光合波器及使用该光合波器的图像投影装置的制作方法

本发明是关于将不同波长的三个可见光进行合波的光合波器及使用该光合波器的图像投影装置。

背景技术：

现有技术中，已知有能够通过激光的二维的扫描而使图像向屏幕等投影的显示装置。在该显示装置中，利用相当于颜色的三原色作为光源，即通过R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的各波长的光源在光轴上合波作为显示装置的光源。这个合波的三种颜色的可见光被传输至图像显示部。图像显示部将传输的光进行二维地扫描，并投影影像。例如，专利文献1中公开了通过使用分色镜(Dichroic mirror)，将三个波长的光源进行合波的技术。

然而，在这种显示装置中，由于使用分色镜，难以进一步进行光源的小型化。因此，可穿戴式装置之中也如护目镜等以佩戴在使用者的头部的情况下，由于光源变大，而装置需要变得大型，而光源自身需要固定在其他的地方(使用者的手腕或腰等)。

另一方面，已知有利用定向耦合器的光学耦合装置(例如参考专利文献2)。若利用这样的光学耦合装置，则可以期待显示器的小型化。

例如，在专利文献2中公开了入射三种不同的波长至光波导，并且通过三个合波部将可见光进行合波的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:特开2007-93945号公报

专利文献2:特开2013-195603号公报

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题

使用专利文献2中记载的定向耦合器的技术中是可以将三种波长的可见光进行合波，然而对合波器自身需要非常高的加工精度。另外，有若限定入射至中央的波导的波长而制作波导图案时，考虑因光的吸收引起的损失等时，则不易进一步的小型化的问题。

本发明是为了解决涉及的问题点的提案，其目的在于，提供一种可以进一步小型化的光合波器及使用该光合波器的图像投影装置。

解决问题的手段

为了解决上述课题，本发明的光合波器将波长不同的多个光进行合波，其特征在于，包括入射第一波长的光的第一波导、入射与所述第一波长的光相比短波长的第二波长的光的第二波导、入射与与所述第二波长的光相比波长短的第三波长的光的第三波导、在所述第一波导与所述第二波导之间传输所述光的第一合波部、在所述第三波导与所述第一波导之间传输所述光的第二合波部，所述第二波长的光由所述第一合波部被传输至所述第一波导，所述第三波长的光由所述第二合波部被传输至所述第一波导。

另外，根据本发明的光合波器，所述第一合波部也可以是以使所述传输方向中的长度为所述第二合波部的长度的大致一半的构成。

另外，根据本发明的光合波器，所述第一合波部也可以是等于所述第一波长的光的模式耦合长度的两倍的长度的构成。

另外，根据本发明的光合波器，也可以是所述第一波导、所述第二波导、及所述第三波导由内芯层形成，且在所述内芯层的周围具有折射率小于所述内芯层的包层的构成。

另外，根据本发明的光合波器，所述波长不同的多个光优选可见光。

另外，根据本发明的光合波器，也可以是以使所述第一波长的光，用所述第一合波部通过模式耦合被传输至所述第二波导，并以使被传输至所述第二波导的所述第一波长的光，用所述第一合波部再次被传输至所述第一波导，并且以使再次被传输至所述第一波导的所述第一波长的光，用所述第二合波部被传输至所述第三波导，并且以使被传输至所述第三波导的所述第一波长的光，在用述第二合波部再次被传输至所述第一波导的构成。

另外，根据本发明的光合波器，也可以是以使所述第二波长的光，在所述第一合波部通过模式耦合向所述第一波导传输，并以使向所述第一波导传输所述第二波长的光，在所述第二合波部向所述第三波导传输后，再次被传输至所述第一波导的构成。

另外，根据本发明的光合波器，也可以是以使所述第三波长的光，在所述第二合波部通过模式耦合被传输至所述第一波导的构成。

另外，本发明的图像投影装置是使用上述各构成的光合波器的图像投影装置，也可以是包括向所述第一波导出射所述第一波长的光的第一光源、向所述第二波导出射所述第二波长的光的第二光源、向所述第三波导出射所述第三波长的光的第三光源、将从所述光合波器出射的波长多重光二维地扫描并投影图像至被投影面的图像形成部的构成。

发明效果

根据本发明的光合波器，即使有制造过程导致的个体差，也能够对于合波的各波长的光而以极高的输出率下得到单模(Single mo de)。由此，可以维持高性能，并且也实现比上述现有技术中的光合波器更的小型化的光合波器。

附图说明

图1A是示出本发明的第一实施方式所涉及的光合波器的构成的概略俯视图。

图1B为将图1A所示的光合波器从左方向看的侧面图。

图2A为说明第一实施方式所涉及的光合波器的作用的图，示出入射单模的红色光(R)时的光的传输模式。

图2B为说明第一实施方式所涉及的光合波器的作用的图，示出入射单模的绿色光(G)时的光的传输模式。

图2C为说明第一实施方式所涉及的光合波器的作用的图，示出入射单模的蓝色光(B)时的光的传输模式。

图3为说明第一实施方式所涉及的光合波器中的个体差发生的部分的图。

图4A是示出第一实施方式所涉及的光合波器中的输出与间隙宽度的偏差关系的图表。

图4B第一实施方式所涉及的光合波器中的输出与间隙宽度的偏差关系的图表。

图5A是示出第一实施方式所涉及的光合波器中的输出与内芯宽度的偏差关系的图表。

图5B是示出第一实施方式所涉及的光合波器中的输出与内芯宽度的偏差关系的图表。

图5C是示出第一实施方式所涉及的光合波器中的输出与内芯宽度的偏差关系的图表。

图6A是示出第一实施方式所涉及的光合波器中的输出与耦合长的偏差关系的图表。

图6B是示出第一实施方式所涉及的光合波器中的输出与耦合长的偏差关系的图表。

图7是示出第一实施方式所涉及的光合波器中的输出与波长的偏差关系的图表。

图8为将本发明的光合波器作应用于为图像投影装置的一个例子的扫描型显示器的情况下的概略构成图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

<第一实施方式>

图1A是示出本发明的第一实施方式所涉及的光合波器的构成的概略俯视图，图1B为将图1A所示的光合波器从左方向看的侧面图。

在第一实施方式所涉及的光合波器中，进行合波的三种可见光为单色光，条件设定为第一可见光的波长最长，其次第二可见光的波长较长，第三可见光的波长最短。

在下面的说明中，作为波长不同的三种可见光，例举了红色光(R)、绿色光(G)、蓝色光(B)进行说明。

一般地，红色光的波长λR为620～750nm的范围，绿色光的波长λG为495～570nm的范围，蓝色光的波长λB为450～495nm的范围，RGB三种波长之间，λB<λG<λR的关系成立。例如，作为红色光选择波长λR＝638nm，作为绿色光选择波长λG＝520nm，作为蓝色光选择波长λB＝450nm。

光合波器10包括基板210、基板210上形成的包层220、该包层220之中形成并配置于与基板210平行的平面内的第一波导101、第二波导102、及第三波导103。

第一波导101、第二波导102、及第三波导103中，从在包层220的一面露出的一端101a，102a，103a分别入射波长不同的单模的红色光(R)、绿色光(G)、蓝色光(B)，使该RGB的各色光分别在第一波导101、第二波导102、及第三波导103内传输并合波，并从露出于包层220的另一面的第一波导101的另一端101b出射。此时，红色光(R)波长长，相对于波导的弯曲的损失最大，因此期望能入射至没有弯曲的中央的第一波导。

第一波导101的可见光的传输路径上，从一端101a侧依次设有第一合波部110、第二合波部120。第一波导101、第二波导102、及第三波导103在第一合波部110与第二合波部120以外的区域中，以不产生光耦合的间隔配置。

第一合波部110及第二合波部120构成为定向耦合器，在第一合波部110中，第二波导102保持后述的间隙宽度与第一波导101挨近，在第二合波部120中，第三波导103保持后述的间隙宽度与第一波导101挨近，以进行RGB的各色光的合波。

在第一实施方式中，第一合波部110的长度L1设为等于第一可见光的波长的模式耦合长度的长度(在定向耦合器中，入射至一个波导的光从另一个波导100％出射的耦合部的长度)的两倍，且设为第二合波部的长度L2的几乎一半。

作为三种可见光为RGB的各色光时的长度L1、L2的具体的尺寸，例如，可以例举长度L1＝1400μm左右、长度L2＝2800μm左右。

在第一合波部110中，第二波导102的绿色光通过模式耦合向第一波导101传输。并且，在第一合波部110中，优选第二波导102的几乎全部的绿色光向第一波导101传输。

在第二合波部120中，第三波导103的蓝色光通过模式耦合被向第一波导101传输。并且，在第二合波部120中，优选第三波导103的几乎全部的蓝色光被传输至第一波导101。

上述构成的光合波器10可以以公知的火焰水解法(Flame Hy drolysis Deposition)或溅射沉积(Sputter deposition)法等形成。例如，硅制的基板210上，将形成包层220的低折射率的氧化硅膜用火焰水解法成膜后，层叠构成内芯层的高折射率的氧化硅膜。然后，使用具有与第一至第三波导101、102、103的形状对应的图案的光掩膜，并且通过光刻法被图案化为具有一定内芯宽度的光波导。

然后，在该部分上层叠形成包层220的低折射率的氧化硅膜，覆盖所述光波导的内芯的上面。另外，例如，使用绝对折射率为1.46左右的构成用作包层，则通过设定折射率差为0.5％左右的构成作为内芯层，在内芯内传播的光能够反复进行内表面反射，并能够在内芯内有效率地传播。此时的内芯径只要为2μm左右，RGB的各色光就能够在单模的方式下传播。关于包层的层厚，为了有效率的光的传播，期望形成为10μm以上。

最后，通过研磨基板210及包层220的两端面而使第一至第三波导101、102、103的一端101a、102a、103a及第二波导102的另一端101b露出，由此完成光合波器10。

接着，关于上述构成的光合波器10中的作用及效果，参考图2A至图2C进行说明。

图2A至图2C是示出使用了由绝对折射率＝1.46的包层220、与直径为2μm并且与包层220的折射率差为0.5％的内芯层构成的第一至第三波导101、102、103的结果，在图2A为入射单模的红色光(R)的情况、图2B为入射单模的绿色光(G)的情况、图2C为入射单模的蓝色光(B)的情况下分别示出，RGB的各色光经过第一合波部110、及第二合波部120，在各波导101、102、103内如何传输的图。另外，作为光源为了有效率地用透镜等进行光束成型，理想的是单模的光。

并且，在图2A至图2C中，以明暗表示在光合波器10传输的光的强度，越明亮的部分(图面中为黑暗的部分)表示光的强度越强。

如图2A所示，入射至第一波导101的红色光(R)在第一合波部110通过模式耦合，几乎全部的输出向第二波导102传输。然后，传输至第二波导102的红色光(R)，在第一合波部110通过模式耦合再次传输至第一波导。通过将第一合波部110的长度设为第一可见光的波长的模式耦合长度的两倍的长度，由此可以将光从第一波导101经由第二波导102，几乎100％地再次返回至第一波导101。然后，在第二合波部120也通过与上述一样的模式耦合，红色光(R)的几乎全部输出被传输至第三波导103后，再次传输至第一波导101。若将第二合波部120的长度设为第一合波部110的长度的两倍，则第二合波部120的长度变为第一可见光的波长的模式耦合长度的四倍的长度，因此可以将光从第一波导101经由第三波导103，几乎100％地再次返回至第一波导101。并且，在图2A中，将入射的红色光(R)的传输路径用虚线的箭头表示。

如图2B所示，入射至第二波导102的绿色光(G)在第一合波部110通过模式耦合，几乎全部的输出向第一波导101传输。然后，向第一波导101传输的绿色光(G)，在第二合波部120通过模式耦合，向第三波导103传输后，再次通过模式耦合，最终被传输至第一波导101。并且，在图2B中，将入射的绿色光(G)的传输路径用虚线的箭头表示。

如图2C所示，入射至第三波导103的蓝色光(B)在第二合波部120通过模式耦合，几乎全部的输出向第一波导101传输。并且，在图2C中，将入射的蓝色光(B)的传输路径用虚线的箭头表示。

根据上述，若将单模的RGB的各色光同时地入射至三个波导101、102、103的每一个，则将RGB的各色光进行合波的合波光形成为对应于各色光的强度的显色光，并从第二波导102的另一端102b输出。

然而，光波导中存在其制造过程引起的个体差。所谓个体差是指，形成各合波部的定向耦合器的尺寸部分所发生的制造偏差，对性能造成影响。例如，波导间的间隙宽度的间隔、或波导的内芯部的宽度、或者是耦合部的长度等。另外，LED、LD等的光源中，也存在制造过程引起的个体差，且出射的光的波长散乱。下面，一边参考图3至图7，一边说明针对这些偏差，从光合波器10的输出是如何变化。

图3是示出用于说明上述光合波器的个体差的各部的名称。在该图中为了帮助理解，将三个相同的光合波器横向排列(具体地，将图2A至图2C所示的三个光合波器按照图的顺序排列)而进行说明。例如，若用中央的光合波器的图说明，则将各色的光源导波的内芯的折射率从左侧设为n1、n2、n3，并将内芯宽度设为a1、a2、a3。另外，用最左侧的光合波器的图进行说明，则将左侧的波导与中央的波导耦合的长度设为L1，并将右侧波导与中央波导耦合的长度设为L2。

另外，图4A及图4B的横轴是示出从基准的间隙宽度的偏差量ΔS。ΔS₁₂为在第一合波部110中自第一波导101与第二波导102的内芯间间隙的设计值的偏差量，ΔS₂₃为在第二合波部120中自第一波导101与第三波导103的内芯间间隙的设计值的偏差量。基准间隙宽度S为2μm。图4A及图4B的纵轴是示出输出的光的强度相对于输入至光合波器10的光的强度的比例T。如图4A及图4B所示，在基准间隙宽度下，红色光(R)、绿色光(G)、及蓝色光(B)均能够以98％以上的输出得到单模。然后，若对于基准间隙有±0.08μm左右的偏差，则在各波长中经常能够以80％以上的输出得到单模。

另外，图5A至图5C的横轴是示出从基准的内芯宽度的偏差量Δa。Δa₁为自第一波导101的内芯宽度a1的偏差量，Δa₂为自第二波导102的内芯宽度a2的偏差量，Δa₃为自第三波导103的内芯宽度a3的偏差量。基准的内芯宽度为2μm。图5A至图5C的纵轴是示出输出的光的强度相对于输入至光合波器10的光的强度的比例T。如图5A至图5C所示，在基准内芯宽度下，红色光(R)、绿色光(G)、及蓝色光(B)均能够以98％以上的输出得到单模。然后，若相对基准内芯宽度有±0.03μm左右的偏差，则在各波长中，经常以80％以上的输出得到单模。

另外，图6A及图6B的横轴是示出自基准的耦合长度的偏差量ΔL。ΔL₁为自第一合波部110的设计值L1的偏差量，ΔL₂为自第二合波部120的设计值L2的偏差量。基准的耦合长度与使用的波长、内芯直径相关，但是例如第一实施方式，大致L1＝1.4mm、L2＝2.8m m。图6A及图6B的纵轴是示出输出的光的强度相对于输入至光合波器10的光的强度的比例T。如图6A及图6B所示，在基准耦合长度下，红色光(R)、绿色光(G)、及蓝色光(B)均能够以98％以上的输出得到单模。然后，若相对基准耦合长度有±200μm左右的偏差，则在各波长中经常能够以80％以上的输出得到单模。

图7是示出横轴为自基准的波长的偏差量，纵轴是示出输出的光的强度相对于输入至光合波器10的光的强度的比例T。基准的波长是红色光(R)为波长λR＝638nm、绿色光(G)为波长λG＝520nm、蓝色光(B)为波长λB＝450nm。如图7所示，若相对基准波长有±10nm左右的偏差，则在各波长中经常能够以88％以上的输出得到单模。

如此，根据第一实施方式的光合波器10，即使有制造过程引起的个体差，也能够相对于合波的各波长的光，以极高的输出率得到单模。由此，可以维持高性能，并且实现与上述现有技术的光合波器相比更加小型化的光合波器。

[扫描型显示器的构成]

图8为将上述构成的光合波器10应用于作为图像投影装置的一个例子的扫描型显示器的情况下的概略构成图。

该扫描型显示器的构成大致包括:控制部12；R、G、B的各激光驱动器15a至15c；与R、G、B对应的各LD16a至16c；光合波器10；透镜21；扫描器22；扫描驱动器23；中继光学系统24；屏幕25等。图8中省略图示中继光学系统24的具体的构成。

由控制部12控制各波长的激光输出，与其结果对应的电流从R激光驱动器15a、G激光驱动器15b、及B激光驱动器15c的每一个，施加至R-LD16a、G-LD16b、及B-LD16c的每一个。然后，输出的光穿过光合波器10并调整为期望的光后，通过透镜21形成光束。该光束成型的形状根据使用的扫描器22的性能、或显示器的规格不同。

用透镜21成型的光在扫描器22反射而向屏幕25投影，作为投影光26在屏幕25上以亮点成像。控制部12通过将水平信号与垂直信号分别发送至扫描驱动器23而进行扫描器22的控制。该信号中包含决定扫描器22的动作的时序的同步信号、及设定驱动信号的电压、频率的驱动设定信号等。

各激光驱动器15a至15c以产生与来自控制部12的各波长的信号对应的光量的激光的方式，调制驱动各激光16a至16c。通过调整各色的激光的输出比，而再现期望的颜色的激光被输出。

扫描器22与各激光16a至16c的调制驱动同步地进行水平扫描及垂直扫描，由此投影光26以在屏幕25上描绘轨迹27的方式进行扫描，从而在屏幕25上描绘出二维图像。

关于本发明适宜的实施方式进行说明，但本发明不限于上述构成。

例如，若在上述构成中作为波长不同的三个可见光例举说明RGB的各色光，本发明为只由恒定波长构成的光(单色光)，且满足上述的波长条件，则也可以将RGB的各色光以外的三个可见光进行合波。

<第二实施方式>

上述第一实施方式中，虽然在与基板210的表面平行的面内形成波导101、102、103的构成，但基板并不一定为必须。另外，波导101、102、103的配置也不限于如上所述的二维的配置，也可以是例如在以波导101作为中心的圆周上配置其他波导102、103等的三维的构成。

<第三实施方式>

另外，上记第一实施方式中，虽然在包层220的内部嵌入内芯层，将波导101、102、103一体成型，但也可以构成为分别形成由内芯层与包层构成的波导101、102、103，以使配置在基板等的支撑体上。

另外，本次公开的实施方式在所有方面仅为例示，并非成为限定性解释的依据。因此，本发明的技术范围并非仅由上述的实施方式来进行解释，而根据权利要求书的描述来进行划定。此外，包含与权利要求书等同的意思以及范围内的所有变更。

并且，此申请主张基于2015年10月14日在日本申请的特愿2015-203233的优先权。通过在此提及，从而其全部内容被援引于本申请中。

产业上的利用可能性

根据本发明，能够在将不同波长的可见光进行合波的光合波器及使用该光合波器的图像投影装置的技术领域中，实现装置的进一步小型化。

标号说明

10 光合波器

12 控制部

15a R激光驱动器

15b G激光驱动器

15c B激光驱动器

16a R-LD

16b G-LD

16c B-LD

21 透镜

22 扫描器

23 扫描驱动器

24 中继光学系统

25 屏幕

101 第一波导

102 第二波导

103 第三波导

110 第一合波部

120 第二合波部