(57)【要約】【課題】  レーザ・ビームのスペックルを低減する装置（２００）および方法を開示する。【解決手段】  装置（２００）は、ライト・ガイド（４５）と、ライト・ガイドの入力面の高反射鏡（４３）と、ライト・ガイドの出射面の部分反射鏡（４６）と、を含む。コヒーレント・レーザ・ビーム（４０）は、高反射鏡内の開孔（４１）を通してライト・ガイドに導入される。ライト・ガイド（４５）の中で、レーザ・ビーム（４０）は、異なる位相シフトと、異なる偏光状態と、およびレーザ・ビームのコヒーレンス長に等しいか、またはレーザ・ビームのコヒーレンス長よりも大きい経路長差と、あるいは、異なる位相シフト、異なる偏光状態、またはレーザ・ビームのコヒーレンス長に等しいか、またはレーザ・ビームのコヒーレンス長よりも大きい経路長差、を有する複数の連続したビームレットに分離される。ビームレットは、部分反射鏡（４６）を通ってライト・ガイド（４５）から出射して、低減されたスペックルを有する出力レーザ光線を提供する。ライト・ガイド（４５）は、透過材料の中空でないライト・パイプ、または反射内部側壁を有する中空のトンネルでありうる。【選択図】  図２Ｂ
2009512883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面と出射面とを有するライト・ガイドと、
所定の入力量のレーザ・ビームを前記ライト・ガイドに入れるために形成された開孔を有し、前記ライト・ガイドの前記入射面に位置する第１の鏡と、
入射した前記レーザ・ビームの一部を通過させることができ、かつ入射した前記レーザ・ビームの一部を前記ライト・ガイドの中の前記第１の鏡の方へ反射することができ、前記ライト・ガイドの前記出射面に位置する第２の鏡とを含む
ことを特徴とするレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項２】
前記ライト・ガイドが、中空でないライト・パイプと中空のライト・トンネルとからなる群から選択される
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項３】
前記中空のライト・トンネルが、その内部側壁上に反射材料を含む
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項４】
前記第１の鏡と前記第２の鏡との間の距離が、前記所定の入力量のレーザ・ビームのコヒーレンス長の半分のほぼ整数倍である
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項５】
前記第１の鏡と前記第２の鏡との間の距離が、前記所定の入力量のレーザ・ビームのコヒーレンス長の半分未満である
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項６】
前記第１の鏡と前記第２の鏡の間の距離が、前記所定の入力量のレーザ・ビームのコヒーレンス長の少なくとも半分である
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項７】
前記所定の入力量のレーザ・ビームを受け入れるために、当該レーザ・スペックルを低減する装置の光軸上で前記開孔の出口側に、その中心が配置されたレンズをさらに含み、
前記レンズは、所定の円錐角を有する発散レーザ・ビームを作り出す
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項８】
前記レンズが、平凹レンズ、平凸レンズ、平凹マイクロ・レンズ・アレイ、平凸マイクロ・レンズ・アレイ、ホログラフィック・ディフューザ、または非ホログラフィック・ディフューザである
ことを特徴とする請求項７に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項９】
前記第１の鏡と前記第２の鏡の間に設置された波長板をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１０】
前記波長板が、４分の１波長板である
ことを特徴とする請求項９に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１１】
前記第１の鏡と前記第２の鏡の間に設置された透過ディフューザをさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１２】
前記第１の鏡と前記ライト・ガイドの間に設置された反射ディフューザをさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１３】
前記第１の鏡と前記第２の鏡の間に設置された変厚板をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１４】
前記ライト・ガイドと前記第２の鏡の間に設置されたコリメート板をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１５】
前記第２の鏡の前記出射面に設置されたコリメート板をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１６】
前記第２の鏡を組み込むことなく前記ライト・ガイドの前記出射面に設置されたコリメート板をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１７】
前記コリメート板が、開孔板と、マイクロ・ライト・ガイドのアレイとを含む
ことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１８】
前記コリメート板が、マイクロ・レンズのアレイをさらに含む
ことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項１９】
前記コリメート板が、開孔板と、マイクロ・レンズのアレイとを含む
ことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項２０】
前記マイクロ・ライト・ガイドが、中空でないライト・パイプと、中空のトンネルと、前記のものの組み合わせとからなる群から選択される
ことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項２１】
前記中空のトンネルのうちの少なくとも１つの内部側壁が、反射コーティングで被覆されている
ことを特徴とする請求項２０に記載のレーザ・スペックルを低減する装置。
【請求項２２】
入射面と出射面とを有するライト・ガイドを提供するステップと、
開孔が形成されている第１の鏡を、前記ライト・ガイドの前記入射面の位置に提供するステップと、
第２の鏡を、前記ライト・ガイドの前記出射面の位置に提供するステップと、
前記所定の入力量のレーザ・ビームを前記開孔に導き、これにより、低減されたスペックルを有する出力レーザ光線が、前記部分反射鏡から出射するステップとを含み、
前記第１の鏡と前記第２の鏡の間の距離は、所定の入力量のレーザ・ビームのコヒーレンス長の少なくとも半分であり、
前記第２の鏡は、入射した前記レーザ・ビームの一部を通過させることができ、かつ入射した前記レーザ・ビームの一部を前記ライト・ガイドの中の前記第１の鏡の方へ反射することができる
ことを特徴とするレーザ・スペックルを低減する方法。
【請求項２３】
前記ライト・ガイドと前記第２の鏡の間に位置するコリメート板を提供するステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項２２に記載のレーザ・スペックルを低減する方法。
【請求項２４】
前記第２の鏡の前記出射面に位置するコリメート板を提供するステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項２２に記載のレーザ・スペックルを低減する方法。
【請求項２５】
前記ライト・ガイドの前記出射面に位置するコリメート板を提供するステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項２２に記載のレーザ・スペックルを低減する方法。
【請求項２６】
前記コリメート板が、開孔板と、マイクロ・ライト・ガイドのアレイとを含む
ことを特徴とする請求項２３に記載のレーザ・スペックルを低減する方法。
【請求項２７】
前記コリメート板が、マイクロ・レンズのアレイをさらに含む
ことを特徴とする請求項２３に記載のレーザ・スペックルを低減する方法。
【請求項２８】
前記コリメート板が開孔板を含む
ことを特徴とする請求項２７に記載のレーザ・スペックルを低減する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「ライト・ガイド・アレイ、製造方法、およびそれを使用する光学システム」と題する２００３年６月１０日に出願された米国特許出願第１０／４５８，３９０号、「光学ディスプレイ用コンパクト偏光変換システム」と題する２００５年２月２５日に出願された米国特許出願第１１／０６６，６０５号、「ライト・ガイド・アレイを含むコンパクト投影システム」と題する２００５年２月２５日に出願された米国特許出願第１１／０６６，６１６号、および「光リサイクラおよびそれを含むカラー・ディスプレイ・システム」と題する２００５年２月２５日に出願された米国特許出願第１１／０６７，５９１の一部継続である。また、本出願は、「光回復システムおよびそれを使用するディスプレイ・システム」と題する２００４年１２月２２日に出願された米国仮出願第６０／６３９，９２５号の利益を主張する。また、本出願は、本明細書と同日に出願された代理人整理番号０００２４．０００９．ＰＺＵＳ００の「コンパクト集光システム」と題する米国仮特許出願第６０／７１９，１５５号に関連する。上述した出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に、レーザ照明システムに関する。さらに詳細には、本発明は、レーザ・スペックルを低減する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
高輝度、ならびに好ましいスペクトル・ビーム特性および角度ビーム特性を含むレーザの多数の利点により、レーザは、投影ディスプレイ、顕微鏡法、マイクロリソグラフィー、機械視覚、および印刷のような様々な用途に対する魅力的な光源と考えられている。しかしながら、これらのシステムでレーザを使用することに対する１つの欠点は、スペックルである。基本的に、スペックルは、レーザ・ビームの断面強度における好ましくない変動である。レーザ投影システムでは、スペックルは、通常、画像の解像度を低下させて、より不鮮明に見せる。スペックルは、ほとんどのレーザにより放射される光の高次の時間的および空間的コヒーレンスに起因する干渉パターンが原因である。このようなコヒーレント光が、凹凸面で反射されるとき、またはランダムな屈折率変化を有する媒体を通って伝搬するとき、スペックルは、不均一でランダムな光強度分布として現れる。この不均一な輝度は、レーザ照明システムの品質および有用性を低下させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先行技術は、スペックル低減のための様々な技術について記述する。例えば、米国特許第５，２２４，２００号では、ラスムセンらは、図１に示されているようなスペックル低減装置１０を提案する。システムは、レーザとホモジナイザ２８の間の連続的なコヒーレンス遅延線からなる。コヒーレンス線は、全反射鏡２４と、もとのレーザ・ビームのコヒーレンス長の半分の整数倍に等しい距離２５だけ分離された部分反射鏡２２とからなる。レーザ・ビーム２０は、最初に部分反射鏡２２に衝突して、この部分反射鏡２２は、ビームの一部を透過し、残りを全反射鏡２４の方へ反射し、この全反射鏡２４で、このビームの残りが再び部分反射鏡２２の方へ反射される。このプロセスは、反射ビームが部分反射鏡２２を迂回するまで続く。この最後のビームと、部分反射鏡２２を通って透過された一連のビームとは、レンズ２６でホモジナイザ２８に集束される。ホモジナイザ２８に入射するビームは、それらのコヒーレンス長の倍数でオフセットされており、それらの見かけのコヒーレンス長の縮小をもたらし、それによりスペックル量を減少させる。
【０００５】
Ｊ．Ｍ．フローレンスに対する米国特許第５，３１３，４７９号、およびクルシュウィッツらに対する米国特許第６，５９４，０９０Ｂ２号では、可動ディフューザが、スペックル・パターンを除去する、または軽減するために使用される。
【０００６】
Ｈ．キクチに対する米国特許第６，８９７，９９２Ｂ２号では、レーザ・ビームが回転されて、ＳおよびＰ偏光成分に均等に分割される。ＳおよびＰ偏光成分を分離した後に、レーザ・ビームのコヒーレンス長に少なくとも等しい光路差が、適切な遅延手段によりＳおよびＰ偏光成分の間に生成される。また、’９９２特許は、レーザ・ビームを２つ以上の平行なビームレットに分割し、かつビームレットを互いに対して、レーザのコヒーレンス長に少なくとも等しい光路差だけ遅らせる強度分離手段を開示する。
【０００７】
Ｂ．ディンゲルらは、オプティックス・レターの１９９３年４月発行第１８巻第７号の５４９〜５５１ページに掲載された「光フィードバック効果を用いることによる半導体レーザ顕微鏡のスペックルのない画像」で、レーザのスペクトル線幅を広げ、かつ時間とともに変化するマルチモード・スペクトルを有する出力ビームを生成することにより、レーザ・スペックルを除去する方法を教示している。この結果は、鏡と、ビーム・スプリッタと、マルチモード・ファイバとの使用を通して、適度の量のレーザ光線をレーザの空洞の中へ戻すことにより達成される。
【０００８】
スペックル低減の上述した方法は、使用目的によっては有効であるが、それにもかかわらず、それらは以下の欠点、すなわち、移動部分または振動部分、コンパクト性の程度の低さ、長い積分時間、光エネルギーの多大な損失（すなわち、非効率性）、および角度および強度に関する光の空間分布の制御の欠如のうちの１つ以上を有する。
【０００９】
したがって、ディスプレイ・パネルの活性領域のような特定の目標領域全体にわたる強度および角度に関するレーザ光線の空間分布の制御を提供する、簡単、コンパクト、軽量、短い積分時間、かつ効率的なスペックル低減装置に対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の利点は、選択された断面積と、強度および角度の選択された空間分布とを有する出力光ビームを作り出すことができる、比較的コンパクトで、軽量、短い積分時間（または瞬間的積分時間）の、効率的なスペックル低減装置を提供することである。改良されたスペックル低減装置は、様々な寸法および形状を有するレーザ源（例えば、単一レーザまたはレーザ・アレイ）から、様々な形状および寸法の照明対象に効率的に光を接続することができる。また、本発明は、改良されたスペックル低減方法を提供する。
【００１１】
本発明の種々の態様、特徴、実施形態、および利点は、以下の図面および詳細な説明において記述され、または、それらは、以下の図面および詳細な説明を検討すれば、当業者に明らかであり、または明らかになるであろう。これらの態様、特徴、実施形態、および利点のすべては、この説明の中に含まれ、本発明の範囲内にあり、かつ添付クレームで保護され、この添付クレームは最終的に本発明を規定するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の詳細な説明では、図面を参照し、組み込みながら、本発明の１つ以上の具体的な実施形態を説明して、かつ例示する。これらの実施形態は、本発明を制限するためではなく、あくまで本発明の例を示して、教示するために提示されたものであり、当業者が本発明を実施できるようにするために十分詳細に示され、説明されている。したがって、本発明を分かりにくくするのを回避するために適切である場合には、説明では、当業者にとって既知の特定の情報を省略する可能性がある。
【００１３】
少なくともライト・ガイド（例えば、ライト・パイプまたはトンネル）と、高反射鏡（例えば、鏡板）と、部分反射鏡（例えば、鏡板）とを組み込むレーザ・スペックル低減装置の様々な模範的実施形態が、本明細書に開示されている。動作について見ると、スペックル低減装置は、入力レーザ・ビームを、好ましくはレーザ・ビームのコヒーレンス長と少なくとも等しい光路長差だけ互いに分離された、多数のビームレットに分割する。レーザ・スペックル低減装置は、それが静止型である、すなわち、いかなる可動部分または振動部分も含んでいないという点で有利である。
【００１４】
また、本明細書で説明したレーザ・スペックル低減構造のいくつかを具現する模範的ディスプレイ・システムが開示されている。
【００１５】
ここで図を参照すると、図２Ａおよび図２Ｂは、反射側壁を有するようなライト・ガイド４５と、高反射鏡４３と、部分反射鏡４６と、任意の平凹レンズ４２（図２Ｂに示す）とを含むスペックル低減装置２００の実施形態の斜視図および横断面図を示している。部分反射鏡４６は、ライト・ガイド４５の出射面に設置されており、全反射（または少なくとも高反射）鏡４３は、ライト・ガイドの入力面に設置されている。高反射鏡４３内に形成された開孔は、入力レーザ・ビームをライト・ガイド４５の中に導入することを可能とする。
【００１６】
高反射鏡４３は、入射光のすべてまたは大部分を部分反射鏡４６の方へ反射する金属コーティングおよび誘電体コーティング、あるいは金属コーティングまたは誘電体コーティングで作られていることが好ましい。部分反射鏡４６は、入射光の一部を高反射鏡４３の方へ反射して、残りを透過させる誘電体コーティングで作られていることが好ましい。
【００１７】
平凹レンズ４２の機能は、レーザ・ビーム４０の円錐角を所望の円錐角に広げることである。このレンズ４２は、光透過性接着剤を用いて高反射鏡４３に取り付けられている。高反射鏡４３および部分反射鏡４６は、適切な接着剤を用いてライト・ガイド４５の入射面および出射面のそれぞれに取り付けられている。高反射鏡４３と部分反射鏡４６の間の距離Ｌは、入力レーザ・ビーム４０のコヒーレンス長の半分の整数倍に等しいことが好ましい。当業者に明らかなように、レーザのコヒーレンス長は、レーザ・ビームが分割されるとき、干渉が起こるであろう距離である。
【００１８】
ライト・ガイド４５は、研摩表面を有するガラスのような光透過材料で作られた中空でないライト・パイプ、または反射側壁を有する中空のライト・トンネルとすることができ、また、直線状であるかまたは先細になったライト・ガイドとすることができる。ライト・ガイドの長さは、その入射開孔および出射開孔の寸法と、ライト・ガイド４５の中を伝搬する光の円錐角と、伝搬光のコヒーレンス長と、所望の光一様性の程度とに応じて、数ミリメートルから数十ミリメートルまで多岐にわたる。いくつかの好適なライト・ガイドの実施例は、関連米国特許出願の２００３年６月１０日に出願された第１０／４５８，３９０号、および２００５年２月２５日に出願された第１１／０６６，６１６号に記述されており、これらの出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１９】
レーザ光線４０は、図２に示されているように開孔４１を通って任意の平凹レンズ４２に入射する。開孔４１は、レーザ光線４０をライト・ガイド４５の中に導入することを可能にするために全反射鏡４３内に形成されている。開孔４１の寸法および形状は、円形、正方形、長方形、楕円形、または他の任意の形状でありうる。また、任意の平凹レンズのアレイと関連し、かつレーザのアレイに対応する、開孔のアレイを有することも可能である。
【００２０】
平凹レンズ４２は、システム２００の光軸を中心対称軸とする円錐ビーム発散を形成するために使用される。平凸レンズ、平凸マイクロ・レンズ・アレイ、平凹マイクロ・レンズ・アレイ、ホログラフィック・ディフューザ、または非ホログラフィック・ディフューザなど他の種類のレンズを、レンズ４２の機能を実行するために使用することができる。
【００２１】
ビーム４０を作り出す光源は、単色レーザ、多色レーザ（例えば、チューナブルレーザ）、またはあらかじめ組み合わされた単色レーザでありうる。レーザ出力または波長についての制限はなく、例えば、ＵＶ、可視、または赤外線領域でありうる。スペックル低減装置２００は、小さいコヒーレンス長（数ミリメートル）から大きいコヒーレンス長（メートル）まで多岐にわたるコヒーレンス長を有するレーザと共に使用することができる。
【００２２】
レーザ光線４０は、所望の円錐角を有する発散ビーム４４として任意の平凹レンズ４２から出射する。この光４４は、ライト・ガイド４５の中を伝搬するにつれて、空間的により一様になる。この光４４が、最初に部分反射鏡４６に衝突するとき、光４４の一部（すなわち、第１のビームレット）は通り抜けて、スペックル低減装置２００から出射するが、残りは高反射鏡４３の方へ反射される。この反射光のうちの小部分は、開孔４１を通り抜けてスペックル低減装置２００から出射してレーザの方へ向かい、残りは高反射鏡４３により部分反射鏡４６の方へ反射される。この光は部分反射鏡４６に２度目に衝突して、第２のビームレットはスペックル低減装置２００から出射して、残りは高反射鏡４３の方へ反射される。このプロセスは、光ビーム４４が部分反射鏡４６を通ってスペックル低減装置２００から出射するまで続く。
【００２３】
２つの鏡４３および鏡４６が、入力レーザ・ビーム４０のコヒーレンス長の半分の整数倍に好ましくは等しい距離だけ離れているため、部分反射鏡４６から出射するビームレットは、すべてがコヒーレンス長の倍数でオフセットされている。その結果、スペックル低減装置２００から出射するビームレットはインコヒーレントに再結合して、出力再結合ビームのコヒーレンス長の縮小につながる。
【００２４】
例え２つの鏡４３と鏡４６の間の距離がレーザ・ビーム４０のコヒーレンス長の半分未満であったとしても、部分反射鏡４６から出射する各ビームレットは強度および角度に関して互いに同一でない空間分布を有することになり、スペックル・パターンの平均化および低減につながる。任意の平凹レンズ４２は、レーザ光線の空間分布について同一でない度合いを増大させて、その結果、鏡の間隔がコヒーレンス長未満である状況において、スペックルの低減を促進する。
【００２５】
スペックル低減装置２００の他の構成では、２つの鏡４３および鏡４６ならびに開孔４１の寸法は、所要量のレーザ光線をレーザ空洞の中へ戻すことが、レーザのスペクトル線幅を広げて、かつ時間的に変動する線幅スペクトルを作り出すことが可能となるように設計されている。この場合、単一モード・レーザはマルチ・モード・レーザに変えられ、そのマルチ・モード・スペクトルは緩和振動および多重外部空洞モードにより時間とともに変化し、その結果、レーザのコヒーレンス長の縮小および観測されるスペックル・パターンの低減につながる。この光フィードバック効果については、オプティックス・レターの１９９３年４月発行第１８巻第７号の５４９〜５５１ページに掲載された「光フィードバック効果を用いることによる半導体レーザ顕微鏡のスペックルのない画像」で、Ｂ．ディンゲルらによりさらに詳細に記述されており、この文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００２６】
図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ本発明の他の実施形態のスペックル低減装置３００の斜視図および横断面図を示している。装置３００は、ライト・ガイド４５と、高反射鏡４３と、部分反射鏡４６と、波長板４７と、任意の平凹レンズ４２と、を含んでいる。波長板４７は、部分反射鏡の前、または全反射鏡の後に配設されている。波長板は、スペックル低減装置が、レーザ・ビームのコヒーレンス長に少なくとも等しい光路差だけ互いに分離している様々な偏光成分を有するビームレットを送出することを可能にする。
【００２７】
高反射鏡４３と部分反射鏡４６の間の距離Ｌは、レーザ・ビーム４０のコヒーレンス長の半分の整数倍に等しいことが好ましい。波長板４７は、異なる偏光状態と低減されたスペックル・パターンとを有する複数のビームレットをもたらすのに要求される位相遅延を生じさせるために使用される。波長板は、石英およびＭｇＦ２のような単軸結晶の切断され研磨された断片であることが好ましい。単軸結晶では、結晶を通過する光は、１つの結晶軸において、残りの２つの結晶軸とは異なる屈折率および位相遅延を経験する。
【００２８】
スペックル低減装置３００の他の構成では、波長板４７は、高反射鏡４３とライト・ガイド４５の間のシステム３００の反対端に配設されている。
【００２９】
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の他の実施形態のスペックル低減装置４００を示している。装置４００は、レーザ・ビーム４０の偏光成分を、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分（後述する）に分割して、レーザ・ビーム４０のコヒーレンス長以上のＳ偏光成分とＰ偏光成分の間の光路差を生成する。２つの成分は、２つの等しいＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分割されることが好ましい。
【００３０】
スペックル低減装置４００は、先行する実施形態のスペックル低減装置３００の特別な事例であり、偏光レーザ光線４０をいかなる遅延も経験することなくライト・ガイド４５に最初に導入するため、開口部を有する４分の１波長板４７ａを利用する。板４７ａは、高反射鏡４３とライト・ガイド４５の間に配設されている。偏光レーザ光線４４は部分反射鏡４６に衝突して、Ｓ偏光成分（またはレーザおよびその方向次第でＰ偏光成分）を有する第１のビームレットは透過されて、残りは高反射鏡４３の方へ反射される。中空でないライト・パイプまたは中空のライト・トンネル４５内を１往復する間に、光は４分の１波長板４７ａを２度通過して、その偏光状態は９０度ほど回転される。その結果、第２の透過ビームレットは、第１のビームレットの偏光成分と直交するＰ偏光成分を有して出射する。連続するビームレットは、Ｐ状態とＳ状態の間を交互に繰り返す直交偏光状態を有するであろう。２つの鏡４３および鏡４６が、レーザ・ビーム４０のコヒーレンス長の半分の整数倍に好ましくは等しい距離だけ分離されているため、部分反射鏡４６から出射するビームレットは、すべてがビームレットのコヒーレンス長の倍数でオフセットされている。その結果、スペックル低減装置４００から出射するビームレットはインコヒーレントに再結合して、再結合ビームのコヒーレンス長の縮小につながる。
【００３１】
スペックル低減装置４００の他の構成では、４分の１波長板４７ａは、部分反射鏡４６とライト・ガイド４５の間に配設されている。この構成では、レーザ・ビーム４０は、円偏光成分が４分の１波長板４７ａに衝突するように最初に回転されて、結果として直線偏光成分を有する第１のビームレットが部分反射鏡４６から出射することになる。中空でないライト・パイプまたは中空のライト・トンネル４５内を１往復する間に、光は４分の１波長板４７ａを２度通過して、その偏光状態は９０度ほど回転される。その結果、第２の透過ビームレットは、第１のビームレットの偏光成分と直交する偏光成分を有して出射する。連続するビームレットは、Ｐ状態とＳ状態の間を交互に繰り返す直交偏光状態を有するであろう。
【００３２】
レーザ・ビーム４０は、最初に、例えば、高反射鏡４３の直前にもう一つの４分の１波長板を配設することにより、円偏光成分を生成するように回転されうる。その後、円偏光成分は、口径４１を通ってスペックル低減装置４００の中に入る。
【００３３】
図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ本発明の他の実施形態のスペックル低減装置５００の斜視図および横断面図を示している。装置５００は、ライト・ガイド４５と、高反射鏡４３と、部分反射鏡４６と、任意の波長板４７と、透過ディフューザ４８ａと、任意の平凹レンズ４２とを含んでいる。ディフューザは、レーザ・ビームを受け取って、所望の角度パターンに光を再分布させることができる回折光学要素の一種である。ホログラフィおよびバイナリ・オプティクスを含む種々の方法を用いてディフューザを作ることができる。ディフューザは、それらの種類および材料に応じて偏光に異なる影響を与える。透過ディフューザ４８ａは、異なる位相シフトと低減され平均化されたスペックル・パターンとを有するビームレットの透過をもたらすために望まれる値の位相シフトを生じさせるために使用される。
【００３４】
高反射鏡４３と部分反射鏡４６の間の距離Ｌは、レーザ・ビーム４０のコヒーレンス長の半分の整数倍に等しいことが好ましい。
【００３５】
スペックル低減装置５００の他の構成では、透過ディフューザ４８ａは、任意の波長板４７とライト・ガイド４５の間に配設されている。
【００３６】
図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ本発明の他の実施形態のスペックル低減装置６００の斜視図および横断面図を示している。装置６００は、ライト・ガイド４５と、部分反射鏡４６と、任意の波長板４７と、反射ディフューザ４８ｂと、任意の平凹レンズ４２と、を含んでいる。反射ディフューザは、入射した光ビームを（透過ディフューザ４８ａの場合のように）透過させるよりむしろ、反射光が所望の角度分布を有するように反射する。ディフューザとして働くことに加えて、反射ディフューザ４８ｂは、高反射鏡４３の機能を実行する。
【００３７】
図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ本発明の他の実施形態のスペックル低減装置７００の斜視図および横断面図を示している。装置７００は、ライト・ガイド４５と、高反射鏡４３と、部分反射鏡４６と、任意の波長板４７と、変厚板４９と、任意の平凹レンズ４２と、を含んでいる。変厚板４９は、異なる位相シフトと低減されたスペックル・パターンとを有するビームレットの透過をもたらす光ビームの中で可変位相シフトを生じさせるために使用される。変厚板４９は、表面領域全体にわたって一定またはランダムな厚さ変化を有している。このような変化は、階段状であるか、または滑らかである場合があり、光ビームの角度分布を再配置しない。
【００３８】
高反射鏡４３と部分反射鏡４６の間の距離Ｌは、レーザ・ビーム４０のコヒーレンス長の半分の整数倍に等しいことが好ましい。
【００３９】
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の他の実施形態のスペックル低減装置８００の斜視図および横断面図を示している。装置８００は、ライト・ガイド４５と、任意の波長板４７と、任意の変厚板４９と、任意の平凹レンズ４２と、コリメート板５０とを含んでいる。光コリメータとして働くことに加えて、コリメート板５０は、部分反射鏡４６の機能を実行する。さらに具体的に述べると、コリメート板５０は、ライト・ガイド４５の出射面の部分反射鏡として使用することができ、コリメート板５０の表面上の各点における送出される光の強度および角度を制御する。
【００４０】
任意の変厚板４９は、任意の透過ディフューザで置き換えることができる。また、高反射鏡４３と任意の変厚板４９の両方を反射ディフューザに置き換えることも可能である。
【００４１】
図９Ａは、図８Ａおよび図８Ｂのコリメート板５０の詳細斜視図である。コリメート板５０は、開孔板３４ａと、マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂと、マイクロ・レンズ・アレイ３４ｃと、を含んでいる。各マイクロ・レンズは、マイクロ・ガイドとマイクロ開孔とに対応している。図９Ｄに示されているように、開孔板３４ａは、所望のレーザ波長を非常によく透過する透過材料３４ａ１で作られた板を含んでいる。板の上面は、その上に塗布されたパターン形成された高反射コーティング３４ａ２を有する。
【００４２】
マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂおよびマイクロ・レンズ・アレイ３４ｃの斜視図が、図９Ｃに示されている。マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂとマイクロ・レンズ・アレイ３４ｃの両方は、単一ガラス板上に作られている。開孔板３４ａ、マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂ、およびマイクロ・レンズ・アレイ３４ｃの横断面図が、図９Ｂに示されている。レーザの偏光状態を保持することが重要である用途では、マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂの中のマイクロ・ガイドの側壁を、マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂに入出射する光の偏光状態が保持されるように方向付けることができる。
【００４３】
開孔板３４ａ、マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂ、およびマイクロ・レンズ・アレイ３４ｃの中の各マイクロ要素（例えば、マイクロ・ガイド、マイクロ・レンズ、またはマイクロ・トンネル）の設計パラメータは、入射開孔および出射開孔の形状および寸法、奥行き、側壁形状およびテーパ、ならびに方向を含んでいる。開孔板３４ａ、マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂ、およびマイクロ・レンズ・アレイ３４ｃの中のマイクロ要素は、一様な、非一様な、ランダムな、または非ランダムな配置を有することができ、その個数は、１個のマイクロ要素から数百万個まで多岐にわたるとともに、各マイクロ要素は、その設計パラメータにおいて異なりうる可能性がある。各マイクロ要素の入射／出射開孔の寸法は、可視光線を用いる適用物では、光回折現象を回避するために５μｍ以上であることが好ましい。しかしながら、入射／出射開孔の寸法が５μｍ未満であるマイクロ要素を設計することも可能である。このような適用物では、強度、視野角、および特定領域上の色に関して一様な光分布を提供するために、設計は、回折現象およびこのようなスケールにおける光の挙動を考慮すべきである。このようなマイクロ要素は、１次元アレイ、２次元アレイ、円形アレイとして配置されうるとともに、個々に位置決めされ、または方向付けされうる。さらに、コリメート板５０は、ライト・ガイド４５の出射面よりも小さい寸法を有することができ、その形状は、長方形、正方形、円形、または他の任意形状でありうる。
【００４４】
コリメート板５０の動作は、以下のように説明される。コリメート板５０に衝突する光の一部は開孔板３４ａの開口部を通って進み、残りは高反射コーティング３４ａ２により後方へ反射される。マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂに入射した光は、マイクロ・ガイドの中で全内反射を経験して、マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂから出射するときには非常に平行になっている。この平行光は、屈折により、より平行にされた光としてマイクロ・レンズ・アレイ３４ｃから出射する。この高水準の平行化に加えて、コリメート板５０は、各マイクロ要素の位置における強度および円錐角に関して送出される光の分布を制御する。
【００４５】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、スペックル低減装置８００と共に使用することができる他のコリメート板６０の斜視図および横断面図を示している。コリメート板は、マイクロ・ガイド・アレイ３４ｂと、開孔板３４ａと、を含んでいる。
【００４６】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、スペックル低減装置８００と共に使用することができる他のコリメート板７０の上面図および横断面図を示している。コリメート板７０は、中空のマイクロ・トンネル・アレイ３７ｂと、開孔アレイ３７ａとを含んでいる。各マイクロ・トンネルの内部側壁３８ｂ（図１１Ａの分解図）は、高反射コーティング３９ｂ（図１１Ｂ）で被覆される。コリメート板７０に衝突する光の一部は、中空のマイクロ・トンネル・アレイ３７ｂに入射して、反射により平行にされる。この光の残りは、開孔板３７ａの高反射コーティング３９ａにより後方へ反射される。コリメート板７０の利点は、コンパクト性、およびそのマイクロ・トンネルの入射開孔３８ａおよび出射開孔３８ｃに反射防止（ＡＲ）コーティングを必要とすることなく光の高透過効率を達成する点である。
【００４７】
図１２Ａ〜図１２Ｃは、スペックル低減装置８００と共に使用することができるコリメート板８０の他の構成の斜視図（一体化および分解）および横断面図を示している。コリメート板８０は、開孔板７４ａと、単板上に作られたマイクロ・レンズ・アレイ７４ｃと、を含んでいる。コリメート板８０では、マイクロ・レンズ・アレイ７４ｃは、屈折により送出される放射の平行化機能を実行する。
【００４８】
実施例のコリメート板５０、６０、７０、および８０のようなコリメート板の構成、製造、および動作の付加的な詳細は、関連米国特許出願の２００３年６月１０日に出願された第１０／４５８，３９０号、および２００５年２月２５日に出願された第１１／０６６，６１６号、ならびに代理人整理番号０００２４．０００９．ＰＺＵＳ００の「コンパクト集光システム」と題する米国仮特許出願第６０／＿＿＿号に与えられており、これらの出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４９】
図１３は、円形または楕円形のレーザ・ビーム９５１よりむしろ光９５５の線を受け入れるスペックル低減装置１０００を示している。成形光学系９５２は、１つ以上のレーザ９５０から放射される円形または楕円形のレーザ・ビーム９５１を、すべての光線が光軸（すなわち、ｚ軸）に平行である光９５３の平行線に変換する。円柱レンズ９５４は、光９５３のこの平行線を、高反射鏡９６１内に形成された長方形開孔９６０に集束させる。成形光学系９５２のいくつかの実施例は、Ｊ．Ｉ．トリスナディに対する米国特許第６，３２３，９８４Ｂ１号に記述されており、この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。部分反射鏡は、スペックル低減装置１０００から出射する光の円錐角（ｚ軸に対する）を減少させる一次元コリメート板９６６であることが好ましい。また、任意の波長板９６５および変厚板９６２が、図１３に示されている。ライト・ガイド９６４の長さは、もとのレーザ・ビーム９５１のコヒーレンス長の半分の整数倍に等しいことが好ましい。
【００５０】
図１４Ａは、エッジ・ライト式ダイレクト・ビュー液晶ディスプレイで使用されるスペックル低減装置１２００の上部平面図である。この用途では、マイクロ要素板１１００は、光が最初にスペックル低減装置１２００を通過した後に、レーザ１１５０のレーザ・ビーム１１５１をライト・ガイド板１１２０の縁端部に沿って一様に分散するために利用される。スペックル低減装置１２００は、本明細書に開示したスペックル低減装置２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００のいずれかを含んでいる。
【００５１】
図１４Ｂは、図１４ＡのＬＣＤシステムの分解斜視側面図である。反射底部側１１２１を有する板１１２０は、通常、ダイレクト・ビュー液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）において、光源からの光をライト・ガイド板１１２０の上部に配設されたディスプレイ・パネルに接続するために使用される。スペックル低減装置１２００から出射するレーザ光線１１５２は、ライト・ガイド１１１０に入射して、ライト・ガイド１１１０の反対端の方へ伝搬する。マイクロ要素板１１００は、図１４Ａおよび図１４Ｂに示されているようにライト・ガイド１１１０に取り付けられている。
【００５２】
マイクロ要素板１１００の表面上に形成された数百万個のマイクロ要素（例えば、マイクロ・レンズ、マイクロ・ガイド、マイクロ・トンネル）は、光１１５２をライト・ガイド板１１２０に接続するために使用される。接続された光は、光１１５３としてライト・ガイド板１１２０に入射して、ライト・ガイド板１１２０から＋Ｙ方向にディスプレイ・パネルの方へ引き出される。マイクロ要素は、マイクロ要素板１１００に沿って非一様に分散されており、それらの密度は、マイクロ要素板１１００の後端部に向かうほど大きくなる。後端部の方へ伝搬するにつれて光強度が低下するため、この形態の非一様なマイクロ要素分布は、ライト・ガイド板１１２０の縁端部に沿って一様な光分布をもたらす。マイクロ要素板１１００の後端部は、光漏れを回避するために高反射層１１１１で被覆されていることが好ましい。
【００５３】
図１４Ｃは、マイクロ要素板１１００の一実施例として板２１００を示している。光１１５２がライト・ガイド１１１０の中を伝搬するとき、光１１５２は板２１００のマイクロ・ガイド２１００ａに入射して、マイクロ・ガイド２１００ａの側壁に衝突する。マイクロ・ガイド側壁に衝突した光は、ライト・ガイド板１１２０の方へ屈折される。マイクロ要素板１１００の設計、動作、および製造については、関連米国特許出願の２００３年６月１０日に出願された第１０／４５８，３９０号、および２００５年２月２５日に出願された第１１／０６６，６１６号に記述されている。
【００５４】
また、単板上に一体化したマイクロ要素板１１００とライト・ガイド１１１０とを有することも可能である。
【００５５】
図１４Ｄは、ライト・ガイド板１１２０の他の可能な設計として板２１２０を示している。板２１２０の一実施態様では、高反射性の白い塗料が、その裏面２１２０ｂに塗布される。板２１２０の中を伝搬する光１１５３は、白い塗料に衝突するとき拡散される。拡散光の大半は、（何回も白い塗料に衝突した後に）最後には、その前面２１２０ａを通って（＋Ｙ方向に）板２１２０から出射することになり、ディスプレイ・パネル（または光平行化のために、通常、ディスプレイ・パネルとライト・ガイド板２１２０の間に配設されている輝度増強被膜）に入射する。
【００５６】
板２１２０は、白い塗料を使用せずに、その前面部２１２０ａおよび背面部２１２０ｂ上、あるいは前面部２１２０ａまたは背面部２１２０ｂ上にマイクロ要素を用いて実施されうる。このような設計は、先行技術で知られている。ライト・ガイド１１１０と、マイクロ要素板１１００および板２１００と、ライト・ガイド板１１２０および板２１２０とは、ガラスまたは高分子のような光透過材料で作られている。
【００５７】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、赤色、緑色、および青色レーザと、透過マイクロ・ディスプレイとを利用する照明システム１５００を示している。システム１５００は、３つのコヒーレント光源１Ａ、１Ｂ、および１Ｃと、３つの二色性ビーム・スプリッタ２Ａ、２Ｂ、および２Ｃと、レーザ・スペックル低減装置１４００と、透過ディスプレイ１４１０とを含んでいる。スペックル低減装置１４００は、本明細書に開示したスペックル低減装置２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００のいずれかを含んでいる。
【００５８】
３つのコヒーレント光源は、例えば、フル・カラー・ディスプレイを作るために順番に切り替えられるレーザとするすことができ、１Ａが赤色レーザ、１Ｂが緑色レーザ、および１Ｃが青色レーザとすることができる。３つのコヒーレント光源１Ａ、１Ｂ、および１Ｃが、切り替えられるよりむしろ連続的に作動されるとき、透過マイクロ・ディスプレイは、フル・カラー・ディスプレイ画像を作るために、その構造内に赤色、緑色、および青色カラー・フィルタを利用するであろう。赤色レーザ１Ａ、緑色レーザ１Ｂ、および青色レーザ１Ｃは、二色性ビーム・スプリッタ２Ａ、２Ｂ、および２Ｃを用いて合成される。ビーム・スプリッタ２Ａは、高反射鏡または赤色を反射する二色性ビーム・スプリッタとすることができる。ビーム・スプリッタ２Ｂは、レーザ１Ａからの赤色を通過させて、レーザ１Ｂからの青色を反射する二色性ビーム・スプリッタであり、ビーム・スプリッタ２Ｃは、赤色と青色を通過させるとともに、レーザ１Ｃからの緑色を反射する二色性ビーム・スプリッタである。
【００５９】
図１５Ｂは、透過マイクロ・ディスプレイ１４１０の横断面図であり、この透過マイクロ・ディスプレイ１４１０は、例えば、高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ）または低温ポリシリコン・ベースのマイクロ・ディスプレイでありうる。各ピクセル１４１１は、光が通過することができる開口部領域１４１１ｂと、入射光をレーザ・スペックル低減装置１４００の方へ反射する高反射領域１４１１ａとを有する。各ピクセル１４１１の配線およびトランジスタ領域１４１１ｃは、高反射領域１４１１ａの後方に隠されている。
【００６０】
図１５Ｃは、フル・カラー・ディスプレイを作るために単一のチューナブル・レーザ１Ｄを利用する照明システム１５５０を示している。このシステム１５５０では、図１５Ａの３つの二色性ビーム・スプリッタ２Ａ、２Ｂ、および２Ｃが取り除かれている。
【００６１】
図１５Ｄは、フル・カラー・ディスプレイを作るために、赤色レーザ１Ａ、緑色レーザ１Ｂ、および青色レーザ１Ｃと、３つのスペックル低減装置１４００ａ、１４００ｂ、および１４００ｃと、３つの透過マイクロ・ディスプレイ１４１０ａ、１４１０ｂ、および１４１０ｃと、クロス・ダイクロイック・プリズム１４２０と、映写レンズ１４３０と、スクリーン１４４０と、を利用する投影システム１６００を示している。
【００６２】
スペックル低減装置１４００ａ〜１４００ｃは、本明細書に開示したスペックル低減装置２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００のいずれかを含んでいる。
【００６３】
この投影システム１６００では、赤色レーザ１Ａ、緑色レーザ１Ｂ、および青色レーザ１Ｃは、それらの対応する透過マイクロ・ディスプレイ１４１０ａ、１４１０ｂ、および１４１０ｃを連続的に照明する。３つの透過マイクロ・ディスプレイ１４１０ａ（赤色）、１４１０ｂ（緑色）、および１４１０ｃ（青色）は、画像信号に基づいて赤色、緑色、および青色の光をそれぞれ調節する。クロス・ダイクロイック・プリズム１４２０は、十字の形態に配置された、赤色光を反射する多層誘電体フィルム・スタック１４２０ａと、青色光を反射する多層誘電体フィルム・スタック１４２０ｂとを有する。フィルム・スタック１４２０ａおよび１４２０ｂは、Ｙ軸に沿って延びる中心軸１４２０ｃで交差している。クロス・ダイクロイック・プリズム１４２０により合成された光は、映写レンズ１４３０に送られて、次にこの映写レンズ１４３０が、この光（すなわち、画像）をスクリーン１４４０上に投影する。
【００６４】
図１５Ｄの投影システム１６００は、マイクロ・ディスプレイに赤色、緑色、および青色を提供するために、コヒーレント（例えば、レーザ）光源と、非コヒーレント（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびアーク・ランプ）光源との組み合わせを利用する。緑色および赤色レーザ（これらは、一般に、好適な出力レベルおよび許容できる価格で利用可能である）に比較して、青色レーザは非常に高価であるため、異なる種類の光源の使用におけるこの柔軟性は、緑色および赤色レーザを利用するとともに、青色に対して他の非コヒーレント源を使用するという利点を有している。この構成では、ＬＥＤ光と集束されたアーク・ランプ光の両方、またはそのいずれか一方が、高反射鏡の開孔を通してシステム１４００ａおよび１４００ｂに供給されている。ＬＥＤおよびアーク・ランプは非コヒーレント光を放射するため、システム１４００ａおよび１４００ｂは、スペックル低減機能を提供しないであろうが、それでもなお依然として、残りの利点を提供するであろう。アーク・ランプ光は、楕円反射鏡または放物面反射鏡とその後に続く集束レンズを用いて、高反射鏡の開孔に集束されうる。ＬＥＤ自体は、機械的にまたは好適な接着剤を用いて、高反射鏡の開孔に取り付けることができる。図１５Ｄの投影システム１６００の透過マイクロ・ディスプレイは、複数の種類および解像度でありうる。例えば、青色光を受け取る透過マイクロ・ディスプレイ１４１０ｃは、残りの２つの透過マイクロ・ディスプレイ１４１０ａおよび１４１０ｂと比較して低解像度を有しうる。人の目は緑色および赤色に比較して青色に対する感度が低いため、この配置は、投影システムの画質を落とすことなく、費用低減をもたらす。
【００６５】
照明システム１５００、１５５０および投影システム１６００の他の構成では、透過マイクロ・ディスプレイ１４１０、１４１０ａ、１４１０ｂ、および１４１０ｃは、それら自体がスペックル低減装置１４００、１４００ａ、１４００ｂ、および１４００ｃ内で部分反射鏡として使用されるため、スペックル低減装置２００、３００、４００、５００、６００、および７００内の特別な部分反射鏡４６の必要性、またはスペックル低減装置８００内のようなコリメート板５０の必要性を無くする。
【００６６】
上述した照明システム１５００、１５５０、および投影システム１６００の利点としては、スペックル除去、高コンパクト性、および高輝度などがある。これらの照明システム１５００、１５５０、および投影システム１６００を利用するディスプレイ・システムの輝度は、ピクセル１４１１の口径比が縮小されたときでも、従来システムの輝度よりも高い。口径比は、ピクセル１４１１の開口部領域１４１１ｂ（図１５Ｂ）とピクセル１４１１の全面積の比率である。スペックル低減装置１４００の中でピクセル１４１１（図１５Ｂ）の高反射領域１４１１ａに衝突する光を、それがピクセルの開口部領域１４１１ｂを通過するまで再循環する結果、より高い輝度が得られる。この輝度の向上は、透過マイクロ・ディスプレイの輝度を高めるためにマイクロ・レンズ・アレイ（ＭＬＡ）を必要とすることなく達成される。ＭＬＡ内の各マイクロ・レンズは、透過マイクロ・ディスプレイ内で使用されて、入射した光を対応するピクセルの開孔に集束させることによりディスプレイ輝度を高める。輝度の向上（これは口径比からほぼ独立している）は、ピクセル寸法およびマイクロ・ディスプレイ寸法の一層の縮小を可能にし、その結果、マイクロ・ディスプレイの費用および投影システムの費用の削減を可能にする。
【００６７】
図１６は、マイクロ・レンズ・アレイ（ＭＬＡ）１６２１を備えている液晶マイクロ・ディスプレイ１６５０の横断面図である。液晶マイクロ・ディスプレイ１６５０は、それ自体が静的なスペックル低減装置１４００、１４００ａ、１４００ｂ、および１４００ｃ内で部分反射鏡として使用されるため、静的なスペックル低減装置２００、３００、４００、５００、６００、および７００内の特別な部分反射鏡４６の必要性、または静的なスペックル低減装置８００内のようなコリメート板５０の必要性を無くする。
【００６８】
液晶マイクロ・ディスプレイ１６５０は、少なくとも１つの液晶セル１６３０と、マイクロ・レンズ・アレイ１６２１と、１対の偏光子１６２０および１６２９と、を含んでいる。
【００６９】
液晶セル１６３０は、透明電極基板１６２８と、透明対抗基板１６２３と、透明電極基板１６２８および透明対抗基板１６２３の両方の間にはさまれた液晶層１６２６とを有している。薄膜トランジスタ１６３５およびピクセル電極１６２７は、各ピクセルに対して透明電極基板１６２８上に作られている。共通電極１６２５は、対抗基板１６２３上に作られている。高反射層１６２４は、透明対抗基板１６２３と共通電極１６２５の間に設けられている。高反射層１６２４は、各ピクセル電極１６２７に対応する開孔（すなわち、光透過開口部）１６２４Ａを有している。
【００７０】
各ピクセルは、１つのピクセル電極１６２７と、共通電極１６２５と、ピクセル電極１６２７および共通電極１６２５の両方の間にはさまれた液晶層１６２６とからなる。あるいは、高反射層は、液晶セル１６３０の入射面（すなわち、透明対抗基板１６２３の上面）上に、または透明電極基板１６２８上に、設けられうる。
【００７１】
マイクロ・レンズ・アレイ１６２１は、結合層１６２２を介して透明対抗基板１６２３の上方側に取り付けられている。マイクロ・レンズ・アレイ１６２１は、複数のマイクロ・レンズ１６２１ａを有している。マイクロ・レンズ・アレイ１６２１は、対応する開孔１６２４Ａの中心軸から片寄った位置に好ましくは配置されている同心（または非同心）レンズを含んでいる。
【００７２】
マイクロ・レンズ・アレイ１６２１に入射する光は、複数のマイクロ・レンズ１６２１ａによりサブ・ビームに分割される。遮るものがない視野方向ＶＤ（それが通常最も大きい画像コントラストをもたらす）に平行な各サブ・ビーム１６１０ａは、対応するピクセル電極１６２７の近傍に集束されて、開孔１６２４Ａと、液晶層１６２６と、ピクセル電極１６２７と、透明電極基板１６２８と、偏光子１６２９とを通過する。また、サブ・ビーム１６１０ａの入射角と左右対称の入射角を有するサブ・ビーム１６１０ｂのような、遮るものがない視野方向ＶＤに平行ではない光は、対応するピクセル電極１６２７の近傍に集束されて、光は高反射層１６２４Ｂに衝突する。このサブ・ビーム１６１０ｂは、後方に反射されて、静的なスペックル低減装置１４００、１４００ａ、１４００ｂ、および１４００ｃの中で再循環される。この反射光は、（静的なスペックル低減装置１４００、１４００ａ、１４００ｂ、および１４００ｃの中で１度再循環された後）液晶マイクロ・ディスプレイ１６５０に２度目の衝突をして、この反射光は、遮るものがない視野方向ＶＤに沿って出射する可能性を有し、その結果、マイクロ・ディスプレイおよび投影システムのコントラストを向上させる。この再循環プロセスは、光の大部分が、遮るものがない視野方向ＶＤに出射するまで続く。液晶マイクロ・ディスプレイ１６５０は、白黒画像またはカラー画像を表示するように製作できる。
【００７３】
マイクロ・レンズ・アレイ（ＭＬＡ）１６２１は、透過マイクロ・ディスプレイのコントラスト比を向上させる利点を有する。このようなマイクロ・ディスプレイは、米国特許第６，１９５，１４３Ｂ１号で小川により、および米国特許第６，８２５，８８９Ｂ１号で斉藤らにより議論されており、これらの特許は、参照により本明細書に組み込まれる。より良い光カップリング効率を有するために、マイクロ・ディスプレイ内で使用される遮光は高反射層であることが好ましい。
【００７４】
図１７は、静的なスペックル低減装置１７１０の入力に可動ディフューザ１７２０を含むスペックル低減装置１７５０を示している。静的なスペックル低減装置１７１０は、静的なスペックル低減装置２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、１０００、１２００、１４００、１４００ａ、１４００ｂ、および１４００ｃのいずれかでありうる。図１５Ｄの投影システム１６００の場合には、３つの可動または振動ディフューザが必要である。可動ディフューザ１７２０は、全体を１７３０で示す移動手段により、その平面内で、回転運動、振動運動、または他の運動で動かされる。回転運動は、モータまたはコイルで提供されうる。あるいは、振動運動は、交番信号源で駆動され、必要な振動を作り出すピエゾ変換器を用いて提供されうる。
【００７５】
可動ディフューザ１７２０は、スペックル・パターンまたはスペックル・ノイズの一層の低減を可能にして、それにより、静的なスペックル低減装置１７１０の設計を簡素化するとともに、光学効率を高める。
【００７６】
図１８は、静的なスペックル低減装置１７１０の出力に、可動ディフューザ１７２０を利用するスペックル低減装置１８５０を示している。静的なスペックル低減装置１７１０および可動ディフューザ１７２０については上述されている。このスペックル低減装置１８５０では、可動ディフューザ１７２０は、付加的なスペックル低減を提供する。投影ディスプレイ・システムでは、可動ディフューザを中間像面に配設することが好ましい。長距離投影システムでは、可動ディフューザは、スクリーンに接合する位置に配設されることが好ましい。
【００７７】
スペックルを低減する他の装置は、本明細書に開示した性的なスペックル低減装置２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、１０００、１２００、１４００、１４００ａ、１４００ｂ、および１４００ｃと共に、それらの入力側または出力側で使用することができる。これらの装置の実施例は、参照により本明細書に組み込まれるラマヌジャンらに対する米国特許第６，７９１，７３９号に記述されているような電気光学装置と、流動流体ディフューザと、非流動流体ディフューザと、参照により本明細書に組み込まれるハーギスらに対する米国特許第５，５３４，９５０号に記述されているような首振り拡散板とを使用することを含んでいる。
【００７８】
流動流体ディフューザは、その間に非常に混濁した流体が流れている１対の接近して離間したガラス板を含む。このような混濁した流体の実施例は、リキッド・ペーパー（登録商標）である。この技術は、適度の流量でスペックルを除去できる。非流動流体ディフューザでは、スペックルは、流動または可動部分なしに除去される。寸法が十分小さい粒子の存在は、流体ディフューザ内に、まさしく浮遊している。この現象は、散乱粒子のブラウン運動に起因する。
【００７９】
また、静的なスペックル低減装置２００、３００、４００、５００、６００、７００，８００、１０００、１２００、１４００、１４００ａ、１４００ｂ、および１４００ｃは、さらにスペックルを低減するために振動スクリーンと共に使用されうる。
【００８０】
あるいは、部分反射鏡（例えば、透過マイクロ・ディスプレイでありうる）を、さらにスペックルを低減するために振動運動または他の運動で動かすことができる。この場合、部分反射鏡は、ライト・トンネル／ライト・パイプにしっかりと取り付けられることなく、ライト・トンネル／ライト・パイプに近接して配置されている。
【００８１】
液晶マイクロ・ディスプレイ２０００が、図１９Ａに示されている。図１９Ｂは、部分反射板として液晶マイクロ・ディスプレイ２０００を利用するスペックル低減装置２１００を示している。
【００８２】
図１９Ａは、マイクロ・ガイド・アレイ２６２１と、透明電極基板２６２８と、透明対抗基板２６２３と、マイクロ・ガイド・アレイ２６２１と透明対抗基板２６２３の間にはさまれた液晶層２６２６とからなる液晶マイクロ・ディスプレイ２０００の一部の拡大横断面図である。薄膜トランジスタ２６３５およびピクセル電極２６２７ｂは、各ピクセルに対して透明電極基板２６２８上に作られている。共通電極２６２５は、透明対抗基板２６２３上に作られている。高反射層２６２４は、透明電極基板２６２８と薄膜トランジスタ２６３５の間に設けられている。高反射層２６２４は、各ピクセル電極ベース２６２７ａに対応する開孔（すなわち、光透過開口部）２６２４Ａを有している。
【００８３】
各ピクセルは、１つのピクセル電極２６２７ｂと、ピクセル電極ベース２６２７ａと、ピクセル電極コネクタ２６２７ｃと、共通電極２６２５と、ピクセル電極２６２７ｂおよび共通電極２６２５の両方の間にはさまれた液晶層２６２６とからなる。ピクセル電極コネクタ２６２７ｃおよびピクセル電極ベース２６２７ａは、両方共、薄膜トランジスタ２６３５とピクセル電極２６２７ｂとの間の電気的接触を提供するために使用される。ピクセル電極コネクタ２６２７ｃは、各マイクロ・ガイド２６２１ａの側壁および入射開孔（すなわち、ピクセル電極ベース２６２７ａに面するマイクロ・ガイド２６２１ａ側）上に蒸着される。
【００８４】
マイクロ・ガイド・アレイ２６２１は、最初に、キャリヤ基板（図示せず）上に作られて、その後、隣接するマイクロ・ガイド間の領域が、マイクロ・ガイド２６２１ａ材料の屈折率よりも好ましくは小さい屈折率を有する充填材料２６２２で充填される。充填材料２６２２は、平坦化されて、その後、薄膜トランジスタ２６３５のアレイの厚さ以上のところまでバック・エッチングされる。その後、キャリヤ基板の上方側（すなわち、マイクロ・ガイド・アレイ２６２１側）は、結合層（図示せず）を介して透明電極基板２６２８の上方側に付着される。マイクロ・ガイド・アレイ２６２１は、対応する開孔２６２４Ａの中心軸に好ましくは位置付けられた複数のマイクロ・ガイド２６２１ａを有している。キャリヤ基板の上端側は、ピクセル電極コネクタ２６２７ｃが露出するまで除去されるか、またはエッチングされる。このステップの次にピクセル電極２６２７ｂの蒸着が続き、ピクセル電極２６２７ｂを確実にピクセル電極コネクタ２６２７ｃに重ね合わせて、ピクセル電極２６２７ｂに電気的接触を提供するようになされている。
【００８５】
マイクロ・ガイド・アレイ２６２１に入射する光は、複数のマイクロ・ガイド２６２１ａによりサブ・ビームに分割される。各サブ・ビーム２６１０ａは、マイクロ・ガイド２６２１ａにより平行にされて、ピクセル電極２６２７ｂに送出される。平行化は全内反射により行われる。マイクロ・ガイド２６２１ａが、ピクセル電極コネクタ２６２７ｃと充填材料２６２２との間について、またはマイクロ・ガイド２６２１ａの側壁自体とピクセル電極コネクタ２６２７ｃとの間について、付加的な反射層で被覆されるとき、平行化は鏡面反射により行われる。平行光は、ピクセル電極２６２７ｂと、液晶層２６２６と、共通電極２６２５と、透明対抗基板２６２３と、偏光子２６２０とを通過する。開孔２６２４ａを通って入射しない光線２６１０ｂのような光は、高反射層２６２４Ｂにより逆向きに反射される。この光線２６１０ｂは、後方に反射されて、図１９Ｂの本発明の静的なスペックル低減装置１４００の中で再循環される。この反射光は、（静的なスペックル低減装置１４００の中で１度再循環された後）液晶マイクロ・ディスプレイ２０００に２度目の衝突をして、この反射光が、開孔２６２４ａを通過する可能性を有する。この再循環プロセスは、光の大部分が開孔２６２４ａを通って出射するまで続く。液晶マイクロ・ディスプレイ２０００は、白黒画像またはカラー画像を表示するように製作できる。
【００８６】
液晶マイクロ・ディスプレイ２０００の利点は、その高い光透過効率、ハイコントラスト、および従来の液晶マイクロ・ディスプレイと比較したときの網戸効果（すなわち、不透明なピクセル間領域が原因で、網戸を通して画像を見ているように見える）の除去である。
【００８７】
本明細書で説明した反射コーティングは、鏡面タイプであり、金属コーティング、誘電体コーティング、コールド・ミラー・コーティング、二色性ミラー・コーティング、またはこれらの組み合わせでありうる。ライト・ガイド４５は、直線状、先細り、円筒形、正方形、長方形、または球形でありうる。ライト・ガイド４５の長さは、レーザ源寸法と、トンネルの入射開孔および出射開孔の寸法と、ガイド４５の中を伝搬する光の円錐角と、スペックル低減装置２００、３００、４００、５００、６００、７００、および８００により送出される所望の光一様性の程度とに応じて、数ミリメートルから数十ミリメートルまで多岐にわたる。ライト・ガイド４５の入射開孔および出射開孔は、寸法および形状に関して独立している可能性があり、正方形、長方形、円形、台形、多角形、非対称形、および不規則形のような異なる寸法および異なる形状を有することができる。
【００８８】
本発明の１つ以上の具体的な実施形態について上述したが、本発明の範囲内にある、より多くの実施形態がありうることは、当業者にとって明らかであろう。さらに、上述した概要、詳細な説明、および図面は、あくまで本発明の原理の例を示したに過ぎないものとみなされる。他の変更および変形が、当業者にとって明らかでありうる、または明らかになりうるため、本発明は、上述した正確な構成および動作に制限されず、したがって、すべての好適な変更および均等物は、本発明の範囲内にあると考えられ、本発明は、請求項により規定されるものである。
【００８９】
図面は、あくまで例を示したに過ぎず、本発明の範囲を規定するものではないことを理解すべきである。さらに、図面の構成要素は、必ずしも縮尺で描かれているとは限らず、その代わりに本発明の原理を示すときには強調されることもある。図面において、類似の参照番号は、異なる図面全体を通して対応する部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】先行技術のスペックル低減装置の横断面図である。
【図２Ａ】高反射鏡と、部分反射鏡と、ライト・ガイドと、任意の平凹レンズと、を利用するスペックル低減装置の斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａのシステムの横断面図である。
【図３Ａ】高反射鏡と、部分反射鏡と、ライト・ガイドと、波長板と、任意の平凹レンズと、を利用する第１の構造を有するスペックル低減装置の斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ａのシステムの横断面図である。
【図４Ａ】高反射鏡と、部分反射鏡と、ライト・ガイドと、波長板と、任意の平凹レンズと、を利用する第２の構造を有するスペックル低減装置の斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａのシステムの横断面図である。
【図５Ａ】高反射鏡と、部分反射鏡と、ライト・ガイドと、任意の波長板と、透過ディフューザと、任意の平凹レンズと、を利用するスペックル低減装置の斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａのシステムの横断面図である。
【図６Ａ】部分反射鏡と、ライト・ガイドと、任意の波長板と、反射ディフューザと、任意の平凹レンズと、を利用するスペックル低減装置の斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａのシステムの横断面図である。
【図７Ａ】高反射鏡と、部分反射鏡と、ライト・ガイドと、任意の波長板と、変厚板と、任意の平凹レンズと、を利用するスペックル低減装置の斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ａのシステムの横断面図である。
【図８Ａ】高反射鏡と、コリメート板  と、ライト・ガイドと、任意の波長板と、任意の変厚板と、任意の平凹レンズと、を利用するスペックル低減装置の斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ａのシステムの横断面図である。
【図９Ａ】マイクロ開孔と、マイクロ・ガイドと、マイクロ・レンズ・アレイと、を含む第１のコリメート板の詳細斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ａのコリメート板の横断面図である。
【図９Ｃ】図９Ａのコリメート板の分解図である。
【図９Ｄ】開孔板の斜視図である。
【図１０Ａ】開孔板と、マイクロ・ガイド・アレイと、を含む第２のコリメート板の斜視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａのコリメート板の横断面図である。
【図１１Ａ】開孔板と、マイクロ・トンネル・アレイと、を含む第３のコリメート板の上面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａのコリメート板の横断面図である。
【図１２Ａ】開孔板と、マイクロ・レンズ・アレイと、を含む第４のコリメート板の斜視図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａのコリメート板の分解図である。
【図１２Ｃ】図１２Ａのコリメート板の横断面図である。
【図１３】光の線を受け入れるスペックル低減装置の横断面図である。
【図１４Ａ】エッジ・ライト式ダイレクト・ビュー液晶ディスプレイのスペックル低減装置の上部平面図である。
【図１４Ｂ】図１４ＡのＬＣＤシステムの分解斜視側面図である。
【図１４Ｃ】マイクロ要素板の実施例の斜視図である。
【図１４Ｄ】ライト・ガイド板の実施例の斜視図である。
【図１５Ａ】赤色、緑色、および青色レーザと、透過マイクロ・ディスプレイと、を利用する照明システムの平面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａの透過マイクロ・ディスプレイの詳細横断面図と、透過マイクロ・ディスプレイの１つのピクセルの詳細斜視図と、を含んでいる。
【図１５Ｃ】チューナブル・レーザと、透過マイクロ・ディスプレイと、を利用する照明システムの横断面図である。
【図１５Ｄ】赤色、緑色、および青色レーザを利用する投影システムの横断面図である。
【図１６】マイクロ・レンズ・アレイ（ＭＬＡ）を備えている液晶マイクロ・ディスプレイの横断面図である。
【図１７】入力側に可動ディフューザを利用するスペックル低減装置の横断面図である。
【図１８】出力側に可動ディフューザを利用するスペックル低減装置の横断面図である。
【図１９Ａ】模範的透過マイクロ・ディスプレイ・システムの横断面図である。
【図１９Ｂ】模範的透過マイクロ・ディスプレイ・システムの横断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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