(57)【要約】  光合波器、光源モジュール、２次元光走査装置及び画像投影装置に関し、光源からの光ビーム強度を付加的な光減衰要素を設置することなく所望の値まで減衰する。複数の光源から個々の入力光導波路に入力する光ビームの強度が出力光導波路から合波光として出力する段階で５ｄＢ〜４０ｄＢの範囲で減衰するように光合波部に設けた光結合部の光結合率を設定する。
2020095417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の入力光導波路及び第２の入力光導波路を含む複数の入力光導波路と、
光合波部を有し少なくとも一部が直線状の光導波路である出力光導波路と
を備え、
前記第１の入力光導波路は前記光合波部において前記出力光導波路と光結合する第１の光結合部を有し、
前記第２の入力光導波路は前記光合波部において前記出力光導波路と光結合する第２の光結合部を有し、
前記第１の光結合部を、前記第１の入力光導波路に入力した光ビームの前記出力光導波路からの出力した光ビームに対する減衰量が５ｄＢ〜４０ｄＢの範囲になるように設定し、
前記第２の光結合部を、前記第２の入力光導波路に入力した光ビームの前記出力光導波路からの出力した光ビームに対する減衰量が５ｄＢ〜４０ｄＢの範囲になるように設定した光合波器。
【請求項２】
前記出力光導波路は、少なくとも出射端近傍以外の領域では直線状の光導波路である請求項１に記載の光合波器。
【請求項３】
前記出力光導波路は、出射端近傍では前記直線状の光導波路に対して８５°〜９５°の角度で傾斜している請求項２に記載の光合波器。
【請求項４】
前記複数の入力光導波路は第３の入力光導波路を有し、
前記第３の入力光導波路は、前記出力光導波路の入射端側の光導波路を兼用し、
前記第１の入力光導波路は、前記光合波部と光結合する前段で、前記第１の入力光導波路に入射した光ビームを分波する第３の光結合部を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光合波器。
【請求項５】
前記第１の光結合部は、前記第２の光結合部を挟んで２つの光結合部に分離されている請求項４に記載の光合波器。
【請求項６】
前記複数の入力光導波路は第３の入力光導波路を有し、
前記第３の入力光導波路は、前記第２の光結合器の前段で前記第２の入力光導波路と光結合する第３の光結合部を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光合波器。
【請求項７】
前記複数の入力光導波路は第３の入力光導波路を有し、
前記第３の入力光導波路は、前記光合波部において前記出力光導波路と光結合する第３の光結合部を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光合波器。
【請求項８】
前記光合波部が、少なくとも赤色光、青色光及び緑色光の三原色を合波する請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の光合波器。
【請求項９】
前記複数の入力光導波路の入力端近傍における導波方向が、前記直線状の光導波路に対して８５°〜９５°の角度で傾斜している請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の光合波器。
【請求項１０】
前記複数の入力光導波路の少なくとも一つの入力光導波路の入力端近傍における導波方向が、前記直線状の光導波路と８５°〜９５°の角度で傾斜し、前記複数の入力光導波路の残りの入力光導波路の入力端近傍における導波方向が前記少なくとも一つの入力光導波路の入力端近傍における導波方向に対向するように、前記直線状の光導波路と８５°〜９５°の角度で傾斜している請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の光合波器。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の光合波器と、
前記光合波器に前記光ビームを入射する複数の光源と
を有する光源モジュール。
【請求項１２】
前記複数の光源と前記光合波器の複数の入力光導波路との間にレンズを設けた請求項１１に記載の光源モジュール。
【請求項１３】
前記複数の光源が、青色半導体レーザ、緑色半導体レーザ及び赤色半導体レーザである請求項１１または請求項１２に記載の光源モジュール。
【請求項１４】
前記複数の光源が、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び赤色発光ダイオードである請求項１１または請求項１２に記載の光源モジュール。
【請求項１５】
前記複数の光源が、複数の光ファイバから出射される光源である請求項１１または請求項１２に記載の光源モジュール。
【請求項１６】
請求項１１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の光源モジュールと、
前記光源モジュールからの合波光を２次元走査する２次元光走査ミラー装置と
を有する２次元光走査装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の２次元光走査装置と、
前記２次元光走査ミラー装置により走査された前記合波光を被投影面に投影する画像形成部と
を有する画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光合波器、光源モジュール、２次元光走査装置及び画像投影装置に関するものであり、例えば、光源からの光ビーム強度を付加的な光減衰要素を設置することなく所望の値まで減衰するための構成等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のレーザビーム等の光ビームを合波し、一つのビームとして放射する装置として、様々な形の光ビーム合波光源装置が知られている。その中で、半導体レーザと光導波路型合波器を組み合わせた光ビーム合波光源装置は、装置を小型化、低電力化できる特長があり、レーザビーム走査型カラー画像投影装置へ応用されている（例えば、特許文献１乃至特許文献６参照）。【０００３】
従来の半導体レーザと光導波路型光合波器を組み合わせた光ビーム合波光源としては、例えば、特許文献３に示されているような三原色のレーザビームを合波する光ビーム合波光源がある。【０００４】
図１９は、本発明者による従来の光合波器の概念的構成図である（特許文献２参照）。コア層とクラッド層からなる入力光導波路２３〜２５、光合波部４０及び出力光導波路２７を有し、入力光導波路２３は光合波部４０の光結合器４１,４２において入力光導波路２４と光結合する。入力光導波路２５は光合波部４０の光結合器４３において入力光導波路２４と光結合する。【０００５】
青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２、赤色半導体レーザチップ３３が各色に対応する入力光導波路２３〜２５の入射端に設置されている。ここで光ビームは、入力光導波路２３〜２５のコア層を伝搬し、光合波器４０で合波されたのち入力光導波路２４の延長部である出力光導波路２７の出射端から合波光として出射される。【０００６】
図２０は、本発明者が提案した２次元光走査装置の概略斜視図であり（特許文献６参照）、可動ミラー部６３を形成した基板６１に光合波器６２を設け、この光合波器６２に青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３を結合させれば良い。可動ミラー部６３が小型化されているので、光ビームを発生する光源と一体化した場合にも、一体化後の全体のサイズも小さくできる。特に、光ビームが半導体レーザチップや光合波器から出射する光源の場合、それらの半導体レーザチップや光合波器は、Ｓｉ基板や金属プレート基板の上に形成すれば良いので、これら基板上に光源と２次元光走査ミラー装置を形成することによって、一体化後の全体のサイズも小さくできる効果がある。【０００７】
図２１は、本発明者が提案した画像投影装置の概略的斜視図であり（特許文献６参照）、上述の２次元走査装置と、電磁コイル６４に２次元光走査信号を印加して光源から出射された出射光を２次元的に走査する２次元走査制御部と、走査された出射光を被投影面に投影する画像形成部とを組み合わせれば良い。なお、画像投影装置としては、眼鏡型網膜走査ディスプレイが典型的なものである。【０００８】
従来、この種の光ビーム合波光源装置においては、半導体レーザ出力から光源装置出力までの伝達効率を最大化するための開発努力がなされてきた。半導体レーザと光合波器の光導波路間の結合効率と光合波効率の改善によって、９０％以上の伝達効率が可能である。この場合、現行の半導体レーザを定格出力で動作させると、合波器出力は数ｍＷとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２４２２０７号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９５６０３号公報
【特許文献３】国際公開第２０１５/１７０５０５号
【特許文献４】米国特許出願公開２０１０／００７３２６２号明細書
【特許文献５】国際公開第２０１７／０６５２２５号
【特許文献６】特開２０１８−０７２５９１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ, Ｖｏｌ. １９, Ｎｏ. ５, ｐｐ.３３０−３３２, Ｍａｒｃｈ １, ２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
一方、合波光源装置の主要な応用対象である網膜走査型ディスプレイでは、観察者瞳孔へ最終的に入射する光パワーは１０μＷ程度である。瞳孔入射光パワーを小さくするために半導体レーザを小電流で駆動した場合、自然発光成分のために光ダイナミックレンジが縮小するという問題がある。一方、自然発光成分を抑制するために最低レベル駆動電流を閾値電流よりも大幅に小さくすると、高速光変調が困難になるという問題がある。即ち、表示する画像の画素毎の明るさにしたがって、半導体レーザの駆動電流は変化するが、高速変調を確実にするためには、駆動電流の変化範囲を閾電流値以上にすることが望まれます。しかし、この場合、最低輝度(黒レベル)を表示するため駆動電流を最小値(閾値電流値)にしても、自然発光による残留光が存在し、駆動電流最大時の光量(白レベル)とこの残留光の比がコントラストになる。駆動電流最大値が十分大きな場合は、白レベル光量が大きなため必要なコントラストを十分確保でる。しかし、網膜走査型ディスプレイで必要な光パワーは小さいので駆動電流最大値を低く設定する必要がある。駆動電流最大値を低く設定すると、白レベル光量が小さくなる一方、黒レベルの残留光量は駆動電流最小値が閾値のままだと変化しないため、コントラストが低下することになる。駆動電流最大値を低く設定した場合にコントラストを向上するためには、黒レベルに近い画素の駆動電流を閾値以下に設定し自然発光量を小さくする必要がある。この場合も、半導体レーザは通常画素では閾電流以上で駆動されており、黒レベルに近い画素を表示するときのみ駆動電流が閾値電流以下に時間的に入れ替わる。その比率は画像内容に依存することになる。【００１２】
光パワーを低減する他の方法として、光吸収体・反射体あるいは光軸ずれ結合部といった光減衰要素を光路中に挿入する手法がある。この場合、光減衰を発生する付加的要素が必要となることに加えて、付加光学要素の特性変化あるいはアライメント変動による信頼性の低下が懸念される。【００１３】
本発明は、入力光導波路、出力光導波路及び光合波部を有する光合波器において、光源からの光ビーム強度を付加的な光減衰要素を設置することなく所望の値まで減衰することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一つの態様では、光合波器は、少なくとも第１の入力光導波路及び第２の入力光導波路を含む複数の入力光導波路と、光合波部を有し少なくとも一部が直線状の光導波路である出力光導波路とを備え、前記第１の入力光導波路は前記光合波部において前記出力光導波路と光結合する第１の光結合部を有し、前記第２の入力光導波路は前記光合波部において前記出力光導波路と光結合する第２の光結合部を有し、前記第１の光結合部を、前記第１の入力光導波路に入力した光ビームの前記出力光導波路からの出力した光ビームに対する減衰量が５ｄＢ〜４０ｄＢの範囲になるように設定し、前記第２の光結合部を、前記第２の入力光導波路に入力した光ビームの前記出力光導波路からの出力した光ビームに対する減衰量が５ｄＢ〜４０ｄＢの範囲になるように設定する。【００１５】
他の態様では、光源モジュールは、上述の光合波器と、前記光合波器に前記光ビームを入射する複数の光源とを有する。【００１６】
さらに、他の態様では、２次元光走査装置は、上述の光源モジュールと、前記光源モジュールからの合波光を２次元走査する２次元光走査ミラー装置とを有する。【００１７】
さらに、他の態様では、画像投影装置は、上述の２次元光走査装置と、前記２次元光走査ミラー装置により走査された前記合波光を被投影面に投影する画像形成部とを有する。
【発明の効果】
【００１８】
一つの側面として、入力光導波路、出力光導波路及び光合波部を有する光合波器において、光源からの光ビーム強度を付加的な光減衰要素を設置することなく所望の値まで減衰することが可能になる。この光合波器を用いることにより、コンパクトで高信頼性を備えた網膜走査型ディスプレイを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態の光合波器の概念的平面図である。
【図２】本発明の実施例１の光合波器の概念的構成図である。
【図３】本発明の実施例１の光合波器における赤色ビームの伝搬状態の説明図である。
【図４】本発明の実施例１の光合波器における緑色ビームの伝搬状態の説明図である。
【図５】本発明の実施例１の光合波器における青色ビームの伝搬状態の説明図である。
【図６】本発明の実施例２の光合波器の概念的平面図である。
【図７】本発明の実施例２の光合波器における赤色ビームの伝搬状態の説明図である。
【図８】本発明の実施例２の光合波器における緑色ビームの伝搬状態の説明図である。
【図９】本発明の実施例２の光合波器における青色ビームの伝搬状態の説明図である。
【図１０】本発明の実施例３の光合波器の概念的平面図である。
【図１１】本発明の実施例４の光合波器の概念的平面図である。
【図１２】本発明の実施例５の光合波器の概念的平面図である。
【図１３】本発明の実施例６の光合波器の概念的平面図である。
【図１４】本発明の実施例７の光合波器の概念的平面図である。
【図１５】本発明の実施例８の光源モジュールの概念的構成図である。
【図１６】本発明の実施例９の光源モジュールの概念的構成図である。
【図１７】本発明の実施例１０の光源モジュールの概念的構成図である。
【図１８】本発明の実施例１１の光源モジュールの概念的構成図である。
【図１９】本発明者による従来の光合波器の概念的平面図である。
【図２０】従来の２次元光走査装置の一例の概略的斜視図である。
【図２１】従来の画像形成装置の概略的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の光合波器の一例を説明する。図１は、本発明の実施の形態の光合波器の概念的平面図である。なお、ここでは、光源１１１〜１１３を加えて光源モジュールとして説明する。図１に示すように、本発明の実施の形態の光合波器は、少なくとも第１の入力光導波路４及び第２の入力光導波路５を含む複数の入力光導波路４〜６と、光合波部３を有し少なくとも一部が直線状の光導波路である出力光導波路２とを備えている。第１の入力光導波路４は光合波部３において出力光導波路２と光結合する第１の光結合部７１，７２を有し、第２の入力光導波路５は光合波部３において出力光導波路２と光結合する第２の光結合部８を有する。なお、光源１１１〜１１３としては半導体レーザが典型的なものであるが、発光ダイオード（ＬＥＤ）や光ファイバを介した光源でも良い。
【００２１】
この場合、第１の光結合部７１，７２を、第１の入力光導波路４に入力した光ビームの出力光導波路２からの出力した光ビームに対する減衰量がトータルで５ｄＢ〜４０ｄＢの範囲になるように設定する。第２の光結合部８を、第２の入力光導波路５に入力した光ビームの出力光導波路２からの出力した光ビームに対する減衰量が５ｄＢ〜４０ｄＢの範囲になるように設定する。
【００２２】
即ち、半導体レーザの定格出力ＰＩｄ（＝１ｍＷ〜１０ｍＷ）、光導波路との結合損失αｃｐ及びディスプレイ光学系の伝達損失αｓｙｓに依存するが、入力光導波路４〜６に入射した入射パワーから出力光導波路２から出力される光合波出力パワーに至る光減衰量αｍｐｘ（＝１０ｌｏｇ（Ｐｌｄ／Ｐｄｐ）−αｃｐ−αｓｙｓ）に対する要求値は、５ｄＢ〜４０ｄＢ、より好適には１０ｄＢ〜３０ｄＢの範囲である。但し、Ｐｄｐは所要ディスプレイ光パワーであり、1μＷ 〜１０μＷ程度である。また、損失（αｃｐ＋αｓｙｓ）は１５ｄＢ以下となる。５ｄＢより減衰量が少ないと、ＰＩｄが最小１ｍＷ、かつ、損失（αｃｐ＋αｓｙｓ）が最大１５ｄＢの場合であっても、ディスプレイ光パワーが所要範囲Ｐｄｐを超える値となる。一方、４０ｄＢより減衰量が大きいと必要とする光量が得られなくなる。なお、光合波部３の各光導波路の終端は出射光が合波光に混入しない配置で、実際には基板１の端部まで延在している（以下の各実施例の図面においても同様である）。なお、入力光導波路の数は任意であり、２本でも良いし、４本以上でも良く、４本以上の場合には、３原色以外に黄色や赤外線光を加えても良い。なお、減衰率は、各光結合部（７１，７２，８，１０）を構成する方向性結合器の長さ及び方向性結合器を構成する光導波路間の間隔等により設定する。
【００２３】
出力光導波路２は、少なくとも出射端近傍以外の領域では直線状の光導波路とし、出射端近傍では図において破線で示す屈曲部１２のように直線状の光導波路（２）に対して８５°〜９５°の角度で傾斜するようにしても良い。このように屈曲部１２を設けることにより、光合波部３の光結合部７１，７２，８から漏れ出した迷光が合波光に重畳することを確実に防止することができる。
【００２４】
複数の入力光導波路として第３の入力光導波路６を設け、第３の入力光導波路６が出力光導波路２の入射端側の光導波路を兼用するようにしても良い。第１の入力光導波路４は、光合波部３と光結合する前段で、第１の入力光導波路４に入射した光ビームを分波する第３の光結合１０を設ける。なお、そのためには、第１の入力光導波路４と光結合する光廃棄用光導波路９を設ける。この場合、第１の光結合部は、第２の光合波部８を挟んで２つの光合波部７１,７２に分離するようにしても良い。
【００２５】
複数の入力光導波路は第３の入力光導波路６を有し、第３の入力光導波路６に、第２の光結合器５の前段で第２の入力光導波路５と光結合する第３の光結合部を設けるようにしても良い。或いは、複数の入力光導波路は第３の入力光導波路６を有し、第３の入力光導波路６に、光合波部３において出力光導波路２と光結合する第３の光結合部を設けるようにしても良い。
【００２６】
なお、光合波部２としては、少なくとも赤色光、青色光及び緑色光の三原色を合波する光合波部が典型的なものである。この場合、出力光導波路２と光結合する順序は任意であり、例えば、光源１１１を青色にしても良いし、赤色或いは緑色にしても良い。
【００２７】
或いは、複数の入力光導波路４〜６の入力端近傍における導波方向を、直線状の光導波路（２）に対して８５°〜９５°の角度で傾斜するようにしても良い。この様に配置することで、光合波器の長さ方向のサイズを小さくすることができるとともに、光源からの迷光の影響を低減することができる。なお、出力光導波路２の出力端は光合波部３の直線状の光導波路（２）の光軸に対して９０°傾ければ良いが、製造誤差等を考慮して８５°〜９５°としている。
【００２８】
複数の入力光導波路４〜６の入力端近傍における導波方向が光合波部３の直線状の光導波路（２）の光軸と８５°〜９５°の角度となるように、複数の光源１１１〜１１３を基板１の一方の辺側に配置しても良い。或いは、複数の入力光導波路４〜６の入力端近傍における導波方向が光合波部３の直線状の光導波路（２）の光軸と８５°〜９５°の角度となるように、複数の光源１１１〜１１３の内の少なくとも一つ（１１１）を基板１の第１の辺側に配置し、且つ、残りの光源（１１２，１１３）を第１の辺に対向する第２の辺に配置しても良い。
【００２９】
なお、基板１としては、Ｓｉ基板、ガラス基板、金属基板、プラスチック基板等どのようなものでも良い。また、下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層の材料としては、ＳｉＯ２ガラス系の材料を用いることができるが、これ以外の材料、例えばアクリル樹脂等の透明プラスチックやその他の透明材料を用いても良い。
【００３０】
光源モジュールを形成するためには、図１に示すように、上述の各種の光合波器と、光合波器に光ビームを入射する複数の光源１１１〜１１３を組み合わせれば良い。この場合の光源１１１〜１１３としては半導体レーザが典型的なものであるが、発光ダイオードでも良い。また、複数の光源１１１〜１１３と光合波器の複数の入力光導波路４〜６との間にレンズを設けても良い。また、光源１１１〜１１３の代わりに、光ファイバ出射端を光源の位置に設置して、光ファイバからの出射光を光合波部３に導く光源装置としても良い。
【００３１】
２次元光走査装置を形成するためには、図２０に示した２次元光走査装置における光合波器６２を上述の各種の光合波器と組み合わせれば良い。さらに、画像投影装置を形成するためには、図２１に示すように、上述の２次元走査装置と、電磁コイル６４に２次元光走査信号を印加して光源から出射された出射光を２次元的に走査する２次元走査制御部と、走査された出射光を被投影面に投影する画像形成部とを組み合わせれば良い。画像投影装置としては、眼鏡型網膜走査ディスプレイ（例えば、特許文献２参照）が典型的なものである。本発明の実施の形態による画像投影装置は、例えば、メガネ型の装着具などを用いて使用者の頭部に装着される（例えば、特許文献４参照）。
【００３２】
なお、各光導波路の構造としては、各コア層を共通の上部クラッド層で覆う構造でも良いし、各コア層を個別の上部クラッド層で覆う構造でも良いし、或いは、各コア層を個別の下部クラッド層及び個別の上部クラッド層で覆う構造にしても良い。
【実施例１】
【００３３】
ここで、図２乃至図５を参照して本発明の実施例１の光合波器を説明する。図２は本発明の実施例１の光合波器の概念的構成図であり、図２（ａ）は概略的平面図であり、図２（ｂ）は入力端側の断面図である。なお、本発明の実施例１の光合波器は図１９に示した従来の光合波器に光廃棄用光導波路を設けたものであり、ここでは、発明を理解しやすいように光源を加えて光源モジュールとして図示している。図２（ａ）に示すように、青色半導体レーザチップ３１からの光ビームを入力光導波路２３に入力し、緑色半導体レーザチップ３２からの光ビームを入力光導波路２４に入力し、赤色半導体レーザチップ３３からの光ビームを入力光導波路２５に入力する。入力光導波路２３〜２５は光合波部４０の光導波路に接続し、光合波部４０で合波された合波光は出力光導波路２７の出力端から出力される。なお、出力光導波路２７の出力端は、単なる劈開面等の平面でも良いが、例えば、スポットサイズ変換器等を用いてビーム形状を制御しても良い。【００３４】
図２（ｂ）に示すように、各光導波路は、厚さが１ｍｍで(１００)面のＳｉ基板２１上に設けた厚さが２０μｍのＳｉＯ２層２２を下部クラッド層とし、ＳｉＯ２層２２上に設けたＧｅドープＳｉＯ２ガラスをエッチングして幅×高さが２μｍ×２μｍのコア層を形成し、コア層上にコア層上における厚さが９μｍのＳｉＯ２層からなる上部クラッド層２６（ＳｉＯ２層２２上での厚さは１１μｍとなる）を設けることで、入力光導波路２３〜２５、光廃棄用光導波路２８、及び、光合波部４０の各光導波路及び出力導波路２７を形成する。この場合のコア層とクラッド層との屈折率差は０．５％になる。【００３５】
ここでは、光合波部４０のサイズは長さ３ｍｍ、幅３．１ｍｍとする。光結合部４１の長さは３５０μｍ、光結合部４２の長さは２４０μｍ、光結合部４３の長さは２００μｍ、光結合部４４の長さは１２００μｍである。青色半導体レーザチップ３１の発光波長は４５０ｎｍ、緑色半導体レーザチップ３２の発光波長は５２０ｎｍ、赤色半導体レーザチップ３３の発光波長は６３８ｎｍである。【００３６】
青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３の出射口を夫々入力光導波路２３〜２５の入射口と横方向及び高さ方向を合わせ、入力光導波路２３〜２５の入射端との間隔が１０μｍになるようにマウントする。【００３７】
図３は、本発明の実施例１の光合波器における赤色ビームの伝搬状態の説明図であり、図３（ａ）はシミュレーション結果をグラフ化したものであり、図３（ｂ）は図３（ａ）を模写したものである。入力光導波路２５に入射した赤色ビームは、光結合部４３において入射パワーの７３％が出力光導波路２７移動するが、直後に光結合部４２においてパワーの大分部が入力光導波路２３の後半部に移動し、最終的に光力光導波路２７からの出力は、入射パワーの３．５％（光減衰量は１４．６ｄＢ）となる。【００３８】
図４は、本発明の実施例１の光合波器における緑色ビームの伝搬状態の説明図であり、図４（ａ）はシミュレーション結果をグラフ化したものであり、図４（ｂ）は図４（ａ）を模写したものである。入力光導波路２４に入射した緑色ビームは、光結合部４１,４２において入射パワーの大部分が入力光導波路２３の後半部に移動し、最終的に出力光導波路２７からの出力は、入射パワーの５．１％（光減衰量は１２．９ｄＢ）となる。【００３９】
図５は、本発明の実施例１の光合波器における青色ビームの伝搬状態の説明図であり、図５（ａ）はシミュレーション結果をグラフ化したものであり、図５（ｂ）は図５（ａ）を模写したものである。入力光導波路２３に入射した青色ビームは、光結合部４４において入射パワーの８９％が光廃棄光導波路２８に移動し、入力光導波路２３に残った光パワーの約半分、即ち、入射光パワーの４．７％（光減衰量は１３．３ｄＢ）が、光結合部４１及び光結合部４２を介して出力光導波路２７に移動して合波光出力となる。【００４０】
本発明の実施例１においては、製造工程が確立されるとともに、特性が確認された図１９の従来例の光合波器に光結合部４４を伴った光廃棄用光導波路２８を設けるとともに、既知の光結合器の結合係数を大略半分にしただけであるので、青色ビームに対する減衰量を独立に設定できることから、設計が容易となる。なお、実施例１においても、図１において破線で示しているように、出力光導波路２７の出射端側を屈曲させても良い。
【実施例２】
【００４１】
次に、図６乃至図９を参照して、本発明の実施例２の光合波器を説明する。図６は本発明の実施例２の光合波器の概念的平面図である。ここでも、発明を理解しやすいように光源を加えて光源モジュールとして図示している。図６に示すように、この光合波部４５は、入力光導波路２３〜２５と出力光導波路２７とともに、光合波器を形成する。青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２、赤色半導体レーザチップ３３の放射光が出力光導波路２７に直接結合することはなく、合波光出力は全て、入力光導波路２３〜２５から光合波部４５を介して移動してくる構成となっている。【００４２】
光源としての青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２、赤色半導体レーザチップ３３は、光合波器の入射端面側に並べて配置する。青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２、赤色半導体レーザチップ３３から出射した光ビームは、それぞれ光導波路２３〜２５を伝搬して光合波部４５に導かれる。なお、出力光導波路２７の出力端は、単なる劈開面等の平面でも良いが、例えば、スポットサイズ変換器等を用いてビーム形状を制御しても良い。【００４３】
各光導波路は、厚さが１ｍｍで(１００)面のＳｉ基板上に設けた厚さが２０μｍのＳｉＯ２層を下部クラッド層とし、ＳｉＯ２層上に設けたＧｅドープＳｉＯ２ガラスをエッチングして幅×高さが２μｍ×２μｍのコア層を形成し、コア層上にコア層上における厚さが９μｍのＳｉＯ２層からなる上部クラッド層を設けることで、入力光導波路２３〜２５、光合波部４５の各光導波路及び出力導波路２７を形成する。この場合のコア層とクラッド層との屈折率差は０．５％になる。ここでは、光合波部４５のサイズは長さ２ｍｍ、幅３．１ｍｍとする。【００４４】
光結合部４６の長さは１００μｍ、光結合部４７の長さは６μｍ、光結合部４８の長さは１２μｍである。青色半導体レーザチップ３１の発光波長は４５０ｎｍ、緑色半導体レーザチップ３２の発光波長は５２０ｎｍ、赤色半導体レーザチップ３３の発光波長は６３８ｎｍである。【００４５】
青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３の出射口を夫々入力光導波路２３〜２５の入射口と横方向及び高さ方向を併せ、入力光導波路２３〜２５の入射端との間隔が１０μｍになるようにマウントする。【００４６】
図７は、本発明の実施例２の光合波器における赤色ビームの伝搬状態の説明図であり、図７（ａ）はシミュレーション結果をグラフ化したものであり、図７（ｂ）は図７（ａ）を模写したものである。入力光導波路２５に入射した赤色ビームは、結合係数を小さく設定した光結合部４７を通過した後も、入射パワーの８５％はそのまま入力光導波路２５を伝搬する。入力光導波路２４に移動した赤色ビームは光結合部４８において、その一部が出力光導波路２７に移動する。出力光導波路２７からの出力は入射パワーの３．２％（光減衰量は１４．９ｄＢ）となる。【００４７】
図８は、本発明の実施例２の光合波器における緑色ビームの伝搬状態の説明図であり、図８（ａ）はシミュレーション結果をグラフ化したものであり、図８（ｂ）は図８（ａ）を模写したものである。入力光導波路２４に入射した緑色ビームは、結合係数を小さく設定した光結合部４７，４８を通過した後も、入射パワーの９４％はそのまま入力光導波路２４を伝搬する。光結合部４８において出力光導波路２７に移動して、出力光導波路２７から出射する光パワーは入射パワーの３．０％（光減衰量は１５．２ｄＢ）となる。【００４８】
図９は、本発明の実施例２の光合波器における青色ビームの伝搬状態の説明図であり、図９（ａ）はシミュレーション結果をグラフ化したものであり、図９（ｂ）は図９（ａ）を模写したものである。入力光導波路２３に入射した青色ビームは、光結合部４６を通過した後も、入射パワーの９６％はそのまま入力光導波路２３を伝搬する。光結合部４６において出力光導波路２７に移動し、光結合部４８を通過して、出力光導波路２７から出射する光パワーは入射パワーの２．５％（光減衰量は１６．０ｄＢ）となる。【００４９】
本発明の実施例２においては、各光結合部を構成する方向性結合器の長さを短くすることができるので、光合波器の小型化が可能になる。
【実施例３】
【００５０】
次に、図１０を参照して、本発明の実施例３の光合波器を説明するが、上述の実施例２の光合波器の入力光導波路の入射端側を出力光導波路に対して直交するようにしたものであり、基本的な構成及び動作原理は実施例２と同様である。【００５１】
図１０は本発明の実施例３の光合波器の概念的平面図であり、ここでも発明を理解しやすいように光源を加えて光源モジュールとして図示している。図１０に示すように、青色半導体レーザチップ３１をＳｉ基板の一方の長辺に配置し、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３をＳｉ基板の他方の長辺に配置している。ここでは、各半導体レーザの光軸と出力光導波路２７の中心軸との交差角は９０°である。交差角は任意であるが、製造誤差を考慮して８５°〜９５°の範囲であれば良い。そのため、入力光導波路２３〜２５の途中で直角に曲げる構造になっている。直角に曲げるためには、特許文献３の図４に示されるようなトレンチ構造全反射ミラーを用いているが、曲率半径の小さい曲がり導波路を用いても良い。【００５２】
半導体レーザの出射光は光導波路に完全には結合せず、その一部は扇状光ビームとなってクラッド中を伝搬していく。図１０に示した構造を採用することによって、クラッド中を伝搬する扇状光ビームが合波出力光ビーム光路に混入することを抑制することができるので、光ノイズを低減することができる。
【実施例４】
【００５３】
次に、図１１を参照して、本発明の実施例４の光合波器を説明するが、上記の実施例３において入力光導波路の出射端側を屈曲させたものであり、基本的な構成及び動作原理は実施例３と同様である。【００５４】
図１１は本発明の実施例４の光合波器の概念的平面図であり、ここでも発明を理解しやすいように光源を加えて光源モジュールとして図示している。図１１に示すように、青色半導体レーザチップ３１をＳｉ基板の一方の長辺に配置し、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３をＳｉ基板の他方の長辺に配置している。各半導体レーザの光軸と光合波部４５における出力光導波路２７の中心軸との交差角は９０°である。交差角は任意であるが、製造誤差を考慮して８５°〜９５°の範囲であれば良い。そのため、入力光導波路２３〜２５の途中で直角に曲げる構造になっている。直角に曲げるために、特許文献３の図４に示されるようなトレンチ構造全反射ミラーを用いているが、曲率半径の小さい曲がり導波路を用いても良い。【００５５】
本発明の実施例４においては、出力光導波路２７の出射端側を屈曲させている。ここでは、屈曲角を９０°としているが、屈曲角は任意であり、製造誤差を考慮して８５°〜９５°の範囲であれば良い。この場合も出力光導波路２７を直角に曲げるために、特許文献３の図４に示されるようなトレンチ構造全反射ミラーを用いているが、曲率半径の小さい曲がり導波路を用いても良い。【００５６】
この場合にも、図１０に示した構造と同様に、図１１の構造を採用することによって、クラッド中を伝搬する扇状光ビームが合波出力光ビーム光路に混入することを抑制することができるので、光ノイズを低減することができる。さらに、光合波部４５の光結合部４６〜４８からの漏れ出し光が出力光導波路２７の屈曲した出射端から出射される合波光に重畳することがないので、ノイズ光の影響をより低減することができる。
【実施例５】
【００５７】
次に、図１２を参照して本発明の実施例５の光合波器を説明するが、光源の配置を変えるために、青色用の入力光導波路の形状を変えた以外は上記の実施例３と同様である。    図１２は本発明の実施例５の光合波器の概念的平面図であり、ここでも発明を理解しやすいように光源を加えて光源モジュールとして図示している。【００５８】
図１２に示すように、青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３をＳｉ基板の一方の長辺に配置している。各半導体レーザの光軸と出力光導波路２７の中心軸との交差角は９０°である。交差角は任意であるが、製造誤差を考慮して８５°〜９５°の範囲であれば良い。そのため、入力光導波路２３〜２５の途中で直角に曲げる構造になっている。直角に曲げるために、特許文献３の図４に示されるようなトレンチ構造全反射ミラーを用いているが、曲率半径の小さい曲がり導波路を用いても良い。【００５９】
この場合にも、図１０に示した構造と同様に、図１２の構造を採用することによって、クラッド中を伝搬する扇状光ビームが合波出力光ビーム光路に混入することを抑制することができるので、光ノイズを低減することができる。また、光源を一方の辺のみに配置しているので、光源モジュールを形成した場合には、幅方向（図において縦方向）のサイズを小さくすることができる。なお、この実施例５においても、実施例４と同様に、出力光導波路２７の出射端側を屈曲させても良い。
【実施例６】
【００６０】
次に、図１３を参照して本発明の実施例６の光合波器を説明する。図１３は本発明の実施例６の光合波器の概念的平面図であり、ここでも発明を理解しやすいように光源を加えて光源モジュールとして図示している。光合波部５０は、入力光導波路２３〜２５及び出力光導波路２７とともに、光合波器を形成する。青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３の放射光が出力光導波路２７に直接結合することはなく、合波光出力は全て、入力光導波路２３〜２５から光結合部５１〜５３を介して移動してくる構成となっている。【００６１】
光結合部５１〜５３の結合係数は各々、青・緑・赤色光に対して、例えば、３％となるように設定する。光結合部５１において出力光導波路２７に移動した青色光は、出射までに２個の光結合部５２,５３を通過するが、それらの青色光に対する結合係数は３％よりも小さい。従って、出力光導波路２７から入力光導波路２４，２５に移動する青色光の量は、半導体レーザからの入射光量の０．２％以下である。同様に、光結合部５２において出力光導波路２７に移動した緑色光が、光結合部５３において出力光導波路２７から入力光導波路２５に移動して出ていく量は、０．１％以下である。青・緑・赤色光の光合波器伝達率は全て３％（光減衰量は１５．２ｄＢ）となる。【００６２】
本発明の実施例６においても、光結合部の光減衰率を所望のディスプレイ光パワーが得られるように設定することで、光ビーム強度を付加的な光減衰要素を設置することなく所望の値まで減衰することができる。
【実施例７】
【００６３】
次に、図１４を参照して、本発明の実施例７の光合波器を説明するが、上記の実施例６において出力光導波路の出射端側を屈曲させたものであり、基本的な構成及び動作原理は実施例６と同様である。【００６４】
図１４は本発明の実施例７の光合波器の概念的平面図であり、ここでも発明を理解しやすいように光源を加えて光源モジュールとして図示している。光合波部５０は、入力光導波路２３〜２５及び出力光導波路２７とともに、光合波器を形成する。青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３の放射光が出力光導波路２７に直接結合することはなく、合波光出力は全て、入力光導波路２３〜２５から光結合部５１〜５３を介して移動してくる構成となっている。【００６５】
本発明の実施例７においては、出力光導波路２７の出射端側を屈曲させている。ここでは、屈曲角を９０°としているが、屈曲角は任意であり、製造誤差を考慮して８５°〜９５°の範囲であれば良い。この場合も出力光導波路２７を直角に曲げるために、特許文献３の図４に示されるようなトレンチ構造全反射ミラーを用いているが、曲率半径の小さい曲がり導波路を用いても良い。【００６６】
この場合にも、図１１に示した構造と同様に、図１４の構造を採用することによって、クラッド中を伝搬する扇状光ビームが合波出力光ビーム光路に混入することを抑制することができるとともに、光合波部５０の光結合部５１〜５３の漏れ出し光が出力光導波路２７の屈曲した出射端から出射される合波光に重畳することがないので、ノイズ光の影響をより低減することができる。
【実施例８】
【００６７】
次に、図１５を参照して発明の実施例８の光源モジュールを説明するが、図２（ａ）において、光合波器に光源を加えて説明した光源モジュールと全く同様である。図１５は本発明の実施例８の光合波器の概念的構成図である。図１５に示すように、青色半導体レーザチップ３１からの光ビームを入力光導波路２３に入力し、緑色半導体レーザチップ３２からの光ビームを入力光導波路２４に入力し、赤色半導体レーザチップ３３からの光ビームを入力光導波路２５に入力する。入力光導波路２３〜２５は光合波部４０の光導波路に接続し、光合波部４０で合波された合波光は出力光導波路２７の出力端から出力される。【００６８】
青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３の出射口を夫々入力光導波路２３〜２５の入射口と横方向及び高さ方向を併せ、入力光導波路２３〜２５の入射端との間隔が１０μｍになるようにマウントする。【００６９】
光合波部４０の構造は、図２（ａ）に示した構造と同じであり、光合波部４０のサイズは長さ３ｍｍ、幅３．１ｍｍとする。光結合部４１の長さは３５０μｍ、光結合部４２の長さは２４０μｍ、光結合部４３の長さは２００μｍ、光結合部４４の長さは１２００μｍである。【００７０】
なお、光源モジュールにおける光合波部の構造は光合波部４０に限られるものではなく、実施例２或いは実施例６で示した光合波部４５，５０を採用しても良い。また、光源の配置も任意であり、実施例３或いは実施例５に示した配置を採用しても良い。さらには、実施例４或いは実施例７に示したように出力光導波路の出射端側を屈曲させても良い。
【実施例９】
【００７１】
次に、図１６を参照して本発明の実施例９の光源モジュールを説明するが、実施例８の光源モジュールにおいて、光源と入力光導波路との間にレンズを設けたものである。図１６は本発明の実施例９の光源モジュールの概念的構成図である。図１６に示すように、青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３との間にレンズ３６を設ける。【００７２】
この場合のレンズ３６としては、例えば、焦点距離が０．５４ｍｍで球の直径が１ｍｍの微小球レンズを用い、微小球レンズで集光した光ビームを入力光導波路２３〜２５に入射する。集光レンズは微小球レンズに限られるものではなく、ＧＲＩＮ（屈折率分布型）レンズを用いても良い。【００７３】
この場合も、光源モジュールにおける光合波部の構造は光合波部４０に限られるものではなく、実施例２或いは実施例６で示した光合波部４５，５０を採用しても良い。また、光源の配置も任意であり、実施例３或いは実施例５に示した配置を採用しても良い。さらには、実施例４或いは実施例７に示したように出力光導波路の出射端側を屈曲させても良い。
【実施例１０】
【００７４】
次に、図１７を参照して本発明の実施例１０の光源モジュールを説明するが、実施例８の光源モジュールにおける光源として半導体レーザの代わりに、光ファイバ出射端を用いた以外は実施例８と同様である。光ファイバ３７〜３９の出射端における赤色ビームの発光波長は６４０ｎｍであり、緑色ビームの発光波長は５３０ｎｍであり青色ビームの波長は４５０ｎｍである。【００７５】
この場合も、光源モジュールにおける光合波部の構造は光合波部４０に限られるものではなく、実施例２或いは実施例６で示した光合波部４５，５０を採用しても良い。また、光源の配置も任意であり、実施例３或いは実施例５に示した配置を採用しても良い。さらには、実施例４或いは実施例７に示したように出力光導波路の出射端側を屈曲させても良い。
【実施例１１】
【００７６】
次に、図１８を参照して本発明の実施例１１の光源モジュールを説明するが、実施例８の光源モジュールにおける光源として半導体レーザの代わりに、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた以外は実施例８と同様である。即ち、青色半導体レーザチップ３１の代わりに青色ＬＥＤチップ５４を用い、緑色半導体レーザチップ３２の代わりに緑色ＬＥＤチップ５５を用い、赤色半導体レーザチップ３３の代わりに赤色ＬＥＤチップ５６を用い、それに伴って、各構成要素のサイズを若干変更したものであり、光ビームがレーザ光であるか否かの違いで基本的な動作原理は同等である。青色ＬＥＤチップ５４の発光波長は５４０ｎｍであり、緑色ＬＥＤチップ５５の発光波長は５３０ｎｍであり、赤色ＬＥＤチップ５６の発光波長は６４０ｎｍである。【００７７】
この場合も、光源モジュールにおける光合波部の構造は光合波部４０に限られるものではなく、実施例２或いは実施例６で示した光合波部４５，５０を採用しても良い。また、光源の配置も任意であり、実施例３或いは実施例５に示した配置を採用しても良い。さらには、実施例４或いは実施例７に示したように出力光導波路の出射端側を屈曲させても良いし、実施例９に示したように、レンズを介在させても良い。
【実施例１２】
【００７８】
次に、本発明の実施例１２の２次元光走査装置を説明するが、光合波器の構成が異なるだけで、基本的構成は図２０に示した２次元光走査装置と同じであるので、図２０を借用して説明する。本発明の実施例１２の２次元光走査装置は、図２０の２次元光走査装置における光合波器６２を上述の実施例１に示した光合波器に置き換えたものである。なお、この光合波器は、実施例２或いは実施例６に示した光合波器に置き換えても良い。また、光源の配置も実施例１乃至実施例７に示した配置でも良い。さらには、図１６乃至図１８に示したように、レンズを設けても良いし、光源を光ファイバ或いはＬＥＤに置き換えても良い。
【実施例１３】
【００７９】
次に、本発明の実施例１３の画像形成装置を説明するが、光合波器の構成が異なるだけで、基本的構成は図２１に示した画像形成装置と同じであるので、図２１を借用して説明する。本発明の実施例１３の画像形成装置は、図２１の画像形成装置における光合波器６２を上述の実施例１に示した光合波器に置き換えたものである。なお、この光合波器は、実施例２或いは実施例７に示した光合波器に置き換えても良い。また、光源の配置も実施例１乃至実施例７に示した配置でも良い。さらには、図１６乃至図１８に示したように、レンズを設けても良いし、光源を光ファイバ或いはＬＥＤに置き換えても良い。【００８０】
この画像形成装置は、従来と同様に制御ユニット７０は、制御部７１、操作部７２、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）７３、Ｒレーザドライバ７４、Ｇレーザドライバ７５、Ｂレーザドライバ７６及び２次元走査ドライバ７７を有している。制御部７１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７１は、ＰＣなどの外部機器から外部Ｉ／Ｆ７３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７１は、Ｒ信号をＲレーザドライバ７４に、Ｇ信号をＧレーザドライバ７５に、Ｂ信号をＢレーザドライバ７６に、それぞれ送信する。また、制御部７１は、水平信号及び垂直信号を２次元走査ドライバ７７に送信し、電磁コイル６４に印加する電流を制御して可動ミラー部６３の動作を制御する。【００８１】
Ｒレーザドライバ７４は、制御部７１からのＲ信号に応じた光量の赤色レーザ光を発生させるように赤色半導体レーザチップ３３を駆動する。Ｇレーザドライバ７５は、制御部７１からのＧ信号に応じた光量の緑色レーザ光を発生させるように、緑色半導体レーザチップ３２を駆動する。Ｂレーザドライバ７６は、制御部７１からのＢ信号に応じた光量の青色レーザ光を発生させるように、青色半導体レーザチップ３１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。【００８２】
青色半導体レーザチップ３１、緑色半導体レーザチップ３２及び赤色半導体レーザチップ３３で発生した各レーザ光は、光合波器の光合波部（４０）で合波されたのち、可動ミラー部６３で２次元的に走査される。走査された合波レーザ光は、凹面反射鏡７８で反射されて瞳孔７９を介して網膜８０に結像される。
【符号の説明】
【００８３】
１  基板
２  出力光導波路
３  光結合部
４  第１の入力光導波路
５  第２の入力光導波路
６  第３の入力光導波路
７１，７２  第１の光結合部
８  第２の光結合部
９  光廃棄用光導波路
１０  第３の光結合部
１１１，１１２，１１３  光源
１２  屈曲部
２１  Ｓｉ基板
２２  下部クラッド層
２３〜２５  入力光導波路
２６  上部クラッド層
２７  出力光導波路
２８  光廃棄用光導波路
３１  青色半導体レーザチップ
３２  緑色半導体レーザチップ
３３  赤色半導体レーザチップ
３６  レンズ
３７〜３９  光ファイバ
４０，４５，５０  光合波部
４１〜４４，４６〜４８，５１〜５３  光結合部
５４  青色ＬＥＤチップ
５５  緑色ＬＥＤチップ
５６  赤色ＬＥＤチップ
６１  基板
６２  光合波器
６３  可動ミラー部
６４  電磁コイル
７０  制御ユニット
７１  制御部
７２  操作部
７３  外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）
７４  Ｒレーザドライバ
７５  Ｇレーザドライバ
７６  Ｂレーザドライバ
７７  ２次元走査ドライバ
７８  凹面反射鏡
７９  瞳孔
８０  網膜
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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