JP5231990B2 - 照明光源及びレーザ投射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、スペックルノイズの少ない照明光源及び、その照明光源を用いたレーザ投射装置に関する。
窒化ガリウムをはじめとするＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料（ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である））からなる半導体レーザ、及びＡｌＧａＡｓ系半導体材料またはＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料による赤色半導体レーザは、光ディスクによる超高密度記録を実現するためのキーデバイスである。同様に、これらの可視光半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野の開拓に必須の技術である。
可視光半導体レーザを投射装置や表示装置などの照明用の光源として利用する場合に問題となるのが、スペックルノイズである。スペックルノイズとは、レーザ光のようなコヒーレンスの高い光を照明光源として利用する場合、照明物から反射する光が、照明物の表面の凹凸によって、反射光の波面が乱され、ランダムな干渉パターンが観測される現象である。反射光にギラギラとしたスペックルパターンが観測され、投射装置や表示装置の画像の劣化の原因となる。
このようなスペックルノイズを低減する方法として、光源のコヒーレンスを低下させる方法がいくつか提案されている。第１の方法は、空間的なコヒーレンスを低減する方法であり、レーザ光が照射されるスクリーンを振動させるなどに代表される方法で、レーザ光の光路や光学系において空間的な変化を与えることでスペックルノイズを低減する方法である。
一方、半導体レーザ光のコヒーレンスを直接低減する方法も提案されている。特許文献１に示されているように、光源のコヒーレンスを低減する方法である。この第２の方法では、半導体レーザの駆動に高周波が重畳されることにより、発振波長のスペクトル幅が増大し、コヒーレンスが低減する。
特開２００２−３２３６７５号公報
しかしながら、レーザ光を空間的に変化させる、上記の第１の方法は、光学系内部に機械的な駆動系を必要とし、光学系が大型化、複雑化するという問題がある。さらに、空間的な変動を与えるだけでは、スペックルノイズを完全に抑圧することが難しい。
一方、半導体レーザのスペクトルをマルチモード化する、上記の第２の方法は、コヒーレンスを低減するには有効であるが、スペクトル幅を１ｎｍ以上に拡大しなければ、十分なコヒーレンス低減効果が得られない。半導体レーザの駆動に高周波を重畳するだけでは、スペクトル幅の拡大が十分でなく、スペックルノイズの低減効果が不十分であるという課題があった。
本発明の目的は、レーザ光源の発振スペクトルの幅を拡大することで、スペックルノイズの少ない照明光源及びこの照明光源を用いたレーザ投射装置を実現することである。
本発明の一局面に従う照明光源は、所定の利得領域を持つレーザ媒質を有するレーザ光源と、狭帯域の反射特性を有する反射体と、を備え、前記反射体の反射波長は、前記レーザ媒質の利得領域内で設定されており、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の一部は前記反射体による反射によって前記レーザ光源に帰還され、前記レーザ光源の発振波長は、前記レーザ光源の発振特性の変化により前記レーザ媒質の利得領域のピークを前記反射波長から移動させることにより、前記反射波長から変化される。
上記の照明光源では、レーザ光源から出射されるレーザ光の一部を反射体による反射によってレーザ光源に帰還させることによりレーザ光源の発振光を反射体の波長に固定する。そして、レーザ光源の発振特性を変化させることでレーザ光源の利得領域のピークを固定された反射波長から変動させる。このため、レーザ光源の発振波長が大きく変動させることができるので、レーザ光源の発振スペクトル幅が広がりコヒーレンスが低下する。従って、スペックルノイズの少ない照明光源を実現することができる。
本発明によれば、レーザ光源の発振波長が大きく変動させることができるので、レーザ光源の発振スペクトル幅が広がりコヒーレンスが低下する。従って、スペックルノイズの少ない照明光源を実現することができる。
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、以下の図面の記載において、同じ要素または類似する要素には同じまたは類似の符号を付しており、説明を省略する場合がある。
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明光源の構成を示す図である。図１Ａにおいて、本実施の形態に係る照明光源は、その基本構成として、光源である半導体レーザ１と、半導体レーザ１からの出射光４の一部を反射する反射体２と、を備える。半導体レーザ１から出射された出射光４は、狭帯域な反射特性を有する反射体２で特定波長が反射され、反射光５が半導体レーザ１の活性層内に入射する。半導体レーザ１の発振波長は、活性層内に帰還した反射光５の光フィードバックにより、反射波長に固定されている。この半導体レーザ１を駆動電源３によってパルス駆動する。このときの出力を図１Ｂに示す。図１Ｂに示すように、半導体レーザ１の出力は、パルス列の出力となっている。本実施の形態に係る照明光源は、１パルス内で半導体レーザ１の波長が、図１Ｃに示すように大きく変動することを特徴とする。すなわち、１パルス内で半導体レーザ１の発振波長が反射体２の反射波長からそれ以外の波長に変動することでスペクトル変化が大きくなり、半導体レーザ１の発振スペクトルが広がる。その結果、半導体レーザ１のコヒーレンスが低下し、スペックルノイズの少ない光を発生できる。
この原理について、図２Ａ〜Ｃを用いて説明する。
半導体レーザ１の発振は、活性層内のロスとゲインとの関係で決定される。パルス発生の初期段階では、活性層温度が低いため、反射体２によって帰還した反射光５に対してロスが少なくなり、発振波長が反射体２からの特定反射波長λＢに固定されている。ところが、１パルス内で半導体レーザ１の活性層の温度が上昇すると、図２Ｂに示すように、半導体レーザ１の利得（ゲイン）領域が長波長側にシフトする。その結果、反射波長λＢにおける利得が低下し、半導体レーザ１の発振波長が反射波長λＢからゲインのピークに移動することで、半導体レーザ１の発振波長が大きく変化する。図２Ｃに示すように、半導体レーザ１の発振波長が１パルス内で、反射体２の反射波長λＢからそれ以外の波長にシフトすることで、半導体レーザ１の発振波長が大きく変化し、発振スペクトルが広がることでコヒーレンスが低下する。これによってスペックルノイズ低減効果が増大する。
次に、照明光源における半導体レーザのスペクトル変化をより大きくしてスペックルノイズの抑圧効果を強化する構成について述べる。
第１は、図２Ａの半導体レーザ１の利得領域と反射体２の反射波長λＢとが次に述べる関係を満たすようにすることである。図２Ｂに示すように、反射体２の反射波長λＢの値は、室温での半導体レーザ１の利得波長のピーク（ゲインピーク）に対して、短波長側に設定するのが望ましい。通常のパルス発振においても、活性層内には温度変化が生じ、発振スペクトルは１パルス内で短波長から長波長にシフトし、その値は１ｎｍ以下である。これに対して、反射波長λＢをゲインピークより短波長側に設定することで、スペクトルの波長変化の幅をゲインピークの変動幅より大きくできる。これによって、波長変動を１ｎｍ以上の波長域にわたり波長変動を生じさせ、スペックルノイズの低減がはかれる。発振波長λＢから外れた場合の発振波長が大きく変化することになり、スペクトル幅を拡大できる。
第２に、反射体２の反射率は１％〜１０％程度が望ましい。１％以下では光フィードバックによる反射波長λＢへの固定が難しくなり、１０％以上になるとパルス駆動時に半導体レーザ１の発振波長が外れてゲインピークにシフトする現象が現れにくくなる。
第３に、半導体レーザ１の活性層に反射光５を戻す反射体２の狭帯域特性も重要である。反射体２の狭帯域特性としては、波長幅で５ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは１ｎｍ以下である。反射波長幅が広がると、活性層内での波長選択性が低下するため、光フィードバックによる発振波長の固定が難しくなる。このため、波長幅は５ｎｍ以下にする必要がある。さらに１ｎｍ以下にすることで、半導体レーザ１の発振波長の反射波長での選択性を高めることができる。半導体レーザ１の波長をゲインのピークから２ｎｍ以上の短波長領域で発振が可能となり、出力変調による波長変化が３ｎｍ以上の広い波長範囲に及んだ。半導体レーザ１の発振波長をゲインのピークから大きくずらすことで、強度変調により波長が変化する波長が大きくなる。
第４に、半導体レーザ１のパルス駆動のパルスに１ＭＨｚ以上の高周波を重畳することが望ましい。高周波を重畳することでスペクトルが広がり、コヒーレンスが低下することで光フィードバックの効果が弱くなる。これによって、パルス駆動による波長シフトがより簡単に発生する。また、この構造はＧａＮレーザに特に有効である。ＧａＮ基板をベースとする半導体レーザは、緩和振動が大きく高周波重畳を行うと、スパイクノイズが発生する。これは、半導体レーザへ注入する電流を高周波で変調すると、緩和振動により出力光波形がスパイク状に変化し、変調度の何倍も高いパルス出力が発生する現象である。このため、高周波重畳によるコヒーレンスの劣化がより大きくなり、スペックルノイズ低減効果が強化される。なお、半導体レーザのパルス駆動のパルスに高周波を重畳する構成については、後述する実施の形態３で詳しく説明する。
第５に、パルス駆動するときのパルス幅も重要である。パルス幅は１μｓ以上が望ましい。パルス駆動による波長シフトは、半導体レーザの活性層の温度変化による利得領域の波長シフトを利用している。半導体レーザの温度変化の応答周波数は１ＭＨｚ以下であり、これ以上高い周波数での変化は温度変化が追随しない。従って、周波数では１ＭＨｚ以下、パルス幅では１μｓ以上のパルス駆動が必要である。
第６に、反射体２として、図１に示した狭帯域の反射波長を１つ有するもの以外に、複数の反射波長を有するものを採用することが、さらに波長変化量を拡大できるため有効である。図３Ａにおいて、パルス駆動により変化するゲインピークの移動幅より広い波長領域を挟んで、反射体２に対して、２つの反射波長λＢ１、λＢ２を設定する。半導体レーザ１をパルス駆動すると、１パルス内の初期状態では、図３Ｂに示すように、ゲインピークに近いλＢ１で発振する。１パルス内で活性層温度が上昇してゲインピークが長波長側にシフトすると、ゲインピークがλＢ２に近づき、やがてλＢ２での発振ゲインがλＢ１での発振ゲインを上まわり、λＢ２の発振に移動する。これによって、反射波長が１つの場合に比べて、半導体レーザ１の波長変化がより大きくなり、スペックルノイズ低減効果が強化される。
なお、上記の構成例では、半導体レーザ１に印加されるパルス幅を単一の矩形状にしたが、パルス形状を変えることでスペクトル形状をコントロールできる。図４Ａ〜Ｆを用いて、パルス波形によるスペクトル分布の制御方法について説明する。スペックルノイズを抑圧するには、スペクトル幅を広げるのが有効であるが、スペクトルは広い波長領域に分布するのがより好ましい。図４Ａ〜Ｆは、パルス列を用いてスペクトル分布を制御する方法を説明する図である。
図４Ａでは、パルス列として、先頭にピークの高いパルス４１を発振し、その後、尖塔値のより低い複数のパルス４２を印加し、最後はより尖塔値の低いパルス４３を印加している。パルス列を印加したときの活性層の温度変化を図４Ｂに、そのときの半導体レーザの波長変化を図４Ｃに示している。活性層の温度は、光出力に対して遅延しながら追随するので、初期に尖塔値の高いパルス４１を印加すると、領域Ａで活性層温度が上昇する前に高い光出力が得られる。領域Ａでは反射体による光フィードバック波長により半導体レーザの発振波長が固定されている。その後、光出力とは少し遅れて活性層の温度が上昇する。この温度上昇により半導体レーザのゲインピークが長波長にずれてくると、ある時点で反射体による発振波長以外に、ゲインピークでの発振も開始し、半導体レーザの発振波長がマルチ発振の不安定な状態になる（領域Ｂ）。その後、ゲイン波長が反射体による発振波長より大きく長波長側にシフトすることで、半導体レーザの発振波長はゲインピークでの発振波長に移行し、温度上昇とともに長波長で発振するようになる（領域Ｃ）。
このように、パルス列によって活性層の温度変化を制御すると、発振波長スペクトルを広い波長領域に分布させることが可能となり、スペクトル分布のばらつきを、より大きく取れる。このときのスペクトル分布の全体を図４Ｄに示す。また、図４Ｅに、図４Ａの尖塔値の高い初期ピーク４１を用いない場合のスペクトル分布を示す。この場合、短波長域でのスペクトルが減少する。一方、図４Ｆに、反射体による光フィードバックがない場合のスペクトル分布を示す。図４Ｄ〜Ｆから明らかなように、尖塔値の高いパルス列を用いることで、スペクトル分布のばらつきが大きくなり、スペックルノイズの抑圧効果がより強化された。複数のパルス列を用いることで、活性層の温度変化を制御し、スペクトル分布をより広げることが可能となる。
また、半導体レーザのストライプ幅は５μｍ以上のワイドストライプ構造が好ましい。横モードシングルのストライプ構造においては、発振スペクトルが狭帯域な状態で変動するのに対して、横モードをマルチモード化することで、スペクトル幅が広がった状態で変化するので、平均的なスペクトル形状がなめらかになる。ワイドストライプ構造にすることで、高出力化が図れるとともに、発振する横モードをマルチモード化できる。横モードをマルチモード化することで、複数の横モードを励起し、半導体レーザの発振スペクトルを拡大できる。光フィードバックにより波長を固定し、これをレーザのパルス駆動によりスペクトル変化させるときに、横モードのマルチ化によりスペクトル幅が広がり、スペクトルの分散が大きくなることで、スペックルノイズを大幅に低減できる。
また、その他のレーザ、例えば、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料やＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料であっても、光フィードバックと出力変調を同時に加えることでスペクトルの広い発振が可能となり、スペックルノイズの少ない出力発生が可能となる。
さらに、マルチストライプレーザを利用することで出力の増大及びスペクトルの大幅な増大が得られる。マルチストライプに、反射波長の異なる反射体を設置することで、それぞれのストライプが異なる波長で発振するとともに、パルス駆動することで発振波長の変動が起こるため、全体で広い波長範囲で発振が可能となる。この結果、レーザ光のコヒーレンスが大幅に低減し、スペックルノイズを大幅に低減することが可能となった。
さらに、半導体レーザの出力端近傍を窓構造にすることで、出力の安定化、高出力化が可能となる。導波路窓構造は、出力端面破壊を防止し、高出力化に有効であるが、本発明のような光フィードバックを用いる構成にはより有効である。光フィードバックにより外部から光を帰還させることで、端面部での光パワー密度はより大きくなり、端面劣化の発生が顕著になる。特に、パルス駆動することで出力の高い光が発生する場合、より端面劣化が生じやすい。このため、端面窓構造にすることで高出力化が達成でき、同時に信頼性の高い光源が実現できた。
次に、図１Ａの反射体２の構成について説明する。反射体２としては、いくつもの構成が存在する。反射体２としては特定の波長を反射する狭帯域特性が要求される。図５に示す照明光源では、反射体５１として体積グレーティングを用いた構成を採用する。反射体としての体積グレーティング５１は、誘電体に屈折率グレーティングを形成したもので、ブラッグ反射により特定波長を反射できる。半導体レーザ１からの出射光４をレンズ５２でコリメートし、体積グレーティング５１で特定波長を反射することで、半導体レーザ１の波長を固定できる。これによって、本発明の構成が実現できる。体積グレーティング５１は小型構成が容易なため、小型の照明光源を実現できる。またグレーティングを干渉露光で作製できるため、複数の反射波長を反射する構成も容易に実現できるという特徴を有する。
図６に示す照明光源では、狭帯域フィルター６１と反射体６４を組み合せた構成を採る。狭帯域フィルター６１を透過した光を反射体６４で一部反射することで特定波長が半導体レーザ１に帰還する。この特定波長帰還により波長ロックする構成が実現できる。この構成で、本発明の構成が実現できる。
図７に示す照明光源では、ファイバー７１内に形成されたファイバーグレーティング７２を利用した構成を採る。ファイバー７１内にグレーティング７２を形成したグレーティングファイバーにより、半導体レーザ１をロックし、これをパルス駆動することで実現できる。
次に、本実施の形態に係る照明光源の発振波長の特性評価を行った結果について説明する。図８Ａに、この評価に使用した照明光源の構成を示す。この評価に使用した照明光源は、その基本構成として、半導体レーザ１と、半導体レーザ１からの出射光４の一部を反射する反射体２と、半導体レーザ１と反射体２との間に配置されたレンズ８１と、を備えるものである。図８Ａの照明光源を用いて、半導体レーザ１の発振波長について実験を行い、半導体レーザ１の発振スペクトルを観測した。
図８Ａの照明光源では、半導体レーザ１から出射された光４をレンズ８１でコリメートし、反射体２で一部を反射させ、反射光５を半導体レーザ１の活性層に帰還させる。反射体２は体積グレーティングで構成され、ブラッグ反射による狭帯域の反射特性を有している。反射体２の反射波長は８０８ｎｍに設定されており、反射光５の帰還により半導体レーザ１の発振波長は、反射波長である８０８ｎｍの近傍に固定されている。半導体レーザ１は、ストライプ幅２００μｍのワイドストライプレーザであり、その横モードはマルチモードである。
このような構成の照明光源において、半導体レーザ１を２００Ｈｚ程度で変調しながら出力を増大させ、スペクトルアナライザーにより発振スペクトルを観察した。図８Ｂ及びＣにその結果を示す。図８Ｂは、半導体レーザ１のピーク出力が２Ｗ未満の場合を示しており、半導体レーザ１の発振波長は反射体２の反射波長８０８ｎｍに固定されていることがわかる。発振スペクトルが若干の広がりを持つのは、半導体レーザ１がワイドストライプのマルチモードレーザであるためである。一方、図８Ｃは、半導体レーザ１の出力を増大させて、ピーク出力が３Ｗを超えた場合を示している。この場合、半導体レーザ１の発振波長が反射体２の反射波長８０８ｎｍ以外の波長に広がっていることがわかる。具体的には、反射波長８０８ｎｍから５ｎｍ程度、長波長側に発振スペクトルが広がっている。このことは、半導体レーザ１の利得ピークの波長が反射波長８０８ｎｍより長波長側に存在することによるものである。半導体レーザ１の出力が増大するに伴い、半導体レーザ１の活性層の温度が上昇し、利得ピークが長波長側にシフトしたのである。
このようにして、反射体２で発振波長をロックした半導体レーザ１の出力を変調することにより、半導体レーザ１の発振スペクトルを広げることができることが確認された。
上述したように、半導体レーザ１としてはワイドストライプのマルチモードレーザを用いることが好ましい。また、そのストライプ幅としては１０μｍ以上、２００μｍ以下であることが好ましい。ストライプ幅を１０μｍ以上に広げることにより、出力を増大させ、横モードのマルチ化が可能となる。横モードをマルチ化することにより、反射体２の反射波長での発振波長のロックが弱くなる。このため、発振波長のロックが外れやすくなり、出力変調により容易にスペクトルを変動させることができる。一方、ストライプ幅が２００μｍ以上になると、今度は逆に、横モードのマルチモード数が多すぎて、ロックが必要以上に弱くなってしまう。このため、反射体２の反射波長に発振波長をロックすること自体が困難になってしまう。以上より、半導体レーザ１のストライプ幅は１０μm以上、２００μｍ以下であることが好ましい。
また、反射体２の反射率としては、上述したように、１％以上、１０％以下であることが好ましい。今回の評価では、反射率が１％以下になると、反射体２の反射波長によって半導体レーザ１の発振波長をロックできず、利得ピークの波長のみの発振となり、発振スペクトルが広がる効果を得ることができなかった。一方、１０％以上にすると、半導体レーザ１の出力損失が大きくなり、出力の利用効率が下がるという問題が生じた。
上述したように発振波長がロックされた半導体レーザ１の発振スペクトルを変調により拡大させる場合、半導体レーザ１の利得ピークの波長と反射体２の発振波長との波長差が重要となる。通常、半導体レーザ１の構造や反射体２の反射率により、最適な波長差は大きく変化するが、少なくとも波長差は５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが好ましい。波長差が５ｎｍ以下の場合、発振スペクトルの移動が発生しないからである。一方、２０ｎｍ以上の場合、反射波長でロックされること無く、利得ピークの波長で発振を開始してしまうからである。このため、この場合であっても、発振スペクトルの移動は発生しないことになる。
このように、半導体レーザ１の利得ピークの波長と反射体２の発振波長との波長差を変調によりスペクトル移動が生じる最適な値に調整する必要がある。以下では、この波長差の調整を目的とする半導体レーザ１の温度調整ついて検討を行った結果について説明する。
図９Ａに、この検討に使用した照明光源の構成を示す。この評価に使用した照明光源は、その基本構成として、半導体レーザ９１と、半導体レーザ９１からの出射光の一部を反射する反射体９３と、半導体レーザ９１と反射体９３との間に配置されたレンズ９２と、半導体レーザ９１を保持するホルダー９５と、ホルダー９５に設置され、半導体レーザ９１の温度を制御する温度コントローラ９６と、を備えるものである。図９Ａの照明光源を用いて、半導体レーザ９１の温度変化に対する発振波長の変化について実験を行い、半導体レーザ９１の発振スペクトルの変化を観測した。
ここでは、半導体レーザ９１としてはストライプ幅１００μｍのレーザを利用し、反射体９３の反射波長８０８ｎｍの近傍で発振波長をロックしている。そして、温度コントローラ９６により半導体レーザ９１の温度を変化させ、その温度変化に伴う発振スペクトルの変化を観測した。その観測結果を図９Ｂ〜Ｄに示す。図９Ｂは半導体レーザ９１の温度を２５℃に設定した場合、図９Ｃは３０℃に設定した場合、図９Ｄは４０℃に設定した場合である。図９Ｂの２５℃の場合では、反射体９３の反射波長と半導体レーザ９１の利得ピークの波長との間に差がないので、半導体レーザ９１は反射体９３の反射波長で発振している。図９Ｃの３０℃の場合、半導体レーザ９１の温度上昇に伴い、利得ピークが長波長側に移動する。このため、半導体レーザ９１の利得ピークの波長と反射体９３の反射波長と間に差が生じ、利得ピーク近傍での発振が始まる。図９Ｄの４０℃の場合、半導体レーザ９１は、利得ピークの波長と反射波長の両方の近傍で発振している。この結果、半導体レーザ９１の発振スペクトルは大きく広がることとなり、スペックルノイズが大幅に低下した。
以上の結果から、半導体レーザ９１の温度を調節することにより、半導体レーザ９１の利得ピークの波長と反射体９３の反射波長との差を最適な値とし、それにより、変調時にスペクトル拡大が可能になることを実証することができた。従って、半導体レーザ９１の温度を調整する機能を付加することで、変調によるスペクトル拡がりを最大に調整することが可能となる。
図１０Ａに、温度調整可能な半導体レーザ９１の構成例を示す。図１０Ａに示す半導体レーザ９１は、基板１０１上に形成された活性層１０３と、活性層１０３を挟むように配置された薄膜ヒータ１０２と、を備えている。薄膜ヒータ１０２は、図９Ａの温度コントローラ９６と接続され、温度コントローラ９６により薄膜ヒータ１０２が制御される。薄膜ヒータ１０２により半導体レーザ９１の温度を最適化することにより、図９Ｄに示した最適な波長差とする。それにより、半導体レーザ９１の利得ピークの波長と反射体９３の反射波長との波長差を制御し、スペクトル拡大を容易に実現することができる。
また、図１０Ｂに、温度調整可能な半導体レーザ９１の他の構成例を示す。図１０Ｂに示す半導体レーザ９１は、基板１０１上に形成された活性層１０３と、活性層１０３を挟むように配置された薄膜ヒータ１０２と、反射体として形成された回折格子１０４と、を備えている。この構成では、反射体を回折格子１０４として半導体レーザ９１内部に形成することにより、光源を小型化することができる。図１０Ｂに示すように、活性層１０３の一部に回折格子１０４が形成されている。回折格子１０４のブラッグ反射により半導体レーザの発振波長が固定される。半導体レーザ９１のストライプ幅は１００μmであり、横モードをマルチモード化することで高出力化を図り、かつ回折格子１０４による波長の固定を弱くしている。これによって、変調によるスペクトル変動が容易になる。この半導体レーザ９１の出力を変調することで、回折格子１０４の反射波長と活性層１０３の利得ピーク波長との間でスペクトルを変動させて、スペックルノイズを低減できる。変調によりスペクトルを変動させる場合に、利得ピーク波長と回折格子１０４の反射波長との波長差を最適化するために、薄膜ヒータ１０２による温度制御が重要である。温度を制御することでスペクトルの変動の最適状態に調整できる。さらに、消費電力を下げるためには、出力変調に合わせて、薄膜ヒータ１０２への電力も変調するのが好ましい。スペクトルが半導体レーザ９１の利得ピークに移動する時に、半導体レーザ９１の温度が高くなるように、半導体レーザ９１の変調に合わせて、薄膜ヒータ１０２の駆動電流を制御することで、薄膜ヒータ１０２の消費電力を低減できる。半導体レーザ９１に形成した薄膜ヒータ１０２は高速応答が可能であり、変調速度に追従できる。また、薄膜ヒータ１０２のみならず、プラズマ効果を利用して半導体レーザの屈折率を変調する方法や、薄膜ヒータ１０２の代わりに電極を形成して、基板１０１自体に電流を流すことで半導体レーザ９１自体の温度制御することも可能である。
さらに、反射体を半導体レーザ内部に形成する構成として、半導体レーザ内部に狭帯域な反射特性を有する周期構造を形成したＤＦＢレーザや、ＤＢＲレーザ等も同様に利用できる。通常、ＤＦＢレーザ及びＤＢＲレーザは、発振波長がグレーティングの選択波長から外れないように、グレーティングによる反射波長と活性層内の励起光の波長との結合係数を高めている。しかしながら、本実施の形態では、結合係数を通常の半分以下に低減する必要がある。本発明の構成においては、半導体レーザの発振波長がパルス駆動でロック波長から外れる必要がある。このため、パルス駆動によりグレーティングの固定波長から外れる程度の結合を実現する必要がある。すなわち、半導体レーザの最大出力の５０％近傍ではグレーティングのブラッグ波長で発振し、最大出力近傍のＣＷ発振においては、グレーティングのブラッグ波長以外の波長で発振するＤＦＢレーザ及びＤＢＲレーザであることが好ましい。このようなＤＦＢレーザ及びＤＢＲレーザを用いると、非常に小型の照明光源の構成が実現できる。半導体レーザをパルス駆動することで、グレーティングの反射波長とそれ以外の波長で発振することで、広い波長領域でのレーザ発振が可能となり、スペックルノイズの少ない光源が実現できる。またＤＦＢまたはＤＢＲ構造を有するマルチストライプの構造は高出力化により有効である。また、自励発振に使われる過飽和吸収体を活性層近傍に設けた構造にも有効である。過飽和吸収体はレーザ発振による屈折率変化が通常の媒体に比べて大きいので、半導体レーザの発振波長の変化が大きくなり、スペクトル幅をより拡大できる。
特に、ＤＢＲレーザを用いる場合、グレーティング構造を活性層内に形成することが好ましい。ＤＢＲレーザのグレーティングは、温度変化による波長変動を抑圧するため、導波路を不活性処理した部分に形成する。これに対して、本実施の形態では、活性層の内部または活性層の表面に直接形成する。活性層が電流注入により温度が上昇することにより屈折率が変化し、これによって、ＤＢＲ部の反射波長がシフトするのを利用すれば、パルス発生による温度変化により反射波長が変化し、スペクトル幅を拡大することが可能となる。この結果、スペックルノイズの抑圧が達成される。
次に、図１１Ａ及びＢを用いて、上述したＤＦＢレーザ及びＤＢＲレーザの構成について具体的に説明する。図１１Ａは、ＤＢＲレーザの構造を示す断面図、図１１Ｂは、ＤＦＢレーザの構造を示す断面図である。上述したように、ＤＦＢレーザ及びＤＢＲレーザは、レーザ内部に回折格子（グレーティング）形成することにより、この回折格子を反射体として集積化することができる。回折格子を集積化することで、半導体レーザの発振波長を回折格子の反射波長に固定し、変調によりスペクトルを変動させてスペックルノイズを低減する。半導体レーザのストライプ幅は１００μmであり、横モードをマルチモード化することで高出力化を図り、かつ、回折格子による波長の固定を弱くしている。これによって、変調によるスペクトル変動が容易になる。ストライプ幅としては１０〜２００μmが好ましい。回折格子を集積化することで非常に小型の照明光源が実現できる。
最初に、ＤＢＲレーザの構成について図１１Ａを用いて説明する。図１１Ａに示すＤＢＲレーザでは、活性層１１５によりレーザ発振し、出力制御電極１１２からの電流注入により、レーザ光１１１の強度を制御し、端面１１７から出力する。活性層１１５の端面１１６側に設けた回折格子１１４で特定波長をブラッグ反射し、この波長により半導体レーザの発振波長が固定される。回折格子１１４の上部には波長調整電極１１３が形成されており、電流注入により回折格子１１４の温度を変えることで、発振波長を制御している。出力制御電極１１２への注入電流を変調することで出力変調するとともに、活性層１１５の温度上昇によって利得波長を変動させ、回折格子１１４の反射波長と利得波長の差を大きくすることで、発振スペクトルを回折格子１１４の反射波長と利得ピーク波長の間で変動させることができる。これによって、半導体レーザの発振スペクトルを変動させスペックルノイズを低減できる。
出力変調によりレーザの発振スペクトルを回折格子１１４の反射波長と活性層１１５の利得ピーク波長との間で変動させることで、発振スペクトルの拡大が可能となる。利得ピーク波長と反射波長の最適値を波長調整電極１１３に注入する電流により制御することができる。従って、波長調整電極１１３により、スペクトルの変動範囲を調整することが可能となる。さらに、出力変調に合わせて、波長調整電極１１３への電流も変調するのが好ましい。スペクトルが半導体レーザの利得ピークに移動する時に半導体レーザの温度が高くなるように、半導体レーザの変調に合わせて、波長調整電極１１３の駆動電流を制御することにより、スペクトルの変動量を拡大できる。このため、スペックルノイズをさらに低減できる。また、波長調整部での電力消費を低減して低消費電力化できるという利点を有する。
通常のＤＢＲレーザの場合、回折格子１１４と端面１１７で共振器を構成するように、回折格子１１４側の端面１１６からの反射を抑圧している。具体的には、端面１１６に反射防止膜を形成し、また、活性層１１５のストライプを端面１１６の近傍で曲げて、端面反射を低減するなどの方法がとられている。これに対して、本実施の形態では、半導体レーザの発振が端面１１７と回折格子１１４で共振器を構成する波長ロックの状態と、端面１１６及び１１７の間でレーザ共振する状態に変化することで、発振スペクトルを変動させることができる。このため、端面１１６には反射膜が形成されている。
次に、ＤＦＢレーザの構成について図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ｂに示すＤＦＢレーザでは、活性層１１５全体に回折格子１１４が形成されている。出力制御電極１１２に注入する電流を変調することで、発振スペクトルを変動させ、スペックルノイズを低減できる。また、図１０Ａ及び図１０Ｂに示したレーザの温度を調整する機構を設けることで、発振スペクトルの変動の最適状態の調整が可能となる。
なお、半導体レーザの変調周波数は、０．１ｋＨｚ〜１ＭＨｚが好ましい。照明光源として人間が認識するスペックルノイズとして０．１ｋＨｚ以下でスペクトルが変化すると、スペクトル変化を肉眼で観測できるため、スペックルノイズ低減効果が弱まる。スペクトル変動を人間が認識できないように周波数を０．１ｋＨｚ以上に上げる必要がある。一方、半導体レーザの変調において、半導体レーザの活性層内の温度変化によりスペクトルが移動するには、レーザのオン・オフ切り替えにおいて活性層内の温度変化の差が大きくないとスペクトル変動が発生しない。周波数が１ＭＨｚ以上になると半導体の熱の拡散速度の影響により活性層内の温度変化が出力変調に追従しなくなるため、変調によるスペクトルの移動が発生しなくなる。このため、変調速度は１ＭＨｚ以下が好ましい。
また、半導体レーザを駆動するパルスのデューティ比（パルス幅／パルス繰り返し間隔）は５０％以下が好ましい。デューティ比を５０％以下にすることで、平均パワーに対するパルスのピーク出力を２倍以上に設定できる。デューティ比を小さくして、ピーク出力を大きくすることで、１パルス内での活性層温度の変化を大きくとれるため、波長シフト量が増大でき、スペックルノイズの抑圧効果がより大きくなる。さらに望ましくは３０％以下に設定することで、よりスペックルノイズが低減される。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。上記の実施の形態１では、半導体レーザから出射されるレーザ光を投射装置や表示装置の照明光源としてそのまま利用するものであった。これに対し、本実施の形態では、半導体レーザからのレーザ光で固体レーザ媒質を励起することにより固体レーザ媒質から出射されるレーザ光を照明光源として利用するものである。
図１２に、本実施の形態に係る照明光源の構成を示す。図１２に示す照明光源は、半導体レーザ１と、反射体１２１と、固体レーザ１２２と、非線形光学素子１２３と、ミラー１２４及び１２５と、を備えている。半導体レーザ１は波長８０８ｎｍのポンプ光源であり、半導体レーザ１から出た光は、固体レーザ１２２を励起して、レーザ発振を起こす。固体レーザ１２２から出た出射光４は、ミラー１２４及び１２５で構成される共振器構造内でレーザ発振を行う。共振器内に設置された体積グレーティングからなる反射体１２１は選択波長を固体レーザ１２２に帰還するので、固体レーザ１２２は反射体１２１の反射波長に固定される。レーザ結晶にはＮｄ：ＹＶＯ４を用い、発振するレーザ光は１０６４ｎｍである。共振器内に非線形光学素子１２３を設置する。非線形光学素子１２３は周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３である。共振器内で発生した出射光４は、非線形光学素子１２３で第２高調波に変換され、波長５３２ｎｍの緑色光を発生する。この構成において、半導体レーザ１をポンプする駆動電源３によって半導体レーザ１をパルス駆動する。
この構成において、反射体１２１の反射波長を例えば１０６３ｎｍ程度に設定する。固体レーザ１２２として、Ｎｄのドープ量を３ａｔ％程度に増加させると、レーザ発振の利得波長領域が広がり、１０６３ｎｍでも高い発振強度が得られた。半導体レーザ１を強度変調することで、固体レーザ１２２が出力変調される。変調周波数を１ｋＨｚ、パルスのデューティをｏｎ／ｏｆｆ比で２５％にして変調したところ、固体レーザ１２２の出力も同様に出力変調された。固体レーザ１２２がパルス励起により温度変化することで、初期の発振波長１０６３ｎｍから１０６４．５ｎｍ程度まで波長が変化した。これは、固体レーザ１２２の温度変化により発振波長が反射体１２１の反射波長から、それ以外の波長に変化したことによる波長変動である。この動作によって、出力される緑色のＳＨＧ光は波長５３１．５〜５３２．３ｎｍまでのスペクトル拡大が可能となり、スペックルノイズが低減できた。さらに、固体レーザ１２２のドープ量の最適化を進めることで、レーザ発振の利得波長領域がさらに広がり、その結果、緑色のＳＨＧ光は波長５３１．５〜５３２．５ｎｍまでのスペクトル拡大を達成できた。
なお、図１２では、狭帯域特性を有する反射体である体積グレーティング１２１をミラー１２４及び１２５からなるレーザ共振器内部に設置したが、その他の構成として、レーザ共振器の外部から共振器に光フィードバックすることでも、レーザの発振波長を制御することが可能である。外部から波長を帰還すると、共振器内部の損失を低減できるため、高効率化に有利である。共振器の外部から狭帯域の反射波長を帰還する方法では、図６で示した狭帯域フィルターや、図７で示したファイバーグレーティングを用いる構成も可能である。
また、固体レーザ１２２自体にグレーティング構造を形成する構成も有効である。セラミックレーザを用いＮｄなどのドープ量を部分的に分布させることでレーザ媒質内部に周期的な屈折率分布が形成できる。これによって固体レーザ１２２のＤＦＢ構造が実現する。これをパルス光で励起すると固体レーザの屈折率変動が大きいため、グレーティングの反射波長領域が利得波長領域から外れ、同様に波長変動によるスペクトル拡大が実現できる。
また狭帯域特性を有する反射体として、複数の反射波長を有する反射体を用いる構成も可能である。さらに、半導体レーザの出力変調にさらに高周波を重畳することで、固体レーザの発振を不安定にし、スペクトルの広がりを大きくすることでスペックルノイズがさらに低減する効果も得られる。
また、レーザ媒質として固体レーザの代わりにファイバーレーザを用いることも可能である。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態は、半導体レーザに印加される駆動電流に高周波を重畳することにより駆動電流を変調し、半導体レーザの発振スペクトルを大きく変動させるものである。
図１３Ａ及びＢは、本実施の形態に係る照明光源の半導体レーザの駆動方法を説明するための図である。図１３Ａは、光フィードバックにより波長ロックされた半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図１３Ｂは、図１３Ａの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。なお、図１３Ａ及びＢにおいて、「ｏｎ」は駆動電流に高周波が重畳されている期間、「ｏｆｆ」は駆動電流に高周波が重畳されていない期間を示している。
半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳することで半導体レーザの出力光のコヒーレンスが低下する。光フィードバックを利用した半導体レーザは外部からの特定の波長の光をレーザの活性層内に帰還することで、出力波長を固定できる。これに対して、半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳すると、光のコヒーレンスが低下するため、外部から帰還する戻り光との相関が低下し、光のロックがはずれる。駆動電流に高周波を重畳する期間としない期間とを設けることにより、半導体レーザの発振波長を外部からの戻り光の波長に固定されたスペクトル（図中「ｏｆｆ」の期間）と、外部からの戻り光による波長ロックからはずれた状態（図中「ｏｎ」の期間）との間で、時間的にスペクトルを変化させることができる。これによって、レーザ光の発振波長が時間的に変化し、人間が観測した場合のスペックルノイズを大幅に低減することができる。半導体レーザのコヒーレンスを下げるための高周波重畳の周波数は１０ＭＨｚ以上の高周波が必要である。また、スペクトル変化によりスペックルノイズが低下すると人間が認識するには、高周波の印加を切り替える周波数として１ｋＨｚ以上が必要であった。
なお、高周波重畳の場合、駆動電流の最小値は、半導体レーザのしきい値電流Ｉｔｈの値より小さい方が望ましい。駆動電流をしきい値電流Ｉｔｈ以下の値から変調することで、半導体レーザのコヒーレンスは大幅に低下し、半導体レーザの波長ロックが、より外れやすくなる。
また、半導体レーザは横モードがマルチモード発振であるワイドストライプのレーザが好ましい。シングルモードの半導体レーザは、波長ロックがかかりやすく、高周波重畳しても波長ロックが外れにくいため、非常に強い振幅の高周波重畳が必要となるが、ワイドストライプは容易に波長ロックが外れるため、高周波重畳の消費電力を低減できる。
さらに、高周波重畳を加えると、図１３Ｂの「ｏｎ」期間に示すように、単一のスペクトル自体も広げることができる。これにより、コヒーレンスをさらに低減し、スペックルノイズをより低減することが可能となる。
図１４Ａ及びＢは、本実施の形態に係る照明光源の半導体レーザの他の駆動方法を説明するための図である。図１４Ａは、光フィードバックにより波長ロックされた半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図１４Ｂは、図１４Ａの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。図１４Ａ及びＢにおいて、「大」は駆動電流に高強度の高周波が重畳されている期間、「小」は駆動電流に低強度の高周波が重畳されている期間を示すものとする。図１４Ｂに示すように、高周波の振幅強度を時間的に変調することにより、図１３Ａ及びＢの場合と同様、半導体レーザの発振波長を２つのスペクトルで発振することが可能となる。
図１５Ａ及びＢは、本実施の形態に係る照明光源の半導体レーザのさらに他の駆動方法を説明するための図である。図１５Ａは、光フィードバックにより波長ロックされた半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図１５Ｂは、図１５Ａの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。図１５Ａ及びＢにおいて、「Ａ」は駆動電流の最小値がしきい値電流Ｉｔｈを下回る期間、「Ｂ」は駆動電流の最小値がしきい値電流Ｉｔｈを上回る期間を示すものとする。この駆動方法では、高周波のバイアスを変調して振幅の最小値が、半導体レーザのしきい値電流Ｉｔｈの上下で変化するように駆動する。高周波重畳された駆動電流の最小値が半導体レーザのしきい値電流を以下になると、半導体レーザのコヒーレンスが大幅に低下する。この現象を利用して、しきい値電流の上下で駆動電流の最小値が上下するように、高周波重畳の振幅またはバイアスを変調することで、半導体レーザの発振スペクトルを２波長間で変化させることが可能となる。さらに、この構成においては、波長ロックされた状態でも高周波重畳された状態になるので、図１５Ｂの「Ｂ」期間に示すように、発振スペクトルの広がりを大きくできる。このため、スペックルノイズの低減効果をより強くすることができる。
また、高周波の周波数を変調することも有効である。光フィードバックにより波長を固定する場合、反射体と半導体レーザの距離に依存して、高周波がかかりやすい周波数が存在する。これは、光が反射体から反射して半導体レーザに帰還する時間により決定される。このため、高周波の周波数を時間的に変化させることによっても、波長ロックの強度を変えることができる。即ち、波長ロックの強い周波数では、外部の反射体から帰還する波長に固定され、波長ロックの弱まる周波数では、外部から帰還する波長から外れて、半導体レーザのゲインピークで発振することになり、半導体レーザが２つの波長スペクトルでさせることが可能となる。
なお、本実施の形態では、レーザ媒質として半導体レーザについて示したが、レーザ媒質として固体レーザ、ファイバーレーザを用いた場合にも適用可能である。固体レーザ、ファイバーレーザの場合、高周波を重畳する対象は、レーザ媒質を励起するポンプ用の半導体レーザとなる。また、ファイバーレーザの場合、特定波長を反射する反射体としてはファイバー内に周期的な屈折率分布を形成したファイバーグレーティングを用いる構成が好ましい。ポンプ用の半導体レーザを高周波駆動し、高周波の周波数、振幅を変調することで、固体レーザまたはファイバーレーザの発振スペクトルを時間的に変化させることが可能となる。これによって、レーザ光のスペクトルを大幅に低減することができた。
なお、反射体として、レーザ媒質に外部から特定波長を反射する反射体を設けた構成について記載したが、レーザ媒質の内部、例えば、半導体レーザの内部にグレーティング構造を形成したＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザにおいても同様の構成が可能である。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態は、上記の実施の形態１〜３に係る照明光源を用いてレーザディスプレイを実現するものである。
レーザディスプレイは、ＲＧＢレーザ光を用いたディスプレイ装置であり、レーザ出力としては数１００ｍＷから数Ｗ以上の大出力が必要とされる。レーザディスプレイの場合、光に回折限界の集光特性は要求されない。従って、半導体レーザの横モードは単一モードである必要がない。そこで、ワイドストライプ構造の高出力半導体レーザを用いる。赤色レーザにはＡｌＧａＡｓ系半導体材料またはＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用い、発振波長は６３０〜６４０ｎｍの赤色レーザを用い、青色レーザにはＧａＮ基板をベースとする半導体レーザを用い、発振波長は４４０〜４５０ｎｍである。カラーディスプレイを実現するには、ＲＧＢ照明によるカラー表示が必要であるが、ここでは、ＲＧＢを切り替えて表示するフィールドシーケンシャル方式を用いる。周波数は６０Ｈｚで青、赤、緑は発光時間をそれぞれ３０％で切り替える。空間変調素子としてはＤＬＰを用い、レーザ光を画像変換する。ＲＧＢ光源を周波数１２０Ｈｚ、デューティ３０％で駆動して、ＲＧＢを順番に切り替え、それぞれの色の絵を合成することでカラー画像を表示させた。
半導体レーザはそれぞれグレーティングによって特定波長の反射光を帰還している。半導体レーザを５００ｍＷのピーク出力でパルス駆動することで、発振波長がグレーティングの反射波長から、それ以外の波長にシフトし、発振波長が変化した。ＲＧＢの切り替え駆動によりスペクトルが拡大し、スペックルノイズを大幅に低減でき、高画質の画像が実現できた。本実施の形態では、特別な構成を必要とせず、カラー表示に必要なＲＧＢの画像切り替え変調により光源のスペクトルを拡大し、スペックルノイズの低減が可能になった。
ここでは、レーザディスプレイへの応用を目的としたＷクラスのレーザ光源について述べる。１００インチクラスの大画面をレーザの照明により実現するには、光源特性として数Ｗの出力が必要となる。フルカラー出力を得るためには、赤、青、緑の波長領域のレーザをそれぞれ数Ｗクラスのものをそろえる必要がある。しかしながら、単一ストライプ構造の半導体レーザにおいて、Ｗクラスの出力を得るのは難しい。そこで、マルチストライプ構造の半導体レーザを利用して数Ｗ出力を得る構成を提案する。ストライプ幅は５０μｍ、ストライプ間隔は３００μｍ、チップ幅１２ｍｍで、１０本程度のストライプが集積化されている。１ストライプあたりの出力は数１００ｍＷ程度で、１チップで４Ｗの出力が可能である。体積グレーティングにより各ストライプに光フィードバックすることで発振波長を固定している。このレーザアレイをＲＧＢで切り替えて出力変調することで、発振波長が変化し、スペクトル幅が拡大することでスペックルノイズが大幅に低減された。さらに、グレーティングの反射波長をストライプ間で異なる波長に設計することで光源のスペクトルをより拡大することができた。さらにパルス変調することでスペクトルが時間的に変化し、かつスペクトル幅を拡大することができるので、スペックルノイズがより低減された。
また、高出力化が容易なワイドストライプ構造により、高出力化、歩留まり向上、信頼性向上を実現できた。
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態は、上記の実施の形態４に係るレーザディスプレイの一種であるレーザ投射装置に係る形態である。レーザ投射装置は、ＲＧＢ光源と、投射光学系とからなり、レーザ光源からの光を投射光学系によりスクリーン等へ投射することでフルカラーの映像を投射できる。その方式としては、外部のスクリーンや壁などの投射体に映像を投影して反射光を見るタイプと、背面投射型としてスクリーンの背面から光を照射して反射光を見るタイプに分かれる。いずれの場合も、スクリーン等で散乱された光によって色を認識できる。しかしながら、コヒーレンスの高いレーザを利用する場合、スクリーンで散乱された光が干渉してスペックルノイズを発生するという問題が発生する。スペックルノイズを低減する有効な方法はレーザ光のコヒーレンスを低減することである。レーザ光のコヒーレンス低減には、レーザの発振スペクトルを拡大するのが有効である。
図１６は、本実施の形態に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。本実施の形態に係るレーザ投射装置は、上記実施の形態１〜３に係る照明光源を用い、レーザ光を２次元スイッチである液晶パネルにより画像変換して、スクリーン上に映像を投影するレーザディスプレイである。照明光源１６１から出射された光は、コリメート光学系１６２及びインテグレータ光学系１６３を通って、拡散板１６４を通過した後、２次元スイッチである液晶パネル１６５により画像変換され、投影レンズ１６７によりスクリーン１６６に投影される。拡散板１６４は、揺動機構により位置変動しており、照明光源１６１のスペクトル拡大と合わせてスクリーン１６６上で発生するスペックルノイズを低減する。
本実施の形態に係るレーザ投射装置では、照明光源１６１の波長変動を利用して、コヒーレンスを下げることで、スクリーン上で発生するスペックルノイズを低減している。照明光源１６１は、外部の温度変化に対しても安定した出力が得られ、小型、高出力で安定な映像が実現できた。また、高いビーム品質のため、光学系の設計を容易にし、小型化、簡素化が可能となった。
さら、上記実施の形態１〜３に係る照明光源を複数用いることにより、スペックルノイズをより低減することが可能である。照明光源を複数用いて、それぞれの光源の反射体の波長を異なる波長に設定することで、照明光源の発振スペクトルが全体で大きく広がる。これによって、スペックルノイズを大幅に低減できる。
なお、２次元スイッチとしては、液晶パネル以外にも、反射型液晶スイッチ、ＤＭＤミラー等の利用も可能である。
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態は、上記の実施の形態４に係るレーザディスプレイの一種である他のレーザ投射装置に係る形態である。
図１７は、本実施の形態に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。照明光源１７１から出射されたレーザ光１７４は、ミラー１７２及び１７３で走査することにより、スクリーン１７５上に２次元的な画像を描く。この場合に、照明光源１７１に高速なスイッチ機能が必要である。本実施の形態に係る照明光源１７１は、高出力化が可能であり、出力安定化に優れ、簡易な温度制御によって安定した出力を得ることができる。また、出力変調することでスペクトルの拡大が同時にできるため、画像形成のための出力変調とスペクトル拡大のための出力変調を兼任できるという利点を有する。画像形成のための出力変調によりスペックルノイズを低減できるため、スペックルノイズ低減のみに必要な構成が不要となる。また、ビーム走査光学系としてはＭＥＭＳを利用した小型走査装置も利用できる。高いビーム品質は集光特性、コリメート特性に優れ、ＭＥＭＳ等の小型ミラーも利用可能となる。これによって、走査型のレーザディスプレイが実現できた。
なお、上記実施の形態４〜６では、光学装置としてはレーザディスプレイについて説明したが、その他、液晶のバックライトへの応用も可能となる。液晶のバックライト用の光源として照明光源を用いれば、スペックルノイズが抑圧され、高品質な画像が実現できる。さらにレーザ光により広い色範囲が表現できるため、色再現性に優れたディスプレイが実現できる。図１８に、上記の実施の形態１〜３に係る照明光源を用いた液晶バックライトの構成を示す。導光板１８６の端面から照明光源１８１〜１８３からのレーザ光１８５をマイクロレンズ１８４を通して入射し、面状のバックライト光源を形成している。レーザ光を複数使用することで、輝度を上げるとともに、照明光源を複数用い、それぞれの光源の反射体の波長を異なる波長に設定することで、スペクトルは全体で大きく広がる。これによって、スペックルノイズを大幅に低減できる。
また、その他、レーザ照明、イルミネーションなど、レーザ光源を照明光源として利用する場合には、スペックルノイズの低い光源として有望である。
本発明の照明光源は、光フィードバックによって波長ロックされたレーザ媒質において、レーザ媒質の出力変調時に発生する利得波長領域の変動を利用して、レーザ媒質の発振波長を大きく変動させる。これによってレーザ媒質の発振スペクトルの変動幅を増大させスペックルノイズの少ない光源を実現する。この光源を用いた照明光学システムおよび投射光学システムによりスペックルノイズの少ない高画質な照明光学系を実現できる。
上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明に係る照明光源は、所定の利得領域を持つレーザ媒質を有するレーザ光源と、狭帯域の反射特性を有する反射体と、を備え、前記反射体の反射波長は、前記レーザ媒質の利得領域内で設定されており、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の一部は前記反射体による反射によって前記レーザ光源に帰還され、前記レーザ光源の発振波長は、前記レーザ光源の発振特性の変化により前記レーザ媒質の利得領域のピークを前記反射波長から移動させることにより、前記反射波長から変化される。
上記の照明光源では、レーザ光源から出射されるレーザ光の一部を反射体による反射によってレーザ光源に帰還させることによりレーザ光源の発振光を反射体の波長に固定する。そして、レーザ光源の発振特性を変化させることでレーザ光源の利得領域のピークを固定された反射波長から変動させる。このため、レーザ光源の発振波長が大きく変動させることができるので、レーザ光源の発振スペクトル幅が広がりコヒーレンスが低下する。従って、スペックルノイズの少ない照明光源を実現することができる。
前記反射体の反射波長は、前記レーザ媒質の利得領域のピークに対して短波長側に設定されることが好ましい。
この場合、反射波長を短波長側に設定しておくことにより、レーザ光源の利得領域のピークは長波長側にシフトする場合、レーザ光源の発振波長の変動をより大きくすることができる。
前記レーザ光源の発振波長の変化量は、１ｎｍ以上であることが好ましい。
この場合、レーザ光源の発振波長の変化量をレーザ光源の利得領域のピークの変動幅よりも大きくすることができる。
前記反射体の反射波長は、複数の反射波長を含み、前記レーザ光源の発振波長は、前記複数の反射波長間で変化されることが好ましい。
この場合、レーザ光源の発振波長を複数の反射波長間で変化させることができるので、発振波長の変化量をより大きくすることができる。
前記レーザ光源に印加される駆動電流をパルス変調することにより、前記レーザ光源の発振特性を変化させると共に、前記パルス変調のパルスのデューティ比は、５０％以下であることが好ましい。
この場合、駆動電流のピーク出力を平均出力に対して大きくすることができるので、レーザ光源の発振特性の変化を大きくとることができる。
前記パルス変調のパルス幅は、１μｓ以上であることが好ましい。
この場合、駆動電流のパルス変調に追従するようにレーザ光源の発振特性を変化させることができる。
前記パルス変調のパルスは、複数の短パルスの組み合わせから構成されることが好ましい。
この場合、レーザ光源の発振特性の変化をより大きくとることができる。
前記反射体は、屈折率グレーティングが形成された誘電体からなることが好ましい。
この場合、屈折率グレーティングが形成された誘電体は小型化が可能であるので、照明光源の小型化を図ることができる。
前記反射体は、グレーティングが形成されたファイバーからなることが好ましい。
この場合、簡単な構成で反射体を実現できる。
前記反射体は、狭帯域フィルターと、前記狭帯域フィルターを透過する光の一部のみを反射する反射部材と、からなることが好ましい。
この場合、簡単な構成で反射体を実現できる。
前記レーザ光源は、半導体レーザであることが好ましい。
この場合、高輝度、高出力のレーザ光源を利用することができる。
前記反射体は、前記半導体レーザの内部に形成されていることが好ましい。
この場合、照明光源の小型化を図ることができる。
前記半導体レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなることが好ましい。
この場合、高輝度、高出力のレーザ光源を得ることができる。
前記半導体レーザは、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料からなることが好ましい。
この場合、高輝度、高出力のレーザ光源を得ることができる。
前記半導体レーザは、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料からなることが好ましい。
この場合、高輝度、高出力のレーザ光源を得ることができる。
前記レーザ光源は、固体レーザであることが好ましく、前記固体レーザは、固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む共振器と、前記共振器内に設置された非線形光学素子と、からなることが好ましい。
この場合、大パワー出力のレーザ光を得ることができる。
前記レーザ光源は、ファイバーレーザであることが好ましい。
この場合、高効率でレーザ光を得ることができる。
前記駆動電流には、前記駆動電流の周波数、振幅及びバイアスのうちの少なくとも１つを変調する高周波信号が重畳されていることが好ましい。
この場合、レーザ光源から出射されるレーザ光のコヒーレンスを低下させることができるので、反射波長に固定されたレーザ光源の発振波長の変動をより容易に行うことが可能となる。
前記高周波信号の周波数は、１０ＭＨｚ以上であり、前記高周波信号の周波数、振幅及びバイアスのうちの少なくとも１つを変調する変調信号の周波数は、１ｋＨｚ以上であることが好ましい。
レーザ光源から出射されるレーザ光のコヒーレンスを低下させつつ、スペックルノイズの低減の効果を観察者に感知させることができる。
前記駆動電流の最小値は、前記レーザ光源のしきい値電流値を中心として上下変動することが好ましい。
この場合、レーザ光源の発振波長が反射波長に固定されている状態においても、発振波長に広がりを持たせることができる。
前記半導体レーザはさらに、前記半導体レーザを加熱する加熱部を備え、前記半導体レーザの発振特性の変化に追従するように、前記加熱部から発生される熱による加熱が制御されることが好ましい。
この場合、半導体レーザの発振特性の変化を最適な状態で行うことができる。
前記反射体は、回折格子からなり、前記回折格子によるブラッグ反射により前記反射波長が設定され、前記半導体レーザはさらに、前記駆動電流が供給され、前記半導体レーザの出力を制御可能な出力制御電極と、波長制御用電流が供給され、前記波長制御用電流の注入による前記回折格子の温度制御により、前記半導体レーザの発振波長を制御可能な波長制御電極と、を備え、前記駆動電流のパルス変調に追従するように前記波長制御用電流をパルス変調することが好ましい。
この場合、駆動電流のパルス変調に追従するように波長制御用電流をパルス変調することにより、半導体レーザの発振波長の変化量を拡大することができる。
前記反射体の反射率は、１〜１０％であることが好ましい。
この場合、レーザ光源の発振波長を反射波長に固定しつつ、固定された反射波長からの変化を容易に行うことができる。
前記反射体の狭帯域幅は、５ｎｍ以下であることが好ましい。
この場合、レーザ光源の発振波長を反射波長に容易に固定することができる。
本発明に係るレーザ投射装置は、上記のいずれかの照明光源を少なくとも１つ備え、前記照明光源から出射されるレーザ光を投射する光学系、をさらに備える。
上記のレーザ投射装置では、スペックルノイズを効果的に抑制した良好な映像を投射可能なレーザ投射装置を実現できる。
前記レーザ光源から出射されるレーザ光の横モードは、マルチモードであることが好ましい。
この場合、レーザ光源から出射されるレーザ光の高出力化を図ることができる。
前記レーザ光源から出射されるレーザ光の縦モードの波長間隔は、１ｎｍ以上であることが好ましい。
この場合、レーザ光源の発振波長の変化量をレーザ光源の利得領域のピークの変動幅よりも大きくすることができる。
前記反射体の反射波長が互いに異なっていることが好ましい。
この場合、照明光源全体としての発振スペクトルを大きく広げることができるので、スペックルノイズを低減することができる。
前記照明光源から出射されるレーザ光が入射される導光板を、さらに備えることが好ましい。
この場合、画面全体に均一にレーザ光を照射することができる。
本発明に係る照明光源は、光フィードバックとパルス駆動によるゲインシフトを利用して、半導体レーザの発振波長を大きく変化させることで、半導体レーザのスペックルノイズを低減するのに有効である。半導体レーザを照明光源として利用する場合、スペックルノイズの低減は必須の技術であり、本発明の小型で簡単な構成は、照明光源として非常に有効である。
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明光源の構成を示す図、図１Ｂは、半導体レーザの出力特性を示す図、図１Ｃは、半導体レーザの発振波長特性を示す図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明光源の構成を示す図、図２Ｂは、半導体レーザの発振スペクトルの特性を示す図、図２Ｃは、半導体レーザの発振波長特性を示す図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明光源の構成を示す図、図３Ｂは、半導体レーザの発振スペクトルの他の特性を示す図、図３Ｃは、半導体レーザの他の発振波長特性を示す図である。 図４Ａは、半導体レーザに印加される駆動電流のパルス列の一例を示す図、図４Ｂは、図４Ａのパルス列の駆動電流の印加時の半導体レーザの活性層の温度変化を示す図、図４Ｃは、図４Ａのパルス列の駆動電流の印加時の半導体レーザの発振波長特性を示す図、図４Ｄ〜Ｆは、図４Ａのパルス列の駆動電流の印加時の半導体レーザの発振スペクトルの分布を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る照明光源の反射体として体積グレーティングを用いた構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る照明光源の反射体として狭帯域フィルターを用いた構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る照明光源の反射体としてグレーティングが形成されたファイバーを用いた構成を示す図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明光源の発振波長の特性評価に使用した光源の構成を示す図、図８Ｂ及びＣは、半導体レーザの発振スペクトルの観察結果を示す図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明光源の半導体レーザの利得ピーク波長と反射体の発振波長との波長差の検討に使用した光源の構成を示す図、図９Ｂ〜Ｄは、半導体レーザの発振スペクトルの観察結果を示す図である。 図１０Ａは、温度調整可能な半導体レーザの構成を示す図、図１０Ｂは、温度調整可能な半導体レーザの他の構成を示す図である。 図１１Ａは、ＤＢＲレーザの構造を示す断面図、図１１Ｂは、ＤＦＢレーザの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る照明光源の構成を示す図である。 図１３Ａ及びＢは、本発明の実施の形態３に係る照明光源の半導体レーザの駆動方法を説明するための図であり、図１３Ａは、光フィードバックにより波長ロックされた半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図１３Ｂは、図１３Ａの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。 図１４Ａ及びＢは、本発明の実施の形態３に係る照明光源の半導体レーザの他の駆動方法を説明するための図であり、図１４Ａは、光フィードバックにより波長ロックされた半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図１４Ｂは、図１４Ａの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。 図１５Ａ及びＢは、本発明の実施の形態３に係る照明光源の半導体レーザのさらに他の駆動方法を説明するための図であり、図１５Ａは、光フィードバックにより波長ロックされた半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳した電流波形を示す図、図１５Ｂは、図１５Ａの電流波形の駆動電流が印加された半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態５に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態６に係るレーザ投射装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１〜３に係る照明光源を用いた液晶バックライトの構成を示す図である。

Claims (29)

  1. 所定の利得領域を持つレーザ媒質を有するレーザ光源と、
    狭帯域の反射特性を有する反射体と、を備え、
    前記反射体の反射波長は、前記レーザ媒質の利得領域内で設定されており、
    前記レーザ光源から出射されるレーザ光の一部は前記反射体による反射によって前記レーザ光源に帰還され、
    前記レーザ光源の発振波長は、前記レーザ光源の発振特性の変化により前記レーザ媒質の利得領域のピークを前記反射波長から移動させることにより、前記反射波長から変化され、
    前記反射体の反射波長は、前記レーザ媒質の利得領域のピークに対して短波長側に設定されることを特徴とする照明光源。
  2. 前記レーザ光源の発振波長の変化量は、１ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の照明光源。
  3. 前記反射体の反射波長は、複数の反射波長を含み、
    前記レーザ光源の発振波長は、前記複数の反射波長間で変化されることを特徴とする請求項１に記載の照明光源。
  4. 前記レーザ光源に印加される駆動電流をパルス変調することにより、前記レーザ光源の発振特性を変化させると共に、前記パルス変調のパルスのデューティ比は、５０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明光源。
  5. 前記パルス変調のパルス幅は、１μｓ以上であることを特徴とする請求項４に記載の照明光源。
  6. 前記パルス変調のパルスは、複数の短パルスの組み合わせから構成されることを特徴とする請求項４に記載の照明光源。
  7. 前記反射体は、屈折率グレーティングが形成された誘電体からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明光源。
  8. 前記反射体は、グレーティングが形成されたファイバーからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明光源。
  9. 前記反射体は、狭帯域フィルターと、前記狭帯域フィルターを透過する光の一部のみを反射する反射部材と、からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明光源。
  10. 前記レーザ光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の照明光源。
  11. 前記反射体は、前記半導体レーザの内部に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の照明光源。
  12. 前記半導体レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなることを特徴とする請求項１０または１１に記載の照明光源。
  13. 前記半導体レーザは、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料からなることを特徴とする請求項１０または１１に記載の照明光源。
  14. 前記半導体レーザは、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料からなることを特徴とする請求項１０または１１に記載の照明光源。
  15. 前記レーザ光源は、固体レーザであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の照明光源。
  16. 前記固体レーザは、固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む共振器と、前記共振器内に設置された非線形光学素子と、からなることを特徴とする請求項１５に記載の照明光源。
  17. 前記レーザ光源は、ファイバーレーザであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の照明光源。
  18. 前記駆動電流には、前記駆動電流の周波数、振幅及びバイアスのうちの少なくとも１つを変調する高周波信号が重畳されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の照明光源。
  19. 前記高周波信号の周波数は、１０ＭＨｚ以上であり、前記高周波信号の周波数、振幅及びバイアスのうちの少なくとも１つを変調する変調信号の周波数は、１ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１８に記載の照明光源。
  20. 前記駆動電流の最小値は、前記レーザ光源のしきい値電流値を中心として上下変動することを特徴とする請求項１８に記載の照明光源。
  21. 前記半導体レーザはさらに、前記半導体レーザを加熱する加熱部を備え、前記半導体レーザの発振特性の変化に追従するように、前記加熱部から発生される熱による加熱が制御されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の照明光源。
  22. 前記反射体は、回折格子からなり、前記回折格子によるブラッグ反射により前記反射波長が設定され、
    前記半導体レーザはさらに、前記駆動電流が供給され、前記半導体レーザの出力を制御可能な出力制御電極と、波長制御用電流が供給され、前記波長制御用電流の注入による前記回折格子の温度制御により、前記半導体レーザの発振波長を制御可能な波長制御電極と、を備え、
    前記駆動電流のパルス変調に追従するように前記波長制御用電流をパルス変調することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の照明光源。
  23. 前記反射体の反射率は、１〜１０％であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の照明光源。
  24. 前記反射体の狭帯域幅は、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の照明光源。
  25. 請求項１〜２４のいずれか１項に記載の照明光源を少なくとも１つ備え、前記照明光源から出射されるレーザ光を投射する光学系、をさらに備えることを特徴とするレーザ投射装置。
  26. 前記レーザ光源から出射されるレーザ光の横モードは、マルチモードであることを特徴とする請求項２５に記載のレーザ投射装置。
  27. 前記レーザ光源から出射されるレーザ光の縦モードの波長間隔は、１ｎｍ以上であることを特徴とする請求項２５に記載のレーザ投射装置。
  28. 前記反射体の反射波長は、互いに異なっていることを特徴とする請求項２５〜２７のいずれか１項に記載のレーザ投射装置。
  29. 前記照明光源から出射されるレーザ光が入射される導光板を、さらに備えることを特徴とする請求項２８に記載のレーザ投射装置。
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