(57)【要約】  レーザービームプロジェクタは、複数の赤外レーザービームを放出する半導体レーザー基本構造(20)、及び、複数の赤外レーザービームを周波数変換した複数の基本色レーザービームを放出する周波数変換器(30)を有するライトエンジンを用いる。ここで各基本色レーザービームは、人間の目の最大感度に対応する基本色波長を有する。当該レーザービームプロジェクタは、複数の基本色レーザービームを混合して投影レーザービームを放出するように操作できるレーザービーム混合器(40)をさらに用いる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外レーザービームを放出するように動作可能な半導体レーザー基本構造；及び
前記半導体レーザー基本構造と光をやり取りするように動作可能で、かつ前記赤外レーザービームを周波数変換した基本色レーザービームを放出する周波数変換器；
を有するレーザービームプロジェクタ用のライトエンジンであって、
前記基本色レーザービームは人間の目の最大感度に対応する基本色波長を有する、
ライトエンジン。
【請求項２】
前記基本色レーザービームは、前記最大感度に対応する赤色波長を有する赤色レーザービームである、請求項1に記載のライトエンジン。
【請求項３】
前記赤色波長は約620nmである、請求項2に記載のライトエンジン。
【請求項４】
前記基本色レーザービームは、前記最大感度に対応する緑色波長を有する緑色レーザービームである、請求項1に記載のライトエンジン。
【請求項５】
前記緑色波長は約530nmである、請求項4に記載のライトエンジン。
【請求項６】
前記基本色レーザービームは、前記最大感度に対応する青色波長を有する青色レーザービームである、請求項1に記載のライトエンジン。
【請求項７】
前記緑色波長は約440nmである、請求項6に記載のライトエンジン。
【請求項８】
前記半導体レーザー基本構造は、前記赤外レーザービームを放出するように動作可能な垂直共振器面発光レーザーを有する、請求項1に記載のライトエンジン。
【請求項９】
前記周波数変換器が、前記半導体レーザー基本構造と光をやり取りして、前記赤外レーザービームの周波数を2倍にする光導波路を有する、請求項1に記載のライトエンジン。
【請求項１０】
前記半導体レーザー基本構造が、前記赤外レーザービームを放出するように動作可能な垂直共振器面発光レーザーを有し、かつ
前記周波数変換器が、前記半導体レーザー基本構造と光をやり取りして、前記赤外レーザービームの周波数を2倍にする光導波路を有する、
請求項1に記載のライトエンジン。
【請求項１１】
複数の赤外レーザービームを放出するように動作可能な半導体レーザー基本構造、及び、
前記複数の赤外レーザービームを周波数変換した複数の基本色レーザービームを放出するように動作可能な周波数変換器、
を有するライトエンジン；並びに
前記周波数変換器と光をやり取りし、かつ前記複数の基本色レーザービームを混合して投影レーザービームを放出するように動作可能な光ビーム混合器；
を有するレーザービームプロジェクタであって、
各基本色レーザービームは、人間の目の最大感度に対応する基本色波長を有する、
レーザービームプロジェクタ。
【請求項１２】
前記基本色レーザービームの少なくとも1つは、前記最大感度に対応する赤色波長を有する赤色レーザービームである、請求項11に記載のレーザービームプロジェクタ。
【請求項１３】
前記赤色波長は約620nmである、請求項12に記載のレーザービームプロジェクタ。
【請求項１４】
前記基本色レーザービームの少なくとも1つは、前記最大感度に対応する緑色波長を有する緑色レーザービームである、請求項11に記載のレーザービームプロジェクタ。
【請求項１５】
前記緑色波長は約530nmである、請求項14に記載のレーザービームプロジェクタ。
【請求項１６】
前記基本色レーザービームの少なくとも1つは、前記最大感度に対応する青色波長を有する青色レーザービームである、請求項11に記載のレーザービームプロジェクタ。
【請求項１７】
前記緑色波長は約440nmである、請求項16に記載のレーザービームプロジェクタ。
【請求項１８】
前記半導体レーザー基本構造は、前記赤外レーザービームを放出するように動作可能な垂直共振器面発光レーザーを有する、請求項11に記載のレーザービームプロジェクタ。
【請求項１９】
前記周波数変換器が、前記半導体レーザー基本構造と光をやり取りして、前記赤外レーザービームの周波数を2倍にする光導波路を有する、請求項11に記載のレーザービームプロジェクタ。
【請求項２０】
前記半導体レーザー基本構造が、前記赤外レーザービームを放出するように動作可能な垂直共振器面発光レーザーを有し、かつ
前記周波数変換器が、前記半導体レーザー基本構造と光をやり取りして、前記赤外レーザービームの周波数を2倍にする光導波路を有する、
請求項11に記載のレーザービームプロジェクタ。
【請求項２１】
前記基本色レーザービーム混合器が複数のプリズムを有し、
該複数のプリズムは、前記基本色レーザービームを混合するように光学的に位置合わせされている、
請求項11に記載のレーザービームプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、放射線安全法規及び規制に従って設計された携帯小型レーザープロジェクタ（つまりピコビーム発生装置）に関する。本発明は具体的には、携帯小型レーザープロジェクタの各基本色の最適色が得られるように設計された半導体レーザー基本構造（たとえば垂直共振器面発光レーザー基本構造）の周波数変換に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型携帯レーザープロジェクタは、赤、緑、及び青を含む3原色の組を用いる。これらの基本色は、人間の目が明るい像を見るのに十分な色覚を同時に生成するために、広い色範囲を網羅する必要がある。このため、基本色の色波長は、図1で図示されているように人間の目の最大感度に対応しなければならない。それに加えて、たとえば図2に図示されているように、大面積の色空間が走査されなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
現在、半導体型レーザーの形態をとるコンパクトレーザー、光記憶用レーザー、及び高出力レーザーは、非常に高価かつ複雑で、ディスプレイ用途に適した色波長を有していない。本発明は、携帯小型レーザープロジェクタの各基本色にとっての最適色が得られるように設計された半導体レーザー基本構造（たとえば垂直共振器面発光レーザー基本構造）の周波数変換を供することによって、これらの問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第1形態では、ライトエンジンは、半導体レーザー基本構造及び周波数変換器を有する。動作時には、半導体レーザー基本構造は赤外レーザービームを放出し、周波数変換器はその赤外レーザービームを周波数変換した基本色レーザービームを放出する。ここで基本色レーザービームは人間の目の最大感度に対応する基本色波長を有する。
【０００５】
本発明の第2形態では、レーザービームプロジェクタは、半導体レーザー基本構造及び周波数変換器を有するライトエンジン、並びに光ビーム混合器を有する。動作時には、半導体レーザー基本構造は複数の赤外レーザービームを放出する。周波数変換器は、複数の赤外レーザービームを周波数変換した複数の基本色レーザービームを放出する。各基本色レーザービームは、人間の目の最大感度に対応する基本色波長を有する。レーザービーム混合器は、複数の基本色レーザービームを混合して投影レーザービームを放出する。
【０００６】
本発明の前述した形態及び他の形態、並びに本発明の様々な特徴及び利点は、本発明の様々な実施例についての以降の詳細な説明を添付の図面と共に読むことでさらに明らかとなる。詳細な説明及び図面は、本発明を限定するものではなく本発明の単なる例示に過ぎない。本発明の技術的範囲は、「特許請求の範囲」の請求項及びその均等物によって定義される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図3に図示された本発明のレーザービームプロジェクタは、複数の赤外レーザービームを放出する半導体レーザー基本構造20、及び、複数の赤外レーザービームを周波数変換した複数の基本色レーザービームを放出する周波数変換器30を有するライトエンジン、並びに、レーザービーム混合器40を用いる。動作時には、半導体レーザー基本構造20は赤外レーザービームIRRを放出する。周波数変換器30は赤外レーザービームIRRを周波数変換した赤色レーザービームRLBを放出する。ここで赤色レーザービームRLBは人間の目の最大感度に対応する赤色波長（たとえば約630nm）を有する。一の実施例では、半導体レーザー基本構造20は、赤色レーザービームRLBの周波数の半分で赤外レーザービームIRRを放出する。周波数変換器30は、赤外レーザービームIRRの周波数変換を2倍にすることで、人間の目の最大感度に対応する赤色波長を有する赤色レーザービームRLBを放出する。
【０００８】
半導体レーザー基本構造20は赤外レーザービームIRGを放出する。周波数変換器30は赤外レーザービームIRGを周波数変換した緑色レーザービームGLBを放出する。ここで緑色レーザービームGLBは人間の目の最大感度に対応する緑色波長（たとえば約530nm）を有する。一の実施例では、半導体レーザー基本構造20は、緑色レーザービームGLBの周波数の半分で赤外レーザービームIRGを放出する。周波数変換器30は、赤外レーザービームIRGの周波数変換を2倍にすることで、人間の目の最大感度に対応する緑色波長を有する緑色レーザービームGLBを放出する。
【０００９】
半導体レーザー基本構造20は赤外レーザービームIRBを放出する。周波数変換器30は赤外レーザービームIRBを周波数変換した青色レーザービームBLBを放出する。ここで青色レーザービームBLBは人間の目の最大感度に対応する青色波長（たとえば約440nm）を有する。一の実施例では、半導体レーザー基本構造20は、青色レーザービームBLBの周波数の半分で赤外レーザービームIRBを放出する。周波数変換器30は、赤外レーザービームIRBの周波数変換を2倍にすることで、人間の目の最大感度に対応する青色波長を有する青色レーザービームBLBを放出する。
【００１０】
レーザービーム混合器30は、赤色レーザービームRLB、緑色レーザービームGLB、及び青色レーザービームBLBを混合して投影レーザービーム（たとえば白色レーザービーム）PLBを放出する。
【００１１】
図4は、3つの赤外VCSEL21を有する半導体レーザー基本構造20（図3）に係る一の実施例、3つのミラー31及び3つの光導波路32（たとえば周期反転分極したニオブ酸リチウム周波数逓倍結晶）を有する周波数変換器30（図3）に係る一の実施例、並びに、ミラー41（たとえば体積ブラッグ回折格子）、3つのプリズム42、及び遮蔽ガラス43を有するレーザービーム混合器40に係る一の実施例を図示している。
【００１２】
動作時には、赤外VCSEL21(R)は赤外レーザービームIRRを放出する。ここで赤外レーザービームIRRの周波数が2倍となった際の波長は、人間の目の最大感度に対応する赤色波長（たとえば約630nm）を有する。この目的のため、赤外レーザービームIRRは、ミラー31(R)によって任意に偏光され、その後光導波路32(R)によって周波数が2倍されることで、人間の目の最大感度に対応する赤色波長を有する赤色レーザービームRLBが発生する。
【００１３】
赤外VCSEL21(G)は赤外レーザービームIRGを放出する。ここで赤外レーザービームIRGの周波数が2倍となった際の波長は、人間の目の最大感度に対応する緑色波長（たとえば約530nm）を有する。この目的のため、赤外レーザービームIRGは、ミラー31(G)によって任意に偏光され、その後光導波路32(G)によって周波数が2倍されることで、人間の目の最大感度に対応する緑色波長を有する緑色レーザービームGLBが発生する。
【００１４】
赤外VCSEL21(B)は赤外レーザービームIRBを放出する。ここで赤外レーザービームIRBの周波数が2倍となった際の波長は、人間の目の最大感度に対応する青色波長（たとえば約440nm）を有する。この目的のため、赤外レーザービームIRBは、ミラー31(B)によって任意に偏光され、その後光導波路32(B)によって周波数が2倍されることで、人間の目の最大感度に対応する青色波長を有する青色レーザービームBLBが発生する。
【００１５】
プリズム42(R)は、赤色レーザービームRLBをプリズム42(G)の方向に曲げる。プリズム42(G)は赤色レーザービームRLBを受け取り、かつ緑色レーザービームGLBをプリズム42(B)の方向に曲げて、黄色レーザービームYLBが得られる。黄色レーザービームYLBはプリズム42(B)によって受け取られる。プリズム42(B)は、青色レーザービームBLBを曲げて、白色レーザービームWLBである投影ビームが得られる。
【００１６】
一の実施例では、図4に図示されたレーザービームプロジェクタは、たとえば当技術分野において知られているシステム・イン・パッケージのような現在のパッケージング方法によってパッケージングされて良い。
【００１７】
以下の表1は、数種類の青色波長及び電源プラグの効率が10%の場合についての、40ルーメンのバランスのとれた白色光(D65)に必要なVCSELレーザー出力の典型的な計算結果を列挙している。
【表１】
2009520235.tif 000003
表1から、理論的にはワットあたり約27ルーメンのシステム効率が実現可能である（ただし光学損失は無視する）。これは、実際に40ルーメンの白色出力に必要な全電力（たとえばバッテリー）は、典型的には2ワットであることを示唆している。
【００１８】
以下の表2は、数種類の青色波長及び電源プラグの効率が20%の場合についての、40ルーメンのバランスのとれた白色光(D65)に必要なVCSELレーザー出力の典型的な計算結果を列挙している。
【表２】
2009520235.tif 000004
表2から、理論的にはワットあたり約54ルーメンのシステム効率が実現可能である（ただし光学損失は無視する）。これは、実際に40ルーメンの白色出力に必要な全電力（たとえばバッテリー）は、典型的には1ワットであることを示唆している。
【００１９】
以下の表3は、数種類の青色波長及び電源プラグの効率が20%の場合についての、40ルーメンのバランスのとれた白色光(D65)に必要なVCSELレーザー出力の典型的な計算結果を列挙している。
【表３】
2009520235.tif 000005
表3から、理論的にはワットあたり約80ルーメンのシステム効率が実現可能である（ただし光学損失は無視する）。これは、実際に40ルーメンの白色出力に必要な全電力（たとえばバッテリー）は、典型的には146ミリワットであることを示唆している。
【００２０】
各色あたり予想されるWPEが30%であれば、周波数が2倍になった本発明のVCSEL技術は、ワットあたり約88ルーメンを実現する。この値はバッテリーで動作する装置にとって興味深い数値である。光学系の効率が80%である場合（この数値はMEMSスキャナを用いた小型ビーム発生装置にとっては悲観的な推定値である）、スクリーン上での80ルーメンの光出力は、大雑把には340mWに達する。この値はこれらの“最適色”を用いない既存のレーザー技術よりもはるかに低い。バッテリーの電力消費は典型的には1.5Wである。許容損失はあまりに小さいので、レーザーの能動的冷却は必要ない。
【００２１】
図3及び図4を参照すると、当業者は、他のマイクロレーザー技術によって生成可能な基本色の不具合に対する解決法の提供を含む、本発明の多数の利点を理解するだろう。上記の不具合には、電力消費及び光の安全性の観点から見て最適なライトエンジンを作成するための、目の感度及び色空間が含まれるが、その本発明の多数の利点はこれらに限定されるわけではない。特に本発明は、1つのVCSELレーザー技術基本構造を用いて、ピコビーム発生装置の各基本色の“最適色”を得る。最適色とは、青色については約440nm、緑色については約540nm、及び赤色については約630nmである。これらは色三角形と良く一致する。つまり人間の目の色感度が高く、かつ光照射量が最低である。これらの基本色によって生成可能な色空間は、当然ほとんどの色に対応し、かつピコビーム発生装置について予想された携帯用途にとって十分とされる程度よりも良好である。従って最小の照射負荷で良好に色が再現される。それに加えて、VCSELに基づく構造の電源プラグ効率が、将来20-30%に到達することが予想される。この値は従来のレーザーよりもはるかに良好な値である。従来のレーザーは、色に依存するが、WPE範囲で5-15%である。このことは、VCSELに基づく本発明のRGB光源の電力消費が、従来のレーザー光源を用いるよりも2倍又は3倍小さくなることを意味している。
【００２２】
本明細書で開示されている本発明の実施例が現時点で好適と思われるとしても、本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなく様々な変化型及び修正型が実現可能である。本発明の技術的範囲は「特許請求の範囲」の請求項に示されている。均等物の意味及び範囲内に属する全ての変化型は、本発明に含まれるものと解される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】当技術分野で知られた基本色である赤、緑、及び青についての人間の目の最大感度を図示している。
【図２】当技術分野で知られた典型的なCIE色度図を示している。その図は、本発明によるレーザービームプロジェクタが含む色三角形を表している。
【図３】本発明によるレーザービームプロジェクタの一実施例に係るブロック図を示している。
【図４】本発明による図3に図示されたレーザービームプロジェクタの典型的実施例に係るブロック図を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年6月23日(2008.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
以下の表3は、数種類の青色波長及び電源プラグの効率が30%の場合についての、100ルーメンのバランスのとれた白色光(D65)に必要なVCSELレーザー出力の典型的な計算結果を列挙している。
【国際調査報告】
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