JP2007316607A

JP2007316607A - 光学装置、光処理装置、光処理方法、照明装置及び画像生成装置

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Publication number: JP2007316607A
Application number: JP2007086613A
Authority: JP
Inventors: Olivier Ripoll; リポル、オリヴィエ; Markus Kamm; カム、マーカス
Original assignee: Sony Deutschland GmbH
Current assignee: Sony Deutschland GmbH
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2007-12-06
Also published as: EP2133720A1; EP1840611A1; US20070230179A1; US7901086B2

Abstract

【課題】照明の放射のプロファイル及び分布を所望通りにし、複数の要素の機能を結合して、スペックルを低減し、損失を回避する。
【解決手段】複数のカラー画像を再結合してカラー画像を表示するために、同心円状に分割されたゾーンを有し、異なる衝突角で入射する光ビームを方向付ける屈折素子と、光軸に定義された平行な出力ビームを再分布させる要素、例えば、ホログラムとを備えるカラーホイールを用いることによって部品数を少なくし、特に、レーザ光線を用いるシステム内の散光に起因するスペックル等の寄生的な雑音を改善する。カラーホイール上の個々の光処理ゾーンのシーケンスは、レーザ光源と同期される。
【選択図】図９

Description

本発明は、軸を中心に回転する透過性のカラーホイールを用いた光処理装置、光処理方法、光処理装置を備える照明装置、及び画像生成装置に関する。具体的には、本発明は、色再結合（colour recombination）、光整形（light shaping）及びスペックル低減（speckle reduction）を用いたカラー画像のディスプレイ装置及びこれらの方法及び装置を用いた画像表示エンジンに関する。

ディスプレイ装置は、電子機器及び多くの種類のユーザ機器にとって重要である。この分野では、特に、照明、画像生成及び投写のための処理及びデバイスについて、集中的な技術開発が行われている。ここで、照明装置は、例えば、広帯域の光源と、各スペクトルビームスプリッタ装置等との間の適応化が不十分なために、最初に生成した照明光のうちのかなりの量が失われるという問題が知られている。一方、照明装置及び各光源は、それぞれが生成された放射のプロファイル及び分布を有する所望のスペクトルチャンネルの光を生成するだけではなく、特に、コヒーレント光源、例えば、レーザ光源を用いるカラー画像表示装置におけるスペックルと呼ばれる、生来的に寄生的又は光学的雑音を生成することも当分野では知られている。

本発明は、最初に生成された一次照明光を用い、歩留まりが高く、寄生的な放射雑音を低減できる光処理方法及び光学装置、照明装置及び画像生成装置を提供する。本発明の目的は、軸を中心に回転し、上面及び背面を有する透過性のカラーホイールを備え、上面及び背面の少なくとも一方は、背面から出射する光ビームが光軸に沿って方向付けられるように、上面に衝突する光を偏向、散光及び再分布するように設計されたマイクロ構造体を有する光処理装置によって達成される。

カラー画像を表示するために、プロジェクタ等の各装置は、複数のモノクロ画像又は単一のカラー画像を再結合する必要がある。従来の技術では、これらの基本画像は、マイクロディスプレイによって生成され、マイクロディスプレイは、光を均一に照射する必要がある。レーザ光源を用いた場合、システム内の散光に起因する「スペックル」と呼ばれる寄生雑音が生じる。本発明は、例えば、特に、特別に設計されたカラーホイールを用いることによって再結合を実現する、部品数がより少ないレーザ等のコヒーレント光源を使用することによって、画像生成装置への基本画像の再結合、ビーム整形、及び複数のカラーチャンネルの均一化を実現し、スペックルを低減する。

本発明において、カラーホイールは、少なくとも３個の、それぞれが狭帯域の光源に割り当てられた別個の同心円状の等距離ゾーンを有する。カラーホイールのドライブの回転速度は、各光源ビーム領域がカラーホイールの関連するゾーンに入ったときのみ、光源のオン／オフを順次切換える切換手段と同期される。本発明に基づくカラーホイールは、受光した一次照明光又は一次照明光の複数の個々の成分を受光し、整形し、再分布し及び／又は方向付ける手段を備え、再分布及び方向付けられた一次照明光は、二次照明光として出射される。

詳しくは、カラーホイールの上面のゾーンは、それぞれが１つのゾーンに割り当てられた屈折素子の組によって構造化されており、屈折素子の各組の偏向角は、カラーホイールの背面から出射される光が光軸に平行となるように対応する光源のビームの入射角を反対にするように選択される。カラーホイールの背面は、衝突光を、均一なピラミッド状の出射ビーム内に再分布するホログラム、特にコンピュータによって生成されたホログラムを備える。

本発明では、一カ所の１つの要素であるカラーホイールによって、個々の方向付け、整形、再分布を行うため、例えば、ロッド、カラーホイール、一次反射器、移動散光器等の通常、３〜４個の要素によって実現される機能を１つに集約することができる。本発明では、同期されたレーザ光源との組合せによって、従来のカラーホイールに共通する損失を抑制することができる。

本発明では、色が連続して投写されるので、幾つかの波長について、それぞれ処理を実行する構造を設計することができ、１つのゾーン又は領域のミラー構造は、関連する波長についてのみ設計すればよく、複数の波長構造のための設計の必要性がなくなる。

カラーホイールの変形例では、対応する光源のビームを、入射ビーム方向に対して定義された角度のピラミッド状ビーム内に再分布するホログラムをカラーホイールの上面のゾーンに形成する。カラーホイールのこの実施の形態では、背面は、それぞれが１つのゾーンに割り当てられた屈折素子の組によって構造化される。そして、屈折素子、例えば、反射性のマイクロプリズムの各組の偏向角は、対応する光源のビームの入射角を反対にするように選択される。

有利な実施の形態として、ホログラム、具体的には、コンピュータによって生成されたホログラムを用いた場合、カラーホイールの片面、すなわち、好ましくは、ホログラム、特にコンピュータによって生成されたホログラムを有する上面のみによって、背面から出射される光が光軸に平行になるように上面に入射したビームを方向付け、同時に、この出射光のビームを均一なピラミッド状のビーム内に再分布させることができる。

現在の技術では、カラーホイールの両面の一方に、ビーム整形及び方向付けのための２つの構造を提供することが有利である場合が多く、すなわち、例えば、一方の面に屈折マイクロプリズムを設け、他方の面にホログラムを設けてもよい。この手法によって、２つの構造の各機能間に生じる可能性がある変動を均衡させることができ、製造上の制約を緩和できる。また、この手法によって、カラーホイールの２つの面の間で、散光機能を分散させることができる。

本発明に基づく光処理ユニットは、一次照明光を受光する光入射部と、受光した一次照明光を処理し、二次照明光を生成する光処理セクションとを備える。光処理ユニットは、１又は複数の成分からなる一次照明光を受光し、整形し、再整形し及び／又は方向付ける上述したカラーホイールのいずれかの実施の形態を含み、これにより、一次照明光とは異なる特性を有する二次照明光を生成する。

以下に示す本発明及び本発明の実施の形態の説明では、機能的及び構造的に同様又は同等の要素又はコンポーネントには、共通の符号を付し、これらについては、説明を繰り返さない。

本発明の一側面に基づく光処理光学ユニット１０は、一次照明光Ｌ１が入射する光入射部Ｅと、透過性のカラーホイールＷを有し、受光した一次照明光を処理して、処理された一次照明光Ｌ１’を二次照明光Ｌ２として生成する光処理ユニットＰと、この二次照明光Ｌ２を出射する光出射部である対物レンズＯとを備える。

本明細書で用いる用語「照明光」は、個々の又は複数の光の部分又は光成分、例えば、一次照明光成分Ｌ１Ｒ、Ｌ１Ｇ、Ｌ１Ｂ、前処理された成分Ｌ１Ｒ’、Ｌ２Ｇ’、Ｌ２Ｂ’、又は二次照明光成分Ｌ２Ｒ、Ｌ２Ｇ、Ｌ２Ｂを含む。

また、本発明では、成分Ｌ１Ｒ、Ｌ１Ｇ、Ｌ１Ｂ、Ｌ１Ｒ’、Ｌ１Ｇ’、Ｌ１Ｂ’Ｌ２Ｒ、Ｌ２Ｇ、Ｌ２Ｂは、包括的に、あるスペクトル成分又はスペクトル領域を指すものとする。これらのスペクトル成分又はスペクトル領域は、三原色ＲＧＢ（赤、緑、青）又は他の特定のスペクトル領域の組に限定されないが、三原色ＲＧＢであってもよい。

更に、カラーホイールＷは、一次照明光Ｌ１を受光する上面Ｗａと、二次照明光Ｌ２を出射する第２の背面Ｗｂを備える。カラーホイールＷは、更に、ｊ＝１、２、３として、個別のセクション、セクタ、セグメント又はカラーホイールのリングとして形成される複数の個別のゾーンＺｊを有する。ゾーンの数は、１個、２個又は３個に限定されず、処理される光成分の数に応じて、更に多くてもよい。多くの場合、ゾーンは、放射状に等距離の３個の個別のゾーンからなり、各ゾーンは、狭帯域光源（narrow-band light source）に割り当てられる。

カラーホイールＷの各ゾーンＺｊは、定義された光入射方向ｅ又は光入射方向の範囲ｅｄから所定の定義されたスペクトル領域の一次照明光Ｌ１光を受光するように適応化され、又はこのための要素を有する（図３Ａ）。カラーホイールのゾーンＺｊは、定義された光出射方向ｏ又は光出射方向の範囲ｏｄに予め定義されたスペクトル範囲の光を二次照明光Ｌ２として出射するように構成されている。複数のゾーンＺｊの各光出射方向ｏ又は光出射方向の範囲ｏｄは、同じであってもよく、光路の共通の光軸ＯＺに一致し又は平行であってもよい。

カラーホイールＷは、回転軸ＲＺを中心に回転することができる。複数のゾーンＺｊの共通の光軸ＯＺは、回転軸ＲＺに対する所定の傾角によって定まり、回転軸ＲＺに対して平行である。

本発明を実施するための最良の形態
図１に示すように、光処理光学ユニット１０の基本的な構成要素は、上面Ｗａ及び背面Ｗｂを有するカラーホイールＷである。図１の実施の形態では、カラーホイールＷは、カラーホイールＷのディスク面に垂直である中央の回転軸ＲＺを中心に回転可能な円形の透過性のディスクとして形成されている。カラーホイールのリングセクションＲは、一次照明光Ｌ１を整形（reshaping）し、再分布（redistributing）させ、方向付ける（redirecting）要素を備える３個のゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３に分割される。図１では、一次照明光Ｌ１は、回転軸ＲＺに平行な方向ｚにおいて、光軸ＯＺに一致する対物レンズＯの出力方向に方向付けられている。なお、光軸ＯＺ’は、回転軸ＲＺに対して、ゼロではない傾角を有する方向ｚ’を向いていてもよい。ゾーンＺｊ（１，２，ｚ＝３）の数は、カラー画像の場合、少なくとも３個であるが、これより多くてもよい。

図２は、図１に示すカラーホイールＷの一部を拡大して示す横断面図である。各ゾーンＺｊは、上面Ｗａ及び背面Ｗｂに配設又は形成され、それぞれが偏向要素ｄ、ｄ１、ｄ２又は整形要素及び再分布要素ｒ、ｒ１、ｒ２として機能する一組のマイクロ構造体ＭＳを備える。マイクロ構造体ＭＳは、各ゾーンＺｊ毎に異なっていてもよい。

図３Ａ〜図３Ｃは、本発明に基づく光処理光学ユニット１０の動作原理を説明する図であり、この実施の形態では、３個の光源Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を有する光源ユニット２０を用いている。なお、本発明では、幾つの光源Ｓ１、…、Ｓｊ、…、ＳＮを設けてもよい。各光源Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ一次照明光を生成し、これらは、一次照明光Ｌ１において重複しないスペクトル成分であってもよい。一連の図３Ａ〜図３Ｃからわかるように、各光源Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３からの照明光は、回転軸ＲＺを中心とするカラーホイールＷの回転及びゾーンＺｊ（ｊ＝１，２，３）と、光源Ｓｊ（ｊ＝１，２，３）との間の割当によって同期され、すなわち、各時点において、１つの光源Ｓｊだけが有効に照射され、他の光源は、遮断され、それぞれ関連する光源Ｓｊに割り当てられたゾーンＺｊだけが出射される。一連の図３Ａ〜図３Ｃに示すように、各一次照明光Ｌ１Ｓ１、Ｌ１Ｓ２、Ｌ１Ｓ３は、それぞれの光入射方向ｅ及び入射分布ｅｄを有する。各マイクロ構造体ＭＳ及び各偏向要素ｄ、ｄ１、ｄ２又は再分布要素ｒ、ｒ１、ｒ２とのインタラクションによって、二次照明光Ｌ２は、光出射方向ｏに対応する光軸ＯＺの共通の方向ｚに方向付けられ、各出射分布ｏｄを有する二次照明光成分Ｌ２Ｓ１、Ｌ２Ｓ２、Ｌ２Ｓ３として、カラーホイールＷから出射される。

各ゾーンＺｊは、例えば、ＬＥＤ又はレーザ等の狭帯域光源Ｓｊに関連付けられている。これらの光源Ｓｊは、ビームを散光し、コリメートするレンズ等の一次光学素子を備えていてもよい。これらの光源Ｓｊによって出射された光ビームは、カラーホイールＷ、特に、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、それぞれの入射ビーム領域Ｂに到達する、この入射ビーム領域Ｂは、光軸ＯＺを中心としてもよく、例えば、カラーホイールＷに対して直交し又は垂直であってもよい。光源Ｓｊは、各関連するゾーＺｊと同期される。カラーホイールが回転軸ＲＺを中心に回転した場合、入射ビーム領域Ｂが関連する又は割り当てられたゾーンＺｊにある場合のみ、所定の光源Ｓｊが有効（オン）になる。図３Ａ〜図３Ｃは、光源Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の３つの状態を示している。入射ビーム領域ＢがゾーンＺ１にある場合、光源Ｓ１がオンになり、光源Ｓ２、Ｓ３は、オフになる。また、入射ビーム領域ＢがゾーンＺ２に入ると、光源Ｓ２がオンになり、光源Ｓ１、Ｓ３がオフになる。また、入射ビーム領域ＢがゾーンＺ３に入ると、光源Ｓ３がオンになり、光源Ｓ１、光源Ｓ２がオフになる。

図４Ａ及び図４Ｂは、二次照明光Ｌ２の出射状況を更に詳細に拡大して示す斜視図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、二次照明光Ｌ２の一次出射方向ｏｄとしての光軸ＯＺに基づいて、光軸ＯＺ及び二次照明光Ｌ２の一次出射方向ｏｄに対する垂直角ＡＸ及び水平角ＡＹを有するピラミッド状の放射分布を得ることができる。

カラーホイールＷの上面Ｗａ及び背面Ｗｂ上のマイクロ構造体ＭＳ（図２）は、図４Ａ及び図４Ｂに示し、上述した、垂直角ＡＸ、水平角ＡＹを有する長方形のピラミッド内において、光エネルギを均一に散光及び再分布させるように設計されている。更に、マイクロ構造体ＭＳは、出射するピラミッド状のビームの全てが光軸ＯＺに沿って方向付けられるように入射光ビームを方向付ける。カラーホイールＷのこのようなマイクロ構造体は、米国特許第３，６０６，５１５号に開示されているキノフォームによって実現でき、米国特許第３，６１９，０２２号に開示されているものと同様のアルゴリズムを用いて設計することができる。

図５Ａ〜図５Ｃ及び図６Ａ〜６Ｃは、３個の光源Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が図３Ａ〜図３Ｃに示す状況にある場合における光ビーム整形及び光の再分布のための２つの手法を示している。これらの図では、ビーム領域内に位置するカラーホイールＷのセクションを示している。光の方向は、矢によって示している。

図５Ａ〜図５Ｃの横断面図に示すように、本発明に基づく光処理光学ユニット１０は、異なる手法で実現することができる。

図５Ａ〜図５Ｃに示すように、第１の実施の形態では、カラーホイールＷは、方向付け又は偏向要素ｄ、ｄ１を備え、及び／又は各ゾーンＺ１〜Ｚ３における上面Ｗａの一部によって方向付け又は偏向を行う。各一次照明光成分Ｌ１Ｓ１、Ｌ１Ｓ２、Ｌ１Ｓ３は、上面Ｗａにおいて、方向付け又は偏向要素ｄ、ｄ１とインタラクトすることによって、それぞれの光入射方向ｅから、実質的に光軸ＯＺに平行であり、カラーホイールＷの回転軸ＲＺに平行である共通の出射方向ｏｄに随時偏向され及び方向付けられる。したがって、上面Ｗａとのインタラクションの後の中間方向ｉｄは、最終的な出射方向ｏｄと同じである。既に方向付けられているが、未だ整形及び再分布されていない一次照明光Ｌ１は、カラーホイールＷの背面Ｗｂ上に配設された整形及び再分布要素ｒ、ｒ２とインタラクトする。

方向付け又は偏向要素ｄ、ｄ１及び整形及び再分布要素ｒ、ｒ２は、図５Ａ〜図５Ｃのいずれの場合も、異なるゾーンＺ１〜Ｚ３にそれぞれ対応しており、マイクロ構造体ＭＳから空間的に分離されている。したがって、一方の方向付け及び偏向機能及び他方の整形及び再分布機能は、上面Ｗａ及び背面Ｗｂにおいて、空間的に分離されている。

一次照明光Ｌ１の第２の一次照明光成分Ｌ１Ｓ２の光入射方向ｅは、光軸ＯＺの方向及び出射方向ｏｄに一致するため、第２の一次照明光成分Ｌ１Ｓ２のための再分布及び偏向要素ｄ、ｄ１及び第２のゾーンＺ２は、単に、偏向を行わず、少なくとも平行シフトを行う平面構造であればよい。

図５Ａ〜図５Ｃにおいて、ゾーンＺｊの上面Ｗａは、対応する光源Ｓｊのビームの入射角を反対にする偏向角を有する一組の屈折マイクロプリズムを備えるマイクロ構造体ＭＳによって構造化されている。この結果、カラーホイールＷの背面Ｗｂに入射する光は、光軸ＯＺに平行になる。背面Ｗｂは、例えば、コンピュータによって生成されたホログラムを備え、このホログラムは、均質なピラミッド状のビーム内に光を再分布するように機能する。総合的な光学的機能に影響を与えることなく、２つの面の順序を逆にすることもできる。

図６Ａ〜図６Ｃに示す実施の形態では、カラーホイールＷの１つの面だけを、２つの機能、すなわち、再分布及びビーム整形を結合した、コンピュータによって生成されたホログラムによってパターン化している。偏向／方向付け機能及び整形及び再分布機能は、各一次照明光Ｌ１Ｓ１、Ｌ１Ｓ２、Ｌ１Ｓ３に対応するゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３のそれぞれにおいて、一方の方向付け及び偏向要素ｄ、ｄ１と、他方の上面Ｗａ上の１つの単一のマイクロ構造体ＭＳ内の整形及び再分布要素ｒ、ｒ１とを構造的に及び幾何学的に結合することによって上面Ｗａにおいて結合される。この実施の形態では、一次照明光は、同時に、偏向／方向付け及び整形／再分布される。背面Ｗｂは、平面形状に設計される。

図７Ａ〜図７Ｃは、カラーホイールＷの第３の構造化例を示しており、ここでは、第１の構造体は、図５Ａ〜図５Ｃのように、偏向機能の全てを実行せず、光ビームを部分的に偏らせる。次に、背面Ｗｂの第２のマイクロ構造体ＭＳは、ビーム整形と共に、図６Ａ〜図６Ｃと同様の最終的な偏向を実行する。偏向光学素子によって実現可能な光ビームの偏向の範囲は、製造技術によって制約される。図７Ａ〜図７Ｃの手法を用いて、２つの構造の間の偏向の大きさを調整することによって、製造時の制約を緩和することができる。更に、散光機能を２つの表面に分散させることができる。

詳しくは、図７Ａ〜図７Ｃに示す構成では、偏向及び方向付け機能は、第１〜第３の一次照明光Ｌ１Ｓ１、Ｌ１Ｓ２、Ｌ１Ｓ３にそれぞれ割り当てられた各ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３について、上面Ｗａに第１の方向付け及び偏向要素ｄ、ｄ１を設け、背面Ｗｂに第２の方向付け及び偏向要素ｄ、ｄ２を設けることによって、部分的な偏光及び方向付け機能に分割される。上面Ｗａにおける一次照明光と、第１の方向付け及び偏向要素ｄ、ｄ１とのインタラクションの後に、光は、それぞれの光入射方向ｅから、所望の光出射方向ｏには一致しない中間的方向ｉに偏向及び方向付けられ、次に、カラーホイールＷの背面Ｗｂにおける第２の方向付け及び偏向要素ｄ、ｄ２とのインタラクションの後に、更に偏光又は再分布され、各照射光が所望の光出射方向ｏに向けられる。第２の偏向及び方向付け処理と同時に、整形及び再分布処理が実現される。このように、第１の上面Ｗａでは、第１の方向付け及び偏向要素ｄ、ｄ１を実現するそれぞれの第１のマイクロ構造体ＭＳによって、純粋な部分的な再分布及び偏向が行われ、背面Ｗｂでは、第２のマイクロ構造体ＭＳによって実現される結合された機能によって、偏向及び方向付けが完了する。

図５Ａ〜図５Ｃ及び図６Ａ〜６Ｃに示したマイクロプリズムは、波長より小さい要素を有する構造によって置換することができる。このようなサブ波長構造は、各ゾーンに沿って変更できる制御された屈折インデクスを生成する。変化がマイクロプリズムのプロファイルと同様である場合、サブ波長構造は、同じ機能を実行する。ソリューションは、使用可能な製造技術に応じて選択される。１つの表面に全ての機能を結合することは、設計上及び技術的に難易度が高いが、最終的には、製造コストを低減することができる。

マイクロ構造体ＭＳ等の回折光学素子を設計する際、構造体の高さは、この要素に用いられる光の波長に関連する。各ゾーンＺｊは、それぞれの波長に応じて設計されるため、各波長について理想的な高さのマイクロ構造体を作成できる製造技術を用いる必要がある。このような条件は、写真製版技術では困難であるが、レーザ書込法及び電子ビーム書込法は、この条件を満たすことができる。一旦、基準要素を作成した後、例えば、熱エンボス、射出成形又は紫外線硬化等のいずれかの複製技術を用いて、これを複製することができる。

図８は、画像生成装置１’の実施の形態の横断面図である。この実施の形態では、光処理光学ユニット１０は、例えば、３個の異なる光源Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を有する光源ユニット２０によって照射される。出射される二次照明光Ｌ２は、画像変調器１００の偏向選択ビームスプリッタＰＢＳに入射し、ディスプレイＤを照射し、又は画像変調器１００に入射し、これにより、画像光Ｌ４の第１〜第３の成分Ｌ４Ｒ、Ｌ４Ｇ、Ｌ４Ｂに対応する第１〜第３の部分的な画像が連続して生成され、対物レンズＯによって、スクリーン上に結像する。

例えば、マイクロディスプレイ等の画像生成装置は、投写型表示エンジン内で用いられ、ピラミッド状のビームが有効領域を覆うように配設される。図８は、例えば、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal On Silicon）型の反射液晶マイクロディスプレイＤを有する完全な投写型表示エンジンを示しているが、他の種類のマイクロディスプレイ、例えば、透過型液晶又は反射及び透過光学ＭＥＭを用いてもよい。

図９に示す実施の形態では、本発明に基づく画像生成装置は、更に、二次照明光成分Ｌ２Ｒ、Ｌ２Ｇ、Ｌ２Ｂのそれぞれの焦点を、例えば、偏向選択ビームスプリッタＰＢＳ及び画像変調器１００に合わせる視野レンズＲＯを備える。したがって、図９は、リレー光学素子である視野レンズＲＯを用いて、マイクロディスプレイＤに長方形のビームを投写する変形例である。

図１０は、図９の視野レンズＲＯの機能を更に詳細に示している。フーリエ構成（Fourier configuration）において、リレー光学素子である視野レンズＲＯを視野レンズとして用いことによって、図１０に示すように、ゾーンＺｉにおいて、同じ波長の複数の光源Ｓｉ，ｊを結合することができる。入射ビーム領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、平行に整形され、マイクロディスプレイ上で重ねられる。

図１１は、本発明に基づく照明ユニット１の更なる実施の形態を示している。所定のスペクトル成分について、複数の光源Ｓ１，１、Ｓ１，２を設けてもよく、この場合、光前処理光学部品からなる光処理光学ユニット１０の各カラーホイールＷに、複数の第１のゾーンＺ１，１、Ｚ１，２を設ける必要がある。図１１の実施の形態では、各カラーホイールＷの円形ディスクの同心円状のリングのセクタとして、各ゾーンＺ１，１、Ｚ１，２；Ｚ２，１、Ｚ２，２；Ｚ３，１，Ｚ３，２を示している。第１のゾーンＺ１，１は、第１の一次照明光成分Ｌ１Ｒの第１の光源Ｓ１，１に割り当てられ、第２のゾーンＺ１，２は、例えば、Ｌ１Ｒである第１の一次照明光成分の第２の光源Ｓ１，２に割り当てられている。

図１１は、ビームが異なる入射角でカラーホイールＷに入射する具体例を示している。ゾーンＺｊは、関連する光源Ｓｉ，ｊに適応化された異なる偏向角を提供する構造を有する同心円状のトラックＺｉ，ｊに分割される。

波長番号１について、光源Ｓ１，１及びＳ１，２は、光ビームを出射し、これらの光ビームは、それぞれカラーホイールＷのゾーンＺ１のビーム領域Ｂ１及びＢ２に入射する。２つのビーム領域Ｂ１及びＢ２は、それぞれゾーンＺ１，１及びＺ１，２にある。そして、カラーホイールＷから出射される光は、図１０の構成に入射する。

光学系において、可干渉光光源を用いた場合、散乱及びスペックルを含む雑音現象が導入される。スクリーンマイクロディスプレイ及びカラーホイール上のマイクロ構造散光器もスペックルの要因となり得る。更に、コンピュータによって生成されたホログラムによって生成された光の分布は、幾つかの干渉現象のために、スパイク及び暗い領域を示す。例えば、散光ビーム整形要素は、多くの場合、反復的な構造を有している。図１２は、このような要素の具体例を示している。

図１２〜図１６Ｂは、整形／再分布要素ｄ、ｄ１、ｄ２に、寄生的な光／放射雑音又はスペックル低減特性を導入する手法を示している。単位セルＣは、ビーム整形効果を得るために、規則的に配置する必要がある。図１２は、単位セルＣの３×５の配置を視覚化している。更に、この構成上に光ビームの入射領域を示している。カラーホイールＷの高速な回転のために、散光パターンは、光ビームに対して移動する。この動きにより、スペックルのパターンが変更され、人間の目によって観察される雑音が時間的に平均化される。ここで、散光器をセルサイズに対応する周期Λによって平行移動した場合、光ビームは、厳密に同じパターンとインタラクトする。したがって、スクリーン上の散光器から生じるスペックル分布は、周期的に繰り返される。スペックルを最大限低減するために、このパターンは、１つの色フレーム内で常に異なっている必要がある。したがって、１つのゾーンＺｉ内で、散光器のパターンは、必要以上には繰り返さない。

この目的のために、複数の独立した散光パターンを設計し、これらを小さなアレイに配設してもよい。図１３は、このような設計を示しており、ここでは、３つの別個のセルが３×３セルの３個アレイに配置されている。破線は、単位セルの境界を示している。この手法により、図１３の下側に示すように、それぞれがコンピュータによって生成された個別のホログラムパターンを含むサブセクタＺｉ，ｊが形成される。

光分布を整え、スペックルを低減する他の構成を図１４Ａ〜図１４Ｄに示す。図１４Ａ及び図１４Ｃは、直線的なゾーンｚの具体例を示し、図１４Ｂ及び図１４Ｄは、同じ概念における円弧状のゾーンｚを示している。また、図１４Ａ及び図１４Ｂは、周期的な状況を示しており、図１４Ｃ及び図１４Ｄは、周期性を乱す手法を示している。これらの図において、太線は、周期的な単位セルの境界を示し、破線は、非周期的な単位セルの境界を示している。これらのパターンは、光ビームの観点から、周期性がなくなるような角度によって回転される。円弧状の構成では、単位セルの円弧は、渦巻きの弧になる。図１４Ａ〜図１４Ｄの構成は、図１３の構成より設計が容易である。また、この構成では、隣接するセル間の不連続性によって導入されるアーチファクトを解消することができる。なお、この構成では、スペックルパターンの変動性が低く、したがって、スペックルの低減の効率も低い。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、構造の全体的な周期性を乱しながら、局所的な周期性を維持する第３の構成の２つの変形例を示している。カラーホイールの両面を異なる周期Λ１、Λ２の構造でパターン化した場合、全体的な周期は、１／Λ＝１／Λ１−１／Λ２として表される。各面の周期が一致しないように構造を選択することによって構造の全体的な周期性を選択できる。

図１６の実施の形態は、光源にレーザビームが用いられている場合にユーザの安全を高めるために、光を吸収するビームダンプＢＤが配設されている点を除いて、図８及び図９に示す実施の形態と同様である。

レーザビームは、非常に高密度なエネルギを伝えるため、レーザ投写システムは、安全に配慮する必要がある。カラーホイールＷによってビームが拡散すると、図４Ａ〜図４Ｂに示す長方形のピラミッド内でエネルギが不可逆に散光するため、危険は、抑圧される。したがって、このシステムにおいて、カラーホイールＷが欠損した状況（破壊、不整列）では、レーザの安全性が低下する。図１６は、カラーホイールＷが欠損した場合にも、光ビームがイメージング光学素子（対物レンズＯ）に入射せず、エンジン内に閉じ込められるシステムの設計を示している。カラーホイールＷが存在しない場合にも、ビームが撮像光学素子のアパーチャに入射しないように、ビームの方向を選択してもよい。これに代えて、このようなビームを捕捉するビームダンプＢＤを用いてもよい。図１６は、二次元の概略図であるが光源Ｓｉの位置は、第３の次元的に選択してもよい。偏向及び散光機能を一部分にグループ化することによって、レーザ光線がエンジンから出射され、ユーザに害を与えることがないようにしている。

本発明の重要な利点は、以下の通りである。

・通常、複数の要素、例えば、ロッド、カラーホイール、一次反射器、移動散光器等、３〜４個の要素によって実現される機能を、１つの要素である回転するカラーホイールに集約することができる。

・各ゾーンが同心円状に分離されたカラーホイールの構造と、同期されたレーザ光源との組合せによって、従来の技術のカラーホイールに共通の損失を大幅に減少させることができる。

・スクリーン及び他の散光要素によってシステムに導入されるスペックルを大幅に削減することができる。

・本発明では、画像の各色を連続して投写するので、１つの領域のマイクロ構造体は、関連する波長のためだけに設計すればよい。したがって、通常、性能が低く、設計が冗長であり、製造が困難な、複数の波長に対応する構造を設計する必要がない。

本発明に基づくカラーホイールを有する光処理光学ユニットの第１の実施の形態の断面図である。図１のカラーホイールのゾーンの一部を拡大して示す断面図である。本発明に基づくカラーホイールを有する光処理光学ユニットの実施の形態の動作原理を説明する横断面図である。本発明に基づくカラーホイールを有する光処理光学ユニットの実施の形態の動作原理を説明する横断面図である。本発明に基づくカラーホイールを有する光処理光学ユニットの実施の形態の動作原理を説明する横断面図である。本発明に基づき、一様に光エネルギを拡散及び再分布するように設計された光処理光学ユニットの更なる実施の形態を説明する横断面図である。制御された屈折インデクスを生成し、整形及び再分布を行う表面構造を有する本発明の有利な実施の形態に基づく、カラーホイールの動作原理の一例を示す横断面図である。制御された屈折インデクスを生成し、整形及び再分布を行う表面構造を有する本発明の有利な実施の形態に基づく、カラーホイールの動作原理の一例を示す横断面図である。制御された屈折インデクスを生成し、整形及び再分布を行う表面構造を有する本発明の有利な実施の形態に基づく、カラーホイールの動作原理の一例を示す横断面図である。本発明に基づく画像生成装置の様々な実施の形態に対応するカラーホイールを含む光学部品及び電気光学部品の構成を示す横断面図である。本発明に基づく画像生成装置の様々な実施の形態に対応するカラーホイールを含む光学部品及び電気光学部品の構成を示す横断面図である。本発明に基づく画像生成装置の様々な実施の形態に対応するカラーホイールを含む光学部品及び電気光学部品の構成を示す横断面図である。光ビームが異なる入射角で入射する本発明に基づくカラーホイールの横断面図である。本発明に基づく光処理光学ユニットの寄生的な光雑音及びスペックル低減特性を説明する図である。本発明に基づく光処理光学ユニットの寄生的な光雑音及びスペックル低減特性を説明する図である。本発明に基づく光処理光学ユニットの寄生的な光雑音及びスペックル低減特性を説明する図である。本発明に基づく光処理光学ユニットの寄生的な光雑音及びスペックル低減特性を説明する図である。本発明に基づく画像生成装置の更なる実施の形態の横断面図である。

Claims

１又は複数の光源（Ｓｋ，ｋ＝１，…，Ｍ）と、
電気機械的手段によって制御されて回転し、入射する光の方向及び形状特性を変更するホイールと、
上記ホイールの回転を監視し、該ホイールの回転位置に応じて、上記光源を調節し、又は該ホイールの回転位置を変更するデバイスとを備える光学装置。
上記ホイールは、表面が構造化された上面及び背面を備えることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
光の波長より大きく又は小さく、偏光に反応する回折手段、屈折手段又は散光手段のいずれかの構造を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の光学装置。
上記ホイールの上面及び背面の間に形成される空間は、屈折率、反射率及び吸収率の変動である複素屈折率の変動に応じて体積が構造化されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の光学装置。
上記ホイールの上面又は背面は、反射性の材料又は構造によって覆われていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の光学装置。
上記ホイールは、該ホイールとインタラクトした後の光の分布が定義された光パワーの角分布を示すように光を偏向及び整形するように構造化されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の光学装置。
上記光源のいずれかは、レーザ光源であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の光学装置。
上記光源のいずれかは、複数のエミッタを備えることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の光学装置。
上記光源のいずれかは、出射光をコリメートし、上記ホイールに向ける一次光学素子を備えることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の光学装置。
上記光源から出射された光は、定義された場所に集光され、上記ホイールの一部は、該場所に位置することを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の光学装置。
上記ホイールは、Ｎ個のゾーン（Ｚｊ，ｊ＝１，…，Ｎ）に分割されることを特徴とする請求項１乃至１０いずれか１項記載の光学装置。
上記ゾーンは、セクタ又はセクタの環状のセグメントとして形成されることを特徴とする請求項１乃至１１いずれか１項記載の光学装置。
上記ホイールの位置に対する光源の同期は、如何なる時点においても、ゾーンＺｊが入射ビーム領域Ｂにあるとき、グループＳｋのメンバである１つの光源だけが該ホイールに光を出射し、該グループＳｋの他の光源は、光を出射しないように実現されることを特徴とする請求項１乃至１２いずれか１項記載の光学装置。
軸（ＲＺ）を中心に回転し、上面（Ｗａ）及び背面（Ｗｂ）を有する透過性のカラーホイール（Ｗ）を備え、該上面（Ｗａ）及び背面（Ｗｂ）の少なくとも一方は、上記背面（Ｗｂ）から出射する光ビームが光軸（ＯＺ）に沿って方向付けられるように、上記上面（Ｗａ）に衝突する光を偏向、散光及び再分布するように設計されたマイクロ構造体を有する光処理装置。
上記カラーホイール（Ｗ）は、少なくとも３個の、それぞれが狭帯域の光源（Ｓｊ）に割り当てられた別個の同心円状の等距離ゾーン（Ｚｊ）を有し、該カラーホイールのドライブの回転速度は、各光源ビーム領域が該カラーホイールの関連するゾーンに入ったときのみ、上記光源のオン／オフを順次切換える切換手段と同期されることを特徴とする請求項１４記載の光処理装置。
上記カラーホイールの上面のゾーンは、それぞれが１つのゾーンに割り当てられた屈折素子（ＭＳ）の組によって構造化され、該屈折素子の各組の偏向角は、上記カラーホイールの背面に入り、該背面から出射される光が光軸（ＯＺ）に平行になるように対応する光源（Ｓｊ）のビームの入射角を反対にするように選択され、該カラーホイールの背面は、入射光を、均一なピラミッド状の出射ビーム内に再分布するホログラムを備えることを特徴とする請求項１４記載の光処理装置。
上記カラーホイールの上面のゾーンは、上記対応する光源（Ｓｊ）のビームを、入射ビーム方向に対して定義された角度のピラミッド状のビーム内に分布させるホログラムを備え、上記カラーホイールの背面のゾーンは、それぞれが１つのゾーンに割り当てられた屈折素子の組によって構造化されており、該屈折素子の各組の偏向角は、上記対応する光源（Ｓｊ）のビームの入射角を反対にするように選択されることを特徴とする請求項１６記載の光処理装置。
上記カラーホイールの上面及び背面の１つは、該背面から出射される光が光軸に平行となるように、該上面への入射光のビームを方向付ける機能と、上記出射光のビームを、均一なピラミッド状のビーム内に分布させるように整形する機能とが結合されたホログラムによってパターン化されていることを特徴とする請求項１５記載の光処理装置。
上記上面のゾーン又は上記背面のゾーンは、それぞれが１つのゾーンに割り当てられた屈折素子の組によって構造化されており、該屈折素子の各組の偏向角は、入射光を光軸（ＯＺ）に向けて偏向するように選択され、上記上面のゾーン又は上記背面のゾーンは、それぞれ、上記屈折素子から出射されるビームを、光軸に揃えるように方向付ける機能と、上記ビームを、均一なピラミッド状のビーム内に分布させるように整形する機能とが結合されたホログラムによってパターン化されていることを特徴とする請求項１５記載の光処理装置。
上記ホログラムは、コンピュータによって生成されたホログラムであることを特徴とする請求項１７乃至１９いずれか１項記載の光処理装置。
上記屈折素子は、マイクロプリズムの組であることを特徴とする請求項１６乃至１９いずれか１項記載の光処理装置
上記屈折素子の寸法は、上記カラーホイールに衝突する光の波長より小さいことを特徴とする請求項１６乃至１９の光処理装置。
一次照明光（Ｌ１）を受光する光入射部（Ｅ）と、
上記受光した一次照明光（Ｌ１）を処理し、二次照明光（Ｌ２）を生成する光処理セクション（Ｐ）と、
上記二次照明光（Ｌ２）を出射する光出射部である、対物レンズ（Ｏ）とを備え、
上記光処理セクション（Ｐ）は、上記一次照明光（Ｌ１）を受光し、再分布し及び／又は方向付け、上記一次照明光（Ｌ１）を再分布及び／又は方向付けられた、処理された一次照明光（Ｌ１）である上記二次照明光（Ｌ２）を生成するよう適応化され及びそのための手段を有するカラーホイール（Ｗ）を備える光処理装置。
上記カラーホイール（Ｗ）は、上記一次照明光（Ｌ１）を受光する上面（Ｗａ）と、上記二次照明光（Ｌ２）を出射する背面（Ｗｂ）とを備えることを特徴とする請求項２３記載の光処理装置。
上記一次照明光（Ｌ１）の整形、再分布及び／又は方向付けのための手段は、上記カラーホイール（Ｗ）の少なくとも１つのゾーン（Ｚｊ；ｊ＝１，２，３）として形成されていることを特徴とする請求項２３記載の光処理装置。
上記カラーホイールのゾーン（Ｚｊ；ｊ＝１，２，３）は，上記カラーホイールのセクタ、セグメント又はセグメント化されたリングとして形成されていることを特徴とする請求項２５記載の光処理装置。
上記カラーホイールのゾーンは、定義されたスペクトル領域及び定義された光入射方向（ｅ）の上記一次照明光（Ｌ１）を受光する受光手段を備えることを特徴とする請求項２６記載の光処理装置。
上記カラーホイールのゾーンは、定義された光出射方向（ｏ）に、定義されたスペクトル領域の上記二次照明光（Ｌ２）を出射する出射手段を備えることを特徴とする請求項２５記載の光処理装置。
上記カラーホイールの複数のゾーンにおいて、上記各光出射方向（ｏ）は、同一であり、共通の光軸（Ｚ）に一致することを特徴とする請求項２５記載の光処理装置。
上記カラーホイールは、回転軸（ＲＺ）を中心に回転可能であり、上記カラーホイールの複数のゾーンの上記共通の光軸（Ｚ）は、上記カラーホイールの回転軸（ＲＺ）に対する傾角によって定義されることを特徴とする請求項２９記載の光処理装置。
上記カラーホイールの複数のゾーンの共通の光軸（Ｚ）は、該カラーホイールの回転軸に対して平行であることを特徴とする請求項３０記載の光処理装置。
上記カラーホイールのゾーンは、該カラーホイールの上面（Ｗａ）内又は上面（Ｗａ）上に、偏向手段を備えることを特徴とする請求項２９記載の光処理装置。
上記カラーホイールのゾーンは、該カラーホイールの背面（Ｗｂ）内又は背面（Ｗｂ）上に、偏向手段を備えることを特徴とする請求項３２記載の光処理装置。
上記偏向手段は、一次照明光を、上記光入射方向から上記光出射方向に完全に偏向し及び方向付けるように適応化されていることを特徴とする請求項３３記載の光処理装置。
上記ゾーンは、上記カラーホイールの上面内又は上面上に第１の偏向手段を備え、
上記ゾーンは、上記カラーホイールの背面内又は背面上に第２の偏向手段を備え、
上記第１の偏向手段は、上記一次照明光を、上記光入射方向から定義された中間的光伝達方向に偏向及び方向付け、
上記第２の偏向手段は、上記一次照明光（Ｌ１）を、上記中間的光伝達方向から、上記所望の光出射方向に完全に偏向及び方向付けることを特徴とする請求項２９記載の光処理装置。
上記偏向手段は、屈折手段、回折手段、格子構造及びマイクロプリズム構成からなるグループから選択されることを特徴とする３２乃至３４いずれか１項記載の光処理装置。
上記カラーホイールのゾーンは、上記カラーホイールの上面内又は上面上に、第１の整形及び再分布手段を備え、
上記カラーホイールのゾーンは、上記カラーホイールの背面内又は背面上に第２の偏向手段を備え、
上記第１の整形及び再分布手段は、上記一次照明光を、所定の初期分布から、定義された中間的分布に整形及び再分布し、
上記第２の整形及び再分布手段は、上記一次照明光を、上記中間的分布から所望の出力分布に整形及び再分布することを特徴とする請求項２９記載の光処理装置。
上記整形及び再分布手段は、回折手段、格子構造及びホログラム構造からなるグループから選択されることを特徴とする請求項３１記載の光処理装置。
上記ゾーンは、上記整形及び再分布手段の一部としての光拡散特性によって、寄生的な光雑音又はスペックルを低減させるように適応化されていることを特徴とする請求項３８記載の光処理装置。
一次照明光（Ｌ１）を生成する光源ユニット（２０）と、
上記一次照明光（Ｌ１）を受光し、再分布及び方向付け、処理された一次照明光（Ｌ１’）を二次照明光（Ｌ２）として生成する請求項１乃至３９いずれか１項記載の光処理装置又は光学ユニット（１０）とを備える照明装置。
上記光源ユニットは、それぞれが上記カラーホイールの１つのゾーンに割り当てられた複数の光源を備えることを特徴とする請求項４０記載の照明装置。
上記光源は、関連する光源によって、それぞれ割り当てられた期間のみ、各割り当てられたゾーンを照射するように、上記回転するカラーホイールの各割り当てられたゾーンと幾何学的に同期することを特徴とする請求項４１記載の照明装置。
上記光源は、コヒーレント光源であることを特徴とする請求項４２記載の照明装置。
上記コヒーレント光源は、レーザ光源であることを特徴とする請求項４３記載の照明装置。
上記光を処理する光学ユニットから上記二次照明光（Ｌ２）を受光し、集光された該二次照明光（Ｌ２’）を三次照明光（Ｌ３）として生成する三次光生成手段（ＲＯ）を含む集光素子（４０）を更に備える請求項４２記載の照明装置。
請求項４０乃至４５いずれか１項記載の照明装置（１）と、
上記三次光（Ｌ３）を受光し、画像（Ｉ）を表す出力光（Ｌ４）を生成する画像生成手段（１００）とを備える画像生成装置。
上面（Ｗａ）に入射する光を偏向、拡散及び一様に再分布し、背面（Ｗｂ）から出射される光ビームが、光軸（ＯＺ）に沿うように設計されたマイクロ構造体を少なくとも一方が含む上面（Ｗａ）及び背面（Ｗｂ）を有し、軸（ＲＺ）を中心に回転する透過性のカラーホイール（Ｗ）を用いるステップを有する光処理方法。
上記上面（Ｗａ）に光が入射し、偏向、拡散及び再分布されることを特徴とする請求項４７記載の光処理方法。
少なくとも３つの狭帯域光源（Ｓｊ）が上記カラーホイール（Ｗ）に含まれる別個の同心円状の等距離ゾーンに割り当てられていることを特徴とする請求項４７又は４８いずれか１項記載の光処理方法。
上記カラーホイールの回転速度は、各光源ビーム領域が該カラーホイールの関連するゾーンに入ったときのみ、上記光源のオン／オフを順次切換える切換手段と同期されることを特徴とする請求項４９記載の光処理方法。
上記光源（Ｓｊ）のビームの入射角は、各割り当てられた上面のゾーンの屈折素子のそれぞれの組の偏向角を選択することによって、反対にされ、
上記カラーホイール（Ｗ）の背面から出射される光は、上記光軸（ＯＺ）に平行にされることを特徴とする請求項４７乃至５０いずれか１項記載の光処理方法。
上記カラーホイール（Ｗ）の背面（Ｗｂ）に形成されたホログラムを用いて、入射光を、均一なピラミッド状の出射ビームに再分布することを特徴とする請求項５１記載の光処理方法。
上記対応する光源（Ｓｊ）のビームは、上記カラーホイール（Ｗ）の上面のゾーンに形成されたホログラムによって、入射ビーム方向に対して定義された角度のピラミッド状のビーム内に分布されることを特徴とする４７乃至５０いずれか１項記載の光処理方法。
上記対応する光源（Ｓｊ）のビームの入射角は、上記カラーホイール（Ｗ）の背面において、それぞれが１つのゾーン（Ｚｊ）に割り当てられた上記屈折素子のそれぞれの組の偏向角を選択することによって反対にされることを特徴とする請求項５３記載の光処理方法。
上記上面に入射したビームは、上記カラーホイール（Ｗ）の上面及び背面（Ｗａ、Ｗｂ）の１つに形成され、上記背面から出射される光が上記光軸に平行となるように、上記上面に入射したビームを方向付ける機能と、上記出射されるビームを、均一なピラミッド状のビーム内に分布するように整形する機能とが結合された、パターン化されたホログラムによって方向付けられ及び再分布されることを特徴とする４７乃至５０いずれか１項記載の光処理方法。
上記入射光は、上記上面のゾーン又は上記背面のゾーンにおいて構造化され、それぞれ１つのゾーンに割り当てられた屈折素子の組によって、上記光軸（ＯＺ）に向けて方向付けられ、該屈折素子の各組の偏向角は、該光軸（ＯＺ）に向けた方向付けに適合するように選択されていることを特徴とする請求項４７乃至５０いずれか１項記載の光処理方法。
上記屈折素子であるマイクロプリズムから出射されるビームは、上記背面ゾーン又は上記上面ゾーン上でパターン化され、方向付けの機能と、上記光ビームを整形する機能とが結合された、ホログラムによって上記光軸に揃うように方向付けられ、均一なピラミッド状のビーム内に再分布されることを特徴とする請求項５０記載の光処理方法。