JP2012227410A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】射出光量の分布にばらつきが少なく、偏光がそろった発光装置を提供する。
【解決手段】対向する２方向から光を射出する導波路３０と光３４の進行方向を変える光路変更部２０とを発光半導体基板１０に備える。光射出部３１の第１場所及び第２場所には光３４を偏光させる偏光部４０を有し、第１場所と第２場所から射出する光３４はそれぞれ直交した偏光にする。第１場所と第２場所との距離を第１距離とし、隣り合う発光素子の第１場所と第２場所との距離のうち短い方の距離を第２距離とする。第２距離が第１距離より短い距離となるように配置する。また、第１場所及び第２場所の片方に１／２波長板５０を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関する。

近年、プロジェクターやディスプレイ等の表示装置の光源用の発光装置として、高輝度で色再現性に優れたレーザー装置が期待されている。レーザー光源はスペックルと呼ばれる干渉模様が発生しやすく、映像を表示する上で大きな問題となっている。これを解決する方法として、例えば、特許文献１に記載されているように、スペックルノイズを低減でき、かつ高出力である新規な発光装置として、同一方向に光線を射出できる発光装置がある。

特開２０１０−１７７４３７号公報

しかしながら、透過型液晶や、反射型液晶等のような偏光制御型のＬＶを用いた画像表示デバイスでは、発光装置から射出される光の偏光がそろっていることが不可欠である。特許文献１に記載の発光装置から射出される光線の偏光は増幅を受ける活性層領域の結晶のひずみ（引っ張り、圧縮）により各偏光成分の増幅に違いが生じることがある。このとき、射出光量の分布にばらつきが生じるとともに、偏光がそろわないという課題があった。そこで、射出光量の分布にばらつきが少なく、偏光がそろった発光装置が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる発光装置は、対向する２方向から光を射出するＳＬＤと前記光の進行方向を変えて前記光を第１場所と第２場所とから同じ向きに射出する光路変更部とを備え配列された発光素子と、前記第１場所及び前記第２場所から射出する前記光を偏光させる偏光部と、前記第１場所及び前記第２場所の一方に設置された１／２波長板と、を備え、前記第１場所と前記第２場所との距離を第１距離とし、隣り合う前記発光素子の前記第１場所と前記第２場所との距離のうち短い方の距離を第２距離とするとき、前記第２距離が前記第１距離より短い距離となるように前記第１場所と前記第２場所とが配置され、前記偏光部は前記第１場所にて射出する光の偏光方向と、前記第２場所にて射出する光の偏光方向とを直交させることを特徴とする。尚、ＳＬＤはSuper Luminescent Diodeを示す。

本適用例によれば、対向する２方向から光を射出するＳＬＤと光の進行方向を変える光路変更部とを備えている。ＬＤ（Laser Diode）に比べ広帯域な波長幅を有するＳＬＤを使用することにより同一方向へ低スペックル光線を射出できる。光路変更部は光の進行方向を変えて前記光を第１場所と第２場所とから同じ向きに射出する。第１場所及び前記第２場所には光を偏光させる偏光部が設置されている。そして、偏光部は、第１場所と第２場所からの射出光を直交した偏光にする。このとき、第１場所と第２場所からの射出光の強度はＳＬＤの偏光比により異なる。発光素子が配列した構造をとり、第２距離は第１距離より短い距離にされている。従って、第１場所と隣り合う発光素子の第２場所とが接近した配置となっている。その結果、第１場所と隣り合う発光素子の第２場所から射出する光を合わせた射出光量の分布が同じ光量の分布となる配列を作ることができる。この組み合わせにより各光源の偏光比のばらつきによって生じる射出光量のばらつきを効果的に抑制することができる。また、第１場所及び第２場所から射出される光線の偏光面が互いに直交しているが、一方に１／２波長板を備えることにより、１／２波長板通過後の光線の偏光面を９０度回転することができるため、射出される光線の偏光面をＳＬＤの活性層領域の結晶のひずみ（引っ張り、圧縮）によらず、同一方向に揃えることができる。

［適用例２］上記適用例に記載の発光装置において、前記偏光部は、金属線が所定の間隔で平行に整列した構造を有し、前記第１場所と前記第２場所に形成された前記金属線の方向が互いに直交することが好ましい。

本適用例によれば、偏光部を金属線が所定の間隔で平行に整列した構造を有している。これにより、偏光部はワイヤーグリッド（以下ＷＧと称す）と呼ばれる反射型偏光素子を構成する。これにより、不要な偏光を反射し、ＳＬＤの出力低下を引き起こす発熱を抑えることができる。さらに、ＷＧは光線の入射角度の許容が広いため、良好な偏光を広い角度で獲得することができる。また、第１場所と第２場所に形成された金属線の方向が互いに直交する配置を取ることで互いの偏光軸が直交するため、１／２波長板と合わせることにより反射した偏光成分の偏光軸を揃えて射出することができる。

［適用例３］上記適用例に記載の発光装置において、前記第１場所及び前記第２場所で光を射出する光射出部は１方向に長く形成され、前記金属線は、前記光射出部の長手方向に対して斜めの方向に配置されることが好ましい。

本適用例によれば、金属線が、前記第１場所及び前記第２場所に形成された光射出部の長手方向に対して斜めに配置されている。これにより、光射出部に金属線が複数本含むように配置することが可能になる。従って、光射出部で偏光部が光を確実に偏光させることができる。

［適用例４］上記適用例に記載の発光装置において、前記光を平行光にするレンズが配列したコリメートレンズを有し、前記第１場所及び前記第２場所から射出する一対の前記光が１つの前記レンズを通過することが好ましい。

本適用例によれば、発光素子が配列した構造をとり、第２距離は第１距離より短い距離にすることで、第１場所と第２距離離れた第２場所から射出させる光を近い場所から射出させている。そして、第１場所及び第２場所から射出する一対の光が１つのレンズを通過させている。従って、発光装置は、コリメートレンズの各レンズから射出される光の光量の分布が均一となる平行光線を射出することができる。

第１の実施形態にかかる発光装置の構成を示す概略斜視図。 偏光部の構造を示す概略斜視図。 発光装置の構成を示す概略斜視図。 光射出部と金属線との関係を説明するための模式側面図。 第２の実施形態にかかる発光装置の構造を示す概略斜視図。 第３の実施形態にかかるプロジェクターの概略構成図。 第４の実施形態にかかる画像表示装置の概略構成図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
図１は、第１の実施形態にかかる発光装置の構成を示す概略斜視図である。まず、実施形態１にかかる発光装置１００の概略構成について説明する。また、ここでは、発光装置１００がＩｎＧａＡｌＰ系（赤色）の半導体発光装置である場合について説明する。

図１に示すように、発光装置１００には発光素子１０１が配列して配置されている。発光素子１０１は、発光半導体基板１０、ＳＬＤとしての導波路３０、進行方向を変える光路変更部２０、端面に形成された光射出部３１、偏光部４０、１／２波長板５０等から構成されている。

発光半導体基板１０は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板等を用いることができる。導波路３０は、発光半導体基板１０上に第１クラッド層と光３４を閉じ込める活性層と第２クラッド層とが積層された構成となっている。活性層は、ＩｎＧａＰウェル層とＩｎＧａＡｌＰバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。第１クラッド層としては、例えばｎ型ＡｌＧａＰ層等を用いることができる。第２クラッド層は、例えば第２導電型（例えばｐ型）の半導体からなるｐ型ＡｌＧａＰ層等を用いることができる。

進行方向を変える光路変更部２０は、導波路３０の直線部分の両端に設置されている。光路変更部２０は光３４を反射させて進行方向を変えている。光路変更部２０は、誘電体多層膜や、発光半導体基板１０と空気層等により形成された全反射面を用いることができる。光路変更部２０により導波路３０は光３４の進行方向が変更される。偏光部４０は、金属線が所定の間隔で平行に整列した構造を有したワイヤーグリッド（以降ＷＧと称す）と呼ばれる反射型偏光素子により形成される。１／２波長板５０は、複屈折により偏光部４０より射出された直線偏光を１／２波長回転させ偏光方向を９０度回転させる。

導波路３０の端面から発光される偏光は増幅を受ける活性層領域の結晶のひずみ（引っ張り、圧縮）により各偏光成分の増幅に違いが生じ、偏光比が影響を受ける。そのため、光３４は完全には偏光していない。そのため、発光させる波長帯域や結晶系によっては、透過型液晶や反射型液晶のような偏光制御型表示デバイスに用いるには十分な偏光比が確保できないといった問題が生じる。そのため、導波路３０の端面に偏光部４０をもうけることにより、発光装置１００は射出する光３４を偏光光にすることができる。しかしながら、導波路３０の端面の光射出部３１から発光される光３４の射出角度が大きく通常のヨウ素等の吸収型偏光板を用いた場合には、高い偏光比を得られない。吸収型偏光板は透過軸以外の偏光成分を吸収して発熱するため耐光性に問題がある。

これらの課題を解消する偏光部４０として、ＷＧという反射分離型の偏光板がある。図２は、第１の実施形態にかかる偏光部の構造を示す概略斜視図である。図２に示すように、偏光部４０は、発光半導体基板１０の光射出部３１上に、もしくは透明支持基板２００を介した上に、金属線２１０が所定の間隔で平行に整列した構造である。可視光の場合、間隔は１００〜１５０ｎｍである。ＷＧは、偏光面と金属線２１０とが平行なときには、偏光面により金属線２１０中の自由電子が揺さぶられ逆位相の電場を発生する。そのため、偏光面の電場と光３４に属する電場とが合成した結果光３４は反射されてしまい透過できない。自由電子は金属線２１０の長手方向には自由に動けるが、金属線２１０と直交する方向には動けない。このことから、偏光面と金属線２１０とが直交する方向には金属線中の自由電子はほとんど揺さぶられることができないため、電磁波を発生できない。そのため、ほとんど何の干渉もなしに金属線２１０と垂直な偏光は透過できる。この性質から、ＷＧへの光３４の入射角度依存性は低く、入射角度が２０〜３０度程度変化しても高い偏光比を保持できる。そのため、端面の光射出部３１から射出された幅広い角度の光３４に対して高い偏光比を確保できる。

また、ＷＧは反射型偏光板のため端面の光射出部３１から射出された光３４の偏光成分のうち偏光部４０の金属線２１０と垂直方向の偏光成分は反射される。そのため、偏光部４０で熱が発生せず高い耐光性が得られる。

図３は、発光装置の構成を示す概略斜視図である。図３に示すように、導波路３０の両端の発光部をそれぞれ第１場所３２と第２場所３３とする。第１場所３２と第２場所３３とに透過時の偏光が直交するように偏光部４０を配置する。発光装置１００をこのような構造にすれば、第１場所３２で反射された偏光は第２場所３３から射出され、第２場所３３で反射された偏光は第１場所３２より射出される。このため、発光装置１００は光量を落とすことなく効果的に偏光光線を取り出すことができる。

第１場所３２と第２場所３３とに透過時の偏光が直交するように偏光部４０を配置する。第１場所３２と第２場所３３との距離を第１距離７０とし、隣り合う発光素子１０１の第１場所３２と第２場所３３との距離のうち短い方の距離を第２距離６０とする。たとえば、偏光部４０を通過後に第１場所３２からはＰ波が射出され、第２場所３３からはＳ波が射出されるとする。このとき、同一基板上に形成されているため導波路３０で作られる偏光比は一定である。このため、第２距離６０を隔てた第１場所３２から射出されるＰ波と第２場所３３から射出されるＳ波の光量の和は、製造条件が変動しても常に同じ光量となる。たとえば、導波路３０でＰ波とＳ波の比率が８：２と３：７と変動する場合を考える。このとき、第２距離６０を隔てた第１場所３２から射出するＰ波と、第２場所３３から射出するＳ波とはそれぞれ８：２と３：７となるがその光量の和は常に一定である。

図４は、光射出部と金属線との関係を説明するための模式側面図である。図４に示すように、導波路３０の光射出部３１は活性層の形状を反映し、１方向に長い形状となっている。光射出部３１の形状は、例えば、厚みが数十ｎｍから数百ｎｍであるのに対して横方向は数十μｍである。一方、金属線２１０の間隔が１００〜１５０ｎｍとなる。そのため、金属線２１０ａが光射出部３１と平行になってしまうと、光射出部３１に金属線２１０ａがかからなくなってしまう。そうすると、偏光部４０としての機能が減少する。そのため、金属線２１０ｂのように、光射出部３１の長手方向に対して斜めの方向に配置されることが望ましい。

そして、図１に示すように、第１場所３２と第２場所３３のどちらか、一方に１／２波長板５０を付加したならば、偏光方向を同一にした光３４のみを射出することができる。

本実施形態にかかる発光装置１００は、例えば、プロジェクター、ディスプレイ、照明装置、計測装置等の光源に適用されることができる。このことは、後述する実施形態についても同様である。

以上述べたように、本実施形態にかかる発光装置１００によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態によれば、第１場所３２及び第２場所３３には光３４を偏光させる偏光部４０を有することで、第１場所３２と第２場所３３からの射出光はそれぞれ直交した偏光を持つ。このとき、第１場所３２と第２場所３３から射出する光３４の強度は導波路３０の偏光比により異なる。そして、第１場所３２と第２場所３３とを接近させている。その結果、第１場所３２と隣り合う発光素子１０１の第２場所３３から射出する光３４を合わせた射出光量の分布が同じ光量の分布となる配列を作ることができる。この組み合わせにより各光源の偏光比のばらつきによって生じる射出光量のばらつきを効果的に抑制することができる。また、射出される光３４の偏光面が互いに直交しているが、片方に１／２波長板５０を備えることにより、１／２波長板５０通過後の光３４の偏光面を９０度回転することができるため、射出される光３４の偏光面を活性層領域の結晶のひずみ（引っ張り、圧縮）によらず、同一方向に揃えることができる。

（２）本実施形態によれば、偏光部４０は金属線２１０が所定の間隔で平行に整列した構造を有している。そして、偏光部４０はＷＧと呼ばれる反射型偏光素子を構成する。これにより、偏光部４０は不要な偏光を反射し、ＳＬＤの出力低下を引き起こす発熱を抑えることができる。さらに、ＷＧは光３４の入射角度の許容が広いため、良好な偏光を広い角度で獲得することができる。また、第１場所３２と第２場所３３に形成された金属線２１０の方向が互いに直交する配置を取ることで互いの偏光軸が直交するため、１／２波長板５０と合わせることにより反射した偏光成分の偏光軸を揃えて射出することができる。

（３）本実施形態によれば、金属線２１０が、第１場所３２及び第２場所３３に形成された光射出部３１の長手方向に対して斜めに配置されている。これにより、光射出部３１に金属線２１０が複数本含むように配置することが可能になる。従って、光射出部３１で偏光部４０が光３４を確実に偏光させることができる。

（実施形態２）
図５は、第２の実施形態にかかる発光装置の構造を示す概略斜視図である。本実施形態にかかる発光装置について、これらの図を参照して説明する。尚、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。

図５に示すように、発光装置４００は実施形態１の発光装置１００を三層に重ねた構造となっている。そして、光射出部３１では１／２波長板５０を覆ってコリメートレンズとしてのレンズアレイ３００が設置されている。レンズアレイ３００にはコリメートレンズであるレンズ３１０が格子状に配置されている。そして、同一基板上に形成された第１場所３２と第２距離６０だけ離れた第２場所３３からの射出する光３４を１つのレンズ３１０に通過させて、平行光にすることができる。レンズ通過後の光３４は第１場所３２と第２場所３３とが近接しているので一光源とみなせる。そのため、発光装置４００のような構造を用いれば同一の偏光でかつ、発光量の等しい発光点を格子状に配列させて配置することができる。

以上述べたように、本実施形態にかかる発光装置４００によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
第１場所３２と第２距離６０離れた第２場所３３からの射出光量が同じとなる組み合わせの光３４についてレンズ３１０を設けることで、レンズ一個あたりからは、活性層領域の結晶のひずみ（引っ張り、圧縮）によらず、光量の分布が均一な平行光線を射出することができる。

（実施形態３）
以下、本発明の実施形態３について図６を参照して説明する。
本実施形態では、上記第１〜第２の実施形態の光源装置を備えるプロジェクターについて説明する。図６はプロジェクターの概略構成図である。

本実施形態のプロジェクター１１００は、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ射出する赤色発光装置１００Ｒ、緑色発光装置１００Ｇ、青色発光装置１００Ｂを備えている。赤色発光装置１００Ｒ、緑色発光装置１００Ｇ、青色発光装置１００Ｂは上記の発光装置１００となっている。プロジェクター１１００は、上記の赤色発光装置１００Ｒ、緑色発光装置１００Ｇ、青色発光装置１００Ｂから射出された各色光をそれぞれ変調する透過型の液晶ライトバルブ（光変調装置）１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂを備えている。さらに、プロジェクター１１００は、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂから射出された光を合成して投射レンズ１０７に導くクロスダイクロイックプリズム（色合成手段）１０６と、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂによって形成された像を拡大してスクリーン７１０に投射する投射レンズ（投射装置）１０７と、を備えている。

さらに、プロジェクター１１００は、発光装置としての発光装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから射出された光３４の照度分布を均一化させるための均一化光学系１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂを備えており、照度分布が均一化された光によって液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂを照明している。本実施形態では、均一化光学系１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂは、例えば、ロッドインテグレーター１０２ａとフィールドレンズ１０２ｂによって構成されている。

各液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム１０６に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その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配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投射光学系である投射レンズ１０７によりスクリーン７１０上に投射され、拡大された画像が表示される。

尚、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、反射型のライトバルブを用いても良いし、液晶以外の光変調装置を用いても良い。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型液晶ライトバルブやデジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micro mirror Device）が挙げられる。投射光学系の構成は、使用されるライトバルブ種類によって適宜変更すればよい。

上述したように、本実施形態によれば、赤色発光装置１００Ｒ、緑色発光装置１００Ｇ、青色発光装置１００Ｂは上記の発光装置１００となっている。発光装置１００は、射出光量のばらつきが少ない光３４を射出する。従って、プロジェクター１１００は射出光量のばらつきが少ない光３４を射出する発光装置１００を備えたプロジェクターとすることができる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施形態４について図７を参照して説明する。
本実施形態では、走査型の画像表示装置（光学装置）について説明する。図７は、画像表示装置の概略構成図である。

図７に示すように、本実施形態の画像表示装置５００は、上記の発光装置１００を備えた光源１１０と、光源１１０から射出された光３４をスクリーン７１０に向かって走査するＭＥＭＳミラー（走査手段）２０２と、光源１１０から射出された光３４をＭＥＭＳミラー２０２に集光させる集光レンズ２０３とを備えている。光源１１０と集光レンズ２０３との間には波長変換素子４５及び波長選択フィルター４４が設置されている。発光装置１００から射出された光は、ＭＥＭＳミラー２０２の駆動によってスクリーン７１０上を水平方向、垂直方向に走査される。カラー画像を表示する場合は、例えば、光源１１０を構成する複数の発光装置１００を、赤、緑、青のピーク波長を持つ発光装置１００の組み合わせによって構成すれば良い。

尚、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態で例示した各構成要素の形状、寸法、個数、設置位置等に関する具体的な記載は、適宜変更が可能である。

２０…光路変更部、３０…ＳＬＤとしての導波路、３１…光射出部、３２…第１場所、３３…第２場所、３４…光、４０…偏光部、５０…１／２波長板、６０…第２距離、７０…第１距離、１０１…発光素子、２１０，２１０ａ，２１０ｂ…金属線、３００…コリメートレンズとしてのレンズアレイ、４００…発光装置。

Claims (4)

1. 対向する２方向から光を射出するＳＬＤと前記光の進行方向を変えて前記光を第１場所と第２場所とから同じ向きに射出する光路変更部とを備え配列された発光素子と、
   前記第１場所及び前記第２場所から射出する前記光を偏光させる偏光部と、
   前記第１場所及び前記第２場所の一方に設置された１／２波長板と、を備え、
   前記第１場所と前記第２場所との距離を第１距離とし、隣り合う前記発光素子の前記第１場所と前記第２場所との距離のうち短い方の距離を第２距離とするとき、前記第２距離が前記第１距離より短い距離となるように前記第１場所と前記第２場所とが配置され、
   前記偏光部は前記第１場所にて射出する光の偏光方向と、前記第２場所にて射出する光の偏光方向とを直交させることを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記偏光部は、金属線が所定の間隔で平行に整列した構造を有し、前記第１場所と前記第２場所に形成された前記金属線の方向が互いに直交することを特徴とする発光装置。
3. 請求項２に記載の発光装置において、
   前記第１場所及び前記第２場所で光を射出する光射出部は１方向に長く形成され、前記金属線は、前記光射出部の長手方向に対して斜めの方向に配置されることを特徴とする発光装置。
4. 請求項３に記載の発光装置において、
   前記光を平行光にするレンズが配列したコリメートレンズを有し、
   前記第１場所及び前記第２場所から射出する一対の前記光が１つの前記レンズを通過することを特徴とする発光装置。

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