CN112534320A - 光合波器、光源模块、二维光扫描装置以及图像投射装置 - Google Patents

光合波器、光源模块、二维光扫描装置以及图像投射装置 Download PDF

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CN112534320A CN201880096180.4A CN201880096180A CN112534320A CN 112534320 A CN112534320 A CN 112534320A CN 201880096180 A CN201880096180 A CN 201880096180A CN 112534320 A CN112534320 A CN 112534320A
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胜山俊夫
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Abstract

涉及光合波器、光源模块、二维光扫描装置以及图像投射装置，在不设置附加的光衰减要素的情况下将来自光源的光束强度衰减至期望的值。对设置于光合波部的光耦合部进行设定，使得从多个光源输入到各个输入光波导路的光束的强度在从输出光波导路作为合波光而输出的阶段在5dB～40dB的范围内衰减。

Description

光合波器、光源模块、二维光扫描装置以及图像投射装置
技术领域
本发明涉及光合波器、光源模块、二维光扫描装置以及图像投射装置，例如，涉及用于在不设置附加的光衰减要素的情况下将来自光源的光束强度衰减至期望的值的结构等。
背景技术
以往，作为对多个激光束等光束进行合波并作为一个光束放射的装置，公知有各种类型的光束合波光源装置。其中，组合半导体激光器和光波导路型合波器而得到的光束合波光源装置具有使装置小型化、低电力化的优点，应用于激光束扫描型彩色图像投射装置(例如，参照专利文献1至专利文献6)。
作为现有的组合半导体激光器和光波导路型光合波器而得到的光束合波光源，例如，具有专利文献3所示那样的对三原色的激光束进行合波的光束合波光源。
图19是本发明人的现有的光合波器的概念的结构图(参照专利文献2)。具有由芯部层和包覆层构成的输入光波导路23～25、光合波部40以及输出光波导路27，输入光波导路23在光合波部40的光耦合器41、42中与输入光波导路24进行光耦合。输入光波导路25在光合波部40的光耦合器43中与输入光波导路24进行光耦合。
蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32、红色半导体激光器芯片33设置于与各色对应的输入光波导路23～25的入射端。这里，光束在输入光波导路23～25的芯部层中传播，在光合波器40中进行合波之后从作为输入光波导路24的延长部的输出光波导路27的出射端作为合波光而射出。
图20是本发明人提出的二维光扫描装置的概略立体图(参照专利文献6)，只要在形成有可动反射镜部63的基板61上设置光合波器62，并使蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32以及红色半导体激光器芯片33与该光合波器62耦合即可。可动反射镜部63被小型化，因此即使在与产生光束的光源一体化的情况下，一体化后的整体尺寸也能够变小。尤其是，在光束从半导体激光器芯片或光合波器射出的光源的情况下，该半导体激光器芯片或光合波器只要形成在Si基板或金属板基板之上即可，因此通过在该基板上形成光源和二维光扫描反射镜装置，具有一体化后的整体尺寸也能够变小的效果。
图21是本发明人提出的图像投射装置的概略的立体图(参照专利文献6)，只要组合上述的二维扫描装置、对电磁线圈64施加二维光扫描信号而使从光源射出的出射光进行二维扫描的二维扫描控制部以及将进行扫描的出射光投射到被投射面的图像形成部即可。另外，作为图像投射装置，眼镜型视网膜扫描显示器是典型的
以往，在这种光束合波光源装置中，努力进行了用于使从半导体激光器输出至光源装置输出的传递效率最大化的开发。通过改善半导体激光器与光合波器的光波导路之间的耦合效率和光合波效率，能够具有90％以上的传递效率。在该情况下，当使当前的半导体激光器以额定输出进行动作时，合波器输出为几mW。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-242207号公报
专利文献2：日本特开2013-195603号公报
专利文献3：国际公开第2015/170505号
专利文献4：美国专利申请公开2010/0073262号说明书
专利文献5：国际公开第2017/065225号
专利文献6：日本特开2018-072591号公报
非专利文献
非专利文献1：IEEE Photonics technology Letters,Vol.19,No.5,pp,330-332,March 1,2007
发明内容
发明要解决的课题
另一方面，在作为合波光源装置的主要应用对象的视网膜扫描型显示器中，最终向观察者瞳孔入射的光功率为10μW左右。在以小电流来驱动半导体激光器以减小瞳孔入射光功率的情况下，由于自然发光成分，因此存在光动态范围缩小的问题。另一方面，如果为了抑制自然发光成分而使最低电平驱动电流大幅小于阈值电流，则存在高速光调制变难的问题。即，根据要显示的图像的每个像素的明亮度，半导体激光器的驱动电流发生变化，但为了可靠地进行高速调制，期望将驱动电流的变化范围设为阈值电流以上。但是，在该情况下，即使将驱动电流设为最小值(阈值电流值)以显示最低亮度(黑电平)，也会存在由自然发光引起的残留光，驱动电流最大时的光量(白电平)与该残留光之比成为对比度。在驱动电流最大值足够大的情况下，白电平光量很大，因此能够充分确保所需的对比度。但是，在视网膜扫描型显示器中所需的光功率小，因此需要将驱动电流最大值设定得较低。当将驱动电流最大值设定得较低时，白电平光量变小，另一方面，黑电平的残留光量在驱动电流最小值保持为阈值的情况下不变，因此对比度降低。在将驱动电流最大值设定得较低的情况下，为了提高对比度，需要将接近黑电平的像素的驱动电流设定为阈值以下并减小自然发光量。在该情况下也是，在通常像素时，半导体激光器以阈值电流以上被驱动，仅在显示接近黑电平的像素时驱动电流暂时地切换到阈值电流以下。该比率依赖于图像内容。
作为降低光功率的其他方法，具有将光吸收体、反射体或者光轴偏移耦合部等光衰减要素插入到光路中的方法。在该情况下，除了需要产生光衰减的附加要素之外，还担心由于附加光学要素的特性变化或者对准变动而导致可靠性降低。
本发明的目的在于，在具有输入光波导路、输出光波导路以及光合波部的光合波器中，在不设置附加的光衰减要素的情况下将来自光源的光束强度衰减至期望的值。
用于解决课题的手段
在一个方式中，光合波器具有：至少包含有第1输入光波导路和第2输入光波导路的多个输入光波导路；以及输出光波导路，其具有光合波部，该输出光波导路的至少一部分是直线状的光波导路，所述第1输入光波导路具有在所述光合波部中与所述输出光波导路进行光耦合的第1光耦合部，所述第2输入光波导路具有在所述光合波部中与所述输出光波导路进行光耦合的第2光耦合部，对所述第1光耦合部进行设定，使得输入到所述第1输入光波导路的光束相对于从所述输出光波导路输出的光束的衰减量为5dB～40dB的范围，对所述第2光耦合部进行设定，使得输入到所述第2输入光波导路的光束相对于从所述输出光波导路输出的光束的衰减量为5dB～40dB的范围。
在其他方式中，光源模块具有上述的光合波器和多个光源，该多个光源向所述光合波器入射所述光束。
进而，在其他方式中，二维光扫描装置具有上述的光源模块和二维光扫描反射镜装置，该二维光扫描反射镜装置使来自所述光源模块的合波光进行二维扫描。
进而，在其他方式中，图像投射装置具有上述的二维光扫描装置和图像形成部，该图像形成部将借助所述二维光扫描反射镜装置进行扫描的所述合波光投射到被投射面。
发明效果
作为一个侧面，在具有输入光波导路、输出光波导路以及光合波部的光合波器中，能够在不设置附加的光衰减要素的情况下将来自光源的光束强度衰减至期望的值。通过使用该光合波器，能够获得具有在对比度方面具有高可靠性的视网膜扫描型显示器。
附图说明
图1是本发明的实施方式的光合波器的概念的俯视图。
图2是本发明的实施例1的光合波器的概念的结构图。
图3是本发明的实施例1的光合波器中的红色光束的传播状态的说明图。
图4是本发明的实施例1的光合波器中的绿色光束的传播状态的说明图。
图5是本发明的实施例1的光合波器中的蓝色光束的传播状态的说明图。
图6是本发明的实施例2的光合波器的概念的俯视图。
图7是本发明的实施例2的光合波器中的红色光束的传播状态的说明图。
图8是本发明的实施例2的光合波器中的绿色光束的传播状态的说明图。
图9是本发明的实施例2的光合波器中的蓝色光束的传播状态的说明图。
图10是本发明的实施例3的光合波器的概念的俯视图。
图11是本发明的实施例4的光合波器的概念的俯视图。
图12是本发明的实施例5的光合波器的概念的俯视图。
图13是本发明的实施例6的光合波器的概念的俯视图。
图14是本发明的实施例7的光合波器的概念的俯视图。
图15是本发明的实施例8的光源模块的概念的结构图。
图16是本发明的实施例9的光源模块的概念的结构图。
图17是本发明的实施例10的光源模块的概念的结构图。
图18是本发明的实施例11的光源模块的概念的结构图。
图19是本发明人的现有的光合波器的概念的俯视图。
图20是现有的二维光扫描装置的一例的概略的立体图。
图21是现有的图像形成装置的概略的立体图。
具体实施方式
这里，参照图1对本发明的实施方式的光合波器的一例进行说明。图1是本发明的实施方式的光合波器的概念的俯视图。另外，这里，添加了光源111～113而以光源模块的形式进行说明。如图1所示，本发明的实施方式的光合波器至少具有：包含有第1输入光波导路4和第2输入光波导路5的多个输入光波导路4～6；以及输出光波导路2，其具有光合波部3，该输出光波导路2的至少一部分是直线状的光波导路。第1输入光波导路4具有在光合波部3中与输出光波导路2进行光耦合的第1光耦合部71、72，第2输入光波导路5具有在光合波部3中与输出光波导路2进行光耦合的第2光耦合部8。另外，作为光源111～113，半导体激光器是典型的光源，但也可以是借助发光二极管(LED)或光纤的光源。
在该情况下，对第1光耦合部71、72进行设定，使得输入到第1输入光波导路4的光束相对于从输出光波导路2输出的光束的衰减量总计为5dB～40dB的范围。对第2光耦合部8进行设定，使得输入到第2输入光波导路5的光束相对于从输出光波导路2输出的光束的衰减量为5dB～40dB的范围。
即，虽然依赖于半导体激光器的额定输出PId(＝1mW～10mW)、与光波导路的耦合损耗αcp以及显示器光学系统的传递损耗αsys，但针对从入射到输入光波导路4～6的入射功率至从输出光波导路2输出的光合波输出功率的光衰减量αmpx(＝10log(Pld/Pdp)-αcp-αsys)的要求值为5dB～40dB，更优选为10dB～30dB的范围。其中，Pdp是所需显示器光功率，为1μW～10μW左右。此外，损耗(αcp+αsys)为15dB以下。如果衰减量小于5dB，则即使在PId为最小1mW并且损耗(αcp+αsys)为最大15dB的情况下，显示器光功率也会成为超过所需范围Pdp的值。另一方面，如果衰减量大于40dB，则无法获得所需的光量。另外，光合波部3的各光波导路的终端以出射光不会混入合波光的配置实际上延伸至基板1的端部(在以下的各实施例的附图中也是同样的)。另外，输入光波导路的数量是任意的，可以是两条，也可以是四条以上，在四条以上的情况下，可以除了三原色以外增加黄色和红外线光。另外，衰减率是通过构成各光耦合部(71、72、8、10)的定向耦合器的长度和构成定向耦合器的光波导路之间的间隔等来设定的。
输出光波导路2可以至少在出射端附近以外的区域是直线状的光波导路，在出射端附近像图中虚线所示的屈曲部12那样相对于直线状的光波导路(2)以85°～95°的角度倾斜。这样，通过设置屈曲部12，能够可靠地防止从光合波部3的光耦合部71、72、8漏出的杂散光与合波光重叠。
作为多个输入光波导路，可以设置有第3输入光波导路6，第3输入光波导路6兼用作输出光波导路2的入射端侧的光波导路。第1输入光波导路4在与光合波部3进行光耦合的前级设置有对入射到第1输入光波导路4的光束进行分波的第3光耦合10。另外，由此，设置有与第1输入光波导路4进行光耦合的光废弃用光波导路9。在该情况下，第1光耦合部可以隔着第2光合波部8而分离成两个光合波部71、72。
也可以是，多个输入光波导路具有第3输入光波导路6，在第3输入光波导路6上设置有在第2光耦合器5的前级与第2输入光波导路5进行光耦合的第3光耦合部。或者可以是，多个输入光波导路具有第3输入光波导路6，在第3输入光波导路6上设置有在光合波部3中与输出光波导路2进行光耦合的第3光耦合部。
另外，作为光合波部2，至少对红色光、蓝色光以及绿色光这三原色进行合波的光合波部是典型的。在该情况下，与输出光波导路2进行光耦合的顺序是任意的，例如，可以将光源111设为蓝色，也可以设为红色或者绿色。
或者，可以使多个输入光波导路4～6的输入端附近的波导方向相对于直线状的光波导路(2)以85°～95°的角度倾斜。通过这样配置，能够减小光合波器的长度方向的尺寸，并且能够降低来自光源的杂散光的影响。另外，输出光波导路2的输出端只要相对于光合波部3的直线状的光波导路(2)的光轴倾斜90°即可，但考虑到制造误差等，采用85°～95°。
可以是，将多个光源111～113配置于基板1的一条边侧，使得多个输入光波导路4～6的输入端附近的波导方向与光合波部3的直线状的光波导路(2)的光轴成85°～95°的角度。或者，可以是，将多个光源111～113中的至少一个(111)配置于基板1的第1边侧，并且将其余的光源(112、113)配置于与第1边对置的第2边，使得多个输入光波导路4～6的输入端附近的波导方向与光合波部3的直线状的光波导路(2)的光轴成85°～95°的角度。
另外，作为基板1，可以是Si基板、玻璃基板、金属基板、塑料基板等任意基板。此外，作为下部包覆层、芯部层以及上部包覆层的材料，可以使用SiO2玻璃系的材料，但也可以使用这之外的材料，例如丙烯酸树脂等透明塑料或其他透明材料。
为了形成光源模块，可以如图1所示，组合上述的各种光合波器和向光合波器入射光束的多个光源111～113。作为该情况下的光源111～113，半导体激光器是典型的，但也可以是发光二极管。此外，也可以在多个光源111～113与光合波器的多个输入光波导路4～6之间设置有透镜。此外，也可以采用将光纤出射端设置在光源的位置而将来自光纤的出射光引导到光合波部3的光源装置来代替光源111～113。
为了形成二维光扫描装置，可以组合图20所示的二维光扫描装置的光合波器62和上述的各种光合波器。而且，为了形成图像投射装置，可以如图21所示，组合上述的二维扫描装置、对电磁线圈64施加二维光扫描信号以使从光源射出的出射光进行二维扫描的二维扫描控制部以及将进行扫描的出射光投射到被投射面的图像形成部。作为图像投射装置，眼镜型视网膜扫描显示器(例如，参照专利文献2)是典型的。本发明的实施方式的图像投射装置例如是使用眼镜型的佩戴器具等而佩戴于使用者的头部的(例如，参照专利文献4)。
另外，作为各光波导路的构造，可以是用共用的上部包覆层来覆盖各芯部层的构造，也可以是用单独的上部包覆层来覆盖各芯部层的构造，或者可以是，用单独的下部包覆层和单独的上部包覆层来覆盖各芯部层的构造。
实施例1
这里，参照图2至图5对本发明的实施例1的光合波器进行说明。图2是本发明的实施例1的光合波器的概念的结构图，图2的(a)是概略的俯视图，图2的(b)是输入端侧的剖视图。另外，本发明的实施例1的光合波器是在图19所示的现有的光合波器中设置有光废弃用光波导路的光合波器，这里，为了易于理解发明，添加了光源而图示为光源模块。如图2的(a)所示，将来自蓝色半导体激光器芯片31的光束输入给输入光波导路23，将来自绿色半导体激光器芯片32的光束输入给输入光波导路24，将来自红色半导体激光器芯片33的光束输入给输入光波导路25。输入光波导路23～25与光合波部40的光波导路连接，由光合波部40进行合波后的合波光从输出光波导路27的输出端输出。另外，输出光波导路27的输出端可以是简单的劈开面等平面，但例如可以使用光斑尺寸转换器等来控制光束形状。
如图2的(b)所示，关于各光波导路，通过将设置在厚度为1mm的(100)面的Si基板21上的厚度为20μm的SiO2层22作为下部包覆层，对设置在SiO2层22上的掺Ge的SiO2玻璃进行刻蚀来形成宽度×高度为2μm×2μm的芯部层，在芯部层上设置由芯部层上的厚度为9μm的SiO2层构成的上部包覆层26(SiO2层22上的厚度为11μm)，由此形成输入光波导路23～25、光废弃用光波导路28以及光合波部40的各光波导路和输出波导路27。该情况下的芯部层与包覆层的折射率差为0.5％。
这里，光合波部40的尺寸为长度3mm、宽度3.1mm。光耦合部41的长度为350μm，光耦合部42的长度为240μm，光耦合部43的长度为200μm，光耦合部44的长度为1200μm。蓝色半导体激光器芯片31的发光波长为450nm，绿色半导体激光器芯片32的发光波长为520nm，红色半导体激光器芯片33的发光波长为638nm。
将蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32以及红色半导体激光器芯片33的出射口安装为分别在横向和高度方向上与输入光波导路23～25的入射口一致，并且与输入光波导路23～25的入射端之间的间隔为10μm。
图3是本发明的实施例1的光合波器中的红色光束的传播状态的说明图，图3的(a)是将模拟结果图像化的图，图3的(b)是临摹图3的(a)的图。入射到输入光波导路25的红色光束的入射功率的73％在光耦合部43中移动到输出光波导路27，但之后立刻功率的大部分在光耦合部42中移动到输入光波导路23的后半部，最终从光力光波导路27的输出为入射功率的3.5％(光衰减量为14.6dB)。
图4是本发明的实施例1的光合波器中的绿色光束的传播状态的说明图，图4的(a)是将模拟结果图像化的图，图4的(b)是临摹图4的(a)的图。入射到输入光波导路24的绿色光束的入射功率的大部分在光耦合部41、42中移动到输入光波导路23的后半部，最终从输出光波导路27的输出为入射功率的5.1％(光衰减量为12.9dB)。
图5是本发明的实施例1的光合波器中的蓝色光束的传播状态的说明图，图5的(a)是将模拟结果图像化的图，图5的(b)是临摹图5的(a)的提。入射到输入光波导路23的蓝色光束的入射功率的89％在光耦合部44中转移到光废弃光波导路28，残留于输入光波导路23的光功率的约一半即入射光功率的4.7％(光衰减量为13.3dB)经由光耦合部41和光耦合部42而移动到输出光波导路27，成为合波光输出。
在本发明的实施例1中，仅是在制造工序已确立并且特性已确认的图19的现有例的光合波器中设置了伴有光耦合部44的光废弃用光波导路28，并且将已知的光耦合器的耦合系数设为了大致一半，因此能够独立地设定针对蓝色光束的衰减量，设计变得容易。另外，在实施例1中，也可以像图1中虚线所示那样，使输出光波导路27的出射端侧屈曲。
实施例2
接下来，参照图6至图9对本发明的实施例2的光合波器进行说明。图6是本发明的实施例2的光合波器的概念的俯视图。这里也是，为了易于发明，添加了光源而图示为光源模块。如图6所示，该光合波部45与输入光波导路23～25和输出光波导路27一同形成光合波器。构成为蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32、红色半导体激光器芯片33的放射光不是直接耦合到输出光波导路27，合波光输出全部是从输入光波导路23～25经由光合波部45而移动到输出光波导路27的。
作为光源的蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32、红色半导体激光器芯片33排列配置于光合波器的入射端面侧。从蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32、红色半导体激光器芯片33射出的光束分别在光波导路23～25中传播而被引导到光合波部45。另外，输出光波导路27的输出端可以是简单的劈开面等平面，例如，可以使用光斑尺寸转换器等来控制光束形状。
关于各光波导路，通过将设置在厚度为1mm的(100)面的Si基板上的厚度为20μm的SiO2层作为下部包覆层，对设置在SiO2层上的掺Ge的SiO2玻璃进行刻蚀来形成宽度×高度为2μm×2μm的芯部层，在芯部层上设置由芯部层上的厚度为9μm的SiO2层构成的上部包覆层，由此形成输入光波导路23～25、光合波部45的各光波导路以及输出波导路27。该情况下的芯部层与包覆层的折射率差为0.5％。这里，光合波部45的尺寸为长度2mm、宽度3.1mm。
光耦合部46的长度为100μm，光耦合部47的长度为6μm，光耦合部48的长度为12μm。蓝色半导体激光器芯片31的发光波长为450nm，绿色半导体激光器芯片32的发光波长为520nm，红色半导体激光器芯片33的发光波长为638nm。
将蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32以及红色半导体激光器芯片33的出射口安装为分别在横向和高度方向上与输入光波导路23～25的入射口一致，并且与输入光波导路23～25的入射端之间的间隔为10μm。
图7是本发明的实施例2的光合波器中的红色光束的传播状态的说明图，图7的(a)是将模拟结果图像化的图，图7的(b)是临摹图7的(a)的图。入射到输入光波导路25的红色光束在通过了耦合系数设定得较小的光耦合部47之后，入射功率的85％仍旧在输入光波导路25中传播。移动到输入光波导路24的红色光束的一部分在光耦合部48中移动到输出光波导路27。从输出光波导路27的输出为入射功率的3.2％(光衰减量为14.9dB)。
图8是本发明的实施例2的光合波器中的绿色光束的传播状态的说明图，图8的(a)是将模拟结果图像化的图，图8的(b)是临摹图8的(a)的图。入射到输入光波导路24的绿色光束在通过了耦合系数设定得较小的光耦合部47、48之后，入射功率的94％仍旧在输入光波导路24中传播。在光耦合部48中移动到输出光波导路27而从输出光波导路27射出的光功率为入射功率的3.0％(光衰减量为15.2dB)。
图9是本发明的实施例2的光合波器中的蓝色光束的传播状态的说明图，图9的(a)是将模拟结果图像化而得到的图，图9的(b)是临摹图9的(a)的图。入射到输入光波导路23的蓝色光束在通过了光耦合部46之后，入射功率的96％仍旧在输入光波导路23中传播。在光耦合部46中移动到输出光波导路27并通过光耦合部48而从输出光波导路27射出的光功率为入射功率的2.5％(光衰减量为16.0dB)。
在本发明的实施例2中，能够减小构成各光耦合部的定向耦合器的长度，因此能够使光合波器小型化。
实施例3
接下来，参照图10对本发明的实施例3的光合波器进行说明，是将上述的实施例2的光合波器的输入光波导路的入射端侧设为与输出光波导路垂直而得到的光合波器，基本的结构和动作原理与实施例2相同。
图10是本发明的实施例3的光合波器的概念的俯视图，这里也是，为了易于理解发明，添加了光源而图示为光源模块。如图10所示，将蓝色半导体激光器芯片31配置于Si基板的一条长边处，将绿色半导体激光器芯片32和红色半导体激光器芯片33配置于Si基板的另一条长边处。这里，各半导体激光器的光轴与输出光波导路27的中心轴之间的交叉角为90°。交叉角是任意的，但考虑到制造误差，处于85°～95°的范围即可。因此，成为了在输入光波导路23～25的中途直角弯曲的构造。为了直角弯曲，使用了专利文献3的图4所示那样的沟槽构造全反射镜，但也可以使用曲率半径小的弯曲波导路。
半导体激光器的出射光没有完全耦合到光波导路，该出射光的一部分成为扇状光束而在包覆层中传播下去。通过采用图10所示的构造，能够抑制在包覆层中传播的扇状光束混入合波输出光束光路，因此能够减低光噪声。
实施例4
接下来，参照图11对本发明的实施例4的光合波器进行说明，是在上述的实施例3中使输入光波导路的出射端侧屈曲而得到的光合波器，基本的结构和动作原理与实施例3相同。
图11是本发明的实施例4的光合波器的概念的俯视图，这里也是，为了易于理解发明，添加了光源而图示为光源模块。如图11所示，将蓝色半导体激光器芯片31配置于Si基板的一条长边处，将绿色半导体激光器芯片32和红色半导体激光器芯片33配置于Si基板的另一条长边处。各半导体激光器的光轴与光合波部45的输出光波导路27的中心轴之间的交叉角为90°。交叉角是任意的，但考虑到制造误差，处于85°～95°的范围即可。因此，成为了在输入光波导路23～25的中途直角弯曲的构造。为了直角弯曲，使用了专利文献3的图4所示那样的沟槽构造全反射镜，但也可以使用曲率半径小的弯曲波导路。
在本发明的实施例4中，使输出光波导路27的出射端侧屈曲。这里，屈曲角为90°，但屈曲角是任意的，考虑到制造误差，处于85°～95°的范围即可。在该情况下也是，为了使输出光波导路27直角弯曲，使用了专利文献3的图4所示那样的沟槽构造全反射镜，但也可以使用曲率半径小的弯曲波导路。
在该情况下也是与图10所示的构造同样地，通过采用图11的构造，能够抑制在包覆层中传播的扇状光束混入合波输出光束光路，能够降低光噪声。而且，不会出现从光合波部45的光耦合部46～48漏出的漏出光重叠于从输出光波导路27的屈曲的出射端射出的合波光的情况，因此能够进一步降低噪声光的影响。
实施例5
接下来，参照图12对本发明的实施例5的光合波器进行说明，但改变了蓝色用的输入光波导路的形状以改变光源的配置，此外与上述的实施例3相同。图12是本发明的实施例5的光合波器的概念的俯视图，这里也是，为了便于理解发明，添加了光源而图示为光源模块。
如图12所示，将蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32以及红色半导体激光器芯片33配置于Si基板的一条长边处。各半导体激光器的光轴与输出光波导路27的中心轴之间的交叉角为90°。交叉角是任意的，但考虑到制造误差，处于85°～95°的范围即可。因此，成为了在输入光波导路23～25的中途直角弯曲的构造。为了直角弯曲，使用了专利文献3的图4所示那样的沟槽构造全反射镜，但也可以使用曲率半径小的弯曲波导路。
在该情况下也是，与图10所示的构造同样地，通过采用图12的构造，能够抑制在包覆层中传播的扇状光束混入合波输出光束光路，因此能够降低光噪声。此外，由于将光源配置于仅一条边处，因此能够在形成了光源模块的情况下减小宽度方向(在图中为纵向)的尺寸。另外，在该实施例5中也可以与实施例4同样地使输出光波导路27的出射端侧屈曲。
实施例6
接下来，参照图13对本发明的实施例6的光合波器进行说明。图13是本发明的实施例6的光合波器的概念的俯视图，这里也是，为了易于理解发明，添加了光源而图示为光源模块。光合波部50与输入光波导路23～25和输出光波导路27一同形成光合波器。构成为蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32以及红色半导体激光器芯片33的放射光不是直接耦合到输出光波导路27，合波光输出全部是从输入光波导路23～25经由光耦合部51～53而移动到输出光波导路27的。
光耦合部51～53的耦合系数设定为分别相对于蓝色、绿色、红色光而为例如3％。在光耦合部51中移动到了输出光波导路27的蓝色光在射出之前通过两个光耦合部52、53，但该光耦合部52、53相对于蓝色光的耦合系数小于3％。因此，从输出光波导路27向输入光波导路24、25移动的蓝色光的量为来自半导体激光器的入射光量的0.2％以下。同样地，在光耦合部52中移动到了输出光波导路27的绿色光在光耦合部53中从输出光波导路27向输入光波导路25移动的量为0.1％以下。蓝色、绿色、红色光的光合波器传递率全部为3％(光衰减量为15.2dB)。
在本发明的实施例6中也是，通过将光耦合部的光衰减率设定为能够获得期望的显示器光功率，能够在不设置附加的光衰减要素的情况下将光束强度衰减至期望的值。
实施例7
接下来，参照图14对本发明的实施例7的光合波器进行说明，是在上述的实施例6中使输出光波导路的出射端侧屈曲而得到的光合波器，基本的结构和动作原理与实施例6相同。
图14是本发明的实施例7的光合波器的概念的俯视图，这里也是，为了易于理解发明，添加了光源而图示为光源模块。光合波部50与输入光波导路23～25和输出光波导路27一同形成光合波器。构成为蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32以及红色半导体激光器芯片33的放射光不是直接耦合到输出光波导路27，合波光输出全部是从输入光波导路23～25经由光耦合部51～53而移动到输出光波导路27的。
在本发明的实施例7中，使输出光波导路27的出射端侧屈曲。这里，屈曲角为90°，但屈曲角是任意的，考虑到制造误差，只要处于85°～95°的范围即可。在该情况下也是，为了使输出光波导路27直角弯曲，使用了专利文献3的图4所示那样的沟槽构造全反射镜，但也可以使用了曲率半径小的弯曲波导路。
在该情况下也是与图11所示的构造同样地，通过采用图14的构造，能够抑制在包覆层中传播的扇状光束混入合波输出光束光路，并且不会出现光合波部50的光耦合部51～53的漏出光重叠于从输出光波导路27的屈曲的出射端射出的合波光的情况，因此能够进一步降低噪声光的影响。
实施例8
接下来，参照图15对发明的实施例8的光源模块进行说明，但与在图2的(a)中对光合波器添加了光源而进行说明的光源模块完全相同。图15是本发明的实施例8的光合波器的概念的结构图。如图15所示，将来自蓝色半导体激光器芯片31的光束输入给输入光波导路23，将来自绿色半导体激光器芯片32的光束输入给输入光波导路24，将来自红色半导体激光器芯片33的光束输入给输入光波导路25。输入光波导路23～25与光合波部40的光波导路连接，在光合波部40中合波后的合波光从输出光波导路27的输出端输出。
将蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32以及红色半导体激光器芯片33的出射口安装为分别在横向和高度方向上与输入光波导路23～25的入射口一致，并且与输入光波导路23～25的入射端之间的间隔为10μm。
光合波部40的构造与图2的(a)所示的构造相同，光合波部40的尺寸为长度3mm、宽度3.1mm。光耦合部41的长度为350μm，光耦合部42的长度为240μm，光耦合部43的长度为200μm，光耦合部44的长度为1200μm。
另外，光源模块中的光合波部的构造不限于光合波部40，也可以采用实施例2或者实施例6所示的光合波部45、50。此外，光源的配置也是任意的，也可以采用实施例3或者实施例5所示的配置。而且，也可以像实施例4或者实施例7所示那样使输出光波导路的出射端侧屈曲。
实施例9
接下来，参照图16对本发明的实施例9的光源模块进行说明，是在实施例8的光源模块中将透镜设置在光源与输入光波导路之间而构成的光源模块。图16是本发明的实施例9的光源模块的概念的结构图。如图16所示，在与蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32以及红色半导体激光器芯片33之间设置有透镜36。
作为该情况下的透镜36，例如，使用焦距为0.54mm并且球的直径为1mm的微小球透镜，使由微小球透镜会聚后的光束向输入光波导路23～25入射。会聚透镜不限于微小球透镜，也可以使用GRIN(渐变折射率型)透镜。
在该情况下也是，光源模块中的光合波部的构造不限于光合波部40，也可以采用实施例2或者实施例6所示的光合波部45、50。此外，光源的配置也是任意的，也可以采用实施例3或者实施例5所示的配置。而且，也可以如实施例4或者实施例7所示，使输出光波导路的出射端侧屈曲。
实施例10
接下来，参照图17对本发明的实施例10的光源模块进行说明，作为实施例8的光源模块中的光源，使用了光纤出射端来代替半导体激光器，此外与实施例8相同。光纤37～39的出射端的红色光束的发光波长为640nm，绿色光束的发光波长为530nm，蓝色光束的波长为450nm。
在该情况下也是，光源模块中的光合波部的构造不限于光合波部40，也可以采用实施例2或者实施例6所示的光合波部45、50。此外，光源的配置也是任意的，也可以采用实施例3或者实施例5所示的配置。而且，也可以如实施例4或者实施例7所示，使输出光波导路的出射端侧屈曲。
实施例11
接下来，参照图18对本发明的实施例11的光源模块进行说明，作为实施例8的光源模块中的光源，使用了发光二极管(LED)来代替半导体激光器，此外与实施例8相同。即，是使用蓝色LED芯片54来代替蓝色半导体激光器芯片31，使用绿色LED芯片55来代替绿色半导体激光器芯片32，使用红色LED芯片56来代替红色半导体激光器芯片33，并与此相伴地稍微变更了各结构要素的尺寸的光源模块，在光束是否是激光的方面不同，基本的动作原理是等同的。蓝色LED芯片54的发光波长为540nm，绿色LED芯片55的发光波长为530nm，红色LED芯片56的发光波长为640nm。
在该情况下也是，光源模块中的光合波部的构造不限于光合波部40，也可以采用实施例2或者实施例6所示的光合波部45、50。此外，光源的配置也是任意的，也可以采用实施例3或者实施例5所示的配置。而且，也可以如实施例4或者实施例7所示，使输出光波导路的出射端侧屈曲，也可以如实施例9所示，介插有透镜。
实施例12
接下来，对本发明的实施例12的二维光扫描装置进行说明，但仅是光合波器的结构不同，基本的结构与图20所示的二维光扫描装置相同，因此借用图20进行说明。本发明的实施例12的二维光扫描装置是将图20的二维光扫描装置中的光合波器62置换为了上述的实施例1所示的光合波器而得到的。另外，该光合波器也可以置换为实施例2或者实施例6所示的光合波器。此外，光源的配置也可以是实施例1至实施例7所示的配置。而且，也可以如图16至图18所示，设置有透镜，也可以将光源置换为光纤或者LED。
实施例13
接下来，对本发明的实施例13的图像形成装置进行说明，但仅是光合波器的结构不同，基本的结构与图21所示的图像形成装置相同，因此借用图21进行说明。本发明的实施例13的图像形成装置是将图21的图像形成装置中的光合波器62置换为了上述的实施例1所示的光合波器而得到的。另外，该光合波器也可以置换为实施例2或者实施例7所示的光合波器。此外，光源的配置也可以是实施例1至实施例7所示的配置。而且，也可以如图16至图18所示，设置有透镜，也可以将光源置换为光纤或者LED。
在该图像形成装置中，与以往同样地，控制单元70具有控制部71、操作部72、外部接口(I/F)73、R激光器驱动器74、G激光器驱动器75、B激光器驱动器76以及二维扫描驱动器77。控制部71例如由包含有CPU、ROM、RAM的微型计算机等构成。控制部71根据从PC等外部设备经由外部I/F73提供的图像数据来产生作为用于对图像进行合成的要素的R信号、G信号、B信号、水平信号以及垂直信号。控制部71将R信号发送给R激光器驱动器74，将G信号发送给G激光器驱动器75，将B信号发送给B激光器驱动器76。此外，控制部71将水平信号和垂直信号发送给二维扫描驱动器77，对施加于电磁线圈64的电流进行控制而对可动反射镜部63的动作进行控制。
R激光器驱动器74对红色半导体激光器芯片33进行驱动，以产生与来自控制部71的R信号相应的光量的红色激光。G激光器驱动器75对绿色半导体激光器芯片32进行驱动，以产生与来自控制部71的G信号相应的光量的绿色激光。B激光器驱动器76对蓝色半导体激光器芯片31进行驱动，以产生与来自控制部71的B信号相应的光量的蓝色激光。能够通过调整各色激光的强度比而合成具有期望颜色的激光。
由蓝色半导体激光器芯片31、绿色半导体激光器芯片32以及红色半导体激光器芯片33产生的各激光在光合波器的光合波部(40)中合波，然后借助可动反射镜部63而进行二维扫描。进行扫描的合波激光被凹面反射镜78反射而经由瞳孔79成像于视网膜80。
标号说明
1：基板；2：输出光波导路；3：光耦合部；4：第1输入光波导路；5：第2输入光波导路；6：第3输入光波导路；71、72：第1光耦合部；8：第2光耦合部；9：光废弃用光波导路；10：第3光耦合部；111、112、113：光源；12：屈曲部；21：Si基板；22：下部包覆层；23～25：输入光波导路；26：上部包覆层；27：输出光波导路；28：光废弃用光波导路；31：蓝色半导体激光器芯片；32：绿色半导体激光器芯片；33：红色半导体激光器芯片；36：透镜；37～39：光纤；40、45、50：光合波部；41～44、46～48、51～53：光耦合部；54：蓝色LED芯片；55：绿色LED芯片；56：红色LED芯片；61：基板；62：光合波器；63：可动反射镜部；64：电磁线圈；70：控制单元；71：控制部；72：操作部；73：外部接口(I/F)；74：R激光器驱动器；75：G激光器驱动器；76：B激光器驱动器；77：二维扫描驱动器；78：凹面反射镜；79：瞳孔；80：视网膜。

Claims (17)

1.一种光合波器，其具有：
至少包含有第1输入光波导路和第2输入光波导路的多个输入光波导路；以及
输出光波导路，其具有光合波部，该输出光波导路的至少一部分是直线状的光波导路，
所述第1输入光波导路具有在所述光合波部中与所述输出光波导路进行光耦合的第1光耦合部，
所述第2输入光波导路具有在所述光合波部中与所述输出光波导路进行光耦合的第2光耦合部，
对所述第1光耦合部进行设定，使得输入到所述第1输入光波导路的光束相对于从所述输出光波导路输出的光束的衰减量为5dB～40dB的范围，
对所述第2光耦合部进行设定，使得输入到所述第2输入光波导路的光束相对于从所述输出光波导路输出的光束的衰减量为5dB～40dB的范围。
2.根据权利要求1所述的光合波器，其中，
所述输出光波导路至少在出射端附近以外的区域是直线状的光波导路。
3.根据权利要求2所述的光合波器，其中，
所述输出光波导路在出射端附近相对于所述直线状的光波导路以85°～95°的角度倾斜。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的光合波器，其中，
所述多个输入光波导路具有第3输入光波导路，
所述第3输入光波导路兼用作所述输出光波导路的入射端侧的光波导路，
所述第1输入光波导路在与所述光合波部进行光耦合的前级具有对入射到所述第1输入光波导路的光束进行分波的第3光耦合部。
5.根据权利要求4所述的光合波器，其中，
所述第1光耦合部隔着所述第2光耦合部而分离成两个光耦合部。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的光合波器，其中，
所述多个输入光波导路具有第3输入光波导路，
所述第3输入光波导路在所述第2光耦合器的前级具有与所述第2输入光波导路进行光耦合的第3光耦合部。
7.根据权利要求1至3中的任意一项所述的光合波器，其中，
所述多个输入光波导路具有第3输入光波导路，
所述第3输入光波导路具有在所述光合波部中与所述输出光波导路进行光耦合的第3光耦合部。
8.根据权利要求4至7中的任意一项所述的光合波器，其中，
所述光合波部至少对红色光、蓝色光以及绿色光这三原色进行合波。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的光合波器，其中，
所述多个输入光波导路的输入端附近的波导方向相对于所述直线状的光波导路以85°～95°的角度倾斜。
10.根据权利要求1至8中的任意一项所述的光合波器，其中，
所述多个输入光波导路中的至少一个输入光波导路的输入端附近的波导方向相对于所述直线状的光波导路以85°～95°的角度倾斜，所述多个输入光波导路中的其余的输入光波导路的输入端附近的波导方向以与所述至少一个输入光波导路的输入端附近的波导方向对置的方式相对于所述直线状的光波导路以85°～95°的角度倾斜。
11.一种光源模块，其具有：
权利要求1至10中的任意一项所述的光合波器；以及
多个光源，其向所述光合波器入射所述光束。
12.根据权利要求11所述的光源模块，其中，
在所述多个光源与所述光合波器的多个输入光波导路之间设置有透镜。
13.根据权利要求11或12所述的光源模块，其中，
所述多个光源是蓝色半导体激光器、绿色半导体激光器以及红色半导体激光器。
14.根据权利要求11或12所述的光源模块，其中，
所述多个光源是蓝色发光二极管、绿色发光二极管以及红色发光二极管。
15.根据权利要求11或12所述的光源模块，其中，
所述多个光源是从多个光纤射出的光源。
16.一种二维光扫描装置，其具有：
权利要求11至15中的任意一项所述的光源模块；以及
二维光扫描反射镜装置，其使来自所述光源模块的合波光进行二维扫描。
17.一种图像投射装置，其具有：
权利要求16所述的二维光扫描装置；以及
图像形成部，其将借助所述二维光扫描反射镜装置进行扫描的所述合波光投射到被投射面。
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