JP6810650B2 - Video projection device - Google Patents

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Description

本発明は、R(赤色光)、G(緑色光)、B(青色光)等の可視光を同一の偏波状態において合波して出射する光源を用いた映像投影装置に関する。 The present invention relates to an image projection device using a light source that combines and emits visible light such as R (red light), G (green light), and B (blue light) in the same polarized state.

近年、眼鏡型端末やピコプロジェクタ用に、R(赤色光)、G(緑色光)、B(青色光)の3原色の光を出力するレーザダイオード(LD)を用いた小型RGB光源の開発が行われている。LDは、LEDに比べて直進性が高いため、フォーカスフリーなプロジェクタを実現することができる。また、LDは、発光効率が高く低消費電力であり、色再現性も高く、近年注目を集めている。 In recent years, the development of a small RGB light source using a laser diode (LD) that outputs light of the three primary colors of R (red light), G (green light), and B (blue light) has been developed for eyeglass terminals and pico projectors. It is done. Since the LD has higher straightness than the LED, it is possible to realize a focus-free projector. In addition, LD has high luminous efficiency, low power consumption, and high color reproducibility, and has been attracting attention in recent years.

図1は、液晶デバイスを用いた映像投影装置の概略図を示す。図1には、LD1と、空間変調光学素子10と、を含む映像投影装置が示されている。空間変調光学素子10は、入力側レンズ2と、偏波ビームスプリッタ(PBS)3と、偏光子4と、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)5と、出力側レンズ6と、を含む。図1では、液晶デバイスとしてLCOSを用いた映像投影装置の例を示している。 FIG. 1 shows a schematic view of an image projection device using a liquid crystal device. FIG. 1 shows an image projection device including the LD1 and the space modulation optical element 10. The space modulation optical element 10 includes an input side lens 2, a polarization beam splitter (PBS) 3, a polarizer 4, an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) 5, and an output side lens 6. FIG. 1 shows an example of an image projection device using LCOS as a liquid crystal device.

図1に示すような映像投影装置では、LCOS5の液晶配向を利用した複屈折率の変化によって画素毎に光の強弱を制御することにより映像を投影する。液晶デバイスを用いた映像投影は、画素毎にRGBカラーフィルタを設ける方式や、RGB光を時分割して液晶に照射し、それぞれの映像を残像光として重ね合わせる方式が主流である。いずれの場合も、液晶デバイスに入射する光は偏波がそろっている必要がある。 In the image projection device as shown in FIG. 1, an image is projected by controlling the intensity of light for each pixel by changing the birefringence index using the liquid crystal orientation of LCOS5. The mainstream of image projection using a liquid crystal device is a method in which an RGB color filter is provided for each pixel, or a method in which RGB light is time-divided and irradiated on a liquid crystal, and each image is superimposed as afterimage light. In either case, the light incident on the liquid crystal device must be polarized.

A. Nakao, R. Morimoto, Y. Kato, Y. Kakinoki, K. Ogawa and T. Katsuyama, “Integrated waveguide-type red-green-blue beam combiners for compact projection-type displays”, Optics Communications 330 (2014) 45-48A. Nakao, R. Morimoto, Y. Kato, Y. Kakinoki, K. Ogawa and T. Katsuyama, “Integrated waveguide-type red-green-blue beam combiners for compact projection-type displays”, Optics Communications 330 (2014) 45-48 Y. Hibino, ”Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks,” IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27Y. Hibino, “Arrayed-Waveguide-Grating Multi / Demultiplexers for Photonic Networks,” IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27 A. Himeno, et al., “Silica-Based Planar Lightwave Circuits,” J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924A. Himeno, et al., “Silica-Based Planar Lightwave Circuits,” J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924 J. Sakamoto et al. “High-efficiency multiple-light-source red-green-blue power combiner with optical waveguide mode coupling technique,” Proc. of SPIE Vol. 10126 101260M-2J. Sakamoto et al. “High-efficiency multiple-light-source red-green-blue power combiner with optical waveguide mode coupling technique,” Proc. Of SPIE Vol. 10126 101260M-2

LDでは、R及びGがBに比べて出力が弱いため、出力を増加するために、R及びGを2つずつ偏波多重したRGB光源などが使われることもある。このようなRGB光源は、通常、同一色の光を合波する際に偏波多重を用いて合波するため、出力光が垂直偏波と水平偏波との両偏波成分を含む。 In LD, since the output of R and G is weaker than that of B, an RGB light source in which two R and G are polarized and multiplexed may be used in order to increase the output. In such an RGB light source, usually, when light of the same color is combined, it is combined by using polarization multiplexing, so that the output light includes both vertically polarized light and horizontally polarized light.

しかしながら、映像投影装置には通常、液晶デバイスのような偏波依存性を有する空間光学素子が用いられており、出力光の垂直偏波及び水平偏波のどちらかの偏波成分がカットされるため、このような偏波多重を行うRGB光源と液晶のような偏波依存性を有する空間光学素子を用いて映像投影装置を構成する場合には、出力を増加することができないという課題が存在した。 However, a spatial optical element having a polarization dependence such as a liquid crystal device is usually used in an image projection device, and either the vertically polarized or horizontally polarized polarization component of the output light is cut. Therefore, when a video projection device is configured by using an RGB light source that performs such polarization multiplexing and a spatial optical element having polarization dependence such as a liquid crystal, there is a problem that the output cannot be increased. did.

一方で、このような偏波多重を行うRGB光源は、偏波に依存せずに動作するデジタルミラーデバイス(DMD)等を用いた映像投影装置で使用される場合もあるが、DMDは液晶に対して高価であり、カラーブレーキング現象などの課題もある。 On the other hand, an RGB light source that performs such polarization multiplexing may be used in a video projection device using a digital mirror device (DMD) or the like that operates independently of polarization, but the DMD is a liquid crystal. On the other hand, it is expensive and has problems such as a color breaking phenomenon.

本発明は、偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた映像投影装置において、同一色で同一偏波の光の合波を行う可視光カプラを用いることにより、光出力を増加させることを実現した映像投影装置を提供することにある。 The present invention aims to increase the light output by using a visible light coupler that combines light of the same color and the same polarization in an image projection device using a spatially modulated optical element having polarization dependence. The purpose is to provide a realized image projection device.

本発明の一態様に係る映像投影装置は、同一偏波の光を出力する複数の可視光源であって、同一色の光を出力する可視光源の少なくとも1つの組を含む、前記複数の可視光源と、前記複数の可視光源から出力された光を合波し、偏波状態を保って合波光を出力する、平面光波回路を用いた可視光カプラと、前記可視光カプラから出力された前記合波光が入射され、前記合波光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子と、を備えたことを特徴とする。 The image projection device according to one aspect of the present invention is a plurality of visible light sources that output light of the same polarization, and includes at least one set of visible light sources that output light of the same color. A visible light coupler using a plane light wave circuit that combines the light output from the plurality of visible light sources and outputs the combined wave light while maintaining the polarization state, and the combination output from the visible light coupler. It is characterized by including a spatially modulated optical element having polarization dependence, which receives wave light, spatially modulates the combined wave light, and outputs it as a video output.

本発明によると、PLCを用いることにより同一色の光を同一偏波のまま合波して出射することが可能となるため、液晶デバイスなどの偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた場合でも高出力化を実現することが可能となる。 According to the present invention, since it is possible to combine and emit light of the same color with the same polarization by using PLC, a space-modulation optical element having polarization dependence such as a liquid crystal device is used. Even in this case, it is possible to achieve high output.

また、本発明によると、合波を行う際、同一色の光を出力するLDの発光タイミングが異なるようにLDの駆動タイミングを制御することにより、映像品質に影響を与えることなく干渉を回避し、信号劣化を防止することが可能となる。 Further, according to the present invention, interference is avoided without affecting the image quality by controlling the LD drive timing so that the light emission timings of the LDs that output the same color of light are different when performing the combined wave. , It is possible to prevent signal deterioration.

液晶デバイスを用いた映像投影装置の概略図である。It is the schematic of the image projection apparatus using a liquid crystal device. 本発明の実施例1に係る映像投影装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the image projection apparatus which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例2に係る映像投影装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the image projection apparatus which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る映像投影装置のRGBカプラにおける、各波長についての0次、1次、2次モードの光の実効屈折率と導波路幅との関係を示す。The relationship between the effective refractive index of light in the 0th-order, 1st-order, and 2nd-order modes and the width of the waveguide for each wavelength in the RGB coupler of the image projection apparatus according to the second embodiment of the present invention is shown. 本発明の実施例3に係る映像投影装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the image projection apparatus which concerns on Example 3 of this invention.

(実施例1)
図2は、本発明の実施例1に係る映像投影装置を例示する。図3には、第1乃至第5の可視光源101乃至105と、第1乃至第5の可視光源101乃至105に光学的に接続された石英系平面光波回路(Planar lightwave circuit:PLC)型のRGBカプラ110と、RGBカプラ110からの出力光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子120とを備えた映像投影装置100が示されている。空間変調光学素子120は、RGBカプラ110に光学的に接続された入力側レンズ121と、PBS122と、偏光子123と、LCOS124と、出力側レンズ125と、を含む。
(Example 1)
FIG. 2 illustrates an image projection device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 3, a quartz-based plane lightwave circuit (PLC) type optically connected to the first to fifth visible light sources 101 to 105 and the first to fifth visible light sources 101 to 105 is shown. An image projection device 100 including an RGB coupler 110 and a spatially modulated optical element 120 having polarization dependence, which spatially modulates the output light from the RGB coupler 110 and outputs it as an image output, is shown. The spatial modulation optical element 120 includes an input side lens 121 optically connected to the RGB coupler 110, a PBS 122, a polarizer 123, an LCOS 124, and an output side lens 125.

RGBカプラ110は、第1乃至第5の可視光源101乃至105にそれぞれ光学的に接続された第1乃至第5の入力導波路111乃至115と、第1乃至第5の入力導波路111乃至115を伝搬する光を合波して出力する合波部116と、合波部116で合波された光を入力側レンズ121に出力する出力導波路117と、を含む。出力導波路117は、マルチモード導波路で構成されている。 The RGB coupler 110 includes first to fifth input waveguides 111 to 115 optically connected to the first to fifth visible light sources 101 to 105, and first to fifth input waveguides 111 to 115, respectively. Includes a combiner 116 that combines and outputs the light propagating in the light, and an output waveguide 117 that outputs the light combined by the combiner 116 to the input side lens 121. The output waveguide 117 is composed of a multimode waveguide.

第1乃至第5の可視光源101乃至105は、例えば、緑色光G2及びG1、青色光B、並びに赤色光R1及びR2を水平偏波及び垂直偏波の一方の偏波状態でそれぞれ出力することができる。光R1、G1、B、R2及びG2は、同一の偏波状態の光である。また、光B、R1、G1は、それぞれ、400〜495nm、495〜570nm、620〜750nmの波長域の波長を有する光とし、G2及びR2は、それぞれ、495〜570+βnm、620〜750+γnmの波長を有し、β、γは0以上線幅以下の微小な値とし、線幅は入射される光の光源に依るが概ね1nm以下とした。上記の光R1、G1、B、R2及びG2について説明した事項は、以下の実施例でも同様に適用可能である。 The first to fifth visible light sources 101 to 105 output, for example, green light G2 and G1, blue light B, and red light R1 and R2 in one polarized state of horizontally polarized light and vertically polarized light, respectively. Can be done. Lights R1, G1, B, R2 and G2 are lights having the same polarization state. Further, the light B, R1 and G1 are light having wavelength ranges of 400 to 495 nm, 495 to 570 nm and 620 to 750 nm, respectively, and G2 and R2 are light having wavelengths of 495 to 570 + β nm and 620 to 750 + γ nm, respectively. Β and γ were set to minute values of 0 or more and line width or less, and the line width was set to approximately 1 nm or less depending on the light source of the incident light. The matters described above for the light R1, G1, B, R2 and G2 are similarly applicable to the following examples.

第1乃至第5の可視光源101乃至105から出力された光G2、G1、B、R1及びR2は、RGBカプラ110に入射し、それぞれ第1乃至第5の入力導波路111乃至115を介して合波部116で合波されて出力導波路117から出射される。出射された合波光は、入力側レンズ121でコリメートされてPBS122及び偏光子123を介してLCOS124に入射し、LCOS124で変調・反射されて偏光子123及びPBS122を介して出力側レンズ125に入射してコリメートされることにより映像出力される。 The lights G2, G1, B, R1 and R2 output from the first to fifth visible light sources 101 to 105 enter the RGB coupler 110 and pass through the first to fifth input waveguides 111 to 115, respectively. It is combined by the wave combining unit 116 and emitted from the output waveguide 117. The emitted combined wave light is collimated by the input side lens 121 and incidents on the LCOS 124 via the PBS 122 and the polarizer 123, is modulated and reflected by the LCOS 124, and is incident on the output side lens 125 via the polarizer 123 and the PBS 122. The image is output by collimating.

本発明では、PLC型のRGBカプラ110を用いて各LDからの光を合波している。近年、PLCを用いたRGBカプラモジュールが注目されている(例えば非特許文献1参照)。PLCは、Siなどの平面状の基板に、フォトリソグラフィなどによるパターニング、反応性イオンエッチング加工により、光導波路を作製し、複数の基本的な光回路(例えば、方向性結合器、マッハツェンダ干渉計など)を組み合わせることで各種の機能を実現することができる(例えば、非特許文献2及び3参照)。 In the present invention, the light from each LD is combined by using the PLC type RGB coupler 110. In recent years, an RGB coupler module using a PLC has attracted attention (see, for example, Non-Patent Document 1). PLC creates an optical waveguide on a flat substrate such as Si by patterning by photolithography and reactive ion etching processing, and multiple basic optical circuits (for example, directional coupler, Mach-Zehnder interferometer, etc.) ) Can be combined to realize various functions (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3).

PLCは、Siなどの基板上にクラッド層及びコア層を堆積させて導波路を作製するため、異材料による応力差で基板に反りが発生することから、複屈折を持つ。このため、PLCを伝搬する水平偏波または垂直偏波の光は、偏波保持ファイバと同様の原理で、偏波状態を保って導波路を伝搬する(導波路に波長板を挟むことや、ねじり導波路のような導波路を作製することにより、偏波変換することは可能である)。従って、水平偏波及び垂直偏波の一方の偏波で光がPLCに入射して合波された場合、PLCで合波された光は、その偏波状態を保って出射される。この合波光は、水平偏波及び垂直偏波の一方の偏波で出射されるため、液晶デバイスを用いた場合でも取り扱うことが可能となる。 PLC has birefringence because the substrate is warped due to the stress difference due to different materials because the cladding layer and the core layer are deposited on the substrate such as Si to form a waveguide. Therefore, the horizontally polarized or vertically polarized light propagating in the PLC propagates in the waveguide while maintaining the polarized state by the same principle as the polarization holding fiber (such as sandwiching a wave plate in the waveguide or sandwiching the wavelength plate in the waveguide). Polarization conversion is possible by creating a waveguide such as a twisted waveguide). Therefore, when light is incident on the PLC and combined with one of the horizontally polarized light and the vertically polarized light, the light combined with the PLC is emitted while maintaining the polarized state. Since this combined wave light is emitted with one of horizontally polarized light and vertically polarized light, it can be handled even when a liquid crystal device is used.

本発明の実施例1に係る映像投影装置100によると、PLC型のRGBカプラ110を用いて光を合波しているため、同一色の光を同一偏波のまま合波して出射することが可能となり、液晶デバイスなどの偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた場合でも高出力化を実現することが可能となる。 According to the image projection device 100 according to the first embodiment of the present invention, since the light is combined by using the PLC type RGB coupler 110, the light of the same color is combined and emitted with the same polarization. This makes it possible to achieve high output even when a spatially modulated optical element having polarization dependence such as a liquid crystal device is used.

なお、本実施例では、赤色光同士及び緑色光同士を合波してその光強度を強めるように構成したが、これに限定されず、青色光同士を合波するように構成してもよい。また、本実施例では、5つの可視光源を用いた例を示したが、これに限定されず、赤色光、青色光及び緑色光のうち、同一色の光を出力する少なくとも1つの組を含むように複数の可視光源を用いるように構成してもよい。以下の実施例でも同様とする。 In this embodiment, the red light and the green light are combined to enhance the light intensity, but the present invention is not limited to this, and the blue light may be combined to be combined. .. Further, in this embodiment, an example using five visible light sources is shown, but the present invention is not limited to this, and includes at least one set that outputs light of the same color among red light, blue light, and green light. As described above, a plurality of visible light sources may be used. The same applies to the following examples.

(実施例2)
図3は、本発明の実施例2に係る映像投影装置を例示する。図3には、第1乃至第5の可視光源201乃至205と、第1乃至第5の可視光源201乃至205に光学的に接続されたPLC型のRGBカプラ210と、RGBカプラ210からの出力光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子220とを備えた映像投影装置200が示されている。空間変調光学素子220は、RGBカプラ210に光学的に接続された入力側レンズ221と、PBS222と、偏光子223と、LCOS224と、出力側レンズ225と、を含む。第1乃至第5の可視光源201乃至205としては、例えばLDを用いることができる。
(Example 2)
FIG. 3 illustrates an image projection device according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the first to fifth visible light sources 201 to 205, the PLC type RGB coupler 210 optically connected to the first to fifth visible light sources 201 to 205, and the outputs from the RGB coupler 210 are shown. An image projection device 200 including a space modulation optical element 220 having polarization dependence, which spatially modulates light and outputs it as an image output, is shown. The spatial modulation optical element 220 includes an input side lens 221 optically connected to the RGB coupler 210, a PBS 222, a polarizer 223, an LCOS 224, and an output side lens 225. As the first to fifth visible light sources 201 to 205, for example, LD can be used.

RGBカプラ210は、第1乃至第5の入力導波路211乃至215と、導波路幅が同一の第1及び第2の方向性結合器231及び232と、導波路幅の異なる第3及び第4の方向性結合器233及び234と、を含む。 The RGB coupler 210 includes first to fifth input waveguides 211 to 215, first and second directional couplers 231 and 232 having the same waveguide width, and third and fourth directional couplers having different waveguide widths. Includes directional couplers 233 and 234 of.

図3に示されるように、第3の入力導波路213は、導波路幅が異なる第1及び第2の部分2131及び2132を有するようにテーパ形状の導波路構造で構成されている。また、第1、第2、第4及び第5の入力導波路211、212、214及び215は、シングルモード導波路であり、第3の入力導波路213は、マルチモード導波路である。 As shown in FIG. 3, the third input waveguide 213 is configured with a tapered waveguide structure so as to have first and second portions 213 1 and 213 2 having different waveguide widths. Further, the first, second, fourth and fifth input waveguides 211, 212, 214 and 215 are single-mode waveguides, and the third input waveguide 213 is a multi-mode waveguide.

第1乃至第5の入力導波路211乃至215には、第1乃至第5の可視光源201乃至205から出力された、緑色光G2及びG1、青色光B、並びに赤色光R1及びR2がそれぞれ入射される。R1、G1、B、R2及びG2は、全て同一の偏波状態である0次モードの光である。 Green light G2 and G1, blue light B, and red light R1 and R2 output from the first to fifth visible light sources 201 to 205 are incident on the first to fifth input waveguides 211 to 215, respectively. Will be done. R1, G1, B, R2 and G2 are all 0th-order mode lights having the same polarization state.

第1の方向性結合器231は、第2の入力導波路212から入射された光G1を第3の入力導波路213に結合し、第3の入力導波路213から入射された光Bを第2の入力導波路212に結合して第3の入力導波路213へと再び結合するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。 The first directional coupler 231 couples the light G1 incident from the second input waveguide 212 to the third input waveguide 213, and the light B incident from the third input waveguide 213 is the second. The waveguide length, waveguide width, and gaps between the waveguides are designed so as to couple to the input waveguide 212 of 2 and recouple to the third input waveguide 213.

第2の方向性結合器232は、第4の入力導波路214から入射された光R1を第3の入力導波路213に結合し、第1の方向性結合器231において第3の入力導波路213に結合された光G1及びBを透過するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。 The second directional coupler 232 couples the light R1 incident from the fourth input waveguide 214 to the third input waveguide 213, and the third input waveguide in the first directional coupler 231. The waveguide length, waveguide width, and gap between the waveguides are designed so as to transmit the light G1 and B coupled to the 213.

第3の方向性結合器233は、第3の入力導波路213の第1の部分2131近傍に配置されている。第4の方向性結合器234は、第3の入力導波路213の第2の部分2132近傍に配置されている。 The third directional coupler 233 is arranged near the first portion 213 1 of the third input waveguide 213. The fourth directional coupler 234 is located near the second portion 213 2 of the third input waveguide 213.

第3及び第4の方向性結合器233及び234は、導波路幅の異なる非対称方向性結合器で構成されたモードカプラである(例えば、非特許文献4参照)。モードカプラでは、導波路幅が細い方の細幅導波路における0次モードの光の実効屈折率と導波路幅が太い方の太幅導波路における高次モードの光の実効屈折率が一致するとき、細幅導波路を伝搬する0次モードの光は高次モードの光に変換されながら隣接する太幅導波路に100%結合することができる。一方、太幅導波路を伝搬する0次モードの光の実効屈折率は、細幅導波路における0次モードの光の実効屈折率と一致することはないため、隣接する細幅導波路に結合することはなくモードカプラを通過する。 The third and fourth directional couplers 233 and 234 are mode couplers composed of asymmetric directional couplers having different waveguide widths (see, for example, Non-Patent Document 4). In the mode coupler, the effective refractive index of the 0th-order mode light in the narrow waveguide with the narrower waveguide width and the effective refractive index of the higher-order mode light in the wider waveguide with the wider waveguide match. At this time, the light of the 0th order mode propagating in the narrow waveguide can be 100% coupled to the adjacent wide waveguide while being converted into the light of the higher order mode. On the other hand, the effective refractive index of the 0th-order mode light propagating in the wide waveguide does not match the effective refractive index of the 0th-order mode light in the narrow waveguide, so that the light is coupled to the adjacent narrow waveguide. It passes through the mode coupler without doing anything.

モードカプラとして機能するために、第3の方向性結合器233は、第1の入力導波路211に対する光G2の0次モードにおける実効屈折率と第3の入力導波路213の第1の部分2131に対する光G2の高次モードにおける実効屈折率とが等しくなるように、且つ、第3の入力導波路213の第1の部分2131に対する光G1、B、R1の高次モードにおける実効屈折率と第1の入力導波路211に対する光G1、B、R1の0次モードにおける実効屈折率とが等しくならないように、第1の入力導波路211及び第1の部分2131の導波路幅が設定されている。 To function as a mode coupler, the third directional coupler 233 has an effective index of refraction of light G2 with respect to the first input waveguide 211 in the 0th order mode and a first portion 213 of the third input waveguide 213. The effective refractive index of the light G1, B, R1 in the higher-order mode with respect to the first portion 213 1 of the third input waveguide 213 so that the effective refractive index of the light G2 with respect to 1 is equal to that in the higher-order mode. The width of the first input waveguide 211 and the width of the first portion 213 1 are set so that the effective refractive index of the light G1, B, and R1 with respect to the first input waveguide 211 in the 0th-order mode is not equal to each other. Has been done.

同様に、モードカプラとして機能するために、第4の方向性結合器234は、第5の入力導波路215に対する光R2の0次モードにおける実効屈折率と第3の入力導波路213の第2の部分2132に対する光R2の高次モードにおける実効屈折率とが等しくなるように、且つ、第3の入力導波路213の第2の部分2132に対する光G1、B、R1の高次モードにおける実効屈折率と第5の入力導波路215に対する光G1、B、R1の0次モードにおける実効屈折率とが等しくならないように、第5の入力導波路215及び第2の部分2132の導波路幅が設定されている。 Similarly, in order to function as a mode coupler, the fourth directional coupler 234 has an effective index of refraction of light R2 with respect to the fifth input waveguide 215 in the 0th order mode and a second of the third input waveguide 213. In the higher-order mode of the light G1, B, R1 with respect to the second part 213 2 of the third input waveguide 213, so that the effective refractive index of the light R2 with respect to the portion 213 2 is equal to that of the third input waveguide 213. The fifth input waveguide 215 and the second portion 213 2 waveguide so that the effective index of refraction and the effective refractive index of the light G1, B, R1 with respect to the fifth input waveguide 215 in the 0th-order mode are not equal. The width is set.

図3に示すRGBカプラ210の動作について説明する。第2の入力導波路212から入射された0次モードの光G1は、導波路幅が同一の第1の方向性結合器231において第3の入力導波路213に結合し、第3の入力導波路213から入射された0次モードの光Bは、第1の方向性結合器231において第2の入力導波路212に結合して第3の入力導波路213へと再び結合する。 The operation of the RGB coupler 210 shown in FIG. 3 will be described. The 0th-order mode light G1 incident from the second input waveguide 212 is coupled to the third input waveguide 213 in the first directional coupler 231 having the same waveguide width, and the third input guide is provided. The 0th-order mode light B incident from the waveguide 213 is coupled to the second input waveguide 212 in the first directional coupler 231 and recoupled to the third input waveguide 213.

第4の入力導波路214から入射された0次モードの光R1は、導波路幅が同一の第2の方向性結合器232において第3の入力導波路213に結合し、第3の入力導波路213を伝搬してきた光G1及びBは、第2の方向性結合器232において透過する。その結果、第1乃至第3の入力導波路211乃至213に入射した光G1、B、R1は、第1及び第2の方向性結合器231及び232を介して合波されて、第3の入力導波路213の第1の部分2131に入力される。 The 0th-order mode light R1 incident from the fourth input waveguide 214 is coupled to the third input waveguide 213 in the second directional coupler 232 having the same waveguide width, and is coupled to the third input waveguide. Lights G1 and B propagating through the waveguide 213 are transmitted through the second directional coupler 232. As a result, the lights G1, B, and R1 incident on the first to third input waveguides 211 to 213 are combined via the first and second directional couplers 231 and 232 to form a third. It is input to the first portion 213 1 of the input waveguide 213.

一方、第1の入力導波路211を伝搬している0次モードの光G2は、モードカプラとして機能する第3の方向性結合器233において導波モードが高次モードに変換されて第3の入力導波路213の第1の部分2131に結合する。結合した高次モードの光G2は、第3の入力導波路213の第1の部分2131を伝搬している0次モードの光G1、B、R1と合波されて、第3の入力導波路213の第2の部分2132に入力される。 On the other hand, the light G2 in the 0th-order mode propagating in the first input waveguide 211 is converted into a higher-order mode in the third directional coupler 233 that functions as a mode coupler, and the waveguide mode is converted to the higher-order mode. It couples to the first portion 213 1 of the input waveguide 213. The coupled higher-order mode light G2 is combined with the 0th-order mode light G1, B, R1 propagating in the first portion 213 1 of the third input waveguide 213 to guide the third input. It is input to the second part 213 2 of the waveguide 213.

さらに、第5の入力導波路215を伝搬している0次モードの光R2は、モードカプラとして機能する第4の方向性結合器234において導波モードが高次モードに変換されて第3の入力導波路213の第2の部分2132に結合する。結合した高次モードの光R2は、第3の入力導波路213の第2の部分2132を伝搬している合波光とさらに合波される。その結果、第1乃至第5の入力導波路211乃至215に入射した光G2、G1、B、R1及びR2の合波光が、第3の入力導波路213の出力ポートから空間変調光学素子220に出力される。 Further, the light R2 in the 0th order mode propagating through the 5th input waveguide 215 is converted into a higher order mode in the 4th directional coupler 234 functioning as a mode coupler, and the waveguide mode is converted to the higher order mode. It couples to the second portion 213 2 of the input waveguide 213. The coupled higher-order mode light R2 is further combined with the combined light propagating in the second portion 213 2 of the third input waveguide 213. As a result, the combined light of the light G2, G1, B, R1 and R2 incident on the first to fifth input waveguides 211 to 215 is transmitted from the output port of the third input waveguide 213 to the space modulation optical element 220. It is output.

以上のようにして、導波モードの異なる同一色の光を合波することにより高強度な合波光を出力することができる。 As described above, high-intensity combined light can be output by combining light of the same color having different waveguide modes.

図4は、本実施例2に係るRGBカプラ210における、各波長λ1=450nm、λ2=520nm、λ3=650nmについての0次、1次、2次モードの光の実効屈折率と導波路幅との関係を示す。導波路膜厚は3.6μmとし、比屈折率差Δは0.45%とした。 FIG. 4 shows the effective refractive index and waveguide width of light in the 0th-order, 1st-order, and 2nd-order modes for each wavelength λ1 = 450 nm, λ2 = 520 nm, and λ3 = 650 nm in the RGB coupler 210 according to the second embodiment. The relationship is shown. The film thickness of the waveguide was 3.6 μm, and the specific refractive index difference Δ was 0.45%.

例えば、第1の方向性結合器231における導波路間ギャップを2μm、第2の方向性結合器232における導波路間ギャップを4.7μm、第1の入力導波路211及び第1の部分2131と、第5の入力導波路215及び第2の部分2132と、における導波路間ギャップをそれぞれ2.5μm、第1及び第2の方向性結合器231及び232における結合長を702μm、第3の方向性結合器233の結合長を2380μm、第4の方向性結合器234の結合長を900μm、第1及び第5の入力導波路211及び215の導波路幅を1.5μmとし、第2乃至第4の入力導波路212及び214の導波路幅を2μmと仮定する。この場合、図4に基づいて、各波長λ1乃至λ3について実効屈折率が等しくなる導波路幅を検討すると、第1の部分2131の導波路幅を7.15μm、第2の部分2132の導波路幅を8.00μmとすることにより、実施例2に係るRGBカプラ210を実現することができることがわかる。 For example, the gap between waveguides in the first directional coupler 231 is 2 μm, the gap between waveguides in the second directional coupler 232 is 4.7 μm, the first input waveguide 211 and the first portion 213 1 The gap between the waveguides in the fifth input waveguide 215 and the second portion 213 2 is 2.5 μm, and the bond lengths in the first and second directional couplers 231 and 232 are 702 μm, respectively. The bond length of the directional coupler 233 is 2380 μm, the bond length of the fourth directional coupler 234 is 900 μm, the width of the first and fifth input waveguides 211 and 215 is 1.5 μm, and the second It is assumed that the waveguide widths of the fourth input waveguides 212 and 214 are 2 μm. In this case, when the width of the waveguide having the same effective refractive index for each wavelength λ1 to λ3 is examined based on FIG. 4, the width of the waveguide of the first portion 213 1 is 7.15 μm, and the width of the waveguide of the second portion 213 2 is 7.15 μm. It can be seen that the RGB coupler 210 according to the second embodiment can be realized by setting the width of the waveguide to 8.00 μm.

本発明の実施例2に係る映像投影装置200によると、同一色の光を同一偏波のまま合波して出射することが可能となり、液晶デバイスなどの偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた場合でも高出力化を実現することが可能となる。 According to the image projection device 200 according to the second embodiment of the present invention, it is possible to combine and emit light of the same color with the same polarization, and a spatially modulated optical element having polarization dependence such as a liquid crystal device. It is possible to realize high output even when using.

(実施例3)
図5は、本発明の実施例3に係る映像投影装置を示す。図5には、第1乃至第5の可視光源301乃至305と、第1乃至第5の可視光源301乃至305に光学的に接続されたPLC型のRGBカプラ310と、RGBカプラ310からの出力光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子320と、を備えた映像投影装置300が示されている。空間変調光学素子320は、RGBカプラ310に光学的に接続された入力側レンズ321と、PBS322と、偏光子323と、LCOS324と、出力側レンズ325と、を含む。
(Example 3)
FIG. 5 shows an image projection device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5 shows the output from the first to fifth visible light sources 301 to 305, the PLC type RGB coupler 310 optically connected to the first to fifth visible light sources 301 to 305, and the RGB coupler 310. An image projection device 300 including a polarization-dependent spatial modulation optical element 320 that spatially modulates light and outputs it as an image output is shown. The spatial modulation optical element 320 includes an input side lens 321 optically connected to the RGB coupler 310, a PBS 322, a polarizer 323, an LCOS 324, and an output side lens 325.

RGBカプラ110は、第1乃至第5の可視光源301乃至305にそれぞれ光学的に接続された第1乃至第5の入力導波路311乃至315と、第1乃至第5の入力導波路311乃至315に光学的に接続されたマルチモード導波路316と、を含む。 The RGB coupler 110 includes first to fifth input waveguides 311 to 315 optically connected to the first to fifth visible light sources 301 to 305, respectively, and first to fifth input waveguides 311 to 315. Includes a multimode waveguide 316, which is optically connected to.

実施例3に係る映像投影装置300によると、マルチモード導波路310を用いた簡易な構成により、同一色の光を同一偏波のまま合波して出射することが可能となり、液晶デバイスなどの偏波依存性を有する空間変調光学素子を用いた場合でも高出力化を実現することが可能となる。 According to the image projection device 300 according to the third embodiment, a simple configuration using the multi-mode waveguide 310 makes it possible to combine and emit light of the same color with the same polarization, such as a liquid crystal device. It is possible to achieve high output even when a spatially modulated optical element having polarization dependence is used.

(実施例4)
実施例4では、実施例1乃至3に係る映像投影装置における第1乃至第5の可視光源の制御方法について説明する。
(Example 4)
In the fourth embodiment, the control method of the first to fifth visible light sources in the image projection apparatus according to the first to third embodiments will be described.

通常、同一色の光の合波には偏波多重を用いるため、同一色の光を合波する際には干渉が起こらない。一方、実施例1乃至3に係る映像投影装置では、同一偏波の光を合波するため、同一色の光の波長が線幅レベルでそろうと、それぞれの光が干渉する。こうした干渉は映像の劣化の原因となる。 Normally, polarization multiplexing is used to combine light of the same color, so that interference does not occur when light of the same color is combined. On the other hand, in the image projection apparatus according to the first to third embodiments, since the light of the same polarization is combined, the respective lights interfere with each other even if the wavelengths of the lights of the same color are aligned at the line width level. Such interference causes deterioration of the image.

通常、LDの発振波長は個体差があるため、同一色の光でも波長が数nm程度異なることが多いが(あえてそのような組合せにすることも可能)、LDは駆動時の熱の影響により出力光の中心波長が5〜10nm程度シフトするため、特定の状況下で出力光の波長が一致し、光が干渉する恐れがある。 Normally, since the oscillation wavelength of LD varies from individual to individual, the wavelength of light of the same color often differs by several nm (it is also possible to make such a combination), but LD is affected by heat during driving. Since the central wavelength of the output light shifts by about 5 to 10 nm, the wavelengths of the output light may match under specific circumstances, and the light may interfere with each other.

そこで、干渉を避けるために、人間の目では認識できない程度の高い周波数で同一色の光を出力するLDの出力光を時分割して同一色の光が同時に発光しないように駆動することで、干渉を避けることができる。 Therefore, in order to avoid interference, the output light of the LD, which outputs light of the same color at a high frequency that cannot be recognized by the human eye, is time-divided and driven so that the light of the same color does not emit at the same time. Interference can be avoided.

具体的には、人間の目が認識できる周波数は20Hz程度と言われており、LCOSの変調周波数は一般的に100Hz程度である。従って、本発明に係る映像投影装置の第1乃至第5の可視光源について、100Hzよりも十分に高い、1kHz程度の時分割変調信号を用いて同一色の光が同時に発光しないように駆動することで、映像品質に影響を与えることなく、干渉を避けることが可能となる。 Specifically, the frequency that can be recognized by the human eye is said to be about 20 Hz, and the modulation frequency of LCOS is generally about 100 Hz. Therefore, the first to fifth visible light sources of the image projection apparatus according to the present invention are driven by using a time-division modulation signal of about 1 kHz, which is sufficiently higher than 100 Hz, so that light of the same color is not emitted at the same time. Therefore, it is possible to avoid interference without affecting the video quality.

Claims (5)

同一偏波の光を出力する複数の可視光源であって、同一色の光を出力する可視光源の少なくとも1つの組を含む、前記複数の可視光源と、
前記複数の可視光源から出力された光を合波し、偏波状態を保って合波光を出力する、平面光波回路を用いた可視光カプラと、
前記可視光カプラから出力された前記合波光が入射され、前記合波光を空間的に変調して映像出力として出力する、偏波依存性を有する空間変調光学素子と、
を備えたことを特徴とする映像投影装置。
A plurality of visible light sources that output light of the same polarization and include at least one set of visible light sources that output light of the same color.
A visible light coupler using a plane light wave circuit that combines the light output from the plurality of visible light sources and outputs the combined wave light while maintaining the polarized state .
A spatially modulated optical element having polarization dependence, in which the combined wave light output from the visible light coupler is incident, and the combined wave light is spatially modulated and output as a video output.
An image projection device characterized by being equipped with.
前記複数の可視光源は、レーザダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の映像投影装置。 The image projection device according to claim 1, wherein the plurality of visible light sources are laser diodes. 前記可視光カプラは、マルチモード導波路を用いて前記複数の可視光源から出力された光を合波していることを特徴とする請求項1又は2に記載の映像投影装置。 The image projection device according to claim 1 or 2, wherein the visible light coupler combines the light output from the plurality of visible light sources by using a multimode waveguide. 前記可視光カプラは、モードカプラを用いて前記同一色の光を合波していることを特徴とする請求項1又は2に記載の映像投影装置。 The image projection device according to claim 1 or 2, wherein the visible light coupler uses a mode coupler to combine light of the same color. 前記複数の可視光源は、1kHz以上の周波数の時分割変調信号を用いて、前記組の可視光源が同時に発光しないように駆動されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の映像投影装置。 The invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of visible light sources are driven by using a time division modulation signal having a frequency of 1 kHz or more so that the set of visible light sources do not emit light at the same time. Image projection device.
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