JP3174810U - Laser optical engine - Google Patents
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Abstract
【課題】独特なレーザ光学エンジンを実現して、レーザの干渉を減少させ、スペックル現象を削減させた携帯式ミニ・プロジェクター用光学エンジンを提供する。
【解決手段】レーザ光源のオン時間の駆動時にＫＨｚ以上の周波数で変調され、レーザの干渉を削減し、スペックル現象を減少させた。周波数逓倍の要らないレーザ光源が３００ＭＨｚの高周波数で変調され、波長の変動によるスペックルの減少で明らかな効果を持つ。周波数逓倍で出来た緑レーザに対して２ＫＨｚの周波数でスイッチングを繰り返して変調を行うと、スペックルを減少させるだけでなく、緑レーザの光出力トータル量も増やすことが出来る。
【選択図】図３An optical engine for a portable mini projector that realizes a unique laser optical engine, reduces laser interference, and reduces speckle phenomenon.
The laser light source is modulated at a frequency of KHz or more when it is driven during the on-time to reduce laser interference and speckle phenomenon. A laser light source that does not require frequency multiplication is modulated at a high frequency of 300 MHz, and has a clear effect due to speckle reduction due to wavelength fluctuations. When modulation is performed by repeating switching at a frequency of 2 KHz with respect to the green laser generated by frequency multiplication, not only the speckle is reduced, but also the total light output of the green laser can be increased.
[Selection] Figure 3
Description
本考案は、携帯式ミニ・プロジェクターに関し、特に携帯式ミニ・プロジェクターの光源技術に関する。 The present invention relates to a portable mini projector, and more particularly to a light source technology of a portable mini projector.
手のひらよりも小さい携帯式ミニ・プロジェクター、或いはノートパソコン等の設備に内蔵するプロジェクターを実用化させるには、体積の小さいプロジェクター用光学エンジンの開発が必要となる。 In order to put into practical use a portable mini-projector smaller than the palm or a projector built in a notebook computer or the like, it is necessary to develop an optical engine for a projector having a small volume.
光学エンジンのサイズを決定する重要な装置の一つとして光源がある。レーザは小さな体積で高い光出力能力を持つ光源の代表となっている。レーザ・チップは、サイズが２０００μｍほどだが、１Ｗ以上の光を出力できる非常に優秀な発光装置である。但し、レーザの欠点は、スペックル（Speckle）現象が存在することである。 One important device that determines the size of an optical engine is a light source. Lasers represent a light source with a small volume and high light output capability. The laser chip has a size of about 2000 μm and is a very excellent light emitting device that can output light of 1 W or more. However, a drawback of lasers is that there is a speckle phenomenon.
スペックルは、レーザの固有特性であり、同一波長、位相と振幅のレーザの高い干渉性（Coherence）による干渉現象の一種である。スペックルは、スクリーン上では斑点として現れ、映像画面品質に影響し、観覧者にちらつきの感じを与える。 Speckle is a characteristic characteristic of a laser and is a kind of interference phenomenon caused by high coherence of lasers having the same wavelength, phase and amplitude. Speckle appears as spots on the screen, affects the video screen quality, and gives viewers a flickering feeling.
本考案の目的は、独特なレーザ光学エンジンを提供して、レーザの干渉を減少させ、スペックル現象を削減させた、携帯式ミニ・プロジェクター用光学エンジンを提供することである。 An object of the present invention is to provide an optical engine for a portable mini-projector that provides a unique laser optical engine to reduce laser interference and speckle phenomenon.
上述の技術的課題を解決するために、本考案の実施形態では独特なレーザ光学エンジンを提供し、
それには一つ以上のレーザ光源と、
光源の出力からイメージを生成する光変調器と、
光変調器によって生成したイメージに対して拡大投射を行う投射レンズと、それには、
変調駆動ユニットが含まれ、この変調駆動ユニットは、上記光源がオンの期間の入力電流を１千ヘルツ以上の周波数に変調した電流に変調するのに利用される。
In order to solve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides a unique laser optical engine,
One or more laser sources,
A light modulator that generates an image from the output of the light source;
Projection lenses that perform magnified projection on images generated by light modulators,
A modulation drive unit is included, and this modulation drive unit is used to modulate an input current during a period when the light source is on into a current modulated to a frequency of 1000 Hz or more.
本考案の実施形態の、現有技術と比較した主な差異及びその効果は、下記の通りである。
レーザ光源のオン時間の駆動時にＫＨｚ以上の周波数で変調され、レーザの干渉を削減し、スペックル現象を減少させた。
The main differences and the effects of the embodiment of the present invention compared with the existing technology are as follows.
When the laser light source is driven during the on-time, it is modulated at a frequency of KHz or more, thereby reducing the laser interference and reducing the speckle phenomenon.
更に、周波数逓倍の要らないレーザ光源に対して３００ＭＨｚの高周波数で変調を行い、波長の変動によるスペックル減少で明らかな効果を持つ。これはレーザダイオード特有の共振現象が、レーザダイオード活性エリアに存在する電気電流密度の大きさに大きな変動を発生し、これがまた共振機器内の屈曲率に変化を起こして波長の変動を発生させることである。 Further, a laser light source that does not require frequency multiplication is modulated at a high frequency of 300 MHz, and there is a clear effect by reducing speckles due to wavelength fluctuations. This is because the resonance phenomenon peculiar to the laser diode causes a large fluctuation in the magnitude of the electric current density existing in the active area of the laser diode, and this also causes a change in the bending rate in the resonance device, thereby causing a fluctuation in wavelength. It is.
更に、周波数逓倍で生成した緑レーザに対して２ＫＨｚの周波数でスイッチングを繰り返して変調を行い、スペックルを減少させるだけでなく、緑色レーザの光出力トータル量も増加させることが出来る。 Further, the green laser generated by frequency multiplication is modulated by switching repeatedly at a frequency of 2 KHz, so that not only the speckle can be reduced, but also the total light output of the green laser can be increased.
更に、ディフューザーを導入して、スペックルを拡散し、レーザ光源により発生する干渉現象を削減する。 Furthermore, a diffuser is introduced to diffuse speckles and reduce the interference phenomenon caused by the laser light source.
更に、振動ビームシェーパーを通してもう一度レーザスペックルを削減する。 Furthermore, the laser speckle is reduced once again through the vibrating beam shaper.
以下の記述では、読者が本考案をより理解しやすいように、技術的な詳細説明を多く加えている。しかしながら、当該技術分野の一般的な技術者でも理解でき、これらの技術的な詳細説明がなくても、また以下の各実施方法の様々な変形及び変更がなくても、本出願で保護を求める各請求項の技術案は、実現可能である。 In the following description, many technical details are added to make it easier for the reader to understand the present invention. However, the present application seeks protection even if it is understood by a general engineer in the technical field, without these technical details, and without various modifications and changes of the following embodiments. The technical solution of each claim is feasible.
本考案の目的、技術案について更なる詳しい説明を行う。 The purpose and technical plan of the present invention will be described in further detail.
本考案の技術案を利用した独特の光学エンジンの構造は、図１に示す通りであり、当該光学エンジンは、反射型で、Ｒ光源（１０Ｒ）、Ｇ光源（１０Ｇ）、Ｂ光源（１０Ｂ）、ダイクロイックミラー５０Ｒ・４０Ｇ・５０Ｂ、ディフューザー（２０）、ビーム・シェーパー（Beam Shaper）（３０）、対物レンズ（４０−１，４０−２）、光変調器（６０）、投射レンズ（７０）、偏光分光レンズ（８０）を含む。ここで、Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を示す。
The structure of a unique optical engine using the technical solution of the present invention is as shown in FIG. 1. The optical engine is a reflection type, and includes an R light source (10R), a G light source (10G), and a B light source (10B). ,
Ｒ／Ｇ／Ｂ光源は、順次、Ｒ／Ｇ／Ｂの光を発射する。具体的に言うと、１フレームの時間をＴと設定し、Ｔ／３の時間はＲ光を、次のＴ／３の時間はＧ光を、その次のＴ／３の時間はＢ光を発射する。光源は、その他の順番で光を発射することも出来ると理解してもよい。例えばＢ／Ｇ／Ｒ等である。 The R / G / B light source sequentially emits R / G / B light. More specifically, the time for one frame is set as T, the R light is set for T / 3 time, the G light is set for the next T / 3 time, and the B light is set for the next T / 3 time. Fire. It may be understood that the light source can emit light in other orders. For example, B / G / R.
ミニ・プロジェクター用の光源は、体積が小さいと同時に発光量も多くなければならないので、レーザ光源を使用することになる。三つの光源（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）が各自のダイクロイックミラー５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂにて、ディフューザー（２０）へ反射又は透過投射される。
Since the light source for a mini projector must have a small volume and a large light emission amount, a laser light source is used. Three light sources (10R, 10G, 10B) are reflected or transmitted and projected onto the diffuser (20) by their
ダイクロイックミラー５０Ｇは、Ｇ光（１０Ｇより射出した緑レーザ）を反射すると同時に、その他の光を透過させる役割があり、ダイクロイックミラー５０Ｇはまた一般的な可視光線を全て反射する一般的なミラーを使用しても良い。ダイクロイックミラー５０Ｒは、Ｒ光（１０Ｒより射出した赤レーザ）を反射し、その他の波長範囲の光を通過させる役割があり、ダイクロイックミラー５０Ｂは、Ｂ光（１０Ｂより射出した青レーザ）を反射し、その他の波長範囲の光を通過させる役割がある。
The dichroic mirror 50G not only reflects G light (green laser emitted from 10G) but also transmits other light, and the dichroic mirror 50G uses a general mirror that reflects all general visible rays. You may do it. The
ディフューザー（２０）は、光軸に垂直に振動するので、光がディフューザー（２０）を通過するとき、光のランダム性（Randomness）が増える。このようなディフューザーは、レーザ特有のレーザスペックル（Speckle）を除去する為の装置であり、レーザ光線の干渉性（Coherence）特徴を減少させて、レーザスペックルを減少させることを目的としている。 Since the diffuser (20) vibrates perpendicularly to the optical axis, the light randomness increases when light passes through the diffuser (20). Such a diffuser is an apparatus for removing laser speckles peculiar to lasers, and aims to reduce laser speckles by reducing the coherence characteristics of laser beams.
ディフューザー（２０）を通過する光は、ビームシェーパー（３０）にてビーム形状が変換される。ビーム形状を変換する理由は、ビームの形を光変調器（６０）の入射面形状に整形して光効率を上げるところにある。 The beam shape of the light passing through the diffuser (20) is converted by the beam shaper (30). The reason for converting the beam shape is to increase the light efficiency by shaping the beam shape into the shape of the incident surface of the light modulator (60).
図１の実施例では、ビームシェーパー（３０）に２枚の小型レンズで構成したレンズアレイを使用しているが、２枚の片面レンズシングルレンズを使用しても良い。このような二面又は２枚の上にそれぞれ集中成型した複数の小型レンズは互いに一対一で出来ている。このようなビームシェーパーは、径１００〜２００μｍ大きさで入ったレーザを面の状態に変換し更に拡大し、レーザの干渉性を緩和でき、光エネルギーを面に拡散し、集中によるレーザ特有の危険性を低減させることが出来る。 In the embodiment of FIG. 1, a lens array composed of two small lenses is used for the beam shaper (30), but two single-sided lens single lenses may be used. A plurality of small lenses that are intensively molded on two or two surfaces are made one-on-one. Such a beam shaper converts a laser with a diameter of 100 to 200 μm into a surface state and further expands it, can reduce the coherence of the laser, diffuses light energy to the surface, and has a laser-specific danger due to concentration. Can be reduced.
レンズアレイに含まれる小型レンズは、種々の形状、つまり、四角凸レンズ形状，六角凸レンズ形状、或いは円形等が可能ではあるが、なるべく光変調器の有効エリアの形状に一致させたほうが良い。例えば、光変調器の有効エリア形状が四角形の場合、小型レンズの形状も四角形にしたほうが光の損失を最小に抑えられる。 The small lens included in the lens array can have various shapes, that is, a quadrangular convex lens shape, a hexagonal convex lens shape, a circular shape, or the like, but it is preferable to match the shape of the effective area of the optical modulator as much as possible. For example, when the effective area shape of the optical modulator is a quadrangle, the loss of light can be minimized when the small lens is also a quadrangle.
小型レンズの最適直径は、８０〜５００μｍであり、このサイズでのビームが比較的整形しやすい。これは、小型レンズの直径が８０μｍ以下の場合、レーザの干渉でビームにグリッドラインが発生するが、現有の技術では８０μｍよりも小さい光沢面のレンズ構造は生産し難いからである。直径が大きすぎると、ビームシェーパーの効果が弱くなり、ミニ型光学エンジンが必要な均一の光源が得られなくなるので、５００μｍ以下がよい。 The optimum diameter of the small lens is 80 to 500 μm, and a beam of this size is relatively easy to shape. This is because when the diameter of the small lens is 80 μm or less, grid lines are generated in the beam due to laser interference, but it is difficult to produce a lens structure with a glossy surface smaller than 80 μm with the existing technology. If the diameter is too large, the effect of the beam shaper is weakened, and a uniform light source required by the mini-type optical engine cannot be obtained.
それぞれの小型レンズは、サイズの異なる種々の小型レンズを混合して組み合わせて、レーザスペックルを減少させている。 Each small lens reduces the laser speckle by mixing and combining various small lenses of different sizes.
対物レンズ（４０）は、ビームシェーパーで整形した光線を光変調器（６０）に集結させるレンズであり、一般的には一枚又は二枚組み合わせで構成している。 The objective lens (40) is a lens for concentrating the light beam shaped by the beam shaper on the light modulator (60), and is generally configured by one or a combination of two lenses.
光変調器（６０）は、入射する光線を限定通過させ、光径を遮断又は変更させて映像イメージを形成する装置である。光変調器（６０）の典型的な実例としては、デジタル・マイクロミラー・デバイス（Digital Micromirror Device、「ＤＭＤ」と略称）、液晶表示（Liquid Crystal Display、「ＬＣＤ」と略称）装置、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Sylicon）などがある。 The light modulator (60) is a device that forms an image image by restricting the incident light beam and blocking or changing the light diameter. Typical examples of the optical modulator (60) include a digital micromirror device (abbreviated as “DMD”), a liquid crystal display (abbreviated as “LCD”) device, an LCOS (Liquid). Crystal On Sylicon).
ＤＭＤは、デジタル光処理（Digital Light Processing、「ＤＬＰ」と略称）プロジェクター装置に利用されるが、これはフィールド・シーケンシャル（Field sequential）を利用した駆動方式であり、画像数と同じ量のマトリックス状に配列したデジタルミラー（DIGITAL MIRR0R）を使用している。ＤＬＰは、光源より射出される光用デジタルミラーで光径を調節し、パーティション反射でイメージをグラデーション（Gradation）或いは形成するプロジェクターである。 DMD is used in a projector device for digital light processing (abbreviated as “DLP”), which is a driving method using field sequential, and is in the form of a matrix having the same amount as the number of images. The digital mirror (DIGITAL MIRR0R) arrayed in is used. The DLP is a projector that adjusts the light diameter with a digital mirror for light emitted from a light source, and gradations or forms an image by partition reflection.
液晶表示装置（ＬＣＤ）は、選択的に液晶をオンオフしてイメージを形成する装置である。ＬＣＤ装置を使用したプロジェクターには、直視型（Direct View）、投射型、反射型がある。直視型プロジェクトは、液晶表示装置の裏面のバックライトがＬＣＤボードを通過してイメージを形成して直接観察できる方式であり、投射型プロジェクトは、液晶表示装置を通過して形成したイメージを投射レンズで拡大後、スクリーンに投射してスクリーンの反射イメージを観察する方式であり、反射型と投射型の構造はほぼ一緒であるが、相違点というと、反射型は、ＬＣＤ裏面の基板に反射フィルムがあり、反射した光線がスクリーン上に拡大投射されることである。 A liquid crystal display (LCD) is a device that selectively turns on and off liquid crystal to form an image. Projectors using an LCD device include a direct view type, a projection type, and a reflection type. The direct-view type project is a method in which the backlight on the back of the liquid crystal display device passes through the LCD board to form an image and can be observed directly. The projection type project projects the image formed through the liquid crystal display device as a projection lens. After magnifying, the projected image is projected onto the screen and the reflected image on the screen is observed. The reflection type and the projection type structure are almost the same, but the difference is that the reflection type is a reflection film on the substrate on the back of the LCD. The reflected light beam is enlarged and projected on the screen.
ＬＣＯＳは、反射型液晶表示に属し、従来の液晶表示側の二面基板のうち下方基板を透明なガラスからシリコン基板に変更して、反射型方式で動作する。 The LCOS belongs to a reflection type liquid crystal display, and operates in a reflection type by changing a lower substrate from a transparent glass to a silicon substrate among conventional two-sided substrates on the liquid crystal display side.
偏光分光レンズ（８０）は、入射する光を光変調器（６０）に伝達する光学部材であり、そのガラス材質の六面体内に、偏光分離フィルムが対角線に配置され、反射型光学エンジンに必需な光学部材の一つである。 The polarizing spectroscopic lens (80) is an optical member that transmits incident light to the light modulator (60). Polarized light separation films are diagonally arranged in a hexahedral body made of glass, which is necessary for a reflective optical engine. One of the optical members.
入射光は偏光分光レンズの偏光分離フィルムに当たると、Ｓ偏光が偏光分離フィルムにより光変調器へ反射され、Ｐ偏光は偏光分光レンズを通過して廃棄される。全ての光源部（１０）より射出される光は、光路のあるポイントで線平行状態に変換（Conversion）されないと、光効率を維持できなくなる。しかし、レーザ光源の出力光中の偏光比は、数百対一しかないので、線平行に変換する光学パーツは不要になり、ミニ・プロジェクターの光源に最適である。 When the incident light hits the polarization separation film of the polarization spectroscopic lens, the S-polarized light is reflected by the polarization separation film to the light modulator, and the P-polarized light passes through the polarization spectroscopic lens and is discarded. The light emitted from all the light source units (10) cannot maintain the light efficiency unless it is converted into a line parallel state at a certain point in the optical path. However, since the polarization ratio in the output light of the laser light source is only a few hundred to one, an optical part that converts it into a line parallel is unnecessary, and it is optimal for the light source of a mini projector.
このように、偏光分離フィルムで反射したＳ偏光が光変調器を通して映像を形成する過程でＰ偏光に変換され、Ｐ偏光に変換された映像光がまた偏光分光レンズ（８０）に入って、偏光分離フィルムに当たる。この映像光は全てＰ偏光であり、偏光分離フィルムを透過して投射レンズ（７０）に射出される。 In this way, the S-polarized light reflected by the polarization separation film is converted into P-polarized light in the process of forming an image through the optical modulator, and the image light converted into P-polarized light also enters the polarizing spectroscopic lens (80), and is polarized. Hit the separation film. All of the image light is P-polarized light, passes through the polarization separation film, and is emitted to the projection lens (70).
投射レンズ（７０）は、複数のレンズで構成され、光変調器（６０）で形成したイメージをスクリーン（不図示）上に拡大投射する。 The projection lens (70) is composed of a plurality of lenses, and enlarges and projects an image formed by the light modulator (60) on a screen (not shown).
上述したものは反射型の光学エンジンであるが、本考案の技術案は透射型の光学エンジンにも適用することができる。透射型光学エンジンの構造は、反射型とほぼ同じであるが、相違点としては主に偏光分光レンズ（８０）がないことで、他には、対物レンズ（４０）、光変調器（６０）及び投射レンズ（７０）の光路が同一直線上にあることである。 Although the above is a reflection type optical engine, the technical solution of the present invention can also be applied to a transmission type optical engine. The structure of the transmission type optical engine is almost the same as that of the reflection type, except that there is mainly no polarizing spectroscopic lens (80). Other than that, the objective lens (40) and the light modulator (60) are used. And the optical path of the projection lens (70) is on the same straight line.
図２は、上述のミニ・プロジェクターにおける、Ｒ／Ｇ／Ｂ三色レーザ駆動原理の略図である。ミニ・プロジェクターの光学エンジンの小型化には、光変調器を利用してカラーイメージを形成する必要がある。フィールド・シーケンシャル（field sequential）を利用した駆動方式の液晶表示装置（ＬＣＤ）がこの目的の光変調器に適している。このようなフィールド・シーケンシャルは、タイミングチャートを３等分し、それぞれの時間内に対応する三原色の緑、赤、青の映像を順次に表示させる方式である。人の目には映像が残存する現象があり、映像を一定速度以上で表示させた場合、連続画面として認識する。映画や漫画もこの原理を利用している。カラーイメージも同様で、Ｒ／Ｇ／Ｂの三原色を迅速に表示したとき、イメージ残存効果で、観察者は三原色の混合色である白色と認識する。同様に、三原色の光量が異なると、種々の色に調節できるので、三原色の相対光量を調節することで所望の色を得ることができる。 FIG. 2 is a schematic diagram of the R / G / B three-color laser driving principle in the above-described mini projector. Miniaturizing the optical engine of a mini projector requires forming a color image using a light modulator. A drive type liquid crystal display (LCD) using field sequential is suitable for the optical modulator for this purpose. Such field sequential is a method in which the timing chart is divided into three equal parts, and the images of the three primary colors green, red, and blue are sequentially displayed within each time. There is a phenomenon that an image remains in human eyes, and when the image is displayed at a certain speed or more, it is recognized as a continuous screen. Movies and comics also use this principle. The color image is the same. When the three primary colors of R / G / B are quickly displayed, the observer recognizes the white as a mixed color of the three primary colors due to the image remaining effect. Similarly, if the light amounts of the three primary colors are different, it can be adjusted to various colors, so that a desired color can be obtained by adjusting the relative light amounts of the three primary colors.
フィールド・シーケンシャル駆動は、６０Ｈｚの映像画面を再度３等分する。一つの映像画面を各画像数により二原色光量に対応するＲ／Ｇ／Ｂ分映像を作り、この分映像を１８０Ｈｚで駆動する。この１８０Ｈｚの分映像が同期にＲ／Ｇ／Ｂ光を射出すると、６０Ｈｚのカラー映像が得られる。図２で説明しているのは、上記１８０Ｈｚ分映像でＲ／Ｇ／Ｂ三光源を駆動する駆動信号である。 In field sequential driving, the 60 Hz video screen is again divided into three equal parts. One video screen is made up of R / G / B video images corresponding to the two primary light quantities based on the number of images, and this video image is driven at 180 Hz. When R / G / B light is emitted synchronously from the 180 Hz image, a 60 Hz color image is obtained. FIG. 2 illustrates drive signals for driving the three R / G / B light sources with the 180 Hz video.
図２で示すように、Ｒ光源信号は１８０Ｈｚであり、オンの時間（On time）区間がある。各光源間の区間は、光変調器への各画像数光量データの伝達に利用し、フレームごとにこのような区間が３つあり、その合計は全体電流の１０％程度を占める。 As shown in FIG. 2, the R light source signal is 180 Hz and there is an ON time interval. The section between each light source is used for transmission of the light quantity data for the number of images to the light modulator. There are three such sections for each frame, and the total occupies about 10% of the total current.
各光源のオンの時間の制御を的確にし、光変調器対応の時間信号と合わせて、一定の光エネルギーで１８０Ｈｚのオンオフ動作を繰り返す。 The ON time of each light source is accurately controlled, and together with the time signal corresponding to the optical modulator, the ON / OFF operation at 180 Hz is repeated with a constant light energy.
本考案の実施方式は、このように簡単な光源駆動に対して改善を行い、レーザの干渉を削減した。 The implementation method of the present invention has improved the simple light source driving as described above, and has reduced laser interference.
レーザは、同一波長、同一振幅、同一位相光の集まりであり、非常に強い干渉性を持っている。ビームシェーパー整形をもって面光源に拡大しても、やはりランダムな干渉映像点が発生するが、この干渉映像点はスペックルという斑点で現れる。本考案の考案者は以下の関係を考える。 A laser is a collection of light having the same wavelength, the same amplitude, and the same phase, and has a very strong coherence. Even if it is enlarged to a surface light source by beam shaper shaping, random interference image points are still generated, but these interference image points appear as speckle spots. The inventor of the present invention considers the following relationship.
ランダム性（Randomness）＝波長の可変 × 位相の可変 × 入射角の可変。 Randomness = variable wavelength × variable phase × variable incident angle.
上記の公式により、以下３種類の代表的方法が入射光の干渉を減少できる。 According to the above formula, the following three typical methods can reduce the interference of incident light.
方法１は、入射角可変である。 Method 1 is variable in incident angle.
図１のディフューザー（２０）が入射角可変の方法である。しかし、光用ディフューザー（２０）は、スペックルを完全に消滅できないので、その他の方法を加える必要がある。 The diffuser (20) in FIG. 1 is a method of varying the incident angle. However, since the diffuser for light (20) cannot completely eliminate speckle, it is necessary to add another method.
方法２は、位相可変である。
位相可変の方法は、偏光上に変化を与えることだが、光変調器の前端では使用しにくい。 The phase variable method is to change the polarization, but is difficult to use at the front end of the optical modulator.
方法３は、波長可変である。
波長可変は、ディフューザー（２０）以外の重要手段の一つである。 Wavelength tuning is one of important means other than the diffuser (20).
図３は、本考案適用の一つのケースで光源駆動に改善を行ったイメージ図である。 FIG. 3 is an image diagram in which light source driving is improved in one case of application of the present invention.
レーザダイオードが射出するのは単一波長の光だが、２種類の状況では波長の変化が可能である。 The laser diode emits light of a single wavelength, but the wavelength can be changed in two situations.
一つ目は、温度の変化である。レーザダイオードの動作温度が変化する場合、光の波長も徐々に変化するが、この変化範囲は約０．２５ｎｍ／℃ほどである。−１０℃〜＋１０℃の範囲内で連続変動すれば、波長も任意に変化を続ける。 The first is a change in temperature. When the operating temperature of the laser diode changes, the wavelength of light also changes gradually, but this change range is about 0.25 nm / ° C. If it continuously fluctuates within the range of −10 ° C. to + 10 ° C., the wavelength also continues to change arbitrarily.
動作温度の制御には、レーザダイオード温度を変更する装置の追加が必要になり、これは光学エンジンの体積を増やす欠点になる。 Controlling the operating temperature requires the addition of a device that changes the laser diode temperature, which is a disadvantage of increasing the volume of the optical engine.
二つ目は、図３に示すように光源のオンの時間（0n Time）を数空間に分け、高速電流に変調することである。図面上では分かりやすく１０区間ほどに分けているが、実際には３ｋＨｚ以上の高速変調になる。特に３００ＭＨｚの高速変調を行ったときに、波長の変動によるスペックルの減少効果が明らかである。これは、レーザダイオード特有の共振現象が、レーザダイオード活性エリアに存在する電荷密度の大きさに大きな変動を与え、これがまた共振機器内の屈曲率に変化を与えて波長の変動を発生させるからである。 The second is to divide the light source on time (0n Time) into several spaces as shown in FIG. Although it is divided into about 10 sections in an easy-to-understand manner on the drawing, it is actually a high-speed modulation of 3 kHz or more. In particular, when high-speed modulation of 300 MHz is performed, the speckle reduction effect due to wavelength variation is clear. This is because the resonance phenomenon peculiar to the laser diode greatly changes the magnitude of the charge density existing in the active area of the laser diode, and this also changes the bending rate in the resonance device to cause the wavelength fluctuation. is there.
変調駆動時は図３上で入力電流を半減し、高速変調時の入力電流の最小値は、最大値と０との間の任意値としてもよい。 During modulation driving, the input current may be halved in FIG. 3, and the minimum value of the input current during high-speed modulation may be an arbitrary value between the maximum value and zero.
赤と青レーザは、数百ＭＨｚの間隔で変化する電流に変調できるが、緑光は出来ない。緑光は、ダイオードポンプモジュール（Diode Pumped Module、「ＤＰＭ」と略称）という光学装置より出てくる。 Red and blue lasers can be modulated to a current that changes at intervals of several hundred MHz, but not green light. Green light comes from an optical device called a diode pumped module (abbreviated as “DPM”).
今現在まではまだ固体の緑レーザ機器が開発できていないので、緑レーザは、第二次高調波発生（Second Harmonic Generation、「ＳＨＧ」と略称）を通じて波長の長い赤外レーザ（Infrared Laser）を周波数逓倍（Frequency Doubling）で緑波長に変換して使用する。一般的には、ＤＰＭ（９０）等の光学装置で周波数逓倍を行うが、その構造は、図４で簡単に紹介されている。 Until now, solid green laser equipment has not yet been developed, so green lasers can generate infrared lasers with long wavelengths through second harmonic generation (abbreviated as “SHG”). It is converted into green wavelength by frequency multiplication (Frequency Doubling). In general, frequency multiplication is performed by an optical device such as DPM (90). The structure is simply introduced in FIG.
赤外レーザ（１００）が射出する８００ｎｍほどの波長光が、ＤＰＭ（９０）を通して５３２ｎｍの緑光に変換される。このようなＤＰＭ（Diode Pumped Module）は、ＮＤ：ＹＶ０４（１１０、Ｎｄ添加のイットリウム・バナデート）とＫＴＰ（１２０）とで構成されている。ＫＴＰ（１２０）［ＫＴｉＯＰ０４（Potassium Titany Crystals：チタニルりん酸カリウム（ｋｔｐ）結晶）］は、非線形光学装置であり、レーザの周波数逓倍によく利用されている。 Light having a wavelength of about 800 nm emitted from the infrared laser (100) is converted into green light of 532 nm through the DPM (90). Such a DPM (Diode Pumped Module) is composed of ND: YV04 (110, yttrium vanadate with Nd addition) and KTP (120). KTP (120) [KTiOP04 (Potassium Titany Crystals)] is a non-linear optical device, and is often used for laser frequency multiplication.
Ｎｄ：ＹＶ０４（１１０）を利用して８０８ｎｍの赤外レーザ（１００）を１０６４ｎｍの長波長の光に変換し、それから１０６４ｎｍの長波長レーザを非線形装置ＫＴＰ（１２０）を通して５３２ｎｍの緑レーザに周波数逓倍する。 Nd: YV04 (110) is used to convert an 808 nm infrared laser (100) to 1064 nm long wavelength light, and then the 1064 nm long wavelength laser is frequency-multiplied through a nonlinear device KTP (120) to a 532 nm green laser. To do.
上記ＤＰＭ（９０）は、数百ＭＨｚの高速変調に適応できず、数ｋＨｚ程度に変更する必要がある。本考案の優先実例の一つでは、上記緑光の光変調が２０００ＫＨｚに達している。もちろん他の周波数、例えば１５００Ｈｚ、２５００Ｈｚ等に変調することも出来るが、効果が落ちる。 The DPM (90) cannot be adapted to high-speed modulation of several hundreds of MHz and needs to be changed to about several kHz. In one of the priority examples of the present invention, the light modulation of the green light reaches 2000 KHz. Of course, it can be modulated to other frequencies such as 1500 Hz, 2500 Hz, etc., but the effect is reduced.
上記ＤＰＭ（９０）は、上記のように駆動で波長の変動を変調してスペックルを減少させる効果の他にもう一つのメリットがある。 The DPM (90) has another advantage in addition to the effect of modulating the fluctuation of the wavelength by driving and reducing the speckle as described above.
図５は、入力電流に対するＤＰＭ（９０）の動作特性のイメージ図である。図５のａは、入力電流の現在の駆動方法の出力図である。図５のｂは、入力電流の高速変調時の出力図である。緑光源を数ＫＨｚに変調してオンオフを繰り返した場合、全電流期間の光出力量が却って増加する。これは、ＤＰＭの出力能力が電流量を適量に増やした場合に徐々に減衰する特性である。つまり、電流間のｏｆｆ区間増加するに対して光出力量も却って増加する。 FIG. 5 is an image diagram of the operating characteristics of the DPM (90) with respect to the input current. FIG. 5 a is an output diagram of the current driving method of the input current. FIG. 5B is an output diagram at the time of high-speed modulation of the input current. When the green light source is modulated to several KHz and repeatedly turned on and off, the light output amount in the entire current period increases. This is a characteristic in which the output capability of the DPM gradually attenuates when the current amount is increased to an appropriate amount. In other words, the amount of light output increases as the off interval between currents increases.
図５では、緑光源に形成した赤外レーザの入力電流に対してオンオフ方式で変調を行い、入力電流変化の最小値は０になる。本考案の実施方法は、このような変調方式に限らず、入力電流変化の最小値は、実際には０と最大値との間の任意の値としてもよい。 In FIG. 5, the input current of the infrared laser formed in the green light source is modulated by an on / off method, and the minimum value of the input current change becomes zero. The implementation method of the present invention is not limited to such a modulation method, and the minimum value of the input current change may actually be an arbitrary value between 0 and the maximum value.
本実施方法中、光源の変調は、変調駆動ユニットで完成でき、当該ユニットは、光源がオンの時間の期間の入力電流を一千ヘルツ以上の周波数に変調した電流に変調するのに利用される。つまり、変調駆動ユニットは、ロジック・ユニットであり、独立した物理的ユニット、又は一つの物理的ユニットの一部で実現でき、複数の物理的ユニットの組み合わせでも実現できる。変調駆動ユニット自体の物理的実現方法は、最も重要だとは言えず、その実現した機能こそが本考案で提出した技術的課題の一キーポイントである。 In this implementation method, the modulation of the light source can be completed by a modulation drive unit, which unit is used to modulate the input current during the time when the light source is on to a current modulated to a frequency of 1000 Hz or more. . That is, the modulation drive unit is a logic unit, and can be realized by an independent physical unit, a part of one physical unit, or a combination of a plurality of physical units. The physical realization method of the modulation drive unit itself is not the most important, and the realized function is a key point of the technical problem submitted in the present invention.
ここでわかる様に、レーザ光源のオン時間の駆動時に数ＫＨｚ以上の変調駆動を行うことで、レーザの干渉を減少させ、スペックル現象を削減させることが出来る。特に緑光の場合、スペックル現象を減少させる他に、また光の出力効率を上げる効果がある。 As can be seen here, by performing modulation driving at several KHz or more when the laser light source is driven during the on-time, laser interference can be reduced and speckle phenomenon can be reduced. In particular, in the case of green light, in addition to reducing the speckle phenomenon, it also has the effect of increasing the light output efficiency.
レーザ光源に対する高周波数変調とディフューザー導入をもってレーザスペックルを削減させる他に、振動ビームシェーパーに利用する装置を導入して、振動ビームシェーパーで更にレーザスペックルを削減させることが出来る。 In addition to reducing laser speckle by high frequency modulation and introduction of a diffuser for a laser light source, a laser beam specifier can be further reduced by introducing a device used for a vibration beam shaper.
上記実施方法は三つのレーザ光源に特定したものであるが、本考案の技術案は、三つのレーザ光源を持つ光学エンジンに限らず、一つ、二つ又はさらに多くのレーザ光源にも適応し、レーザ光源と発光ダイオード（Light Emitting Diode，「ＬＥＤ」と略称）光源を組み合わせた混合光源，例えば一つの赤レーザ光源と、一つの赤外レーザ光源を周波数逓倍で生成した緑レーザと、一つの青ＬＥＤ光源とにも適応する。 Although the above implementation method is specific to three laser light sources, the technical solution of the present invention is not limited to an optical engine having three laser light sources, but can be applied to one, two, or more laser light sources. A mixed light source that combines a laser light source and a light emitting diode ("LED") light source, for example, one red laser light source, one green laser generated by frequency multiplication of one infrared laser light source, and one Also suitable for blue LED light sources.
本考案の一部の優先実施方法を参考として、本考案に対する図示及び説明を行ったが、本分野の一般的な技術者なら承知のように、本考案の精神と範囲を外れない前提で、形式と詳細ではこれに対して種々な変化を与えることが出来る。 The present invention has been illustrated and described with reference to some priority implementation methods of the present invention, but as a general engineer in this field knows, on the premise that it does not depart from the spirit and scope of the present invention, Various changes can be made to the format and details.
Claims (10)
一つ以上のレーザ光源と、
上記光源より出力した光でイメージを生成する光変調器と、
上記光変調器で生成したイメージを拡大投射する投射レンズと、
さらに、上記光源がオンの時間の期間での入力電流を、１千ヘルツ以上の周波数に変調した電流に変調するのに利用される変調駆動ユニットと、
を備えたことを特徴とするレーザ光学エンジン。 A unique laser optical engine,
One or more laser light sources;
A light modulator that generates an image with light output from the light source;
A projection lens for enlarging and projecting the image generated by the light modulator;
And a modulation drive unit used to modulate the input current during the time that the light source is on to a current modulated to a frequency of 1000 Hz or higher;
A laser optical engine comprising:
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