JP4586010B2 - レーザディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを光源として利用するディスプレイ装置に係り、さらに詳細には、スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）を抑制できる構造のレーザディスプレイ装置に関する。

一般的に、レーザディスプレイ装置は、直進性に優れており、透射型ディスプレイの構成が容易である。そして、レーザ光の強度の異なる種類の光源から照射された光の強度に比べて大きいので、鮮明度の高い大画面を具現できる。

一方、レーザディスプレイ装置は、高いコヒーレンス、すなわち、高い可干渉性を有するレーザを光源として利用するので、スペックルが発生するという問題点がある。ここで、スペックルは、レーザ光源が有する高いコヒーレンスにより、イメージの周りで無作為に発生する可干渉性のノイズを言う。

例えば、図１Ａに示すような本来のイメージを、レーザディスプレイ装置によってスクリーンに具現しようとする場合、図１Ｂに示すように、前記のスペックルによってイメージが表現されるという問題点がある。

前記のスペックルを抑制するための従来の一構成が、特許文献１に開示されている。

この開示された従来のスペックル抑制照明装置は、第１波長のコヒーレント光を照射する光源の前方に入射光を散乱させるガスを含むチャンバであるラマンセルを配置した構成を有する。したがって、空間的にはコヒーレンスし、時間的にインコヒーレンスしたレーザビームを提供することによって、スペックルの強度及び発生範囲を縮小させる。

一方、前述のように構成された従来の装置を。レーザ光源から照射された光の進行経路上にラマンセルという構成要素がさらに備えられることによって、その光学的構成及び配置が複雑になり、組立て工数の増大及び製造コストの上昇などの問題点がある。
米国特許第５，２７４，４９４号明細書（発明の名称：Ｓｐｅｃｋｌｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ）

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、別途の構成要素の追加なしにもスペックルを抑制できる構造のレーザディスプレイ装置を提供するところにその目的がある。

前記目的を解決するための本発明に係るレーザディスプレイ装置は、キャビティの長さほど離隔配置されて共振器を構成する第１ミラー及び第２ミラーを備える半導体レーザと、前記半導体レーザの前記第１ミラーを透過して照射された光を変調して、スクリーンに映像を提供する空間変調器と、を備えるものであって、前記半導体レーザのコヒーレンス長ｌｃ及び有効反射率Ｒがそれぞれ下記の（１）及び（２）式で定義されるとき、前記コヒーレンス長ｌｃは、０＜ｌｃ≦０．８５（ｃｍ）、かつ、前記キャビティ長ｄが、４００≦ｄ≦１０００（μｍ）を満たし、前記有効反射率Ｒが０．３を超えることを特徴とするレーザディスプレイ装置である。

ここで、ｄは前記半導体レーザのキャビティ長、Ｒ_１は前記第１ミラーの反射率、Ｒ_２は前記第２ミラーの反射率である。

本発明に係るレーザディスプレイ装置は、可視光線波長領域の光を照射する半導体レーザの有効反射率及び／またはキャビティ長を調節してコヒーレンス長ｌ_ｃを最適化することによって、別途の構成要素の追加なしにも、スクリーン上でのスペックルを抑制できる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態に係るレーザディスプレイ装置を詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態に係るレーザディスプレイ装置の光学的な配置を示す図面である。

図２に示すように、本発明の実施形態に係るレーザディスプレイ装置は、レーザ光を走査してスクリーン３０に映像を表示するものであって、光を照射する半導体レーザ１０と、入射光を変調して前記スクリーン３０に映像を提供する空間変調器２０とを備える。

前記半導体レーザ１０は、第１クラッド層１１及び第２クラッド層１５と、それらの間に配置された活性層１３と、レーザビームが出射される側壁に共振器を構成する第１ミラー１２及び第２ミラー１４とを備える。そして、前記半導体レーザ１０は、可視光線の光をスクリーン３０に照射するためのものであって、約４００ｎｍないし７００ｎｍ波長領域の可視光線光を照射する。ここで、前記第１ミラー１２及び前記第２ミラー１４は、キャビティ長ｄほど離隔配置されている。

したがって、前記半導体レーザ１０に電源を印加すると、前記活性層１３で生成されたビームが前記第１ミラー１２と第２ミラー１４との間で共振されつつ、所定波長の光のみが増幅されて、前記第１ミラー１２及び第２ミラー１４を透過して照射される。

前記空間変調器２０は、前記第１ミラー１２を透過して照射された光を変調して、前記スクリーン３０に映像を提供する。

本発明は、半導体レーザ１０の有効反射率Ｒ及びキャビティ長ｄを調節して、コヒーレンス長ｌ_ｃを変化させることによって、スクリーン３０上におけるスペックルコントラストを低下させる点にその特徴がある。

以下、スクリーン３０におけるスペックル強度を決定するコヒーレンス長ｌ_ｃと半導体レーザ１０との関係を調査した後、半導体レーザ１０の有効反射率Ｒの条件及びキャビティ長ｄを最適化する。

コヒーレンス長ｌ_ｃは、半導体レーザ１０のように、狭いスペクトルの線幅を有する場合には、下記（１）式のように表現されうる。

ここで、ｃは光速度、Ｆはファブリー・ペロー型のキャビティにおけるフィネス、Ｖ_Ｆは周波数当りモード数、ｄはキャビティ長、Ｒは下記（２）式で定義される半導体レーザの有効反射率を言う。

ここで、Ｒ_１は前記第１ミラー１２の反射率であり、Ｒ_２は前記第２ミラー１４の反射率である。

前記（１）式を参照すれば、可干渉性の維持距離を意味するコヒーレンス長ｌ_ｃは、半導体レーザ１０のキャビティ長ｄ及び有効反射率Ｒに依存する。したがって、半導体レーザ１０の有効反射率Ｒやキャビティ長ｄを縮小させれば、照射ビームのコヒーレンスが低下して、スクリーン３０面でのスペックル強度が低下する。

図３は、半導体レーザの有効反射率の変化によるコヒーレンス長の変化を示すグラフである。すなわち、図３は、９０．５％、６６．６％、１８．７％及び５．４％の有効反射率Ｒを有するＧａＮ型の半導体レーザを製作して、これらのコヒーレンス長ｌ_ｃの計算値と、実験的に導出されたコヒーレンスファクター（ＦＣ）とを測定した結果を示すグラフである。

図３に示すように、半導体レーザの有効反射率が低下するほど、ｌ_ｃ及びＦＣ値が小さくなるということが分かる。

そして、図４は、半導体レーザのスペックルコントラストの測定装置を示す図面である。このスペックルコントラストの測定装置は、前述の９０．５％、６６．６％、１８．７％及び５．４％の有効反射率Ｒのそれぞれ及びキャビティ長ｄ値が６５０μｍであるＧａＮ型半導体レーザ４１を冷却器４３上に装着した後、レーザ駆動源４５を通じて前記半導体レーザ４１を駆動し、この半導体レーザ４１のパー・フィールドをレンズ系の使用なしにスクリーン４７上に投影する。次いで、カメラ４９、例えば、受動機能を有するデジタルカメラを通じて、前記スクリーン４７に投影されたイメージを絞りＦ１０、露出−２．０ＥＶで撮影した後、下記（３）ないし（５）式を利用してスペックルコントラストＣ_ｓを計算した。

ここで、Ｉ（ｎ）は光強度値、Ｎはデータ番号、ａｖｇは平均光強度、σは標準偏差を表す。

図５Ａないし図５Ｄは、９０．５％、６６．６％、１８．７％及び５．４％の有効反射率Ｒのそれぞれに対して撮影されたイメージを示す図面代用写真であり、図６は、有効反射率の変化によるスペックルコントラストＣ_ｓの変化を示すグラフである。

図５Ａは、第１ミラー１２の反射率Ｒ_１及び第２ミラー１４の反射率Ｒ_２のそれぞれが９０．５％に設定された半導体レーザにより、スクリーンに照射されたイメージを撮影した写真である。この場合、スペックルコントラストＣ_ｓが０．４２２の値を有し、図５Ａに示すように、粗くかつ大きなムラが表示される。

図５Ｂは、第１ミラー１２の反射率Ｒ_１は６６．６％であり、第２ミラー１４の反射率Ｒ_２は９０．５％に設定された半導体レーザにより、スクリーンに照射されたイメージを撮影した写真である。この場合、スペックルコントラストＣ_ｓが０．３１２の値を有し、図５Ａに比べて相対的に小さなムラが表示される。

図５Ｃは、第１ミラー１２の反射率Ｒ_１は約１８．７％であり、第２ミラー１４の反射率Ｒ_２は９０．５％に設定された半導体レーザにより、スクリーンに照射されたイメージを撮影した写真である。この場合、スペックルコントラストＣ_ｓ が０．１７１の値を有し、図５Ａ及び図５Ｂに比べて、相対的にはるかに小さなムラが表示される。

図５Ｄは、第１ミラー１２の反射率Ｒ_１は約５．４％であり、第２ミラー１４の反射率Ｒ_２は９０．５％に設定された半導体レーザにより、スクリーンに照射されたイメージを撮影した写真である。この場合、スペックルコントラストＣ_ｓが０．１３３の値を有し、ムラがほとんど表示されない。

前述のように、半導体レーザの反射率Ｒが９０．５％から５．４％に低下したことからコヒーレンスが低下し、図６に示すように、スペックルコントラストＣ_ｓが最大約１／３に低下する。

一方、前記コヒーレンス長ｌ_ｃは、有効反射率Ｒのみに依存する変数ではなく、（１）式に示すように、キャビティ長ｄにも依存する。また、ｄ値及びＲ値によって定義されるコヒーレンス長ｌ_ｃは、図７に示すように、スペックルコントラストＣ_ｓの変化と一定の関連がある。

図７は、コヒーレンス長ｌ_ｃの変化によるスペックルコントラストＣ_ｓの変化を示すグラフである。図７に示すように、スペックルコントラストＣ_ｓは、コヒーレンス長ｌ_ｃが長くなるほど傾斜度がなだらかになりつつ、次第にその値が大きくなる。例えば、コヒーレンス長ｌ_ｃが０．８５ｃｍを基準に、それ以下でＣ_ｓ値が０．２５以下の値を有し、ｌ_ｃが０．８５ｃｍを超える場合、Ｃ_ｓ値が０．２５より大きな値を有する。

したがって、本発明は、前記実験結果に基づいて付加的な光学要素の追加またはＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）駆動装置を追加せずとも、次のように半導体レーザの構造を改善した点に特徴がある。

すなわち、図２を参照して説明された本発明の半導体レーザ１０は、下記の（６）式の条件を満たすコヒーレンス長ｌ_ｃ値を有する。

０＜ｌｃ≦０．８５（ｃｍ） …（６）
前記条件は、図７に示すコヒーレンス長ｌ_ｃとスペックルコントラストＣ_ｓとの関係を考慮して設定したものであって、ｌ_ｃ値が（６）式の上限を超える場合、スペックルコントラストＣ_ｓ値が０．２５を超えて、スクリーンにスペックルが大きく表示されるという問題点がある。

また、前記（６）式の条件を満たす範囲内で前記キャビティ長ｄは、下記の（７）式を満たすことが望ましい。

４００≦ｄ≦１０００（μｍ） …（７）
これは、（１）式のコヒーレンス長ｌ_ｃがキャビティ長ｄに比例する点を考慮したものであって、（７）式の範囲に制限することによって、可干渉性が維持される距離であるコヒーレンス長ｌ_ｃを短縮させうる。また、（７）式の範囲にキャビティ長ｄの値を限定する場合には、有効反射率Ｒが０．３を超える場合においても、スペックルコントラスト比を２０％の範囲内に管理できる。

また、前記（６）式の条件を満たす範囲内で半導体レーザ１０の有効反射率Ｒは、下記の（８）式の条件を満たす。

０＜Ｒ≦０．６２ …（８）
これは、キャビティ長６５０μｍで、スペックルコントラストＣ_ｓが０．２５以下の値を有させるためであり、このように有効反射率を設定した場合、有効反射率９０．５％を有する半導体レーザのスペックルコントラストＣ_ｓ値である０．４２２に比べて大きく下げうるので、スペックルの発生を抑制できる。

さらに望ましくは、前記半導体レーザ１０の有効反射率Ｒは、下記の（９）式の条件を満たす。

０．１≦Ｒ≦０．４７ …（９）
（９）式の範囲に有効反射率を維持する場合、半導体レーザ１０の基本的な共振構造を構成しつつも、スペックルコントラストＣ_ｓ値を０．２以下にして、スペックルをさらに抑制できる。

前記の実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。

したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲内で定められねばならない。

本発明は、レーザディスプレイ装置に関連した技術分野に好適に適用されうる。

ディスプレイ上に表示した中間階調画像を示す図面代用写真であって、本来のイメージを示すものである。 ディスプレイ上に表示した中間階調画像を示す図面代用写真であって、スペックルが含まれたイメージを示すものである。 本発明の実施形態に係るレーザディスプレイ装置を示す概略的な図面である。 半導体レーザの有効反射率の変化によるコヒーレンス長の変化を示すグラフである。 半導体レーザのスペックルコントラストＣ_ｓの測定方式を示す図面である。 ディスプレイ上に表示した中間階調画像を示す図面代用写真であって、第２ミラーの反射率が９０．５％に対して第１ミラーの反射率が９０．５％で撮影されたイメージを示すものである。 ディスプレイ上に表示した中間階調画像を示す図面代用写真であって、第２ミラーの反射率が９０．５％に対して第１ミラーの反射率が６６．６％で撮影されたイメージを示すものである。 ディスプレイ上に表示した中間階調画像を示す図面代用写真であって、第２ミラーの反射率が９０．５％に対して第１ミラーの反射率が１８．７％で撮影されたイメージを示すものである。 ディスプレイ上に表示した中間階調画像を示す図面代用写真であって、第２ミラーの反射率が９０．５％に対して第１ミラーの反射率が５．４％で撮影されたイメージを示すものである。 反射率の変化によるスペックルコントラストＣ_ｓの変化を示すグラフである。 コヒーレンス長の変化によるスペックルコントラストＣ_ｓの変化を示すグラフである。

符号の説明

１０…半導体レーザ、
１１…第１クラッド層、
１２…第１ミラー、
１３…活性層、
１４…第２ミラー、
１５…第２クラッド層、
２０…空間変調器、
３０…スクリーン、
ｄ…キャビティ長、
Ｒ_１…第１ミラーの反射率、
Ｒ_２…第２ミラーの反射率。

Claims (2)

1. キャビティ長だけ離隔配置されて共振器を構成する第１ミラー及び第２ミラーを備える半導体レーザと、
   前記半導体レーザの前記第１ミラーを透過して照射された光を変調して、スクリーンに映像を提供する空間変調器と、を備え、
   前記半導体レーザのコヒーレンス長ｌｃ及び有効反射率Ｒのそれぞれが下記（１）及び（２）式で定義されるとき、前記コヒーレンス長ｌｃが、０＜ｌｃ≦０．８５（ｃｍ）、かつ、前記キャビティ長ｄが、４００≦ｄ≦１０００（μｍ）を満たし、前記有効反射率Ｒが０．３を超えることを特徴とするレーザディスプレイ装置。
   （ここで、ｄは前記半導体レーザのキャビティ長、Ｒ１は前記第１ミラーの反射率、Ｒ２は前記第２ミラーの反射率である）
2. 前記半導体レーザは、
   ４００ｎｍないし７００ｎｍ波長領域の可視光線光を照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザディスプレイ装置。