JP2009526380A - 光源モジュール - Google Patents

Abstract

本明細書で、表示システムで使用される光源モジュール（１２０，３００）を提供する。１つの例示的実施形態によれば、光源モジュール（１２０，３００）は、複数のコヒーレント光源と、コヒーレント光源と光通信する回折格子（３３０）とを含み、回折格子（３３０）は、コヒーレント光源にフィードバックを提供して広域スペクトルにわたる複数のスペクトルを生成するように構成される。
【選択図】図３

Description

表示システムは、表示面に１つの画像または一連の画像を表示する。詳細には、各画像は、いくつかのサブ画像からなることが多い。例えば、いくつかのシステムは、赤、緑および青のサブ画像を生成し、次にこれらのサブ画像が組み合わされて単一のフルカラー画像が形成される。

近年の設計は、光を提供するためにレーザを利用してきた。レーザは、比較的明るい画像の形成を可能にすることが多い。そのようなレーザは、しばしば比較的高い空間的コヒーレンスを有する光を出力する。レーザによって生成された光は、多くの場合、光を散乱部材に導くことによって散乱される。散乱部材は、しばしば、より大きい領域に光を分散させるよう形成される。散乱部材は、入射光を散乱させるいくつかの「散乱中心」を有することが多い。そのような設計は、しばしばいくつかの可動部品を利用する。従って、そのような設計は複雑になり高価になることがある。

本明細書では、表示システムに使用される光源モジュールを提供する。１つの例示的実施形態によれば、光源モジュールは、複数のコヒーレント光源と、コヒーレント光源と光通信する回折格子とを含み、この回折格子は、コヒーレント光源にフィードバックを提供して広域スペクトルにわたる複数のスペクトルを生成するように構成される。

添付図面は、本装置および方法の様々な実施形態を示し、明細書の一部である。図示した実施形態は、単に本装置および方法の例であり、開示の範囲を限定しない。

図面全体を通して、同一の参照番号は、類似しているが必ずしも同一とは限らない要素を指す。

本明細書において、表示システムで使用するための光源モジュールが提供される。１つの例示的実施形態によれば、光源モジュールは、半導体レーザアレイなどのレーザアレイを含む。１つの例示的実施形態によれば、レーザアレイの出力は、レーザアレイと光通信するチャープ回折格子または可変回折格子を使用して調整される。チャープ回折格子は、それぞれの個別のレーザに異なるフィードバックを提供する。各レーザは、各レーザに提供されるフィードバックを選択することによって、所望の波長または調整された波長のピークを有する光の比較的狭域のスペクトルを生成するように調整されることができる。アレイの各レーザの出力は、それぞれの比較的狭域のスペクトルを組み合わせて広域スペクトル光を形成するように選択されてもよい。例えば、数十の狭域スペクトルを組み合わせて単一の広域スペクトル光ビームを形成する。従って、得られたレーザアレイの組み合わせ出力は、短いコヒーレンス長を有する広域スペクトルの光である。広域スペクトルにわたる比較的短いコヒーレンス長は、スペックルを減少させると同時に明るい出力を提供する。レーザアレイは、単一チップ上または基板上に容易に形成することができ、それにより光源モジュールの構成と関連した複雑さが減少する。

最初に、例示的な表示システムについて述べ、その後で、光の変調方法、例示的な光源モジュール、および光源モジュールの構成方法について述べる。

以下の記述では、説明のため、本方法及び装置を完全に理解できるように多数の特定の詳細を示す。しかしながら、本方法及び装置を、そのような特定の詳細なしに実施できることは当業者に明らかであろう。本明細書における「１つの実施形態」または「一実施形態」の記述は、その実施形態と関連して説明される特定の特性、構造または特徴が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。明細書の様々な場所で使用される句「１つの実施形態では」は、必ずしもすべて同じ実施形態を指すとは限らない。

表示システム
図１は、１つの例示的実施形態による表示システム（１００）の概略図である。図１の構成要素は、例示的なものに過ぎず、特定の応用例を最もよく提供するように修正または変更されてもよい。図１に示したように、画像データが、画像処理ユニット（１１０）に入力される。画像データは、表示システム（１００）によって表示される画像を規定する。

画像処理ユニット（１１０）が１つの画像を処理するように示し説明するが、画像処理ユニット（１１０）が、複数の画像または一連の画像を処理できることを当業者は理解するであろう。画像処理ユニット（１１０）は、光源モジュール（１２０）の照明の制御と光変調器アセンブリ（１３０）の制御を含む様々な機能を実行することができる。

光源モジュール（１２０）は、外部キャビティ構成内のチャープ回折格子または可変回折格子と光通信するレーザアレイを含む。従って、回折格子は、レーザにフィードバックを提供するように構成される。フィードバックは、レーザから出る光のスペクトルを調整するようにレーザと相互作用する。回折格子は、各レーザまたはレーザグループがそれぞれ異なる特定のフィードバックを受け取るように構成される。それぞれ異なる特定のフィードバックにより、各レーザから異なる出力が生成される。これにより、個別のレーザまたはレーザグループを、特定のスペクトルを有する光を出力するように調整することができる。各スペクトルは、広域スペクトルより狭くてもよい。例えば、各レーザは、約１ｎｍ未満のスペクトル幅を有してもよく、アレイは、約３０ｎｍより大きいスペクトル幅を有してもよい。各レーザの出力を広域スペクトルの特定の部分に対応するように適切に選択することによって、光源モジュール（１２０）は、広域スペクトルをカバーする個別ビームを生成することができる。次に、これらの個別ビームを組み合わせて、スペックルを減少させるのに十分なスペクトル幅を有する単一の広域スペクトル光ビームを生成することができる。

次に、光源モジュール（１２０）からの光は、光変調器アセンブリ（１３０）に導かれる。例えば、１つの例示的実施形態によれば、光源モジュール（１２０）の出力が、積分装置（１２５）に通される。積分装置（１２５）は、光を空間的に均一化し、その光を光変調器アセンブリ（１３０）に導く。光変調器アセンブリ（１３０）に入射する光は、実質的に完全な画像またはサブ画像を形成するように、光変調器アセンブリ（１３０）によってその位相、強度、偏光または向きが変調されてもよい。光変調器アセンブリ（１３０）によって変調された光は、次に、表示光学装置（１４０）に導かれる。

表示光学装置（１４０）は、画像を表示または投射するように構成された任意の装置を含むことができる。例えば、表示光学装置（１４０）は、画像を表示面に投影し集束するように構成されたレンズでもよいがレンズに限定されない。表示面は、スクリーン、背面投射型テレビなどのテレビ、壁、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）またはコンピュータモニタなどであるがこれらに限定されない。次に、光変調器アセンブリで光を変調する例示的な方法について述べる。

光の変調方法
図２は、光を変調する方法を示すフローチャートである。この方法では、最初に、複数の個別光ビームを生成する（ステップ２００）。光は、レーザ光を含む任意のタイプのコヒーレント光でよい。特に、１つの例示的実施形態によれば、光は、半導体レーザアレイによって生成される。後でより詳細に述べるように、レーザ源は、最初に狭域スペクトル光を生成するように構成されることができる。

次に、生成された個別ビームに対応する各レーザまたは特定の光源グループの出力が調整される（ステップ２１０）。例えば、１つの例示的実施形態によれば、各レーザの出力が、回折格子に入射する。各レーザの最終スペクトルは、いくつかの要因によって決定される。参照しやすくするために、各レーザの調整されてない出力は、初期波長スペクトルまたは範囲を有すると表わされ、光源モジュールから出る各レーザの出力は、最終スペクトルと呼ばれる。半導体レーザの場合、最終波長は、初期スペクトル、レーザのファブリーペローモード、および回折格子によって提供されるフィードバックの相関関係によって決定される。各レーザが、類似しており、従って類似の初期スペクトルを有する光を出力する場合、最終スペクトルは、回折格子によって提供されるフィードバックによって決定される。各レーザの具体的な動作と調整については、後でより詳しく述べる。

従って、１つの例示的実施形態によれば、各レーザと関連付けられた回折格子は、特定の波長にピークを有する特定のスペクトルを生成するように選択される。複数のスペクトルを生成するために、異なる特性を有する回折格子が、様々なレーザまたはレーザグループと関連付けられることができる。次に、これらのスペクトルは、組み合わされて広域スペクトル光が形成される（ステップ２２０）。例えば、１つの例示的実施形態によれば、光は、積分ロッドや積分トンネルなどの積分装置を使用して組み合わされる。積分装置は、レーザ光を空間的に均一化し組み合わせる。後でより詳しく述べるように、組み合わされたレーザ光は、比較的短いコヒーレンス長を有する。

次に、組み合わされた光は、光変調器パネルなどの光変調器アセンブリに導かれる（ステップ２３０）。次に、この光は、完全な画像またはサブ画像を形成するように変調される（ステップ２４０）。次に、変調された光は、投射経路に沿って導かれて表示面に画像またはサブ画像が表示される（ステップ２５０）。従って、本方法は、いくつかの個別のスペクトルのビームを同時に発生させ、それらのビームを組み合わせて単一の広域スペクトル光ビームを形成する。

光源モジュール
図３は、１つの例示的実施形態による光源モジュール（３００）の概略図である。光源モジュール（３００）は、個別のレーザ（３２０）のアレイ（３１０）と回折格子（３３０）を含む。後でより詳しく述べるように、回折格子（３３０）は、アレイ（３１０）の出力を調整して、個別のレーザ（３２０）の初期スペクトルより短いコヒーレンス長を有する広域スペクトル光を出力する。参照しやすいように、それぞれの望ましい狭域スペクトルと関連して単一レーザについて述べる。当業者は、任意の数のレーザを使用して任意の数のスペクトルを生成することができること、例えば、特定のスペクトルを生成するために１つのレーザグループを使用することが望ましいことを理解するであろう。

レーザ（３２０）は、半導体レーザなどの任意のタイプでよい。適切な半導体レーザタイプには、ＶＣＳＥＬや端面発光レーザがあるがこれらに限定されない。参照しやすくするために、端面発光レーザのアレイについて述べる。当業者は、他のタイプのレーザを使用してもよいことを理解するであろう。

それぞれの端面発光レーザ（３２０）内には光キャビティが画定されている。光キャビティは、ファブリーペロー共振キャビティとして働く。各キャビティは、高度に研磨された面を端部に有するほぼ長方形のキャビティである。例えば、各レーザ（３２０）は、各端に形成され鏡として働く劈開面を有してもよい。これらの劈開面は、半導体の活性層に光子を反射し、そこで光子は励起電子と相互作用する。

それぞれの端面発光レーザ（３２０）は、また、前述の２つの端面または劈開面のそれぞれの間に配置された能動部分と受動部分を有する。能動または利得領域は、電子を励起する。それらの励起された電子は、共振キャビティ内で光子と相互作用する。励起電子と光子の間の相互作用は、誘発放出によりレーザ（３２０）にレーザを発生させ、すなわち光を発生させる。

キャビティは、誘発放出のエネルギーに対応する周波数で共振するように設計される。各レーザによって出力された光は、特定のスペクトルをカバーする利得帯域幅を有する。例えば、レーザ（３２０）の利得帯域幅は、約１００ｎｍである。１つの例示的実施形態によれば、劈開面は、約３０％の反射率を有し、これにより光の一部が漏れることができる。

漏れた光は、アレイ（３１０）と回折格子（３３０）の間に画定された空間内を伝わる。この空間は、一般に、各レーザ（３２０）内に形成された内部または共振キャビティに対して外部キャビティと呼ばれることがある。従って、本例示的実施形態による光源モジュールは、外部キャビティフィードバック型レーザ光モジュールである。

光が外部キャビティ内を通った後で、その光は、次に、回折格子（３３０）に入射する。光が回折格子（３３０）に入射したとき、回折作用と相互干渉作用が起こる。その結果、光の一部分が反射され、光の一部分が透過される。反射される光と透過される光は、少なくとも部分的に、回折格子の特性に依存する。反射された光の少なくとも一部分はレーザ（３２０）に導かれる。

レーザ（３２０）に反射された光は、そのレーザの出力を修正または「調整する」。詳細には、１つの例示的実施形態によれば、レーザに入った光は、同じスペクトル帯の共振キャビティ内の光を強化する。その結果、共振キャビティ内のそのスペクトル帯内の光が選択的に生成され、劈開端から放出される。その結果、特定の帯域幅の比較的狭域のスペクトル光が放射される。

示した例示的実施形態によれば、アレイの上部と関連付けられた回折格子は、レーザ（３２０）の調整可能領域の低い方の波長値の近くにピークを有する狭域スペクトルを生成する。隣りのレーザは、それより少し長い波長にピークを有する狭域スペクトルを生成するように調整された回折格子を有する。また、その次のレーザは、それより少し大きい値を有するピークを生成する回折格子と関連付けられ、その後も同じように関連付けられる。次第に長くなる波長にピークを有するスペクトルを形成するように構成された回折格子について説明するが、当業者は、広域スペクトル光の一部を構成するいくつかのより小さいスペクトルを生成するために任意の構成の格子が可能であることを理解するであろう。

いずれの場合も、回折格子の特性を適切に選択することによって、各レーザ（３２０）または特定のレーザグループが、レーザの調整可能な帯域幅に沿った所望のスペクトルを有する光を出力することができる。回折格子は、表面レリーフ回折格子、体積ブラッグ回折格子、または他の適切なタイプの回折格子などの任意のタイプのものでよい。更に、回折格子は、その長さに沿って連続的に変化してもよく、段階的に変化してもよい。いずれの場合も、レーザに戻される光は、少なくとも部分的に、回折格子の特性に依存する。

調整された光または所望のスペクトルを有する光が、再び回折格子に入射するとき、光の一部分は再びレーザ（３２０）に反射され、一部分は透過される。次に、アレイ（３１０）内のそれぞれのレーザ（３２０）からの透過光が組み合わされて広域スペクトル光ビームが形成される。紹介したように、これらは、いくつかの比較的狭域のスペクトルを含むことができる。例えば、アレイによって、数十の比較的狭い帯域幅が生成される。更に、各レーザは、所望のスペクトルを実質的に同時に生成する。次に、光は、必要に応じて組み合わされることができる。例えば、１つの例示的実施形態によれば、光は、積分ロッドや積分トンネルなどの積分器装置を使用して組み合わされる。

組み合わされた光は、比較的短いコヒーレンス長を有する。コヒーレンス長は、光源の波長の二乗を光源の光の帯域幅で割ったものとして定義される。組み合わされた波長は、広域スペクトルに分散されるので、光源の帯域幅は、実質的に広域スペクトルの帯域幅全体である。従って、組み合わされたビームは、比較的短いコヒーレンス長を有する。この比較的短いコヒーレンス長は、光源モジュール（３００）によって提供されるスペックル減少を示す。

このレーザアレイは、半導体レーザの大きい利得帯域幅のため、単一の半導体チップ上に製造されてもよい。半導体レーザの実際の動作波長は、半導体利得領域の光学利得とレーザに提供される光学的フィードバックによって決定される。半導体チップを外部キャビティ内に入れ、格子または分散型フィードバックを使用することによって、極めて広い帯域幅のレーザ光線を生成する半導体レーザを作製することができる。従って、数十個の個別のレーザを有するレーザ棒を利用し、フィードバックにチャープ格子を使用すれば、数十の異なる波長を放射する単一のレーザ棒が得られる。この場合、このレーザ棒は、波長が発光ダイオードと似た幅広い光学スペクトルを有し、スペックルが減少する。

光源モジュールの形成方法
図４は、光源モジュールを形成する例示的な方法を示す。この方法では、最初に基板を用意する（ステップ４００）。シリコン、砒化ガリウム、リン化インジウムまたは、光学素子および／または集積回路の形成に適した他の材料などの半導体を含むがこれらに限定されない任意の適切な基板を使用することができる。

その後で、基板上にレーザアレイを形成する（ステップ４１０）。例えば、１つの例示的な方法によれば、半導体レーザのアレイ全体が同一基板上に形成される。各レーザは、類似のスペクトルの光を生成するように構成されてよい。例えば、１つの例示的な方法によれば、アレイ内のすべてのレーザが、類似の波長を有する端面発光レーザでよい。そのような構成は、すべてのレーザが類似しているため比較的単純な形成工程を可能にする。他の例示的な方法によれば、他のタイプまたは組み合わせのレーザを形成することができる。

その後で、チャープ回折格子または可変回折格子が提供される（ステップ４２０）。１つの例示的実施形態によれば、回折格子を提供するステップは、約１００〜約１００００ｎｍのピッチを有する表面レリーフ回折格子を形成するステップを含む。更に、このピッチは、連続的に変化するように形成されてもよく、段階的に変化するように形成されてもよい。更に、他の例示的な方法によれば、チャープ回折格子を提供するステップは、ブラッグ体積回折格子を提供するステップを含んでもよい。可変回折格子を提供するステップは、単体またはモノリシック型の回折格子を提供するステップおよび／またはその後共に固定されるいくつかの回折格子を提供するステップを含むことができる。

いずれの場合も、可変回折格子が提供された後、可変回折格子はレーザアレイに結合される（ステップ４３０）。１つの例示的実施形態によれば、回折格子は、レーザアレイから約０〜約１０００ｍｍの間に配置される。更に、１つの例示的な方法によれば、回折格子の面は、レーザアレイの面に実質的に平行でもよく、何らかの角度で保持されてもよい。

本明細書では、表示システムに使用される光源モジュールを提供する。１つの例示的実施形態によれば、光源モジュール（３００）は、半導体レーザアレイなどのレーザアレイを含む。１つの例示的実施形態によれば、レーザアレイの出力は、レーザアレイと光通信するチャープ回折格子または可変回折格子を使用して調整される。チャープ格子は、それぞれの個別レーザに異なるフィードバックを提供する。各レーザに提供されるフィードバックを選択することによって、各レーザは、所望の波長または調整された波長にピークを有する比較的狭域のスペクトル光を生成するように調整されることができる。アレイ内の各レーザの出力は、それぞれの比較的狭域のスペクトルが組み合わされて広域スペクトル光が形成されるように選択されることができる。例えば、数十のスペクトルを組み合わせて単一の広域スペクトル光ビームを形成することができる。従って、得られたレーザアレイの組み合わされた出力は、短いコヒーレンス長を有する広域スペクトル光である。広域スペクトルにわたる比較的短いコヒーレンス長は、スペックルを減少させると同時に明るい出力を提供する。レーザアレイは、単一チップまたは基板上に容易に形成され、それにより光源モジュールの形成と関連した複雑さが減少する。

以上の説明は、本方法および装置を示し説明するためにのみ提示された。説明は、網羅的でもなく、開示を、開示された厳密な形態に限定するものでもない。以上の教示に鑑みて多くの修正と変形が可能である。開示の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。

１つの例示的実施形態による表示システムの概略図である。 １つの例示的実施形態による光の変調方法を示す図である。 １つの例示的実施形態による投写光源アセンブリの概略図である。 １つの例示的実施形態による光源モジュールの形成方法を示す図である。

符号の説明

１００ 表示システム
１２０、３００ 光源モジュール
３３０ 回折格子

Claims (10)

1. 表示システム（１００）に使用される光源モジュール（１２０，３００）であって、
   複数のコヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源と光通信する回折格子（３３０）と、
   を備え、前記回折格子（３３０）は、前記コヒーレント光源にフィードバックを提供して、広域スペクトルにわたって複数のスペクトルを生成するように構成されている、光源モジュール（１２０，３００）。
2. 前記コヒーレント光源が半導体レーザである、請求項１に記載の光源モジュール（１２０，３００）。
3. 前記半導体レーザの少なくとも１つが、端面発光レーザ（３２０）である、請求項２に記載の光源モジュール（１２０，３００）。
4. 前記回折格子（３３０）が表面レリーフ回折格子を備えている、請求項１に記載の光源モジュール（１２０，３００）。
5. 前記表面レリーフ回折格子が、約１００〜約１０，０００ｎｍの指標を有する、請求項１に記載の光源モジュール（１２０，３００）。
6. 前記回折格子（３３０）がブラッグ体積回折格子を備えている、請求項１に記載の光源モジュール（１２０，３００）。
7. 前記回折格子（３３０）と光通信する積分装置（１２５）を更に備えている、請求項１に記載の光源モジュール（１２０，３００）
8. 前記回折格子（３３０）がモノリシック回折格子である、請求項１に記載の光源モジュール（１２０，３００）。
9. 複数のレーザと、該複数のレーザと光通信するチャープ回折格子とを有する光源モジュール（１２０，３００）と、
   前記光源と光通信する光変調器アセンブリ（１３０）と、
   を備えている表示システム（１００）。
10. 光を生成する方法であって、
    複数のコヒーレント光ビームを生成するステップと、
    広域スペクトルをカバーする個別のスペクトルを同時に生成するように前記複数のコヒーレントビームを調整するステップと、
    を含む方法。

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