JP2012527020A - スペックル低減レーザ源を利用した画像プロジェクタ - Google Patents

Abstract

波長多様化によって投影画像におけるスペックルの出現を低減するように設計された１つまたは複数の広帯域レーザを有する画像プロジェクタ。一実施形態では、広帯域レーザは、能動光素子および非線形光素子を有し、これらは両方ともレーザキャビティの中にある。広帯域レーザは、約１０ｎｍのスペクトル拡散を特徴とし、キャビティのそれぞれ異なる空間モードに対応する複数のスペクトル線を有する出力スペクトルを発生する。それぞれ異なる個々のスペクトル線は、投影画像において輝度スーパーインポーズされるようになる独立スペックル構成を効果的に生成し、それによって、対応するスペックルコントラストの低減を生じさせる。

Description

本発明は、画像プロジェクタに関し、より具体的には、しかし排他的にではなく、スペックル低減レーザ源を利用した画像プロジェクタに関する。

この節は、本発明（１つまたは複数）のより良い理解を容易にするのに役立ち得る諸態様を紹介する。したがって、この節の記述は、このことを考慮に入れて読まれるべきであり、従来技術であるものまたは従来技術でないものについての認定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またはビデオ入力から、大きな画像を見るために壁またはスクリーン上に、画像または一連の画像を投影する目的で、光源、光学、電子工学、および光変調素子を統合したデバイスである。市販されている多くのプロジェクタがあり、それらはサイズ、解像度、性能、および他の特徴によって区別される。レーザを使用することによって、他の（非レーザ）光源では実現するのが難しいと思われる広い色範囲の鮮やかな画像を生成することができるので、レーザ光源を利用するプロジェクタもある。しかし、レーザ画像の投影にとっての１つの大きな障害は、感知された画像上に粒状の構造をスーパーインポーズする傾向にあるスペックル現象である。スペックルは、画像の鮮鋭度を低下させるだけでなく、見る人を困らせるので、スペックルの低減は非常に望ましい。

本明細書では、波長の多様化によって、投影画像におけるスペックルの出現を低減するように設計された１つまたは複数の広帯域レーザを有する画像プロジェクタの様々な実施形態が開示される。一実施形態では、広帯域レーザは、能動光素子および非線形光素子を有し、これらは両方ともレーザキャビティの中にある。広帯域レーザは、約１０ｎｍのスペクトル拡散を特徴とする出力スペクトルを発生し、キャビティのそれぞれ異なる空間モードに対応する複数のスペクトル線を有する。それぞれ異なる個々のスペクトル線は、投影画像において輝度スーパーインポーズされるようになる独立スペックル構成を効果的に生成し、それによって、対応するスペックルコントラストの低下を生じさせる。

一実施形態によれば、画像を投影するための光デバイスが提供される。光デバイスは、（ｉ）レーザキャビティを備え、第１の光ビームを発生するように適応された第１のレーザ、および（ｉｉ）第１の光ビームを使用して照明されるように構成された空間光変調器（ＳＬＭ）を有する。ＳＬＭは、画像を形成する複数の画素によって発生された空間パターンを使用して、受光された照明光を変調するように適応される。第１の光ビームは、前記レーザキャビティの複数のそれぞれ異なる空間モードに対応する複数のスペクトル線を備えたスペクトルを有する。光デバイスは、前記スペクトルを有する光を使用して画像を投影する。

他の実施形態によれば、画像を投影する方法が提供される。本方法は、第１のレーザを用いて第１の光ビームを発生するステップと、ＳＬＭを照明するように第１の光ビームを方向づけるステップと、画像を形成する複数の画素によって発生された空間パターンを用いてＳＬＭによって受光された照明光を変調するステップとを有する。第１のレーザは、レーザキャビティを備える。第１の光ビームは、前記レーザキャビティの複数のそれぞれ異なる空間モードに対応する複数のスペクトル線を備えたスペクトルを有する。本方法は、前記スペクトルを有する光を使用して画像を投影するステップをさらに有する。

他の実施形態によれば、画像を投影するための光デバイスが提供される。この光デバイスは、約２ｎｍより大きいが約２０ｎｍより小さいスペクトル拡散を特徴とするスペクトルを有する第１の光ビームを発生するように適応された第１のレーザを有する。この光デバイスは、第１の光ビームを使用して照明されるように構成されたＳＬＭをさらに有し、ＳＬＭは、画像を形成する複数の画素によって発生された空間パターンを使用して、受光された照明光を変調するように適応される。この光デバイスは、前記スペクトルを有する光を使用して画像を投影する。

他の実施形態によれば、レーザキャビティを有するレーザおよびレーザキャビティを光学的にポンプするように適応された光ポンプが提供される。レーザは、広帯域スペクトルを特徴とする光ビームを発生するように適応される。スペクトルは、前記レーザキャビティの複数のそれぞれ異なる空間モードに対応する複数のスペクトル線を備える。

本発明の様々な実施形態の他の態様、特徴、および利益は、例として、以下の詳細な説明および添付の図面から、より十分に明らかになるであろう。

本発明の一実施形態によるプロジェクタのブロック図である。 本発明の一実施形態による図１のプロジェクタにおいて使用されることが可能であるレーザのブロック図である。 本発明の一実施形態による図２に示されているレーザのそれぞれのスペクトル特性を示すグラフである。

レーザ画像プロジェクタにおいては、スペックルの低減は、一般に、人間の目などの検出器の空間解像度および／または時間解像度の範囲内の２つ以上の独立スペックル構成を平均することに基づく。人間の目では、この平均時間は、フリッカ融合閾値またはフリッカ融合速度と呼ばれる生理学的パラメータから推定されることが可能である。より具体的には、フリッカ融合速度より低い速度で脈動している光は、人間によってちらついていると感知される。逆に、フリッカ融合速度より高い速度で脈動している光は、一定不変であると感知される。フリッカ融合速度は、人によって異なり、そしてまた、個人の疲労度、光源の輝度、および光源を観察するために使用されている網膜の面積に依存する。それにもかかわらず、約７５Ｈｚより高い速度のフリッカを感知する人はほとんどいない。実際、映画およびテレビでは、コマ送り速度は、２０Ｈｚから６０Ｈｚまでの間であり、普通は３０Ｈｚが使用される。圧倒的大多数の人々では、これらのコマ送り速度は、彼らのフリッカ融合速度より高い。

独立スペックル構成は、照明レーザビームの位相、角度、偏光、および／または波長の多様化を使用して生成されることが可能である。位相および角度の多様性を実現するための１つの手法は、時間変動（例えば振動）拡散器の使用である。偏光の多様性は、例えば良好な偏光解消特性を示す投影スクリーンを使用して、実現されることが可能である。スペックルは照明光の波長に依存する干渉現象なので、波長の多様性はスペックルを低減する。位相、角度、偏光、および波長の多様性は照明レーザビームの独立特性なので、それぞれ異なる多様化技法が組み合わされ、同時にかつ／または補足的に使用されることが可能である。

本発明の様々な実施形態による波長の多様化が以下で例示的画像プロジェクタに関連して詳細に説明される。本発明の様々な実施形態がそこで実施されることも可能であるいくつかの追加の画像プロジェクタの説明は、例えば、それぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれている共同所有の米国特許第７，５０２，１６０号および米国特許出願第１２／０１７，４４０号に見られる。それらの画像プロジェクタにおいて、ならびにすでに知られているまたは将来開発される他の画像プロジェクタにおいて、以下で説明される波長多様化技法および／またはデバイスをどのように使用するかを当業者は容易に理解するであろう。

図１は、本発明の一実施形態によるプロジェクタ１００のブロック図を示す。プロジェクタ１００は、変調器部１５０に多色光（例えば、赤、緑、および青）を供給するように適応された光源１１０を有する。変調器部１５０は、投影レンズ１６０を通った後にスクリーン１９０上に多色画像を形成する空間輝度変調ビーム１７０を発生する。図１において、投影レンズ１６０は、３つのレンズ１６０ａ〜ｃを有する複合レンズとして例示的に示されているが、他のタイプの投影レンズも同様に使用されることが可能である。

光源１１０は、それぞれがそれぞれ指定された色、例えば赤、緑、および青のパルス光を発生するように適応された３つのレーザ１１２ｒ、１１２ｇ、および１１２ｂのセットを有する。一実施形態では、レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、および１１２ｂのそれぞれは、それぞれ大きなスペクトル拡散を有する光を発生する。本明細書で使用される場合は、用語「スペクトル拡散」は、（ｉ）発光帯域のベースで測定されたレーザによって発生された出力の前記発光帯域のスペクトル幅、および（ｉｉ）前記発光帯域の半値全幅（ＦＷＨＭ）の１つまたは両方を指すと解釈されるべきである。

様々な実施形態では、スペクトル拡散は、約１ｎｍより大きいか、約２ｎｍより大きいか、約５ｎｍより大きいか、約７ｎｍより大きいか、さらには約１０ｎｍより大きい。同時に、レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、および１１２ｂのそれぞれのための所望のスペクトル拡散は、一般に、レーザによって発生された出力ビームが、それより上では、飽和した事実上の単色を有すると感知されるのではなく、飽和度が低下した色または混色を有すると感知される閾値に対応する上限を有す。例えば、レーザ１１２ｒのためのスペクトル拡散は、レーザによって発生された出力光が人間の目によって一般的に赤色であると感知されるように選択される。同様に、レーザ１１２ｇのためのスペクトル拡散は、レーザによって発生された出力光が人間の目によって一般的に緑色であると感知されるように選択され、レーザ１１２ｂのためのスペクトル拡散は、レーザによって発生された出力光が人間の目によって一般的に青色であると感知されるように選択される。スペクトル拡散上の代表的な上限は、約２０ｎｍであり、いくつかの色では、約１５ｎｍであることもある。レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、および１１２ｂのこれらのスペクトル特性は、前述の波長多様化のために、プロジェクタ１００によって投影される画像にスペックルが出現するのを低減するのに役立つ。レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、および１１２ｂのそれぞれを実装するために使用されることが可能であるレーザのいくつかの実施形態が、以下で図２および３Ａ〜Ｂを参照しながらさらに詳細に説明される。

レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、および１１２ｂによって発生される光ビームのそれぞれは、レーザの前に配置された対応するレンズによって平行にされる発散ビームである。結果としての平行光ビームは、図１に示されているように、事実上、ＸＹ面に対して平行な面にある。レーザ１１２ｒ、１１２ｇ、および１１２ｂは、変調器部１５０が周期的な光パルス列を受光するように同期化される。例えば、各照明周期は、それぞれ異なる色の３つ以上の連続パルスを有してよく、パルスは、選択された反復率（例えば約６０Ｈｚ）で現れる。

色結合器（しばしばＸキューブとも呼ばれる）１１８は、レンズ１１４ｒ、１１４ｇ、１１４ｂから受光された平行光ビームを、それらのそれぞれの光学的機能が以下でさらに詳細に説明される第１の光拡散板１２２、平行化／集光レンズ１２６、および第２の光拡散板１３０から成る光学的構成へ向ける（向け直す）。図１では、光源１１０は、レンズ１２６の下流に光拡散板１３０があるように示されている。代替実施形態では、光拡散板１３０は、レンズ１２６の上流に配置されてよい。光源１１０は、変調器部１５０の適切な動作を可能にするために、必要な場合は、出力ビーム１３２の偏光を調整するのに役立つ偏光板または他の複屈折素子（明示的には図示せず）をさらに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および四分の一波長（λ／４）板１５４に光学的に結合された液晶オン・シリコン（ＬＣＯＳ）空間光変調器（ＳＬＭ）１５６を有する。ＳＬＭ１５６として使用されることが可能である代表的なＬＣＯＳ ＳＬＭは、例えば、参照によりその教示が全体として本明細書に組み込まれている、Ｍ．Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，Ｊ．Ｃｈｅｎ、Ｇ．Ｄ．Ｓｈａｒｐによる、「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ＬＣＤ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」、Ｗｉｌｅｙ、チチェスタ（英国）、２００５年、第１１章、２５７〜２７５頁に記載されている。ＳＬＭ１５６としての使用に適応されることが可能であるＬＣＯＳ ＳＬＭはまた、例えば、参照によりそのすべてが全体として本明細書に組み込まれている、米国特許第７，２６８，８５２号、６，９４０，５７７号、および６，７９７，９８３号に開示されている。ＳＬＭ１５６として使用されることが可能である適切なＬＣＯＳ ＳＬＭは、ＪＶＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造され、ＪＶＣプロジェクタ、モデルＤＬＡ−ＨＤ２Ｋのパーツとして市販されている。

ＰＢＳ１５２は、ビーム１３２の偏光に関して、事実上そのビームのすべての光をＳＬＭ１５６へ向け直すように適応される。四分の一波長板１５４は、垂直にそこを通る光ビームの２つの直交直線偏光成分の間に波長の約四分の一の遅延を生成する複屈折板である。垂直に、四分の一波長板１５４を２回横切ることは、ＳＬＭ１５６に向けられ、次いでＳＬＭから（オン状態にある画素から）反射された光にＰＢＳ１５２によって伝送されることが必要である偏光を取得させる。すなわち、そのような反射された光の偏光は、ＰＢＳ１５２が光を光源１１０へ事実上反射し戻すことなくそのような光を伝送するようなものである。ＰＢＳ１５２を通して伝送された後に、ＳＬＭ１５６から反射され、レンズ１６０によって整形された空間変調光は、出力ビーム１７０を形成する。

ＳＬＭ１５６のオン状態画素によって表示される各反射パターンは、スクリーン１９０上に投影されるべき画像を表し、ＳＬＭは、光のバーストごとに新しい反射パターンを表示することができる。実際には、投影レンズ１６０は、スクリーン１９０上にＳＬＭ１５６によって表示された反射パターンを映す。バースト反復率が十分に高い（例えば、フリッカ融合速度より大きい）場合は、３つのそれぞれ異なる色に対応する画像は、人間の目によって融合され、それによって、感知される多色画像を生成する。

光拡散板１２２は、ビーム整形器として機能するように適応される。レーザ１１２は、通常、大まかに、円形または楕円形の断面を有する円錐形の光を発するが、ＳＬＭ１５６は、通常、長方形の画像を表示するのに適した大まかに長方形のアクティブエリア（すなわち、再構成可能な画素を含むエリア）を有する。したがって、光拡散板１２２は、大まかに円形または楕円形の横断面を有するビームをＳＬＭ１５６のアクティブエリアの形に対応する形の大まかに長方形の横断面を有するビームに変える。参照によりその全体が本明細書に組み込まれている米国特許第７，３０７，７８６号は、光拡散板１２２として役立つことができる光拡散板をどのように作製し使用するか開示している。様々な実施形態では、米国ニューヨーク州ロチェスタ市のＲＰＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．から市販されているものから選択された様々な光拡散板が光拡散板１２２として使用されることが可能である。

ビーム整形を実行する際、光拡散板１２２は、それを通して伝送される光ビームの角発散を変える。より具体的には、光拡散板１２２は、例えば、図１に対応する破線によって示されているように、色結合器１１８から受光された事実上平行にされたビームを発散ビームに変える。レンズ１２６は、その発散ビームを事実上平行にし直し、結果としての平行ビームを光拡散板１３０へ向けるように構成される。

光拡散板１３０は、少なくとも２つの光学的機能、すなわち（１）空間輝度均質化器として機能すること、および（２）レンズ１２６から受光された平行ビームに、指定された角分布を課すこと、を実行するように適応される。光拡散板１３０の第１の機能に関して、レーザ１１２によって発せられた光のビームは、主として、輝点および／または様々な形の縞などの不均一な輝度分布を有し、より多くの光がビームの周辺よりその中心軸の近くに集められるので、光拡散板１３０に当てられた光は、通常、様々な輝度不均一性を有する。しかし、ＳＬＭ１５６がその全アクティブエリアにわたって全体的に均一な照明または事実上均一な輝度分布の下で配置されている場合は、通常、高品質の投影画像が得られる。したがって、光拡散板１３０は、不均一な光の輝度分布を事実上均一なものに変える。

光拡散板１３０の第２の機能に関して、一実施形態では、その光拡散板は、比較的複雑な微細構造表面を有する光学的に透明な平板を備える。平行ビームが光拡散板１３０に突き当たった場合、表面のそれぞれ異なる部分が、それぞれ、それぞれ異なる量だけ平行ビームの対応する部分の伝播方向を変え、それによって、光拡散板によって生成されたビームにおいて対応する角度分布を生成する。この角度分布は、ＳＬＭ１５６の各画素が光源１１０から光を受光する角度の範囲を定義し、ＳＬＭにおける入射角の多様性を生成する。様々な実施形態では、光拡散板１３０は、約２度から約１０度までの範囲の角度分布幅を生成するように設計されることが可能である。参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、米国特許出願公開第２００２００３４７１０号は、光拡散板１３０として役立つことができる光拡散板をどのように作製し使用するかを開示している。様々な実施形態では、米国ニューヨーク州ロチェスタ市のＲＰＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．から市販されているものから選択された様々な光拡散板が光拡散板１３０として使用されることが可能である。

プロジェクタ１００における光素子が、一時的に静止している（相互に関して動いていない）ときは、ＳＬＭ１５６の画素は、それぞれ異なる入射角を有する光ビーム間のある位相関係を特徴とする照明を受光する。しかし、この位相関係は、光拡散板１３０に関する画素の位置の関数として変化する。プロジェクタ１００は、投影画像におけるスペックル低減をもたら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。

一実施形態では、光拡散板１３０は、例えば図１において両方向矢印によって示されているように、Ｘ軸に沿って振動するように、動くように適応される。ＳＬＭ１５６の所与の画素において、光拡散板１３０のこの動きは、光は画素において受光される角度の範囲を事実上変えることなく、それぞれ異なる入射角を有する光線の相対位相に振動時間変調を課す。この振動変調の周波数が十分に高い、例えば、フリッカ融合速度より高い場合は、変調は、画素において受光された光の空間コヒーレンスを低減し（好ましくは、破壊し）、スペックルを引き起こす干渉作用を抑制することができるので、投影画像におけるスペックルの出現はさらに低減されることが可能である。

図２は、本発明の一実施形態によるレーザ１１２として使用されることが可能であるレーザ２００のブロック図を示す。レーザ２００は、結合レンズ２１２、レーザキャビティ２２０を通して光学的にポンプする光ポンプ２１０（例えば、発光ダイオード）を有する。レーザキャビティ２２０は、バック・カプラ２２２およびフロント・カプラ２２８によって画定される。バック・カプラ２２２は、光ポンプ２１０によって発生されたポンプ光をレーザキャビティ２２０の中に入れるが、キャビティの中で発生された光のための高反射性鏡として役立つ。レーザキャビティ２２０の内部で発生された光は、キャビティの中で伝播する光子に、光子が漏れ出ることができる前に、フロント・カプラとバック・カプラ２２２との間で比較的大きな回数反射させるのに十分な反射性を有するフロント・カプラ２２８を通して、キャビティから漏れ出る。

レーザキャビティ２２０は、能動光素子２２４および非線形光（ＮＬＯ）素子２２６をさらに有する。能動光素子２２４は、光ポンプ２１０によって供給されたポンプ光を吸収し、比較的広い発光帯域を形成する光を発する。ＮＬＯ要素２２６は、アップコンバートされた発光帯域を発生するために発光帯域のサブバンドの範囲内の周波数を倍増する（例えば、二倍または三倍にする）一実施形態では、サブバンドは、少なくとも約１０ｎｍのスペクトル幅を有する。レーザキャビティ２２０の空間モードに対応するアップコンバートされた発光帯域の範囲内の波長は、キャビティにおいて共振して増幅されるようになる。増幅された光は、フロント・カプラ２２８を通ってレーザキャビティ２２０から漏れ出て出力ビーム２３２を形成する。

様々な実施形態では、出力ビーム２３２は、ＣＷビームまたは例えば約１０Ｈｚから約１００Ｈｚまでの間のパルス反復率のパルスの列を有するパルスビームでよい。いくつかの実施形態では、レーザキャビティ２２０は、モードロッキング素子（図２には明示的には図示せず）を有してよく、この場合、レーザ２００は、モード・ロック・レーザである。出力ビーム２３２がＣＷビームであるかまたは比較的高いパルス反復率（例えば約１００Ｈｚより大きい）を有する場合は、レーザ２００は、オプションの光パルス・カーバ２４０をさらに組み込んでよい。パルス・カーバ２４０を有することの１つの目的は、例えば、光源１１０が３つのそれぞれ異なる色の時分割多重パルスの列を発生することができるようにするために、出力ビーム２３２を一時的にゲートすることであり、各色のパルスは、プロジェクタ１００で使用されるフレームレート（例えば約３０Ｈｚ）で現れる。比較的高いパルス反復率を有する出力ビーム２３２を発生する一実施形態では、ゲートされた出力ビーム２４２における各パルスは、実際には、もともと出力ビーム２３２に存在する、より短いパルスのバーストである。逆に、出力ビーム２３２がＣＷビームである一実施形態では、ゲートされた出力ビーム２４２における各パルスは、パルス・カーバ２４０のゲーティング機能によって定義されるパルス形状を有する連続パルスである。コントローラ回路２５０は、例えば、ゲートされた出力ビーム２４２を光源１１０（図１）における使用に適するようにするようなやり方で光ポンプ２１０および／またはパルス・カーバ２４０を制御することによりレーザ２００の動作を制御する。

様々な実施形態では、能動光素子２２４は、１つまたは複数の希土類元素でドーピングされたガラス材料を備える。例えば、一実施形態では、能動光素子２２４は、Ｎｄイオンでドーピングされたシリカガラスを備える。他の実施形態では、能動光素子２２４は、ＹｂまたはＥｒイオンでドーピングされたリン酸塩ガラスを備える。他の実施形態では、能動光素子２２４は、Ｔｍイオンでドーピングされたガラスセラミックスもしくはアルミン酸塩ガラスまたはシリカガラスを備える。他の実施形態では、能動光素子２２４は、Ｃｒイオンでドーピングされた酸化物ガラスを備える。能動光素子２２４によって生成された発光帯域の所望の特性に応じて、それぞれ異なる追加のガラス材料／希土類イオンの組合せが同様に使用されることが可能であることを当業者は理解するであろう。

ＮＬＯ素子２２６は、能動光素子２２４によって生成された発光帯域の比較的広い全サブバンドにわたって第二高調波発生（ＳＨＧ）または第三高調波発生（ＴＨＧ）をサポートするように設計される。代表的実施形態では、サブバンドのスペクトル幅は約２０ｎｍでよい。ＮＬＯ素子２２６としての使用に適したＮＬＯ素子は、当技術分野では知られており（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、Ｈ．Ｚｈｕ、Ｔ．Ｗａｎｇ、Ｗ．Ｚｈｅｎｇら、「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ ａｔ １ｐｍ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００４年、第１２巻、２１５０〜２１５５頁参照）、例えば、カリフォルニア州サンディエゴ市のＤｅｌ Ｍａｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．から市販されている（製品コード、ＢＢＯ−６０１からＢＢＯ−６１２まで）。

レーザ２００の以下の代表的実施形態は、それぞれ異なる色の光を発生するために使用されることが可能である。緑の光では、（ｉ）約９７０ｎｍから約１０８０ｎｍまでの間の発光帯域のＮｄまたはＹｂドーピングされたガラスを有する能動光素子２２４、および（ｉｉ）第二高調波発生用に設計されたＮＬＯ素子２２６を利用する実施形態が使用されることが可能である。赤い光では、（ｉ）約１９００ｎｍから約２０００ｎｍまでの間の発光帯域のＴｍドーピングされたガラスを有する能動光素子２２４、および（ｉｉ）第三高調波発生用に設計されたＮＬＯ素子２２６を利用する実施形態が使用されることが可能である。青い光では、（ｉ）約１４００ｎｍから約１５００ｎｍまでの間の発光帯域のＣｒドーピングされたガラスを有する能動光素子２２４、および（ｉｉ）第三高調波発生用に設計されたＮＬＯ素子２２６を利用する実施形態が使用されることが可能である。さらに、（ｉ）約９１０ｎｍから約９５０ｎｍまでの間の発光帯域のＮｄドーピングされたガラスを有する能動光素子２２４、および（ｉｉ）第二高調波発生用に設計されたＮＬＯ素子２２６を利用する実施形態が青い光を発生するために使用されることが可能である。能動光素子２２４およびＮＬＯ素子２２６のための材料のそれぞれ異なる追加の組合せも、本発明の範囲および原理から逸脱することなく利用されることが可能であることを当業者は理解するであろう。

図３Ａ〜Ｂは、本発明の一実施形態によるレーザ２００の代表的なスペクトル特性をグラフによって示す。より具体的には、図３Ａは、能動光素子２２４の発光帯域をグラフによって示す。図３Ｂは出力ビーム２３２のスペクトル特性をグラフによって示す。図３Ａ〜Ｂに示されているスペクトル特性は、（ｉ）能動光素子２２４におけるＮｄドーピングされたガラス、および（ｉｉ）ＮＬＯ素子２２６における部分的に重水素を導入されたＫＤＰ（すなわち、リン酸二水素カリウム）を利用するレーザ２００の実施形態に対応する。

図３Ａを参照すると、Ｎｄドーピングされたガラスの発光帯域は、その最大値が約１０６５ｎｍにあるピーク３０２を有する。発光帯域のベースは、約１００ｎｍのスペクトル幅を有し、約１０３０ｎｍから約１１３０まで広がる。ピーク３０２は、約２０ｎｍのＦＷＨＭを有する。

図３Ｂは、レーザ２００の前述の実施形態によって発生された出力ビーム２３２の代表的なスペクトル３１０を示す。スペクトル３１０は、（ｉ）約８ｎｍのスペクトルベース幅、（ｉｉ）約６ｎｍのＦＷＨＭ、（ｉｉｉ）約５２８ｎｍにある最大値、および（ｉｖ）約５３０ｎｍの中央値波長を特徴とするスペクトルのエンベロープ３１２を有する。スペクトルのエンベロープ３１２の正確な形状は、一般に、ＮＬＯ素子２２６の利得スペクトルおよびそのＳＨＧ位相整合ウィンドウによって決められる。スペクトル３１０は、それぞれがレーザキャビティ２２０のそれぞれ異なる空間（例えば、ファブリ・ペロー）モードに対応する複数の比較的狭い（例えば、幅約０．０１ｎｍの）スペクトル線をさらに有する。スペクトル３１０の線の間のスペクトル分離は、一般に、レーザキャビティ２２０の長さ（すなわち、バック・カプラ２２２とフロント・カプラ２２８との間の間隔）によって決められる。例えば、約１ｃｍのキャビティの長さは、約０．０２５ｎｍの隣接する線の間のスペクトル分離を生成する。その結果として、スペクトル３１０は、普通は、比較的大きな数の（例えば、１００より多い）個々のスペクトル線を有する。いくつかの動作条件の下では、スペクトル３１０のスペクトル線は、（ｉ）それぞれ異なるスペクトル線に部分的にオーバラップおよび合体させ、かつ／または（ｉｉ）スペクトル３１０を、スパイクが比較的なく、かつ／または滑らかで連続的であるようにする可能性がある様々な線拡大作用のため、うまく分解されることが不可能である。プロジェクタ１００においてレーザ２００が使用されるときは、プロジェクタは、スペクトル３１０を有する光を使用して多色画像をスクリーン１９０上に投影する。

スペクトル３１０は、約１マイクロ秒より短い取得時間に対応する事実上瞬間的なスペクトルであることに留意されたい。言い換えれば、スペクトル３１０は、比較的長い（例えば、約１秒より長い）全周期にわたって出力ビーム２３２のスペクトル特性を平均することによっては得られない。スペクトル３１０は、時間の経過につれて、例えば、レーザキャビティ２２０の中の様々な光の不安定性、および／または光ポンプ２１０によって供給された光ポンプ・ビームにおける変動のために変わる可能性があることを当業者は理解するであろう。さらに、いくつかの実施形態では、コントローラ回路２５０は、例えばモード・ホッピングによって、出力ビーム２３２のスペクトルにおける所望の時間的変化を能動的に誘導するために、制御信号２５２を使用して、レーザキャビティ２２０に当てられるポンプ・ビームの１つまたは複数の特性を時間の経過につれて変えるように光ポンプ２１０を構成することができる。しかし、これらの時間的変化は、スペクトルの質的状況を図３Ｂに示されているものから大きくは変えない。

スペクトル３１０は緑の光に対応するが、他の光の色を発生するように設計されたレーザ２００の他の実施形態は、スペクトル３１０に関連して上記で説明されたものと質的に同様であるスペクトル特性および時間的特性を有する出力ビーム２３２を生成することを当業者は理解するであろう。より具体的には、赤い光を発生するように設計されたレーザ２００の実施形態は、そのスペクトルが、（ｉ）可視スペクトルの赤い部分にあるスペクトルのエンベロープ、および（ｉｉ）そのスペクトルのエンベロープの中に含まれる複数のスペクトル線を動的に変えることを有する出力ビーム２３２を発生し、各スペクトル線は、レーザキャビティ２２０のそれぞれ異なる空間モードに対応する。同様に、青い光を発生するように設計されたレーザ２００の実施形態は、そのスペクトルが、（ｉ）可視スペクトルの青い部分にあるスペクトルのエンベロープ、および（ｉｉ）そのスペクトルのエンベロープの中に含まれる複数のスペクトル線を動的に変えることを有する出力ビーム２３２を発生する。

プロジェクタ１００においてレーザ１１２（図１）として使用されるときは、レーザ２００は、有利には、前述の波長多様化機構によって投影画像におけるスペックルの出現を低減することができる。より具体的には、出力ビーム２３２のそれぞれ異なる個々のスペクトル線は、投影画像において相互にスーパーインポーズされるようになる対応する独立スペックル構成を効果的に生成し、それによって、対応するスペックルコントラストの低減を生じさせる。さらに、フリッカ融合速度より速いタイムスケール上で生じる出力ビーム２３２のスペクトルにおける時間的変動は、追加の独立スペックル構成を生成する。これらの追加の独立スペックル構成は、人間の目によって平均され、それによって、追加の感知されるスペックルコントラストの低減を生じさせる。

特定のタイプのレーザが適切なスペクトル特性および／または時間的特性を有する出力ビームを生成する限り、レーザ２００とは異なる他のタイプのレーザが同様のやり方でプロジェクタ１００において使用されることが可能であることを当業者は理解するであろう。例えば、適切なスペクトル特性は、比較的大きい（例えば、約２ｎｍから約２０ｎｍまでの間の）スペクトル拡散である。適切な時間的特性は、変化するスペクトル・コンテンツでよく、変化はフリッカ融合速度より速い（例えば約３０ｍｓより速い）タイムスケール上で生じる。

本発明は、例示的実施形態を参照しながら説明されてきたが、この説明は限定的な意味で解釈されることを意図するものではない。当業者には明らかである説明された実施形態の様々な修正ならびに本発明の他の実施形態は、添付の特許請求の範囲に表明されている本発明の原理および範囲内にあるとみなされる。

別途明示的に記載されていない限り、各数値および範囲は、あたかもその数値または範囲の値の前に「約」または「ほぼ」という語句があるかのように近似であると解釈されるべきである。

本発明の本質を説明するために記述され例示されてきた明細、材料、および部品の構成の様々な変更が添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって行われることが可能であることがさらに理解されるであろう。

添付の特許請求の範囲の方法請求項における要素は、もしあれば、請求項の記述が別途それらの要素の一部またはすべてを実装するための特定の順序を含意しない限り、対応するラベリングをして特定の順序で記載されるが、それらの要素は、その特定の順序で実装されることに限定されることを必ずしも意図するものではない。

本明細書において「一実施形態」または「ある実施形態」に言及することは、その実施形態に関連して述べられる特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれてよいことを意味する。本明細書における様々な箇所における「一実施形態では」という語句の出現は、必ずしもすべて同じ実施形態を指しているわけではなく、また別々のもしくは代替の実施形態も、必ずしも相互に他の実施形態を排除するわけではない。同じことが用語「実装形態」にも言える。

さらに、本明細書では、用語「結合する」、「結合すること」、「結合される」、「接続する」、「接続すること」、または「接続される」は、２つ以上の要素の間でエネルギーが伝達されることができるようにされ、必ずしも必要ではないが、１つまたは複数の追加の要素の介在が企図される、当技術分野で知られているまたは今後開発される任意のやり方を指す。逆に、用語「直接結合される」、「直接接続される」などは、そのような追加の要素の不在を含意する。

説明および図面は、単に本発明の原理を例示するだけである。したがって、当業者は、本明細書では明示的に説明または示されていないが、本発明の原理を実施し本発明の趣旨および範囲内に含まれる様々な構成を考案することができることが理解されるであろう。さらに、本明細書に記載されているすべての実施例は、主に、読者が本発明の原理と、当技術を推進するために本発明者（１人または複数）によって提供される概念とを理解するのを支援する教育目的のためだけであること、およびそのような具体的に記載された実施例および条件に限定されないものであると解釈されることを明確に意図するものである。さらに、本明細書では、本発明の原理、態様、および実施形態、ならびにそれらの具体的な実施例を記載するすべての記述は、それらの同等物を包含するものとする。

Claims (10)

1. 画像を投影するための光デバイスであって、
   レーザキャビティを備え、第１の光ビームを発生するように適応された第１のレーザと、
   前記第１の光ビームを使用して照明されるように構成された空間光変調器（ＳＬＭ）と
   を備え、
   前記ＳＬＭが画像を形成する複数の画素によって発生された空間パターンを使用して、受光された照明光を変調するように適応され、
   前記第１の光ビームが前記レーザキャビティの複数のそれぞれ異なる空間モードに対応する複数のスペクトル線を備えたスペクトルを有し、
   前記光デバイスが前記スペクトルを有する光を使用して前記画像を投影する、
   光デバイス。
2. 前記第１の光ビームが約２ｎｍより大きいが約２０ｎｍより小さいスペクトル拡散を特徴とし、
   前記スペクトルが光の赤色、緑色、または青色に対応する中央値波長を有するスペクトルのエンベロープを特徴とする、請求項１に記載の発明。
3. 前記複数のスペクトル線が約１００より多いスペクトル線を備える、請求項１に記載の発明。
4. 前記第１のレーザが、前記レーザキャビティにおいてモード・ホッピングを能動的に誘導して、前記第１の光ビームの前記スペクトルにおいて時間的変化を生じさせるように適応されたコントローラをさらに備える、請求項１に記載の発明。
5. 前記第１のレーザが前記レーザキャビティを光学的にポンプするように適応された光ポンプをさらに備え、
   前記レーザキャビティが能動光素子および非線形光（ＮＬＯ）素子を備え、
   前記能動光素子が前記光ポンプによって供給された光を吸収し、発光帯域を形成する光を発するように適応され、
   前記ＮＬＯ素子が前記発光帯域のサブバンドに対応する周波数を倍増して、前記第１のレーザに前記第１の光ビームを発生させるように適応される、
   請求項１に記載の発明。
6. 前記ＮＬＯ素子が前記周波数を二倍または三倍にするように適応され、
   前記サブバンドが少なくとも約１０ｎｍのスペクトル幅を有し、
   前記能動光素子が希土類イオンでドープされたガラス材料を備える、
   請求項５に記載の発明。
7. 前記第１のレーザが、前記光ポンプに前記第１の光ビームの前記スペクトルにおいて能動的に時間的変化を生じさせるように構成するように適応されたコントローラ回路をさらに備える、請求項５に記載の発明。
8. 第２の光ビームを発生するように適応された第２のレーザと、
   第３の光ビームを発生するように適応された第３のレーザと
   をさらに備え、
   前記ＳＬＭが前記第２の光ビームおよび前記第３の光ビームを使用して照明されるように構成され、
   前記画像が多色であると感知されるようにするために、前記第１の光ビーム、前記第２の光ビーム、および前記第３の光ビームが、それぞれ、それぞれ異なる色の光を有し、
   前記第２の光ビームおよび前記第３の光ビームの少なくとも１つが、約２ｎｍより大きいが約２０ｎｍより小さいスペクトル拡散を特徴とする、
   請求項１に記載の発明。
9. 画像を投影する方法であって、
   第１のレーザを用いて第１の光ビームを発生するステップと、
   前記第１の光ビームを空間光変調器（ＳＬＭ）を照明するように方向づけるステップと、
   前記画像を形成する複数の画素によって発生された空間パターンを用いて前記ＳＬＭによって受光された照明光を変調するステップと
   を備え、
   前記第１のレーザがレーザキャビティを備え、
   前記第１の光ビームが前記レーザキャビティの複数のそれぞれ異なる空間モードに対応する複数のスペクトル線を備えたスペクトルを有し、さらに、
   前記スペクトルを有する光を使用して前記画像を投影するステップ
   を備える方法。
10. レーザであって、
    レーザキャビティと、
    前記レーザキャビティを光学的にポンプするように適応された光ポンプと
    を備え、
    前記レーザが広帯域スペクトルを特徴とする光ビームを発生するように適応され、
    前記スペクトルが前記レーザキャビティの複数のそれぞれ異なる空間モードに対応する複数のスペクトル線を備える、
    レーザ。