(57)【要約】【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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【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制御の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。
【発明の詳細な説明】
【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。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を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、所望の波長の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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１０１４１６号公報
【特許文献２】特開２００８−１６４９００号公報
【発明の概要】
【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の温度変動に対してＳＨＧ出力パワーの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や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が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】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【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を導出しておく。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にして消費電力を下げ、黒色は原理的により黒くすることが出来る。また入力信号の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も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点間を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。
【産業上の利用可能性】
【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。
【符号の説明】
【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
１３  ＳＨＧ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
【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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