JP5643423B2 - スペックル低減装置およびスペックル低減装置を含む投影ユニット - Google Patents

Description

本発明は、スペックル低減装置と、特に自動車用のヘッドアップディスプレイタイプのコヒーレント光源を用いる投影ユニットへのスペックル低減装置の適用とに関する。

ヘッドアップディスプレイ装置は、一般に、画像、特に、運転手の視界に位置している仮想画像の形態での車両の動作情報またはより一般的には運転に関連する動作情報を投影するために、コンバイナに向けられるように意図された光ビームを生成する、投影ユニットを備えている。

こうしたヘッドアップディスプレイ装置において、またはより一般的にはレーザ等のコヒーレント光源を採用するあらゆるタイプの投影システムにおいて発生する問題のある現象は、英語の用語「スペックル」として知られている。スペックルという用語はまた、目下、フランス語の分野でも用いられているが、「ｔａｖｅｌｕｒｅｓ（斑点（ｍａｒｋｓ））」、「ｃｈａｔｏｉｅｍｅｎｔ（きらめき（ｓｐａｒｋｌｉｎｇ））」またはさらにレーザ粒度とも言われる。

レーザ光の特定の空間コヒーレント特性および時間コヒーレント特性は、スペックル現象の原因である。レーザ源によって放出されるコヒーレント光波は、自然に粗い表面によって拡散した後、空間におけるいくつかの箇所において強め合うようにかつ他の箇所において弱め合うように干渉し、形成された光点は、全体としてスペックルパターンと呼ばれ、表面によって拡散された波が重畳するすべての空間に存在する。

スペックル現象は、場合によっては、物体の変形を測定するために用いられる。しかしながら、多くの用途では、特に回折素子を用いる投影システムでは、スペックル現象は問題があり、使用者が知覚する画像の品質を向上させるためには、スペックルを低減することが重要である。

大部分は、動いている光学素子を配置することによる放射光の位相の平均化に基づいて、スペックルを低減する複数の解決法が提案されてきた。たとえば、回転ディフューザシステムが知られている。またはさらには、アクチュエータまたは圧電モータによって移動させることができる、並進式および／または可傾式のディフューザまたはミラーである。欧州特許出願公開第１５１０８５１号および欧州特許出願公開第１６５５６３６号の文献は、この種の解決法を記載している。

これらの上述した特許出願にさらに記載されているように、並進システムおよび特に回転システムは、かさばり、厳密な移動制御が必要であり、使用者の快適さおよび頑強性の問題がある可能性がある。従来のスペックル低減システムの大きさは、いくつかの小型化した光学設計にそれらの適用を制限するようなものである。

米国特許出願公開第２００９／０１６３９０号の文献は、波長選択素子に関連する発光ユニットを備えたスペックル低減を含むシステムを記載しており、その原理は、コヒーレンスしたがってスペックルを低減するようにわずかに異なる波長で発光する複数の発光素子を有することである。ペルチェ素子により、装置の領域の各々が所要の周波数で十分に発光することを確実にすることができる。ペルチェ素子の代りに、アクチュエータとして用いられる圧電タイプの発熱素子を用いて歪みをもたらすことができる。

米国特許出願公開第２００１／００７５１０号は、流体に懸濁しておりかつ常に相対的に動いている拡散粒子を含む投影面を備えたスペックルリデューサを記載している。流体を抵抗器で加熱することができ、または圧電アクチュエータを用いて撹拌することができる。

同様に、米国特許出願公開第２００７／０５８１３５号の文献は、光線の位相を変化させ、かつ懸濁している粒子の撹拌に基づく電気泳動ディフューザを備えたシステムを提示している。

本発明の目的は、既知の並進システムおよび回転システムの不都合のない、コヒーレント光ビームに対する改善されたスペックル低減システムを提案することである。

本発明によれば、この目的は、コヒーレント光ビームに対するスペックル低減装置であって、
処理されるべきコヒーレント光ビームが通過するように構成されている光学素子と、
前記光学素子を加熱することができる手段と、
前記光学素子を冷却することができるように、この光学素子に結合された冷却素子と、
加熱手段および冷却素子を制御して、光学素子に熱的摂動をもたらし、この光学素子の対応する屈折率の変動をもたらすように構成された制御モジュールと、
を備えるスペックル低減装置によって達成される。

本発明の一態様によれば、処理されるべき光線が通過する光学素子は圧電結晶であり、結晶の少なくとも１つの振動モードは、その結晶の加熱をもたらすように励起される。これに関連して、圧電結晶は、好ましくは、結晶の「厚みすべり振動」として知られる振動モード（これは、実際には、明白な振動をもたらさずかつ作動に使用することができない、微小変形のモードであることが留意されるべきである）に付勢して使用されることが理解されよう。この場合、加熱手段は、有利には、所要の振動モードを励起することができるように結晶に取り付けられかつ制御モジュールに接続された電極を備える。

したがって、ディフューザの回転または並進に基づくスペックル低減システムとは反対に、本発明による装置は、処理されるべきコヒーレント光ビームが通過する光学素子の屈折率の変動による、スペックル現象の減衰を提案する。したがって、採用されるスペックル低減原理は、光学素子の固有特性の変動に基づくものであり、ディフューザの変位には基づいていない。

屈折率の変動は、光学素子において故意にもたらされる熱的摂動からもたらされることが理解されよう。実際には、既知であるように、媒体の屈折率はまた、この媒体の温度によっても決まる。言い換えれば、本発明は、透過性光学素子の屈折率の変動を、その光学素子の温度の初期温度（たとえば２５℃）からの変動をもたらすことによって利用する。

温度変動は、光学素子における制御された温度変動の発生を可能にする、加熱手段および冷却素子の複合使用によって生成される。コントローラは、有利には、ランダムなまたは擬似ランダムな熱的摂動をもたらすように構成される。

光学素子の屈折率の変動により、その光学素子を通過する光ビームの位相変動がもたらされ、また、熱的摂動の周波数および振幅を適当に制御することで、人間の眼に対する補償または平均化効果、したがってスペックル低減がもたらされる。この目的で、制御モジュールは、有利には、人間の眼の感度（網膜知覚）より高い周波数で屈折率の変動をもたらす熱的摂動を生成するように構成される。

本発明を実施するために、光学素子に対して選択される材料は、処理されるべき光ビームの波長で本質的に透過性であるべきであり、その屈折率は、所要の現象を観察するために、所要の動作温度の範囲内で検出可能な変動を提供するべきである。好ましくは、屈折率の変動は、２０℃から１２５℃の間でおよそ少なくとも１５％（絶対値）、好ましくはおよそ３０％である。

光学素子を加熱する手段は、たとえば光学素子に取り付けられる１つまたは複数の抵抗加熱素子を備え得る。
制御の改善のために、本装置は、有利には、光学素子の温度を確定する手段を含む。１つの可能性は、熱電対または他の適当な装置で温度を測定することからなる。しかしながら、透過性素子が圧電結晶である場合、結晶の温度を、水晶の熱弾性的結合により、したがって結晶の実際の発振周波数を測定することによって確定することができる。

好ましくは、光学素子は、金属固定支持体によって保持され、それはまた、冷却素子との熱的結合も確実にする。
冷却素子は、好ましくは放熱体に関連付けられたペルチェ素子を含むことができる。ペルチェ素子は、その制御および小型化装置における組込機能のために有利である。

理解されるように、本スペックル低減装置は、コヒーレント光源を用いる投影ユニットにおいて主に適用される。したがって、追加の用途は、本スペックル低減装置が設けられた投影ユニットを含むヘッドアップディスプレイ装置の分野である。

本発明による本装置に回転機構または並進機構がないことにより、極度の小型化が可能になり、装置のサイズは、およそ２００μｍの寸法に達することができることも留意されよう。したがって、本スペックル低減装置を、レーザ等のコヒーレント光源に直接組み込むことができ、光学素子は、たとえば、光源の出力窓を形成することができる。

このように光源に組み込む場合、光学素子は、このビームの直径に適合する、コヒーレント光ビームが通過する処理ゾーンを有し、この処理ゾーンは、たとえば、およそ２００μｍの直径を有することができる。したがって、光学素子を、適切な場合は、発光素子（たとえば半導体タイプ）または周波数２逓倍結晶の後に、出力窓として用いることができる。光学素子を、光源のケースに外部から取り付けられるペルチェ素子に熱的に結合することができる。

別の態様によれば、本発明はまた、処理されるコヒーレント光ビームが光学素子を通過する、スペックル低減方法に関し、この方法は、この光学素子が、加熱手段および冷却素子に関連付けられるということと、この光学素子において熱的摂動がもたらされ、その屈折率が変化するようになるということとを特徴とする。

好ましくは、熱的摂動は、ランダムにまたは擬似ランダムに生成される。結果としての屈折率の変動は、有利には、人間の眼の感度より高い周波数を有する。
代替的実施形態によれば、光学素子は圧電結晶であって、その加熱、好ましくは厚みすべり振動モードをもたらす振動モードに付勢された圧電結晶である。

別の代替的実施形態によれば、加熱手段は、光学素子に取り付けられた１つまたは複数の抵抗電極を含む。
本発明の他の特徴および特性は、添付の図面を参照して、例として、以下に提示するいくつかの有利な実施形態の詳細な説明から明らかとなろう。

本スペックル低減装置を含む投影ユニットを示す基本図である。 抵抗電極を用いるスペックル低減装置の図である。 温度の関数として水晶の屈折率の変動を示すグラフである。 時間の関数として、電極および冷却素子の動作の状態と対応する屈折率の変動とを概略的に示すグラフである。 図１のスペックル低減装置の動作の基本図である。 本スペックル低減装置の好ましい実施形態の図である。 図６のスペックル低減装置の断面Ａ−Ａの図である。

本スペックル低減装置は、処理されるべきコヒーレント光ビームが通過する光学素子の屈折率の変動によって得られる光線の位相変動によるスペックル低減に基づき、この変動は、光学素子で生じる熱的摂動によって得られる。

屈折率ｎの媒体における波の伝播速度（ｖ）は以下の関係によって得られることが知られている。
ｖ＝ｃ／ｎ
ｃは、真空における光の速度である。したがって、波の位相速度は、この波が伝播する媒体の屈折率によって決まる。

媒体の屈折率は、幾分か応答的に、温度によって決まることがさらに知られている。
したがって、本装置は、屈折率と温度との間のこの関係を利用して、装置を通過する放射光に制御された位相変動をもたらし、この変動は、使用者の眼に位相の平均化をもたらすように生成され、スペックル効果が減衰される。

図１は、従来の構成において、たとえばレーザ等のコヒーレント光源１２と、レーザビーム（回折性またはその他）を成形する光学ユニット１４と、ディスプレイ１６とを備えた投影ユニット１０の例を示す。

光源１２とディスプレイ１６との間のコヒーレント光ビームの経路において、ここではビームを成形する光学ユニット１４の後に、スペックル低減装置１８が配置されている。
図２に、スペックル低減装置１８の実施形態を詳細に示す。スペックル低減装置１８は、処理されるべきレーザビームが通過するように構成されている光学素子２０を備えている。本代替的実施形態では、この光学素子２０は水晶である。本発明によれば、スペックルを低減するために利用されるのは、温度の関数としての水晶２０の屈折率の変動である。この変動を、図３のグラフによって示す。図示するように、水晶を２５℃から１２５℃まで加熱することにより、水晶の屈折率が３０％低減する。

図２において、参照符号２２は、水晶２０の前面に取り付けられた２つの抵抗電極（たとえばプラチナ製）を示し、それらは互いに接続され、水晶を加熱して、水晶の屈折率を変化させることを可能にする。これらの電極は、好ましくは、水晶２０の温度の不均一な分布をもたらすように非対称構成で配置される。

選択された構成を鑑みると、本装置１８は、処理されるべき光ビームが、光学処理経路を形成する、水晶２０の中心部分２４を通過するように配置されなければならない。
冷却素子２６が、選択的に水晶２０から熱を抽出しその温度を変更することができるように水晶２０に関連付けられている。好ましくは、冷却素子２６は、放熱体３０に接して配置されているペルチェ素子２８を備えている。ペルチェ素子自体の動作原理は既知であり、それについては本明細書では説明しない。冷却素子２６と水晶２０との間の熱的結合は、水晶の金属固定支持体３２によってなされる。水晶２０の基部は、ペルチェ素子２８と直接接触していてもよい。

最後に、装置１８は、冷却素子２６とともに加熱電極２２を制御する制御モジュール３４によって制御される。説明したように、制御モジュール３４は、加熱効果および冷却効果を組み合わせて、水晶における温度変動をもたらし、その屈折率を変化させる。

温度変動を最適に制御するために、処理ゾーン２４に近接して水晶の温度を決定することが望ましい。それは、従来の温度測定によって行うことができるが、圧電結晶の発振周波数から導出することが好ましい。この目的で、水晶の前面に電極３６が固定され、反対側の面に対称的な電極（図示せず）が固定され、制御モジュール３４は発振器回路を含む。これらの電極３６のうちの一方に静電場を与えることにより、静電場と電極の重量とにより周波数の発生が可能になる（周波数は、好ましくは、「厚みすべり振動」として知られる励振に対する周波数である）。反対側の面の電極によってこれらの周波数が検出されることにより、使用される材料（すなわち、使用されるカットの水晶）の周波数−温度係数を用いて、水晶の温度を確定することができる。

このように、電極３６を用いて水晶の発振周波数が測定されることにより、上述したような水晶構成で、およそ５００Ｈｚ／℃の周波数変動が推定されることが分かっていることで、水晶２０の温度を確定することができる。

さらに、圧電結晶の加熱は、単に、その振動モードを励起することによって行うことができることに留意されたい。こうした実施形態を図６に示し、図１のものと同一かまたは同様の要素は、同じ参照符号に１００を足した符号で示す。抵抗電極２２の代りに、水晶１２０の２つの面に２つの励起電極１２３が対称的に配置されている。水晶１２０の中心部分１２４は、処理されるべき光ビームが通過しなければならない光学処理経路を構成する。

図１の装置に関して、冷却素子１２６は、選択的に水晶１２０から熱を抽出しその温度を変更することができるように、水晶１２０に関連付けられている。好ましくは、冷却素子１２６は、放熱体１３０に取り付けられているペルチェ要素２８を含む。冷却素子１２６と水晶１２０との間の熱的結合は、水晶の金属固定支持体１３２によってなされる。水晶１２０の基部は、ペルチェ素子１２８に直接接触していてもよい。

制御モジュール１３４は、加熱効果および冷却効果の組合せを管理して、水晶に温度変動をもたらし、その屈折率を変化させる。
励起電極１２３は、好ましくは、金または銀からなる全体的に環状形態の電極が用いられ、これらの電極は、制御モジュール１３４に組み込まれた発振回路によって制御される。温度を測定するために、同じ中心電極１３６が保持される。

図１および図６に示すように、実際には、励起電極、抵抗電極および／または温度検出電極等の光学素子に適用される素子は、好ましくは、光学素子の処理ゾーン２４の周辺に配置されている。この処理ゾーンの寸法（面積）は、当然ながら、処理されるべきビームの直径に適合する。

本装置１８、１１８の全体的な動作原理を図５に示す。制御モジュールは、加熱電極２２および励起電極１２３それぞれと冷却ユニット２６、１２６とを制御して、水晶２０、１２０に制御された温度変動をもたらす。制御モジュール３４、１３４はまた、電極３６、１３６を制御して、水晶２０、１２０の温度を確定し、したがって加熱／冷却サイクルを制御する。

本装置の好ましい制御シナリオを図４に示す。図示するように、水晶は、それぞれ電極２２、１２３によって永久的に加熱される。一方、冷却素子２６、１２６は、一時的に活性化され、振動モードによってもたらされる加熱を抑制する。ペルチェ素子２８、１２８の動作時間および停止時間を好適に制御することにより、水晶２０、１２０の屈折率に、決定された振幅および周波数の変動がもたらされる。

好ましくは、制御モジュールは、屈折率のランダムなまたは擬似ランダムな変動をもたらし、これは、視覚的知覚の周波数以上の周波数である。したがって、使用者の眼におけるコヒーレントビームの位相平均化の効果が得られる。

この目的で、ここでは、ペルチェ素子２８、１２８は、少なくとも５０Ｈｚの周波数で制御され、それは、この水晶について、屈折率の毎秒少なくとも５０の上昇エッジおよび下降エッジの交番を含む。全体として、およそ１００Ｈｚから５０００Ｈｚの周波数で動作することが可能である。

さらに、応答効果のために、好ましくは、ある期間の最低温度と最高温度との間で少なくとも１５％から２０％（絶対値）、より好ましい方法では少なくとも３０％の屈折率の変動をもたらす温度範囲が使用される。したがって、水晶の温度が、ここでは、各期間に周囲温度から１００℃を超える温度まで変化させられる。一実施形態によれば、選択される圧電結晶は、およそ４０℃から５０℃の振幅の温度の範囲にわたって、すなわち周囲温度からおよそ６０℃まで、およそ１０％から２５％、特に１５％から２０％の屈折率の変動を示す。

概括的な動作原理を与えて、実行のいくつかの好ましい詳細を提供する。
水晶２０、１２０は、好ましくは、厚さの小さい板の形態、好ましくは無限板に向かう傾向があり、「厚みすべり振動」として知られる変動／変形モードで機能するように切り出される板の形態を有している。無限板とは、厚さが、板の平面においてその広がりに対して小さく、その結果、厚さに対する直径（または長さ）の比が好ましくは１０を超える板を意味する。たとえば、水晶２０、１２０は、厚さに対する直径（または長さ）の比が１０または１５を超える板形態を有することができる。上記の２つの代替的実施形態で、したがって温度測定だけでなく装置１１８用の水晶の加熱を得るためにも用いられるのは、この振動（または無限小変形）「厚さすべり」モードである。

したがって、従来γ＋θと呼ばれる単一回転カットで切り出された水晶単結晶を使用することが可能になる。既知であるように、水晶の熱特性は、関係が経験的なままであるとしても、その切出しの角度によって決まる。本装置の用途に対して、カットは、ＡＴと呼ばれるカットとＢＴと呼ばれるカットとの間の範囲内で変化することができ、それはθに対して−４９°＝θ＝３５を示す。

−３０℃からおよそ１６０℃の温度範囲内の動作の場合、角度θを、特に、４°から２４°の間隔内とすることができ、特に好ましい値はおよそ１４°である。
水晶のこのカットにより、共振周波数が数ＭＨｚから数１００ＭＨｚ、典型的には１ＭＨｚから５００ＭＨｚの間となる。

図１の代替的実施形態において、圧電効果が、水晶にもたらされる加熱を検出するために用いられることが理解されるが、図６の代替的実施形態では、圧電効果が、所望の屈折率の変動をもたらすように水晶を加熱するためにも用いられる。通常は作動するように意図されていない振動モードにおいて、高い振動周波数が利用される。水晶の変形は、数ｎｍ程度であり、したがって、巨視的には観察されない。したがって、本装置は、圧電効果を使用するけれども、回転機構または並進機構を用いるスペックル低減システムに比較して、静的（または準静的）であるとみなすことができる。

従来、水晶のカットは、Ｘ線回折による角度θの測定の後に行われ、その後、得られた水晶片が研磨される。
電極を製造するために、従来水晶振動子の製造に使用されるプロセスを適用することができる。変更実施形態によれば、各面にかつ真空下で、連続的にクロムの層、次いで金の層を堆積させる。抵抗電極の場合、プラチナを用いることができる。

図６の代替的実施形態では、電極１２３および１３６は、水晶板の面の各々の略全体（光の通過ゾーン１２４を除く）を覆うように選択される。たとえば、水晶１２０の一面において、電極の面積と板１２０の面積との比（中心ゾーン１２４を除く）は、好ましくは０．６を超える。電極１２３および１３６は、図７に示すように、板の２つの面に対称的に堆積する。

電極１２３および１３６の重量は、厚さの変形（厚みすべり変形）をもたらすことに関与する。
次いで、フォトリソグラフィによって電極の形態が生成される。２つの面に、感光性樹脂の層が付与される。電極の形態に対応する開口部を有する２つのフォトマスクが、水晶の両側に配置される。次いで、水晶の２つの面がフォトマスクを通してＵＶに同時に露光され、樹脂の露光部分を重合化し、これにより、電極の相対的な位置決めにおいて高い精度を得ることができる。

非重合樹脂が除去され、その後、樹脂の非重合層で保護されていないクロムおよび金が、適当な化学溶液によって除去される。最後に、残っている樹脂が除去され、電極が残る。

制御のレベルで、制御モジュールは、電極３６、１３６に接続されかつ水晶振動子２０、１２０を制御する発振回路を備えている。電極３６、１３６または電極１２３の環状形態により、厚みすべり振動モードの最適な励起が可能になると考えられる。

最後に、本代替的実施形態は水晶を使用するが、当業者は、本発明を、適当な光学特性および圧電特性を有する他の結晶で実施することができることが明らかである。特に、たとえばベルリナイト（ＡｌＰＯ_４）を使用することができる。

Claims (16)

1. コヒーレント光ビームに対するスペックル低減装置であって、処理されるべき前記コヒーレント光ビームが通過するように構成されている光学素子（２０、１２０）を備えるスペックル低減装置において、
   前記光学素子（２０、１２０）を加熱することができる加熱手段（２２、１２３）と、
   前記光学素子（２０、１２０）を冷却することができるように前記光学素子（２０、１２０）に結合された冷却素子（２６）と、
   前記加熱手段および前記冷却素子を制御して、前記光学素子（２０、１２０）にランダムなまたは擬似ランダムな熱的摂動を生じさせ、前記光学素子の屈折率に、対応する変動を生じさせるように構成された制御モジュール（３４、１３４）と、
   を備えており、
   前記光学素子が圧電結晶であり、前記加熱手段が、前記結晶（１２０）の振動モードを励起して前記結晶を加熱するように、前記結晶（１２０）に取り付けられかつ前記制御手段（１３４）に接続された電極（１２３）を備えている、
   スペックル低減装置。
2. 前記熱的摂動は、前記屈折率が、５０Ｈｚより高い周波数で変化するように行われる、請求項１に記載のスペックル低減装置。
3. 前記熱的摂動は、前記屈折率が、１００Ｈｚより高い周波数で変化するように行われる、請求項２に記載のスペックル低減装置。
4. 前記光学素子（２０、１２０）が、処理されるべき前記ビームの波長に対して本質的に透過性である材料からなり、前記材料の屈折率が温度により変化する、請求項１から３のいずれか一項に記載のスペックル低減装置。
5. 前記圧電結晶が水晶またはベルリナイトからなる、請求項１から４のいずれか一項に記載のスペックル低減装置。
6. 前記制御モジュール（１３４）が、前記圧電結晶の厚みすべりモードを励起するように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のスペックル低減装置。
7. 前記加熱手段が、前記光学素子（２０）に取り付けられる１つまたは複数の抵抗加熱素子（２２）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のスペックル低減装置。
8. 前記結晶（２０、１２０）の発振周波数を測定し、前記発振周波数に基づいて前記結晶の温度を決定する手段（３６）を含んでいる、請求項１から７のいずれか一項に記載のスペックル低減装置。
9. 前記冷却素子（２６）が、ペルチェ素子（２８）を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のスペックル低減装置。
10. 前記冷却素子（２６）が、放熱体（３０）に関連付けられたペルチェ素子（２８）を含む、請求項９に記載のスペックル低減装置。
11. 前記結晶（２０、１２０）が、厚さに対する直径、長さそれぞれの比が１０を超える無限板の形態を有している、請求項１から１０のいずれか一項に記載のスペックル低減装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のスペックル低減装置を含む投影ユニット。
13. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のスペックル低減装置が設けられた投影ユニットを含むヘッドアップディスプレイ装置。
14. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のスペックル低減装置を含むコヒーレント光源。
15. 処理されるべきコヒーレント光ビームが光学素子（２０、１２０）を通過する、スペックル低減方法において、前記光学素子が、加熱手段（２２、１２３）および冷却素子（２６）に関連付けられ、前記光学素子の屈折率が人間の眼の感度より高い周波数で変化するように、ランダムなまたは擬似ランダムに前記光学素子に熱的摂動がもたらされ、前記加熱手段が、前記結晶の振動モードを励起して前記結晶を加熱するように、前記結晶（１２０）に取り付けられる電極（１２３）を備えることを特徴とする方法。
16. 前記結晶（２０、１２０）が無限板の形態を有し、厚みすべりモードが励起される、請求項１５に記載の方法。