JP2022076489A - スペックルノイズ低減光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで小型かつ静かなスペックルノイズ低減光学系を提供する。【解決手段】本発明の好ましい一側面は、レーザ光を出射する光源と、粒子が少なくとも一部に充填された、レーザ光に対して透明なインテグレータと、レーザ光をインテグレータに対して、ゼロより大きい速度で相対的に振動させる振動部と、を備え、レーザ光はインテグレータの内部を進行し、インテグレータから射出するレーザ光のスペックルノイズを低減することを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系である。【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光のスペックルノイズを低減する技術に関するものである。

スペックルノイズを低減する手法として、多角形ロッドを用いた手法が特許文献１、ミー散乱を用いた手法が特許文献２で提案されている。

特開平１１－６４７８９号公報 国際公開ＷＯ２０１２／１００６４５号公報

テレビやプロジェクタなどの表示装置では、色再現範囲を拡大するためスペクトル幅の狭いレーザ光が用いられている。しかしながらレーザ光はコヒーレント光であることと、画面表面の光学的粗さに起因して、人の眼にはスペックルノイズが観察される。スペックルノイズは画像の品質に深刻な影響を与えるため、スペックルノイズを低減する方法が色々と提案されている。人が認識可能な５０ｍｓｅｃ以下の時間範囲で空間的にスペックルノイズのパターンを多重することでスペックルノイズを低減する手法が一般的である。

例えば特許文献１では、多角形ロッド内面でレーザ光の反射角度が回転により変化することを利用して空間的にスペックルノイズのパターンを多重する手法が記載されている。

また特許文献２では、ミー散乱を起こす光反射室と光源を摂動することで空間的にスペックルノイズのパターンを多重する手法が記載されている。

特許文献１のように透明な多角形ロッドを用いると、入射したレーザ光が多角形ロッドと平行な場合、内面反射することなく多角形ロッドから出射するため、スペックルノイズのパターンの多重化ができず、スペックルノイズが残留する。また、例えば多角形内部に入射したレーザ光が１度の場合、多角形ロッドの幅１ｍｍ、屈折率を１．５として計算すると、約５８ｍｍの長さが必要になり、小型化にも課題がある。また時間５０ｍｓｅｃ以下で空間的にスペックルノイズのパターンを１０回多重するためには、２００Ｈｚ（１／５０ｍｓｅｃ×１０回）で回転させる必要がある。２００Ｈｚは人間の可聴域（２０Ｈｚから２０ｋＨｚ）の範囲であり、防音対策も必要となる。

特許文献２では、ミー散乱を用いる点や摂動させる具体的な記述が無い。光反射室を鏡面にするには、硝子であれば必要な面を研磨する必要があり安価に実現できない。また樹脂で射出成形する場合、側面は取り出し時にひっかき傷が残留するため、鏡面化するには複雑な仕掛けが必要になり、一度に多数個取りするような安価な成形ができない等コスト面の課題もある。また摂動に用いるカンチレバー、マイクロバネ等では１次元でのランダム変調は可能であるが、１次元のランダム変調は、サイン波に近似できレーザ光の動きが停止する時間が発生する。この停止時間を考慮して５０ｍｓｅｃ以下で空間的にスペックルノイズのパターンを１０回多重するためには、やはり２００Ｈｚ（１／５０ｍｓｅｃ×１０回）の変調が必要になり、特許文献１同様に防音対策も必要となる。

本発明の目的は、上記の課題を鑑み、低コストで小型かつ静かなスペックルノイズ低減光学系を提供することである。

本発明の好ましい一側面は、レーザ光を出射する光源と、粒子が少なくとも一部に充填された、レーザ光に対して透明なインテグレータと、レーザ光をインテグレータに対して、ゼロより大きい速度で相対的に振動させる振動部と、を備え、レーザ光はインテグレータの内部を進行し、インテグレータから射出するレーザ光のスペックルノイズを低減することを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系である。

低コストで小型かつ静かなスペックルノイズ低減光学系を提供できる。

実施例１のスペックルノイズ低減光学系の斜視図。 実施例１のインテグレータの機能を示した概略図。 実施例１のレーザ光と粒子の偏芯量とレーザ光の偏角を計算したグラフ。 実施例１の粒子密度と平均自由行程を計算したグラフ。 実施例１の平均自由行程と効率を計算したグラフ。 実施例１のインテグレータの振動の軌跡を示した概略図。 実施例２のスペックルノイズ低減光学系の斜視図。 実施例３のスペックルノイズ低減光学系の斜視図。 実施例４のスペックルノイズ低減光学系の斜視図。 実施例４のスペックルノイズ低減光学系のシステムブロック図。 実施例５のスペックルノイズ低減光学系の斜視図。 実施例６のスペックルノイズ低減光学系を示した斜視図。 実施例６のスペックルノイズを計測した実測結果のグラフ。 スペックルノイズを観測した画像。

以下、図に示す実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明するが、これにより本発明が限定されるものではない。

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

以下の実施例で説明されるスペックルノイズ低減光学系の一例では、レーザ光を出射する光源と、少なくとも粒子が充填された透明ロッドであるインテグレータと、そのインテグレータまたは光源を常にゼロより大きい速度で微小に振動させる振動部とを備え、レーザ光はインテグレータ内部を進行し、少なくとも粒子とレーザ光が複数回衝突することでスペックルノイズを低減する。

本発明における実施例１について図を用い説明する。
図１はスペックルノイズ低減光学系１００を図示した概略図である。スペックルノイズ低減光学系１００は、光源１、インテグレータ２、振動部４，５から構成されている。

光源１はレーザ光を出射する光源であり、所定のスペクトル幅の波長のレーザ光をｚ方向に出射する。光源１としては、既存のレーザダイオード等の光源を使用できる。インテグレータ２は、レーザ光に対して透明な多角柱たとえば四角柱体であり、内部には粒子３が所定の密度で分散されている。粒子３はレーザ光を散乱させる散乱粒子である。

振動部４、５はインテグレータ２を振動させる機能を有している。振動部４はｘ軸方向を振動させ、振動部５はｙ軸方向を振動させる機能がある。また振動部４、５の振動周期の位相を異ならせることで、常にインテグレータ２の動く速度がゼロとならないように設定される。振動部４、振動部５としては、既存の圧電式リニア振動アクチュエータ等を使用できる。

光源１から出射したレーザ光はインテグレータ２に図中左側から入射し、内部を進行して図中右側から出射する。以降入射する面を入射面、出射する面を出射面、それ以外の面を側面と記す。インテグレータ２の内部を進行するレーザ光は所定の頻度で粒子３と衝突して散乱される。また、振動部４、５でインテグレータ２は動作しているため、出射するレーザ光の一本の光線に着目すると、着目した一本の光線は５０ｍｓｅｃ以下の時間で常に異なる角度で出射している。このため、スペックルノイズによるパターンを多重化することができる。

入射面と出射面は、表面荒さを大きくしても問題ない。入射面と出射面が荒れていることによって表面散乱による効果により、スペックルノイズを低減する機能として利用しても良い。

本実施例のインテグレータは、四角柱体を媒質１で構成し、該媒質１とは異なる屈折率を有し、伝搬する光を散乱せしめる粒子（媒質２）が充填された構造であれば特に限定はない。以下に説明する材料及び製造方法を用いることによって容易に得ることができる。

＜媒質１＞
まず、媒質１の材質として、光を伝搬する観点から透明性の高い材料が選択される。本実施例ではアクリル系の光硬化樹脂を使用するが、透明度の高い材料であれば特に限定はなく、例えば、エポキシ系の熱硬化性の樹脂やアクリルやポリカーボネイト等の熱可塑性樹脂や、ガラス等を使用してもよい。

光硬化性樹脂を用いると固形の媒質２を使用する際に該媒質２との混合が容易である観点、また硬化後に冷却や乾燥等の工程を必要としないため作業効率が向上する観点、所定の形状のインテグレータを得られやすい観点、からより好ましい。また、アクリル系の材料を使用すると透過率が高く、光の利用効率を高めることが可能となるため、より好ましい。

＜媒質２＞
媒質２は、媒質１中に、媒質１と異なる屈折率の粒子を混合させることによって効率良く得ることができる。媒質２の材質として、本実施例では、架橋ポリスチレン微粒子を使用するが、透明度の高い材料であれば、その他の材質のプラスチック粒子やガラス粒子等、他の材料を使用してもよい。

ただし、光を散乱させるためには屈折率差があることが重要であるため、媒質１と媒質２との間で屈折率差は０．０２５以上あることが望ましい。０．００２５以上０．１５以下であると、媒質１と媒質２の比重を近接させやすくなり媒質２を媒質１に混合させるのが容易である観点、及び、効率の低下を抑えたうえで、散乱の効果も得られやすいという観点、からより好ましい。ここで、媒質１と媒質２の屈折率を比較したときに、どちらの屈折率が大きくてもよい。なお、本実施例における屈折率差とは、媒質１又は媒質２のうち、高屈折率である媒質１又は媒質２の屈折率と、低屈折率である媒質２又は媒質１の屈折率の差分から算出される値とする。

＜粒径＞
媒質２の粒径は、１μｍ以上、５μｍ以下であることが望ましい。これは、前述のように、粒径が小さいと光が散乱しすぎて光の取り出し効率が低下してしまい、粒径が大きいと光が散乱しにくいためである。また、粒径は略均一である方が望ましいが、９０％以上の粒子が上記粒径範囲内に含まれていれば効果は得られるため問題ない。

＜製造方法＞
媒質１と媒質２を一体化する工法としては、例えば液状の媒質１を用意し、次いで媒質１と媒質２を混合させ、それを所定の形状に光硬化させて製作する方法があるが、熱プレス、射出成形、削りだし等、他の工法でも製作可能である。中でも液状の媒質１を用いると、媒質２を容易に混合させることができるため、より好ましく、媒質１に媒質２を混合させた状態も液状であると、所定の形状に加工しやすいためさらに好ましい。

製品形状作成時には、製品の高さの板を製作後に外周を切断して製品サイズにしてもよいし、製品サイズの空間を持つ型を製作して、型に樹脂を流し込んで硬化させて製作してもよい。

＜表面粗さ＞
本実施例のインテグレータの表面粗さ（Ｒａ；算術平均粗さ）は、側面の長さ方向では小さくすることが望ましい。これは光が側面にあたったときに側面の長さ方向で面が荒れていると、臨界角を超えて光が側面から抜けてしまうためである。長さ方向に垂直な方向では、光の伝搬に悪影響のない範囲で面が荒れていてもよい。また光入射面や光出射面については、光の拡散が高まる効果が見込めるため、光の出射に悪影響のない範囲で面が荒れていてもよい。

以上の観点から側面の光軸方向の表面粗さは０μｍ超～２．０μｍであると良く、０μｍ超～１．０μｍであるとより良く、０μｍ超～０．５μｍであるとさらに良い。光入射面及び光出射面の表面粗さは、上記側面の表面粗さ以上であって、０．０１μｍ～１０μｍであると良く、０．５μｍ～５μｍであるとより良く、０．５μｍ～３μｍであるとさらに良い。尚、側面の光軸に対して垂直方向の表面粗さは０μｍ超であって、上限は上述した光入射面及び光出射面の表面粗さで列挙した値以下であると良い。

側面の光軸（図１中左から右方向）に対して垂直方向の表面粗さは上述の範囲内で小さい方が好ましいが、加工効率の観点から任意に選択して構わない。具体的には、例えば切削加工によって側面を形成する場合、切削方向の表面粗さと、切削方向と略垂直方向の表面粗さは、前者の切削方向の表面粗さの方が小さくなる傾向にあり、加工効率の向上のために切削速度等を変化させると、特に、切削方向と略垂直方向の表面粗さが荒くなる。この場合、切削方向を光軸方向とすることによって、作業効率を維持しつつ、光の伝搬効率を保持させることが可能となる。また、成形等を利用する場合であって、かつ成形鋳型側に切削痕等の表面粗さの方向性を有する場合、該表面粗さは、インテグレータに転写される。この場合も同様に、光軸方向を表面粗さの小さい方向とすることによって、良好な光の伝搬効率を保持させることが可能となる。

また、媒質２に固形の粒子を用いる場合、媒質２からなる散乱粒子が側面から突出することによる凸部や、散乱粒子が側面から脱落した跡による凹部からなる凹凸が表面荒さに寄与する程度に存在すると、上述したように側面からの光の漏れが発生する一因となる。以上のことから、さらに側面の表面粗さ（Ｒａ）は、媒質２として導入する散乱粒子の平均粒径の１／２以下であると良い。これは、インテグレータの側面から散乱粒子を突出させない状態又は、側面から突出する散乱粒子を切断し、平滑化しておくことによって実現できる。

図２は、インテグレータ２の機能を示した図である。入射したレーザ光は粒子３により散乱する。そのレーザ光と粒子の衝突は平均自由行程δＬの頻度で発生する。側面に進行するレーザ光は屈折率の差で全反射して、インテグレータ２内部に閉じ込められる。臨界角を超えたレーザ光が側面に進行すると、インテグレータ２の外部に漏れロスとなる。

スペックルノイズ低減光学系１００では、スペックルノイズのパターンを平均化するため、３個の指標が重要である。１個目は、出射するレーザ光が粒子散乱でどれだけ曲げられるかを示す指標の偏角（Δθ）である。２個目は、粒子散乱を引き起こす頻度を示す指標の平均自由行程（δＬ）である。３個目は入射するレーザ光がどれだけ出射できるかを示す効率（Ｉ_ｏｕｔ／Ｉ_ｉｎ）である。

図３は粒子とレーザ光の偏芯量（横軸）と、粒子とレーザ光が衝突した後に曲げられる角度（縦軸）を幾何計算したグラフである。左右のグラフは縦軸のスケールを変えた同じグラフである。媒質１と媒質２の屈折率差（ΔＮ）は０．０１、０．０２５、０．０５、０．１の４例を示す。また粒子は直径２μｍ、レーザ光の波長は５５０ｎｍとして計算した。

偏芯量が大きくなると出射する角度も大きくなり、屈折率差が大きいと出射する角度が大きくなる。平均的な人間の瞳径が７ｍｍであり、その端から端に光が動いたならば十分異なる状態と認識できる角度とする。人間と画像の距離を一般的な条件として５００ｍｍに設定すると、角度は約０．８度であり、少なくとも１度以上の角度があれば人が別のパターンと認識すると考えて良い。

図３のグラフからは、屈折率差が０．０１のとき偏芯量が０．５μｍ（直径の２５％）でも１度に満たず十分な角度を与えることが出来ない。屈折率差が０．０２５もあると、偏芯量が０．５μｍで１．６度と十分な角度を与えられる。ここで、偏芯量０．５μｍは振動幅の半値を示しており、振動の振幅１．０μｍに相当する。この振幅は粒子径Φ２μｍの５０％に相当する。振動量を大きくすると、さらに大きな角度を与えられるが、振動量を小さくして、後段の光学系への影響を小さくすることを目的に０．５μｍ以下の振動を想定している。なお、偏芯量０．３μｍで１度の偏角を与えるには、屈折率差が約０．０２５以上必要である。

図４は、インテグレータ２内の粒子３の密度（横軸）と平均自由行程（縦軸）を計算した例である。屈折率差は図３同様に４例を示している。粒子の密度が大きくなると平均自由行程は小さくなる。また屈折率差が大きいほど平均自由行程が小さいことがわかる。

装置の小型化の観点から、インテグレータの長さは５ｍｍ以下にすることを想定すると、平均自由行程は少なくとも１回以上の衝突を起こすため、５ｍｍ以下が必要である。粒子で光が散乱されると、効率が落ちる要因になる。後述するが、散乱回数は１０回以下が望ましく、平均自由行程は０．５ｍｍ～５ｍｍの間が良いといえる。

図５は、平均自由行程（横軸）と効率（縦軸）をシミュレーションした結果である。ここでは、粒子直径２μｍ、屈折率差０．０５、レーザ光の波長５５０ｎｍ、レーザ光の出射ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）を１５度、光源とインテグレータの間隔を０．５ｍｍ、インテグレータ２の入射面と出射面のサイズを１×１ｍｍ、長さ５ｍｍとした。平均自由行程は粒子密度を変えたことで実現している。なお、ここでは、フレネル損失は考慮していない。

図５に示すとおり、平均自由行程が小さくなるほど効率が低下する。９０％以上の効率を確保したい場合、平均自由行程は０．５ｍｍ以上とすることが望ましい。

図６は、振動部４、５でインテグレータ２を振動させたときの軌道を図示したものである。振動部４、５の位相を９０度ずらして振動させると図６（ａ）のように円軌道にできる。また位相は４５度ないし９０度でずらすことで図６（ｂ）のように楕円軌道になっても良い。図６（ｃ）のように位相を同期させて軌道を直線にすると、端で動きが停止するためスペックルノイズパターンが発生する。ここでｘ軸とｙ軸の振幅をそれぞれ１μｍとすると粒子３の直径２μｍの５０％で振動させることができる。

可聴周波数下限の２０Ｈｚよりゆっくりとした振動でスペックルノイズパターンを低減するには、認識不能な５０ｍｓｅｃ以下で少なくとも１０回平均化すると良い。すなわち５０ｍｓｅｃ以下の時間内に、レーザ光に１０回以上１度以上の偏角を与えれば良いという意味である。言い換えると５ｍｓｅｃ以下の間隔で、少なくとも１回１度以上の偏角を与えれば良いという意味である。

２０Ｈｚ（１周期５０ｍｓｅｃ）で１μｍの振幅で変化させると、５ｍｓｅｃで０．１ｕｍの振幅変化が発生する。振幅の半値が０．０５μｍである。

図３から分かるように偏芯量０．０５μｍでは、屈折率差を大きくしても１回の散乱で１度以上の偏角を与えることができない。

平均自由行程が０．５μｍで、インテグレータ２の長さが５ｍｍとすると１０回衝突が起こるため、１０回の衝突で１度以上の偏角が得られれば良い。言い換えると１回当たり０．１度の偏角が得られればよい。

図３から分かるように屈折率差０．０２５の時、０．１度の偏角が十分得られるといえる。

以上のように２０Ｈｚよりゆっくりとした１μｍの振動であっても、粒子直径２μｍで屈折率差０．０２５以上持たせ、インテグレータの長さを５ｍｍとしたとき平均自由行程を０．５ｍｍとすることで、スペックルノイズのパターンを１０回平均化することができ、効率９０％以上達成できる。スペックルノイズ低減光学系１００は人の可聴域外の振動で効率良くスペックルを低減できるといえる。

なお、平均自由行程０．５ｍｍとなる粒子密度は、屈折率差が０．０２５のとき、１Ｅ７ｐｃｓ／ｍｍ^３、０．０５のとき２Ｅ６ｐｃｓ／ｍｍ^３、０．１のとき、８Ｅ５ｐｃｓ／ｍｍ^３である。インテグレータの透明樹脂と粒子の体積密度に置き換えると１Ｅ７ｐｃｓ／ｍｍ^３のとき４．１９％、２Ｅ６ｐｃｓ／ｍｍ^３のとき０．８４％、８Ｅ５ｐｃｓ／ｍｍ^３のとき０．３４％である。

なお粒子径は小さくしても１μｍ以上とすることが望ましい。小さくなると製造難度が高くなるため、粒子が高価になるためである。また粒子径を大きくすると、偏芯量に伴う出射角度が小さくなるため、５μｍ以下とするのが望ましい。

また、振動部４、５は位相を変えて楕円軌道とすることで、常にインテグレータ２を動作させ続けられる。このため、ゆっくり動作させるときの一時停止した場合に問題となるスペックルノイズの残留を無くせる。

なお、多角柱を回転させると、出射面の多角柱の頂点部からレーザ光が出射しない時間が発生する。スペックルノイズ低減光学系１００では、インテグレータ２の中心を楕円運動させるため、レーザ光が出射しないエリアを無視できるほど小さくでき、効率が良い効果も得られる。

なお、振動部は、レーザ光とインテグレータ２を相対的に振動させればよい。よって、振動部は、光源１、インテグレータ２、および光源とインテグレータの間の光路に挿入された光学素子の少なくとも一つにより、レーザ光とインテグレータの少なくとも一つを振動させればよい。光学素子として、例えば既存の音響光学素子が使用できる。

光源１を振動させる場合は耐久性に、光路に光学素子を挿入してレーザ光を振動させる場合はコストに配慮が必要である。インテグレータ２を振動させる場合、全体を振動させる必要はなく、例えば図１に示すように光源１に近い部分（インテグレータのレーザ光の出射面より入射面に近い位置）を振動させることで、効率よくレーザ光とインテグレータの変位が可能となる。

実施例２について図を用い説明する。ここでは、スペックルノイズ低減光学系１００の変形例であるスペックルノイズ低減光学系２００について説明する。

図７はスペックルノイズ低減光学系２００の概略図を示したものである。スペックルノイズ低減光学系２００はスペックルノイズ低減光学系１００のインテグレータ２の代わりにインテグレータ１０を、振動部４、５の代わりに振動部１１を配備した点が異なる。

特許文献１記載のような通常の多角柱ロッドでは、内面反射を利用しているため、出射面の均一性を実現するには多角柱である必要がある。本実施例のインテグレータは粒子散乱で出射面の均一性を実現できるため、多角柱でなくインテグレータ１０のように円柱でも良い。円柱のインテグレータ１０では、ｘ方向またはｙ方向に０．５μｍ以上偏芯させて回転させる。そうすることで、図６（ａ）のようにインテグレータ１０の中心も円運動させることができる。偏芯が無いとインテグレータ１０の中心が停止することになるため中心軸付近にスペックルノイズが残留してしまう。

多角柱を回転させるとき、出射面の多角柱の頂点部からレーザ光が出射しない時間が発生する問題に対し。円柱のインテグレータ１０はレーザ光が出射しない時間がほぼ発生しないため、効率が良いといえる。振動部１１は、小型モータと歯車、またはベルトなどで簡易に実現できるといえる。

実施例１で説明したように、スペックルノイズ低減光学系２００の構成でも低コストに小型、高効率、静かさを達成できる。

実施例３について図を用い説明する。ここでは、スペックルノイズ低減光学系１００の変形例であるスペックルノイズ低減光学系３００、について説明する。

図８はスペックルノイズ低減光学系３００の概略図を示したものである。スペックルノイズ低減光学系３００はスペックルノイズ低減光学系１００の光源１の代わりに光源２１ないし２３を配備した点が異なる。

光源２１、２２、２３は、赤、緑、青に相当する波長のレーザ光を出射する。スペックルノイズ低減光学系３００は、レーザ光のスペックルノイズを低減するだけでなく、光源２１、２２、２３から出射するレーザ光を散乱により均一にする効果も得られる。

スペックルノイズ低減光学系３００は、プロジェクタやテレビなどの表示装置用の光源としても利用できる。

実施例４について図を用い説明する。ここでは、スペックルノイズ低減光学系３００の変形例であるスペックルノイズ低減光学系４００、について説明する。

図９はスペックルノイズ低減光学系４００の概略図を示したものである。図１０はスペックルノイズ低減光学系４００のブロック図を示したものである。

図９および図１０に示すように、スペックルノイズ低減光学系４００はスペックルノイズ低減光学系３００のインテグレータ２の外側にホルダ６を、ホルダ６の側面に振動部４、５を配備した点が異なる。

図１０に示すように、振動部４、５は、インテグレータ２に入射するレーザ光のスペックルノイズを低減するため、インテグレータ２をホルダ６と一緒に振動させる機能を有している。

ホルダ６は、利用するレーザ光に対して反射率の高い白色のプラスチック樹脂を適用すると良い。図１０に示すように、インテグレータ２から散乱で漏れたレーザ光をホルダ６で反射してレーザ光をリサイクルすることで効率を改善できる。図５で説明したように平均自由行程が小さくなると効率が減る。複数の光源から出射したレーザ光の均一性を確保するには、光源２１、２２、２３のｘやｙ方向の距離に強く依存する。例えば、距離が大きいと出射面の均一性が不足する可能性がある。その場合は、平均自由行程を小さくすると改善できるが効率が低減するため、ホルダ６を設けると効率改善に大きな効果が得られる。

実施例５について図を用い説明する。ここでは、スペックルノイズ低減光学系４００の変形例であるスペックルノイズ低減光学系５００、について説明する。

図１１はスペックルノイズ低減光学系５００の概略図を示したものである。スペックルノイズ低減光学系５００はスペックルノイズ低減光学系４００のインテグレータ２の代わりにインテグレータ３１を配備した点が異なる。

インテグレータ３１は粒子３の密度をｚ方向に異ならせており、インテグレータ３１は粒子が無い透明部３２と粒子が有る粒子部３３に分けている。

光源２１ないし２３のｘやｙ方向の距離が大きい場合、粒子密度を高めて出射面の均一性を向上することが出来るが、ホルダ６を設けても入射面側に戻る戻り光をリサイクルすることができない。

通常の多角形ロッドは内面反射を利用してレーザ光の均一度をほぼ１００％の効率で実現できるメリットを有している。そこで透明部３２は、多角形ロッドの効率良く均一性を向上するメリットを利用して、均一度を向上したのち、粒子部３３で、均一性とスペックルノイズを低減することで、効率と均一性とスペックルノイズの低減を全て解決できる。

実施例６について図を用い説明する。ここでは、スペックルノイズ低減光学系６００と、実機でスペックルノイズを評価した結果について説明する。

図１２に示すように、スペックルノイズ低減光学系６００は、スペックルノイズ低減光学系４００の振動部４、５の代わりに振動部１１を配備した点が異なる。また、光源２１、２２、２３は、光源１に置き換えた。

振動部１１は、ホルダ６をベアリングに取り付け、ベアリングをＤＣモータとベルトで構成した。モータの回転数は電圧値で制御した。

レーザ光の出射面側に白いスクリーン（一般的なコピー用紙）を配備し、スペックルコントラスト測定装置でスペックルノイズを計測した。スペックルコンストラスト測定装置はＯＸＩＤＥ社のＳＭ０１ＶＳ０９を用いた。光源には住友電工社のＳＬＭ－ＲＧＢ－Ｔ２０－Ｆの緑のレーザ光、波長５１５ｎｍを駆動電流は４０ｍＡで発振させた。

インテグレータ２は、入射面サイズが０．８×０．６ｍｍ、長さが５．０ｍｍで、粒子３の体積密度は０．３％で、屈折率差は０．１のものを用いた。インテグレータ２は、ベアリングの回転中心に対して、約５０μｍ程度に調整して取り付けた。

図１３にスペックルノイズの計測結果を示す。横軸が回転数で、縦軸がスペックルノイズに相当するスペックルコントラストを示している。停止状態（回転数０）では、５０％を超えているスペックルコントラストが、回転数を６ｒｐｍ～２３ｒｐｍの範囲で与えたところ、全ての条件で約３％に低減したことを確認した。

図１４はスペックルノイズの画像であり、図１４（ａ）が停止時で、図１４（ｂ）が回転時（６ｒｐｍ）の条件である。スペックルノイズが低減していることが分かる。また本装置でＬＥＤ（light emitting diode）を計測するとスペックルコントラスト値が約３％であった。

以上より、本スペックルノイズ低減光学系では、コヒーレンシのないＬＥＤと同等のスペックルノイズに低減できているといえる。また、回転数６ｒｐｍは１０Ｈｚであり、人の可聴域２０Ｈｚよりゆっくりとした振動でスペックルノイズを低減できているといえる。

以上説明したように、スペックルノイズ低減光学系は、レーザ光を出射する光源１と、少なくとも粒子３が充填された透明ロッドであるインテグレータ２と、インテグレータ２または光源１を常にゼロより大きい速度で微小に振動させる振動部４、５または振動部１１とを備え、レーザ光はインテグレータ２内部を進行し、少なくとも粒子３とレーザ光が複数回衝突することでスペックルノイズを低減することができる。直線状に動かさないことで、速度ゼロを回避できる。

また、インテグレータは直方体（インテグレータ２）または円柱（インテグレータ１０）とする。

また、振動部４、５は、レーザ光の入射側に配備させている。出射側を固定して入射面側だけ振動させることで、スペックルノイズ低減光学系の後段の光学系に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。

また、振動部４，５は、少なくともレーザ光が粒子３と衝突した際に１度以上の角度変化が発生するよう振動幅とすると良い。例えば偏芯量０．５μｍで屈折率差が０．０２５時の振動幅は１μｍで達成される。

また、振動部４、５、１１は２０Ｈｚよりゆっくりとした速度で振動させる。これにより静かな装置を実現できる。

また、インテグレータは前記レーザ光の進行方向の長さが５ｍｍ以下とする。
これにより小型な装置を提供できる。

粒子３は透明粒子であり、透明粒子とインテグレータの透明ロッドとは屈折率差０．０２５以上とする。これによりスペックルノイズを低減することができる。

また粒子３は直径１μｍないし５μｍの範囲とする。スペックルノイズ低減光学系を安価に実現できる。

またインテグレータ２は、レーザ光が入射する入射面とレーザ光が出射する出射面とを備え、入射面と出射面は１ｍｍ角以下とする。このようにすることで、スペックルノイズ低減光学系の後段の光学系を設計しやすく出来る。

通常ＬＥＤのチップサイズは１ｍｍ角であるので、ＬＥＤの置き換えし易い効果も得られる。１ｍｍ角より大きくなるとエタンデューが大きくなり後段光学系を設計で効率のロスが大きくなる。

また、インテグレータに充填された粒子３の体積密度は、０．１％ないし５％の範囲とする。

また、インテグレータ２のレーザ光の進行する方向の側面は、漏れ出たレーザ光をインテグレータ２にリサイクルする反射面（ホルダ６に相当）を配備させる。

また、光源２１、２２、２３は、少なくとも波長の異なる複数のレーザ光を出射する。これにより表示装置用の小型光源装置として利用できる。

また、複数のレーザ光の出射点を異ならせている。これは、光源２１、２２、２３のように同じ出射点ではないことである。

また、インテグレータ３１のように粒子密度は、レーザ光の進行方向に、異ならせてもよい。これにより、効率を改善できる。

なお、本実施例のスペックルノイズ低減光学系では、光源から直接インテグレータにレーザ光が入射することを想定しているが、例えば、光源１とインテグレータ２の間にレンズやミラーを配置してもなんら構わない。

１、２１、２２、２３：光源
２、１０、３１：インテグレータ
３：粒子
４、５、１１：振動部
６：ホルダ
１００、２００、３００、４００、５００、６００：スペックルノイズ低減光学系
３２：透明部
３３：粒子部

Claims (15)

1. レーザ光を出射する光源と、
   粒子が少なくとも一部に充填された、前記レーザ光に対して透明なインテグレータと、
   前記レーザ光を前記インテグレータに対して、ゼロより大きい速度で相対的に振動させる振動部と、を備え、
   前記レーザ光は前記インテグレータの内部を進行し、
   前記インテグレータから射出するレーザ光のスペックルノイズを低減することを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
2. 請求項１記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
   前記インテグレータは直方体または円柱であることを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
3. 請求項１記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
   前記振動部は、前記光源、前記インテグレータ、および前記光源と前記インテグレータの間の光路中のレーザ光の少なくとも一つを振動させることを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
4. 請求項３記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
   前記振動部は、前記インテグレータの前記レーザ光の出射側よりも前記レーザ光の入射側に近い位置に配備されたことを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
5. 請求項１～４のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
   前記振動部は、少なくとも前記レーザ光が前記粒子と衝突した際に１度以上の角度変化が発生するような振動幅を与えることを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
6. 請求項１～５のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
   前記振動部は２０Ｈｚより低い周波数で振動させることを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
7. 請求項１～６のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
   前記インテグレータは、前記レーザ光の進行方向の長さが５ｍｍ以下であることを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
8. 請求項１～７のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
   前記粒子は透明粒子であり、該透明粒子と前記インテグレータとは屈折率差が０．０２５以上あることを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
9. 請求項１～８のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
   前記粒子の直径は１μｍないし５μｍの範囲であることを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
10. 請求項１～９のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
    前記インテグレータは、
    前記レーザ光が入射する入射面と、
    前記レーザ光が出射する出射面とを備え、
    前記入射面と出射面は１ｍｍ角以下としたことを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
11. 請求項１～１０のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
    前記インテグレータに充填された粒子密度は、体積密度換算で０．１％ないし５％の範囲であることを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
12. 請求項１～１１のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
    前記インテグレータの前記レーザ光の進行する方向の側面は、
    漏れ出た前記レーザ光を前記インテグレータにリサイクルする反射面を配備したことを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
13. 請求項１～１２のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
    前記光源は、少なくとも波長の異なる複数のレーザ光を出射することを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
14. 請求項１３記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
    前記複数のレーザ光の出射点を異ならせたことを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。
15. 請求項１～１４のいずれかに記載のスペックルノイズ低減光学系であって、
    前記粒子の前記インテグレータ内の密度を、前記レーザ光の進行方向に異ならせたことを特徴とする、スペックルノイズ低減光学系。

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