(57)【要約】【課題】高い効率での波長変換を可能とする波長変換素子、その波長変換素子を用いる光源装置、プロジェクタ及びモニタ装置を提供すること。【解決手段】第１面１５と、第１面１５とは反対側に設けられた第２面１６と、を有し、第１面１５及び第２面１６の間を透過する光の波長を変換させ、第１面１５及び第２面１６の少なくとも一方は、凸形状をなす凸面を備え、凸面は、第１方向、及び第１方向に略直交する第２方向のうち、第１方向について曲率を有する曲面であって、第１面１５及び第２面１６の間で光を収束させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、前記第１面とは反対側に設けられた第２面と、を有し、前記第１面及び前記第２面の間を透過する光の波長を変換させ、
前記第１面及び前記第２面の少なくとも一方は、凸形状をなす凸面を備え、
前記凸面は、前記第１面及び前記第２面の間で光を収束させることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記凸面は、第１方向、及び前記第１方向に略直交する第２方向のうち、前記第１方向について曲率を有する曲面であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記凸面は、第１方向、及び前記第１方向に略直交する第２方向について曲率を有する曲面であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記第１面及び前記第２面は、前記凸面を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記第１面に設けられた前記凸面、及び前記第２面に設けられた前記凸面は、略同じ形状をなすことを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記第１面は、前記凸面を備え、
前記第２面は、凹形状をなす凹面を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記第１面は、前記凸面を備え、
前記第２面は、平面を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記第１面及び前記第２面は、光を発散させる光学系を構成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項９】
第１波長の光を射出する光源部と、
前記光源部に設けられ、前記第１波長の光を反射する第１反射部と、
前記光源部からの前記第１波長の光を反射し、前記第１波長とは異なる波長である第２波長の光を透過させる第２反射部と、
前記光源部及び前記第２反射部の間の光路中に設けられ、前記光源部からの光の前記第１波長を前記第２波長へ変換させる波長変換素子と、を有し、
前記波長変換素子は、前記光源部側に設けられた第１面と、前記第２反射部側に設けられた第２面と、を有し、
前記第１面は、凸形状をなす凸面を備え、
前記凸面は、前記第１面及び前記第２面の間で光を収束させることを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
前記凸面は、前記第１面及び前記第２面の間の焦点を有することを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記凸面は、前記第２面上の焦点を有することを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記第２反射部は、前記第２面に設けられることを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記凸面は、前記波長変換素子の外部の焦点を有することを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
【請求項１４】
前記第２反射部は、前記焦点に設けられることを特徴とする請求項１３に記載の光源装置。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか一項に記載の光源装置を有し、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プロジェクタ。
【請求項１６】
請求項９〜１４のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光により照明された被写体を撮像する撮像部と、を有することを特徴とするモニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子、光源装置、プロジェクタ及びモニタ装置、特に、レーザ光の波長を変換する波長変換素子の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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。レーザ光源は、高出力化及び多色化に伴い、プロジェクタの光源として開発されている。プロジェクタの光源として従来用いられているＵＨＰランプと比較すると、レーザ光源は、高い色再現性、瞬時点灯が可能、長寿命である等の利点がある。レーザ光源は、光源からの基本波光をそのままの波長で射出するものの他、基本波光の波長を変換して射出するものが知られている。基本波光の波長を変換する波長変換素子として、例えば第二高調波発生（Second−Harmonic  Generation；ＳＨＧ）素子が知られている。ＳＨＧ素子を用いることで、容易に入手可能な汎用の光源を用いて、所望の波長かつ十分な光量のレーザ光を供給することが可能となる。
【０００３】
ＳＨＧ素子へ入射する入射光に対する波長変換効率は、一般に３０〜４０％程度であることが知られている。光源からの基本波光をＳＨＧ素子へ入射させるのみでは、光源の出力に対して、波長変換後の高調波光の光量が非常に小さくなってしまう。そこで、従来、共振器構造内の光路中にＳＨＧ素子を設ける技術が提案されている。ＳＨＧ素子が設けられた光路中にてレーザ光を往復させることで、波長変換効率を向上させる。例えば、非特許文献１のFig.5には、共振ミラーであるＶＢＧ（Volume  Bragg  Grating）とレーザ光源の間に、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の分極反転結晶（Periodically  Poled  Lithium  Niobate；ＰＰＬＮ）を配置する構成が示されている。
【０００４】
【非特許文献１】グレッグ・ニブン（Greg  Niven）他１名、「トレンズ・イン・レーザ・ライト・ソーシス・フォー・プロジェクション・ディスプレイ（Trends  in  Laser  Light  Sources  for  Projection  Display）」、[online]、ノバラックス（Novalux,  Inc.）、[平成１９年５月１４日検索]、インターネット＜URL:  http://www.novalux.com/assets/downloads/IDW%20Novalux%20Paper.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高効率かつ明るい画像を得るには、光源装置により高い効率で光を供給可能であることが望まれる。高い効率で光を供給するためには、従来の技術よりさらに高い波長変換効率を得られることが望ましい。本発明は、上述に鑑みてなされたものであり、高い効率での波長変換を可能とする波長変換素子、その波長変換素子を用いる光源装置、プロジェクタ及びモニタ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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る波長変換素子は、第１面と、第１面とは反対側に設けられた第２面と、を有し、第１面及び第２面の間を透過する光の波長を変換させ、第１面及び第２面の少なくとも一方は、凸形状をなす凸面を備え、凸面は、第１面及び第２面の間で光を収束させることを特徴とする。
【０００７】
波長変換素子は、通常、波長変換素子内を透過する光のエネルギー密度に略比例して、波長変換効率が向上することが知られている。凸面での屈折作用により第１面及び第２面の間で光を収束させることで、波長変換素子内を透過する光のエネルギー密度を高める。波長変換素子内を透過する光のエネルギー密度を高めることで、波長変換効率を向上させる。波長変換素子は、波長変換素子の長さ、及び凸面の形状を適宜設定することで、波長変換素子を配置する光源装置に容易に適合させることが可能である。また、他の光学素子を用いて光を収束させる場合と比較して、波長変換効率の低下を低減できる。これにより、高い効率での波長変換を可能とする波長変換素子を得られる。
【０００８】
また、本発明の好ましい態様としては、凸面は、第１方向、及び第１方向に略直交する第２方向のうち、第１方向について曲率を有する曲面であることが望ましい。これにより、容易に形成可能な構成により光を収束させることができる。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様としては、凸面は、第１方向、及び第１方向に略直交する第２方向について曲率を有する曲面であることが望ましい。二方向について光を収束させることで、さらに高い効率での波長変換が可能になる。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様としては、第１面及び第２面は、凸面を備えることが望ましい。第１面から入射した光は、第１面及び第２面の間の焦点を通過した後、第２面から射出する。これにより、第１面及び第２面の間で光を収束させることができる。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様としては、第１面に設けられた凸面、及び第２面に設けられた凸面は、略同じ形状をなすことが望ましい。これにより、波長変換素子を容易に製造することができる。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様としては、第１面は、凸面を備え、第２面は、凹形状をなす凹面を備えることが望ましい。第１面から入射した光は、第１面及び第２面の間で収束した後、第２面から射出する。これにより、第１面及び第２面の間で光を収束させることができる。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様としては、第１面は、凸面を備え、第２面は、平面を備えることが望ましい。第１面から入射した光は、第１面及び第２面の間で収束した後、第２面から射出する。これにより、容易に形成可能な構成により、第１面及び第２面の間で光を収束させることができる。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様としては、第１面及び第２面は、光を発散させる光学系を構成することが望ましい。これにより、サーマルレンズ効果を持つ光源部と波長変換素子とを組み合わせる場合に、平行光を射出させる構成にできる。
【００１５】
さらに、本発明に係る光源装置は、第１波長の光を射出する光源部と、光源部に設けられ、第１波長の光を反射する第１反射部と、光源部からの第１波長の光を反射し、第１波長とは異なる波長である第２波長の光を透過させる第２反射部と、光源部及び第２反射部の間の光路中に設けられ、光源部からの光の第１波長を第２波長へ変換させる波長変換素子と、を有し、波長変換素子は、光源部側に設けられた第１面と、第２反射部側に設けられた第２面と、を有し、第１面は、凸形状をなす凸面を備え、凸面は、第１面及び第２面の間で光を収束させることを特徴とする。これにより、高い波長変換効率により高い効率で光を供給することが可能な光源装置を得られる。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様としては、凸面は、第１面及び第２面の間の焦点を有することが望ましい。これにより、第１面及び第２面の間で光を収束させることができる。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様としては、凸面は、第２面上の焦点を有することが望ましい。これにより、第１面及び第２面の間で光を収束させることができる。
【００１８】
また、本発明の好ましい態様としては、第２反射部は、第２面に設けられることが望ましい。第１波長の光の焦点に第２反射部を設けることで、第１反射部及び第２反射部の間で往復させる光の拡散を低減できる。また、第２面に第２反射部を設けることで、波長変換素子と第２反射部との間における光の損失を低減できる。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様としては、凸面は、波長変換素子の外部の焦点を有することが望ましい。これにより、第１面及び第２面の間で光を収束させることができる。
【００２０】
また、本発明の好ましい態様としては、第２反射部は、焦点に設けられることが望ましい。第１波長の光の焦点に第２反射部を設けることで、第１反射部及び第２反射部の間で往復させる光の拡散を低減できる。
【００２１】
さらに、本発明に係るプロジェクタは、上記の光源装置を有し、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。上記の光源装置を用いることで、高い波長変換効率により高い効率で光を供給することができる。これにより、高い効率で明るい画像を表示することが可能なプロジェクタを得られる。
【００２２】
さらに、本発明に係るモニタ装置は、上記の光源装置と、光源装置からの光により照明された被写体を撮像する撮像部と、を有することを特徴とする。上記の光源装置を用いることで、高い効率で被写体を照明することができる。これにより、高い効率で明るい像をモニタすることが可能なモニタ装置を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明の実施例１に係る光源装置１０の概略断面構成を示す。光源装置１０は、半導体素子１１、ＳＨＧ素子１４、及び体積ホログラム１７を有する半導体レーザである。半導体素子１１、ＳＨＧ素子１４、及び体積ホログラム１７は、図中Ｚ軸に沿って並列している。Ｘ軸は、Ｚ軸に垂直な軸である。Ｙ軸は、Ｚ軸及びＸ軸に垂直な軸である。半導体素子１１は、ＸＹ平面上に配置されている。
【００２５】
半導体素子１１は、Ｚ軸方向へ第１波長の基本波光を射出する光源部であって、例えば、面発光型の半導体素子である。第１波長は、例えば１０６４ｎｍである。半導体素子１１は、ミラー層１２、及びミラー層１２に積層された活性層１３を有する。ミラー層１２は、第１波長の光を反射する第１反射部である。ミラー層１２は、高屈折率の誘導体と低屈折率の誘導体の積層体によって構成されている。ミラー層１２の積層構造は、第１波長に対して最適化され、基本波光が干渉し強め合う条件に設定されている。活性層１３は、不図示の電流供給部から所定量の電流が供給されることにより、第１波長の基本波光を射出する。
【００２６】
ＳＨＧ素子１４は、第１波長の基本波光を入射させることにより、第２波長の高調波光を発生させる。ＳＨＧ素子１４は、半導体素子１１からの光の第１波長を第２波長へ変換する波長変換素子である。ＳＨＧ素子１４は、半導体素子１１及び体積ホログラム１７の間の光路中に設けられている。第２波長は、第１波長の半分の波長であって、例えば５３２ｎｍである。ＳＨＧ素子１４としては、例えば、非線形光学結晶を用いることができる。非線形光学結晶としては、例えば、ＰＰＬＮを用いることができる。ＳＨＧ素子１４は、基本波光の第１波長に対応するピッチの分極反転構造を有する。
【００２７】
ＳＨＧ素子１４は、第１面１５、及び第２面１６を有する。第１面１５は、半導体素子１１側に設けられている。第２面１６は、第１面１５とは反対側であって、体積ホログラム１７側に設けられている。第１面１５、及び第２面１６のいずれも、凸形状をなす凸面である。第１面１５、及び第２面１６は、図示するＹＺ断面において略同一の曲率半径を持つ曲面である。ＳＨＧ素子１４は、第１面１５及び第２面１６の間を透過する基本波光の波長を変換させる。
【００２８】
図２は、ＳＨＧ素子１４の斜視構成を示す。ＳＨＧ素子１４は、直方体のうち互いに対向する２つの面を凸形状に変形させた形状をなす。第１面１５は、第１方向であるＹ方向、及び第１方向に略直交する第２方向であるＸ方向のうち、Ｙ方向について曲率を有する曲面であって、シリンドリカルレンズと同様の形状をなす。第２面１６は、第１面１５と略同じ形状をなす。ＳＨＧ素子１４のＺ軸方向への長さは、例えば５ｍｍとする。第１面１５、第２面１６は、例えば曲率半径を１．３４ｍｍとする。
【００２９】
図１に戻って、体積ホログラム１７は、第１波長の光を選択的に反射し、第１波長とは異なる波長（第２波長を含む）の光を透過させる第２反射部である。体積ホログラム１７には、二方向から入射させた入射光によって生じた干渉縞が記録されている。干渉縞は、高屈折率部分と低屈折率部分とが周期的に配列された周期構造として記録される。体積ホログラム１７は、かかる干渉縞とブラッグ条件が適合する光のみを、回折により選択的に反射させる。
【００３０】
ミラー層１２及び体積ホログラム１７は、半導体素子１１からの基本波光を共振させる共振器を構成する。体積ホログラム１７は、高い波長選択性を持つため、基本波光の狭帯域化に適している。光源装置１０は、体積ホログラム１７により基本波光を狭帯域化させることで、高い効率でレーザ光を供給できる。体積ホログラム１７としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等の結晶により形成された結晶型の体積ホログラムや、フォトポリマからなるフォトポリマ体積ホログラムを用いることができる。
【００３１】
半導体素子１１からの基本波光は、略平行に進行する。ＳＨＧ素子１４の第１面１５へ入射した光は、第１面１５で屈折作用を受ける。第１面１５は、第１面１５及び第２面１６の中間付近の焦点を有する。ＳＨＧ素子１４内を透過した光は、第２面１６での屈折作用により平行化される。第１面１５の後側焦点位置と、第２面１６の前側焦点位置とは、略一致する。第１面１５及び第２面１６は、ケプラー式望遠鏡タイプのアフォーカル光学系を構成する。アフォーカル光学系を採用することで、平行光としてＳＨＧ素子１４へ入射した光を平行光として射出できる。
【００３２】
ＳＨＧ素子１４で生じた高調波光は、体積ホログラム１７を透過する。体積ホログラム１７を透過した高調波光は、光源装置１０外へ向けて射出される。第１面１５側からＳＨＧ素子１４を透過した基本波光は、体積ホログラム１７で反射する。体積ホログラム１７に対して略垂直に入射した基本波光は、体積ホログラム１７で反射した後、体積ホログラム１７へ入射したときと略同じ光路を逆に辿る。体積ホログラム１７で反射した基本波光は、第２面１６側からＳＨＧ素子１４へ入射する。ＳＨＧ素子１４の第２面１６へ入射した光は、第１面１５側からＳＨＧ素子１４へ入射したときと略同じ光路を逆に辿ってＳＨＧ素子１４を透過する。ＳＨＧ素子１４は、第１面１５及び第２面１６を凸面とすることで、第１面１５及び第２面１６の間で光を収束させる。
【００３３】
ＳＨＧ素子１４の第１面１５から射出した光は、平行光となって半導体素子１１へ入射する。半導体素子１１へ入射した基本波光は、ミラー層１２で反射し、半導体素子１１から射出する。ミラー層１２及び体積ホログラム１７により反射された基本波光は、活性層１３により新たに射出される基本波光と共振して増幅される。なお、ＳＨＧ素子１４を透過する光は、図示するＹＺ断面では収束するのに対して、ＸＺ断面では屈折作用を受けず平行光のまま進行する。
【００３４】
第１面１５の凸面、及び第２面１６の凸面を略同じ形状とすることで、ＳＨＧ素子１４を容易に製造することができる。さらに、第１面１５の凸面、及び第２面１６の凸面について、適切な半径を選定することで、半導体素子１１及び体積ホログラム１７間において略同じ光路にて基本波光を往復させることができる。よって、半導体素子１１及び体積ホログラム１７間で往復させる基本波光の拡散による損失を低減できる。
【００３５】
第１面１５及び第２面１６の間で光を収束させることで、第１面１５及び第２面１６間にて平行光のまま光を透過させる場合と比較して、ＳＨＧ素子１４全体での光のエネルギー密度を高めることができる。ＹＺ面内において第１面１５及び第２面１６の中間付近で焦点を形成することで、光のエネルギー密度は、平行光のまま光を透過させる場合と比較して、ＳＨＧ素子１４全体として約２倍となる。ＳＨＧ素子１４内を透過する光のエネルギー密度を高めることで、波長変換効率を向上させる。
【００３６】
通常、光源装置１０内でＳＨＧ素子１４を配置できるスペースは限られている。仮に、レンズ等の他の光学素子を用いて光を収束させる場合、かかる光学素子を設ける分、ＳＨＧ素子１４を小型にする必要がある。ＳＨＧ素子１４は、光を透過させるＺ軸方向へ長いほど、波長変換効率を高くすることができる。このため、他の光学素子を設ける分、波長変換効率が低下することになる。本発明では、第１面１５、第２面１６を用いて光を収束させるため、他の光学素子を不要とすることでＳＨＧ素子１４の長さを十分確保可能とし、高い波長変換効率を実現できる。
【００３７】
光源装置１０は、ＳＨＧ素子１４で光を収束させるための光学素子を不要とすることで、半導体素子１１及び体積ホログラム１７間で光が往復する間に通過する界面の数を少なくできる。よって、界面での反射による光の損失も低減できる。以上により、高い効率での波長変換を可能とし、高い効率で光を供給できるという効果を奏する。
【００３８】
例えば、ＳＨＧ素子１４は、ＰＰＬＮを所望の形状に切削することにより形成できる。一方向について曲率を有する曲面は、比較的容易に形成できる。凸面は、Ｙ方向について曲率を有するのみならず、Ｘ方向について曲率を有しても良く、Ｘ方向、Ｙ方向の双方について曲率を有しても良い。Ｘ方向及びＹ方向について曲率を有する凸面については、後述する。凸面の形状は、第１面１５及び第２面１６の間で光を収束させることが可能であれば良く、適宜変更しても良い。例えば、凸面は、一定の曲率を有する曲面である場合に限られず、一定の曲率を持たない自由曲面であっても良い。さらに、凸面は、曲面である場合に限られず、複数の平面を組み合わせたものであっても良い。第２反射部は、基本波光を選択的に反射させる波長特性を持つものであれば良く、体積ホログラム１７を用いる場合に限られない。第２反射部としては、例えば、ダイクロイックミラーを用いても良い。半導体素子１１及びＳＨＧ素子１４の間の光路中には、必要に応じて、偏光選択用フィルタ、波長選択用フィルタ等の光学素子を設けても良い。
【００３９】
ＳＨＧ素子１４は、分極反転構造に対してＳＨＧ素子１４を透過する光の進行方向が斜めになるほど、波長変換効率を低下させてしまう。このため、ＳＨＧ素子１４内を斜めに進行する光の成分をできるだけ少なくするために、第１面１５、第２面１６での光の屈折度合いをできるだけ小さくすることが望ましい。ＳＨＧ素子１４は、例えば、第１面１５、第２面１６により光を最大で数度程度屈折させる構成とすることで、ＳＨＧ素子１４内を斜めに進行する光の成分による波長変換効率への影響を少なくすることができる。
【００４０】
図３−１は、本実施例の変形例１に係る光源装置２０の概略断面構成を示す。本変形例の光源装置２０は、サーマルレンズ効果を持つ半導体素子２１を備える。半導体素子２１の活性層１３は、電流供給、及びレーザ光の照射により局所的に温度が上昇する。サーマルレンズ効果は、局所的な温度上昇からレーザ結晶に屈折率分布が生じる現象である。半導体素子２１は、サーマルレンズ効果により、若干収束ぎみの基本波光を射出する。なお、図中活性層１３内には、サーマルレンズのイメージを示している。
【００４１】
半導体素子２１からの光は、第１面１５で屈折作用を受ける。第１面１５の焦点は、図１に示す場合よりも若干第１面１５側の位置となる。第２面１６からＳＨＧ素子１４を射出した光は、半導体素子２１から射出するときと同じ程度収束しながら進行する。アフォーカル光学系を採用することで、ＳＨＧ素子１４へ入射する光の角度とＳＨＧ素子１４から射出する光の角度を略一致させることができる。第２面１６から収束しながら進行した光は、ＳＨＧ素子１４外部の所定の位置に焦点であるビームウェストを形成する。体積ホログラム１７は、かかるビームウェストの位置に設けられている。
【００４２】
ビームウェストの位置に体積ホログラム１７を設けることで、体積ホログラム１７に対して略垂直に光を入射させることができる。体積ホログラム１７で反射した基本波光は、体積ホログラム１７へ入射したときと略同じ光路を逆に辿り、半導体素子２１の方向へ進行する。よって、半導体素子２１及び体積ホログラム１７間で往復させる基本波光の拡散による損失を低減できる。体積ホログラム１７を透過した高調波光は、体積ホログラム１７から若干拡散しながら、光源装置２０外へ向けて射出される。本変形例の場合も、高い効率で波長変換ができる。
【００４３】
図３−２は、本実施例の変形例２に係る光源装置２５のＹＺ断面構成、及びＸＺ断面構成を示す。本変形例において、第１面１５及び第２面１６は、完全なアフォーカル系とは異なる光学系であって、光を若干発散させる光学系を構成する。ＹＺ面内において、半導体素子２１からの光は、上記変形例１の場合と同様に、第１面１５及び第２面１６の中間よりも若干第１面１５側の位置で焦点を形成する。サーマルレンズ効果により若干収束しながら進行した光は、第２面１６において平行化される。ＹＺ面内において、ＳＨＧ素子１４は、体積ホログラム１７へ向けて平行光を射出する。体積ホログラム１７を透過した高調波光は、平行光のまま光源装置２５外へ向けて射出される。このように、光を発散させる光学系を用いることで、サーマルレンズ効果を持つ光源部を用いる場合に、平行光を射出させることができる。
【００４４】
ＸＺ面内において、半導体素子２１からの基本波光は、サーマルレンズ効果により若干収束しながらＳＨＧ素子１４へ入射する。ＳＨＧ素子１４へ入射した光は、第１面１５、第２面１６では屈折作用は受けず、そのまま収束しながら進行する。収束しながら進行した光は、体積ホログラム１７内にて、焦点であるビームウェストを形成する。体積ホログラム１７で反射した基本波光は、体積ホログラム１７へ入射するときと略同じ光路を逆に辿って半導体素子２１の方向へ進行する。よって、半導体素子２１及び体積ホログラム１７の間で往復させる基本波光の拡散による損失を低減できる。
【００４５】
体積ホログラム１７を透過した高調波光は、ＸＺ面内において、体積ホログラム１７から若干拡散しながら、光源装置２５外へ向けて射出される。本変形例の場合も、高い効率で波長変換ができる。本変形例においても、第１面１５の凸面、及び第２面１６の凸面について適切な半径を選定することにより、第１面１５の凸面、及び第２面１６の凸面を略同じ形状とすることができる。ＳＨＧ素子１４は、ＳＨＧ素子１４の長さ、及び凸面の形状を適宜設定することで、光源装置１０、２０、２５の構成に容易に適合させることが可能である。
【実施例２】
【００４６】
図４は、本発明の実施例２に係る光源装置３０の概略断面構成を示す。本実施例の光源装置３０は、ＳＨＧ素子３１の第２面３２が、凹形状の凹面であることを特徴とする。上記実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。第２面３２は、第１面１５とは反対側であって、体積ホログラム１７側に設けられている。ＳＨＧ素子３１は、第１面１５及び第２面３２の間を透過する基本波光の波長を変換させる。第２面３２は、Ｙ方向について曲率を有する曲面である。
【００４７】
図５は、ＳＨＧ素子３１における光の振舞いを説明するものである。半導体素子１１からの平行光は、第１面１５での屈折作用により収束する。ＳＨＧ素子３１内を透過した光は、第２面３２での屈折作用により平行化される。第１面１５の後側焦点位置と、第２面３２の後側焦点位置とは、略一致する。第１面１５及び第２面３２は、ガリレオ式望遠鏡タイプのアフォーカル光学系を構成する。第２面３２から射出する光は、半導体素子１１から射出する光と比較して、ＳＨＧ素子３１内で収束する分狭められている。体積ホログラム１７で反射した基本波光は、体積ホログラム１７へ入射するときと略同じ光路を逆に辿って半導体素子１１の方向へ進行する。本実施例でも第１面１５及び第２面３２の間で光を収束させることで、高い効率で波長変換ができる。本実施例においても、サーマルレンズ効果を持つ光源部を用いる場合、第１面１５及び第２面３２は、光を発散させる光学系を構成するものとしても良い。第２面３２の凹面は、各実施例で説明する凸面と同様に適宜変形しても良い。例えば、凹面は、Ｘ方向及びＹ方向の双方について曲率を有しても良い。
【実施例３】
【００４８】
図６は、本発明の実施例３に係る光源装置４０の概略断面構成を示す。本実施例の光源装置４０は、ＳＨＧ素子４１の第２面４２に設けられた波長選択ミラー層４３を有することを特徴とする。上記実施例１、２と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。第２面４２は、ＸＹ平面に略平行な平面である。第２面４２は、第１面１５とは反対側であって、波長選択ミラー層４３側に設けられている。ＳＨＧ素子４１は、第１面１５及び第２面４２の間を透過する基本波光の波長を変換させる。
【００４９】
波長選択ミラー層４３は、第１波長の光を選択的に反射し、第１波長とは異なる波長（第２波長を含む）の光を透過させる第２反射部である。波長選択ミラー層４３は、例えば、誘電体多層膜により構成されている。誘電体多層膜は、例えばＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）によって形成することが可能である。多層膜を構成する各層の厚さ、各層の材料、層の数は、求められる特性に応じて最適化される。
【００５０】
半導体素子１１からの平行光は、第１面１５での屈折作用により収束する。ＳＨＧ素子４１内を透過した光は、第２面４２の位置にて、焦点であるビームウェストを形成する。ビームウェストの位置に波長選択ミラー層４３を設けることで、波長選択ミラー層４３に対して略垂直に光を入射させることができる。波長選択ミラー層４３で反射した基本波光は、波長選択ミラー層４３へ入射するときと略同じ光路を逆に辿って半導体素子１１の方向へ進行する。よって、半導体素子１１及び波長選択ミラー層４３の間で往復させる基本波光の拡散による損失を低減できる。
【００５１】
波長選択ミラー層４３を透過した高調波光は、波長選択ミラー層４３から若干拡散しながら、光源装置４０外へ向けて射出される。第２面４２に波長選択ミラー層４３を設けることで、ＳＨＧ素子４１と波長選択ミラー層４３との間における光の損失を低減できる。光源装置４０は、第２面４２を平面とすることで、容易に形成可能な構成により、第１面１５及び第２面４２の間で光を収束させることができる。これにより、本実施例においても、高い効率で波長変換ができる。
【００５２】
図７は、本実施例の変形例１に係る光源装置４５の概略断面構成を示す。本変形例の光源装置４５は、サーマルレンズ効果を持つ半導体素子２１を備える。半導体素子２１は、サーマルレンズ効果により、若干収束ぎみの基本波光を射出する。半導体素子２１からの光は、第１面１５で屈折作用を受けてさらに収束する。ＳＨＧ素子４１を透過した光は、第２面４２の位置にて、焦点であるビームウェストを形成する。本変形例の場合も、高い効率で波長変換ができる。ＳＨＧ素子４１は、ＳＨＧ素子４１の長さ、及び凸面の形状を適宜設定することで、ＳＨＧ素子４１を配置する光源装置４０、４５の構成に容易に適合させることが可能である。
【００５３】
図８は、本実施例の変形例２に係る光源装置４８の概略断面構成を示す。本変形例の光源装置４８は、凸面である第２面１６に波長選択ミラー層４３が設けられている。本変形例の場合も、高い効率で波長変換ができる。波長選択ミラー層４３は、凹面である第２面３２（図４参照）に設けることとしても良い。
【００５４】
上記各実施例のＳＨＧ素子は、半導体素子の構成に応じて適宜変形しても良い。図９に示すＳＨＧ素子５０は、複数の発光部を持つ半導体アレイ素子に対応させて構成されている。ＳＨＧ素子５０は、例えば、Ｘ方向へ並列された５本の光線に対応させて、Ｘ方向の幅が設定されている。第１面５１、第２面５２は、Ｘ方向及びＹ方向のうちＹ方向について曲率を有する曲面である。ＳＨＧ素子５０は、曲率を持たせた方向以外の方向であるＸ方向の幅を、半導体アレイ素子の幅に応じて設定できる。これにより、複数本の光線に容易に対応させることができる。
【００５５】
曲面は、Ｘ方向及びＹ方向のいずれか一方について曲率を有する場合に限られず、Ｘ方向及びＹ方向について曲率を有することとしても良い。図１０に示すＳＨＧ素子５５は、複数の光線に対応させて設けられた複数の凸面５８を有する。図１１の上面構成に示すように、凸面５８は、第１面５６上、及び第２面５７上にそれぞれ並列している。凸面５８は、Ｘ方向及びＹ方向について曲率を有する曲面であって、マイクロレンズと同様の形状をなす。
【００５６】
Ｘ方向及びＹ方向について曲率を有する凸面５８により、ＳＨＧ素子５５内を透過する光は、二方向について収束する。二方向について光を収束させることで、光のエネルギー密度は、平行光のまま光を透過させる場合と比較して、ＳＨＧ素子５０全体として略４倍となる。二方向について光を収束させることで、一方向について光を収束させる場合よりも光のエネルギー密度を向上させることができる。これにより、さらに高い効率での波長変換が可能となる。凸面５８の数は、光線の数に応じて適宜設定できる。ＳＨＧ素子は、Ｘ方向及びＹ方向について曲率を有する凸面を備える他、Ｘ方向及びＹ方向について曲率を有する凹面を備える構成としても良い。また、半導体アレイ素子に対応させて構成されたＳＨＧ素子についても、第２面を平面としても良い。上記各実施例の光源装置は、光源部として半導体素子を用いる他、半導体レーザ励起固体（Diode  Pumped  Solid  State；ＤＰＳＳ）レーザや、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ等を用いる構成としても良い。
【実施例４】
【００５７】
図１２は、本発明の実施例４に係るモニタ装置６０の概略構成を示す。モニタ装置６０は、装置本体６１と、光伝送部６２とを有する。装置本体６１は、上記実施例１の光源装置１０を備える。上記実施例１と重複する説明は省略する。光伝送部６２は、２つのライトガイド６４、６５を有する。光伝送部６２のうち被写体（不図示）側の端部には、拡散板６６及び結像レンズ６７が設けられている。第１ライトガイド６４は、光源装置１０からの光を被写体へ伝送する。拡散板６６は、第１ライトガイド６４の射出側に設けられている。第１ライトガイド６４内を伝播した光は、拡散板６６を透過することにより、被写体側にて拡散する。
【００５８】
第２ライトガイド６５は、被写体からの光をカメラ６３へ伝送する。結像レンズ６７は、第２ライトガイド６５の入射側に設けられている。結像レンズ６７は、被写体からの光を第２ライトガイド６５の入射面へ集光させる。被写体からの光は、結像レンズ６７により第２ライトガイド６５へ入射した後、第２ライトガイド６５内を伝播してカメラ６３へ入射する。
【００５９】
第１ライトガイド６４、第２ライトガイド６５としては、多数の光ファイバを束ねたものを用いることができる。光ファイバを用いることで、レーザ光を遠方へ伝送させることができる。カメラ６３は、装置本体６１内に設けられている。カメラ６３は、光源装置１０からの光により照明された被写体を撮像する撮像部である。第２ライトガイド６５から入射した光をカメラ６３へ入射させることで、カメラ６３による被写体の撮像ができる。上記実施例１の光源装置１０を用いることにより、高い効率で被写体を照明することができる。これにより、高い効率で明るい像をモニタできるという効果を奏する。なお、モニタ装置６０は、上記各実施例のいずれの光源装置を適用しても良い。
【実施例５】
【００６０】
図１３は、本発明の実施例５に係るプロジェクタ７０の概略構成を示す。プロジェクタ７０は、スクリーン８８へ光を射出し、スクリーン８８で反射する光を観察することで画像を鑑賞するフロント投写型のプロジェクタである。プロジェクタ７０は、赤色（Ｒ）光用光源装置８０Ｒ、緑色（Ｇ）光用光源装置８０Ｇ、青色（Ｂ）光用光源装置８０Ｂを有する。各色光用光源装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂは、上記実施例１の光源装置１０（図１参照）と同様の構成を有する。プロジェクタ７０は、各色光用光源装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂからの光を用いて画像を表示する。
【００６１】
Ｒ光用光源装置８０Ｒは、Ｒ光を供給する光源装置である。拡散素子８１は、照明領域の整形、拡大、照明領域におけるレーザ光の光量分布の均一化を行う。拡散素子８１としては、例えば、回折光学素子である計算機合成ホログラム（Computer  Generated  Hologram；ＣＧＨ）を用いることができる。フィールドレンズ８２は、拡散素子８１からのレーザ光を平行化させ、Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒへ入射させる。Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒは、Ｒ光用光源装置８０ＲからのＲ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム８４へ入射する。
【００６２】
Ｇ光用光源装置８０Ｇは、Ｇ光を供給する光源装置である。拡散素子８１及びフィールドレンズ８２を経たレーザ光は、Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇへ入射する。Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇは、Ｇ光用光源装置８０ＧからのＧ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇで変調されたＧ光は、クロスダイクロイックプリズム８４のうちＲ光が入射する面とは異なる面へ入射する。
【００６３】
Ｂ光用光源装置８０Ｂは、Ｂ光を供給する光源装置である。拡散素子８１及びフィールドレンズ８２を経たレーザ光は、Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂへ入射する。Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂは、Ｂ光用光源装置８０ＢからのＢ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂで変調されたＢ光は、クロスダイクロイックプリズム８４のうちＲ光が入射する面、及びＧ光が入射する面とは異なる面へ入射する。透過型液晶表示装置としては、例えば高温ポリシリコンＴＦＴ液晶パネル（High  Temperature  Polysilicon；ＨＴＰＳ）を用いることができる。
【００６４】
クロスダイクロイックプリズム８４は、互いに略直交させて配置された２つのダイクロイック膜８５、８６を有する。第１ダイクロイック膜８５は、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第２ダイクロイック膜８６は、Ｂ光を反射し、Ｒ光及びＧ光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム８４は、それぞれ異なる方向から入射したＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成し、投写レンズ８７の方向へ射出する。投写レンズ８７は、クロスダイクロイックプリズム８４で合成された光をスクリーン８８に向けて投写する。
【００６５】
上記の光源装置１０と同様の構成の各色光用光源装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂを用いることで、高い波長変換効率により高い効率で光を供給することができる。これにより、高い効率で明るい画像を表示できるという効果を奏する。なお、プロジェクタ７０は、上記各実施例のいずれの光源装置と同様の構成の各色光用光源装置を適用しても良い。
【００６６】
プロジェクタは、空間光変調装置として透過型液晶表示装置を用いる場合に限られない。空間光変調装置としては、反射型液晶表示装置（Liquid  Crystal  On  Silicon；ＬＣＯＳ）、ＤＭＤ（Digital  Micromirror  Device）、ＧＬＶ（Grating  Light  Valve）等を用いても良い。プロジェクタは、色光ごとに空間光変調装置を備える構成に限られない。プロジェクタは、一の空間光変調装置により２つ又は３つ以上の色光を変調する構成としても良い。プロジェクタは、空間光変調装置を用いる場合に限られない。プロジェクタは、ガルバノミラー等の走査手段により光源装置からのレーザ光を走査させ、被照射面において画像を表示するレーザスキャン型のプロジェクタであっても良い。プロジェクタは、画像情報を持たせたスライドを用いるスライドプロジェクタであっても良い。プロジェクタは、スクリーンの一方の面に光を供給し、スクリーンの他方の面から射出される光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるリアプロジェクタであっても良い。
【００６７】
本発明の光源装置は、モニタ装置やプロジェクタに適用される場合に限られない。本発明の光源装置は、例えば、レーザ光を用いて露光を行う露光装置やレーザ加工装置等の光学系に用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
以上のように、本発明に係る光源装置は、モニタ装置やプロジェクタに用いる場合に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施例１に係る光源装置の概略断面構成を示す図。
【図２】ＳＨＧ素子の斜視構成を示す図。
【図３−１】実施例１の変形例１に係る光源装置の概略断面構成を示す図。
【図３−２】実施例１の変形例２に係る光源装置のＹＺ、ＸＺ断面構成を示す図。
【図４】本発明の実施例２に係る光源装置の概略断面構成を示す図。
【図５】ＳＨＧ素子における光の振舞いを説明する図。
【図６】本発明の実施例３に係る光源装置の概略断面構成を示す図。
【図７】実施例３の変形例１に係る光源装置の概略断面構成を示す図。
【図８】実施例３の変形例２に係る光源装置の概略断面構成を示す図。
【図９】半導体アレイ素子に対応させたＳＨＧ素子を示す図。
【図１０】複数の凸面を有するＳＨＧ素子を示す図。
【図１１】ＳＨＧ素子の上面構成を示す図。
【図１２】本発明の実施例４に係るモニタ装置の概略構成を示す図。
【図１３】本発明の実施例５に係るプロジェクタの概略構成を示す図。
【符号の説明】
【００７０】
１０  光源装置、１１  半導体素子、１２  ミラー層、１３  活性層、１４  ＳＨＧ素子、１５  第１面、１６  第２面、１７  体積ホログラム、２０  光源装置、２１  半導体素子、２５  光源装置、３０  光源装置、３１  ＳＨＧ素子、３２  第２面、４０  光源装置、４１  ＳＨＧ素子、４２  第２面、４３  波長選択ミラー層、４５  光源装置、４８  光源装置、５０  ＳＨＧ素子、５１  第１面、５２  第２面、５５  ＳＨＧ素子、５６  第１面、５７  第２面、５８  凸面、６０  モニタ装置、６１  装置本体、６２  光伝送部、６３  カメラ、６４  第１ライトガイド、６５  第２ライトガイド、６６  拡散板、６７  結像レンズ、７０  プロジェクタ、８０Ｒ  Ｒ光用光源装置、８０Ｇ  Ｇ光用光源装置、８０Ｂ  Ｂ光用光源装置、８１  拡散素子、８２  フィールドレンズ、８３Ｒ  Ｒ光用空間光変調装置、８３Ｇ  Ｇ光用空間光変調装置、８３Ｂ  Ｂ光用空間光変調装置、８４  クロスダイクロイックプリズム、８５  第１ダイクロイック膜、８６  第２ダイクロイック膜、８７  投写レンズ、８８  スクリーン
【図１】
2008310102.tif 000003
【図２】
2008310102.tif 000004
【図３−１】
2008310102.tif 000005
【図３−２】
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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】
2008310102.tif 000012
【図１０】
2008310102.tif 000013
【図１１】
2008310102.tif 000014
【図１２】
2008310102.tif 000015
【図１３】
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