JP3174810U

JP3174810U - レーザ光学エンジン

Info

Publication number: JP3174810U
Application number: JP2011600069U
Authority: JP
Inventors: 星澤権; 東侠金; 城守金
Original assignee: 上海三▲しん▼科技発展有限公司
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2020-01-13
Also published as: WO2010099707A1; CN101825832B; CN101825832A

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１は、本考案の技術案を応用した光学エンジン構造の略図である。図２は、各光源と光変調器を同期調和して駆動した駆動信号の略図である。図３は、本考案の実施態様における、レーザ光源駆動方式の略図である。図４は、緑レーザ生成過程の略図である。図５は、本考案の実施態様における、入力電流の変化によるＤＰＭの光出力変化図である。

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。

本考案の目的、技術案について更なる詳しい説明を行う。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ランダム性（Randomness）＝波長の可変 × 位相の可変 × 入射角の可変。

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。

方法１は、入射角可変である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims

独特のレーザ光学エンジンであって、
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。
上記レーザ光源が赤レーザ光源と青レーザ光源とを含み、赤レーザ光源及び青レーザ光源の入力電流の変化周波数は、３ＫＨｚより３００ＭＨｚの範囲にあることを特徴とする、請求項１記載のレーザ光学エンジン。
上記赤レーザ光源及び青レーザ光源の入力電流の変化周波数は、３００ＭＨｚ以内であることを特徴とする、請求項２記載のレーザ光学エンジン。
上記入力電流変化時の最小値は、最大値の１／２であることを特徴とする、請求項３記載のレーザ光学エンジン。
上記レーザ光源は赤外レーザ光源を含み、上記赤外レーザ光源の入力電流の変化周波数は、２０００ＫＨＺであることを特徴とする、請求項１記載のレーザ光学エンジン。
さらにダイオードポンプモジュールを含み、上記赤外レーザ光源より発生する赤外レーザを緑レーザに変換することを特徴とする、請求項５記載のレーザ光学エンジン。
上記赤外レーザ光源の入力電流変化時の最小値は０であることを特徴とする、請求項６記載のレーザ光学エンジン。
さらにディフューザーを含み、このディフューザーは、上記光源と光変調器との間に位置し、光源のレーザスペックル減少の役割を果たし、拡散装置とこの拡散装置を回転或いは振動させる駆動装置を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のレーザ光学エンジン。
さらにビームシェーパーを含み、このビームシェーパーは、上記光源と対物レンズとの間に位置し、上記光源が射出するビームを光変調器の有効エリア形状に変更させ、上記ビームシェーパーの装置を振動させるのに利用されることを特徴とする、請求項８に記載のレーザ光学エンジン。
上記光変調器は、液晶表示装置、デジタル・マイクロミラー・デバイス、ＬＣＯＳの内の一つで、フィールド・シーケンシャル方式で多数の光源に対して変調を行うことを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のレーザ光学エンジン。