JP5878571B2 - 光信号スペックルを低減するための方法および装置 - Google Patents
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Description
この出願は、レーザスペックルを低減するための方法および装置と題された、2008年1月4日に出願された米国仮特許出願番号61/019,197の優先権を主張する、2008年7月15日に出願された米国特許出願番号12/218,623の利益および優先権を主張する。
発明は、光信号ジェネレータに関し、特に、光信号ジェネレータから出力された光におけるスペックルを低減するための方法および装置に関する。
スペックル(レーザまたは他のコヒーレント光源からの光からの明るい点を有する暗い領域の外見)は、レーザまたはレーザの組み合わせが光源として用いられる多くのアプリケーションにおける重大な問題である。そのようなアプリケーションの1つは、レーザ投影である。レーザ投影アプリケーションにおいて、レーザ(典型的には、赤、緑および青の3つ)は、投影画像のための光源として用いられる。画素上に発せられる光を画素ごとに調整することによって映像を「スキャン」するためにもこれらの光源を利用する様々なシステム、またはレーザは、それらの前のLCD/LCoSパネルが所望の映像を作成するように光度を調整している間、最大強度に保たれる。いずれの場合においても、画質を悪化させるため、スペックルは明らかな懸案事項である。
方法の一例は、駆動信号を生成するステップを含み、駆動信号は、調節された駆動信号を生成するように、第1の強度および第2の強度の間で周期的に変動する。この実施形態において、第1の強度は、光信号ジェネレータに対するしきい値電流よりも大きく、第2の強度は、光信号ジェネレータに対するしきい値電流以下である。この実施形態に対して、しきい値電流は、誘導放出パワーが自然放出パワーを超えるときの電流として定められ得る。したがって、この方法は、光信号を生成するために駆動信号を用いる光信号ジェネレータに対して駆動信号を提供し、駆動信号を調節することによって光信号におけるスペックルが低減される。
2のレベルは、ゼロ信号レベルであり得る。制御信号がデューティサイクル制御信号を含み、デューティサイクル制御信号は、第1の値および第2の値の持続時間を制御することが予期される。たとえば、第2の値への変化は、光信号における振動を生成し、次に光信号におけるスペックルを低減する。
ここで用いられる光信号ジェネレータという用語は、光を放つ任意の装置、要素または構成を意味するように定義される。これは、レーザ、発光ダイオード、液晶ディスプレイ、レーザダイオード、ガスレーザ、カラーセンターレーザ、ソリッドステートレーザまたは、判定または光のコヒーレンスによる別の画質の悪化に悩まされる任意の別の光源を含むが、限定されない。ここで用いられる光という用語は、近赤外光、遠赤外光、可視スペクトルまたは紫外光を含むが、限定されない、任意の種類または波長の光を含む。コヒーレンスという用語は、考慮される光エネルギの放射スペクトルの幅を意味する。幅は、典型的には、波長の範囲によって計測され、その範囲を超えて、ピークのパワーの半分よりも下まで放出されたパワーが低下する。プロジェクタアプリケーションにとって、1nm以下の放射幅は「コヒーレント」であるとみなされる。異なるアプリケーションは、スペクトルの幅の異なる値をコヒーレントであるとみなし得る。出力エネルギの別の種類が、低減されたコヒーレンスから同様に恩恵を受け得ることが予期される。低減されたコヒーレンスという用語は、レーザ出力が、90%よりも大きい誘導放出から構成されるときに放射スペクトルの幅が50%または1nmよりも少なく増加されたときとして定義される。これは、ここで開示されるスペックル除去(despeckle)方法を使用する前の光信号よ
うな、光信号の従来の状態と比べてのことである。幅という用語は、光スペクトル分析装置を用いて計測できるようなスペクトルの幅を意味する。
うに光波が並んだときに生じる。発展的なオーバラップの結果、光度が増大する一方、破壊的なオーバラップの結果、光度が減少する。観測者に対して、結果的に増大した光度および減少した光度は、画像を通して生じるスペックルを画像が有するように見えさせる。当然のことながら、これは表示に対して破壊的なものであり、質の低い光を生成し、許容できないものである。全ての光源がスペックルに悩まされる一方で、レーザは、発せられた光のコヒーレンスが高いため、特に影響を受けやすい。したがって、光は、入力パワー
との関係において高効率な光源ではあるが、レーザ光の過度のスペックルの結果、レーザの利用が抑制される。たとえばバーコードスキャナのような別のアプリケーションにおいて、分光分析、すなわち距離計のスペックルは、信号体ノイズ比を下げ、システム全体としての、感度、精度および解像度などの性能を下げる結果となる。
、駆動信号が、光信号ジェネレータしきい値電流よりも下で振動されるとき、光起動遅延を小さくしたり、光信号ジェネレータの過度の光学的オーバーシュートを防ぐために、しきい値付近のプリバイアスレベルに、駆動信号が実質的に駆動され得ることが予期される。
も、駆動電流はしきい値付近または以下になり得ることが予期される。ある実施形態において、光源がオフであるか、または駆動電流がしきい値付近または以下である時間よりも長い時間、光源がオンである。そのようなものとして、駆動電流がしきい値付近または以下に落ちる周波数であるので、デューティサイクルは重要でない。ある実施形態において、光源がオンである時間は、10ナノ秒よりも短い。当然ながら、全ての事例において、タイミング、周波数および他の作動要因は、光源およびその特有の物理的な挙動に依存する。たとえば、いくつかの事例において、これらの要因は、光源がレーザであれば光源のキャビティ長に関連し得る。別の実施形態において、これらの要因は、光源が好ましいモードまたは波長に到達するまでの時間、またはコヒーレンスに対する設定時間、またはレージング素材に対する電子エネルギ状態(キャリアライフタイム)の時定数に依存する。ある実施形態において、これらの要因は、光源が波長および位相の安定状態に到達にするまでの時間に依存する。
く。ここで示されるように、図面の要素は必ずしも計測されるものではなく、その代わりに、発明の本質の説明に重点が置かれる。図面において、同じ参照番号は、異なる図面を通して、対応する部分を示す。図1Aおよび1Bにおいて、強度が縦軸104上に示され、時間が横軸108上に表わされる。光信号強度116は、対応する電流パルス120と関連して示される。画素期間112は、情報の1つの画素が表示へまたはシステムから出力される間のタイムフレームとして規定される。
された電流レベルを表し、ITHはしきい値電流を表わす。電流をしきい値電流ITHとION電
流レベルとの間で振動させることにより、スペックルを抑制または除去する振動を、駆動信号が含む結果となる。
れ得ることも予期される。零からしきい値電流レベルまで段階的に電流を上げるということは、ゆっくりと起動するという効果を有する。始めにしきい値まで電流レベルを上げ、そしてオン電流まで電流レベルを段階的に上げることによって、(特定の画素に対して)完全オン電流までの起動遅延を抑制することができる。これは、次に、高速な光オン時間、および、表示または応答時間に対する仕様をシステムが満たすことができる。加えて、この方法は、光源ミラーまたは光源自体を損傷させ得る光学オーバーシュートおよびリングを低減する。
しきい値電流以下であるが、零よりも大きい値まで落ちる。その後、電流が再びIONまで
上昇する。このプロセスは、光信号において振動を保つように繰り返され得、次に、スペックルを低減もしくは除去する。オフレベル(零)に近いレベルの代わりにしきい値に近いレベルまで電流を調節することは、スペックルの低減という目標を達成しつつ、光起動遅延を最小にするという利点を有する。光源が停止され、そして再起動されてスペックルが低減されたり、しきい値付近の任意のレベルにおいて停止され得ることが予期される。
ベルにまで段階的に上げられてもよい。IONに完全に戻る前の段階は、しきい値より下で
あってもよく、しきい値より上であってもよく、しきい値であってもよい。特定の光信号ジェネレータに依存して、異なる低電流レベルは、異なるレベルの有益な結果を生み出す。
が望ましい。ある実施形態において、オフ、または、しきい値付近もしくはプリバイアスレベルは、短い時間だけ生じてもよく、よって、画素期間の大部分の間IONパルスが存在
することができる。別の実施形態において、IONパルス時間は、いかなる時間であっても
よい。ピークのIONパルスは、画素期間に対して同じ平均または積算電力レベルを生成す
るために、オフまたはしきい値付近時間を補うように調整され得る。
される。これらは、例示のプロットであるため、後の特許請求の範囲はこれらの信号プロットに限定されない。たとえば、画素の始まりでは、光信号ジェネレータへの電流をしきい値付近または以下まで低減してはならない。図8の例示のプロットまたは任意の他の例示のプロットにおいて、画素の半ばにおいて、すなわち画素期間内の任意のタイムフレームにて、光信号ジェネレータへの電流をしきい値付近または以下まで低減し得る。投影された画像に表れる可視のアーチファクトの機会は、画素期間内での発生をスクランブルすることによって最小にされる。
して規定される。しきい値電流は、I1-(P1/勾配)として規定される。
い。レーザが電流レベル「1」と電流レベル「2」との間で調節される場合、スペックルを低減するために、電流レベル「1」1004は、しきい値付近または以下にレーザをバイアスするように選択される。
を供給する。電流レベル2に対応する、図11に示されるシステムの反対側は、ミラー1112の作動について上述したのと同様の態様で作動する。所望の作動を達成するために、制御信号1108、1120の歩調が合わされ、同期されることが予期される。制御信号は、ここでは、駆動信号のデューティサイクルの1つ以上の局面を制御信号が制御し、結果として光信号が生じる、デューティサイクル制御信号として称されてもよい。
ル制御波形を生成する。ANDゲート1328の別の入力は、VINである。値VA、ソース
1312からの電流、または容量値(鋸歯状波形の勾配および別のパラメータも同様に調整される)を変えると、結果としてデューティサイクルVOUTが変わる。ANDゲートの出力を変換するためにインバータ1332が設けられると、結果として逆デューティサイクル信号が生成される。図13に示されるプロットは、VIN、VREFおよびVOUTと逆VOUTとを
含む。これらのプロットは、例示の実施形態において示される信号ノードと対応する。
と等しい。ここで、nは、任意の整数である。結果として生じる信号プロットV01,V02...V0nは、オシレータ1404に関連付けられた出力と対応する。組み合わせ論理を使うことによって、多様かつ所望のデューティサイクル制御信号を与えるように出力が組み合わせられることも予期される。
くなくてよい。したがって、光信号電力は、零から平均電力の約1.2倍までの間で変化する。これは、駆動電流信号および結果として生じる光信号の1つの可能性にすぎない。別の信号波形が予期される。
の互換性をピーク電力がまだ有するため、レーザに対する最大平均電力等級に光信号が近づくにつれて、パルスの手法は有利である。なお、平均電力はさほど変わらず、特定の限界を超えての長期の作動に起因する装置へのダメージは考え難い。
予期される。
Claims (12)
- 光信号ジェネレータからの光出力におけるスペックルを低減するための方法であって、
前記光信号ジェネレータに対するしきい値電流よりも大きい第1の強度、前記光信号ジェネレータに対するしきい値電流付近または前記しきい値電流の値である第2の強度、および前記第2の強度とゼロとの間の第3の強度に駆動信号を変調することによって駆動信号を生成するステップを含み、前記第1の強度、前記第2の強度および前記第3の強度への前記駆動信号の変調は、前記光信号ジェネレータの作動中に連続的に行なわれ、単一の画素期間中に、前記信号は、前記第1の強度、前記第2の強度および前記第3の強度の各々に変調され、
光信号ジェネレータに前記駆動信号を提供するステップと、
光信号を生成するように、前記駆動信号を用いて光信号ジェネレータを駆動するステップとをさらに含み、前記駆動信号の前記第1の強度から前記第2の強度および前記第3の強度までの周期的な変化が、前記光信号におけるスペックルを低減し、前記駆動信号が前記第3の強度である場合には、前記駆動信号を前記第1の強度に確立する前に前記駆動信号を前記第2の強度に確立することによって起動遅延を低減し、前記駆動信号の強度が変化するタイミングは各画素期間ごとに異なる、方法。 - 前記光信号ジェネレータはレーザを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記駆動信号の前記第2の強度への変調が、光しきい値より低い、対応する光信号を生成する、請求項1に記載の方法。
- 前記しきい値電流付近または以下である前記駆動信号の持続時間を制御するデューティサイクル制御信号を生成するステップをさらに含む、請求項3に記載の方法。
- 前記駆動信号を生成するステップは、第1の電流レベルと第2の電流レベルと第3の電流レベルとの間で前記駆動信号を切替えるステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 変調は、20MHz以上のレートで行なわれる、請求項5に記載の方法。
- 光信号ジェネレータからの光出力におけるスペックルを低減するための方法であって、
第1の強度が第2の強度とは異なるように前記第1の強度および前記第2の強度に駆動信号を変調することによって駆動信号を生成するステップを含み、前記第1の強度は前記光信号ジェネレータに対するしきい値電流よりも大きく、前記第2の強度は前記光信号ジェネレータに対するしきい値電流付近または前記しきい値電流の値であり、前記第1の強度および前記第2の強度への前記駆動信号の変調は、単一の画素期間中に前記信号が前記第1の強度および前記第2の強度に二度以上変調されるように、前記光信号ジェネレータの単一の画素期間中に連続的に行なわれ、
光信号ジェネレータに前記駆動信号を提供するステップと、
光信号を生成するように、前記駆動信号を用いて光信号ジェネレータを駆動するステップとをさらに含み、単一の画素期間中の前記駆動信号の前記第1の強度から前記第2の強度への複数回の変更が、前記光信号におけるスペックルを低減し、前記駆動信号を前記第1の強度に確立する前に前記駆動信号を前記第2の強度に確立することによって、前記光信号におけるスペックルが低減され、前記駆動信号の強度が変化するタイミングは各画素期間ごとに異なる、方法。 - 前記光信号ジェネレータはレーザを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記第1の強度の駆動信号と前記第2の強度の駆動信号との間で前記駆動信号を切替えることにより、前記光信号ジェネレータは、前記第2の強度の駆動信号を提供された時に誘導放出出力を開始または維持しない、請求項7に記載の方法。
- 制御信号を生成するステップと、
前記制御信号をスイッチに提供するステップとをさらに含み、前記スイッチは、前記制御信号に基づいて第1の信号と第2の信号との切替えを行なう、請求項7に記載の方法。 - しきい値付近は、しきい値電流で光出力パワーを二度もたらす電流として規定される、請求項7に記載の方法。
- 変調は、20MHz以上のレートで行なわれる、請求項7に記載の方法。
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