JP2006108781A

JP2006108781A - プロジェクタ装置

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Publication number: JP2006108781A
Application number: JP2004288918A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Ichikawa; 潤一郎市川; Toshiji Takei; 利治武居
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】
高精細な画像表示を可能とするとともに、装置自体の構造を簡素化し、製造コストの増加や装置調整の煩雑化を抑制するディスプレイ装置を提供すること。
【解決手段】
定常光を出射する光源１と、該光源からの光波の光変調を行う光変調手段２と、該光変調手段からの変調光を平面空間に走査する走査手段４とを有するプロジェクタ装置において、該光変調手段は、電気光学効果を有する基板上に、光導波路及び該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極を有する光変調器であることを特徴とする。好ましくは、該光変調器は、マッハ・ツェンダー型の光変調部３を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタ装置に関し、特に、定常光を出射する光源からの光波を光変調し、該変調光を平面空間に走査するプロジェクタ装置に関する。

ディスプレイ装置としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶表示装置、プラズマディスプレイなどの各種表示装置が実用化されている。
これらのディスプレイ装置は、大画面化が困難であることから、屋外で利用される画像表示装置としては、3色の蛍光表示管を多数集合した表示装置や、レーザ光を投影するレーザ・プロジェクタ装置が利用されている。

他方、画像の高画質化が求められており、例えば、高精細の画像を表示するためには、表示面の縦・横方向に各２０００画素以上、１秒間に３０フレーム以上の画像表示能力を必要とし、これは、各色毎に１２０ＭＨｚの高速変調が必要となる。しかも、コントラストは３３ｄＢ（１：２０００）以上を必要とする。

レーザ・プロジェクタ装置における光変調方法としては、レーザ光源を直接ＯＮ／ＯＦＦする直接変調方式や、定常光を導入し変調光に変換する外部光変調方式がある。
直接変調方式では、変調周波数を余り高くできないことから、通常は、外部変調方式が採用されている。
外部光変調方式においても、液晶シャッターをはじめ、以下の特許文献１に記載されているようなマイクロマシン技術を利用したＭＥＭＳ（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）素子や、ＧＬＶ（Grating Light Valve）素子など各種の光変調器が提案されている。
特開２００３−２００３９４

しかしながら、液晶を利用するものにおいては、変調周波数に限界があり、ＭＥＭＳ素子や、ＧＬＶ素子などは、機械的な可動部を有するため、変調周波数に限界があるだけでなく、固有振動数を持つため、利用帯域が制限されるなどの問題を有している。
しかも、高画質な画像を得る際には、各色毎に複数のレーザ光源を配置し、個々の光変調器に掛かる変調周波数の負担を低減するよう構成されており、レーザ・プロジェクタ装置自体の構造が複雑化し、高コストなものとなるだけでなく、複数の光源及び光変調器の調整が必要となり、装置の取り扱いも煩雑化するなどの問題を有していた。

本発明の目的は、上述した問題を解決し、高精細な画像表示を可能とするとともに、装置自体の構造を簡素化し、製造コストの増加や装置調整の煩雑化を抑制するディスプレイ装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、定常光を出射する光源と、該光源からの光波の光変調を行う光変調手段と、該光変調手段からの変調光を平面空間に走査する走査手段とを有するプロジェクタ装置において、該光変調手段は、電気光学効果を有する基板上に、光導波路及び該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極を有する光変調器であり、該光変調器は、マッハ・ツェンダー型の光変調部を有することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、マッハ・ツェンダー型の光変調部が少なくとも２以上、直列に接続されていることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、該光変調器に入射した光波を２以上の光波に分岐する分岐導波路と、該分岐された各光波を光変調するための複数の光変調部とを有することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明では、請求項１又は２に記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、単一基板上に複数の光変調部を並列に配置したものであることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明では、請求項１又は２に記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、異なる基板上に光変調部を形成し、該基板を重ね併せて配置することを特徴とする。

また、請求項６に係る発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載のプロジェクタ装置において、該光変調手段からの変調光を検知する検知手段と、該プロジェクタ装置が形成する画像フレーム以外のタイミングで、該検知手段の結果に基づき、該光変調手段のＤＣバイアスを調整することを特徴とする。

また、請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムを用いた基板上に、プロトン交換法を用いて光導波路が形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、プロジェクタ装置の光変調手段として、電気光学効果を有する基板上に、光導波路及び該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極を有する光変調器を用い、このような光変調器が、ＧＨｚレベルの変調周波数でも安定的に動作する特性を利用し、高精細な画像表示を可能とする。しかも、１２０ＭＨｚ以上の高速変調が可能であるため、従来のように各色毎に複数の光源を配置する必要がなく、装置自体の構造が簡素化され、コストの低下や装置調整の煩雑化を抑制することが可能となる。特に、ＧＨｚレベルの変調周波数でも安定的に動作するマッハ・ツェンダー型の光導波路を有する光変調部を利用することで、高精細な画像表示が可能となる。

請求項２に係る発明により、マッハ・ツェンダー型の光変調部を、少なくとも２以上、直列に接続することで、個々の光変調部のコントラストが３３ｄＢ以下の場合でも、個々の光変調部の光変調効果を重ね合わせることにより、結果として３３ｄＢ以上のコントラストを確保することが可能となる。

請求項３に係る発明により、該光変調器に、２以上の光波に分岐する分岐導波路と、該分岐された各光波を光変調するための複数の光変調部を設けることで、光波の分岐と分岐された各光波の光変調とを、一つの光変調器に組み込むことが可能となり、光変調手段をはじめプロジェクタ装置自体の構造を簡素化すると共に、該分岐による複数の光波による多ビーム変調も可能となるため、より高精細な画像表示を実現できる。

請求項４に係る発明により、該光変調器は、単一基板上に複数の光変調部を並列に配置したものであるため、光変調手段の部品点数を削減でき、製造コストや部品間の調整の手間などを抑制することが可能となる。しかも、各光変調部から出射する光波を伝播させる光導波路の形状や配置を調整することにより、光変調手段から出射する複数の光波の配置を適切に調整することも可能となる。

請求項５に係る発明により、該光変調器は、異なる基板上に光変調部を形成し、該基板を重ね併せて配置するため、光変調手段全体をコンパクトに構成することができると共に、光変調手段から出射する複数の光波を、一列のみならず平面的に配置することも可能となる。

請求項６に係る発明により、プロジェクタ装置が形成する画像フレーム以外のタイミングで光変調手段のＤＣバイアス調整を行うため、常に安定した光変調が可能となる。特に、プロトン交換法を用いた光導波路ではＤＣドリフトが発生し易いため、画像フレーム毎にＤＣバイアス調整するなど、調整頻度を高くするのが好ましい。

請求項７に係る発明により、該光変調器は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムを用いた基板上に、プロトン交換法を用いて光導波路が形成されているため、従来のＴｉ拡散を用いた光導波路と比較し、光損傷が抑制され、光伝搬損失の少ない光変調器が提供可能となる。これにより、輝度の高いプロジェクタ装置が実現できる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るプロジェクタ装置の概略を示す図である。
プロジェクタ装置は、レーザ光源やＬＥＤなどの定常的な光波を出射する光源１、該光源１からの出射光を光変調するための光変調手段である光変調器２、さらには、該光変調器２から出射する変調光をＸＹ平面に走査する走査手段４を含むものである。
この他に、光源駆動部材、光変調器駆動部材、走査手段駆動部材、光波の形状・偏波面などを調整するための各種光学部品などは、説明上省略されている。

光源１は、一つのみ例示されているが、これに限られるものではなく、以下で述べるようにＲＧＢの３原色に応じた複数の光源や、各色毎に複数の光源を利用することも可能である。さらに、光源１として、紫外線など特定の波長光を出射する光源を用い、スクリーン５上に塗布された各種蛍光体に照射するよう構成することも可能である。
また、走査された光波は、スクリーン５などの受像手段により視覚画像として表示される。スクリーン５は、平面（当然、線も含む）に限らず曲面であっても良く、これらを総称して本発明では「平面空間」と言う。平面空間の内、画像が形成される領域を「画像フレーム」という。
さらに、走査手段としては、ガルバノミラーやポリゴンミラーなど、当該技術分野において公知の技術が利用される。

光変調器２には、ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３などの電気光学効果を有する基板上に、マッハ・ツェンダー型光導波路３を有する光変調部が形成され、不図示の変調電極により、該光導波路を伝播する光波が位相変調され、該光変調部から出射する光波が強度変調を生じる。光導波路の形成方法としては、ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３による基板表面にＴｉ拡散を行う方法や、プロトン交換法により基板内のＬｉをＨに置換して光導波路を形成する方法などがあるが、Ｔｉ拡散の光導波路では光損傷が大きいため、プロトン交換法を用いることがより好ましい。
光変調器２の動作原理は、該光変調器２に入射した光波が、マッハ・ツェンダー型光導波路の最初の分岐導波路で２つに分岐され、分岐した各光波が光導波路を伝播する間に位相変調を受け、再度、合波した際には、分岐した各光波の位相状態に応じて、ＯＮ／ＯＦＦの光波を生じることとなる。

図２は、複数の光源１０を用いたプロジェクタ装置を示すものである。
例えば、光源１０としてＲＧＢの３原色に対応した光源を用意し、各光源１０からの出射光を、個別に配置された複数の光変調器１１に導入し光変調する。
各変調光は、共通の走査手段４により、スクリーン５にＸ軸・Ｙ軸方向に走査され、カラー画像を形成する。

図３は、図２の複数の光変調器１１を、一体的に組み込む光変調器１２を示すものである。
光変調器１２には、マッハ・ツェンダー型光導波路を有する光変調部１３が、同一の基板上に複数設けられている。このように、複数の光変調器を一体的に組み込むことにより、光変調手段の部品点数を削減でき、製造コストや部品間の調整の手間などを抑制することが可能となる。

また、光変調器１２から出射される複数の光波を、その後のレンズ・ミラーや走査手段によるビーム整形及びビーム走査を容易に実施することを可能とするため、光変調器１２から出射する複数の変調光１４の間隔・方向を調整している。このため、各光変調部１３から出射する光波を伝播させる光導波路の形状を、例えば、図３に示すように設定することも可能である。
さらに、光変調器から出射する複数ビームの配置の自由度を向上させるため、図４に示すように、複数の光変調器２０，２１，２２を互いに重ね合わせて配置することも可能である。この場合、各光変調器において変調された光波２４の配置や方向が、その後のビーム整形及びビーム走査に適するように、各光変調器２０，２１，２３の相対的位置関係が決定される。なお、２３は、光変調器２０に形成されたマッハ・ツェンダー型光導波路を示す。

次に、光変調手段における変調周波数の向上又はコントラスト（消光比）の向上などを図るため、図５に示すように、光変調器３０内に２つのマッハ・ツェンダー型光導波路が形成された光変調部３１，３２を直列に配置することも可能である。なお、複数の光変調部は、必ずしも同一基板上に設ける必要はなく、複数の光変調器を直列に接続しても良い。
変調周波数を高めるためには、光変調部３１の変調周波数と光変調部３２の変調周波数を同じに設定すると共に、両者の変調タイミングを該変調周波数の半周期分（当然、光変調部３１で変調された光波が、光変調部３２に到達するまでの時間を考慮する場合は、半周期分に当該時間を加えた変調タイミングとなる。）だけずらすことにより、光変調部３１の変調光に光変調部３２による変調を重ね合わせる。これにより、各光変調部３１，３２に印加される変調周波数の２倍の周波数で、光波を変調することが可能となる。

通常のマッハ・ツェンダー型の光変調器においては、消光比が約２０ｄＢ程度である。このため、高画質な画像を得るためには、コントラストの向上が不可欠である。
これを解消するため、図５のように、光変調部３１，３２を２つ直列に配置し、両者に同じ変調信号を印加する。これにより、光変調部３１の変調光を、光変調部３２により再度同じ変調信号で変調を行うため、よりコントラストが強調されることとなる。
なお、光変調部３２における変調タイミングは、光変調部３１で変調された光波が、光変調部３２に到達するまでの時間を考慮する必要があることは言うまでもない。

図５に示した、２つのマッハ・ツェンダー型光導波路を直列に配置する技術は、図１のようなプロジェクタ装置に限らず、上述した図２の複数の光源を利用したプロジェクタ装置、図３の同一基板上に複数の光変調部を形成した光変調器、さらに、図４の複数の光変調器を重ね合わせて配置した光変調手段、並びに後述する、図６の一つの光波を複数に分岐して光変調を行う光変調器などに適用可能であり、これにより各プロジェクタ装置の消光比を格段に向上することも可能となる。

次に、一つの光源からの光波を複数に分岐し、分岐した各光波を変調する場合について、説明する。
図６に示すように、光変調器４０は、分岐導波路４１、マッハ・ツェンダー型光導波路を有する光変調部４２を有している。光変調器４０に入射した光波は、分岐導波路４１により２つ以上の光波（図６においては、３つの光波）に分岐され、各光波は、光変調部４２において、個々に独立して変調される。変調光４３は、所定のビーム間隔で光変調器４０から出射される。
このように、複数のビームを用いることにより、各光変調部に印加される変調信号の周波数を低減させると共に、ビーム走査における走査手段の負担を軽減させることが可能となる。
しかも、分岐光導波路４１を光変調器４０内に組み込むことは、製造上容易であり、光変調手段やプロジェクタ装置に係る光学部品の削減も達成されることとなる。

次に、自動光量調整システムついて説明する。
レーザ光源などの光源の温度変化等による光量変動や、光変調器の温度ドリフト及びＤＣドリフトなどにより、プロジェクタ装置が描画する画像の光量やコントラストが大きく変動する。このため、所定の時間間隔で定期的にレーザ光源の光量調整や、光変調器のＤＣバイアス調整を行うことが必要である。図７に示すように、レーザ光源１及び光変調器２を経て出射されたビームは、走査手段であるポリゴンミラー５０、ｆ−Θレンズ５１、ガルバノミラー５２を用いて、画像５を形成する。画像フレーム外のビームの一部を、光検知手段６０により検知し、自動調整回路６１により、所定の光量及び消光比となるように、レーザ光源１の駆動電圧や光変調器２のDCバイアス等の調整を行う。

プロトン交換法を用いた光導波路ではＤＣドリフトが発生し易いため、このような光導波路を有する光変調器を利用する場合には、画像フレーム毎にＤＣバイアス調整するなど、調整頻度を高くするのが好ましい。
また、光検知手段としては、図７に示すようにビーム走査中のビームの一部を検知するだけでなく、ビームの光路上にビームスプリッタなどのビームの一部を取り出す手段を介在させて、ビームの光量を検知する方法や、図８のように光変調器２のマッハ・ツェンダー型光導波路の合波部から放射される放射光を検知する方法などが利用可能である。特に、放射光を利用する場合には、画像フレームに寄与するビームの光量の低下が無く、より好ましい。

本発明は、以上説明したものに限られるものではなく、当該技術分野で公知の技術である、ビーム整形やビーム走査に係る技術などを、必要に応じて、本発明に組み込むことも可能である。
また、本発明に係るプロジェクタ装置は、スクリーンに投影するものを中心に説明したが、レーザープリンタ、レーザ加工装置、またはレーザ光を光硬化性樹脂に照射して造形を行う造形装置など、定常光を光変調し、該変調光を走査して平面空間に投影するものであるなら、本発明の範疇に含まれるものである。

以上、説明したように、本発明によれば、高精細な画像表示を可能とするとともに、装置自体の構造を簡素化し、製造コストの増加や装置調整の煩雑化を抑制するディスプレイ装置を提供することが可能となる。

本発明に係るプロジェクタ装置の概略を示す図である。複数の光源を利用したプロジェクタ装置の概略を示す図である。同一基板上に複数の光変調部を形成した光変調器を示す図である。複数の光変調器を重ね合わせて配置した状態を示す図である。複数の光変調部を直列に配置した状態を示す図である。一つの光波を複数に分岐して光変調を行う光変調器の例を示す図である。自動光量調整システムの概略を示す図である。光変調器の放射光を利用した光検知手段を示す図である。

符号の説明

１光源
２光変調器
３マッハ・ツェンダー型光導波路
４走査手段
５スクリーン

Claims

定常光を出射する光源と、該光源からの光波の光変調を行う光変調手段と、該光変調手段からの変調光を平面空間に走査する走査手段とを有するプロジェクタ装置において、
該光変調手段は、電気光学効果を有する基板上に、光導波路及び該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極を有する光変調器であり、
該光変調器は、マッハ・ツェンダー型の光変調部を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
請求項１に記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、マッハ・ツェンダー型の光変調部が少なくとも２以上、直列に接続されていることを特徴とするプロジェクタ装置。
請求項１又は２に記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、該光変調器に入射した光波を２以上の光波に分岐する分岐導波路と、該分岐された各光波を光変調するための複数の光変調部とを有することを特徴とするプロジェクタ装置。
請求項１又は２に記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、単一基板上に複数の光変調部を並列に配置したものであることを特徴とするプロジェクタ装置。
請求項１又は２に記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、異なる基板上に光変調部を形成し、該基板を重ね併せて配置することを特徴とするプロジェクタ装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載のプロジェクタ装置において、該光変調手段からの変調光を検知する検知手段と、該プロジェクタ装置が形成する画像フレーム以外のタイミングで、該検知手段の結果に基づき、該光変調手段のＤＣバイアスを調整することを特徴とするプロジェクタ装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載のプロジェクタ装置において、該光変調器は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムを用いた基板上に、プロトン交換法を用いて光導波路が形成されていることを特徴とするプロジェクタ装置。