JP2015215443A - Projection device - Google Patents
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本発明は、レーザ光を走査して画像を投影する投影装置に関する。 The present invention relates to a projection apparatus that scans a laser beam and projects an image.
一般に、レーザプロジェクタの光源には、光量の増加、発光により生じる熱の分散、歩留まりの向上などの目的から、アレイ化したLD(レーザダイオード)を含むレーザモジュールが用いられる。例えば、特許文献1には、共通の半導体積層部により一体に形成された複数のレーザ素子を含むLDアレイを光源として用いたプロジェクタが記載されている。
In general, a laser module including an arrayed LD (laser diode) is used as a light source of a laser projector for the purpose of increasing the amount of light, dispersing heat generated by light emission, and improving yield. For example,
また、赤色(R)、緑色(G)および青色(B)のレーザ光源からの各色レーザ光を、クロスプリズムなどの空間光学系または融着型光ファイバコンバイナにより合波し、MEMS(Micro Electro Mechanical System)スキャナにより走査して、画像を投影するレーザプロジェクタが知られている。こうしたレーザプロジェクタでは、レーザ光に固有のコヒーレンス性に起因して微小な斑点模様のスペックルノイズが発生するため、従来から、このスペックルノイズを低減する様々な手法が提案されている。例えば、特許文献2には、双方向の線順次走査を行う際に、画素表示期間内においてRGBの各レーザ光源の駆動開始タイミングを異ならせることにより、スペックルノイズを低減しつつ、投射スポットの位置ずれを補正する画像表示装置が記載されている。
Also, each color laser beam from the red (R), green (G), and blue (B) laser light sources is multiplexed by a spatial optical system such as a cross prism or a fusion type optical fiber combiner, and MEMS (Micro Electro Mechanical) is combined. A laser projector that scans with a scanner and projects an image is known. In such a laser projector, speckle noise with a minute speckle pattern is generated due to the coherence characteristic inherent to the laser beam, and various methods for reducing this speckle noise have been conventionally proposed. For example, in
また、特許文献3には、一群の各光ファイバでそれぞれ伝送されてきた各変調レーザ光を、投映面上の各領域に順次一括して走査することにより、投映面上の各領域に各走査線ブロックエリアのビデオ情報を順次直列的に投映する投映表示装置が記載されている。特許文献3では、変調信号のタイミングに時差をもたせて調整することにより、投映面での走査ビームごとに生じる時間軸のずれを補正することが記載されている。
Further, in
スペックルノイズ(スペックルコントラスト)は、光源の個別のレーザ素子からの光をスクリーン上で角度多重、(一般に人間の眼で認識可能な最小の画素をそれより小さい複数個のビームで構成することをオーバーデザインと呼ぶが、オーバーデザインを用いた)空間多重などの手法でn個に多重化すれば、理論上は1/√nに減ることが知られている。しかしながら、互いに分割されていない(未分割の)複数のレーザ素子を含むレーザアレイでは、各レーザ素子が近接しているため、それらの各素子の発光が互いに相関をもってしまう。このため、未分割のレーザアレイを光源として用いて、同時にスクリーンに投射する走査型の投影装置では、上記の理論通りにはスペックルノイズが減らないという問題がある。 Speckle noise (speckle contrast) means that light from individual laser elements of the light source is angle-multiplexed on the screen (generally, the smallest pixel that can be recognized by the human eye is composed of multiple smaller beams) Is called over design, but if it is multiplexed into n by a method such as spatial multiplexing using over design, it is theoretically known to be reduced to 1 / √n. However, in a laser array including a plurality of laser elements that are not divided (undivided), since the laser elements are close to each other, the light emission of these elements has a correlation with each other. For this reason, there is a problem that speckle noise is not reduced according to the above theory in a scanning projection apparatus that simultaneously projects on a screen using an undivided laser array as a light source.
そこで、本発明は、未分割のレーザアレイを光源として使用しても、本構成を有しない場合と比べてスペックルノイズを低減させることが可能な投影装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a projection apparatus that can reduce speckle noise even when an undivided laser array is used as a light source, as compared with the case without the present configuration.
本発明の投影装置は、互いに分割されていない、同色のレーザ光を出射する複数のレーザ素子を含むレーザアレイと、複数のレーザ素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の光ファイバと、複数の光ファイバの出射端部から出射されたレーザ光を偏向させて投影面上を走査する走査部と、走査部によるレーザ光の走査線ごとに互いに開始タイミングをずらして複数のレーザ素子を発光させる制御部とを有し、制御部は、複数のレーザ素子からのレーザ光がそれぞれ走査される投影面上の領域の共通部分で、各レーザ素子のレーザ光により同じ位置に同じ画像が投影されるように、複数のレーザ素子の発光を制御する。 The projection apparatus according to the present invention includes a laser array including a plurality of laser elements that emit laser beams of the same color that are not divided from each other, a plurality of optical fibers that respectively guide laser beams from the plurality of laser elements, A scanning unit that deflects laser light emitted from the emitting end of the optical fiber and scans the projection surface, and a plurality of laser elements emit light at different start timings for each scanning line of laser light by the scanning unit A control unit, and the control unit projects the same image at the same position by the laser light of each laser element at a common part of the region on the projection surface where the laser beams from the plurality of laser elements are respectively scanned. Thus, the light emission of the plurality of laser elements is controlled.
上記の投影装置は、複数の光ファイバの出射端部から互いに間隔を空けたレーザ光が走査部に向けて出射されるように、複数の光ファイバの出射端部を固定する固定具をさらに有することが好ましい。 The projection apparatus further includes a fixture that fixes the emission end portions of the plurality of optical fibers so that laser beams spaced from each other are emitted from the emission end portions of the plurality of optical fibers toward the scanning unit. It is preferable.
上記の投影装置では、固定具は、複数のレーザ素子からのレーザ光の投射点が投影面上において走査部による走査方向に交差する方向に互いにずれる配列で複数の光ファイバの出射端部を固定することが好ましい。 In the above projection apparatus, the fixture fixes the emitting end portions of the plurality of optical fibers in an arrangement in which the projection points of the laser beams from the plurality of laser elements are shifted from each other in the direction intersecting the scanning direction by the scanning unit on the projection surface. It is preferable to do.
上記の投影装置は、複数の光ファイバの出射端部から出射されるレーザ光の投射点が投影面上において人間の眼で認識可能な最小の画素の大きさに収まるようにレーザ光のビーム径を調整する投射レンズをさらに有し、固定具は、複数のレーザ素子からのレーザ光の投射点が投影面上において走査方向に対して斜め一列に並ぶ配列で複数の光ファイバの出射端部を固定することが好ましい。 In the above projection apparatus, the beam diameter of the laser beam is such that the projection point of the laser beam emitted from the emission ends of the plurality of optical fibers is within the minimum pixel size that can be recognized by the human eye on the projection surface. The fixture further includes a projection lens, and the fixture has the emission end portions of the plurality of optical fibers in an array in which the projection points of the laser beams from the plurality of laser elements are arranged in a diagonal line with respect to the scanning direction on the projection surface. It is preferable to fix.
上記の投影装置では、固定具は、複数のレーザ素子からのレーザ光の投射点が投影面上において走査部による走査方向に沿って一列に並ぶ配列で複数の光ファイバの出射端部を固定することが好ましい。 In the above projection apparatus, the fixture fixes the emission ends of the plurality of optical fibers in an array in which the projection points of the laser beams from the plurality of laser elements are arranged in a line along the scanning direction of the scanning unit on the projection surface. It is preferable.
また、本発明の投影装置は、互いに分割されていない、赤色レーザ光を出射する複数のレーザ素子を含む赤色レーザアレイと、互いに分割されていない、緑色レーザ光を出射する複数のレーザ素子を含む緑色レーザアレイと、互いに分割されていない、青色レーザ光を出射する複数のレーザ素子を含む青色レーザアレイと、赤色レーザアレイの複数のレーザ素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の赤色用光ファイバと、緑色レーザアレイの複数のレーザ素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の緑色用光ファイバと、青色レーザアレイの複数のレーザ素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の青色用光ファイバと、複数の赤色用光ファイバ、複数の緑色用光ファイバおよび複数の青色用光ファイバの出射端部から出射された各色レーザ光を偏向させて投影面上を走査する走査部と、赤色レーザアレイ、緑色レーザアレイおよび青色レーザアレイのそれぞれについて、走査部によるレーザ光の走査線ごとに互いに開始タイミングをずらして複数のレーザ素子を発光させる制御部とを有し、制御部は、複数のレーザ素子からのレーザ光がそれぞれ走査される投影面上の領域の共通部分で、各レーザ素子のレーザ光により同じ位置に同じ画像が投影されるように、複数のレーザ素子の発光を制御する。 The projection apparatus of the present invention includes a red laser array that includes a plurality of laser elements that emit red laser light that are not divided from each other, and a plurality of laser elements that emit green laser light that are not divided from each other. A green laser array, a blue laser array including a plurality of laser elements that emit blue laser light that are not divided from each other, and a plurality of red lights that respectively guide laser beams from the plurality of laser elements of the red laser array Fiber, a plurality of green optical fibers that respectively guide laser beams from a plurality of laser elements of a green laser array, and a plurality of blue light that respectively guide laser beams from a plurality of laser elements of a blue laser array Each of the light emitted from the emission ends of the fiber, a plurality of red optical fibers, a plurality of green optical fibers, and a plurality of blue optical fibers For each of the scanning unit that deflects the laser beam and scans the projection surface, and each of the red laser array, the green laser array, and the blue laser array, a plurality of lasers with different start timings for each scanning line of the laser beam by the scanning unit A control unit that emits light from the element, and the control unit is a common part of an area on the projection surface where the laser beams from the plurality of laser elements are scanned, and the same image is formed at the same position by the laser beams of each laser element Are controlled so that light is emitted from the plurality of laser elements.
上記の投影装置によれば、未分割のレーザアレイを光源として使用しても、本構成を有しない場合と比べてスペックルノイズを低減させることが可能になる。 According to the projection apparatus described above, speckle noise can be reduced even when an undivided laser array is used as a light source, as compared with a case where this configuration is not provided.
以下、図面を参照しつつ、投影装置について説明する。ただし、本発明が図面または以下に記載される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。 Hereinafter, the projection apparatus will be described with reference to the drawings. It should be understood, however, that the present invention is not limited to the drawings or the embodiments described below.
この投影装置は、未分割の複数のレーザ素子を含むレーザアレイを光源として使用し、各レーザ素子からのレーザ光を複数の光ファイバにより導波して出射し、出射されたレーザ光で走査部により投影面上を走査して、画像を投影する。その際、この投影装置では、互いに開始タイミングをずらして複数のレーザ素子を発光させるとともに、ファイババンドルコンバイナで固定された複数の光ファイバの出射端部から、互いにわずかに位置をずらして走査部に向けて各レーザ素子のレーザ光を出射させる。これにより、近接するレーザ素子間の発光の相関をなくすことで、この投影装置では、未分割レーザアレイを使用した投影装置に特有のスペックルノイズを低減させる。 The projection apparatus uses a laser array including a plurality of undivided laser elements as a light source, and guides and emits laser light from each laser element through a plurality of optical fibers, and scans the laser beam from the emitted laser light. The image is projected by scanning on the projection surface. At this time, in this projection apparatus, a plurality of laser elements are caused to emit light at different start timings from each other, and slightly shifted from each other to the scanning unit from the emission end portions of the plurality of optical fibers fixed by the fiber bundle combiner. The laser beam of each laser element is emitted. Thus, by eliminating the correlation of light emission between adjacent laser elements, this projection apparatus reduces speckle noise peculiar to the projection apparatus using the undivided laser array.
図1は、レーザプロジェクタ1の概略構成図である。レーザプロジェクタ1は、投影装置の一例であり、主要な構成要素として、レーザモジュール2と、ファイババンドルコンバイナ3と、投射レンズ4と、MEMSスキャナ5とを有する。光源であるレーザモジュール2から出射された赤色(R)、緑色(G)および青色(B)のレーザ光は、ファイババンドルコンバイナ3で合波され、揺動するMEMSスキャナ5で走査されて、投影面70上に投影される。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
図2は、レーザモジュール2の斜視図である。また、図3は、レーザモジュール2の平面図である。
FIG. 2 is a perspective view of the
レーザモジュール2は、主要な構成要素として、シリコン基板10、LDアレイ20R,20G,20B、ドライバIC30、ファイバアレイ40R,40G,40B、サブ基板50などを有する。レーザモジュール2は、Siプラットフォームとも呼ばれるシリコン基板10の上面に、LDアレイ20R,20G,20B、ドライバIC30、ファイバアレイ40R,40G,40B、サブ基板50などが実装された、集積化レーザモジュールである。
The
シリコン基板10は、例えば十数mm角程度の大きさを有する。また、シリコン基板10には、上面から底面に貫通するシリコン貫通電極(through-silicon via:TSV)が設けられている。このTSVにより、LDアレイ20R,20G,20Bなどの配線は、シリコン基板10の内部の配線層または底面に引き回されている。シリコン基板10は、LDアレイ20R,20G,20BおよびドライバIC30などに電気信号を供給するための回路基板(図示せず)の上に搭載される。その回路基板から、貫通電極を通してLDアレイ20R,20G,20B、ドライバIC30などの各素子に、電気信号が供給される。
The
LDアレイ20R,20G,20Bは、それぞれ、RGBレーザ光を出射するレーザ光源である。以下では、LDアレイ20R,20G,20Bをそれぞれ区別せず、単に「LDアレイ20」ともいう。
The
図4は、LDアレイ20の断面図である。LDアレイ20R,20G,20Bは、いずれも、図4に示すLDアレイ20と同様に構成される。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
LDアレイ20は、例えば、AlXInYGa1−X−YN(0≦X≦1,0≦Y≦1,0≦X+Y≦1)と表わされるGaN系化合物半導体により形成される。図4に示すように、LDアレイ20は、例えば、n型基板201、nGaNコンタクト層202、nAlGaNクラッド層203、nInGaNガイド層204、活性層205、pInGaNガイド層206、pAlGaN電子ブロック層207、pAlGaNクラッド層208、およびp型コンタクト層209がこの順に積層されて形成される。
The
また、図4に示すように、LDアレイ20は、上部に複数のリッジ部21a〜21eを有する。LDアレイ20では、リッジ部21a〜21eにp電極210a〜210eがそれぞれ形成され、n型基板201の底面にn電極200が形成される。また、リッジ部21a〜21eの側面には、絶縁膜220が形成される。各リッジ部21a〜21eは、共通電極であるn電極200と、個別電極であるp電極210a〜210eとを用いて独立に電流駆動され、別個のレーザ素子として機能する。
As shown in FIG. 4, the
したがって、LDアレイ20は、互いに分割されていない複数(図4の例では5個)のLD素子(レーザ素子)を含むレーザアレイとして機能する。このように、レーザモジュール2では、1個の半導体結晶から複数個の配線を取り出したLDアレイ20を使用する。
Therefore, the
レーザモジュール2では、LD素子の歩留まりを考慮して、その個数に冗長性をもたせたLDアレイ20R,20G,20Bを使用する。例えば、LD素子の歩留まりが6割程度であり、レーザモジュール2としてRGBの各色で3個ずつのLD素子が必要である場合には、それぞれ5個ずつのLD素子を含むLDアレイ20R,20G,20Bをシリコン基板10上に実装しておく。これにより、LD素子を駆動させながら各種特性を計測して初期不良品を選別するバーンイン試験を行った後でも、各色で3個ずつの良品が残るようにする。なお、この個数は一例であり、各LDアレイ20は上記とは異なる個数のLD素子を含んでもよい。また、各色LD素子の材料や、組成、構造などによる不良率に応じて、3つのLDアレイの間で冗長度を異ならせてもよい。
The
LDアレイ20R,20G,20Bは、半田実装などでドライバIC30が実装された後に、表面活性化接合でシリコン基板10の上面に実装される。また、LDアレイ20R,20G,20Bは、放熱特性を改善するためと、シリコン基板10の表面を基準面として高精度に位置決めするために、活性層がシリコン基板10側に位置するように、フェイスダウンで(図4に示す状態から上下反転させて)実装される。これにより、シリコン基板10に対して遠い側と近い側には、それぞれ各LD素子のn電極とp電極が配置される。上記の通り、n電極は各LD素子の共通電極であり、p電極はLD素子ごとの個別電極である。
The
ドライバIC30は、LDアレイ20R,20G,20Bを駆動する機構であり、少なくとも、LDアレイ20R,20G,20Bへの電流供給を制御する機構を有する。ドライバIC30は、デジタルインタフェースを実装していることが好ましく、また制御部としてCPUやメモリなどのコア部分を含む。後述するように、ドライバIC30は、LDアレイ20R,20G,20Bの各LD素子の発光開始タイミングを制御する。ドライバIC30は、例えば数mm角程度の大きさを有し、シリコン基板10の上面に半田で実装される。
The
ファイバアレイ40R,40G,40Bは、LDアレイ20R,20G,20BのLD素子にそれぞれ対応する複数(図示した例では5本ずつ)の光ファイバで構成される。ファイバアレイ40R,40G,40Bの各ファイバは、LDアレイ20R,20G,20Bから出射されたレーザ光を導波する、例えばシングルモードの光ファイバ(SMF)である。なお、ファイバアレイ40R,40G,40Bの端部には、結合部材としてGI(Graded Index)レンズを一体的に設けてもよい。また、ファイバアレイ40R,40G,40Bを設ける代わりに、例えばニオブ酸リチウムなどで構成された平板状の光導波路をシリコン基板10上に実装して、LDアレイ20R,20G,20Bからのレーザ光を導波させてもよい。
The
サブ基板50は、ファイバアレイ40R,40G,40Bを保持するための溝が下面に形成された、シリコンまたはガラス製の基板である。サブ基板50は、シリコン基板10の上面に表面活性化接合され、ファイバアレイ40R,40G,40Bの端部を固定する。サブ基板50がシリコン基板10に接合された状態で、ファイバアレイ40R,40G,40Bを構成する各ファイバの端部は、LDアレイ20R,20G,20Bの対応するLD素子にそれぞれ光結合される。サブ基板50には、LD素子への結合効率を上げるGIレンズと、ファイバアレイ40R,40G,40Bの各ファイバとを融着接続したレンズユニットを予め固定しておいてもよい。
The sub-substrate 50 is a silicon or glass substrate in which grooves for holding the
なお、図3には、LDアレイ20R,20G,20Bの各LD素子とドライバIC30の各電極とを互いに接続するための電極パッドの一部も示している。シリコン基板10の上面には、LD共通電極パッド11、LD個別電極パッド12R,12G,12B、LD接続用パッド14R,14G,14Bおよびドライバ用電極パッド15R,15G,15Bが形成されている。
FIG. 3 also shows part of electrode pads for connecting the LD elements of the
LD共通電極パッド11には、LDアレイ20R,20G,20Bの各LD素子のn電極が、3本のワイヤボンド61により共通に接続される。LD個別電極パッド12R,12G,12Bは、LDアレイ20R,20G,20Bを構成する5個ずつのLD素子に個別に電流を流せるように、5個ずつのストライプ状の電極パッドで構成される。LD個別電極パッド12R,12G,12Bには、対応するLD素子の個別電極であるp電極がそれぞれ接続される。
To the LD
LD接続用パッド14R,14G,14Bは、LDアレイ20R,20G,20BをドライバIC30に接続するための端子であり、LD個別電極パッド12R,12G,12Bに隣り合うように配置される。LD接続用パッド14R,14G,14Bは、LD個別電極パッド12R,12G,12Bにそれぞれ対応する5個ずつの電極パッドで構成される。LD接続用パッド14R,14G,14BとLD個別電極パッド12R,12G,12Bは、図示しないシリコン基板10の貫通電極およびシリコン基板10の底面に設けられた電極パッドを介して互いに接続される。なお、3つのLDアレイの冗長度に応じて、LD個別電極パッド12R,12G,12BとLD接続用パッド14R,14G,14Bのパッド数を色ごとに異ならせてもよい。
The
ドライバ用電極パッド15R,15G,15Bは、3つのLDアレイに含まれる5個ずつのLD素子より少なく、それぞれ3個ずつ形成されている。ドライバ用電極パッド15R,15G,15Bは、LDアレイ20R,20G,20Bのうち、バーンインにより選別された良品のLD素子に対応するLD接続用パッド14R,14G,14Bに、ワイヤボンド64により選択的に接続される。
The
図5は、レーザモジュール2の製造工程の例を示したフローチャートである。
FIG. 5 is a flowchart showing an example of the manufacturing process of the
まず、シリコン基板10に、上記で説明した電極構造を形成する(S1)。すなわち、LD共通電極パッド11、LD個別電極パッド12R,12G,12B、LD接続用パッド14R,14G,14Bおよびドライバ用電極パッド15R,15G,15Bをシリコン基板10の上面に形成する。また、それらを互いに接続するための貫通電極と電極パッドを、シリコン基板10の内部と底面にそれぞれ形成する。
First, the electrode structure described above is formed on the silicon substrate 10 (S1). That is, the LD
次に、ドライバIC30をシリコン基板10に半田接合する(S2)。そして、LDアレイ20R,20G,20Bを、それぞれフェイスダウンで、パッシブアライメントによりシリコン基板10の上面に表面活性化接合する(S3)。その際は、例えば、シリコン基板10とLDアレイ20R,20G,20Bにそれぞれ設けられたアライメントマークの位置を合わせることにより、シリコン基板10に対するLDアレイ20R,20G,20Bの位置を決定する。このように、先に半田接合し、その後で表面活性化接合することにより、各LD素子に熱影響を及ぼさないようにLDアレイ20R,20G,20Bを実装する。
Next, the
この状態で、LDアレイ20R,20G,20Bのバーンインを行い、各LD素子の良品と不良品を選別する(S4)。その際は、シリコン基板10に形成された図示しない検査用電極を外部電源に接続して、各LD素子に個別に電流を流す。バーンインが終了したら、検査用電極と外部電源との接続を外す。
In this state, the
次に、ドライバ用電極パッド15R,15G,15Bを、ステップS4で選別された良品のLD素子に対応するLD接続用パッド14R,14G,14Bに、それぞれワイヤボンド64により接続する(S5)。なお、このとき、ステップS4で選別された不良品のLD素子を、加工用レーザなどによりLDアレイ20R,20G,20Bから切断して取り除いてもよい。
Next, the
また、ファイバアレイ40R,40G,40Bをサブ基板50に固定し、アクティブアライメントによりサブ基板50をシリコン基板10に表面活性化接合する(S6)。その際は、シリコン基板10とサブ基板50の相対位置を変化させながらLDアレイ20R,20G,20Bからレーザ光を出射させ、ファイバアレイ40R,40G,40Bからの出射光の強度に基づいて、サブ基板50の位置を決定する。これにより、ステップS4で選別された良品のLD素子と、ファイバアレイ40R,40G,40Bの各ファイバとが光結合される。以上で、レーザモジュール2の製造工程は終了する。
Further, the
なお、レーザプロジェクタ1では、LDアレイ20R,20G,20Bが1つのシリコン基板10上に実装されたレーザモジュール2を使用しているが、LDアレイ20R,20G,20Bをそれぞれ別の基板に実装し、色別の3個のレーザモジュールを使用してもよい。
The
図1に戻って、レーザプロジェクタ1の他の構成要素について説明する。
Returning to FIG. 1, other components of the
ファイババンドルコンバイナ3は、固定具の一例であり、ファイバアレイ40R,40G,40Bの端部を束ねて固定して、各ファイバの出射端部から出射されるRGBレーザ光を合波する。ファイババンドルコンバイナ3は、例えば、レーザ光の出射方向に垂直な断面上で各ファイバが正方配列を形成するように、ファイバアレイ40R,40G,40Bの端部を固定する。レーザプロジェクタ1では、ファイバアレイ40R,40G,40Bを構成する5本ずつのファイバのうち、良品のLD素子に接続されている3本ずつのファイバの出射端部から、3組のRGBレーザ光が出射される。
The
なお、ファイバアレイ40R,40G,40Bからの1本ずつのファイバで導波されるRGBレーザ光を、融着型ファイバコンバイナにより1本のファイバに合波して、複数組のRGBレーザ光を出射してもよい。また、投影装置を照明用途に使用する場合など、高解像度化する必要がない場合には、ファイババンドルコンバイナ3の代わりにマルチモードファイバを使用してもよい。
Note that RGB laser light guided by each fiber from the
投射レンズ4は、例えば、図示しないレーザプロジェクタ1の回路基板上に固定される。投射レンズ4は、ファイババンドルコンバイナ3における各ファイバの出射端部から出射されたRGBレーザ光を集光して、MEMSスキャナ5に照射されるように整形する。
The
MEMSスキャナ5は、例えば、図示しないレーザプロジェクタ1の回路基板上に固定され、図示しない駆動部により、互いに直交する2軸方向に高速に揺動される。MEMSスキャナ5は、走査部の一例であり、投射レンズ4を透過したRGBレーザ光をそのミラー面で反射(偏向)させて、投影面70上を2次元状に走査する。
For example, the
例えば、X方向(水平走査方向)には、MEMSスキャナ5は約20KHzで共振駆動され、レーザ光の反射角を正弦波状に時間変化させる。また、X方向と直交するY方向(垂直走査方向)には、MEMSスキャナ5は約60Hzで鋸波状に強制駆動され、レーザ光の反射角を鋸波状に時間変化させる。なお、MEMSスキャナ5による走査は、ラスタスキャンに限らず、ベクトルスキャンでもよい。
For example, in the X direction (horizontal scanning direction), the
図6は、ファイババンドルコンバイナ3で固定される各ファイバの配列とMEMSスキャナ5によるレーザ光の走査方向の例について説明するための図である。なお、図6ならびに後述する図8および図9では、MEMSスキャナ5はレーザ光を透過するものとして図示している。
FIG. 6 is a diagram for explaining an example of the arrangement of each fiber fixed by the
図6に示す例では、ファイババンドルコンバイナ3は、ファイバアレイ40R,40G,40Bの各ファイバ41を、色ごとの3層に並べて正方配列として固定している。このファイババンドルでは、同色のレーザ光を出射する各ファイバ41がX方向に配列し、色別のファイバアレイ40R,40G,40BがY方向に配列している。ファイババンドルコンバイナ3により形成されるファイバ41の正方配列では、隣り合うファイバのコア間が距離dだけ離れている。これにより、ファイバアレイ40R,40G,40Bの各ファイバ41の出射端部から、互いに距離dだけ間隔を空けたレーザ光71が、MEMSスキャナ5に向けて出射される。レーザ光71間の位置ずれは、レーザ光71が投射レンズ4を透過することにより、角度のずれに変換される。
In the example shown in FIG. 6, the
MEMSスキャナ5が2軸方向に揺動することにより、投影面70上では、レーザ光71の投射点72が、例えば矢印で示すように+X方向と−X方向の双方向に移動する。ファイババンドルコンバイナ3は、例えば、同色の複数のLD素子からのレーザ光71の投射点72がMEMSスキャナ5による水平走査方向に沿って一列に並ぶ配列で、各ファイバ41の出射端部を固定する。同色のLD素子からのレーザ光71の投射点72が水平走査方向に沿って並んでいると、後述するように互いにタイミングをずらしてLDアレイ20R,20G,20Bの各LD素子を発光させたときに、複数のLD素子による画像投影の制御が容易になる。
As the
上記の通り、レーザプロジェクタ1では、RGB各色について、1個の半導体結晶から切り出され互いに近接配置された複数のLD素子を光源として使用する。このため、各LD素子を同時に発光させると、それらが相関をもってしまい、スペックルノイズが発生する。そこで、レーザプロジェクタ1では、ドライバIC30による制御の下で、RGB各色について、LDアレイ20の各LD素子の発光開始タイミングを異ならせる。以下では、この制御方法について説明する。
As described above, the
図7(A)および図7(B)は、ドライバIC30によるLDアレイ20の発光開始タイミングの制御について説明するための図である。ここでは簡単のため、ラスタスキャンを仮定し、1色(例えば赤色)のレーザ光のみを考える。
FIGS. 7A and 7B are diagrams for explaining the control of the light emission start timing of the
図7(A)は、LDアレイ20Rの3つのLD素子による投影面70上の走査線を示す。ドライバIC30は、MEMSスキャナ5によるレーザ光の走査線ごとに、以下のように互いに開始タイミングをずらして、LDアレイ20Rで良品として使用されている3つのLD素子を発光させる。以下では、対象の3つのLD素子をLDa、LDbおよびLDcと表して説明する。
FIG. 7A shows scanning lines on the
まず、+X方向への走査時には、ドライバIC30は、最初にLDaを発光させ、LDaの発光開始から時間Δt後にLDbを発光させ、さらにLDbの発光開始から時間Δt後にLDcを発光させる。これにより、LDa、LDbおよびLDcが出射するレーザ光で、走査線73a,73b,73cがそれぞれ描かれる。また、−X方向への走査時には、ドライバIC30は、最初にLDcを発光させ、LDcの発光開始から時間Δt後にLDbを発光させ、さらにLDbの発光開始から時間Δt後にLDaを発光させる。これにより、LDa、LDbおよびLDcが出射するレーザ光で、走査線74a,74b,74cがそれぞれ描かれる。
First, at the time of scanning in the + X direction, the
この時間差Δtは、X方向(水平走査方向)におけるMEMSスキャナ5の共振駆動の周期より十分短い時間とする。こうして、投影面70上では、LDa、LDbおよびLDcからのレーザ光により、互いに距離ΔLだけずれて重なった投影領域75a,75b,75cがそれぞれ走査される。そして、投影領域75a,75b,75cの共通部分76に、投影すべき画像が表示される。
This time difference Δt is set to a time sufficiently shorter than the resonance drive period of the
図7(B)は、LDa、LDbおよびLDcに対応する画像データを、横方向を時間軸として模式的に示す。ドライバIC30は、投影すべき画像の画像データを一旦メモリに取り込み、以下のように、LDa、LDbおよびLDcに対応する画像データを調整する。
FIG. 7B schematically shows image data corresponding to LDa, LDb, and LDc with the horizontal direction as a time axis. The
図7(A)に示した画素77に対応する画像データを、図7(B)では斜線部で示す。LDa、LDbおよびLDcの画像データは、LDaが点灯開始から時間ta後に、LDbが点灯開始から時間ta−Δt後に、LDcが点灯開始から時間ta−2Δt後に、それぞれ画素77を表示するように調整すればよい。そこで、ドライバIC30は、発光開始タイミングの時間差Δtに合わせて、各LD素子に対応する画像データを変更する。これにより、ドライバIC30は、開始タイミングをずらしてLDa、LDbおよびLDcを点灯させても、各LD素子のレーザ光により共通部分76に位置ずれなく同じ画像が表示されるようにする。
Image data corresponding to the
ドライバIC30は、他の2色(例えば緑色、青色)についても上記と同様の制御を行う。すなわち、ドライバIC30は、RGBの各色について、MEMSスキャナ5によるレーザ光の走査線ごとに、図7(A)を用いて説明したように互いに開始タイミングをずらして、LDアレイ20R,20G,20Bの3個ずつのLD素子を発光させる。また、ドライバIC30は、RGBの各色について、発光開始タイミングの時間差Δtに合わせて、図7(B)に示すように各LD素子に対応する画像データを変更する。これにより、色ごとに独立に、投影面70上の共通部分76で異なるLD素子からの光を合成する。
The
このように、レーザプロジェクタ1は、LDアレイ20R,20G,20Bの各LD素子からのレーザ光に対し、空間的なずれと時間的なずれを与える。すなわち、ファイババンドルコンバイナ3により互いに位置がずれたレーザ光を出射させ、投射レンズ4を介してその位置ずれを角度ずれに変換することで、多重化されたレーザ光を異なる位置から異なる角度で投影面70に投射させる。また、ドライバIC30の制御により、互いに発光開始タイミングをずらして同色の各LD素子を発光させる。
As described above, the
これにより、レーザプロジェクタ1では、各レーザ光に空間的なずれと時間的なずれがない場合と同じ画像を投影させつつ、空間的にも時間的にも各LD素子間の発光の相関をなくすことが可能になる。このため、レーザプロジェクタ1では、RGB各色について未分割のLDアレイ20R,20G,20Bを光源として使用しても、各LD素子が独立に発光しているのと同じ効果が得られ、LD素子のコヒーレンシーに起因するスペックルノイズをLD素子の多重度分から生じる投影面70上での角度多重効果分だけ低減させることが可能になる。さらに、一般に人間の眼で認識可能な最小の画素をそれより小さい複数個のビームで構成することをオーバーデザインと呼ぶが、一画素を複数本の走査線で構成するように走査速度を速められる場合は、空間多重によるスペックル低減も可能となる。
Thereby, in the
図8は、ファイババンドルコンバイナ3で固定される各ファイバの配列とMEMSスキャナ5によるレーザ光の走査方向の他の例について説明するための図である。なお、上記では、ファイバアレイ40R,40G,40Bを構成する5本ずつのファイバから3組のRGBレーザ光が出射されると説明したが、図8では、ファイバアレイ40R,40G,40Bから計5組のRGBレーザ光が出射されるものとして説明する。
FIG. 8 is a diagram for explaining another example of the arrangement of the fibers fixed by the
図8の例では、図6の例と同様に、ファイババンドルコンバイナ3は、ファイバアレイ40R,40G,40Bの各ファイバ41を、それぞれ1つのグループとし色ごとの3層に並べて固定している。ただし、図8のファイババンドルでは、同色のレーザ光を出射する各ファイバ41がXY面内で斜方配列し、色別のファイバアレイ40R,40G,40BのグループがX方向に配列している。MEMSスキャナ5による走査は図6の場合と同じであり、投影面70上では、レーザ光71の投射点72が、矢印で示すように+X方向と−X方向の双方向に移動する。すなわち、図8の例では、ファイババンドルコンバイナ3は、同色の複数のLD素子からのレーザ光71の投射点72が投影面70上においてMEMSスキャナ5による垂直走査方向(水平走査方向に交差する方向)に互いに重ならないようにずれて、かつXY面内で斜め一列に並ぶ配列で、各ファイバ41の出射端部を固定する。
In the example of FIG. 8, as in the example of FIG. 6, the
図8では、投影面70上にRGBレーザ光の投射点72を1個ずつ図示しており、さらに図中右側に、ファイバアレイ40Gの5本のファイバ41からの投射点72a〜72eの拡大図を示している。破線で囲んだ領域78は、投影面70上で人間の眼が認識できる最小画素サイズであるとする。図8の例では、複数のLD素子からのレーザ光71の投射点72a〜72eが人間の眼で認識可能な最小の画素の大きさに収まるように、投射レンズ4によりレーザ光71のビーム径が調整される。前述したように、一般に人間の眼で認識可能な最小の画素をそれより小さい複数個のビームで構成することをオーバーデザインと呼ぶ。
In FIG. 8, one
図8の例のように、同色のレーザ光を出射する各ファイバ41をXY面内で斜方配列させると、同色の各ビームによる走査線73は、図8に拡大図で示すように、それぞれY方向にずれて投影面70上の凹凸が違う部分を通過する。このため、図示した例では、同色の5本の各ビームについて、投影面70で反射して網膜で発生するスペックルパターンが異なる。さらに、図8のファイババンドルでも、図7(A)および図7(B)を用いて説明したように各LD素子の発光開始タイミングを変化させてもよい。こうして互いに時間差を持たせて複数本のレーザ光71のビームを最小画素サイズの領域78内にまとめて走査すれば、スペックルパターンが違う複数本のビームで各画素が構成されるため、網膜上で異なる強度分布が重なり合うことで平均化の効果が現れる。このため、投影面70からの干渉パターンに起因するスペックルノイズを低減させることが可能になる。
As shown in the example of FIG. 8, when the
図6のファイババンドルのように同色のレーザ光を出射する各ファイバ41をX方向に並べる方法で、オーバーデザインを適用しようとすると、一画素を表示するために複数本の走査をする必要があるため、同じ画素を表示する各レーザ光の投射点が最小画素サイズ内に入るように、水平走査速度を速める必要がある。しかしながら、図8のファイババンドルのように同色のレーザ光を出射する各ファイバ41をXY面内で斜めに並べると、Y方向には複数の走査線をほぼ同時に投射でき、結果としてY方向の走査回数をその多重度分だけ減らすことが可能なため、図6の場合と比べて水平走査速度が遅くてもよいという利点がある。
When the overdesign is applied by arranging the
図9は、別のファイババンドルコンバイナ3’を用いた場合の、各ファイバの配列とMEMSスキャナ5によるレーザ光の走査方向の例について説明するための図である。図9の例では、LDアレイ20R,20G,20Bの各レーザ素子からのレーザ光は、図示しない融着型ファイバコンバイナにより、複数組のRGBレーザ光に合波される。
FIG. 9 is a diagram for explaining an example of the arrangement of each fiber and the scanning direction of the laser beam by the
ファイババンドルコンバイナ3’は、円筒形状を有し、7本のファイバ41’の端部を固定する。7本のファイバ41’のうちの3本は、それぞれ融着型ファイバコンバイナで合波されたRGBレーザ光を導波し、その出射端部から3組のRGBレーザ光71’を出射する(図9では、符号「40RGB」で示す)。図9に示すように、RGBレーザ光71’を出射する3本のファイバ41’は、出射端部がXY面内で斜方配列するように、ファイババンドルコンバイナ3’により固定される。すなわち、図9の例でも、RGBレーザ光71’の投射点が投影面70上においてMEMSスキャナ5による水平走査方向(X方向)に対して斜め一列に並ぶ配列で、3本のファイバ41’の出射端部が固定される。
The
図9では、投影面70上に、合波された3本のRGBレーザ光71’の投射点72a’〜72c’を図示しており、さらに図中右側に、投射点72a’〜72c’の拡大図を示している。符号73’で示した矢印は、各RGBレーザ光71’による走査線である。破線で囲んだ領域78は、図8と同様に、投影面70上で人間の眼が認識できる最小画素サイズであるとする。図9の例でも、複数のLD素子からのRGBレーザ光71’の投射点72a’〜72c’が人間の眼で認識可能な最小の画素の大きさに収まるように、投射レンズ4によりRGBレーザ光71’のビーム径が調整される。
In FIG. 9, projection points 72 a ′ to 72 c ′ of the combined three
図9に示すように、ファイバアレイ40R,40G,40BからのRGBレーザ光を図示しない融着型ファイバコンバイナにより合波した後、その合波されたRGBレーザ光を導波するファイバ41’を、出射端部がXY面内で斜めに並ぶようにファイババンドルコンバイナ3’により固定してもよい。こうすれば、同色の投射点のY方向のずれを狭めつつ、図8の場合と同様の効果を得ることが可能である。
As shown in FIG. 9, after combining the RGB laser light from the
なお、上記で説明したレーザプロジェクタ1はRGB3色のプロジェクタであるが、投影装置は単色のプロジェクタであってもよい。
Although the
1 レーザプロジェクタ
2 レーザモジュール
3,3’ ファイババンドルコンバイナ
4 投射レンズ
5 MEMSスキャナ
10 シリコン基板
20,20R,20G,20B LDアレイ
30 ドライバIC
40R,40G,40B ファイバアレイ
50 サブ基板
DESCRIPTION OF
40R, 40G,
Claims (6)
前記複数のレーザ素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の光ファイバと、
前記複数の光ファイバの出射端部から出射されたレーザ光を偏向させて投影面上を走査する走査部と、
前記走査部によるレーザ光の走査線ごとに互いに開始タイミングをずらして前記複数のレーザ素子を発光させる制御部と、を有し、
前記制御部は、前記複数のレーザ素子からのレーザ光がそれぞれ走査される前記投影面上の領域の共通部分で、各レーザ素子のレーザ光により同じ位置に同じ画像が投影されるように、当該複数のレーザ素子の発光を制御する、
ことを特徴とする投影装置。 A laser array including a plurality of laser elements that emit laser beams of the same color that are not divided from each other;
A plurality of optical fibers that respectively guide laser beams from the plurality of laser elements;
A scanning unit that deflects the laser light emitted from the emission ends of the plurality of optical fibers and scans the projection surface;
A control unit that emits the plurality of laser elements at different start timings for each scanning line of laser light by the scanning unit, and
The control unit is configured so that the same image is projected at the same position by the laser light of each laser element in a common portion of the region on the projection surface where the laser light from the plurality of laser elements is scanned. Controlling light emission of a plurality of laser elements,
A projection apparatus characterized by that.
前記固定具は、前記複数のレーザ素子からのレーザ光の投射点が前記投影面上において前記走査方向に対して斜め一列に並ぶ配列で前記複数の光ファイバの出射端部を固定する、請求項3に記載の投影装置。 The beam diameter of the laser light is adjusted so that the projection point of the laser light emitted from the emission ends of the plurality of optical fibers is within the minimum pixel size that can be recognized by the human eye on the projection surface. A projection lens;
The fixing device fixes the emission end portions of the plurality of optical fibers in an array in which projection points of laser beams from the plurality of laser elements are arranged in a diagonal line with respect to the scanning direction on the projection surface. 4. The projection device according to 3.
互いに分割されていない、緑色レーザ光を出射する複数のレーザ素子を含む緑色レーザアレイと、
互いに分割されていない、青色レーザ光を出射する複数のレーザ素子を含む青色レーザアレイと、
前記赤色レーザアレイの前記複数のレーザ素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の赤色用光ファイバと、
前記緑色レーザアレイの前記複数のレーザ素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の緑色用光ファイバと、
前記青色レーザアレイの前記複数のレーザ素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の青色用光ファイバと、
前記複数の赤色用光ファイバ、前記複数の緑色用光ファイバおよび前記複数の青色用光ファイバの出射端部から出射された各色レーザ光を偏向させて投影面上を走査する走査部と、
前記赤色レーザアレイ、前記緑色レーザアレイおよび前記青色レーザアレイのそれぞれについて、前記走査部によるレーザ光の走査線ごとに互いに開始タイミングをずらして前記複数のレーザ素子を発光させる制御部と、を有し、
前記制御部は、前記複数のレーザ素子からのレーザ光がそれぞれ走査される前記投影面上の領域の共通部分で、各レーザ素子のレーザ光により同じ位置に同じ画像が投影されるように、当該複数のレーザ素子の発光を制御する、
ことを特徴とする投影装置。 A red laser array including a plurality of laser elements emitting red laser light that are not divided from each other;
A green laser array including a plurality of laser elements emitting green laser light that are not divided from each other;
A blue laser array including a plurality of laser elements emitting blue laser light that are not divided from each other;
A plurality of optical fibers for red that respectively guide laser beams from the plurality of laser elements of the red laser array;
A plurality of green optical fibers that respectively guide laser beams from the plurality of laser elements of the green laser array;
A plurality of blue optical fibers that respectively guide laser beams from the plurality of laser elements of the blue laser array;
A scanning unit that deflects each color laser beam emitted from the emission end of the plurality of red optical fibers, the plurality of green optical fibers, and the plurality of blue optical fibers, and scans the projection surface;
A control unit that causes each of the red laser array, the green laser array, and the blue laser array to emit light from the plurality of laser elements at different start timings for each scanning line of laser light by the scanning unit; ,
The control unit is configured so that the same image is projected at the same position by the laser light of each laser element in a common portion of the region on the projection surface where the laser light from the plurality of laser elements is scanned. Controlling light emission of a plurality of laser elements,
A projection apparatus characterized by that.
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JP2019507898A (en) * | 2016-02-16 | 2019-03-22 | マイクロビジョン,インク. | Multi-stripe laser for laser based projector display |
CN110426842A (en) * | 2019-06-28 | 2019-11-08 | 成都理想境界科技有限公司 | Grid type fibre optic scanner and its driving method and projection display apparatus |
JP2021144147A (en) * | 2020-03-12 | 2021-09-24 | 国立大学法人福井大学 | Projection device |
WO2021234983A1 (en) * | 2020-05-19 | 2021-11-25 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Optical device |
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2014
- 2014-05-09 JP JP2014097549A patent/JP2015215443A/en active Pending
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