WO2015012024A1 - 光源装置および投影装置 - Google Patents

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WO2015012024A1
WO2015012024A1 PCT/JP2014/066051 JP2014066051W WO2015012024A1 WO 2015012024 A1 WO2015012024 A1 WO 2015012024A1 JP 2014066051 W JP2014066051 W JP 2014066051W WO 2015012024 A1 WO2015012024 A1 WO 2015012024A1
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optical
optical fibers
fiber
light source
fibers
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昌史 井出
新平 深谷
薫 依田
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シチズンホールディングス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a light source device and a projection device.
  • Patent Document 1 discloses a plurality of transparent fibers having a matrix configuration in a plane and having different lengths for each single pixel serving as the minimum unit of the display screen at the display side tip, and uniform on the back side of the fiber.
  • An image display device having a light source provided in the above is described. In this image display device, a sense of depth is given to a display image by changing the length of the fiber at the display-side tip in a stepwise manner by the difference in the relative height of the fiber tip surface.
  • a volume display is known as a three-dimensional display device that displays a stereoscopic image (see, for example, Patent Document 2).
  • the volume display scans the laser light from the light source with a MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror or the like, and projects a cross-sectional image of the display object on each of the virtual screens arranged in a plurality of layers.
  • a stereoscopic image is displayed by combining a plurality of images.
  • a retinal scanning type volume display that directly projects a stereoscopic image by scanning a plurality of laser beams having different imaging positions on the retina is known (see, for example, Non-Patent Document 1). .
  • FIG. 16A and FIG. 16B are diagrams for explaining the principle of a retinal scanning-type volume display.
  • a plurality of laser beams are emitted from a plurality of optical fibers 101 respectively connected to a plurality of laser light sources so as to form images at different positions in the horizontal direction (depth direction) as indicated by, for example, black circles in the drawing.
  • four laser beams projected from the optical fiber 101 onto the observer's eyes 105 via the projection lenses 102, 103, and 104 are indicated by solid lines and broken lines.
  • the plurality of laser beams are superimposed on each other to form a multifocal beam, and scanned by the observer's eye 105 by the scanner 106, thereby forming a three-dimensional image in which the plurality of images are layered.
  • FIG. 16A when the observer adjusts the lens so that the point A is on the retina, the observer seems to be focused at a far position.
  • FIG. 16B when the observer adjusts the lens so that the point B is on the retina, the observer seems to be focused at a nearby position. In this way, the viewer can perceive depth when viewing the volume display image.
  • the laser light source of the volume display uses a large number of fiber pigtail modules arranged side by side. However, since the entire device becomes large, it is preferable to use an array type optical module as a light source in order to reduce the size of the device.
  • Non-Patent Document 1 describes an optical fiber array connected to each of a plurality of LD (laser diode) elements as a laser light source of a volume display.
  • LD laser diode
  • the depth of the projected image is changed by changing the distance from the emission end face of each fiber to the retina by an optical fiber array in which one is connected to the LD element and the other is obliquely cut. Control the position of the direction.
  • Non-Patent Document 1 although there is a reference regarding display of a color image, the light source is one color of a red laser, and there is no description regarding the arrangement of each fiber in the case of multicoloring.
  • the light source is one color of a red laser
  • RGB red, green and blue
  • RGB red, green and blue
  • the coupling length that couples from one waveguide to the other with high efficiency differs depending on the wavelength, so it is difficult to accurately adjust the coupling length according to each wavelength. It is. For this reason, crosstalk or the like occurs between adjacent cores, and light utilization efficiency is lowered.
  • an object of the present invention is to provide a light source device having an optical fiber array arranged so that the laser light of each color of RGB is imaged at different depth positions while improving the light use efficiency. It is another object of the present invention to provide a projection device that can project a multicolored image at different depth positions.
  • the light source device includes a plurality of first optical elements that generate red laser light, a plurality of first optical fibers that respectively guide red laser light from the plurality of first optical elements, and a green laser.
  • a plurality of second optical elements that generate light; a plurality of second optical fibers that respectively guide green laser light from the plurality of second optical elements; and a plurality of second optical elements that generate blue laser light.
  • a fiber bundle connector that forms a fiber bundle by fixing And having Ina and, a.
  • the plurality of first optical fibers, the plurality of second optical fibers, and the plurality of third optical fibers emit laser beams imaged at different depth positions for each optical fiber array from the emission end face. It is preferable to emit.
  • the plurality of first optical fibers, the plurality of second optical fibers, and the plurality of third optical fibers have different distances from the laser light emission end face to the projection surface for each optical fiber array. Moreover, it is preferable that the end portion is polished obliquely with respect to the longitudinal direction of the fiber bundle.
  • the plurality of first optical fibers, the plurality of second optical fibers, and the plurality of third optical fibers are obtained by fusing GI fibers having different lengths to the ends of the optical fiber arrays. Preferably it is.
  • the fiber bundle combiner includes a plurality of first optical fibers, a plurality of second optical fibers, and a plurality of third optical fibers on a hexagonal outermost section on a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the fiber bundle.
  • Each fiber is fixed so as to form a dense lattice, and the arrangement directions of a plurality of stacked optical fiber rows are a plurality of first optical fibers, a plurality of second optical fibers, and a plurality of third lights. It is preferable to incline 60 degrees with respect to the respective arrangement directions of the fibers.
  • the fiber bundle combiner includes a square lattice of a plurality of first optical fibers, a plurality of second optical fibers, and a plurality of third optical fibers on a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the fiber bundle.
  • Each of the fibers is fixed to form a plurality of stacked optical fiber arrays, and the arrangement directions of the plurality of stacked optical fiber arrays are the plurality of first optical fibers, the plurality of second optical fibers, and the plurality of third optical fibers. It is preferable to be perpendicular to each arrangement direction.
  • the output optical axes of the first optical fiber, the second optical fiber, and the third optical fiber are arranged in parallel in the same order in the same plane in each of the optical fiber arrays. .
  • the projection device scans in a two-dimensional manner by deflecting each set of laser light and a light source unit that emits a plurality of sets of red, green, and blue laser beams, and different images by the laser beams of each set
  • the light source unit includes a plurality of first optical elements that emit red laser light, and red laser light from the plurality of first optical elements.
  • a plurality of first optical fibers that respectively guide light, a plurality of second optical elements that emit green laser light, and a plurality of green laser lights that are guided respectively from the plurality of second optical elements.
  • a second optical fiber a plurality of third optical elements that emit blue laser light, a plurality of third optical fibers that respectively guide blue laser light from the plurality of third optical elements, A plurality of first optical fibers, a plurality of second optical fibers and A plurality of first optical fibers, a plurality of second optical fibers, and a plurality of third optical fibers so that a plurality of optical fiber arrays each including one of the plurality of third optical fibers are stacked.
  • a fiber bundle combiner that forms a fiber bundle by fixing the ends, and each of the optical fiber arrays emits each set of laser beams.
  • the light source device described above it is possible to bundle each fiber with the fiber bundle combiner to increase the light use efficiency and to form RGB color laser beams at different depth positions.
  • the above projection device it is possible to project multicolored images at different depth positions.
  • FIG. 1 is a perspective view of an eyeglass-type volumetric display 1.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a projection unit 3 of a volume display 1.
  • FIG. (A) And (B) is a figure for demonstrating projection of the stereo image by the volume display 1.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a light source unit 10.
  • 1 is a schematic configuration diagram of an optical module 11.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a manufacturing process of the optical module 11. It is a figure which shows the 1st example of arrangement
  • FIG. 3 is a diagram showing a positional relationship between a fiber bundle that has been polished obliquely and a projection lens 31; 3 is a perspective view schematically showing the structure of the fiber bundle combiner 12.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing the fiber bundle combiner 12. It is a schematic diagram of a fiber bundle in which each GI fiber 29 is fused to the tip.
  • (A) And (B) is a figure for demonstrating the principle of the volume display of a retinal scanning type
  • a spectacle-type volume display will be described as an example of a projection apparatus using the light source device as a light source unit.
  • the projection device is not limited to the eyeglass type as long as it is a volume display that projects a three-dimensional image by forming RGB laser beams at different depth positions.
  • FIG. 1 is a perspective view of a spectacle-type volumetric display 1.
  • the volume display 1 is an NTE (near-to-eye) display that is attached to the user's head and projects laser light onto the user's retina to visually recognize an image.
  • NTE near-to-eye
  • the volume display 1 has a glasses-type frame 2, projection units 3, 3 ', and half mirrors 4, 4'.
  • the spectacles-type frame 2 has a shape that can be mounted on the head, like general spectacles.
  • the projection units 3 and 3 ′ have a substantially L-shape and are attached to the left-eye and right-eye lens portions, respectively.
  • the half mirrors 4 and 4 ′ are attached to the distal ends of the projection units 3 and 3 ′ so as to face the left eye and the right eye of the user when the user wears the spectacle-shaped frame 2 on the head, respectively. Yes.
  • the projection unit Since it is also necessary to reproduce binocular parallax for natural stereoscopic display, the projection unit is loaded for the right eye and for the left eye, and each projection unit displays different images in consideration of binocular parallax. Needless to say. Since both the projection units 3 and 3 ′ have the same configuration, the projection unit 3 will be described below.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the projection unit 3 of the volume display 1.
  • the projection unit 3 includes a light source unit 10, a projection unit 30, and a control unit 40 inside.
  • the light source unit 10 is an example of a light source device, and emits laser light having an intensity corresponding to an image signal.
  • the projection unit 30 scans the transmitted laser light and projects it to the left eye of the user.
  • the control unit 40 controls the emission timing and emission intensity of each color laser beam by the light source unit 10 according to the image data of the projected image.
  • the projection unit 30 includes a projection lens 31 and a MEMS mirror 32.
  • the projection lens 31 shapes the color laser light emitted from the light source unit 10 so that the MEMS mirror 32 is irradiated with the laser light.
  • the MEMS mirror 32 is swung at a high speed, for example, in a horizontal direction and a vertical direction by a drive unit (not shown).
  • the MEMS mirror 32 deflects each color laser beam Lb collected by the projection lens 31 to enter the left eye 60 of the user, and scans the retina two-dimensionally.
  • the volume display 1 uses the retina of the user as a projection surface and projects an image thereon. The user visually recognizes an image corresponding to the image signal with the light scanned on the retina.
  • the volume display 1 is a so-called see-through type projection device that displays an image of the laser light Lb superimposed on an outside scene of the outside light La.
  • the projection apparatus does not necessarily have to be a see-through type.
  • FIG. 3A and 3B are diagrams for explaining the projection of a stereoscopic image by the volume display 1.
  • FIG. 3A and 3B are diagrams for explaining the projection of a stereoscopic image by the volume display 1.
  • FIG. 3A is a diagram showing layers 50 having different depth positions.
  • the light source unit 10 of the volume display 1 forms an image of RGB laser beams at different depth positions to form a stereoscopic image in which a plurality of images are layered.
  • the volume display 1 makes the user perceive the depth of the projection image by superimposing the two-dimensional images.
  • Each of these layers with different depth positions is considered a virtual screen.
  • These layers are hereinafter referred to as “layers”. Generally, if there are about 6 layers, the user can perceive depth.
  • the layer 50 has 10 layers, and the light source unit 10 is provided with 10 sets of RGB laser light sources corresponding to the number of layers.
  • FIG. 3B is a diagram showing that the imaging position moves back and forth depending on the front and rear positions of the emission point.
  • FIG. 3 (B) when the emission point 51 is set to a position A closer to the projection lens 31, light from the emission point 51 enters the projection lens 31 at a larger angle, so that it is connected to a further position A ′. Image.
  • the emission point 51 is located at a position B farther from the projection lens 31, the light from the emission point 51 enters the projection lens 31 at a smaller angle, so that an image is formed at a closer position B '. Therefore, when the position of the emission point 51 is moved back and forth with respect to the projection lens 31, the imaging position moves back and forth.
  • the volume display 1 displays images on each of the 10 layers 50 by scanning 10 sets of RGB laser beams whose emission points are different from each other.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the light source unit 10.
  • the light source unit 10 includes an optical module 11R, an optical module 11G, an optical module 11B, and a fiber bundle combiner 12.
  • the optical module 11R is an example of a first optical module, and emits red laser light through the fiber array 25R.
  • the optical module 11G is an example of a second optical module, and emits green laser light through the fiber array 25G.
  • the optical module 11B is an example of a third optical module, and emits blue laser light through the fiber array 25B.
  • the light source unit 10 uses an optical module dedicated to each color as a light source for each color of RGB. Since the optical modules 11R, 11G, and 11B have the same configuration, in the following, these are not distinguished and are also simply referred to as “optical module 11”.
  • the fiber bundle combiner 12 is made of, for example, quartz glass, and bundles and fixes the fiber arrays 25R, 25G, and 25B from each module to form a fiber bundle.
  • the fiber bundle combiner 12 fixes the end of each fiber so that a plurality of three optical fiber arrays each including one of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B are stacked, Form.
  • the RGB optical fibers from the respective optical modules 11 are bundled by the fiber bundle combiner 12, instead of being bundled after RGB multiplexing.
  • the number of fiber arrays 25R, 25G, and 25B is 10 corresponding to the number of layers of the volume display 1 respectively. Thereby, in the light source unit 10, 10 sets of three optical fiber rows of RGB are stacked to form an array. Each optical fiber array emits laser beams that are imaged at different depth positions corresponding to the ten layers 50.
  • Each color laser beam emitted from the emission end face of each fiber is scanned by the MEMS mirror 32 via the projection lens 31 and projected onto the projection surface (retina) as described above.
  • simply bundling the RGB fibers with the fiber bundle combiner 12 causes the distance between the cores of the fibers to be separated, so that a positional shift occurs between the RGB projection points, and the image appears blurred. Therefore, by measuring in advance the projection image deviation due to the deviation of the emission position of each fiber and adjusting the RGB emission timing of each layer and the scanning timing of the MEMS mirror 32 in advance, a projection image including an assembly error is obtained. Correct the deviation.
  • the control unit 40 uses, for example, a time-of-flight (TOF) method, a pattern projection method, or pattern recognition based on an image. For example, light from when a detection unit (not shown) irradiates infrared rays until the reflected light is received. Eye tracking is performed by measuring the time of flight or measuring the movement of the eyeball by pattern recognition by image processing of an image acquired by an image sensor comprising a near infrared CMOS / CCD camera. In this way, the control unit 40 can change the projection image according to the movement of the eyeball.
  • TOF time-of-flight
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the optical module 11.
  • the optical module 11 is an array type optical module provided with an LD array of a corresponding color in order to multiplex (spatial multiplexing) light sources having the same wavelength (color) corresponding to each layer 50 of the volume display 1.
  • the optical module 11 includes a silicon substrate 20, an LD array 21, a PD (photodiode) array 22, a sub-substrate 23, a first fiber array 24, a second fiber array 25, a fiber connector 26, And a driver IC 27.
  • the LD array 21, PD array 22, sub-substrate 23, first fiber array 24 and driver IC 27 are mounted on the silicon substrate 20.
  • the silicon substrate 20 is provided with, for example, a through-silicon via (TSV) penetrating from the top surface to the bottom surface, and is electrically connected to a circuit substrate (not shown) via solder bumps concentrated on the bottom surface. TSV type substrate.
  • the silicon substrate 20 may be an FPC (FlexiblePCprinted circuits) type substrate.
  • the LD array 21 is a plurality of direct lasers each emitting red, green, or blue laser light of the same color.
  • the LD array 21 of the optical module 11R is an example of a plurality of first optical elements, and all emits red laser light.
  • the LD array 21 of the optical module 11G is an example of a plurality of second optical elements, and all emits green laser light.
  • the LD array 21 of the optical module 11B is an example of a plurality of third optical elements, and all emits blue laser light.
  • the LD array 21 is driven by current supply from the driver IC 27.
  • the LD array 21 is individually modulated so as to have an intensity output synchronized with the MEMS mirror 32.
  • the LD array 21 is mounted on the silicon substrate 20 by surface activation bonding via micro bumps provided on the upper surface of the silicon substrate 20.
  • Surface activated bonding is activated by removing the inactive layer such as oxide film and dust (contamination) covering the material surface by Ar (argon) plasma treatment, etc., bringing atoms with high surface energy into contact with each other. It means joining at normal temperature by using the adhesion force between atoms by applying a load.
  • the LD array 21 is used as a laser in the infrared region, and a PPLN (Periodically-Poled-Lithium-Niobate) array (not shown) is provided so as to be optically coupled to each, and the light generated by each LD element can be handled.
  • the laser beam may be emitted after being converted into a laser beam of the color to be used.
  • Optical coupling means that the positional relationship is determined so that light emitted from one optical element can be directly incident on the other optical element.
  • the LD array 21 needs to include at least 10 LD elements that emit laser light of the corresponding color. Defective products are included in the LD element at a certain rate. However, when the LD array 21 is a bare chip, the operation cannot be confirmed unless all the elements are mounted. For this reason, in order to be able to eliminate defective products after burn-in (energization operation aging), the LD array 21 includes 10 or more LD elements and has a certain degree of redundancy.
  • the laser module for laser display has a wide wavelength band (RGB). For this reason, it is necessary to change the material, composition and structure of each RGB laser, and the wafer size is also different. Therefore, since the defect rate of the LD element differs for each color, it is necessary to determine the number of elements of the optical modules 11R, 11G, and 11B in consideration of the difference in yield for each color. For example, in order to stably obtain 10 non-defective products corresponding to the number of layers of the volume display 1, it is necessary to change the number of elements of the LD array 21 for each color. Therefore, in the light source unit 10, for example, 17 elements in the optical module 11R (red laser), 15 elements in the optical module 11G (green laser), 16 elements in the optical module 11B (blue laser), and the like. Change the number for each color.
  • the light source unit 10 for example, 17 elements in the optical module 11R (red laser), 15 elements in the optical module 11G (green laser), 16 elements in the optical module 11B (blue laser), and the like. Change
  • the optical module is a good product.
  • the yield of the optical module 11 is improved by providing the LD array 21 with redundancy.
  • the PD array 22 is a plurality of photodiodes provided on the back side of each LD element with respect to the laser beam emission direction corresponding to each element of the LD array 21. Each element of the PD array 22 receives the backward light of the corresponding LD element and monitors the amount of light. Similarly to the LD array 21, the PD array 22 is also mounted on the silicon substrate 20 by surface activated bonding.
  • the PD array 22 monitors the light quantity of each LD element so that the light quantity of each LD element is kept constant, and the drive current supplied to each LD element is determined according to the detected light quantity.
  • the driver IC 27 controls.
  • the sub-substrate 23 is, for example, a “U” -shaped substrate in which grooves for holding the first fiber array 24 are formed on the lower surface.
  • the sub-substrate 23 is bonded to the silicon substrate 20 and fixes the end of the first fiber array 24.
  • a silicon substrate or a glass substrate is used as the sub-substrate 23 .
  • the sub-substrate 23 is also mounted on the silicon substrate 20 by surface activation bonding.
  • a GI (Graded Index) lens may be integrally provided at the end of the sub-substrate 23 as a coupling member.
  • the sub-substrate 23 may be a V-groove substrate instead of the “U” -shaped substrate.
  • the first fiber array 24 is a fiu-mode or single-mode optical fiber that guides the laser light emitted from the LD array 21 at that wavelength. With the sub-substrate 23 bonded to the silicon substrate 20, the end portion of the first fiber array 24 is optically coupled to each element of the LD array 21.
  • the number of first fiber arrays 24 is the same as the number of elements of LD array 21. For example, in the optical modules 11R, 11G, and 11B, the number of elements of the LD array 21 is 17, 15, and 16, respectively, so that the first fiber array 24 is also 17, 15, and 16, respectively. Further, in order to facilitate alignment with each element of the LD array 21, a first fiber array 24 having a relatively large aperture such as 6 ⁇ m is used.
  • One end of the second fiber array 25 is optically coupled to the first fiber array 24 via the fiber connector 26 and emits the laser light from the LD array 21 to the outside of the optical module 11.
  • Single mode optical fiber The second fiber arrays 25 of the optical modules 11R, 11G, and 11B correspond to the fiber arrays 25R, 25G, and 25B shown in FIG.
  • the end opposite to the fiber connector 26 is fixed by the fiber bundle combiner 12, and the corresponding color laser light is emitted from the end. .
  • the number of the second fiber arrays 25 is 10 corresponding to the number of layers of the volume display 1. Since the number of the second fiber arrays 25 is determined by the number of layers of the volume display 1, it is the same for the optical modules 11R, 11G, and 11B, unlike the number of the first fiber arrays 24.
  • the number of the first fiber arrays 24 is given redundancy in accordance with the number of elements of the LD array 21, the number of the second fiber arrays 25 is smaller than the number of the first fiber arrays 24. Therefore, the second fiber array 25 is selectively connected to the first fiber array 24 via the fiber connector 26.
  • the connection destination of the second fiber array 25 is selected so that only defective LD elements can be connected when defective products of the LD array 21 are eliminated by burn-in during the manufacturing process of the optical module 11.
  • the second fiber array 25 having a diameter smaller than that of the first fiber array 24 such as 4 ⁇ m is used.
  • the first fiber array 24 on the LD array 21 side is a fiber having a large diameter (for example, 6 ⁇ m) so that alignment is easy, and when using a one-to-one projection system,
  • the second fiber array 25 has a fiber diameter (for example, 4 ⁇ m) that matches the photoreceptor cells of the retina so that an image without blur is displayed.
  • the first fiber array 24 and the second fiber array 25 of the optical module 11R are an example of a plurality of first optical fibers.
  • the first fiber array 24 and the second fiber array 25 of the optical module 11G are an example of a plurality of second optical fibers.
  • the first fiber array 24 and the second fiber array 25 of the optical module 11B are an example of a plurality of third optical fibers.
  • the fiber connector 26 is a connector for connecting the first fiber array 24 and the second fiber array 25.
  • the fiber connector 26 a commercially available general structure may be used.
  • the driver IC 27 is mounted on the upper surface of the silicon substrate 20 with solder.
  • the driver IC 27 is a mechanism for driving the LD array 21 and the like, and includes at least a mechanism for controlling current supply necessary for driving the LD array 21.
  • the driver IC 27 is preferably mounted with a digital interface, and more preferably includes a core part such as a CPU and a memory as a control unit.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the manufacturing process of the optical module 11.
  • the driver IC 27 is soldered to the silicon substrate 20 (step S1).
  • the LD array 21 and the PD array 22 are surface-activated bonded to the silicon substrate 20 by passive alignment (step S2).
  • step S2 for example, the positions of the LD array 21 and the PD array 22 with respect to the silicon substrate 20 are determined by aligning the positions of alignment marks provided on the silicon substrate 20, the LD array 21, and the PD array 22. In this way, each element is mounted so as not to affect the optical elements such as the LD array 21 by soldering first and then surface activation joining.
  • step S3 burn-in is performed to check whether or not the LD array 21 contains a defective product.
  • step S4 the first fiber array 24 is fixed to the sub-substrate 23, and both are surface-activated bonded to the silicon substrate 20 by active alignment (step S4).
  • step S ⁇ b> 4 laser light is emitted from the LD array 21 while changing the relative position of the silicon substrate 20 and the sub-substrate 23, and based on the intensity of the light emitted through the first fiber array 24, The position of the substrate 23 is determined. Further, the bonding of the sub-board 23 is reinforced using an adhesive (step S5).
  • step S6 ten fibers corresponding to the number of layers of the volume display 1 are selected from the optical fibers connected to the LD elements confirmed as good in step S3 (step S6).
  • the second fiber array 25 is connected to the ten optical fibers selected in step S6 in the first fiber array 24 via the fiber connector 26 (step S7). This completes the manufacturing process of the optical module 11.
  • step S3 may be performed after the first fiber array 24 and the sub-substrate 23 are mounted on the silicon substrate 20 in step S4.
  • the optical module 11 has an advantage that the LD element and the optical fiber can be aligned at a time by arraying the LD element and the optical fiber. Further, by mounting the color-specific LD array 21 on the silicon substrate 20 using the optical modules 11R, 11G, and 11B, it is possible to burn-in the LD elements individually for each of the RGB colors like ordinary LD elements. The yield of the optical module 11 is improved by providing the LD array 21 with redundancy so that burn-in can be performed after mounting on the silicon substrate 20.
  • the redundancy of the LD array 21 can be changed according to the defect rate due to the material, composition, structure, and the like of each color laser.
  • red lasers can be made redundant because the material is inexpensive, but green lasers and blue lasers are expensive, so it is possible to flexibly respond to the desire to minimize redundancy as much as possible. become.
  • the emission end faces of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B are emitted from the respective color laser beams so that the emission end faces of the three RGB optical fiber arrays corresponding to the respective layers are at the same distance from the projection lens 31. Polishing obliquely with respect to the direction. That is, in the first method, the end of each fiber is polished obliquely with respect to the longitudinal direction of the fiber bundle so that the distance from the laser light emission end surface to the projection surface differs for each optical fiber array.
  • a GI fiber is fused to the tip of the fiber array 25R, 25G, 25B on the projection lens 31 side so that the diffusion angle of the laser light from each of the three optical fiber rows of RGB is different. It is to let you. Below, these two methods are demonstrated in order.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a first arrangement example of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B.
  • the first arrangement example is a case where the fiber bundle combiner 12 bundles the fiber arrays 25R, 25G, and 25B to form a fiber bundle so that each fiber forms a square lattice on a cross section perpendicular to the longitudinal direction.
  • the arrangement direction of each optical fiber array 28 corresponding to one layer is perpendicular to the arrangement direction of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B indicated by arrows in FIG. That is, in the case of a square lattice, RGB optical fiber rows 28 arranged in the same order in the vertical direction in FIG. 7 are stacked in 10 layers in the arrangement direction of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the direction of the emission end face of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B in the first arrangement example. As indicated by arrows in FIG. 8, the output optical axes of the RGB optical fibers included in each optical fiber array 28 are arranged in parallel in the same order in the same plane.
  • the fiber bundle is polished obliquely so that the emission end face of the optical fiber array 28 corresponding to one layer is the same distance from the projection lens 31. That is, the fiber bundle is polished obliquely so that the distance from the exit end face to the projection lens 31 is the same for each optical fiber array 28 indicated by numbers 1 to 10 in FIG.
  • the angle ⁇ of the exit end face of the fiber with respect to the cross section perpendicular to the longitudinal direction of each fiber shown in FIG. 8 is determined by the refractive index of the fiber, but is preferably about 42 degrees as will be described later.
  • Each color laser beam emitted from the fiber bundle is subjected to position / angle conversion by the projection lens 31 and scanned in a two-dimensional direction by the MEMS mirror 32, whereby an image is projected on each layer of the volume display 1.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining refraction at the output end face of each fiber polished obliquely. A preferred angle of the exit end face of each optical fiber will be described with reference to FIG.
  • the vicinity of the emission end face (interface) is shown enlarged for one optical fiber 251 of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B.
  • the core material of the single mode fiber (SMF) is, for example, quartz glass, and laser light is emitted from the quartz glass into the air at the interface.
  • the equivalent refractive index of the core portion n g, the incident angle theta g, a refractive index n a of the air, placing the exit angle and theta a, Snell's law, ng ⁇ sin ⁇ g n a ⁇ sin ⁇ a (1) Holds.
  • n a 1, from equation (1)
  • sin ⁇ a n g ⁇ sin ⁇ g (2) It becomes.
  • equation (3) Substituting equation (3) into equation (2) and considering sin ⁇ a ⁇ 1, cos ⁇ t ⁇ 1 / ng (4) It becomes.
  • the tip angle ⁇ t of the fiber bundle combiner 12 is preferably as small as possible.
  • the tip angle ⁇ t of the fiber bundle combiner 12 needs to be selected so as to satisfy the condition of Expression (4) from the equivalent refractive index at a predetermined wavelength of the optical fiber to be used, although it depends on the wavelength.
  • the equivalent refractive index ng of the core portion is about 1.463 to 1.467 (1.55 ⁇ m). Therefore, when a silica-based fiber is used, the tip angle ⁇ t of the fiber bundle combiner 12 is preferably about 48 degrees (deg) with a margin. That is, in terms of the angle ⁇ in FIG. 8, about 42 degrees is preferable.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a second arrangement example of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B.
  • FIG. 10 also shows a cross section of the ends of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B bundled by the fiber bundle combiner 12.
  • the fiber bundle combiner 12 bundles the fiber arrays 25R, 25G, and 25B to form a fiber bundle so that each fiber forms a hexagonal close-packed lattice on a cross section perpendicular to the longitudinal direction. It is.
  • the above square lattice is the simplest arrangement, but considering a square with apexes of four adjacent 2 ⁇ 2 fiber cores, the diagonal core is ⁇ 2 times the vertical and horizontal cores. Because it is far away, there is an extra gap.
  • each fiber is arranged in a close-packed manner, so that when the same number of fibers are arrayed and stacked, the cross-sectional area of the fiber bundle is minimized. Can do.
  • each optical fiber array 28 corresponding to one layer is inclined 60 degrees with respect to the arrangement direction of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B indicated by arrows in FIG. That is, in the case of the hexagonal close-packed lattice, the RGB optical fiber arrays 28 arranged in the same order in the oblique direction in FIG. 10 are arranged on the cross sections perpendicular to the longitudinal direction of the respective fibers in the fiber arrays 25R, 25G, and 25B. Ten layers are stacked in a direction inclined by 60 degrees with respect to the arrangement direction.
  • FIG. 11 is a diagram showing the direction of the emission end face of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B in the second arrangement example. As indicated by arrows in FIG. 11, even in the case of a hexagonal close-packed lattice, the output optical axes of the RGB optical fibers included in each optical fiber array 28 are arranged in parallel in the same order in the same plane.
  • the fiber bundle is polished obliquely so that the emission end face of the optical fiber array 28 corresponding to one layer is the same distance from the projection lens 31. . That is, the fiber bundles are polished obliquely so that the distance from the exit end face to the projection lens 31 is the same for each optical fiber array 28 indicated by numbers 1 to 10 in FIG.
  • the angle ⁇ of the output end face of the fiber with respect to the cross section perpendicular to the longitudinal direction of each fiber shown in FIG. 11 is determined by the refractive index of the fiber, but is preferably about 42 degrees as in the case of the square lattice.
  • Each color laser beam emitted from the fiber bundle is subjected to position / angle conversion by the projection lens 31 and scanned in a two-dimensional direction by the MEMS mirror 32, whereby an image is projected on each layer of the volume display 1.
  • FIG. 12 is a diagram showing a positional relationship between the obliquely polished fiber bundle and the projection lens 31.
  • FIG. 12 only five of the second fiber arrays 25 of the optical modules 11R, 11G, and 11B are shown.
  • each color laser beam is emitted obliquely.
  • the projection points of RGB are arranged at equal intervals on the projection plane. Therefore, as shown in FIG. 12, by arranging the projection lens 31 at an oblique position with respect to the longitudinal direction of each fiber, each color laser beam is transmitted by the projection lens 31 in the same manner as when oblique polishing is not performed. The position and angle can be converted.
  • each of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B has been described as having 10 optical fibers.
  • FIG. 13 and FIG. An example where four single-mode fiber arrays are provided will be described.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing the structure of the fiber bundle combiner 12 when the exit end face of each fiber is polished obliquely.
  • FIG. 14 is a flowchart showing an example of a manufacturing method of the fiber bundle combiner 12 shown in FIG.
  • a rectangular groove 121 is formed in the quartz glass 12a by half-dicing the quartz glass 12a as a material of the fiber bundle combiner 12 to a predetermined width and depth using, for example, a dicing machine (step S11). .
  • 3 ⁇ 4 single-mode fiber arrays 25 ′ are inserted into the rectangular grooves 121 (step S 12), and UV adhesive is infiltrated into the rectangular grooves 121 (step S 13).
  • a quartz glass cover 12b previously coated with a thin UV adhesive is placed on the tip of the quartz glass 12a obtained in step S13 (step S14).
  • the quartz glass 12a is fixed with a jig
  • the quartz glass 12a obtained in step S15 is cut at a predetermined angle at a predetermined position, then, polishing the silica glass 12a to emit a surface having the tip angle theta t (step S16) .
  • an antireflection (AR) coating suitable for the wavelength used is applied to the tip of the polished quartz glass 12a (step S17).
  • a fiber bundle combiner 12 that forms a fiber bundle in which the exit end face of each fiber is obliquely polished as shown in FIG. 13 is obtained.
  • a plurality of pieces may be simultaneously processed at a time in the state of a large quartz substrate.
  • the single fiber bundle combiner 12 is obtained by cutting the quartz substrate in the step S16.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of a fiber bundle in which the GI fibers 29 are fused to the ends.
  • the fiber arrays 25R, 25G, and 25B are arranged so as to form a square lattice on the cross section.
  • the arrangement of each fiber may be a hexagonal close-packed lattice.
  • GI fibers 29 having different lengths are fused to the optical fiber rows 28 corresponding to one layer at the tip of each fiber.
  • the length of each GI fiber 29 is the same.
  • Each GI fiber 29 has an exit end face that is not polished obliquely and is perpendicular to the longitudinal direction of each fiber.
  • the fiber bundles have the output end faces of the fibers aligned so that the distances from the output end faces of the GI fibers 29 to the projection lens 31 are all the same.
  • a plurality of fiber fibers 25R, 25G, and 25B are prepared by fusing GI fibers to the tips of the fibers. Then, the fusion position is shifted for each optical fiber corresponding to each optical fiber array 28 and fixed. In this state, the length of each GI fiber is adjusted by polishing the tip. Thereby, fiber bundles in which the length of the GI fiber 29 is different for each optical fiber array 28 are formed.
  • the GI fiber 29 is a multimode fiber, and has a thicker core than the fibers of the fiber arrays 25R, 25G, and 25B. For this reason, according to the length of the GI fiber 29, the diffusion angle of each color laser light when it is emitted from the emission end face changes. Each fiber of one optical fiber array 28 has the same diffusion angle because the GI fiber 29 having the same length is fused. Since the length of the GI fiber 29 is different for each optical fiber array 28, the diffusion angle is different for each optical fiber array 28. Therefore, in the example of FIG. 15, fiber bundles having ten different diffusion angles are formed.
  • each optical fiber array 28 Since the diffusion angle of each optical fiber array 28 is different, the position and angle of each color laser beam emitted from the fiber bundle is converted by the projection lens 31 and scanned in the two-dimensional direction by the MEMS mirror 32, whereby the volume display 1. An image can be projected on each layer. For this reason, even if the fiber bundle is not polished obliquely, the imaging position can be changed according to the layer of the volume display 1, and the length of the fiber is changed for each optical fiber array 28 (the position of the emission end face is changed). The same effect as when the projection lens 31 is moved back and forth is obtained.
  • GI fibers having the same length and different refractive indexes may be used instead of changing the length of the GI fiber for each optical fiber array 28 GI fibers having the same length and different refractive indexes may be used.
  • the volume display 1 moves the imaging positions of the 10 sets of RGB laser light emitted from the light source unit 10 back and forth so as to correspond to the 10 layers. Accordingly, it is possible to realize a projection device that projects multicolored stereoscopic images by increasing the light utilization efficiency by emitting each color laser beam from the fiber bundle bundled by the fiber bundle combiner.

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Abstract

　光の利用効率を高め、異なる奥行き位置でＲＧＢの各色レーザ光が結像するように配置された光ファイバアレイを有する光源装置を提供する。光源装置は、赤色、緑色および青色のレーザ光をそれぞれ生成する複数の光素子と、複数の光素子からの赤色、緑色および青色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第１、第２および第３の光ファイバと、複数の第１～第３の光ファイバのうちの１本ずつを含む光ファイバ列が複数個積層されるように複数の第１～第３の光ファイバの端部を固定してファイババンドルを形成するファイババンドルコンバイナとを有する。

Description

光源装置および投影装置
　本発明は、光源装置および投影装置に関する。
　立体的に画像を表示する画像表示装置が知られている。例えば、特許文献１には、平面的にマトリックス構成され、かつ表示側先端において表示画面の最小単位となる単画素ごとに長さが異なる複数の透明なファイバと、そのファイバの背面側に一様に設けられた光源とを有する画像表示装置が記載されている。この画像表示装置では、表示側先端におけるファイバの長さを段階的に変えることで、ファイバ先端面の相対的な高さの違いによって表示画像に奥行き感を与える。
　また、立体画像を表示する３次元表示装置として、体積ディスプレイ（Volumetric Display）が知られている（例えば、特許文献２を参照）。体積ディスプレイは、光源からのレーザ光をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーなどにより走査して、複数の層状に配置された仮想的なスクリーンのそれぞれに表示物体の断面の画像を投影することにより、複数の画像を組み合わせて立体画像を表示する。特に、互いに結像位置が異なる複数のレーザ光を網膜上に走査することにより、目に直接立体画像を投影する網膜走査型の体積ディスプレイが知られている（例えば、非特許文献１を参照）。
　図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）は、網膜走査型の体積ディスプレイの原理を説明するための図である。複数のレーザ光源にそれぞれ接続された複数の光ファイバ１０１から、例えば図中に黒丸で示した通り水平方向（奥行き方向）の異なる位置で結像するように、複数のレーザ光を出射する。図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）では、光ファイバ１０１から投射レンズ１０２，１０３，１０４を介して観察者の目１０５に投影される４つのレーザ光を、実線や破線により示している。
　複数のレーザ光は、互いに重ね合わされて多焦点のビームとなり、スキャナ１０６によって観察者の目１０５に走査されることにより、複数の画像が層状に重ね合わされた立体画像を形成する。例えば、図１６（Ａ）に示す通り、点Ａが網膜上に来るように観察者が水晶体を調整すると、観察者には遠くの位置に焦点が合ったように見える。逆に、図１６（Ｂ）に示す通り、点Ｂが網膜上に来るように観察者が水晶体を調整すると、観察者には近くの位置に焦点が合ったように見える。このようにして、観察者は、体積ディスプレイの画像を見たときに奥行きを知覚することができる。
　体積ディスプレイのレーザ光源には、ファイバピグテイルモジュールを多数個並べたものが用いられている。しかしながら、それでは装置全体が大型になってしまうため、装置を小型化するためには、アレイ型光モジュールを光源に用いることが好ましい。
　非特許文献１には、体積ディスプレイのレーザ光源として、複数のＬＤ（レーザダイオード）素子にそれぞれ接続された光ファイバアレイが記載されている。非特許文献１の体積ディスプレイでは、一方がＬＤ素子に接続され他端が斜めに切断された光ファイバアレイにより、各ファイバの出射端面から網膜までの距離を変化させて、投影される画像の奥行き方向の位置を制御する。
特開昭６１－１４８４８５号公報 特開２００５－５００５７８号公報
Brian T. Schowengerdt, Mrinal Murari, and Eric J. Seibel, "Volumetric Display using Scanned Fiber Array", SID Symposium Digest of Technical Papers 41, pp.653-656 (2010)
　非特許文献１では、カラー画像の表示に関する言及はあるものの、光源は赤色レーザの１色であり、マルチカラー化する場合の各ファイバの配置に関する記載はない。体積ディスプレイをマルチカラー化するには、融着型ファイバコンバイナを用いて赤色、緑色および青色（ＲＧＢ）のレーザ光を合波することにより、すべての色を作り出すことが考えられる。しかしながら、融着型ファイバコンバイナを用いると、一方の導波路からもう一方の導波路に高効率で結合する結合長が波長によって異なるため、各波長に合わせて結合長を精度良く調整することが困難である。このため、隣接コア間でクロストークなどが発生し、光の利用効率が低くなる。
　そこで、本発明は、光の利用効率を高め、異なる奥行き位置でＲＧＢの各色レーザ光が結像するように配置された光ファイバアレイを有する光源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、マルチカラー化された画像を異なる奥行き位置に投影可能な投影装置を提供することを目的とする。
　光源装置は、赤色のレーザ光を生成する複数の第１の光素子と、複数の第１の光素子からの赤色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第１の光ファイバと、緑色のレーザ光を生成する複数の第２の光素子と、複数の第２の光素子からの緑色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第２の光ファイバと、青色のレーザ光を生成する複数の第３の光素子と、複数の第３の光素子からの青色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第３の光ファイバと、複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバのうちの１本ずつを含む光ファイバ列が複数個積層されるように複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバの端部を固定してファイババンドルを形成するファイババンドルコンバイナと、を有することを特徴とする。
　上記の光源装置では、複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバは、光ファイバ列ごとに異なる奥行き位置に結像されるレーザ光を出射端面から出射することが好ましい。
　上記の光源装置では、複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバは、レーザ光の出射端面から投影面までの距離が光ファイバ列ごとに異なるように、ファイババンドルの長手方向に対して端部が斜めに研磨されていることが好ましい。
　上記の光源装置では、複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバは、光ファイバ列ごとに異なる長さのＧＩファイバが端部に融着されていることが好ましい。
　上記の光源装置では、ファイババンドルコンバイナは、ファイババンドルの長手方向に対して垂直な断面上で複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバが六方最密格子を形成するように各ファイバを固定し、複数個積層される光ファイバ列のそれぞれの配置方向が、複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバのそれぞれの配置方向に対して６０度傾いていることが好ましい。
　上記の光源装置では、ファイババンドルコンバイナは、ファイババンドルの長手方向に対して垂直な断面上で複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバが正方格子を形成するように各ファイバを固定し、複数個積層される光ファイバ列のそれぞれの配置方向が、複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバのそれぞれの配置方向に対して垂直であることが好ましい。
　上記の光源装置では、光ファイバ列のそれぞれにおいて、第１の光ファイバ、第２の光ファイバおよび第３の光ファイバの出射光軸が同一平面内に同じ順序で平行に配置されることが好ましい。
　また、投影装置は、赤色、緑色および青色のレーザ光を複数組出射する光源部と、各組のレーザ光を偏向させることにより２次元状に走査して、各組のレーザ光による画像を異なる奥行き位置に投影する投影部と、を有する投影装置であって、光源部は、赤色のレーザ光を出射する複数の第１の光素子と、複数の第１の光素子からの赤色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第１の光ファイバと、緑色のレーザ光を出射する複数の第２の光素子と、複数の第２の光素子からの緑色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第２の光ファイバと、青色のレーザ光を出射する複数の第３の光素子と、複数の第３の光素子からの青色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第３の光ファイバと、複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバのうちの１本ずつを含む光ファイバ列が複数個積層されるように複数の第１の光ファイバ、複数の第２の光ファイバおよび複数の第３の光ファイバの端部を固定してファイババンドルを形成するファイババンドルコンバイナと、を有し、光ファイバ列のそれぞれは、各組のレーザ光を出射することを特徴とする。
　上記の光源装置によれば、ファイババンドルコンバイナにより各ファイバを束ねて光の利用効率を高め、異なる奥行き位置でＲＧＢの各色レーザ光を結像させることができる。また、上記の投影装置によれば、マルチカラー化された画像を異なる奥行き位置に投影させることができる。
眼鏡型の体積ディスプレイ１の斜視図である。 体積ディスプレイ１の投影ユニット３の概略構成図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、体積ディスプレイ１による立体画像の投影について説明するための図である。 光源部１０の概略構成図である。 光モジュール１１の概略構成図である。 光モジュール１１の製造工程を示したフローチャートである。 ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの第１の配置例を示す図である。 第１の配置例におけるファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの出射端面の方向を示す図である。 斜めに研磨された各ファイバの出射端面での屈折について説明するための図である。 ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの第２の配置例を示す図である。 第２の配置例におけるファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの出射端面の方向を示す図である。 斜めに研磨されたファイババンドルと投射レンズ３１の位置関係を示す図である。 ファイババンドルコンバイナ１２の構造を模式的に示した斜視図である。 ファイババンドルコンバイナ１２の製造方法の例を示したフローチャートである。 ＧＩファイバ２９がそれぞれ先端に融着されたファイババンドルの模式図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、網膜走査型の体積ディスプレイの原理を説明するための図である。
　以下、添付図面を参照して、光源装置と投影装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
　以下では、光源装置を光源部として用いた投影装置の例として、眼鏡型の体積ディスプレイを説明する。ただし、投影装置は、異なる奥行き位置にＲＧＢの各色レーザ光を結像させて立体画像を投影する体積ディスプレイであれば、眼鏡型のものに限らない。
　図１は、眼鏡型の体積ディスプレイ１の斜視図である。体積ディスプレイ１は、使用者の頭部に装着され、レーザ光を使用者の網膜に投影させて画像を視認させるＮＴＥ（near-to-eye）ディスプレイである。
　図１に示すように、体積ディスプレイ１は、眼鏡型フレーム２と、投影ユニット３，３’と、ハーフミラー４，４’とを有する。眼鏡型フレーム２は、一般的な眼鏡と同様に、頭部に装着可能な形状を有する。投影ユニット３，３’は、略Ｌ字状の形状を有し、左目用と右目用のレンズ部分にそれぞれ取り付けられている。ハーフミラー４，４’は、使用者が眼鏡型フレーム２を頭部に装着したときに、それぞれ使用者の左目および右目と対向するように、投影ユニット３，３’の先端部に取り付けられている。自然な立体表示をするには両眼視差を再生することも必要なため、投影ユニットは右目用と左目用を装荷し、各投影ユニットには両眼視差を考慮した異なる画像を表示することは言うまでもない。投影ユニット３，３’はどちらも同じ構成を有するため、以下では投影ユニット３について説明する。
　図２は、体積ディスプレイ１の投影ユニット３の概略構成図である。投影ユニット３は、内部に、光源部１０と、投影部３０と、制御部４０とを有する。光源部１０は、光源装置の一例であり、画像信号に応じた強度のレーザ光を出射する。投影部３０は、伝送されたレーザ光を走査して使用者の左目に投影する。制御部４０は、投影される画像の画像データに応じて、光源部１０による各色レーザ光の発光タイミングや発光強度などを制御する。
　投影部３０は、投射レンズ３１と、ＭＥＭＳミラー３２とを有する。投射レンズ３１は、光源部１０から出射された各色レーザ光がＭＥＭＳミラー３２に照射されるように整形する。ＭＥＭＳミラー３２は、駆動部（図示せず）により例えば水平方向および垂直方向に高速に揺動される。ＭＥＭＳミラー３２は、投射レンズ３１により集光された各色レーザ光Ｌｂを偏向させて使用者の左目６０に入射させ、その網膜上で２次元状に走査させる。このように、体積ディスプレイ１は、使用者の網膜を投影面として使用し、その上に画像を投影する。使用者は、網膜上で走査された光により、画像信号に応じた画像を視認する。
　図２に示すように、使用者の左目６０には、投影部３０から出射されるレーザ光Ｌｂがハーフミラー４で反射して入射するとともに、外光Ｌａもハーフミラー４を透過して入射する。すなわち、体積ディスプレイ１は、外光Ｌａによる外景に、レーザ光Ｌｂによる投影画像を重ねて表示する、いわゆるシースルー型の投影装置である。ただし、これは一例であって、投影装置は必ずしもシースルー型でなくてもよい。
　図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、体積ディスプレイ１による立体画像の投影について説明するための図である。
　図３（Ａ）は、奥行き位置が異なるレイヤ５０を示す図である。体積ディスプレイ１の光源部１０は、異なる奥行き位置にＲＧＢの各色レーザ光を結像させて、複数の画像が層状に重ね合わされた立体画像を形成する。体積ディスプレイ１は、２次元の画像を重ね合わせることにより、使用者に投影画像の奥行きを知覚させる。奥行き位置が異なるこれらの各層は、仮想的なスクリーンと考えられる。これらの各層のことを、以下では「レイヤ」という。一般に、レイヤが６層くらいあれば、使用者は奥行きを知覚することができる。体積ディスプレイ１では、例えばレイヤ５０を１０層とし、そのレイヤ数に対応させて、光源部１０に１０組のＲＧＢレーザ光源を設ける。
　図３（Ｂ）は、出射点の前後位置により結像位置が前後することを示す図である。図３（Ｂ）に示すように、出射点５１を投射レンズ３１により近い位置Ａとすると、出射点５１からの光はより大きな角度で投射レンズ３１に入るため、より遠くの位置Ａ’に結像する。逆に、出射点５１を投射レンズ３１からより遠い位置Ｂとすると、出射点５１からの光はより小さな角度で投射レンズ３１に入るため、より近くの位置Ｂ’に結像する。したがって、出射点５１の位置を投射レンズ３１に対して前後させると、結像位置が前後する。このことから、体積ディスプレイ１では、１０層のレイヤ５０に対応する１０組のＲＧＢレーザ光について、出射点の位置を投射レンズ３１に対して前後させる。そして、体積ディスプレイ１は、出射点の位置が互いに異なる１０組のＲＧＢレーザ光を走査することにより、１０層のレイヤ５０のそれぞれに画像を表示させる。
　図４は、光源部１０の概略構成図である。光源部１０は、光モジュール１１Ｒと、光モジュール１１Ｇと、光モジュール１１Ｂと、ファイババンドルコンバイナ１２とを有する。
　光モジュール１１Ｒは、第１の光モジュールの一例であり、ファイバアレイ２５Ｒを介して赤色のレーザ光を出射する。光モジュール１１Ｇは、第２の光モジュールの一例であり、ファイバアレイ２５Ｇを介して緑色のレーザ光を出射する。光モジュール１１Ｂは、第３の光モジュールの一例であり、ファイバアレイ２５Ｂを介して青色のレーザ光を出射する。
　光源部１０は、ＲＧＢ各色の光源として、各色専用の光モジュールを使用する。光モジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは同様の構成を有するため、以下では、これらを区別せず単に「光モジュール１１」ともいう。
　ファイババンドルコンバイナ１２は、例えば石英ガラスで構成され、各モジュールからのファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂを束ねて固定して、ファイババンドルを形成する。特に、ファイババンドルコンバイナ１２は、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂのうちの１本ずつを含む３本の光ファイバ列が複数個積層されるように各ファイバの端部を固定して、ファイババンドルを形成する。このように、光源部１０では、ＲＧＢの合波後にバンドルするのではなく、各光モジュール１１からのＲＧＢの光ファイバをファイババンドルコンバイナ１２で束ねる。
　ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの本数は、体積ディスプレイ１のレイヤ数に対応して、それぞれ１０本である。これにより、光源部１０では、ＲＧＢ３本の光ファイバ列を１０組積層させてアレイ化する。そして、それぞれの光ファイバ列は、１０層のレイヤ５０に対応した互いに異なる奥行き位置に結像されるレーザ光を出射する。
　各ファイバの出射端面から出射された各色レーザ光は、上記の通り、投射レンズ３１を介してＭＥＭＳミラー３２により走査されて、投影面（網膜）上に投影される。しかしながら、ファイババンドルコンバイナ１２でＲＧＢの各ファイバを単に束ねるだけでは、各ファイバのコア間の距離が離れているため、ＲＧＢの各投影点間で位置ずれが発生し、画像がにじんで見える。そこで、各ファイバの出射位置のずれによる投影画像のずれをあらかじめ計測し、各層のＲＧＢの発光タイミングとＭＥＭＳミラー３２の走査タイミングとを事前に調整しておくことで、組立誤差を含んだ投影画像のずれを補正しておく。また、制御部４０は、例えばタイムオブフライト（ＴＯＦ）方式やパタン投射法あるいは画像によるパタン認識などを利用し、例えば図示しない検知部が赤外線を照射してからその反射光を受光するまでの光の飛行時間を計測するか、近赤外ＣＭＯＳ／ＣＣＤカメラからなる画像センサで取得した画像の画像処理によるパタン認識によって眼球の動きを計測することにより、アイトラッキングを行う。このようにして、制御部４０は、投影画像を眼球の動きに応じて変化させることができる。
　図５は、光モジュール１１の概略構成図である。光モジュール１１は、体積ディスプレイ１の各レイヤ５０に対応させて同じ波長（色）の光源を多重化（空間多重）するために、対応する色のＬＤアレイを設けたアレイ型光モジュールである。光モジュール１１は、シリコン基板２０と、ＬＤアレイ２１と、ＰＤ（フォトダイオード）アレイ２２と、サブ基板２３と、第１のファイバアレイ２４と、第２のファイバアレイ２５と、ファイバコネクタ２６と、ドライバＩＣ２７とを有する。ＬＤアレイ２１、ＰＤアレイ２２、サブ基板２３、第１のファイバアレイ２４およびドライバＩＣ２７は、シリコン基板２０上に実装される。
　シリコン基板２０は、例えば、上面から底面に貫通するシリコン貫通電極（through-silicon via：ＴＳＶ）が設けられ、底面に集中配置された半田バンプを介して図示しない回路基板に電気的に接続される、ＴＳＶ型の基板である。あるいは、シリコン基板２０は、ＦＰＣ（Flexible printed circuits）型の基板でもよい。
　ＬＤアレイ２１は、それぞれが赤色、緑色または青色の同じ色のレーザ光を出射する複数のダイレクトレーザである。光モジュール１１ＲのＬＤアレイ２１は複数の第１の光素子の一例であり、すべて赤色のレーザ光を出射する。光モジュール１１ＧのＬＤアレイ２１は複数の第２の光素子の一例であり、すべて緑色のレーザ光を出射する。光モジュール１１ＢのＬＤアレイ２１は複数の第３の光素子の一例であり、すべて青色のレーザ光を出射する。ＬＤアレイ２１は、ドライバＩＣ２７からの電流供給により駆動される。また、ＬＤアレイ２１は、ＭＥＭＳミラー３２に同期した強度出力となるように、個々に変調されている。
　ＬＤアレイ２１は、シリコン基板２０の上面に設けられたマイクロバンプを介して、シリコン基板２０上に表面活性化接合で実装される。表面活性化接合とは、物質表面を覆っている酸化膜、塵（コンタミ）などの不活性層をＡｒ（アルゴン）プラズマ処理などで取り除いて活性化し、表面エネルギーの高い原子同士を接触させ、高荷重を加えることで原子間の凝着力を利用して常温で接合させることをいう。
　あるいは、ＬＤアレイ２１を赤外領域のレーザとして、それぞれに光結合されるようにＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）アレイ（図示せず）を設けて、それぞれのＬＤ素子で生成された光を、対応する色のレーザ光に波長変換して出射してもよい。光結合とは、一方の光素子から出射された光を他方の光素子に直接入射できるように、相互に位置関係が定められていることをいう。
　ファイババンドルコンバイナ１２でＲＧＢ３本の光ファイバ列を１０組積層させて束ねることから、ＬＤアレイ２１は、対応する色のレーザ光を出射するＬＤ素子を最低１０個含む必要がある。ＬＤ素子には一定の割合で不良品が含まれるが、ＬＤアレイ２１をベアチップとする場合には、各素子をすべて実装した状態でないと動作確認ができない。このため、バーンイン（通電動作エージング）後に不良品を排除できるようにするために、ＬＤアレイ２１には１０個以上のＬＤ素子を含めて、ある程度の冗長性をもたせる。
　光通信用のレーザモジュールとは異なり、レーザディスプレイ用のレーザモジュールでは、波長帯域（ＲＧＢ）が広い。このため、ＲＧＢの各色レーザで、材料、組成および構造を変える必要があり、ウェハサイズも異なる。したがって、色ごとにＬＤ素子の不良率が異なるため、色ごとの歩留まりの違いを考慮して、光モジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの素子数を決める必要がある。例えば、体積ディスプレイ１のレイヤ数に対応する１０個の良品を安定的に得るためには、ＬＤアレイ２１の素子数を色ごとに変化させる必要がある。そこで、光源部１０では、例えば、光モジュール１１Ｒ（赤色レーザ）では１７個、光モジュール１１Ｇ（緑色レーザ）では１５個、光モジュール１１Ｂ（青色レーザ）では１６個というように、ＬＤアレイ２１の素子数を色ごとに変化させる。
　例えば、ＬＤアレイ２１の素子数が１５個であれば、バーンイン工程で最大５個の不良品が生じても、光モジュールとしては良品になる。このように、ＬＤアレイ２１に冗長性を持たせることにより、光モジュール１１の歩留まりが改善される。
　ＰＤアレイ２２は、ＬＤアレイ２１の各素子に対応して、レーザ光の出射方向に対する各ＬＤ素子の背面側に設けられる複数のフォトダイオードである。ＰＤアレイ２２の各素子は、対応するＬＤ素子の後方光を受光し、その光量をモニタする。ＰＤアレイ２２も、ＬＤアレイ２１と同様に、シリコン基板２０上に表面活性化接合で実装される。
　ＬＤ素子は、経年変化により電流・光出力特性が変動するため、出力を一定に保つためには、光量をモニタしフィードバック制御を行うことが好ましい。そこで、光モジュール１１では、各ＬＤ素子の光量が一定に保たれるように、各ＬＤ素子の光量をＰＤアレイ２２がモニタし、各ＬＤ素子に供給する駆動電流を検出された光量に応じてドライバＩＣ２７が制御する。
　サブ基板２３は、第１のファイバアレイ２４を保持するための溝が下面に形成された、例えば「コ」の字型の基板である。サブ基板２３は、シリコン基板２０に接合され、第１のファイバアレイ２４の端部を固定する。サブ基板２３には、シリコン基板またはガラス基板が用いられる。サブ基板２３も、ＬＤアレイ２１と同様に、シリコン基板２０上に表面活性化接合で実装される。サブ基板２３の端部には、結合部材としてＧＩ（Graded Index）レンズを一体的に設けてもよい。また、サブ基板２３には、「コ」の字型の基板に代えてＶ溝基板を用いてもよい。
　第１のファイバアレイ２４は、ＬＤアレイ２１から出射されたレーザ光をそれぞれ導波する、当該波長におけるフィウモードまたはシングルモードの光ファイバである。サブ基板２３がシリコン基板２０に接合された状態で、第１のファイバアレイ２４の端部は、ＬＤアレイ２１の各素子に光結合される。第１のファイバアレイ２４の本数は、ＬＤアレイ２１の素子数と同じである。例えば、光モジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂでは、ＬＤアレイ２１の素子数をそれぞれ１７個，１５個，１６個としているから、第１のファイバアレイ２４もそれぞれ１７本，１５本，１６本とする。また、ＬＤアレイ２１の各素子との調芯を容易にするため、第１のファイバアレイ２４には、例えば６μｍなど、口径が比較的大きいものを用いる。
　第２のファイバアレイ２５は、ファイバコネクタ２６を介して一端が第１のファイバアレイ２４に光結合され、ＬＤアレイ２１からのレーザ光を光モジュール１１の外部にそれぞれ出射する、当該波長におけるフィウモードまたはシングルモードの光ファイバである。光モジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの第２のファイバアレイ２５は、図４に示したファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂにそれぞれ相当する。光モジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの第２のファイバアレイ２５は、ファイバコネクタ２６とは反対側の端部がファイババンドルコンバイナ１２により固定され、その端部から、対応する色のレーザ光をそれぞれ出射する。
　第２のファイバアレイ２５の本数は、体積ディスプレイ１のレイヤ数に対応する１０本である。第２のファイバアレイ２５の本数は、体積ディスプレイ１のレイヤ数で決まるため、第１のファイバアレイ２４の本数とは異なり、光モジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂで同じである。
　第１のファイバアレイ２４の本数にはＬＤアレイ２１の素子数に合わせて冗長度をもたせているから、第２のファイバアレイ２５の本数は、第１のファイバアレイ２４の本数より少ない。したがって、第２のファイバアレイ２５は、ファイバコネクタ２６を介して第１のファイバアレイ２４に選択的に接続される。第２のファイバアレイ２５の接続先は、光モジュール１１の製造過程において、バーンインによりＬＤアレイ２１の不良品を排除するときに、良品のＬＤ素子のみに接続されるように選択される。
　また、第２のファイバアレイ２５には、例えば４μｍなど、第１のファイバアレイ２４より口径が小さいものを用いる。モードフィールド径を変換することにより、ＬＤアレイ２１側の第１のファイバアレイ２４は調芯し易いように大きな径（例えば６μｍ）のファイバとし、一対一の投射系を用いる場合は、眼球側の第２のファイバアレイ２５は、にじみのない画像が表示されるように網膜の視細胞に合わせたファイバ径（例えば４μｍ）とする。
　光モジュール１１Ｒの第１のファイバアレイ２４と第２のファイバアレイ２５は、複数の第１の光ファイバの一例である。光モジュール１１Ｇの第１のファイバアレイ２４と第２のファイバアレイ２５は、複数の第２の光ファイバの一例である。また、光モジュール１１Ｂの第１のファイバアレイ２４と第２のファイバアレイ２５は、複数の第３の光ファイバの一例である。
　ファイバコネクタ２６は、第１のファイバアレイ２４と第２のファイバアレイ２５を接続するコネクタである。ファイバコネクタ２６には、市販の一般的な構造のものを用いてよい。
　ドライバＩＣ２７は、シリコン基板２０の上面に半田で実装される。ドライバＩＣ２７は、ＬＤアレイ２１などを駆動する機構であり、少なくとも、ＬＤアレイ２１の駆動に必要な電流供給を制御する機構を含む。ドライバＩＣ２７は、デジタルインタフェースを実装していることが好ましく、また制御部としてＣＰＵやメモリなどのコア部分を含んでいればなおよい。
　図６は、光モジュール１１の製造工程を示したフローチャートである。まず、ドライバＩＣ２７をシリコン基板２０に半田接合する（ステップＳ１）。その後で、ＬＤアレイ２１およびＰＤアレイ２２を、パッシブアライメントによりシリコン基板２０に表面活性化接合する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、例えば、シリコン基板２０やＬＤアレイ２１、ＰＤアレイ２２に設けられたアライメントマークの位置を合わせることにより、シリコン基板２０に対するＬＤアレイ２１およびＰＤアレイ２２の位置を決定する。このように、先に半田接合し、その後で表面活性化接合することにより、ＬＤアレイ２１などの光素子に熱影響を及ぼさないように各素子を実装する。
　この状態でバーンインを行い、ＬＤアレイ２１に不良品が含まれるか否かを確認する（ステップＳ３）。次に、第１のファイバアレイ２４をサブ基板２３に固定し、両者をアクティブアライメントによりシリコン基板２０に表面活性化接合する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、シリコン基板２０とサブ基板２３の相対位置を変化させながらＬＤアレイ２１からレーザ光を出射させ、第１のファイバアレイ２４を通して出射される光の強度に基づいて、シリコン基板２０に対するサブ基板２３の位置を決定する。さらに、接着剤を用いて、サブ基板２３の接合を補強する（ステップＳ５）。
　そして、第１のファイバアレイ２４のうち、ステップＳ３で良品と確認されたＬＤ素子に接続されている光ファイバの中から、体積ディスプレイ１のレイヤ数に対応する１０本を選択する（ステップＳ６）。第１のファイバアレイ２４のうちステップＳ６で選択された１０本の光ファイバに、ファイバコネクタ２６を介して第２のファイバアレイ２５を接続する（ステップＳ７）。これで、光モジュール１１の製造工程は終了する。
　なお、ステップＳ４で第１のファイバアレイ２４とサブ基板２３をシリコン基板２０に実装した後に、ステップＳ３のバーンインを行ってもよい。
　このように、光モジュール１１では、ＬＤ素子と光ファイバをアレイ化することにより、ＬＤ素子と光ファイバを一度に調芯できるという利点がある。また、光モジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂで色別のＬＤアレイ２１をシリコン基板２０に実装することにより、ＲＧＢの各色で個別に、通常のＬＤ素子のようにＬＤ素子をバーンインすることができる。そして、ＬＤアレイ２１に冗長性をもたせ、シリコン基板２０への実装後にバーンインできるようにすることにより、光モジュール１１の歩留まりが改善される。
　また、光モジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂをレーザの色別に設けることにより、各色レーザの材料や、組成、構造などによる不良率に応じて、ＬＤアレイ２１の冗長性を変化させることができる。これにより、例えば、赤色レーザは材料が安価なので冗長性を高くしてもよいが、緑色レーザと青色レーザは材料が高価なので冗長性をなるべく抑えたいという要望にも、柔軟に対応することが可能になる。
　以下では、光源部１０から出射される１０組のＲＧＢレーザ光の結像位置を体積ディスプレイ１の１０層のレイヤに対応するように前後させる具体的な方法について説明する。
　複数のレイヤへの投影を実現するためには、次の２通りの方法がある。１つ目の方法は、各レイヤに対応するＲＧＢ３本の光ファイバ列の出射端面が投射レンズ３１から同一距離となるように、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの出射端面を、各色レーザ光の出射方向に対して斜めに研磨するというものである。すなわち、１つ目の方法では、レーザ光の出射端面から投影面までの距離が光ファイバ列ごとに異なるように、各ファイバの端部がファイババンドルの長手方向に対して斜めに研磨される。また、２つ目の方法は、ＲＧＢ３本ずつの各光ファイバ列からのレーザ光の拡散角を異ならせるように、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの投射レンズ３１側の先端にＧＩファイバを融着させるというものである。以下では、これらの２つの方法を順に説明する。
　まず、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの出射端面を、各色レーザ光の出射方向に対して斜めに研磨する１つ目の方法について説明する。この場合、ファイババンドルコンバイナ１２により束ねられる各ファイバの配置によって、研磨の方向が異なる。
　図７は、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの第１の配置例を示す図である。図７では、ファイババンドルコンバイナ１２で束ねられたファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの端部の断面を示している。第１の配置例は、各ファイバがその長手方向に垂直な断面上で正方格子を形成するように、ファイババンドルコンバイナ１２がファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂを束ねてファイババンドルを形成した場合である。正方格子の場合、１つのレイヤに対応する各光ファイバ列２８の配置方向は、図７に矢印で示したファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの配置方向に対して垂直である。すなわち、正方格子の場合は、図７における垂直方向に同じ順序で並んだＲＧＢの光ファイバ列２８が、各ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの配列方向に、１０レイヤ分積層されている。
　図８は、第１の配置例におけるファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの出射端面の方向を示す図である。図８に矢印で示したように、各光ファイバ列２８に含まれるＲＧＢの光ファイバの出射光軸は、同一平面内に同じ順序で平行に配置されている。
　図３（Ｂ）を用いて説明したことから、１つのレイヤに結像するＲＧＢは、出射点から投射レンズ３１までの距離を同じにする必要がある。そこで、１つのレイヤに対応する光ファイバ列２８の出射端面が投射レンズ３１に対して同じ距離になるように、ファイババンドルを斜めに研磨する。すなわち、図７に１～１０の番号で示した各光ファイバ列２８について、出射端面から投射レンズ３１までの距離が同じになるように、ファイババンドルを斜めに研磨する。図８に示した各ファイバの長手方向に垂直な断面に対するファイバの出射端面の角度αは、ファイバの屈折率により決まるが、後述するように、４２度程度であることが好ましい。このファイババンドルから出射される各色レーザ光を投射レンズ３１にて位置・角度変換し、ＭＥＭＳミラー３２で２次元方向に走査することにより、体積ディスプレイ１の各レイヤに画像が投影される。
　図９は、斜めに研磨された各ファイバの出射端面での屈折について説明するための図である。図９を用いて、各光ファイバの出射端面の好ましい角度について説明する。
　図９では、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂのうちの１本の光ファイバ２５１について、出射端面（界面）付近を拡大して示している。シングルモードファイバ（ＳＭＦ）のコア材料は例えば石英ガラスであり、界面では、石英ガラスから空気中にレーザ光が出射される。コア部分の等価屈折率をｎｇ、入射角をθｇ、空気の屈折率をｎａ、出射角をθａとおくと、スネルの法則より、
　　　　　　　 ｎｇ・ｓｉｎθｇ＝ｎａ・ｓｉｎθａ　　　　　　　（１）
が成り立つ。ここで、ｎａ＝１とすると、式（１）から、
　　　　　　　 ｓｉｎθａ＝ｎｇ・ｓｉｎθｇ　　　　　　　　　　（２）
となる。また、ファイババンドルコンバイナ１２の先端角をθｔとおくと、図９から、
　　　　　　　 θｇ＝π／２－θｔ　　　　　　　　　　　　　　　（３）
となる。先端角θｔは、光ファイバ２５１の長手方向に対する出射端面の角度であり、図８の角度αとはθｔ＋α＝π／２の関係がある（すなわち、θｇ＝αである）。式（３）を式（２）に代入し、ｓｉｎθａ＜１を考慮すると、
　　　　　　　 ｃｏｓθｔ＜１／ｎｇ　　　　　　　　　　　　　　（４）
となる。
　例えばｎｇ＝１．４３の場合は、式（４）よりｃｏｓθｔ＜０．６９９であるため、
　　　　　　　 θｔ＞４５．６３ｄｅｇ
が、界面で全反射が起こらない条件となる。同様に、ｎｇ＝１．４６の場合は、
　　　　　　　 θｔ＞４６．７７ｄｅｇ
が、ｎｇ＝１．５の場合は、
　　　　　　　 θｔ＞４８．１９ｄｅｇ
が、界面で全反射が起こらない条件となる。
　光ファイバ列ごとに異なる奥行き位置に結像されるレーザ光を出射するためには、ファイババンドルコンバイナ１２の先端角θｔはなるべく小さい方が好ましい。しかしながら、ファイババンドルコンバイナ１２の先端角θｔは、波長にもよるが、使用する光ファイバの所定波長における等価屈折率から、式（４）の条件を満たすように選ぶ必要がある。例えば、ＧｅＯ２ドープの石英系ファイバを使用する場合には、そのコア部分の等価屈折率ｎｇは、１．４６３～１．４６７（１．５５μｍ）程度である。したがって、石英系ファイバを使用する場合には、ファイババンドルコンバイナ１２の先端角θｔは、余裕を見て、４８度（ｄｅｇ）程度であることが好ましい。すなわち、図８の角度αでいうと、４２度程度が好ましい。
　なお、θａが９０度になるときのθｇは臨界角であり、θｇが臨界角以上の大きさであると、空間を遠くに伝搬する透過光は理論的には無いため、界面で全反射となる。
　図１０は、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの第２の配置例を示す図である。図１０でも、ファイババンドルコンバイナ１２で束ねられたファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの端部の断面を示している。第２の配置例は、各ファイバがその長手方向に垂直な断面上で六方最密格子を形成するように、ファイババンドルコンバイナ１２がファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂを束ねてファイババンドルを形成した場合である。上記の正方格子は最も単純な配置であるが、隣接する２×２の４本のファイバのコアを頂点とする正方形を考えると、その縦横方向のコアに対して対角線方向のコアは√２倍離れているため、その分余分に隙間ができる。第２の配置例のように六方最密格子とすれば、各ファイバが最密充填配置されるため、同じ本数のファイバをアレイ化して積層する際に、ファイババンドルの断面積を最小にすることができる。
　六方最密格子の場合、１つのレイヤに対応する各光ファイバ列２８の配置方向は、図１０に矢印で示したファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの配置方向に対して６０度傾いている。すなわち、六方最密格子の場合は、図１０において斜めの方向に同じ順序で並んだＲＧＢの光ファイバ列２８が、各ファイバの長手方向に垂直な断面上で各ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの配置方向に対して６０度傾いた方向に、１０レイヤ分積層されている。
　図１１は、第２の配置例におけるファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの出射端面の方向を示す図である。図１１に矢印で示したように、六方最密格子の場合も、各光ファイバ列２８に含まれるＲＧＢの光ファイバの出射光軸は、同一平面内に同じ順序で平行に配置されている。
　六方最密格子の場合も、正方格子の場合と同様に、１つのレイヤに対応する光ファイバ列２８の出射端面が投射レンズ３１に対して同じ距離になるように、ファイババンドルを斜めに研磨する。すなわち、図１０に１～１０の番号で示した各光ファイバ列２８について、出射端面から投射レンズ３１までの距離が同じになるように、ファイババンドルを斜めに研磨する。図１１に示した各ファイバの長手方向に垂直な断面に対するファイバの出射端面の角度αは、ファイバの屈折率により決まるが、正方格子の場合と同様に、４２度程度であることが好ましい。このファイババンドルから出射される各色レーザ光を投射レンズ３１にて位置・角度変換し、ＭＥＭＳミラー３２で２次元方向に走査することにより、体積ディスプレイ１の各レイヤに画像が投影される。
　図１２は、斜めに研磨されたファイババンドルと投射レンズ３１の位置関係を示す図である。図１２では、光モジュール１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの第２のファイバアレイ２５のうち、５本だけを示している。図１２に示すように、ファイババンドルを斜めに研磨すると、各色レーザ光は斜めに出射される。しかしながら、出射端面の傾きが一定なので、各色レーザ光はすべて同じ方向に出射され、各ＲＧＢの投影点は投影面上で等間隔に並ぶ。したがって、図１２に示すように、各ファイバの長手方向に対して斜めの位置に投射レンズ３１を配置することにより、斜めの研磨を行わない場合と同様に、各色レーザ光を投射レンズ３１にて位置・角度変換することができる。
　ここで、各ファイバの出射端面を斜めに研磨する１つ目の方法におけるファイババンドルコンバイナ１２の構造と製造方法について、図１３と図１４を用いて説明する。なお、上記では、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂはそれぞれ１０本の光ファイバで構成されるものとして説明してきたが、図１３および図１４では、簡単のため、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂとして３×４本のシングルモードファイバアレイを設ける場合の例を説明する。
　図１３は、各ファイバの出射端面を斜めに研磨する場合のファイババンドルコンバイナ１２の構造を模式的に示した斜視図である。また、図１４は、図１３に示したファイババンドルコンバイナ１２の製造方法の例を示したフローチャートである。
　まず、例えばダイシングマシンなどを使用して、ファイババンドルコンバイナ１２の材料となる石英ガラス１２ａを所定の幅および深さにハーフダイシングすることにより、石英ガラス１２ａに矩形溝１２１を形成する（ステップＳ１１）。次に、３×４本のシングルモードファイバアレイ２５’を矩形溝１２１に挿入し（ステップＳ１２）、ＵＶ接着剤を矩形溝１２１に浸透させる（ステップＳ１３）。続いて、ステップＳ１３で得られた石英ガラス１２ａの先端に、予めＵＶ接着剤を薄く塗布した石英ガラスのカバー１２ｂを被せる（ステップＳ１４）。そして、治具にて石英ガラス１２ａを固定し、紫外線照射により、カバー１２ｂおよび矩形溝１２１内の各ファイバを固定する（ステップＳ１５）。
　次に、ステップＳ１５で得られた石英ガラス１２ａを所定の箇所にて所定の角度で切断し、その後、上記の先端角θｔを有する面を出すように石英ガラス１２ａを研磨する（ステップＳ１６）。最後に、必要に応じて、研磨された石英ガラス１２ａの先端部分に対し、使用波長に合った反射防止（ＡＲ）コーティングを行う（ステップＳ１７）。これにより、図１３に示すような、各ファイバの出射端面が斜めに研磨されたファイババンドルを形成するファイババンドルコンバイナ１２が得られる。
　なお、図１４のステップＳ１１～１４については、大判の石英基板の状態で、一度に複数本を同時加工してもよい。その場合、ステップＳ１６の工程にて、石英基板を切断することにより、単個のファイババンドルコンバイナ１２が得られる。
　次に、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの投射レンズ３１側の先端にＧＩファイバを融着させる２つ目の方法について説明する。
　図１５は、ＧＩファイバ２９がそれぞれ先端に融着されたファイババンドルの模式図である。図１５では、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂが、断面上で正方格子を形成するように配置されている。各ファイバの配置は、六方最密格子でもよい。
　図１５に示すように、各ファイバの先端には、１つのレイヤに対応する光ファイバ列２８ごとに異なる長さのＧＩファイバ２９が融着されている。同じレイヤに対応する、各光ファイバ列２８について、各ＧＩファイバ２９の長さは同じである。各ＧＩファイバ２９は、先端が斜めに研磨されておらず、各ファイバの長手方向に対して垂直な出射端面を有する。ＧＩファイバを融着させる場合、ファイババンドルは、各ＧＩファイバ２９の出射端面から投射レンズ３１までの距離がすべて同じになるように、各ファイバの出射端面が揃えられる。
　このようなファイババンドルを形成するには、まず、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂとなる各ファイバの先端にＧＩファイバを融着したものを複数作成する。そして、各光ファイバ列２８に対応する光ファイバごとに融着位置をずらして配置し、固定する。その状態で、各ＧＩファイバの先端を研磨して長さを調整する。これにより、光ファイバ列２８ごとにＧＩファイバ２９の長さが異なるファイババンドルが形成される。
　ＧＩファイバ２９はマルチモードファイバであり、ファイバアレイ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの各ファイバよりコアが太い。このため、ＧＩファイバ２９の長さに応じて、出射端面から出射されるときの各色レーザ光の拡散角が変わる。１つの光ファイバ列２８の各ファイバは、同じ長さのＧＩファイバ２９が融着されているため、同じ拡散角を有する。そして、光ファイバ列２８ごとにＧＩファイバ２９の長さが異なることから、拡散角は光ファイバ列２８ごとに異なる。したがって、図１５の例では、１０層の異なる拡散角を有するファイババンドルが形成される。
　各光ファイバ列２８の拡散角が異なるため、ファイババンドルから出射される各色レーザ光を投射レンズ３１にて位置・角度変換し、ＭＥＭＳミラー３２で２次元方向に走査することにより、体積ディスプレイ１の各レイヤに画像を投影することができる。このため、ファイババンドルを斜めに研磨しなくても、体積ディスプレイ１のレイヤに合わせて結像位置を変えることができ、光ファイバ列２８ごとにファイバの長さを変えた（出射端面の位置を投射レンズ３１に対して前後させた）ときと同じ効果が得られる。
　なお、光ファイバ列２８ごとにＧＩファイバの長さを変える代わりに、すべて同じ長さで屈折率がそれぞれ異なるＧＩファイバを用いてもよい。
　上記した２つの方法により、体積ディスプレイ１では、光源部１０から出射される１０組のＲＧＢレーザ光の結像位置を１０層のレイヤに対応するように前後させる。これにより、ファイババンドルコンバイナにより束ねられたファイババンドルから各色レーザ光を出射することにより光の利用効率を高め、マルチカラー化された立体画像を投影する投影装置を実現することが可能になる。
　１　　体積ディスプレイ
　１０　　光源部
　１１，１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ　　光モジュール
　１２　　ファイババンドルコンバイナ
　２１　　ＬＤアレイ
　２４，２５，２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ　　ファイバアレイ
　２８　　光ファイバ列
　３０　　投影部
　３１　　投射レンズ
　３２　　ＭＥＭＳミラー

Claims (8)

  1. 　赤色のレーザ光を生成する複数の第１の光素子と、
    　前記複数の第１の光素子からの赤色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第１の光ファイバと、
    　緑色のレーザ光を生成する複数の第２の光素子と、
    　前記複数の第２の光素子からの緑色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第２の光ファイバと、
    　青色のレーザ光を生成する複数の第３の光素子と、
    　前記複数の第３の光素子からの青色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第３の光ファイバと、
    　前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバのうちの１本ずつを含む光ファイバ列が複数個積層されるように前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバの端部を固定してファイババンドルを形成するファイババンドルコンバイナと、
    　を有することを特徴とする光源装置。
  2. 　前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバは、前記光ファイバ列ごとに異なる奥行き位置に結像されるレーザ光を出射端面から出射する、請求項１に記載の光源装置。
  3. 　前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバは、レーザ光の出射端面から投影面までの距離が前記光ファイバ列ごとに異なるように、前記ファイババンドルの長手方向に対して端部が斜めに研磨されている、請求項２に記載の光源装置。
  4. 　前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバは、前記光ファイバ列ごとに異なる長さのＧＩファイバが端部に融着されている、請求項２に記載の光源装置。
  5. 　前記ファイババンドルコンバイナは、前記ファイババンドルの長手方向に対して垂直な断面上で前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバが六方最密格子を形成するように各ファイバを固定し、
    　複数個積層される前記光ファイバ列のそれぞれの配置方向が、前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバのそれぞれの配置方向に対して６０度傾いている、請求項３または４に記載の光源装置。
  6. 　前記ファイババンドルコンバイナは、前記ファイババンドルの長手方向に対して垂直な断面上で前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバが正方格子を形成するように各ファイバを固定し、
    　複数個積層される前記光ファイバ列のそれぞれの配置方向が、前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバのそれぞれの配置方向に対して垂直である、請求項３または４に記載の光源装置。
  7. 　前記光ファイバ列のそれぞれにおいて、第１の光ファイバ、第２の光ファイバおよび第３の光ファイバの出射光軸が同一平面内に同じ順序で平行に配置される、請求項１～６のいずれか一項に記載の光源装置。
  8. 　赤色、緑色および青色のレーザ光を複数組出射する光源部と、
    　前記各組のレーザ光を偏向させることにより２次元状に走査して、各組のレーザ光による画像を異なる奥行き位置に投影する投影部と、を有する投影装置であって、
    　前記光源部は、
    　赤色のレーザ光を出射する複数の第１の光素子と、
    　前記複数の第１の光素子からの赤色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第１の光ファイバと、
    　緑色のレーザ光を出射する複数の第２の光素子と、
    　前記複数の第２の光素子からの緑色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第２の光ファイバと、
    　青色のレーザ光を出射する複数の第３の光素子と、
    　前記複数の第３の光素子からの青色のレーザ光をそれぞれ導波する複数の第３の光ファイバと、
    　前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバのうちの１本ずつを含む光ファイバ列が複数個積層されるように前記複数の第１の光ファイバ、前記複数の第２の光ファイバおよび前記複数の第３の光ファイバの端部を固定してファイババンドルを形成するファイババンドルコンバイナと、を有し、
    　前記光ファイバ列のそれぞれは、前記各組のレーザ光を出射することを特徴とする投影装置。
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