NEDO、高輝度・超小型な2種の3原色レーザー光源を実証 - 対LEDで優位性確認

 

新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)、大阪大学、島津製作所は3月14日、可視光半導体レーザーの用途拡大に向け、「高輝度モデル」と「超小型化モデル」の2種類の3原色レーザー光源モジュールを開発し、これを機器に実装した際の効果を実証したと発表した。

高輝度モデルの3原色レーザー光源モジュールは、レーザーテレビやプロジェクタなどの高輝度表示装置、および自動車用ヘッドライトや業務用照明などのレーザー照明向けに開発されたもの。赤色、緑色は10W、青色は20Wを超える高出力であり、輝度は世界最高クラスとなっている。一方、超小型モデルの3原色レーザー光源モジュールは、走査型レーザー投射用に開発されたもので、主要部の容積は1×1×0.5cm3。緑色の波長を調整したことで、より自然な色再現が可能となった。

世界最高クラス輝度の3原色レーザー光源モジュール

世界最小クラスの3原色レーザー光源モジュール

NEDO 電子・材料・ナノテクノロジー部 山崎知巳氏

NEDO 電子・材料・ナノテクノロジー部 山崎知巳氏は同モジュールについて、「搭載機器を体積比で10分の1程度に小型化できること、またLEDと比べて3倍程度の輝度および2倍程度の省エネ性能が得られることがメリット。これによりさまざまなディスプレイや照明機器を小型化・省電力化することが可能になる」と説明している。今回実際に、これらのモジュールを国内機器メーカーの機器に組み込み評価を行い、LED等の他の光源に比べて、小型化、省エネ性能、色再現性において優位性があることを確認している。

たとえば、走査型レーザー投射への応用においては、LEDでは2%だった電力変換効率(Wall- Plug Efficiency:WPE)を16%にまで向上。また光線の拡散がほとんどないため、投影面の距離や形状などに関わらず焦点が合うというレーザーの特性が活かされることを確認している。同特性をスマートフォンに応用できれば、壁に向けて投影するだけで簡単にピントの合った画像が得られるといった可能性がある。また、人間の眼にも適用できる可能性があり、たとえば、眼に無害な強度のレーザー光を直接網膜上に走査することにより、近視等の屈折異常のある人でも、ピントの合った画像が得られるというヘッドマウントディスプレイの実現が期待できる。

可視光半導体レーザー光源のユースケースと応用商品

実証されたレーザーの優位性(対LED)

小型プロジェクタに可視光半導体レーザーを応用した例。光線の拡散がほとんどないため投影面の距離や形状などに関わらず焦点が合う

ヘッドマウントディスプレイに応用可能。フレーム内側に可視光半導体レーザーの技術を応用した超小型プロジェクタが実装されている (SEMICON Japan 2015の展示より)

今回のような半導体レーザーデバイスの応用においては従来、モジュールの実装において応用機器ごとに異なる設計をしており、またメーカーごとに異なる設計基準があるなど、開発ロスが大きいという課題があったが、島津製作所 デバイス部 センサ・デバイス技術グループ グループ長 東條公資氏によると「光ファイバ結合型の光源モジュールを採用したことで、光ファイバ出力によるレーザー光の自在取り回しや細径光ファイバによる高輝度出力、1本の光ファイバからRGBの同時出力ができるようになり、多彩な機器に応用可能となった」という。

島津製作所の可視光半導体レーザーモジュール実装技術「BLUE IMPACT」の概要。複数の半導体レーザーを1本の細径ファイバに集約している

津製作所 デバイス部 センサ・デバイス技術グループ グループ長 東條公資氏

今後は、スマートフォンやタブレット端末等の小型電子機器から、数十メートル級のシアター、プロジェクションマッピングなどの大型映像装置まで幅広い応用が期待され、NEDOらはこれら機器への実装を目指すとしている。

大阪大学 光科学センター 副センター長 山本和久 特任教授

また今回、大阪大学 光科学センター 副センター長 山本和久 特任教授が発起人となって2014年に設立された「可視光半導体レーザー応用コンソーシアム」は、実用化・普及の妨げとなっているレーザー特有の特性や安全性等の課題に対処するために、3原色レーザー光源モジュールの性能基準や信頼性・安全性に関するガイドラインを策定した(同ガイドラインはHPにて公開されている)。同コンソーシアムは、デバイスメーカーや機器メーカーなどの主要な関連企業と大学・研究機関など51機関(2月末現在)で構成されており、人間の眼に対するレーザーの安全性を確保する技術的基準や、レーザーを用いて映像を描く際に技術的課題となる「スペックル」というレーザー特有の現象についても解決を目指していく。

可視光半導体レーザーは、LEDの次世代の光源といわれており、その応用として2030年には50兆円の市場が見込まれるという。同コンソーシアムは、今回のガイドライン策定により、実用化・普及に向けて活動を本格化し、50兆円市場への道筋を付けていく考えだ。

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