JP2016103575A - レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構成でスペックルノイズが低減されたレーザ光源装置を提供する。【解決手段】レーザ光源装置１１は、１色または複数色のレーザビームを出射する第１レーザ素子群と、少なくとも１色が第１レーザ素子群と対応する１色または複数色のレーザビームを出射する第２レーザ素子群と、第１レーザ素子群から出射されたレーザビームと第２レーザ素子群から出射されたレーザビームとを重ね合わせる偏光ビームスプリッタ５７と、偏光ビームスプリッタ５７で重ね合わされた後のレーザビームを反射して走査させる走査ミラー６３とを備え、偏光ビームスプリッタ５７は、対応する色の第１レーザ素子群からのレーザビームと第２レーザ素子群からのレーザビームが互いに異なる偏光方向を有するように重ね合わせる。【選択図】図１

Description

この発明は、画像表示用のレーザ光源装置に関し、より詳細にはスペックルノイズが低減されたレーザ光源装置に関する。

レーザ光を用いた画像表示用の投影機として、レーザプロジェクタが知られている。レーザ光源はコヒーレント（可干渉）な光を発するのでインコヒーレントな光源に比べてビームを細く絞ることができ高いエネルギー密度のビームが得られる。さらに、半導体レーザ素子は速い応答速度でオンオフさせることができる。レーザ光源から発せられたレーザビームをスクリーン面に走査させることで、明るい照度と高い解像度とを有する画像表示装置が実現できる。

一般に、レーザプロジェクタはレッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の３色のレーザビームをスクリーン面に照射して透過または反射させ、スクリーン面（投影面）上の照射位置を順次移動させていく。その結果として、隣り合う位置にフルカラーの画素が並んだ状態を作り出す。レーザビームをスクリーン面上の縦方向と横方向にそれぞれ走査させて、縦横に画素が並んだ１画面の画像を得る。レーザビームを走査させるためにＭＥＭＳミラーを用いることが多い（例えば、特許文献１参照）。

なお、ＭＥＭＳは、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（Micro electro mechanical system）の略で、機構部品と電子回路とが集積された微小な素子の総称で、多くの場合半導体プロセスを応用して作成される。ＭＥＭＳミラーは、ＭＥＭＳ素子の一例であって、レーザビームを反射させる微少なミラーを揺動させて走査ビームを得るものである。素子の具体的な構成は、ミラーの駆動原理一つをとってみもムービングコイル型、静電型、ピエゾ型等種々のものが提案されている。この明細書では微少なミラーを揺動させる光走査素子を総称してＭＥＭＳミラーと呼ぶ。
スクリーンは、スクリーン面でレーザビームを散乱または乱反射させる。観察者が種々の方向からスクリーンを見たとき、スクリーン面上の画素を認識できるようにするためである。

特開２０１１−１６５７８７号公報

コヒーレントな光がスクリーン面で散乱または乱反射すると、画像に明暗の斑点模様が観察されてしまう。この斑点模様はスペックルノイズと呼ばれる。表示すべき画像とは異なるものであるからノイズ成分といえる。スペックルノイズは、スクリーン面上の各位置からコヒーレント光が散乱することによって生じる干渉に起因するノイズである。コヒーレンス性の高い光を用いることによる副作用といえる。
スペックルノイズを低減するには、光のコヒーレンス性をある程度下げればよい。

前記特許文献１の光源装置は、複数対の発光素子とそれぞれの対に対して少しずつ波長特性の異なる波長変換素子および波長選択素子を備えて、少しずつ波長の異なる複数のレーザ光を射出する。複数波長のレーザ光は、複数のパターンのスペックルノイズをスクリーン面で同時に発生させるので、単一波長のレーザ光に比べてコヒーレンス性が弱められスペックルノイズが低減される。
その反面、複数対の発光素子を用い、波長変換素子および波長選択素子がいずれも各対に対応する複数の箇所で少しずつ異なった波長特性を有するような構成は、単純でない。
この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、単純な構成でスペックルノイズが低減されたレーザ光源装置を提供するものである。

この発明は、１色または複数色のレーザビームを出射する第１レーザ素子群と、少なくとも１色が前記第１レーザ素子群と対応する１色または複数色のレーザビームを出射する第２レーザ素子群と、前記第１レーザ素子群から出射されたレーザビームと前記第２レーザ素子群から出射されたレーザビームとを重ね合わせる偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタで重ね合わされた後のレーザビームを反射して走査させる走査ミラーとを備え、前記偏光ビームスプリッタは、対応する色の前記第１レーザ素子群からのレーザビームと前記第２レーザ素子群からのレーザビームが互いに異なる偏光方向を有するように重ね合わせるレーザ光源装置を提供する。

この発明のレーザ光源装置において、偏光ビームスプリッタは対応する色の前記第１レーザ素子群からのレーザビームと前記第２レーザ素子群からのレーザビームが互いに異なる偏光方向を有するように重ね合わせるので、単純な構成でレーザビームのコヒーレンス性を低減し、スペックルノイズを緩和することが可能である。

この発明によるレーザ光源装置の一実施形態として構成の概要を示す説明図である。（実施の形態１） 図１のレーザ光源装置と異なる態様の構成を示す説明図である。（実施の形態２） 図１のレーザ光源装置とさらに異なる態様の構成を示す説明図である。（実施の形態３）

以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。
（実施の形態１）
図１は、この発明によるレーザ光源装置の一実施形態として構成の概要を示す説明図である。（ａ）はレーザ光源装置１１を上端側から見たときの光路の構成を示し、（ｂ）はレーザ光源装置１１を手前側から見たときの光路の構成を示す。
図１に示すように、この実施形態におけるレーザ光源装置１１は、レッド（Ｒ）のレーザ光を出射する半導体レーザ素子２５および４５を備える。さらに、グリーン（Ｇ）のレーザ光を出射する半導体レーザ素子２７および４７並びにブルー（Ｂ）のレーザ光を出射する半導体レーザ素子２９および４９を備える。半導体レーザ素子２５、２７および２９は第１レーザ素子群に相当し、半導体レーザ素子４５、４７および４９は第２レーザ素子群に相当する。

レーザ駆動回路２１、２２、２３、４１、４２および４３はレーザ光源装置１１の外部にあって、半導体レーザ素子２５、２７、２９、４１、４５、４７および４９をそれぞれ駆動する。即ち、図示しないスクリーン面に投影されるべき画像の各画素に応じてそれぞれの半導体レーザ素子のオン、オフおよびオン時の輝度を制御する。
半導体レーザ素子２９が出射するブルーのレーザビームＢＢ１は、反射ミラー３５、ダイクロイックミラー３３および３１を経て偏光ビームスプリッタ５７へ導かれる。半導体レーザ素子４９が出射するブルーのレーザビームＢＢ２は、反射ミラー５５、ダイクロイックミラー５３および５１を経て偏光ビームスプリッタ５７へ導かれる。偏光ビームスプリッタ５７は、例えばレーザビームＢＢ１のｓ偏光成分とレーザビームＢＢ２のｐ偏光成分とを重ね合わせて１本の合成ビームとする。そのブルーの合成ビームは、反射ミラー５９および６１を経てＭＥＭＳミラー６３へ導かれる。

また、半導体レーザ素子２７が出射するグリーンのレーザビームＧＢ１は、ダイクロイックミラー３３および３１を経て偏光ビームスプリッタ５７へ導かれる。半導体レーザ素子４７が出射するグリーンのレーザビームＧＢ２は、ダイクロイックミラー５３および５１を経て偏光ビームスプリッタ５７へ導かれる。偏光ビームスプリッタ５７は、前述のブルーの場合と同様にレーザビームＧＢ１のｓ偏光成分とレーザビームＧＢ２のｐ偏光成分とを重ね合わせて１本の合成ビームとする。そのグリーンの合成ビームは、反射ミラー５９および６１を経てＭＥＭＳミラー６３へ導かれる。

さらに、半導体レーザ素子２５が出射するレッドのレーザビームＲＢ１は、ダイクロイックミラー３１を経て偏光ビームスプリッタ５７へ導かれる。半導体レーザ素子４５が出射するレッドのレーザビームＲＢ２は、ダイクロイックミラー５１を経て偏光ビームスプリッタ５７へ導かれる。偏光ビームスプリッタ５７は、前述のブルーの場合と同様にレーザビームＧＢ１のｓ偏光成分とレーザビームＧＢ２のｐ偏光成分とを重ね合わせて１本の合成ビームとする。そのグリーンの合成ビームは、反射ミラー５９および６１を経てＭＥＭＳミラー６３へ導かれる。

ＭＥＭＳミラー６３は、入射した合成ビームを反射する。ＭＥＭＳミラー６３の反射面は図示しない駆動回路によって水平方向および垂直方向に向きを変えるように制御されており、ＭＥＭＳミラー６３で反射された合成ビームは水平方向および垂直方向に走査する走査ビームとなる。
前記走査ビームは、偏向角度を増幅させるプリズム６７を経て出射窓６９からレーザ光源装置１１の外へ出射する。出射窓６９から出射した走査ビームはその後、図１に図示しないスクリーン面に到達し、スクリーン面上に画像を描く。

なお、プリズム６７の手前には、走査ビームを反射させる反射ミラー７１が配置されており、反射ミラー７１で反射した走査ビームはビーム検出センサ７３に入射する。ビーム検出センサ７３は、走査ビームの走査開始のタイミングを検出する。検出された信号は、レーザ駆動回路２１、２２、２３、４１、４２および４３をそれぞれ同期させる基準として用いることができる。

（実施の形態２）
図２に本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態において図１の構成と大きく異なる点は、図１のブルー用の２つの光学系のうち１つ（レーザ駆動回路２３、半導体レーザ素子２９、反射ミラー３５）を無くして、ブルー用の光学系を１つだけにしている点である。これはブルー用の半導体レーザのパワーは他色に比べて強いので、１つだけでも実用上は問題が少ないことを見出したことによる。このような技術的知見は装置の小型化を実現可能とする。
また、図１のプレート型の偏光ビームスプリッタに代えてキューブ型の偏光ビームスプリッタ５７を用いている。
さらに、ブルーの半導体レーザ素子２９の配置とそれに伴うレーザビームＢＢ１の経路が図１と異なっている。図１と比べて反射ミラー３５および５５を省略したシンプルな光学系を実現している。なお、図１のダイクロイックミラー５３に代えて図２では反射ミラー５４を用いている。半導体レーザ素子２９から出射するブルーのレーザビームＢＢ１は、ダイクロイックミラー３３および３１を経て偏光ビームスプリッタ５７に入射し、その後は、図１と同様の経路を辿る。
半導体レーザ素子２５、２７および２９は第１レーザ素子群に相当し、半導体レーザ素子４５および４７は第２レーザ素子群に相当する。
なお、この実施形態ではブルー用の光学系を１つとし、他の色（レッドおよびグリーン）の光学系を２つとしたが、これは現段階では通常ブルー用の半導体レーザのパワーが他色に比べて強いために過ぎず、例えばレッド用の半導体レーザのパワーが他色に比べて強い場合はレッド用の光学系を１つとしてもよい。グリーンについても同様であって、この実施形態の本質はブルーに限定されるものでない。

（実施の形態３）
図３に本発明の第３の実施形態を示す。当該構成も図２の構成と同様にブルー用の光学系を１つとしているが、レーザビームの経路が図２と異なる。図３（ａ）に示すように図の紙面に沿う上側にレッド用の半導体レーザ素子４５を配置し、左側にブルー用の半導体レーザ素子２９、グリーン用の半導体レーザ素子２７、グリーン用の半導体レーザ素子４７およびレッド用の半導体レーザ素子２５をその順に図の紙面に沿って上から下へ配置する構成としている。
半導体レーザ素子２５、２７および２９は第１レーザ素子群に相当し、半導体レーザ素子４５および４７は第２レーザ素子群に相当する。
半導体レーザ素子４５から出射するレッドのレーザビームＲＢ２は、ダイクロイックミラー５１を経て偏光ビームスプリッタ５７に入射する。その後は、図１と同様の経路を辿る。
半導体レーザ素子２９から出射するブルーのレーザビームＢＢ１は、反射ミラー３５、ダイクロイックミラー３３、３１および反射ミラー３６を経て偏光ビームスプリッタ５７に入射する。その後は、図１と同様の経路を辿る。

半導体レーザ素子２７から出射するグリーンのレーザビームＧＢ１は、ダイクロイックミラー３３、３１、反射ミラー３６を経て偏光ビームスプリッタ５７に入射し、その後は、図１と同様の経路を辿る。
一方、半導体レーザ素子４７から出射するグリーンのレーザビームＧＢ２は、ダイクロイックミラー５１を経て偏光ビームスプリッタ５７に入射する。その後は、図１と同様の経路を辿る。
また、半導体レーザ素子２５から出射するレッドのレーザビームＲＢ１は、ダイクロイックミラー３１および反射ミラー３６を経て偏光ビームスプリッタ５７に入射し、その後は、図１と同様の経路を辿る。
設置しようとするスペースによってはこのような配置の態様も可能である。

（その他の実施の形態）
図１で、偏光ビームスプリッタ５７はプレート型のものとして描いているが、図２および図３に示すようなキューブ型のビームスプリッタも適用できる。逆に、図２および図３に示す態様においてプレート型の偏光ビームスプリッタ５７の適用も可能である。
キューブ型のビームスプリッタは透過光の屈折がなく、反射光と透過光の光路長が同じになる。また、ビームスプリッタとして機能する薄膜がガラス基板内にあって空気に触れないために膜の劣化が少ないといったような、プレート型ビームスプリッタにない利点がある。（実施の形態４）
また、実施の形態１では、レーザビームを走査させるのに好適な光走査素子としてＭＥＭＳミラーを用いているが、必ずしもこれに限定されるものでない。例えば、ＭＥＭＳ技術を用いずに光走査を実現してもよいし、ミラーを用いずにレーザビームを走査させることができれば、その技術を適用してもよい。

以上に述べたように、
（ｉ）この発明によるレーザ光源装置は、１色または複数色のレーザビームを出射する第１レーザ素子群と、少なくとも１色が前記第１レーザ素子群と対応する１色または複数色のレーザビームを出射する第２レーザ素子群と、前記第１レーザ素子群から出射されたレーザビームと前記第２レーザ素子群から出射されたレーザビームとを重ね合わせる偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタで重ね合わされた後のレーザビームを反射して走査させる走査ミラーとを備え、前記偏光ビームスプリッタは、対応する色の前記第１レーザ素子群からのレーザビームと前記第２レーザ素子群からのレーザビームが互いに異なる偏光方向を有するように重ね合わせる。

この発明において、第１および第２のレーザ素子群は、１色または複数色のレーザビームを出射して画像を表示することができる。レーザビームの光源としては、例えばＲＧＢの各波長域に対応する３つの半導体レーザ素子を用いることができる。第１レーザ素子群と第２レーザ素子群は少なくとも１色が対応する。例えばＲ（レッド）が対応する場合はＲについて同種の半導体レーザ素子を用い、Ｇ（グリーン）が対応する場合はＧについて同種の半導体レーザ素子を用い、Ｂ（ブルー）が対応する場合はＢについて同種の半導体レーザ素子を用いればよい。管理された精密な製造工程を経て作製される半導体レーザ素子といえども製品の波長に多少のばらつきがあるところ、対応する波長とは両者の波長が全く等しいことを要求するものではない。その反面、わざわざ異なる波長の素子を選別して用いる必要はない。

偏光ビームスプリッタは、公知のものが適用可能である。具体的な態様としては、例えば、２個のプリズムの斜面同士が接合されその一方の斜面に光学薄膜が蒸着されたキューブ型の偏光ビームスプリッタが適用できる。ただし、これに限定されず、例えばプレート型のものでもよい。
また、走査ミラーとしては、ＭＥＭＳミラーが適用可能である。ＭＥＭＳミラーは、微少なミラーを実現できるので、一般的な機械部品に比べて可動部分の質量を小さくでき、レーザプロジェクタに求められる速い走査速度に対応できる。ただし、走査ミラーはＭＥＭＳミラーに限定されるものでない。

さらに、この発明の好ましい態様について説明する。
（ii）前記第１レーザ素子群および前記第２レーザ素子群はいずれも、レッド、グリーンおよびブルーのレーザビームを出射してもよい。
このようにすれば、フルカラー画像の３原色であるレッド、グリーンおよびブルーのいずれについてもスペックルノイズの低減されたレーザ光源装置が実現できる。

（iii）前記第１レーザ素子群はレッド、グリーンおよびブルーのレーザビームを出射し、前記第２レーザ素子群はレッドおよびグリーンのレーザビームを出射してもよい。
一般にブルー用の半導体レーザのパワーは他色に比べて強いところ、このようにすればレッド、グリーンおよびブルーのレーザパワーのバランスを全体として保ちつつ第２レーザ素子群についてブルーのレーザ素子を省略し、装置の小型化を図ることが可能になる。

（iv）前記走査ミラーで反射されたレーザビームは、投影面を走査して投影面上の縦横に画素が並んだ状態を構成するものであってもよい。

（ｖ）また、前述の実施形態によるレーザ光源装置を備えたレーザプロジェクタ装置が実現されてもよい。
このようにすれば、単純な構成でスペックルノイズが低減されたレーザプロジェクタ装置を実現できる。
この発明の好ましい態様には、上述した複数の態様のうちの何れかを組み合わせたものも含まれる。
前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。

１１：レーザ光源装置、 ２１，２２，２３，４１，４２，４３：レーザ駆動回路、 ２５，２７，２９，４５，４７，４９：半導体レーザ素子、 ３１，３３，５１，５３：ダイクロイックミラー、 ３５，３６，５４，５５，５９，６１，７１：反射ミラー、 ５７：偏光ビームスプリッタ、 ６３：ＭＥＭＳミラー、 ６７：プリズム、 ６９：出射窓、 ７３：ビーム検出センサ
ＲＢ１、ＧＢ１、ＢＢ１、ＲＢ２、ＧＢ２、ＢＢ２：レーザビーム

Claims (5)

1. １色または複数色のレーザビームを出射する第１レーザ素子群と、
   少なくとも１色が前記第１レーザ素子群と対応する１色または複数色のレーザビームを出射する第２レーザ素子群と、
   前記第１レーザ素子群から出射されたレーザビームと前記第２レーザ素子群から出射されたレーザビームとを重ね合わせる偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタで重ね合わされた後のレーザビームを反射して走査させる走査ミラーとを備え、
   前記偏光ビームスプリッタは、対応する色の前記第１レーザ素子群からのレーザビームと前記第２レーザ素子群からのレーザビームが互いに異なる偏光方向を有するように重ね合わせるレーザ光源装置。
2. 前記第１レーザ素子群および前記第２レーザ素子群はいずれも、レッド、グリーンおよびブルーのレーザビームを出射する請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 前記第１レーザ素子群はレッド、グリーンおよびブルーのレーザビームを出射し、前記第２レーザ素子群はレッドおよびグリーンのレーザビームを出射する請求項１に記載のレーザ光源装置。
4. 前記走査ミラーで反射されたレーザビームは、投影面を走査して投影面上の縦横に画素が並んだ状態を構成する請求項１〜３の何れか一つに記載のレーザ光源装置。
5. 請求項１〜４の何れか一つに記載のレーザ光源装置を備えたレーザプロジェクタ装置。