JP6807561B2 - 合波器、この合波器を用いた画像投影装置及び画像投影システム - Google Patents

合波器、この合波器を用いた画像投影装置及び画像投影システム Download PDF

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Description

本発明は、異なる波長の複数の可視光を合波する合波器、この合波器を用いた画像投影装置及び画像投影システムに関する。
マッハツェンダー干渉（ＭＺＩ）を利用した光学結合デバイスが知られている（例えば特許文献１参照）。このような光結合デバイスを利用すれば、ディスプレイの小型化が期待できる。
特許文献１には、マッハツェンダー干渉（Ｍａｈａ-Ｚｈｅｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：以下、ＭＺＩと記載）光導波路に異なる波長の異なる２つの可視光を入射し、ＭＺＩ光導波路の光路長差による位相差によって２つの可視光を合波又は分波する技術が開示されている。ところが、この特許文献１に記載の技術で合波できるのは波長の異なる２つの光に限られることから、少なくともＲＧＢの三つの可視光の合波を必要とする画像形成装置に適用することはできない。
そこで、本願出願人は、光の三原色であるＲＧＢの三つの可視光を合波することで、画像投影装置に画像を投影させることを可能とした合波器及び画像投影装置を特許文献２において提案している。
図１０は、本願出願人が特許文献２で開示した合波器の説明図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）は導波路の入射口が露出する合波器の側面図である。
合波器１０′は、シリコン（Ｓｉ）で形成された基板２１０と、この基板２１０に上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成されたＢＯＸ層２１５と、このＢＯＸ層２１５の上にＳｉＯ２で形成されたカバー層２２０と、このカバー層２２０の中に形成され、ＢＯＸ層２１５の上面と平行な平面内に配置された第１導波路１０１′、第２導波路１０２′及び第３導波路１０３′とを備えている。
なお、基板２１０とＢＯＸ層２１５とカバー層２２０とで合波器１０′の本体１００が構成される。
第１導波路１０１′，第２導波路１０２′及び第３導波路１０３′には、ＢＯＸ層２１５及びカバー層２２０の一面に露出する入射口１０１ａ′，１０２ａ′，１０３ａ′から、それぞれ波長の異なるシングルモードの赤色光（Ｒ：波長λＲ＝６２０〜７５０ｎｍ）、緑色光（Ｇ：波長λＧ＝４９５〜５７０ｎｍ）、青色光（Ｂ：波長λＢ＝４５０〜４９５ｎｍ）が入射され、このＲＧＢ色光のそれぞれが、第１導波路１０１′，第２導波路１０２′及び第３導波路１０３′内を伝搬されつつ合波されて、クラッド層２２０の他面に露出する第２導波路１０２′の他端１０２ｂ′から出射される。
第１導波路１０１′，第２導波路１０２′及び第３導波路１０３′は、迷光を生じない間隔で配置される。第２導波路１０２′の可視光の伝搬経路上には、入射口１０２ａ′側から順に第１合波部１１０，第２合波部１２０及び第３合波部１３０が設けられている。第１合波部１１０，第２合波部１２０及び第３合波部１３０は方向性結合器として構成され、第１合波部１１０及び第３合波部１３０では第３導波路１０３′が第２導波路１０２′に接し、第２合波部１２０では第１導波路１０１′が第２導波路１０２′に接して、ＲＧＢの可視光の合波が行われるようになっている。
特開２０１０−１３４２２４号公報 特開２０１３−１９５６０３号公報
上述の光導波路型合波器では、光ファイバを介して又は図示するように本体１００の一端に取り付けた半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃから直接、入射口１０１ａ′，１０２ａ′，１０３ａ′にレーザ光が照射される。
しかし、図１１に示すように、光ファイバや半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃから照射されるレーザ光は、直進する光軸Ｘを中心とする角度θ１の拡がり角を有することから、導波路１０１′，１０２′，１０３′から漏れたレーザ光の一部が第１合波部１１０に照射されて、本来合波すべき可視光以外の可視光が第１合波部１１０に混在する（以下、迷光という）という問題がある。
このような混在の発生を抑制するためには、導波路１０１′，１０２′，１０３′の間隔ｓ（図１０参照）を十分にとって、光ファイバどうしや半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの間隔を十分に開ければよいが、導波路１０１′，１０２′，１０３′の間隔ｓを大きくするほど合波器１０′が大型化するという問題が生じる。
また、導波路１０１′，１０２′，１０３′は、図１０に示すように隣接して平行に配置されるが、導波路１０１′，１０２′，１０３′同士の間隔ｓを一定寸法以下に接近させると、導波路１０１′，１０２′，１０３′からエバネッセント波として染み出した光が近接する他の導波路に乗り移り、本来的に伝搬させる可視光に他の可視光が混在して迷光を生じさせる。このような迷光を生じさせない導波路１０１′，１０２′，１０３′の間隔ｓは概ね３０μｍ以上であることから、理論的には、導波路１０１′，１０２′，１０３′の間隔ｓは３０μｍ程度まで接近させることが可能である。
ところで近年では、チップサイズが幅５００μｍ程度、厚さ１００μｍ程度、長さ５００μｍ程度の極小サイズの半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃが市販されるに至っている。しかし、図１１に示すように半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを密接させて本体１００の一端に配置したとしても、導波路１０１′，１０２′，１０３′の間隔ｓは最低でも５００μｍが必要となること、発熱による影響を抑制するために半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの間には隙間が必要となることなどの理由から、合波器１０′の幅寸法の短縮には限界があるという問題がある。
さらに、導波路１０１′，１０２′，１０３′がほぼ接触する位置まで近接する第１合波部１１０から、１００μｍまで導波路１０１′，１０２′，１０３′の間隔ｓを拡げるには、導波路１０１′，１０２′，１０３′の湾曲部Ｒ（図１０参照）の曲率半径を十分に大きく取ったり、湾曲部Ｒの円弧長を十分に長くとる必要があること、レーザ光には一定の拡がり角があるので、上記したように半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを並べて配置すると、拡がったレーザ光の一部が第１合波部１１０に照射されて迷光を生じさせるという問題があることから、合波器１０′の長さ寸法の短縮にも限界がある。
本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、光ファイバや半導体レーザチップ等のレーザ光源からのレーザ光の拡散による合波部への影響を抑制することができ、迷光を生じさせない範囲内で幅寸法及び長さ寸法を大幅に短縮して小型化を可能にした合波器とこの合波器を利用した画像投影装置及び画像投影システムの提供を目的とする。
本発明の合波器は、波長の異なる複数の可視光が入射される複数の導波路と、この導波路の途中に設けられ少なくとも二つの導波路を伝搬する可視光のモード結合を行う合波部と、前記可視光を前記複数の導波路の各々に照射する複数のレーザ光源とを備え、前記複数の可視光を波長多重する合波器において、前記レーザ光源に最も近い位置に配置された第１合波部を備え、前記レーザ光源からのレーザ光の拡散による合波部への影響を抑制して迷光を生じないようにすべく、前記第１合波部に導入される前記可視光の伝搬軸線から離間した位置に光軸を有する前記レーザ光源の全てを、所定の拡がり角で拡がる前記レーザ光が前記第１合波部に照射されず、かつ、前記レーザ光の外縁が前記第１合波部の手前を通過するように、前記光軸を前記伝搬軸線に対して傾斜させて配置した構成としてある。
本発明の合波器においては、例えば三原色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））のような三つの可視光を使用することもできる。このようにすることで、本発明の合波器を画像投影装置に適用することが可能になる。すなわち、第１可視光が入射される第１導波路と、前記第１可視光よりも短波長の第２可視光が入射される第２導波路と、前記第２可視光よりも短波長であり、前記第１可視光と前記第２可視光との間の波長間隔よりも前記第２可視光との間の波長間隔が短い波長の第３可視光が入射される第３導波路とを備え、前記第２導波路と前記第３導波路との間で可視光のモード結合を行う第１合波部及び第３合波部と、第１導波路と前記第２導波路との間で可視光のモード結合を行う第２合波部と、前記第１可視光、第２可視光、第３可視光のそれぞれを前記第１導波路、第２導波路、第３導波路のそれぞれに照射する三つのレーザ光源とを有し、前記三つのレーザ光源側から前記第１合波部、第２合波部及び第３合波部の順で配置した合波器において、前記レーザ光源からのレーザ光の拡散による合波部への影響を抑制して迷光を生じさせないようにすべく、前記第１合波部に導入される前記可視光の伝搬軸線から離間した位置に光軸を有する前記第１導波路と前記第３導波路用の前記レーザ光源を、所定の拡がり角で拡がる前記レーザ光が前記第１合波部に照射されず、かつ、前記レーザ光の外縁が前記第１合波部の手前を通過するように、前記光軸を前記伝搬軸線に対して傾斜させて配置した構成とすることができる。また、前記伝搬軸線上に一つの前記レーザ光源を配置し、他の前記レーザ光源を伝搬軸線に対して傾斜させてもよい。
このように、所定のレーザ光源の光軸を前記伝搬軸線に対して傾斜させることで、レーザ光の一部が第１合波部に照射されることによる迷光を抑制することができる。
傾斜させる角度は、導波路の入射口と第１合波部の入口までの距離、導波路の間隔及びレーザ光源からのレーザ光の拡がり角によって求めることができる。なお、レーザ光源を傾斜させるとレーザ光が他の導波路を横切ることになり、当該他の導波路に対して迷光の影響を生じさせるおそれがあるが、傾斜角の角度θが０°＜θ≦９０°の範囲内のときに前記他の導波路における迷光の影響を最小に抑制することができる。また、前記伝搬軸線から離間した位置に光軸を有する前記レーザ光源の光軸が前記伝搬軸線に対して直角になるように、前記レーザ光源を配置することで、合波器のサイズを最小にすることができる。
前記第１合波部と前記他のレーザ光源との間には、前記導波路を伝搬される可視光の光路を屈曲状に変更する屈曲部を設けるとよい。前記屈曲部は、導波路内で可視光の伝搬方向を、二つの直線が交叉する屈曲状に変更ができるものであればよい。例えば、導波路の一部に回析格子を形成したもの、導波路のコアに向けてトレンチを形成することでミラー（導波路型反射鏡）を形成したもの、導波路のコアの外側にアルミを蒸着するなどしたミラーを配置したものなどを挙げることができる。
このような屈曲部を利用することで、合波器本体の一端と側面とにレーザ光源を配置することが可能になり、合波器の幅と長さを大幅に短縮することが可能になる。また、このような屈曲部を利用することで、半導体レーザチップ等のレーザ光源の配置の自由度が増し、本発明の合波器を利用する画像投影装置等の設計の自由度も高めることができる。
前記導波路におけるレーザ光源からのレーザ光の入射口に光集束手段を設けるとよい。例えば前記導波路の先端部を先細状にしたり、レーザ光源と導波路との間にレンズを配置したりするとよい。
なお、屈曲部の屈曲角度は特に限定されないが、例えば導波路型反射鏡を用いた場合は８０°〜１００°の範囲内とするのが好ましい。直角であるのがより好ましい。
本発明の合波器を用いた画像投影装置は、上記構成の合波器を用いたもので、前記合波器から出射された前記波長多重光を二次元的に走査して画像を形成する水平走査部及び垂直走査部と、走査された前記波長多重光を被投影面に投影する画像形成部を備える構成としてある。この場合、前記合波器に前記水平走査部及び前記垂直走査部を設けるとよい。このようにすることで、画像投影装置を小型化することができる。
また、上記の画像投影装置を備えた画像投影システムは、画像データの送受信を行う送受信装置と、画像の撮影を行うカメラ等の撮影装置や携帯電話、ＰＣ等の端末装置を含む周辺装置と、前記送受信装置、前記周辺装置及び前記画像投影装置の制御を行う制御装置とを備えた構成とすることができる。
上記構成の合波器を用いた本発明の画像投影装置及びこの画像投影装置を備えた画像投影システムは、合波器の小型化により装置及びシステムを小型にできるうえ、合波器に設ける半導体レーザチップ等の光源配置の自由度が高いので、装置及びシステムの設計の自由度を高めることができる。
本発明の基本的な概念を説明する図で、（ａ）は可視光が三つの場合におけるレーザ光源の配置を説明する図である。 図２（ａ）は図１（ａ）の配置の場合のレーザ光源と導波路との関係を示す図、（ｂ）は導波路の途中に直角に屈曲する屈曲部を設けた場合の他の例を示す図である。 直角に屈曲する屈曲部を備えた合波器の一実施形態にかかる概略平面図である。 導波路の屈曲部の構成を説明する部分拡大図である。 光集束手段を設けた導波路の先端部分の拡大図である。 本発明の合波器１０を走査型ディスプレイに適用した一実施形態にかかり、走査型ディスプレイの概略構成図である。 第２導波路１０２の他端１０２ｂ側に水平スキャナ２２と垂直スキャナ２５を配置した合波器１０の概略図である。 走査型ディスプレイを備えた画像システムの一例にかかり、その構成を説明するブロック図である。 本発明の合波器の他の実施形態にかかり、四つ以上の可視光を合波する合波器に適用した場合の半導体レーザチップの配置例を示す図である。 本願出願人が特許文献２で開示した合波器の説明図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）は導波路の入射口が露出する合波器を一端側から見た正面図である。 レーザ光源から照射されるレーザ光がその拡がりにより第１合波部に照射される様子を説明する図である。
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の基本的な概念を説明する図で、可視光が三つの場合におけるレーザ光源の配置を説明する図、図２（ａ）は図１（ａ）の配置の場合のレーザ光源と導波路との関係を示す図、（ｂ）は導波路の途中に直角に屈曲する屈曲部を設けた場合の他の例を示す図である。また、図３は、直角に屈曲する屈曲部を備えた合波器の一実施形態にかかる概略平面図、図４は導波路の屈曲部の構成を説明する部分拡大図、図５は光集束手段を設けた導波路の先端部分の拡大図である。
［使用できる可視光］
以下に説明する本発明の合波器において合波する３つの可視光は、単色光であって、第１可視光の波長が最も長く、次いで第２可視光の波長が長く、第３可視光の波長が最も短く、かつ、前記第１可視光と前記第２可視光との間の波長間隔よりも前記第２可視光と前記第３可視光との間の波長間隔が短いことが条件となる。
このような条件を満たす可視光としては、波長λＲ＝６２０〜７５０ｎｍの赤色光（Ｒ）、波長λＧ＝４９５〜５７０ｎｍの緑色光（Ｇ）、波長λＢ＝４５０〜４９５ｎｍの青色光（Ｂ）を挙げることができる。これらＲＧＢの３つの波長間には、λＢ＜λＧ＜λＲの関係が成立し、この波長範囲の中から、λＲ−λＧ＞λＧ−λＢなる関係を充たすように、例えば、赤色光として波長λＲ＝６４０ｎｍのものを、緑色光として波長λＧ＝５２０ｎｍのものを、青色光として波長λＢ＝４５５ｎｍのものを選択することができる。
［レーザ光源の配置］
この実施形態においては、三つの半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃのうち、赤色用の半導体レーザチップ１６ａ及び青色用の半導体レーザチップ１６ｃを、図１に示すようにその光軸Ｘｒ，Ｘｂが伝搬軸線Ｙに対して角度θで交叉するように、傾斜させて配置している。
この実施形態において、二つの半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃを、その光軸が伝搬軸線Ｙに対して角度θで傾斜するように配置するのは以下の理由による。すなわち、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃは、半導体レーザチップ１６ａ，最も近くに配置された第１合波部１１０における可視光の伝搬軸線Ｙから離間した位置に光軸Ｘb，Ｘrを有し、かつ、二つの半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃをその光軸Ｘb，Ｘrが伝搬軸線Ｙに対して平行に配置した場合（図１１参照）に、角度θ１で拡がるレーザ光が合波部１１０に照射されて迷光を生じさせ、この迷光が合波に悪影響を及ぼすためである。
一方、真ん中に配置された緑色用の半導体レーザチップ１６ｂについては、伝搬軸線Ｙとほぼ同じ位置に光軸Ｘｇを有しているので、角度θ１で拡がるレーザ光が合波部１１０に照射されても第１合波部１１０における迷光の悪影響をほとんど生じさせないためである。
この実施形態のように、三つの半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃのレーザ光を三つの導波路１０１，１０２，１０３に導入して可視光の合波を行う場合は、一般的に両側の半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃを傾斜させ、真ん中の半導体レーザチップ１６ｂは傾斜させなくてもよい。
角度θは、光軸Ｘｒ，Ｘｂを中心として拡がる半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃのレーザ光が、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃに最も近い位置に配置された第１合波部１１０に照射されない角度である。
この角度θは、レーザ光の拡がり角をθ１、入射口１０１ａ，１０２ａ間（１０２ａ，１０３ａ間）の距離をｄ１、入射口１０２ａと第１合波部１１０の入口との距離をｌ１としたときに、以下の式で求めることができる。
Figure 0006807561
例えば、レーザ光の拡がり角θ1＝７°、距離ｄ１=５００μｍ、距離ｌ１＝９００μｍの場合は、θ＝３５．５°となることから、角度θを３５．５°より大きくすることで第１合波部１１０に半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃから拡がったレーザ光が照射されないようにすることができる。
角度θは、図２（ａ）に示すように鋭角としてもよいが、図２（ｂ）に示すように直角とするのが好ましい。このようにすることで、半導体レーザチップ１６ａからのレーザ光が導波路１０２に照射される照射長さｅを最も短くして、導波路１０２を伝搬される可視光への迷光の影響を小さくすることができる。
角度θを直角にする場合は、導波路１０１，１０３の可視光の伝搬効率を維持するために、導波路１０１，１０３の途中部位に可視光を反射する屈曲部１０４，１０５を設ける。この屈曲部１０４，１０５は二つの直線を交叉させたように直線状に折り曲げたもので、臨界角を越えて導波路１０１，１０３を折り曲げても可視光を効率良く伝搬できるように、折り曲げた部分に後述するミラー１０４ａ，１０５ａや回析格子１０４ｂ，１０５ｂ等を設ける。
［合波器の全体構成］
図３に、直角に折れ曲がる屈曲部を備えた本発明の合波器の一実施形態を示す。
この合波器１０の基本構成は、本願出願人によって特開２０１３−１９５６０３号で開示された合波器（図１０に示すもの）と同じで、図１０の合波器１０′と同一部位、同一部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
この合波器１０において図１０の合波器１０′と相違するところは、波長多重された可視光を出射する第２導波路１０２の可視光の出射方向に対して、第１導波路１０１及び第３導波路１０３に入射する可視光Ｂ，Ｒの入射方向が交叉するように、第１導波路１０１及び第３導波路１０３の先端部分を屈曲状又は湾曲状に折り曲げている点である。
入射口１０１ａ，１０３ａから入射された第１可視光及び第３可視光が、第１導波路１０１内及び第３導波路１０３内で光路を変更できるように、第１導波路１０１及び第３導波路１０３の先端部分には屈曲部１０４，１０５が設けられている。そして、この屈曲部１０４，１０５を設けた部分で、第１導波路１０１及び第３導波路１０３が屈曲状又は湾曲状に折り曲げられる。
屈曲部１０４，１０５の一例を図４（ａ）（ｂ）に示す。
図４（ａ）の例では、屈曲部１０４，１０５に可視光を全反射するミラー１０４ａ，１０５ａを配置していて、この部分で第１導波路１０１及び第３導波路１０３を屈曲させている。
この実施形態においてミラー１０４ａ，１０５ａは、カバー層２２０の上面からエッチングによって、第１導波路１０１及び第３導波路１０３のコアより深い部分まで達するトレンチを形成し、前記トレンチの空気層と前記コアを形成するガラス層との間で光を全反射させる導波路型のものである。
このような導波路型のミラーにおいては、折り曲げ角度αが直角（９０°）から大小変化すると入射光率が低下するとともに、反射率が小さくなる。そのため、この種の導波路型のミラーにおいて最適な折り曲げ角度αは９０°であるが、入射光率５０％を基準とした場合に許容される折り曲げ角度αは７７°〜１００°の範囲内、好ましくは８０°〜９５°の範囲内である。
図４（ｂ）に示す例では、屈曲部１０４，１０５に回析格子１０４ｂ，１０５ｂを形成している。そして、回析格子１０４ｂ，１０５ｂを形成した部分で導波路１０１，１０３を折り曲げ角度αで屈曲状に折り曲げる。
また、曲率半径Ｒで第１導波路１０１及び第３導波路１０３を湾曲状に折り曲げてもよい。湾曲部１０４ｃ，１０５ｃには、必要に応じてミラーや回析格子等の反射手段を設けてもよい。
その他、屈曲状又は湾曲状に折り曲げた部分で光路を変更する手段としては、例えば特開２００４−１９１５６４号公報や特開平１０−２４６８２７号公報等で公知のものを用いることができる。
［光入力部］
この実施形態では、基板２１０の長さ及び幅をカバー層２２０及びＢＯＸ層２１５の長さ及び幅よりも少し大きく形成していて、カバー層２２０及びＢＯＸ層２１５から張り出す部分（シロ部分）に、第１導波路１０１、第２導波路１０２及び第３導波路１０３に可視光を入射させる光源としての半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを配置している。
半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃと第１導波路１０１、第２導波路１０２及び第３導波路１０３の入射口１０１ａ，１０２ａ，１０３ａとは、基板２１０の厚さを調整することで位置合わせをすることができる。
半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの大きさは、幅５００μｍ程度、厚さ１００μｍ程度、長さ５００μｍ程度であるので、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは光合波器１０に一体に設けることができる。
また、第１導波路１０１、第２導波路１０２及び第３導波路１０３の入射口１０１ａ，１０２ａ，１０３ａには、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃからのレーザ光を高効率で導波路１０１，１０２，１０３に導くように、レーザ光集束手段を設けるのが好ましい。
図５にレーザ光集束手段の一例を示す。なお、図５では、第１導波路１０１の場合のみを例に挙げて図示しているが、第２導波路１０２及び第３導波路１０３の場合も同様である。
図５（ａ）に示す例では、第１導波路１０１の先端を先細のテーパ状に形成している。テーパの形態（（Ｄ−ｄ）／Ｌ）は１／１００程度を目安とすることができる。
図５（ｂ）に示す例では、半導体レーザチップ１６ａと入射口１０１ａとの間に微小なレンズ１７を配置している。
このようなレーザ光集束手段を設けることで、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃのような超小型のレーザ光源から高効率で可視光を導波路１０１，１０２，１０３に入射させることができる。
［作用］
上記構成の合波器１０では、三つの導波路１０１，１０２，１０３のうち、直線状に伸びる第２導波路１０２の両側の第１導波路１０１及び第３導波路１０３の先端を屈曲部１０４，１０５でほぼ直角に折り曲げることで、合波器１０の本体１００の対向する側面に、第１導波路１０１の入射口１０１ａと第３導波路１０３の入射口１０３ａとを位置させることが可能になる。そして、レーザ光源である半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃのうち、第２導波路１０２に緑色光を照射する半導体レーザチップ１６ｂを合波器１０の本体１００の一端に配置し、赤色光と青色光を照射する半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃを合波器１０の本体１００の両側面に配置することが可能になる。
そのため、第１導波路１０１及び第３導波路１０３を折り曲げた分だけ本体１００の全長を短くできるほか、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃを本体１００の側面に配置することで第１導波路１０１及び第３導波路１０３と第２導波路１０２との間隔ｓを接近させて本体１００の全幅を小さくすることができ、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを備えた光源一体形の合波器１０の小型化を図ることができる。また、折り曲げ角度αを適宜に変更することで半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃの配置位置を変更することができ、合波器１０の設計の自由度を高めることができる。
［走査型ディスプレイの構成］
図６は、上記構成の合波器１０を走査型ディスプレイに適用した一実施形態にかかり、走査型ディスプレイの概略構成図である。
図６に示すように、走査型ディスプレイ１は、一体に構成された制御ユニット１ａと表示ユニット１ｂとを有する。
表示ユニット１ｂは、例えば米国特許出願公開２０１０／００７３２６２号公報などに開示されているように、メガネ型の装着具などを用いて、制御ユニット１ａとともに使用者の頭部に装着することができる。
制御ユニット１ａは、制御部１２と、操作部１３と、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）１４と、Ｒレーザドライバ１５ａと、Ｇレーザドライバ１５ｂと、Ｂレーザドライバ１５ｃと、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを一体に備えた合波器１０とを有する。制御部１２は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むマイコンなどで構成される。制御部１２は、ＰＣなどの外部機器から外部Ｉ／Ｆ１４を介して供給される画像データに基づいて、画像を合成するための要素となるＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号、水平信号及び垂直信号を発生する。制御部１２は、Ｒ信号をＲレーザドライバ１５ａに、Ｇ信号をＧレーザドライバ１５ｂに、Ｂ信号をＢレーザドライバ１５ｃに、それぞれ送信する。
制御部１２は、水平信号を水平走査ドライバ２３に、垂直信号を垂直走査ドライバ２６にそれぞれ送信する。水平信号及び垂直信号には、水平スキャナ２２及び垂直スキャナ２５の動作のタイミングを決定する同期信号や、水平走査ドライバｂ２３及び垂直走査ドライバ２６から水平スキャナ２２及び垂直スキャナ２５に送信される駆動信号の電圧や周波数を設定する駆動設定信号などが含まれる。
操作部１３は、使用者からの走査を受け付ける各種ボタンと、各種ボタンが押下された際に発生する操作信号を制御部１２に送信するインターフェース回路などによって構成される。使用者からの操作を受け付ける各種ボタンは、例えば、制御ユニット１ａの筐体表面に設けられる。外部Ｉ／Ｆ１４は、制御ユニット１ａとＰＣなどの外部機器とを電気的に接続するためのインターフェースである。
Ｒレーザドライバ１５ａは、制御部１２からのＲ信号に応じた光量の赤色レーザを発生させるように、半導体レーザチップ１６ａを駆動する。Ｇレーザドライバ１５ｂは、制御部１２からのＧ信号に応じた光量の緑色レーザを発生させるように、半導体レーザチップ１６ｂを駆動する。Ｂレーザドライバ１５ｃは、制御部１２からのＢ信号に応じた光量の青色レーザを発生させるように、半導体レーザチップ１６ｃを駆動する。各色のレーザ光の強度比を調整することによって、所望の色を有するレーザ光が合成可能となる。半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃから発生した各色のレーザ光は合波器１０の導波路１０１，１０２，１０３にそれぞれ入射され、波長多重光として合波された状態で、合波器１０から出射される。出射されたレーザ光は、信号線に含まれる光ファイバを介して、表示ユニット１ｂに伝達される。
表示ユニット１ｂは、コリメート光学系２１と、水平スキャナ２２と、水平走査ドライバ２３と、レンズ２４ａ，２４ｂを備えるリレー光学系２４と、垂直スキャナ２５と、垂直走査ドライバ２６と、レンズ２７ａ，２７ｂを備える接眼光学系２７とを有する。
コリメート光学系２１は、光ファイバから出射したレーザ光を平行光に変換する。平行光に変換されたレーザ光は、水平スキャナ２２に入射する。
水平スキャナ２２は、コリメート光学系２１からのレーザ光を水平方向に操作する。具体的には、水平スキャナ２２は、揺動する反射面を有する。反射面が揺動することで、反射面に入射したレーザ光は、水平方向に走査させる。水平スキャナ２２は、例えば、圧電素子を用いて用道する共振型のＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーで構成可能である。水平走査ドライバ２３は、制御部１２からの水平同期信号に従って、水平スキャナ２２の揺動状態を制御する。水平走査されたレーザ光は、リレー光学系２４に入射する。
垂直スキャナ２５は、リレー光学系２４からのレーザ光を垂直方向に走査する。具体的には、垂直スキャナ２５は、揺動する反射面を有する。反射面が揺動することで、反射面に入射したレーザ光は、垂直方向に走査される。例えば、揺動するＭＥＭＳミラーで構成可能である。垂直走査ドライバ２６は、制御部１２からの垂直同期信号にしたがって、垂直スキャナ２５の揺動状態を制御する。ここで、レーザ光は、水平スキャナ２２によって水平方向に捜査せれているので、垂直スキャナ２５によって二次元的に走査された画像光となる。二次元走査された画像光は、接眼光学系２７に入射する。
水平スキャナ２２及び垂直スキャナ２５は、本発明の合波器１０に一体に設けることが可能である。
図７は、第２導波路１０２の他端１０２ｂ側に水平スキャナ２２と垂直スキャナ２５を配置した合波器１０の概略図である。
このように、水平スキャナ２２及び垂直スキャナ２５を合波器１０に一体に設ければ、リレー光学系２４及びコリメート光学系２１は不要にすることができる。そして、水平走査ドライバ２３と垂直走査ドライバ２６を制御装置１２に組み込むことで、制御ユニット１ａと表示ユニット１ｂを一体にして構成を簡素化することができ、かつ、走査型ディスプレイ１を小型にすることができる。
図８は、上記構成の走査型ディスプレイを備えた画像システムの一例にかかり、その構成を説明するブロック図である。
制御部１９は、カメラ１７等で撮影された画像信号やパソコン等のメモリに格納された画像データを受け取り、走査型ディスプレイ１に当該画像を表示させる。また、制御部１９に送受信部１８を接続することで、外部のサーバーやコンピュータ、インターネット、携帯電話等に接続することが可能になる。なお、制御部１９は走査型ディスプレイの制御部１２を用いることが可能である。そして、本願発明の合波器１０を用いれば、このような画像システムを１ｃｍ角以下の小型にすることが可能である。
［実施例］
次に本発明の合波器１０の具体的な実施例について説明する。
この実施例では、ＳｉＯ２で形成された厚さ３５μｍ、長さ６ｍｍ、幅１ｍｍの矩形状の基板２１０の上に、厚さ１５μｍのＢＯＸ層２１５を堆積・形成し、このＢＯＸ層２１５の上面に3本の導波路１０１，１０２，１０３を形成した。導波路１０１，１０２，１０３は、ＳｉＯ２ガラスにGｅＯ２をドープしたガラスからなり、周囲のクラッドとの屈折率差は０．５％とした。導波路１０１，１０２，１０３は2μｍ角の断面矩形状とした。そして、導波路１０１，１０２，１０３を、２０μｍの厚さのSiO２ガラスのカバー層２２０でカバーした。
ＢＯＸ層２１５及びカバー層２２０は基板２１０よりも若干小さくし、一端側と左右両側には、幅５００μｍ、厚さ１００μｍ、長さ５００μｍの大きさの半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを基板２１０に取り付けることができるシロ部分を設けた。なお、基板２１０は半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃからの熱を放熱しやすいように、放熱性の高い高濃度ドープp型（抵抗値：１０００Ωｃｍ〉を用いた。
導波路１０１，１０３の入射口１０１ａ，１０３ａから３００μｍ離れたところに、光路を直角（９０°）方向に変更する屈曲部１０４，１０５を設けた。屈曲部１０４，１０５は、カバー層２２０の表面から深さ２５μｍまで幅１０μｍ、縦幅５μｍの大きさで形成した矩形状のトレンチを有し、このトレンチの内壁面を導波路１０１，１０３のコアの内壁面に垂直に交叉させた。
前記トレンチの壁面での光の全反射の臨界角は、ＳｉＯ２系ガラスの屈折率を1．４５として４３．６°と求められ、８７．２°のほぼ直角の角度で光路を変更することができる。
基板２１０の前記シロ部分に半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを取り付ける。基板２１０の大きさは長さ６ｍｍ、幅１ｍｍで、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを含めた合波器１０の大きさは長さ７ｍｍ、幅２ｍｍ、肉厚５００μｍであった。
なお、このサイズの合波器１０においては、半導体レーザチップ１６ｂの光軸Ｘｇが伝搬軸線Ｙとほぼ同じ位置にあるか多少ずれていても（ずれ量の目安は概ね±３０μｍ以内）、角度θ１で拡がる可視光による第１合波部１１０への迷光の影響が小さいため、半導体レーザチップ１６ｂは傾斜させなくてもよい。
上記構成の合波器１０の導波路１０１，１０２，１０３に、半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃからＲＧＢの可視光を入射させた。その結果、トレンチの壁面で反射され光路を直角方向に変えた可視光は、反射直後は安定な伝搬モードから光パワーの横方向分布がずれてしまうが、シミュレーションの結果から、波長の1０倍以上導波路１０１，１０３を伝搬させることにより、安定モードに落ち着くことがわかった。
そして、図４（ａ）における光路変更後の直線部分の距離ａを波長の１０倍以上にすれば、導波路１０１，１０３から導波路１０２に可視光が乗り移る割合を無視できるほど小さくできることがわかった。このため、距離ａを波長の１０倍以上にすれば、合波部１１０，１２０，１３０の長さを長くする必要がなく、合波器１０の全長も長くなることはない。
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の説明に限定されるものではない。
例えば、半導体レーザチップ１６ｂについても光軸Ｘｇが伝搬軸線Ｙに対して交叉するように傾斜させて配置してもよい。
また、３つの可視光としてＲＧＢ色光を例に挙げて説明したが、本発明の合波器はＲＧＢ以外の三つの可視光にも適用が可能である。また、四つ以上の可視光を合波する合波器にも適用が可能である。この場合は、例えば図９（ａ）（ｂ）に示すように半導体レーザチップ１６ａ〜１６ｄを配置すればよい。
さらに、導波路１０１，１０２，１０３及び半導体レーザチップ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの配置は、上記のような二次元的なものに限られず、例えば導波路１０２を中心とする円周上に導波路１０１，１０３や半導体レーザチップ１６ａ，１６ｃを配置するなど、三次元的なものであってもよい。
また、上記の説明では、カバー層２２０の内部にコア層を埋め込むことで導波路１０１，１０２，１０３を一体的に形成しているが、コア層とクラッド層とからなる導波路１０１，１０２，１０３を別々に形成し、基板等の支持体上に配置するようにしてもよい。
また、上記の実施形態では導波路型のミラーを例に挙げて説明しているが、他の形態のミラーであってもよく、例えば第１導波路１０１及び第３導波路１０３のコアの外側にアルミを蒸着したミラー面を形成したものであってもよい。
本発明の合波器は、単色光である複数の可視光を合波して画像投影等する装置に広く適用が可能であり、使用者の網膜上に合波した光を走査させた画像投影を行う網膜走査形ディスプレイの他、レーザ光を走査させて画像を投影するレーザーディスプレイにも適用が可能である。
１ａ 制御ユニット
１ｂ 表示ユニット
１０ 合波器
１０１ 第１導波路
１０２ 第２導波路
１０３ 第３導波路
１０４，１０５ 屈曲部
１０４ａ，１０５ａ ミラー
１０４ｂ、１０５ｂ 回析格子
１０４ｃ、１０５ｃ 湾曲部
１１０ 第１合波部
１２０ 第２合波部
１３０ 第３合波部
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 半導体レーザチップ

Claims (10)

  1. 波長の異なる複数の可視光が入射される複数の導波路と、この導波路の途中に設けられ少なくとも二つの導波路を伝搬する可視光のモード結合を行う複数の合波部と、前記可視光を前記複数の導波路の各々に照射する複数のレーザ光源とを備え、前記複数の可視光を波長多重する合波器において、
    前記複数のレーザ光源に最も近い位置に配置された第１合波部を備え、前記レーザ光源からのレーザ光の拡散による合波部への影響を抑制して迷光を生じさせないようにすべく、前記第１合波部に導入される前記可視光の伝搬軸線から離間した位置で、且つ、前記伝搬軸線に対して傾斜した光軸を有する前記レーザ光源の全てを、導波路に結合されず漏れて所定の拡がり角で拡がる前記レーザ光が前記第１合波部に照射されず、かつ、前記レーザ光の外縁が前記第１合波部の手前を通過するように配置したこと、
    を特徴とする合波器。
  2. 第１可視光が入射される第１導波路と、前記第１可視光よりも短波長の第２可視光が入射される第２導波路と、前記第２可視光よりも短波長であり、前記第１可視光と前記第２可視光との間の波長間隔よりも前記第２可視光との間の波長間隔が短い波長の第３可視光が入射される第３導波路とを備え、前記第２導波路と前記第３導波路との間で可視光のモード結合を行う第１合波部及び第３合波部と、第１導波路と前記第２導波路との間で可視光のモード結合を行う第２合波部と、前記第１可視光、第２可視光、第３可視光のそれぞれを前記第１導波路、第２導波路、第３導波路のそれぞれに照射する三つのレーザ光源とを有し、前記三つのレーザ光源側から前記第１合波部、第２合波部及び第３合波部の順で配置した合波器において、
    前記レーザ光源からのレーザ光の拡散による合波部への影響を抑制して迷光を生じさせないようにすべく、前記第１合波部に導入される前記可視光の伝搬軸線から離間した位置で、且つ、前記伝搬軸線に対して傾斜した光軸を有する前記第１導波路と前記第３導波路用の前記レーザ光源を、導波路に結合されず漏れて所定の拡がり角で拡がる前記レーザ光が前記第１合波部に照射されず、かつ、前記レーザ光の外縁が前記第１合波部の手前を通過するように配置したこと、
    を特徴とする合波器。
  3. 前記第１可視光が赤色光、前記第２可視光が緑色光、第３可視光が青色光であることを特徴とする請求項２に記載の合波器。
  4. 前記伝搬軸線上にその光軸が一致するように一つの前記レーザ光源を配置し、他の前記レーザ光源の光軸を前記伝搬軸線に対し傾斜させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の合波器。
  5. 前記伝搬軸線から離間した位置に光軸を有する前記レーザ光源の光軸が前記伝搬軸線に対して直角になるように、前記レーザ光源を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の合波器。
  6. 前記導波路における前記可視光の入射口に光集束手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の合波器。
  7. 前記光集束手段が、前記導波路の入射口に向けて形成された先細状の先端部又は前記導波路の入射口と可視光の光源との間に設けられたレンズであることを特徴とする請求項６に記載の合波器。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の合波器を用いた画像投影装置であって、
    前記合波器から出射された前記波長多重光を二次元的に走査して画像を形成する水平走査部及び垂直走査部と、走査された前記波長多重光を被投影面に投影する画像形成部を備えることを特徴とする画像投影装置。
  9. 前記合波器に前記水平走査部及び前記垂直走査部を設けたことを特徴とする請求項８に記載の画像投影装置。
  10. 請求項８又９に記載の画像投影装置を備えた画像投影システムであって、画像データの送受信を行う送受信装置と、画像の撮影を行う撮影装置又は端末装置を含む周辺装置と、前記送受信装置、前記周辺装置及び前記画像投影装置の制御を行う制御装置とを備えたことを特徴とする画像投影システム。
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