JP2011515706A - マルチファセット出力面をもつ変換素子及びこれを組み込んでいるレーザ投影システム - Google Patents

Abstract

本発明は全般的にマルチファセット型波長変換素子及びこれを組み込んでいるレーザ投影システムに関する。

Description

関連出願の説明

本出願は、２００８年２月２９日に出願された、米国特許出願第１２/０７２９８１号の優先権を主張する。

本発明は全般的には半導体レーザに関し、さらに詳しくは、マルチファセット出力面をもつ変換素子及びそのような変換素子を組み込んでいるレーザ投影システムに関する。

本発明は全般的には、半導体レーザ、波長変換素子及び、短波長源を備えるレーザ投影システムに用いられ得る、その他の光学コンポーネントに関する。短波長源は、例えば、分布帰還(ＤＦＢ)レーザ、分布ブラッグ反射器(ＤＢＲ)レーザまたはファブリ−ペロレーザのような、単一波長半導体レーザを、例えば二次高調波発生(ＳＨＧ)結晶のような、波長変換素子と組み合わせることによって、レーザ投影システムに用いるために構成することができる。ＳＨＧ結晶は、例えば１０６０ｎｍＤＢＲレーザまたは１０６０ｎｍＤＦＢレーザを、その波長を５３０ｎｍに変換する、例えばＭｇＯドープ周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)のような、ＳＨＧ結晶のスペクトル中心に同調させることによって、基本レーザ信号の高次高調波を発生するように構成することができる。

ＳＨＧ結晶の出力は、基本信号が波長変換素子の導波路領域を通って伝搬するにつれて発生される寄生光によって大きく影響され得る。さらに詳しくは、図１及び２を参照すれば、ＰＰＬＮ結晶またはその他のタイプの波長変換素子１０の幾何学的形状は一般に、２つの低屈折率クラッド層１４の間に挟み込まれた周期分極反転ＬｉＮｂＯ_３またはその他の適する二次高調波発生材料の比較的薄い層によって形成された、導波路領域１２を定めるであろう。２本の光学トレンチ１６が素子の入力面１１と出力面１３の間を伝搬方向に沿って延び、比較的直線の導波路領域１２Ａ内への伝搬モードの閉込め、及び導波路領域１２の側部プレーナ導波路領域１２Ｂ内の伝搬の制限を補助することによって、導波路領域１２の比較的直線の領域１２Ａ内の伝搬信号を誘導する。一般に、比較的直線の導波路領域１２Ａの寸法は垂直方向で数μｍ程度であり、横方向では１０μｍ未満であるが、そのような基準からの寸法の変化は考えられる。本明細書に説明されるマルチファセット出力面１３を除き、波長変換素子１０を形成するために波長変換素子の様々な層が組み上げられる特定の態様は本発明の範囲をこえる。実際上、様々な従来の及びこれから開発される、比較的直線の導波路領域１２Ａ及び側部プレーナ導波路領域１２Ｂを有する、波長変換素子は本発明の実施に用いることができる。いくつかの実施形態においては、低屈折率クラッド層１４がそれぞれのＬｉＮｂＯ_３ブロックに取り付けられる。代替二次高調波発生材料には、例えば、その他の適する従来のまたはこれから開発される非線形光学材料、フォトニック結晶スラブ、キラル材料、等がある。

本発明の発明者等は、比較的直線の導波路領域１２Ａ内を伝搬している光が一般にかなりの散乱を受けることに気付いた。図２に示されるように、迷光のほとんどは比較的直線の導波路領域１２Ａから脱け出るであろうが、対をなす側部プレーナ導波路領域１２Ｂ内にほとんどトラップされたままであろう。したがって、図２に簡略に示されるように、波長変換素子のニアフィールドは、散乱を受けずに伝搬した光でつくられる明るい放射スポットと、散乱されて側部プレーナ導波路領域にトラップされた光でつくられる側方に分布する、本明細書では迷光１７とも称される、寄生光１７からなる。

迷光１７の形状は光が波長変換素子１０内を伝搬する態様に依存する。比較的直線の導波路領域１２Ａに沿って伝搬している光信号が散乱されると、光の一部は、伝搬モードの閉込めがかなり弱い、導波路領域１２の側部プレーナ導波路領域１２Ｂに移される。素子１０のバルク材料の屈折率にかなり近い、側部領域の実効屈折率は全ての散乱波が同位相にある１つの優先角を実効的に定める。この角度は関係式：

によって与えられる。ここで、θは散乱角、η_実効は比較的直線の導波路領域１２Ａの実効屈折率、η_Ｅは導波路領域１２の側部プレーナ導波路領域１２Ｂの実効屈折率である。

発明者等は、この散乱の結果、波長変換素子１０の一般的なファーフィールドが、比較的直線の導波路領域１２Ａによってサポートされるモードの散乱角にそれぞれが対応する、いくつかの明瞭な側方強度ピークを有することに気付いた。これらの側方強度ピークは多くの短波長レーザ投影システムの性能を低下させ得る。発明者等は、上述した寄生光すなわち迷光に敏感な波長変換素子を利用するレーザ投影システムにおけるこれらの側方強度ピークの強い影響を低減するにおそらくは有益な方式に気付いた。

本発明の一実施形態にしたがえば、レーザ源、波長変換素子及びビーム投影光学系を備えるレーザ投影システムが提供される。波長変換素子の出力面は、コアファセット及び少なくとも２つの側部ファセットからなるマルチファセット出力面を有する。比較的直線の導波路領域に沿って伝搬する光信号はある程度の散乱を受け、よって、出力面のコアファセットに沿う導波路領域の比較的直線の導波路領域に実質的にそろう比較的高強度のスポット及び出力面の側部ファセットに沿う導波路領域の側部プレーナ導波路領域に実質的にそろう比較的低強度の側方に分布する寄生光を定める。波長変換素子の出力面の側部ファセットは、比較的低強度の側方に分布する寄生光を比較的高強度のスポットがコアファセットを通して投射される方向とは全く異なる方向に投射するように、方位が定められる。さらに、ビーム投影光学系は、側方に分布する寄生光と比較的高強度のスポットを弁別して、レーザ投影システムの画像フィールドに向かう比較的高強度の光信号の投射を優越させるように構成される。

本発明の別の実施形態にしたがえば、使用分野がレーザ投影システムに限定されない、マルチファセット型波長変換素子が提供される。

本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面と共に読んだときに最善に理解され得る。

図１は本発明の一実施形態にしたがう波長変換素子の略図である。 図２は図１に示される波長変換素子の出力面の略図である。 図３は本発明の一実施形態にしたがうレーザ投影システムの略図である。 図４は本発明の一実施形態にしたがう別の波長変換素子構成の略図である。 図５は本発明の一実施形態にしたがうまた別の波長変換素子構成の略図である。 図６は本発明の一実施形態にしたがうまた別の波長変換素子構成の略図である。 図７Ａは本発明にしたがうまた別の波長変換素子構成の簡略な上面図である。 図７Ｂは図７Ａの波長変換素子構成の簡略な側面図である。

図１〜３を参照すれば、波長変換素子１０，レーザ源２０及び、例えば、コリメータレンズ３２及び走査ミラー３４を有する、ビーム投影光学系３０を備えるレーザ投影システム１００を全般的に参照して、本発明の概念を簡便に示すことができる。レーザ源２０は、上に挙げたタイプを含む、様々なタイプの半導体レーザまたは非半導体レーザのいずれかを有することができる。同様に、ビーム投影光学系３０は、比較的単純な構成から、例えば、レーザ投影システム１００の画像フィールド内の投影スクリーン４０上に二次元の単色または多色走査レーザ画像を生成するためにレーザ源と協働するように構成された、２軸型、ジンバル搭載型、ＭＥＭＳ型の、走査ミラー３４を有する比較的複雑な構成までの、様々な走査型または非走査型の光学構成で実現することができる。ビーム投影光学系は、(デジタル光処理(ＤＬＰ)システム、透過型ＬＣＤシステム及びシリコン上液晶(ＬＣＯＳ)システムを含む)空間光変調器ベースシステムのような非走査型光学系の一部として構成することができるとも考えられる。

半導体レーザ２０によって放射される光ビームは波長変換素子１０の導波路に直接結合させることができ、あるいはコリメート／集束光学系またはその他のタイプの適する光学素子または光学系を介して結合させることができる。波長変換素子１０は入射光を高次高調波に変換し、変換された信号を出力する。上述したように、この構成は長波長半導体レーザから短波長レーザビームを発生するに特に有用であり、したがって、単色レーザ投影システム用または多色ＲＧＢレーザ投影システム用の可視光レーザ源として用いることができる。

波長変換素子１０は、入力面１１，出力面１３及び、上述した、入力面１１から出力面１３に延びる導波路領域１２を有する。比較的薄い導波路領域１２は、図２の垂直方向に光を確実に閉じ込めるため、２つの低屈折率層１４の間に挟み込まれる。２本の光学トレンチ１６が導波路領域１２にある程度延び込んで、光を横方向に閉じ込め、導波路領域の比較的直線の導波路領域１２Ａを定めるに役立つ。一般に、レーザ２０によって放射される光のほとんどは比較的直線の導波路領域１２Ａに結合されて、比較的直線の導波路領域１２Ａ内に閉じ込められたままである。しかし、光が比較的直線の導波路領域１２Ａ内を伝搬するにつれて、光の一部は非線形光学効果によって高い周波数に変換される。比較的直線の導波路領域１２Ａ内の荒さ並びにその他の不整及び欠陥が周波数変換された光の散乱を生じさせ、この結果、直線導波路領域１２Ａからのパワーのいくらかの漏洩がおこる。低屈折層１４が、比較的直線の導波路領域１２Ａの両側に配された側部プレーナ導波路領域１２Ｂ内に、散乱光のほとんどを閉じ込める。この結果、波長変換素子１０の出力のニアフィールドパターンは、散乱されていない光に対応する比較的高強度のスポット１５及び散乱光すなわち迷光に対応する比較的低強度の側方分布光１７からなる。

そのような迷光の注目される特性の１つは、光は比較的直線の導波路領域１２Ａ内及び側部プレーナ導波路領域１２Ｂ内を、これらの導波路領域の構造が異なるから、同じ速度では伝搬しないという事実にともなう。したがって、迷光は散乱光が直線導波路内に伝搬する光と同位相になる角度に対応する１つの方向に優先的に放射される。この角度は式：

で与えられる。ここで、θは結晶材料内部の散乱角、η_実効は比較的直線の導波路領域１２Ａの実効屈折率、η_Ｅは、バルク材料の屈折率に非常に近い、側部プレーナ導波路領域１２Ｂの実効屈折率である。そのような優先放射角は、散乱光から生じるいくつかの側方ローブと組み合わせられた、散乱されていない光から生じる中央ローブからなる、ファーフィールドパターンを生じさせる。１つより多くの側方ローブが可視であるという事実は、導波路が時に相異なる実効屈折率(η_実効)を有する多重モードをサポートし得るという事実による。一般的な導波路の材料及び形状寸法をとることにより、優先散乱角は中央ローブの角度幅より小さくなる。この結果、散乱ピークが、それがなければ有用な、中央ローブに重なって、例えば、素子のファーフィールドにおいて空間フィルタを用いて有用な非散乱光から寄生光をフィルタ除去することを困難にする。

図１及び３をさらに参照して説明されるように、側方に分布する寄生光または迷光１７にともなう上述した問題の軽減に役立たせるため、出力面１３は複数のファセット、すなわち、コアファセット１８及び少なくとも２つの側部ファセット１９を有する。比較的高強度のスポット１５はコアファセット１８に沿ってそろえられ、比較的低強度の側方に分布する寄生光１７は側部ファセット１９に沿ってそろえられる。波長変換素子の出力面の側部ファセット１９は、比較的高強度のスポット１５がコアファセット１８を通して放射される方向Ｃ_１とは全く異なる方向Ｌ_１，Ｌ_２に比較的低強度の側方に分布する寄生光１７を投射するように方位が定められる。

それぞれのタイプの光に対してそのように全く異なる投射方向が与えられれば、側方に分布する寄生光１７と比較的高強度のスポット１５を弁別して、レーザ投影システム１００の画像フィールド内の投影スクリーン４０に向けて比較的高強度の光信号の投射を優越させるように、ビーム投影光学系３０を構成することができる。例えば、限定としてではなく、その例が図３に示される、投射された比較的高強度のスポット１５の選択的反射、その例が図４の通過制限アパーチャ５０の導入によって示される、投射された比較的高強度のスポット１５の選択的通過、または、その例が図５の転向反射器／吸収器５２の導入によって示される、投射された寄生光１７の選択な反射または吸収、によって側方に分布する寄生光１７と比較的高強度のスポット１５を弁別するようにビーム投影光学系３０を構成することができると考えられる。

図３に示される実施形態において、ビーム投影光学系３０は、高強度スポット１５から投射される比較的高強度の光信号の反射を優越させるような大きさにつくられ、そのように配置された、走査ミラー３４を有する。一般に、コリメータレンズ３２が、側方に分布する寄生光１７のコリメートされた部分の走査型ミラー３４による反射を確実に不可能にするに十分に離して、波長変換素子１０の出力面の下流側に配置されるであろう。走査ミラー３４の大きさ及び位置は、比較的高強度の光信号だけが走査ミラー３４によって反射されるようにすることができるであろうが、寄生光の反射と高強度光のある程度の交錯は許容され得るであろうと考えられる。

図１及び４〜７は多くの考えられる選択可能な出力面構成を示し、それぞれの出力面構成はコアファセット１８及び少なくとも２つの側部ファセット１９を有する。図４において、側部ファセット１９及びコアファセット１８は、側方に分布する寄生光及び比較的高強度のスポットの横方向に発散する投射Ｌ_１，Ｌ_２，Ｃ_１を定めるように、互いに対して方位が定められる。図５において、側部ファセット１９及びコアファセット１８は、横方向に収束する投射Ｌ_１，Ｌ_２，Ｃ_１を定めるように、方位が定められる。図６において、側部ファセット１９及びコアファセット１８は、導波路領域の横方向形状にしたがって、比較的高強度のスポットの投射Ｃ_１から角度が偏よる、平行で同一平面上の投射Ｌ_１，Ｌ_２を定めるように、互いに対して方位が定められる。図７Ａ及び７Ｂにおいて、側部ファセット１９及びコアファセット１８は同じく、平行で同一平面上の投射Ｌ_１，Ｌ_２を定めるように互いに対して方位が定められるが、図７Ａ及び７Ｂの実施形態は、側部ファセット１９及びコアファセット１８が、導波路領域の縦方向形状にしたがって、比較的高強度のスポットの投射Ｃ_１から側方に分布する寄生光の同一平面上の投射Ｌ_１，Ｌ_２を偏らせるように方位が定められる。

本明細書における導波路領域１２の「比較的直線の」導波路領域１２Ａへの言及は導波路領域１２Ａを完全な直線として定めることは意図されていないことに注意されたい。むしろ、「比較的直線の」導波路領域１２Ａは必ず２次元断面を定め、このため、ある程度プレーナ型であり得ると認識される。したがって、本発明を定め、説明する際に、「比較的直線の」導波路領域１２Ａは、その横方向寸法が側部プレーナ導波路領域１２Ｂ及び波長変換素子１０の他のコンポーネントの内のいくつかの横方向寸法に比べてほとんど重要ではないという意味で直線であると理解されるべきである。

「好ましくは」、「普通に」及び「一般に」のような語句は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定すること、あるいは特許請求される本発明の構造または機能にある特徴が必須であるか、肝要であるかまたは重要であることさえも意味することは、意図されていないことにも注意されたい。むしろ、これらの語句は、本発明の特定の実施形態に用いられても用いられなくとも差し支えない、代わりのまたは追加の特徴を強調することが意図されているに過ぎない。

本発明を説明し、定める目的のため、語句「実質的に」は、いずれかの定量的比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させ得る不確定性の固有の大きさを表すために本明細書で用いられることに注意されたい。語句「実質的に」は、定量的表現、例えば「実質的にゼロより大きい」が言明された基準、例えば「ゼロ」から変わる度合いを表すためにも本明細書で用いられ、定量的表現が容易に認められる大きさだけ言明された基準から変わることが必要であると解されるべきである。

特定の特性または機能を特定の態様で具現化するために特定の仕方で「構造につくられている」または「構成されている」本発明のコンポーネントの本明細書における叙述は目的用途の叙述に対するものとしての構造の記述であることにも注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構造につくられている」または「構成されている」態様への本明細書における言及はコンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造的特徴の一定の叙述としてとられるべきである。

本発明の先の詳細な説明は特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。当業者には、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。

１０ 波長変換素子
１１ 入力面
１２ 導波路領域
１３ 素子出力面
１４ 低屈折率層
１７ 迷光
１８ コアファセット
１９ 側部ファセット
２０ 半導体レーザ
３０ ビーム投影光学系
３２ コリメータレンズ
３４ 走査ミラー
４０ 投影スクリーン

Claims (9)

1. レーザ源、波長変換素子及びビーム投影光学系を備えるレーザ投影システムにおいて、
   前記波長変換素子が、入力面、出力面及び、前記入力面から前記出力面まで延び、一対の比較的低屈折率のクラッド層の間に閉じ込められた、導波路領域を有し、
   前記導波路領域が比較的直線の導波路領域及び、前記比較的直線の導波路領域からトレンチによって隔てられた、一対の側部プレーナ導波路領域を有し、
   前記波長変換素子の前記出力面が、コアファセット及び少なくとも２つの側部ファセットからなるマルチファセット出力面を有し、
   前記導波路領域に沿って前記入力面から前記出力面に伝搬している光信号が、前記出力面の前記コアファセットに沿って前記比較的直線の導波路領域と実質的にそろう比較的共強度のスポットを定めるであろうように、また、ある程度の散乱を受けて前記出力面の前記側部ファセットに沿って前記側部プレーナ導波路領域と実質的にそろう比較的低強度の側方に分布する寄生光を定めるであろうように、前記導波路領域が構成され、
   前記波長変換素子の前記出力面の前記側部ファセットが、前記比較的高強度のスポットが前記コアファセットを通して投射される方向とは全く異なる方向に前記比較的低強度の側方に分布する寄生光を投射するように方位が定められ、
   前記ビーム投影光学系が前記比較的低強度の側方に分布する寄生光と前記比較的高強度のスポットを弁別し、よって前記レーザ投影システムの画像フィールドに向かう比較的高強度の光信号の投射を優越させるように構成される、
   ことを特徴とするレーザ投影システム。
2. 前記マルチファセット出力面の前記側部ファセット及び前記コアファセットが前記側方に分布する寄生光及び前記比較的高強度のスポットの横方向に発散または収束する投射を定めるように互いに対して方位が定められることを特徴とする請求項１に記載のレーザ投影システム。
3. 前記マルチファセット出力面の前記側部ファセット及び前記コアファセットが、前記側方に分布する寄生光の平行で同一平面にある投射を定めるように互いに対して方位が定められ、
   前記マルチファセット出力面の前記側部ファセット及び前記コアファセットが、前記側方に分布する寄生光の前記平行で同一平面にある投射が前記比較的高強度のスポットの前記投射から前記導波路領域の横次元または縦次元に沿って角度が偏るように、互いに対して方位が定められる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ投影システム。
4. 前記ビーム投影光学系が、前記投射された比較的高強度のスポットの選択的な反射または通過によって前記比較的低強度の側方に分布する寄生光と前記比較的高強度のスポットを弁別するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ投影システム。
5. 前記ビーム投影光学系が、前記投射された寄生光の選択的な反射または吸収によって前記比較的低強度の側方に分布する寄生光と前記比較的高強度のスポットを弁別するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ投影システム。
6. 前記ビーム投影光学系が、前記比較的高強度の光信号の反射を優越させるような大きさにつくられ、そのように配置された、走査ミラーを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ投影システム。
7. 前記ビーム投影光学系が、前記比較的高強度の光信号だけを反射するような大きさにつくられ、そのように配置された、走査ミラーを有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ投影システム。
8. 前記ビーム投影光学系が、前記波長変換素子の前記出力面から伝搬する発散光信号または収束光信号をコリメートするように配置された、コリメートレンズをさらに有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ投影システム。
9. 前記コリメートレンズが、前記波長変換素子の前記出力面の下流に、前記側方に分布する寄生光のコリメートされた部分の前記走査ミラーによる反射を確実に不可能にするに十分に離して、配置されることを特徴とする請求項８に記載のレーザ投影システム。

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