激光光源裝置以及影像顯示裝置制造方法
【專利摘要】具備：激光光源(1)，射出激光；聚光透鏡(2)，對從激光光源(1)射出了的激光進行聚光；以及導光單元(3)，使由聚光透鏡(2)聚光了的激光傳播并射出，針對導光單元(3)的入射端面，以垂直以外的角度入射由聚光透鏡(2)聚光了的激光。
【專利說明】激光光源裝置以及影像顯示裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及在例如投影儀的照明中使用的激光光源裝置、和將從該激光光源裝置射出了的激光用作光源的影像顯示裝置。
【背景技術】
[0002]在投影儀等的照明中使用的光源中，為了實現(xiàn)均勻的圖像，要求具有均勻的角度強度分布的光源。
[0003]在影像顯示裝置將激光用作光源的情況下，由于激光的可干涉性(相干性)高，所以產(chǎn)生干涉所致的光強度的明暗的不均(斑點)。
[0004]在通過光學元件將I個激光分割之后重疊了的情況、激光由于光學元件的表面的微小的凹凸或者內(nèi)部的缺陷等散射了的情況等下，由于激光相互干涉，從而在屏幕上產(chǎn)生這樣的明暗的不均。
[0005]如果使用可干 涉性高的激光，則斑點所致的光強度的不均大到能夠通過目視明確地識別出來，畫質(zhì)大幅劣化。
[0006]作為其改善對策，開發(fā)了搭載了輸出均勻的照度分布的光束的激光光源裝置的影像顯示裝置。
[0007]圖6是示出在專利文獻I中公開的影像顯示裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0008]在該影像顯示裝置中，搭載了輸出均勻的照度分布的光束的激光光源裝置，該激光光源裝置包括:激光光源101,具有射出激光的多個發(fā)光點；聚光透鏡102,對從激光光源101中的多個發(fā)光點射出了的激光進行聚光；以及擴散元件103，配置于利用聚光透鏡102聚光的激光的聚光點附近，具有擴展激光的發(fā)散角的全息圖。
[0009]激光光源裝置的擴散元件103具有擴展各激光的發(fā)散角的擴散作用，以使得多個激光中的2個以上的激光互相重疊，多個激光互相重疊之后的光束的空間上的相干性降低，所以斑點所致的光強度的不均被減少。
[0010]【專利文獻I】日本特開2008-96777號公報(圖1)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]以往的激光光源裝置如以上那樣構(gòu)成，所以通過擴散元件103擴展激光的角度強度分布，能夠降低多個激光互相重疊之后的光束的空間上的相干性，但發(fā)生向光學系統(tǒng)的NA外擴展的激光分量，所以存在發(fā)生光損失的課題。
[0012]另外，在使用能夠?qū)崿F(xiàn)高輸出的陣列型半導體激光器、平面波導型激光器的情況下，在正交的2個方向上波束質(zhì)量不同，以使質(zhì)量差的一方的波束與光學系統(tǒng)的NA —致的方式，設計光學系統(tǒng)。因此，存在激光光源的光集中到光軸的中心附近，而難以得到均勻的角度？空間分布等課題。
[0013]本發(fā)明是為了解決上述那樣的課題而進行的，其目的在于得到一種能夠輸出均勻的強度分布的光束的激光光源裝置。[0014]另外，本發(fā)明的目的在于得到一種能夠邊抑制光學系統(tǒng)中的光損失邊輸出均勻的強度分布的光束的激光光源裝置。
[0015]進而，本發(fā)明的目的在于得到一種能夠應用上述激光光源裝置的影像顯示裝置。
[0016]本發(fā)明的激光光源裝置，具備:激光光源，射出激光；聚光透鏡，對從激光光源射出了的激光進行聚光；以及導光單元，使由聚光透鏡聚光了的激光傳播并射出，針對導光單元的入射端面，以垂直以外的角度入射由聚光透鏡聚光了的激光。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成為具備:激光光源，射出激光；聚光透鏡，對從激光光源射出了的激光進行聚光；以及導光單元，使由聚光透鏡聚光了的激光傳播而射出，針對導光單元的入射端面，以垂直以外的角度入射由聚光透鏡聚光了的激光，所以具有能夠提供從導光單元射出了的激光的強度的角度分布的均勻性提高，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的照明的照明用激光光源的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是示出本發(fā)明的實施方式I的激光光源裝置的俯視圖。
[0019]圖2是示出本發(fā)明的實施方式I的激光光源裝置的側(cè)視圖。
[0020]圖3是示出將y軸方向的激光以導光單元3的聚光半角內(nèi)的角度傾斜地入射了的情況、和將激光向?qū)Ч鈫卧?的入射端面垂直地入射了的情況下的導光單元3的入射端面的激光的強度與入射角度的關系的說明圖。
[0021]圖4是示出將y軸方向的激光以比導光單元3的聚光半角大的角度傾斜地入射了的情況、和將激光向?qū)Ч鈫卧?的入射端面垂直地入射了的情況下的導光單元3的入射端面的激光的強度與入射角度的關系的說明圖。
[0022]圖5是示出本發(fā)明的實施方式3的影像顯示裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖6是示出在專利文獻I中公開了的影像顯示裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0024]【符號說明】
[0025]1:激光光源；2:聚光透鏡；3:導光單兀；4:中繼透鏡系統(tǒng)(照明光學系統(tǒng))；5:光閥(影像顯示元件)；6:投影透鏡(投影光學系統(tǒng))；7:屏幕；101:激光光源；102:聚光透鏡；103:擴散兀件。
【具體實施方式】
[0026]實施方式1.[0027]圖1是示出本發(fā)明的實施方式I的激光光源裝置的俯視圖(在圖中從y軸方向看的俯視圖)，圖2是示出本發(fā)明的實施方式I的激光光源裝置的側(cè)視圖(在圖中從X軸方向看的俯視圖)。
[0028]在圖1以及圖2中，激光光源I是射出擴展角在正交的2個方向上不同的激光的光源。
[0029]另外，作為激光光源1，例如能夠使用多模半導體激光器、陣列型半導體激光器、波長變換型固體激光器、平面波導型激光器等用于照明中使用的一般的激光光源。
[0030]聚光透鏡2是對從激光光源I射出了的激光進行聚光的光學部件。
[0031]導光單元3是使通過聚光透鏡2聚光了的激光傳播并射出的部件，作為導光單元3，例如，使用了多模光纖、勻光桿。
[0032]另外，向?qū)Ч鈫卧?的入射端面以垂直以外的角度入射由聚光透鏡2聚光了的激光中的聚光角度小的方向的光。
[0033]接下來，說明動作。
[0034]在作為激光光源I例如使用多模半導體激光器的情況下，如果在正交的2個方向中的X軸方向上取多模的振蕩方向，則在I軸方向上得到低階模的振蕩，所以X軸方向的波束質(zhì)量變差，但y軸方向的波束質(zhì)量變好，在正交的2個方向上波束質(zhì)量不同。
[0035]另外，在作為激光光源I使用陣列型半導體激光器的情況下，如果在X軸方向上取陣列方向，則同樣地，X軸方向的波束質(zhì)量變差，但I軸方向的波束質(zhì)量變好，在正交的2個方向上波束質(zhì)量不同。
[0036]另外，在作為激光光源I使用平面波導型激光器的情況下，如果使具有波導構(gòu)造的方向取為X軸方向，使平面方向(空間傳播方向)成為y軸方向，則同樣地，X軸方向的波束質(zhì)量變差，但I軸方向的波束質(zhì)量變好，在正交的2個方向上波束質(zhì)量不同。
[0037]聚光透鏡2在激光光源I射出了激光時，對該激光進行聚光，使聚光后的激光入射到導光單元3的入射端面。
[0038]以下，設為激光光源I是多模半導體激光器，說明激光的聚光和入射的方法。
[0039]在圖1以及圖2中，設為在X軸方向上取多模半導體激光器的慢軸方向(多模的振蕩方向)，在y軸方向上取多模半導體激光器的快軸方向(單模的振蕩方向)。
[0040]在該情況下，關于X軸方向，發(fā)射極寬度一般是幾百ym?幾mm，激光光源I的射出光的發(fā)散角一般是小于(全角)10°左右。
[0041 ] 另外，關于X軸方向，由于是多模振蕩，所以波束質(zhì)量差。因此，通過聚光透鏡2聚光的X軸方向的聚光半角Θ 2的聚光NA大,填滿導光單兀3的容許入射角大半。
[0042]另一方面，關于y軸方向，發(fā)射極寬度(活性層厚度)是nm等級，激光光源I的射出光的發(fā)散角一般是(全角)30°左右。
[0043]因此，在構(gòu)成了聚光透鏡2的多個透鏡中，通過在緊接著激光光源I之后配置的柱透鏡進行激光的準直化。
[0044]另外，關于y軸方向，由于是單模振蕩，所以波束質(zhì)量良好、聚光NA小，所以y方向的聚光半角Q1變小。
[0045]因此，對從激光光源I射出了的激光進行聚光而使該激光入射到導光單元3的入射端面的聚光透鏡2包括:柱透鏡(例如xy非對稱透鏡)，在y軸方向上對激光進行準直化；以及凸透鏡的中繼透鏡系統(tǒng)，針對通過該柱透鏡進行了準直化的激光中的X軸方向的波束徑和I方向的波束徑進行聚光為相同的程度，使聚光后的激光入射到導光單元3的入射端面。
[0046]如上所述，關于X軸方向，波束質(zhì)量差，關于y軸方向，波束質(zhì)量好，所以在使用凸透鏡針對X軸方向的波束徑和y方向的波束徑進行聚光為相同的程度而使其入射到導光單元3的入射端面的情況下，能夠僅減小I軸方向的聚光NA。
[0047]因此，關于y軸方向，通過使激光光源I的發(fā)光點的中心軸、或者聚光透鏡2的柱透鏡的中心軸成為與導光單元3的中心軸上不同的位置，能夠以導光單元3的聚光半角內(nèi)的角度傾斜地入射I軸方向的激光。[0048]通過以導光單元3的聚光半角內(nèi)的角度傾斜地入射I軸方向的激光，能夠得到以下所示那樣的效果。
[0049]圖3是示出將y軸方向的激光以導光單元3的聚光半角內(nèi)的角度傾斜地入射了的情況、和將激光向?qū)Ч鈫卧?的入射端面垂直(與導光單元3的z軸方向的中心軸平行)地入射了的情況下的導光單元3的入射端面的激光的強度與入射角度的關系(以后稱為“光的角度強度分布”)的說明圖。其中，將與導光單元3的z軸方向的中心軸平行的方向設為
0° 0
[0050]在向?qū)Ч鈫卧?的入射端面垂直地入射激光的情況下，y軸方向的波束質(zhì)量好，所以如圖3所示，關于激光的角度強度分布，中心附近(角度0°附近)的強度變強。
[0051]因此，在向?qū)Ч鈫卧?的入射端面垂直地入射激光的情況下，關于y軸方向，難以得到均勻的分布。
[0052]另外，在導光單元3內(nèi)，保持入射時的角度強度分布地傳播光，所以關于導光單元3的射出端面中的角度強度分布，也是中心附近的強度變強。
[0053]因此，在向?qū)Ч鈫卧?的入射端面垂直地入射激光的情況下，激光光源裝置的射出光的y軸方向的角度強度分布集中到中心附近，均勻的照明困難。
[0054]另一方面，在以垂直以外的角度傾斜地入射y軸方向的激光的情況下，相比于垂直地入射的情況，從導光單元3觀察的入射角度大的光線增加。
[0055]如上所述，在導光單元3內(nèi)，保持入射時的角度強度分布來傳播光，所以關于導光單元3的射出端面中的角度強度分布，也是射出角大的光線的強度增加。
[0056]這樣，在以垂直以外的角度傾斜地入射y軸方向的激光的情況下，射出角大的光線的強度增加，所以能夠抑制光學系統(tǒng)中的光損失、且提高照明的均勻性。
[0057]但是，從I個發(fā)光點射出了的激光的可干涉性高，由于微小的光學元件的缺陷、凹凸而發(fā)生干涉不均(斑點)。
[0058]在向?qū)Ч鈫卧?的入射端面垂直地入射激光的情況下，關于波束質(zhì)量好的方向(在圖中y軸方向)的激光的角度強度分布，光集中到中心附近，所以斑點的發(fā)生顯著。
[0059]另一方面，在以垂直以外的角度傾斜地入射y軸方向的激光的情況下，相比于垂直地入射的情況，射出角大的光線的強度增加，所以以不同的入射角度入射到屏幕(參照圖5)的激光發(fā)生的斑點圖案不同。因此，斑點圖案相互抵消而斑點被減少。
[0060]因此，角度強度分布的均勻性越良好，越能夠減少斑點。
[0061]在以上的說明中，示出激光光源I射出擴展角在正交的2個方向上不同的激光，由聚光透鏡2聚光了的激光中的聚光角度小的方向的光以垂直以外的角度入射到導光單元3的入射端面的情況的效果，但關于該效果，很顯然即使在使用擴展角在全部方位中相等且對稱地射出激光的激光光源的情況下，在激光以垂直以外的角度入射到導光單元3的入射端面的情況下，也能得到同樣的效果。
[0062]另外，在該實施方式I中，僅關于波束質(zhì)量好的方向(在圖中y軸方向)，以垂直以外的角度傾斜地入射激光，所以導光單元3的入射端面中的反射光不會返回到激光光源I的發(fā)光點。因此，能夠抑制光源故障等不穩(wěn)定性。
[0063]在該實施方式I中，如上所述，作為導光單元3使用多模光纖、勻光桿等。
[0064]在作為導光單元3例如使用多模光纖的情況下，通過聚光透鏡2聚光而入射到多模光纖內(nèi)的激光邊反復全反射邊在多模光纖內(nèi)傳播。
[0065]此處，在直線狀地設置了光纖的情況下，在光纖傳播過程中，角度強度分布被保存。
[0066]但是，一般任意地彎曲設置光纖的情況較多。當光在彎曲了的光纖內(nèi)傳播的情況下，光纖的內(nèi)面的全反射面并非平面，所以在入射時和射出時，角度強度分布未被完全保存。
[0067]但是，多模光纖的直徑粗，所以彎曲所致的角度強度分布的變化未必大。因此，SP使在任意地彎曲設置多模光纖的情況下，從多模光纖射出了的激光的角度強度分布大致保存入射時的角度強度分布。
[0068]因此，在作為導光單元3使用多模光纖的情況下，得到角度強度分布的均勻性高的照明用的激光光源。
[0069]另外，當使激光在光纖中傳播的情況下，激光的波面紊亂，所以能夠進一步提高斑點的減少效果。
[0070]另外，在作為導光單元3使用勻光桿的情況下，由聚光透鏡2聚光了的激光入射到用玻璃制作了的四角柱狀的透鏡(棒形透鏡)中，邊在棒形透鏡的內(nèi)部反復全反射邊進行傳播。
[0071]因此，在作為導光 單元3使用勻光桿的情況下，在入射時和射出時保存角度強度分布，但在棒形透鏡的出口中得到照度分布變得均勻的效果，所以能夠進一步提高照明的均勻性。
[0072]另外，通過棒形透鏡的出口中的照度分布的均勻化效果，能夠進一步提高斑點減少效果。
[0073]在該實施方式I中，不出了作為導光單兀3使用多模光纖、勻光桿的例子,但不限于此，只要是能夠保存入射時的角度強度分布而使光傳播的導光單元，則可以是任意的結(jié)構(gòu)。
[0074]實施方式2.[0075]在上述實施方式I中，示出了關于y軸方向通過使激光光源I的發(fā)光點的中心軸、或者聚光透鏡2的柱透鏡中心軸設為與導光單元3的中心軸上不同的位置，從而以導光單元3的聚光半角內(nèi)的角度傾斜地入射I軸方向的激光的例子，但也可以以比導光單元3的聚光半角大的角度傾斜地入射y軸方向的激光。
[0076]圖4是示出將y軸方向的激光以比導光單元3的聚光半角大的角度傾斜地入射了的情況、和將激光向?qū)Ч鈫卧?的入射端面垂直地入射了的情況下的導光單元3的入射端面的激光的強度與入射角度的關系的說明圖。其中，將與導光單元3的z軸方向的中心軸平行的方向設為O°。
[0077]在作為導光單元3使用勻光桿的情況下，如果激光相對勻光桿的入射端面的入射角度是G1以上，則在勻光桿內(nèi)激光反復全反射的過程中，射出角度大的分量增加，勻光桿的射出端面中的角度強度分布成為如圖4所示那樣射出角大的光線的強度增加的分布。
[0078]因此，如果以比導光單元3的聚光半角大的角度傾斜地入射激光，則能夠增大射出角大的光線的強度，所以能夠邊抑制光學系統(tǒng)中的光損失邊改善照明的均勻性。
[0079]如上所述，以不同的入射角度入射到屏幕(參照圖5)的激光發(fā)生的斑點圖案不同，所以斑點圖案相互抵消而斑點被減少。
[0080]在該實施方式2中，能夠增加入射角度大的分量的光量，所以能夠比上述實施方式I進一步提聞斑點的減少效果。
[0081]在作為導光單元3使用勻光桿的情況下，在棒形透鏡的出口中，得到照度分布變得均勻的效果，所以能夠進一步提高斑點的減少效果。
[0082]在作為導光單元3使用多模光纖的情況下，如果設激光相對多模光纖的入射角度是G1以上，則在多模光纖內(nèi)，激勵高階模，所以成為I階高斯分布波束模式那樣的角度分布，射出角度大的分量增加。
[0083]如上所述，光纖在傳播過程中，保存角度強度分布，所以多模光纖的射出端面中的角度分布成為如圖4所示那樣射出角大的光線的強度增加的分布。
[0084]因此，即使在作為導光單元3使用多模光纖的情況下，在導光單元3的射出端面中成為射出角度大的光線的強度增加的分布的情形也與作為導光單元3使用勻光桿的情況相同。
[0085]另外，當使激光在光纖中傳播的情況下，激光的波面紊亂，所以能夠進一步提高斑點減少效果。
[0086]在以上的說明中，示出激光光源I射出擴展角在正交的2個方向上不同的激光，由聚光透鏡2聚光了的激光中的聚光角度小的方向的光以比導光單元3的聚光半角大的角度入射到導光單元3的入射端面的情況的效果，但關于該效果，很顯然即使在使用擴展角在全部方位中相等且對稱地射出激光的激光光源的情況下，在激光以比導光單元3的聚光半角大的角度入射到導光單元3的入射端面的情況下，也能得到同樣的效果。
[0087]另外，在該實施方式2中，僅關于波束質(zhì)量好的方向(在圖中y軸方向)，以比導光單元3的聚光半角大的角度傾斜地入射激光，所以導光單元3的入射端面中的反射光不會返回到激光光源I的發(fā)光點。因此，能夠抑制光源故障等不穩(wěn)定性。
[0088]另外，在作為導光單元3使用光纖的情況下，發(fā)生光纖所致的均勻化的效果，所以不是一定限于成為角度0°附近的強度變?nèi)醯慕嵌葟姸确植夹螤?圖4所示的角度強度分布的形狀)，還有成為圖3那樣的形狀的情況。
[0089]很顯然即使在該情況下也能夠與上述實施方式I的情況同樣地得到照明用光源的角度分布均勻化效果以及斑點減少效果。
[0090]在該實施方式2中，上述以外的效果與上述實施方式I的情況相同。
[0091]實施方式3.[0092]圖5是示出本發(fā)明的實施方式3的影像顯示裝置的結(jié)構(gòu)圖，在圖中，與圖1相同的符號表示同一或者相當部分，所以省略說明。
[0093]中繼透鏡系統(tǒng)4是使從激光光源裝置的導光單元3射出了的激光通過，將該激光照射到光閥5的照明光學系統(tǒng)。
[0094]光閥5是根據(jù)被輸入的影像信號，針對由中繼透鏡系統(tǒng)4照射了的激光在空間上進行調(diào)制的影像顯示元件。
[0095]投影透鏡6是將通過光閥5調(diào)制了的激光投影到屏幕7的投影光學系統(tǒng)。
[0096]在圖5中，示出了對通過中繼透鏡系統(tǒng)4照射了的激光在空間上進行調(diào)制的光閥5是反射型的光閥的例子，但也可以使用透射型的光閥。[0097]另外，中繼透鏡系統(tǒng)4、光閥5、投影透鏡6以及屏幕7的結(jié)構(gòu)以及配置不限于圖5的例子。
[0098]另外，在影像顯示裝置是背面投影型的影像顯示裝置的情況下，屏幕7也成為影像顯示裝置的構(gòu)成要素。
[0099]不論在作為激光光源裝置的導光單元3使用勻光桿的情況下，還是在作為導光單元3使用多模光纖的情況下，都同樣地從導光單元3射出了的激光保持角度強度分布的同時經(jīng)由中繼透鏡系統(tǒng)4、光閥5以及投影透鏡6到達屏幕7，所以相對屏幕7的入射角度大的分量的強度變大，所以對斑點的減少是有效的。
[0100]因此，作為該實施方式3的影像顯示裝置，相比于使用上述實施方式I的激光光源裝置的情況，在使用上述實施方式2的激光光源裝置的情況下能夠進一步提高斑點的減少效果。
[0101]另外，本申請發(fā)明能夠在該發(fā)明的范圍內(nèi)，實現(xiàn)各實施方式的自由的組合、或者各實施方式的任意的構(gòu)成要素的變形、或者在各實施方式中任意的構(gòu)成要素的省略。
[0102]【產(chǎn)業(yè)上的可 利用性】
[0103]本發(fā)明的激光光源裝置適用于需要減少斑點所致的光強度的不均、抑制畫質(zhì)的劣化的影像顯示裝置。
【權(quán)利要求】
1.一種激光光源裝置，其特征在于，具備: 激光光源，射出激光； 聚光透鏡，對從所述激光光源射出了的激光進行聚光；以及 導光單元，使由所述聚光透鏡聚光了的激光傳播并射出， 針對所述導光單元的入射端面，以垂直以外的角度入射由所述聚光透鏡聚光了的激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光源裝置，其特征在于， 針對導光單元的入射端面，以比所述激光的聚光半角大的角度入射由聚光透鏡聚光了的激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光源裝置，其特征在于， 從激光光源射出的激光是在正交的2個方向上擴展角不同的激光， 針對導光單元的入射端面，以垂直以外的角度入射由聚光透鏡聚光了的激光中的聚光角度小的方向的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光光源裝置，其特征在于， 針對導光單元的入射端面，以比所述激光的聚光半角大的角度入射由聚光透鏡聚光了的激光中的聚光角度小的方向的光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光源裝置，其特征在于， 作為導光單元，使用了勻光桿。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光源裝置，其特征在于， 作為導光單元，使用了多模光纖。
7.一種影像顯示裝置，其特征在于，具備: 權(quán)利要求1所述的激光光源裝置； 照明光學系統(tǒng)，照射從所述激光光源裝置的導光單元射出了的激光； 影像顯示元件，根據(jù)被輸入的影像信號，對通過所述照明光學系統(tǒng)照射了的激光在空間上進行調(diào)制；以及 投影光學系統(tǒng)，將通過所述影像顯示元件調(diào)制了的激光投影到屏幕。
【文檔編號】G03B21/14GK103988125SQ201180075410
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月12日
【發(fā)明者】宮本紀之, 柳澤隆行, 山本修平, 矢部實透, 井上陽子 申請人:三菱電機株式會社