すパルス変調信号は、パルス周期がＴｐ、オン時間がＴｏｎでデューティ比Ｒｐ＝Ｔｏｎ／Ｔｐの変形された矩形信号を使用している。言い換えると、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号は、初期区間Ｐ１と残余区間Ｐ２とを有する。図１（ｂ）に示されるパルス変調信号では、初期区間Ｐ１および残余区間Ｐ２は矩形波形状を有しているため、初期区間Ｐ１の平均信号強度は信号強度Ｉ１に等しく、残余区間Ｐ２の平均信号強度は信号強度Ｉ２に等しい。したがって、初期区間Ｐ１の平均信号強度は、残余区間Ｐ２の平均信号強度より高い。
【００５７】
ところで、図５に示す波長変換装置２０は、図１（ａ）に示す波長変換装置１０と異なり、レーザ媒質１２と波長変換素子１４とが、光軸１３ｃに沿って接合されている構成としている。すなわち、レーザ媒質１２の誘電体多層膜１３２が積層された端面と波長変換素子１４の誘電体多層膜１３３が積層された端面とが例えば光透過性の接着剤により接合されている。なお、レーザ媒質１２と波長変換素子１４とが接合されておらず、単に光軸１３ｃに沿って隣接して配置される構成でもよい。
【００５８】
この構成により、レーザ媒質１２と波長変換素子１４とを光軸１３ｃ方向に配置する長さを低減することができ、さらにコンパクトな波長変換装置２０が実現できる。また、２つの共振器ミラー１３ａ、１３ｂを調整する必要がないので、低コストの波長変換装置２０を実現できる。
【００５９】
また、図５に示す波長変換装置２０は、図１（ａ）に示す波長変換装置１０と異なり、基本波光１８を受光する光検出器１７をさらに備えている。共振器ミラー１３ａから僅かに漏れ出てくる基本波光１８は、ダイクロイックミラー１７ａにより反射されて、光検出器１７により検出される。これにより、基本波光１２ａの出力変化がモニターできるので、光検出器１７の検出信号を配線１７ｂにより電気的に駆動部１５にフィードバックする。そして、駆動部１５は、基本波光１８の出力波形に応じて励起用レーザ光源１１の変調の強さを変える構成としている。
【００６０】
この構成により、レーザ媒質１２や共振器ミラー１３の個体差による特性の差を解消するように、駆動部１５が基本波光１８の出力をフィードバックして励起用レーザ光源１１を駆動することができる。さらに、例えば１０６４ｎｍの波長の赤外レーザ光である眼に見えない基本波光１８を、波長変換装置２０の外部に出さないため、より安全な波長変換装置２０を実現することができる。
【００６１】
図６は、駆動部１５により矩形の電流波形で励起用レーザ光源１１を駆動したときの励起光１１ａの出力と高調波光１６の出力を同じ時間軸で見たときの光出力波形を示す図で、図６（ａ）は高調波光１６の光出力波形を示す図、図６（ｂ）は励起光１１ａの光出力波形を示す図である。
【００６２】
図６（ｂ）に示すパルス状の矩形波形の励起光１１ａにより図５に示すレーザ媒質１２が励起されると、ＣＷ（連続波）の励起光１１ａで変調する場合と異なり、光軸１３ｃに垂直な面内での温度分布は、時間的に変化し、一定ではない。したがって、レーザ媒質１２内に熱レンズ効果が発生するまで温度が上昇するには、少し時間がかかり、基本波光１２ａが発振するのにも少し時間がかかる。よって、波長変換装置２０の出力光である高調波光１６は、基本波光１２ａが発振するまでは発生しないので、状態Ｓ１に示すブランク時間ＴＢが生じる。しかしながら、その後、レーザ媒質１２内の温度が上昇し、熱レンズ効果が発生するので高調波光１６が状態Ｓ２に示すように発生する。このようなブランク時間ＴＢを生じないようにするためには、励起用レーザ光源１１を、図１（ｂ）に示すようにパルス変調信号の立ち上がり部分の信号強度Ｉ１が、パルス変調信号の平均信号強度Ｉａｖｅより高い信号強度で駆動すればよい。すなわち、励起用レーザ光源１１を図１（ｂ）に示すようなパルス変調信号の電流で変調する。そうすると、立ち上がり部分の信号強度Ｉ１が、平均信号強度Ｉａｖｅより高いので、レーザ媒質１２の内部温度が速く上昇し、その結果、高調波光１６が出力されるまでのブランク時間ＴＢを少なくすることができる。
【００６３】
図５に示す波長変換装置２０の励起用レーザ光源１１を図１（ｂ）に示すパルス変調信号で電流駆動する構成により、波長変換装置２０は、パルス変調時に高調波光の立ち上がりが急峻でないという課題を解消でき、画像表示装置に使用したときに、ブランク時間ＴＢを低減できる。これにより、高輝度かつ高画質の画像が表示でき、小型化および低コスト化に適した高効率の波長変換装置２０を実現できる。
【００６４】
（実施の形態３）
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、本発明の実施の形態３にかかる波長変換装置２０（図５）の、パルス変調信号の立ち上がり部分の信号強度Ｉ１が、平均信号強度Ｉａｖｅより高い電流波形で励起用レーザ光源１１を駆動したときの励起光出力波形と高調波光出力波形を示す図で、図７（ａ）、図７（ｃ）は高調波光出力波形を示す図、図７（ｂ）、図７（ｄ）は励起光出力波形を示す図である。図７（ｅ）は図７（ｄ）に示される励起光を出力するためのパルス変調信号を示す図である。図７（ｆ）はパルス変調信号の別の例を示す図である。
【００６５】
励起光出力波形を矩形波にした際に、図７（ａ）に示す破線のように、高調波光出力波形にブランク時間が存在する場合、図７（ｂ）に示す励起光１１ａのように、レーザ媒質１２を励起すると、図７（ａ）に実線で示されるように、従来のブランク時間が解消する。また、励起光出力波形を矩形波にした際に、図７（ｃ）に示す破線のように、高調波光出力波形の立ち上がりが急峻でない場合、図７（ｄ）に示す励起光１１ａのように、レーザ媒質１２を励起すると、図７（ｃ）に実線で示されるように、高調波光出力波形の立ち上がりが急峻になる。
【００６６】
駆動部１５（図５）が、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号を生成して励起用レーザ光源１１（図５）を駆動すると、図７（ｂ）に示される励起光１１ａが出力される。また、駆動部１５が、図７（ｅ）に示されるパルス変調信号を生成して励起用レーザ光源１１を駆動すると、図７（ｄ）に示される励起光１１ａが出力される。図７（ｅ）に示されるパルス変調信号は、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号と同様に、初期区間Ｐ１および残余区間Ｐ２を有する。しかし、図７（ｅ）に示されるパルス変調信号は、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号と異なり、初期区間Ｐ１の波形が三角波になっている。すなわち、立ち上がり時点の信号強度Ｉｐが最大で、その後、直線状に信号強度Ｉ２まで低下している。また、図７（ｅ）に示されるパルス変調信号では、初期区間Ｐ１の平均信号強度Ｉ１は、
Ｉ１＝（Ｉｐ＋Ｉ２）／２
となる。したがって、初期区間Ｐ１の平均信号強度Ｉ１は、図１（ｂ）に示されるパルス変調信号と同様に、残余区間Ｐ２の平均信号強度Ｉ２より大きくなっている。また、図７（ｅ）に示されるパルス変調信号についても、上記式（１）および式（２）を適用することができる。
【００６７】
さらに、図７（ｂ）および図７（ｄ）に示す励起光１１ａにＣＷ（連続波）光を重畳するように励起用レーザ光源１１を駆動してもよい。すなわち、駆動部１５が励起用レーザ光源１１をパルス変調駆動する場合に、図７（ｆ）に示されるように、駆動部１５は、パルス変調信号にＤＣ（直流）信号が重畳された信号を生成して励起用レーザ光源１１を駆動するようにしてもよい。このとき、ＤＣ信号の信号強度Ｉｄｃは基本波光１２ａが発振するしきい値を超えない信号強度に設定しておけばよい。
【００６８】
この構成により、重畳したＤＣ信号によりレーザ媒質１２内の光軸１３ｃに垂直な面内に温度分布を形成して、さらにブランク時間を低減できる。これにより、高輝度かつ高画質の画像が表示でき、小型化および低コスト化に適した高効率の波長変換装置２０を実現できる。なお、駆動部１５は、図７（ｅ）に示されるパルス変調信号にＤＣ信号を重畳した信号を生成してもよい。
【００６９】
（実施の形態４）
図８（ａ）は、本発明の実施の形態４にかかる波長変換装置２５を示す図、図８（ｂ）は、駆動部１５が生成するパルス変調信号を示す図、図８（ｃ）、図８（ｄ）は、集光レンズ１１ｃの曲率および励起光１１ａのビーム径を示す図である。本発明の実施の形態４にかかる波長変換装置２５は、集光レンズ１１ｃとして液体レンズを用いる構成で、駆動部１５と集光レンズ１１ｃとが配線１１ｅで接続されている。その他の構成は、図５に示される波長変換装置２０と同様である。液体レンズは液体部に印加される電圧に応じて、凹凸の形状が変化するレンズである。集光レンズ１１ｃの作用をもつ液体レンズの凹凸を変化させれば、レーザ媒質１２に入射する励起光１１ａのビーム径を高速に変化させることができる。これによって、例えば、駆動部１５が図８（ｂ）に示されるパルス変調信号により励起用レーザ光源１１をパルス変調駆動する場合に、レーザ媒質１２に入射する励起光１１ａのビーム径は、パルス変調信号の立ち上がり部分が入射する時には励起光１１ａの平均ビーム径より小さくなるよう、液体レンズの曲率を大きくし、パルス変調信号の立ち下がり部分が入射する時には励起光１１ａの平均ビーム径より大きくなるよう、液体レンズの曲率を小さくする。
【００７０】
すなわち、駆動部１５は、初期区間Ｐ１では、図８（ｃ）に示されるように、液体レンズ１１ｃの曲率を第１曲率値ｘ１に設定する。これによって、励起光１１ａが直径ｄ１のビームに形成される。また、駆動部１５は、残余区間Ｐ２では、図８（ｄ）に示されるように、液体レンズ１１ｃの曲率を第１曲率値ｘ１より小さい第２曲率値ｘ２に設定する。これによって、励起光１１ａが直径ｄ２のビームに形成される。ｘ１＞ｘ２であるので、ｄ１＜ｄ２になる。つまり、励起光１１ａは、残余区間Ｐ２に比べて初期区間Ｐ１の方が、より収束されたビームに形成されている。したがって、初期区間Ｐ１において、励起光１１ａの入射位置におけるレーザ媒質１２の温度上昇を、より急峻にすることができる。
【００７１】
この構成により、パルス変調信号の立ち上がり部分で素早く所望の温度分布を形成することができるので、さらにブランク時間を低減できる。これにより、高輝度かつ高画質の画像が表示でき、小型化および低コスト化に適した高効率の波長変換装置２５を実現できる。
【００７２】
（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５にかかる画像表示装置３０の概略構成を示す平面図である。図９に示すように、本実施の形態５の画像表示装置３０は、空間変調素子３１と、この空間変調素子３１を一方の主面３２から照明する照明装置３３と、を備えた画像表示装置３０である。この照明装置３３の光源は、複数のレーザ光源３４を含んで構成され、レーザ光源３４は、少なくとも赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光をそれぞれ出射するレーザ光源３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂを用いた構成からなる。そして、レーザ光源３４のうち、少なくとも緑色レーザ光を出射するレーザ光源が、実施の形態１〜４で説明された波長変換装置１０、２０、２５のいずれかの波長変換装置を含む固体レーザ光源３４Ｓを用いた構成としている。
【００７３】
この構成により、後述するように高輝度かつ高画質の画像が表示できる画像表示装置３０を実現できる。
【００７４】
次に本実施の形態５の画像表示装置３０の光学的な動作について説明する。図９に示すように、画像表示装置３０の照明装置３３は、複数のレーザ光源３４を含んで構成されている。照明装置３３は、赤色レーザ光（以下、「Ｒ光」とする）３４ｒを出射する赤色レーザ光源（以下、「Ｒ光源」とする）３４Ｒ、緑色レーザ光（以下、「Ｇ光」とする）３４ｇを出射する緑色レーザ光源（以下、「Ｇ光源」とする）３４Ｇおよび青色レーザ光（以下、「Ｂ光」とする）３４ｂを出射する青色レーザ光源（以下、「Ｂ光源」とする）３４Ｂを少なくとも含んでいる。ここで、Ｇ光源３４Ｇは、実施の形態１〜４で説明された波長変換装置１０、２０、２５のいずれかの波長変換装置を含む固体レーザ光源３４Ｓであり、図９に示されるように、駆動部１５を含む。制御部４０は、例えば外部から入力される画像信号に基づき空間変調素子３１に駆動信号を供給して、フィールドシーケンシャル方式（後述）により空間変調素子３１を駆動する。また、制御部４０は、空間変調素子３１に供給する駆動信号に同期して、Ｒ光源３４Ｒ、固体レーザ光源３４Ｓ（Ｇ光源３４Ｇ）およびＢ光源３４Ｂを順に発光させる。
【００７５】
複数のレーザ光源３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂからそれぞれ出射されるＲ光３４ｒ、Ｇ光３４ｇ、Ｂ光３４ｂは、コリメータ３３ａにより平行光に変換されて、２つのダイクロイックミラー３３ｂ、３３ｃにより１本の光束３３ｄとして、照明装置３３から出力される。
【００７６】
光束３３ｄは、拡散板３５により混合され、かつ、拡大されたレーザ光３６に変換されてフィールドレンズ３７により偏光ビームスプリッタ３８に入射する。そして、偏光ビームスプリッタ３８の反射面３８ａで反射されて空間変調素子３１の一方の主面３２に照射される。レーザ光３６は、空間変調素子３１で画像信号により変調を受けた後に再び偏光ビームスプリッタ３８を通過して投射レンズ３９によりスクリーン（図示せず）などに投射される。
【００７７】
このような構成により、高輝度かつ高画質の画像が表示できる画像表示装置３０を実現できる。
【００７８】
ここで、空間変調素子３１は、反射型液晶表示パネルである構成としてもよい。この構成により、光利用効率が高く、低消費電力の画像表示装置３０を実現することができる。なお、空間変調素子３１にＤＭＤ（米テキサスインスツルメンツの商標）や透過型の液晶パネルを用いて画像表示装置３０を構成しても、同様に光利用効率が高く、低消費電力の動作を実現することができる。
【００７９】
図１０は、本発明の実施の形態５にかかる画像表示装置３０がフィールドシーケンシャル方式により変調されるときのレーザ光と画像駆動信号とのタイミングを示す図で、図１０（ａ）は、レーザ光の発光のタイミングを示す図、図１０（ｂ）は、空間変調素子３１の各画像の駆動信号のタイミングを示す図である。
【００８０】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、通常のフィールドシーケンシャル方式の変調に従い、制御部４０によって、Ｒ光３４ｒ、Ｇ光３４ｇおよびＢ光３４ｂの立ち上がりは、それぞれ空間変調素子３１のＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像の駆動信号の立ち上がりに同期して駆動されている。しかしながら、このような場合には、１パルス内の光出力が変動すると画像の色調の階調の正確な制御が難しくなることがある。
【００８１】
図１１は、本発明の実施の形態５にかかる画像表示装置３０において、光出力波形を示す図で、図１１（ａ）はＧ光源３４Ｇの高調波光出力の時間波形を示す図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示される高調波光出力のための励起光出力の時間波形を示す図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）に示される高調波光出力の大きさを均等に分けた例を示す図である。
【００８２】
図１１（ｂ）に示すように、励起光出力の立ち上がりが急峻であっても、基本波光が発生するレーザ媒質の温度が上昇し、熱レンズ効果が発生して基本波光の出力が所定の大きさまでに増大するのに時間がかかる。これにより、図１１（ａ）に示すように、高調波光の出力の立ち上がりが急峻でなく、傾くことがある。Ｇ光３４ｇは立ち上がるまで少し時間がかかるので、このような場合には、通常の画像表示装置の色調の階調制御が困難となることがある。
【００８３】
なぜならば、図１１（ｃ）に示すように、高調波光出力の大きさを均等に分けても、分割した部分のそれぞれのパワーが異なるからである。すなわち、高調波光の最大出力Ｐを３等分してＰ／３、２Ｐ／３としても、高調波光の強度が３等分されない。したがって、例えば最大階調値の１／３階調を表示しようとして空間変調素子３１により単純に１／３に変調しても、１／３階調が実現されない。そのため、色調の階調制御をするには、高調波光の出力の立ち上がり時の傾きを、十分考慮することが必要となってしまう。
【００８４】
図１２は、本発明の実施の形態１で示したパルス変調信号の立ち上がり部分の信号強度が、平均信号強度より高い電流波形で励起用レーザ光源を駆動したときの励起光出力波形と高調波光出力波形を示す図で、図１２（ａ）は、高調波光出力波形を示す図、図１２（ｂ）は励起光出力波形を示す図である。
【００８５】
図１２（ｂ）に示すように、パルス変調信号の立ち上がり部分の信号強度が、平均信号強度より高い電流波形（つまり、図１（ｂ）に示されるように、初期区間Ｐ１の平均信号強度Ｉ１が残余区間Ｐ２の平均信号強度Ｉ２より高い電流波形）で励起用レーザ光源１１を駆動するとレーザ媒質１２において、温度上昇が早期に起こり、熱レンズ効果が早く顕著に現れる。そうすると図１２（ａ）に示すように、高調波光の出力波形が急峻に立ち上がる。なお、図１２（ａ）、図１２（ｂ）において、通常の矩形波形による駆動方式とそれによる高調波光の立ち上がりを比較のために破線で示している。
【００８６】
また、以下に説明されるように、制御部４０は、空間変調素子３１の駆動信号と固体レーザ光源３４Ｓの駆動信号とを同期して駆動し、駆動部１５を制御して通常の矩形波形により固体レーザ光源３４Ｓの励起用レーザ光源１１を駆動し、固体レーザ光源３４Ｓの励起用レーザ光源１１の立ち上がりが、空間変調素子３１の駆動信号の立ち上がりよりも早くなるように制御する構成としてもよい。
【００８７】
図１３は、空間変調素子３１と固体レーザ光源３４Ｓとの駆動信号並びに高調波光出力の時間的な関係を示す図で、図１３（ａ）は高調波光出力の時間波形を示す図、図１３（ｂ）は励起光出力の時間波形を示す図、図１３（ｃ）は空間変調素子３１の駆動信号の時間波形を示す図である。
【００８８】
図１３（ａ）から図１３（ｃ）に示すように、空間変調素子３１の駆動信号と固体レーザ光源３４Ｓの駆動信号の時間波形の周期は同期しており、固体レーザ光源３４Ｓの立ち上がりが、空間変調素子３１の駆動信号の立ち上がりよりも早い。すなわち、制御部４０は、固体レーザ光源３４Ｓの駆動部１５に駆動開始の制御信号を出力した後、空間変調素子３１に駆動信号を出力する。したがって、空間変調素子３１の駆動信号が立ち上がるときには、励起光１１ａの出力により加熱されたレーザ媒質１２においては、熱レンズ効果が十分に生じているので、高調波光出力も立ち上がっている。その結果、固体レーザ光源３４Ｓは、Ｇ光源３４ＧとしてＧ光３４ｇを出力し、空間変調素子３１において、その駆動信号に対応して変調されるので、階調制御が容易となる。
【００８９】
この構成により、明るい画面と階調制御に優れた高画質な画像を表示できる画像表示装置３０を実現できる。
【００９０】
また、制御部４０は、空間変調素子３１を１８０Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以下の周波数で駆動する構成としてもよい。通常、人の眼に対しては１８０Ｈｚ以上で画面のちらつきが感じられなくなり、３６０Ｈｚ以上でカラーブレーキングが気にならなくなる。なお、１０００Ｈｚよりも早い変調では、信号処理が煩雑となり、この様な早い変調は不要である。
【００９１】
この構成により、画面のちらつきがなく、カラーブレーキングが気にならない高画質の画像表示装置３０を実現できる。
【００９２】
（実施の形態６）
図１４は、本発明の実施の形態６にかかる画像表示装置３０がフィールドシーケンシャル方式により変調されるときのレーザ光と画像駆動信号とのタイミングを示す図で、図１４（ａ）は、励起光を含むレーザ光の発光のタイミングを示す図、図１４（ｂ）は、空間変調素子の各画像の駆動信号のタイミングを示す図である。励起光出力の立ち上がりのタイミングを空間変調素子３１の駆動信号の立ち上がりのタイミングより少し早くすることにより、Ｇ光３４ｇの光出力の光パルスとフィールドシーケンシャル方式における空間変調素子３１の駆動信号の立ち上がり時間を略同時とすることにより、階調制御を容易としている。
【００９３】
図１４（ｂ）に示されるように、空間変調素子３１の各色画像に対応する駆動信号の間には、空間変調素子３１を駆動しないブラック期間Ｔ０が設けられている。そこで、制御部４０は、空間変調素子３１のＲ画像に対応する駆動信号の立ち下がりと同時に、駆動部１５に駆動開始の制御信号を出力する。この制御部４０によって、励起光出力の立ち上がりのタイミングを空間変調素子３１のＧ画像に対応する駆動信号の立ち上がりのタイミングよりブラック期間Ｔ０だけ早くすることができる。その結果、空間変調素子３１のＧ画像に対応する駆動信号の立ち上がり時点において、Ｇ光３４ｇの光出力が十分に高いレベルに達していることとなる。
【００９４】
なお、図１４（ａ）および図１４（ｂ）では、空間変調素子３１のＲ画像に対応する駆動信号の立ち下がりと同時に、励起光出力を立ち上げているが、これに限られない。制御部４０は、空間変調素子３１のＲ画像に対応する駆動信号の立ち下がりより所定時間だけ早く、駆動部１５に駆動開始の制御信号を出力するようにしてもよい。この場合でも、駆動開始当初はＧ光の出力が小さいため、Ｒ画像に悪影響を及ぼすことはない。上記所定時間は、Ｒ画像に悪影響を及ぼすことがない範囲の上限値に設定すればよい。この制御部４０によって、励起光出力の立ち上がりのタイミングを空間変調素子３１のＧ画像に対応する駆動信号の立ち上がりのタイミングより可能な限り早くすることができる。その結果、空間変調素子３１のＧ画像に対応する駆動信号の立ち上がり時点において、Ｇ光３４ｇの光出力をより高いレベルにすることができる。
【００９５】
また、図１４（ａ）では、励起光の出力波形を矩形波形状としているが、これに限られない。励起光の出力波形を、例えば図７（ｂ）、図７（ｄ）に示されるように、立ち上がりを含む初期区間の強度が残余区間の強度より高い波形としてもよい。この場合には、より一層確実に、Ｇ光３４ｇの光出力の立ち上がりを急峻にすることができる。
【００９６】
また、図９に示されるように、画像表示装置３０は、投射レンズ３９の外側の端部にレーザ光３６を検出する光検出器３９ａをさらに備えるようにしてもよい。そして、制御部４０は、空間変調素子３１の駆動信号の立ち上がりのタイミングと、固体レーザ光源３４Ｓの励起用レーザ光源１１の立ち上がりのタイミングとの関係を、光検出器３９ａの検出結果により時間的に変化するように制御する構成としてもよい。
【００９７】
この構成により、以下に述べる理由によって、より低消費電力で、かつ階調制御が容易な画像表示装置３０が実現できる。画像表示装置３０を使用するユーザは、画像表示装置３０を使用する環境に応じて、画像表示装置３０の輝度を変化させる場合がある。明るい場所では、画像の視認性を向上させるために画像表示装置３０の輝度をより高くし、反対に暗い場所では、画像表示装置３０の輝度を低くして、低消費電力にする場合がある。また、近年シーンコントロールと呼ばれる、画像表示装置３０が表示する画像の明るさに応じて、光源の出力を変化させる制御技術もある。シーンコントロールを利用すれば、暗い画像の時は光源の消費電力を小さくできるので、低消費電力の画像表示装置３０が実現できる。
【００９８】
これらの場合において、画像表示装置３０の輝度を低くする場合、Ｒ光源３４Ｒ、Ｇ光源３４Ｇ、及びＢ光源３４Ｂの出力を低下させる。このとき、Ｇ光源３４Ｇの出力を低下させるために、固体レーザ光源３４Ｓの励起用レーザ光源１１の出力は小さくなる。励起用レーザ光源１１の出力が小さくなれば、固体レーザ光源３４Ｓのレーザ媒質１２は、熱レンズ効果が小さくなり、高調波光の出力の立ち上がりが遅れる。画像表示装置３０の制御部４０は、光検出器３９ａによって検出された高調波の光出力の立ち上がりが、空間変調素子３１の駆動信号の立ち上がりに対して遅れているか否かを判定し、遅れていると判定すると、駆動部１５を制御して、高調波の立ち上がりの遅れの時間だけ、励起用レーザ光源１１の出力の立ち上がり時間を早める。そうすることによって、Ｇ光３４ｇの光出力の光パルスとフィールドシーケンシャル方式における空間変調素子３１の駆動信号の立ち上がり時間が略同時になり、低消費電力で、かつ階調制御の容易な画像表示装置３０が実現できる。
【００９９】
以上、本発明の実施の形態について例を上げて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、様々な変形ができることは言うまでもない。
【０１００】
なお、励起用レーザ光源１１は８０８ｎｍの波長の光を発するレーザ光源に限定されることはない。レーザ媒質１２及びレーザ媒質１２に含まれる添加物が効率よく光を吸収する波長の光を発するレーザ光源でもよい。
【０１０１】
さらに、励起用光源は励起用レーザ光源１１に限定されることなく、レーザ媒質１２及びレーザ媒質１２に含まれる添加物が効率よく光を吸収する波長を発する発光ダイオードや、ランプ等の光源でもよい。
【０１０２】
なお、レーザ媒質１２への添加物はＮｄに限定されることはなく、ＹｂやＰｒ等でもよい。
【０１０３】
なお、波長変換素子１４により発生される光の波長も５３２ｎｍに限定されることはない。レーザ媒質１２やレーザ媒質１２の添加物及び波長変換素子１４を適切なものとして、所望の波長を得ればよい。
【０１０４】
また、必要に応じて、レーザ共振器内に、波長を選択するための素子、偏光を選択するための素子、パルスを生成するための素子を設けても構わない。
【０１０５】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。すなわち、本発明の一局面に従う波長変換装置は、励起光を発生する励起用光源と、前記励起光により基本波光を発生するレーザ媒質と、前記レーザ媒質を挟んで配置されて、前記基本波光を共振させる２つの共振器ミラーと、前記２つの共振器ミラーの間に配置されて前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、パルス変調信号を生成して前記励起用光源をパルス駆動する駆動部と、を備え、前記レーザ媒質は、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなり、前記駆動部により生成される前記パルス変調信号は、パルスの立ち上がりを含む初期区間と前記初期区間に続く残余区間とを有し、前記初期区間の平均信号強度が前記残余区間の平均信号強度よりも高い。
【０１０６】
この構成によれば、励起用光源は、励起光を発生する。レーザ媒質は、励起光により基本波光を発生する。２つの共振器ミラーは、レーザ媒質を挟んで配置されて、基本波光を共振させる。波長変換素子は、２つの共振器ミラーの間に配置されて基本波光を高調波光に波長変換する。駆動部は、パルス変調信号を生成して励起用光源をパルス駆動する。レーザ媒質は、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなる。駆動部により生成されるパルス変調信号は、パルスの立ち上がりを含む初期区間と初期区間に続く残余区間とを有し、初期区間の平均信号強度が残余区間の平均信号強度よりも高い。
【０１０７】
したがって、パルス変調信号の初期区間のレーザ媒質に入射する励起光のパワーは、残余区間の励起光のパワーよりも大きい。そのため、パルス変調信号の初期区間のレーザ媒質の発熱量は、残余区間の発熱量に比べて大きくなる。駆動部は、励起用光源をパルス駆動するため、レーザ媒質の温度は、パルス変調信号が入力される直前に、最も低下しており、パルス変調信号が入力されると次第に上昇して一定になる。本構成では、パルス変調信号の初期区間のレーザ媒質の発熱量が、残余区間の発熱量よりも大きいため、パルス変調信号の初期区間において、レーザ媒質の温度を急峻に上昇させることが可能となる。レーザ媒質の温度を急峻に上昇できるため、パルス変調信号の初期区間に、レーザ媒質の、基本波光の光軸に垂直な方向における光軸近傍と光軸から離れた位置との温度差を、パルス変調信号の初期区間の平均信号強度が残余区間の平均信号強度と同じ場合に比べて、より大きくすることができる。レーザ媒質は、熱光学効果を有するため、基本波光の光軸に垂直な方向に温度差が生じると、基本波光の光軸に垂直な方向に屈折率差が生じて、レーザ媒質は熱レンズ効果を有することになる。本構成においては、レーザ媒質は、熱光学定数が正である材料からなるため、レーザ媒質の基本波光の光軸に垂直な方向に温度差を有する温度分布が形成されると、レーザ媒質の熱レンズ効果は、基本波光に対して凸レンズの効果となる。本構成は、パルス変調信号の初期区間に、基本波光に対するレーザ媒質の凸レンズ効果を、パルス変調信号の初期区間の平均信号強度が残余区間の平均信号強度と同じ場合に比べて、より大きくすることができる。
【０１０８】
したがって、パルス変調信号の立ち上がり時点から、基本波光に対して大きい凸レンズ効果を得ることができる。その結果、立ち上がり時点から基本波光がレーザ媒質内で好適に収束されるため、２つの共振器ミラーは、基本波光を立ち上がり時点から安定して共振させることができる。したがって、波長変換素子は、パルス変調信号の立ち上がり時点から基本波光を高調波光に波長変換することができる。上述した理由によって、波長変換装置は、変調時の立ち上がり時間の課題、つまりパルス駆動時に高調波光の立ち上がりが急峻でないという課題を解消でき、画像表示装置に使用したときに、パルス駆動の立ち上がりにおけるブランク時間を低減できる。これにより、高輝度かつ高画質の画像が表示でき、小型化および低コスト化に適した高効率の波長変換装置を実現できる。
【０１０９】
上記の波長変換装置において、前記２つの共振器ミラーの平行度をθ（分）、前記パルス変調信号の前記初期区間におけるエネルギーをＥ（ジュール）としたとき、前記駆動部は、３．３３θ＋１＜Ｅ＜３．７８θ＋３を満たすパルス変調信号を生成する構成としてもよい。
【０１１０】
一般に、パルス変調信号の立ち上がり時に必要な励起光の強度は、２つの共振器ミラーの平行度によって変化する。なぜなら、２つの共振器ミラーの平行度が高い場合は、基本波光が好適に共振するため、レーザ媒質の熱光学効果による熱レンズ効果が小さくても、急峻に高調波光の強度は立ち上がるが、平行度が低い場合は、基本波光が好適に共振しないため、高調波光の強度は急峻に立ち上がらないからである。しかし、この構成によれば、２つの共振器ミラーの平行度をθ（分）、パルス変調信号における初期区間のエネルギーをＥ（ジュール）としたとき、駆動部は、３．３３θ＋１＜Ｅ＜３．７８θ＋３を満たすパルス変調信号を生成する。したがって、２つの共振器ミラーの平行度に応じて、必要な励起光の強度を得ることが可能になっているため、高調波光の強度を急峻に立ち上がらせることができる。
【０１１１】
上記の波長変換装置において、前記レーザ媒質は、軸が前記励起光の入射方向に平行な円柱状に形成されている構成としてもよい。
【０１１２】
この構成によれば、レーザ媒質は軸が励起光の入射方向に平行な円柱状に形成されているため、励起光の入射によりレーザ媒質で発生した熱を励起光の光軸に対して軸対称に逃がすことができる。そのため、軸対称に温度分布を形成することができ、熱光学効果によって発生した屈折率変化の分布を軸対称にすることができる。屈折率変化の分布が軸対称であれば、屈折率の分布が軸対称でない場合に比べて、熱光学効果による熱レンズ効果が励起光の光軸に対して歪むのをより防ぐことができ、２つの共振器ミラーで共振される基本波光のビーム形状が歪むことをより防ぐことができる。基本波光のビーム形状の歪みを抑えることで、高調波光を高効率で得ることができる。
【０１１３】
上記の波長変換装置において、円柱状の中空部を有し、前記レーザ媒質を前記中空部に収容して保持する保持部をさらに備える構成としてもよい。
【０１１４】
この構成によれば、円柱状の中空部を有し、レーザ媒質を中空部に収容して保持する保持部を備えているため、レーザ媒質で発生した熱を保持部に向けて励起光の光軸に対して確実に軸対称に逃がすことができる。
【０１１５】
上記の波長変換装置において、前記レーザ媒質の直径は、前記レーザ媒質に入射する前記励起光の直径の２倍以上かつ５倍以下である構成としてもよい。
【０１１６】
レーザ媒質の直径が入射する励起光の直径よりも小さい場合には、レーザ媒質の入射面において励起光のけられが発生して効率を低下させてしまう。しかしながら、この構成によれば、レーザ媒質の直径が励起光の直径の２倍以上であるため、レーザ媒質の入射面における励起光のけられをなくすことができる。さらに、レーザ媒質の直径が励起光の直径の５倍以下であるため、励起光吸収により発熱しているレーザ媒質と保持部との熱抵抗を小さくすることができる。したがって、レーザ媒質全体の温度上昇を抑えることができる。その結果、レーザ媒質全体の温度上昇による、励起光から基本波光への変換効率低下を抑えることができる。
【０１１７】
また、上記の波長変換装置において、前記駆動部は、前記レーザ媒質が前記基本波光を発生するしきい値を超えない信号強度の直流信号を前記パルス変調信号に重畳した信号を生成する構成としてもよい。
【０１１８】
この構成により、駆動部は、レーザ媒質が基本波光を発生するしきい値を超えない信号強度の直流信号をパルス変調信号に重畳した信号を生成する。したがって、重畳した直流信号により発生する励起光によってレーザ媒質を定常的に発熱させることができる。その結果、レーザ媒質内の励起光の光軸に垂直な面内に温度差を有する温度分布を定常的に形成することができ、ブランク時間をさらに低減して高調波光の立ち上がりを一層早くすることができる。これにより、高輝度かつ高画質の画像が表示でき、小型化および低コスト化に適した高効率の波長変換装置を実現できる。
【０１１９】
また、上記の波長変換装置において、前記励起用光源と前記レーザ媒質との間に配置され、曲率が変更可能な可変レンズをさらに備え、前記駆動部は、前記可変レンズを駆動して、前記パルス変調信号の前記初期区間では前記可変レンズの曲率を第１曲率値に設定し、前記パルス変調信号の前記残余区間では前記可変レンズの曲率を前記第１曲率値より小さい第２曲率値に設定する構成としてもよい。
【０１２０】
この構成により、駆動部は、励起用光源とレーザ媒質との間に配置され、曲率が変更可能な可変レンズを駆動する。駆動部は、パルス変調信号の初期区間では可変レンズの曲率を第１曲率値に設定し、パルス変調信号の残余区間では可変レンズの曲率を第１曲率値より小さい第２曲率値に設定する。したがって、第１曲率値は第２曲率値より大きいため、レーザ媒質に入射する励起光の直径は、パルス変調信号の残余区間よりも初期区間の方が小さくなる。このため、残余区間に比べて初期区間の方が励起光がより収束されていることから、パルス変調信号の初期区間で素早く所望の温度差を有する温度分布をレーザ媒質に形成することができるので、ブランク時間をさらに低減して、高調波光の立ち上がりをより早くすることができる。これにより、高輝度かつ高画質の画像が表示でき、小型化および低コスト化に適した高効率の波長変換装置を実現できる。
【０１２１】
また、上記の波長変換装置において、２つの共振器ミラーのうち、一方の共振器ミラーは、レーザ媒質の端面で構成され、他方の共振器ミラーは、波長変換素子の端面で構成されてもよい。
【０１２２】
この構成により、新たに共振器ミラーを配置しなくてよいので、コンパクトな波長変換装置が実現できる。
【０１２３】
また、上記の波長変換装置において、前記レーザ媒質と前記波長変換素子とが、前記基本波光の光軸に沿って隣接して配置され、または接合されている構成としてもよい。
【０１２４】
この構成により、レーザ媒質と波長変換素子とを基本波光の光軸方向に配置する長さを低減することができ、さらにコンパクトな波長変換装置が実現できる。また、２つの共振器ミラーを調整する必要がないので、低コストの波長変換装置を実現できる。
【０１２５】
また、上記の波長変換装置において、前記励起用レーザ光源の外部または内部に、波長選択部をさらに備えた構成としてもよい。
【０１２６】
この構成により、励起光の温度変化による波長変化を低減でき、安定した高調波光の出力を得ることができる。また、ブランク時間が温度の影響を受けて増大することがなく、低減されて保持できるので、さらに出力が安定した波長変換装置が実現できる。
【０１２７】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子から出る前記基本波光を受光する基本波光検出器をさらに備え、前記駆動部は、前記基本波光検出器により受光された前記基本波光の出力波形に応じて前記励起用光源の変調の強さを変える構成としてもよい。
【０１２８】
この構成により、駆動部は、波長変換素子から出る基本波光の出力波形に応じて励起用光源の変調の強さを変えているため、励起用光源の個体差による特性の差を解消するようにパルス変調信号を生成することによって、高調波光の出力を安定させることができる。
【０１２９】
また、上記の波長変換装置において、前記駆動部により生成される前記パルス変調信号は、立ち上がり時点の信号強度が最大である構成としてもよい。
【０１３０】
この構成により、駆動部により生成されるパルス変調信号は、立ち上がり時点の信号強度が最大であるため、高調波光の立ち上がりをより確実に早くすることができる。
【０１３１】
本発明の他の局面に従う画像表示装置は、入射光を空間的に変調する空間変調素子と、前記空間変調素子を一方の主面側から照明する光を出射するレーザ光源を有する照明部と、を備え、前記照明部は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源および青色レーザ光を出射する青色レーザ光源を含んで構成され、前記緑色レーザ光源は、上記の波長変換装置を含む固体レーザ光源で構成されている。
【０１３２】
この構成により、パルス駆動時の高調波光の立ち上がりにおけるブランク時間を低減できる波長変換装置を用いているため、高輝度かつ高画質の画像が表示できる画像表示装置を実現できる。
【０１３３】
また、上記の画像表示装置において、入力される画像信号に基づき前記空間変調素子に駆動信号を供給して前記空間変調素子をフィールドシーケンシャル方式により駆動し、かつ、前記空間変調素子に供給する駆動信号に同期して前記赤色、緑色および青色レーザ光源を順に発光させる制御部をさらに備え、前記制御部は、前記固体レーザ光源の前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを前記空間変調素子に供給する駆動信号の立ち上がりよりも早くする構成としてもよい。
【０１３４】
この構成により、固体レーザ光源の励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを空間変調素子に供給する駆動信号の立ち上がりよりも早くしているため、パルス駆動時の高調波光の立ち上がりにおけるブランク時間をさらに低減することができる。したがって、より一層、明るい画面と階調制御に優れた高画質な画像を表示できる画像表示装置を実現できる。
【０１３５】
本発明の他の局面に従う画像表示装置は、入射光を空間的に変調する空間変調素子と、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源および青色レーザ光を出射する青色レーザ光源を有し、前記空間変調素子を一方の主面側から照明する照明部と、入力される画像信号に基づき前記空間変調素子に駆動信号を供給して前記空間変調素子をフィールドシーケンシャル方式により駆動し、かつ、前記空間変調素子に供給する駆動信号に同期して前記赤色、緑色および青色レーザ光源を順に発光させる制御部と、を備え、前記緑色レーザ光源は、波長変換装置を含む固体レーザ光源で構成され、前記波長変換装置は、励起光を発生する励起用光源と、熱光学効果を有し熱光学定数が正である材料からなり、前記励起光により基本波光を発生するレーザ媒質と、前記レーザ媒質を挟んで配置されて、前記基本波光を共振させる２つの共振器ミラーと、前記２つの共振器ミラーの間に配置されて前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、前記励起用光源をパルス駆動する駆動部と、を含み、前記制御部は、前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを前記空間変調素子に供給する駆動信号の立ち上がりよりも早くする。
【０１３６】
この構成により、励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを前記空間変調素子に供給する駆動信号の立ち上がりよりも早くしているため、パルス駆動時の高調波光の立ち上がりにおけるブランク時間を低減することができる。したがって、明るい画面と階調制御に優れた高画質な画像を表示できる画像表示装置を実現できる。
【０１３７】
また、上記の画像表示装置において、前記制御部は、前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを、フィールドシーケンシャル方式により駆動している前記空間変調素子に供給する１つ前の駆動信号の立ち下がりと同時とする構成としてもよい。
【０１３８】
この構成により、制御部は、励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを、フィールドシーケンシャル方式により駆動している空間変調素子に供給する１つ前の駆動信号の立ち下がりと同時としているため、空間変調素子による他の色のレーザ光の変調に悪影響を及ぼすことなく、高調波光の立ち上がりを早くすることができる。
【０１３９】
また、制御部は、空間変調素子を１８０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下の周波数で駆動する構成としてもよい。
【０１４０】
この構成により、画面のちらつきがなく、カラーブレーキングが気にならない高画質の画像表示装置を実現できる。
【０１４１】
また、前記空間変調素子により空間的に変調された前記高調波光を検出する高調波光検出器をさらに備え、前記制御部は、前記高調波光検出器により検出された前記高調波光の立ち上がりが前記空間変調素子の駆動信号の立ち上がりより遅れているか否かを判定し、遅れていると判定すると、前記励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを早める構成としてもよい。
【０１４２】
この構成により、高調波光検出器により検出された高調波光の立ち上がりが空間変調素子の駆動信号の立ち上がりより遅れていると判定すると、励起用光源のパルス駆動の立ち上がりを早めるため、パルス駆動時の高調波光の立ち上がりにおけるブランク時間を確実に解消することができる。
【０１４３】
また、空間変調素子は、反射型液晶表示パネルである構成としてもよい。
【０１４４】
この構成により、光利用効率が高く、低消費電力の画像表示装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明の波長変換装置は、変調時の立ち上がり時間の課題、つまりパルス駆動時に高調波光の立ち上がりが急峻でないという課題を解消でき、画像表示装置に使用したときに、ブランク時間を低減できるので、安定した高調波光を出力しコンパクトな装置とすることができ、有用である。また、この波長変換装置を用いると、高輝度かつ高画質の画像が表示できる画像表示装置を実現でき、有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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