JP2011510357A - イメージプロジェクタ用ディフューザ構成 - Google Patents

Abstract

一実施形態によれば、イメージプロジェクタは、レーザからの照明を変調された照明が表示スクリーン上に像を投影するように、空間パターンで変調するようになされる空間光変調器（ＳＬＭ）を有する。イメージプロジェクタは更に、レーザとＳＬＭの間の光路上に配置される光ディフューザを有する。レーザはＳＬＭにおいて照明領域を生成するために光ディフューザを通してＳＬＭを照明するようになされる。光ディフューザは光ディフューザを通して伝送される光の中に角度の広がりを導くようになされる。イメージプロジェクタは投影される像の中のスペックルを緩和するためにＳＬＭに対して照明領域を動かすようになされる。

Description

関連出願の相互参照
本出願の主題は（１）「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｌｏｒ−Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ａ Ｖｉｄｅｏ Ｓｉｇｎａｌ Ｈａｖｉｎｇ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ」と題する、Ｇａｎｇ Ｃｈｅｎ及びＲｏｌａｎｄ Ｒｙｆ．ａｔｔｏｒｎｙ ｄｏｃｋｅｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｇ．Ｃｈｅｎ １１−１２の米国特許出願第１２／０１７，９８４号、（２）「Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｌｏｒ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅ」と題する、Ｇａｎｇ Ｃｈｅｎ及びＲｏｌａｎｄ Ｒｙｆ．ａｔｔｏｒｎｙ ｄｏｃｋｅｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｇ．Ｃｈｅｎ １３−２３の米国特許出願第１２／００９，９９１号、及び（３）「Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ａ ＤＣ−ｔｏ−ＤＣ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」と題する、Ｇａｎｇ Ｃｈｅｎ、Ｄａｖｉｄ Ａ．Ｄｕｑｕｅ及びＲｏｌａｎｄ Ｒｙｆ．ａｔｔｏｒｎｙ ｄｏｃｋｅｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｇ．Ｃｈｅｎ １４−１−２４の米国特許出願第１２／００９，８５１号、の主題に関し、これらの全てが本出願と同日に出願され、これらのそれぞれが参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明はイメージプロジェクタ及びハンドヘルド電子装置に関する。

本節は本発明をより分かり易くするのを助け得る態様を導入する。従って、本節の記載はこの観点から読まれるべきであり、従来技術にあるもの及び／又は従来技術にないものについての容認として理解されるべきではない。

プロジェクタは、例えばコンピュータ又はビデオ入力からの単独像又は連続像を大画像のための壁又はスクリーンの上に投影する目的で、光源、光学機器、電子機器、及び光変調素子を一体化する装置である。市場で入手できる多くのプロジェクタが存在し、それらのプロジェクタは、それらの寸法、分解能、性能、及び他の特徴によって区別される。いくつかのプロジェクタはレーザ光源を使用する。というのは、レーザを使用すると、他の（非レーザ）光源では達成が困難な、豊富な色彩範囲による明るく強烈な像を生成することが可能となるからである。

米国特許出願第１２／０１７，９８４号 米国特許出願第１２／００９，９９１号 米国特許出願第１２／００９，８５１号 米国特許第７，２６８，８５２号 米国特許第６，９４０，５７７号 米国特許第６，７９７，９８３号 米国特許第７，３０７，７８６号 米国特許出願第２００２００３４７１０号 米国特許出願第１１／７１３，２０７号 米国特許出願第１１／６８１，３７６号 米国特許出願第１１／７１３，１５５号 米国特許出願第１１／７１３，４８３号

Ｍ．Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ、Ｊ．Ｃｈｅｎ、Ｇ．Ｄ．Ｓｈａｒｐ、Ｗｉｌｅｙ、「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ＬＣＤ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」、Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ（Ｅｎｇｌａｎｄ）、２００５年、第１１章、２５７〜２７５頁

しかし、レーザイメージプロジェクタに対する１つの重大な支障は、知覚される像の上に粒状構造を重ね合わせる傾向のあるスペックル現象である。スペックルは像の鮮明さを低下させ、同時に見る人を不快にさせるので、スペックル低減が大いに望まれる。

一実施形態によれば、イメージプロジェクタは受光された照明光ビームを、前記像を形成するための空間パターンで変調するようになされる複数のピクセルを有する空間光変調器（ＳＬＭ）を有する。更に、イメージプロジェクタはレーザ及びＳＬＭの間の光路に沿って配置され、複数のピクセルのうちの各ピクセルにおいて照明光ビームが入射角の範囲に対応する光線を有するように、ＳＬＭにおいて前記照明光ビームを生み出すために、レーザによって生成された光を伝送するようになされた光ディフューザを有する。光学装置はＳＬＭにわたって照明光ビームを動かすようになされる。複数のピクセルのうちの各ピクセルにおいて、照明光ビームの前記の運動は異なる入射角を有する光線の相対的光位相を変える。

他の実施形態によれば、イメージプロジェクタはコヒーレントな照明ビームを空間パターンで変調するようになされたＳＬＭを有する。更に、イメージプロジェクタは、前記コヒーレントな照明ビームが、ＳＬＭで遮られる前に追従する光路に沿って配置される光ディフューザを有する。光ディフューザは第１の方向に沿って光ディフューザを通して伝送される光の中に１つの角度の広がりを導き、異なる第２の方向に沿って前記伝送される光の中に異なる角度の広がりを導くようになされる。光ディフューザはＳＬＭの表面に対して動くようになされる。

他の実施形態によれば、表示スクリーン上に像を投影する方法は（Ａ）光ビームに光ディフューザを通過させることにより、ＳＬＭの表面の一部分をレーザで照明するステップであって、複数のピクセルのうちの各ピクセルにおいて照明光ビームが入射角の範囲に対応する光線を有するように、光ディフューザが光ディフューザ上に入射する光ビームを角度的に広げるようになされる、ステップ、（Ｂ）前記照明光ビームを、前記像を形成するためにＳＬＭの複数のピクセルにより表示される空間パターンで変調するステップ、及び（Ｃ）照明光ビームをＳＬＭにわたって動かすステップであって、複数のピクセルのうちの各ピクセルにおいて、前記運動が、異なる入射角を有する光線の相対的光位相を変える、ステップ、の諸ステップを有する。

本発明の他の態様、特徴、及び利点は以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からより明白となろう。

本発明の一実施形態によるプロジェクタの上面図である。 本発明の他の実施形態によるプロジェクタの上面図である。 本発明の他の実施形態によるプロジェクタの上面図である。 本発明の他の実施形態によるプロジェクタの上面図である。 本発明の一実施形態によるハンドヘルド電子装置を示す３次元斜視図である。

コンパクトなイメージプロジェクタ、例えば携帯電話の中に組み込まれ、壁又は８．５インチ×１１インチの紙の上に比較的大きな像を投影するために使用することができるコンパクトなイメージプロジェクタは電子機器製造者に興味があるであろう。最近のハンドヘルド電子装置のコンパクトさは携帯の目的において有利である一方で、それらの比較的小さい寸法は視覚情報の表示に関して固有の不利点を生じる。より詳細には、携帯電話、携帯端末（ＰＤＡ）、又は携帯型メディアプレーヤの表示スクリーンは、ほとんどの文書をそれらの元の全ページフォーマットで、及び／又は画像及び映像内容をそれらの元の分解能で表示するには、一般的にあまりに小さい。ハンドヘルド電子装置における普通の表示スクリーンの代わりに、又はそれに加えて、コンパクトなイメージプロジェクタを持つことで、ユーザがそのような視覚情報をより適切な形態で表示し、見ることが可能になるであろう。

レーザイメージプロジェクタにおいて、スペックル低減は一般に、人の目等の検出器の空間及び／又は時間分解能の中で、２つ以上の独立したスペックル構成を平均することに基づく。人の目にとって、平均時間はフリッカー融合閾値（flicker fusion threshold）又はフリッカー値（flicker fusion rate）と呼ばれる生理的パラメータから推定され得る。より詳細には、フリッカー値より低い速度で変化する光はちらつきとして人に知覚される。対照的に、フリッカー値より高い速度で変化する光は時間の中で一定であるように知覚される。フリッカー値は、人によって、又、個人的な疲労のレベル、光源の明るさ、及び光源を観察するのに使用される網膜の領域によって変化する。しかしながら、約７５Ｈｚより高い速度でちらつきを知覚する人は極めて少ない。実際、映画及びテレビにおいて、フレーム送出レート（frame delivery rate）は２０Ｈｚと６０Ｈｚの間であり、３０Ｈｚが一般に使用される。大多数の人達にとって、これらの速度はその人達のフリッカー値より高い。

独立したスペックル構成は照光するレーザビームの位相、伝播角度、偏光、及び／又は波長の多様化を使用して生み出され得る。角度ダイバーシティを達成する１つの方法は、時間的に変化する（例えば、振動する）ディフューザを使用することである。しかし、時間的に変化するディフューザは大きすぎて、小さなハンドヘルドプロジェクタの中で使用するには望ましくない物理的寸法を有する傾向がある。それ故、小さなハンドヘルド投影装置の中で使用するのに適するディフューザ構成を有することが望ましい。

図１に、本発明の一実施形態によるプロジェクタ１００の上面図を示す。プロジェクタ１００は多色光（例えば、赤、緑、及び青）を変調器部１５０の中に供給するようになされた光源１１０を有する。変調器部１５０は、映写レンズ１６０を通過後、スクリーン１９０の上にカラー像を形成する空間的に強度変調されたビーム１７０を生成する。図１において、映写レンズ１６０は３つのレンズ１６０ａ〜１６０ｃを有する複合レンズとして例示的に示されているが、他の種類の映写レンズが同様に使用され得る。

光源１１０は、指定された色、例えば、赤、緑、及び青それぞれのパルス状の光をそれぞれ生成するようになされた３つのレーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂの一組を有する。レーザで生成された光ビームは図１のＸＹ平面に実質的に並行な平面内にある。レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂで生成される光ビームのそれぞれは、レーザの前に置かれた対応するレンズ１１４で平行にされる発散ビームである。レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂは、変調器部１５０が周期的なパルス列を受光するように同期される。例えば、各照射周期は異なる色の３つ以上の連続パルスを有することができ、パルスは選択された繰り返し率で現れる。上述の、Ｇａｎｇ Ｃｈｅｎ及びＲｏｌａｎｄ Ｒｙｆ．ａｔｔｏｒｎｙ ｄｏｃｋｅｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｇ．Ｃｈｅｎ １３−２３の米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号は光源１１０での使用に適する様々な色の時分割多重化光パルスの様々な方法を記載する。

色結合器（多くの場合、Ｘキューブとも呼ばれる）１１８は、レンズ１１４ｒ、１１４ｇ、及び１１４ｂから受光した平行光ビームを、第１の光ディフューザ１２２、コリメーション／集光レンズ１２６、及び第２の光ディフューザ１３０から成り、それらそれぞれの光学的機能が以下により詳細に説明される光学配置に向ける（向け直す）。図１において、光源１１０はレンズ１２６の下流に配置される光ディフューザ１３０を有するように示される。代替実施形態において、光ディフューザ１３０はレンズ１２６の上流に置かれてよい。更に、光源１１０は、変調器部１５０の適切な動作を可能にするために、必要な場合に出力ビーム１３２の偏光を調節するように働く、偏光子又は他の複屈折素子（明示せず）を組み込むことができる。

変調器部１５０は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５２及び四分の一波長（λ／４）板１５４と光学的に結合される液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）空間光変調器（ＳＬＭ）１５６を有する。ＳＬＭ１５６として使用され得る代表的なＬＣＯＳ ＳＬＭが、例えば、その技術が参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｍ．Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ、Ｊ．Ｃｈｅｎ、Ｇ．Ｄ．Ｓｈａｒｐ、Ｗｉｌｅｙ、「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ＬＣＤ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」、Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ（Ｅｎｇｌａｎｄ）、２００５年、第１１章、２５７〜２７５頁に記載される。ＳＬＭ１５６としての使用のためになされ得るＬＣＯＳ ＳＬＭは又、例えば、それらの全てが参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第７，２６８，８５２号、米国特許第６，９４０，５７７号、及び米国特許第６，７９７，９８３号に開示される。ＳＬＭ１５６として使用され得る適切なＬＣＯＳ ＳＬＭはＪＶＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎで製造され、ＪＶＣ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ Ｍｏｄｅｌ ＤＬＡ−ＨＤ２Ｋの一部として市販されている。

ＰＢＳ１５２は、そのビームの実質的に全ての光をＳＬＭ１５６に向けて方向変換するように偏光ビーム１３２に対して方向づけられる。四分の一波長板１５４は、その板を垂直に通過する光ビームの２つの直交する直線偏光成分の間に波長の約四分の一の遅延を生み出す複屈折板である。四分の一波長板１５４を垂直に２回横断することで、ＳＬＭ１５６に向けられ次いでＳＬＭから（オン状態にあるピクセルから）反射される光が、ＰＢＳ１５２で伝送される必要のある偏光を得る。即ち、そのように反射された光の偏光は、ＰＢＳ１５２が光を光源１１０に戻る方向に実質的に反射することなく、そのような光を伝送するというものである。ＰＢＳ１５２を通して伝送された後、ＳＬＭ１５６から反射され、レンズ１６０で成形されて、空間的に変調された光が出力ビーム１７０を形成する。

ＳＬＭ１５６のオン状態のピクセルで表示される各反射パターンがスクリーン１９０の上に投影されるべき像を表し、ＳＬＭは各レーザパルスに対する新しい反射パターンを表示することができる。実際、映写レンズ１６０はＳＬＭ１５６で表示される反射パターンをスクリーン１９０の上に映し出す。パルス繰り返し率が十分に高い（例えば、フリッカー値より大きい）場合は、３つの異なる色に対応する像は人の目によって融合され、それ故、知覚されるカラー像が生成される。

光ディフューザ１２２はビーム整形器として働くようになされる。レーザ１１２は通常、全体的に円又は楕円の断面を有する円錐形の光を放射するのに対して、ＳＬＭは通常、矩形の像を表示するのに適する全体的に矩形の活性領域（即ち、再構成可能なピクセルを含む領域）を有する。従って、光ディフューザ１２２は全体的に円又は楕円の断面を有するビームをＳＬＭ１５６の活性領域の形状に対応する、全体的に矩形の断面形状を有するビームに変換する。参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第７，３０７，７８６号は光ディフューザ１２２として働くことができる光ディフューザを作製し使用する方法を開示する。様々な実施形態において、米国ニューヨーク州、ロチェスタのＲＰＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社から市販されているものから選択される様々な光ディフューザが光ディフューザ１２２として使用され得る。

ビーム整形を実施する間、光ディフューザ１２２はそのディフューザを通して伝送される光ビームの角度発散を変更する。より詳細には、光ディフューザ１２２は、色結合器１１８から受光された実質的に平行なビームを、例えば図１に、対応する点線で示されるような発散ビームに変換する。レンズ１２６はその発散ビームを実質的に平行に戻し、その結果得られた平行ビームを光ディフューザ１３０に向けるように構成される。

光ディフューザ１３０は、少なくとも２つの光学的機能、（１）空間強度ホモジナイザとして働くこと、及び（２）レンズ１２６から受光された平行ビームの上に特定の角度発散を重ね合わせること、を実施するようになされる。光ディフューザ１３０の第１の機能を参照すると、レーザ１１２により放射される光のビームが輝点及び／又は様々な形状のストライプ等、不均一な強度分布を有し、より多くの光がその周辺付近よりビームの中心軸付近に集められることが主たる理由で、光ディフューザ１３０に加えられた光は通常、様々な強度の不均一さを有する。しかし、ＳＬＭ１５６が全体的に一様な照明、即ち、その活性領域にわたって実質的に一様な強度分布のもとに置かれる場合は、一般的に高品質な投影像が得られる。従って、光ディフューザ１３０は一様でない光強度分布を実質的に一様な光強度分布に変換する。

光ディフューザ１３０の第２の機能を参照すると、一実施形態において、その光ディフューザは比較的複雑な微細構造表面を有する光学的に透明な板を備える。平行ビームが光ディフューザ１３０の上に衝突すると、表面の異なる部分が、平行ビームの対応する部分の伝播方向をそれぞれ異なる量だけ変化させ、それにより、光ディフューザで生み出されるビームの中に対応する角度分布が生成される。この角度分布がＳＬＭ１５６の各ピクセルが光源１１０から光を受光し、ＳＬＭにおいて入射角ダイバーシティを生み出す角度範囲を画定する。様々な実施形態において、光ディフューザ１３０は約２度〜約１０度の範囲の角度分布幅を生み出すように設計され得る。参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願第２００２００３４７１０号は光ディフューザ１３０として働くことができる光ディフューザを作製し、使用する方法を開示する。様々な実施形態において、米国ニューヨーク州、ロチェスタのＲＰＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社から市販されているものから選択される様々な光ディフューザが、光ディフューザ１３０として使用され得る。

プロジェクタ１００の中の光学素子が時間的に静止している（互いに対して動かない）とき、ＳＬＭ１５６のピクセルは異なる入射角を有する光線の間のある一定の位相関係によって特徴づけられる照明を受ける。しかし、この位相関係は光ディフューザ１３０に関するピクセル位置の関数として変化する。プロジェクタ１００は投影される像の中にスペックル低減を生み出すために、この相対位相変化を利用するように設計される。

一実施形態において、光ディフューザ１３０は図１に両頭矢印で示されるＸ軸に沿って動くように、例えば振動するようになされる。ＳＬＭ１５６の所与のピクセルにおいて、光ディフューザ１３０のこの運動は、光がピクセルにおいて受光されている角度範囲を実質的に変えることなく、異なる入射角を有する光の相対位相に振動性の時間変調を課する。この振動性変調の周波数が十分高く、例えば、フリッカー値より高ければ、投影される像の中のスペックルの出現は低減され得る。というのは、変調はピクセルにおいて受光される光の空間コヒーレンスを低減（又は好ましくは消滅）させ、スペックルを引き起こす干渉効果を抑制することができるからである。

光ディフューザ１３０の他の種類の周期的又は非周期的運動が投影される像の中のスペックルを同様に低減させ得ることは当業者には理解されよう。例えば、光ディフューザ１３０はＸＺ平面に平行な平面軌道に沿って動くように構成され得る。平面軌道は、光ディフューザ１３０の任意に選択される点の軌道が、約１ｍｍの１辺を有する矩形の中に閉じ込められるように構成され得るであろう。更に、平面軌道は１以上の直線部を有するように構成されてよく、それらの直線部のそれぞれは、対応する方向における光ディフューザ１３０の平行移動を生み出す。同様に、軌道は１以上の曲線部を有してよく、それらの曲線部のそれぞれは、平行運動成分、及びＹ軸に実質的に平行な回転軸を有する回転運動成分に分解され得る、光ディフューザ１３０の運動を生み出す。一実施形態において、光ディフューザ１３０は３次元軌道に沿って動くように構成され得るであろう。この３次元軌道はＸＺ平面に平行な運動成分を生み出す十分な部分を有することが好ましい。

プロジェクタ１００の全体の寸法は、その様々な構成部品の相対的な向き及び位置、並びにそれらの形状及び寸法により制御される。ハンドヘルド携帯電子装置上に搭載可能なプロジェクタ１００を作製するために、少なくとも１つのプロジェクタの寸法、例えばＺ寸法は、例えば約１０ｍｍ未満であってよい。しかし、プロジェクタ１００の上述の光学的配置は、映写レンズ１６０の最小寸法にある一定の制限を課す。次の段落において説明されるプロジェクタ１００の実施形態は、そのようなハンドヘルド携帯用途にとって好ましい例示的実施形態を提供する。

一実施形態において、光ディフューザ１３０が異方性角度分布を生み出すように設計される。例えば、光ディフューザ１３０は、垂直（例えば、Ｚ）方向に沿って広げられる角度が水平（例えば、Ｘ）方向に沿って広げられる角度より狭いように（例えば、二分の一以下に）設計され得る。映写レンズ１６０の高さ（即ち、Ｚ方向）は、垂直方向における角度分布の幅（即ち範囲）、並びに光ディフューザ１３０と映写レンズの間の有効光路長と直接関連するので、その角度分布の低減された幅が、映写レンズのＺ方向寸法（即ち高さ）を低減させるために利用され得る。一実施形態において、光ディフューザ１３０は約１０ｍｍより低い高さを有する映写レンズ１６０の使用を可能にするように設計され、構成される。

図２に、本発明の他の実施形態によるプロジェクタ２００の上面図を示す。プロジェクタ２００はプロジェクタ１００の光源１１０及び変調器部１５０それぞれの素子と同じ素子を多く使用する光源２１０及び変調基部２５０を有する。これらの素子の説明は、以下では繰り返されない。以下の説明は主として（ｉ）光源２１０と１１０及び（ｉｉ）変調器部２５０と１５０の間の違いに焦点を置く。

光源２１０において、各レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂは対応する発散ビームを色混合器１１８に加える。というのは、光源１１０と違って、光源２１０はコリメーティングレンズ１１４ｒ、１１４ｇ、及び１１４ｂ（図１及び図２参照）に類似のコリメーティングレンズを使用しないからである。色混合器１１８は発散ビームのそれぞれをレンズ２２４に向ける。レンズ２２４は受光された発散ビームのそれぞれを対応する集束ビームに変換するようになされる。変調器部２５０のＳＬＭ１５６への途上で、この集束ビームの光は２つのビーム整形素子、即ち、光源２１０の中に配置される光ディフューザ２２８及び変調器部２５０の中に配置される任意選択の対物レンズ２５８に遭遇する。レンズ２２４は、それらのビーム整形素子がない状態で、レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂの出力開口がＳＬＭ１５６の活性領域の中間部分（例えば、中心付近）上に映し出されるように構成される。

光ディフューザ２２８は、光ディフューザ１２２及び１３０（図１）の２つの対応する機能に類似する２つの機能を実施するようになされる。より詳細には、光ディフューザ２２８は（１）全体的に円又は楕円の断面を有するビームをＳＬＭ１５６の活性領域の形状に対応する、全体的に矩形の断面形状を有するビームに変換するように、及び（２）その結果得られるビームの中の強度分布を均質にするようになされる。これらの機能を実施する過程で、光ディフューザ２２８は光ディフューザ２２８を通して伝送される光ビームの集束の度合いを変える。より詳細には、受光された光線のそれぞれに対して、光ディフューザ２２８は、例えば図２に、対応する点線で示すようにある一定の角度の広がりを導く。上述の米国特許出願第２００２００３４７１０号及び米国特許第７，３０７，７８６号は光ディフューザ２２８として働くことができる光ディフューザを作製し、使用する方法を開示する。

図２において、光ディフューザ２２８はレンズ２２４の下流に例として示される。代替実施形態において、光ディフューザ２２８はレンズ２２４の上流に置かれてよい。一実施形態において、光ディフューザ２２８としての使用に適する光ディフューザは上述のＲＰＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社から購買され得る。

レンズ２２４及び光ディフューザ２２８の複合効果は、実質的に矩形のＳＬＭ１５６の活性領域にわたって実質的に一様な照明強度を生み出すことである。ＳＬＭ１５６において光源２１０で生成される照明領域（光スポット）はＳＬＭの活性領域より面積が僅かに（例えば、１０％）大きく、全体的に活性領域の形状に対応する矩形形状を有する。レンズ２２４の上述の構成により、照明領域は比較的鮮明な縁部を有する（即ち、照明領域と非照明領域の間の遷移領域が比較的狭い、例えば、照明領域の直線寸法の約１％と約１０％の間の距離にわたって、光強度が約９０％低下する）。プロジェクタ２００の中のＳＬＭ１５６の各ピクセルは（１）レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂにより放射される光の（複数の）発散角度、（２）レンズ２２４で導かれる拡大係数、（３）光ディフューザ２２８により導かれる角度の広がり、に関連する角度分布を有する照明を受ける。様々な実施形態において、これらのパラメータはＳＬＭ１５６において約２度〜約１０度の範囲の角度分布幅を生み出すように選択され得る。

プロジェクタ２００はプロジェクタ１００の映写レンズ１６０（図１）に全体的に類似する映写レンズ２６０を有する。しかし、対物レンズ２５８の存在が、受け入れ角度の制約等、映写レンズ２６０に対するいくらかの設計上の制約を緩和するために使用され得る。より詳細には、対物レンズ２５８がないと映写レンズに向けられる光は比較的大きな角度範囲を有するため、映写レンズ２６０の横寸法は比較的大きくなる傾向がある。対物レンズ２５８の存在がその範囲を低減させ、そのことが映写レンズ２６０の横寸法を低減させるため、或いは、映写レンズによってＳＬＭ１５６からスクリーン１９０上に形成される像に中継される光量を増加させるため、のいずれかに使用され得る。レンズ２５８の使用により、映写レンズ２６０はテレセントリックレンズ（即ち、主光線がレンズの光軸と平行であるレンズ）であってよい。例えば、テレセントリックレンズが、投影された像の中の口径食及び色クロストークを低減させることを助け、従来の写真用レンズより高い分解能を支持し、より多くの光を伝送することができるので、テレセントリック映写レンズの使用が有利であり得ることは、当業者には理解されよう。更に、映写レンズ２６０のテレセントリシティはその寸法を低減するために使用され得る。

プロジェクタ２００の中の全ての光学素子が静止している（互いに対して動かない）とき、ＳＬＭ１５６のピクセルは異なる入射角を有する光線の間に特定の位相関係を有する照明を受ける。しかし、この位相関係は光源２１０によりＳＬＭ１５６において生み出される照明領域内のピクセル位置に応じて変わる。プロジェクタ２００は、以下により詳しく説明するように、投影される像の中でスペックル低減を生み出すために、この相対位相変化を利用するように設計される。

一実施形態において、レンズ２２４は光ディフューザ２２８及びＳＬＭ１５６に対して動くように、例えば、図２に両頭矢印で示すように、レンズの光軸に直角に振動するようになされる。レンズ２２４のこの運動が、光源２１０によりＳＬＭ１５６において生み出される照明領域（光スポット）の横運動を生み出す。この運動の振幅は、ＳＬＭ１５６の活性領域が照明領域の中に閉じ込められたままであるように選択されることが好ましい。より詳細には、照明領域がＳＬＭ１５６の活性領域上に留まり、照明領域の境界がＳＬＭの活性領域の外に留まる。ＳＬＭ１５６の所与のピクセルにおいて、照明領域の横運動が、異なる入射角でピクセル上に入射する光線の相対位相に時間変調を課する。この時間変調の周波数が十分に高く、例えば、フリッカー値より高い場合は、投影される像におけるスペックルの出現は低減され得る。

レンズ２２４の他の種類の周期的又は非周期的運動もまた、投影される像の中のスペックルを低減できることは当業者には理解されよう。例えば、レンズ２２４はＸＺ平面に平行な平面軌道に沿って動くように構成され得る。平面軌道は、レンズ２２４の任意に選択された点の軌道が約１〜３ｍｍの１辺を有する矩形の中に閉じ込められるように構成され得る。更に、平面軌道は１以上の直線部を有し、それら直線部のそれぞれがレンズ２２４の対応する平行移動を生み出すように構成され得る。同様に、軌道は１以上の曲線部を有し、それら曲線部のそれぞれが平行運動成分、及びＹ軸に実質的に平行な回転軸を有する回転運動成分に分解され得る、レンズ２２４の運動を生み出すことができる。一実施形態において、レンズ２２４は３次元軌道に沿って動くように構成され得る。この３次元軌道はＸＺ平面に平行な運動成分を生み出す十分な部分を有する。

一実施形態において、光源２１０の中のレーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂのそれぞれは半導体レーザダイオード又はダイオード励起のソリッドステートレーザとして実施される。当業界で知られるように、典型的な端面放射半導体レーザダイオードは全体的に楕円形の断面を有する円錐形の光を放射する。光源２１０の中で、半導体レーザダイオード（レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂ）はそれぞれ個別の楕円の短軸がＺ軸に実質的に平行で、楕円の長軸がＸＹ平面に平行であるように向けられる。結果として、変調器部２５０の中のＳＬＭ１５６で受光される光ビームは垂直、即ちＺ方向の角度の広がりが水平方向の角度の広がり、即ちＸＹ平面内の広がりより狭い異方性の角度分布を有する。図１を参照して上で既に説明したように、映写レンズ（この場合は、映写レンズ２６０）の高さ（即ち、Ｚ寸法）は、垂直方向の角度の広がりに関連する。従って、その角度の広がりの比較的小さな値が、プロジェクタが比較的低い高さを有する映写レンズ２６０で動作することを可能にするために、プロジェクタ２００の中で利用され得る。一実施形態において、プロジェクタ２００はその放射パターンが約１０ｍｍより低い高さを有する映写レンズ２６０の使用を可能にするレーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂを使用する。

他の実施形態において、光源２１０の中のレーザ１１２ｒ、１１２ｇ、及び１１２ｂのそれぞれは全体的に円の断面を有する円錐形の光を放射する。しかし、光ディフューザ２２８は、垂直（Ｚ）方向の角度の広がりが水平（Ｘ）方向の角度の広がりより狭いように、異方性角度分布を課するように設計される。垂直方向の角度の広がりの比較的小さい値によって、プロジェクタ２００が約１０ｍｍより低い高さを有する映写レンズ２６０で動作することが可能となる。

光源２１０（図２）と１１０（図１）を比較すると、光源２１０がより少ない光学素子を有することが分かる。光源２１０のこの特性が、同等に実施される光源１１０より小さい寸法を有することを可能にする。光源２１０と１１０の間の最も顕著な寸法の違いがＹ寸法にあることは当業者には理解されよう。プロジェクタ１００の変調器部１５０と比較して、プロジェクタ２００の変調器部２５０は余分な素子、即ち対物レンズ２５８を任意選択で有するが、そのレンズを収容するために必要な追加の空間は大きな影響は与えない。というのは、比較的簡単で薄いレンズがその位置において適切な性能特性を提供できるからである。更に、上述の理由と同じような理由で、プロジェクタ１００のいくつかの実施形態はレンズ２５８に類似する対物レンズを有することができるであろう。いずれの場合においても、一般に、プロジェクタ２００はプロジェクタ１００の全設置面積より小さい全設置面積を有するように実施され得る。

図３に、本発明の他の実施形態によるプロジェクタ３００の上面図を示す。プロジェクタ３００は全体的にプロジェクタ２００（図２）に類似しており、２つのプロジェクタに類似する素子が、同一の下２桁を有するラベルで示される。プロジェクタ３００と２００の間の主な違いが以下により詳細に説明される。

プロジェクタ３００と２００の間の１つの違いは、スペックルを緩和する目的で、対応する光源で生み出された照明領域の横運動をＳＬＭにおいて生成する方法にある。より詳細には、プロジェクタ３００は他の光学素子を介して光ディフューザ３２８とＳＬＭ３５６を光学的に結合する鏡３４２を有する。鏡３４２は、くさび３４４（板を横断する厚さを変えて得られるテーパを有するテーパ板）の１面の上に反射（例えば、金属）層を堆積することで形成される。くさび３４４はモータ３４８のロータ３４６の上に搭載され、くさびの背面（即ち、鏡３４２を有する面と反対の面）はロータの回転軸（図３にＯＢで示す）に直交する。この幾何学的配置により、鏡３４２への法線（図３にＯＡで示す）及びロータ３４６の回転軸はそれらの間に角度θを有する。角度θがくさび角、即ち、くさび３４４の背面と鏡３４２の平面の間の角度とほぼ同じ値を有することに留意されたい。一実施形態において、角度θは約１度と約１０度の間である。

モータ３４８がオンになるとモータ３４８がロータ３４６を回転させ、それにより鏡３４２に対する法線が回転軸周りに首振り運動を引き起こされる。この首振り運動が、鏡３４２によってＰＢＳ３５２に向けられる光ビーム３３２の伝播方向に、対応する首振り運動を生じさせる。光ビーム３３２の首振り運動が、ＳＬＭ３５６においてそのビームにより生成される照明領域を円軌道に沿って横に動かせる。この円軌道の直径は、ＳＬＭ３５６の活性領域が照明領域の中に囲まれたままであるように、即ち、照明領域がＳＬＭ３５６の活性部の上に留まり、照明領域の境界がＳＬＭの活性部の外に留まるように選択されることが好ましい。ＳＬＭ３５６の所与のピクセルにおいて、この横運動は異なる入射角を有する光線の相対位相の時間変調を課する。モータ３４８の回転速度が十分に速い場合は、投影される像の中へのスペックルの出現は低減され得る。というのは、位相変調が、適切な時間的尺度において、ピクセルにおいて受光される光の空間コヒーレンスを低減させ（又は好ましくは消滅させ）、また、スペックルを引き起こす干渉効果を抑制することができるからである。プロジェクタ３００の中のレンズ３２４はプロジェクタ２００の中のレンズ２２４の運動と類似のやり方で動き得ること、又は静止状態でよいことに留意されたい。

図４に、本発明の他の実施形態によるプロジェクタ４００の上面図を示す。プロジェクタ４００は全体的にプロジェクタ２００（図２）に類似しており、２つのプロジェクタの類似する素子は同じ下２桁を有するラベルで示される。プロジェクタ２００と４００の間の主な違いは以下により詳細に説明される。

プロジェクタ２００及び４００は、同じ基本的な光学配置のそれぞれ「折り畳まれた」及び「折り畳まれない」構成を代表するように示され得る。プロジェクタ２００の折り畳まれた光学配置は反射で動作するＳＬＭ１５６を有する。結果として、プロジェクタ２００の中の対物レンズ２５８は、光がＳＬＭの行きと帰りをそれぞれ進むときに２回横断される。対照的に、プロジェクタ４００の中で使用されるＳＬＭ４５６は透過で動作する。結果として、同じ光学的機能を実施するために、プロジェクタ４００は２例の対物レンズ、即ちレンズ４５８ａ及び４５８ｂを使用する。プロジェクタ４００の中のレンズ４５８ａ及び４５８ｂは、プロジェクタ２００の中のレンズ２５８により、ＳＬＭ１５６で反射される前後それぞれで実施される光学的機能に類似の光学的機能を実施する。その透過構成により、プロジェクタ４００はＰＢＳ１５２に類似のＰＢＳ、又はプロジェクタ２００の四分の一波長板１５４に類似の四分の一波長板を使用する必要がないことに留意されたい。ＳＬＭ４５６として使用され得る適切なＬＣＯＳ ＳＬＭがセイコーエプソン社で製造され、Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ Ｍｏｄｅｌ ＥＭＰ−８３／８２２の一部として市販されている。

プロジェクタ４００が単一レーザ４１２を有し、それ自体がモノクロプロジェクタとして動作するように、例として示される。プロジェクタ４００はいくつかの携帯用途に有利であろう。というのは、プロジェクタ４００は比較的狭く細長い設置面積を有し、それ自体が従来のレーザポインタに類似の比較的狭いペンに似た装置の中に組み込まれるのに十分に適するからである。代替実施形態において、プロジェクタが多色像を投影することを可能にするために、より多くのレーザ（色）が、例えば図１及び図２に示すＸキューブを使用してプロジェクタ４００に付加され得る。

プロジェクタ４００の中のスペックル緩和は、例えば図４に両頭矢印で示すように、レンズ４２４を可動に作製することにより可能となり得る。レンズ４２４のこの運動は、レーザ４１２で生み出される照明領域のＳＬＭ４５６の表面上の横運動を生み出す。ＳＬＭ４５６の所与のピクセルにおいて、この横運動が、異なる入射角を有する光線の相対位相に時間変調を課する。この時間変調の周波数が十分に高い場合は、スクリーン４９０上に投影される像の中のスペックルの量は低減される。投影される像の中のスペックルを低減させるために、他の種類の周期的又は非周期的な運動が同様にレンズ４２４上に課されてよいことは当業者には理解されよう。

一実施形態において、それぞれの焦点距離（ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３）並びにレンズ４５８ａ、４５８ｂ及び４６０の位置は図４に示すように選択される。より詳細には、レンズ４５８ａ及び４５８ｂはＳＬＭ４５６に近接して置かれる。光ディフューザ４２８及び映写レンズ４６０はＳＬＭ４５６からＳＬＭの対向するそれぞれの側に距離ｆ_３及びａだけ離れた位置に置かれる。投影スクリーン４９０はレンズ４６０から距離ｂだけ離れた位置に置かれ、ここでａ＝１／（１／ｆ_１＋１／ｂ）である。この光学的配置は映写レンズ４６０がテレセントリックレンズであることを可能にし、テレセントリックレンズのいくつかの利点は既に上で説明した。

図５に、本発明の一実施形態によるハンドヘルド電子装置５００の３次元斜視図を示す。様々な実施形態において、装置５００は携帯電話、ＰＤＡ、メディアプレーヤ、等であってよい。装置５００は一組の制御キー５１０、及び比較的小さい普通の表示スクリーン５２０を有する。装置５００の狭い末端の側部（縁部）が、その装置の中に組み立てられたプロジェクタのための光出力ポートとして働く開口５３０を有する。様々な実施形態において、装置５００はプロジェクタ１００、２００、３００、及び４００のうちの１つを組み込むことができる。図５において、装置５００のプロジェクタが白紙の一片５９０の上に比較的大きい像を投影しているように、例として示される。

本明細書で説明される様々な実施形態は、２００７年３月２日に出願のＲａｎｄｙ Ｃ．Ｇｉｌｅｓらの米国特許出願第１１／７１３，２０７号、２００７年３月２日に出願のＶｌａｄｉｍｉｒ Ａ．Ａｋｓｙｕｋらの米国特許出願第１１／６８１，３７６号、２００７年３月２日に出願のＶｌａｄｉｍｉｒ Ａ．Ａｋｓｙｕｋらの米国特許出願第１１／７１３，１５５号、及び２００７年３月２日に出願のＧａｎｇ Ｃｈｅｎらの米国特許出願第１１／７１３，４８３号の中に記載される、光プロジェクタ、多色光源、スペックル低減方法及び構造、及び／又は空間光変調器（ＳＬＭ）を使用することができ、及び／又はこれらの特許出願の中に記載される光プロジェクタ及び光学的像形成方法の中で使用され得る。これらの４つの特許出願は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明が、例示的実施形態を参照して説明されてきたが、この説明は限定的な意味で解釈されことを意図されていない。例えば、光ディフューザ２２８及びレンズ２２４の光学的機能は実質的にモノリシックな単一光学素子の中に一体化されてよい。説明した実施形態の種々の改変形態並びに本発明の他の実施形態は、本発明が関連する当業者には明らかであり、以下の特許請求の範囲で示される本発明の原理及び範囲の中に存在するものとみなされる。

別段に明記しない限りは、それぞれの数字の値及び範囲は、その値又は範囲の数値の前に単語「約（about）」又は「およそ（approximately）」があるかのように近似値であるものと解釈されるべきである。

以下の方法特許の請求の範囲の中に複数の要素が存在する場合、それらの要素は特定の順番で説明されているが、特許請求の範囲の説明がそれらの要素のいくつか又は全てを実施するための特定の順序を別段に含意しない場合は、それらの要素がその特定の順序で実施されるように限定されることは必ずしも意図されない。

本明細書における「一実施形態（"one embodiment" or "an embodiment"）」という言及は実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態の中に含まれ得ることを意味する。本明細書中のいろいろな場所における「一実施形態において（in one embodiment）」という句の出現は必ずしも全て同じ実施形態に言及しているわけではなく、また、他の又は代替の実施形態が必ずしも互いに他の実施形態と相容れないものではない。同じ見解が用語「実施（implementation）」に適用される。

詳細な説明を通して、図面は縮尺どおりではなく例示的であり、従って本発明を限定するのではなく説明する。高さ、長さ、幅、上部、底部等の用語の使用は、厳密に本発明の説明を容易にするためであり、本発明を特定の方向に限定することは意図されない。例えば、高さは垂直方向の上昇の限界だけを含意するのではなく、図に示すように、３次元構造の３つの次元のうちの１つを識別するために使用される。そのような「高さ」は、「長さ」及び「幅」が水平面内にある場合は垂直であろうが、「長さ」及び「幅」が垂直面内にある場合は水平であろう。

また、この説明のために、用語「結合する（couple）」、「結合している（coupling）」、「結合された（coupled）」、「接続する（connect）」、「接続している（connecting）」、又は「接続された（connected）」は、当技術分野で知られているか、又はその後拡張された、何らかの様式に言及しており、そこではエネルギーが２以上の要素の間で伝達されることができ、１以上の追加の要素の介在物が、必要とはされないが、想定される。反対に、用語「直接結合された（directly coupled）」、「直接接続された（directly connected）」等は、そのような追加の要素が存在しないことを含意する。

Claims (10)

1. 表示スクリーン上に像を投影するための光学装置であって、
   受光された照明光ビームを、前記像を形成するための空間パターンで変調するようになされる複数のピクセルを有する空間光変調器（ＳＬＭ）、及び
   レーザと前記ＳＬＭの間の光路に沿って配置され、前記複数のピクセルのうちの各ピクセルにおいて前記照明光ビームが入射角の範囲に対応する光線を有するように、前記照明光ビームを前記ＳＬＭにおいて生み出すために、前記レーザにより生成される光を伝送するようになされる、光ディフューザ
   を備え、
   前記光学装置が前記ＳＬＭにわたって前記照明光ビームを動かすようになされ、
   前記複数のピクセルのうちの各ピクセルにおいて、前記照明光ビームの前記運動が、異なる入射角を有する前記光線の相対的光位相を変える、光学装置。
2. 請求項１に記載の発明であって、前記光路に沿って配置され、前記照明ビームの前記運動を生み出すために動くようになされるレンズを更に備え、前記レンズが前記レンズの出力開口を前記ＳＬＭ上に映し出すように構成される、発明。
3. 請求項２に記載の発明であって、前記レンズ及び前記光ディフューザがモノリシック光素子として実施される、発明。
4. 請求項１に記載の発明であって、前記光路に沿って配置され、前記照明ビームの前記運動を動かすようになされる鏡を更に備える、発明。
5. 請求項４に記載の発明であって、前記鏡が、前記鏡に対する法線に平行でない回転軸周りに回転するようになされる、発明。
6. 請求項５に記載の発明であって、くさびを更に備え、前記鏡が前記くさびの１表面である、発明。
7. 請求項１に記載の発明であって、
   前記ＳＬＭが、第２のレーザからの光ビームを対応する空間パターンで変調するように更になされ、
   前記２つのレーザが異なる色の光を放射するようになされ、
   前記光学装置が前記２色の前記光の前記ＳＬＭへの時分割多重伝送に適合され、
   前記光学装置が、前記２つのレーザのそれぞれにより放射される前記光を、前記光ディフューザを通して誘導するようになされる色混合器を更に備える、発明。
8. 請求項１に記載の発明であって、前記レーザを更に備え、前記レーザが前記レーザの前記放射軸に直交する異なる軸に沿って異なる角度の広がりを有する光を放射するようになされる、発明。
9. 請求項１に記載の発明であって、前記光ディフューザが、異なる方向に沿った異なる量の角度の広がりを前記伝送される光の中に導くようになされる、発明。
10. 表示スクリーン上に像を投影する方法であって、
    光ディフューザを通して光ビームを進ませることにより空間光変調器（ＳＬＭ）の表面の一部分をレーザで照明するステップであって、複数のピクセルのうちの各ピクセルにおいて前記照明光ビームが入射角の範囲に対応する光線を有するように、前記光ディフューザが前記光ディフューザ上に入射する前記光ビームを角度的に広げるようになされる、ステップ、
    前記照明光ビームを、前記像を形成するために前記ＳＬＭの複数のピクセルにより表示される空間パターンで変調するステップ、及び
    前記照明光ビームを前記ＳＬＭにわたって動かすステップであって、前記複数のピクセルのうちの各ピクセルにおいて、前記運動が異なる入射角を有する前記光線の相対的光位相を変える、ステップ
    からなる方法。

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