JP5132364B2 - 波長検出装置、波長安定レーザ装置、及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長検出装置、波長安定レーザ装置及び画像表示装置に関し、より特定的には、レーザ光の横モードと縦モードとの変化を区別し、精度よくレーザ光の波長の変化を検出することが可能な波長検出装置、当該波長検出装置を用いた波長安定レーザ装置、及び当該波長安定レーザ装置が発生させたレーザ光を光源として用いた画像表示装置に関する。

近年、レーザ光源を使用した画像表示装置が注目を集めている。レーザ光はコヒーレント光であるので、波長の幅（スペクトル幅）が非常に小さい。波長が色を決定するため、レーザ光は単色性に優れているといえる。レーザ光源の波長を適当に選ぶことで、光の３原色であるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の色純度が高く、色再現性に非常に優れた画像表示装置を実現することができる。波長が変化すれば当然画像の色が変化するため、波長の変化を検出する技術、及び波長を安定化する技術は、レーザ光源を用いた画像表示装置において非常に重要である。

次に、回折光を用いた従来の波長検出装置について説明する。図２１は、回折光を用いた従来の波長検出装置１１４の一例を示す概略図である。図２１において、波長検出装置１１４は、レーザ光源１１０から射出されたレーザ光を回折する回折格子１１１と、＋１次回折光を測定する光ディテクタ１３０とを備える。レーザ光源１１０から出力されたレーザ光は、光路に配置された波長検出装置１１４に入射する。波長検出装置１１４において、入射したレーザ光は回折格子１１１によって回折され、それらが互いに干渉して±ｎ次の回折光１２０を発生させる。＋１次回折光を測定する光ディテクタ１３０の光入射面は、レーザ光のビームスポットと同程度以下に設計されている。

光ディテクタ１３０は、機械的に可動することができ、＋１次回折光の光強度の測定値が大きくなる位置に動く。ここで、＋１次回折光の光強度の測定値が大きくなる光ディテクタ１３０の位置は、光ディテクタ１３０の光入射面内にビームスポットが入っている位置である。波長検出装置１１４は、光ディテクタ１３０の光強度の測定値を観測しつつ、光ディテクタ１３０を移動させることで、＋１次回折光のビームスポットの位置を知ることができる。そして、ビームスポットの位置より、基本モード時の０次回折光に対する＋１次回折光の回折角度θ１を求めることができる。＋１次回折光の回折角度θ１はレーザ光の波長に対応しているため、波長検出装置１１４は、＋１次回折光の回折角度θ１の変化からレーザ光の波長の変化を検出することが可能となる。

なお、従来の波長検出装置１１４は、光ディテクタ１３０を固定し、回折格子１１１を動かすことでも、同様にレーザ光の波長の変化を検出することが可能である。また、従来の波長検出装置１１４は、光ディテクタ１３０を固定し、光ディテクタ１３０の光入射面をアレイ状に分割することでも、同様にレーザ光の波長の変化を検出することが可能である。この場合、波長検出装置１１４は、光入射面の各分割領域が測定した光強度の値より、＋１次回折光の回折角度θ１を算出し、当該算出した回折角度θ１の変化からレーザ光の波長の変化を検出することが可能となる。

また、下記の公報には、従来の波長検出装置１１４の技術を応用した半導体レーザ光源が開示されている。特許文献１に開示されている半導体レーザ光源は、回折格子で回折した＋２次回折光を位置検出素子で検出し、＋２次回折光の回折角度を求めることで、レーザ光の波長の変化を検出する。また、０次回折光を光ディテクタで検出することでレーザ
パワーを測定し、＋１次回折光を半導体レーザに帰還する。特許文献１に開示されている半導体レーザ光源は、レーザ光の波長の変化と、レーザパワーとを同時に測定することで、波長の変動が少ない安定な動作を実現していた。

また、特許文献２に開示されている半導体レーザ光源は、＋１次回折光を位置検出素子で測定し、＋１次回折光の回折角度を求めることで、レーザ光の波長の変化を検出する。そして、レーザ光の波長の変化に基づいて、レーザパワーを制御することで、波長の変動が少ない安定な動作を実現していた。

また、特許文献３に開示されている半導体レーザ光源は、＋１次回折光を位置検出素子で測定する際、半導体レーザから射出されたレーザ光のビーム形状が楕円形である性質を利用して、長軸方向に径を縮小する光学素子を挿入することで、レーザ光の波長の変化を検出する精度を向上させていた。
特開昭６２−００５６７７号公報 特開２００６−３２３９７号公報 特開２００６−３２４３７１号公報

しかしながら、レーザ光には、縦モードと横モードとの二種類のモード変化と呼ばれる現象がある。縦モードの変化とは波長が変化する現象であり、波長を検出するということは、縦モードの状態を測定しているといえる。一方、横モードの変化とはビーム断面の強度分布が変化する現象である。上述した波長検出装置１１４、及び特許文献１〜３に開示されている半導体レーザ光源は、いずれの場合も、レーザ光の縦モードの状態のみを測定し、横モードの変化を考慮していなかった。

一般的に横モードが基本モード（単一横モード）と呼ばれる場合、ビーム断面の強度分布はガウシアン分布（正規分布）となっている。横モードが変化した場合、ガウシアン分布が変化し、レーザ光のビームスポット位置が変化することになる。すなわち、従来の波長検出装置１１４、及び特許文献１〜３に開示されている半導体レーザ光源では、横モードの変化を考慮していなかったために、横モードが変化した場合に、波長検出に誤差が生じる可能性があった。

この横モードが変化した場合の波長検出誤差について、従来の波長検出装置１１４を用いて説明する。まず、従来の波長検出装置１１４において、図２１に示すように、回折角度θ１の＋１次回折光が発生している状態を想定する。この状態において、横モードが一定で、縦モードが変化した場合の様子を図２２に示す。図２２に示すように、縦モードが変化した場合、当然＋１次回折光の回折角度が変化し、θ１＋Δθとなる。この結果、波長検出装置１１４は、光ディテクタ１３０の光入射面を、＋１次回折光のビームスポットの位置に移動させるため、光ディテクタ１３０を上向きの方向に移動する。

次に、縦モードが一定で、横モードが変化した場合の様子を図２３に示す。図２３に示すように、横モードが変化したことで、ビームスポットの位置が上方向にシフトする。すなわち、＋１次回折光も当然上方向にシフトするため、光ディテクタ１３０の光入射面が上向きの方向へ移動する。このときの光ディテクタ１３０の位置は、図２２において＋１次回折光を観測したときの位置と同じであるため、波長検出装置１１４は、縦モードが変化した状態（図２２）と、横モードが変化した状態（図２３）とを区別することができなかった。すなわち、従来の波長検出装置１１４は、横モードが変化した場合も、縦モードが変化したものとして認識してしまい、レーザ光の波長検出に誤差を生じる可能性があった。

また、レーザ光源を画像表示装置に用いる場合、より高輝度な画像表示装置を実現するためには、レーザの効率、出力の向上が必要になってくる。しかし、レーザ光の出力が大きくなる程、レーザ光のモード変化が起こりやすいという問題がある。一例として３７型の液晶テレビのバックライトにレーザ光源を用いた場合、効率などを考慮するとＲ、Ｇ、Ｂの各色に対して、３Ｗ以上のレーザ光源が必要となってくる。モード変化によらず、より鮮明な画像を実現するためには、精度の高い波長検出装置が求められている。

また、画像表示装置に用いられるレーザ光源は、光学的あるいは機械的に走査することにより、レーザ光が広げられてスクリーンに投影される。また、レーザ光源を用いた面状照明装置を使用し、液晶バックライトを実現する場合、レーザ光を広げてから導光板に入射する方法がある。このように広げられたレーザ光の波長検出の精度を上げようとする際、一般的な手法としては、アパーチャーを入れてレーザ光の広がった影響を小さくする方法や、レンズを用いてレーザ光を集光させ、細いビームにした後で測定する方法等がある。しかし、アパーチャーを入れることは測定されるレーザ強度が小さくなるという問題がある。また、レンズを用いてレーザ光を集光させる方法は、レーザ光の状態に応じた光学系が必要になり装置が複雑となるという問題がある。

それ故に、本発明の目的は、レーザ光の横モードと縦モードとの変化を区別し、精度よくレーザ光の波長の変化を検出することが可能な波長検出装置、当該波長検出装置を用いた波長安定レーザ装置、及び当該波長安定レーザ装置が発生させたレーザ光を光源として用いた画像表示装置を提供することである。

本発明は、レーザ光源から射出されたレーザ光の波長の変化を検出する波長検出装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の波長検出装置は、レーザ光を回折する回折格子と、回折格子によって回折された０次回折光に対して、対称な位置に配置された少なくとも２つの光ディテクタとを備える。波長検出装置は、２つの光ディテクタが測定した±ｎ（ｎは１以上の整数）次回折光の光強度に基づいて、レーザ光の波長の変化を検出する。

好ましくは、２つの光ディテクタは、±１次回折光を測定する。

好ましくは、２つの光ディテクタは、±ｎ次回折光の光強度が最大となる位置にそれぞれ移動することで、０次回折光に対する±ｎ次回折光の回折角度を測定する。この場合、波長検出装置は、２つの光ディテクタが測定した±ｎ次回折光の回折角度の平均角度に基づいて、レーザ光の波長の変化を検出する。

また、２つの光ディテクタの光入射面は、光を遮断するマスクによって、光入射領域と光遮断領域とに分割されていてもよい。この場合、光入射領域は、０次回折光と直交する光入射面上の直線に対して、一定の傾きを持った対称な形状を有する。波長検出装置は、２つの光ディテクタが測定した光強度の差分値に基づいて、レーザ光の波長の変化を検出する。

また、２つの光ディテクタの光入射面に配置されたマスクは可動し、±ｎ次回折光のビーム形状に応じて、光入射領域の面積を変化させるものであってもよい。

波長検出装置は、２つの光ディテクタの前方に、±ｎ次回折光のビーム径を拡大させるレンズをさらに備える構成であってもよい。

また、２つの光ディテクタの光入射面は、互いに同一形状であり、かつ複数の領域に分割されていてもよい。この場合、波長検出装置は、一方の光ディテクタの全分割領域が測定した光強度の和と、他方の光ディテクタの全分割領域が測定した光強度の和との差分値を、２つの光ディテクタの全分割領域が測定した光強度の和で割った値に基づいて、レーザ光の波長の変化を検出する。

好ましくは、２つの光ディテクタの光入射面は、０次回折光と直交する直線に対して、一定の傾きを持った対称な形状にそれぞれ分割されている。また、±ｎ次回折光のビーム形状は、長方形である。

また、本発明は、波長安定レーザ装置にも向けられている。本発明の波長安定レーザ装置は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、レーザ光源が発生させたレーザ光の波長の変化を検出する上述した波長検出装置と、波長検出装置が検出した波長の変化に基づいて、レーザ光源を制御する波長制御装置とを備える。

好ましくは、波長制御装置は、レーザ光の波長が一定となるように、レーザ光源の温度を制御する。

また、波長制御装置は、レーザ光の波長が一定となるように、レーザ光源の出力を制御するものであってもよい。

また、本発明は、画像表示装置にも向けられている。本発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源に、上述した波長安定レーザ装置を備える。また、本発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源に、上述した波長検出装置を備え、波長検出装置が検出したレーザ光の波長に応じて、画像表示装置が表示する画像の色合いが変化しないように、レーザ光のパワーを制御する構成であってもよい。

以上のように、本発明に係る波長検出装置によれば、０次回折光に対して、対称な位置に配置された２つの光ディテクタが測定した±１次回折光の光強度に基づいて、レーザ光の波長の変化を検出することで、レーザ光の横モードと縦モードとの変化を区別し、精度よくレーザ光の波長の変化を検出することができる。

また、本発明に係る波長安定レーザ装置によれば、波長制御装置が、上述した波長検出装置が検出したレーザ光の波長の変化に基づいて、レーザ光源を制御することで、レーザ光の横モードと縦モードとの変化を区別し、波長が一定となるレーザ光源を実現することできる。

また、本発明に係る画像表示装置によれば、上述した波長安定レーザ装置を光源に用いることによって、色再現性に優れた画像表示を実現することができる。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、局面、効果は、添付図面と照合して、以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長検出装置１１の構成の一例を示す概略図である。図１において、波長検出装置１１は、レーザ光源１０から射出されたレーザ光を回
折する回折格子１６と、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光とを測定する少なくとも二つの光ディテクタ３０ａ、３０ｂとを備える（ｎは１以上の整数である）。レーザ光源１０から射出されたレーザ光は、光路に配置された波長検出装置１１に入射する。波長検出装置１１において、入射したレーザ光は、回折格子１６によって回折され、それらが互いに干渉して±ｎ次の回折光２０を発生させる。回折光２０を測定する光ディテクタ３０ａ、３０ｂの光入射面は、レーザ光のビーム径と同程度以下に設計されている。

光ディテクタ３０ａ、３０ｂは、機械的に可動することができ、回折光２０の光強度の測定値が最大となる位置に動く。ここで、回折光２０の光強度の測定値が最大となる光ディテクタ３０ａ，３０ｂの位置は、光ディテクタ３０ａ，３０ｂの光入射面内に回折光２０のビームスポットが入っている位置である。この例では、光ディテクタ３０ａ，３０ｂは、＋１次回折光と、−１次回折光とを測定しているものとする。そのため、光ディテクタ３０ａは、＋１次回折光のビームスポットの位置（すなわち、＋１次回折光が最大光強度となる位置）に動く。また、光ディテクタ３０ｂは、−１次回折光のビームスポットの位置（すなわち、−１次回折光が最大光強度となる位置）に動く。

このように、波長検出装置１１は、回折光２０の光強度の測定値が最大となる位置に、光ディテクタ３０ａ，３０ｂを移動させることで、＋１次回折光及び−１次回折光のビームスポットの位置を知ることができる。そして、波長検出装置１１は、＋１次回折光及び−１次回折光のビームスポットの位置より、基本モード時の０次回折光に対する角度θａ、θｂを算出することができる。

次に、光ディテクタ３０ａ，３０ｂが測定した角度θａ，θｂを用いて、レーザ光の横モードの変化だけでなく、縦モードの変化も考慮した上で、レーザ光の波長を検出する方法について説明する。従来の方法で述べたとおり、縦モードが変化した場合（すなわち、レーザ光の波長が変化した場合）、図２２に示すように回折角度が変化する。また、同次の回折光の回折角度は等しいため、＋１次回折光と−１次回折光の回折角度は等しくなる。このため、縦モードが変化した場合、＋１次回折光のビームスポットの位置と、−１次回折光のビームスポットの位置とは、０次回折光を軸として対称に移動する。そのため、図１に示すように、横モードが基本モードである場合、光ディテクタ３０ａ，３０ｂが測定した角度θａ，θｂは、±１次回折光の回折角度そのものとなり、（式１）の関係が成り立つ。
θａ＝θｂ ・・・（式１）

次に、図１に示す状態から、横モードが変化した場合の波長検出装置１１の動作について、図２を用いて説明する。図２は、波長検出装置１１において横モードが変化した状態を示す図である。図２に示すように、横モードが変化したときは、±１次回折光の回折角度は変化せず、強度分布のみが変化する。図２に、回折角度が変化せず、強度分布のみが変化した場合の±１次回折光との分布を示す。図２に示すとおり、±１次回折光は、光ディテクタ３０ａ，３０ｂ上で同じ距離だけ同じ方向にシフトしている。そのため、光ディテクタ３０ａ、３０ｂが測定した角度θａ、θｂとの間には、（式２）の関係が成り立つ。
θａ≠θｂ ・・・（式２）

ここで、光ディテクタ３０ａが測定した角度θａと、光ディテクタ３０ｂが測定した角度θｂとの平均値を角度θｃと定義する。すなわち、角度θｃを（式３）によって定義する。
θｃ＝（θａ＋θｂ）／２ ・・・（式３）

縦モードが変化した場合は（式１）の関係を満たすため、θｃ＝θａ＝θｂとなり、角
度θｃは、±１次回折光の回折角度となる。また、横モードが変化した際も、回折光の対称性から角度θｃは、±１次回折光の回折角度となる。すなわち、波長検出装置１１は、（式３）で定義された角度θｃから、横モードの変化に関係なく、±１次回折光の回折角度を求めることができる。また、±１次回折光の回折角度は、レーザ光の波長に対応しているため、波長検出装置１１は、（式３）で定義された角度θｃを回折角度として用いることにより、レーザ光の横モードと縦モードとの変化を区別し、レーザ光の波長の変化を検出することが可能となる。

なお、高次の回折光は回折角度が大きくなるため、波長検出装置１１は、波長検出の分解能を大きくしたい場合には、高次の回折光を測定してもよい。しかし、高次の回折光になるほど光強度は小さくなるため、光強度の大きい回折光が必要な場合、±１次回折光を測定する方が好ましい。また、波長検出装置１１は、±１次回折光を測定する光ディテクタと、より高次の回折光を測定する光ディテクタとを用意して、レーザパワーが弱いときは±１次回折光を測定する光ディテクタを利用し、レーザパワーが強いときは高次の回折光を測定する光ディテクタを使用してもよい。このとき、波長検出装置１１は、光ディテクタを４つ以上備えることが必要となる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る波長検出装置１２の構成の一例を示す概略図である。図３において、波長検出装置１２は、レーザ光源１０から射出されたレーザ光を回折する回折格子１６と、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光とを測定する少なくとも二つの光ディテクタ４０ａ，４０ｂとを備える。レーザ光源１０から射出されたレーザ光は、光路に配置された波長検出装置１２に入射する。波長検出装置１２において、入射されたレーザ光は、回折格子１６によって回折され、それらが互いに干渉して±ｎ次の回折光２０を発生させる。この例では、光ディテクタ４０ａ，４０ｂは、＋１次回折光と、−１次回折光とを測定しているものとする。

光ディテクタ４０ａ，４０ｂの光入射面４１ａ，４１ｂには、図３に示すように、光を遮断するマスク４２ａ，４２ｂが設けてある。すなわち、光ディテクタ４０ａ，４０ｂの光入射面４１ａ，４１ｂは、マスク４２ａ，４２ｂによって、光入射領域と光遮断領域とに分割される。ここで、光入射領域は、軸９０に対して一定の傾きを持った対称な形状を有しているものとする。図３に示す例では、光入射領域は、軸９０を対称とした二等辺三角形の形状を有している。軸９０とは、０次回折光と直交する光入射面上の直線である。すなわち、軸９０は、レーザ光の波長が変化した際に、光入射面４１ａ上で＋１次回折光のビームスポット４３ａと、光入射面４１ｂ上で−１次回折光のビームスポット４３ｂとが動く軌跡と重なっている。

光入射領域が軸９０に対して一定の傾きを持った対称な形状を有していることで、ビームスポット４３ａ，４３ｂの位置が変化した場合に、光入射面４１ａ上の光入射領域に入射する＋１次回折光の面積と、光入射面４１ｂ上の光入射領域に入射する−１次回折光の面積とがともに変化する。このため、ビームスポット４３ａ，４３ｂの位置が変化した場合には、光入射領域に入射する±１次回折光の光強度が変化することになる。

以下、光ディテクタ４０ａ，４０ｂが測定した光強度を用いて縦モード変化と横モード変化とを区別する方法について、具体的に説明する。従来の方法で述べたとおり、縦モードが変化した場合（すなわち、レーザ光の波長が変動した場合）、図２２に示すように回折角度が変化する。同次の回折光の回折角度は等しいため、＋１次回折光と−１次回折光との回折角度は等しくなる。つまり、縦モードが変化した場合、光ディテクタ４０ａの光入射面４１ａに入射する＋１次回折光のビームスポット４３ａと、光ディテクタ４０ｂの光入射面４１ｂに入射する−１次回折光のビームスポット４３ｂとは、０次回折光を軸と
して対称に移動する。

すなわち、光ディテクタ４０ａ，４０ｂは、図３の状態の回折光を検出する。図３に示す状態は、基本モードであり、＋１次回折光の回折角度をθ１とし、−１次回折光の回折角度をθ２とすると、（式４）の関係が成り立つ。
θ１＝θ２ ・・・（式４）

このとき光ディテクタ４０ａの光入射面４１ａで測定された光強度をａ１とし、光ディテクタ４０ｂの光入射面４１ｂで測定された光強度をａ２とする。光ディテクタ４０ａの光入射面４１ａで測定された光強度ａ１と、光ディテクタ４０ｂの光入射面４１ｂで測定された光強度ａ２との差を光強度αと定義すると、光強度αは、（式５）によって表される。
α＝ａ１−ａ２ ・・・（式５）

光ディテクタ４０ａ，４０ｂは、０次回折光に対して対称の位置に配置されており、さらに、＋１次回折光が光ディテクタ４０ａの光入射面４１ａの中心になるように、−１次回折光が光ディテクタ４０ｂの光入射面４１ｂの中心になるようにそれぞれ配置しておく。ただし、光ディテクタ４０ａ，４０ｂ上のマスク４２ａ，４２ｂの向きは、互いに同じ方向を向いているものとする。

この時、光ディテクタ４０ａが測定した光強度ａ１と、光ディテクタ４０ｂが測定した光強度ａ２とは、回折光の対称性により互いに等しくなり、（式６）の関係が成り立つ。このとき（式６）を（式５）に代入すると、光強度α＝０となる。
ａ１＝ａ２ ・・・（式６）

次に、この状態から、横モードが変化した場合の様子を、図４を用いて説明する。レーザ光の強度分布が変化し、光ディテクタ４０ａ，４０ｂの光入射面４１ａ，４１ｂのビームスポット４３ａ，４３ｂが、例えば図４に示すような分布となった場合を想定する。図４は、横モードが変化した場合の光ディテクタ４０ａ，４０ｂの光入射面４１ａ，４１ｂの一例を示す図である。横モードが変化したときは、回折角度は変化せず、強度分布のみが変化する。図４に示すように、±１次回折光のビームスポット４３ａ，４３ｂの位置は、光ディテクタ４０ａ，４０ｂ上で、互いに同じ方向に同じ距離だけシフトしていることがわかる。このため、光ディテクタ４０ａが測定した光強度ａ１と、光ディテクタ４０ｂが測定した光強度ａ２とは、横モードが変化した場合も、（式６）の関係を満たし、光強度α＝０のままとなる。

次に、図３の状態から、縦モード（すなわち、波長）が変化した場合の様子を、図５を用いて説明する。波長が変化した場合、回折角度が変化するので、＋１次回折光の回折角度θ１は、θ１＋Δθに変化する。回折光の対称性より、−１次回折光の回折角度θ２は、θ２＋Δθに変化する。図５は、縦モードが変化した場合の光ディテクタ４０ａ，４０ｂの光入射面４１ａ，４１ｂの一例を示す図である。波長が変化することにより、光入射面４１ａ、４１ｂ上のビームスポット４３ａ，４３ｂの位置は、図５に示すような配置となる。

ここで、Δθが正の場合、波長は長くなっており、Δθが負の場合波長は短くなっている。＋１次回折光と、−１次回折光は、０次回折光に対して対称に変位するため、光入射面４１ａ上の光入射領域に入射する＋１次回折光の面積と、光入射面４１ｂ上の光入射領域に入射する−１次回折光の面積とは異なることになる。そのため、光ディテクタ４０ａが測定した光強度ａ１と、光ディテクタ４０ｂが測定した光強度ａ２との間には、（式７）の関係が成り立つ。Δθが正のとき、（式５）より光強度αは正の値をとる。また、Δ
θが負のとき、（式５）より光強度αは負の値をとる。
ａ１≠ａ２ ・・・（式７）

これらの結果より、光強度ａ１と光強度ａ２との差である光強度αは、横モードの変化には依存せず、縦モードの変化にのみ依存して値が変化していることが確認できる。すなわち、波長検出装置１２は、光強度ａ１と光強度ａ２との差である光強度αを用いることで、レーザ光の横モードと縦モードとの変化を区別し、精度よくレーザ光の波長の変化を検出することができる。波長検出装置１２は、一般的な２つの光ディテクタ４０ａ，４０ｂの光入射面にマスク４２ａ，４２ｂを設けることで実現できるため、構成が簡単であることを特徴としている。

なお、マスク４２ａ，４２ｂは、回折光のビーム形状に応じて、光入射領域の面積を変化させることが可能な構造であってもよい。すなわち、マスク４２ａ，４２ｂは、回折光のビーム径が大きくなった場合には、それに合わせて光入射領域の面積を大きくし、回折光のビーム径が小さくなった場合には、それに合わせて光入射領域の面積を小さくできるものとする。図６は、光入射領域の面積を変化させることが可能な構造のマスク４２ａ，４２ｂの一例を示す図である。図６に示す例では、マスク４２ａ，４２ｂは、軸９０を対称にして、光入射領域の面積を増減させるように可動する。これによって、波長検出装置１２は、回折光のビーム径の大きさが変化した場合も、回折光を光入射領域で的確に捉えることができ、精度よく波長（縦モード）の変化を検出することができる。

また、波長検出装置１２は、光ディテクタ４０ａ，４０ｂの前方に、±１次回折光のビーム径を拡大するレンズを有する構造であってもよい。ただし、＋１次回折光のビーム径を拡大するレンズと、−１次回折光のビーム径を拡大するレンズとは、同一の特性を有しているものとする。これによって、波長検出装置１２は、±１次回折光のビーム径の大きさが変化した場合も、±１次回折光を光入射領域で的確に捉えることができ、精度よくレーザ光の波長の変化を検出することができる。また、波長検出装置１２は、光ディテクタ４０ａ，４０ｂの光入射面４１ａ，４１ｂ上に埃が付いていたとしても、±１次回折光のビーム径を拡大させることで、光入射面４１ａ，４１ｂに入射する±１次回折光のビーム径を大きくし、その埃の影響を小さくすることができる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る波長検出装置１３の構成の一例を示す概略図である。図７において、波長検出装置１３は、レーザ光源１０から射出されたレーザ光を回折する回折格子１６と、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光とを測定する少なくとも二つの光ディテクタ５０ａ、５０ｂとを備える。レーザ光源１０から射出されたレーザ光は、光路に配置された波長検出装置１３に入射する。波長検出装置１３において、入射したレーザ光は、回折格子１６によって回折され、それらが互いに干渉して±ｎ次の回折光２０を発生させる。この例では、光ディテクタ５０ａ，５０ｂは、＋１次回折光と、−１次回折光とを測定しているものとする。

図７において、ビームスポット５２ａは、＋１次回折光が光入射面５１ａに入射するビームスポットを示しており、ビームスポット５２ｂは、−１次回折光が光入射面５１ｂに入射するビームスポットを示している。光ディテクタ５０ａ，５０ｂ上の光入射面５１ａ，５１ｂは、図８に示すように複数の領域に分割されている。例えば、図９〜図１１に示すように、光ディテクタ５０ａ上の光入射面５１ａは、領域Ａ１，Ｂ１、Ｃ１に分割されている。また、光ディテクタ５０ｂ上の光入射面５１ｂは、領域Ａ２，Ｂ２，Ｃ２に分割されている。ただし、光入射面５１ａと光入射面５１ｂとは、互いに同一の形状に分割されているものとする。すなわち、領域Ａ１と領域Ａ２とは同一の形状を有し、領域Ｂ１と領域Ｂ２とは同一の形状を有し、領域Ｃ１と領域Ｃ２とは同一の形状を有している。

光ディテクタ５０ａ、５０ｂは、光入射面５１ａ，５１ｂが複数の領域に分割されていることにより、複数の分割領域でそれぞれ測定された光強度を算出することができる。このとき、それぞれの分割領域で測定された光強度を用いて、光強度α１を（式８）により定義する。ただし、（式８）では、説明を簡単にするために、分割領域Ａ１，Ｂ１，Ｃ１で測定された光強度をＡ１，Ｂ１，Ｃ１とし、分割領域Ａ２，Ｂ２，Ｃ２で測定された光強度をＡ２，Ｂ２，Ｃ２としている。
α１＝−（Ａ１−Ａ２）＋（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｃ１−Ｃ２）／（Ａ１＋Ａ２＋Ｂ１＋Ｂ２＋Ｃ１＋Ｃ２） ・・・（式８）

図９に示すビームスポット５２ａ，５２ｂの位置は、横モードが基本モードである場合を示している。この状態（すなわち、横モードが基本モード）から横モードが変化した場合、ビームスポット５２ａ，５２ｂは、例えば、図１０に示す位置に変化する。一方、縦モードが変化した場合、ビームスポット５２ａ，５２ｂは、例えば、図１１に示す位置に変化する。（式８）よりα１の値は、第２の実施形態と同様の理由より、横モードが変化した際はα１＝０となり、縦モード（すなわち、レーザ光の波長）が変化した場合はα１≠０となる。また、波長が長くなればα１＞０となり、波長が短くなればα１＜０となる。

また、（式８）で定義する光強度α１は、横モードの変化（すなわち、レーザパワーの変化）によらず一定の値となる。以下にこの理由を説明する。図７に示す構成を実現する際、光ディテクタ５０ａ，５０ｂの微小な位置ずれや、光入射面５１ａ，５１ｂに付着した埃などの影響より、レーザ光の波長が変化しなくても、α１≠０となる場合がある。（式８）において、右辺の分子は、光ディテクタ５０ａの全分割領域が測定した光強度の和と、光ディテクタ５０ｂの全分割領域が測定した光強度の和との差分になっている。また、（式８）において、右辺の分母は、２つの光ディテクタ５０ａ，５０ｂの全分割領域が測定した光強度の和となっている。このため、レーザパワーが大きくなると、それに従って（式８）の右辺の分子及び分母ともに同じ割合で大きくなる。したがって、光強度α１の値は、レーザパワーの変化には影響されない。すなわち、波長検出装置１３は、光強度α１の値を用いることで、レーザ光の横モードと縦モードとの変化を区別し、精度よくレーザ光の波長の変化を検出することができる。

また、（式８）は、レーザ照射面全体の光強度を式に含んでいる。すなわち、第３の実施形態に係る波長検出装置１３は、レーザ光の強度が大きい部分を必ず波長の検出に用いるため、精度よくレーザ光の波長の変化を検出することができる。

また、第３の実施形態に係る波長検出装置１３は、光ディテクタ５０ａ，５０ｂとして、図１２に示すような水平垂直方向に４分割されたアレイ状の光入射面５１ａ，５１ｂをもつ光ディテクタを用いてもよい。また、波長検出装置１３は、光ディテクタ５０ａ，５０ｂとして、図１３に示すように、短冊状に分割された光入射面５１ａ，５１ｂをもつ光ディテクタを用いてもよい。このような光ディテクタ５０ａ，５０ｂを用いることで、レーザ光の測定範囲を大きくすることができる。

また、第３の実施形態に係る波長検出装置１３は、図９，１０に示すように、光ディテクタ５０ａ，５０ｂの光入射面５１ａ，５１ｂを、軸９０に対して、一定の傾きを持った対称な形状に分割していることが望ましい。このような光ディテクタ５０ａ，５０ｂを用いることで、レーザ光が各分割領域を横切る範囲が増え、レーザ光の測定範囲を大きくすることができる。

また、第３の実施形態に係る波長検出装置１３は、分割された複数の光入射領域全体で
レーザ光を受光するため、レーザパワーの和を算出することができる。このため、波長検出装置１３は、レーザ光の波長と、レーザパワーとを同時に測定することが可能となる。

また、第３の実施形態に係る波長検出装置１３は、図１４Ａ、図１４Ｂに示すように、測定するレーザ光のビーム形状が長方形であることが望ましい。レーザ光を光源に用いる画像表示装置は、レーザ光を長方形に成形することが多いからである。図１４Ａを参照して、長方形の長軸の長さが、各分割領域に対して十分に大きければ、波長の変化に対する光強度α１の変化量は分割領域の傾きに影響され、ビーム形状に依存しないことがわかる。また、図１４Ｂを参照して、水平垂直方向に４分割されたアレイ状の光ディテクタを用いる場合、光強度α１の変化量は、長方形の長軸の長さに影響され、レーザ光の状態によって変化することがわかる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る波長検出装置１４は、第３の実施形態と比較して、光ディテクタの光入射面の分割形状が異なる。それ以外の構成は、第３の実施形態と同様であるため、波長検出装置１４の構成を示す概略図については図３を援用する。図１５は、本発明の第４の実施形態に係る光ディテクタの光入射面６１ａ，６１ｂの分割形状の一例を示す図である。図１５に示すように、第４の実施形態に係る波長検出装置１４は、光ディテクタの光入射面６１ａ，６１ｂを多数に分割することで、横モードの変化に対する測定範囲を大きくするという特徴を持つ。

この理由について図１６を用いて説明する。図１６は、光入射面６１ａ，６１ｂのある特定の分割領域にのみビームスポットが当たる状態を示す図である。例えば、光ディテクタの光入射面６１ａ，６１ｂが、図１６に示すように３つの分割領域を持っている場合、レーザ光のビームスポットが小さく、分割領域を横切らない状態になると、レーザ光の波長の測定ができない領域が存在する。一方、光ディテクタの光入射面６１ａ，６１ｂが、図１５に示すように多数に分割されている場合、横モードの変化に対して分割領域がより密になり、レーザ光の測定範囲が大きくなる。また、各分割領域の面積が小さくなっているため、測定精度の向上が望める。また、各分割領域の面積が小さいため、ビーム径が小さくても、レーザ光の測定が可能となる。

（第５の実施形態）
図１７は、本発明の第５の実施形態に係る波長安定レーザ装置の構成の一例を示す概略図である。図１７において、波長安定レーザ装置は、レーザ光源１０と、波長検出装置１９と、波長制御装置２１とを備える。波長検出装置１９としては、上述した第１〜第４の実施形態に係る波長検出装置１１〜１４のいずれかが用いられる。波長制御装置２１は、波長検出装置１９が検出した波長の変化に基づいて、レーザ光の波長が一定なるように、レーザ光源１０を制御する。以下に、波長安定レーザ装置の具体的な動作について、波長検出装置１９として、第３の実施形態に係る波長検出装置１３を用いた場合を例に説明する。

波長検出装置１９は、レーザ光が所望の波長の時に、光強度α１＝０となるように配置される。波長制御装置２１は、波長検出装置１９が検出した光強度α１を観測し、時間的要因や、外部的要因によって、光強度α１の値が変化すると、レーザ光源１０に取り付けられたペルチェ素子２２を制御して、レーザ光源１０の温度を制御する。レーザ光源１０は温度によって波長を変化させるため、波長制御装置２１は、レーザ光源１０の温度を制御することで、レーザ光源１０の波長を一定に保つことが可能となる。すなわち、波長安定レーザ装置は、波長制御装置２１を用いて、光強度α１を０の値に近づけるように、レーザ光源１０の温度を制御することで、レーザ光の横モードと縦モードとの変化とを区別し、波長が一定となるレーザ光源１０を実現することできる。

なお、一般的な波長安定レーザ装置では、高出力なレーザ光源１０を用いる場合、その発熱量が大きく、レーザ光源１０の温度調整を行うことが必要不可欠であり、レーザ光源の温度を制御するための構成を備えていることが多い。そのため、本願の波長安定レーザ装置は、一般的な波長安定レーザ装置が備えるレーザ光源の温度を制御するための構成を利用することで、特別な回路などを別途用意することなく実現することができる。

また、本願の波長安定レーザ装置は、レーザ光源１０の温度制御のほかに、波長検出装置１９の出力に応じて、レーザ光源１０の共振器長を機械的に変位させ、レーザ光の波長を制御する構成であってもよい。

（第６の実施形態）
図１８は、本発明の第６の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す概略図である。図１８に示す画像表示装置は、液晶ディスプレイの構成例を挙げている。図１８において、画像表示装置は、液晶バックライトの少なくとも１つの光源として、第５の実施形態に係る波長安定レーザ装置を用いている。この例では、赤色レーザ光源７１ａと波長検出装置８０ａとが赤色レーザ用の波長安定レーザ装置を構成し、緑色レーザ光源７１ｂと波長検出装置８０ｂとが緑色レーザ用の波長安定レーザ装置を構成し、青色レーザ光源７１ｃと波長検出装置８０ｃとが青色レーザ用の波長安定レーザ装置を構成するものとする。

すなわち、赤色レーザ用の波長安定レーザ装置は、赤色レーザ光源７１ａから射出されたレーザ光の波長を波長検出装置８０ａで検出し、波長が一定となるように制御する。また、緑色レーザ用の波長安定レーザ装置は、緑色レーザ光源７１ｂから射出されたレーザ光の波長を波長検出装置８０ｂで検出し、波長が一定となるように制御する。また、青色用の波長安定レーザ装置は、青色レーザ光源７１ｃから射出されたレーザ光の波長を波長検出装置８０ｃで検出し、波長が一定となるように制御する。

波長検出装置８０ａ，８０ｂ，８０ｃを通過したそれぞれの０次回折光は、クロスプリズム６５に入射し、ラインディフューザ素子６６でレーザ光が広げられた後、フレネルレンズ６４を通過し導光板へと入射する。すなわち、各レーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃから射出された０次回折光が、光源から出力されたレーザ光としてそのまま使用される。

なお、本発明の画像表示装置は、各波長検出装置８０ａ，８０ｂ，８０ｃとして、第３の実施形態に係る波長検出装置１３を用いることが望ましい。第３の実施形態に係る波長検出装置１３は、レーザ光の波長と、レーザパワーとを同時に測定できるからである。また、各レーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃから射出されたレーザ光のビーム形状が長方形に成形された後に、各波長検出装置８０ａ，８０ｂ，８０ｃが配置されることが望ましい。

また、赤色レーザは、波長が変動しやすいという特性があるので、特に赤色レーザの光源として、本発明の波長安定レーザ装置を用いることが有効である。

以上のように、本発明の第６の実施形態に係る画像表示装置は、波長安定レーザ装置を用いて、レーザの波長を安定させることによって、白色が変化することを抑制し、色あいが変化せず鮮やかな画像の表示が可能となる。

（第７の実施形態）
図１９は、本発明の第７の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す概略図である。図１９に示す画像表示装置は、プロジェクタの構成例を挙げている。図１９において
、画像表示装置は、赤色レーザ光源７１ａ、緑色レーザ光源７１ｂ、青色レーザ光源７１ｃ、波長検出器８１、出力コントロール部８２、回折格子８３、光ディテクタ８４，８５、ダイクロミラー８６，８７、空間変調素子８８、及び投射レンズ８９を備える。

本実施形態では、波長検出器８１、回折格子８３、及び光ディテクタ８４，８５を合わせた構成が、上述した第１〜第４の実施形態に係る波長検出装置のいずれかに該当する。また、この波長検出装置の構成に、赤色レーザ光源７１ａ、及び出力コントロール部８２を合わせた構成が、赤色レーザの発生源として用いられる波長安定レーザ装置に該当する。波長安定レーザ装置は、波長検出装置が検出したレーザ光の波長の変化に応じて、出力コントロール部８２を用いて、赤色レーザ光源７１ａの出力パワーを制御する。

赤色レーザ光源７１ａから射出され、回折格子８３によって回折された０次回折光、緑色レーザ光源７１ｂから射出されたレーザ光、及び青色レーザ光源７１ｃから射出されたレーザ光は、ダイクロイックミラー８６，８７、空間変調素子８８、及び投射レンズ８９を介して、外部に照射される。

次に、赤色レーザ光源７１ａの出力パワーを制御する理由について説明する。RGBのレ
ーザを光源に用いてプロジェクタやディスプレイ等を実現する際、白色を表現するには、RGBのレーザパワーをある比率に調整しなければならない。ここで、R , G , Bのパワーの比率をr : g : bと記載する。r , g , bそれぞれの値は、RGBのレーザ光の波長によって
決定される。図２０にCIE色度図を示し、それに基づいて説明する。CIE色度図とは、色を２次元の座標( x , y )で表したものである。図２０において、最も外側の線が、波長の
変化と色の変化とを対応づけたものである。波長が複数ある場合、例えばディスプレイのようにRGB３色あるものは、それぞれの色が合成されて、どのような色になるかが決定さ
れる。

そして、白色は通常、黒体の色温度というもので表現される。それは、文字通り黒体がある温度になった時に放出される光であり、6500Kや9000Kが白色の色温度として使用される。CIE色度図上では、6500Kは（ x , y ）＝( 0.314 , 0.324 )であり、9000Kは（ x , y ）= ( 0.287, 0.296 )である。一方、RGBのレーザ光の波長をそれぞれ、R：638nm、G：532nm、B：448nmとすると、それぞれのレーザの色座標は、
R ( x , y ) = ( 0.704, 0.296)
G ( x , y ) = ( 0.222, 0.756)
B ( x , y ) = ( 0.153, 0.033)
となる。

ここで、白色の色温度を6500Kに調整する場合、RGBを合成した色温度が6500Kの（ x , y ）= ( 0.314, 0.324)になればよい。r = 1とすれば、未知数がg, b の二つとなり、6500Kのx = 0.314と、y = 0.324についてそれぞれ方程式が成り立ち、未知数２、方程式２の連立方程式となり、g , bをもとめることができる。この計算の結果、r : g : b = 1.00 : 0.79 : 0.66となる。

ここで、Rの波長が変化することを考える。例えば、波長が2nm変化して、640nmになる
と、色座標は、R' ( x , y ) = ( 0.706, 0.294)となり、先程と同様の計算を行うと、r : g : b = 1.00 : 0.72 : 0.60となる。このような波長変化に対して、予め決められた出力比のテーブルを用意しておいて、波長変化に応じて、その都度パワー比を制御することにより、白色が変化することのない、画像表示装置を実現できる。

以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく
種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。

本発明に係る波長検出装置は、画像表示装置等の光源として利用される波長安定レーザ装置等に利用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る波長検出装置１１の構成の一例を示す概略図 横モードが変化した場合の波長検出装置１１の状態を示す図 本発明の第２の実施形態に係る波長検出装置１２の構成の一例を示す概略図 横モードが変化した場合の光ディテクタ４０ａ，４０ｂの光入射面の一例を示す図 縦モードが変化した場合の光ディテクタ４０ａ，４０ｂの光入射面の一例を示す図 光入射領域の面積を変化させることが可能な構造のマスク４２ａ，４２ｂの一例を示す図 本発明の第３の実施形態に係る波長検出装置１３の構成の一例を示す概略図 ３分割された光入射面をもつ光ディテクタの一例を示す図 レーザが基本モードの場合の光ディテクタの光入射面５１ａ，５１ｂを示す図 横モードが変化した場合の光ディテクタの光入射面５１ａ，５１ｂを示す図 縦モードが変化した場合の光ディテクタの光入射面５１ａ，５１ｂを示す図 水平垂直方向に４分割された光入射面５１ａ，５１ｂをもつ光ディテクタを示す図 短冊状に分割された光入射面５１ａ，５１ｂをもつ光ディテクタを示す図 分割された光入射面５１ａ，５１ｂの一例を示す図 分割された光入射面５１ａ，５１ｂの一例を示す図 本発明の第４の実施形態に係る光ディテクタの光入射面６１ａ，６１ｂの分割形状の一例を示す図 光入射面６１ａ，６１ｂのある特定の分割領域にのみビームスポットが当たる状態を示す図 本発明の第５の実施形態に係る波長安定レーザ装置の構成の一例を示す概略図 本発明の第６の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す概略図 本発明の第７の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す概略図 CIE色度図 従来の波長検出装置１１４の構成を示す概略図 縦モードが変化した場合の従来の波長検出装置１１４の状態を示す図 横モードが変化した場合の従来の波長検出装置１１４の状態を示す図

符号の説明

１０ レーザ光源
１１，１２，１３，１４，１９，１１１ 波長検出装置
１６ 回折格子
２０ 回折光
２１ 波長制御装置
２２ ペルチェ素子
３０ａ、３０ｂ，４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂ 光ディテクタ
４１ａ、４１ｂ，５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂ 光入射面
４２ａ、４２ｂ，５２ａ，５２ｂ マスク
４３ａ、４３ｂ ビームスポット
６４ フレネルレンズ
６５ クロスプリズム
６６ ラインディフューザ素子
７１ａ，７１ｂ，７１ｃ レーザ光源
８０ａ，８０ｂ，８０ｃ 波長検出装置
８１ 波長検出器
８２ 出力コントロール部
８３ 回折格子
８４，８５ 光ディテクタ
８６，８７ ダイクロミラー
８８ 空間変調素子
８９ 投射レンズ
９０ 軸
１１０ レーザ光源
１１１ 回折格子
１１４ 波長検出装置
１２０ 回折光
１３０ 光ディテクタ

Claims (7)

1. レーザ光源から射出されたレーザ光の波長の変化を検出する波長検出装置であって、
   前記レーザ光を回折する回折格子と、
   前記回折格子によって回折された０次回折光に対して、対称な位置に配置された少なくとも２つの光ディテクタとを備え、
   前記２つの光ディテクタを、±ｎ次回折光（ｎは１以上の整数）の光強度が最大となる位置にそれぞれ移動させた後に、前記２つの光ディテクタにより、基本モード時の０次回折光に対する±ｎ次回折光の回折角度を測定し、
   前記波長検出装置は、前記２つの光ディテクタが測定した±ｎ次回折光の回折角度の平均角度に基づいて、前記レーザ光の波長の変化を検出することを特徴とする、波長検出装置。
2. レーザ光源から射出されたレーザ光の波長の変化を検出する波長検出装置であって、
   前記レーザ光を回折する回折格子と、
   前記回折格子によって回折された０次回折光に対して、対称な位置に配置された少なくとも２つの光ディテクタとを備え、
   前記波長検出装置は、前記２つの光ディテクタが測定した±ｎ次回折光（ｎは１以上の整数）の光強度に基づいて、前記レーザ光の波長の変化を検出し、
   前記２つの光ディテクタの光入射面は、光を遮断するマスクによって、光入射領域と光遮断領域とに分割されており、
   前記光入射領域は、０次回折光と直交する前記光入射面上の直線に対して、一定の傾きを持った対称な形状を有しており、
   前記波長検出装置は、前記２つの光ディテクタが測定した光強度の差分値に基づいて、前記レーザ光の波長の変化を検出することを特徴とする、波長検出装置。
3. 前記各光ディテクタの光入射面では、前記光入射領域が、前記レーザ光の波長が変化した変化した際に±ｎ次回折光のビームスポットが動く軌跡に重なる直線に対して、一定の傾きを持った対称な形状を有し、
   前記２つの光ディテクタの光入射領域の向きが、互いに同じであることを特徴とする、請求項２に記載の波長検出装置。
4. 前記各光ディテクタの光入射領域は、前記直線を対称とした二等辺三角形の形状を有していることを特徴とする、請求項３に記載の波長検出装置。
5. 前記２つの光ディテクタの光入射面に配置されたマスクは可動し、前記±ｎ次回折光のビーム形状に応じて、前記光入射領域の面積を変化させることを特徴とする、請求項２に記載の波長検出装置。
6. レーザ光源から射出されたレーザ光の波長の変化を検出する波長検出装置であって、
   前記レーザ光を回折する回折格子と、
   前記回折格子によって回折された０次回折光に対して、対称な位置に配置された少なくとも２つの光ディテクタとを備え、
   前記波長検出装置は、前記２つの光ディテクタが測定した±ｎ次回折光（ｎは１以上の整数）の光強度に基づいて、前記レーザ光の波長の変化を検出し、
   前記２つの光ディテクタの前方に、前記±ｎ次回折光のビーム径を拡大させるレンズをさらに備えることを特徴とする、波長検出装置。
7. 光源にレーザ光を使用する画像表示装置であって、
   少なくとも１つの光源に、請求項１乃至６の何れか１つに記載の波長検出装置を備え、
   前記波長検出装置が検出したレーザ光の波長に応じて、前記画像表示装置が表示する画像の色合いが変化しないように、レーザ光のパワーを制御することを特徴とする、画像表示装置。

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