JP4303926B2 - レーザ投影型表示システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源としてレーザを使用する投影型表示装置に関する。より詳細には、本発明は、ディスプレイ内に現れるコヒーレンス誘導アーティファクトおよびスペックルの出現を低減するための手段を有するレーザ投影型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオ画像を表示するための投影型表示システムは従来技術では周知のものである。通常、このようなシステムは、適切なカラー・フィルタリングによって白色光源とりわけキセノン・アーク・ランプが１つまたは複数の光弁または空間光変調器を照らして所望の画像を形成し、その画像がビューイング・スクリーン上に投影されるという基本的形態を取っている。
【０００３】
レーザは、投影型ディスプレイ用のアーク・ランプに代わる魅力的な代替光源であると知られている。潜在的な利点の１つは、色域が拡大され、色の飽和度が非常に高いことを特徴とすることである。レーザ照明は、単純かつ低コストで効率的な光学系の可能性をもたらし、何らかの空間光変調器と対になったときに効率が改善され、コントラストが高くなる。投影型ディスプレイ用のレーザの欠点の１つは、可視波長で十分な出力を備えた費用効果の高いレーザ源が欠落していることである。
【０００４】
空間光変調器は、レーザ表示システムを可能にする、もう１つのコンポーネントを提供する。二次元空間光変調器の例としては、ＪＶＣ、Ｔｈｒｅｅ−Ｆｉｖｅ、Ａｕｒｏｒａ、Ｐｈｉｌｉｐｓから入手可能なリキッドクリスタル・オン・シリコン（ＬＣＯＳ）変調器などの反射型液晶変調器や、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓから入手可能なディジタル光処理（ＤＬＰ）チップなどのマイクロミラー・アレイがある。一次元アレイ変調器やラスタ走査型システムより二次元変調器が優れている点は、走査が不要であることと、変調器アレイ内の不均一性によるすじ状アーティファクトがないことと、フレーム・リフレッシュ速度よりかなり高い周波数（＞１２０Ｈｚ）ではレーザ・ノイズの影響を受けないことである。二次元空間光変調器のもう１つの利点は、照明ビームの空間的コヒーレンスを低減するための許容度が大きいことである。一次元または線形空間光変調器の例としては、Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓ製の格子光弁（ＧＬＶ）や、等角格子変調器があり、２００１年１０月２３日にＫｏｗａｒｚに対して交付された米国特許第６３０７６６３号およびＫｏｗａｒｚ他により２００１年５月３０日に出願された米国出願第０９／８６７９２７号を参照されたい。
【０００５】
高出力可視レーザは、色域の拡張および光学設計の簡略化の可能性を含む、投影システムの設計のために新たな機会をもたらすが、レーザ光はその他の点では空間光変調器を備えた画像投影システムで使用するために最適なものではない。特に、レーザは非常に明るい光源であり、一般に非常に小さい光学容積（エタンデュまたはラグランジュ）内のコヒーレント光を放射する。エタンデュは、焦点におけるビームの立体角とフォーカル・スポット面積との積である。ラグランジュは、フォーカル・スポット半径と開口数との積である。たとえば、回折限界ビームを備えた単一モード緑色波長レーザは約０．３μｍのラグランジュを有し、これは、アーク・ランプなどの従来の白色光ランプ光源のラグランジュの約１５０００倍の小ささである。このような小さいラグランジュのレーザは、厳重に制御されたビームが望ましいフライング・スポット・プリンタやレーザ光ショーのためのものを含む、ラスタ走査システムで非常に効果的に使用することができる。
【０００６】
これに対して、画像投影システムでは、フィルムなどの画像運搬媒体または空間光変調器がスクリーンまたはターゲット平面に結像され、結局、レーザのコヒーレンスの高さやラグランジュの小ささは望ましくない。このような結像システムのラグランジュは、投影領域の線形サイズ（空間光変調器のサイズ）に集光レンズの開口数を掛けたものによって決まる。関連の量であるエタンデュは同様に計算される。多くの白色光投影システムの映写レンズは、できるだけ多くの光を集めるために非常に高速（たとえば、ｆ／３）になっている。そうではあっても、典型的な白色光ランプ光源は光弁と映写レンズの両方からあふれ、相当な光が失われる。たとえば、一般的な０．９″（２２．８６ｍｍ）対角線長の光弁とｆ／３映写レンズを使用する代表的なシステムでは、最適光源は、あふれずに適度に満たすために約２．０ｍｍのラグランジュを有することになるだろう。しかし、２〜１０ｍｍという典型的なラグランジュを備えた標準的な白色光ランプは十分な明るさではなく、一般に、この代表的システムからあふれることになる。
【０００７】
画像域投影法を使用するレーザ表示システムの場合は、レーザが明るすぎるという反対の問題が発生する。さらに、表示した画像に重なる可能性のある縞などの干渉効果が発生する可能性があるので、コヒーレント源で空間光変調器を照らすのは望ましくない。これは特に、薄膜構造の結果、膜層の不均一性のために画像に縞ができる可能性のある液晶変調器に当てはまることである。同様に、光弁全体のコヒーレント照明によって人工的なビーム・アポダイゼイションが発生する可能性があるが、これは画像内容に依存するものであり、ピクセルまたはピクセル・グループによる回折から発生する。また、コヒーレントが高い光ビームによって、液晶パネルのグリッド電極パターン、中心不連続のあるＸ立方体、または光学素子上のほこりまたは欠陥を照らすことから、回折アーティファクトが発生する可能性もある。したがって、光源の明るさの低減（または光源のラグランジュの増加）はこのようなレーザ投影システムにとって必要不可欠なものである。
【０００８】
光源の明るさを定義通りに低減することも重要な機会をもたらす可能性がある。投影型ディスプレイの光学系は、解像力、システム光の効率、システムの簡潔性に関するシステム要件を最適化し、それらのバランスを取るよう設計することができる。システム光の効率以外の基準を基礎としてシステムのｆ数を定義することにより、映写レンズ、カラー・フィルタ、偏光オプティクスなど、その他のシステム・コンポーネントに関する仕様を緩和することができ、ランプベースの投影システムに比べ、システム・コストを大幅に低減することができる。
【０００９】
投影型ディスプレイの照明および結像システムで使用するためにレーザ源を最適化することができるが、その結果生じる主な欠点として、スペックルを処理しなければならない。スペックルは、ほとんどのレーザ源に固有の高度のコヒーレンス（空間的コヒーレンスと時間的コヒーレンスの両方）のために発生する。スペックルにより、粒状組織として現れるノイズ成分が画像内に生成されるが、どちらも画像の実際の鮮明度を低下させ、見る人を悩ますことになる。このため、スペックル問題ならびに歴史的に適切なレーザ源が欠落していることにより、市場向きのレーザベースの表示システムの開発が妨げられてきた。
【００１０】
従来技術では、スペックルを低減しようと試みる方法が豊富にある。一般的な手法の１つは、レーザ光の線幅を広げることによって時間的コヒーレンスを低減することである。時間的コヒーレンスを低減するためのその他の手法は、照明波面を複数のビームレットに分割し、レーザのコヒーレンス時間より長い時間だけ、そのビームレットを互いに遅らせることであり、たとえば、１９９３年６月２９日にＲａｓｍｕｓｓｅｎ他に交付された米国特許第５２２４２００号を参照されたい。スペックル・パターンの可視性を低減するもう１つの方法は、振動によってスペックル・パターンを動的に変化させるかまたはスクリーンを動的に改変することである。たとえば、１９９３年１２月２１日にＴｈｏｍｐｓｏｎ他に交付された米国特許第５２７２４７３号を参照されたい。もう１つのスペックル低減手法は、１９７１年６月２８日にＭａｔｈｉｓｅｎに交付された米国特許第３５８８２１７号に記載されているように、レーザ光を多モード光ファイバに結合し、そのファイバを振動させてモードスクランブルを引き起こすことを含む。
【００１１】
他の一連のスペックル除去解決策では、プロジェクタ・システム内で移動または振動する拡散素子を使用する。通常、これは、１９７７年７月１２日にＲａｗｓｏｎに交付された米国特許第４０３５０６８号に開示されているように、中間像平面で行われる。この手法の欠点の１つは、拡散が正確に像平面で行われなければならないことであり、そうでなければ、画像の軟化が発生することになる。また、中間像平面を設けなければならないことによって、映写レンズが複雑になる。装置の照明路内のレーザ・ビームを動的に拡散することによりスペックル・パターンを動的に変化させる手段が好ましいだろう。この手法を使用するホログラム照明システムは、１９７０年１月２０日に交付された米国特許第３４９０８２７号でｖａｎ Ｌｉｇｔｅｎによって開示されているが、同特許ではビーム拡大器の焦点内で拡散器が回転する。Ｆｌｏｒｅｎｃｅは１９９４年５月１７日に交付された米国特許第５３１３４７９号において、回転拡散器によって光弁を照らすことを開示している。これらの手法は、矩形空間光変調器を均一かつ効率的に照らす場合に適合できないという欠点を有する。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ他は、１９９９年１２月２１日に交付された米国特許第６００５７２２号において、ライトパイプ・ホモジナイザの照明中に可変厚プレートを回転させるシステムを開示している。しかし、レーザとともに使用すると、ライト・パイプ・ホモジナイザは、十分な均一性を達成するために大きい開口数かまたは相当な長さを必要とするので、制御が低下し、フライ・アイ（ハエの眼）オプティクスを使って設計したシステムより設計の自由度も低下する。したがって、コンパクトなシステムで均一照明を発生しながら照明の明るさを制御することは、より難しくなっている。さらに、本発明者によって行われたモデリングによれば、映写距離が長い投影システムでは、スペックルを低減するためにスクリーンに対して共役の位置付近に拡散器を配置しなければならないことが示唆されている。この条件は、拡散器がライト・パイプの入力側にある、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ他によって開示されたシステムでは達成されない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、空間光変調器を使用し、システム設計を最適化するために照明の明るさを制御できるようにし、スペックルの低減を示し、高いスループット効率を示しながら空間光変調器側のコヒーレンス・アーティファクトを除去する、レーザベースの表示システムが求められている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザを用いた表示装置であって、（ａ）光ビームを放射するレーザ光源と、（ｂ）光変調ピクセルの線形アレイを含む線形光変調器に照射光の狭いラインを供給するために光ビームを変調する照明オプティクスと、（ｃ）イメージデータラインの連続から構成される２次元イメージをスクリーン上に生成する投射レンズ及びスキャナと、（ｄ）前記線形光変調器の前であって照明オプティクス内に設けられ、前記線形光変調器の長軸方向に対応する方向に光拡散を生じさせる線形拡散器とを有し、前記線形光変調器のアレイ方向と平行な方向に前記線形拡散器を移動させることでスペックルを減少させるものである。
【００１４】
【作用】
本発明の表示装置は、高輝度と飽和色ならびにスペックルの大幅な低減を含む、レーザ表示システムのすべての利点を有する。また、この表示装置は、拡散器を使用した他のスペックル除去技法とは対照的に、画像品質と照明効率のいずれも犠牲にしないようにスペックルを除去する。さらに、本発明は、光学系の設計を最適化するために、照明のラグランジュ（またはエタンデュ）の制御を可能にする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明の一実施形態によるレーザ表示システム１０は、連続方式またはパルス方式で所望の波長のレーザ・ビーム２２を放射するレーザ２０を含む。レーザ２０は、たとえば、固体レーザ、ファイバ・レーザ、ガス・レーザ、または半導体レーザにすることができる。レーザ２０は好ましくは、赤外線光パルスを放射するレーザ・クリスタル（たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、またはＹｂ：ＹＡＧ）を含むダイオードレーザポンピング固体レーザであり、レーザ・クリスタルからの赤外線光パルスを赤色、緑色、青色の光パルスに変換する非線形オプティクス（通常は光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ））を含む。レーザ２０に適したモードロックＲＧＢレーザは、Ｌｕｍｅｒａ Ｌａｓｅｒ ＧｍｂＨおよびＪｅｎＯｐｔｉｋ製のものである。もう１つの適当なレーザはＱ−Ｐｅａｋが開発したＱスイッチＲＧＢレーザである。簡潔にするため、レーザ表示システム１０は、１つの波長の場合のみについて示す。
【００１６】
ビーム拡大オプティクス２４はレーザ・ビームを拡大し、名目上、ビーム成形オプティクス３８の開口部を満たすのに必要な径を備えた平行ビーム３２を発生する。ビーム拡大オプティクス２４は、たとえば、光学分野の当業者にとって周知のように、無限焦点対のレンズにすることができる。別法として、たとえば、３素子ズーミングのガリレイまたはケプラー・ビーム拡大器を使用することも可能である。無限焦点対のビーム拡大オプティクス２４は、発散レンズ２６とコリメーティング・レンズ３０を含む。発散レンズ２６は、単レンズにするかまたは顕微鏡対物レンズなどの複合レンズにすることができ、光ビーム２２を発散ビーム２８に変換する。コリメーティング・レンズ３０は、単レンズまたは複合レンズにすることができ、発散ビーム２８を平行ビーム３２に変換する。
【００１７】
拡散器３４は、レーザ２０とビーム成形オプティクス３８の間に配置され、投影システムの結像要件に合うようにレーザ光の明るさまたはエタンデュを変更する。拡散器３４は、最大拡散角θ_Dを有するように設計され、好ましくは、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｒｐ．製のようなホログラフィ拡散器であるかまたはＣｏｒｎｉｎｇ−Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐ．製のようなランダム化したマイクロレンズ・アレイである。
【００１８】
ビーム成形オプティクス３８はフライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０を含む。フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０は、液晶空間光変調器５２の領域一面にわたって効率的に均一に照らす。フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０は、第１の小型レンズ・アレイ４２ａと第２の小型レンズ・アレイ４２ｂとを含み、通常、これらは同一である。第１および第２の小型レンズ・アレイ４２ａおよび４２ｂは、二次元パターンに配列され、球面を備えた複数の小型レンズを含む。第１の小型レンズ・アレイ４２ａ内の各小型レンズが第２の小型レンズ・アレイ４２ｂ内の対応する小型レンズに光を集束させるように、第２の小型レンズ・アレイ４２ｂは、第１の小型レンズ・アレイ４２ａ上の小型レンズの焦点距離程度だけ、第１の小型レンズ・アレイ４２ａから分離されている。小型レンズは、照明の所望のアスペクト比に等しいアスペクト比を備えた矩形形状を有し、それは通常、液晶空間光変調器５２のアスペクト比に匹敵する。第１の小型レンズ・アレイ４２ａと第２の小型レンズ・アレイ４２ｂが互いに異なるが、所望の照明を提供するように調和している、その他の設計も可能である。
【００１９】
別法として、第１および第２の小型レンズ・アレイ４２ａおよび４２ｂは、単一ブロックのガラスまたはプラスチックに統合することができる。また、特に、小さい拡散角を使用する場合は、第２の小型レンズ・アレイ４２ｂを使用せずに本発明を実施することもできる。
【００２０】
ビーム成形オプティクス３８は、フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の後ろに位置する集光レンズ４４と視野レンズ４６も含む。第２の小型レンズ・アレイ４２ｂは、集光レンズ４４と相俟って、オーバラップ方式で第１の小型レンズ・アレイ４２ａの小型レンズを結像させて、液晶空間光変調器５２側で矩形領域を均一に照らすように機能する。視野レンズ４６は、デフォーカス・エラーに合わせてシステムの感度を落とし、照明の総開口数を最小限にするために、液晶空間光変調器５２をテレセントリックに照らす。視野レンズ４６は、名目上、小型レンズの焦点距離に照明画像の倍率を掛けたものに等しい焦点距離を有する。同様に、視野レンズ４６と集光レンズ４４の間隔は、照明をテレセントリックにするために視野レンズ４６の焦点距離にほぼ等しくなければならない。小型レンズ・アレイと集光レンズ４４の焦点距離は、通常、比較的容易に光学機構を設計できるように液晶空間光変調器５２付近に十分な作動距離をもたらすように選択される。
【００２１】
液晶空間光変調器５２は、矩形領域上に二次元アレイとして配置された複数の変調器素子またはピクセル（図示せず）を含む。好ましい実施形態の液晶空間光変調器５２は、ＪＶＣから入手可能なＤ−ＩＬＡデバイスなどのリキッドクリスタル・オン・シリコン（ＬＣＯＳ）パネルであるかまたはＰｈｉｌｉｐｓ、３−５、Ａｕｒｏｒａから入手可能なその他のＬＣＯＳパネルである。
【００２２】
液晶光弁を使用する投影型表示システムは、パフォーマンスを最大限にするために、照明の偏光を慎重に制御する必要がある。この意味でレーザは重要な利点をもたらす。というのは、それが放射する光は通常、高度に偏光されている（たとえば、１００：１）からである。しかし、一部の拡散器は光ビームの偏光を解消するものとして知られており、したがって、拡散器３４の偏光保持特性に応じて、拡散器３４と液晶空間光変調器５２の間に任意のプリポラライザ４８が必要になる可能性がある。拡散器の偏光保持特性は基板材料に依存し、プラスチック基板はガラス基板より大幅に光ビームの偏光を解消することができる。実験室の実験では、０．７６ｍｍ厚のポリカーボネートのホログラフィ拡散器を通過したときにポリカーボネートに固有の複屈折により直線偏光入射光が楕円率２１．７°の楕円偏光に変換されることが観察された。これに対して、２ｍｍ厚の二酸化珪素のホログラフィ拡散器では、測定可能な偏光の変化はまったく観察されなかった。
【００２３】
偏光ビーム・スプリッタ５０は視野レンズ４６と液晶空間光変調器５２の間に配置されている。この偏光ビーム・スプリッタは、偏光した入射光を液晶空間光変調器５２に伝導する。最良のコントラストを得るためには、プリポラライザ４８の好ましい位置は偏光ビーム・スプリッタ５０の直前である。液晶空間光変調器５２上の個々のピクセルは、偏光を変更することによって光を変調し、光ビーム２２に対して直交偏光した光の成分を生成する。直交偏光の割合は、液晶空間光変調器５２の各ピクセルに電圧を印加することによって制御する。したがって、光ビーム２２から直交偏光された変調光ビーム５６は偏光ビーム・スプリッタ５０によって反射される。偏光ビーム・スプリッタ５０の後の結像路内に検光子５４を配置して、ディスプレイのコントラストを改善することができる。偏光ビーム・スプリッタ５０は好ましくは、米国特許第２４０３７３１号で開示されたタイプのマックニール形プリズムであり、同特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２４】
検光子５４によって伝導される変調光ビーム５６は映写レンズ５８によって集められる。映写レンズ５８は、液晶空間光変調器５２の像をスクリーン６０上に形成する。スクリーン６０は、映画などのフロントプロジェクション・アプリケーション用の反射スクリーンにするか、あるいはコンピュータ・モニタまたはホーム・シアタなどのリアプロジェクション・アプリケーション用の透過拡散スクリーンにすることができる。
【００２５】
図１は、偏光ビーム・スプリッタ５０によって入射光が伝導される場合を示しているが、レーザ表示システム１０は、入射光が偏光ビーム・スプリッタ５０によって反射される状態で構成することもできる。別法として、偏光ビーム・スプリッタ５０用に示されているビーム・スプリッタ立方体の代わりに、プレート偏光ビーム・スプリッタまたはワイヤグリッド・ポラライザを使用することができる。さらに、所与のレーザ波長のコントラストを最大限にするために、偏光ビーム・スプリッタ５０と液晶空間光変調器５２の間に波長板補償器（図示せず）を含めることができる。
【００２６】
光源の明るさ（ラグランジュの増加）とソース・コヒーレンスの両方を低減するという目標を達成するために、レーザ投影型ディスプレイ１０の照明光学系内に拡散器３４を使用する。拡散器の角度θ_Dと拡散器３４の位置は、これらの目標を考慮して選択しなければならない。システムのラグランジュは、拡散器３４上の照明ビーム・プロファイルの半値幅と、拡散器３４によって散乱される光の半角との積によって左右されることになる。液晶空間光変調器５２の解像力と映写レンズ５８の結像特性によって決まる所望の画像解像力に応じて、映写レンズは、従来技術のシステムが必要としたｆ／３の代わりに、ｆ／７〜ｆ／１５の範囲のｆ数を有することができる。レンズのｆ数に関する実際の設計ターゲットは、レンズの品質を決定するために指定された結像基準によって決まることになる（たとえば、レイリーまたはスパロー結像基準を適用できるだろう）。
【００２７】
一例として、０．９″（２２．８６ｍｍ）対角線長の液晶空間光変調器５２とｆ／１０の映写レンズ５８の組合せにより、０．６ｍｍ以下という投影システムのターゲット・ラグランジュが指定されることになる。この例では、拡散器３４は半角θ_D＝３°を有することができ、２２ｍｍ径の平行ビームによって照らされるように照明システム内に配置することができる。この例では、レーザ光のラグランジュは０．３μｍ以下から０．５７ｍｍ以下に低減されることになり、鏡面反射性のｆ／１０ビームが０．９″（２２．８６ｍｍ）対角線長の液晶空間光変調器５２に供給されるだろう。
【００２８】
したがって、適切な拡散器３４を選択することにより、光学系の要求に合うように効果的なレーザ光源のラグランジュまたは明るさを定義することができ、それにより、従来のランプ・ベースのシステムに比べ、システム光の効率を高め、光学設計を単純化することができる。
【００２９】
拡散器３４はレーザ光のコヒーレンスをある程度は低減するが、レーザ光は、出射ビームにスペックルを付与するのに十分なほどコヒーレント状態を維持することになる。このスペックルは、さらに低減しない限り、不要な光度のランダム変動として液晶空間光変調器５２とスクリーン６０の両方に存在することになる。しかし、フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０は、主に液晶空間光変調器５２に対して均一照射を行うが、スペックル除去およびアーティファクト除去に対する拡散器３４の効果も増幅する。これは、液晶空間光変調器５２上で、したがって、スクリーン６０上の像内で、拡散器３４による多くの貢献をオーバラップすることによって発生する。その結果として液晶空間光変調器５２とスクリーン６０側の照明光内に発生するスペックルは、フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０を使用しない同様のシステムに比べ、サイズおよび等級が大幅に低減されるが、この残留スペックルは依然として重大なアプリケーションで好ましくない可能性がある。
【００３０】
スペックルをさらに低減するために、拡散器３４が少なくとも拡散面の特徴的なフィーチャ・サイズ分だけ移動するように、拡散器３４に直線運動、回転運動、またはランダム運動を付与する運動付与手段３６に拡散器３４が取り付けられている。この運動の周波数はフリッカ周波数（たとえば、約４０Ｈｚ）より高くなければならない。運動付与手段３６は、たとえば、拡散器３４に円運動または楕円運動を付与するために拡散器３４に接続された電気モータを含むことができる。別法として、運動付与手段３６は、不均衡回転子を含む振動モータを含むことができ、その振動モータにはスプリングで拡散器３４が取り付けられている。また、運動付与手段３６は、ＡＣドライブが供給された電圧制御リニア・アクチュエータとして、または拡散器３４に回転運動を付与する回転ホイールとして設けることもできる。
【００３１】
フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の使用と、レーザ投影型ディスプレイ１０内の移動拡散器３４との組合せにより、スペックル低減が大幅に強化される。拡散器３４は、フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の効果により拡散器３４の小さい運動後に相関解除状態になるようなスペックル・パターンを液晶空間光変調器５２の表面上およびスクリーン６０上に生成する。その結果、従来技術のシステムと比べたときに、使用する拡散器３４の運動をかなり小さいものにすることができるか、または拡散器３４の運動が同じである場合に得られる平均スペックル・パターンがかなり多数になる。
【００３２】
さらに、拡散器３４を照明システム内に配置することにより、拡散器３４が画像品質を低下させないことが保証される。拡散器によりある物体を結像すると、画像の軟化が発生するが、その程度は結像システム内の拡散器の相対位置に依存する。拡散器が中間像平面に位置すると最小量の軟化が発生するが、その場合、拡散器の表面構造から軟化が発生する。拡散器の配置にわずかなエラーがあるかまたは光軸に対して拡散器が縦運動する場合、画像品質の低下がかなり悪化する。照明路内に拡散器３４を配置すると、拡散器３４による結像が行われないので、光弁に対して共役の平面に拡散器を慎重に配置する必要が回避される。
【００３３】
照明路内の拡散器３４の位置に関する選択肢は図１に示すもの以外にもいくつかある。図１に示す好ましい位置はフライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の直前である。これは、いくつかの理由により好ましいものである。第一に、小さい拡散角θ_Dでも適切なラグランジュを達成することができ、それにより、フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０による良好なスループットが保証される。第二に、拡散器３４がフライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の前に位置するので、液晶空間光変調器５２に対する矩形照明の軟化がまったく発生しない。第三に、フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の直前にある場合、拡散器の様々な特徴による移相貢献にオーバラップするフライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の利点が最大限になる。第四に、平行空間内にある場合、拡散特性に対して角度が依存しても、ビームの空間範囲一面で拡散の変動が発生しない。
【００３４】
移動拡散器３４の様々な代替位置は本発明により達成可能である。たとえば、拡散器３４はコリメーティング・レンズ３０の前に配置することができる。レーザ・ビーム拡大のＮＡ（開口数）とビーム・サイズの低減により、好ましい位置に比べ、同程度の明るさの低減を達成するために必要な拡散角はわずかに大きくなるだろう。これは、好ましい位置で必要な拡散角が市販の拡散器には小さすぎるときに利点になる可能性がある。もう１つの利点は、所与の拡散器３４の場合に、コリメーティング・レンズ３０に対する拡散器３４の位置を選択することにより、ソース・ラグランジュを正確に設定できることである。欠点は、拡散器３４が入射角に依存しているためにビーム領域一面にわたって拡散特性が変動し、それがスペックルの低減および均一性に影響する可能性があることである。
【００３５】
拡散器３４について可能なもう１つの位置は発散レンズ２６の焦点である。これは、レーザの明るさについて非常に小規模な低減が望ましいときに有用である可能性がある。というのは、拡散器３４がビーム拡大器２４と相俟って機能することによってもたらされるビームの角度範囲（開口数）の増加によってラグランジュが左右されるからである。この結果、平行ビーム３２内に拡散器３４を配置することによって得られる規模の明るさの低減とは対照的に、比較的小規模な明るさの低減（＜２０Ｘ）が得られる可能性がある。この位置は、大きい拡散角を備えたコリメーティング・レンズ３０での口径食により、大規模な明るさの低減にはあまり効率が良くないという欠点を有する。さらに、焦点に対する拡散器３４の位置に対する感度と、拡散器の特徴と集束ビームとの相互作用のために、ラグランジュの低減も、より制御しにくいものになる。最後に、拡散器３４を焦点に配置することは、非常に大規模なスペックルを発生し（スペックルが目に見えないようにするために拡散器の大きく速い運動を必要とし、その結果、潜在的に均一性が不良になる）、拡散器の材料に物理的損傷を与える可能性をもたらすという欠点を有する。
【００３６】
拡散器について可能なその他の位置は、フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の内部またはその後ろである。照明内のエッジ・ロールオフを防止するために、フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０内に配置された拡散器３４は、第１の小型レンズ・アレイ４２ａの直後に位置決めしなければならない。スペース上の制約により、これは達成しにくいものになる可能性があり、必然的に何らかのエッジ・ロールオフをもたらすことになるだろう。フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の後ろに位置する拡散器３４は、できるだけ液晶空間光変調器５２に接近して配置しなければならない。拡散器３４は結像路内に配置してはならないので、これは、反射変調器の場合に非常に困難になる可能性がある。このため、スペースおよび画像品質上の制約により、これは反射空間光変調器の場合にあまり望ましくない位置になる。空間光変調器５２の付近に拡散器３４を配置することのもう１つの欠点は、拡散器３４による貢献にオーバラップする場合のフライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の恩恵が打ち消されることである。
【００３７】
要約すると、本発明によれば、拡散器は光源２０と空間光変調器５２の間に位置し、拡散器３４の好ましい位置はビーム拡大オプティクス２４とフライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ４０の間の平行ビーム３２内になる。これにより、ラグランジュ、照明の均一性、スペックルの低減に対する最適な制御の組合せが得られるように思われる。また、ビーム成形オプティクス３８は第１の小型レンズ・アレイ４２ａの小型レンズを液晶空間光変調器５２上に結像するので、第１の小型レンズ・アレイ４２ａの直前に位置する拡散器３４は、液晶空間光変調器５２に対してほぼ共役の状態になるだろう。共役とは、介在オプティクスによって拡散器が空間光変調器上に結像されることを意味する。モデリングによれば、これがスペックル低減のために最適な位置になりうることが示唆されている。
【００３８】
図２は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓから入手可能なＤＬＰチップなどのマイクロミラー・アレイ７４を使用するレーザ投影型ディスプレイ７０の断面図を示している。光を変調するために制御偏光効果を当てにしている、液晶空間光変調器を使用するシステムとは異なり、マイクロミラー・アレイ７４は、ピクセルごとの光のビームレットの角度制御を使用する。このシステムは図１に示すシステムと実質的に同じであるが、照明はマイクロミラー光弁７４の上の開口部８２に収束する。個々のピクセルは、映写レンズ５８の開口部を通ってまたはストップ８０（すなわち、シュリーレン光学系）に向かって光を誘導するマイクロミラーによって形成される。ピクセルの明るさは、レンズの開口部８２を通って光が誘導される時間が１フレームに占める割合を選択することによって制御される。
【００３９】
拡散器３４の最大拡散角は、ミラーをオフ状態に切り替えたときに、ごくわずかな光が映写レンズの開口部８２を通過できるように選択する。実際には、これは、ミラーの傾斜角（たとえば、約２０°）の２倍よりかなり小さい拡散角（光弁空間内）になる。たとえば、レーザ・ビーム３２が拡散されて０．６ｍｍ以下のラグランジュを提供する前述のシステムについて検討するが、この場合、標準的なＤＬＰチップは０．７″（１７．７８ｍｍ）の対角線長寸法を有する。ラグランジュが一定に保持されている場合、その結果得られるコレクションは約ｆ／７．５または約４．０°の半角になる。このシステム速度は、ＤＬＰシステムに使用するもの（約ｆ／３．５）よりかなり低速であり、したがって、簡略化した映写レンズの設計が可能になるだろう。また、この速度低下の結果、従来技術のシステムよりコントラスト変調が高くなる可能性があるだろう。
【００４０】
スペックル除去効果を拡大するためまたはレーザ・ビームの明るさの低減からスペックル除去を切り離すために、複数の拡散器を使用することもできる。図３は、複数の拡散器３４、９２を取り入れたレーザ投影型ディスプレイ９０を示している。拡散器のうちの少なくとも１つは運動付与手段３６、９４によって移動する。光変調器９６の照明からの拡散によって発生しそうな大ざっぱな強度変動を除去するために第１の拡散器３４が移動することは好ましいことである。２つの運動付与手段（３６および９４）を１つのメカニズムに結合し、それにより両方の拡散器に運動を付与することができる。
【００４１】
図４は、レーザ・ビームの時間的コヒーレンスを低減するために光路遅延の差を取り入れたレーザ投影型ディスプレイ１００を示している。部分反射ミラーのアレイ１０２は、レーザのコヒーレンス長程度またはそれ以上の光路長の差を隣接ビーム１０４間に賦課する。部分反射ミラー１０２（すなわち、Ｎ個のミラー）のアレイによってＮ本のビームが発生する。部分反射ミラーのアレイはこの実施形態ではビーム拡大器として機能する。フライ・アイ（ハエの眼）アレイ４０は、光弁側で均一照明を行うために各ビームが照らすＭ個の小型レンズを有するように設計され、したがって、各アレイには合計で少なくともＭ×Ｎ個の小型レンズが存在する。スクリーン６０での効果は、Ｎ本のレーザ・ビームのそれぞれによって拡散器と、所与のビームが使用するＭ対のフライ・アイ（ハエの眼）小型レンズ対と、スクリーンが指図するそれ自体の精密スペックル・パターンが発生することである。Ｎ個のスペックル・パターンは、拡散器が運動しなくても全体的な平均化が行われるように一貫せずに累積される。拡散器は、そのシーンからスペックルをより完全に除去するために各スペックル・パターンを洗い落とすように移動することができる。
【００４２】
液晶パネルまたはマイクロミラー・アレイなどの二次元（領域）空間光変調器に関して本発明を説明してきた。しかし、本発明は、Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓからの格子光弁（ＧＬＶ）またはＫｏｗａｒｚにより２０００年１月２６日に出願された米国特許出願第０９／４９１３５４号に記載された等角格子装置などの線形空間光変調器に基づく投影システムにも適用することができ、同出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４３】
図５は、画像データをコード化するために線形空間光変調器１２４を使用するレーザ投影型ディスプレイ１１０を示している。光弁アレイの長さ（同図のｘ方向）に沿って光を拡散するだけの一次元拡散器１１４を使用する。拡散に平行な方向（すなわち、ｘ方向）への拡散器の運動は、運動付与手段１１６によって付与される。その運動の一成分がｘ方向である限り、二次元運動を使用することができる。一次元拡散器１１４は、光弁を効率よく照らすために十分な拡散を発生するが、像側にフレア光をもたらすほど十分ではない。一例としては、ＭＥＭＳＯｐｔｉｃａｌから入手可能な回折ライン・ジェネレータの１つが考えられる。
【００４４】
アナモルフィック・ビーム拡大器１１２は、線形光弁の方向（ｘ方向）にレーザ・ビーム２２を拡大する。このアナモルフィック・ビーム拡大器は、たとえば、光学設計分野の当業者にとって周知のように、無限焦点対の円柱レンズにすることができる。一次元フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ１１８は、第１および第２の円柱小型レンズ・アレイ１２０ａ、１２０ｂを含み、その小型レンズは小型レンズ・アレイ方向（光弁アレイ方向、すなわち、ｘ方向でもある）にのみ出力を有する。アナモルフィック・ビーム結合オプティクス１２２は、線形光変調器１２４の長さに対して幅が一致した均一照明と、光弁の細幅方向（クロスアレイまたはｙ方向）の適切な照明を発生する。光弁が格子光弁である実施形態では、アナモルフィック・ビーム結合オプティクスは、細幅方向（ｙ方向）に光弁側に焦点を生成する。
【００４５】
線形光弁は画像の単一線１２８を生成する。ガルバノメータ・ミラー１２６、旋回多角形、または回転プリズムなどのスキャナはスクリーンを横切る画像線を一掃し、二次元画像１３０を形成する。
【００４６】
簡潔にするため、単一レーザ・ビームと単一空間光変調器を使って本発明を実証してきた。図６は、本発明の概念を使用したフルカラー・レーザ投影型ディスプレイ１５０を示している。好ましい実施形態では、ＲＧＢレーザ１６０は、それぞれ赤色、緑色、青色のレーザ・ビーム１６２Ｒ、１６２Ｇ、１６２Ｂを同時に生成するために他の非線形光学素子（図示せず）によって光学パラメトリック発振器をポンピングする単一レーザ発振器を含む。別法として、ＲＧＢレーザ源１６０は、個別レーザまたはレーザ・アレイを含み、各レーザまたは個別アレイが赤色光、緑色光、青色光を発生することができる。従来のシステムと同様に、図６の投影型ディスプレイ１５０は、ビーム拡大オプティクス（１６４Ｒ、１６４Ｇ、１６４Ｂ）と、運動付与手段（１６８Ｒ、１６８Ｇ、１６８Ｂ）によって駆動される１つまたは複数の移動拡散器（１６６Ｒ、１６６Ｇ、１６６Ｂ）と、任意選択のプリポラライザ（１７０Ｒ、１７０Ｇ、１７０Ｂ）と、フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ（１７２Ｒ、１７２Ｇ、１７２Ｂ）と、結合オプティクス（１７４Ｒ、１７４Ｇ、１７４Ｂ）と、偏光ビーム・スプリッタ（１７６Ｒ、１７６Ｇ、１７６Ｂ）と、空間光変調器（１７８Ｒ、１７８Ｇ、１７８Ｂ）と、偏光検光子（１７９Ｒ、１７９Ｇ、１７９Ｂ）とを含む。同図は、液晶光弁とともに使用する好ましい実施形態の場合のみを示している。同じ概念は、代替実施形態および前述の他の光弁にも適用することができる。
【００４７】
図６に示すように、たとえばＸプリズム１８０を使って投影画像の赤色成分と緑色成分と青色成分を合成してマルチカラー・ビーム１８２を形成し、投影オプティクス１８４により送り出す。別法として、当技術分野で既知のように、プレート・ダイクロイック・ミラーまたはフィリップス・プリズム構成を使用して、赤色成分と緑色成分と青色成分を合成することができる。別法として、単一セットのビーム拡大オプティクス、拡散器、ビーム結合オプティクスを通過する前に、これらのカラー成分を１つの白色光ビームに合成することができる。この実施形態では、光弁の直前で照明光を３色に分離し、光弁の直後に再合成することになるだろう。
【００４８】
本発明のカラー順次式実施形態によれば、単一の白色光ビームは単一セットのビーム拡大オプティクス、拡散器、ビーム結合オプティクスを通過する。カラー順次画像を生成するために、赤色光、緑色光、青色光で単一光弁を順次照らすように、白色光ビーム内に赤色、緑色、青色のフィルタ・ホイールを配置する。別法として、レーザは赤色光、緑色光、青色光を順次放射することができ、フィルタ・ホイールは不要になる。
【００４９】
所与の好ましい実施形態を特に参照して本発明を詳細に説明してきたが、本発明の精神および範囲内で変形形態および変更形態が実施可能であることが分かるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 液晶光弁を使用する、本発明によるレーザ表示システムの断面図である。
【図２】 マイクロミラーアレイ光弁を使用する、本発明によるレーザ表示システムの断面図である。
【図３】 複数の拡散器を取り入れた、本発明によるレーザ表示システムの代替実施形態の断面図である。
【図４】 コヒーレンス長程度の複数のディスプレイを取り入れた、本発明によるレーザ表示システムの代替実施形態の断面図である。
【図５】 線形光弁システムに適用された本発明の斜視図である。
【図６】 液晶光弁を使用するフルカラー・レーザ表示システムの断面図である。
【符号の説明】
１０ レーザ表示システム、２０ レーザ、２２ レーザ・ビーム、２４ ビーム拡大オプティクス、２６ 発散レンズ、２８ 発散ビーム、３０ コリメーティング・レンズ、３２ 平行ビーム、３４ 拡散器、３６ 運動付与手段、３８ ビーム成形オプティクス、４０ フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ、４２ａ 第１の小型レンズ・アレイ、４２ｂ 第２の小型レンズ・アレイ、４４ 集光レンズ、４６ 視野レンズ、４８ プリポラライザ、５０ 偏光ビーム・スプリッタ、５２ 液晶空間光変調器、５４ 検光子、５６ 変調光ビーム、５８ 映写レンズ、６０ スクリーン、７０ レーザ投影型ディスプレイ、７４マイクロミラー・アレイ、８０ ストップ、８２ 開口部、９０ レーザ投影型ディスプレイ、９２ 二次拡散器、９４ 二次運動付与手段、９６ 空間光変調器、１００ レーザ投影型ディスプレイ、１０２ 部分反射ミラーのアレイ、１０４ ビーム・アレイ、１１０ レーザ投影型ディスプレイ、１１２ アナモルフィック・ビーム拡大オプティクス、１１４ 一次元拡散器、１１６ 一次元運動付与手段、１１８ 一次元フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ、１２０ａ 第１の円柱小型レンズ・アレイ、１２０ｂ 第２の円柱小型レンズ・アレイ、１２２ アナモルフィック・ビーム結合オプティクス、１２４ 線形空間光変調器、１２６ スキャナ、１２８ 画像線、１３０ 領域画像、１５０ フルカラー・レーザ投影型ディスプレイ、１６０ ＲＧＢレーザ、１６２Ｒ 赤色レーザ・ビーム、１６２Ｇ 緑色レーザ・ビーム、１６２Ｂ 青色レーザ・ビーム、１６４Ｒ 赤色ビーム拡大オプティクス、１６４Ｇ 緑色ビーム拡大オプティクス、１６４Ｂ 青色ビーム拡大オプティクス、１６６Ｒ 赤色チャネル拡散器、１６６Ｇ 緑色チャネル拡散器、１６６Ｂ 青色チャネル拡散器、１６８Ｒ 赤色チャネル運動付与手段、１６８Ｇ 緑色チャネル運動付与手段、１６８Ｂ 青色チャネル運動付与手段、１７０Ｒ 赤色チャネル・プリポラライザ、１７０Ｇ 緑色チャネル・プリポラライザ、１７０Ｂ 青色チャネル・プリポラライザ、１７２Ｒ 赤色チャネル・フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ、１７２Ｇ 緑色チャネル・フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ、１７２Ｂ 青色チャネル・フライ・アイ（ハエの眼）インテグレータ、１７４Ｒ 赤色チャネル結合オプティクス、１７４Ｇ 緑色チャネル結合オプティクス、１７４Ｂ 青色チャネル結合オプティクス、１７６Ｒ 赤色チャネル偏光ビーム・スプリッタ、１７６Ｇ 緑色チャネル偏光ビーム・スプリッタ、１７６Ｂ 青色チャネル偏光ビーム・スプリッタ、１７８Ｒ 赤色チャネル空間光変調器、１７８Ｇ 緑色チャネル空間光変調器、１７８Ｂ 青色チャネル空間光変調器、１７９Ｒ 赤色チャネル検光子、１７９Ｇ 緑色チャネル検光子、１７９Ｂ 青色チャネル検光子、１８０ Ｘプリズム合成器、１８２ マルチカラー・ビーム、１８４ 投影オプティクス、θ_D 最大拡散角。

Claims (3)

1. レーザを用いた表示装置であって、
   （ａ）光ビームを放射するレーザ光源と、
   （ｂ）光変調ピクセルの線形アレイを含む線形光変調器に照射光の狭いラインを供給するために光ビームを変調する照明オプティクスと、
   （ｃ）イメージデータラインの連続から構成される２次元イメージをスクリーン上に生成する投射レンズ及びスキャナと、
   （ｄ）前記線形光変調器の前であって照明オプティクス内に設けられ、前記線形光変調器の長軸方向に対応する方向に光拡散を生じさせる線形拡散器と、
   を有し、前記線形光変調器のアレイ方向と平行な方向に前記線形拡散器を移動させることでスペックルを減少させる表示装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記照明オプティクスは、前記線形光変調器のアレイ方向に光ビームを拡大するアナモルフィック拡大器を有する表示装置。
3. 請求項１記載の装置において、
   前記線形拡散器は、前記アレイ方向の一次元運動を与える運動付与手段により移動される表示装置。

Images