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技術 帯域幅強調によるスペックル低減のためのシステム及び方法

出願人 コーポレーションフォーレーザーオプティックスリサーチ
発明者 マニジェフリーグレンマーティンセンロバートヤンス
出願日 2012年7月20日 (7年11ヶ月経過) 出願番号 2012-161788
公開日 2012年11月22日 (7年7ヶ月経過) 公開番号 2012-230414
状態 拒絶査定
技術分野 投影装置
主要キーワード 波長特徴 結像器 発光子 相対的出力 色彩範囲 MTBF 矩形片 梱包サイズ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

スペックルを低減させたレーザ画像システムの提供。

解決手段

本レーザ画像システムは、レーザ光の個々のエミッタ101、102、…を空間的に重ね合わせた1−Dアレイ122,124、…又は2−Dアレイ10を備える。このとき各エミッタ101、102、…は、スペクトル帯域幅Δλiを、任意の波長λ0iの中央に有する。アレイの素子群は、少しずつ異なる中央波長を有することで、アレイのうちのいずれの単独のエミッタの帯域幅Δλiよりも遙かに大きな集合帯域幅ΔΛを生ずることができ、その結果、帯域幅が増すことで、表示画像のスペックルを低減する。

概要

背景

概要

スペックルを低減させたレーザ画像システムの提供。本レーザ画像システムは、レーザ光の個々のエミッタ101、102、…を空間的に重ね合わせた1−Dアレイ122,124、…又は2−Dアレイ10を備える。このとき各エミッタ101、102、…は、スペクトル帯域幅Δλiを、任意の波長λ0iの中央に有する。アレイの素子群は、少しずつ異なる中央波長を有することで、アレイのうちのいずれの単独のエミッタの帯域幅Δλiよりも遙かに大きな集合帯域幅ΔΛを生ずることができ、その結果、帯域幅が増すことで、表示画像のスペックルを低減する。

目的

このスペクトルを持つ光源は、従来のアークランプ法や、黒体放射を利用する投射技術よりも、大きな色彩範囲を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

各々が、中央波長がλ0iであり、スペクトル帯域幅がΔλiのレーザ光を放出する、複数のレージング素子であって、ただしこのとき前記レージング素子のうちの少なくとも一つの中央波長は、少なくとも一つの他のレージング素子の中央波長に対して波長シフトしている、レージング素子と、各レーザ光を結合する画像光学素子とを有し、ただしこのとき、はレージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そしては、少なくとも一つのレージング素子及び少なくとも一つの他のレージング素子の中央波長λ0iの間の平均波長シフトである、としたときに、前記結合されたレーザ光が、重複パラメータを持つ集合スペクトルΛを有し、さらに前記アレイの及びがγ≧1となるように選択されている、帯域幅強調レーザ画像システム

請求項2

結合されたレーザ光で照射され、画像制御信号を受信して、投射されるレーザ画像を形成する変調器をさらに有する、請求項1に記載のシステム

請求項3

前記γの値が、投射されるレーザ画像のスペックルを低減するよう選択される、請求項2に記載のシステム。

請求項4

前記レージング素子が、共通の放出平面上に配置された半導体レーザである、請求項1に記載のシステム。

請求項5

前記レージング素子が二次元アレイを形成する、請求項1に記載のシステム。

請求項6

前記集合スペクトルΛが、1nmから10nmの間の集合帯域幅ΔΛを有する、請求項1に記載のシステム。

請求項7

前記レージング素子が、R、G及びBからなる群より選択される原色を放出する、請求項1に記載のシステム。

請求項8

前記レージング素子が紫外又は赤外スペクトル域の光線を放出し、前記システムが前記レージング素子でポンプされる光学振動数変換器をさらに有する、請求項1に記載のシステム。

請求項9

前記レージング素子が、半導体ダイオードレーザ光ポンプレーザ及びファイバ・レーザからなる群より選択される、請求項1に記載のシステム。

請求項10

前記光学的振動数変換器が、OPO、SHGSFG、周期分極及び擬似位相整合非線形光学的構造、からなる群より選択される少なくとも一つの素子を有する、請求項8に記載のシステム。

請求項11

前記画像光学素子が、積分レンズ及び集光レンズを有し、それにより、共通の画像領域を略、均一に照射する、請求項1に記載のシステム。

請求項12

前記積分レンズがハエ目レンズである、請求項11に記載のシステム。

請求項13

各々が、中央波長がλ0iであり、スペクトル帯域幅がΔλiのレーザ光を規定する、複数のレージング素子と、前記複数のレージング素子のレーザ光を、共通の画像表面上に結像する光線ホモジナイザとを有し、ただしこのとき、は前記レージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そしては、中央波長λ0iの間の平均スペクトル分離である、としたときに、前記結像されたレーザ光が、スペクトル重複パラメータを有する集合スペクトルΛを規定する、スペックルを低減させた、レーザ投射画像用発光子

請求項14

各R、G及びBチャンネルに関連し、R、G及びB光を生成する三つの発光子と、R、G及びB光を結合する光結合器と、結合されたR、G及びB光を、投射ディスプレイ上に投射する投射光学素子であって、ただしこのとき、前記R、G、及びB発光子のうちの少なくとも一つが複数のレージング素子を有し、各前記レージング素子が、中央波長がλ0iであり、スペクトル帯域幅がΔλiであるレーザ光を放出し、さらに前記レージング素子のうちの少なくとも一つの中央波長が、少なくとも一つの他のレージング素子の中央波長に対して波長シフトしている、投射光学素子と、各レーザ光を結合してR、G又はB光を形成する画像光学素子であって、ただしこのとき、はレージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そしては、少なくとも一つのレージング素子及び少なくとも一つの他のレージング素子の中央波長λ0iの間の平均波長シフトである、としたときに、前記結合されたレーザ光が、重複パラメータを持つ集合スペクトルΛを有し、さらに前記アレイの及びがγ≧1となるように選択されている、画像光学素子とを有する、スペックルを低減させた帯域幅強調RGBレーザ投射システム。

請求項15

各変調器をさらに有し、ただしこのとき、各変調器が、R、G及びB光のうちの一つで、各R、G及びBチャンネルに対応する画像制御信号に応答して、照射され、前記画像制御信号は前記R、G又はB光を変調し、前記投射光学素子が、前記変調されたR、G及びB光を投射ディスプレイ上に投射することでスペックルの低減された投射レーザ画像を形成する、請求項14に記載のRGBレーザ投射システム。

請求項16

間隔を置いた複数のレーザ波長で、一スペクトル帯域幅を持つレーザ光を放出するレーザ手段と、前記レーザ光を結合して共通の領域を照射する光線結合手段とを有し、ただしこのとき、前記レーザ手段全体で平均化したときのスペクトル帯域幅が、前記レーザ手段全体で平均化したときの前記間隔を置いた波長の間の差よりも大きい、帯域幅強調レーザ画像システムのためのレーザ光源

請求項17

各々が、中央波長がλ0iであり、スペクトル帯域幅がΔλiであるレーザ光であって、ただしこのとき前記レーザ光のうちの少なくとも一つの中央波長は、少なくとも一つの他のレーザ光の中央波長に対して波長シフトしている、複数のレーザ光を生成するステップと、各レーザ光を結合して、空間上重複する光線にするステップと、を有し、ただしこのとき、はレーザ光の平均スペクトル帯域幅であり、そしては、少なくとも一つのレーザ光及び少なくとも一つの他のレーザ光の中央波長λ0iの間の平均波長シフトである、としたときに、前記空間上重複する光線が、重複パラメータを持つ集合スペクトルΛを有し、さらに前記アレイの及びがγ≧1となるように選択される、帯域幅強調レーザ光を生成する方法。

技術分野

0001

技術分野
本発明は、画像投射用レーザ光源に関する。より具体的には、スペックルを低減させた投射結像用の帯域幅強調レーザ源に関する。

0002

発明の背景
高性能結像用の場合、赤色、緑色及び青色(RGB)レーザは、白熱灯光源に比べて明白な長所を有する。彩度コントラスト、鋭さ、及び色範囲が大きいという点は、アークランプを用いた従来の結像システムに比べ、レーザ・ディスプレイが際だつ特徴の一部である。しかしながら、このような性能上の長所にも係わらず、同等のルーメン出力ランプで駆動されるディスプレイに比較したときの、価格の高さ、信頼性の低さ、梱包の大きさ、及び電力消費の大きさがあるために、レーザ・ディスプレイ技術の市場での受容度は依然低い。

0003

レーザ投射技術を従来技術と比較するには、これらの技術の最終的な実用性に関する二つの基本的なパラメータを検討すると参考になる。一番目のパラメータは、光学的効率と定義することができる。光学的効率とは、この場合、光源への入力1ワット当たりで出力されるルーメンである。二番目は、コス適合性、即ち、ある特定の用途に必要な要件に対し、問題の技術がどの程度、コスト効果的な解決をもたらすか、という点である。

0004

これらのパラメータを基にすれば、それぞれが基本色で作動する三個のレーザ又はレーザ・アレイから成る赤/緑/青(RGB)半導体マイクロレーザステムは、今日までで最も効率的で、輝度の高いディスプレイ用白色光投射源であるように思われる。半導体レーザの作動は、紫外域から赤外域スペクトル域渡り、InGaAIN、InGaAIP及びInGaAIA材料システムに基づくデバイス構造を利用して、行われてきた。好ましい中央波長範囲は、下に解説するように、赤色の場合は610乃至635nm、緑色の場合は525乃至540nm、そして青色の場合は445ないし470nmである。このスペクトルを持つ光源は、従来のアークランプ法や、黒体放射を利用する投射技術よりも、大きな色彩範囲を提供する。

発明が解決しようとする課題

0005

レーザ放射は本来狭帯域であり、完全飽和色を認識させる。残念ながら、帯域光ランダム不均質の表面(例えば投射スクリーンなど)に入射すると、「スペックル」として知られる見苦しい画像人工物も生まれる。スペックルの視覚的影響により、画像の美的質は損なわれ、画像の解像度も低下する。結果的に、高解像度ディスプレイ・システムの観点からは、スペックルをなくすことが一般に必須であると考えられる。多種の「デ−スペックリング」技術を用いてこの人工物を「許容可能なレベル」まで減じることはできるが、それには効率の更なる低下が代償となり、ひいてはコスト、信頼性、梱包サイズ、及び電力消費に負の影響を与えることとなる。

0006

公知のスペックル低減技術は、レーザ光の空間的又は時間的コヒーレンスを、光学距離無作為化及び/又はスペクトル拡張を通じて干渉する傾向がある。しかしながら、これらの解決法の大半は高価であり、技術的に複雑で、モード引込み同期技術を用いて1psといった大変短いパルスを生成することで光学帯域幅を広げるなどの技術に依拠するものである。理想的には、投射ディスプレイ光源用スペクトル帯域幅は、ほぼ数ナノメートル(即ち5乃至15nm)でなければならない。このような光源は、準単色性で、スペックルを消去するには充分に広帯域であるが、色彩純度のためには充分狭帯域であると考えられよう。これらの性質を持つような、レーザを基にしたRGB光源は全く存在しないのである。

0007

従って、基本的なRGB波長(赤色の場合、約620nm、緑色の場合、530nm、そして青色の場合は460nm)でほぼ5乃至15nmのスペクトル幅を持ち、小型で効率的、信頼性があって製造費が廉価な、レーザを基にしたRGB光源を提供でき ることが、望ましいであろう。このRGBレーザを基にした光源の実際の目的は、対角線が約7.5フィートスクリーン上に、輝度の高い(>1000ルーメン)投射ディスプレイを、少ないスペックルで行うことである。数ナノメートルの帯域幅を有するRGBレーザ光源への需要は、大半の投射装置(即ち LCos、p−SiLCD、DLP、及びおそらくはGLVも)にとって、広く共通のものである。

課題を解決するための手段

0008

発明の概要
本発明は、所望の波長に応じて、半導体ダイオード・レーザ・アレイ、ダイオードポンプ・マイクロレーザ、及び/又は、このようなレーザの非線形周波数変換を利用したレーザ投射ディスプレイ・システムに関する。

0009

本発明の一態様では、帯域幅強調レーザ画像システムは、各々が、中央波長がλ0iであり、スペクトル帯域幅がΔλiのレーザ光を放出する、複数のレージング素子を備える。前記レージング素子は、設計上、少しずつ異なる中央波長λ0iを有することで、アレイのうちのいずれの単独のエミッタの帯域幅Δλiよりも大きな集合帯域幅ΔΛを生ずることができる。画像光学素子が各レーザ光を結合する。結合されたレーザ光は、重複パラメータ

を持つ集合スペクトルΛを有し、ただしこのとき

はレージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そして

はスペクトル上隣り合うレージング素子の各中央波長λ0iの間の平均波長シフトである。

0010

本発明の別の態様では、スペックルを低減させた帯域幅強調RGBレーザ投射システムは、各R、G、及びBチャンネルに関係した、R、G及びB光を生成する三個の発光子を備える。光結合器がこのR、G及びB光を結合し、投射光学素子が、結合されたR、G及びB光を投射ディスプレイ・スクリーン上に投射する。前記R、G及びB発光子のうちの少なくとも一つは複数のレージング素子を備え、各レージング素子は、中央波長がλ0i及びスペクトル帯域幅がΔλiのレーザ光を放出する。これらレージング素子は、設計上、少しずつ異なる中央波長λ0iを有することで、アレイのうちのいずれの単独のエミッタの帯域幅Δλiよりも大きな集合帯域幅ΔΛを生ずることができる。光線ホモジナイザが、これら複数のレージング素子のレーザ光を、共通の画像表面上に結像する。結像されたレーザ光は、重複パラメータ

を持つ集合スペクトルΛを有し、ただしこのとき

はレージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そして

は各中央波長λ0iの間の平均波長シフトである。

0011

本発明のさらに別の態様では、帯域幅の強調されたレーザ光を生成する方法を提供する。本方法は、各レーザ光が中央波長がλ0iであり、スペクトル帯域幅がΔλiである、複数のレーザ光を生成するステップであって、ただしこのとき前記レーザ光のうちの少なくとも一つの中央波長が、少なくとも一つの他のレーザ光の中央波長に対して、波長シフトされている、ステップと、前記の各レーザ光を結合して空間上重複した光線にするステップと、を含む。前記の空間上重複した光線 は、重複パラメータ

を持つ集合スペクトルΛを有し、ただしこのとき

はレーザ光の平均スペクトル帯域幅であり、そして

は、少なくとも一つレーザ光及び少なくとも一つの他のレーザ光の中央波長λ0iの間の平均波長シフトであり、またこのときアレイの

及び

は、γ≧1になるように選択される。γの値は、投射されたレーザ画像のスペックルが低減されるよう、選択される。

0012

本発明の実施例には、下記の特徴のうちの一つ又はそれ以上を含めてもよい。本システムには、結合されたレーザ光で照射されると共に、画像制御信号を受け取って、投射されるレーザ画像を形成する変調器を含めてもよい。前記レージング素子には、共通の放出平面上に並んで二次元アレイなどを形成する半導体レーザを含めることができる。また前記レージング素子は、R、G、B可視光を放出しても、又は紫外光又は赤外光を放出してもよい。後者の場合、本システムにはさらに、位相整合又は擬似位相整合QPM)された、該レージング素子でポンプされるバルク結晶又は導波路などの光学振動数変換器を含めてもよい。代替的な他の光源には、ダイオード・ポンプ固体素子のアレイや繊維レーザのアレイがあるであろう。集合スペクトルΛの有する集合帯域幅ΔΛは、1nmから10nmの範囲であってもよい。

0013

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の好適な実施例の解説及び請求の範囲から明らかとなるであろう。

0014

以下、本発明の具体的な実施例をいくつか、図面にて図示するが、同図面において同様な参照番号は同様の要素を指すものである。これら図示した実施例は、本発明の実例として理解されたく、何ら限定的なものと捉えられてはならない。

図面の簡単な説明

0015

n個のレージング素子を持つ、帯域幅強調レーザ光源の例の上面図である。
前記帯域幅強調レーザ光源を取り入れた投射ディスプレイの色チャンネルの概略的横断面図である。
投射ディスプレイに組み込まれた前記帯域幅強調レーザ光源の別の実施例を示す。
各色チャンネルに前記帯域幅強調レーザ光源を取り入れた完全色RGB投射ディスプレイを概略的に示す。
平均スペクトル重複パラメータγ>1を有する5個の例示的なエミッタのスペクトル放出及び集合スペクトルを概略的に示す。
平均スペクトル重複パラメータγ=1を有する5個の例示的なエミッタのスペクトル放出及び集合スペクトルを概略的に示す。
平均スペクトル重複パラメータγ<1を有する5個の例示的なエミッタのスペクトル放出及び集合スペクトルを概略的に示す。
平均スペクトル重複パラメータγ<<1を有する5個の例示的なエミッタのスペクトル放出及び集合スペクトルを概略的に示す。

実施例

0016

発明の詳細な説明
発明を実施するための最良の形態
本発明は、画像投射のための、帯域幅の強調されたレーザ光源に関するものである。具体的には、ここに解説するレーザ光源は、投射画像用途においてスペックルを低減することができる。

0017

図1を参照すると、帯域幅が強調されたレーザ光は、レーザ光101、102、・・・を放出する空間上分離された個別のエミッタの二次元(2−D)アレイ10から生成される。このとき、各エミッタ101、102、・・・は、それぞれのスペクトル帯域幅Δλiを、何らかの任意の赤色、緑色又は青色波長λ0iの中央に有する。前記アレイの素子は、少しずつ異なる中央波長を有することで、アレイのうちのいずれの単独のエミッタの帯域幅Δλiよりも大きな集合帯域幅ΔΛを生ずるよう、設計されている。スペックルを消去するのに必要な集合帯域幅ΔΛの量を精確に操作することで、完全飽和色の外観に重要な準単色性が保たれる。

0018

RGB投射ディスプレイに対する、目的の波長域のレーザ光は、当業で公知の数多くの方法で生成することができる。例えば、投射ディスプレイ用途に適した赤色、緑色、及び青色波長を直接生成するような高出力半導体ダイオード・レーザが、近い将来手に入るようになるかも知れない。青色及び緑色スペクトル域で発光する ダイオード・レーザは、AlGaInN合金から作成することができるが、赤色スペクトル域で発光するダイオード・レーザはAlGaInAsPから作成する ことができる。これらのレーザの放出波長は、主に、有効層の材料組成で決定される。例えばGaAlInNレーザの波長は、材料のGa:Al:In比を選択することで、紫外線から緑の範囲で変更することができる。同様に、GaAlInAsPレーザの波長は、各Ga:Al:In及びAs:Pの比を選択することで、オレンジから赤外線の間で変更することができる。これらのレーザ装置光学出力寿命の両方を延ばす上で急速な進展が過去2年の間で遂げられており、半導体レーザ素子は、画像投射用の発光装置として浮上してくるに違いない。

0019

可視のスペクトル域を放出する強力な半導体ダイオード・レーザが得られるようになるまでは、代替的な実施例として、近赤外光半導体ダイオード・レーザの1−D及び/又は2−Dアレイが、周波数を2倍にして赤色、緑色及び青色レーザ光を生成できる。これらの光線の質は高いため、垂直キャビティ表面放出レーザVCSEL)を、非線形の結晶又は導波路をポンプするためのポンプ源として利用できる。この非線形の結晶又は導波路は、可視光生成のためには、結晶型バルク)でも、又は、擬似位相整合(QPM)周波数変換器の形であってもよい。さらに別の光源には、ダイオード・ポンプ固体素子のアレイや、繊維レーザのアレイがあろうが、このようなデバイスの大きさ、複雑さ、及びコストを鑑みれば、実用性からいって魅力に乏しい。

0020

可視光は、赤外光ポンプ利得媒体から、当業で公知のいくつかの方法で生成させることができる。共通のレーザ利得媒体をアレイの構造に利用しており、そして利得媒体が充分に幅の広い利得帯域幅を有しているのであれば、アレイの集合帯域幅ΔΛが、いずれか一つのレーザの帯域幅Δλiよりも実質的に大きくなるよう、個々のレーザを「チューニング」することができる。

0021

意図的な「チューニング」をしなくとも、エンド・ポンプ・レーザのアレイが、個々のレーザの帯域幅よりも幾分大きな集合帯域幅ΔΛを最初から呈することがある。例えば利得素子のアレイ全体に温度勾配を設定するなどにより、帯域幅のスプレッドを向上させてもよい。こうすると、各素子の純利得曲線ピーク、ひいてはレーザ放出のピークを、他のものに比較して移動させることができるであろう。この効果は、上方変換など、レージング工程に起きる温度依存的損失というメカニズムにより、高まるであろう。

0022

別の方法では、エタロンなどのチューニング素子を、アレイのレーザ毎にピーク透過率が少しずつ異なるようにして、提供してもよいであろう。このようなチューニング素子により、レーザ材料の利得帯域幅内の、当該利得曲線のピークに必ずしも一致しないある一波長に、振動が抑えられるであろう。

0023

別個のチューニング素子(エタロン)を、各共振子に別々に導入しても、又 は、単一の「マクロ」−チューニング素子を、全ての共振子上で同時に作動させてもよいであろう。例えば、幅方向で厚さが連続的に変化するような単一の「マクロ−エタロン」を、全てのレーザ上で同時に作動させてもよいであろう。反対に、エタロンのピーク透過波長が距離に対して「チャープ」するよう、マクロ−エタロン全体に温度勾配を設定してもよいであろう。

0024

反対に、グレーティング周期を「チャープさせた」り、又は、少しずつ異なる グレーティング周期を有するような領域を複数持つ周期分極(PP)非線形材料を、共振子に挿入してもよいであろう。PP非線形材料を用いた可視光放出には、ほぼ10年前から大きな関心が持たれ始めた。散乱を相殺するには充分な複屈折がないために位相整合できない結晶も、非線形係数の符号を変調すれば、位相整合させることができる。例えば周期的分極LiNbO3は、400nm未満から4000nmを越える全透過範囲にわたって、擬似位相整合させることができる。さらに、非線形の相互作用至適になるよう、結晶の配向を選択することもできる。また、第二高調波光(SHG)又は和周波光SFG)が生成されるよう、PPチップを作動させてもよい。

0025

周期的分極(PP)材料を用いる場合、1−Dレーザ・アレイを分極材料のフラット・チップに対合させても、所望の可視レーザの1−Dアレイを作成できるであろう。この1−Dアレイを積層すれば2−Dアレイを作成できよう。緑色を生成するには、該PPチップはSHGチップとなるであろう。赤色の生成には、該PPチップが、同じチップ上にOPO及びSFGグレーティングタンデムに有していてもよい(OPO鏡を、チップ上に直接コーティングしてもよいであろう)。青色の生成には、第三高調波を生成するよう、該PPチップがタンデムSHG及びSFGグレーティングを有していてもよい。必要に応じ、PPチップのグレーティング周期をそれらの幅方向でチャープさせれば、1−Dレーザ・アレイの強調帯域幅を効率的に変換することができる(しかし、PP材料のスペクトル帯域幅が充分大きければこれは不要である)。

0026

周期的分極材料は、特にこれらを維持しなければならない場合、高温で作動させることは好ましくないであろう。この場合、非線形変換に、室温非臨界位相整合NCPM)材料、又はウォークオフ補正結晶のタンデム配置を利用したい場合があるかも知れない。反対に、適宜「幅広い」チューニング範囲を有し、室温に近い少しずつ異なる温度や、又は、異なる角度で固定された、別々の結晶を用いてもよい。結果的に、キャビティ内周波数変換のための至適な位相整合波長は、アレイのうちの一つのレーザと、次のレーザとの間で少し異なるであろう。

0027

可視RGBレーザ光を生成するための上述の方法は当業で公知であり、本発明の一部ではない。

0028

図1に示した小型2−D帯域幅強調レーザ・アレイ10は、垂直キャビティ表面放出レーザ(VCSEL)の二次元アレイからも、又は、各レーザ棒が複数のレーザ・エミッタ101、102、・・・106を有するような1−Dエッジ放出レーザ棒122、124、・・・を重ね合わせたものからも、構成することができる。VCSELは、光線の品質が高いために、全体的な効率も優れている傾向がある。エッジ放出レーザ棒には、同じ棒上に形成された10個から数百個の近距離に置かれたエミッタを含めることができる。あるいは、個々のレーザ・エッジ・エミッタを横に並べて配置して1−Dレーザ棒を作成してもよい。該棒は、レーザ・エミッタを上に成長させる足元基板を少なくとも部分的に除去することで、大変薄くなっていてもよい。該棒を直列電気的接続することで、各素子に略、同一の光学的出力を放出させることができる。以下に説明するように、異なるピーク放出波長を持つダイオード・エミッタを選択すれば、10nm又はそれ以上のアレイ帯域幅を得ることができる。観察によれば、レーザ素子のすべてが必ずしも互いに異なる波長を有していなくともよく、また、エミッタ同士の相互作用が強くなく、かつ約1乃至10nmという所望の集成帯域幅を提供する限り、2−Dアレイ全体でこの波長が繰り返されていてもよい。

0029

図1に示す半導体ダイオードのレーザ・エミッタ101、102・・・の放出波長は、以下の方法のうちの一つにより選択及び/又は調節してもよい。即ち、(1)積層した1−D棒から2−Dアレイを組み立て、各棒の波長域は、別の棒の波長と一致しないように選択し、2−Dアレイが所望の集成波長域Λをカバーする;(2)結晶成長中、デバイス構造全体の有効層の組成を変える;(3)結晶成長中、QW構造内の量子井戸(QW)層の厚さ及び/又は組成を変える;(4)レーザの利得曲線に渡ってエンド・ミラースペクトル感度を変える(これには、エミッタ・アレイ10に渡って異なる透過係数を持つようなエタロンを含めてもよい;及び/又は(5)温度勾配、ひいてはバンドギャップのシフトを導入するよう、アレイ10を不均一に加熱又は冷却する、である。

0030

図2は、投射ディスプレイの色チャンネル20の横断面図を示す。色チャンネル20は、帯域幅強調レーザ光源10と、以後「ハエの目」レンズとも言及され、レーザ光源10の各レージング素子201、・・・206の空間的配置と略、一致する小型レンズ221、222、・・・を持つ二次元マイクロレンズ・アレイ22と、集光レンズ24と、液晶光弁(LCD)又は変形性鏡装置DMD)の形であってもよい空間的光変調器26を備える。例えば、小型レンズ221は、集光レンズ24と共に、各レージング素子201が放出するレーザ光211を、空間的光変調器26の有効表面28、29上に結像する。同様に、小型レンズ222は、各レージング素子202の放出するレーザ光212を、有効表面28、29上に結像する、等々と続く。その結果、すべてのレージング素子201、 202、・・・のスペクトル出力が、空間的光変調器26の有効表面28、29上に重ね合わされて、投射ディスプレイの所望の帯域幅強調レーザ照射光を形成する。さらに「ハエの目」レンズの小型レンズは、円形又は楕円形の光線211、212、・・・を、変調器26の大きさ及びアスペクト比適合する略矩形形状に変換するよう、設計されている。換言するなら、「ハエの目」レンズ・アレイ及び集光レンズは、輝度の均一な矩形片の帯域幅強調光を変調器のうちの画像平面に送るのである。

0031

図3は、投射ディスプレイの別の実施例の色チャンネル30の横断面図を示す。図2の実施例と同様、レージング素子301、302、・・・のスペクトル出力は空間的光変調器26の有効表面28、29上に重ね合わされて、投射ディスプレイ用の所望の帯域強調レーザ照射光を形成する。しかし、図2の実施例とは異なり、光放出アレイ32は、赤外線スペクトル域など、RGB投射ディスプレイには適さないようなスペクトル域の光を放出する。この場合、赤外線エミッタを、上に解説した種類(例えばOPO、SHG、SFG又はこれらの組合せ)又は当業で公知の別の種類の非線形光学素子34に対合してもよく、図示の例では突き合わせ接続している。小型レンズ221、222、・・・を出る光の波長は、個々のエミッタ301、302、・・・の波長を選択したり、及び/又は、エミッタの光帯域幅全体に非線形変換モジュールを調整したりすることで、調整できよう。エミッタ301、302、・・・は、赤外光又は紫外光放出半導体レーザ・ダイオード又はファイバ・レーザであってよいであろう。あるいは、エミッタ301、302、・・・が適したR、G又はB光を放出するのであれば、光学素子34は光ファイバ又は面板などの受動的導波路であってもよいであろう。

0032

図4は、それぞれ図2及び図3を参照して上に解説した種類の三つの光源20a(又は代替的に30a)を用いたレーザ画像投射システム40を示す。システム40の例示的光源20a、20b、20cのそれぞれは、色R、G、Bの一つを生成し、光を各逆反射LCD26a、26b、26cに向けるビームスプリッタ41a、41b、41cを備える。システム40はさらに、三つの色R、G、Bを結合して単一の変調されたRGB光にするX立方体光結合器42を備え、この変調後のRGB光は、投射レンズ45を透過してディスプレイ・スクリーン(図示せず)上に投射されることとなる。

0033

帯域幅強調レーザ・アレイ(BELA)10を設計する上で重要なパラメータには、アレイ中のエミッタの数n、各エミッタの中央波長λ0i、エミッタiの中央波長λ0iと、波長の最も近いエミッタjの中央波長λ0jとの間のスペクトル分離Si、個々のエミッタの各帯域幅ΔΛi、及び、各エミッタの相対的出力Ai、がある。

0034

図5乃至図8を参照すると、帯域幅強調レーザ・アレイは、例えば、振幅の等しい五個の相互非干渉性エミッタを用いることで、実現することができる。γ>1、γ=1、γ<1、及びγ<<1の値を有する平均スペクトル重複パラメータ

を、アレイの集合波長特徴に関連づけることができる。

0035

図5に示すγ>1の一番目のシナリオでは、個々のエミッタからのスペクトルに、実質的な重複がある(図5、一番上)。その結果出来る集合スペクトルΛは、滑らかに変動する波長関数であり、個々のエミッタからのスペクトル上の特徴が実質的になくなっている(図5、一番下)。この状態は帯域幅強調には「理想的」であると考えてよい。なぜなら、その結果起きるスペクトルの平均化により、γ>>1及びnが大きいときの分布が均一と広げられ、ひいてはスペックルが抑えられるからである。

0036

γ=1である図6、γ<1である図7、及びγ<<1である図8に示すように、γが1以下である場合、各図の一番下に示す集合スペクトルΛは、極大値が、個々のエミッタの中央波長λ0iに一致するリップル関数になる。1未満の値のγは、γの値が1を越えるときより、スペックルを低減する効率が低いことが判明している。フーリエ解析を用いたシミュレーションでは、エミッタ輝度を不均一に分布させた方が、さらにより効率的にコヒーレントな干渉が抑えられて、スペックル・ノイズ全体を無くすことができることが分かる。

0037

本発明の光源は、既存の技術に比べていくつかの利点を有する。

0038

レーザ・アレイのスペクトル帯域幅を増したことによって、効率及び分極を低下させがちな付加的なデスペックリング光学素子又は技術を必要とせずに、レーザ源でス ペックルを直接消去できるため、本プロジェクタ処理量は増加している。特に、p−Si LCD及びLCoS結像器と併用すると、高い(効率*コントラスト)製品が実現できるため、特に有益である。これにより、プロジェクタの処理量が50%乃至100%増加し、それにより1ワットの入力電力当たり最高10ルーメンをスクリーンに送ることができると予測できる。

0039

平均故障間隔MTBF)で表される本システムの信頼性は、多数のアレイ素子を、それらの最大定格出力を下回る出力で作動させることで向上させることができ、それでも尚、当該用途に求められる累積RGB力を提供することができる。従って、長期的には、レーザ・アレイの呈する劣化速度は、単一の高出力レーザに比べて本質的に遅いであろうと予測できる。

0040

1−D又は2−Dアレイのエミッタを基にした発光子は、もちろん調節することもでき、超携帯用から大型のものまで、幅広いプロジェクタ種を満たすことができる。便利な出力調節は、単にアレイに用いる個々のエミッタの数及び/又は出力を工夫することで、行われる。小型の2−Dアレイを作成する上で重要な点は、可能な限り1−Dアレイを小型かつ薄くすることである。一個の1−Dアレイを、 別のものの上に積層すると、エミッタの正方形又は矩形の2−Dアレイが構成されるであろう。

0041

本発光子は簡単に製造でき、そして、今日の投射ディスプレイ製品に用いられている主要な結像プラットホームに充分な互換性がある。

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