【発明の詳細な説明】
ビデオ画像の画素を照射するために設けられ、光導波路に入射される拡散の小
さい光束を伝送するための方法及び装置
発明の属する分野
本発明は、光束の生成方法によって決定される拡散角及び光束径を有し、光導
波路に入射されるとともに、光導波路から伝送される光束を集光するための光学
システムを用いて、ビデオ画像の画素を照射するために設けられる光束を伝送す
るための方法に関する。更に、ビデオ画像の画素を照射するための光束を放射す
るための光源と、光を伝送するための光導波路を備え、光源によって付与される
拡散及び光束径を有し、伝送されるべき光束は前記光導波路に入射されることと
、伝送される光束を集光するための光学システムとからなる方法を実現するため
のビデオシステムに関する。
従来技術
光束を利用して画素を照射するためのビデオシステムはドイツ特許第４３２４
８４８号に開示されている。このビデオシステムにおいて、光束は画像規格に基
き、走査されてスクリーン上に偏向される。これは電子線を利用して走査するた
めに設けられる偏向コイルを用いて、画像を生成するテレビにおいて周知である
。この電子線と類似の方法でスクリーン上に表示される個々の画素に対して画像
内容に相当する輝度レベル又は色を生成するために、この光束は輝度変調される
。レーザ光は極めて精度の高い平行光であり、スクリーンからラスタ装置までの
距離が長くても高い解像度が保たれるので、光束として一般的に使用される。
ドイツ特許第４３２４８４８号にレーザ変調装置の後において、レーザ光が拡
散する方向にレーザ光を走査するための装置を分離することが開示されている。
これは保守及び、特に有効に空間を利用するために、極めて小型のレーザ投影シ
ステムにおいて効果的である。光導波路がレーザ変調装置及び走査装置の間にレ
ーザ光を伝送するために用いられる。光導波路として、特に光ファイバが周知で
あり、光はファイバ内において、コアの内部を案内される。光がコアから外に出
ることはコア及びクラッド間の全反射によって回避される。
光ファイバにおいて、入射したレーザ光の高い平行性は光ファイバのコア及び
タラッド間の種々の反射に基づいて、更に高められるため、光ファイバから出る
光は、入射したレーザ光より基本的に高い拡散を有する。ドイツ特許第４３２４
８４８号において、この拡散を減少させるために、光学システムが光ファイバの
後に設けられており、このシステムは光ファイバから出る光束を平行にする。
しかし、この種の光束は、実際には光ファイバに入射する前の光より不都合な
放射特性を有する。従って、十分な平行は達成され得ない。
高解像度を有するビデオ画像、とりわけ将来のＨＤＴＶ規格ために僅少な拡散
を達成するための諸条件は、要求される走査線解像度に対応するために、画素の
大きさを決定するレーザ光スポットがスクリーン上において小さいということで
ある。前述した論点に示すように、拡散は光ファイバを使用する場合に大きくな
る。入射したレーザ光を平行にすることに代えて、スクリーン上に集光させるこ
とが可能である。しかし、この場合はほぼ平行なレーザ光から得られる利点を放
棄せねばならないだろう。この利点は走査装置からスクリーンまでの距離を変更
する場合、集光条件を変更することなく、常に鮮明な画像が得られるということ
である。画素を照射するために、ほぼ平行な光が有するこの効果的な特性は、例
えば任意の形状を備える対象を鮮明に表示することを可能にする。しかし、これ
はプロジェクタなどにおいては不可能である。
レーザ光のモード構成に対する決定的な影響は、特に光ファイバ内の伝送を通
して受ける。これはマルチモード用光ファイバを使用する場合、レーザ光の単一
モード構成は複数のモードに分解される。ドイツ特許第４３２４８４８号に記載
の説明によると、発生するモードの一つのモードを平行にする場合、他のモード
は拡散する。従って、光ファイバから出る全体の光束は高解像度を有するビデオ
画像に適合する解像度を構成しない。
ドイツ特許第４３２４８４８号において、凸レンズが光導波路の光出口面に設
けられており、この凸レンズの焦点は光出口面の中心と一致する。従って、凸レ
ンズの光軸を含む光出口面の点は無限上に結像される。光導波路の光出口面は有
限であるため、且つ光導波路の全横断面にわたってレーザ光の拡散条件のため、
例えば光ファイバのクラッドの付近において、レーザ光は平行を達成し得ない。
光軸に平行に放射されるレーザ光のレンズを用いた投影は、このレンズによって
拡散して、スクリーン上に到達する光束に基づき、達成可能な解像度を極端に減
少させる。
発明の概要
本発明の課題は従来技術から見た一般的な方法及びそれによるビデオシステム
を改善することであり、その結果光導波路を用いる伝送にも関わらず、画像表示
のためのほぼ平行な光束に基づき、高い解像度が達成可能となる。
この課題は光学システムを用いる方法において、光導波路を出射した光束にお
ける拡散角は、光学システムによって、生成方法によって決定される拡散角と比
例するように調整され、この際比例係数は前記光学システムから出射される光束
の光束径及び光導波路に入射される前に付与された光束径との比率である。更に
、ビデオシステムは本発明に基づき、光学システムは光導波路に対して相対的な
一つの位置に配置され、決まった焦点距離を有すること、光導波路を出た光束に
おける拡散角は光源によって付与される拡散角と比例し、この際比例係数は前記
光学システムから出射される光束の光束径及び光導波路に入射される前に付与さ
れた光束径との比率である。
実際に、これらの条件は光導波路によって生成される全ての異なるモードにお
いても適合する。
本発明に基づき、光導波路から出射される光束は平行にされない。従来技術に
対して、拡散角は許容されるのではなく要求される。これは、更に見解と対照的
に極めて長い距離を進行する平行光束において、ビデオシステムは、通常小さい
集光点を要求する。これに対して、本発明は光導波路を省いて限定できる画素の
大きさを達成できるとともに、画素の大きさは拡散に基づき、光束の生成の際に
付与される光束の拡散に基づいて決定されて、画素の大きさを改善できないとい
う考え方が根底にある。
光束の生成の際に発生する僅少な拡散のために、光導波路内及びその後に続く
光学システムにわたって拡散が改善されるということは不可能である。これは、
光学において基本的に重要な周知のヘルムホルツ・ラグランジェ定数が、既に光
生成に基づいて拡散が存在する場合、任意に適切に集光することを認めないこと
による。
位相空間体積内の複数の量子に関した考察及び普遍的なリウヴィユの法則によ
る量子力学的な考察においても、位相空間体積内の量子数は保持され、任意の位
置に適切に集光を行うことが可能であるということは、初期条件が満たされれば
明らかであろう。このため、与えられた条件に基づいて光束が光導波路から光学
システムを用いて放射されるとともに、前記拡散は入射された光束の拡散に同じ
であり、集光は理想的に行われるということが予測できる。この種の考察は光フ
ァイバだけでなく他の光導波路、例えば光伝導ロッド又は内周面を蒸着されたシ
リンダにも通用し、従って本発明は全ての光導波路に適用可能である。
この拡散に関する考察は、位相空間体積内の成分が保存される場合に通用し、
入射光束の直径は出射光束の直径に等しい。これを一般化する場合、入射光束の
拡散を定義するためにヘルムホルツ−ラグランジェ定数の使用において、光束径
及び拡散角の積は入射光束及び出射光束において等しいことが含まれる。製造規
格又は光路における拡散による妨害に基づいて、この得るべき同一性は、常には
達成されない。伝送され、入射される光束の光束積が入射光束の２倍に相当する
場合、入射される光束は、更に十分に高い平行を達成され得る。
ドイツ特許第４３２４８４８号に基づいて、光学システムの使用を考慮するこ
とができる。この光学システムにおいて、第一のレンズシステムはこの特許に記
載の凸レンズによって構成されており、この第一のレンズシステムに接続される
第二のレンズシステムは負の屈折力を与えられ、この第二のレンズシステムを用
いて本発明に基づいて要求される拡散は生成され得る。この種の光学システムは
アフォーカルシステムを備えており、その焦点距離は理論的に無限大である。
実際に、ビデオシステムが本発明に基づく効果的な実施形態において示される
。このビデオシステムにおいて、光学システムは正の屈折力を有しており、対物
側の焦点は光導波路の出口部の中心に位置する。効果的な方法において、前述し
たシステム内のレンズが削減される。極端な場合、色補正を放棄することが可能
であり、別の実施形態に基づき、簡単なレンズシステムが実現される。
本発明の更に効果的な実施例に基づき、光学システムの光軸は光ファイバの出
口側のコア面に対して垂直に、且つ前記コア平面の中心から延伸するとともに、
前記光学システムは対物側の基準面を有しており、この位置は、コアの外周部か
ら始まるとともに、光導波路から出射される光束の光軸に対する拡散角をもって
延びる直線と光軸との交点によって与えられる。
コアの中心部から出射される光束が、本発明に基づいて要求される拡散を有す
ること及び光導波路内に存在するコアの全面から出射される光束は本発明に基づ
く拡散を備えて伝送されることとを保証するため、この装置は特に効果的である
。これは光学システムを単一レンズとして考えると、基準面は特定のレンズ位置
を定める。これは、その拡散角に基づいて光導波路のコアの外周部から出射され
る光束の部分光束がこれらのレンズの中心部を通る光束に同一であり、与えられ
た構成に基づき、正確に要求される拡散を有することによる。
前述した考察は、とりわけ位相空間体積内のパルス成分と関連する。入射した
光束の位相空間内の光子は光導波路によって伝送される場合、特に輝度に関して
効果的な状況を有する。これに関する本発明の効果的な実施形態に基づき、光導
波路はコア径ｄｋ及び光の拡散における開口数Ａを有しており、ｄｋ及びＡの積
が単位ラジアンを用いて測定された拡散角及び予め付与された拡散を有する入射
光束の直径との積に等しい。
これは位相空間体積の保存の法則から導かれ、この際とりわけ拡散角の正弦は
僅少な拡散に基き、単位ラジアンを用いた角度に置き換えられる。ここに使用し
た光学の原理は正弦条件又は特別な場合、ヘルムホルツ・ラグランジェ定数に基
づく光束積を有する光束において周知である。
原理的に、この実施形態に基づく光導波路の選択は入力側に入射した光束の全
輝度が光導波路内に伝送されるということを可能にする。この光導波路への光束
の完全な伝送は詳しく後述する。
これに対して、伝送される光束の一部が、例えば場合によって設けられる絞り
を通過する場合、又はコア径より大きな直径を有する光束の一部が光導波路にそ
の光導波路から伝送される場合、伝送される光束の実際の直径に代えて、例えば
絞りの直径又は光導波路のコア径に同一の直径が光導波路の選択に関連して用い
られる。
前述した説明によって明らかなように、光束の理想的な伝送は、基本的に光導
波路の開口数に依存する。光導波路の開口数が０．０５及び０．１の間にあり、
光導波路のコア径が１０μｍから３０μｍまでのの範囲内にある場合、特に、本
発明は最も効果的に実現され得る。特に、これに関連して開口数は０．１の値を
有し、光導波路は１５μｍのコア径を有することが推奨される。
光学システム及び光導波路の間の距離は任意に選択することはできない。これ
は、とりわけ焦点がコアの近くに位置するため、焦点距離に影響を与えることに
よる。光導波路の出口部から大きな距離をとることは、結果として大きなレンズ
を必要とし、また僅少な距離は調整を困難にする。本発明の効果的な実施形態に
基づき、理想的な光学システムにおける焦点距離を選択する場合、正の屈折力を
有する光学システムは１５mmから２５mmまでの範囲内の焦点距離を有し、効果的
には２０mmの値を有する。
既に記載したように、光源によって生成される全レーザ光束を光導波路に接続
することを目的とする。これは本発明の効果的な実施形態に基づき、別の光学シ
ステムが光束を光導波路に入射するために設けられることによって達成される。
特に、本発明の効果的な実施形態において、別の光学システムが付与された拡
散を有して、伝送されるべき光束を光導波路のコアの中心部に集光させる場合、
適切な結合が得られる。その際、別の光学システムによってコア上に生成され、
回析によって制限を受け、集光された光束の直径はコア径より小さいか、又はコ
ア径の２／３に等しい。更に、別の光学システムの光軸が光導波路の入力部にお
いて、コア径の方向に対して垂直で、中心と一致する場合、本発明の効果的な実
施形態に基づいて、特に効果的な接続が行われる。この実施形態に基づいて、回
析による光導波路の外部への損失はコア及びクラッドの間の直接反射によって回
避される。
図面の簡単な説明
以下に本発明を図示して詳述する。
図１は本発明の実施例の概略図である。
図２は光学システムを備えた実施例の幾何学的な配置を説明するための断面図
である。
図３は光ファイバに接続するための別の光学システムの幾何学的な配置である
。
図４は光ファイバが光学システムとの組み合わせにおいて、使用される画像投
影システムための装置の斜視図である。
図面の詳細な説明
個々の実施例の説明を行う前に、図１に基づいて本発明の基礎となる原理を詳
述する。
図１において、入射する光束が矢印１によって示され、出射する光束が別の矢
印２によって示されている。矢印１及び矢印２の軸は入射光束及び出射光束の拡
散を示すために先端が切り取られた円錐形状を有している。図１から分かるよう
に、出射光束（矢印２）が入射光（矢印２）と同じ拡散角を有することを説明す
るために、矢印１及び矢印２の軸は同じ傾斜になっている。
更に、図面に示す入射光束及び出射光束は同一の直径を有する。即ち、出射光
束の拡散角及び光束径との積は入射光束のそれと同一である。次ぎに行う考察は
入射光束及び出射光束の同一の光束径に関する。光束径が変化する場合、次ぎに
述べる拡散は放射経路内に存在する光学システムによって、基本的に同じ光束積
になるように適合される。
同一の光束径において、拡散が同一であることは光学システム４によって保証
されており、この光学システムは適切な方法によって配置されるとともに、光フ
ァイバ６の出射口に関連して配置される。光ファイバ６内において、更に光を案
内するコア８が示される。矢印９及び矢印１０は出射光束の最大の拡散角を示す
。
更に、図１において、コア８と中心を同じくするとともに、コア出射面に対し
て垂直に延伸する光ファイバ６の光軸１２が破線によって示されており、この光
軸には出射側において、光学システム４の光軸と一致するとともに、入射側にお
いて、矢印１で示される入射光束の光軸と一致する。
破断図で示される光ファイバ６は、単に入射側及び出射側における光束の伝送
態様の細部のみを明確にする。光ファイバ６の両端部は、実際はねじれているか
、又は互いに位置がずれているかの少なくともいずれか一方である。
図１に、矢印１を用いて、僅少な拡散を有する光束が光ファイバ６に入射され
ることが示される。コアと光ファイバ６クラッドとの間の反射によって、伝送さ
れる光束は矢印９及び矢印１０が示すように拡散する。
冒頭に記載した従来技術では、光ファイバ６から出射する光束は光学システム
４を利用して平行にされる。これに対して、本発明に基づく光学システム４は、
特に光ファイバ６からの距離に関連して、矢印２によって示される光束が矢印１
によって示される入射光束と同一の拡散となるように構成される。図１において
、拡散が同一であるということは、矢印１及び矢印２が先端が切り取られた同一
の円錐形状をなしていることによって示される。
入射光束は、直接光ファイバ６のコア８を指向し得る。一般的な場合、ビデオ
システムに使用され得るレーザ光の直径は、光ファイバ６のコアより大きいため
、矢印１によって示される光束は別の光学システムを介して光ファイバ６に入射
される。図３に、このための実施例を示す。
図２に基づいて、先ず光ファイバ６及び光学システム４の出射側の幾何学的関
係を詳述する。
光学システム４は、簡単にするために単一のレンズとして示される。例えば、
色補正のための複数のレンズ及び色消しレンズから構成される光学システムが使
用される。図２の符号Ｈによって形成されるレンズとしての光学システム４にお
ける平面は、対物側の基準面であると同時に、画像側の基準面である。
図２において、出射光束の拡散は拡散角θによって示される。拡散角θは、光
軸と光ファイバのコアの外周上の点から光軸とＨとの交点を通る直線との間の角
度である。これは、図３に示す僅少な拡散を有する入射光束１４の拡散角θと同
一になるように光学システム４の設計により調整される。
実施例において、この光学システム４は焦点距離に関連して、光ファイバ６か
ら角度Ａをなして出射される光束が光学システム４に入射した光束１４と同一の
拡散角θを有し、矢印に示す光束１５として出射されるように設計される。この
角度Ａは、この実施例では開口数と称される。実施例における光ファイバは０．
０５〜０．１５の間の小さな値の開口数、特に、０．１の開口数を有するため、
一般的に開口数を示す角度の正弦は、単位ラジアンを用いて表される角度に近似
され得る。上述した関係は空気（屈折率＝１）に対しても適用でき、前記開口数
の値は空気中に出射された光束の角度に関係づけられる。光ファイバのための他
の媒体又は他の材料による製品において、考慮すべき光束積は屈折率、光束径及
びコア径の積から推測する必要がある。
一定の光束を得る条件は、開口数及びコア径の積が、光ファイバに入射した光
束（図３）の直径ｄと掛けられて、入射光束１４の拡散角θに等しくなるように
光ファイバ６が選択されることである。図３における入射光束は別の光学システ
ム２０を介して光ファイバ６に入射されるため、一定の光束積を得るための条件
が入射の場合にも適用できる。従って、別の光学システム４を介して光束１４を
入射する実施例において、ビデオプロジエクタに使用され、光ファイバ６から出
射する光束１５は、実際光源から出射される光束と同一の拡散を有する。マルチ
モード用光ファイバが使用される場合においても、モード構成に関係なくこの構
成は維持されるため、この効果的な特性が生じる。
０．０５から０．１５までの前記開口数の値は光ファイバの１０μｍから３０
μｍまでの直径に関連づけられる。特に、これは１５μｍに関係付けられる。
図２から光学システム４の別の特性が明らかになる。光学システム４は対物側
の基準面Ｈを有して一つの場所に配置され、その場所においてコア８の外周部か
ら光軸１２を指向し、角度θの傾斜をなす直線１８は光軸１２を横切る。直線１
８に沿って進行し、光ファイバ６から出射される光束は光軸１２に対して角度θ
の傾斜をなして、光学システム４の基準面Ｈの中心を通る。即ち、コア８の外周
部から出た光は光ファイバ８光軸付近からでた光と同一の拡散を有する。光学シ
ステム４はコア８から出射される全ての光を光束１５に反映する。従って、コア
８の全平面領域は光学システム４を介して均一に伝送される。このため、光束１
５は平行性及び直径に関して、基本的に入射した光束１４とほぼ同一の特性を有
する。
光路の可逆性に基づき、光ファイバ６に光束１４を入射する場合、光束に関し
て同様の考察を行う必要があろう。コア８の入射平面が別の光学システム２０の
焦点に配置されること及びコア８上への光束１４の回析限界における焦点がコア
径ｄｋより小さいか、又はコア径ｄｋのほぼ２／３になるように設計されること
は効果的である。その際、光ファイバ６のコアークラッド面における反射及び損
失は、ほぼ回避されるため、入射光１４は十分に光ファイバ６に入射される。
実施例において、焦点距離２０mmを有する単独レンズが光学システム４及び光
学システム２０のために使用される。特に、焦点距離１５mm〜２５mmの光学シス
テムが適合する。
図４は、本発明に基づき光ファイバ６からビデオプロジェクタ装置に光束を接
続する方法を示す。このビデオプロジェクタ装置はドイツ特許第４３２４８４８
号に詳述されているため、これに関する詳しい記載は不必要である。第１の構成
グループ内に３個のレーザ３２，３３，３４が配置されており、これらから出射
される光束は変調装置３５，３６，３７を介して輝度変調される。変調装置３５
，３６，３７から出射される光束は鏡システム４０を介して一つの光束１４に集
束
される。この光束は光学システム２０を介して光ファイバ６に入射される。前述
した光学システム４は出射のために機能し、この光学システムから出射する光束
１５は多角形鏡４２及び回転鏡４４から構成されるラスタ装置に投影されて、変
換レンズ４６を介してスクリーン５０上に偏向される。これは矢印の方向に座る
観測者のためにビデオ画像として目に見えるようになる。
この実施例において、マルチモード用光ファイバは３つの光束を伝送するため
に異なる波長において使用される。とりわけ、図１から図３に示した原理は単一
モード用光ファイバにも適用される。このとき、カラービデオシステムにおいて
、それぞれ個々の光ファイバ６は光学システム４及び光学システム２０を用いて
異なる波長を有するそれぞれのレーザ光に割り当てられる。この鏡システム４０
は光束を集束するために、それぞれに必要な光ファイバの後に、それぞれの光フ
ァイバに続いて設けられる光学システム４の後に配置される。