JP2017142904A - 光合成ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】放電ランプおよびＬＡＲＰ光源の代替として、低出力および高出力に限定されないビジネス用途のプロジェクションのためのフルレーザ・システムに用いられる光合成ユニットを提供する。
【解決手段】赤色レーザ光を発する赤色光源と、緑色レーザ光を発する第１の緑色光源と、緑色レーザ光を発する第２の緑色光源と、青色レーザ光を発する青色光源と、前記第１の緑色光源からのレーザ光と、当該レーザ光に対して９０度偏光している前記第２の緑色光源からのレーザ光と、を同一光軸上で合成するための偏光ビームスプリッタと、赤色レーザ光および緑色レーザ光および青色レーザ光を合成するための光学素子と、を具える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビデオ・プロジェクション・システムおよび医用機器光源に用いられる光合成ユニットに関するものである。

従来のビデオ・プロジェクション・システム等に用いられる光エンジンは、放電ランプおよびレーザ励起遠隔蛍光体（ＬＡＲＰ：Ｌａｓｅｒ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ）の技術に基づいている。ＬＡＲＰでは、レーザ光源（例えば、青色レーザダイオード・アレイ）を蛍光体波長変換器とともに用いて、プロジェクション用途に必要なＲＧＢ色チャネルを生成する。特許文献１では、青色レーザダイオードを光源ユニットに利用したプロジェクション・システムが提案されている。

従来、フルレーザ・システムは、低出力の用途（例えば、レーザ・システムに組み込まれるピコ・プロジェクション）または高出力の用途（例えば、映画）のいずれかに限られていた。しかしながら、近年のレーザダイオード技術の向上に伴い、フルレーザ・システムは、ビジネス用途のプロジェクション・システムにますます魅力的になってきている。ビジネス用途のプロジェクション・システムに関する因子は、光出力、電力変換効率、熱的条件、サイズおよびコストである。

特許第４７１１１５４号公報

フルレーザ・システムにおける主な障害は、緑色のスペクトル領域にある。人間は、明るい所では５５５ｎｍ付近の光を最も強く感じるため（比視感度曲線Ｖ（λ）が最大）、緑色のスペクトル領域は、全体的な輝度レベルにおいて非常に重要である。ところが、緑色のスペクトル領域におけるレーザダイオードの効率は、青色および赤色のスペクトル領域におけるレーザダイオードの効率に比べて低い（緑色の電力変換効率は約１５％であり、青色および赤色の電力変換効率は約３５％である）。
現在市販されている一般的なレーザダイオードの光出力は、赤が約１Ｗ、緑が約１Ｗ、青が約３．５Ｗ〜４．５Ｗである。

本発明の目的は、放電ランプおよびＬＡＲＰ光源の代替として、低出力および高出力に限定されないビジネス用途のプロジェクションのためのフルレーザ・システムに用いられる光合成ユニットを提供することにある。

本発明の要旨は、以下のとおりである。
本発明の光合成ユニットは、
赤色レーザ光を発する赤色光源と、
緑色レーザ光を発する第１の緑色光源と、
緑色レーザ光を発する第２の緑色光源と、
青色レーザ光を発する青色光源と、
前記第１の緑色光源からのレーザ光と、当該レーザ光に対して９０度偏光している前記第２の緑色光源からのレーザ光と、を同一光軸上で合成するための偏光ビームスプリッタと、
赤色レーザ光および緑色レーザ光および青色レーザ光を合成するための光学素子と、
を具えることを特徴とする。

本発明の光合成ユニットは、
１／２波長板をさらに具え、
前記１／２波長板により、前記第１の緑色光源からのレーザ光および前記第２の緑色光源からのレーザ光の一方が９０度偏光する、
ことが好ましい。

本発明の光合成ユニットは、
前記第１の緑色光源が、前記第２の緑色光源に対して９０度回転して配置されている、
ことが好ましい。

本発明の光合成ユニットは、
前記光学素子が、第１のミラーおよび第２のミラーを具え、
前記第２のミラーには、前記第１のミラーで反射したレーザ光が透過するスリットが設けられている、
ことが好ましい。

本発明の光合成ユニットは、
前記光学素子が、ミラー、ダイクロイックミラーおよびレンズを具える、
ことが好ましい。

本発明の第１実施形態に係る光合成ユニットを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光合成ユニットを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光合成ユニットを示す図である。 本発明の第４実施形態に係る光合成ユニットを示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の装置を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る光合成ユニットを示す図である。図１（ａ）では、各レーザ光の光軸のみが示してあり、図１（ｂ）では、レーザ光のビーム径が示してある。また、図１（ａ）では、説明のために各レーザ光の光軸をずらして描いているが、実際は各レーザ光の光軸は一致している。
本発明の第１実施形態に係る光合成ユニットＵ１は、赤色レーザ光（実線）を発する赤色光源Ｒと、緑色レーザ光（一点鎖線）を発する第１の緑色光源Ｇ１と、緑色レーザ光（二点鎖線）を発する第２の緑色光源Ｇ２と、青色レーザ光（破線）を発する青色光源Ｂと、第１の緑色光源Ｇ１からのレーザ光および第２の緑色光源Ｇ２からのレーザ光を同一光軸上で合成するための偏光ビームスプリッタＰＢＳと、赤色レーザ光および緑色レーザ光および青色レーザ光を合成するための光学素子Ｍ、ＤＭ１、ＤＭ２、Ｌ１、Ｌ２と、を具える。光源Ｒ、Ｇ１、Ｇ２、Ｂは、単一のレーザダイオードでもよいし、レーザダイオード・アレイでもよい。レーザダイオード・アレイからの出力光は、細いコリメートされた光束の集まりである。
第１の緑色光源Ｇ１からのレーザ光（ｐ偏光）は、１／２波長板ＰＣにより９０度偏光し（ｓ偏光）、ミラーＭで反射し、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過する。第２の緑色光源Ｇ２からのレーザ光（ｐ偏光）は、偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射し、第１の緑色光源Ｇ１からのレーザ光（ｓ偏光）と合成される。偏光ビームスプリッタＰＢＳにより、第１の緑色光源Ｇ１からのレーザ光（ｓ偏光）と、当該レーザ光に対して９０度偏光している第２の緑色光源Ｇ２からのレーザ光（ｐ偏光）と、が同一光軸上で合成される。なお、ｓ偏光が偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過し、ｐ偏光が偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射する例を用いて説明したが、ｓ偏光が反射し、ｐ偏光が透過する偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いることもできる。
合成された緑色レーザ光は、第１のダイクロイックミラーＤＭ１および第２のダイクロイックミラーＤＭ２を透過し、第１のダイクロイックミラーＤＭ１において青色レーザ光と合成され、第２のダイクロイックミラーＤＭ２において赤色レーザ光と合成される。その後、ＲＧＢの合成光は、図１（ｂ）に示すように、望遠鏡のような光学装置を構成する第１のレンズＬ１および第２のレンズＬ２によってビーム径が減少する。

本発明によれば、互いに９０度偏光している２つの緑色レーザ光を効率的に同一光軸上で合成することにより、緑色のスペクトル領域における光出力を増加することができる。その際、レーザ光の放出面積および放出角度は、１つの光源を用いている場合と同一のため、プロジェクション光学系に必須のエテンデューの値を低く抑えることができる。例えば、従来の放電ランプを２個使用して合成すると、プロジェクター光学系特性として約１４０％〜１５０％しか増加しない（エテンデューが大きくなるため）。

第１実施形態では、１／２波長板ＰＣを第１の緑色光源Ｇ１とミラーＭとの間に配置したが、１／２波長板ＰＣを第２の緑色光源Ｇ２と偏光ビームスプリッタＰＢＳとの間に配置することもできる。また、１／２波長板ＰＣを用いずに、第１の緑色光源Ｇ１を第２の緑色光源Ｇ２に対して９０度回転して配置することもできる。ただし、１／２波長板ＰＣを用いることにより、第１の緑色光源Ｇ１および第２の緑色光源Ｇ２を同一の幾何学的配向とすることができるので、両者を光エンジンのハウジング内に配置し、両者を単一のヒートシンクによって一緒に冷却することができるという利点がある。

図２（ａ）（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る光合成ユニットを示す図であり、図２（ｃ）は、本発明の第２実施形態に係る光合成ユニットの比較例を示す図である。図２（ａ）では、各レーザ光の光軸のみが示してあり、図２（ｂ）（ｃ）では、レーザ光のビーム径が示してある。
本発明の第２実施形態に係る光合成ユニットＵ２は、赤色レーザ光を発する赤色光源Ｒ（図示せず）と、緑色レーザ光を発する第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’と、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’からのレーザ光に対して９０度偏光している緑色レーザ光を発する第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’と、青色レーザ光を発する青色光源Ｂ、Ｂ’と、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’からのレーザ光および第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’からのレーザ光を同一光軸上で合成するための偏光ビームスプリッタＰＢＳと、赤色レーザ光および緑色レーザ光および青色レーザ光を合成するための光学素子Ｍ、Ｍ’、ＤＭ１、ＤＭ１’と、を具える。なお、第２実施形態に係る光合成ユニットＵ２において、偏光ビームスプリッタＰＢＳの後の構成は、第１実施形態に係る光合成ユニットＵ１の構成（ＤＭ２、Ｌ１、Ｌ２等）と同様であるので、その説明を省略する。
第１の緑色光源Ｇ１からのレーザ光は、ミラーＭで反射し、第１のダイクロイックミラーＤＭ１を透過し、第１のダイクロイックミラーＤＭ１において青色光源Ｂからのレーザ光と合成される。緑青の合成光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過し、偏光ビームスプリッタＰＢＳにおいて第２の緑色光源Ｇ２からのレーザ光と同一光軸上で合成される。同様に、第１の緑色光源Ｇ１’からのレーザ光は、ミラーＭ’で反射し、第１のダイクロイックミラーＤＭ１’を透過し、第１のダイクロイックミラーＤＭ１’において青色光源Ｂ’からのレーザ光と合成される。緑青の合成光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過し、偏光ビームスプリッタＰＢＳにおいて第２の緑色光源Ｇ２’からのレーザ光と同一光軸上で合成される。
なお、図２（ｂ）では、説明のために、ミラーＭでの反射後の緑色レーザ光と、ミラーＭ’での反射後の緑色レーザ光と、の間にギャップｇが存在しているが、実際には、第１のダイクロイックミラーＤＭ１とミラーＭ’とが密接しているため（実用状は、第１のダイクロイックミラーＤＭ１とミラーＭ’との接合面は４５°のテーパーがつけられている）、ギャップｇは、ほぼゼロである。

ミラーＭ、Ｍ’およびダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ１’は、階段状である。階段状のミラーＭ、Ｍ’、ダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ１’および偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いて、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’からのレーザ光と、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’からのレーザ光に対して９０度偏光している第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’からのレーザ光と、を合成することにより、以下に図２（ｂ）（ｃ）を用いて説明するようにビーム径を減少させることができる。第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’からのレーザ光は、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’からのレーザ光に対して９０度偏光しているので、偏光ビームスプリッタＰＢＳにより合成でき、合成光のビーム径はＤである（図２（ｂ）参照）。一方、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’からのレーザ光と、第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’からのレーザ光と、の偏光方向が同一である場合、両者を合成するためには、図２（ｃ）に示す位置にミラーＭを配置する必要があるので、合成光のビーム径は２Ｄであり、図２（ｂ）の場合の２倍になる。

図３は、本発明の第３実施形態に係る光合成ユニットを示す図である。図３（ａ）では、各レーザ光の光軸のみが示してあり、図３（ｂ）は、第３実施形態に係る光合成ユニットの３次元モデルを示す。
本発明の第３実施形態に係る光合成ユニットＵ３は、ダイクロイックミラーの代わりにスリットＳが設けられた第２のミラーＭ２、Ｍ２’を用いている点が、第２実施形態に係る光合成ユニットＵ２と相違する。なお、図３（ｂ）では、スリットＳの図示を省略している。
青色光源Ｂからのレーザ光は、第１のミラーＭ１で反射し、第２のミラーＭ２のスリットＳを透過し、第２のミラーＭ２において第１の緑色光源Ｇ１からのレーザ光と合成される。緑青の合成光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過し、偏光ビームスプリッタＰＢＳにおいて、第１の緑色光源Ｇ１からのレーザ光に対して９０度偏光している第２の緑色光源Ｇ２からのレーザ光と合成される。同様に、青色光源Ｂ’からのレーザ光は、第１のミラーＭ１’で反射し、第２のミラーＭ２’のスリットＳを透過し、第２のミラーＭ２’において第１の緑色光源Ｇ１’からのレーザ光と合成される。緑青の合成光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過し、偏光ビームスプリッタＰＢＳにおいて、第１の緑色光源Ｇ１’からのレーザ光に対して９０度偏光している第２の緑色光源Ｇ２’からのレーザ光と合成される。なお、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過後、第１の緑色光源Ｇ１’からのレーザ光および第２の緑色光源Ｇ２’からのレーザ光の光軸は、一致している。
第２のミラーＭ２、Ｍ２’のスリットＳは、青色レーザ光が透過できるほどの大きさである。スリットＳは、図示例のように、不透明な光学素子に設けた機械的な隙間とすることもできるし、光学素子にコーティング等を施し、レーザ光が透過する部材とすることもできる。なお、スリットＳの数およびサイズは適宜設計することができる。
図３（ｂ）に示すように、青色光源Ｂ、Ｂ’と、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’と、第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’と、をそれぞれ１つのユニットとして構成することもできる。第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’のユニットが縦置きであるとすると、第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’のユニットは、これを横置きにしたものであるので、第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’からのレーザ光は、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’からのレーザ光に対して９０度偏光している。
また、レンズＬ１は、偏光ビームスプリッタＰＢＳの左側に配置することもできるし、矢印で示すように、図中手前側に配置することもできる。
また、第３実施形態に係る光合成ユニットＵ３では、青色光源Ｂ、Ｂ’と、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’と、第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’と、がこの順で配置されているが、各光源は、光学素子の分光透過率・反射率を考慮して配置することが好ましい。

図４は、本発明の第４実施形態に係る光合成ユニットを示す図である。図４では、各レーザ光の光軸のみが示してある。
第４実施形態に係る光合成ユニットＵ４では、第１実施形態に係る光合成ユニットＵ１と同様に、第１の緑色光源Ｇ１、Ｇ１’からのレーザ光は、１／２波長板ＰＣにより９０度偏光し、偏光ビームスプリッタＰＢＳにおいて第２の緑色光源Ｇ２、Ｇ２’からのレーザ光と同一光軸上で合成される。合成光は、その後、第３実施形態に係る光合成ユニットＵ３と同様に、第２のミラーＭ２、Ｍ２’のスリットＳを透過し、青色光源Ｂ、Ｂ’からのレーザ光と合成される。

本発明の光合成ユニットは、ビデオ・プロジェクション・システムおよび医用機器光源等に用いられる。

Claims (5)

1. 赤色レーザ光を発する赤色光源と、
   緑色レーザ光を発する第１の緑色光源と、
   緑色レーザ光を発する第２の緑色光源と、
   青色レーザ光を発する青色光源と、
   前記第１の緑色光源からのレーザ光と、当該レーザ光に対して９０度偏光している前記第２の緑色光源からのレーザ光と、を同一光軸上で合成するための偏光ビームスプリッタと、
   赤色レーザ光および緑色レーザ光および青色レーザ光を合成するための光学素子と、
   を具える、
   ことを特徴とする光合成ユニット。
2. １／２波長板をさらに具え、
   前記１／２波長板により、前記第１の緑色光源からのレーザ光および前記第２の緑色光源からのレーザ光の一方が９０度偏光する、
   請求項１に記載の光合成ユニット。
3. 前記第１の緑色光源は、前記第２の緑色光源に対して９０度回転して配置されている、
   請求項１に記載の光合成ユニット。
4. 前記光学素子は、第１のミラーおよび第２のミラーを具え、
   前記第２のミラーには、前記第１のミラーで反射したレーザ光が透過するスリットが設けられている、
   請求項１〜３のいずれかに記載の光合成ユニット。
5. 前記光学素子は、ミラー、ダイクロイックミラーおよびレンズを具える、
   請求項１〜４のいずれかに記載の光合成ユニット。

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