JP2013533502A

JP2013533502A - 拡散性表面を用いてスペックルを低減するためのシステム及び方法

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Publication number: JP2013533502A
Application number: JP2013512651A
Authority: JP
Inventors: ゴリアー，ジャッケス
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2013-08-22
Also published as: KR20130082093A; US8678599B2; CN102906630A; US20110285967A1; WO2011146351A1; CN102906630B; TW201222009A

Abstract

レーザ投影システムは、光源、光走査コンポーネント、集束コンポーネント、スペックル低減拡散性表面及び光コリメートコンポーネントを備える。光源は出力ビームを放射するように構成された少なくとも１つのレーザを有することができる。集束コンポーネントは出力ビームを第１の集束点に集束する。スペックル低減拡散性表面は第１の集束点において光路に選択的に挿入される。光コリメートコンポーネントは出力ビームを光走査コンポーネント上にコリメートする。エンコードされた画像データの光放射のためにレーザを動作させ、出力ビームを走査するために光走査コンポーネントを制御することによって、走査レーザ画像の少なくとも一部が投影面上に生成される。光コリメートコンポーネントは、スペックル低減拡散性表面が光路にあるときに、第１の集束点を投影面において第２の集束点に結像する。

Description

関連出願の説明

本出願は、２０１０年５月２１日に出願された、米国仮特許出願第６１/３４６９５６号の優先権を主張する。

本開示の実施形態はレーザ投影システムに関し、さらに詳しくは、走査レーザ画像におけるスペックルの出現を低減するレーザ投影システムに関する。

スペックルは、コヒーレント光源が粗い表面、例えば、スクリーン、壁または、拡散反射または拡散透過を生じる、その他いずれかの物体を照射するために用いられるときには必ずおこり得る。特に、スクリーンまたはその他の反射性物体の多数の小領域は、光を散乱させて、原点が異なり、伝搬方向が異なる、多数の反射ビームにする。スペックルは投影画像に高空間周波数雑音を生じさせる。観察点において、例えば観察者の目またはカメラのセンサにおいて、これらのビームは増加的に干渉して輝点を形成するかまたは減殺的に干渉して暗点を形成し、スペックルとして知られる、ランダムな粒状強度パターンを形成する。スペックルの特徴は粒径及び、観察平面における平均光強度の標準偏差の比として通常は定義される、コントラストで表すことができる。十分大きな照射面積及び十分小さな個々の散乱点の大きさに対してスペックルは「完全発現」し、輝度標準偏差は、拡散体が光を消偏光しなければ１００％に、拡散体が光を減偏光すれば約７１％になるであろう。レーザビームのようなコヒーレント光源を用いて画像がスクリーン上に形成される場合にそのような粒状構造は雑音または画像品質の深刻な劣化を表すであろう。この雑音は、投影機が、テキストのような、高空間周波数コンテンツを表示するために用いられる場合には特に、重大な問題となる。

スペックルは、走査レーザビームの光路にいくつかの揺動拡散面を挿入してスクリーンに当たる光の位相をスクランブルすることによって低減することができる。揺動拡散面はスペックルパターンの形状を時間の関数として変化させ、人間の眼は一般に５０ミリ秒程度の期間にわたって画像を積分するから、拡散面が十分に高速で運動すればそのようなスペックルパターンは平均化される。

ディフューザを高速で揺動させることでスペックル低減が得られるが、位相マスクを比較的高速で横方向に揺動させるには高価で複雑な機構が必要である。さらに、ディフューザを揺動させるには集束機構の使用が、また大開口数及び大視野を有するレンズの使用も、必要であり、このため、システムはかなり複雑になり、コストがさらにかかり、さらに大型になる。したがって、揺動ディフューザの使用は小型投影機にそのような手法を実施する場合にいくつかの重大な欠点をもたらす。

一実施形態において、レーザ投影システムは、光源、光走査コンポーネント、集束コンポーネント、スペックル低減拡散性表面及び光コリメートコンポーネントを備える。光源は出力ビームを放射するように構成された少なくとも１つのレーザを有することができる。集束コンポーネントは光源によって放射された出力ビームの光路に配置され、光走査コンポーネントの前に配された第１の集束点に出力ビームを集束する。スペックル低減拡散性表面は光走査コンポーネントの前の第１の集束点において出力ビームの光路に選択的に挿入されるように動作することができる。光コリメートコンポーネントは集束コンポーネントの後で出力ビームの光路に配置され、出力ビームを光走査コンポーネント上に少なくともほぼコリメートするように動作することができる。レーザ投影システムは、エンコードされた画像データの光放射のためにレーザを動作させ、複数の画像ピクセルにかけて出力ビームを走査するように光走査コンポーネントを制御することによって、投影面上に走査レーザ画像の少なくとも一部を生成するようにプログラムされる。光コリメートコンポーネントは、スペックル低減拡散性表面が出力ビームの光路に挿入されているときには、第１の集束点が投影面における第２の集束点に結像されるように、構成される。

別の実施形態において、レーザ投影システムは、光源、光走査コンポーネント、集束コンポーネント、スペックル低減拡散性表面及び光コリメートコンポーネントを備える。光源は出力ビームを放射するように構成された少なくとも１つのレーザを有する。集束コンポーネントは光源によって放射された出力ビームの光路に配置され、光走査コンポーネントの前におかれた第１の集束点に出力ビームを集束させる。光コリメートコンポーネントは集束コンポーネントの後で出力ビームの光路に配置され、出力ビームを光走査コンポーネント上に少なくともほぼコリメートするように動作することができる。スペックル低減拡散性表面は、スペックル低減動作モード中に、光走査コンポーネントの前の第１の集束点において出力ビームの光路に挿入されるように動作させることができる。スペックル低減拡散性表面は、出力ビームの光路によって定められる光軸に垂直な軸に対して集束角をなして配位され、スペックル低減拡散性表面が出力ビームの光路に挿入されているときには、出力ビームが光走査コンポーネント上に約１.５ｍｍと約４ｍｍの間の直径を有するような出力ビームの拡散角を生じさせる。集束コンポーネント及び光コリメートコンポーネントは、スペックル低減拡散性表面が出力ビームの光路に挿入されていないときには、光走査コンポーネント上の出力ビームの直径が約０.４ｍｍと約１ｍｍの間であるように構成される。レーザ投影システムは、エンコードされた画像データの光放射のためにレーザを動作させ、複数の画像ピクセルにかけて出力ビームを走査するように光走査コンポーネントを制御することによって投影面上に走査レーザ画像の少なくとも一部を生成し、第１の集束点が投影面における第２の集束点に結像されるように第１の軸に沿う方向にスペックル低減拡散性表面を平行移動させるように、プログラムされる。

本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、以下の図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。

図１は、１つ以上の実施形態にしたがう、無限大焦点深度モードにおいて動作しているレーザ投影システムの簡略な説明図を示す。図２は、１つ以上の実施形態にしたがう、スペックル低減モードで動作しているレーザ投影システムの簡略な説明図を示す。図３は、１つ以上の実施形態にしたがう、投影距離Ｄに対する半値全幅表面ビームスポット径及び投影面上ピクセル径のグラフを示す。図４は、１つ以上の実施形態にしたがう、スペックルコントラスト対１/ｅ^２出力ビーム直径のグラフを示す。図５は、１つ以上の実施形態にしたがう、スペックル低減拡散性表面及び出力ビームの３つの集束点の簡略な説明図を示す。

本開示の特定の実施形態は、投影面にかけて出力ビームを走査して２次元画像を生成するレーザ投影システムの文脈において説明することができる。しかし、実施形態はレーザ投影システムだけでなく、スペックル低減が望まれる、コヒーレント光源を走査機構とともに利用するその他の光システムにおいても実施することができる。一般に、図１及び２に示されるように、走査レーザ画像におけるスペックルの出現は、投影面(例えばスクリーン)に入射する電場の位相の高空間周波数変調を与え、人間の眼の積分時間にわたって多くの異なるスペックルパターンを生成するように位相変調の形状を時間の関数として変化させることによって、低減することができる。眼は多くの相異なるスペックルパターンを平均化し、よってスペックルパターンは減衰されて見える。本明細書に説明される実施形態では、コヒーレント光源によって生成される出力ビームの光路に沿ってスペックル低減拡散性表面を挿入することによってスペックルが低減される。スペックル低減拡散性表面は出力ビームを２次元操作する光走査コンポーネントの前に配置される。

ここで図１を参照すれば、レーザ投影システム１００の一実施形態の簡略な説明図が示される。例示のレーザ投影システム１００は、例えば壁または投影スクリーンのような、与えられた投影面１３０に二次元画像を形成するため、光源１１０によって生成されて光走査コンポーネント１２６によって反射(または透過)された出力ビーム１２０を２次元走査するようにプログラムされた、走査レーザ投影システムとして構成される。以下でさらに詳細に説明されるように、いくつかの実施形態は偏光スクランブル素子１２９を備えることができる。レーザ投影システム１００は、静止画像(例えばテキスト)または動画(例えばビデオ)を、あるいはいずれも、表示するために用いることができる。システムは、携帯型投影機、セル式携帯電話、電子手帳、ノートブックコンピュータまたは同様のデバイスのような、比較的小さなデバイスに組み込み得るように、小型にすることができる。

光源１１０は１つまたはさらに多くのレーザを有することができる。図１及び２に示される実施形態は、相異なる波長でコヒーレント光を放射するように動作させることができる、３つのレーザ１１１ａ，１１１ｂ及び１１１ｃを有する。３本の放射ビームを結合して単一の放射ビームにするため、例としてミラー及びダイクロイックミラーを用いることができる。例えば、光源１１０は、赤色波長、緑色波長及び青色波長のビームのそれぞれを放射することができる３つのレーザを有することができる。いくつかの実施形態にしたがえば、出力ビーム１２０は、ほぼコリメートされた緑色ビーム、赤色ビーム及び青色ビームを含む。例えば、第１のレーザ１１１ａは緑色スペクトル範囲にある波長を有するビーム１１４ａを放射することができ、第２のレーザ１１１ｂは赤色スペクトル範囲にある波長を有するビーム１１４ｂを放射することができ、第３のレーザ１１１ｃは青色スペクトル範囲にある波長を有するビーム１１４ｃを放射することができる。別の実施形態では、より多いかまたはより少ないコリメート化レーザビーム、及び／または、緑色、赤色または青色以外の波長のビームを放射する光源１１０を用いることができる。例えば、出力ビーム１２０は、緑色スペクトル範囲にある波長を有する、単出力ビームとすることができる。

光源１１０は、例えば、分布帰還(ＤＦＢ)レーザ、分布ブラッグ反射器(ＤＲＢ)レーザ、縦型共振器面発光レーザ(ＶＣＳＥＬ)、ダイオードポンピング固体レーザ(ＲＰＳＳ)、素緑色レーザ、縦型外部共振器面発光レーザ(ＶＥＣＳＥＬ)またはファブリ−ペロレーザのような、１つ以上の単波長レーザを有することができる。加えて、緑色ビームを発生するため、いくつかの実施形態の光源１１０は、赤外帯域の原始波長を有するレーザビームを周波数２逓倍するために二次高調波発生(ＳＨＧ)結晶またはさらに高次の高調波を発生する結晶のような、波長変換素子(図示せず)を有することができる。例えば、ＤＢＲレーザまたはＤＦＢレーザの１０６０ｎｍの波長を５３０ｎｍに変換することによって緑色光を発生するため、ＭｇＯドープ周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)結晶のような、ＳＨＧ結晶を用いることができる。光源１１０は、複数の波長を放射することができるような、単波長レーザ以外のレーザを有することもできる。別の実施形態において、光源１１０は波長変換素子を用いずに素緑色光を放射することができるレーザを有することができる。

光源１１０はレーザ１１１ａ〜１１１ｃによって生成されるそれぞれのビームの光路に配置された光源レンズ１１２ａ〜１１２ｃも有することができる。光源レンズは、光源１１０を出る、ほぼコリメートされたビーム１１４ａ〜１１４ｃを提供することができる。他の実施形態において、光源１１０は光源レンズを有しないでいることができ、１本ないし複数本のビームは非コリメート状態で光源１１０を出ることができる。一実施形態において、レーザ投影システム１００はさらに、レンズ１１２ａ〜１１２ｃによって生成された３本のビーム１１４ａ〜１１４ｃを反射し、結合して出力ビーム１２０にするように配置され、構成された、反射面１１６ａ〜１１６ｃを備える。出力ビーム１２０はレーザビーム１１４ａ〜１１４ｃを含む単ビームとすることができ、あるいはレーザビーム１１４ａ〜１１４ｃからなる３本のビームとすることができる。例えば、レーザビーム１１４ａ〜１１４ｃは、以下でさらに詳細に説明するように、空間的に分離されて、単出力ビーム１２０に結合されないでいることができる。１つのレーザしか用いられない実施形態においては、レーザ投影システム１００は反射面を利用しないでいることができる。さらに、他のビーム結束デバイスを用い得ることは当然である。

レーザ投影システム１００は、本明細書に開示される制御機能の多くを実施するようにプログラムすることができる。システム１００は、従来のまたはこれから開発されるはずのプログラミング方法を含む、数多くの方法でプログラムすることができる。本明細書で論じられるシステム１００のプログラミング方法にはいずれか特定のプログラミング方法に実施形態を限定する目的はない。

いくつかの実施形態において、レーザ投影システム１００は、単色または多色の画像データストリームを生成するために光源１１０を制御する、例えばマイクロコントローラのような、１つ以上のシステムコントローラ(図示せず)を備えることができる。システムコントローラは、技術上既知の画像投影ソフトウエア及び付帯エレクトロニクスとともに、画像データを搬送する１つ以上の画像データ信号(例えばレーザ駆動電流)を光源に与えることができる。所望の画像を形成するため、光源１１０は次いで出力ビーム１２０の利得または強度の変化の形態でエンコードされた画像データを放射することができる。しかし、いくつかの実施形態は走査レーザ画像を生成するために他のコントローラまたはプログラミング手段を用いることができる。

出力ビーム１２０が初めに光集束コンポーネント１２２を通過するように、出力ビーム１２０の光路に光集束コンポーネント１２２を配置することができる。以下でさらに詳細に説明されるように、スペックル低減拡散性表面１２８は、光集束コンポーネントの後かつ光走査コンポーネント１２６の前で、出力ビーム１２０の光路に選択的に挿入することができる。光集束コンポーネント１２２は、レーザ投影システム１００の内部の場所Ｐ１に、第１の、出力ビーム１２０(すなわちビーム１１４ａ〜１１４ｃの)単出力ビームの集束点または(ビーム１１４ａ〜１１４ｃの)３つの集束点をつくる焦点距離を有する。Ｐ１を原点とする出力ビーム１２０によって与えられる光１２３は次いで、コリメートコンポーネント１２４及び光走査コンポーネント１２６によって投影面１３０上の点Ｐ２における第２の集束点に、収斂ビーム１２１として、再結像される。拡散性表面が光路に挿入される場合、拡散性表面は好ましくは第１の集束点Ｐ１の近傍に配置されるべきである。

光走査コンポーネント１２６は集束コンポーネント１２２の後で出力ビーム１２０の光路に配置される。光走査コンポーネント１２６は、画像フレームレートで画像フレームを形成する複数のピクセルを照射するために投影面１３０に向けて出力ビーム１２０を二次元走査するように構成された、１つ以上の、制御可能であって可動である、超小型光-電気機械システム(ＭＯＥＭＳ)または超小型電気機械システム(ＭＥＭＳ)を含むことができる。回転多面体、共振ミラーまたはガルバノミラーのような他の走査コンポーネントを用いることもできる。走査後出力ビームは図１及び２に収斂出力ビームとして示される。連続する画像フレームが走査レーザ画像を構成する。出力ビーム１２０の向きを適宜に変えるように構成されたミレーまたはプリズムに、ＭＯＥＭＳまたはＭＥＭＳを動作可能な態様で結合させることも考えられる。

図１は無限大焦点深度モード(すなわち非スペックル低減モード)で動作しているシステム１００を示す。光集束コンポーネント１２２及びコリメートコンポーネント１２４の光学特性は、投影面に当たる収斂光ビーム１２１の収斂角が十分小さく、よって投影面に現れる画像が、投影距離に無関係に、またレーザ投影システム１００の内部での焦点調節を全く必要とせずに、鮮明なままであるような特性である。さらに、光集束コンポーネント１２２及びコリメートコンポーネント１２４の光学特性は、投影面１３０上のビームスポット径が画像解像度要件を満たすに十分に小さいような特性である。一般に、投影面１３０上のビームスポット径は画像ピクセル径とほぼ同じ大きさとすべきである。図１に示されるように、無限大焦点深度モードで動作している場合、スペックル低減拡散表面１２８は出力ビーム１２０の光路に挿入されていない。レーザ投影システム１００を無限大焦点深度モードで動作させている場合、焦点深度は非常に大きく、したがって投影面１３０上に焦点が合わせられた走査レーザ画像を達成するための焦点調節の必要はない。この条件を満たすため、ビームの比較的小さいビーム径が光走査コンポーネント１２６上が得られるように収斂出力ビームの収斂角を比較的小さくするべきである。しかし、小収斂角の結果として、スペックル低減はそれほど著しくはない。

図２はスペックル低減モードで動作しているレーザ投影システム１００を示す。図２に示されるように、第１の集束点Ｐ１の位置に近い場所で集束出力ビーム１２０の光路に、スペックル低減拡散性表面１２８が挿入される。スペックル低減拡散性表面１２８は、例えばアクチュエータにより、機械的に移動して光路に出入りすることができる。位置Ｐ１の第１の集束点を原点としてスペックル低減拡散性表面１２８を透過した後の光１２３'は、コリメートコンポーネント１２４及び光走査コンポーネント１２６によって、投影面１３０(すなわち投影スクリーン)上の位置Ｐ２にある第２の集束点に再結像される。収斂出力ビーム１２１'は一Ｐ２にある第２の集束点を照射する。第１の集束点が投影面上の位置Ｐ２にある第２の集束点に結像されるから、投影面１３０上の収斂出力ビーム１２１の強度プロファイルは有意には改変されず、これは図１に説明され、示される、従前の投影機構成に対してビームスポット径が変化しないことを意味する。言い換えれば、スペックル低減拡散性表面１２８は光走査コンポーネント１２６の前に配置され、投影面１３０上の第２の集束点位置Ｐ２に再結像される第１の集束点Ｐ１に近接して配置されるから、スペックル低減拡散性表面１２８の挿入は投影面１３０上の画像の鮮明度に影響しない。ここで、スペックル低減拡散性表面１２８は投影面１３０上に結像されるから、投影面１３０上のビーム径に電場の位相のいくらかの高空間周波数変調が加わる。光走査コンポーネント１２６が収斂出力ビーム１２１'を走査する間、スペックル低減拡散性表面１２８によって与えられる位相変調の位置は光走査コンポーネント１２６による高速走査に追随し、よって投影面１３０に対する位相変調の高速変動が生じる。この結果が、観察者に見えるスペックルの低減である。

図２は、第１の集束点Ｐ１の位置を原点にする出力ビームの発散がスペックル低減拡散性表面１２８の挿入によって大きくなり、対応して収斂出力ビーム１２１'の収斂角が大きくなることも示す。したがって、収斂角に依存して、レーザ投影システム１００から投影面１３０までの距離にかかわらず鮮明な画像を維持することが可能ではないことがある。したがって、収斂角に依存して、収斂出力ビーム１２１'が投影面１３０に集束されることを保証するため、１つないし複数の焦点調節機構を用いることができる。一実施形態において、多くの投影距離に対して投影面１３０上にスペックル低減拡散性表面１２８を適切に結像させるため、コリメートコンポーネント１２４をＺ軸に沿って平行移動させることができる。別の実施形態において、スペックル低減拡散性表面がＹ軸に対して角度をなすように、スペックル低減拡散性表面１２８をＸ軸を中心にして傾けることができる。焦点調節はＹ軸に沿ってスペックル低減拡散性表面１２８を平行移動させることによって与えることができる。スペックル低減拡散性表面１２８の傾きによる、Ｙ軸に沿う移動の結果、Ｚ軸に沿うスペックル低減拡散性表面１２８の能動面(すなわち、スペックル低減拡散性表面１２８の、出力ビームが照射している位置)の移動がおこり、これはレーザ投影システム１００の焦点距離の変化と等価である。本明細書に表される様々な軸は説明のために過ぎず、方位に関する特別の限定は目的とされていないことは当然である。

適切な画像解像度を、また図１に示される非スペックル低減モードにおける無限大焦点深度及び図２に示されるスペックル低減モードにおける所望のスペックル低減も、達成するため、レーザ投影システムのパラメータが最適化されるべきである。無限大焦点深度は、レーザビームがほぼガウス形であり、通常のガウス形ビーム伝搬則にしたがって投影面１３０に伝搬すると仮定することで解析することができる。無限大焦点深度をどのようにして達成するかを説明するため、一方向における画像解像度が画像の一方向に沿って８００ピクセルである(すなわち、走査レーザ画像の一画像走査線が８００ピクセルを含む)とし、同じ方向における走査装置の偏向角が４０°であるとする。第１近似において、投影面上の画像ピクセル径は式(１)：

で与えることができる。式中、
Pixelはピクセル径であり、
Ｄは投影距離であり、
θはレーザ投影システムの偏向角(４０°)であり、
Ｒは一方向におけるレーザ投影システムの素解像度(８００ピクセル)である。

ピクセル径は[０.９×１０^−３×投影距離]に等しいから、ピクセルの角度拡がりと称される、０.９ミリラジアンがピクセルに付随し得る。８００ピクセルの解像度を達成するためには、コリメート出力ビームによって照射される投影面上の(半値全幅(ＦＷＨＭ))ビームスポット径を、最も広い投影距離Ｄ範囲にわたって最高解像度を得るため、画像ピクセル径と概ね等しくすべきである。次いでビームスポット径を投影距離Ｄの関数として計算するため、ガウス形ビーム伝搬則を適用することができる。

図３は、表面ビームスポットのＦＷＨＭ径及びピクセル径(ｙ軸)を投影距離Ｄ(ｘ軸)に対して表すグラフ１４０を示す。曲線１４２は画像ピクセルの径を投影距離Ｄの関数として表す。曲線１４４は、上述した光コンポーネントがレーザ投影システムから０.４ｍ離れている点において非常に小さいビームを形成するように構成されているとして、表面ビームスポット径を示す。グラフ１４０から分かるように、表面ビームスポット径はピクセル径より速く拡がり、約１ｍを過ぎると、ビームはピクセル径より大きくなり、この結果画像解像度が低下する。曲線１４８で表される場合については、ビームコンバージェンスがかなり小さく設定され、この結果、レーザレーザ投影システムから４００ｍｍ離れた位置で大きなビーム径が生じている。この場合、適切な画像解像度は０.７ｍより大きい距離でしか達成されない。曲線１４６は、ガウス形ビームのコンバージェンス角がピクセルの角度拡がりに等しく設定される、理想的状況に近づいている。グラフ１４０に示されるように、ガウス形ビームのコンバージェンス角がピクセルの角度拡がりに等しく設定される場合は、画像解像度が達成される(すなわち表面ビーム径が画像ピクセル径より小さい)最大範囲の投影距離が得られる。上述した数値例において、これは光走査コンポーネント上の０.４〜０.５ｍｍ(ＦＷＨＭ)のオーダーのビーム径に対応する。

達成され得るスペックル低減のレベルは多くのパラメータに依存することを示すことができる。本発明の発明者は、投影面がバルク散乱性表面である場合、光走査コンポーネント(すなわちＭＥＭＳ走査ミラー)入射時の出力ビーム径を６ｍｍ未満にすればスペックル減衰を達成できることを認めた。バルク散乱性投影面は、光が表面で散乱されるよりむしろ、投影面の材料内に入り込み、いくらかの距離にわたって拡がる投影面である。バルク散乱投影面の材料には、紙、塗装面、ボール紙及び織地を含めることができるが、これらには限定されない。そのようなタイプのスクリーン材料を用いる場合、発明者は走査コンポーネントに非常に大きな寸法を用いる必要無しに、スペックルが大きく低減され得ることを認めた。光走査コンポーネント上の出力ビーム径が比較的小さくなるから、光走査コンポーネントは走査レーザ画像を生成するに十分に速く回転することができ、焦点深度が改善され得る。

実投影機材料によるスペックルコントラストへの光走査コンポーネントのビーム径の効果を定量化するため、大きな低速ＭＥＭＳ走査ミラーを含む実験装置を構成した。以下の例は説明目的のために過ぎず、限定は目的とされていない。スペックルをＭＥＭＳ走査ミラー上に入射する出力ビーム径の関数として測定した。投影距離Ｄは０.５ｍに設定され、投影面に対する観察者も０.５ｍに設定されているとし、観察者のひとみは暗い室内照明条件において６ｍｍであるとした。ＭＥＭＳ走査ミラーの直径は３.６ｍｍ×３.２ｍｍ、フレームレートは１Ｈｚであり、したがって、画像は人間の眼には不可視であった。得られた走査画像を、積分時間が１秒に設定され、 (例えばスクリーンから０.５ｍ離して配された６ｍｍのひとみと同様に)集光角が１２ミリラジアンに設定された、眼シミュレータを用いて測定した。画像走査線間隔は表面ビーム径より小さく、よって画像走査線は完全に重なり合った。レーザ光源の液体レンズ及びコリメートレンズを用いてＭＥＭＳ走査ミラー上のビーム径を変え、ＣＣＤカメラを用いてビーム径を測定した。ガウス形ビームスポットの投影面上への形成及び投影面上のガウス形ビームスポットのそれぞれの位置についてのスペックルパターンの計算を含むモデルを用いて、理論的結果も得た。ガウス形ビームスポットの位置の関数として計算された画像の強度の総和をとることによって、モデルの最終画像を得た。画像走査線の線間距離はガウス形ビームのＦＷＨＭに等しく設定した。モデルの投影面は粗構造深さがビームの波長程度の無秩序粗面を有する表面散乱材料であるとした。

図４は、上記実験構成から得られた、表面散乱投影面として粗金属スクリーンを用いた実験データ(曲線１５２)及びバルク散乱投影面として紙スクリーンを用いた実験データ(曲線１５６)をプロットしたグラフ１５０を示す。ｙ軸はスペックルコントラストであり、ｘ軸はＭＥＭＳ走査ミラー上の出力ビームの１/ｅ^２ビーム径である。１/ｅ^２ビーム径は強度分布上の、最大強度値の１/ｅ^２＝０.１３５倍の、２つの点間の距離である。曲線１５４はスペックルコントラスト理論モデルから得られた理論結果を示す。粗金属スクリーンはモデル予測に忠実にしたがい、モデルと上記実験構成が妥当であることを示す。曲線１５４は曲線１５４の測定に用いた金属表面は光を減偏光しないという事実を考慮に入れるために補正されていることに注意すべきである。すなわち、投影面が光を減偏光する場合の曲線１５６との公平な比較を可能にするため、曲線１５４に対する実験データは、

で補正されている。グラフ１５０に示されるように、紙スクリーン上で測定したスペックルは理論予測(曲線１５４)及び粗金属スクリーン(曲線１５２)よりかなり速く減少する。紙スクリーンでは、ＭＥＭＳ走査ミラー上の１/ｅ^２ビーム径が約２.２ｍｍで、スペックルは約４２％に達する。対照的に、粗金属スクリーンデータが４０％のスペックルコントラストに近づくことはなかった。曲線１５２を外挿すると、４０％のスペックルコントラストは１/ｅ^２ビーム径が６ｍｍより大きくなると達成され得る。したがって、バルク散乱投影面上に走査レーザ画像を投影する場合には、かなり小さな光走査コンポーネント１２６を用いて、有効なスペックルコントラスト減衰を達成することができる。例えば、光走査コンポーネント１２６の直径は出力ビーム径より若干大きくなり得る。上記実験においては、２.２ｍｍより大きい直径を有する光走査コンポーネントを用いて画像を走査することができる。しかし、直径は、光走査コンポーネントの回転を遅くするほどの大きさにするべきではない。直径を小さくするほど(例えば約２.２ｍｍと約３.５ｍｍの間にすると)、さらに小さい光走査コンポーネント１２８のＭＥＭＳ作動ミラーの、画像フレームレートに遅れない、(例えば２０Ｈｚより高い)画像フレームレートにおける回転が可能になり得る。

したがって、既存のほとんどの投影面材料を用いることで、３７％のような比較的低いスペックル強度を、例えば３.５ｍｍのような、手頃な光走査コンポーネント直径によって達成することが可能である。しかし、３７％のスペックル強度は観察者に見えるスペックルの除去には十分ではなく、本明細書に説明される実施形態は、例えばスペクトル拡幅及び／または偏光スクランブルのような、他のスペックル低減手法とともに用いることができる。

非スペックル低減モードにおける無限大焦点深度及びスペックル低減モードにおけるスペックル低減のいずれの条件も満たすために、レーザ投影システムどのように構成することができるかを説明するため、限定ではなく、例として、光源１１０のレーザの内の１つ(例えばレーザ１１１ａ)が、角度発散がＦＷＨＭで８°の、単一モードガウス形ビームを放射しているとする。レーザコリメートコンポーネント１２４の焦点距離は、ＦＷＭＨが０.２８ｍｍのコリメートビームを生成するように２ｍｍとすることができる。他の２つのレンズ(１２２及び１２４)の焦点距離はそれぞれ、走査ミラー上にほぼ０.５ｍｍ(ＦＷＨＭ)のビーム径を形成し、スペックル低減拡散性表面１２８が光路に挿入されていないときは無限大焦点深度条件を満たすように、４ｍｍ及び７ｍｍとすることができるであろう。また、コリメートコンポーネント１２４の焦点距離は、Ｐ１にあるビームのビームウエストをほぼ４００ｍｍの公称スクリーン距離で結像するために調節される。

スペックル低減拡散性表面１２８が光路に挿入されると、スペックル低減拡散性表面上のビームの直径がスペックル低減拡散性表面の拡散角に、式(２)：

によって関係付けられる。式中、
θはスペックル低減拡散性表面の拡散角であり、
Φ_ＭＥＭＳは走査コンポーネント上の出力ビームの直径であり、
ｆ_２はコリメートレンズの焦点距離である。

上で与えた数値例において、ｆ_２は約７ｍｍである。したがって、３７％のスペックル強度に対応する３.５ｍｍのビーム径を得るためには、スペックル低減拡散性表面１２８の拡散角を約３３°(全角)のオーダーとするべきである。光走査コンポーネントの直径は、ビームの口径食を避けるため、少なくとも３.５ｍｍとするべきである。

一実施形態において、スペックル低減拡散性表面１２８は、所望の拡散角(例えば上記の例に示される３３°)内で一様な角度エネルギー分布を形成する。別の実施形態において、スペックル低減拡散性表面１２８は、出力ビームプロファイルが多くの点からなる格子を含むような態様で構成することができる。これが、例えば少なくとも１つのホログラフビームスプリッターを用いることで、達成することができる。また別の実施形態において、スペックル低減拡散性表面１２８によって放射される角度エネルギー分布は環様形状とすることができる。スペックル低減拡散性表面１２８はホログラフディフューザーまたはコンピュータ生成ホログラムを用いることで得ることができる。スペックル低減拡散性表面１２８は、回折効率が可能な限り大きく(例えば９０％より大きく)、エネルギーのほとんど(例えば９０％より多く)が一次回折で回折され、よってエネルギーが寄生次回折で浪費されないように構成されるべきである。高回折率を達成するため、スペックル低減拡散性表面１２８を、入射ビームに対して、ブラッグ角と呼ばれる特定の角度に設定することができる。また、スペックル低減拡散性表面１２８は、図１及び２に示されるように透過型コンポーネントとすることができ、あるいは反射拡散型コンポーネントとして構成することもできる。

発明者は、光源１１０が複数の色レーザ(例えばレーザ１１１ａ〜１１１ｃ)を有する実施形態においては、拡散角、回折効率及びブラッグ角のようなパラメータがレーザビーム波長の関数であるため、スペックル低減拡散性表面１２８が全ての色について同時に全ての要件を満たすことは困難であり得ることを認識していた。一実施形態において、レーザビーム１１４ａ〜１１４ｃは出力ビーム１２０内で角度的に分離され、この結果、収束コンポーネントの焦平面に近接して配されたＰ１のレベルにおいてビームの空間的分離がおこる。図５を参照すれば、レーザビームがスペックル低減拡散性表面１２８の出口領域上に示される。レーザビームは集束コンポーネント１２２によって集束されて、スペックル低減拡散性表面１２８にＸ軸に沿って分離された３つの相異なる集束点１２５ａ，１２５ｂ及び１２５ｃを形成する。図５に示されるスペックル低減拡散性表面１２８は３つの空間的に分離された領域１２９ａ，１２９ｂ及び１２９ｃを含む。空間的に分離された領域１２９ａ〜１２９ｃのそれぞれの拡散特性は、集束点１２５ａ〜１２５ｃに関係付けられた対応するレーザビームの波長に対して最適化することができる。特定の色の波長に対し、スペックルコントラストは有意な問題にはならないであろう。例えば、青色におけるスペックルは通常、観察者には見えず、よって青色レーザビームに関係付けられた領域(例えば空間的に分離された領域１２９ｂ)は、拡散が全く無いかまたは僅かしかない、透明とすることができる。

レーザビームの空間分離は、例えば、ほぼコリメートされた出力ビーム１２０をなすビームが同じ方向に正確に向かわないように光源レンズ１１２ａ〜１１２ｃをＸ軸方向に動かすことによって、達成することができる。空間分離は反射面１１６ａ〜１１６ｃの反射角を相互に若干ずらすことによっても達成することができる。しかし、集束点１２５ａ〜１２５ｃは投影面に再結像されるから、３つの色も投影面上で空間的に分離されることになり、これは解像度問題を引きおこし得る。投影面上のビームスポットの空間分離を補償するため、出力ビーム１２０が光走査コンポーネント１２６によって走査されている間、レーザ１１４ａ〜１１４ｃに時間遅延を導入し、ビームスポットが同じ領域を照射して、所望のピクセルを形成するように、レーザ投影システムをプログラムすることができる。

さらに、スペックルが現れていても画像品質は許容できると観察者がみなす一般的な知覚レベルはほぼ２０％〜３０％のスペックルコントラストである。２０％〜３０％のスペックルコントラストを達成するためには、実用にはなり得ない、非常に大きな光走査コンポーネントが必要になり得る。したがって、本明細書に説明される実施形態を、出力ビームの偏光状態を変調する偏光スクランブル素子のような他のスペックル低減手法とともに用いることが望ましいであろう。図２を再び参照すれば、レーザ投影システム１００の実施形態は、スペックル低減拡散性表面１２８の後で出力ビームの光路に配置された偏光スクランブル素子１２９も備えることができる。例として、米国特許第７６５３０９７号の明細書に説明されるような偏光分割／遅延ユニットを、スペックル低減周波数で(例えば画像フレームレートで)出力ビームの偏光を回転させるような偏光変調のために用いることができる。上記明細書はその全体が本明細書に参照として含められる。偏光分割／遅延ユニットはコリメートコンポーネントの前かつ光走査コンポーネント１２６の後で光路に配置することができる。

別の実施形態において、偏光スクランブル素子１２９は、例えば出力ビームの光路に挿入することができる液晶単セルのような、偏光変調器を含むことができる。偏光変調器は次いで、レーザビームの偏光が(Ｓ直線偏光とＰ直線偏光または左回り円偏光と右回り円偏光のような)２つの直交偏光状態の間で切り換わる態様で、変調することができる。偏光回転の周波数は、例えば偏光がそれぞれの投影画像フレームの終点において一方の状態から他方の状態に切り換わるように、設定することができる。

出力ビームのスペクトル拡幅を、スペックルコントラスト低減を達成するために用いることもできる。例えば、緑色スペクトル範囲にある出力ビームは、スペックルを有効に低減するため、波長で約０.５ｎｍより広いスペクトル幅を有することができる。スペクトル拡幅及び／または偏光スクランブルは、スペックルコントラストのレベルを３０％未満まで低減するために、上述したディフューザ実施形態とともに用いることができる。

限定ではなく、例として、スペックル低減拡散性表面を偏光スクランブルとともに用いて光走査コンポーネント上に３.５ｍｍ径の出力ビームを照射することによって、２５％のオーダーのスペックルコントラストレベルを達成することができる。別の例として、スペックル低減拡散性表面を偏光スクランブルとともに用い、緑色出力ビームに対し少なくとも０.６ｎｍの出力ビームスペクトル幅を用いて、１.５ｍｍ径の出力ビームを光走査コンポーネント上に照射することができる。

発明者等、光走査コンポーネント上のビーム径を大きくすることで、レーザ分類規則にしたがえばクラス２のレーザによって、より多くのパワーの放射が可能になることを認めた。例として、光走査コンポーネント上のビーム径が１ｍｍのレーザ走査投影機はクラス２レーザとして分類されるため、輝度が１０ルーメンに制限され得る。ビーム径を３ｍｍまで大きくすることで、投影機は、例えば３倍大きなパワーを放射することができ、それでもクラス２レーザである。したがって、レーザ走査投影機をスペックル低減モードで動作させる場合、レーザ分類規則にしたがいながらも、レーザがより大きな電流で駆動されて、より明るい画像を生成するように、レーザ走査投影機を構成することができる。

本開示の実施形態を説明し、定める目的のため、用語「実質的に」はいずれかの量的な比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させることができる、不確定性の本質的な度合いを表すために用いられることに注意されたい。

特定の方式で「プログラムされる」、特定の特性または特定の機能を特定の態様で具現化するために「構成される」または「プログラムされる」、特定の実施形態のコンポーネントの本明細書における叙述は、目的用途の叙述に対照するものとしての構造的叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「プログラムされる」または「構成される」態様への本明細書における言及は、そのコンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、そのコンポーネントの構造的特徴の明確に限定された言及としてとられるべきである。

特定のコンポーネントまたは要素の説明における語句「少なくとも１つ」の使用は、他のコンポーネントまたは要素の説明における語「１つ(‘ａ’)」がその特定のコンポーネントまたは要素についての１つより多くの使用を除外することを意味してはいないことにも注意されたい。さらに詳しくは、あるコンポーネントが「１つ(‘ａ’)」を用いて説明されることがあり得るが、そのコンポーネントが１つだけに限定されると解されるべきではない。

特定の実施形態を本明細書に示し、説明したが、特許請求される主題の精神及び範囲を逸脱することなく様々なその他の変更及び修正がなされ得ることは当然である。さらに詳しくは、説明した実施形態のいくつかの態様は好ましいかまたは特に有利であるとして本明細書で認定されるが、特許請求される主題はそれらの好ましい態様に必ずしも限定されないと考えられる。

１００レーザ投影システム
１１０光源
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃレーザ
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ光源レンズ
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃレーザビーム
１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ反射面
１２０出力ビーム
１２１収斂ビーム
１２２光集束コンポーネント
１２３ (第１集束点を原点とする)光
１２４コリメートコンポーネント
１２６光走査コンポーネント
１２８拡散性表面
１２９偏光スクランブル素子
１３０投影面

Claims

光源、光走査コンポーネント、集束コンポーネント、スペックル低減拡散性表面及び光コリメートコンポーネントを備えるレーザ投影システムにおいて、
前記光源が出力ビームを放射するように構成された少なくとも１つのレーザを有する、
前記集束コンポーネントが、前記光源によって放射される前記出力ビームの光路に配置され、前記出力ビームを前記光走査コンポーネントの前に配された第１の集束点に集束する、
前記スペックル低減拡散性表面が、前記光走査コンポーネントの前の前記第１の集束点において前記出力ビームの前記光路に選択的に挿入されるように動作することができる、
前記光コリメートコンポーネントが、前記集束コンポーネントの後で前記出力ビームの前記光路に配置され、前記出力ビームを前記光走査コンポーネント上に少なくともほぼコリメートするように動作することができる、
前記レーザ投影システムが、エンコードされた画像データの光放射のために前記レーザを動作させ、前記出力ビームを複数の画像ピクセルにかけて走査するように前記光走査コンポーネントを制御することによって、投影面上に走査レーザ画像の少なくとも一部を生成するようにプログラムされる、及び
前記スペックル低減拡散性表面が前記出力ビームの前記光路に挿入されているときに、前記投影面上の第２の集束点に前記第１の集束点が結像されるように、前記光コリメートコンポーネントが構成される、
ことを特徴とするレーザ投影システム。
前記スペックル低減拡散性表面が前記出力ビームの前記光路に挿入されていないときは、前記レーザ投影システムが無限大焦点深度モードで動作する、及び
前記スペックル低減拡散性表面が前記出力ビームの前記光路に挿入されていない前記無限大焦点深度モード中は、前記光走査コンポーネント上の前記出力ビームの直径が約０.４ｍｍから約１ｍｍの間であるように、前記集束コンポーネント及び前記光コリメートコンポーネントが構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ投影システム。
前記スペックル低減拡散性表面が前記出力ビームの前記光路に挿入されているときは、前記レーザ投影システムがスペックル低減モードで動作する、及び
前記スペックル低減拡散性表面が前記出力ビームの前記光路に挿入されている前記スペックル低減モード中は、前記出力ビームが前記光走査コンポーネント上で約１.５ｍｍから約４ｍｍの間の直径を有するように、前記スペックル低減拡散性表面が前記出力ビームの拡散角を生じさせる、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ投影システム。
前記光源が複数のレーザを有し、前記複数のレーザのそれぞれは相異なる波長を有する出力ビームを放射する、
前記集束コンポーネントが前記光走査コンポーネントの前の複数の第１の集束点において、前記複数の第１の集束点が空間的に分離されるように、前記出力ビームのそれぞれを集束するように構成される、
前記スペックル低減拡散性表面が相異なる拡散特性を有する複数の空間的に分離された領域を含み、前記空間的に分離された領域は前記第１の集束点と位置が合うように構成されている、
前記空間的の分離された領域の少なくとも１つが実質的に透明な拡散特性を有する、
前記レーザの少なくとも１つが青色スペクトル範囲または赤色スペクトル範囲にある波長を有する出力ビームを放射するように構成される、
実質的に透明な拡散特性を有する空間的に分離された領域が青色スペクトル範囲または赤色スペクトル範囲にある波長を有する前記出力ビームと位置合せされるように、前記スペックル低減拡散性表面が配置される、及び
前記レーザ投影システムがさらに、前記投影面上の複数の第２の集束点の空間的分離を補償するため、前記レーザの１つ以上に与えられる制御信号に時間遅延を導入するように、プログラムされる、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ投影システム。
前記光コリメートコンポーネントが、焦点距離が調節可能であり、前記投影面までの前記レーザ投影システムの投影距離にしたがって前記投影面上に前記第２の集束点を合焦させるように動作することができる液体レンズを含む、または
前記スペックル低減拡散性表面が前記出力ビームの前記光路によって定められる光軸に垂直な軸に対して集束角をなして配位され、前記レーザ投影システムがさらに、前記第１の集束点が前記投影面上の前記第２の集束点に結像されるように、前記光路に垂直な第１の軸に沿って前記スペックル低減拡散性表面を平行移動させるようにプログラムされる、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ投影システム。