(57)【要約】【課題】半導体レーザを駆動して発振させる場合に、半導体レーザの立ち上がり直後から安定した発光強度が得られるようにする。【解決手段】被照射物に照射されるレーザ光を出射する半導体レーザ１４０８と、半導体レーザに熱的に結合されたペルチェ素子１４０７と、半導体レーザの温度が目標温度となるようにペルチェ素子の駆動を制御するレーザ温度制御手段（１４０１、１４０４）とを備えるレーザ光照射装置の構成として、レーザ温度制御手段は、半導体レーザを発振させるための駆動期間において、半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間はペルチェ素子を用いたフィードフォワード制御によって半導体レーザの温度を制御し、所定時間が経過した後はペルチェ素子を用いたサーボ制御によって半導体レーザの温度を制御する。【選択図】図１
2008300601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被照射物に照射されるレーザ光を出射する半導体レーザと、
前記半導体レーザに熱的に結合された温度可変素子と、
前記半導体レーザの温度が目標温度となるように前記温度可変素子の駆動を制御するレーザ温度制御手段とを備え、
前記レーザ温度制御手段は、前記半導体レーザを発振させるための駆動期間において、前記半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間は前記温度可変素子を用いたフィードフォワード制御によって前記半導体レーザの温度を制御し、前記所定時間が経過した後は前記温度可変素子を用いたサーボ制御によって前記半導体レーザの温度を制御する
ことを特徴とするレーザ光照射装置。
【請求項２】
前記レーザ温度制御手段は、前記フィードフォワード制御によって前記半導体レーザの温度を制御する際に、前記半導体レーザの駆動を開始してから前記所定時間が経過するまでの間の前記半導体レーザの発熱量に基づいて、前記半導体レーザの駆動開始から前記所定時間後に前記半導体レーザの温度を前記目標温度とするために必要となる所要放熱量を求め、前記所定時間内に前記所要放熱量が達成されるように前記温度可変素子を駆動する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
【請求項３】
前記温度可変素子がペルチェ素子である
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
【請求項４】
前記半導体レーザの非駆動期間の供給電流を発振閾値電流に設定してなる
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ照射装置。
【請求項５】
前記半導体レーザの温度を検知する温度検知手段と、
事前に前記半導体レーザを前記目標温度に維持した状態で測定したＩ−Ｌ(Injection Current-Light output)特性データを記憶する記憶手段とを備え、
前記レーザ温度制御手段は、前記半導体レーザの駆動を開始する前に、前記記憶手段に記憶した前記Ｉ−Ｌ特性データを参照して前記所定時間が経過するまでの前記半導体レーザの発熱量を求めるとともに、前記半導体レーザの駆動開始直前に前記温度検知手段で検知した前記半導体レーザの温度と前記目標温度との差分に基づいて前記所要発熱量を求める
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
【請求項６】
前記半導体レーザの温度を検知する温度検知手段と、
事前に測定した前記半導体レーザの発振閾値電流を記憶する記憶手段とを備え、
前記レーザ温度制御手段は、前記半導体レーザの立ち上がり時に、前記記憶手段に記憶した前記発振閾値電流を参照して前記半導体レーザの立ち上がり時間が経過するまでの前記半導体レーザの発熱量を求めるとともに、前記半導体レーザの発振直前に前記温度検知手段で検知した前記半導体レーザの温度と前記目標温度との差分に基づいて前記所要発熱量を求める
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
【請求項７】
半導体レーザを発振させるための駆動期間において、
前記半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって前記半導体レーザの温度を制御し、
前記所定時間が経過した後はサーボ制御によって前記半導体レーザの温度を制御する
ことを特徴とするレーザ制御方法。
【請求項８】
基板上に非晶質シリコン膜を成膜した後、前記非晶質シリコン膜をレーザアニール処理によって多結晶シリコン膜に転換させる薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記レーザアニール処理を行なう場合に、前記非晶質シリコン膜に照射されるレーザ光を出射する半導体レーザを発振させるための駆動期間において、前記半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって前記半導体レーザの温度を制御し、前記所定時間が経過した後はサーボ制御によって前記半導体レーザの温度を制御する
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
基板上に非晶質シリコン膜を成膜した後、前記非晶質シリコン膜をレーザアニール処理によって多結晶シリコン膜に転換させる薄膜トランジスタの製造工程を含む表示装置の製造方法であって、
前記レーザアニール処理を行なう場合に、前記非晶質シリコン膜に照射されるレーザ光を出射する半導体レーザを発振させるための駆動期間において、前記半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって前記半導体レーザの温度を制御し、前記所定時間が経過した後はサーボ制御によって前記半導体レーザの温度を制御する
ことを特徴とする表示装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源として半導体レーザを用いたレーザ光照射装置、レーザ制御方法、薄膜トランジスタの製造方法、及び表示装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザ（ＬＤ）は、その出力が向上して１チップで数Ｗの出力が得られるようになったため、小型の形状を生かしてガスレーザや固体レーザの代替品として医療や産業の加工用途に使用され始めている。半導体レーザはガスレーザと異なりプラズマ放電を使って発振するものではない。このため、半導体レーザは発光強度（光出力）が安定しており、また固体レーザのように光源内部に複雑な光学系を必要としないため、振動や回転に比較的強く小型であるという利点がある。したがって、半導体レーザを加工ヘッドに直接搭載することで多ヘッド化や装置の小型化を実現することが可能である。また、半導体レーザは小型であることから光ディスクへの書き込みが可能なピックアップへの応用がなされ、また、その発光強度安定性や波長安定性から高速通信用途にも必須の光源となっている。
【０００３】
加工技術においては、例えばレーザ溶接や切断では加工品質向上のために、ビーム形状の安定性はもとより、１％以下の照射光強度の時間的ばらつきが求められる。特に、照射領域が狭い微細加工になるほど、更なる光強度安定性が必要になってくる。これは主に熱的加工に見られる特徴であって、加工領域の大きさが体積の次元であるのに対して放熱効果が面積の次元であるために、加工領域が狭くなるほど照射エネルギーに対して加工に寄与するエネルギーの割合が減少していくことに起因する。このことにより、高出力且つ、０．５％以下の発光強度安定性を実現する技術が求められる。
【０００４】
半導体レーザは、その両電極間に流れた電流値によって発光強度が制御される素子である。このため、半導体レーザの発光強度は、図１５に示すように、発振閾値電流Ｉth以上ではほぼ直線的な挙動を示す。図示した半導体レーザの駆動電流（注入電流）と発光強度（光出力）の関係をＩ−Ｌ(Injection Current-Light output)特性と呼ぶ。
【０００５】
半導体レーザ自身の温度が変化すると、図１６に示すように、発振閾値電流とスロープ効率（駆動電流値に対する発光強度の変化率）が変化するため、半導体レーザに一定の駆動電流を与えていても発光強度は一定にならない。図１６において、Ｔｌ，Ｔｍ，Ｔｈは、それぞれ半導体レーザの温度を示し、Ｔｌ＜Ｔｍ＜Ｔｈの関係にある。
【０００６】
半導体レーザの用途が光ディスクの場合は数ｍＷ〜数１０ｍＷ、通信の場合は数１０ｍＷ〜数１００ｍＷ、加工機の場合は数１００ｍＷ〜数Ｗの出力を持つ半導体レーザを用い、更に大型の加工機では複数の半導体レーザを結合させた数１０Ｗ〜数ｋＷの光源を用いるのが一般的である。いずれの場合も、半導体レーザの発光強度を高精度に制御することが重要であり、そのために様々な提案がなされている。
【０００７】
例えば、特許文献１においては、予め２種類以上の温度環境下の発振閾値電流とスロープ効率を測定しておき、装置はそれらの値から、内部に保有している経験式のフィッティングを行なって、あらゆる温度での発振閾値電流とスロープ効率を算出できるようにしている。更に装置は半導体レーザの温度を測定しており、その温度に応じて発振閾値とスロープ効率を算出して安定した発振が行えるようになっている。これにより、半導体レーザの温度の影響を受けずに外部の交流信号に対応した強度で半導体レーザは発光する。ただし、この方法では半導体レーザの劣化によるスロープ効率の低下を頻繁には補償できないことや、数式の誤差など種々の要因で常時高精度の発光強度制御を行なうことができない。
【０００８】
それを解決する手段の一つとして、例えば、フォトディテクタにて直接発光強度を観察して得た信号を駆動回路にフィードバックさせて半導体レーザの駆動電流を調整するＡＰＣ(Automatic Power Control)という方法が知られている。
【０００９】
ＡＰＣには大別して２種類の発光強度測定方法がある。第１の方法は、半導体レーザの後側端面からの発光を直接又は間接的にフォトディテクタで測定するものである。第２の方法は、半導体レーザの前側端面からの光の一部を光学系から取り出してフォトディテクタで測定するものである。第１の方法は、発光を直接測定するとフォトディテクタからの反射光が半導体レーザへの戻り光となって発振が安定せず、制御が困難になる場合がある。また、第１の方法では、光学系における光の透過率の経時変化などは考慮されないため、特に発光強度の強い半導体レーザには適さない。より高精度の、発光強度安定性が０．５％程度のＡＰＣを行なうためには、第２の方法を選択するのがよい。
【００１０】
ただし、上記第２の方法のように、光学系から光の一部を取り出す場合でも、半導体レーザを発振させて立ち上げた直後には図１７に示すように発光強度が安定しない。また、半導体レーザの発光強度が安定するまでに、１．５〜２％ほどのばらつきが生じる。ここで、８００ｎｍ近傍の発光波長を持つ半導体レーザを用いた光学系の例を図１８に示す。図示した光学系は、半導体レーザ４０１、レンズ４０２，４０４，４０６、ビームサンプラ４０３、フォトディテクタ４０５を用いて構成されている。この光学系においては、ビームサンプラ４０３の反射率を小さくすると、ビームサンプラ４０３を透過するレーザ光の量が増える。このため、ビームサンプラ４０３の反射率をできるだけ小さくした方が、実効的に使用できるレーザ光のエネルギーが大きくなる。図１９に透過率９９％を保証したビームサンプラの透過率の分光特性例を示す。上記の光学系の場合は、ビームサンプラ４０３の透過率が９９％となると、フォトディテクタ４０５から見ると、ビームサンプラ４０３での反射率が約１％ということになる。図２０にフォトディテクタの受光感度の分光特性例を示す。
【００１１】
半導体レーザの温度を一定に維持するために、半導体レーザに熱的に結合させたペルチェ素子などを用いて温調（温度調整）のサーボ制御を行なっても、数Ｗの出力を持つ半導体レーザを発振させた直後は、レーザ自身の温度が４℃程度上昇する。これは温調のサーボが急な発熱量増加に追いつかないために生じる現象である。一般的な赤外半導体レーザの場合は、温度変化に対する発振波長が０．２〜０．４ｎｍ／℃程度の変化率である。このため、数Ｗの出力を持つ半導体レーザを発振させた直後は、レーザ自身の温度が４℃程度上昇することで、その発振波長が０．８〜１．６ｎｍ程度変化することになる。半導体レーザは自身の温度によって発振波長が変化し、波長は温度が高くなるほど長くなる。
【００１２】
上記図１９に示すビームサンプラの透過率分光特性によれば、使用波長域でほぼ一定の透過率ではあるが、上記波長変化によって透過率が例えば９９．２０％から９９．２１％に変わった場合、反射光は０．８０％から０．７９％に変化することになる。これは同一の発光強度でも波長が変化することで、反射光にとって１．２５％の強度変化をもたらすことを意味する。一方、上記図２０に示すフォトディテクタの受光感度分光特性によれば、上記波長変化ではフォトディテクタの信号強度が０．１％変化するが、ビームサンプラの反射率変化に比べると小さいものである。
【００１３】
この不安定性を回避するために、光学系中のビームサンプラ以降にシャッタを設けて半導体レーザをＡＰＣで常に発光させて温調しておき、光照射をしたいときのみシャッタを開放する手法が考えられる。しかし、シャッタが光を吸収するものであると、光源となる半導体レーザの出力が数Ｗと高出力であるために、シャッタが閉じている間に過熱してしまい、シャッタが破損する恐れがある。
【００１４】
また、シャッタが光を反射するものである場合は、半導体レーザへの戻り光や光学系の加熱を防止するため、例えば図２１に示すような構成をとる必要がある。図２１においては、アーム７０８に支持されたミラー７０７がシャッタの役割を果たす。ディフューザ７１０はミラー７０７で反射された光を吸収するものである。ミラー７０７は、ビームサンプラ４０３からレンズ４０６に至る光路の途中に設けられている。ミラー７０７は、モータ７０９の駆動にしたがって上記光路に進出した位置と、上記光路から退避した位置の間で移動するものである。このため、ミラー７０７が光路から退避した状態では、ビームサンプラ４０３を透過した光がレンズ４０６に入射し、ミラー７０７が光路に進出した状態では、ビームサンプラ４０３を透過した光がミラー７０７で全反射してディフューザ７１０に入射する。
【００１５】
かかる構成の光学系を採用した場合は、光学系筐体が肥大化してしまう。シャッタが電動の場合は、モータ部の発熱を考慮すると光学系筐体の更なる肥大化に繋がる。特に加工装置の場合は、そのスループット向上のために複数の光学系を搭載する。このため、光学系筐体が肥大化してしまうとスループット向上の妨げとなる。更に、シャッタはその開閉振動によって光照射位置精度の低下を招くだけでなく、半導体レーザを常に発振させるために寿命が不必要に短くなってしまうという問題もある。
【００１６】
こうした事情から、半導体レーザを発振させて立ち上げた直後に発光強度を安定させる必要がある。そこで、例えば特許文献２では、半導体レーザの温調が安定しなくても、その発振波長が安定する方法を示している。これは温度ごとに波長維持のための最適駆動電流値を数式やテーブルの形で記憶しておき、温度に応じて駆動電流値を変化させるものである。このため、発光強度の安定化には繋がるものではない。また、特許文献３では、ビームサンプラで取り出した光を、波長シフト域内で反射率が大きく変動するバンドパスフィルタに通してその透過光と反射光の強度比から波長を間接的に測定する手法を示している。しかし、この手法を利用した場合には装置がビームサンプラとフォトディテクタの分光特性を正確に記憶しておく必要があり、これらを実測して装置に入力するという非現実的な作業が必要となってしまう。
【００１７】
また、特許文献４には、半導体レーザを発振させて立ち上げた直後に発光強度を安定させる手法として、半導体レーザの停止中に半導体レーザの駆動中に発生する熱量とほぼ同じ熱量をヒータで加えておき、半導体レーザの駆動開始と同時にヒータによる加熱を停止させるという手法が示されている。
【００１８】
【特許文献１】特開２００４−３４９５３２号公報
【特許文献２】特表２００２−５１９８６９号公報
【特許文献３】特開２００３−１６３４００号公報
【特許文献４】特開２００４−１２８０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、特許文献４に記載の手法は、半導体レーザの自然空冷による放熱が追いつかない場合、特に高出力の半導体レーザの場合は、ヒータによって与えられる熱量の影響で半導体レーザの温度が許容範囲をすぐに超えてしまい、半導体レーザが破損する恐れがある。また、発振開始から１秒後に安定するということから、シャッタが必要になるという問題もある。また、特許文献４には、半導体レーザの停止中に発振閾値電流程度の駆動電流を半導体レーザに流しておくことも示されている。これは高出力の半導体レーザを冷却して一定温度に保つ制御を行なっている場合でも効果が得られる手法であるが、それでも１．０％程度の照射光強度ばらつきが生じてしまう。
【００２０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、半導体レーザを駆動して発振させる場合に、半導体レーザの立ち上がり直後から安定した発光強度が得られるような仕組み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】
【００２１】
本発明に係るレーザ光照射装置は、被照射物に照射されるレーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザに熱的に結合された温度可変素子と、半導体レーザの温度が目標温度となるように温度可変素子の駆動を制御するレーザ温度制御手段とを備え、レーザ温度制御手段は、半導体レーザを発振させるための駆動期間において、半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間は温度可変素子を用いたフィードフォワード制御によって半導体レーザの温度を制御し、所定時間が経過した後は温度可変素子を用いたサーボ制御によって半導体レーザの温度を制御することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明に係るレーザ制御方法は、半導体レーザを発振させるための駆動期間において、半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって半導体レーザの温度を制御し、所定時間が経過した後はサーボ制御によって半導体レーザの温度を制御することを特徴とするものである。
【００２３】
本発明に係るレーザ光照射装置及びレーザ制御方法においては、半導体レーザの駆動期間において、半導体レーザの駆動開始から所定時間が経過するまでの間、フィードフォワード制御によって半導体レーザの温度を制御することにより、所定時間が経過した時点で半導体レーザの温度が目標温度に近づくようになる。このため、所定時間が経過した段階でフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替えることにより、半導体レーザの温度を目標温度に素早く引き込むことが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、半導体レーザを発振させる場合に、フィードフォワード制御とサーボ制御の組み合わせによって半導体レーザの温度を制御することにより、従来のようにサーボ制御だけで半導体レーザの温調を行なう場合に比較して、立ち上がり直後の発光強度のばらつきを低減することができるとともに、半導体レーザの駆動を開始してから発光強度が安定するまでの時間を短縮することができる。この結果、シャッタが不要となり光学系の小型化や振動低減効果、更には半導体レーザの寿命を延ばす効果が得られる。よって、小型・低メンテナンス頻度・高スループット・高精度のレーザ光照射装置を実現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】
【００２５】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２６】
＜レーザ光照射装置の構成＞
図１は本発明の実施形態に係るレーザ光照射装置の構成例を示す概略図である。図示したレーザ光照射装置は、システム制御回路１４０１と、表示器１４０２と、入力デバイス１４０３と、ペルチェ駆動回路１４０４と、ＡＰＣ(Automatic Power Control)制御回路１４０５と、光学系とを備えた構成となっている。
【００２７】
システム制御回路１４０１は、表示すべき情報を表示器１４０２に与えるとともに、入力デバイス１４０３から入力される情報を受け付けるものである。また、システム制御回路１４０１は、ペルチェ駆動回路１４０４を介してペルチェ素子１４０７の駆動を制御するとともに、ＡＰＣ制御回路１４０５を介して半導体レーザ１４０８の駆動を制御するものである。
【００２８】
表示器１４０２は、レーザ光照射装置を使用する使用者に対し、必要に応じて種々の情報を表示するものである。表示器１４０２は、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ等によって構成される。
【００２９】
入力デバイス１４０３は、レーザ光照射装置を使用する使用者が必要に応じて種々の情報を入力する際に用いるものである。入力デバイス１４０３は、例えば、操作パネル、キーボード等を用いて構成される。
【００３０】
光学系は、半導体レーザユニット１４０６と、コリメートレンズ１４０９と、ビームサンプラ１４１０と、集光レンズ１４１１と、フォトディテクタ１４１２と、対物レンズ１４１３とを用いて構成されている。この光学系において、対物レンズ１４１３を透過するレーザ光の強度とフォトディテクタ１４１２の出力信号強度は、半導体レーザ１４０８の発振するレーザ光の波長が一定である限り正比例する。
【００３１】
半導体レーザユニット１４０６は、ペルチェ素子１４０７と半導体レーザ１４０８を有するものである。半導体レーザユニット１４０６は、例えば６Ｗの光出力を有する半導体レーザ１４０８を用いて構成されている。半導体レーザユニット１４０６の内部には、温度検知手段となるサーミスタ（不図示）が内蔵されている。サーミスタは、半導体レーザユニット１４０６内で半導体レーザ１４０８の温度を検知（測定）するために設けられたものである。サーミスタの抵抗値は、半導体レーザ１４０８の温度に応じて変化する。このため、サーミスタの抵抗値を読み取ることで、半導体レーザ１４０８の温度を検知することが可能となっている。
【００３２】
ペルチェ素子１４０７は、半導体レーザ１４０８の温調を行なうための温度可変素子として設けられたものである。ペルチェ素子１４０７は、半導体レーザ１４０８と熱的に結合した状態で半導体レーザユニット１４０６内に設けられている。ここで記述する「熱的に結合」とは、ペルチェ素子１４０７と半導体レーザ１４０８との間でスムーズに熱の移動が可能な状態での結合をいう。具体的には、ペルチェ素子１４０７と半導体レーザ１４０８を面的に接触させた状態をいう。ペルチェ素子１４０７は温度を可変するときの応答性が高いため、温度可変素子としてペルチェ素子１４０７を用いることで、半導体レーザ１４０８の温度を精度良く制御することができる。
【００３３】
半導体レーザ１４０８は、チップ状に形成されたレーザ素子であって、レーザ発振によってレーザ光を出射するものである。コリメートレンズ１４０９は、半導体レーザ１４０８から出射されたレーザ光を透過して平行光に整形する光学素子である。ビームサンプラ１４１０は、コリメートレンズ１４０９を通して入射したレーザ光（レーザビーム）の一部を反射し、残りを透過する光学素子である。集光レンズ１４１１は、ビームサンプラ１４１０で反射したレーザ光を集光する光学素子である。フォトディテクタ１４１２は、集光レンズ１４１１で集光されたレーザ光を受光し、この受光量（受光強度）に応じた信号を出力するものである。対物レンズ１４１３は、ビームサンプラ１４１０を透過したレーザ光を集光しつつ、図示しない被照射物に向けてレーザ光を照射する光学素子である。
【００３４】
ペルチェ駆動回路１４０４は、半導体レーザユニット１４０６に内蔵してあるサーミスタの抵抗値を読み取ることで半導体レーザ１４０８の温度を認識するとともに、半導体レーザ１４０８の温度を目標温度で一定に保つようにペルチェ素子１４０７に駆動電圧を印加するものである。ペルチェ駆動回路１４０４は、システム制御回路１４０１からの指示にしたがってペルチェ素子１４０７に与える駆動電圧を制御する。システム制御回路１４０１とペルチェ駆動回路１４０４は、半導体レーザ１４０８の温度が目標温度となるようにペルチェ素子１４０７の駆動を制御するレーザ温度制御手段を構成する。
【００３５】
ＡＰＣ制御回路１４０５は、フォトディテクタ１４１２の出力信号を受け取り、その出力信号値が、目標とするレーザ光の照射強度、すなわち対物レンズ１４１３を通して被照射物に照射されるレーザ光の目標照射強度に対応した目標値となるように、半導体レーザ１４０８に供給する駆動電流を制御するものである。ＡＰＣ制御回路１４０５は、システム制御回路１４０１からの指示にしたがって半導体レーザ１４０８に与える駆動電流を制御する。システム制御回路１４０１とＡＰＣ制御回路１４０５は、半導体レーザ１４０８の発光強度が目標発光強度となるように半導体レーザ１４０８の駆動を制御するレーザ出力制御手段を構成する。
【００３６】
続いて、上記構成のレーザ光照射装置を用いたレーザ制御方法について説明する。本発明に係るレーザ制御方法では、半導体レーザの発光強度を制御する方式として、ＡＰＣ制御を採用し、半導体レーザの温度を制御する方式として、フィードフォワード制御とサーボ制御の両方を採用する。サーボ制御は、半導体レーザの現在の温度と目標温度との差分、さらには過去の温度履歴などに基づいて、半導体レーザの温度が目標温度となるように追従させる制御方式である。
【００３７】
本発明に係るレーザ制御方法には、大きく２つの方法がある。以下に、第１のレーザ制御方法と第２のレーザ制御方法に分けて説明する。
【００３８】
＜第１のレーザ制御方法＞
第１のレーザ制御方法は、半導体レーザ１４０８の温度調整をフィードフォワード制御とサーボ制御で行なうにあたり、半導体レーザ１４０８の非駆動期間（半導体レーザ１４０８を発振させるための駆動電流を供給していない期間）はサーボ制御を行ない、半導体レーザ１４０８を発振させるための駆動期間（半導体レーザ１４０８を発振させるための駆動電流を供給している期間）はフィードフォワード制御とサーボ制御を行なう。また、半導体レーザ１４０８の駆動期間では、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって半導体レーザ１４０８の温度を制御し、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過した後はサーボ制御によって半導体レーザ１４０８の温度を制御する。つまり、半導体レーザ１４０８の駆動期間内で所定時間Δｔ1を境に半導体レーザ１４０８の温調制御をフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替える。以下に具体的な制御方法について説明する。
【００３９】
第１のレーザ制御方法では、まず、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過するまでの間の半導体レーザ１４０８の発熱量Ｑを、半導体レーザ１４０８の駆動を開始する前にシステム制御回路１４０１で演算によって予測する。所定時間Δｔ1は、フィードフォワード制御で半導体レーザ１４０８の温調を行なう時間として、予め入力デバイス１４０３を用いて使用者により指定されるものである。この所定時間Δｔ1は、少なくとも半導体レーザ１４０８の立ち上がり時間Δｔ0よりも長くなる条件（Δｔ1＞Δｔ0）で、例えば０．１秒〜１秒の範囲内で指定される。
【００４０】
また、上記発熱量Ｑの演算では、半導体レーザ１４０８の目標駆動電流Ｉと、半導体レーザ１４０８の駆動電圧Ｖと、光学系の透過率τと、半導体レーザ１４０８の目標照射光強度Ｐirと、半導体レーザ１４０８の目標発光強度Ｐemと、半導体レーザ１４０８の発振閾値電流Ｉthと、半導体レーザ１４０８の立ち上がり時間Δｔ0を、それぞれパラメータとして用いる。この発熱量Ｑの演算は、パラメータが変化しないかぎり、最初に１回だけ行なえばよい。
【００４１】
半導体レーザ１４０８の目標駆動電流Ｉは、事前に半導体レーザ１４０８を目標温度に維持した状態で半導体レーザ１４０８のＩ−Ｌ特性を測定することによって得られるＩ−Ｌ特性データを用いて算出される。例えば、半導体レーザ１４０８を２５℃で使用する場合は、目標温度を２５℃に設定し、予め半導体レーザ１４０８を目標温度２５℃に維持して校正を行なって、半導体レーザ１４０８のＩ−Ｌ特性を測定する。こうして測定した半導体レーザ１４０８のＩ−Ｌ特性データは、システム制御回路１４０１が備える記憶手段、例えばＥＥＰＲＯＭ(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)などに記憶される。Ｉ−Ｌ特性データを参照すれば、半導体レーザ１４０８の目標発光強度Ｐemから半導体レーザ１４０８の目標駆動電流Ｉを求めることができる。
【００４２】
半導体レーザ１４０８の目標発光強度Ｐemは、目標照射光強度Ｐirと光学系透過率τから求めることができる。光学系透過率τは、光学系の設計で決まる値であって、事前に実験的に求めることができる既知の情報となる。目標照射光強度Ｐirは、レーザ光を被照射物に照射する場合に、どの程度の光強度で被照射物にレーザ光を照射したいかによって決まる値であって、既知の情報となる。したがって、目標発光強度Ｐemに関しては、Ｐem＝Ｐir／τの計算式で算出可能である。
【００４３】
一方、半導体レーザ１４０８は発振閾値電流Ｉth以上では発振時にかかる電圧がほぼ一定となる。このため、半導体レーザ１４０８の駆動電圧Ｖは事前に測定可能である。また、半導体レーザ１４０８をＡＰＣ(Automatic Power Control)制御で発振させる際の立ち上がり時間（半導体レーザ１４０８の駆動を開始してからフォトディテクタ１４１２の信号を目標値に一致させるまでに要する時間）Δｔ0は装置構成で決まる。このため、立ち上がり時間Δｔ0は事前に算出可能である。半導体レーザ１４０８の立ち上がり時間Δｔ0と所定時間Δｔ1は、いずれも半導体レーザ１４０８の駆動開始時（半導体レーザ１４０８に発振のための駆動電流を供給し始める時点）を時間軸上のゼロ基準としている。
【００４４】
以上の目標駆動電流Ｉ、駆動電圧Ｖ、光学系透過率τ、目標照射光強度Ｐir、目標発光強度Ｐem、発振閾値電流Ｉthに対して、所定時間Δｔ1までの間の発熱量Ｑは、上述のようにΔｔ1＞Δｔ0を前提とし、半導体レーザ１４０８の立ち上がり期間に駆動電流値が直線的に上昇し、駆動電圧Ｖが常に一定であると仮定すれば、次の（数１）式によって算出される。
【００４５】
【数１】
2008300601.tif 000003
【００４６】
上記（数１）式においては、半導体レーザ１４０８の駆動開始から立ち上がり時間Δｔ0が経過するまでの間の半導体レーザ１４０８の発熱量と、半導体レーザ１４０８の立ち上がり時間Δｔ0から所定時間Δｔ1が経過するまでの間の半導体レーザ１４０８の発熱量を加算し、この加算値から、半導体レーザ１４０８の駆動開始から立ち上がり時間Δｔ0が経過するまでの間に光エネルギーとして消費される熱量と、半導体レーザ１４０８の立ち上がり時間Δｔ0から所定時間Δｔ1が経過するまでの間に光エネルギーとして消費される熱量をそれぞれ減算することにより、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過するまでの間の半導体レーザ１４０８の発熱量Ｑを求めている。
【００４７】
また、システム制御回路１４０１は、上記（数１）式にしたがって半導体レーザ１４０８の発熱量Ｑを求めたら、当該発熱量Ｑに基づいて、半導体レーザ１４０８の駆動開始から所定時間Δｔ1後に半導体レーザ１４０８の温度を目標温度Ｔtに一致させるために必要となる所要放熱量Ｑoutを演算によって求める。この所要放熱量Ｑoutの演算では、上記発熱量Ｑの他に、半導体レーザ１４０８の熱容量Ｃと、半導体レーザ１４０８の目標温度Ｔtと、半導体レーザ１４０８の駆動開始直前の温度Ｔ0をパラメータとして用いる。所要放熱量Ｑoutの演算は、半導体レーザ１４０８を駆動するたびに行なう。
【００４８】
半導体レーザ１４０８の熱容量Ｃは、半導体レーザ１４０８の質量と半導体レーザ１４０８を構成する物質の比熱から事前に算出可能である。半導体レーザ１４０８の目標温度Ｔtは、半導体レーザ１４０８の温度をサーボ制御によって調整するにあたって予め決められるものである。例えば、半導体レーザ１４０８を２５℃で使用する場合は、半導体レーザ１４０８の温調サーボ制御を行なうにあたって、目標温度Ｔtが２５℃に設定される。半導体レーザ１４０８の駆動開始直前の温度Ｔ0は、半導体レーザ１４０８を駆動する直前にサーミスタで半導体レーザ１４０８の温度を測定（検知）することにより得られるものである。
【００４９】
以上のように得られる半導体レーザ１４０８の駆動開始直前の温度Ｔ0、半導体レーザ１４０８の目標温度Ｔt、半導体レーザ１４０８の熱容量Ｃに対して、半導体レーザ１４０８の駆動開始から所定時間Δｔ1後に半導体レーザ１４０８の温度を目標温度Ｔtに一致させるために必要となる所要放熱量Ｑoutは、次の（数２）式によって算出される。
【００５０】
【数２】
2008300601.tif 000004
【００５１】
上記（数２）式においては、上記（数１）式によって求められる半導体レーザ１４０８の発熱量Ｑから、半導体レーザ１４０８の温度を駆動開始直前の温度Ｔ0から目標温度Ｔtに変化（上昇）させるのに必要な熱量を差し引くことにより、所定時間Δｔ1内に半導体レーザ１４０８を冷却するために必要となる放熱量を求めている。こうして求められる所要放熱量Ｑoutを所定時間Δｔ1で除算した値が、ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率となり、この放熱仕事率の放熱をなすようにシステム制御回路１４０１がペルチェ駆動回路１４０４に指令を出す。これにより、ＡＰＣ制御回路１４０５が半導体レーザ１４０８の駆動を開始するにあたって、ペルチェ駆動回路１４０４は、ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率が、半導体レーザ１４０８の非駆動期間の放熱仕事率に上記指令を受けた放熱仕事率を足し合わせた値をなすように、ペルチェ素子１４０７に駆動電圧を印加する。
【００５２】
また、ペルチェ駆動回路１４０４は、半導体レーザ１４０８の駆動期間において、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過した時点で上記所要放熱量Ｑoutを達成するように、半導体レーザ１４０８の駆動開始から上記所定時間Δｔ1内でペルチェ素子１４０７に印加する電圧を制御する。こうしたフィードフォワード制御によって半導体レーザ１４０８の温度を制御することにより、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過した時点で半導体レーザ１４０８の温度を目標温度Ｔtに近づけることができる。このため、半導体レーザ１４０８の駆動開始から所定時間Δｔ1後に、半導体レーザ１４０８の温調をフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替えることにより、所定時間Δｔ1以降は殆ど半導体レーザ１４０８の温度変化なしにＡＰＣ制御をかけることができる。このため、半導体レーザ１４０８の立ち上がり直後から安定した発光強度で半導体レーザ１４０８を駆動することが可能となる。
【００５３】
ここで、本発明に係るレーザ制御方法を適用せずにＡＰＣ制御を行なった場合と、本発明に係るレーザ制御方法を適用してＡＰＣ制御を行なった場合の違いについて説明する。
【００５４】
図２及び図３は本発明に係るレーザ制御方法を適用せずにＡＰＣ制御を行なった場合の、半導体レーザ１４０８の駆動電流、半導体レーザ１４０８の発熱仕事率、半導体レーザ１４０８の温度、ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率、ビームサンプラ１４１０の反射率、半導体レーザ１４０８の発光強度、フォトディテクタ１４１２の信号の時間変化を模式的に示す図である。また、図４及び図５は本発明に係るレーザ制御方法（第１のレーザ制御方法）を適用してＡＰＣ制御を行なった場合の、半導体レーザ１４０８の駆動電流、半導体レーザ１４０８の発熱仕事率、半導体レーザ１４０８の温度、ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率、ビームサンプラ１４１０の反射率、半導体レーザ１４０８の発光強度、フォトディテクタ１４１２の信号の時間変化を模式的に示す図である。ちなみに、半導体レーザ１４０８の発熱仕事率は、単位時間あたりの半導体レーザ１４０８の発熱量で表されるものである。ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率は、単位時間あたりのペルチェ素子１４０７の放熱量で表されるものである。
【００５５】
図２〜図５においては、視覚的に分かりやすくするために、縦軸に線形性は無く、値が大きくなるほど誇張して広げて表記している。また、図２及び図４の横軸（時間軸）は電流立ち上がり付近を誇張して広げて表記し、図３及び図５の横軸（時間軸）には線形性を持たせている。
【００５６】
まず、本発明に係るレーザ制御方法を適用しなかった場合は、図２に示すように、半導体レーザ１４０８の駆動を開始すると、温調のサーボ制御が半導体レーザ１４０８の急激な発熱に追いつかず、ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率の変化が半導体レーザ１４０８の温度変化に対して遅れる。このため、ビームサンプラ１４１０の反射率が変動し、ＡＰＣ精度が悪化する。この結果、半導体レーザ１４０８の発光強度のばらつきは１．５〜２％になる。また、半導体レーザ１４０８の駆動状態（駆動電流、発熱仕事率、温度、発光強度など）が安定するのは、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから約５秒後と非常に遅くなる。
【００５７】
これに対して、本発明に係るレーザ制御方法（第１のレーザ制御方法）を適用した場合は、半導体レーザ１４０８の駆動を開始する前に上記（数２）式にしたがって所要放熱量Ｑoutを求め、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過するまでの間に所要放熱量Ｑoutが達成されるように、例えば図４に示すように半導体レーザ１４０８の駆動開始と同時にペルチェ素子１４０７の放熱仕事率を所定のレベルに立ち上げて、その状態を所定時間Δｔ1まで維持するため、所定時間Δｔ1が経過した段階で半導体レーザ１４０８の温度が目標温度Ｔt付近に収束するようになる。
【００５８】
このため、使用者が６Ｗ発振で所定時間Δｔ1を０．１秒で指定した場合は、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1に至るまでの間、半導体レーザ１４０８の温度は２４．５℃〜２５．５℃の間で変動するにとどまる。よって、所定時間Δｔ1に達した時点でシステム制御回路１４０１がペルチェ駆動回路１４０４に２５℃で温調をかけるサーボ制御を指示したときには、半導体レーザ１４０８の温度を２５℃に引き込むのに殆ど時間を要しない。したがって、半導体レーザ１４０８を駆動するときに、その駆動期間内で所定時間Δｔ1が経過した段階で半導体レーザ１４０８の温調をフィードフォワード制御から通常のサーボ制御に切り替えれば、ＡＰＣ制御を行なう場合の半導体レーザ１４０８の温度変化が非常に小さくなる。この結果、半導体レーザ１４０８の発光強度のばらつきを０．３〜０．５％に低減することができる。また、半導体レーザ１４０８の駆動状態が安定するまでの時間も、例えばＴ0＜Ｔ1の条件でΔｔ1を０．１秒とすると、０．１５〜０．２０秒と非常に短くなる。
【００５９】
ちなみに、図４において、半導体レーザ１４０８の温度は、半導体レーザ１４０８が発振するまでは徐々に低下するものの、半導体レーザ１４０８が発振した後は、これに伴う発熱量の急激な増大によって徐々に上昇し、所定時間Δｔ1が経過した段階で目標温度Ｔtに落ち着くことになる。また、ビームサンプラ１４１０の反射率は、半導体レーザ１４０８の駆動開始から半導体レーザ１４０８の温度変化に応じて変化し、半導体レーザ１４０８の発光強度は、半導体レーザ１４０８の発振直後から半導体レーザ１４０８の温度変化に応じて変化することになる。
【００６０】
なお、図４及び図５においては、半導体レーザ１４０８の駆動を開始すると同時にペルチェ素子１４０７に電圧をかけ始めているが、これ以外にも、半導体レーザ１４０８を駆動する前からペルチェ素子１４０７に電圧をかけることも可能である。その場合は、ペルチェ素子１４０７に電圧をかけ始めてから半導体レーザ１４０８を駆動するまでの時間と所定時間Δｔ1を足し合わせた時間で、上記（数２）式により所要放熱量を求めるようにすればよい。
【００６１】
＜第２のレーザ制御方法＞
第２のレーザ制御方法は、半導体レーザ１４０８の温度調整をフィードフォワード制御とサーボ制御で行なうにあたり、半導体レーザ１４０８の非駆動期間はサーボ制御を行ない、半導体レーザ１４０８を発振させるための駆動期間はフィードフォワード制御とサーボ制御を行なう。また、半導体レーザ１４０８の駆動期間では、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって半導体レーザ１４０８の温度を制御し、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過した後はサーボ制御によって半導体レーザ１４０８の温度を制御する。つまり、半導体レーザ１４０８の駆動期間内で所定時間Δｔ1を境に半導体レーザ１４０８の温調制御をフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替える。以上の点は、前述した第１のレーザ制御方法と同様である。ただし、第２のレーザ制御方法は、フィードフォワード制御で半導体レーザ１４０８を温調する場合のペルチェ素子１４０７の駆動方法が異なる。以下に具体的な制御方法について説明する。
【００６２】
第２のレーザ制御方法は、半導体レーザ１４０８の駆動期間内において、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから立ち上がり時間Δｔ0が経過するまでは、半導体レーザ１４０８の非駆動期間（駆動開始直前）と同じ電圧をペルチェ素子１４０７に印加し、半導体レーザ１４０８の立ち上がり時間Δｔ0から所定時間Δｔ1までの間は、それまでより高い電圧をペルチェ素子１４０７に印加することにより、半導体レーザ１４０８の駆動開始から所定時間Δｔ1までの間にフィードフォワード制御によって半導体レーザ１４０８の温調を行なう。立ち上がり時間Δｔ0は、前述の通り装置構成で決まるため、事前に算出可能である。また、所定時間Δｔ1は、前述の通り予め入力デバイス１４０３を用いて使用者により指定される時間である。
【００６３】
第２のレーザ制御方法では、まず、半導体レーザ１４０８の発振直前の温度Ｔ0をシステム制御回路１４０１の記憶手段（ＥＥＰＲＯＭ等）に記憶するとともに、半導体レーザ１４０８が発振してから立ち上がり時間Δｔ0が経過するまでの間の半導体レーザ１４０８の発熱量Ｑを、半導体レーザ１４０８の立ち上がり時にシステム制御回路１４０１で算出する。この発熱量Ｑの演算では上記立ち上がり時間Δｔ0後の半導体レーザ１４０８の実際の駆動電流Ｉ及び駆動電圧Ｖと、フォトディテクタ１４１２の信号から算出された発光強度Ｐemと、半導体レーザ１４０８の発振閾値電流Ｉthを、それぞれパラメータとして用いる。この発熱量Ｑの演算は、半導体レーザ１４０８を駆動するたびに行なう。
【００６４】
半導体レーザ１４０８の発振直前の温度Ｔ0は、半導体レーザ１４０８が発振する直前にサーミスタで半導体レーザ１４０８の温度を測定（検知）することにより得られる。立ち上がり時間Δｔ0後の半導体レーザ１４０８の実際の駆動電流Ｉ及び駆動電圧Ｖは、それぞれ半導体レーザ１４０８の立ち上がり時にＡＰＣ制御回路１４０５から半導体レーザ１４０８に供給されている駆動電流及び駆動電圧を測定することにより得られる。発光強度Ｐemは、半導体レーザ１４０８の立ち上がり時にフォトディテクタ１４１２からの信号を取り込むことにより算出される。このため、発光強度Ｐemは、フォトディテクタ１４１２の信号が目標値に一致したときの半導体レーザ１４０８の発光強度を表すものとなる。実際は半導体レーザ１４０８の温度が目標温度Ｔtとは異なるため、算出された発光強度Ｐemは実際の発光強度から数％ずれていると考えられるが、以下の計算においては無視して構わない。
【００６５】
以上の駆動電流Ｉ、駆動電圧Ｖ、発光強度Ｐem、発振閾値電流Ｉthに対して、上記立ち上がり時間Δｔ0までの間の発熱量Ｑは、半導体レーザ１４０８の立ち上がり期間に駆動電流値が直線的に上昇すると仮定すれば、次の（数３）式によって算出される。
【００６６】
【数３】
2008300601.tif 000005
【００６７】
また、半導体レーザ１４０８の発振直前の温度Ｔ0、半導体レーザ１４０８の立ち上がり直後の温度Ｔ1、半導体レーザ１４０８の熱容量Ｃに対して、半導体レーザ１４０８の発振直後（半導体レーザ１４０８の駆動開始から立ち上がり時間Δｔ0までの間）に必要となる放熱量Ｑout0は、次の（数４）式によって算出される。
【００６８】
【数４】
2008300601.tif 000006
【００６９】
その後、半導体レーザ１４０８の立ち上がり時間Δｔ0から所定時間Δｔ1までの間に必要となる放熱量Ｑout1は、半導体レーザ１４０８の目標温度Ｔtに対して、次の（数５）式によって算出される。
【００７０】
【数５】
2008300601.tif 000007
【００７１】
このため、半導体レーザ１４０８の駆動開始から所定時間Δｔ1後に半導体レーザ１４０８の温度を目標温度Ｔtに一致させるために必要となる所要放熱量Ｑoutは、次の（数６）式によって算出される。この所要放熱量Ｑoutの演算は、半導体レーザ１４０８を駆動するたびにシステム制御回路１４０１で行なわれる。
【００７２】
【数６】
2008300601.tif 000008
【００７３】
上記（数６）式においては、半導体レーザ１４０８の立ち上がり直後の温度Ｔ1が打ち消されている。このため、フィードフォワード制御で温調する場合に、レーザ温度Ｔ1を測定する必要はない。また、（数６）式においては、上記（数４）式で求めた放熱量Ｑout0と上記（数５）式で求めた放熱量Ｑout1を足し合わせることにより、所定時間Δｔ１内に半導体レーザ１４０８を冷却するために必要となる合計の放熱量を求めている。こうして求められる所要放熱量Ｑoutを（Δｔ1−Δｔ0）で除算した値が、ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率となり、この放熱仕事率の放熱をなすようにシステム制御回路１４０１がペルチェ駆動回路１４０４に指令を出す。これにより、ＡＰＣ制御回路１４０５が半導体レーザ１４０８の駆動を開始した場合に、半導体レーザ１４０８が立ち上がった段階で、ペルチェ駆動回路１４０４は、ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率が、半導体レーザ１４０８の非駆動期間の放熱仕事率に上記指令を受けた放熱仕事率を足し合わせた値をなすように、ペルチェ素子１４０７に駆動電圧を印加する。
【００７４】
また、ペルチェ駆動回路１４０４は、半導体レーザ１４０８の駆動期間において、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過した時点で上記所要放熱量Ｑoutを達成するように、半導体レーザ１４０８の立ち上がり時間Δｔ0が経過してから記所定時間Δｔ1が経過するまでの間にペルチェ素子１４０７に印加する電圧を制御する。こうしたフィードフォワード制御によって半導体レーザ１４０８の温度を制御することにより、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過した時点で半導体レーザ１４０８の温度を目標温度Ｔtに近づけることができる。このため、半導体レーザ１４０８の駆動開始から所定時間Δｔ1後に、半導体レーザ１４０８の温調をフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替えることにより、所定時間Δｔ1以降は殆ど半導体レーザ１４０８の温度変化なしにＡＰＣ制御をかけることができる。このため、半導体レーザ１４０８の立ち上がり直後から安定した発光強度で半導体レーザ１４０８を駆動することが可能となる。
【００７５】
また、第２のレーザ制御方法を適用した場合は、第１のレーザ制御方法に比較して、ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率を高めて温調制御する期間が短く制限されるため、精度面で若干劣るものの、半導体レーザ１４０８のＬ−Ｉ特性データを予め記憶しておく必要はなくなる。このため、半導体レーザ１４０８に経時的な特性変化があっても、それに影響されることなく、半導体レーザ１４０８の温調を行なうことができる。
【００７６】
図６及び図７は本発明に係るレーザ制御方法（第２のレーザ制御方法）を適用してＡＰＣ制御を行なった場合の、半導体レーザ１４０８の駆動電流、半導体レーザ１４０８の発熱仕事率、半導体レーザ１４０８の温度、ペルチェ素子１４０７の放熱仕事率、ビームサンプラ１４１０の反射率、半導体レーザ１４０８の発光強度、フォトディテクタ１４１２の信号の時間変化を模式的に示す図である。図６及び図７においては、視覚的に分かりやすくするために、縦軸に線形性は無く、値が大きくなるほど誇張して広げて表記している。また、図６の横軸（時間軸）は電流立ち上がり付近を誇張して広げて表記し、図７の横軸（時間軸）には線形性を持たせている。
【００７７】
本発明に係るレーザ制御方法（第２のレーザ制御方法）を適用した場合は、半導体レーザ１４０８の駆動を開始してから所定時間Δｔ1が経過するまでの間に、上記（数６）式で求めた所要放熱量Ｑoutが達成されるように、例えば図６に示すように半導体レーザ１４０８の立ち上がりと同時にペルチェ素子１４０７の放熱仕事率を所定のレベルに立ち上げ、その状態を所定時間Δｔ1まで維持するため、所定時間Δｔ1が経過した段階で半導体レーザ１４０８の温度が目標温度Ｔt付近に収束するようになる。
【００７８】
このため、半導体レーザ１４０８を駆動するときに、その駆動期間内で所定時間Δｔ1が経過した段階で半導体レーザ１４０８の温調をフィードフォワード制御から通常のサーボ制御に切り替えれば、ＡＰＣ制御を行なう場合の半導体レーザ１４０８の温度変化が非常に小さくなる。この結果、半導体レーザ１４０８の発光強度のばらつきを０．４〜０．６％に低減することができる。また、半導体レーザ１４０８の駆動状態が安定するまでの時間も、例えばＴ0＜Ｔ1の条件でΔｔ1を０．１秒とすると、０．１５〜０．２０秒と非常に短くなる。
【００７９】
ちなみに、前述した第１のレーザ制御方法を適用した場合は、ペルチェ素子１４０７への負担は小さいが、半導体レーザ１４０８の発振と同時に放熱を始める場合はシステムに高速処理を要求し、半導体レーザ１４０８の発振前に放熱を始める場合は半導体レーザ１４０８の温度変化が大きくなるために、半導体レーザ１４０８への負荷が大きくなる。一方、第２のレーザ制御方法を適用した場合は、システムの処理速度への要求が軽くなる代わりに、ペルチェ素子１４０７への負担が大きくなる。したがって、システムの処理速度、ペルチェ素子１４０７の吸熱能力、半導体レーザ１４０８の熱容量を考慮して、第１のレーザ制御方法又は第２のレーザ制御方法を選択し、それぞれに適切な所定時間Δｔ1を予め実験的に求めるのがよい。
【００８０】
また、半導体レーザ１４０８の温調を上述した第１のレーザ制御方法及び第２のレーザ制御方法のいずれで行なう場合でも、システム処理の時間誤差を考慮して、所要放熱量Ｑoutの算出に補正定数の追加などを行なってもよい。
【００８１】
さらに好ましい形態として、第１のレーザ制御方法及び第２のレーザ制御方法のいずれを適用する場合でも、半導体レーザ１４０８の非駆動期間に半導体レーザ１４０８に供給する電流を発振閾値電流（半導体レーザ１４０８が発振しないギリギリの電流値）に設定し、この状態で半導体レーザ１４０８の温度が目標温度に一致するようにサーボ制御を行なうようにすれば、半導体レーザ１４０８の発振直後に放熱のために必要な仕事率が小さくて済む。このため、ペルチェ素子１４０７に要求される吸熱能力を低く抑えることができる。また、半導体レーザ１４０８の非駆動期間に半導体レーザ１４０８に電流を供給しない場合（非駆動期間の供給電流＝０の場合）に比較すると、半導体レーザ１４０８を発振させたときに、半導体レーザ１４０８の温度変化を小さく押さえ込むことができる。このため、半導体レーザ１４０８の寿命を延ばす効果も得られる。
【００８２】
なお、上述した第１のレーザ制御方法及び第２のレーザ制御方法においては、いずれもサーミスタで測定したレーザ温度Ｔ0が目標温度Ｔtよりも低い場合を想定したが、本発明はこれに限らず、レーザ温度Ｔ0が目標温度Ｔt以上であっても適用可能である。実際の制御では、半導体レーザ１４０８の非駆動期間もレーザ温度が目標温度Ｔtとなるようにサーボ制御をかけるため、半導体レーザ１４０８の駆動開始前や発振直前にサーミスタによって測定されるレーザ温度Ｔ0は目標温度Ｔtに近い値となる。
【００８３】
また、本発明は、薄膜トランジスタの製造方法やこれを含む表示装置の製造方法にも適用可能である。薄膜トランジスタの製造方法に関しては、複数の半導体レーザを所定の間隔で一列に並べて多ヘッド化し、それら複数の半導体レーザを用いてレーザアニール処理を行なう場合に適用可能である。また、薄膜トランジスタは、液晶表示装置や有機ＥＬ(Electro Luminescence)表示装置などのスイッチング素子として広く用いられている。このため、本発明は薄膜トランジスタの製造工程を含む表示装置の製造方法としても適用可能である。
【００８４】
さらに詳述すると、薄膜トランジスタの中にはチャネル層に多結晶シリコン膜を用いたものがある。多結晶シリコン膜を基板上に形成する方法としては、レーザアニール処理を用いた方法が知られている。レーザアニール処理は、例えばガラスや石英等からなる基板上に成膜された非晶質シリコン膜にレーザ光を照射することにより、レーザ光の熱エネルギーを利用して非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に転換させるものである。
【００８５】
薄膜トランジスタの製造工程の中では、上記のレーザアニール処理を行なう工程（以下、「アニール工程」とも記す）の前に、基板上に非晶質シリコン膜を成膜する工程が存在し、アニール工程の後には、多結晶シリコン膜を活性層として基板上の所定の領域に薄膜トランジスタを形成する工程が存在する。また、薄膜トランジスタの製造工程を含む表示装置の製造工程の中には、薄膜トランジスタが形成された基板上に液晶層や有機ＥＬ層を形成する工程が存在する。
【００８６】
レーザ光源として半導体レーザを備えるレーザアニール装置では、上述のように多ヘッド化された複数の半導体レーザを用いて、被照射物となる基板上の非晶質シリコン膜にレーザ光を照射する。その際、非晶質シリコン膜が形成された基板を移動ステージに載せて支持し、半導体レーザから出射されたレーザ光の照射位置を非晶質シリコン膜が通過するように移動ステージを移動させることにより、非晶質シリコン膜にレーザ光を照射するため、非晶質シリコン膜の所望の位置にレーザ光を照射するには、移動ステージの移動に合わせて半導体レーザを所定のタイミングでオン・オフする必要がある。また、非晶質シリコン膜にレーザ光を照射する場合に、半導体レーザの発光強度にばらつきがあると、これが薄膜トランジスタの特性のばらつきとなって現れる。さらにこうしたトランジスタ特性のばらつきは、例えば表示装置で輝度のばらつきとなって現れる。
【００８７】
そこで、上述したレーザ光照射装置の構成（図１参照）をレーザアニール装置に適用し、多ヘッド化された各々の半導体レーザの制御方法として、上記第１のレーザ制御方法又は上記第２のレーザ制御方法を適用すれば、半導体レーザの立ち上がり直後から安定した発光強度が得られる。このため、レーザアニール処理によって均質な多結晶シリコン膜を得ることができる。したがって、多結晶シリコン膜の製造歩留まりを高めて生産性を向上させることができる。また、表示装置の製造方法に適用した場合は、表示特性（輝度等）のばらつきを低減することができる。
【００８８】
図８は上記の薄膜トランジスタの製造工程を含む表示装置の製造方法を用いて得られる表示装置の一例として、有機ＥＬ表示装置の構成を示す断面図である。図示した有機ＥＬ表示装置１は複数（多数）の有機ＥＬ素子２を用いて構成されるものである。有機ＥＬ素子２は、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の発光色の違いで単位画素ごとに区分されている。ただし、図８では、そのうちの１つだけを示している。
【００８９】
有機ＥＬ素子２は素子形成用基板３を用いて構成されている。素子形成用基板３上には、図示しないスイッチング素子（例えば、薄膜トランジスタ）とともに、下部電極４、絶縁層５、有機層６及び上部電極７が順に積層されている。さらに、上部電極７は保護層８によって覆われ、この保護層８の上に接着層９を介して対向基板１０が配置されている。
【００９０】
素子形成用基板３と対向基板１０は、それぞれ透明なガラス基板によって構成されるものである。有機ＥＬ素子２と対向基板１０は、それら２枚の基板の間に、下部電極４、絶縁層５、有機層６、上部電極７、保護層８、接着層９を挟み込むかたちで、互いに対向する状態に配置されている。
【００９１】
下部電極４及び上部電極７は、一方がアノード電極となり、他方がカソード電極となる。下部電極４は、有機ＥＬ表示装置１が上面発光型である場合には高反射性材料で構成され、有機ＥＬ表示装置１が透過型である場合は透明材料で構成される。
【００９２】
ここでは、一例として、有機ＥＬ表示装置１が上面発光型で、下部電極４がアノード電極である場合を想定している。この場合、下部電極４は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ)、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、プラチナ（Ｐｔ）さらには金（Ａｕ）のように、反射率の高い導電性材料、又はその合金で構成される。
【００９３】
なお、有機ＥＬ表示装置１が上面発光型で、下部電極４がカソード電極である場合は、下部電極４は、アルミニウム（Ａｌ）,インジウム（Ｉｎ）,マグネシウム（Ｍｇ）−銀(Ａｇ)合金,リチウム(Ｌｉ)−フッ素(Ｆ)化合物、リチウム-酸素（Ｏ）化合物のように、仕事関数が小さく、かつ、光反射率の高い導電性材料で構成される。
【００９４】
また、有機ＥＬ表示装置１が透過型で、下部電極４がアノード電極である場合は、ＩＴＯ(Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ)やＩＺＯ（Ｉｎｉｄｉｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）のように、透過率の高い導電性材料で下部電極４を構成する。また、有機ＥＬ表示装置１が透過型で、下部電極４がカソード電極である場合は、仕事関数が小さく、かつ、光透過率の高い導電性材料で下部電極４を構成する。
【００９５】
絶縁層５は、下部電極４の周辺部を覆う状態で素子形成用基板３の上面に形成されている。絶縁層５には単位画素ごとに窓が形成されており、この窓の開口部分で下部電極４が露出している。絶縁層５は、例えばポリイミドやフォトレジスト等の有機絶縁材料や、酸化シリコンのような無機絶縁材料を用いて形成されるものである。
【００９６】
有機層６は、例えば図９に示すように、素子形成用基板３側から順に、正孔注入層６１、正孔輸送層６２、発光層６３及び電子輸送層６４を積層した４層の積層構造を有するものである。
【００９７】
正孔注入層６１は、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ〔4,4,4 -tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine〕によって形成されるものである。正孔輸送層６２は、例えば、α−ＮＰＤ[4,4-bis(N-1-naphthyl-N-phenylamino)biphenyl]によって形成されるものである。なお、材料はこれに限定されず、例えばベンジジン誘導体、スチリルアミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、ヒドラゾン誘導体などの正孔輸送材料を用いることができる。また、正孔注入層６１及び正孔輸送層６２は、それぞれ複数層からなる積層構造であってもよい。
【００９８】
発光層６３は、ＲＧＢの色成分ごとに異なる有機発光材料によって形成されるものである。具体的には、赤色発光層６３ｒは、例えば、ホスト材料となるＡＤＮに、ドーパント材料として２，６≡ビス［（４’≡メトキシジフェニルアミノ）スチリル］≡１，５≡ジシアノナフタレン（ＢＳＮ）を３０重量％混合したものにより構成される。緑色発光層６３ｇは、例えば、ホスト材料となるＡＤＮに、ドーパント材料としてクマリン６を５重量％混合したものにより構成される。青色発光層６３ｂは、例えば、ゲスト材料となるＡＤＮに、ドーパント材料として４，４’≡ビス［２≡｛４≡（Ｎ，Ｎ≡ジフェニルアミノ）フェニル｝ビニル］ビフェニル（ＤＰＡＶＢｉ）を２．５重量％混合したものにより構成される。各色の発光層６３ｒ，６３ｇ，６３ｂは、画素の色配列に応じてマトリクス状に配置される。
【００９９】
電子輸送層６４は、例えば、８≡ヒドロキシキノリンアルミニウム（Ａｌｑ3 ）によって形成されるものである。
【０１００】
上部電極７は、有機ＥＬ表示装置１が上面発光型である場合は、透明又は半透明の導電性材料で構成され、有機ＥＬ表示装置１が透過型である場合は、高反射性材料で構成される。
【０１０１】
以上の素子形成用基板３、下部電極４、絶縁層５、有機層６、上部電極７により、有機ＥＬ素子２（赤色有機ＥＬ素子２ｒ、緑色有機ＥＬ素子２ｇ、青色有機ＥＬ素子２ｂ）が構成されている。
【０１０２】
保護層８は、上部電極７や有機層６への水分の到達を防止するなどの目的で形成されるものである。このため、保護層８は、透水性及び吸水性の低い材料を用いて十分な膜厚で形成される。また、保護層８は、有機ＥＬ表示装置１が上面発光型である場合には、有機層６で発光させた光を透過させる必要があるため、例えば８０％程度の光透過率を有する材料で構成される。
【０１０３】
また、上部電極７を金属薄膜で形成し、この金属薄膜の上に直接、絶縁性の保護層８を形成するものとすると、保護層８の形成材料として、無機アモルファス性の絶縁性材料、例えばアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）、アモルファス炭化シリコン（α−ＳｉＣ）、アモルファス窒化シリコン（α−Ｓｉ1-x Ｎx ）、さらにはアモルファスカーボン（α−Ｃ）等を好適に用いることができる。このような無機アモルファス性の絶縁性材料は、グレインを構成しないため透水性が低く、良好な保護層８となる。
【０１０４】
接着層９は、例えばＵＶ（紫外線）硬化型樹脂によって形成されるものである。接着層９は、対向基板１０を固着させるためのものである。
【０１０５】
なお、ここでの図示は省略したが、このような構成の有機ＥＬ表示装置１にカラーフィルタを組み合わせて設ける場合には、ＲＧＢの各色に対応する有機ＥＬ素子２ｒ，２ｇ，２ｂから発せられる発光のスペクトルのピーク波長近傍の光のみを透過するカラーフィルタを、各色の有機ＥＬ素子２ｒ，２ｇ，２ｂの光取り出し面側に設けることとする。
【０１０６】
＜適用例＞
上記構成からなる有機ＥＬ表示装置１は、図１０〜図１４に示す様々な電子機器、例えば、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯端末装置、ビデオカメラなど、電子機器に入力された映像信号、若しくは、電子機器内で生成した映像信号を、画像若しくは映像として表示するあらゆる分野の電子機器に適用可能である。
【０１０７】
図１０は第１適用例となるテレビを示す斜視図である。本適用例に係るテレビは、フロントパネル１０２やフィルターガラス１０３等から構成される映像表示画面部１０１を含み、その映像表示画面部１０１に上記の有機ＥＬ表示装置１を適用可能である。
【０１０８】
図１１は第２適用例となるデジタルカメラを示す図であり、（Ａ）は表側から見た斜視図、（Ｂ）は裏側から見た斜視図である。本適用例に係るデジタルカメラは、フラッシュ用の発光部１１１、表示部１１２、メニュースイッチ１１３、シャッターボタン１１４等を含み、その表示部１１２に上記の有機ＥＬ表示装置１を適用可能である。
【０１０９】
図１２は第３適用例となるノート型パーソナルコンピュータを示す斜視図である。本適用例に係るノート型パーソナルコンピュータは、本体１２１に、文字等を入力するとき操作されるキーボード１２２、画像を表示する表示部１２３等を含み、その表示部１２３に上記の有機ＥＬ表示装置１を適用可能である。
【０１１０】
図１３は第４適用例となるビデオカメラを示す斜視図である。本適用例に係るビデオカメラは、本体部１３１、前方を向いた側面に被写体撮影用のレンズ１３２、撮影時のスタート／ストップスイッチ１３３、表示部１３４等を含み、その表示部１３４に上記の有機ＥＬ表示装置１を適用可能である。
【０１１１】
図１４は第５適用例となる携帯端末装置、例えば携帯電話機を示す図であり、（Ａ）は開いた状態での正面図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）は閉じた状態での正面図、（Ｄ）は左側面図、（Ｅ）は右側面図、（Ｆ）は上面図、（Ｇ）は下面図である。本適用例に係る携帯電話機は、上側筐体１４１、下側筐体１４２、連結部（ここではヒンジ部）１４３、ディスプレイ１４４、サブディスプレイ１４５、ピクチャーライト１４６、カメラ１４７等を含み、そのディスプレイ１４４やサブディスプレイ１４５に上記の有機ＥＬ表示装置１を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ光照射装置の構成例を示す概略図である。
【図２】本発明に係るレーザ制御方法を適用せずにＡＰＣ制御を行なった場合の各項目の時間変化を模式的に示す図（その１）である。
【図３】本発明に係るレーザ制御方法を適用せずにＡＰＣ制御を行なった場合の各項目の時間変化を模式的に示す図（その２）である。
【図４】本発明に係るレーザ制御方法（第１のレーザ制御方法）を適用してＡＰＣ制御を行なった場合の各項目の時間変化を模式的に示す図（その１）である。
【図５】本発明に係るレーザ制御方法（第１のレーザ制御方法）を適用してＡＰＣ制御を行なった場合の各項目の時間変化を模式的に示す図（その２）である。
【図６】本発明に係るレーザ制御方法（第２のレーザ制御方法）を適用してＡＰＣ制御を行なった場合の各項目の時間変化を模式的に示す図（その１）である。
【図７】本発明に係るレーザ制御方法（第２のレーザ制御方法）を適用してＡＰＣ制御を行なった場合の各項目の時間変化を模式的に示す図（その２）である。
【図８】本発明に係る表示装置の製造方法によって得られる表示装置の一例として、有機ＥＬ表示装置の構成を示す断面図である。
【図９】有機ＥＬ素子の積層構造の一例を示す断面図である。
【図１０】第１適用例となるテレビを示す斜視図である。
【図１１】第２適用例となるデジタルカメラを示す図である。
【図１２】第３適用例となるノート型パーソナルコンピュータを示す斜視図である。
【図１３】第４適用例となるビデオカメラを示す斜視図である。
【図１４】第５適用例となる携帯端末装置を示す図である。
【図１５】半導体レーザのＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図１６】半導体レーザの温度とＩ−Ｌ特性の関係を説明する図である。
【図１７】半導体レーザの立ち上がり直後の発光強度変化を示す図である。
【図１８】半導体レーザを用いた光学系の構成例を示す図である。
【図１９】ビームサンプラの透過率の分光特性例を示す図である。
【図２０】フォトディテクタの受光感度の分光特性例を示す図である。
【図２１】半導体レーザを用いた光学系の他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１４０１…システム制御回路、１４０４…ペルチェ駆動回路、１４０５…ＡＰＣ制御回路、１４０７…ペルチェ素子、１４０８…半導体レーザ、１４１０…ビームサンプラ、１４１２…フォトディテクタ
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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