JP2006343712A - Light source device, scanning display device and projector - Google Patents
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Description
本発明は、光源装置、走査型表示装置、プロジェクタに関する。 The present invention relates to a light source device, a scanning display device, and a projector.
近年、プロジェクタの小型化の要求が益々高まるなか、半導体レーザの高出力化、青色半導体レーザの登場に伴い、レーザ光源を使ったプロジェクタ或いはディスプレイが検討されている。これらは、光源の波長域が狭いため非常に色再現範囲を広くすることが可能であり、小型化や構成要素の削減も可能であることから、次世代の表示素子として大きな可能性を秘めている。 In recent years, as the demand for miniaturization of projectors has increased, with the increase in output of semiconductor lasers and the appearance of blue semiconductor lasers, projectors or displays using laser light sources have been studied. Since the wavelength range of the light source is narrow, the color reproduction range can be greatly widened, and the size can be reduced and the number of components can be reduced. Yes.
表示素子の光源としては、R(赤色)、G(緑色)、B(青色)の3色のレーザ光源が必要である。R及びBについては半導体レーザで原振が存在するが、Gについては原振が存在せず、赤外レーザを非線形光学素子に入射させて発生した第2次高調波(SHG)を利用することが考えられている(例えば、特許文献1参照)。
最もシンプルな表示装置においては、これらのレーザを2次元走査して各ビームの強度を変調させて映像を形成する。例えば、HDTV相当の画像を出すためには、少なくともGHzオーダーのビーム変調速度が必要であり、半導体レーザにおいては十分に可能である。 In the simplest display device, these lasers are two-dimensionally scanned to modulate the intensity of each beam to form an image. For example, in order to produce an image equivalent to HDTV, a beam modulation speed of at least GHz order is necessary, which is sufficiently possible with a semiconductor laser.
波長変換前の赤外レーザ光を発生させるためには、平行平板タイプのレーザやVCSEL(素子内部に共振器を持つ面発光レーザ)、VECSEL(外部に共振ミラーを持つ面発光レーザ)があるが、ビーム品質やビーム出力の観点からVECSELが利用されることが多い。特許文献1に開示されたVECSELとSHGとを組み合わせた構成においては、変換効率を高めるため共振器内部に波長変換素子が置かれている。しかし、このような構成によると、波長変換素子はある程度の大きさが必要であるため共振器長が大きくなり、変換された光の変調速度が遅くなってしまう(数100kHz程度)という問題がある。 In order to generate infrared laser light before wavelength conversion, there are parallel plate type lasers, VCSELs (surface emitting lasers having a resonator inside the element), and VECSELs (surface emitting lasers having a resonance mirror outside). VECSEL is often used from the viewpoint of beam quality and beam output. In the configuration in which VECSEL and SHG disclosed in Patent Document 1 are combined, a wavelength conversion element is placed inside the resonator in order to increase conversion efficiency. However, according to such a configuration, the wavelength conversion element needs to have a certain size, so that the resonator length becomes large, and the modulation speed of the converted light becomes slow (about several hundred kHz). .
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、外部共振ミラーを有する面発光レーザ(VECSEL)と波長変換素子(SHG)を組み合わせた光源装置について、高速変調を実現させることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to realize high-speed modulation with respect to a light source device combining a surface emitting laser (VECSEL) having an external resonant mirror and a wavelength conversion element (SHG). Yes.
上記課題を解決するために、本発明の光源装置は、発光部と、該発光部から射出される光を共振させる外部共振ミラーと、を備える面発光レーザと、該外部共振ミラーを透過した光を波長変換する波長変換素子と、を具備してなることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a light source device of the present invention includes a surface emitting laser including a light emitting unit, an external resonant mirror that resonates light emitted from the light emitting unit, and light transmitted through the external resonant mirror. And a wavelength conversion element that converts the wavelength of the light.
このような光源装置によると、波長変換素子により面発光レーザから射出される光の波長を変換することが可能となるため、該面発光レーザの種類によらず所望の色光を獲得することができるようになる。また、発光部から見て共振ミラーの外側に波長変換素子を配設した構成であるため、従来のVECSELのように発光部と共振ミラーとの間に波長変換素子を配設した場合に比して、少なくとも波長変換素子の長さ分だけ共振長を小さくでき、変調速度を高めることが可能となる。 According to such a light source device, since the wavelength of light emitted from the surface emitting laser can be converted by the wavelength conversion element, desired color light can be obtained regardless of the type of the surface emitting laser. It becomes like this. In addition, since the wavelength conversion element is disposed outside the resonant mirror when viewed from the light emitting unit, the wavelength conversion element is disposed between the light emitting unit and the resonant mirror as in the conventional VECSEL. Thus, the resonance length can be reduced at least by the length of the wavelength conversion element, and the modulation speed can be increased.
本発明の光源装置において、前記面発光レーザ、前記共振ミラー、及び前記波長変換素子からなる光源部がアレイ状に配設されてなるものとすることができる。光源部のアレイ化により、面発光レーザ1個に対して必要な変調速度を低減することができるが、本発明の光源装置においては、従来の構成に比してアレイ化が容易となる。つまり、例えばアレイ化した共振ミラーを作っておき、これに対してアレイ化した発光部にギャップ材を介して両者の距離を制御した後、個々に波長変換素子のアレイメントを行う手法を採用することができる。従来は、波長変換素子のアライメントを保ちつつ共振ミラーのアライメントを行う必要があるため製造が困難であったが、本発明はこのような手間を省略できるものである。 In the light source device of the present invention, the light source unit including the surface emitting laser, the resonant mirror, and the wavelength conversion element may be arranged in an array. The array of the light source unit can reduce the modulation speed required for one surface emitting laser, but the light source device of the present invention can be easily arrayed as compared with the conventional configuration. That is, for example, a method is adopted in which arrayed resonant mirrors are made, the distance between the two is controlled via a gap material in the arrayed light emitting section, and then the wavelength conversion elements are arrayed individually. be able to. Conventionally, since it is necessary to align the resonant mirror while maintaining the alignment of the wavelength conversion element, it has been difficult to manufacture. However, the present invention can omit such labor.
また、本発明の光源装置において、前記波長変換素子が単一構造体からなる一方、前記面発光レーザ及び前記共振ミラーからなる光源部がアレイ状に配設されてなり、前記単一構造体に前記アレイ状に配設された複数の光源部からの光が共通に入射するものとすることができる。この場合、波長変換素子のアライメントが一層簡便となり、製造効率が一層向上することとなる。 In the light source device of the present invention, the wavelength conversion element is composed of a single structure, and the light source unit composed of the surface emitting laser and the resonant mirror is arranged in an array, and the single structure is Light from a plurality of light source units arranged in the array may be incident in common. In this case, the alignment of the wavelength conversion element is further simplified, and the manufacturing efficiency is further improved.
次に、上記課題を解決するために、本発明の走査型表示装置は、赤色光源と、緑色光源と、青色光源と、各色光源からの光を合成する光合成部と、合成された光を走査して映像を表示する走査部とを備え、前記光源の少なくとも一色の光源が上記光源装置からなることを特徴とする。このような走査型表示装置により、高画質、高品質なフルカラー表示を実現することが可能となる。 Next, in order to solve the above-described problem, the scanning display device of the present invention scans the combined light with a red light source, a green light source, a blue light source, a light combining unit that combines light from each color light source. And at least one light source of the light source comprises the light source device. With such a scanning display device, it is possible to realize full color display with high image quality and high quality.
また、本発明の走査型表示装置は、その異なる態様として、赤色半導体レーザ光源と、青色半導体レーザ光源と、上記光源装置からなる緑色光源と、各光源からの光を合成する光合成部と、合成された光を走査して映像を表示する走査部と、を備えることを特徴とする。この場合も、高画質、高品質なフルカラー表示を実現することが可能となる。 Further, the scanning display device of the present invention includes, as different aspects, a red semiconductor laser light source, a blue semiconductor laser light source, a green light source composed of the light source device, a light combining unit that combines light from each light source, and a combining A scanning unit that scans the emitted light and displays an image. Also in this case, it is possible to realize a high-quality, high-quality full color display.
次に、上記課題を解決するために、本発明のプロジェクタは、上記光源装置と、該光源装置から射出された光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射装置とを備えることを特徴とする。このようなプロジェクタにより、高画質、高品質な表示を実現することが可能となる。 Next, in order to solve the above problems, a projector according to the present invention projects the light source device, a light modulation device that modulates light emitted from the light source device, and light modulated by the light modulation device. And a projection device. With such a projector, it is possible to realize a high-quality and high-quality display.
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, in order to make each layer and each member the size which can be recognized on drawing, the scale is varied for every layer and each member.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明を適用した第1の実施の形態に係る光源装置50を模式的に示す断面図であって、当該光源装置50は発光部20と外部共振ミラー7を備える面発光レーザ10を用いて構成されたものである。光源装置50の発光主体をなす発光部20は、赤外のレーザ光を射出する発光素子であって、図1に示すように、第1電極1と、半導体基板2と、n-DBRミラー3と、活性層4と、p-DBRミラー9と、コンタクト層5と、第2電極6とを備えている。なお、半導体基板2は、ここではGaAs基板を採用している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a
第1電極1は、半導体基板2の裏面側(発光側と異なる側)に形成され、第2電極6と対になって活性層4に電流を注入している。この第1電極1は、例えばAuとGeの合金とAuとの積層膜からなるものを採用することができる。
The first electrode 1 is formed on the back surface side (a side different from the light emitting side) of the
n-DBRミラー3は、面発光レーザ10の外部に配設された外部共振ミラー7との間で共振器を構成するものである。このn-DBRミラー3は、例えば、n型Al0.9Ga0.1As層とn型Al0.15Ga0.85As層とを交互に積層した40ペアの分布反射型多層膜ミラーからなるものを採用することができる。
The n-
活性層4は、GaAsウエル層とAl0.3Ga0.7Asバリア層からなり、ウエル層が3層で構成される量子井戸構造を含むものである。活性層4では、第1電極1及び第2電極6で、Pinダイオードに順方向の電圧を印加すると、電子と正孔との再結合が起こり、係る再結合による発光が生じることとなる。
The
p-DBRミラー9は、例えばp型Al0.9Ga0.1As層とp型Al0.15Ga0.85As層とを交互に積層した5ペアの分布反射型多層膜ミラーからなるものを採用することができる。
As the p-
ここで、p-DBRミラー9は、例えばCがドーピングされることによりp型にされ、n-DBRミラー3は、例えばSiがドーピングされることによりn型にされている。したがって、p-DBRミラー9、不純物がドーピングされていない活性層4、およびn-DBRミラー3により、pinダイオードが形成される。なお、コンタクト層5は、例えばp-GaAs層により形成することができる。
Here, the p-
第2電極6は、例えばAuとZnの合金とAuとの積層膜からなるもので、所定の開口パターンを有し、当該開口部6aが光透過部を構成する。
The
一方、発光部20の外側(発光面側)には、外部共振ミラー7が配設されている。この外部共振ミラー7は、電気的な特性は不問で、p-DBRミラー9との間で共振が可能な反射膜であれば良く、例えば透過率が小さい金属ミラーなどを採用することができる。
On the other hand, an external
また、発光部20から見て外部共振ミラー7の外側(光出射面側)に波長変換素子8が配設されている。この波長変換素子8は、発光部20から射出され、外部共振ミラー7を透過したレーザ光の波長を変換させる素子で、つまり赤外のレーザ光の波長を約半分に変換させて緑色のレーザ光を創出している。
Further, the
ここで、当該光源装置50の動作態様について説明する。なお、下記の光源装置50の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。まず、第1電極1と第2電極6とで、pinダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層4において、電子と正孔との再結合が起こり、係る再結合による発光が生じる。
Here, an operation mode of the
活性層4で生じた光はn-DBRミラー9と外部共振ミラー7との間を往復する際に誘導放出が起こり、当該光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、外部共振ミラー7から波長変換素子8に向けて赤外レーザ光が射出される。
The light generated in the
射出された赤外レーザ光は、波長変換素子8を透過(1パス)することで、その波長が変換される。ここでは、赤外レーザ光の波長が短波長化して緑色レーザ光に変換され、当該光源装置50からの光として、所定の照射対象物に照射される。
The emitted infrared laser light is transmitted (one pass) through the
以上のような光源装置50は、波長変換素子8により面発光レーザ10から射出されるレーザ光の波長を変換することが可能となるため、所望の色光を獲得することができるものとされている。また、発光部20から見て外部共振ミラー7の外側に波長変換素子8を配設した構成であるため、従来のVECSELのように発光部と共振ミラーとの間に波長変換素子を配設した場合に比して、少なくとも波長変換素子の長さ分だけ共振長を小さくでき、変調速度を高めることが可能とされている。
Since the
[第2の実施の形態]
次に、本発明の光源装置の異なる実施形態について説明する。
図2は、第2の実施の形態に係る光源装置51の構成を示す断面模式図であって、図1に示した面発光レーザ10を基板11上にアレイ状に配列したものである。
[Second Embodiment]
Next, different embodiments of the light source device of the present invention will be described.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
具体的には、発光部20が第1基板11上にアレイ状に配設され、一方、外部共振ミラー7が第2基板12にアレイ状に配設されている。なお、少なくとも基板12は透光性材料から構成されている。これら第1基板11と第2基板12とはギャップ材を介して基板間距離が制御されるとともに、平面方向の位置合わせも行われている。そして、個々の面発光レーザ10に一対一に対応して波長変換素子8が基板12上にアレイ状に配設されている。
Specifically, the
このような光源装置51によると、例えば基板12上にアレイ化した外部共振ミラー7を作っておき、これに対して基板11上にアレイ化した発光部20にギャップ材を介して両者の距離を制御した後、個々に波長変換素子8のアライメントを行う手法を採用することができる。従来は、波長変換素子8のアライメントを保ちつつ外部共振ミラー7のアライメントを行う必要があるため製造が困難であったが、本実施形態ではこのような手間を省略できるものとなる。
According to such a
[第3の実施の形態]
次に、本発明の光源装置の異なる実施形態について説明する。
図3は、第3の実施の形態に係る光源装置52の構成を示す断面模式図であって、図1に示した面発光レーザ10を基板11上にアレイ状に配列したものである。
[Third Embodiment]
Next, different embodiments of the light source device of the present invention will be described.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
具体的には、発光部20が第1基板11上にアレイ状に配設され、一方、外部共振ミラー7が第2基板12にアレイ状に配設されている。なお、少なくとも基板12は透光性材料から構成されている。これら第1基板11と第2基板12とはギャップ材を介して基板間距離が制御されるとともに、平面方向の位置合わせも行われている。そして、バルク状の波長変換素子80が基板12上に配設されている。つまり、波長変換素子80が、個々の面発光レーザ10に共通の構成とされ、パターン化されていない。
Specifically, the
このような光源装置52によると、波長変換素子80が単一構造体からなる一方、発光部及び外部共振ミラー7がアレイ状に配設されてなるため、単一構造体の波長変換素子80に対して、アレイ状に配設された複数の面発光レーザ10からの各光が共通に入射することとなる。この場合、波長変換素子80のアライメントが一層簡便となり、製造効率が一層向上することとなる。
According to such a
[第4の実施の形態]
次に、上記光源装置50を用いた表示装置の一実施形態について説明する。
図4は、フルカラーの走査型表示装置100について、その概略構成を示すブロック図である。走査型表示装置100は、赤色光源102、緑色光源110、及び青色光源103からなる光源と、赤色光を反射する反射板103と、青色光を反射する反射板104と、緑色光を透過し且つ赤色光を反射するダイクロイックミラー105と、緑色光を透過し且つ青色光を反射するダイクロイックミラー106と、光源光を走査する走査ミラー107と、走査ミラー107からの光を映像として映し出す表示板108とを備えている。
緑色光源110は図1に示した光源装置50からなるものである。
[Fourth Embodiment]
Next, an embodiment of a display device using the
FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of the full-color
The
赤色光源102から射出された赤色光は、反射板103及びダイクロイックミラー105に反射され、さらにダイクロイックミラー106を透過して走査ミラー107に誘導される。また、青色光源101から射出された青色光は、反射板104及びダイクロイックミラー106に反射されて走査ミラー107に誘導される。さらに、緑色光源110から射出された緑色光は、ダイクロイックミラー105及びダイクロイックミラー106を透過して走査ミラー107に誘導される。走査ミラー107では、表示板108に映し出す映像に応じて走査が行われる。
The red light emitted from the
[第5の実施の形態]
次に、上記光源装置50を用いたプロジェクタの一実施形態について説明する。
図5は、プロジェクタ70について、その概略構成を示す図で、3板方式の例である。プロジェクタ70においては、赤色(R)の色光を発光する半導体レーザを2次元的にアレイ状に構成したアレイ光源10r、図1に示した光源装置50からなる緑色(G)の色光を発光するアレイ光源10g、青色(B)の色光を発光する半導体レーザを2次元的にアレイ状に構成したアレイ光源10bの3個を光源として用いている。
[Fifth Embodiment]
Next, an embodiment of a projector using the
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the
各アレイ光源10r,10g,10bから射出された光は液晶ライトバルブ75に照射される。つまり、各アレイ光源10r,10g,10bの出射側には、R,G,Bの各色光を変調する液晶ライトバルブ75がそれぞれ設けられている。そして、各液晶ライトバルブ75によって変調された3つの色光が、クロスダイクロイックプリズム(色合成手段)77に入射するように構成されている。このプリズム77は4つの直角プリズムが貼り合わされたものであり、内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって3つの色光Lr、Lg、Lbが合成されてカラー画像を表す光が形成される。色合成された光は投射レンズ76(投写装置)によりスクリーン79上に投射され、拡大された画像が表示される。
The light emitted from each of the
7…外部共振ミラー(共振ミラー)、8…波長変換素子、10…面発光レーザ、20…発光部、50…光源装置
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