JPWO2010125978A1 - レーザ照明装置、照明方法、半導体素子の製造方法、投写型表示装置、ならびに投写型表示装置を用いた画像表示方法 - Google Patents
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Abstract
高輝度で一様な照明光束の光強度分布を提供するレーザ照明装置を得る。半導体レーザ１と平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質５及び非線形材料７を同平面上に配置し、レーザ媒質５の導波路モードで連続発振する複数の光源ユニット８と、当該複数の光源ユニット８からのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系１２とを有する複数の光源モジュール２０と、第一の光ファイバー１３及び第二の光ファイバーアレイ１４を介して伝搬してきた複数の光源モジュール２０からのレーザ光をカップリングする第二の光学系１５と、第二の光学系１５からのレーザ光を均一化されたレーザ光に変換する均一化要素１６と、均一化要素１６を介して均一化されたレーザ光を被照面１８である基板１９に所定の倍率で投写させて照明光束１１とする第三の光学系１７とを備える。
Description
この発明は、高輝度で一様な照明光束の光強度分布を提供するためのレーザ照明装置、照明方法、半導体素子の製造方法、投写型表示装置、ならびに投写型表示装置を用いた画像表示方法に関するものである。
薄型で大画面を実現するフラットパネルディスプレイ（flat panel display；ＦＰＤ）の一つとして液晶ディスプレイ（liquid crystal display；ＬＣＤ）がある。この液晶ディスプレイには、薄膜トランジスタ（thin film transistor；ＴＦＴ）として、低温で生成可能な低温多結晶シリコン（low−temperature poly−Si；ＬＴＰＳ）が用いられているものがある。
一般に、ＬＴＰＳの生産ラインでは多結晶シリコン（polycrystal Si；ｐ−Ｓｉ）薄膜の形成にレーザアニール工程が用いられている。多結晶シリコンは、非結晶シリコン（amorphous Si；ａ−Ｓｉ）とは異なり、部分的に結晶構造を持つもので、プラズマＣＶＤ（plasma−enhanced chemical vapor deposition；ＰＥＣＶＤ）蒸着にてガラス基板にａ−Ｓｉの薄膜（５０〜１００ｎｍ程度）を形成し、ガラス基板をステージ上で走査させながらレーザビームを照射することでａ−Ｓｉ膜が融解、再結晶化することで作られる。このようなレーザアニール工程を実施するためのレーザアニール装置は公知である（例えば特許文献１参照）。
また、投写型表示装置は、レーザ光を光源としてスクリーンに映像表示を行うもので、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）やＰＤＰ（Plasma Display Panel）とは異なり、非発光型の表示装置である。これは、画像信号に応じて光量を調整するライトバルブと、光源からの照明光によりライトバルブを照明する照明光学系と、ライトバルブで作られた小さな画像を大きなスクリーンに拡大投影する投写光学系とを備えている。
前述特許文献１のような従来技術は、出力が小型のレーザ光源を多数用い、レーザ光をファイバーに結合することでパワー密度を保ちつつ、ファイバーをアレイとして配列、例えばライン状にすることで照明光束のおおまかな成形、ここではライン状とすることが可能となる。しかしながら、ファイバーアレイは個々のファイバーが並んでいるだけなので、照明光束には個々の強度分布がそのまま残ることになる。例えば、５つの円形ファイバーが横一列に並んでいるとすると、５つの円状の照明光が横一列に並ぶことになる。この後、ビーム成型光学系にて倍率を変えることで、光強度や照明領域を変更することは可能であるが、ファイバーアレイが作り出す個々のファイバーの強度分布はなくなることはない。照明光束の光強度分布が一様でないためにアニールにより形成された多結晶シリコンが不均質に作られることになる。
前述特許文献２のような従来技術は、出力が小型のレーザ光源を多数用い、複数のレーザ光をそれぞれ対応するファイバーに結合して光ファイバーケーブルを透過させ、最終的に１本の光ファイバーケーブルに合成することで単一のレーザ出力を得るものである。しかしながら、レンズ等を用いてファイバーからの照明光束でライトバルブを照明すると、照明光束の光強度分布が一様でないためにライトバルブが均一に照明されない問題がある。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高輝度で一様な照明光束の光強度分布を提供できるレーザ照明装置、照明方法、半導体素子の製造方法、投写型表示装置、ならびに投写型表示装置を用いた画像表示方法を得ることを目的とする。
この発明に係るレーザ照明装置は、半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路モードで連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールと、第一の光ファイバー及び第二の光ファイバーアレイを介して伝搬してきた前記複数の光源モジュールからのレーザ光をカップリングする第二の光学系と、前記第二の光学系からのレーザ光を均一化する均一化要素と、前記均一化要素を介して均一化されたレーザ光を被照面である基板に所定の倍率で投写させて照明光束とする第三の光学系とを備える。
また、この発明に係るレーザ照明方法は、半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路モードで連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールにより前記複数の光源ユニットから発振されたレーザ発振光をカップリングする工程と、第一の光ファイバーを介して伝搬してきた前記複数の光源モジュールからのレーザ光を第二の光ファイバーアレイを介して第二の光学系によりカップリングする工程と、前記第二の光学系からのレーザ光を均一化要素により均一化する工程と、前記均一化要素を介して均一化されたレーザ光を第三の光学系により被照面である基板に所定の倍率で投写させて照明光束とする工程とを含む。
また、この発明に係る半導体素子の製造方法は、前述したレーザ照明方法を用いて、前記半導体レーザを時間で連続的に駆動すると共に、前記基板の表面が前記被照面にくるように前記基板を相対的に位置調整しながら、前記基板の表面に多結晶シリコン膜を形成する多結晶化工程を含むことを特徴とする。
また、この発明に係る投写型表示装置は、半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路モードで連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールからなる光源と、第一の光ファイバー及び第二の光ファイバーアレイを介して伝搬してきた前記複数の光源モジュールからのレーザ光をカップリングする第二の光学系、前記第二の光学系からのレーザ光を均一化する均一化要素、および前記均一化要素を介して均一化されたレーザ光を被照面であるライトバルブに照明させる第三の光学系からなる照明光学系と、前記ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影する投写光学系とを備えたことを特徴とする。
さらに、この発明に係る投写型表示装置を用いた画像表示方法は、半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路モードで連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールからレーザ光を照射する第１ステップと、第一の光ファイバー及び第二の光ファイバーアレイを介して伝搬してきた前記レーザ光をカップリングし、カップリング後のレーザ光を均一化し、均一化されたレーザ光を被照面であるライトバルブに照明させる第２ステップと、前記ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影するステップとを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、複数の光源ユニットからの光束をカップリングして均一化することで、高輝度で一様な照明光束の光強度分布を提供することができる。
実施の形態１．
図１は、この発明のレーザ照明装置の全体構成図である。複数の光源モジュール２０からの照明光をビーム形状に成形し、強度分布を均一化しながら被照面１８（図１では図示せず）に導くものである。光源モジュール２０は、第一の光ファイバー１３と一対となっており、これが複数配置される。なお、図１では、光源モジュール２０及び第一の光ファイバー１３の対が上下左右に配列されて図示しているが、これに限定されるものではない。第一の光ファイバー１３の複数（図１では４つ）は第二の光ファイバーアレイ１４につながっている。第二の光ファイバーアレイ１４は、個々のファイバーが並んでいるもので、図１では４つのファイバーが横一列に並んでいる。なお、この配列はビーム成形の目的によって異なり、これに限定されるものではない。
図１は、この発明のレーザ照明装置の全体構成図である。複数の光源モジュール２０からの照明光をビーム形状に成形し、強度分布を均一化しながら被照面１８（図１では図示せず）に導くものである。光源モジュール２０は、第一の光ファイバー１３と一対となっており、これが複数配置される。なお、図１では、光源モジュール２０及び第一の光ファイバー１３の対が上下左右に配列されて図示しているが、これに限定されるものではない。第一の光ファイバー１３の複数（図１では４つ）は第二の光ファイバーアレイ１４につながっている。第二の光ファイバーアレイ１４は、個々のファイバーが並んでいるもので、図１では４つのファイバーが横一列に並んでいる。なお、この配列はビーム成形の目的によって異なり、これに限定されるものではない。
第二の光ファイバーアレイ１４からの照明光は、第二の光学系１５を介して平板状の均一化要素１６に導かれる。均一化要素１６の内部を伝搬する間に、均一化された照明光は、第三の光学系１７で被照面１８（図１では図示せず）に導かれる。この例では、４つの光源モジュール２０と４つの第一の光ファイバー１３と一つの光ファイバーアレイ１４から一つの照明モジュール２１が構成されている。なお、照明モジュール２１を構成する光源モジュール２０及び第一の光ファイバー１３の数は、照明光のパワー、パワー密度などに依存するため、これに限定されるものではない。なお、制御装置１０は、照明モジュール２１を構成する個々の光源モジュール２０を制御するもので、電力の供給、光パワーの調整などを行う。なお、図１において、１１は被照面上の照明光束を示す。
図２及び図３は、図１に示すレーザ照明装置の構成図を平面的に示したものである。図１の例では、４つの光ファイバー１３が横一列にアレイ状に並んでいるため、光ファイバーアレイ１４から下流（光源から被照面へ向かう方向）が図２と図３で直交するように図示している。具体的には、図２は、４つの光ファイバーが横並びになった光ファイバーアレイ１４を上から見おろした構成、図３は、横から見る構成となる。なお、光ファイバーアレイ１４より上流（光源側）は４つのファイバーを明示するために共通とする。
光源モジュール２０は、複数のエミッタを有する光源ユニット８と第一のカップリング光学系１２とから構成され、光源ユニット８からのレーザ発振光を第一のカップリング光学系１２で第一の光ファイバー１３に導く構成になっている。なお、図２及び図３の例では、第一の光ファイバー１３に光源ユニット８として６個のエミッタからの光が導かれることになっているが、照明光のパワー、パワー密度などに依存するため、これに限定されるものではない。
アニール基板１９は、図４に示すように、少なくとも絶縁基板３０の上に下地膜３１が形成され、その上に非結晶シリコン膜３２が形成されるもので、これが可動ステージ２２に配置され、表面の非結晶シリコン膜３２がレーザ照明光学系の被照面１８にくるように位置調整されるものとする。
次に、動作について説明する。制御装置１０で個々の光源モジュール２０に電力を供給し、レーザ発振したレーザ光のパワーの調整などを行う。図１では、１つの照明モジュール２１は４つの光源モジュール２０から構成されている。ここで、故障、メンテナンスなどを想定し、制御装置１０により、例として３つの光源モジュール２０に電力を供給し、残りの１つの光源モジュール２０には電力供給をしないように制御する。光源モジュール２０からのレーザ光は、第一の光ファイバー１３により第二の光ファイバーアレイ１４に導かれる。図１の例では、第二の光ファイバーアレイ１４は、４つのファイバーが横一列に並んでいるため、第二の光ファイバーアレイ１４の出光面では３つのファイバーから光出力があるものの、残り１つは未点灯のため光出力が無いものとなる。つまり、明点が３、暗点が１つ確認できる。
光ファイバーアレイ１４からの照明光束は、レーザ光をカップリングする第二の光学系１５を介して均一化要素１６に導かれる。この中を伝搬する間に横一列に並んでいるファイバーアレイ１４からの光出力が混ざり合い、面内で均一化される。これにより、光ファイバーアレイ１４の出光面で区別できた明暗の点が、均一化要素１６の出光面では、均一な矩形な光に成形される。均一化要素１６からの照明光は、第三の光学系１７により、縦横の異なる投写倍率により照明領域が引き延ばされて成形され、被照面１８へ導かれて、図１及び図２に示すような照明光束１１となる。
アニール基板１９は、可動ステージ２２に配置され、基板の表面がレーザ照明光学系の被照面１８にくるように位置調整されるものとする。可動ステージ２２は、照明光に対して相対的に動くため、照明領域がアニール基板１９を走査することになる。ここで、レーザ波長として４００〜６００［ｎｍ］を選択すると、多結晶シリコンより非結晶シリコンの方が吸収係数が大きいので、非結晶シリコン膜に効率的に光エネルギーを吸収させて溶融、再結晶させることで多結晶シリコン膜を形成することが可能となる。すなわち、図５及び図６に示すように、被照面１８上の照明光束１１に対し、可動ステージ２２を移動させることで、被照明物体としてのアニール基板１９の非結晶シリコン膜３２に効率的に光エネルギーを吸収させて溶融、再結晶させることで多結晶シリコン膜３３を形成することができる。なお、図６は、端部を重ねるようにして多結晶シリコン膜３３を形成することを示している。また、光源はＣＷで駆動すると、つまり、レーザ光を時間で連続的に照射するように半導体レーザ１を駆動することで、パルス駆動のように瞬間的に高いエネルギーを与えないので照射痕を作ることなく均質な多結晶シリコン膜を形成することができる。
また、市場のニーズとして基板の大型化が要求される。ステージの走査速度が変わらず、照明領域も変わらないとすると、基板が大きくなる分、走査時間が必要となり生産能力が低下する。つまり、生産量を同じくするには、照明領域を大きくする（もしくは走査速度を大きくする）必要があるため当然光源の光出力の大きいものが要求される。しかし、単体で大出力のレーザは価格的に高いだけでなく、装置の大型化（ビーム成形用光学系も含む）が問題となる。しかし、上述した構成のように、光出力の小さい光源を複数ファイバーで集めることで光源モジュール２０からの光出力（パワー密度）を保ちながらビームが成形されるので、光源数を増やすだけでパワー密度を保ちながら照明領域を大きくすることができる。
また、このような構成は、複数の独立な光源からの光を混合させるので、混合させる光の数Ｎとすると、統計的な揺らぎは１／√Ｎに比例して小さくなるため、光学系内部の干渉やスペックルノイズといったレーザの可干渉性の高さに起因する不均一さを低減できる効果を有する。
また、このようなレーザ照明装置は、産業用の機械として、昼夜を問わずに連続的に使用される。このような産業用機械では、不具合が発生してからの復旧の早さ、メンテナンスの容易さが特に重要となってくる。光源モジュールをあらかじめ余裕を持たせて目的より多めに配置し、均一化要素１６で強度を均一化させているため、たとえば光源が点灯しない不具合が発生したときに、もともと点灯させていなかった予備の光源モジュールを点灯し、不具合の発生した光源モジュール２０を消灯することで、不具合からの復旧が可能となる。また、照明モジュール２１毎に強度が均一になるように、均一化要素１６を第二の光ファイバーアレイ１５の下流に配置しているので、上流にある光源モジュール２０や第一の光ファイバー１３をレーザ照明装置として利用しながら修理、交換が可能となる。
図７と図８は、この発明に適用される光源ユニット８の構成の一例を示す側面図と断面を非線形材料側から見た断面図である。図７と図８に示すように、光源ユニット８は、半導体レーザ１と、平板状をなし、レーザ発振方向を表す光軸６に対し垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、光軸６及び厚さ方向に垂直な方向に周期的なレンズ効果を有するレーザ媒質５と、レーザ媒質５の下面に接合されたクラッド４と、レーザ媒質５の下面に接合されたクラッド４の下面に接合剤３により接合されたヒートシンク２と、レーザ媒質の光軸上に近接して配置され、レーザ媒質５の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料７とを備えている。
ヒートシンク２は、熱伝導度の大きな材料で構成され、光軸６に垂直な断面（ｘｙ平面）で櫛の形状を有する。ヒートシンク２の櫛歯の先端部が、接合剤３を介してクラッド４と接合される。
接合剤３は、レーザ媒質５で発生した熱を、クラッド４を介してヒートシンク２に排熱する。また、半導体レーザ１は、レーザ媒質５の端面５ａに近接して配置され、必要に応じて、図示しない冷却用のヒートシンクが接合される。半導体レーザ１のｘ軸方向の大きさは、レーザ媒質５のｘ軸方向の大きさとほぼ等しく、ｘ軸方向にほぼ一様に励起光を出力する。半導体レーザ１より出力された励起光は、端面５ａからレーザ媒質５にｘｚ平面方向に入射して、レーザ媒質５に吸収される。非線形材料７は、光軸６に垂直な断面がレーザ媒質５とほぼ同じ形状を有し、光軸６に垂直な端面７ａおよび７ｂを有し、端面７ａがレーザ媒質５の端面５ｂに近接して配置される。
ここで、レーザ媒質５の端面５ａは基本波レーザ光を反射する全反射膜、端面５ｂは基本波レーザ光を透過する反射防止膜、非線形材料７の端面７ａは基本波レーザ光を透過し、第二高調波レーザ光を反射する光学膜、端面７ｂは基本波レーザ光を反射し、第二高調波レーザ光を透過する光学膜が施されている。これらの全反射膜、部分反射膜及び光学膜は、例えば誘電体薄膜を積層して構成される。なお、半導体レーザ１より出力される励起光を、レーザ媒質５の端面５ａから入射する場合には、端面５ａの全反射膜は、励起光を透過し基本波レーザ光を反射する光学膜となる。
レーザ媒質５は、吸収した励起光のパワーの一部が熱に変換されて熱を発生する。ヒートシンク２が櫛形をしており、接合剤３により接合されている範囲が櫛歯の先端部のみのため、二つの櫛歯間の中間部には、二つの櫛歯のほぼ中心からｘ軸方向の両側に熱の流れが発生する。したがって、レーザ媒質５の中の温度分布は二つの櫛歯のほぼ中心の温度が最大となり、櫛歯の部分に近づくに従い温度が低下する。
レーザ媒質５などの光学材料は、温度差にほぼ比例して屈折率が変化する。レーザ媒質５に入射する半導体レーザ１による励起光は、ｘ軸方向にほぼ均一に励起されており、ヒートシンク２の櫛形の櫛歯は、ｘ軸方向にほぼ等間隔に配置されている。したがって、熱レンズ効果も周期的に発生し、櫛歯の本数をｍ本とすると、（ｍ−１）個のレンズをほぼ等間隔に並べた効果が得られる。
また、図９は、図７に示した光源ユニット８をｚ軸方向から見た図である。ここで、基本波レーザ光の発振モードとヒートシンク２の櫛歯の関係を明らかにするため、ヒートシンク２の櫛歯の部分を視認できるように破線にて櫛歯を図示している。
レーザ媒質５の側面５ａから入射した励起光は、レーザ媒質５で吸収されて、レーザ媒質５内部で基本波レーザ光に対する利得を発生する。レーザ媒質５内部で発生した利得により、基本波レーザ光は、レーザ媒質５の光軸６に垂直な端面５ａおよび非線形材料７の端面７ｂの間でレーザ発振する。
非線形材料７は、基本波レーザ光が入射すると、非線形効果により第２高調波レーザ光に変換されるように、結晶軸角度、温度、または、周期反転分極の周期が最適化されている。したがって、端面５ａと端面７ａの間で発振した基本波レーザ光が非線形材料７に入射すると、基本波レーザ光の一部が第二高調波レーザ光に変換されて、端面７ｂより外部に出力される。
また、第二高調波レーザ光に変換されずに残留した基本波レーザ光は、端面７ｂで全反射されて、再度、非線形材料７を通過して、第二高調波レーザ光に変換される。残留した基本波レーザ光の一部が変換されて発生した第二高調波レーザ光は、端面７ａで全反射して端面７ｂより外部に出力される。
このように構成すれば、一つの半導体レーザから複数の波長の第二高調波レーザ光を同時に出力できるようになる。
レーザ媒質５としては、一般的な固体レーザ材料を使用することができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどを用いる。
また、非線形材料７としては、一般的な波長変換用材料を用いることができる。例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などを用いる。また、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３を用いれば、入射する基本波レーザ光のパワー密度を上げることができるため、高効率な波長変換が可能である。さらに、周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰを用いれば、非線形定数が大きいため、さらに高効率な波長変換が可能である。
以上のように構成すると、一つの半導体レーザから複数の波長の第二高調波レーザ光を同時に出力できるようになり、省スペースゆえに低コストな光源ユニットを提供することが可能となる。
実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２におけるレーザ照明装置を含む投写型表示装置の全体構成図である。図１０におけるレーザ照明は、複数の光源モジュール２０からの照明光をビーム形状に成形し、強度分布を均一化しながら被照面であるライトバルブ１０９に導くものである。光源モジュール２０は、第一の光ファイバー１３と一対になっておりこれが複数配置される。
図１０は、この発明の実施の形態２におけるレーザ照明装置を含む投写型表示装置の全体構成図である。図１０におけるレーザ照明は、複数の光源モジュール２０からの照明光をビーム形状に成形し、強度分布を均一化しながら被照面であるライトバルブ１０９に導くものである。光源モジュール２０は、第一の光ファイバー１３と一対になっておりこれが複数配置される。
なお、図１０では、４つの光源モジュール２０から構成されている光源１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃの３種類を示しているが、少なくとも一つ以上あればよく、特定の数にこだわるものではない。一般に、ＣＲＴやＰＤＰ、投写型表示装置は、波長の異なる３種以上の光の組み合わせで色を作るため、波長の異なる光源モジュールを３種用意してもよい。
第２の光ファイバーアレイ１４からの照明光束は、レーザ光をカップリングする第二の光学系１５を介して均一化要素１６に導かれる。第２の光ファイバーアレイ１４の出光面では明暗の点が区別できるが、この均一化要素１６の中を伝搬する間にファイバーアレイからの光出力が混ざり合い、面内で均一化される。均一化要素１６の出光面では、均一な矩形の光に成形される。
均一化要素１６からの照明光は、第３の光学系１７により被照面であるライトバルブ１０９を均一に照明する。均一化要素１６の出光面は、均一な矩形の光となるため、均一化要素１６の出光面とライトバルブ１０９を光学的に共役（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）関係にすると、ライトバルブ１０９も均一に照明される。
ここで、このレーザ光をカップリングする第二の光学系１５から、ライトバルブ１０９を照明するための第三の光学系１７までを、照明光学系とする。また、このライトバルブ１０９で作られた画像は、投写光学系１１０によりスクリーン２００に拡大投影される。このスクリーン２００とライトバルブ１０９も、光学的に共役（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）関係にすることで、スクリーン上に均一で鮮明な画像を形成することができる。
図１１は、時間的に赤緑青の３原色のＯＮ/ＯＦＦを切り替える様子を示した図である。光源１２２は、例えば、この図１１のように、一般に、３０Ｈｚ程度とされる目の応答速度より高速に、時間的に赤緑青の３原色のＯＮ/ＯＦＦを切り替えるように制御することで、色のついた画像を作ることができるようになる。
投写型表示装置は、観測者から見てスクリーンの背面から画像光を投影するものを背面投写型、観測者から見てスクリーンの手前から画像光を投影するものを前面投写型として分類される。
図１２は、この発明の実施の形態２における前面投写型表示装置の例示図である。プロジェクタ１０１は、少なくとも画像信号に応じて光量を調整するライトバルブ１０９と、光源１２２からの照明光によりライトバルブ１０９を照明する照明光学系１１１と、ライトバルブ１０９でつくられた小さな画像を大きなスクリーン２００に拡大投影する投写光学系１１０とを備えたものとする。
このプロジェクタ１０１は、画像を表示するスクリーン２００と組み合わせて使われることが多いため、ここでは合わせて例示する。しかしながら、前面投写型の投写型表示装置は、このスクリーン２００は含まず、プロジェクタ１０１のみとする。
以上のように、プロジェクタ１０１として、光源１２２、照明光学系１１１、ライトバルブ１０９、投写光学系１１０を備えた構成とすることで、スクリーン上に均一で鮮明な画像を形成することができる。
実施の形態３．
先の実施の形態２における図１０では、複数の光源１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃの３種類の例を示した。これに対して、本実施の形態３では、赤緑青の３原色を構成するための別の構成について説明する。
先の実施の形態２における図１０では、複数の光源１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃの３種類の例を示した。これに対して、本実施の形態３では、赤緑青の３原色を構成するための別の構成について説明する。
図１３は、この発明の実施の形態３におけるレーザ照明装置を含む投写型表示装置の全体構成図である。図１３に示すように、異なる光源１２２ｂ、１２２ｃと、第３の光ファイバー１４０ａ、１４０ｂを用いてもよい。第２の光ファイバーアレイ１４ａからの照明光束は、レーザ光をカップリングする第二の光学系１５を介して均一化要素１６に導かれる。
また、光源１２２ｂからの照明光束は、第３の光ファイバー１４０ａの中を伝搬し、カップリングする第二の光学系１５を介して均一化要素１６に導かれる。同じく、光源１２２ｃからの照明光束は、第３の光ファイバー１４０ｂの中を伝搬し、カップリングする第二の光学系１５を介して均一化要素１６に導かれる。
この均一化要素１６の中を伝搬する間に、光源１２２ａと１２２ｂと１２２ｃの光出力が混ざり合い、面内で（空間的に）均一化される。この均一化要素１６以後の構成は、先の実施の形態２における図１０の構成と同じであり、説明を省略する。なお、光源は、少なくとも３種類必要であるが、３種類以上であってもよいことは言うまでもない。
以上のように、プロジェクタ１０１として、光源１２２、照明光学系１１１、ライトバルブ１０９、投写光学系１１０を備えた構成とすることで、スクリーン上に均一で鮮明な画像を形成することができる。
実施の形態４．
本実施の形態４では、背面投写型の投写型表示装置について説明する。
背面投写型表示装置は、観測者から見てスクリーンの背面から画像光を投影するものをいう。この背面投写型の表示装置は、少なくとも、先の実施の形態２もしくは実施の形態３で例示されたプロジェクタ１０１と透過型スクリーン１２９から構成される。
本実施の形態４では、背面投写型の投写型表示装置について説明する。
背面投写型表示装置は、観測者から見てスクリーンの背面から画像光を投影するものをいう。この背面投写型の表示装置は、少なくとも、先の実施の形態２もしくは実施の形態３で例示されたプロジェクタ１０１と透過型スクリーン１２９から構成される。
図１４は、この発明の実施の形態２における背面投写型表示装置の例示図である。図１４に示した背面投写型表示装置における透過型スクリーン１２９は、プロジェクタ１０１からの画像光１１６を観測者１０８側に曲げるフレネルレンズスクリーン（フレネル光学素子）１０２と、その画像光に発散角度を与えて広げる光拡散手段１０３から構成される。
なお、図１４において、フレネルレンズスクリーン（フレネル光学素子）１０２は、フレネルレンズ基板１０４、および出光面側フレネルレンズ１０５で構成されている。また、光拡散手段１０３は、レンズ要素１０６、および光拡散シート１０７で構成されている。
さらに、図１４におけるプロジェクタ１０１は、先の実施の形態２もしくは実施の形態３で例示されたように、ライトバルブ１０９、投写光学系１１０、照明光学系１１１、および光源１２２で構成されている。また、図１４において、１１７は反射鏡である。
このように構成すると、プロジェクタ１０１の画像光１１６を透過型スクリーン１２９に投写できるこの結果、画像光１１６は、観測者１０８側に曲げられ、かつ発散角度で広げられることとなり、観測者１０８が良好な画像を見ることが可能となる。
実施の形態５．
本実施の形態５では、プロジェクタ１０１と組み合わせて用いる透過型スクリーン１２９のフレネルレンズスクリーン１０２に注目する。図１５は、透過型スクリーン１２９に適用可能な種々のフレネルレンズを示した図である。先の実施の形態４では、フレネルレンズスクリーン１０２として、図１４に示すように、出光面側フレネルレンズ１０５を例示していた。しかしながら、光学系の設計に応じて、図１５に示すように、プリズムが入光面側に形成されている入光面側フレネルレンズ１１２を採用することもできる。
本実施の形態５では、プロジェクタ１０１と組み合わせて用いる透過型スクリーン１２９のフレネルレンズスクリーン１０２に注目する。図１５は、透過型スクリーン１２９に適用可能な種々のフレネルレンズを示した図である。先の実施の形態４では、フレネルレンズスクリーン１０２として、図１４に示すように、出光面側フレネルレンズ１０５を例示していた。しかしながら、光学系の設計に応じて、図１５に示すように、プリズムが入光面側に形成されている入光面側フレネルレンズ１１２を採用することもできる。
このような入光面側フレネルレンズ１１２は、細かく分類すると、例えば、入光面側全反射、屈折混合式フレネルレンズ１１３、入光面側全反射式フレネルレンズ１１４、入光面側部分全反射式フレネルレンズ１１５、等があり（図１５参照）、それぞれ以下のような特徴を有している。
入光面側全反射式フレネルレンズ１１４の特徴：プリズムに入光した光束を対面にて全反射を利用して出光面方向に偏向する。
入光面側部分全反射式フレネルレンズ１１５の特徴：全反射式フレネルレンズ１１４の谷を出光面に並行としている。
入光面側全反射、屈折混合式フレネルレンズ１１３の特徴：全反射式フレネルレンズ１１４とプリズムに入光した光束を屈折のみ出光面方向に偏向する屈折式フレネルレンズが、ひとつのプリズム内に混合されている。
入光面側部分全反射式フレネルレンズ１１５の特徴：全反射式フレネルレンズ１１４の谷を出光面に並行としている。
入光面側全反射、屈折混合式フレネルレンズ１１３の特徴：全反射式フレネルレンズ１１４とプリズムに入光した光束を屈折のみ出光面方向に偏向する屈折式フレネルレンズが、ひとつのプリズム内に混合されている。
図１６は、この発明の実施の形態５におけるプロジェクタ１０１と入光面側フレネルレンズ１１２とを組み合わせた背面投射型表示装置の例示図である。なお、各フレネルレンズ１１３〜１１５は、プロジェクタの設計に合わせて適宜選択すればよく、一つのスクリーン内に３種類を混在させなくてもよいことは言うまでもない。また、レンズ形状を工作する都合から、プリズム先端の一部分が入射光線と略並行に欠けていてもよい。
なお、フレネル光学素子１０２は、プロジェクタ１０１の特性に応じて選択され、光拡散手段１０３は、視野角やスクリーンの輝度などの光学特性に応じて選択されるため、別々に設計、製作され、各々独立に選択されることが多い。つまり、フレネル光学素子１０２と光拡散手段１０３は、切り離して考えてよい。
また、入光面フレネルレンズ及びレンチキュラーレンズスクリーンの組み合わせの場合、ここではわかりやすくするため、おのおの独立の構成を示しているが、実際には、これらを一つの要素として、例えば、接着層で貼り合わせ構成にしてもよい。
これまで背面投写型表示装置の例として、プロジェクタ１０１と透過型スクリーン１２９のみ記述してきたが、周囲環境からの外光を防ぐため、一般に、キャビネット１２８に入っていることが多い。これを図１７、図１８を用いて説明する。図１７、図１８は、背面投写型表示装置がキャビネットに収納された例示図であり、キャビネット１２８に透過型スクリーン１２９が配置された例を示している。
実際には、図１８に示すように、プロジェクタ１０１の構成要素がキャビネット１２８内に配列されることになる。この場合、プロジェクタ１０１から透過型スクリーン１２９までの距離が、表示装置の奥行きに対応する。
以上のように、プロジェクタ１０１と組み合わせるフレネルレンズスクリーン１０２として、入光面側フレネルレンズ１１２を採用すると、先の図１６に示したように、斜め投写が可能となる。この結果、例えば、先の図１４の構成と比較するとわかるように、プロジェクタ１０１から透過型スクリーン１２９までの距離、つまり奥行きを小さくすることができる。
実施の形態６．
本実施の形態６では、装置全体をさらに薄型化、小型化する場合について説明する。先の実施の形態５のプロジェクタ１０１と透過型スクリーン１２９の間の、画像光１１６の通る光路の途中に反射鏡１１７を設け、光束を折り曲げることで、装置を薄型化、小型化することができる。図１９、図２０は、反射鏡１１７を用いた光速の折り曲げの例示図である。図１９は、スクリーン１２９と略平行に、反射鏡１１７を配した例であり、図２０は、スクリーン１２９と略直交に、反射鏡１１７を配した例である。
本実施の形態６では、装置全体をさらに薄型化、小型化する場合について説明する。先の実施の形態５のプロジェクタ１０１と透過型スクリーン１２９の間の、画像光１１６の通る光路の途中に反射鏡１１７を設け、光束を折り曲げることで、装置を薄型化、小型化することができる。図１９、図２０は、反射鏡１１７を用いた光速の折り曲げの例示図である。図１９は、スクリーン１２９と略平行に、反射鏡１１７を配した例であり、図２０は、スクリーン１２９と略直交に、反射鏡１１７を配した例である。
なお、図１９、図２０は、いずれも、略並行の例を示しているが、スクリーンに対して斜めであってもよいことは言うまでもない。また、光学系の途中に折り返しミラーを入れることで、画像の上下を入れ替えることができるので、スクリーンの上下は図の例にこだわるものではない。
以上のように構成すると、プロジェクタ１０１から透過型スクリーン１２９までの距離を、先の実施の形態５よりもさらに小さくする、あるいは全体の容積をさらに小さくすることが可能となる。
なお、光拡散手段１０３の観測者側の最表面には、表面処理層として、例えば、外光の影響を低減するために、光の反射を低減させる反射防止層を備えていてもよい。また、見た目のぎらつきを押さえるためのアンチグレア層や、静電気によるほこりの付着を防止するための帯電防止層、表面を保護するためのハードコート層を設けてもよい。
また、これに加えて、可動絞り、通信手段、制御信号受信部、制御装置、保持機構、空調、スピーカー、テレビ台、電気回路、幾何学補正回路、色補正回路、いずれかを構成要素に持っていてもよい。
この発明に係るレーザ照明装置は、半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路構造で連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールと、第一の光ファイバー及び第二の光ファイバーアレイを介して伝搬してきた前記複数の光源モジュールからのレーザ光をカップリングする第二の光学系と、前記第二の光学系からのレーザ光を均一化する均一化要素と、前記均一化要素を介して均一化されたレーザ光を被照面である基板に所定の倍率で投写させて照明光束とする第三の光学系とを備える。
また、この発明に係るレーザ照明方法は、半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路構造で連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールにより前記複数の光源ユニットから発振されたレーザ発振光をカップリングする工程と、第一の光ファイバーを介して伝搬してきた前記複数の光源モジュールからのレーザ光を第二の光ファイバーアレイを介して第二の光学系によりカップリングする工程と、前記第二の光学系からのレーザ光を均一化要素により均一化する工程と、前記均一化要素を介して均一化されたレーザ光を第三の光学系により被照面である基板に所定の倍率で投写させて照明光束とする工程とを含む。
また、この発明に係る半導体素子の製造方法は、前述したレーザ照明方法を用いて、前記半導体レーザをＣＷで駆動すると共に、前記基板の表面が前記被照面にくるように前記基板を相対的に位置調整しながら、前記基板の表面に多結晶シリコン膜を形成する多結晶化工程を含むことを特徴とする。
また、この発明に係る投写型表示装置は、半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路構造で連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールからなる光源と、第一の光ファイバー及び第二の光ファイバーアレイを介して伝搬してきた前記複数の光源モジュールからのレーザ光をカップリングする第二の光学系、前記第二の光学系からのレーザ光を均一化する均一化要素、および前記均一化要素を介して均一化されたレーザ光を被照面であるライトバルブに照明させる第三の光学系からなる照明光学系と、前記ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影する投写光学系とを備えたことを特徴とする。
さらに、この発明に係る投写型表示装置を用いた画像表示方法は、半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路構造で連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールからレーザ光を照射する第１ステップと、第一の光ファイバー及び第二の光ファイバーアレイを介して伝搬してきた前記レーザ光をカップリングし、カップリング後のレーザ光を均一化し、均一化されたレーザ光を被照面であるライトバルブに照明させる第２ステップと、前記ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影するステップとを備えたことを特徴とする。
Claims (6)
- 半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路モードで連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールと、
第一の光ファイバー及び第二の光ファイバーアレイを介して伝搬してきた前記複数の光源モジュールからのレーザ光をカップリングする第二の光学系と、
前記第二の光学系からのレーザ光を均一化する均一化要素と、
前記均一化要素を介して均一化されたレーザ光を被照面である基板に所定の倍率で投写させて照明光束とする第三の光学系と
を備えたレーザ照明装置。 - 半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路モードで連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールにより前記複数の光源ユニットから発振されたレーザ発振光をカップリングする工程と、
第一の光ファイバーを介して伝搬してきた前記複数の光源モジュールからのレーザ光を第二の光ファイバーアレイを介して第二の光学系によりカップリングする工程と、
前記第二の光学系からのレーザ光を均一化要素により均一化する工程と、
前記均一化要素を介して均一化されたレーザ光を第三の光学系により被照面である基板に所定の倍率で投写させて照明光束とする工程と
を含むレーザ照明方法。 - 請求項２に記載のレーザ照明方法を用いて、前記半導体レーザを時間で連続的に駆動すると共に、
前記基板の表面が前記被照面にくるように前記基板を相対的に位置調整しながら、前記基板の表面に多結晶シリコン膜を形成する多結晶化工程を含む
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路モードで連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールからなる光源と、
第一の光ファイバー及び第二の光ファイバーアレイを介して伝搬してきた前記複数の光源モジュールからのレーザ光をカップリングする第二の光学系、前記第二の光学系からのレーザ光を均一化する均一化要素、および前記均一化要素を介して均一化されたレーザ光を被照面であるライトバルブに照明させる第三の光学系からなる照明光学系と、
前記ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影する投写光学系と
を備えたことを特徴とする投写型表示装置 - 請求項４に記載の投写型表示装置において、
前記投写光学系で投射された前記画像を表示する透過型スクリーンをさらに備えたことを特徴とする投写型表示装置 - 半導体レーザと平板状に形成され導波路構造を有するレーザ媒質及び非線形材料を同平面上に配置し、前記レーザ媒質の導波路モードで連続発振する複数の光源ユニットと、当該複数の光源ユニットからのレーザ発振光をカップリングする第一の光学系とを有する複数の光源モジュールからレーザ光を照射する第１ステップと、
第一の光ファイバー及び第二の光ファイバーアレイを介して伝搬してきた前記レーザ光をカップリングし、カップリング後のレーザ光を均一化し、均一化されたレーザ光を被照面であるライトバルブに照明させる第２ステップと、
前記ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影するステップと
を備えたことを特徴とする投写型表示装置を用いた画像表示方法。
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