CN105408805B - 光源装置以及投影装置 - Google Patents

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Abstract

提供具有提高光的利用效率、以使RGB的各色激光在不同的纵深位置处成像的方式配置的光纤阵列的光源装置。光源装置具有：多个光元件，分别生成红色、绿色以及蓝色的激光；多个第1、第2以及第3光纤，对来自多个光元件的红色、绿色以及蓝色的激光分别进行波导；以及光纤束组合器，以层叠多个光纤列的方式，固定多个第1～第3光纤的端部而形成光纤束，其中所述光纤列包括多个第1～第3光纤中的各1根。

Description

光源装置以及投影装置
技术领域
本发明涉及光源装置以及投影装置。
背景技术
已知立体地显示图像的图像显示装置。例如，在专利文献1中，记载了如下的图像显示装置：具有平面地按矩阵构成、并且在显示侧前端针对成为显示画面的最小单位的单个像素的每一个而长度不同的多个透明的光纤，和在该光纤的背面侧均匀地设置的光源。在该图像显示装置中，通过阶段性地改变显示侧前端处的光纤的长度，从而利用光纤前端面的相对的高度差，来对显示图像赋予纵深感。
另外，作为显示立体图像的三维显示装置，已知体积显示器(VolumetricDisplay)(参照例如专利文献2)。体积显示器通过利用MEMS(Micro Electro MechanicalSystem，微机电系统)反射镜等扫描来自光源的激光，在多个层状地配置的假想的屏幕的各个屏幕投影显示物体的截面的图像，从而组合多个图像来显示立体图像。特别是，已知如下的视网膜扫描型体积显示器：通过在视网膜上扫描成像位置互不相同的多道激光，对眼睛直接投影立体图像(参照例如非专利文献1)。
图16(A)以及图16(B)是用于说明视网膜扫描型体积显示器的原理的图。从与多个激光光源分别连接的多个光纤101，以例如在图中用黑圆所示在水平方向(纵深方向)的不同位置处成像的方式，发出多道激光。在图16(A)以及图16(B)中，通过实线、虚线表示从光纤101经由投射透镜102、103、104投影到观察者的眼睛105的4道激光。
多道激光被相互叠加而成为多焦点的波束，通过利用扫描仪106被观察者的眼睛105扫描，来形成多个图像被层状地叠加而成的立体图像。例如，如图16(A)所示，当观察者调节晶状体以使点A达到视网膜上时，对于观察者，看上去焦点聚合到较远的位置。相反地，当如图16(B)所示，观察者调节晶状体以使点B达到视网膜上时，对于观察者，看上去焦点聚合到较近的位置。像这样，观察者在观看体积显示器的图像时能够感知纵深。
对于体积显示器的激光光源，使用排列了大量光纤尾纤模块而成的结构。但是，在该情况下，由于装置整体变得大型，所以为了使装置小型化，优选对光源使用阵列型光模块。
在非专利文献1中，作为体积显示器的激光光源，记载了与多个LD(激光二极管)元件分别连接的光纤阵列。在非专利文献1的体积显示器中，通过一方与LD元件连接且另一端被倾斜地切断了的光纤阵列，使从各光纤的出射端面至视网膜的距离变化，来控制投影的图像的纵深方向的位置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭61-148485号公报
专利文献2：日本特开2005-500578号公报
非专利文献1：Brian T.Schowengerdt，Mrinal Murari，and Eric J.Seibel，“Volumetric Display using Scanned Fiber Array”，SID Symposium Digest ofTechnical Papers 41，pp.653-656(2010)
发明内容
在非专利文献1中，虽然提及了彩色图像的显示，但光源是红色激光器这1种颜色，对于多彩色化的情况下的各光纤的配置没有记载。考虑为了使体积显示器多彩色化，使用熔接型光纤组合器对红色、绿色以及蓝色(RGB)的激光进行合波，从而制出所有的颜色。但是，当使用熔接型光纤组合器时，由于从一方的波导向另一方的波导高效地耦合的耦合长根据波长而不同，所以难以与各波长配合地高精度地调节耦合长。因此，在相邻芯之间会发生串扰等，光的利用效率变低。
因此，本发明的目的在于提供一种具有以提高光的利用效率、使RGB的各色激光在不同的纵深位置处成像的方式来配置的光纤阵列的光源装置。另外，本发明的目的在于提供一种能够将多彩色化的图像投影到不同的纵深位置的投影装置。
一种光源装置，其特征在于，具有：多个第1光元件，生成红色的激光；多个第1光纤，对来自多个第1光元件的红色的激光分别进行波导；多个第2光元件，生成绿色的激光；多个第2光纤，对来自多个第2光元件的绿色的激光分别进行波导；多个第3光元件，生成蓝色的激光；多个第3光纤，对来自多个第3光元件的蓝色的激光分别进行波导；以及光纤束组合器，以层叠多个光纤列的方式，固定多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤的端部而形成光纤束，其中所述光纤列包括多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤中的各1根。
在上述光源装置中，优选的是，多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤从出射端面发出针对每个光纤列在不同的纵深位置成像的激光。
在上述光源装置中，优选的是，多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤的端部被相对于光纤束的长度方向倾斜地研磨，以使激光的出射端面至投影面的距离针对每个光纤列不同。
在上述光源装置中，优选的是，针对每个光纤列不同的长度的GI光纤被熔接到多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤的端部。
在上述光源装置中，优选的是，光纤束组合器以在相对光纤束的长度方向垂直的截面上使多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤形成六方最密格子的方式来固定各光纤，多个层叠的光纤列各自的配置方向相对于多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤各自的配置方向倾斜60度。
在上述光源装置中，优选的是，光纤束组合器以在相对光纤束的长度方向垂直的截面上使多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤形成正方格子的方式来固定各光纤，多个层叠的光纤列各自的配置方向相对于多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤各自的配置方向垂直。
在上述光源装置中，优选的是，在光纤列的每一个中，第1光纤、第2光纤以及第3光纤的出射光轴在同一平面内被按照相同的顺序平行地配置。
另外，一种投影装置，具有：光源部，发出多组的红色、绿色以及蓝色的激光；以及投影部，通过使各组的激光偏转而二维状地进行扫描，将基于各组的激光而得到的图像投影到不同的纵深位置，所述投影装置的特征在于，光源部具有：多个第1光元件，发出红色的激光；多个第1光纤，对来自多个第1光元件的红色的激光分别进行波导；多个第2光元件，发出绿色的激光；多个第2光纤，对来自多个第2光元件的绿色的激光分别进行波导；多个第3光元件，发出蓝色的激光；多个第3光纤，对来自多个第3光元件的蓝色的激光分别进行波导；以及光纤束组合器，以层叠多个光纤列的方式，固定多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤的端部而形成光纤束，其中光纤列包括多个第1光纤、多个第2光纤以及多个第3光纤中的各1根，光纤列的每一个发出各组的激光。
根据上述光源装置，能够通过光纤束组合器将各光纤捆束，而提高光的利用效率，使RGB的各色激光在不同的纵深位置处成像。另外，根据上述投影装置，能够使多彩色化的图像投影到不同的纵深位置。
附图说明
图1是眼镜型体积显示器1的立体图。
图2是体积显示器1的投影单元3的概略结构图。
图3(A)以及(B)是用于说明由体积显示器1进行的立体图像的投影的图。
图4是光源部10的概略结构图。
图5是光模块11的概略结构图。
图6是示出光模块11的制造工序的流程图。
图7是示出光纤阵列25R、25G、25B的第1配置例的图。
图8是示出第1配置例中的光纤阵列25R、25G、25B的出射端面的方向的图。
图9是用于对倾斜地研磨而得的各光纤的出射端面处的折射进行说明的图。
图10是示出光纤阵列25R、25G、25B的第2配置例的图。
图11是示出第2配置例中的光纤阵列25R、25G、25B的出射端面的方向的图。
图12是示出倾斜地研磨而得的光纤束与投射透镜31的位置关系的图。
图13是示意性地示出光纤束组合器12的构造的立体图。
图14是示出光纤束组合器12的制造方法的例子的流程图。
图15是分别在前端熔接了GI光纤29的光纤束的示意图。
图16(A)以及(B)是用于说明视网膜扫描型体积显示器的原理的图。
符号说明
1：体积显示器；10：光源部；11、11R、11G、11B：光模块；12：光纤束组合器；21：LD阵列；24、25、25R、25G、25B：光纤阵列；28：光纤列；30：投影部；31：投射透镜；32：MEMS反射镜
具体实施方式
以下，参照附图，对光源装置和投影装置详细地进行说明。然而，应注意的是，本发明的技术性范围不限于这些实施方式，而是包括权利要求书所记载的发明及其均等物。
以下，作为将光源装置用作光源部的投影装置的例子，说明眼镜型体积显示器。但是，关于投影装置，只要是使RGB的各色激光在不同的纵深位置成像而投影立体图像的体积显示器，则不限于眼镜型的例子。
图1是眼镜型体积显示器1的立体图。体积显示器1是佩戴于使用者的头部、使激光投影到使用者的视网膜而让使用者对图像进行视觉辨认的NTE(near-to-eye，近到眼)显示器。
如图1所示，体积显示器1具有眼镜型框架2、投影单元3、3’、以及半透半反镜4、4’。眼镜型框架2与一般的眼镜同样地，具有可佩戴于头部的形状。投影单元3、3’具有大致L形的形状，分别安装于左眼用和右眼用的透镜部分。在使用者将眼镜型框架2佩戴于头部时，以分别与使用者的左眼以及右眼对置的方式，在投影单元3、3’的前端部安装了半透半反镜4、4’。由于为了进行自然的立体显示还需要再现两眼视差，所以当然，安装右眼用和左眼用的投影单元，在各投影单元显示考虑了两眼视差的不同的图像。由于投影单元3、3’都具有相同的结构，所以以下对投影单元3进行说明。
图2是体积显示器1的投影单元3的概略结构图。投影单元3在内部具有光源部10、投影部30、以及控制部40。光源部10是光源装置的一个例子，发出与图像信号对应的强度的激光。投影部30对被传输的激光进行扫描而投影到使用者的左眼。控制部40根据待投影的图像的图像数据，来控制来自光源部10的各色激光的发光定时、发光强度等。
投影部30具有投射透镜31和MEMS反射镜32。投射透镜31对从光源部10发出的各色激光进行整形，使其被照射到MEMS反射镜32。MEMS反射镜32通过驱动部(未图示)在例如水平方向以及垂直方向上被高速地摇动。MEMS反射镜32使通过投射透镜31被会聚的各色激光Lb偏转而入射到使用者的左眼60，在其视网膜上二维状地扫描。像这样，体积显示器1将使用者的视网膜用作投影面，在其上投影图像。使用者通过在视网膜上被扫描的光，对与图像信号对应的图像进行视觉辨认。
如图2所示，从投影部30发出的激光Lb在半透半反镜4反射而入射到使用者的左眼60，并且外光La也透射半透半反镜4而入射到使用者的左眼60。即，体积显示器1是在基于外光La的外景重叠显示基于激光Lb的投影图像的、所谓穿透型的投影装置。但是，这是一个例子，投影装置可以不一定是穿透型。
图3(A)以及图3(B)是用于说明由体积显示器1进行的立体图像的投影的图。
图3(A)是示出纵深位置不同的层次50的图。体积显示器1的光源部10使RGB的各色激光在不同的纵深位置成像，形成多个图像被层状地叠加而成的立体图像。体积显示器1通过使二维图像叠加，使使用者感知投影图像的纵深。将纵深位置不同的这些各层考虑为假想的屏幕。以下，将这些各层称为“层次”。一般地，如果层次有6层左右，则使用者能够感知纵深。在体积显示器1中，例如将层次50设为10层，与该层次数对应地，在光源部10设置10组RGB激光光源。
图3(B)是示出成像位置根据出射点的前后位置而前后移动的图。如图3(B)所示，当将出射点51设于更靠近投射透镜31的位置A时，由于来自出射点51的光以更大的角度进入投射透镜31，所以在更远的位置A’成像。相反地，当将出射点51设于距投射透镜31更远的位置B时，由于来自出射点51的光以更小的角度进入投射透镜31，所以在更近的位置B’成像。因此，当使出射点51的位置相对于投射透镜31前后移动时，成像位置会前后移动。由此，在体积显示器1中，关于与10层的层次50对应的10组RGB激光，使出射点的位置相对于投射透镜31前后移动。然后，体积显示器1通过扫描出射点的位置互不相同的10组RGB激光，使图像在10层的层次50的每层中显示图像。
图4是光源部10的概略结构图。光源部10具有光模块11R、光模块11G、光模块11B、以及光纤束组合器12。
光模块11R是第1光模块的一个例子，经由光纤阵列25R发出红色的激光。光模块11G是第2光模块的一个例子，经由光纤阵列25G发出绿色的激光。光模块11B是第3光模块的一个例子，经由光纤阵列25B发出蓝色的激光。
在光源部10中，作为RGB各色的光源，使用各色专用的光模块。由于光模块11R、11G、11B具有相同的结构，所以以下，对它们不作区分而也简称为“光模块11”。
光纤束组合器12由例如石英玻璃构成，将来自各模块的光纤阵列25R、25G、25B捆束而固定，形成光纤束。特别是，光纤束组合器12以层叠多个包括光纤阵列25R、25G、25B中的各1根的3根光纤列的方式固定各光纤的端部，形成光纤束。像这样，在光源部10中，不是在RGB的合波之后进行捆束，而是将来自各光模块11的RGB的光纤用光纤束组合器12进行捆束。
光纤阵列25R、25G、25B的根数与体积显示器1的层次数对应地分别是10根。由此，在光源部10中，使RGB这3根光纤列层叠10组而阵列化。然后，各个光纤列发出在与10层的层次50对应的互不相同的纵深位置处成像的激光。
如上所述，从各光纤的出射端面发出的各色激光经由投射透镜31而被MEMS反射镜32扫描，而被投影到投影面(视网膜)上，。但是，仅通过用光纤束组合器12将RGB各光纤简单地捆束，由于各光纤的芯之间隔开距离，所以在RGB的各投影点之间发生位置偏移，图像看起来模糊。因此，通过预先测量各光纤的出射位置的偏移所致的投影图像的偏移，事先调节各层的RGB的发光定时和MEMS反射镜32的扫描定时，校正包括装配误差在内的投影图像的偏移。另外，控制部40利用例如飞行时间(TOF，time of flight)方式、图案投射法或者利用图像的模式识别等，通过测量从例如未图示的探测部照射红外线开始至接受其反射光为止的光的飞行时间，或者，通过根据用由近红外CMOS/CCD相机构成的图像传感器取得的图像的图像处理而进行的模式识别，来测量眼球的运动，进行眼睛跟踪。像这样，控制部40能够使投影图像根据眼球的运动而变化。
图5是光模块11的概略结构图。光模块11是为了与体积显示器1的各层次50对应地使相同波长(颜色)的光源复用(空间复用)，而设置了对应的颜色的LD阵列而成的阵列型光模块。光模块11具有硅基板20、LD阵列21、PD(发光二极管)阵列22、子基板23、第1光纤阵列24、第2光纤阵列25、光纤连接器26、以及驱动器IC27。LD阵列21、PD阵列22、子基板23、第1光纤阵列24以及驱动器IC27被安装于硅基板20上。
硅基板20是例如设置有从上表面贯通到底面的硅贯通电极(through-siliconvia：TSV)、经由在底面集中配置的焊锡凸块而与未图示的电路基板电连接的TSV型的基板。或者，硅基板20也可以是FPC(Flexible printed circuits，柔性印刷电路)型的基板。
LD阵列21是分别发出红色、绿色或者蓝色的相同颜色的激光的多个直接激光器。光模块11R的LD阵列21是多个第1光元件的一个例子，全部发出红色的激光。光模块11G的LD阵列21是多个第2光元件的一个例子，全部发出绿色的激光。光模块11B的LD阵列21是多个第3光元件的一个例子，全部发出蓝色的激光。LD阵列21通过来自驱动器IC27的电流供给被驱动。另外，LD阵列21被分别地调制，以进行与MEMS反射镜32同步的强度输出。
LD阵列21经由在硅基板20的上表面设置的微凸块，在硅基板20上以表面活性化接合的方式被安装。表面活性化接合是指，通过Ar(氩)等离子体处理等来去除覆盖着物质表面的氧化膜、灰尘(污染物)等惰性层而活性化，使表面能量高的原子彼此接触并施加高负荷，从而利用原子间的粘着力而在常温下接合。
或者，也可以将LD阵列21设为红外区域的激光器，以分别光耦合的方式，设置PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate，周期性极化铌酸锂)阵列(未图示)，将由各个LD元件生成的光波长变换为对应的颜色的激光并发出。光耦合是指，决定光元件的相互位置关系，使得能够将从一方的光元件所发出的光直接入射到另一方的光元件。
用光纤束组合器12将RGB这3根光纤列层叠10组而捆束，所以LD阵列21需要包括最低10个发出对应颜色的激光的LD元件。在LD元件中以一定的比例包括不合格品，但在将LD阵列21设为裸片的情况下，只有在各元件全部都安装了的状态下才能进行工作确认。因此，为了能够在老化测试(burning，通电工作老化)之后排除不合格品，在LD阵列21中包括10个以上的LD元件来附加一定程度的冗余性。
与光通信用的激光模块不同，在激光显示器用的激光模块中，波长频带(RGB)更宽。因此，在RGB的各色激光器中，需要改变材料、组成以及构造，晶片尺寸也不同。因此，由于对于每种颜色，LD元件的不合格率不同，所以需要考虑每种颜色的成品率的差异，来决定光模块11R、11G、11B的元件数。例如，为了稳定地得到与体积显示器1的层次数对应的10个合格品，需要针对每种颜色使LD阵列21的元件数变化。因此，在光源部10中，针对每种颜色使LD阵列21的元件数变化，使得例如光模块11R(红色激光器)为17个，光模块11G(绿色激光器)为15个，光模块11B(蓝色激光器)为16个。
例如，如果LD阵列21的元件数是15个，则即使在老化测试工序中产生最大5个不合格品，作为光模块仍为合格品。像这样，通过使LD阵列21具有冗余性，光模块11的成品率被改善。
PD阵列22是与LD阵列21的各元件对应地、在各LD元件的相对于激光的出射方向的背面侧设置的多个发光二极管。PD阵列22的各元件接受对应的LD元件的后方光，监视其光量。PD阵列22也与LD阵列21同样地，在硅基板20上以表面活性化接合的方式被安装。
LD元件由于老化而电流/光输出特性变动，所以为了将输出保持为恒定，优选为监视光量而进行反馈控制。因此，在光模块11中，以将各LD元件的光量保持为恒定的方式，PD阵列22监视各LD元件的光量，驱动器IC27根据检测出的光量，控制对各LD元件供给的驱动电流。
子基板23是在下表面形成了用于保持第1光纤阵列24的槽的、例如“コ”字型的基板。子基板23与硅基板20接合，固定第1光纤阵列24的端部。对于子基板23，使用硅基板或者玻璃基板。子基板23也与LD阵列21同样地，在硅基板20上以表面活性化接合的方式被安装。可以在子基板23的端部，作为耦合部件一体地设置GI(Graded Index，渐变折射率)透镜。另外，对于子基板23，可以代替“コ”字型的基板而使用V槽基板。
第1光纤阵列24是对从LD阵列21所发出的激光分别进行波导的、该波长下的少模光纤或者单模光纤。在对硅基板20接合了子基板23的状态下，第1光纤阵列24的端部与LD阵列21的各元件光耦合。第1光纤阵列24的根数与LD阵列21的元件数相同。例如，对于光模块11R、11G、11B，设为LD阵列21的元件数分别为17个、15个、16个，所以第1光纤阵列24也分别设为17根、15根、16根。另外，为了使与LD阵列21的各元件的调芯变得容易，对第1光纤阵列24，使用例如6μm等口径比较大的结构。
第2光纤阵列25是一端经由光纤连接器26与第1光纤阵列24光耦合、将来自LD阵列21的激光分别发出到光模块11的外部的、相关波长下的少模光纤或者单模光纤。光模块11R、11G、11B的第2光纤阵列25分别相当于图4所示的光纤阵列25R、25G、25B。在光模块11R、11G、11B的第2光纤阵列25中，与光纤连接器26相反的一侧的端部被光纤束组合器12固定，从其端部，分别发出对应的颜色的激光。
第2光纤阵列25的根数是与体积显示器1的层次数对应的10根。由于第2光纤阵列25的根数由体积显示器1的层次数决定，所以与第1光纤阵列24的根数不同，对于光模块11R、11G、11B相同。
由于对于第1光纤阵列24的根数，与LD阵列21的元件数相配合地附加了冗余度，所以第2光纤阵列25的根数比第1光纤阵列24的根数更少。因此，第2光纤阵列25经由光纤连接器26与第1光纤阵列24选择性地连接。第2光纤阵列25的连接目的地被选择为，在光模块11的制造过程中，通过老化测试排除LD阵列21的不合格品时，仅与合格品的LD元件连接。
另外，对于第2光纤阵列25，使用例如4μm等口径比第1光纤阵列24更小的结构。通过变换模场直径，LD阵列21侧的第1光纤阵列24设为大的直径(例如6μm)的光纤以易于调芯，在使用一对一的投射系统的情况下，眼球侧的第2光纤阵列25设为与视网膜的视觉细胞相配合的光纤直径(例如4μm)以显示不模糊的图像。
光模块11R的第1光纤阵列24和第2光纤阵列25是多个第1光纤的一个例子。光模块11G的第1光纤阵列24和第2光纤阵列25是多个第2光纤的一个例子。另外，光模块11B的第1光纤阵列24和第2光纤阵列25是多个第3光纤的一个例子。
光纤连接器26是连接第1光纤阵列24和第2光纤阵列25的连接器。对于光纤连接器26，可以使用市面销售的一般的构造的光纤连接器。
在硅基板20的上表面用焊锡安装驱动器IC27。驱动器IC27是驱动LD阵列21等的机构，至少包括控制LD阵列21的驱动所需的电流供给的机构。驱动器IC27优选为安装有数字接口，并且更为优选的是包括CPU、存储器等核心部分作为控制部。
图6是示出光模块11的制造工序的流程图。首先，将驱动器IC27焊接到硅基板20(步骤S1)。之后，将LD阵列21以及PD阵列22通过被动对准来表面活性化接合到硅基板20(步骤S2)。在步骤S2中，通过使设置于例如硅基板20、LD阵列21、PD阵列22的对准标志的位置对齐，来决定LD阵列21以及PD阵列22相对硅基板20的位置。像这样，通过首先焊接并且之后进行表面活性化接合，以不会对LD阵列21等光元件造成热影响的方式安装各元件。
在该状态下进行老化测试，确认在LD阵列21中是否包括不合格品(步骤S3)。接下来，将第1光纤阵列24固定到子基板23，将两者通过主动对准来表面活性化接合到硅基板20(步骤S4)。在步骤S4中，在使硅基板20与子基板23的相对位置变化的同时，使得从LD阵列21发出激光，根据经由第1光纤阵列24发出的光的强度，决定子基板23相对于硅基板20的位置。进而，使用粘接剂，加强子基板23的接合(步骤S5)。
然后，在第1光纤阵列24中，从与在步骤S3中被确认为合格品的LD元件连接的光纤中，选择与体积显示器1的层次数对应的10根光纤(步骤S6)。对第1光纤阵列24中的在步骤S6中被选择了的10根光纤，经由光纤连接器26连接第2光纤阵列25(步骤S7)。由此，光模块11的制造工序结束。
另外，也可以在步骤S4中将第1光纤阵列24和子基板23安装到硅基板20之后，进行步骤S3的老化测试。
像这样，在光模块11种，通过使LD元件和光纤阵列化，具有能够对LD元件和光纤一起调芯这样的优点。另外，通过在光模块11R、11G、11B中将按颜色区分的LD阵列21安装到硅基板20，能够按RGB的各个颜色、分开地像通常的LD元件那样对LD元件进行老化测试。然后，通过使LD阵列21具有冗余性，而能够在安装到硅基板20之后进行老化测试，从而光模块11的成品率被改善。
另外，通过按照激光的颜色区分而设置光模块11R、11G、11B，能够根据各色激光的材料、组成、构造等所致的不合格率，使LD阵列21的冗余性变化。由此，能够灵活地应对例如红色激光器由于材料廉价所以可以提高冗余性、而绿色激光器和蓝色激光器由于材料昂贵所以希望尽可能抑制冗余性这样的期望。
以下，说明使从光源部10发出的10组RGB激光的成像位置以与体积显示器1的10层的层次对应的方式而前后移动的具体的方法。
为了实现向多个层次的投影，有接下来的两种方法。在第1种方法中，以使与各层次对应的RGB这3根光纤列的出射端面距投射透镜31为相同距离的方式，将光纤阵列25R、25G、25B的出射端面相对于各色激光的出射方向倾斜地研磨。即，在第1种方法中，以使激光的出射端面至投影面的距离针对每个光纤列不同的方式，将各光纤的端部相对于光纤束的长度方向倾斜地研磨。另外，在第2种方法中，以使来自每3根RGB的各光纤列的激光的扩散角不同的方式，使GI光纤熔接到光纤阵列25R、25G、25B的投射透镜31侧的前端。以下，依次说明这两种方法。
首先，说明将光纤阵列25R、25G、25B的出射端面相对于各色激光的出射方向倾斜地研磨的第1种方法。在该情况下，根据通过光纤束组合器12捆束的各光纤的配置，研磨的方向不同。
图7是示出光纤阵列25R、25G、25B的第1配置例的图。在图7中，示出了由光纤束组合器12捆束的光纤阵列25R、25G、25B的端部的截面。第1配置例是以使各光纤在与其长度方向垂直的截面上形成正方格子的方式，光纤束组合器12捆束光纤阵列25R、25G、25B而形成了光纤束的情况。在正方格子的情况下，与1个层次对应的各光纤列28的配置方向相对于在图7中用箭头表示的光纤阵列25R、25G、25B的配置方向垂直。即，在正方格子的情况下，在图7中的垂直方向上按照相同的顺序排列的RGB的光纤列28在各光纤阵列25R、25G、25B的排列方向上被层叠了10层次的量。
图8是示出第1配置例中的光纤阵列25R、25G、25B的出射端面的方向的图。如在图8中用箭头所示，在相同平面内按照相同的顺序平行地配置了在各光纤列28中包含的RGB的光纤的出射光轴。
如使用图3(B)所说明的，需要将在1个层次中成像的RGB的出射点至投射透镜31的距离设为相同。因此，以使与1个层次对应的光纤列28的出射端面相对于投射透镜31成为相同的距离的方式，将光纤束倾斜地研磨。即，对于如在图7中用1～10的编号表示的各光纤列28，以使出射端面至投射透镜31的距离成为相同的方式，将光纤束倾斜地研磨。光纤的出射端面相对于与图8所示的各光纤的长度方向垂直的截面的角度α由光纤的折射率决定，如后所述优选为42度左右。通过对从该光纤束发出的各色激光利用投射透镜31进行位置/角度变换，利用MEMS反射镜32在二维方向上扫描，在体积显示器1的各层次中投影图像。
图9是用于说明倾斜地研磨而得的各光纤的出射端面处的折射的图。使用图9，说明各光纤的出射端面的优选的角度。
在图9中，针对光纤阵列25R、25G、25B中的1根光纤251，将出射端面(界面)附近放大示出。单模光纤(SMF)的芯材是例如石英玻璃，在界面处，从石英玻璃向空气中发出激光。如果将芯部分的等价折射率设为ng，将入射角设为θg，将空气的折射率设为na，将出射角设为θa，则根据斯涅耳定律，下式成立：
ng/sinθg＝na/sinθa (1)
此处，当设为na＝1时，根据式(1)，成为下式：
sinθa＝ng/sinθg (2)
另外，当将光纤束组合器12的前端角设为θt时，根据图9，成为下式：
θg＝π/2-θt (3)
前端角θt是出射端面相对于光纤251的长度方向的角度，与图8的角度α存在θt+α＝π/2的关系(即θg＝α)。当将式(3)代入到式(2)，考虑sinθa<1时，成为下式：
cosθt<1/ng(4)
例如，在ng＝1.43的情况下，根据式(4)，成为cosθt<0.699，所以
θt>45.63deg
成为在界面处不引起全反射的条件。同样地，在ng＝1.46的情况下，
θt>46.77deg
成为在界面处不引起全反射的条件。
在ng＝1.5的情况下，
θt>48.19deg
成为在界面处不引起全反射的条件。
为了发出针对每个光纤列在不同的纵深位置成像的激光，光纤束组合器12的前端角θt优选为尽可能小。然而，光纤束组合器12的前端角θt虽然还基于波长，但需要根据使用的光纤的规定波长下的等价折射率，以满足式(4)的条件的方式来选择。例如，在使用GeO2掺杂的石英系光纤的情况下，其芯部分的等价折射率ng是1.463～1.467(1.55μm)左右。因此，在使用石英系光纤的情况下，关于光纤束组合器12的前端角θt，优选为考虑余量而成为48度(deg)左右。即，图8的角度α优选为42度左右。
另外，θa为90度时的θg是临界角，当θg为临界角以上的大小时，在理论上没有传播到远处空间的透射光，所以在界面处发生全反射。
图10是示出光纤阵列25R、25G、25B的第2配置例的图。在图10中，也示出了通过光纤束组合器12捆束而得的光纤阵列25R、25G、25B的端部的截面。第2配置例是以使各光纤在与其长度方向垂直的截面上形成六方最密格子的方式，光纤束组合器12将光纤阵列25R、25G、25B捆束而形成了光纤束的情况。上述正方格子是最简单的配置，但由于当考虑以相邻的2×2这4根光纤的芯为顶点的正方形时，对角线方向的芯相对于其纵横方向的芯离开√2倍，所以相应地形成多余的间隙。如果如第2配置例那样设为六方最密格子，则由于各光纤被最密填充配置，所以在使相同的根数的光纤阵列化而层叠时，能够将光纤束的截面积设为最小。
在六方最密格子的情况下，与1个层次对应的各光纤列28的配置方向相对于在图10中用箭头表示的光纤阵列25R、25G、25B的配置方向倾斜了60度。即，在六方最密格子的情况下，在图10中在倾斜的方向上按照相同的顺序排列的RGB的光纤列28，在与各光纤的长度方向垂直的截面上相对于各光纤阵列25R、25G、25B的配置方向倾斜了60度的方向上，被层叠了10层次的量。
图11是示出第2配置例中的光纤阵列25R、25G、25B的出射端面的方向的图。如在图11用箭头所示，即使在六方最密格子的情况下，也在相同平面内按照相同的顺序平行地配置了在各光纤列28中包含的RGB的光纤的出射光轴。
即使在六方最密格子的情况下，也与正方格子的情况同样地，以使与1个层次对应的光纤列28的出射端面相对于投射透镜31成为相同的距离的方式，将光纤束倾斜地研磨。即，关于在图10中用1～10的编号表示的各光纤列28，以使出射端面至投射透镜31的距离成为相同的方式，将光纤束倾斜地研磨。光纤的出射端面相对于与图11所示的各光纤的长度方向垂直的截面的角度α由光纤的折射率决定，与正方格子的情况同样地，优选为42度左右。通过对从该光纤束发出的各色激光利用投射透镜31进行位置/角度变换，利用MEMS反射镜32在二维方向上扫描，从而在体积显示器1的各层次中投影图像。
图12是示出倾斜地研磨而得的光纤束与投射透镜31的位置关系的图。在图12中，在光模块11R、11G、11B的第2光纤阵列25中，仅示出了5根。当如图12所示，将光纤束倾斜地研磨时，倾斜地发出各色激光。但是，因为出射端面的斜率恒定，所以各色激光全部在相同的方向上被发出，各RGB的投影点在投影面上等间隔地排列。因此，通过如图12所示，在相对于各光纤的长度方向倾斜的位置配置投射透镜31，能够与不进行倾斜的研磨的情况同样地，对各色激光利用投射透镜31进行位置/角度变换。
此处，使用图13和图14来说明将各光纤的出射端面倾斜地研磨的第1种方法中的光纤束组合器12的构造和制造方法。另外，在上述中，说明为光纤阵列25R、25G、25B分别由10根光纤构成，但在图13以及图14中，为了简化，对作为光纤阵列25R、25G、25B设置3×4根的单模光纤阵列的情况的例子进行说明。
图13是示意地示出将各光纤的出射端面倾斜地研磨的情况下的光纤束组合器12的构造的立体图。另外，图14是示出图13所示的光纤束组合器12的制造方法的例子的流程图。
首先，通过使用例如切割机等，将成为光纤束组合器12的材料的石英玻璃12a半切割到规定的宽度以及深度，在石英玻璃12a中形成矩形槽121(步骤S11)。接下来，将3×4根的单模光纤阵列25’插入矩形槽121(步骤S12)，使UV粘接剂渗透到矩形槽121(步骤S13)。接下来，在步骤S13中所得到的石英玻璃12a的前端，覆盖预先薄薄地涂覆了UV粘接剂的石英玻璃的罩12b(步骤S14)。然后，利用夹具固定石英玻璃12a，通过紫外线照射，固定罩12b以及矩形槽121内的各光纤(步骤S15)。
接下来，将在步骤S15中所得到的石英玻璃12a在规定的部位以规定的角度切断，之后，研磨石英玻璃12a，以使具有上述前端角θt的面伸出(步骤S16)。最后，根据需要，针对研磨而得的石英玻璃12a的前端部分，进行与使用波长相配合的反射防止(AR)涂覆(步骤S17)。由此，得到图13所示那样的、形成各光纤的出射端面被倾斜地研磨而得的光纤束的光纤束组合器12。
另外，对于图14的步骤S11～14，可以在大号的石英基板的状态下，一起同时加工多根。在该情况下，通过在步骤S16的工序中切断石英基板，得到单个光纤束组合器12。
接下来，说明在光纤阵列25R、25G、25B的投射透镜31侧的前端熔接GI光纤的第2种方法。
图15是GI光纤29被分别熔接到前端而得的光纤束的示意图。在图15中，光纤阵列25R、25G、25B被配置成在截面上形成正方格子。各光纤的配置也可以是六方最密格子。
如图15所示，在各光纤的前端，针对与1个层次对应的每个光纤列28，熔接了不同的长度的GI光纤29。对于与相同的层次对应的各光纤列28，各GI光纤29的长度相同。各GI光纤29的前端未被倾斜地研磨，而各GI光纤29具有相对于各光纤的长度方向垂直的出射端面。在使GI光纤熔接的情况下，在光纤束中，以使各GI光纤29的出射端面至投射透镜31的距离全部相同的方式，使各光纤的出射端面对齐。
为了形成这样的光纤束，首先，制作多个在成为光纤阵列25R、25G、25B的各光纤的前端熔接了GI光纤而成的结构。然后，针对与各光纤列28对应的每个光纤，错开熔接位置地配置并固定。在该状态下，研磨各GI光纤的前端来调节长度。由此，针对每个光纤列28，形成GI光纤29的长度不同的光纤束。
GI光纤29是多模光纤，芯比光纤阵列25R、25G、25B的各光纤更粗。因此，根据GI光纤29的长度，从出射端面发出时的各色激光的扩散角变化。由于1个光纤列28的各光纤被熔接相同长度的GI光纤29，所以具有相同的扩散角。另外，由于针对每个光纤列28，GI光纤29的长度不同，所以扩散角针对每个光纤列28而不同。因此，在图15的例子中，形成10层具有不同的扩散角的光纤束。
由于各光纤列28的扩散角不同，所以通过针对从光纤束发出的各色激光利用投射透镜31进行位置/角度变换，利用MEMS反射镜32在二维方向上扫描，从而能够在体积显示器1的各层次中投影图像。因此，即使未将光纤束倾斜地研磨，也能够与体积显示器1的层次相配合地改变成像位置，得到与针对每个光纤列28而改变了光纤的长度(使出射端面的位置相对于投射透镜31前后移动)时相同的效果。
另外，也可以代替针对每个光纤列28使GI光纤的长度变化，而使用全部为相同的长度而折射率各自不同的GI光纤。
通过上述两种方法，在体积显示器1中，使从光源部10发出的10组RGB激光的成像位置与10层的层次对应地前后移动。由此，通过从利用光纤束组合器来捆束而得的光纤束发出各色激光，从而能够实现提高光的利用效率、投影多彩色化的立体图像的投影装置。

Claims (5)

1.一种光源装置，其特征在于，具有：
多个第1光元件，生成红色的激光；
多个第1光纤，对来自所述多个第1光元件的红色的激光分别进行波导；
多个第2光元件，生成绿色的激光；
多个第2光纤，对来自所述多个第2光元件的绿色的激光分别进行波导；
多个第3光元件，生成蓝色的激光；
多个第3光纤，对来自所述多个第3光元件的蓝色的激光分别进行波导；以及
光纤束组合器，以层叠多个光纤列的方式，固定所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤的端部而形成光纤束，其中所述光纤列包括所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤中的各1根，
所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤从出射端面发出针对每个所述光纤列在不同的纵深位置成像的激光，
GI光纤被熔接到所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤的端部，所述GI光纤的长度针对每个所述光纤列不同。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，
所述光纤束组合器以在相对于所述光纤束的长度方向垂直的截面上使所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤形成六方最密格子的方式来固定各光纤，
多个层叠的所述光纤列各自的配置方向相对于所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤各自的配置方向倾斜60度。
3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，
所述光纤束组合器以在相对于所述光纤束的长度方向垂直的截面上使所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤形成正方格子的方式来固定各光纤，
多个层叠的所述光纤列各自的配置方向相对于所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤各自的配置方向垂直。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的光源装置，其特征在于，
在所述光纤列的每一个中，第1光纤、第2光纤以及第3光纤的出射光轴在同一平面内被按照相同的顺序平行地配置。
5.一种投影装置，具有：
光源部，发出多组的红色、绿色以及蓝色的激光；以及
投影部，通过使各组的所述激光偏转而二维状地进行扫描，将基于各组的激光而得到的图像投影到不同的纵深位置，
所述投影装置的特征在于，
所述光源部具有：
多个第1光元件，发出红色的激光；
多个第1光纤，对来自所述多个第1光元件的红色的激光分别进行波导；
多个第2光元件，发出绿色的激光；
多个第2光纤，对来自所述多个第2光元件的绿色的激光分别进行波导；
多个第3光元件，发出蓝色的激光；
多个第3光纤，对来自所述多个第3光元件的蓝色的激光分别进行波导；以及
光纤束组合器，以层叠多个光纤列的方式，固定所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤的端部而形成光纤束，其中所述光纤列包括所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤中的各1根，
所述光纤列的每一个发出所述各组的激光，
所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤从出射端面发出针对每个所述光纤列在不同的纵深位置成像的激光，
GI光纤被熔接到所述多个第1光纤、所述多个第2光纤以及所述多个第3光纤的端部，所述GI光纤的长度针对每个所述光纤列不同。
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