(57)【要約】      （修正有）【課題】マルチモード干渉を利用して可視光の３波長を合波する光合波器と、その光合波器を利用した画像投影装置を提供する。【解決手段】第１マルチモード合波部１１０は、第１入射口１０１から入射した第１可視光と、第２入射口１０２から入射した第２可視光とを、マルチモード伝搬させることでモード干渉によって合波する。第２マルチモード合波部１２０は、第１可視光と第２可視光とが合波された第１波長多重光と、第３入射口１０４から入射した第３可視光とを、マルチモード伝搬させることでモード干渉によって合波する。ここで、前記第１波長と前記第２波長との間の波長間隔よりも、前記第２波長と前記第３波長の間の波長間隔の方が長い。そして、光の伝搬方向における第１マルチモード合波部の長さは、第２マルチモード合波部の前記伝搬方向における長さよりも長い。【選択図】図１
2012048071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状の基板の上に設けられ、第１波長を有する第１可視光と、前記第１波長よりも長波長である第２波長を有する第２可視光と、前記第２波長よりも長波長である第３波長を有し、前記第１波長と前記第２波長との間の波長間隔よりも前記第２波長と前記第３波長の間の波長間隔の方が長い第３可視光とを、前記基板に平行な伝搬方向に沿って伝搬させ、前記第１可視光と前記第２可視光と前記第３可視光とを波長多重された状態で出射する光合波器であって、
前記第１可視光と前記第２可視光とがマルチモード伝搬することで、モード干渉によって前記第１可視光と前記第２可視光とを合波する第１マルチモード合波部と、
前記第１マルチモード合波部の前記伝搬方向における一端に接続され、前記第１可視光が入射する第１入射口と、
前記第１マルチモード合波部の前記伝搬方向における一端であって、前記第１出射口と異なる位置に接続され、前記第２可視光が入射する第２入射口と、
前記第１マルチモード合波部の前記伝搬方向における他端であって、前記第１可視光の強度と前記第２可視光の強度とが共に大となる位置にその一端が接続され、前記第１可視光と前記第２可視光とが合波された第１波長多重光を出射する第１出射口と、
前記第１出射口の他端が前記伝搬方向の一端に接続され、前記第１波長多重光と前記第３可視光とがマルチモード伝搬することで、モード干渉によって前記第１波長多重光と前記第３可視光とを合波する第２マルチモード合波部と、
前記第２マルチモード合波部の前記伝搬方向における一端であって、前記第１出射口とは異なる位置に接続され、前記第３可視光が入射する第３入射口と、
前記第２マルチモード合波部の前記伝搬方向における他端であって、前記第１波長多重光の強度と前記第３可視光の強度とが共に大となる位置に接続され、前記第１波長多重光と前記第３可視光とが合波された第２波長多重光を出射する第２出射口とを備え、
前記第１マルチモード合波部及び前記第２マルチモード合波部は、前記伝搬方向における前記第１マルチモード合波部の長さである第１長さが、前記第２マルチモード合波部の前記伝搬方向における長さである第２長さよりも長くなるように構成される、
ことを特徴とする光合波器。
【請求項２】
前記第１マルチモード合波部及び前記第２マルチモード合波部は、前記第１長さと前記第２長さとの比が、前記第１波長と前記第２波長との波長間隔と、前記第１波長多重光と前記第３波長との波長間隔との比の逆数となるように構成される、
請求項１に記載の光合波器。
【請求項３】
前記光合波器は、
その一方の面が前記基板に接触する第１クラッド層と、
その一方の面が前記第１クラッド層の他方の面に接触し、光が伝搬するコア層と、
を有する、
請求項１又は２に記載の光合波器。
【請求項４】
前記光合波器はさらに、
その一方の面が前記コア層の他方の面に接触する第２クラッド層を有する、
請求項３に記載の光合波器。
【請求項５】
前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層は、前記基板を構成する材質と同一の材料で構成される、
請求項４に記載の光合波器。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の光合波器と、
前記光合波器の第１入射口に対して、前記第１可視光を出射する第１光源と、
前記光合波器の第２入射口に対して、前記第２可視光を出射する第２光源と、
前記光合波器の第３入射口に対して、前記第３可視光を出射する第３光源と、
前記光合波器から出射された前記第２波長多重光を二次元的に走査して画像を形成し、走査された前記第２波長多重光を被投影面に投影する画像形成部とを備える、
ことを特徴する画像投影装置。
【請求項７】
前記画像形成部は、
前記光合波器から出射された前記第２波長多重光を二次元的に走査して画像を形成する光スキャナと、
前記光スキャナによって走査された前記第２波長多重光を、前記被投影面としての使用者の網膜に導く導光光学系とを有する、
ことを特徴する請求項６に記載の画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる波長の光を合波する光合波器と、その光合波器を利用した画像投影装置とに関する。より詳細には、マルチモード干渉（ＭｕｌｔｉＭｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：以下、ＭＭＩと省略）を利用し、可視光の３波長を合波するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、二次元的に走査された光をユーザの網膜に結像することで、使用者に画像を視認させる網膜走査ディスプレイが知られている。網膜走査ディスプレイにおいては、一般的に、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各色に対応するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）などの光源から出射される３色の可視光が、１つの光軸上に合波される。合波された３色の可視光は、画像表示部に伝送される。画像表示部は、伝送された光を二次元的に走査して、使用者の瞳孔に入射する。この入射光が使用者の網膜上に結像することで、使用者は画像を視認する。例えば、特許文献１では、３つのダイクロイックミラーを使用することで、３色の可視光が合波される。
【０００３】
また、特許文献２には、異なる２波長の赤外線を結合する光学結合デバイスが開示される。この光学結合デバイスでは、ＭＭＩ導波路にこれらの赤外線が入射する。そして、ＭＭＩ導波路において、これらの赤外線のパワーが互いに大きくなる位置が、出力導波路の配置場所として選択される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−９３９４５号公報
【特許文献２】特開２００２−３５７７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、３つのダイクロイックミラーが使用されるため、光源装置の小型化が困難であった。そのため、例えば、網膜走査ディスプレイがユーザの頭部に装着される場合、光源装置はヘッドマウントディスプレイと別に使用者の腰等に固定する必要があった。特許文献２に記載のＭＭＩ導波路を利用した光学結合デバイスを利用すれば、特許文献１に記載の網膜走査ディスプレイが小型化されると期待される。しかし、特許文献２では２波長の赤外線が合波されていたのに対し、網膜走査ディスプレイでは可視光の３波長が合波される。そのため、特許文献２に記載の光学結合デバイスは、そのまま特許文献１に記載の網膜走査ディスプレイに用いることはできない。何故なら、合波する光（赤外線）の波長間隔が、特許文献１における赤外線の場合と、特許文献２における可視光の場合とで異なるためである。
【０００６】
具体的には、特許文献２では、１．３μｍの赤外線と、１．５５μｍの赤外線とが合波される。両者の波長の差をΔλ、平均波長をλと表すと、Δλ／λは０．１８程度である。一方、特許文献２では、一番波長の離れている青色（４６０ｎｍを仮定）と赤色（６２５ｎｍを仮定）との間におけるΔλ／λは０．３２となっている。そのため、光が分離しやすくなっているので、可視光における合波は赤外線における合波よりも困難である。また、網膜走査ディスプレイでは、赤色、緑色、青色の３波長を合波する必要があるので、２波長を合波する特許文献２の構成は、やはりそのままでは利用できない。
【０００７】
本発明は、ＭＭＩを利用して可視光の３波長を合波する光合波器と、その光合波器を利用した画像投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の一側面を反映した第１の課題解決手段は、平面状の基板の上に設けられ、第１波長を有する第１可視光と、前記第１波長よりも長波長である第２波長を有する第２可視光と、前記第２波長よりも長波長である第３波長を有し、前記第１波長と前記第２波長との間の波長間隔よりも前記第２波長と前記第３波長の間の波長間隔の方が長い第３可視光とを、前記基板に平行な伝搬方向に沿って伝搬させ、前記第１可視光と前記第２可視光と前記第３可視光とを波長多重された状態で出射する光合波器であって、  前記第１可視光と前記第２可視光とがマルチモード伝搬することで、モード干渉によって前記第１可視光と前記第２可視光とを合波する第１マルチモード合波部と、前記第１マルチモード合波部の前記伝搬方向における一端に接続され、前記第１可視光が入射する第１入射口と、  前記第１マルチモード合波部の前記伝搬方向における一端であって、前記第１出射口と異なる位置に接続され、前記第２可視光が入射する第２入射口と、前記第１マルチモード合波部の前記伝搬方向における他端であって、前記第１可視光の強度と前記第２可視光の強度とが共に大となる位置にその一端が接続され、前記第１可視光と前記第２可視光とが合波された第１波長多重光を出射する第１出射口と、前記第１出射口の他端が前記伝搬方向の一端に接続され、前記第１波長多重光と前記第３可視光とがマルチモード伝搬することで、モード干渉によって前記第１波長多重光と前記第３可視光とを合波する第２マルチモード合波部と、前記第２マルチモード合波部の前記伝搬方向における一端であって、前記第１出射口とは異なる位置に接続され、前記第３可視光が入射する第３入射口と、前記第２マルチモード合波部の前記伝搬方向における他端であって、前記第１波長多重光の強度と前記第３可視光の強度とが共に大となる位置に接続され、前記第１波長多重光と前記第３可視光とが合波された第２波長多重光を出射する第２出射口とを備え、前記第１マルチモード合波部及び前記第２マルチモード合波部は、前記伝搬方向における前記第１マルチモード合波部の長さである第１長さが、前記第２マルチモード合波部の前記伝搬方向における長さである第２長さよりも長くなるように構成される、ことを特徴とする光合波器である。
【０００９】
第１の課題解決手段では、第１可視光と第２可視光が第１マルチモード合波部で第１波長多重光として合波される。そして、第１波長多重光と第３可視光とが、第２マルチモード合波部で第２波長多重光として合波される。即ち、２つのマルチモード合波部を接続した、いわゆるタンデム構造が採用される。そして、第１波長と第２波長との間の波長間隔よりも、第２波長と第３波長の間の波長間隔の方が長い。換言すれば、第１可視光と第２可視光との波長は近い。波長が近いため、第１可視光と第２可視光とが合波された第１波長多重光は、分離しにくい。ここで、波長が近いほどＭＭＩ合波に必要な距離は長くなるので、第１マルチモード合波部は、伝搬方向における長さが第２マルチモード合波部の伝搬方向における長さよりも長くなるように構成される。そして、波長が分離しにくい第１波長多重光と、波長間隔の離れた第３可視光とが、第２マルチモード合波部おいて合波される。従って、可視光の３波長をＭＭＩを利用して合波することができる。
【００１０】
本発明の他の側面を反映した第２の課題解決手段は、第１の課題解決手段に加えて、前記第１マルチモード合波部及び前記第２マルチモード合波部は、前記第１長さと前記第２長さとの比が、前記第１波長と前記第２波長との波長間隔と、前記第１波長多重光と前記第３波長との波長間隔との比の逆数となるように構成される。
【００１１】
ＭＭＩ合波部における光の強度分布は、光の伝搬方向に沿って強度が大となる位置と小となる位置とを有する。強度が大となる位置と小となる位置との間隔は、その光の波長に依存する。換言すれば、第１可視光、第２可視光及び第３可視光におけるこの間隔は、互いに異なる。即ち、前記したように、波長間隔の近い第１可視光と第２可視光との間では、この間隔の差が小さいため、合波に長い距離が必要となる。一方、波長間隔の離れた第１波長多重光と第３可視光との間では、この間隔の差が大きいため、合波は短い距離で可能となる。具体的には、合波に必要な距離は、各波長の波長間隔に比例する。第２の課題解決手段によれば、第１長さと第２長さとの比が、第１波長と第２波長との波長間隔と、第１波長多重光と第３波長との波長間隔との比の逆数となる。従って、伝搬方向に必要最低限のサイズでもって、可視光の３波長を確実に合波することが可能になる。
【００１２】
本発明の他の側面を反映した第３の課題解決手段は、第１又は第２の課題解決手段に加えて、前記光合波器は、その一方の面が前記基板に接触する第１クラッド層と、その一方の面が前記第１クラッド層の他方の面に接触し、光が伝搬するコア層と、を有する。
【００１３】
第３の課題解決手段では、光合波器が、基板に接触する第１クラッド層と、第１クラッド層に接触し、光が伝搬するコア層とを有する。換言すれば、第４の課題解決手段における光合波器は、第１クラッド層の上にコア層が積層された、リッジ型の形状である。コア層の下に第１クラッド層が設けられるので、伝搬する光の損出を低減することが可能となる。
【００１４】
本発明の他の側面を反映した第４の課題解決手段は、第３の課題解決手段に加えて、前記光合波器はさらに、その一方の面が前記コア層の他方の面に接触する第２クラッド層を有する。
【００１５】
第４の課題解決手段では、コア層の上に、さらに第２クラッド層が積層される。そのため、塵などの不純物からコア層を保護することができる。
【００１６】
本発明の他の側面を反映した第５の課題解決手段は、第４の課題解決手段に加えて、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層は、前記基板を構成する材質と同一の材料で構成される。
【００１７】
第５の課題解決手段では、第１クラッド層及び第２クラッド層は、基板と同一の材質によって構成される。そのため、第１クラッド層及び第２クラッド層の屈折率と基板の屈折率を等しく設定することが可能になる。
【００１８】
本発明の他の側面を反映した第６の課題解決手段は、第１〜第５の何れかの課題解決手段に記載の光合波器と、前記光合波器の第１入射口に対して、前記第１可視光を出射する第１光源と、前記光合波器の第２入射口に対して、前記第２可視光を出射する第２光源と、前記光合波器の第３入射口に対して、前記第３可視光を出射する第３光源と、前記光合波器から出射された前記第２波長多重光を二次元的に走査して画像を形成し、走査された前記第２波長多重光を被投影面に投影する画像形成部とを備える、ことを特徴する画像投影装置である。
【００１９】
第６の課題解決手段によれば、第１〜第５の何れかの課題解決手段によって得られる光合波器を用いた画像投影装置を得ることができる。ＭＭＩを利用して可視光の３波長を合波する光合波器を利用することによって、画像投影装置の小型化が可能になる。
【００２０】
本発明の他の側面を反映した第７の課題解決手段は、第６の課題解決手段に加えて、前記画像形成部は、前記光合波器から出射された前記第２波長多重光を二次元的に走査して画像を形成する光スキャナと、前記光スキャナによって走査された前記第２波長多重光を、前記被投影面としての使用者の網膜に導く導光光学系とを有する。
【００２１】
第７の課題解決手段によれば、画像形成部は、光スキャナと、使用者の網膜に導く導光光学系とを有する。従って、網膜走査ディスプレイとして、画像投影装置を用いることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ＭＭＩを利用して可視光の３波長を合波する光合波器と、その光合波器を利用した画像投影装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（Ａ）ＭＭＩタンデム合波器１０の斜視模式図、（Ｂ）第１入射口１０１のＹ方向の構造を示す断面模式図、（Ｃ）第１入射口１０１のＹ方向の光強度分布を示す模式図。
【図２】（Ａ）第１ＭＭＩ合波部１１０における、緑色光の光強度分布を示す模式図、（Ｂ）第１ＭＭＩ合波部１１０における、青色光の光強度分布を示す模式図。
【図３】入射光の波長変位に対する、出力の変動を示す図。
【図４】網膜走査ディスプレイ１の構成を示す模式図。
【図５】レーザプロジェクタ２の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明を反映した上記課題解決手段を実施するための実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。上記課題解決手段は以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に説明する各構成において、所定の構成を省略し、または他の構成などに置換してもよい。また、他の構成を含むようにしてもよい。
【００２５】
［ＭＭＩタンデム合波器１０の構成］
図１（Ａ）に示されるように、ＭＭＩタンデム合波器１０は、基板１３０と、第１入射口１０１と、第２入射口１０２と、第１ＭＭＩ合波部１１０と、第１出射口１０３と、第３入射口１０４と、第２ＭＭＩ合波部１２０と、第２出射口１２１とを備える。ＭＭＩタンデム合波器１０は、モード干渉を利用して、第１可視光としての青色光と、第２可視光としての緑色光と、第３可視光としての赤色光とを合波する。より具体的には、一段目の第１ＭＭＩ合波部１１０において、青色光と緑色光とが、第１波長多重光として合波される。そして、二段目の第２ＭＭＩ合波部１２０において、第１波長多重光と赤色光とが、第２波長多重光として合波される。即ち、ＭＭＩタンデム合波器１０は、第１ＭＭＩ合波部１１０と第２ＭＭＩ合波部１２０とを光の伝搬方向に連結した、タンデム構造となっている。以下、ＭＭＩタンデム合波器１０の構成を説明する。ここで、図１において、光の伝搬方向がＺ方向、ＭＭＩタンデム合波器１０の厚み方向がＹ方向、ＭＭＩタンデム合波器１０の幅方向（即ち、Ｚ方向及びＹ方向に直交する方向）がＸ方向と、それぞれ定義される。なお、図１は見易さのためにＸ方向とＺ方向とのスケールを、１：５０程度に調整している。即ち、実際のＭＭＩタンデム合波器１０は、Ｘ方向の幅に対して、Ｚ方向の長さが相当程度大きい。また、本実施形態において、一例として、青色光として波長λＢ＝４６０ｎｍの光が、緑色光として波長λＧ＝５１０ｎｍの光が、赤色光として波長λＲ＝６３５ｎｍの光が、それぞれ用いられる。即ち、これら３波長の間には、λＢ＜λＧ＜λＲ、且つ、｜λＢ−λＧ｜＜｜λＧ−λＲ｜という関係がある。
【００２６】
平板状の基板１３０は、そのＹ方向正側に、ＭＭＩタンデム合波器１０の光を伝搬するための各種構成が配置される。図１において、基板１３０は、ＸＺ平面に平行である。基板１３０は、例えば絶対屈折率がｎ≒１．４８程度の光学ガラスなどによって構成される。
【００２７】
第１ＭＭＩ合波部１１０は、基板１３０のＹ方向正側に配置された、平面視略長方形の構造である。第１ＭＭＩ合波部１１０は、青色光と緑色光を合波する。第１ＭＭＩ合波部１１０のＺ方向負側には、青色光が入射する第１入射口１０１が接続される。また、第１ＭＭＩ合波部１１０のＺ方向負側であって、第１入射口１０１よりもＸ方向負側の位置には、緑色光が入射する第２入射口１０２が接続される。そして、第１ＭＭＩ合波部１１０のＺ方向正側には、青色光と緑色光とが合波された第１波長多重光が出射する、第１出射口１０３が接続される。ここで、後記する図２に示されるように、第１ＭＭＩ合波部１１０において青色光の強度と緑色光の強度とが共に大となる位置に、第１出射口１０３が接続される。また、第２入射口１０２と第１出射口１０３とは、Ｚ方向に平行な直線上に形成される。換言すれば、基板１３０上における、第２入射口１０２のＸ方向の位置と、第１出射口１０３のＸ方向の位置とは、等しくなる。なお、第１ＭＭＩ合波部１１０、第１入射口１０１、第２入射口１０２及び第１出射口１０３のＹ方向の厚みは、全て同一に構成される。
【００２８】
第２ＭＭＩ合波部１２０は、基板１３０のＹ方向正側に配置された、平面視略長方形の構造である。第２ＭＭＩ合波部１２０は、第１波長多重光と赤色光を合波する。第２ＭＭＩ合波部１２０のＺ方向負側には、第１波長多重光が入射する第１出射口１０３が接続される。また、第２ＭＭＩ合波部１２０のＺ方向負側であって、第１出射口１０３よりもＸ方向負側の位置には、赤色光が入射する第３入射口１０４が接続される。そして、第２ＭＭＩ合波部１２０のＺ方向正側には、第１波長多重光と赤色光とが合波された第２波長多重光が出射する、第１出射口１０３が接続される。ここで、第２ＭＭＩ合波部１２０において第１波長多重光の強度と赤色光の強度とが共に大となる位置に、第２出射口１２１が接続される。また、第３入射口１０４と第２出射口１２１とは、Ｚ方向に平行な直線上に形成される。換言すれば、基板１３０上における、第３入射口１０４のＸ方向の位置と、第２出射口１２１のＸ方向の位置とは、等しくなる。なお、第２ＭＭＩ合波部１２０、第１出射口１０３、第３入射口１０４及び第２出射口１２１のＹ方向の厚みは、全て同一に構成される。ここで、第２ＭＭＩ合波部１２０のＺ方向の長さＬ２は、第１ＭＭＩ合波部１１０のＺ方向の長さＬ１よりも長い。具体的には、Ｌ１：Ｌ２＝３：１程度である。
【００２９】
図１（Ｂ）を用いて、ＭＭＩタンデム合波器１０の積層構造、即ちＹ方向における構造を説明する。なお、図１（Ｂ）には、代表として、第１入射口１０１のＸＹ平面における断面図が示される。しかし、他の構成においても、積層構造は同一である。第１入射口１０１は、Ｙ方向負側から順に、第１クラッド層１０１ａと、コア層１０１ｂと、第２クラッド層１０１ｃとで構成される。第１クラッド層１０１ａは、Ｙ方向負側の面において、基板１０３に接触する。ここでは、第１クラッド層１０１ａは、基板１３０と同一の素材によって構成されている。コア層１０１ｂは、そのＹ方向負側の面において、第１クラッド層１０１ａのＹ方向正側の面に接触する。光は、このコア層１０１ｂを伝搬する。コア層１０１ｂは、例えば、絶対屈折率がｎ≒１．５２程度のＳｉＯ２系ガラスなどによって構成される。第２クラッド層１０１ｃは、そのＹ方向負側の面において、コア層１０２ｂのＹ方向正側の面に接触する。第２クラッド層１０１ｂは、基板１３０及び第１クラッド層１０１ａと同一の素材によって構成される。即ち、ＭＭＩタンデム合波器１０は、第１クラッド層１０１ａ、コア層１０１ｂ及び第２クラッド層１０１ｃをリブ層として採用した、リッジ形の光導波路であるといえる。なお、ＭＭＩタンデム合波器１０は、基板１３０における第１入射口１０１、第２入射口１０２、第１ＭＭＩ合波部１１０、第１出射口１０３、第３入射口１０４、第２ＭＭＩ合波部１２０及び第２出射口１２１に対応する位置に対して、周知の化学気相成長法（ＣＶＤ）やマグネトロンスパッタリング法などを用いて、順次積層構造に対応する素材を製膜することで作製できる。
【００３０】
図１（Ｃ）には、ＭＭＩタンデム合波器１０を伝搬する光の強度が、等高線にて示される。なお、図１（Ｃ）では、見易さのため、図１（Ｂ）のようなハッチングは省略される。図１（Ｃ）に示されるように、ＭＭＩタンデム合波器１０では、コア層１０１ｂに光の強度が集中する。即ち、光は、コア層１０１ｂを伝搬するといえる。コア層１０１ｂのＹ方向負側に第１クラッド層１０１ａを設けることによって、コア層１０１ｂから基板１３０へと光が漏れることによる伝搬損失を軽減できる。また、コア層１０１ｂのＹ方向正側に設けられた第２クラッド層１０１ｃは、伝搬損失の軽減にはそれほど寄与しないものの、コア層１０１ｂを塵などの不純物から保護する効果を奏する。
【００３１】
［ＭＭＩタンデム合波器１０における光の伝搬］
図２に示される第１ＭＭＩ合波部１１０における光の伝搬を例にとって、ＭＭＩタンデム合波器１０における光の伝搬の様態を説明する。なお、図２では、第１ＭＭＩ合波部１１０を伝搬する光の強度が、等高線で示される。即ち、等高線の高い位置ほど、光の強度が大きい。光強度は、マウスウェル方程式を直接、空間・時間領域での差分方程式に展開して逐次計算を行う、周知の電磁場解析法である時間領域差分（ＦＤＴＤ）法によって計算された。第１ＭＭＩ合波部１１０におけるＸ方向の幅は、第１入射口１０１及び第２入射口１０２のＸ方向の幅と比べて広い。そのため、図２（Ａ）に示されるように、第２入射口１０２をシングルモードで伝搬した緑色光は、第１ＭＭＩ合波部１１０の中をマルチモードで伝搬し、第１出射口１０３にシングルモードで結像する。
【００３２】
ここで、第２入射口１０２と第１出射口１０３とを通過するＺ方向に平行な直線Ａ１と、第１入射口１０１を通過するＺ方向に平行な直線Ａ２とを用いて、緑色光の伝搬を具体的に説明する。直線Ａ１において、緑色光の強度が大となる位置と小となる位置とが、交互に現れる。同様に、直線Ａ２においても、緑色光の強度が大となる位置と小となる位置とが、交互に現れる。そして、直線Ａ１における緑色光の強度変動と、直線Ａ２における緑色光の強度変動とは、相互に逆相関関係に現れる。換言すれば、緑色光の強度が大となる位置が直線Ａ１と直線Ａ２とを交互に移動するようにして、緑色光は第１ＭＭＩ合波部１１０の中を伝搬する。青色光に関しても、図２（Ｂ）に示されるように、緑色光と同様の様態で第１ＭＭＩ合波部１１０の中を伝搬する。
【００３３】
直線Ａ１及びＡ２における、光の強度が大となる位置と小となる位置とが交互に現れる間隔は、光の波長によって異なる。実際、図２（Ａ）に示されるように、第１ＭＭＩ合波部１１０の中で緑色光の強度が大となる位置は、直線Ａ１において４箇所、直線Ａ２において５箇所存在する。一方、図２（Ｂ）に示されるように、第１ＭＭＩ合波部１１０の中で青色光の強度が大となる位置は、直線Ａ１において４箇所、直線Ａ２において４箇所存在する。長い波長の光の方が、第１ＭＭＩ合波部１１０のＸ方向の拡がりが大きくなるため、結果として光の強度が大となる位置と小となる位置とが交互に現れる間隔が密となる。そのため、第１入射口１０１と第２入射口１０２のＸ方向の位置が異なるにも関わらず、青色光と緑色光は、第１出射口１０３においてシングルモードとして、ともに結像する。
【００３４】
前記したように、第１ＭＭＩ合波部１１０では、青色光と緑色光とにおける、光の強度が大となる位置と小となる位置とが交互に現れる間隔の差を利用して、合波が行われる。ここで、合波する２つの光の波長間隔が狭い場合、光の強度が大となる位置と小となる位置とが交互に現れる間隔にそれほど差が無いため、合波に必要な伝搬方向の距離は長くなる。一方、合波する２つの光の波長間隔が広い場合、光の強度が大となる位置と小となる位置とが交互に現れる間隔が大きく異なるため、合波に必要な伝搬方向の距離は短くてよい。本実施形態では、青色光として波長λＢ＝４６０ｎｍの光が、緑色光として波長λＧ＝５１０ｎｍの光が、赤色光として波長λＲ＝６３５ｎｍの光がそれぞれ利用される。そして、一段目の第１ＭＭＩ合波部１１０で合波される青色光と緑色光との波長間隔は、｜λＢ−λＧ｜＝５０ｎｍである。一方、図１で前記した二段目の第２ＭＭＩ合波部１２０で合波される第１波長多重光と赤色光との波長間隔は、第１波長多重光の中心波長を青色光と緑色光との平均と仮定すれば、｜（（λＢ＋λＧ）／２）−λＲ｜＝１５０ｎｍである。即ち、第１波長多重光と赤色光との合波に必要な伝搬方向の距離は、青色光と緑色光との合波に必要な距離よりも短く、具体的には、波長間隔の比の逆数である、（１５０／５０）−１＝１／３程度あればよい。そのため、第２ＭＭＩ合波部１２０のＺ方向の長さＬ２は、第１ＭＭＩ合波部１１０のＺ方向の長さＬ１の１／３程度となっている。
【００３５】
以上説明したように、ＭＭＩタンデム合波器１０は、一段目の第１ＭＭＩ合波部１１０で、互いの波長間隔が狭い青色光と緑色光を合波する。そして、ＭＭＩタンデム合波器１０は、二段目の第２ＭＭＩ合波部１２０で、互いの波長間隔が広い第１波長多重光と赤色光とを合波する。青色光と緑色光とは、互いの波長間隔が狭いので、第２ＭＭＩ合波部１２０をマルチモードで伝搬する間に分離することなく、第１波長多重光として第２出射口１２１にシングルモードとして結像する。また、赤色光も、第２ＭＭＩ合波部１２０をマルチモードで伝搬し、第２出射口１２１にシングルモードとして結像する。従って、第１波長多重光（即ち、青色光、緑色光）と赤色光とが合波された第２波長多重光が、第２出射口１２１から出射する。
【００３６】
［ＭＭＩタンデム合波器１０の波長ばらつきに対する安定性］
ＬＥＤやＬＤなどの光源には、製造過程に起因する個体差が存在する。この個体差によって、光源ごとに出力される光の中心波長がばらつく。ここでは、図３を用いて、この波長のばらつきに対して、ＭＭＩタンデム合波器１０からの出力がどの様に変化するかを説明する。
【００３７】
図３では、赤色光が破線と十字とで、緑色光が一点鎖線と丸とで、青色光が実線と四角とで、夫々示される。図３の横軸は、基準の波長からのずれ量を示す。基準の波長は、前記したように、青色光が波長λＢ＝４６０ｎｍ、緑色光が波長λＧ＝５１０ｎｍ、赤色光が波長λＲ＝６３５ｎｍである。図３の縦軸は、ＭＭＩタンデム合波器１０に入力された光の強度に対する、出力された光の強度の割合を示す。
【００３８】
図３に示されるように、基準波長において、青色光、緑色光及び赤色光ともに、６５％〜７５％の出力でシングルモードを得ることができる。そして、緑色光に対して±５ｎｍ程度のずれ、赤色光及び青色光に対して±１０ｎｍ程度のずれであれば、各波長において常に６０％以上の出力でシングルモードを得ることができる。
【００３９】
［網膜走査ディスプレイ１の構成］
ＭＭＩタンデム合波器１０は、網膜走査ディスプレイに利用可能である。図３に示されるように、網膜走査ディスプレイ１は、制御ユニット１ａと、頭部表示ユニット１ｂとで構成される。制御ユニット１ａと頭部表示ユニット１ｂとは、別体に構成される。制御ユニット１ａは、例えば使用者の腰などに取り付けられる。頭部表示ユニット１ｂは、制御ユニット１ａと電気的及び光学的な信号を伝達可能な信号線によって接続される。頭部表示ユニット１ｂは、例えば米国特許出願公開２０１０／００７３２６２号公報などに開示されているように、眼鏡型の装着具などを用いて使用者の頭部に装着される。勿論、制御ユニット１ａと、頭部表示ユニット１ｂとが一体に構成されても差し支えない。
【００４０】
制御ユニット１ａは、制御部１２と、操作部１３と、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）１４と、Ｒレーザドライバ１５ａと、Ｇレーザドライバ１５ｂと、Ｂレーザドライバ１５ｃと、Ｒ−ＬＤ１６ａと、Ｇ−ＬＤ１６ｂと、Ｂ−ＬＤ１６ｃと、ＭＭＩタンデム合波器１０とを有する。制御部１２は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを含むマイコンなどで構成される。制御部１２は、ＰＣなどの外部機器から外部Ｉ／Ｆ１４を介して供給される画像データに基づいて、画像を合成するための要素となるＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号、水平信号及び垂直信号を発生する。制御部１２は、Ｒ信号をＲレーザドライバ１５ａに、Ｇ信号をＧレーザドライバ１５ｂに、Ｂ信号をＢレーザドライバ１５ｃに、それぞれ送信する。制御部１２は、水平信号を水平走査ドライバ２３に、垂直信号を垂直走査ドライバ２６にそれぞれ送信する。水平信号及び垂直信号には、水平スキャナ２２及び垂直スキャナ２５の動作のタイミングを決定する同期信号や、水平走査ドライバ２３及び垂直走査ドライバ２６から水平スキャナ２２及び垂直スキャナ２５に送信される駆動信号の電圧や周波数を設定する駆動設定信号などが含まれる。操作部１３は、使用者からの操作を受け付ける各種ボタンと、各種ボタンが押下された際に発生する操作信号を制御部１２に送信するインターフェース回路などによって構成される。使用者からの操作を受け付ける各種ボタンは、例えば、制御ユニット１ａの筐体表面に設けられる。外部Ｉ／Ｆ１４は、制御ユニット１ａとＰＣなどの外部機器とを電気的に接続するためのインターフェースである。
【００４１】
Ｒレーザドライバ１５ａは、制御部１２からのＲ信号に応じた光量の赤色レーザを発生させるように、Ｒ−ＬＤ１６ａを駆動する。Ｇレーザドライバ１５ｂは、制御部１２からのＧ信号に応じた光量の緑色レーザを発生させるように、Ｇ−ＬＤ１６ｂを駆動する。Ｂレーザドライバ１５ｃは、制御部１２からのＢ信号に応じた光量の青色レーザを発生させるように、Ｂ−ＬＤ１６ｃを駆動する。各色のレーザ光の強度比を調整することによって、所望の色を有するレーザ光が合成可能となる。Ｒ−ＬＤ１６ａ、Ｇ−ＬＤ１６ｂ及びＢ−ＬＤ１６ｃから発生した各色のレーザ光は、ＭＭＩタンデム合波器１０に入射し、第２波長多重光として合波された状態で、ＭＭＩタンデム合波器１０から出射される。出射されたレーザ光は、信号線に含まれる光ファイバを介して、頭部表示ユニット１ｂに伝達される。
【００４２】
頭部表示ユニット１ｂは、コリメート光学系２１と、水平スキャナ２２と、水平走査ドライバ２３と、リレー光学系２４と、垂直スキャナ２５と、垂直走査ドライバ２６と、接眼光学系２７とを有する。
【００４３】
コリメート光学系２１は、光ファイバから出射したレーザ光を平行光に変換する。平行光に変換されたレーザ光は、水平スキャナ２２に入射する。
【００４４】
水平スキャナ２２は、コリメート光学系２１からのレーザ光を水平方向（例えば、使用者の眼に対して左右方向）に走査する。具体的には、水平スキャナ２２は、揺動する反射面を有する。反射面が揺動することで、反射面に入射したレーザ光は、水平方向に走査される。水平スキャナ２２は、例えば、圧電素子を用いて揺動する共振型のＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーで構成可能である。水平走査ドライバ２３は、制御部１２からの水平同期信号に従って、水平スキャナ２２の揺動状態を制御する。水平走査されたレーザ光は、リレー光学系２４に入射する。
【００４５】
リレー光学系２４は、正の屈折力を持つレンズ系２４ａ、２４ｂを有する。レンズ系２４ａは、水平スキャナ２２からレンズ系２４ａの焦点距離を離れた位置に配置される。従って、水平走査されたレーザ光は、レンズ系２４ａによって互いの光軸が平行になるように屈折される。また、水平走査されたレーザ光は、コリメート光学系２１によって平行光化されているので、集束光として変換される。図４では、レーザ光の光軸が点線で示され、リレー光学系２４及び接眼光学系２７の中心（＝光軸）を通過するレーザ光の光線が実線で示される。レンズ系２４ｂは、レンズ系２４ａから、レンズ系２４ａの焦点距離とレンズ系２４ｂの焦点距離との合計の距離を離れた位置に配置される。従って、レンズ系２４ａを通過したレーザ光は、レンズ系２４ｂによって互いの光軸が垂直スキャナ２５上の一点に集束するように屈折される。また、レンズ系２４ａを通過した際に集束光として変換されたレーザ光は、レンズ系２４ｂによって再度平行光化される。即ち、リレー光学系２４は、水平スキャナ２２において形成された光学瞳（＝レーザ光の入射点）を、垂直スキャナ２５上に転送する機能を果たす。
【００４６】
垂直スキャナ２５は、リレー光学系２４からのレーザ光を垂直方向（例えば、使用者の眼に対して上下方向）に走査する。具体的には、垂直スキャナ２５は、揺動する反射面を有する。反射面が揺動することで、反射面に入射したレーザ光は、垂直方向に走査される。垂直スキャナ２２は、例えば、ムービングコイル方式で揺動する電磁型のＭＥＭＳミラーで構成可能である。垂直走査ドライバ２７は、制御部１２からの垂直同期信号に従って、垂直スキャナ２５の揺動状態を制御する。ここで、レーザ光は、水平スキャナ２２によって水平方向に走査されているので、垂直スキャナ２５によって二次元的に走査された画像光となる。二次元走査された画像光は、接眼光学系２７に入射する。
【００４７】
接眼光学系２７は、正の屈折力を持つレンズ系２７ａ、２７ｂを有する。接眼光学系２７は、リレー光学系２４と同様に、垂直スキャナ２５において形成された光学瞳を、使用者の眼の瞳孔に転送する機能を果たす。接眼光学系２７を出射した画像光は、使用者の眼の瞳孔を通過し、網膜上に結像する。従って、使用者は、画像を視認する。
【００４８】
＜変形例＞
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその一例を述べる。
【００４９】
前記した実施形態において、網膜走査ディスプレイ１では、レーザ光は水平方向に走査した後に、垂直方向に走査される。しかし、例えば、水平スキャナ２２と垂直スキャナ２５とを入れ替えることによって、レーザ光が垂直方向に走査された後に、水平方向に走査されてもよい。あるいは、水平スキャナ２２と垂直スキャナ２５とが一体化された２次元型の光スキャナが、水平スキャナ２２と垂直スキャナ２５との代わりに用いられてもよい。２次元型の光スキャナが用いられる場合、リレー光学系２４は不要となる。
【００５０】
前記した実施形態において、ＭＭＩタンデム合波器１０は、網膜走査ディスプレイ１に用いられる。しかし、ＭＭＩタンデム合波器１０は、他のいかなる用途に用いられても良い。一例として、ＭＭＩタンデム合波器１０が、図５に示されるように、走査されたレーザ光を被投影面上に結像するレーザプロジェクタ２に用いられても良い。レーザプロジェクタ２は、垂直走査スキャナ２５よりも後段の光学系において、網膜走査ディスプレイ１と相違する。そのため、垂直走査スキャナ２５における網膜走査ディスプレイ１と共通する構成に関する説明は、同一の図番を採用することによって省略される。結像光学系２８は、正の屈折力を持つレンズ系である。結像光学系２８は、垂直スキャナ２５からの平行光化されたレーザ光を集束することで、スクリーンなどの被投影面上に結像する。なお、任意の距離にある被投影面に対して結像を行うために、結像光学系２８は、所定のフォーカス調整機能を備えるのが望ましい。あるいは、レーザ光のビーム径が十分に小さければ、結像光学系２８は無くても構わない、その場合、垂直走査スキャナ２５からの平行光化されたレーザ光が、被投影面上に直接画像を描くこととなる。
【符号の説明】
【００５１】
１  網膜操作ディスプレイ
１ａ  制御ユニット
１ｂ  頭部表示ユニット
２  レーザプロジェクタ
１０  ＭＭＩタンデム合波器
１２  制御部
１３  操作部
１４  外部Ｉ／Ｆ
１５ａ  Ｒレーザドライバ
１５ｂ  Ｇレーザドライバ
１５ｃ  Ｂレーザドライバ
２１  コリメート光学系
２２  水平スキャナ
２３  水平走査ドライバ
２４  リレー光学系
２４ａ，２４ｂ，２７ａ，２７ｂ  レンズ系
２５  垂直スキャナ
２６  垂直走査ドライバ
２７  接眼光学系
２８  結像光学系
１６ａ  Ｒ−ＬＤ
１５ｂ  Ｇ−ＬＤ
１５ｃ  Ｂ−ＬＤ
１０１  第１入射口
１０１ａ  第１クラッド層
１０１ｂ  コア層
１０１ｃ  第２クラッド層
１０２  第２入射口
１０３  第１出射口
１０４  第３入射口
１１０  第１ＭＭＩ合波部
１２０  第２ＭＭＩ合波部
１２１  第２出射口
１３０  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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