JP5669756B2 - レーザ走査式プロジェクタ用のスペックル除去装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、スペックルの可視性(visibility)を低減する装置及び方法に関し、特にスペックル除去技術を有するレーザ走査式プロジェクタに関する。

平面導波管又は光ファイバーなどの導波路により光放射を案内することは、よく知られている。平面導波管は、図2a〜2fに示すように、広範な構造及び幾何学的形状を有するのに対し、光ファイバーは、図3に示すように、通常、円形の横断面を有する。図2a〜2fは、古典的かつ「単純な」平面導波管の幾何学的形状の例を示す。これらよりさらに複雑な変形例は、例えば結合及びスイッチングなどの統合型光学機能を実行するために幅広く用いられている。光導波路は、異なる屈折率を有する2つの媒体間の境界面における全反射によって、光導波路のコア内に光を閉じ込める。石英からポリマーまでの幅広い材料が、様々な特性をもたらす光導波路を製造するために用いられてきた。

図1の平面光導波路の断面を参照すると、平面光導波路10の全体構造は、屈折率n_sの基板12上に屈折率n_cのコア11を備える。コアは、コアの屈折率より低い屈折率n_R、n_Lを有する1つ以上のクラッド13、14により包囲され、すなわちn_s、n_R、n_L < n_cである。適切な状況下では、主に屈折率の差に起因して、光導波路10の第1端でコア11に入射される光は、コアに沿って伝搬し続け、第1端とは反対側にある光導波路10の第2端から放出される。

放出された光は、光導波路の幾何学的形状及び材料の組成に応じて、光導波路に入射される光とは異なる特性を有する。波の強度、分光分布、及び偏向状態は、一般的に、導波路を通る伝搬により、自発的又は非自発的に変更される。

光ファイバーは、最も一般的に用いられる光導波路である。光ファイバーは、低減衰及び小型であり、周囲環境での電磁場の変動による影響を受けないことから、中継電子機器なしで非常に長い距離に渡って光信号を伝送したり、多数の信号を干渉なしで短距離及び中距離に渡って同時に伝送したり、歪みセンサー及び温度センサーなどの多くの種類のセンサーを作ったりするために用いられる。

図3を参照すると、光ファイバー30は、一般的に、円形の横断面を有する単一のコア31で形成され、コア31は、コア31の屈折率よりわずかに低い屈折率を有する同心のクラッド33で覆われている。典型的な近赤外マルチモードのファイバーは、Geでドーピングした石英製の直径50 μm及び屈折率n₁のコアと、ドーピングしていない石英製の直径125 μm及び屈折率n₂ = 1.46のクラッドとを有する。典型的な屈折率の差(n₁-n₂)は、0.001〜0.01の範囲内にある。クラッド33は、保護層35で覆うことができる。

モノモードの光ファイバーでは、光は、シングルモードで伝搬する。マルチモードの光ファイバーでは、光は、有限かつ離散的な数の光学モードで、所定波長で伝搬する。一般的に、ファイバーがマルチモードである場合に、各伝搬モードを数学的に表現することは、困難である。それにもかかわらず、モードの概数を与えることは可能である。パルスの伝搬速度、パルスの減衰、及び伝搬中を通したパルスの広がりなどの、一部の特性を予測することも可能である。

光ファイバーを記述するのに非常に有用なパラメータは、その開口数(NA: Numerical Aperture)である。開口数は、次式によってファイバーの受光角θを規定する：
NA = n₁sinθ

さらに分析を続けると、開口数について次式が得られる：
よって、このパラメータは、コア及びクラッドの屈折率にのみ依存する。受光角θより大きな入射角で入射するあらゆる光が、クラッド及び保護層内に消散される。

開口数が既知であれば、伝搬についての正規化周波数Vを計算することができる。ここで、aはコア半径、k₀は伝搬ベクトルである：
V = a k₀ NA

ステップインデックス型のファイバーにおいては、1 < V < 2.405である場合にシングルモード(LP₀₁)が導波される。

V ≫ 1の場合、所定波長でファイバーを伝搬するモード数Nは、およそ次式で与えられる。

マルチ（多）モードのファイバーを進行する各導波モードは、わずかに異なる速度を有するということを、示すことができる。この現象はモード分散として知られ、通常、光ファイバーのバンド幅に深刻な制約を生じさせる。ファイバーに入射される光パルスは、モード分散により、距離と共に広がる。このことを考慮しないと、この現象は、連続パルスの分解を妨げる。

波長λ₀における導波モードmに対する伝搬定数β_mは、次の条件を満たすことを示すことができる：

通常はモード分散よりずっと小さい導波路分散及び材料分散の両方を無視すれば、モード分散Dを次のように記載することができる：

結果として、距離Lに渡る「最高速」モードと「最低速」モードとの間の最大遅延は、次式のように表すことができる：

コヒーレンス時間は、一般的に、波列の平均継続時間、すなわち波列がコヒーレンス長Lを進行するのにかかる時間として、定義される。コヒーレンス時間は、図4に示すように、マイケルソン的な干渉法の構成において基準アームを延ばすことで得られる、干渉縞のコントラストの変化として現れる。

国際公開第2007/072335号（特許文献１）は、人間の眼に対するスペックルの可視性を低減するための、振動ミラーと組み合わせたマルチモードの導波路を開示する。ミラーの振動周期は、眼の積分時間より短い。光変調パネルは、ミラーからマルチモードの光ファイバーを通じて伝送される光を受光し、像のピクセル当たりの強度を変調する。投射レンズは、光変調パネルからの像を、変調パネル上に保持された振動ミラーによる角度走査により、スクリーン上に投射する。特許文献1に開示された第2の実施例では、マルチモードの光ファイバーは、振動ミラーと光変調パネルとの間の代わりに、レーザ光源と振動ミラーとの間に配置される。

国際公開第2007/072335号パンフレット

本発明の第１態様によれば、コヒーレント光のスペックルの可視性を低減する装置であって、前記コヒーレント光を伝搬させて、モード分散によって前記コヒーレント光のコヒーレンス長を低減するように構成されたマルチモードの光導波手段と、前記コヒーレント光を、前記マルチモードの光導波手段を通過する前又は後に反射させ、異なる伝搬モードに渡って波束を分布させることにより、前記コヒーレンス長をさらに低減するとともに、前記モードに渡るエネルギー分布を平均化することにより、モード構造を無くして、より均一な照明に導くように構成された振動可能な膜ミラー手段と、前記マルチモードの光導波手段及び前記振動可能な膜ミラー手段からの光を投射する投射光学系と、を備え、前記振動可能な膜ミラー手段の膜は、該膜にリプルを生成するように構成され、前記リプルは、振幅が10〜30 μmであり、空間周期が1〜2 mmである。

請求項１の装置において、振動可能な膜ミラー手段は、コヒーレント光の平行光線を複数の変動角度で反射させ、光導波手段を伝搬する複数モードに渡るパワー及び位相の分布が時間と共に変動するように構成されている。

レーザは、光ファイバーによって、コヒーレント光を振動可能な膜ミラー手段に入射させるように構成されたコリメートレンズ手段に結合されることが、便利である。

該装置は、コリメートレンズ手段からの光が、振動可能な膜ミラー手段に略45°で入射するように構成されることが、有利である。

該装置は、コヒーレント光を振動可能な膜ミラー手段からマルチモードの光導波手段に結合するように構成された結合光学手段をさらに備えることが、便利である。

該装置は、マルチモードの光導波手段からの光を投射するように構成された光学系を備えることが、有利である。

振動可能な膜ミラー手段は、膜を駆動するように構成された圧電アクチュエータ手段を備えることが、便利である。

マルチモードの光導波手段は、ステップインデックス型のマルチモードの光ファイバーであることが、便利である。

該装置は、レーザ線発生装置を備えることが、有利である。

本発明の第2態様によれば、コヒーレント光のスペックルの可視性を低減する方法が提供され、該方法は、コヒーレント光を、モード分散によりコヒーレント光のコヒーレンス長を低減するように構成されたマルチモードの光導波手段を通して伝搬させるステップと、振動可能な膜ミラー手段からのコヒーレント光を、マルチモードの光導波手段を通過する前又は後のいずれかに反射させ、異なる伝搬モードに渡って波束を分布させることによりコヒーレンス長を低減するとともに、これらのモードに渡るエネルギーの分布を平均化することによりモード構造を無くして、さらに均一な照明に導くステップと、を含む。

上記方法は、コリメートされたコヒーレント光ビームを、光ファイバーによりレーザに結合されたコリメートレンズ手段を用いて、振動可能な膜ミラー手段に入射させるステップを含むことが、便利である。

コリメートレンズからの光は、振動可能な膜ミラー手段に略45°で入射させることが、有利である。

該方法は、コリメートされたコヒーレント光ビームを、結合光学系を用いて、マルチモードの光導波手段に結合させるステップを含むことが、便利である。

該方法は、マルチモードの光導波路からの光を、投射光学手段を用いて投射するステップを含むことが、便利である。

該方法は、振動可能な膜ミラー手段を、圧電アクチュエータ手段により駆動するステップを含むことが、便利である。

マルチモードの光導波手段は、ステップインデックス型のマルチモードの光ファイバーであることが、便利である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら、さらに説明する。

既知の平面光導波路の横断面図である。 図2a〜2fは、既知の種類の平面光導波路の斜視図である。 既知の光ファイバーの斜視図である。 マイケルソン的な干渉実験において基準ミラー（X軸）を平行移動させつつ、干渉縞コントラスト（Y軸）のプロット上にコヒーレンス長を重ね合わせて示した図である。 図5aは、アンダーフィルド・ファイバー結合の概略図である。図5bは、オーバーフィルド・ファイバー結合の概略図である。 本発明による、振動可能な膜ミラーから反射され、マルチモード光ファイバーの一端に集束したコリメート光ビームの概略図である。 本発明の一実施例による、振動膜ミラー上で、空間周期500 μmで最高最低差値1 μmのリプルからの反射によって生じる入射光線の範囲のシミュレーションを示す図である。 結合光学系から10 mmの位置に配置された+/- 0.2°の可動鏡(チップ／チルトミラー)からの反射によって生じる入射光線の範囲のシミュレーションを示す図である。 結合光学系から3 mmの位置に配置された厚さ２、３ミリメートルの回転BK7プリズムからの反射によって生じる入射光線の範囲のシミュレーションを示す図である。 回転位相板と、回転位相板が入射コリメートレーザビームに与える効果とを示す概略図である。 本発明の一実施例による、可変形ミラーが静止している場合（上の行）と可変形ミラーが共振している場合（下の行）とにおける、ファイバーの長さがスペックルに及ぼす影響を示す図である。 本発明の一態様による、スペックルの無いレーザ線発生用の光学装置の概略図である 請求項12の光学装置のための光線投射光学系のCADである。 図14aは、いかなる抗スペックル手段をも用いずに、図12のCMOSマトリクス上に記録された走査線の像である。図14bは、共振している可変形ミラーによる抗スペックル技術を用いて、図12のCMOSマトリクス上に記録された走査線の像である。 図15a及び15bは、それぞれ図14a及び14bの走査線の2つの位置での横断面を重ね合わせた図であり、スペックルの除去技術を用いる場合と用いない場合とにおける投射線上の強度分布を示す。

本発明によれば、波列のエネルギーは、モード分散がモードどうしの間で十分な時間遅延を生成して、スペックルのコントラストを大幅に低減するように、マルチモードの光ファイバーの複数のモードに渡って分布される。ここで、スペックルのコントラストは、コヒーレントに照明された領域全体に渡る強度の平均値に対する、強度の標準偏差の比として定義される。

スペクトル線幅Δνの光の放射、又は
を中心としたΔλの光の放射の場合、コヒーレンス時間t_cは、通常、大まかに次式のようになることが認知されている：

次の表は、代表的な線幅値と、これに関連したコヒーレンス時間とを、異なるレーザ技術について記録したものである。

FT400EMTは、InnovaQuartz社から入手可能な市販の光ファイバーである。FT400EMTの特性は、次の通りである：半径a = 200 μm、及び開口数NA = 0.39。本例で用いる波長λは、532 nmである。

上記の結果V = ak₀NAを用いると、この伝搬に対する正規化周波数は、V = 920であり、約425,000個のモードの数
に相当する。

これらの結果により、モード分散についてのD値が導かれる：D≒173 ps/m。換言すれば、光源が1 nmの線幅を有するレーザダイオードである場合、上記表により、このファイバーが２、３センチメートルの長さを有すれば、放射された光のコヒーレンスを減少させ、従ってスペックルのコントラスト比を減少させるのに十分なはずである。

なお、グラディエントインデックス（勾配型屈折率）型のファイバーは、ステップインデックス型のファイバーと比べて、特にモード分散を最小化するために開発されたものである。結果として、グラディエントインデックス型のファイバーは、一般的に、スペックルの低減に適してない。

ステップインデックス型の光ファイバーがコヒーレント光に及ぼす影響について、説明した。しかし、単一ファイバーを使用することは、一般的に、スペックルを効率的に除去するには十分ではない。1つの理由は、ファイバー内の光が、常に、1つの伝搬モード内で高コヒーレントに維持されることである。したがって、結合したモードに応じてわずかに異なる方向又は角度に広がる光は、一般的に光をスクリーン上に投射するときに局所的に観測される高コントラストのスペックルをもたらす。他の理由は、伝搬モードの速度が、[n₁.c, n₂.c]の範囲内に均一に分布されないということである。このことは、光ファイバー内のモード分散がコヒーレンス長に及ぼす影響を最小化しがちである。

現実には、効率的なスペックル除去は、（薄膜の直径、弾性、及び厚さ、アクチュエータ組立法の位置及びバンド幅などの多くの基準に応じて）最高最低差値30μm以上までの歪みを生成するような膜ミラーの振動を要する。

図7は、本発明の一実施例による、振動膜ミラー52上における空間周期500μmで最高最低差値1 μmのリプルからの反射によって生じる入射光線の範囲のシミュレーションの概略図である。コヒーレント光ビーム51は、振動膜ミラー52により反射され、反射された光は、投射光学系53により画像検出器54上に焦束される。画像検出器54では、広がったスポット55が検出される。

図8は、結合光学系63から10 mmの位置に配置された+/- 0.2°の可動鏡62からの反射によって生じる入射光線の範囲のシミュレーションの概略図である。コヒーレント光ビーム61は、可動鏡62により反射され、反射された光は投射光学系63により画像検出器64上に集束される。画像検出器64では、広がったスポット65、651、652が検出される。スポット651及び652は、ファイバーの開口数に合った結合効率を維持しつつ、単一軸の可動鏡により達成される最大シフト及び最小シフトを表す。

図9は、回転式BK7プリズム76からの反射によって生じる入射光線の範囲のシミュレーションの概略図である。回転式BK7プリズム76は、厚さ２、３ mmであり（しかし厚さに依存しない）、結合光学系73から3 mmの位置に配置され、傾斜角度3°の傾斜面を仮定した場合はファイバーの入口面内で+/- 150 μmのスポット変位をもたらし、傾斜角度1°の傾斜面を仮定した場合は+/- 50 μmの変位をもたらす。コヒーレント光ビーム71は、ミラー72により反射され、回転式プリズム76により反射される。その反射光は、投射光学系73により画像検出器74上に集束される。画像検出器74では、広がったスポット75、751、752が検出される。

図10は、回転位相板76と、回転位相板76が入射コリメートレーザビーム71に与える効果とを示す概略図である。

図8〜10の任意の構成要素が、スペックルをさらに低減させるために、原則、マルチモードの光ファイバーとともに使用できることは、明らかである。しかしながら、これらの装置の移動要素は、図7の膜ミラーの膜よりもはるかに低速で移動し、これらの移動要素のビーム偏向は、反復的である。したがって、導入される時間的インコヒーレンス（非干渉性）は、高い周波数で動作し、よりランダムな様態でビームを偏向させる可変形膜ミラーほど効果的ではない。時間的インコヒーレンスを向上させることにより、さらにスペックルが低減される。再び、高周波数の駆動を可変形ミラーに用いることにより、スペックルの無い高周波結像が可能になる。図8〜10の代案構成は、周波数について制約を有する。

図11は、市販のマルチモードファイバー(FT400EMT)の様々なパッチ長さの出力で記録されたスペックルパターンを示す図である。1行目は、膜ミラー52を振動させずに静止させ続けた場合に、ファイバー長がスペックル／干渉縞のコントラストに及ぼす影響を図示している。2行目は、膜ミラーを共振周波数で振動させることにより、スペックルの除去をさらに向上させた場合を示している。図11の写真は、300 μsの露光時間で記録されたものである。スペックルは、約10 μs未満の露光時間の場合に、再び現れる。

FT400EMTなどの大型のマルチモードファイバーでは、最高速モードと最低速モードとの間で、速度に著しい差があるが、70％を越える大部分の光が、非常に短い間、TEM₀₀モードにある。したがって、高周波数で共振している動的結合ミラー52を導入することにより、次の2つの目的が達成される：1つめは、動的結合ミラーは、異なる伝搬モードに渡って、波束を連続的に分布させ、これによりモード分散の効果を最大化する。さらには、共振している動的結合ミラー52は、これらのモードに渡るエネルギーの分布を平均化することにより、光ファイバーから放出される光錐のモード構造を無くし、これにより、さらに均一な照明に導く。

図5a〜5bに戻り、マルチモードファイバー50は、モード分散により、異なる伝搬モード間に遅延を発生させる。この効果は、光源のコヒーレンス時間のオーダーの遅延を最高速モードと最低速モードとの間に導入することができれば、スペックルの除去に有益である。

残念なことに、ファイバーへの安定した良質のレーザ結合を仮定した場合、大部分のエネルギーが最高速モードに近い速度で伝搬し、入射光のうちほんのわずかだけが理論的な最大遅延に到達する。結果として、出射光は、非常にコヒーレントとなる。この現象は、元々のモード遅延Δσ_thをエネルギーで重み付けした等価物に相当する、「効率的な」モード遅延Δσ_effを導入することによりモデル化することができる。

図5a及び5bは、それぞれアンダーフィルド・ファイバー結合及びオーバーフィルド・ファイバー結合の概略図である。ファイバー結合をオーバーフィルすることにより、より良好な高次モード結合が可能になり、モード分散の効果を最大化することができる。

コヒーレンス時間の低減効果の最大化は、Δσ_eff -> Δσ_thの場合に、達成される。図6に示すように、可変形ミラーは、モードスクランブラによるモード結合の影響なしに、パワー分布を複数伝搬モードに渡って平均化することにより、この条件を満たすのを助ける。

最も良好な高次モードは、図5bに示すようにオーバーフィルド結合が達成される場合に、達成されるが、この場合、オーバーフィルし過ぎると、ファイバーを通じた光損失に関してすぐ悪影響が出るため、気をつけなければならない。

光は、各伝搬モード内でコヒーレントに進行し、ファイバーの出口から自由に出たところより後方に配置された面から散乱される観測光は、振動可能なミラーの動作にも関わらず、スペックルを現す。すなわち、ファイバーの出口に集光光学系(collection optics)又は焦点調節光学系(focusing optics)が無ければスペックルが観測される。すなわち、投射光学系が必要である。

この現象は、ファイバーの出口を、円形に分布した非相関性の準単色光源の総和としてモデル化することにより、説明することができる。

該当面（距離dに位置すると仮定する）上のコヒーレンス領域Acの大きさは、
によって与えられることが証明されている。ここで、λは、コヒーレント光源又は部分コヒーレント光源の波長であり、aは光ファイバーのコア半径である。この領域は、距離とともに直線的に拡大する。可視波長、コア半径200について１ｍの所で測定した場合、コヒーレンス領域はミリメートルオーダーになる。

照射領域を観るような観測システムを考えると、（説明を簡単にするため）1 mの所に位置する正視者の眼は、300 μm (A_r)の分解能を有する。f# 5レンズを備えたC-マウントマシンビジョンカメラ（上記と同様に1 mの所に位置する）は、約360 μmの分解能を有する。

ここで、照射領域における「分解能単位」当たりのコヒーレンス領域の（統計的）密度を、次式のように定義する：

両方の場合において、ρ_c ≫ 1であり、観測されるスペックルコントラストはK = 1である。スペックルコントラストは、その段階の前に導入された、いかなる前のコヒーレンス低減工程の動作によっても、低い値に限定される。

直径Dのコンデンサーレンズをファイバーの出口と散乱面との間に追加して、ファイバーから放出される光錐がコンデンサーレンズの開口全体に広がり、散乱面がコンデンサーレンズから距離zに位置するようにした場合、
であり、新たな「分解能単位」当たりのコヒーレンス領域の密度が、次式のようになることを示すことができる：

z = 1 m及びD = 1インチの場合、A'_cは10-20 μmのオーダーになり、ρ'_c ≦ 1となる。

関連するスペックルコントラストは、
であることが証明され得る。

図6において、振動可能な膜ミラー52は、リプル間の間隔が一般的に1〜2 mmと小さく、リプルが膜ミラー52の面上で10〜30 μmと高い振幅を有することから、入射平行光線を様々な角度で連続的に反射する。結果として、光ファイバー内の伝搬モードの空間全体に渡って結合されるパワー（振幅）分布とその位相は、常に変動している。

よって、均一化又はアポダイズされたコリメートビーム54は、振動可能ミラー52から入射角度45°で反射される。様々な入射角度で反射された光線は、強度分布が時間的に変動する発散ビームを形成する。次に、このビームは、結合レンズ53により、マルチモードステップインデックス型の光ファイバー50のコア501へと結合される。

光ファイバー及びレンズは、振動可能な膜ミラーにより導入される、光ファイバーの導波モードの組に渡って伝搬する放射の振幅及び位相の両方の高周波変調と組み合わせない限り、単独では良好なスペックルの低減を達成するには不十分である。

要約すると、振動可能な膜ミラーは、入射結合レンズを通過後に光ファイバーの面上の点に当たる光の角度及びパワーの、時間的及び空間的な変動をもたらす。

この変動の影響は、導波路のモードに結合されるパワーが、時間的に変動することと、また、剛性ミラー又は図8〜10の代案実施例のうち他の1つと比べた場合に、可変形ミラーの動作に起因して、モード間のパワーの広がりがより幅広いということである。

ファイバーに続いて、光はファイバー外に結合され、面上に投射される。この面上には、空間的に、光の分布に関連した「コヒーレンス領域」が存在する。スペックルの観測は、コヒーレンス領域の密度ならびに観測者のサンプリング分解能に比例する。スペックルの観測は、この面での光の時間的コヒーレンスにも比例する。光の非相関性が高まることにより、スペックルが低減される。

ミラー及びファイバーの影響は、伝搬モード間の相対位相及び相対振幅を変化させることにある。よって、これらは、導波路のモード分散に起因したコヒーレンス時間のオーダーまたはそれより長い平均時間遅延を仮定すれば、非相関性の準単色光源としてみることができる。

本発明は、時間的コヒーレンスの非相関性レベルを大幅に増加させる振動可能な膜ミラー、マルチモード光ファイバー、及び光学投射システムを提供する。特に、剛性ミラーと比べて、同じ理論を適用すると、可変形ミラーと光ファイバーの組み合わせは、剛性ミラーよりも、ファイバーを出る様々なモードに対して高い「非相関」効果を有する。

次の表は、図11の写真について算出したスペックルコントラスト及び干渉稿の可視性値を記録したものである。スペックルコントラスト比は、次式
で与えられ、「ノイズ」指向の尺度であり、その精度は次に依存する：
− 計算に用いるパッチの寸法；
− コントラスト比を測定する照明パッチの均一性；
− スペックルの空間周波数；及び
− カメラのノイズ／背景の粗さ。

スペックルコントラスト比は、広い照明領域に渡るスペックルを評価するための最も一般的な方法であるが、要求される精度でスペックルコントラスト比を測定することは、非常に繊細なプロセスである。

逆に、干渉稿の可視性は、暗いスペックルと明るいスペックルとの間のコントラストの尺度である。

この尺度は、均一な強度を有する大きな照明パッチを必要とせず、スペックルの空間周波数に依存しない。それにも関わらず、拡張した領域に用いる場合、背景（非スペックル）の強度、粗さ、及びアーチファクトに大きな変化と共に、精度が急激に低下する。

10通りを越える100 x 100ピクセルの部分集合について、計算を行った。該部分集合の各々は、スペックルではなく構成自体に起因する光強度の変化が最小限になることを保障するように、手動で選択した写真のゾーン内に位置する。この測定値の不確かさは、5%である。

この表は、光ファイバーをより長くし、及び／又は動的結合ミラーを追加する場合に、スペックルコントラスト及び干渉稿の可視性の両方が、それに見合って改善されることを明確に示している。各写真について、スペックルコントラスト及び干渉稿の可視性の両方の値を与える動機は、異なる抗スペックル装置の応用には異なる評価基準があるからである。

図12において、本発明の一態様によるレーザ線発生装置100は、光ファイバー102によりコリメートレンズ103に結合されたRoithner社の650 nmレーザダイオード101を備える。コリメートレンズ103から出るレーザ101からの光は、約45°の角度で、直径25 mmの圧電駆動式の膜ミラー104に入射する。膜ミラー104から反射された光は、結合光学系105を通過して、200 μmコアのマルチモード光ファイバー106に入る。200 μmコアの光ファイバー106から出た光は、SMAコネクタ107を通過して、図１３にさらに詳しく示す投射光学系108に入る。投射光学系108は、光線を、7.5 μmのピクセル寸法でCMOSマトリクス画像検出器109上に投射する。

図13において、投射光学系108は、4つの連続したレンズを備える。4レンズのアナモルフィック対物レンズは、距離約150 mmの所に長さ30 mmである、幅100 μmの光線を投射する。第1レンズ181（f = -20 mm）、第3レンズ183(f = -50 mm)、及び第4レンズ184(f = 60 mm)は、Linos社から入手可能な球面レンズである。第2レンズ182は、Thorlabs社から入手可能なトロイダルレンズ(fy = 30 mm)である。

レーザ線発生装置は、FWHMにおいて13ピクセル分、幅100 μmの線幅を生成し、合計17ピクセル分、幅130 μmの線幅を、約30 mmの線長とともに、生成する。レーザ線のプロファイルは、X方向及びY方向の両方において（例えば、「シルクハット(top hat)」とは対照的に）ガウス分布形状である。

図14は、投射線全体に渡って記録した強度分布を示す。図14aには、高いコントラストの光の「米粒」分布が明確に見られる。このようなプロファイルは、あらゆる線適合アルゴリズムにおいて、補間における大きな誤差をもたらしやすい。図14bは、可変形ミラー104が共振周波数で振動するとプロファイルがいかに明瞭になるかを示している。

図15a及び15bは、図14a及び14bの走査線の2つの位置のそれぞれにおける横断面を重ね合わせた図であり、スペックル除去を行わない場合の投射線を横切る強度分布の第1トレース131と、スペックル除去を行う場合の投射線を横切る強度分布の第2トレース132とを示す。本発明が提供するスペックル除去技術は、投射線の断面を非常に滑らかにすることが、容易に判る。

従来技術の効果は、人間の眼の積分時間50 msに相当する20 Hzより高い周波数で振動剛性ミラーを動作させることに依存するのに対して、本発明は、膜ミラーが振動ミラーの振動時間よりずっと高い周波数で共振することから、300 μsというずっと短い露光時間で像を記録することができる。よって、本発明の装置及び方法が、従来技術に対する利点を有することは、明らかである。

剛性振動ミラーでは、ミラーから反射された光は、ファイバーの入口で、時間的に反復されるパターンで楕円軌道上を走査される。この方法により与えられるファイバー内の入射角度の変化の度合いと、その結果として生じるモード励起は、ある程度のスペックルコントラストの低減をもたらす。しかしながら、本発明のように可変形ミラーを用いることにより、達成可能なさらに高速な周波数の変動、並びにミラーから反射された波の空間角度のさらに均一な分布の両方により、反射された波束に、より様々な角度を設けることができる。

ファイバー面におけるこの角度変化の増加の結果は、導波路に結合する光又はファイバーモードの、より大きな分布である。

さらに、本発明は、低ノイズの線又はラスター点を生成して、像を形成する技術を用いることができるという利点を提供する。

振動可能な膜ミラーから反射された光が、続いてマルチモードの光導波路を通過する、本発明の好適実施例について説明してきたが、本発明の要素の順序を異ならせることができることは、明らかである。例えば、場合によっては付加的な拡散器又は他の光散乱器を用いて、コヒーレント光を、まずマルチモードの光導波路に通過させ、次に振動可能な膜ミラーにより反射させることができる。

本明細書及び特許請求の範囲の全体を通して、「備える」及び「含む」及びこれらの変形は、「含むがこれに限らない」ことを意味し、他の部分、添加物、構成要素、個数、又は工程を除外することが意図されるものではない（また、除外しない）。本明細書及び特許請求の範囲の全体を通して、特に断りがない限り、各要素は複数存在し得る。

本発明の特定の態様、実施例、又は例に関連して説明した特徴、個数、特性、化合物、化学的部分、又は化学基は、不適合でない限り、本明細書で説明した他のあらゆる態様、実施例、又は例に適用可能であることが理解される。本明細書（あらゆる請求項、要約、及び図面をも含む）で開示する全ての特徴、及び／又は本明細書で開示するあらゆる方法又はプロセスの全てのステップを、該特徴及び／又はステップのうち少なくとも一部が相互排他的であるような組み合わせを除いて、任意の組み合わせで組み合わせることができる。本発明は、上記のどの実施例の詳細部分によっても限定されない。本発明の範囲は、本明細書（あらゆる請求項、要約、及び図面をも含む）で開示する特徴のうちあらゆる新規な特徴又はこれらの特徴のあらゆる新規な組み合わせに及び、本明細書で開示するあらゆる方法又はプロセスのステップのうちあらゆる新規なステップ又はこれらのステップのあらゆる新規な組み合わせにも及ぶ。

本願に関連して、本明細書と同時又はそれ以前に出願され、本明細書と共に公開されている全ての文書及び書類に注眼されたい。かかる全ての文書及び書類の全体を、参照文献として、本明細書に含める。

Claims (15)

1. コヒーレント光のスペックルの可視性を低減する装置であって、
   前記コヒーレント光を伝搬させて、モード分散によって前記コヒーレント光のコヒーレンス長を低減するように構成されたマルチモードの光導波手段と、
   前記コヒーレント光を、前記マルチモードの光導波手段を通過する前又は後に反射させ、異なる伝搬モードに渡って波束を分布させることにより、前記コヒーレンス長をさらに低減するとともに、前記モードに渡るエネルギー分布を平均化することにより、モード構造を無くして、より均一な照明に導くように構成された振動可能な膜ミラー手段と、
   前記マルチモードの光導波手段及び前記振動可能な膜ミラー手段からの光を投射する投射光学系と、
   を備え、
   前記振動可能な膜ミラー手段の膜は、該膜にリプルを生成するように構成され、前記リプルは、振幅が10〜30 μmであり、空間周期が1〜2 mmである、装置。
2. 前記振動可能な膜ミラー手段は、前記コヒーレント光の平行光線を複数の変動角度で反射させて、前記光導波手段を伝搬するモードに渡るパワー及び位相の分布が、時間と共に変動するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. レーザが、光ファイバーにより、前記コヒーレント光が前記振動可能な膜ミラー手段に入射するように構成されたコリメートレンズ手段に結合される、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記コリメートレンズ手段からの光が、前記振動可能な膜ミラー手段に略45°で入射するように構成された、請求項３に記載の装置。
5. 前記振動可能な膜ミラー手段から反射されたコヒーレント光を、前記マルチモードの光導波手段に結合するように構成された結合光学手段をさらに備えた、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 前記振動可能な膜ミラー手段は、当該膜ミラー手段の膜を駆動するように構成された圧電アクチュエータ手段を備えている、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
7. 前記マルチモードの光導波手段は、ステップインデックス型のマルチモードの光ファイバーである、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. レーザ線発生装置を備えた、請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. コヒーレント光のスペックルの可視性を低減する方法であって、
   a. 前記コヒーレント光を、モード分散によって前記コヒーレント光のコヒーレンス長を低減するように構成されたマルチモードの光導波手段を通して伝搬させるステップと、
   b. 前記コヒーレント光を、振動可能な膜ミラー手段から、前記マルチモードの光導波手段を通過する前又は後に反射させて、異なる伝搬モードに渡って波束を分布させることにより、前記コヒーレント光のコヒーレンス長をさらに低減するとともに、前記モードに渡るエネルギー分布を平均化することにより、モード構造を無くして、さらに均一な照明に導くステップと、
   c. 投射光学系により、前記マルチモードの光導波手段及び前記振動可能な膜ミラー手段からの光を投射するステップと、
   を含み、
   前記振動可能な膜ミラー手段の膜は、該膜にリプルを生成するように構成され、前記リプルは、振幅が10〜30 μmであり、空間周期が1〜2 mmである、方法。
10. 前記コヒーレント光の平行光線を、前記振動可能な膜ミラー手段により複数の変動角度で反射させて、前記光導波手段を伝搬するモードに渡るパワー及び位相の分布を、時間と共に変動させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. 光ファイバーによりレーザに結合されたコリメートレンズを用いて、前記コヒーレント光を前記振動可能な膜ミラー手段に入射させる、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記コリメートレンズからの光を、前記振動可能な膜ミラー手段に略45°で入射させる、請求項９〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記コヒーレント光を、結合光学手段を用いて、前記マルチモードの光導波手段に結合させるステップを含む、請求項９〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記振動可能な膜ミラー手段の膜を、圧電アクチュエータ手段によって駆動するステップを含む、請求項９〜１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記マルチモードの光導波手段は、ステップインデックス型のマルチモードの光ファイ
    バーである、請求項９〜１４のいずれかに記載の方法。