JP2020030304A - プロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルを低減することができるプロジェクターを提供する。【解決手段】レーザー光源１０と、前記レーザー光源１０から出射された光を、画像情報に応じて変調させる光変調素子２０と、前記レーザー光源１０と前記光変調素子２０との間の光路に、揺動可能に設けられる拡散素子１８と、を有し、前記レーザー光源１０は、基板と、光を発する発光層を有し、前記発光層が発する光を、前記基板の面内方向に閉じ込め、前記基板の法線方向に出射させるフォトニック結晶構造体と、を有する、プロジェクター。【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクターに関する。

近年、プロジェクターは、特にデジタルサイネージ市場や教育市場において、より明るい環境下で大画面に投影するニーズが高まっており、さらなる高輝度化が求められている。また、従来からプロジェクター用光源として広く利用されている水銀ランプは、次第に暗くなり突然切れるという寿命の問題や、水銀規制という環境問題があった。そこでプロジェクターの光源は、高輝度発光し、長寿命で環境に優しいレーザー等の固体光源に、徐々に移行しつつある。

レーザー光は、コヒーレント性が高いため、これをスクリーン等の粗面に照射すると、明点と暗点とがランダムに分布した粒状の干渉模様であるスペックルが現われる。スペックルは、わずかな視点の移動で干渉条件が変わり、見え方が変化するため、観察者に不快なぎらぎらとしたちらつき感を与えることになる。

例えば特許文献１には、レーザーからの光を、回転させた拡散素子を通過させて、空間的光変調器に入射させることにより、スペックルを低減することできるプロジェクターが記載されている。

特開平６−２０８０８９号公報

しかしながら、特許文献１のプロジェクターでは、拡散素子と光変調器とが共役な位置にないため、光変調器には様々な位相の光が重なり合って到達する。これらの光は、互いに独立ではなくコヒーレントであるため、互いに干渉してスペックルが発生する。拡散素子が動いて位相分布が変化しても、光が重なり合う状態に大きな変化はなく、スペックル低減の効果は、ほとんど期待できない。

本発明に係る発光装置の一態様は、
レーザー光源と、
前記レーザー光源から出射された光を、画像情報に応じて変調させる光変調素子と、
前記レーザー光源と前記光変調素子との間の光路に、揺動可能に設けられる拡散素子と、
を有し、
前記レーザー光源は、
基板と、
光を発する発光層を有し、前記発光層が発する光を、前記基板の面内方向に閉じ込め、前記基板の法線方向に出射させるフォトニック結晶構造体と、
を有する。

本発明に係る発光装置の一態様は、
レーザー光源と、
前記レーザー光源から出射された光を、画像情報に応じて変調させる光変調素子と、
前記レーザー光源と前記光変調素子との間の光路に、揺動可能に設けられる拡散素子と、
を有し、
前記レーザー光源は、
基板と、
光を発する発光層と、
前記発光層が発する光を、前記基板の面内方向に閉じ込め、前記基板の法線方向に出射させるフォトニック結晶構造体と、
を有する、プロジェクター。

前記プロジェクターの一態様において、
前記拡散素子と前記光変調素子との間の光路長は、前記レーザー光源と前記拡散素子との間の光路長よりも小さくてもよい。

前記プロジェクターの一態様において、
前記レーザー光源と前記拡散素子との間の光路に設けられるビームエキスパンダーを有してもよい。

前記プロジェクターの一態様において、
前記レーザー光源は、３つ設けられ、
３つの前記レーザー光源のうちの第１レーザー光源は、赤色光を出射し、
３つの前記レーザー光源のうちの第２レーザー光源は、緑色光を出射し、
３つの前記レーザー光源のうちの第３レーザー光源は、青色光を出射し、
前記第１レーザー光源、前記第２レーザー光源、および前記第３レーザー光源から出射された光を合成するクロスダイクロイックプリズムを有してもよい。

前記プロジェクターの一態様において、
前記光変調素子は、３つ設けられ、
３つの前記光変調素子のうちの第１光変調素子は、前記第１レーザー光源から出射された光を変調させ、
３つの前記光変調素子のうちの第２光変調素子は、前記第２レーザー光源から出射された光を変調させ、
３つの前記光変調素子のうちの第３光変調素子は、前記第３レーザー光源から出射された光を変調させ、
前記クロスダイクロイックプリズムは、前記第１光変調素子、前記第２光変調素子、および前記第３光変調素子で変調された光を合成してもよい。

前記プロジェクターの一態様において、
前記クロスダイクロイックプリズムで合成された光を投射する投射レンズを有し、
前記光変調素子は、前記クロスダイクロイックプリズムで合成される光を変調させ、
前記拡散素子は、前記クロスダイクロイックプリズムと前記光変調素子との光路、および前記光変調素子と前記投射レンズとの間の光路に設けられてもよい。

前記プロジェクターの一態様において、
前記光変調素子は、集光レンズと、前記集光レンズを通った光が入射する液晶層と、前記液晶層と接する配向層と、を有する液晶ライトバルブであり、
前記集光レンズの焦点は、前記液晶層および前記配向層になくてもよい。
前記プロジェクターの一態様において、
前記集光レンズと前記焦点との間に、前記液晶層および前記配向層が配置されていても
よい。

第１実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。 第１実施形態に係るプロジェクターのレーザー光源を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係るプロジェクターの光変調素子を模式的に示す断面図。 参考例に係るプロジェクターの一部を模式的に示す図。 第１実施形態に係るプロジェクターの一部を模式的に示す図。 第１実施形態の第１変形例に係るプロジェクターの光変調素子を模式的に示す断面図。 第１実施形態の第２変形例に係るプロジェクターのレーザー光源を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。 第３実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。 第３実施形態に係るプロジェクターの光変調素子を模式的に示す断面図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
１．１． プロジェクター
まず、第１実施形態に係るプロジェクターについて、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係るプロジェクター１０００を模式的に示す図である。

プロジェクター１０００は、図１に示すように、例えば、レーザー光源１０と、拡散素子１８と、光変調素子２０と、クロスダイクロイックプリズム３０と、投射レンズ４０と、を有している。

レーザー光源１０は、レーザー光を出射する。レーザー光源１０は、複数設けられている。具体的には、レーザー光源１０は、３つ設けられている。３つのレーザー光源１０のうちの第１レーザー光源１０Ｒは、赤色光を出射する。赤色光の波長は、６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下である。３つのレーザー光源１０のうちの第２レーザー光源１０Ｇは、緑色光を出射する。緑色光の波長は、４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下である。３つのレーザー光源１０のうちの第３レーザー光源１０Ｂは、青色光を出射する。青色光の波長は、４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下である。

拡散素子１８は、レーザー光源１０と光変調素子２０との間の光路に設けられている。拡散素子１８の光拡散層、例えばランダムな凹凸を有する表面と、光変調素子２０の光変調層、例えば液晶層との間の距離は、５００μｍ以上５０００μｍ以下である。拡散素子１８と光変調素子２０との間の光路長Ｌ１は、例えば、レーザー光源１０と拡散素子１８との間の光路長Ｌ２よりも小さい。拡散素子１８は、例えば、拡散板である。

拡散素子１８は、例えば、表面に光変調素子２０の画素のピッチよりも十分小さなピッチのランダムなパターンや、２値直交位相パターンが形成されたガラス板である。このような拡散素子１８を、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で揺動させるか、モーターで回転させることにより、拡散素子１８は、揺動可能に設けられている。

拡散素子１８は、複数設けられている。具体的には、拡散素子１８は、３つ設けられている。３つの拡散素子１８のうちの第１拡散素子１８Ｒには、第１レーザー光源１０Ｒから出射された光が入射する。３つの拡散素子１８のうちの第２拡散素子１８Ｇには、第２レーザー光源１０Ｇから出射された光が入射する。３つの拡散素子１８のうちの第３拡散素子１８Ｂには、第３レーザー光源１０Ｂから出射された光が入射する。

光変調素子２０は、レーザー光源１０から出射された光を、画像情報に応じて変調させる。図示の例では、光変調素子２０は、拡散素子１８から出射された光を、画像情報に応じて変調させる。光変調素子２０は、例えば、レーザー光源１０から出射された光を透過させる透過型の液晶ライトバルブである。プロジェクター１０００は、ＬＣＤ（liquid crystal display）プロジェクターである。

光変調素子２０は、複数設けられている。具体的には、光変調素子２０は、３つ設けられている。３つの光変調素子２０のうちの第１光変調素子２０Ｒは、第１レーザー光源１０Ｒから出射された光を変調させる。３つの光変調素子２０のうちの第２光変調素子２０Ｇは、第２レーザー光源１０Ｇから出射された光を変調させる。３つの光変調素子２０のうちの第３光変調素子２０Ｂは、第３レーザー光源１０Ｂから出射された光を変調させる。

図示の例では、プロジェクター１０００は、入射側偏光板５０と、出射側偏光板５２と、を有している。入射側偏光板５０は、レーザー光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから出射された光の偏光を整え、光変調素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂに入射させる。出射側偏光板５２は、光変調素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂを透過した光を検光し、クロスダイクロイックプリズム３０に入射させる。なお、レーザー光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから出射された光が直線偏光であれば、入射側偏光板５０を備えていなくてもよい。

クロスダイクロイックプリズム３０は、第１レーザー光源１０Ｒから出射された光、第２レーザー光源１０Ｇから出射された光、および第３レーザー光源１０Ｂから出射された光を合成する。図示の例では、クロスダイクロイックプリズム３０は、第１光変調素子２０Ｒで変調された光、第２光変調素子２０Ｇで変調された光、および第３光変調素子２０Ｂで変調された光を合成する。

クロスダイクロイックプリズム３０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。

投射レンズ４０は、クロスダイクロイックプリズム３０で合成された光を、図示せぬスクリーン上に投射する。スクリーンには、拡大された画像が表示される。

次に、レーザー光源１０の構成について説明する。図２は、レーザー光源１０を模式的に示す断面図である。レーザー光源１０は、図２に示すように、例えば、基板１０２と、反射層１０４と、バッファー層１０６と、フォトニック結晶構造体１０８と、半導体層１２０と、第１電極１２２と、第２電極１２４と、配線１２６と、を有している。

基板１０２は、例えば、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板などである。

反射層１０４は、基板１０２上に設けられている。反射層１０４は、例えば、ＤＢＲ（distribution Bragg reflector）層である。反射層１０４は、例えば、ＡｌＧａＮ層とＧ
ａＮ層とを交互に積層させたもの、ＡｌＩｎＮ層とＧａＮ層とを交互に積層させたものなどである。反射層１０４は、フォトニック結晶構造体１０８の柱状部１１０の発光層１１４で発生する光を、第２電極１２４側に向けて反射させる。

なお、「上」とは、柱状部１１０の半導体層１１２と発光層１１４との積層方向（以下、単に「積層方向」ともいう）において、発光層１１４からみて基板１０２から遠ざかる方向のことであり、「下」とは、積層方向において、発光層１１４からみて基板１０２に近づく方向のことである。

バッファー層１０６は、反射層１０４上に設けられている。バッファー層１０６は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型のＧａＮ層などである。図示の例では、バッファー層１０６上には、柱状部１１０を成長させるためのマスク層１２８が設けられている。マスク層１２８は、例えば、酸化シリコン層、窒化シリコン層などである。

フォトニック結晶構造体１０８は、基板１０２に設けられている。図示の例では、フォトニック結晶構造体１０８は、反射層１０４およびバッファー層１０６を介して、基板１０２上に設けられている。フォトニック結晶構造体１０８は、柱状部１１０と、光伝搬層１１８と、を有している。フォトニック結晶構造体１０８は、フォトニック結晶の効果を発現することができ、フォトニック結晶構造体１０８の発光層１１４が発する光を、基板１０２の面内方向に閉じ込め、基板１０２の法線方向に出射させる。ここで、「基板１０２の面内方向」とは、積層方向と直交する方向のことである。「基板１０２の法線方向」とは、積層方向のことである。レーザー光源１０は、フォトニック結晶構造体１０８を有するフォトニック結晶レーザーである。

柱状部１１０は、バッファー層１０６上に設けられている。柱状部１１０の平面形状は、正六角形等の多角形、円などである。柱状部１１０の径は、例えば、ｎｍオーダーであり、具体的には１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。柱状部１１０の積層方向の大きさは、例えば、０．１μｍ以上５μｍ以下である。

なお、「径」とは、柱状部１１０の平面形状が円の場合は、直径であり、柱状部１１０の平面形状が多角形の場合は、該多角形を内部に含む最小の円、すなわち最小包含円の直径である。また、「平面形状」とは、積層方向からみた形状のことである。

柱状部１１０は、複数設けられている。柱状部１１０は、所定の方向に所定のピッチで周期的に配置されている。複数の柱状部１１０は、積層方向からみて、例えば、三角格子状、四角格子状、などに配置されている。

柱状部１１０は、半導体層１１２と、発光層１１４と、半導体層１１６と、を有している。

半導体層１１２は、バッファー層１０６上に設けられている。半導体層１１２は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型のＧａＮ層である。

発光層１１４は、半導体層１１２上に設けられている。発光層１１４は、半導体層１１２と半導体層１１６との間に設けられている。発光層１１４は、例えば、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とから構成された量子井戸構造を有している。発光層１１４は、電流が注入されることで光を発することが可能な層である。

半導体層１１６は、発光層１１４上に設けられている。半導体層１１６は、半導体層１１２と導電型の異なる層である。半導体層１１６は、例えば、Ｍｇがドープされたｐ型の
ＧａＮ層である。半導体層１１２，１１６は、発光層１１４に光を閉じ込める機能を有するクラッド層である。

光伝搬層１１８は、隣り合う柱状部１１０の間に設けられている。図示の例では、光伝搬層１１８は、マスク層１２８上に設けられている。光伝搬層１１８の屈折率は、例えば、発光層１１４の屈折率よりも低い。光伝搬層１１８は、例えば、酸化シリコン層、酸化アルミニウム層、酸化チタン層などである。発光層１１４で発生した光は、光伝搬層１１８を伝搬することが可能である。

レーザー光源１０では、ｐ型の半導体層１１６、不純物がドーピングされていない発光層１１４、およびｎ型の半導体層１１２により、ｐｉｎダイオードが構成される。半導体層１１２，１１６は、発光層１１４よりもバンドギャップが大きい層である。レーザー光源１０では、第１電極１２２と第２電極１２４との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加して電流を注入すると、発光層１１４において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。発光層１１４において発生した光は、半導体層１１２，１１６により積層方向と直交する方向に光伝搬層１１８を通って伝搬して、フォトニック結晶構造体１０８によるフォトニック結晶の効果により定在波を形成し、積層方向と直交する方向（基板１０２の面内方向）に閉じ込められる。閉じ込められた光は、発光層１１４において利得を受けてレーザー発振する。すなわち、発光層１１４において発生した光は、フォトニック結晶構造体１０８により基板１０２の面内方向に共振し、レーザー発振する。そして、＋１次回折光および−１次回折光は、レーザー光として積層方向に進行する。

積層方向に進行したレーザー光のうち反射層１０４側に向かうレーザー光は、反射層１０４において反射され、第２電極１２４側に向かう。これにより、レーザー光源１０は、第２電極１２４側から光を出射することができる。

レーザー光源１０から出射された光の放射角は、１°未満であり、例えば端面型の半導体レーザーや、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）に比べて、小さい。さらに、レーザー光源１０は、積層方向と直交する方向に定在波を形成するため、積層方向からみて面積が大きくても、単一のモードで発振する。したがって、レーザー光源１０は、大きな面積からコヒーレントで放射角が小さい光を出射することができる。さらに、例えば１つの柱状部１１０に欠陥があったとしても、積層方向と直交する方向に定在波を形成するため、該欠陥を補って強度の均一性の高い光を出射することができる。

半導体層１２０は、フォトニック結晶構造体１０８上に設けられている。半導体層１２０は、例えば、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮ層である。

第１電極１２２は、バッファー層１０６上に設けられている。バッファー層１０６は、第１電極１２２とオーミックコンタクトしていてもよい。図示の例では、第１電極１２２は、バッファー層１０６を介して、半導体層１１２と電気的に接続されている。第１電極１２２は、発光層１１４に電流を注入するための一方の電極である。第１電極１２２としては、例えば、バッファー層１０６側から、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いる。

第２電極１２４は、半導体層１２０上に設けられている。半導体層１２０は、第２電極１２４とオーミックコンタクトしていてもよい。第２電極１２４は、半導体層１１６と電気的に接続されている。図示の例では、第２電極１２４は、半導体層１２０を介して、半導体層１１６と電気的に接続されている。第２電極１２４は、発光層１１４に電流を注入するための他方の電極である。第２電極１２４としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin O
xide）を用いる。

配線１２６は、第２電極１２４に接続されている。配線１２６は、バッファー層１０６と電気的に分離されている。配線１２６の材質は、例えば、銅、アルミニウム、金などである。

なお、上記では、ＩｎＧａＮ系の発光層１１４について説明したが、発光層１１４としては、出射される光の波長に応じて、電流が注入されることで発光可能なあらゆる材料系を用いることができる。例えば、ＡｌＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＡｌＧａＰ系などの半導体材料を用いることができる。

また、上記では、フォトニック結晶構造体１０８は、周期的に設けられた柱状部１１０を有していたが、フォトニック結晶効果を発現させるために、周期的に設けられた孔部を有していてもよい。この場合、発光層１１４は、光伝搬層１１８に設けられていてもよい。

次に、レーザー光源１０の製造方法について説明する。

基板１０２上に、反射層１０４およびバッファー層１０６を、この順でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などが挙げられる。

次に、バッファー層１０６上に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などでマスク層１２８を形成する。次に、マスク層１２８をマスクとして、バッファー層１０６上に、半導体層１１２、発光層１１４、および半導体層１１６を、この順でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。本工程により、柱状部１１０を形成することができる。次に、スピンコート法などにより、隣り合う柱状部１１０の間に、光伝搬層１１８を形成する。本工程により、フォトニック結晶構造体１０８を形成することができる。

次に、例えばＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などにより、柱状部１１０および光伝搬層１１８上に、半導体層１２０を形成する。

次に、例えば真空蒸着法などにより、第１電極１２２および第２電極１２４を形成する。次に、例えばスパッタ法やめっき法などにより、配線１２６を形成する。

以上の工程により、レーザー光源１０を形成することができる。

次に、光変調素子２０の構成について説明する。図３は、光変調素子２０を模式的に示す断面図である。光変調素子２０は、図３に示すように、対向基板２０２と、集光レンズ２０４と、対向電極２０６と、第１配向層２０８と、液晶層２１０と、第２配向層２１２と、画素電極２１４と、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板２１６と、ＴＦＴ２１８と、遮光部２２０と、を有している。なお、便宜上、図３および後述する図６では、１つの集光レンズ２０４に入射する光を、矢印で図示している。

対向基板２０２は、透明基板２０２ａ，２０２ｂを有している。対向基板２０２は、集光レンズ２０４を支持している。図示の例では、集光レンズ２０４は、透明基板２０２ａ，２０２ｂに挟まれている。レーザー光源１０から出射された光は、透明基板２０２ａを
通って、集光レンズ２０４に入射する。

集光レンズ２０４は、レーザー光源１０から出射された光を集光させて、画素電極２１４に導く。これにより、遮光部２２０によって遮られる光を減らすことができる。図示の例では、集光レンズ２０４の入射面は、平底フラスコのような形状を有している。そのため、集光レンズ２０４の収差は、大きい。これにより、レーザー光源１０から出射された光が、配向層２０８，２１２および液晶層２１０において１点に集光して配向層２０８，２１２および液晶層２１０に含まれる有機物が分解されることを防ぐことができる。集光レンズ２０４の出射面は、例えば、平坦な面である。レーザー光源１０から出射された光は、放射角が小さいため、集光レンズ２０４のようなレンズを用いないと、出射された光が１点に集中しやすい。

集光レンズ２０４は、複数の画素電極２１４に対応して複数設けられている。複数の集光レンズ２０４は、マイクロレンズアレイを構成している。集光レンズ２０４の材質は、例えば、ガラスなどである。集光レンズ２０４から出射された光は、透明基板２０２ｂ、対向電極２０６、第１配向層２０８、液晶層２１０、第２配向層２１２を通って、画素電極２１４に入射する。

液晶層２１０は、対向電極２０６と画素電極２１４との間に設けられている。液晶層２１０は、対向電極２０６と画素電極２１４との間に印加される電圧によって光に対する透過率が変化する。液晶層２１０の材質は、例えば、ネマチック液晶材料である。液晶層２１０には、集光レンズ２０４を通った光が入射する。画素電極２１４は、複数設けられている。画素電極２１４は、画素を構成している。

液晶層２１０は、第１配向層２０８と第２配向層２１２との間に設けられている。配向層２０８，２１２は、液晶層２１０と接している。配向層２０８，２１２の材質は、例えば、有機材料で被覆された酸化シリコンである。配向層２０８，２１２は、液晶層２１０に電圧が印加されていない場合に、液晶層２１０の液晶分子を特定の方向に整列させることができる。

ＴＦＴ基板２１６は、レーザー光源１０から出射された光を透過させる。画素電極２１４は、ＴＦＴ基板２１６に設けられている。ＴＦＴ基板２１６は、ＴＦＴ２１８および遮光部２２０を支持している。

ＴＦＴ２１８は、入力された画像情報に応じて、対向電極２０６と画素電極２１４との間の電圧を変化させ、液晶層２１０を通過する光を変調させる。これにより、画素ごとに明るさを変えることができ、画像を形成することができる。ＴＦＴ２１８は、薄膜トランジスターである。

遮光部２２０は、ＴＦＴ２１８の対向基板２０２側に設けられている。遮光部２２０は、ＴＦＴ２１８が光によって照射されないように、光を遮光する。ＴＦＴ２１８が光によって遮光されると、ＴＦＴ２１８が誤動作する場合がある。遮光部２２０は、このＴＦＴ２１８の誤動作を防ぐことができる。

図２および図３に示すように、レーザー光源１０の発光領域Ａ１の大きさは、光変調素子２０の表示領域Ａ２の大きさと同じ、または、表示領域Ａ２の大きさよりも大きい。ここで、「発光領域Ａ１の大きさ」とは、積層方向からみて、フォトニック結晶構造体１０８の大きさである。「表示領域Ａ２の大きさ」とは、ＴＦＴ基板２１６の厚さ方向からみて、複数の遮光部２２０のうち、最外に位置する遮光部２２０の内側の側面で規定される領域の大きさである。発光領域Ａ１と表示領域Ａ２との形状は、例えば、同じである。

プロジェクター１０００は、例えば、以下の特徴を有する。

プロジェクター１０００では、レーザー光源１０と光変調素子２０との間の光路に、揺動可能に設けられる拡散素子１８を有し、レーザー光源１０は、基板１０２と、光を発する発光層１１４を有し、発光層１１４が発する光を、基板１０２の面内方向に閉じ込め、基板１０２の法線方向に出射させる。そのため、プロジェクター１０００では、スペックルを低減することができる。

ここで、スペックルについて説明する。

視力１．０の人間の眼が３ｍ先のスクリーンで解像できる大きさは、約０．９ｍｍである。一方、１０８０ｐ解像度の液晶ライトバルブを対角８０インチに拡大投影すると、約０．９ｍｍの解像度になる。このように、プロジェクターは、人間の眼の解像度に合わせて設計される。したがって、スペックルを低減させるには、液晶ライトバルブの画素の中でスペックルを平均化することを考えればよい。

図４では、拡散素子Ｋと、液晶ライトバルブである光変調素子Ｅと、の間にレンズＲが設けられ、拡散素子Ｋと光変調素子Ｅとは、共役な位置にある。図４に示す例において、拡散素子Ｋの表面の凹凸ピッチを光変調素子Ｅの画素Ｇの大きさよりも十分に小さくすると、画素Ｇ内に光の位相Ｐの分布ができる。この位相分布がそのままスクリーンに投影されて、スクリーンの表面の凹凸と干渉してスペックルとなるが、拡散素子Ｋを揺動させると、位相分布が絶えず変化し、スペックルが平均化されて人間の眼には見えなくなる。

一方、拡散素子を、光変調素子に対して共役でない位置に置いた場合、拡散素子の光の位相分布がデフォーカスされて、観測系の解像限界よりも拡散素子によって与えられる位相分布の方が粗くなり、スペックルの平均化効果が弱くなる。

プロジェクター１０００では、図５に示すように、レーザー光源１０から出射された光の放射角は、十分に小さいため、拡散素子１８を光変調素子２０に対して共役な位置に置かなくても、光変調素子２０の画素内に光の位相分布を設けることができる。そのため、この位相分布を、拡散素子１８を揺動させることにより変化させ、スペックルを低減することができる。

なお、図４は、参考例に係るプロジェクターの一部を模式的に示す図である。また、図５は、プロジェクター１０００の一部を模式的に示す図である。なお、便宜上、図４および図５では、拡散素子の凹凸をわかり易く図示し、光変調素子を簡略化して図示している。

さらに、プロジェクター１０００では、例えば光源として端面発光型の半導体レーザーを用いた場合に比べて、レーザー光源１０から出射された光の放射角を小さくすることができ、集光レンズやロッドインテグレーターなどを用いることなく、光変調素子２０を照射することができる。したがって、プロジェクター１０００では、小型化を図ることができる。さらに、Ｆ値（F-number）が大きな小口径の投射レンズ４０を用いることができる。さらに、レーザー光源１０は、フォトニック結晶構造体１０８により偏光を出射することができるため、偏光変換素子を設ける必要がない。

プロジェクター１０００では、拡散素子１８と光変調素子２０との間の光路長Ｌ１は、レーザー光源１０と拡散素子１８との間の光路長Ｌ２よりも小さい。そのため、プロジェクター１０００では、光路長Ｌ１が光路長Ｌ２よりも大きい場合に比べて、光変調素子２
０の画素内に拡散素子１８による光の位相分布を設け易く、より確実に、スペックルを低減することができる。

プロジェクター１０００では、第１レーザー光源１０Ｒ、第２レーザー光源１０Ｇ、および第３レーザー光源１０Ｂから出射された光を合成するクロスダイクロイックプリズム３０を有する。一般的に、クロスダイクロイックプリズムは、入射する光の放射角に対する依存性が高く、入射する光の放射角が大きいと、精度良く光を合成することが難しい。しかし、プロジェクター１０００では、レーザー光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂの放射角が小さいため、クロスダイクロイックプリズム３０を用いても、精度良く光を合成することができる。

１．２． 変形例
１．２．１． 第１変形例
次に、第１実施形態の第１変形例に係るプロジェクター１１００について、図面を参照しながら説明する。図６は、第１実施形態の第１変形例に係るプロジェクター１１００の光変調素子２０を模式的に示す断面図である。

以下、第１実施形態の第１変形例に係るプロジェクター１１００において、上述した第１実施形態に係るプロジェクター１０００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。このことは、後述する第１実施形態の第２変形例に係るプロジェクターにおいて同様である。

上述したプロジェクター１０００では、図３に示すように、集光レンズ２０４の入射面は、平底フラスコのような形状を有していた。これに対し、プロジェクター１１００では、図６に示すように、集光レンズ２０４の入射面は、凸面である。

集光レンズ２０４の焦点Ｆは、液晶層２１０および配向層２０８，２１２にない。すなわち、焦点Ｆは、液晶層２１０になく、第１配向層２０８になく、かつ第２配向層２１２にない。これにより、レーザー光源１０から出射された光が、配向層２０８，２１２および液晶層２１０において１点に集光して配向層２０８，２１２および液晶層２１０に含まれる有機物が分解されることを防ぐことができる。図示の例では、焦点Ｆは、ＴＦＴ基板２１６に位置しており、集光レンズ２０４と焦点Ｆとの間に、第１配向層２０８、第２配向層２１２、および液晶層２１０が配置されている。

１．２．２． 第２変形例
次に、第１実施形態の第２変形例に係るプロジェクター１２００について、図面を参照しながら説明する。図７は、第１実施形態の第２変形例に係るプロジェクター１２００のレーザー光源１０を模式的に示す断面図である。

上述したプロジェクター１０００のレーザー光源１０では、図２に示すように、フォトニック結晶構造体１０８の柱状部１１０は、発光層１１４を有していた。これに対し、プロジェクター１２００のレーザー光源１０では、図７に示すように、柱状部１１０は、発光層１１４を有していない。

プロジェクター１２００では、柱状部１１０の材質は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型のＧａＮである。フォトニック結晶構造体１０８は、柱状部１１０と、隣り合う柱状部１１０の間隙１１１と、によって構成されている。図示の例では、柱状部１１０上に、上方に向けて徐々に径が大きくなるテーパー部１１３を有している。テーパー部１１３の材質は、柱状部１１０と同じである。なお、テーパー部１１３は、設けられていなくてもよい。

半導体層１１２は、テーパー部１１３上に設けられている。発光層１１４は、半導体層１１２上に設けられている。半導体層１１６は、発光層１１４上に設けられている。第１電極１２２は、半導体層１１２上に設けられている。第２電極１２４は、半導体層１１６上に設けられている。プロジェクター１２００では、発光領域Ａ１の大きさは、積層方向からみて、発光層１１４の大きさである。なお、図示はしないが、半導体層１１２，１１６および発光層１１４は、基板１０２とフォトニック結晶構造体１０８との間に設けられていてもよい。

プロジェクター１２００のように、フォトニック結晶構造体１０８が発光層１１４を有していない場合には、発光層１１４からフォトニック結晶構造体１０８側に漏れた光が、積層方向と直交する方向に閉じ込められて、積層方向に出射される。

２． 第２実施形態
次に、第２実施形態に係るプロジェクターについて、図面を参照しながら説明する。図８は、第２実施形態に係るプロジェクター２０００を模式的に示す図である。

以下、第２実施形態に係るプロジェクター２０００において、上述した第１実施形態に係るプロジェクター１０００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。

プロジェクター２０００では、図８に示すように、ビームエキスパンダー１２を有している点において、上述したプロジェクター１０００と異なる。

ビームエキスパンダー１２は、レーザー光源１０と拡散素子１８との間の光路に設けられている。ビームエキスパンダー１２は、レーザー光源１０から出射された光が入射する発散レンズ１４と、発散レンズ１４から出射された光が入射する集光レンズ１６と、を有するガリレオ式のビームエキスパンダーである。発散レンズ１４は、レーザー光源１０から出射された光を発散させる。集光レンズ１６は、発散レンズ１４から出射された光を集光する。図示の例では、集光レンズ１６は、発散レンズ１４から出射された光を平行光にする。発散レンズ１４および集光レンズ１６の材質は、例えば、ガラスなどである。ビームエキスパンダー１２は、入射した光の径を拡大して出射することができる。

ビームエキスパンダー１２は、複数設けられている。具体的には、ビームエキスパンダー１２は、３つ設けられている。３つのビームエキスパンダー１２のうちの第１ビームエキスパンダー１２Ｒには、第１レーザー光源１０Ｒから出射された光が入射する。３つのビームエキスパンダー１２のうちの第２ビームエキスパンダー１２Ｇには、第２レーザー光源１０Ｇから出射された光が入射する。３つのビームエキスパンダー１２のうちの第３ビームエキスパンダー１２Ｂには、第３レーザー光源１０Ｂから出射された光が入射する。プロジェクター２０００では、図２に示す発光領域Ａ１は、図３に示す表示領域Ａ２よりも小さい。

プロジェクター２０００では、レーザー光源１０と拡散素子１８との間の光路に設けられているビームエキスパンダー１２を有している。そのため、プロジェクター２０００では、ビームエキスパンダー１２が設けられていない場合に比べて、レーザー光源１０から出射された光は、より角度が小さくなって光変調素子２０に入射する。このことは、エテンデュの保存側、すなわち、「（光源の発光領域の面積）×（出射された光の立体角）＝一定」により、ビームが拡がれば放射角度が小さくなることから理解できる。そのため、光変調素子２０の画素内に拡散素子１８による光の位相分布を設け易く、より確実に、スペックルを低減することができる。

３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係るプロジェクターについて、図面を参照しながら説明する。図９は、第３実施形態に係るプロジェクター３０００を模式的に示す図である。図１０は、第３実施形態に係るプロジェクター３０００の光変調素子２０を模式的に示す断面図である。

以下、第３実施形態に係るプロジェクター３０００において、上述した第１実施形態に係るプロジェクター１０００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。

上述したプロジェクター１０００は、図１および図３に示すように、光変調素子２０は、レーザー光源１０から出射された光を透過させる透過型の液晶ライトバルブであった。これに対し、プロジェクター３０００は、図９および図１０に示すように、光変調素子２０は、レーザー光源１０から出射された光を反射させるＤＭＤ（Digital Micromirror Device、登録商標）である。プロジェクター３０００は、ＤＬＰ（Digital Light Processing、登録商標）である。

プロジェクター３０００は、図９に示すように、ＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズム６０を有している。レーザー光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから出射された光は、クロスダイクロイックプリズム３０で合成された後、ＴＩＲプリズム６０を介して、光変調素子２０に入射する。ＴＩＲプリズム６０は、クロスダイクロイックプリズム３０で合成された光を、拡散素子１８を介して光変調素子２０に導き、かつ、光変調素子２０で変調された光を、拡散素子１８を介して投射レンズ４０に導く。クロスダイクロイックプリズム３０は、例えば、偏光依存がないように設計されている。

プロジェクター３０００は、拡散素子１８を１つ有している。拡散素子１８は、ＴＩＲプリズム６０と光変調素子２０との間の光路に設けられている。図示の例では、拡散素子１８は、クロスダイクロイックプリズム３０と光変調素子２０との間の光路、および光変調素子２０と投射レンズ４０との間の光路に設けられている。

光変調素子２０は、クロスダイクロイックプリズム３０で合成された光を変調させる。プロジェクター３０００は、光変調素子２０を１つ有している。図示の例では、光変調素子２０は、クロスダイクロイックプリズム３０で合成され、ＴＩＲプリズム６０を通った光を変調させる。クロスダイクロイックプリズム３０は、例えば、光を合成する素子としてフィリップスプリズムを用いた場合よりも小型化を図ることができる。

光変調素子２０は、図１０に示すように、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）基板２３０と、ヨークアドレス電極２３２，２３４と、ミラーアドレス電極２３６と、ヨーク２３８と、支柱２４０と、ミラー２４２と、を有している。

ＣＭＯＳ基板２３０は、１画素に相当するミラー２４２ごとに、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）回路を有している。ＳＲＡＭ回路は、ＣＭＯＳ基板２３０に設けられたヨークアドレス電極２３２，２３４とミラーアドレス電極２３６とに、ミラー２４２の向きを定めるための電圧を供給する。図示の例では、ヨークアドレス電極２３２，２３４間に、ＳＲＡＭ回路と電気的に接続された配線２４４が設けられている。

ヨーク２３８には、図示はしないが、両端が支持された梁状のヒンジが設けられている。ヨーク２３８は、剛性のある膜である。ヨーク２３８に、支柱２４０を介して、ミラー２４２が設けられている。ミラー２４２およびヨーク２３８は、ヒンジによって、傾斜可
能に設けられている。

ミラー２４２は、複数の画素に対応して複数設けられている。複数のミラー２４２は、２次元マトリックス状に配置されている。光変調素子２０は、入力された画像情報に応じて、入射した光に対しミラー２４２の向きを変えることで光を変調させる。

プロジェクター３０００では、光変調素子２０の表示領域Ａ２は、図１０に示すようにＣＭＯＳ基板２３０の厚さ方向からみて、複数のミラー２４２のうち、最外に位置するミラー２４２の外側の側面で規定される領域の大きさである。

プロジェクター３０００では、拡散素子１８は、クロスダイクロイックプリズム３０と光変調素子２０との間の光路、および光変調素子２０と投射レンズ４０との間の光路に設けられている。そのため、レーザー光源１０から出射された光は、２回、拡散素子１８を通過する。さらに、ＤＭＤである光変調素子２０への入射角と反射角とが異なるため、拡散素子１８の異なる領域での光の位相が重ね合わされる。したがって、より細密な光の位相パターンを容易に形成することができ、スペックルを低減することができる。

なお、図示はしないが、プロジェクター３０００は、上述したプロジェクター２０００のように、ビームエキスパンダー１２を有していてもよい。

また、図示はしないが、光変調素子２０は、光を反射させる反射型の液晶ライトバルブであってもよい。

本発明のプロジェクターは、例えば、気軽に持ち運ぶことを前提としたモバイル用途や、他の様々な装置に内蔵する用途にも適している。また、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display）やヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head Up Display）にも応用することができる。

本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…レーザー光源、１０Ｒ…第１レーザー光源、１０Ｇ…第２レーザー光源、１０Ｂ…第３レーザー光源、１２…ビームエキスパンダー、１２Ｒ…第１ビームエキスパンダー、１２Ｇ…第２ビームエキスパンダー、１２Ｂ…第３ビームエキスパンダー、１４…発散レンズ、１６…集光レンズ、１８…拡散素子、１８Ｒ…第１拡散素子、１８Ｇ…第２拡散素子、１８Ｂ…第３拡散素子、２０…光変調素子、２０Ｒ…第１光変調素子、２０Ｇ…第２光変調素子、２０Ｂ…第３光変調素子、３０…クロスダイクロイックプリズム、４０…投射レンズ、５０…入射側偏光板、５２…出射側偏光板、６０…ＴＩＲプリズム、１０２…基板、１０４…反射層、１０６…バッファー層、１０８…フォトニック結晶構造体、１１０…柱状部、１１１…間隙、１１２…半導体層、１１３…テーパー部、１１４…発光層、１１６…半導体層、１１８…光伝搬層、１２０…半導体層、１２２…第１電極、１２４…
第２電極、１２６…配線、１２８…マスク層、２０２…対向基板、２０２ａ，２０２ｂ…透明基板、２０４…集光レンズ、２０６…対向電極、２０８…第１配向層、２１０…液晶層、２１２…第２配向層、２１４…画素電極、２１６…ＴＦＴ基板、２１８…ＴＦＴ、２２０…遮光部、２３０…ＣＭＯＳ基板、２３２，２３４…ヨークアドレス電極、２３６…ミラーアドレス電極、２３８…ヨーク、２４０…支柱、２４２…ミラー、２４４…配線、１０００，１１００，１２００，２０００，３０００…プロジェクター

Claims (9)

1. レーザー光源と、
   前記レーザー光源から出射された光を、画像情報に応じて変調させる光変調素子と、
   前記レーザー光源と前記光変調素子との間の光路に、揺動可能に設けられる拡散素子と、
   を有し、
   前記レーザー光源は、
   基板と、
   光を発する発光層を有し、前記発光層が発する光を、前記基板の面内方向に閉じ込め、前記基板の法線方向に出射させるフォトニック結晶構造体と、
   を有する、プロジェクター。
2. レーザー光源と、
   前記レーザー光源から出射された光を、画像情報に応じて変調させる光変調素子と、
   前記レーザー光源と前記光変調素子との間の光路に、揺動可能に設けられる拡散素子と、
   を有し、
   前記レーザー光源は、
   基板と、
   光を発する発光層と、
   前記発光層が発する光を、前記基板の面内方向に閉じ込め、前記基板の法線方向に出射させるフォトニック結晶構造体と、
   を有する、プロジェクター。
3. 請求項１または２において、
   前記拡散素子と前記光変調素子との間の光路長は、前記レーザー光源と前記拡散素子との間の光路長よりも小さい、プロジェクター。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記レーザー光源と前記拡散素子との間の光路に設けられるビームエキスパンダーを有する、プロジェクター。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記レーザー光源は、３つ設けられ、
   ３つの前記レーザー光源のうちの第１レーザー光源は、赤色光を出射し、
   ３つの前記レーザー光源のうちの第２レーザー光源は、緑色光を出射し、
   ３つの前記レーザー光源のうちの第３レーザー光源は、青色光を出射し、
   前記第１レーザー光源、前記第２レーザー光源、および前記第３レーザー光源から出射された光を合成するクロスダイクロイックプリズムを有する、プロジェクター。
6. 請求項５において、
   前記光変調素子は、３つ設けられ、
   ３つの前記光変調素子のうちの第１光変調素子は、前記第１レーザー光源から出射された光を変調させ、
   ３つの前記光変調素子のうちの第２光変調素子は、前記第２レーザー光源から出射された光を変調させ、
   ３つの前記光変調素子のうちの第３光変調素子は、前記第３レーザー光源から出射された光を変調させ、
   前記クロスダイクロイックプリズムは、前記第１光変調素子、前記第２光変調素子、お
   よび前記第３光変調素子で変調された光を合成する、プロジェクター。
7. 請求項５において、
   前記クロスダイクロイックプリズムで合成された光を投射する投射レンズを有し、
   前記光変調素子は、前記クロスダイクロイックプリズムで合成される光を変調させ、
   前記拡散素子は、前記クロスダイクロイックプリズムと前記光変調素子との光路、および前記光変調素子と前記投射レンズとの間の光路に設けられる、プロジェクター。
8. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
   前記光変調素子は、集光レンズと、前記集光レンズを通った光が入射する液晶層と、前記液晶層と接する配向層と、を有する液晶ライトバルブであり、
   前記集光レンズの焦点は、前記液晶層および前記配向層にない、プロジェクター。
9. 請求項８において、
   前記集光レンズと前記焦点との間に、前記液晶層および前記配向層が配置されている、プロジェクター。

Images