JP2004212522A

JP2004212522A - レーザー光源モジュール装置および映像表示装置

Info

Publication number: JP2004212522A
Application number: JP2002380283A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Higuchi; 和人樋口; Takashi Togasaki; 隆栂嵜; Jun Karasawa; 純唐沢; Kazuyoshi Fuse; 一義布施
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】耐湿性に優れ、安全性が高く、小型・軽量であり、しかもモジュール交換作業が容易なレーザー光源モジュール装置を提供する。
【解決手段】一組のレーザー光線発生装置１０１と光束変換装置１１１とを、レーザー光線発生装置から発生されるレーザー光線を遮蔽可能で、かつ外気の浸入を遮断可能な外囲器１４１で覆うとともに外囲器内に不活性気体を充填し、さらに、励起用ファイバ１２１を、レーザー光線を遮蔽可能で、かつ外気の浸入を遮断可能な金属管１３１で覆うとともに金属管内に不活性気体を充填する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光を光源としてスクリーンに映像を表示する映像表示装置用のレーザー光源モジュール装置に係り、特に取扱いが容易で、安全性、耐候性に優れたレーザー光源モジュール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光線を光源としてスクリーンに映像を表示する映像表示装置として、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のそれぞれ独立した単色レーザー光源から出力されたそれぞれのレーザー光線を、ライトバルブである透過型液晶パネルで画像変調して画像光を得たのち、ダイクロイックミラーによりそれぞれの画像光を合成して得られる映像をスクリーンに映し出す表示装置が、既に実用化されている。
【０００３】
上述した映像表示装置においては、赤色、緑色、青色を発生させるレーザー光源として、Ｔｍ^３＋、Ｅｒ^３＋、Ｈｏ^３＋等のイオンを添加したに励起用レーザー光線を入射するアップコンバージョンファイバレーザを用いることが示されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に記載されているレーザー光源では、励起用ファイバに高効率で励起用レーザー光線を入射することが肝要である。
【０００５】
このため、レーザー光源と励起用ファイバとの間に、励起用レーザーから発生された光束を数十μｍ径の励起用ファイバのコア部に入射させる目的で、光束を絞り込む光束変換用レンズ群を挿入する必要がある。なお、ＬＤチップとファイバとの光結合効率を向上させるために、ＬＤ光源（ＬＤチップ）を、レンズ系とファイバのフェルールとともに保持するフェルールホルダにより一体に指示することが既に提案されている（例えば、特許文献２）。
【０００６】
ところで、励起用ファイバを用いて単色光を得るレーザー光源モジュールでは、樹脂の吸湿により、特性が劣化する問題がある。例えばコリメートレンズでは、その変位が０．１μｍ程度であってもファイバに入射されるレーザー光線の出力が１０％程度低下する場合がある。また、吸湿により樹脂の接着強度は低下し、最悪の場合、レンズが脱落する可能性もある。なお、光素子を気密に保持するために、気密パッケージ内に光半導体部品を配置することが既に提案されている（例えば、特許文献３）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２６７６２１号公報（図１，図２、段落［００４７］，［００５６］，［００５７］）
【０００８】
【特許文献２】
特開２０００−８１５５０号公報（要約、図１、段落［００４５］，［００４６］）
【０００９】
【特許文献３】
特開平５−２４３５８８号公報（図１、段落［００２０］，［００２１］）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、励起用光ファイバは、フッ化物ガラス等で構成されるとともに、十分な励起光を得るためには、１ｍ程度の光路長さが必要である。ファイバを構成するフッ化物ガラスは、フッ化ナトリウム、フッ化アルミニウム等を含み、僅かな吸湿により透過率が減少し劣化する場合がある。例えば、雰囲気の湿度が数％ＲＨであっても、１００時間程度暴露されたのみでも、劣化が進行する。
【００１１】
なお、たとえ劣化がファイバのクラッド表面に止まり、コアに至らなくとも、ファイバの機械的強度は急激に低下する。
【００１２】
一方、長いファイバを限られた映像装置内の空間に収納する場合は通常、ファイバをボビン等に巻き収納するが、ファイバの強度が低下した場合、ファイバの曲げ応力により破断に至る可能性がある。また、ファイバ内を通過するレーザー光のエネルギー密度は非常に高いため、破断した場合は、重大な障害につながる問題がある。
【００１３】
この発明の目的は、特にレーザー光源モジュールおよび励起用ファイバの耐湿性を向上させ、レンズやファイバを固定する接着剤の劣化、ファイバの劣化を抑制するとともに、仮に光源モジュールでの不具合ないし励起用ファイバの破断が生じても、エネルギー密度の高いレーザー光線が外部へ漏洩しない構造でありながら、小型で軽量であり、モジュールの交換作業が容易なレーザー光源モジュール装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザー光線を発生するレーザー光線発生手段と、レーザー光線が入力される光ファイバと、前記レーザー発生手段より発生されたレーザー光線の光束を光ファイバへ導入する光束変換手段と、を具備するレーザー光源モジュール装置であって、前記レーザー光線発生手段と前記光束変換手段とを外囲器に密封し、前記光ファイバを金属管に収容して前記外囲器と一体的に組み立て、前記外囲器と前記金属管とにより定義される連続した空間に不活性気体を満たしたことを特徴とするレーザー光源モジュール装置である。
【００１５】
また本発明は、レーザー光線を発生するレーザー光線発生手段と、レーザー光線が入力される光ファイバと、前記レーザー光線発生手段より発生されたレーザー光線の光束を光ファイバへ導入する光束変換手段と、前記レーザー光線発生手段と前記光束変換手段とを気密可能に収容する外囲器と、前記光ファイバを気密可能に収容する金属管と、前記外囲器と前記金属管とを気密可能に接続する接続機構と、を有することを特徴とするレーザー光源モジュール装置である。
【００１６】
さらに本発明は、レーザー光源と励起用ファイバが不活性ガスにより一体的に気密され、第１の色のレーザー光線を出射する第１のレーザー光源モジュールと、レーザー光源と励起用ファイバが不活性ガスにより一体的に気密され、第２の色のレーザー光線を出射する第２のレーザー光源モジュールと、レーザー光源と励起用ファイバが不活性ガスにより一体的に気密され、第３の色のレーザー光線を出射する第３のレーザー光源モジュールと、前記第１ないし第３のレーザー光源モジュールを一体的に保持するとともに、それぞれのモジュールからの熱を放熱する冷却部と、を有することを特徴とするカラー映像表示装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態が適用されるレーザー光源モジュール装置の一例を説明する。
【００１８】
図１に示すように、レーザー光源モジュール装置１は、所定の波長のレーザー光線を発生するレーザー光線発生装置１０１、レーザー光線発生装置１０１から発生されたレーザー光線の光束の径を所定の径に変換する光束変換装置１１１、励起用ファイバ１２１、励起用ファイバ１２１を気密に保持可能なファイバ保護管１３１、およびレーザー光線発生装置１０１とファイバ保護管１３１とを気密に保持する外囲器１４１等から構成される。
【００１９】
レーザー光線発生装置１０１は、例えば銅で形成された銅ブロックにニッケルめっきされた台座１０３に、レーザーダイオードチップ１０５がインジュウム−錫はんだ（図示せず）により固定されたものである。台座１０３は、さらに銅により形成された基台１０７に固定される。なお、レーザー光線発生装置１０１からは、矢印で示す方向へレーザー光線が照射される。また、本実施例では、レーザーダイオードチップ１０５から発振されるレーザー光線の波長は、８３５ｎｍである。
【００２０】
光束変換装置１１１は、５枚のガラスレンズから構成されたレンズ群であり、レーザーダイオードチップ１０５から出射されたレーザー光線をコリメートして一旦平行光線とした後、励起用ファイバ１２１のコアに、結合効率を向上させて入射できるように光束を絞り込む。
【００２１】
光束変換装置１１１のレンズのうちの最もレーザーダイオード１０５に近いコリメートレンズ１１３は、レーザー光線発生装置１０１の所定の位置に、例えば紫外光硬化型接着剤により、レーザーダイオード１０５からのレーザー光線の主光線と位置合わせの後、固定される。なお、コリメートレンズ１１３とレーザーダイオードチップ１０５との距離は、およそ１００μｍである。
【００２２】
光束変換装置１１１の他の４枚のレンズは、例えば円筒形の筐体１１５内に組み込まれ、固定用ホルダ１０９を介して、基台１０７に固定される。
【００２３】
励起用ファイバ１２１は、コア径３０μｍ、クラッド径１３０μｍであり、複数のフッ化物が混合された混合ガラスに、例えばＴｍ^３＋、Ｅｒ^３＋、Ｈｏ^３＋等のイオンを適量添加したものである。赤色用光源の場合は、添加イオンは無く、緑色用光源の場合はＴｍ^３＋、青色用光源の場合はＥｒ^３＋、Ｈｏ^３＋を添加したファイバを用いる。
【００２４】
クラッド周囲は、さらに樹脂被覆が成され、樹脂被覆を含めたファイバ径は、概ね０．６ｍｍである。ファイバの全長は、励起効率を考慮して１ｍとした。
【００２５】
ファイバ１２１の先端部は、直角に切断された後、フェルール１２３に挿入され、研磨される。ファイバ１２１の端部が挿入されたフェルール１２３は、光束変換装置１１１の図示しない出力側レンズに対して位置合わせされ、紫外光硬化型接着剤により固定される。
【００２６】
ファイバ１２１の先端部を除いた部分は、ファイバ保護管１３１により、気密可能に保護される。なお、ファイバ保護管１３１は、万一ファイバ１３１が損傷してレーザー光線が洩れたとしても、洩れたレーザー光線が外部まで洩れることを抑止可能な厚さおよび遮光性のある材質により形成されている。また、保護管１３１は、肉厚にも支配されるが、肉厚の３００倍程度の直径のコイル状に曲げることができる。
【００２７】
ファイバ保護管１３１は、内径が０．８ｍｍで、外径が１．４ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製のチューブであり、その先端部は、以下に説明する外囲器１４１の所定の位置に、所定の真空度を維持（気密）可能に、接続される。
【００２８】
外囲器１４１は、レーザー光線が外部に洩れることを遮蔽可能な材質、例えば最小厚み２ｍｍのアルミニウムにより形成され、レーザー光線発生装置１０１および光束変換装置１１１を覆うように配置されている。
【００２９】
外囲器１４１には、ファイバ保護管１３１により保護されたファイバ１２１が挿入可能な挿入口１４１ａと、必要に応じて不活性気体を封入するための封入口および不活性気体の排出に利用される排出口等が設けられている。なお、外囲器１４１の挿入口１４１ａとファイバ保護管１３１の端部は、ファイバ保護管１３１の外周の所定に位置に設けられた外囲器気密用のフェルール１３３に、外囲器１４１に向けて所定の圧力を提供可能なねじ構造１３５（外囲器側は１４３）により、気密可能に固定される。ここで、ファイバ保護管１３１とファイバ１２１には固着箇所が無く機械的に相互に独立しているため、ファイバ保護管１３１と外囲器１４１を気密固定した際に、ファイバに応力が加わることはなく、既に接着固定したフェルール１２３と光束変換装置１１１との位置関係に変化が生じることはない。また、外囲器１４１と基台１０７は、例えば外径が２．６ｍｍのフッ素系ゴム製のＯリング１４５を介して、気密可能に固定される。
【００３０】
このように、外囲器１４１内部とファイバ保護管１３１内部とは、同一空間となり、外囲器１４１が基台１０７と接続されることで、外気から遮断された密封（気密）構造となる。
【００３１】
ファイバ１２１が収容されたファイバ保護管１３１と外囲器１４１および基台１０７により定義される連続した空間３には、例えば容量比で９９．９９％の窒素ガスが封入される。なお、窒素ガスは、予め窒素ガスが満たされている図示しないグローブボックス内でモジュール装置１を組み立てることにより、組み立て終了時には、空間３内に満たされることになる。もちろん、必要に応じて、モジュール装置１を組み立てた後に、内部の空間３を排気し、窒素ガスを充填してもよい。
【００３２】
なお、窒素ガスに代えて、例えばアルゴンやヘリウム等の不活性ガスを用いることもできる。また、不活性ガスの量は、外囲器１４１とファイバ保護管１３１とにより定義される空間３の容積に対して、容量比で、９０％程度、好ましくは９９％以上でよい（真空気密ほどの純度および容量は必要ない）。ただし、充填後のガスは、好ましくは、水蒸気の含有率が１００ｐｐｍ以下である。
【００３３】
上述したレーザー光源モジュール装置１においては、ファイバ保護管１３１を容易に曲げることが可能であり、全長１ｍのファイバを用いたとしても、例えば直径１００ｍｍのコイル状とすることができる。これにより、モジュール１の大きさが小型化される。なお、ファイバ保護管１３１は、ファイバ１２１のクラッド外径が０．３ｍｍまでの場合には、その径の３００倍程度の直径より大きな直径であれば、コイル状に形成できる。
【００３４】
なお、励起用ファイバ１２１は、波長変換ないし導光に際して少なからず損失するため発熱するが、外径０．６ｍｍのファイバ１２１は、ファイバ保護管１３１がコイル状に形成されることにより、任意の位置で保護管１３１の内壁に接する。すなわち、ファイバ保護管１３１をコイル状としたことにより、ファイバ１２１の冷却にも効果が得られる。なお、冷却のために、基台１０７を、図示しない放熱器あるいはヒートシンクに固定してもよい。
【００３５】
図２は、図１を用いて説明したレーザー光源モジュールを、赤色、緑色、青色のそれぞれに対して作製し、カラー映像を出力することのできる光源ユニットとした例を説明する概略図である。
【００３６】
図２に示されるように、光源ユニット２０１は、例えば赤色用のレーザー光線を発生する第１のレーザー光源モジュール２１１Ｒ、緑色のレーザー光線を発生する第２のレーザー光源モジュール２１１Ｇ、青色のレーザー光線を発生する第３のレーザー光源モジュール２１１Ｂを、放熱器２１３上に、所定の位置関係で配列したものである。
【００３７】
このように、各色のレーザー光線を発生するレーザー光源モジュールを、励起用ファイバを含んで個々に気密したことにより、万一、いずれかのモジュールが損傷し、あるいは発振効率が低下した等の理由により交換が要求された場合に、対象となるモジュールのみを交換すればよく、維持コストが低減される。
【００３８】
また、仮に、接着剤等の劣化により光源モジュールでの不具合あるいは励起用ファイバの破断が生じても、ファイバ保護管は、ステンレス鋼であるから、エネルギー密度の高いレーザー光線が外部へ漏洩することもない。
【００３９】
なお、放熱器２１３とそれぞれのモジュール２１１Ｒ，２１１Ｇおよび２１１Ｂとの間には、冷却用ペルチェ素子２１５が設けられる。
【００４０】
また、放熱器２１３には、例えば放熱フィン２１７と、フィン２１７に冷却風を送るファン２１９を設置することが好ましい。なお、放熱フィン２１７の形状および寸法、およびファン２１９の大きさおよび風速等は、ペルチェ素子２１５の電力により、適当に見積ることが可能である。
【００４１】
上述した光源ユニットにおいて、各ファイバの吸湿劣化を検証した結果を以下に示す。
【００４２】
予め、ペルチェ素子２１５により、個々のモジュール２１１Ｒ，２１１Ｇおよび２１１Ｂを２５℃に制御し、各ファイバ（１２１Ｒ，１２１Ｇ，１２１Ｂ）の先端から出射されるレーザー光線の光線出力をパワーメータで測定し、各レーザー光源モジュールを、６０℃、９５％ＲＨの恒温恒湿槽で１０００時間保存した後、同様の測定を行ったところ、初期に対する出力減少率は、赤色、緑色、青色のそれぞれでいずれも５％未満であった。この値は、例えばＴＶセットに対する光源の仕様を満足するものであり、湿度による接着剤やファイバ劣化が十分抑制されていることが確認された。
【００４３】
以上説明した通り、レーザー光線発生装置と光束変換装置および励起用ファイバを、外気の浸入を遮断可能な外囲器並びに金属管で覆うとともに、内部空間に不活性気体を充填することにより、耐湿性に優れ、小型かつ軽量で、しかも構造的な強度の高いレーザー光源モジュール装置およびそれを用いたカラー映像向け光源ユニットが得られる。なお、レーザー光源モジュール装置が損傷し、あるいは発振効率の低下による交換が要求された場合には、交換対象であるモジュールのみを交換可能であるから、維持コストが低減される。
【００４４】
なお、この発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形・変更が可能である。また、各実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合、組み合わせによる効果が得られる。
【００４５】
例えば、窒素封入の際に、窒素ガス雰囲気のグローブボックス内で最終密封工程を行うことにより、外囲器内部および保護管内部を同窒素ガスで充填したが、外囲器に不活性気体封入口および排出口を設け、該封入口より窒素ガスを入れ、排出口から内部気体を排出する置換作業を所定の時間行うことにより、外囲器内部を窒素ガスで置換してもよい。
【００４６】
また、レーザー光線発生装置、光束変換装置、励起用ファイバ、外囲器、ファイバ保護管も前記実施例に限定されるものではなく、その材質、寸法などに関して種々変更して用いることができ、さらに、不活性気体の種類および純度等も前記例示に限定されないことはむろんである。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、一組のレーザー光線発生装置と光束変換装置とを、レーザー光線発生装置から発生されるレーザー光線を遮蔽可能で、かつ外気の浸入を遮断可能な外囲器で覆うとともに外囲器内に不活性気体を充填し、さらに、励起用ファイバを、レーザー光線を遮蔽可能で、かつ外気の浸入を遮断可能な金属管で覆うとともに金属管内に不活性気体を充填することを特徴とする。この結果、レーザー光源モジュールおよび励起用ファイバの耐湿性を向上させ、レンズやファイバを固定する接着剤の劣化、ファイバの劣化を抑制できる。
【００４８】
また、仮に、接着剤等の劣化により光源モジュールでの不具合あるいは励起用ファイバの破断が生じても、ファイバ保護管は、ステンレス鋼であるから、エネルギー密度の高いレーザー光線が外部へ漏洩することもない。
【００４９】
さらに、本発明においては、以上の効果を有する構造でありながら、小型で軽量であり、しかも、仮に光源モジュールに不具合が生じ、モジュールの交換作業必要となった場合にも、不活性ガスの再封入などの煩雑な作業を行う必要はなく、交換作業の効率が向上する効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザー光源モジュール装置の例を説明する概略図。
【図２】本発明のレーザー光源モジュール装置を用いたカラー映像表示装置の例を説明する概略図。
【符号の説明】
１…レーザー光源モジュール装置、３…空間、１０１…レーザー光線発生装置、１０５…レーザーダイオードチップ、１０７…基台、１１１…光束変換装置、１１３…コリメートレンズ、１２１…励起用ファイバ、１２３…フェルール、１３１…ファイバ保護管、１３３…外囲器気密用のフェルール、１３５…ねじ構造、１４１…外囲器、１４３…ねじ構造、１４５…Ｏリング、２０１…光源ユニット、２１１Ｒ…赤色用レーザー光源モジュール、２１１Ｇ…緑色用レーザー光源モジュール、２１１Ｂ…青色用レーザー光源モジュール、２１３…放熱器、２１５…ペルチェ素子、２１７…フィン、２１９…ファン。

Claims

レーザー光線を発生するレーザー光線発生手段と、レーザー光線が入力される光ファイバと、前記レーザー発生手段より発生されたレーザー光線の光束を光ファイバへ導入する光束変換手段と、を具備するレーザー光源モジュール装置であって、
前記レーザー光線発生手段と前記光束変換手段とを外囲器に密封し、前記光ファイバを金属管に収容して前記外囲器と一体的に組み立て、前記外囲器と前記金属管とにより定義される連続した空間に不活性気体を満たしたことを特徴とするレーザー光源モジュール装置。
前記不活性気体は、窒素、アルゴン、ヘリウムの少なくとも一つを、容量比で９０％以上含むことを特徴とする請求項１記載のレーザー光源モジュール装置。
前記金属管は、レーザー光線を遮蔽可能な材質であることを特徴とする請求項１記載のレーザー光源モジュール装置。
前記金属管は、肉厚の３００倍程度の直径のコイル状に形成されることを特徴とする請求項１記載のレーザー光源モジュール装置。
前記外囲器には、放熱器が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザー光源モジュール装置。
レーザー光線を発生するレーザー光線発生手段と、
レーザー光線が入力される光ファイバと、
前記レーザー光線発生手段より発生されたレーザー光線の光束を光ファイバへ導入する光束変換手段と、
前記レーザー光線発生手段と前記光束変換手段とを気密可能に収容する外囲器と、
前記光ファイバを気密可能に収容する金属管と、
前記外囲器と前記金属管とを気密可能に接続する接続機構と、
を有することを特徴とするレーザー光源モジュール装置。
前記外囲器と前記金属管と前記接続機構により定義される空間は、不活性ガスにより満たされていることを特徴とする請求項６記載のレーザー光源モジュール装置。
前記不活性気体は、窒素、アルゴン、ヘリウムの少なくとも一つを、容量比で９０％以上含むことを特徴とする請求項７記載のレーザー光源モジュール装置。
レーザー光源と励起用ファイバが不活性ガスにより一体的に気密され、第１の色のレーザー光線を出射する第１のレーザー光源モジュールと、
レーザー光源と励起用ファイバが不活性ガスにより一体的に気密され、第２の色のレーザー光線を出射する第２のレーザー光源モジュールと、
レーザー光源と励起用ファイバが不活性ガスにより一体的に気密され、第３の色のレーザー光線を出射する第３のレーザー光源モジュールと、
前記第１ないし第３のレーザー光源モジュールを一体的に保持するとともに、それぞれのモジュールからの熱を放熱する冷却部と、
を有することを特徴とするカラー映像表示装置。
前記冷却部と前記第１ないし第３のレーザー光源モジュールとの間には、前記それぞれのモジュールの冷却するペルチェ素子が設けられることを特徴とする請求項９記載のカラー映像表示装置。
前記冷却部は、放熱器と送風ファンとを含むことを特徴とする請求項９記載のカラー映像表示装置。