JP2012230414A - 帯域幅強調によるスペックル低減のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルを低減させたレーザ画像システムの提供。
【解決手段】本レーザ画像システムは、レーザ光の個々のエミッタ１０１、１０２、…を空間的に重ね合わせた１−Ｄアレイ１２２，１２４、…又は２−Ｄアレイ１０を備える。このとき各エミッタ１０１、１０２、…は、スペクトル帯域幅Δλ_ｉを、任意の波長λ_０ｉの中央に有する。アレイの素子群は、少しずつ異なる中央波長を有することで、アレイのうちのいずれの単独のエミッタの帯域幅Δλ_ｉよりも遙かに大きな集合帯域幅ΔΛを生ずることができ、その結果、帯域幅が増すことで、表示画像のスペックルを低減する。
【選択図】図１

Description

技術分野
本発明は、画像投射用のレーザ光源に関する。より具体的には、スペックルを低減させた投射結像用の帯域幅強調レーザ源に関する。

発明の背景
高性能結像用の場合、赤色、緑色及び青色（ＲＧＢ）レーザは、白熱灯光源に比べて明白な長所を有する。彩度、コントラスト、鋭さ、及び色範囲が大きいという点は、アークランプを用いた従来の結像システムに比べ、レーザ・ディスプレイが際だつ特徴の一部である。しかしながら、このような性能上の長所にも係わらず、同等のルーメン出力のランプで駆動されるディスプレイに比較したときの、価格の高さ、信頼性の低さ、梱包の大きさ、及び電力消費の大きさがあるために、レーザ・ディスプレイ技術の市場での受容度は依然低い。

レーザ投射技術を従来技術と比較するには、これらの技術の最終的な実用性に関する二つの基本的なパラメータを検討すると参考になる。一番目のパラメータは、光学的効率と定義することができる。光学的効率とは、この場合、光源への入力１ワット当たりで出力されるルーメンである。二番目は、コスト適合性、即ち、ある特定の用途に必要な要件に対し、問題の技術がどの程度、コスト効果的な解決をもたらすか、という点である。

これらのパラメータを基にすれば、それぞれが基本色で作動する三個のレーザ又はレーザ・アレイから成る赤／緑／青（ＲＧＢ）半導体／マイクロレーザシステムは、今日までで最も効率的で、輝度の高いディスプレイ用白色光投射源であるように思われる。半導体レーザの作動は、紫外域から赤外域のスペクトル域に渡り、ＩｎＧａＡＩＮ、ＩｎＧａＡＩＰ及びＩｎＧａＡＩＡ材料システムに基づくデバイス構造を利用して、行われてきた。好ましい中央波長範囲は、下に解説するように、赤色の場合は６１０乃至６３５ｎｍ、緑色の場合は５２５乃至５４０ｎｍ、そして青色の場合は４４５ないし４７０ｎｍである。このスペクトルを持つ光源は、従来のアークランプ法や、黒体放射を利用する投射技術よりも、大きな色彩範囲を提供する。

レーザ放射は本来狭帯域であり、完全飽和色を認識させる。残念ながら、帯域光がランダムな不均質の表面（例えば投射スクリーンなど）に入射すると、「スペックル」として知られる見苦しい画像人工物も生まれる。スペックルの視覚的影響により、画像の美的質は損なわれ、画像の解像度も低下する。結果的に、高解像度ディスプレイ・システムの観点からは、スペックルをなくすことが一般に必須であると考えられる。多種の「デ−スペックリング」技術を用いてこの人工物を「許容可能なレベル」まで減じることはできるが、それには効率の更なる低下が代償となり、ひいてはコスト、信頼性、梱包サイズ、及び電力消費に負の影響を与えることとなる。

公知のスペックル低減技術は、レーザ光の空間的又は時間的コヒーレンスを、光学距離無作為化及び／又はスペクトル拡張を通じて干渉する傾向がある。しかしながら、これらの解決法の大半は高価であり、技術的に複雑で、モード引込み同期技術を用いて１ｐｓといった大変短いパルスを生成することで光学帯域幅を広げるなどの技術に依拠するものである。理想的には、投射ディスプレイ光源用のスペクトル帯域幅は、ほぼ数ナノメートル（即ち５乃至１５ｎｍ）でなければならない。このような光源は、準単色性で、スペックルを消去するには充分に広帯域であるが、色彩純度のためには充分狭帯域であると考えられよう。これらの性質を持つような、レーザを基にしたＲＧＢ光源は全く存在しないのである。

従って、基本的なＲＧＢ波長（赤色の場合、約６２０ｎｍ、緑色の場合、５３０ｎｍ、そして青色の場合は４６０ｎｍ）でほぼ５乃至１５ｎｍのスペクトル幅を持ち、小型で効率的、信頼性があって製造費が廉価な、レーザを基にしたＲＧＢ光源を提供でき ることが、望ましいであろう。このＲＧＢレーザを基にした光源の実際の目的は、対角線が約７．５フィートのスクリーン上に、輝度の高い（＞１０００ルーメン）投射ディスプレイを、少ないスペックルで行うことである。数ナノメートルの帯域幅を有するＲＧＢレーザ光源への需要は、大半の投射装置（即ち ＬＣｏｓ、ｐ−ＳｉＬＣＤ、ＤＬＰ、及びおそらくはＧＬＶも）にとって、広く共通のものである。

発明の概要
本発明は、所望の波長に応じて、半導体ダイオード・レーザ・アレイ、ダイオード・ポンプ・マイクロレーザ、及び／又は、このようなレーザの非線形周波数変換を利用したレーザ投射ディスプレイ・システムに関する。

本発明の一態様では、帯域幅強調レーザ画像システムは、各々が、中央波長がλ_０ｉであり、スペクトル帯域幅がΔλ_ｉのレーザ光を放出する、複数のレージング素子を備える。前記レージング素子は、設計上、少しずつ異なる中央波長λ_０ｉを有することで、アレイのうちのいずれの単独のエミッタの帯域幅Δλ_ｉよりも大きな集合帯域幅ΔΛを生ずることができる。画像光学素子が各レーザ光を結合する。結合されたレーザ光は、重複パラメータ
を持つ集合スペクトルΛを有し、ただしこのとき
はレージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そして
はスペクトル上隣り合うレージング素子の各中央波長λ_０ｉの間の平均波長シフトである。

本発明の別の態様では、スペックルを低減させた帯域幅強調ＲＧＢレーザ投射システムは、各Ｒ、Ｇ、及びＢチャンネルに関係した、Ｒ、Ｇ及びＢ光を生成する三個の発光子を備える。光結合器がこのＲ、Ｇ及びＢ光を結合し、投射光学素子が、結合されたＲ、Ｇ及びＢ光を投射ディスプレイ・スクリーン上に投射する。前記Ｒ、Ｇ及びＢ発光子のうちの少なくとも一つは複数のレージング素子を備え、各レージング素子は、中央波長がλ_０ｉ及びスペクトル帯域幅がΔλ_ｉのレーザ光を放出する。これらレージング素子は、設計上、少しずつ異なる中央波長λ_０ｉを有することで、アレイのうちのいずれの単独のエミッタの帯域幅Δλ_ｉよりも大きな集合帯域幅ΔΛを生ずることができる。光線ホモジナイザが、これら複数のレージング素子のレーザ光を、共通の画像表面上に結像する。結像されたレーザ光は、重複パラメータ
を持つ集合スペクトルΛを有し、ただしこのとき
はレージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そして
は各中央波長λ_０ｉの間の平均波長シフトである。

本発明のさらに別の態様では、帯域幅の強調されたレーザ光を生成する方法を提供する。本方法は、各レーザ光が中央波長がλ_０ｉであり、スペクトル帯域幅がΔλ_ｉである、複数のレーザ光を生成するステップであって、ただしこのとき前記レーザ光のうちの少なくとも一つの中央波長が、少なくとも一つの他のレーザ光の中央波長に対して、波長シフトされている、ステップと、前記の各レーザ光を結合して空間上重複した光線にするステップと、を含む。前記の空間上重複した光線 は、重複パラメータ
を持つ集合スペクトルΛを有し、ただしこのとき
はレーザ光の平均スペクトル帯域幅であり、そして
は、少なくとも一つレーザ光及び少なくとも一つの他のレーザ光の中央波長λ_０ｉの間の平均波長シフトであり、またこのときアレイの
及び
は、γ≧１になるように選択される。γの値は、投射されたレーザ画像のスペックルが低減されるよう、選択される。

本発明の実施例には、下記の特徴のうちの一つ又はそれ以上を含めてもよい。本システムには、結合されたレーザ光で照射されると共に、画像制御信号を受け取って、投射されるレーザ画像を形成する変調器を含めてもよい。前記レージング素子には、共通の放出平面上に並んで二次元アレイなどを形成する半導体レーザを含めることができる。また前記レージング素子は、Ｒ、Ｇ、Ｂ可視光を放出しても、又は紫外光又は赤外光を放出してもよい。後者の場合、本システムにはさらに、位相整合又は擬似位相整合（ＱＰＭ）された、該レージング素子でポンプされるバルク結晶又は導波路などの光学的振動数変換器を含めてもよい。代替的な他の光源には、ダイオード・ポンプ固体素子のアレイや繊維レーザのアレイがあるであろう。集合スペクトルΛの有する集合帯域幅ΔΛは、１ｎｍから１０ｎｍの範囲であってもよい。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の好適な実施例の解説及び請求の範囲から明らかとなるであろう。

以下、本発明の具体的な実施例をいくつか、図面にて図示するが、同図面において同様な参照番号は同様の要素を指すものである。これら図示した実施例は、本発明の実例として理解されたく、何ら限定的なものと捉えられてはならない。

ｎ個のレージング素子を持つ、帯域幅強調レーザ光源の例の上面図である。 前記帯域幅強調レーザ光源を取り入れた投射ディスプレイの色チャンネルの概略的横断面図である。 投射ディスプレイに組み込まれた前記帯域幅強調レーザ光源の別の実施例を示す。 各色チャンネルに前記帯域幅強調レーザ光源を取り入れた完全色ＲＧＢ投射ディスプレイを概略的に示す。 平均スペクトル重複パラメータγ＞１を有する５個の例示的なエミッタのスペクトル放出及び集合スペクトルを概略的に示す。 平均スペクトル重複パラメータγ＝１を有する５個の例示的なエミッタのスペクトル放出及び集合スペクトルを概略的に示す。 平均スペクトル重複パラメータγ＜１を有する５個の例示的なエミッタのスペクトル放出及び集合スペクトルを概略的に示す。 平均スペクトル重複パラメータγ＜＜１を有する５個の例示的なエミッタのスペクトル放出及び集合スペクトルを概略的に示す。

発明の詳細な説明
発明を実施するための最良の形態
本発明は、画像投射のための、帯域幅の強調されたレーザ光源に関するものである。具体的には、ここに解説するレーザ光源は、投射画像用途においてスペックルを低減することができる。

図１を参照すると、帯域幅が強調されたレーザ光は、レーザ光１０１、１０２、・・・を放出する空間上分離された個別のエミッタの二次元（２−Ｄ）アレイ１０から生成される。このとき、各エミッタ１０１、１０２、・・・は、それぞれのスペクトル帯域幅Δλ_ｉを、何らかの任意の赤色、緑色又は青色波長λ_０ｉの中央に有する。前記アレイの素子は、少しずつ異なる中央波長を有することで、アレイのうちのいずれの単独のエミッタの帯域幅Δλ_ｉよりも大きな集合帯域幅ΔΛを生ずるよう、設計されている。スペックルを消去するのに必要な集合帯域幅ΔΛの量を精確に操作することで、完全飽和色の外観に重要な準単色性が保たれる。

ＲＧＢ 投射ディスプレイに対する、目的の波長域のレーザ光は、当業で公知の数多くの方法で生成することができる。例えば、投射ディスプレイ用途に適した赤色、緑色、及び青色波長を直接生成するような高出力半導体ダイオード・レーザが、近い将来手に入るようになるかも知れない。青色及び緑色スペクトル域で発光する ダイオード・レーザは、ＡｌＧａＩｎＮ合金から作成することができるが、赤色スペクトル域で発光するダイオード・レーザはＡｌＧａＩｎＡｓＰから作成する ことができる。これらのレーザの放出波長は、主に、有効層の材料組成で決定される。例えばＧａＡｌＩｎＮレーザの波長は、材料のＧａ：Ａｌ：Ｉｎ比を選択することで、紫外線から緑の範囲で変更することができる。同様に、ＧａＡｌＩｎＡｓＰレーザの波長は、各Ｇａ：Ａｌ：Ｉｎ及びＡｓ：Ｐの比を選択することで、オレンジから赤外線の間で変更することができる。これらのレーザ装置の光学出力や寿命の両方を延ばす上で急速な進展が過去２年の間で遂げられており、 半導体レーザ素子は、画像投射用の発光装置として浮上してくるに違いない。

可視のスペクトル域を放出する強力な半導体ダイオード・レーザが得られるようになるまでは、代替的な実施例として、近赤外光半導体ダイオード・レーザの１−Ｄ及び／又は２−Ｄアレイが、周波数を２倍にして赤色、緑色及び青色レーザ光を生成できる。これらの光線の質は高いため、垂直キャビティ表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）を、非線形の結晶又は導波路をポンプするためのポンプ源として利用できる。この非線形の結晶又は導波路は、可視光生成のためには、結晶型（バルク）でも、又は、擬似位相整合（ＱＰＭ）周波数変換器の形であってもよい。さらに別の光源には、ダイオード・ポンプ固体素子のアレイや、繊維レーザのアレイがあろうが、このようなデバイスの大きさ、複雑さ、及びコストを鑑みれば、実用性からいって魅力に乏しい。

可視光は、赤外光ポンプ利得媒体から、当業で公知のいくつかの方法で生成させることができる。共通のレーザ利得媒体をアレイの構造に利用しており、そして利得媒体が充分に幅の広い利得帯域幅を有しているのであれば、アレイの集合帯域幅ΔΛが、いずれか一つのレーザの帯域幅Δλ_ｉよりも実質的に大きくなるよう、個々のレーザを「チューニング」することができる。

意図的な「チューニング」をしなくとも、エンド・ポンプ・レーザのアレイが、個々のレーザの帯域幅よりも幾分大きな集合帯域幅ΔΛを最初から呈することがある。例えば利得素子のアレイ全体に温度勾配を設定するなどにより、帯域幅のスプレッドを向上させてもよい。こうすると、各素子の純利得曲線のピーク、ひいてはレーザ放出のピークを、他のものに比較して移動させることができるであろう。この効果は、上方変換など、レージング工程に起きる温度依存的損失というメカニズムにより、高まるであろう。

別の方法では、エタロンなどのチューニング素子を、アレイのレーザ毎にピーク透過率が少しずつ異なるようにして、提供してもよいであろう。このようなチューニング素子により、レーザ材料の利得帯域幅内の、当該利得曲線のピークに必ずしも一致しないある一波長に、振動が抑えられるであろう。

別個のチューニング素子（エタロン）を、各共振子に別々に導入しても、又 は、単一の「マクロ」−チューニング素子を、全ての共振子上で同時に作動させてもよいであろう。例えば、幅方向で厚さが連続的に変化するような単一の「マクロ−エタロン」を、全てのレーザ上で同時に作動させてもよいであろう。反対に、エタロンのピーク透過波長が距離に対して「チャープ」するよう、マクロ−エタロン全体に温度勾配を設定してもよいであろう。

反対に、グレーティング周期を「チャープさせた」り、又は、少しずつ異なる グレーティング周期を有するような領域を複数持つ周期的分極（ＰＰ）非線形材料を、共振子に挿入してもよいであろう。ＰＰ非線形材料を用いた可視光放出には、ほぼ１０年前から大きな関心が持たれ始めた。散乱を相殺するには充分な複屈折がないために位相整合できない結晶も、非線形係数の符号を変調すれば、位相整合させることができる。例えば周期的分極ＬｉＮｂＯ_３は、４００ｎｍ未満から４０００ｎｍを越える全透過範囲にわたって、擬似位相整合させることができる。さらに、非線形の相互作用が至適になるよう、結晶の配向を選択することもできる。また、第二高調波光（ＳＨＧ）又は和周波光（ＳＦＧ）が生成されるよう、ＰＰチップを作動させてもよい。

周期的分極（ＰＰ）材料を用いる場合、１−Ｄレーザ・アレイを分極材料のフラット・チップに対合させても、所望の可視レーザの１−Ｄアレイを作成できるであろう。この１−Ｄアレイを積層すれば２−Ｄアレイを作成できよう。緑色を生成するには、該ＰＰチップはＳＨＧチップとなるであろう。赤色の生成には、該ＰＰチップが、同じチップ上にＯＰＯ及びＳＦＧグレーティングをタンデムに有していてもよい（ＯＰＯ鏡を、チップ上に直接コーティングしてもよいであろう）。青色の生成には、第三高調波を生成するよう、該ＰＰチップがタンデムＳＨＧ及びＳＦＧグレーティングを有していてもよい。必要に応じ、ＰＰチップのグレーティング周期をそれらの幅方向でチャープさせれば、１−Ｄレーザ・アレイの強調帯域幅を効率的に変換することができる（しかし、ＰＰ材料のスペクトル帯域幅が充分大きければこれは不要である）。

周期的分極材料は、特にこれらを維持しなければならない場合、高温で作動させることは好ましくないであろう。この場合、非線形変換に、室温非臨界位相整合（ＮＣＰＭ）材料、又はウォーク−オフ補正結晶のタンデム配置を利用したい場合があるかも知れない。反対に、適宜「幅広い」チューニング範囲を有し、室温に近い少しずつ異なる温度や、又は、異なる角度で固定された、別々の結晶を用いてもよい。結果的に、キャビティ内周波数変換のための至適な位相整合波長は、アレイのうちの一つのレーザと、次のレーザとの間で少し異なるであろう。

可視ＲＧＢレーザ光を生成するための上述の方法は当業で公知であり、本発明の一部ではない。

図１に示した小型２−Ｄ帯域幅強調レーザ・アレイ１０は、垂直キャビティ表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）の二次元アレイからも、又は、各レーザ棒が複数のレーザ・エミッタ１０１、１０２、・・・１０６を有するような１−Ｄエッジ放出レーザ棒１２２、１２４、・・・を重ね合わせたものからも、構成することができる。ＶＣＳＥＬは、光線の品質が高いために、全体的な効率も優れている傾向がある。エッジ放出レーザ棒には、同じ棒上に形成された１０個から数百個の近距離に置かれたエミッタを含めることができる。あるいは、個々のレーザ・エッジ・エミッタを横に並べて配置して１−Ｄレーザ棒を作成してもよい。該棒は、レーザ・エミッタを上に成長させる足元の基板を少なくとも部分的に除去することで、大変薄くなっていてもよい。該棒を直列に電気的接続することで、各素子に略、同一の光学的出力を放出させることができる。以下に説明するように、異なるピーク放出波長を持つダイオード・エミッタを選択すれば、１０ｎｍ又はそれ以上のアレイ帯域幅を得ることができる。観察によれば、レーザ素子のすべてが必ずしも互いに異なる波長を有していなくともよく、また、エミッタ同士の相互作用が強くなく、かつ約１乃至１０ｎｍという所望の集成帯域幅を提供する限り、２−Ｄアレイ全体でこの波長が繰り返されていてもよい。

図１に示す半導体ダイオードのレーザ・エミッタ１０１、１０２・・・の放出波長は、以下の方法のうちの一つにより選択及び／又は調節してもよい。即ち、（１）積層した１−Ｄ棒から２−Ｄアレイを組み立て、各棒の波長域は、別の棒の波長と一致しないように選択し、２−Ｄアレイが所望の集成波長域Λをカバーする；（２）結晶成長中、デバイス構造全体の有効層の組成を変える；（３）結晶成長中、ＱＷ構造内の量子井戸（ＱＷ）層の厚さ及び／又は組成を変える；（４）レーザの利得曲線に渡ってエンド・ミラーのスペクトル感度を変える（これには、エミッタ・アレイ１０に渡って異なる透過係数を持つようなエタロンを含めてもよい；及び／又は（５）温度勾配、ひいてはバンドギャップのシフトを導入するよう、アレイ１０を不均一に加熱又は冷却する、である。

図２は、投射ディスプレイの色チャンネル２０の横断面図を示す。色チャンネル２０は、帯域幅強調レーザ光源１０と、以後「ハエの目」レンズとも言及され、レーザ光源１０の各レージング素子２０１、・・・２０６の空間的配置と略、一致する小型レンズ２２１、２２２、・・・を持つ二次元マイクロレンズ・アレイ２２と、集光レンズ２４と、液晶光弁（ＬＣＤ）又は変形性鏡装置（ＤＭＤ）の形であってもよい空間的光変調器２６を備える。例えば、小型レンズ２２１は、集光レンズ２４と共に、各レージング素子２０１が放出するレーザ光２１１を、空間的光変調器２６の有効表面２８、２９上に結像する。同様に、小型レンズ２２２は、各レージング素子２０２の放出するレーザ光２１２を、有効表面２８、２９上に結像する、等々と続く。その結果、すべてのレージング素子２０１、 ２０２、・・・のスペクトル出力が、空間的光変調器２６の有効表面２８、２９上に重ね合わされて、投射ディスプレイの所望の帯域幅強調レーザ照射光を形成する。さらに「ハエの目」レンズの小型レンズは、円形又は楕円形の光線２１１、２１２、・・・を、変調器２６の大きさ及びアスペクト比に適合する略矩形形状に変換するよう、設計されている。換言するなら、「ハエの目」レンズ・アレイ及び集光レンズは、輝度の均一な矩形片の帯域幅強調光を変調器のうちの画像平面に送るのである。

図３は、投射ディスプレイの別の実施例の色チャンネル３０の横断面図を示す。図２の実施例と同様、レージング素子３０１、３０２、・・・のスペクトル出力は空間的光変調器２６の有効表面２８、２９上に重ね合わされて、投射ディスプレイ用の所望の帯域強調レーザ照射光を形成する。しかし、図２の実施例とは異なり、光放出アレイ３２は、赤外線スペクトル域など、ＲＧＢ投射ディスプレイには適さないようなスペクトル域の光を放出する。この場合、赤外線エミッタを、上に解説した種類（例えばＯＰＯ、ＳＨＧ、ＳＦＧ又はこれらの組合せ）又は当業で公知の別の種類の非線形光学素子３４に対合してもよく、図示の例では突き合わせ接続している。小型レンズ２２１、２２２、・・・を出る光の波長は、個々のエミッタ３０１、３０２、・・・の波長を選択したり、及び／又は、エミッタの光帯域幅全体に非線形変換モジュールを調整したりすることで、調整できよう。エミッタ３０１、３０２、・・・は、赤外光又は紫外光放出半導体レーザ・ダイオード又はファイバ・レーザであってよいであろう。あるいは、エミッタ３０１、３０２、・・・が適したＲ、Ｇ又はＢ光を放出するのであれば、光学素子３４は光ファイバ又は面板などの受動的導波路であってもよいであろう。

図４は、それぞれ図２及び図３を参照して上に解説した種類の三つの光源２０_ａ（又は代替的に３０_ａ）を用いたレーザ画像投射システム４０を示す。システム４０の例示的光源２０_ａ、２０_ｂ、２０_ｃのそれぞれは、色Ｒ、Ｇ、Ｂの一つを生成し、光を各逆反射ＬＣＤ２６_ａ、２６_ｂ、２６_ｃに向けるビームスプリッタ４１_ａ、４１_ｂ、４１_ｃを備える。システム４０はさらに、三つの色Ｒ、Ｇ、Ｂを結合して単一の変調されたＲＧＢ光にするＸ立方体光結合器４２を備え、この変調後のＲＧＢ光は、投射レンズ４５を透過してディスプレイ・スクリーン（図示せず）上に投射されることとなる。

帯域幅強調レーザ・アレイ（ＢＥＬＡ）１０を設計する上で重要なパラメータには、アレイ中のエミッタの数ｎ、各エミッタの中央波長λ_０ｉ、エミッタｉの中央波長λ_０ｉと、波長の最も近いエミッタｊの中央波長λ_０ｊとの間のスペクトル分離Ｓ_ｉ、個々のエミッタの各帯域幅ΔΛ_ｉ、及び、各エミッタの相対的出力Ａ_ｉ、がある。

図５乃至図８を参照すると、帯域幅強調レーザ・アレイは、例えば、振幅の等しい五個の相互非干渉性エミッタを用いることで、実現することができる。γ＞１、γ＝１、γ＜１、及びγ＜＜１の値を有する平均スペクトル重複パラメータ
を、アレイの集合波長特徴に関連づけることができる。

図５に示すγ＞１の一番目のシナリオでは、個々のエミッタからのスペクトルに、実質的な重複がある（図５、一番上）。その結果出来る集合スペクトルΛは、滑らかに変動する波長関数であり、個々のエミッタからのスペクトル上の特徴が実質的になくなっている（図５、一番下）。この状態は帯域幅強調には「理想的」であると考えてよい。なぜなら、その結果起きるスペクトルの平均化により、γ＞＞１及びｎが大きいときの分布が均一と広げられ、ひいてはスペックルが抑えられるからである。

γ＝１である図６、γ＜１である図７、及びγ＜＜１である図８に示すように、γが１以下である場合、各図の一番下に示す集合スペクトルΛは、極大値が、個々のエミッタの中央波長λ_０ｉに一致するリップル関数になる。１未満の値のγは、γの値が１を越えるときより、スペックルを低減する効率が低いことが判明している。フーリエ解析を用いたシミュレーションでは、エミッタ輝度を不均一に分布させた方が、さらにより効率的にコヒーレントな干渉が抑えられて、スペックル・ノイズ全体を無くすことができることが分かる。

本発明の光源は、既存の技術に比べていくつかの利点を有する。

レーザ・ アレイのスペクトル帯域幅を増したことによって、効率及び分極を低下させがちな付加的なデスペックリング光学素子又は技術を必要とせずに、レーザ源でス ペックルを直接消去できるため、本プロジェクタの処理量は増加している。特に、ｐ−Ｓｉ ＬＣＤ及びＬＣｏＳ結像器と併用すると、高い（効率＊コントラスト）製品が実現できるため、特に有益である。これにより、プロジェクタの処理量が５０％乃至１００％増加し、それにより１ワットの入力電力当たり最高１０ルーメンをスクリーンに送ることができると予測できる。

平均故障間隔（ＭＴＢＦ）で表される本システムの信頼性は、多数のアレイ素子を、それらの最大定格出力を下回る出力で作動させることで向上させることができ、それでも尚、当該用途に求められる累積ＲＧＢ力を提供することができる。従って、長期的には、レーザ・アレイの呈する劣化速度は、単一の高出力レーザに比べて本質的に遅いであろうと予測できる。

１−Ｄ又は２−Ｄアレイのエミッタを基にした発光子は、もちろん調節することもでき、超携帯用から大型のものまで、幅広いプロジェクタ種を満たすことができる。便利な出力調節は、単にアレイに用いる個々のエミッタの数及び／又は出力を工夫することで、行われる。小型の２−Ｄアレイを作成する上で重要な点は、可能な限り１−Ｄアレイを小型かつ薄くすることである。一個の１−Ｄアレイを、 別のものの上に積層すると、エミッタの正方形又は矩形の２−Ｄアレイが構成されるであろう。

本発光子は簡単に製造でき、そして、今日の投射ディスプレイ製品に用いられている主要な結像プラットホームに充分な互換性がある。

Claims (17)

1. 各々が、中央波長がλ_０ｉであり、スペクトル帯域幅がΔλ_ｉのレーザ光を放出する、複数のレージング素子であって、ただしこのとき前記レージング素子のうちの少なくとも一つの中央波長は、少なくとも一つの他のレージング素子の中央波長に対して波長シフトしている、レージング素子と、
   各レーザ光を結合する画像光学素子と
   を有し、
   ただしこのとき、
   はレージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そして
   は、少なくとも一つのレージング素子及び少なくとも一つの他のレージング素子の中央波長λ_０ｉの間の平均波長シフトである、としたときに、前記結合されたレーザ光が、重複パラメータ
   を持つ集合スペクトルΛを有し、さらに前記アレイの
   及び
   がγ≧１となるように選択されている、
   帯域幅強調レーザ画像システム。
2. 結合されたレーザ光で照射され、画像制御信号を受信して、投射されるレーザ画像を形成する変調器をさらに有する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記γの値が、投射されるレーザ画像のスペックルを低減するよう選択される、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記レージング素子が、共通の放出平面上に配置された半導体レーザである、
   請求項１に記載のシステム。
5. 前記レージング素子が二次元アレイを形成する、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記集合スペクトルΛが、１ｎｍから１０ｎｍの間の集合帯域幅ΔΛを有する、
   請求項１に記載のシステム。
7. 前記レージング素子が、Ｒ、Ｇ及びＢからなる群より選択される原色を放出する、
   請求項１に記載のシステム。
8. 前記レージング素子が紫外又は赤外スペクトル域の光線を放出し、
   前記システムが前記レージング素子でポンプされる光学的振動数変換器をさらに有する、
   請求項１に記載のシステム。
9. 前記レージング素子が、半導体ダイオード・レーザ、光ポンプレーザ及びファイバ・レーザからなる群より選択される、
   請求項１に記載のシステム。
10. 前記光学的振動数変換器が、ＯＰＯ、ＳＨＧ、ＳＦＧ、周期的分極及び擬似位相整合非線形光学的構造、からなる群より選択される少なくとも一つの素子を有する、
    請求項８に記載のシステム。
11. 前記画像光学素子が、積分レンズ及び集光レンズを有し、それにより、共通の画像領域を略、均一に照射する、
    請求項１に記載のシステム。
12. 前記積分レンズがハエの目レンズである、
    請求項１１に記載のシステム。
13. 各々が、中央波長がλ_０ｉであり、スペクトル帯域幅がΔλ_ｉのレーザ光を規定する、複数のレージング素子と、
    前記複数のレージング素子のレーザ光を、共通の画像表面上に結像する光線ホモジナイザと
    を有し、
    ただしこのとき、
    は前記レージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そして
    は、中央波長λ_０ｉの間の平均スペクトル分離である、としたときに、前記結像されたレーザ光が、スペクトル重複パラメータ
    を有する集合スペクトルΛを規定する、
    スペックルを低減させた、レーザ投射画像用発光子。
14. 各Ｒ、Ｇ及びＢチャンネルに関連し、Ｒ、Ｇ及びＢ光を生成する三つの発光子と、
    Ｒ、Ｇ及びＢ光を結合する光結合器と、
    結合されたＲ、Ｇ及びＢ光を、投射ディスプレイ上に投射する投射光学素子であって、ただしこのとき、前記Ｒ、Ｇ、及びＢ発光子のうちの少なくとも一つが複数のレージング素子を有し、各前記レージング素子が、中央波長がλ_０ｉであり、スペクトル帯域幅がΔλ_ｉであるレーザ光を放出し、さらに前記レージング素子のうちの少なくとも一つの中央波長が、少なくとも一つの他のレージング素子の中央波長に対して波長シフトしている、投射光学素子と、
    各レーザ光を結合してＲ、Ｇ又はＢ光を形成する画像光学素子であって、
    ただしこのとき、
    はレージング素子の平均スペクトル帯域幅であり、そして
    は、少なくとも一つのレージング素子及び少なくとも一つの他のレージング素子の中央波長λ_０ｉの間の平均波長シフトである、としたときに、前記結合されたレーザ光が、重複パラメータ
    を持つ集合スペクトルΛを有し、さらに前記アレイの
    及び
    がγ≧１となるように選択されている、画像光学素子と
    を有する、
    スペックルを低減させた帯域幅強調ＲＧＢレーザ投射システム。
15. 各変調器をさらに有し、
    ただしこのとき、各変調器が、Ｒ、Ｇ及びＢ光のうちの一つで、各Ｒ、Ｇ及びＢチャンネルに対応する画像制御信号に応答して、照射され、前記画像制御信号は前記Ｒ、Ｇ又はＢ光を変調し、
    前記投射光学素子が、前記変調されたＲ、Ｇ及びＢ光を投射ディスプレイ上に投射することでスペックルの低減された投射レーザ画像を形成する、
    請求項１４に記載のＲＧＢレーザ投射システム。
16. 間隔を置いた複数のレーザ波長で、一スペクトル帯域幅を持つレーザ光を放出するレーザ手段と、
    前記レーザ光を結合して共通の領域を照射する光線結合手段と
    を有し、
    ただしこのとき、前記レーザ手段全体で平均化したときのスペクトル帯域幅が、前記レーザ手段全体で平均化したときの前記間隔を置いた波長の間の差よりも大きい、
    帯域幅強調レーザ画像システムのためのレーザ光源。
17. 各々が、中央波長がλ_０ｉであり、スペクトル帯域幅がΔλ_ｉであるレーザ光であって、ただしこのとき前記レーザ光のうちの少なくとも一つの中央波長は、少なくとも一つの他のレーザ光の中央波長に対して波長シフトしている、複数のレーザ光を生成するステップと、
    各レーザ光を結合して、空間上重複する光線にするステップと、
    を有し、
    ただしこのとき、
    はレーザ光の平均スペクトル帯域幅であり、そして
    は、少なくとも一つのレーザ光及び少なくとも一つの他のレーザ光の中央波長λ_０ｉの間の平均波長シフトである、としたときに、前記空間上重複する光線が、重複パラメータ
    を持つ集合スペクトルΛを有し、さらに前記アレイの
    及び
    がγ≧１となるように選択される、
    帯域幅強調レーザ光を生成する方法。