JP2009157379A - デコヒーレンス化レーザー光生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】複雑でなくエネルギー効率が高いデコヒーレンス化レーザー光生成システムを提供すること。
【解決手段】 デコヒーレント化光生成システムを提供する。このデコヒーレント化レーザー光生成システムはレーザー源を備える。このシステムはさらに、入力面、出力面、および入力面から出力面に光を伝搬する本体を有するマルチモードファイバーを備え、該入力面はレーザー源から光を受光可能に配置され、本体は一般に、出力面をレーザー光が出射する際、デコヒーレント化可能な長さを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して投射表示装置に係り、特にデコヒーレンス化レーザー光生成システムに関する。

レーザー照明は、色域の潜在性が高いこと、また、エテンデューが低く、さらに使用可能年数が長いことから、投射表示装置として優れた照明技術であることが分かっている。しかしながら、この技術が有する主な欠点は、レーザーのコヒーレンスによって、この投射表示装置のスクリーン上で生成される画像にスペックルが生じることである。例えば、コヒーレント波源（すなわち、同相である波）は干渉パターンを生成することはよく知られている。レーザーは、光線の波成分が定位相微分であるコヒーレント光源である。レーザー光は閲覧用にスクリーン上に投影され、波は互いに強化したり打ち消したりすることによって、干渉パターンを形成する。ビューアにとって、この干渉パターンは投影された画像中にある、多くの光の輝点に囲まれた暗い領域、つまり「スペックル」として知られる効果に見える。実際の光点はスクリーン上ではなく、目の網膜で形成されるようである。この効果はビューアによって認識は異なるが、多くのビューアにとって、それは妨害であるというのが一致した意見である。

スペックルに対応する技術はある。これらの技術は一般的にレーザー、スクリーン、または投影システムの構成要素の振動を使用する際、もしくはマルチファイバー光束を使用する際にコヒーレンスを除去する方法と関係する。しかしながら、これらの技術は複雑で費用がかかるうえ、完全に効果があるとは言えない。

合衆国特許第６６２５３８１号は、スペックルが抑制されたレーザー投影システムを開示しており、この中で半導体レーザー及び光ファイバーは光ファイバーに入射する光線の一部が光ファイバーに反射され、かつレーザー発光を誘導して単一モードからマルチモードパターンへ変化させる半導体レーザーへと戻すよう配置される。このマルチモードパターンでの各モードは、異なるスペックルパターンがあり、それらスペックルパターンはスクリーン上に投影されると混合し、認識されるスペックルを減らす。しかし、本発明はレーザーとファイバーの精密な配置に依存するものであり、さらにレーザーとファイバーは一定温度で維持されなければならない。したがって、このアプローチは複雑でエネルギー効率は低く、さらにスペックルの除去は行わないが、ただ単にそれを減らすものである。

合衆国特許第６６２５３８１号公報

１つの実施態様における第１の広い局面が求めることは、光源を含むデコヒーレンス化レーザー光生成システムの提供である。このデコヒーレンス化レーザー光生成システムは、入力面、出力面および入力面から出力面へ光を伝搬させるための本体を備えるマルチモードファイバーをさらに備え、入力面は光源からレーザー光を受光するよう配置され、本体はレーザー光が出力面から出射する時に概ねデコヒーレンス化されるのに充分な長さを有する。

第１の広い局面におけるいくつかの実施態様では、レーザー光のＮＡ（「開口数」）がほぼマルチモードファイバーと等しい。

第１の広い局面における他の実施態様では、レーザー光のＮＡは、マルチモードファイバーのＮＡより小さい。

第１の広い局面において、また別の実施態様では、マルチモードファイバーのＮＡは約０．６５であり、長さは約１メートルで、入力面の直径は約１２ｍｍで、レーザー光のスポットサイズは約８ｍｍ^２である。

第１の広い局面において、さらに別の実施態様では、マルチモードファイバーのＮＡは、約０．６５であり、長さは１メートルより長く、入力面の直径は約１２ｍｍで、レーザー光のスポットサイズは約８ｍｍ^２である。

第１の広い局面において、いくつかの実施態様では、マルチモードファイバーのＮＡは、０．６５より小さく、長さは１メートルより長い。

第１の広い局面において、他の実施態様では、マルチモードファイバーのＮＡは０．６５より大きく、長さは１メートルよりも短い。

第１の広い局面においてさらに別の実施態様では、デコヒーレンス化レーザー光生成システムは、さらに入力面上でレーザー光を集束させる少なくとも１つの集束要素を備える。

第１の広い局面において、また別の実施態様では、レーザー光のスポットサイズは一般的に入力面よりも小さい。

第１の広い局面において、前述したレーザー光は一般的に入力面の中央点に衝突している。

第１の広い局面において、他の実施態様では、レーザー光は一般的に入力面に対して垂直に衝突している。

第１の広い局面において、さらに別の実施態様では、前述のレーザーは多波長レーザーを備える。これら実施態様のいくつかにおいて、レーザー光の生成は、光の多重波長を組み合わせるための少なくとも１つのダイクロイックフィルタをさらに備える。

１つの実施態様の第２の広い局面が求めるものは、レーザー源を備えるプロジェクタを提供することである。このプロジェクタは入力面から出力面へ光を伝搬させる入力面、出力面および本体を備えるマルチモードファイバーをさらに備え、前述した入力面はレーザー源からレーザー光を受光するように配置され、本体はレーザー光が一般的に出力面から出射する時にデコヒーレンス化されるのに充分な長さを備える。プロジェクタはインテグレータを備え、インテグレータの入射口は出力面から光を受けるよう配置される。前述のプロジェクタはさらに光エンジンを備え、インテグレータの出射口と光学的に連結し、インテグレータが受けた光で画像を形成する。プロジェクタはスクリーン上に画像を投影するための投影要素をさらに備える。

図１は限定されない実施態様に従って、レーザー光をデコヒーレンス化するシステムを図示する。 図２は、限定されない実施態様に従って、レーザー光をデコヒーレンス化するための光ファイバーを図示する。

実施態様は、以下の図を参照して記述される。

図１は投影装置においてスペックルを減少させるようレーザー光をデコヒーレンス化するシステム１００を図示する。システム１００はレーザー源１１０およびマルチモード光ファイバー１２０を備える。レーザー源およびマルチモード光ファイバー１２０はレーザー源１１０から少なくとも一部の光が、法線からはずれた角度でマルチモード光ファイバー１２０の入力面２３０（図２で図示）に入射するよう配置される。いくつかの実施態様では、レーザー源１１０はレーザー源からの光が入力面２３０に入射するよう配置されてもよい。他の実施態様では、１つの集束要素（または複数の集束要素）が入力面２３０条のレーザー源を集束するのに使用される場合、入力面２３０はレーザー源１１０と直接に接合してもよい。

光ファイバー１２０の出力面２５０（図２にも図示）も同様に、投影装置に適合する光エンジン１４０のインテグレータ１３０と光学的に連結する。光エンジン１４０は一般的に、インテグレータ１３０で受けた光で投影レンズ１５０を通じスクリーン１６０に投影される画像を形成する少なくとも１つの画像形成要素（図示せず）を備える。光はレーザー源１１０から光ファイバー１２０を通じインテグレータ１３０へと移動する。光エンジン１４０は一般的に、インテグレータ１３０で受けた光で投影レンズ１５０を通じてスクリーン１６０上に画像を形成する少なくとも１つの画像形成要素（図示せず）を備える。いくつかの実施態様において、光エンジン１４０はさらにインテグレータロッドから前述の画像形成要素へ光を中継するための照明リレー光学系を備える。

ここで注目すべきは図２であるが、図２は長さＴ、直径Ｄを有する光ファイバー１２０の縦方向による断面図を図示する。一般的に、光ファイバー１２０はコア２１０及びクラッド２２０を有するマルチモード光ファイバーを備える。このコア２１０は、屈折率ｎ_１を持ち、光ファイバーの入力面２３０へ入射するレーザー源１１０から例えば光線２４０a、２４０ｂおよび２４０ｃ（一括して光線群２４０と称するが一般的には光線２４０と称する）といった光を伝達するための光学材料を備える。クラッド２２０は屈折率が一般的にｎ_１より小さいｎ_２である材料を備える。

一般的にマルチモード光ファイバーは、ファイバーの受光コーンとして知られる、ある一定の円錐内でファイバーの入力面に入射する光を伝搬するだけである。このコーンの半角は受光角、θｍａｘと呼ばれ、ファイバーのコア及びクラッドの屈折率によって判定される。光ファイバー１２０に対して、n*sin(θmax)=(n₁ ²-n₂ ²)^1/2であり、ｎは空気の屈折率を含む。推定値はｎ＝１であり、sin(θmax)=n₁ ²-n₂ ²)^1/2である。これは光ファイバー１２０の開口数（ＮＡ）でＮＡ＝（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^1/２として表すことが可能である。光線は一般的にファイバーの軸に対し、最大でファイバーの受光角θmaxに至る様々な角度で入射する。さらに、縦軸に対して角度θでマルチモード光ファイバに入射する光線は、θが受光角より大きい場合を除き、コア及びクラッドのインタフェースに反射することによってファイバーの長さ分、下方へ移動する。この場合は、光線はただ単にクラッドに吸収される。その上、より狭い角度で入射する光線は、さらに直接経路で移動し、より急角度で入射する光線より早く出力面に到達するが、ファイバーの長さ分を移動する際に、この光線がコアの境界へ反射する回数はさらに多い。

このことは光ファイバー１２０で明示される。光線２４０aは、光線２４０aが長さＴを移動する際、Ａ点（縦軸２６０および入力面２３０との交点）において受光角θmaxで入力面２３０に入射し、出力面２５０を出射するまでにコア２１０およびクラッド２２０間でインタフェースから２度跳ね返る。反対に、光線２４０ｃはＡ点において受光角θmaxより小さい角度で入力面２３０に入射し、光線２４０aが長さＴを移動する時、出力面２５０を出射する前にコア２１０およびクラッド２２０間でインタフェースに１度跳ね返る。仮に光線２４０aおよび光線２４０ｃが入力面２３０への入射にコヒーレントするレーザー源１１０からの光線を表す場合、この光線が光ファイバー１２０を通じ、異なる長さの経路に沿って移動するのに、かかる時間が異なる場合、出力面２５０を出射する際に出コヒーレント化される。つまり、光線２４０aおよび２４０ｃ間の位相差は、これらの光線が長さＴ下方に反射する際に発生する。全効果としては、入力面２３０に入射するレーザー源１１０からの光が、出力面２５０を出射すると概してデコヒーレンス化される、ということになる。

光線２４０aおよび光線２４０ｃが入力面２３０に入射する時にＡ点で集光すると、レーザー源１１０からの光は一般的に入力面２３０上のある一点というよりはむしろ、ある領域に亘って当たる。しかしながら、このことは光ファイバー１２０を通じてレーザー源から光が通過することで導入されるデコヒーレンスがさらに高まる結果につながるだけである。例えば、光線２４０ｃは入力面から中心をはずれたＢ点において、受光角θmax（光線２４０ｂと平行）で入力面２３０に入射する。しかしながら光線２４０ｃが移動する経路は、光ファイバー１２０内を長さＴだけ伝播する光線２４０aの経路とは長さが異なるが、これは入力面２３０の入射口点が異なるためである。さらに、これはＡ点で入力面２３０に入射する光線２４０（例えば光線２４０a）と、Ｂ点において入力面２３０に入射する光線２４０（例えば光線２４０ｂ）とが平行であっても、光線２４０が光ファイバー１２０内を長さＴだけ伝播する場合は、両者の位相差を導入する効果も有する。

しかしながら、出力面２５０を出射する光のデコヒーレンスの程度は、レーザー光のＮＡ（すなわちレーザー光の円錐体）と比べ、光ファイバー１２０のＮＡに影響される可能性がある。つまり、光ファイバー１２０のＮＡがレーザー光のＮＡに比べて小さい場合、レーザー光の大部分が光ファイバー１２０に受光角θmaxより大きい角度で入射する時は、光ファイバー１２０はレーザー光の一部のみ伝達が可能となる。したがって、レーザー光の円錐体が減少するとデコヒーレンス効果も減少する（すなわちＮＡの不一致によって光の角度広がりが減少する）。

さらに、出力面２５０を出射する光のデコヒーレンスの程度は、導入される位相差がより顕著になるにつれて、光が光ファイバー１２０内をさらに移動する距離が長くなると、光ファイバー１２０の長さＴに影響される度合いが高くなる（すなわち、経路の長さにおいてより動きが激しく、差が大きくなるなど）。その上、光ファイバー１２０のＮＡがレーザー光のＮＡに比べて小さい場合、光ファイバー１２０がより長くなると、角度広がりの減少でもたらされるデコヒーレンス効果の減少に対処することが望ましい。

しかしながら同様に、コア２１０がある一定量の光を吸収するため、実施態様の実用的な実装においては、長さＴを選択する際に光のデコヒーレンスおよび動力の損失（スクリーン１６０上の彩度損失など）が考慮される可能性がある。

とにかく、出力面２５０を出射する光が一般的にインテグレータ１３０を出射する時にデコヒーレンス化されることが最終的な効果であり、したがって、スクリーン上に投影された画像のスペックルが減少、もしくは除去される。

ここで良好なプロトタイプを説明するが、ここでは光ファイバー１２０は３Ｍ（登録商標）社製の直径１２ｍｍでかつＮＡが０．６５のＨＬ（高輝度）マルチモード光ファイバー（５５１４４−１０００ ミネソタ州、セントポール ３Ｍセンター、３Ｍ社製）を備える。実施態様を立証するために、０．１２ｍから５．３ｍまでの範囲で異なる３Ｍ（登録商標）社製のＨＬファイバーをいくつか使用し以下に説明する。

さらに、限定されない実施例において、レーザー源１１０は赤、緑、および青のレーザー源（９４０８５ カリフォルニア州、サニーベール、１２２０ミダスウェイ、ノバラックス社製）を備える。この実施例においてレーザー源１１０は、２列の間隙が１ｍｍ、かつ列内の各ビームの間隙が０．３ｍｍで各色が１配列である２４ビーム２列で配置された２×２４配列の平行ビーム、４８個のレーザービームを備える。ダイクロイックフィルタを使用して、共通経路に３色をもたらす。集束要素（レンズなど）を使用して光ファイバー１２０の入力面２３０上の平行手段全てを集束し、１ｍｍ×８ｍｍでＮＡが０．６５未満の大きさのスポットを生成する。

しかしながら、適切ないずれのマルチモード光ファイバー、および適切ないずれのレーザー源も、本実施態様の範囲内である。厳密に限定されないのであれば、レーザー源は１１０および光ファイバー１２０はレーザー源１１０のＮＡが一般的に光ファイバー１２０のＮＡに等しいか、またはそれより小さいように選択されることが好適である。

加えて、特定の限定されない実施態様において、光エンジン１４０は投影光エンジンを備えるが、画像を生成するために受光可能であるその他いずれの適切な光エンジンも本発明の範囲内である。

レーザー源１１０が有する入力電力は、光ファイバーの入力面２３０で測定され、光ファイバー１２０の出力電力は、出力面２５０で測定された。レーザー源の入力電力は２．２ワットと測定された。長さが異なる４本の光ファイバー１２０の各出力電力も測定された。光ファイバー１２０から放出される光を視覚的に検査し、それぞれの長さの光ファイバー１２０がスペックルを生じない水準を確認した。１．０ｍ長さの光ファイバー１２０から放出される光も同様に、視覚的な調査を行なって非スペックルの水準を確認した。この長さでは、出力電力は特に測定されなかったが、光ファイバー１２０で他の長さから出力電力を付加して推定することができる。結果は表１の通りである。

直径１２ｍｍでかつＮＡが０．６５で長さが約１ｍの３Ｍ（登録商標）社製ＨＬファイバーでは、スペックルは完全に除去されることが分かった。直径１２ｍｍでＮＡが０．６５で、さらに長い３Ｍ（登録商標）社製ＨＬファイバーもスペックルの除去に使用することができたが、長い光ファイバー１２０は出力電力の削減にもつながることが表１から分かる。

直径１２ｍｍでＮＡが０．６５、長さが約１ｍの３Ｍ（登録商標）社製ＨＬファイバーは、非スペックルと電力損失の釣り合いが適切であり、その他の直径およびＮＡの数値を有するほかの長さのマルチモードファイバーは、本明細書の範囲内である。例えば、ＮＡが０．６５未満で１ｍより長いマルチモードファイバーも使用可能である。あるいは、ＮＡが０．６５より大きく、１m.より短いマルチモードファイバーも使用可能である。

当分野の技術者であれば、前述の実施態様を実装するのに可能となる、さらに代わるべき実装例および変更が存在すること、かつ上記の実装例および実施例は１つまたは複数の実施態様の単なる具体例に他ならないことを充分に理解するものであろう。それゆえ、この範囲は、本明細書に添付の請求項によって限定されるものに他ならない。

１１０ ＲＧＢレーザー源
１２０ マルチモード光ファイバー
１３０ インテグレータ
１４０ 光エンジン
１５０ 投影レンズ
１６０ スクリーン

Claims (14)

1. デコヒーレント化レーザー光生成システムであって、
   レーザー源と、
   マルチモードファイバーであって、入力面、出力面、および前記入力面から前記出力面へ光を伝搬するための本体を備え、前記入力面は前記レーザー源からレーザー光を受光可能に配置され、前記本体はレーザー光が前記出力面を出射する際に概してデコヒーレンス化されるような長さを備えるファイバーと
   を具備するデコヒーレンス化レーザー光生成システム。
2. 前記レーザー光のＮＡ（「開口数」）は、前記マルチモードファイバーのＮＡとほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
3. 前記レーザー光のＮＡは、前記マルチモードファイバーのＮＡより少ないことを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
4. 前記マルチモードファイバーのＮＡは約０．６５であり、前記長さは約１ｍであり、前記入力面の直径は約１２ｍｍで、かつ前記レーザー光のスポットの大きさは約８ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
5. 前記マルチモードファイバーのＮＡは約０．６５であり、前記長さは１ｍより長く、前記入力面の直径は約１２ｍｍで、かつ前記レーザー光のスポットの大きさは約８ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
6. 前記マルチモードファイバーのＮＡは０．６５より小さく、前記長さは１ｍよりも長いことを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
7. 前記マルチモードファイバーのＮＡは０．６５より大きく、前記長さは１ｍより短いことを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
8. 前記レーザー光を前記入力面上に集束するための少なくとも一つの集束要素をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
9. 前記レーザー光のスポットの大きさは、前記入力面より概して小さいことを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
10. 前記レーザー光は、概して前記入力面の中心点に当たることを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
11. 前記レーザー光は、概して前記入力面に対して垂直に当たることを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
12. 前記レーザーは多波長レーザーを備えることを特徴とする請求項１記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
13. 複数の光の波長を組み合わせるための少なくとも１つのダイクロイックフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１０記載のデコヒーレント化レーザー光生成システム。
14. プロジェクタであって、
    レーザー源と、
    マルチモードファイバーであって、入力面、出力面、および前記入力面から前記出力面へ光を伝搬するための本体を備え、前記入力面は前記レーザー源からレーザー光を受光可能に配置され、前記本体は前記レーザー光が前記出力面を出射する際に概してデコヒーレント化するような長さを備えるファイバーと、
    インテグレータであって、前記インテグレータの入射口は前記出力面からの光を受光可能に配置されるインテグレータと、
    光学的に前記インテグレータの出射口と結合され、前記インテグレータで受光した光を画像に形成するための光エンジンと、
    前記画像をスクリーン上に投影するための投影要素と
    を具備するプロジェクタ。

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