JP2018180382A

JP2018180382A - 映像投影装置

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Publication number: JP2018180382A
Application number: JP2017081628A
Authority: JP
Inventors: 隼志阪本; Hayashi Sakamoto; 橋本　俊和; Toshikazu Hashimoto; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2017-04-17
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-04-17
Also published as: JP6810650B2

Abstract

【課題】同一色で同一偏波の光の合波を行う可視光カプラを用いることにより、偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた場合でも高出力化を実現可能な映像投影装置を提供すること。【解決手段】本発明の映像投影装置は、同一偏波の光を出力する複数の可視光源であって、同一色の光を出力する可視光源の少なくとも１つの組を含む、前記複数の可視光源と、前記複数の可視光源から出力された光を合波し、当該合波光を出力する、平面光波回路を用いた可視光カプラと、前記可視光カプラから出力された前記合波光が入射され、前記合波光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）等の可視光を同一の偏波状態において合波して出射する光源を用いた映像投影装置に関する。

近年、眼鏡型端末やピコプロジェクタ用に、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）の３原色の光を出力するレーザダイオード（ＬＤ）を用いた小型ＲＧＢ光源の開発が行われている。ＬＤは、ＬＥＤに比べて直進性が高いため、フォーカスフリーなプロジェクタを実現することができる。また、ＬＤは、発光効率が高く低消費電力であり、色再現性も高く、近年注目を集めている。

図１は、液晶デバイスを用いた映像投影装置の概略図を示す。図１には、ＬＤ１と、空間変調光学素子１０と、を含む映像投影装置が示されている。空間変調光学素子１０は、入力側レンズ２と、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３と、偏光子４と、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）５と、出力側レンズ６と、を含む。図１では、液晶デバイスとしてＬＣＯＳを用いた映像投影装置の例を示している。

図１に示すような映像投影装置では、ＬＣＯＳ５の液晶配向を利用した複屈折率の変化によって画素毎に光の強弱を制御することにより映像を投影する。液晶デバイスを用いた映像投影は、画素毎にＲＧＢカラーフィルタを設ける方式や、ＲＧＢ光を時分割して液晶に照射し、それぞれの映像を残像光として重ね合わせる方式が主流である。いずれの場合も、液晶デバイスに入射する光は偏波がそろっている必要がある。

A. Nakao, R. Morimoto, Y. Kato, Y. Kakinoki, K. Ogawa and T. Katsuyama, "Integrated waveguide-type red-green-blue beam combiners for compact projection-type displays", Optics Communications 330 (2014) 45-48 Y. Hibino, "Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks," IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27 A. Himeno, et al., "Silica-Based Planar Lightwave Circuits," J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924 J. Sakamoto et al. "High-efficiency multiple-light-source red-green-blue power combiner with optical waveguide mode coupling technique," Proc. of SPIE Vol. 10126 101260M-2

ＬＤでは、Ｒ及びＧがＢに比べて出力が弱いため、出力を増加するために、Ｒ及びＧを２つずつ偏波多重したＲＧＢ光源などが使われることもある。このようなＲＧＢ光源は、通常、同一色の光を合波する際に偏波多重を用いて合波するため、出力光が垂直偏波と水平偏波との両偏波成分を含む。

しかしながら、映像投影装置には通常、液晶デバイスのような偏波依存性を有する空間光学素子が用いられており、出力光の垂直偏波及び水平偏波のどちらかの偏波成分がカットされるため、このような偏波多重を行うＲＧＢ光源と液晶のような偏波依存性を有する空間光学素子を用いて映像投影装置を構成する場合には、出力を増加することができないという課題が存在した。

一方で、このような偏波多重を行うＲＧＢ光源は、偏波に依存せずに動作するデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等を用いた映像投影装置で使用される場合もあるが、ＤＭＤは液晶に対して高価であり、カラーブレーキング現象などの課題もある。

本発明は、偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた映像投影装置において、同一色で同一偏波の光の合波を行う可視光カプラを用いることにより、光出力を増加させることを実現した映像投影装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る映像投影装置は、同一偏波の光を出力する複数の可視光源であって、同一色の光を出力する可視光源の少なくとも１つの組を含む、前記複数の可視光源と、前記複数の可視光源から出力された光を合波し、当該合波光を出力する、平面光波回路を用いた可視光カプラと、前記可視光カプラから出力された前記合波光が入射され、前記合波光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子と、を備えたことを特徴とする。

本発明によると、ＰＬＣを用いることにより同一色の光を同一偏波のまま合波して出射することが可能となるため、液晶デバイスなどの偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた場合でも高出力化を実現することが可能となる。

また、本発明によると、合波を行う際、同一色の光を出力するＬＤの発光タイミングが異なるようにＬＤの駆動タイミングを制御することにより、映像品質に影響を与えることなく干渉を回避し、信号劣化を防止することが可能となる。

液晶デバイスを用いた映像投影装置の概略図である。本発明の実施例１に係る映像投影装置を例示する図である。本発明の実施例２に係る映像投影装置を例示する図である。本発明の実施例２に係る映像投影装置のＲＧＢカプラにおける、各波長についての０次、１次、２次モードの光の実効屈折率と導波路幅との関係を示す。本発明の実施例３に係る映像投影装置を例示する図である。

（実施例１）
図２は、本発明の実施例１に係る映像投影装置を例示する。図３には、第１乃至第５の可視光源１０１乃至１０５と、第１乃至第５の可視光源１０１乃至１０５に光学的に接続された石英系平面光波回路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）型のＲＧＢカプラ１１０と、ＲＧＢカプラ１１０からの出力光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子１２０とを備えた映像投影装置１００が示されている。空間変調光学素子１２０は、ＲＧＢカプラ１１０に光学的に接続された入力側レンズ１２１と、ＰＢＳ１２２と、偏光子１２３と、ＬＣＯＳ１２４と、出力側レンズ１２５と、を含む。

ＲＧＢカプラ１１０は、第１乃至第５の可視光源１０１乃至１０５にそれぞれ光学的に接続された第１乃至第５の入力導波路１１１乃至１１５と、第１乃至第５の入力導波路１１１乃至１１５を伝搬する光を合波して出力する合波部１１６と、合波部１１６で合波された光を入力側レンズ１２１に出力する出力導波路１１７と、を含む。出力導波路１１７は、マルチモード導波路で構成されている。

第１乃至第５の可視光源１０１乃至１０５は、例えば、緑色光Ｇ２及びＧ１、青色光Ｂ、並びに赤色光Ｒ１及びＲ２を水平偏波及び垂直偏波の一方の偏波状態でそれぞれ出力することができる。光Ｒ１、Ｇ１、Ｂ、Ｒ２及びＧ２は、同一の偏波状態の光である。また、光Ｂ、Ｒ１、Ｇ１は、それぞれ、４００〜４９５ｎｍ、４９５〜５７０ｎｍ、６２０〜７５０ｎｍの波長域の波長を有する光とし、Ｇ２及びＲ２は、それぞれ、４９５〜５７０＋βｎｍ、６２０〜７５０＋γｎｍの波長を有し、β、γは０以上線幅以下の微小な値とし、線幅は入射される光の光源に依るが概ね１ｎｍ以下とした。上記の光Ｒ１、Ｇ１、Ｂ、Ｒ２及びＧ２について説明した事項は、以下の実施例でも同様に適用可能である。

第１乃至第５の可視光源１０１乃至１０５から出力された光Ｇ２、Ｇ１、Ｂ、Ｒ１及びＲ２は、ＲＧＢカプラ１１０に入射し、それぞれ第１乃至第５の入力導波路１１１乃至１１５を介して合波部１１６で合波されて出力導波路１１７から出射される。出射された合波光は、入力側レンズ１２１でコリメートされてＰＢＳ１２２及び偏光子１２３を介してＬＣＯＳ１２４に入射し、ＬＣＯＳ１２４で変調・反射されて偏光子１２３及びＰＢＳ１２２を介して出力側レンズ１２５に入射してコリメートされることにより映像出力される。

本発明では、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ１１０を用いて各ＬＤからの光を合波している。近年、ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラモジュールが注目されている（例えば非特許文献１参照）。ＰＬＣは、Ｓｉなどの平面状の基板に、フォトリソグラフィなどによるパターニング、反応性イオンエッチング加工により、光導波路を作製し、複数の基本的な光回路（例えば、方向性結合器、マッハツェンダ干渉計など）を組み合わせることで各種の機能を実現することができる（例えば、非特許文献２及び３参照）。

ＰＬＣは、Ｓｉなどの基板上にクラッド層及びコア層を堆積させて導波路を作製するため、異材料による応力差で基板に反りが発生することから、複屈折を持つ。このため、ＰＬＣを伝搬する水平偏波または垂直偏波の光は、偏波保持ファイバと同様の原理で、偏波状態を保って導波路を伝搬する（導波路に波長板を挟むことや、ねじり導波路のような導波路を作製することにより、偏波変換することは可能である）。従って、水平偏波及び垂直偏波の一方の偏波で光がＰＬＣに入射して合波された場合、ＰＬＣで合波された光は、その偏波状態を保って出射される。この合波光は、水平偏波及び垂直偏波の一方の偏波で出射されるため、液晶デバイスを用いた場合でも取り扱うことが可能となる。

本発明の実施例１に係る映像投影装置１００によると、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ１１０を用いて光を合波しているため、同一色の光を同一偏波のまま合波して出射することが可能となり、液晶デバイスなどの偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた場合でも高出力化を実現することが可能となる。

なお、本実施例では、赤色光同士及び緑色光同士を合波してその光強度を強めるように構成したが、これに限定されず、青色光同士を合波するように構成してもよい。また、本実施例では、５つの可視光源を用いた例を示したが、これに限定されず、赤色光、青色光及び緑色光のうち、同一色の光を出力する少なくとも１つの組を含むように複数の可視光源を用いるように構成してもよい。以下の実施例でも同様とする。

（実施例２）
図３は、本発明の実施例２に係る映像投影装置を例示する。図３には、第１乃至第５の可視光源２０１乃至２０５と、第１乃至第５の可視光源２０１乃至２０５に光学的に接続されたＰＬＣ型のＲＧＢカプラ２１０と、ＲＧＢカプラ２１０からの出力光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子２２０とを備えた映像投影装置２００が示されている。空間変調光学素子２２０は、ＲＧＢカプラ２１０に光学的に接続された入力側レンズ２２１と、ＰＢＳ２２２と、偏光子２２３と、ＬＣＯＳ２２４と、出力側レンズ２２５と、を含む。第１乃至第５の可視光源２０１乃至２０５としては、例えばＬＤを用いることができる。

ＲＧＢカプラ２１０は、第１乃至第５の入力導波路２１１乃至２１５と、導波路幅が同一の第１及び第２の方向性結合器２３１及び２３２と、導波路幅の異なる第３及び第４の方向性結合器２３３及び２３４と、を含む。

図３に示されるように、第３の入力導波路２１３は、導波路幅が異なる第１及び第２の部分２１３₁及び２１３₂を有するようにテーパ形状の導波路構造で構成されている。また、第１、第２、第４及び第５の入力導波路２１１、２１２、２１４及び２１５は、シングルモード導波路であり、第３の入力導波路２１３は、マルチモード導波路である。

第１乃至第５の入力導波路２１１乃至２１５には、第１乃至第５の可視光源２０１乃至２０５から出力された、緑色光Ｇ２及びＧ１、青色光Ｂ、並びに赤色光Ｒ１及びＲ２がそれぞれ入射される。Ｒ１、Ｇ１、Ｂ、Ｒ２及びＧ２は、全て同一の偏波状態である０次モードの光である。

第１の方向性結合器２３１は、第２の入力導波路２１２から入射された光Ｇ１を第３の入力導波路２１３に結合し、第３の入力導波路２１３から入射された光Ｂを第２の入力導波路２１２に結合して第３の入力導波路２１３へと再び結合するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。

第２の方向性結合器２３２は、第４の入力導波路２１４から入射された光Ｒ１を第３の入力導波路２１３に結合し、第１の方向性結合器２３１において第３の入力導波路２１３に結合された光Ｇ１及びＢを透過するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。

第３の方向性結合器２３３は、第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁近傍に配置されている。第４の方向性結合器２３４は、第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂近傍に配置されている。

第３及び第４の方向性結合器２３３及び２３４は、導波路幅の異なる非対称方向性結合器で構成されたモードカプラである（例えば、非特許文献４参照）。モードカプラでは、導波路幅が細い方の細幅導波路における０次モードの光の実効屈折率と導波路幅が太い方の太幅導波路における高次モードの光の実効屈折率が一致するとき、細幅導波路を伝搬する０次モードの光は高次モードの光に変換されながら隣接する太幅導波路に１００％結合することができる。一方、太幅導波路を伝搬する０次モードの光の実効屈折率は、細幅導波路における０次モードの光の実効屈折率と一致することはないため、隣接する細幅導波路に結合することはなくモードカプラを通過する。

モードカプラとして機能するために、第３の方向性結合器２３３は、第１の入力導波路２１１に対する光Ｇ２の０次モードにおける実効屈折率と第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁に対する光Ｇ２の高次モードにおける実効屈折率とが等しくなるように、且つ、第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁に対する光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１の高次モードにおける実効屈折率と第１の入力導波路２１１に対する光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１の０次モードにおける実効屈折率とが等しくならないように、第１の入力導波路２１１及び第１の部分２１３₁の導波路幅が設定されている。

同様に、モードカプラとして機能するために、第４の方向性結合器２３４は、第５の入力導波路２１５に対する光Ｒ２の０次モードにおける実効屈折率と第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂に対する光Ｒ２の高次モードにおける実効屈折率とが等しくなるように、且つ、第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂に対する光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１の高次モードにおける実効屈折率と第５の入力導波路２１５に対する光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１の０次モードにおける実効屈折率とが等しくならないように、第５の入力導波路２１５及び第２の部分２１３₂の導波路幅が設定されている。

図３に示すＲＧＢカプラ２１０の動作について説明する。第２の入力導波路２１２から入射された０次モードの光Ｇ１は、導波路幅が同一の第１の方向性結合器２３１において第３の入力導波路２１３に結合し、第３の入力導波路２１３から入射された０次モードの光Ｂは、第１の方向性結合器２３１において第２の入力導波路２１２に結合して第３の入力導波路２１３へと再び結合する。

第４の入力導波路２１４から入射された０次モードの光Ｒ１は、導波路幅が同一の第２の方向性結合器２３２において第３の入力導波路２１３に結合し、第３の入力導波路２１３を伝搬してきた光Ｇ１及びＢは、第２の方向性結合器２３２において透過する。その結果、第１乃至第３の入力導波路２１１乃至２１３に入射した光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１は、第１及び第２の方向性結合器２３１及び２３２を介して合波されて、第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁に入力される。

一方、第１の入力導波路２１１を伝搬している０次モードの光Ｇ２は、モードカプラとして機能する第３の方向性結合器２３３において導波モードが高次モードに変換されて第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁に結合する。結合した高次モードの光Ｇ２は、第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁を伝搬している０次モードの光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１と合波されて、第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂に入力される。

さらに、第５の入力導波路２１５を伝搬している０次モードの光Ｒ２は、モードカプラとして機能する第４の方向性結合器２３４において導波モードが高次モードに変換されて第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂に結合する。結合した高次モードの光Ｒ２は、第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂を伝搬している合波光とさらに合波される。その結果、第１乃至第５の入力導波路２１１乃至２１５に入射した光Ｇ２、Ｇ１、Ｂ、Ｒ１及びＲ２の合波光が、第３の入力導波路２１３の出力ポートから空間変調光学素子２２０に出力される。

以上のようにして、導波モードの異なる同一色の光を合波することにより高強度な合波光を出力することができる。

図４は、本実施例２に係るＲＧＢカプラ２１０における、各波長λ１＝４５０ｎｍ、λ２＝５２０ｎｍ、λ３＝６５０ｎｍについての０次、１次、２次モードの光の実効屈折率と導波路幅との関係を示す。導波路膜厚は３．６μｍとし、比屈折率差Δは０．４５％とした。

例えば、第１の方向性結合器２３１における導波路間ギャップを２μｍ、第２の方向性結合器２３２における導波路間ギャップを４．７μｍ、第１の入力導波路２１１及び第１の部分２１３₁と、第５の入力導波路２１５及び第２の部分２１３₂と、における導波路間ギャップをそれぞれ２．５μｍ、第１及び第２の方向性結合器２３１及び２３２における結合長を７０２μｍ、第３の方向性結合器２３３の結合長を２３８０μｍ、第４の方向性結合器２３４の結合長を９００μｍ、第１及び第５の入力導波路２１１及び２１５の導波路幅を１．５μｍとし、第２乃至第４の入力導波路２１２及び２１４の導波路幅を２μｍと仮定する。この場合、図４に基づいて、各波長λ１乃至λ３について実効屈折率が等しくなる導波路幅を検討すると、第１の部分２１３₁の導波路幅を７．１５μｍ、第２の部分２１３₂の導波路幅を８．００μｍとすることにより、実施例２に係るＲＧＢカプラ２１０を実現することができることがわかる。

本発明の実施例２に係る映像投影装置２００によると、同一色の光を同一偏波のまま合波して出射することが可能となり、液晶デバイスなどの偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた場合でも高出力化を実現することが可能となる。

（実施例３）
図５は、本発明の実施例３に係る映像投影装置を示す。図５には、第１乃至第５の可視光源３０１乃至３０５と、第１乃至第５の可視光源３０１乃至３０５に光学的に接続されたＰＬＣ型のＲＧＢカプラ３１０と、ＲＧＢカプラ３１０からの出力光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子３２０と、を備えた映像投影装置３００が示されている。空間変調光学素子３２０は、ＲＧＢカプラ３１０に光学的に接続された入力側レンズ３２１と、ＰＢＳ３２２と、偏光子３２３と、ＬＣＯＳ３２４と、出力側レンズ３２５と、を含む。

ＲＧＢカプラ１１０は、第１乃至第５の可視光源３０１乃至３０５にそれぞれ光学的に接続された第１乃至第５の入力導波路３１１乃至３１５と、第１乃至第５の入力導波路３１１乃至３１５に光学的に接続されたマルチモード導波路３１６と、を含む。

実施例３に係る映像投影装置３００によると、マルチモード導波路３１０を用いた簡易な構成により、同一色の光を同一偏波のまま合波して出射することが可能となり、液晶デバイスなどの偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた場合でも高出力化を実現することが可能となる。

（実施例４）
実施例４では、実施例１乃至３に係る映像投影装置における第１乃至第５の可視光源の制御方法について説明する。

通常、同一色の光の合波には偏波多重を用いるため、同一色の光を合波する際には干渉が起こらない。一方、実施例１乃至３に係る映像投影装置では、同一偏波の光を合波するため、同一色の光の波長が線幅レベルでそろうと、それぞれの光が干渉する。こうした干渉は映像の劣化の原因となる。

通常、ＬＤの発振波長は個体差があるため、同一色の光でも波長が数ｎｍ程度異なることが多いが（あえてそのような組合せにすることも可能）、ＬＤは駆動時の熱の影響により出力光の中心波長が５〜１０ｎｍ程度シフトするため、特定の状況下で出力光の波長が一致し、光が干渉する恐れがある。

そこで、干渉を避けるために、人間の目では認識できない程度の高い周波数で同一色の光を出力するＬＤの出力光を時分割して同一色の光が同時に発光しないように駆動することで、干渉を避けることができる。

具体的には、人間の目が認識できる周波数は２０Ｈｚ程度と言われており、ＬＣＯＳの変調周波数は一般的に１００Ｈｚ程度である。従って、本発明に係る映像投影装置の第１乃至第５の可視光源について、１００Ｈｚよりも十分に高い、１ｋＨｚ程度の時分割変調信号を用いて同一色の光が同時に発光しないように駆動することで、映像品質に影響を与えることなく、干渉を避けることが可能となる。

Claims

同一偏波の光を出力する複数の可視光源であって、同一色の光を出力する可視光源の少なくとも１つの組を含む、前記複数の可視光源と、
前記複数の可視光源から出力された光を合波し、当該合波光を出力する、平面光波回路を用いた可視光カプラと、
前記可視光カプラから出力された前記合波光が入射され、前記合波光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子と、
を備えたことを特徴とする映像投影装置。
前記複数の可視光源は、レーザダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の映像投影装置。
前記可視光カプラは、マルチモード導波路を用いて前記複数の可視光源から出力された光を合波していることを特徴とする請求項１又は２に記載の映像投影装置。
前記可視光カプラは、モードカプラを用いて前記同一色の光を合波していることを特徴とする請求項１又は２に記載の映像投影装置。
前記複数の可視光源は、１ｋＨｚ以上の周波数の時分割変調信号を用いて、前記組の可視光源が同時に発光しないように駆動されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の映像投影装置。