JP5763214B2 - ミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、主としてレーザディスプレイ技術および光学機器における光学スペックルの現象に対する、コヒーレントな光源を有するディスプレイ技術の分野に関し、具体的には、ミー散乱および摂動（一般には、微小振動を指す）駆動（perturbation drive）に基づくスペックル低減装置に関する。

画面が、レーザ等のコヒーレント光によって照射される場合、レーザのコヒーレンスおよび画面表面の光学的粗さに起因して、観察者の目によりスペックル・ノイズ・パターンが観察されるが、これは、画像の表示品質に深刻な影響を与え、かつ有益な情報を含んでいる。したがって、如何にしてスペックルを低減するかが、光学機器およびディスプレイ技術の分野における研究上のホットスポットとなっている。現在の研究の観点からすると、スペックルを減らすために使用される多くの方法が開発されているが、これらは、おおよそ次のように分類することができる。ｉ）レーザソースのコヒーレンス時間を制御してスペックルを減らす。その原理は、レーザ波長（または周波数）を調整することによって、または複数の独立したレーザソースを用いることによってボイリングスペックルを発生させることにあり、レーザのコヒーレンス時間を制御して実際的要件を満たすべくスペックルを減らすことに成功している大部分のソリューションは、基本的に、重畳される複数の光源に基づくものである。ｉｉ）レーザビームの空間コヒーレンスを制御してスペックルを減らす。その基本原理は、レーザビームにおける基本光波の位相分布を調整し、これにより、スペックルパターンの空間分布を変えることにあり、人の目の積分時間の間、均一な光分布の画像を得るために複数のスペックル画像が重畳され、こうしてスペックルを減らす目的が達成される。レーザビームの空間分布を変える方法は、拡散器を回転させる、アダマール行列配置を有する画面またはバイナリ位相拡散器を振動させる、光ファイバを高頻度で振動させる、等々、といった多くが存在する。上述の方法は全て、高周波振動または大振幅振動であっても機械的振動を必要とし、または複数光源の集積化を必要とし、複雑な構造、損傷しやすさ、高コストといった欠点があるだけでなく、スペックルの減少効果もほとんどない。

機械的振動を用いない技術的ソリューションも存在する。例えば、中国特許第２００８２０１２２６３９．７号は、散乱ベースのデコヒーレンス・シミング装置を開示しているが、これは、入射レーザのレイリー散乱を達成するために、入射光の波長の１０分の１未満の直径を有する粒子を含む散乱媒体の使用を必要とする。この特許では、無機塩類または有機アルコールの水溶液（例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＫＮＯ₃またはＺｎＳＯ₄の水溶液）が散乱媒体として使用される。無機塩類または有機アルコールの水溶液は、水和イオンまたは巨大分子の形で存在することから、その大きさはレーザ波長に比べて遙かに小さく、入射レーザでレイリー散乱が発生し、その結果、入射レーザは分割して光導体内部で伝導し、入射レーザのコヒーレンスが低減されてスペックルが減少され、一方で、光導体の光混合効果を利用して、デコヒーレンスをシミングすべく分割光の一様化が実行される。しかしながら、上述の技術的手段の教示による室温での実験では、スペックルを減らすためにＮａＣｌ飽和水溶液で満たされた長さ５０ｍｍの光導波路が使用され、図１はその結果を示しているが、図１は７０％のスペックルコントラストを示し、スペックルの低減効果はほとんど見られない。

スペックルを低減するための従来方法における、効果がなく、複雑な構造、損傷しやすさ、高コスト、等々、といった欠点を克服するために、本発明は、ミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置の提供を意図している。

本発明は、ミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置によって実現され、本装置は、その上に（thereon）配置される入射光結合デバイスと透明出射表面とを有する光反射室と、レーザ入射を光反射室内へ方向づけるための光学デバイスとを備え、光学デバイスは、光反射室の入射光結合デバイスへ対面して位置合わせされ、光反射室の内壁は、透明出射表面の壁を除いて「鏡面」であり（即ち、入射レーザビームを光反射室内へ「全反射」することができる高い反射特性を有する内壁）、光反射室は、入射レーザのミー散乱を誘発することができる大きさの媒体粒子を内部に分散させている透明材料で完全に満たされ、光反射室および光学デバイスの何れか、または双方には、外部摂動を検出して、光反射室および入射光結合デバイスへ入射するレーザビームの入射状態（入射角、入射位置、光路等を含む）をランダムに変更するための摂動検出デバイスが装備される。前記外部摂動は、環境（例えば、システム内の冷却ファン）の摂動であっても、特殊化されたデバイス（例えば、圧電振動摂動デバイス）により発生されてもよい。

摂動検出デバイスは、当業者により、例えば、カンチレバー、マイクロばね等の様々な構造体を介して容易に実現されてもよい。

光学デバイスは、反射ミラー、走査マイクロミラー、または光学レンズであってもよい。

透明材料は、入射レーザに対する透過損失のない透明固体材料、例えば、ポリマーゲル、有機または無機溶液を含む溶液、またはエアロゾルまたは液状ゾルを含むゾルである。

応用時には、図４に示されているように、レーザソースにより放射されるビームは、光反射室内の透明材料内へ光反射室上の入射光結合デバイスを介して入射し、透明材料内に分散されている媒体粒子との相互作用を介してミー散乱に曝され（図３に示されているように、媒体粒子４０２が入射レーザ１０１により照射され、よってミー散乱が発生する間、入射レーザ１０１の散乱光の強度は広範な散乱角度範囲を有し、９０％を超える光パワーは主として前方向１０４、１０５および１０６に集中され、後方向１０２へは僅かであって通常は光パワーの１０％より少なく、入射レーザの伝搬方向に沿った散乱光１０５は最も高い強度を有するが、垂直方向に沿った散乱光１０３および１０７は最も低い強度を有し、これにより入射レーザは、媒体粒子４０２によって散乱された後、異なる強度を有する複数の散乱光ビームに分割され、これが同時に散乱角度の分布を広げる）、よって入射レーザは、異なる強度を有する複数の散乱光ビームに分割される。これらの散乱ビームは、光反射室の内壁によって反射されるか、透明材料内に分散される媒体粒子との再相互作用を介してミー散乱に曝され、次に、さらに散乱されたビームに分割される。複数のミー散乱に曝された後、光は、光反射室の透明出射表面から出る。摂動検出デバイスの配置に起因して、光反射室および光学デバイスは、外部摂動を検出しかつこれを追跡することができるが、これにより、光反射室に入射するレーザビームの入射状態（入射角度、入射位置、光路等を含む）は絶えず変化することになり、よって、透明材料内での入射レーザの散乱光の伝搬方向並びに経路は、その都度ランダムに変更され、これにより最終的に、光反射室の透明出射表面から出る散乱光の位相分布および散乱角度がランダムに変わる。異なる時点に出射する散乱光は、異なる位相分布および散乱角度を有し、これが投影されて新しいスペックル画像を発生する。これらの新しい、かつ独立したスペックル画像は、人の目の積分時間（即ち、５０ｍｓ）の間に重畳される。その結果、一様に分布された光エネルギーを有する画像が得られ、よって、スペックルの低減が達成される場合がある。

この従来技術に比較すると、本発明では、内部に透明材料を備えた光反射室が使用される。透明材料内に分散される媒体粒子は、入射レーザのミー散乱を誘発する場合があり、次に散乱光は分割される。本発明はさらに、摂動検出デバイスを提供し、よって、外部摂動が光反射室に入射するレーザビームの入射状態を絶えず変化させる場合があり、よって、光反射室内の散乱光ビームの伝搬方向並びに経路は、ランダムに変えられる。その結果、入射レーザの空間コヒーレンスは低減される場合があり、かつ、光反射室の出射面から出る散乱光は、異なる時点で異なる位相分布および散乱角度を有し、これが投射されてランダムに変わるスペックル画像の空間分布を発生する。複数のスペックル画像は、人の目の積分時間の間に重畳される場合があり、その結果、光エネルギーが一様に分布された画像が得られ、よって、スペックルは効果的に低減される場合がある。実験によれば、本発明の装置を適用した場合、画像のスペックルコントラストは４％を下回る場合がある。図５に示されているように、画像のスペックルコントラストは３．９８％であって、極めて良好なスペックル低減を示している。また、マイクロメートル級の外部摂動は、摂動検出デバイスを作動させるのに足るものである。例えば、一般的なプロジェクタのファンからの振動は、摂動検出デバイスを作動させるための摂動の大きさおよび周波数の要件に適合する場合がある。さらに、スペックルの低減効果は、外部摂動の強度または透明材料内の媒体粒子の濃度を増すことによって向上される場合がある。本発明において、入射レーザは、光反射室において「全反射」され、したがって、光エネルギーの全損失は最小限に抑えられ、よって、レーザパワーの高効率が保証され、かつ「全反射」のプロセスの間の光の一様性が達成される。さらに、本発明に使用される光反射室は、透明材料に特別な材料を必要としない共通仕様であり、よって、低コストという優位点も有する。

本発明は、リーズナブルでコンパクトな構造で実現されてもよく、低コスト、効果的なスペックル低減、高いレーザ効率、安定性、安全性および一様な光強度という効果を達成する。

従来のスペックル低減技術を用いて達成された試験結果を示す画像である。 本発明による構造体を示す略図である。 ミー散乱からの光強度の角度分布を示す図である。 本発明による装置内の光ビームの透過状態を示す略図である。 本発明によるスペックル低減装置を用いて得られた画像を示す。 本発明による、ラスタ走査型ディスプレイシステムに適用された装置を示す略図である。 本発明による、フルフレームのディスプレイシステムに適用された装置を示す略図である。

図２に示されているように、ミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置は、その上（光反射室３０２上）に配置される入射光結合デバイス３０１と透明出射面３０３とを有する光反射室３０２と、レーザ入射を光反射室３０２内へ方向づけるための光学デバイス３０８とを備え、光学手段３０８は、光反射室３０２の入射光結合デバイス３０１へ対面し、光反射室３０２の内壁は、透明出射面３０３の壁を除いて「鏡面」であり（即ち、入射レーザビームを光反射室３０２内へ「全反射」することができる高い反射特性を有する内壁）、光反射室３０２は、入射レーザのミー散乱を誘発することができる大きさの媒体粒子４０２を内部に分散させている透明材料４０１で完全に満たされ、光反射室３０２および光学デバイス３０８の何れか、または双方には、外部摂動を検出して、光反射室３０２および入射光結合デバイス３０１へ入射するレーザビームの入射状態（入射角、入射位置、光路等を含む）をランダムに変更するための摂動検出デバイス（図示せず）が装備される。

摂動検出デバイスは、当業者により、カンチレバー、マイクロばね等の様々な構造体を介して容易に実現されてもよい。

光学デバイス３０８は、反射ミラー、走査マイクロミラーまたは光学レンズであってもよい。

透明材料４０１は、入射レーザに対する透過損失のない透明固体材料、例えば、ポリマーゲル、有機または無機溶液を含む溶液、またはエアロゾルまたは液状ゾルを含むゾルである。

実際には、媒体粒子４０２は、ポリスチレン微小球または二酸化チタン（ＴｉＯ₂）粒子であってもよい。光反射室３０２は、概して、金属、平面ミラー、透明プラスチックまたはガラスによって、通常は管状空胴の形式で作られるが、形状について特別な要件はない。光反射室３０２の透明出射面３０３の表面は、概して透明プラスチックまたはガラスで作られ、ほとんどの場合、長方形または円形の平面であって、その上には、入射レーザの波長帯に適応する反射防止フィルムが付される。

光反射室３０２上の入射光結合デバイス３０１は、次のように、即ち、入射レーザの波長帯に適応する反射防止フィルムが上に付される透明入射面を設けるように、または、入射光開口を設けるように、かつ光反射室３０２内の透明材料４０１が溶液またはゾルである場合は、囲われた光反射室が形成されるべく、入射光開口３０４にレンズ等の光結合素子が必要とされるように実現されてもよい。

本発明によれば、本スペックル低減装置は、図６に示されている、ラスタ走査型ディスプレイシステム等のレーザ・プロジェクション・ディスプレイ技術に適用可能である。図６に示されているようなシステムにおいて、３色レーザ５０１、５０２、５０３から出力されるパワーは、二次元画像上の各ピクセルに関する情報を基礎として信号源６０１、６０２、６０３により変調され、かつ本発明により、３つの入射レーザビームは、ミラー５０４、５０５、５０６を介して個々に結合されかつスペックル低減装置３００へ進入する。出射面から放射される変調されたレーザビームは、レンズ７００および走査マイクロミラー７０１を介して画面８００上へ投射される。二次元画像は、電気信号の制御下で、走査マイクロミラー７０１によりピクセル毎に画面上へスキャンされる。本実施形態は、ラスタ走査型レーザプロジェクタおよびレーザ・テレビ・ディスプレイに適用可能である。

図７に示されているように、フルフレームのディスプレイ・プロジェクション・システムにおいて、３色レーザ５０１、５０２、５０３は、一定のパワーを有するレーザビームを出力し、これらのレーザビームは、結合されて本発明によるスペックル低減装置３０５、３０６および３０７へ入る。変調されるレーザは、リレーレンズ７０１、７０４および７０７、平面ミラー７０８およびＴＩＲプリズム７０３、７０５および７０９を介して光変調器ＤＬＰ７０２、７０６および７１０へ収束される。光変調器ＤＬＰ７０２、７０６および７１０は、フレーム毎の二次元画像情報を基礎として単色画像を生成する。３色画像は、レンズ７１１において混合され、レンズ７００を介して画面８００上へ投射される。本実施形態は、ＤＭＤ、ＬＣＯＳ等の光変調器を基礎としてレーザプロジェクタおよびレーザ・テレビ・ディスプレイに適用可能である。

１０１ 入射レーザ
１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７ 散乱光
３００ スペックル低減装置
３０１ 入射光結合デバイス
３０２ 光反射室
３０３ 透明出射面
３０４ 入射光開口
３０５，３０６，３０７ スペックル低減装置
３０８ 光学デバイス
４０１ 溶液またはゾル
４０２ 媒体粒子
５０１，５０２，５０３ レーザ
５０４，５０５，５０６ ミラー
６０１，６０２，６０３ 信号源
７００ レンズ
７０１ リレーレンズ
７０２ 光変調器ＤＬＰ
７０３ ＴＩＲプリズム
７０４ リレーレンズ
７０５ ＴＩＲプリズム
７０６ 光変調器ＤＬＰ
７０７ リレーレンズ
７０８ 平面ミラー
７０９ ＴＩＲプリズム
７１０ 光変調器ＤＬＰ
７１１ プリズム
７１２ 走査マイクロミラー
８００ 画面

Claims (6)

1. ミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置であって、前記装置は、その上に配置される入射光結合デバイス（３０１）と透明出射面（３０３）とを有する光反射室（３０２）と、入射レーザを前記光反射室（３０２）内へ方向づけるための光学デバイス（３０８）とを備えることを特徴とし、前記光学デバイス（３０８）は、前記光反射室（３０２）の前記入射光結合デバイス（３０１）へ対面して位置合わせされ、前記光反射室（３０２）の内壁は、前記透明出射面（３０３）の壁を除いて、「鏡面」であり、前記光反射室（３０２）は、前記入射レーザのミー散乱を誘発することができる大きさの媒体粒子（４０２）を内部に分散させている透明材料（４０１）で完全に満たされ、前記光反射室（３０２）および前記光学デバイス（３０８）の何れか、または双方には、外部摂動を検出して、前記光反射室（３０２）および前記入射光結合デバイス（３０１）へ入射するレーザビームの入射状態をランダムに変更するための摂動検出デバイスが装備される、ミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置。
2. 前記光学デバイス（３０８）は、反射ミラー、走査マイクロミラーまたは光学レンズであることを特徴とする、請求項１に記載のミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置。
3. 前記透明材料（４０１）は、前記入射レーザに対する透過損失のない透明固体材料であることを特徴とする、請求項１に記載のミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置。
4. 前記透明材料（４０１）は、有機または無機溶液を含む溶液、またはエアロゾルまたは液状ゾルを含むゾルであることを特徴とする、請求項１に記載のミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置。
5. 前記媒体粒子（４０２）は、ポリスチレン微小球または二酸化チタン粒子であることを特徴とする、請求項１に記載のミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置。
6. 前記光反射室（３０２）の前記透明出射面（３０３）の表面には、前記入射レーザの波長帯に適応する反射防止フィルムが付されることを特徴とする、請求項１に記載のミー散乱および摂動駆動に基づくスペックル低減装置。