(57)【要約】      （修正有）【課題】本開示はレーザ投影と共に使用するためのスペックル低減色域最適化に関する。【解決手段】画像投影方法は、投影システム１００の１組の所望の色度座標を選択することを含み、投影システムは複数のレーザ光源１１０を含む。予想される動作環境の一連のパラメータを決定する。各レーザ光源は、予想動作環境において、所望の色度座標の組および少なくとも２の波長ダイバーシティファクタを有する投影システムの正規化パワースペクトル密度関数を生成するパワー比およびパワースペクトル密度関数を有するように構成されている。投影システムは、１組の所望の色度座標および１組の動作パラメータを受け取るように構成された入力装置と、パワー比およびパワースペクトル密度関数を有し、正規化パワースペクトル密度関数を生成して１組の所望の色度座標および少なくとも２の波長ダイバーシティファクタを生成するように構成された複数のレーザ光源とを含む。【選択図】図１
2019220949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像投影の方法であって、
複数のレーザ光源を含む投影システムの一組の所望の色度座標を選択するステップと、
投影面の表面高さ変動の標準偏差、入射角、および観察角を含む、予想される動作環境の動作パラメータのセットを決定するステップと、
各レーザ光源のパワー比およびパワースペクトル密度関数を設定するステップであって、複数の前記パワー比およびパワースペクトル密度関数は、１組の所望の色度座標および予想される運用環境で少なくとも２以上の波長ダイバーシティファクタを有する投影システムの正規化パワースペクトル密度関数を生成する、ステップとを含む画像投影の方法。
【請求項２】
前記投影システムが、前記複数のレーザ光源の間から投影レンズまで延びる投影経路を有し、該投影経路が少なくとも１つの均質化コンポーネントを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの均質化コンポーネント、拡散器と、少なくとも１つのライトパイプおよび／または一対のレンズアレイとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記投影経路が、前記複数のレーザ光源と前記少なくとも１つの均質化コンポーネントとの間に少なくとも１つの結合要素を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記結合要素が、繊維束および鏡のうちの少なくとも一方である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記投影経路が、前記少なくとも１つの均質化コンポーネントと前記投影レンズとの間に空間光変調器と、前記少なくとも１つの均質化コンポーネントと前記空間光変調器との間に少なくとも１つの中間光学素子とを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記複数のレーザ光源は、前記一組の所望の色度座標の緑色色度座標を生成する一群の緑色チャネルレーザ光源と、前記一組の赤色色座標を生成する一群の赤色チャネルレーザ光源と、一組の所望の色度座標および一組の所望の色度座標の青の色度座標を生成するための一組の青チャネルレーザ光源とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記一組の所望の色度座標は、一組のＲｅｃ．２０２０色度座標である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記一群の緑色チャネルレーザ光源が、一組の少なくとも１つの半導体レーザダイオードと一組の少なくとも１つのダイオード励起固体レーザとを含み、前記少なくとも１つの半導体レーザダイオードが０．２の出力比を有し、少なくとも１つのダイオード励起固体レーザは、０．８の出力比を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記一組の少なくとも１つの半導体レーザダイオードは５１５ｎｍの中心波長を有し、前記一組の少なくとも１つのダイオード励起固体レーザは５３２ｎｍの中心波長を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの半導体レーザダイオードの組は、少なくとも１．５ｎｍの波長差を有する少なくとも２つの半導体レーザダイオードを含み、前記少なくとも１つのダイオード励起固体レーザの組は、０．７ｎｍの波長差を有する少なくとも２つの励起固体レーザダイオードを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
投影システムであって、
投影面の表面高さ変動の標準偏差、入射角、および観察角を含む、一連の所望の色度座標および一連の予測される動作環境の一連の動作パラメータを受け取るように構成された入力装置と、
それぞれ独立して設定可能な出力比と、独立に設定可能な出力スペクトル密度関数とを有する複数のレーザ光源と、
一組の所望の色度座標および一組の動作パラメータを受信するために入力装置に結合された少なくとも一つのプロセッサであって、前記複数のパワー比および複数のパワースペクトル密度を設定するために複数のレーザ光源に結合される投影システムの正規化されたパワースペクトル密度関数を生成するように機能し、前記正規化されたパワースペクトル密度関数は、期待される動作環境において、所望の色度座標のセットと少なくとも２の波長ダイバーシティファクタとを生成する、前記少なくとも一つのプロセッサと、
複数のレーザ光源と投影レンズとの間に延びる投影経路と、を含む投影システム。
【請求項１３】
前記投影システムは、前記投影経路内に少なくとも１つの均質化コンポーネントを含む、請求項１２に記載の投影システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの均質化コンポーネントが、拡散器と、少なくとも１つのライトパイプおよび／または一対のレンズアレイとを含む、請求項１３に記載の投影システム。
【請求項１５】
前記投影経路は、前記複数のレーザ光源と前記少なくとも１つの均質化コンポーネントとの間に少なくとも１つの結合要素を含む、請求項１３に記載の投影システム。
【請求項１６】
前記結合要素が、ファイバーバンドルおよびミラーのうちの少なくとも一方である、請求項１５に記載の投影システム。
【請求項１７】
前記投影経路が、前記少なくとも１つの均質化コンポーネントと前記投影レンズとの間に空間光変調器と、前記少なくとも１つの均質化コンポーネントと前記空間光変調器との間に少なくとも１つの中間光学素子とを含む、請求項１５に記載の投影システム。
【請求項１８】
前記複数のレーザ光源は、前記一組の所望の色度座標の緑色色度座標を生成する一群の緑色チャネルレーザ光源と、前記一組の赤色色座標を生成する一群の赤色チャネルレーザ光源と、一組の所望の色度座標および一組の所望の色度座標の青の色度座標を生成するための一組の青チャネルレーザ光源とを含む、請求項１２に記載の投影システム。
【請求項１９】
前記一組の所望の色度座標は、一組のＲｅｃ．２０２０色度座標である、請求項１８に記載の投影システム。
【請求項２０】
前記一群の緑色チャネルレーザ光源は、１組の少なくとも１つの半導体レーザダイオードと、１組の少なくとも１つのダイオード励起固体レーザとを含み、前記少なくとも１つの半導体レーザダイオードは、０．２の出力比を有し、少なくとも１つのダイオード励起固体レーザは０．８の出力比を有する、請求項１８に記載の投影システム。
【請求項２１】
前記一組の少なくとも１つの半導体レーザダイオードは５１５ｎｍの中心波長を有し、前記一組の少なくとも１つのダイオード励起固体レーザは５３２ｎｍの中心波長を有する、請求項２０に記載の投影システム。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの半導体レーザダイオードの組は、それらの間に少なくとも１．５ｎｍの波長差を有する少なくとも２つの半導体レーザダイオードを含み、前記少なくとも１つのダイオード励起固体レーザの組は、少なくとも０．７ｎｍの波長差を有するダイオード励起固体レーザを含む請求項２１に記載の投影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年５月２８日に出願された仮出願第６２／６７７，１２４号の利益を主張する。
【０００２】
本開示はレーザ投影に関し、特にレーザ投影と共に使用するためのスペックル低減色域最適化に関する。
【背景技術】
【０００３】
米国特許第６，４４５，４８７号は、レーザ画像形成システムのスペックル強度分布を低減または排除するためのシステムおよび方法を開示することを目的としている。本発明の一実施形態では、投影システム（１０）用の半導体レーザ光源（１２）に無線周波数（ＲＦ）信号を入力して、投影面（１９）上で互いに混ざり合う異なるスペックルパターンを作り出す。本発明の別の実施形態では、投影面（１９）上で互いに混ざり合う異なるスペックルパターンを作り出すために投影システム（１０）用のレーザ光源を誘導するために光学的フィードバックが使用される。本発明の別の実施形態では、レーザ光源の波長は、異なるスペックルパターンを生成するためにドップラーシフトされる。本発明の別の実施形態では、顕著なスペックルを減少させるためにビームを指向的に移動させるために偏向手段が使用される。目は水平および垂直エッジに対して非常に敏感であるが、その間の角度に対してはあまり敏感ではないので、約４５度のビーム移動は水平および垂直方向における変調伝達関数（ＭＴＦ）の損失を最小限に抑えることができる。
【０００４】
米国特許第７，４５７，３３０号は、多数の独立した縦モードから生成された無相関スペックルパターンの時間平均に基づくキャビティ内ビーム結合および和周波混合によるモノリシックマイクロチップレーザのスペックルノイズを低減する方法を開示することを目的とし、該方法は、広帯域和周波数混合をサポートするための利得媒質および非線形光学材料の選択、フラットトップスペクトルおよび／またはモード位相多様化のための利得共役および／またはチャープミラーの採用、 ＲＦ変調によって導入されたマルチモードレーザ動作、および、縮退がなく、狭くなった/不均一な間隔での周波数混合過程における音源モードの増幅方法を含む。本発明の方法に基づいて、カラー表示システムに適応可能な低スペックルノイズの赤、緑、青のレーザを生成するための装置および装置が開発される。
【０００５】
米国特許第７，９５９，２９７号は、少なくとも１つのレーザアレイ光源からの光路に沿って光を投射するように構成された光アセンブリと、光路光路内にあるように構成された時間的に変化する光学移相装置と、光路内にあるように構成されたオプティカルインテグレータと、光路内の時間的に変化する光位相シフトデバイスおよびオプティカルインテグレータの下流に配置され、光路の遠視野照明部分内に配置されるように構成される空間光変調器と、空間光変調器から表示面に向かって実質的にスペックルのない光を方向付けるように構成される投影光学系と、を含むデジタル画像プロジェクタを開示することを目的としている。
【０００６】
米国特許第８，２２６，２４１号は、波長多様化によって投影画像中のスペックルの出現を低減するように設計された１つまたは複数の広帯域レーザを有する画像投影機（プロジェクタ）を開示することを目的としている。一実施形態では、広帯域レーザは、どちらもレーザキャビティの内部に配置された能動光学素子と非線形光学素子とを有する。広帯域レーザは、約１０ｎｍのスペクトル広がりを特徴とし、キャビティの異なる空間モードに対応する複数のスペクトル線を有する出力スペクトルを生成する。個々のスペクトル線が異なると、独立したスペックル構成が効果的に生成され、それが投影画像内で強度重畳され、それによって対応するスペックルコントラストの減少を引き起こす。
【０００７】
米国特許第９，０６５，２５４号は、照明ビームを発するための光源を有する照明器を開示することを目的とし、ここで光源は、第１のレーザ放射波長を有する第１のＶＣＳＥＬと第１のレーザ発光波長とは異なる第２のレーザ発光波長を有する第２のＶＣＳＥＬを含む一組の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）をさらに含む。したがって、ＶＣＳＥＬアレイ内のＶＣＳＥＬのレーザ放射波長を変えることによって、本発明の実施形態は低コントラストのスペックルを生成し、ホスト照明システムの結像能力を制限しない。本発明のいくつかの実施形態では、垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）を利用して上記の様々なレーザ発光波長を生成する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様において、本発明のいくつかの実施形態は、複数のレーザ光源を有する投影システムの一組の所望の色度座標を選択することと、投影面の表面高さ変動の標準偏差、入射角、および観察角を含む、予想される動作環境の動作パラメータのセットを決定することと、複数のパワー比およびパワースペクトル密度関数を構成することとを含み、前記複数のパワー比およびパワースペクトル密度関数は、一組の所望の色度座標および予想される運用環境で少なくとも２の波長ダイバーシティファクタを有する投影システムの正規化パワースペクトル密度関数を生成する、含む画像投影方法を提供する。
【０００９】
いくつかの実施形態では、投影システムは、複数のレーザ光源の間から投影レンズまで延びる投影経路を有し、この投影経路は少なくとも１つの均質化コンポーネントを含む。
【００１０】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの均質化コンポーネントは、拡散器と、少なくとも１つのライトパイプおよび／または一対のレンズアレイとを含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、投影経路は、複数のレーザ光源と少なくとも１つの均質化コンポーネントとの間に少なくとも１つの結合要素を含む。
【００１２】
いくつかの実施形態では、結合要素は、ファイバーバンドルおよび鏡のうちの少なくとも一方である。
【００１３】
いくつかの実施形態では、投影経路は、少なくとも１つの均質化コンポーネントと投影レンズとの間の空間光変調器と、少なくとも１つの均質化コンポーネントと空間光変調器との間の少なくとも１つの中間光学素子とを含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、複数のレーザ光源は、一組の所望の色度座標の緑色色度座標を生成する一群の緑色チャネレーザ光源と、一組の所望の色度の赤色色度座標を生成する一群の赤色チャネルレーザ光源と、一組の所望の色度座標の青色色度座標を生成するための一組の青色チャネルレーザ光源と、を含む。
【００１５】
いくつかの実施形態において、一組の所望の色度座標は、一組のＲｅｃ．２０２０色度座標である。
【００１６】
いくつかの実施形態では、一組の少なくとも１つの半導体レーザダイオードと、一組の少なくとも１つのダイオード励起固体レーザとを含み、少なくとも１つの半導体レーザダイオードは０．２の出力比を有し、少なくとも１つのダイオード励起固体レーザは、０．８の出力比を有する。
【００１７】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの半導体レーザダイオードの組は、それらの間に少なくとも１．５ｎｍの波長差を有する少なくとも２つの半導体レーザダイオードを含み、少なくとも１つのダイオード励起固体レーザの組は少なくとも２つの、それらの間に少なくとも０．７ｎｍの波長差を有する、ダイオード励起個体レーザを含む。
【００１８】
第２の態様では、本発明のいくつかの実施形態は、投影面の高さ変動、入射角、観察角を含む一組の所望の色度座標および一組の予想動作環境の一組の動作パラメータを受け取るように構成された入力装置と、それぞれ独立して設定可能な出力比と、独立に設定可能な出力スペクトル密度関数とを有する複数のレーザ光源と、一組の所望の色度座標および一組の動作パラメータを受信するために入力装置に結合され、複数のパワー比および複数のパワースペクトル密度を設定するために複数のレーザ光源に結合される投影システムの正規化されたパワースペクトル密度関数を生成するように機能する少なくとも一つのプロセッサであって、正規化されたパワースペクトル密度関数は、期待される動作環境において、所望の色度座標のセットと少なくとも２の波長ダイバーシティファクタとを生成するプロセッサと、複数のレーザ光源と投影レンズとの間に延びる投影経路と、を含む投影システムを提供する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、投影システムは投影経路内に少なくとも１つの均質化コンポーネントを含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの均質化コンポーネントは、拡散器と、少なくとも１つのライトパイプおよび／または一対のレンズアレイとを含む。
【００２１】
いくつかの実施形態では、投影経路は、複数のレーザ光源と少なくとも１つの均質化コンポーネントとの間に少なくとも１つの結合要素を含む。
【００２２】
いくつかの実施形態では、結合要素は、ファイバーバンドルおよび鏡のうちの少なくとも一方である。
【００２３】
いくつかの実施形態では、投影経路は、少なくとも１つの均質化コンポーネントと投影レンズとの間の空間光変調器と、少なくとも１つの均質化コンポーネントと空間光変調器との間の少なくとも１つの中間光学素子とを含む。
【００２４】
いくつかの実施形態では、複数のレーザ光源は、一組の所望の色度座標の緑色色度座標を生成する一群の緑色チャネレーザ光源と、一組の所望の色度の赤色色度座標を生成する一群の赤色チャネルレーザ光源と、一組の所望の色度座標の青色色度座標を生成するための一組の青色チャネルレーザ光源と、を含む。
【００２５】
いくつかの実施形態において、一組の所望の色度座標は、一組のＲｅｃ．２０２０色度座標である。
【００２６】
いくつかの実施形態では、緑色チャネルレーザ光源のグループは、１組の少なくとも１つの半導体レーザダイオードと、１組の少なくとも１つのダイオード励起固体レーザとを含み、少なくとも１つの半導体レーザダイオードは０．２の出力比を有する。０．８の出力比を有する少なくとも１つのダイオード励起固体レーザ。
【００２７】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの半導体レーザダイオードの組は、それらの間に少なくとも１．５ｎｍの波長差を有する少なくとも２つの半導体レーザダイオードを含み、少なくとも１つのダイオード励起固体レーザの組は少なくとも２つの、それらの間に少なくとも０．７ｎｍの波長差を有する、ダイオード励起個体レーザを含む。
【００２８】
本明細書に含まれる図面は、本明細書のシステム、方法、および装置の様々な例を説明するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、レーザ投影システムのブロック図である。
【図２】図２は、理想的な単色スペクトルを有する２つのレーザのレーザ投影システムについてシミュレートされたスペックルコントラスト比のプロットである。
【図３】図３は、線幅１．２ｎｍのガウスプロファイルを有する２つのレーザのレーザ投影システムについてシミュレートしたスペックルコントラスト比のプロットである。
【図４】図４は、レーザ線幅に対してプロットされた最大波長ダイバーシティを達成するために２つのレーザ間に必要とされるシミュレーションされた最小波長間隔のプロットである。
【図５Ａ】図５Ａは、一緒に混合された３つの波長のシミュレートされた波長ダイバーシティファクターのプロットである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、一緒に混合された５つの波長のシミュレートされた波長ダイバーシティのプロットである。
【図６】図６は、半導体レーザダイオードを有する実施形態のシミュレートされた波長混合スペクトルのグラフである。
【図７】図７は、ダイオード励起固体レーザを有する実施形態のシミュレートされた波長混合スペクトルのグラフである。
【図８】図８は、半導体レーザダイオードとダイオード励起固体レーザの両方を有する実施形態のシミュレートされた波長混合スペクトルのグラフである。
【図９】図９は、色度図のグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、投影経路内にファイバおよびライトパイプを含む実施形態の概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、投影経路内にファイバと一対のレンズアレイとを含む実施形態の概略図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、投影経路内にミラーおよびライトパイプを含む実施形態の概略図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、投影経路内にミラーおよび一対のレンズアレイを含む実施形態の概略図である。
【図１２】図１２は、波長混合を最適化する方法のフローチャートである。
【図１３】図１３は、画像投影方法のフローチャートである。
【図１４】図１４は、動作環境における投影システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
様々なシステム、方法および装置を以下に説明する。下記の実施形態は特許請求の範囲に記載の実施形態を限定するものではなく、特許請求の範囲に記載の実施形態は以下に記載するものと異なるシステム、方法、および／または装置を網羅することができる。請求される実施形態は、以下に記載されるいずれか１つのシステム、方法、または装置のすべての特徴を有するシステム、方法、および装置、あるいは以下に記載される複数またはすべてに共通の特徴に限定されない。
【００３１】
本明細書に記載の例示的な実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本明細書に記載された実施形態はこれらの具体的な詳細なしに実施されてもよいことが当業者によって理解されるであろう。他の例では、本明細書で一般的に説明された実施形態を曖昧にしないために、周知の方法、手順、およびコンポーネントは詳細に説明されていない。
【００３２】
図１は、例示的な投影システムの概略図である。投影システム１００は、レーザ光源１１０と、デコヒーレンス要素１２０と、均質化要素１３０と、中間光学要素１４０と、空間光変調器１５０と、投影レンズ１６０とを含む。システム１００の構成要素は例示的な構成要素であり、様々な実施形態では投影システムは他の構成要素の構成を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、投影システムは、レーザ光源のみを含む投影システムなど、上記のサブセットのみを含む。いくつかの実施形態において、投影システムは、投影スクリーンなどの１つ以上のさらなる構成要素を含む。
【００３３】
レーザ光源は、それぞれが少なくとも１つのレーザを含む１つまたは複数のレーザまたは１つまたは複数のグループのレーザを含むレーザ束であり得る。例えば、レーザ光源は、１つまたは複数の半導体レーザダイオード、１つまたは複数のダイオード励起固体レーザ、および／または１つまたは複数の垂直共振器型面発光レーザを含むことができる。
【００３４】
投影用の光源としてのレーザは、広い色域、高輝度、長寿命、および高効率を有する。しかし、レーザ光が粗い表面で反射または透過すると、反射または透過した光からのランダムな干渉によって、スペックルと呼ばれるランダムな粒状の模様が生成される。レーザ走査用途では、スペックルが検出エラーの一因となり得る。ディスプレイ用途では、スペックルが原因でイメージノイズが発生する可能性がある。
【００３５】
スペックルレベルはスペックルコントラスト比（ＳＣＲ）によって表すことができ、これは式１に示されるように、平均強度＜I＞に対する強度の標準偏差σとして定義される。
【００３６】
【数１】
2019220949.tif 000003
（式１）
【００３７】
５％以下のＳＣＲは、一般に、人間の目には知覚できないレベルにある。それは目の知覚しきい値を下回っている。しかしながら、状況によっては、知覚閾値はより低くてもより高くてもよい。例えば、人間の目は特定の波長の光に対してより敏感であり得、閾値はそれに対応してより低くなり得る。
【００３８】
レーザ投影システムでは、システムのＳＣＲは以下のように表すことができる。
【００３９】
【数２】
2019220949.tif 000004
（式２）
【００４０】
【数３】
2019220949.tif 000005
（式３）
【００４１】
Ｒλは波長ダイバーシティ、Ｒσは偏光ダイバーシティであり、ＲΩは空間ダイバーシティである。偏光ダイバーシティは、一般に、偏光解消スクリーンなどのコンポーネント（構成要素）によって生成される。空間ダイバーシティは一般に、デコヒーレンス成分および均質化成分などの成分によって生じる。いくつかの実施形態では、投影システムは、偏光ダイバーシティおよび空間ダイバーシティへの依存の有無にかかわらず、波長ダイバーシティを使用してスペックルを低減するように構成される。しかしながら、投影システム１００は、デコヒーレンスコンポーネント１２０および均質化コンポーネント１３０から生じる空間ダイバーシティに加えて波長ダイバーシティを使用してスペックルを低減するように構成される。
【００４２】
投影システム１００は、スペックルを低減するために波長ダイバーシティを生成する際にレーザ光源１１０内の複数のレーザ群を使用し、各レーザ群は少なくとも１つのレーザを含む。各レーザは波長を有し、スペックルパターンを生成する。第１のレーザのスペックルパターンが第２のレーザのスペックルパターンと統計的に独立している場合、２つのスペックルパターンが重なると、それらはスペックルが低減されたライトフィールドを生成する。
【００４３】
混合光源のスペックル低減効果は、レーザ光源の数、レーザ光源間の波長差、およびレーザ光源の線幅など、さまざまな要因の影響を受けます。例えば、レーザ光源の波長が互いに近すぎると、レーザ光源が相関するスペックルパターンを生成し、それらが重なり合うときにスペックル低減をほとんど与えないので、スペックル低減効果は非常に制限される。極端な例では、スクリーンを照らす同じ波長、同じ線幅、および同じ角度を有する２つのレーザ光源は、スペックル低減効果をもたらさないであろう。
【００４４】
複数のレーザ光源を利用するレーザプロジェクタの波長ダイバーシティは、プロジェクタの色域のサイズおよび位置に影響を及ぼす可能性がある。例えば、プロジェクタの原色をシフトすることができる。多くの用途において、所望の色域は、広く認められている規格によって定義されている。表示装置用の色域規格の一例は、国際電気通信連合の超高精細規格であり、より一般的にはＲｅｃ．２０２０として知られている。いくつかの実施形態では、プロジェクタのレーザ光源間の出力比および／または波長間隔を調整することによって、結果として生じるプロジェクタの色域の最適化が可能になる。いくつかの実施形態では、スペックルレベルを知覚できないレベル未満に維持するのに十分な波長ダイバーシティを維持しながら、各レーザ群のパワー比および／または波長間隔を調整することができる。
【００４５】
「Ｎ」個のレーザ光源を有するスペックル低減システムの場合、ｇｉ（ν）は、ｉ番目のレーザのパワースペクトル密度関数であり、ｉ番目のレーザの正規化パワースペクトル密度関数は式４を使って表すことができる。
【００４６】
【数４】
2019220949.tif 000006
（式４）
【００４７】
システム全体の正規化パワースペクトル密度関数は、式５を使用して表すことができる。
【００４８】
【数５】
2019220949.tif 000007
（式５）
【００４９】
【数６】
2019220949.tif 000008
【００５０】
そしてＣｉは総出力に対するｉ番目のレーザの出力比である。
【００５１】
波長ダイバーシティファクターＲλは次の式で表すことができる。
【００５２】
【数７】
2019220949.tif 000009
（式６）
【００５３】
【数８】
2019220949.tif 000010
（式７）
【００５４】
μは、２つのスペックルライトフィールドの複素相関係数を表す。
【００５５】
ランダムハイトスクリーンモデルを使用すると、△（ν）は次のように表すことができる。
【００５６】
【数９】
2019220949.tif 000011
（式８）
【００５７】
Ｍｈは、表面高さ変動の一次特性関数を表す。
【００５８】
【数１０】
2019220949.tif 000012
【００５９】
θｉとθ０はそれぞれ入射角と観測角である。
【００６０】
表面の高さの変動がガウス分布に従う粗い表面を持つオブジェクトの場合
【００６１】
【数１１】
2019220949.tif 000013
（式９）
【００６２】
σｈは表面高さ変動の標準偏差である。従来のディスプレイスクリーンの場合、σｈは約１００μｍである。
【００６３】
投影機システム１００の光源１１０のような混合レーザ光源については、波長ダイバーシティファクターＲλが上記を用いて計算することができる。システムの正規化されたパワースペクトル密度関数およびスクリーン表面粗さの標準偏差を使用して、異なる波長間のＳＣＲおよび最適パワー比を計算することができる。
【００６４】
図２〜図４の例に示すように、波長ダイバーシティは、一般に、レーザ光源のレーザ間の波長差に線形的には関係しない。特定の波長差を超えても、波長ダイバーシティは大幅には増加しない。
【００６５】
図２は、偏光ダイバーシティおよび空間ダイバーシティを１に設定して上記の式を使用して計算された、理想的な単色スペクトルを有する２つのレーザ間の波長差の関数としてのＳＣＲを示すグラフである。２つのレーザは等しいパワーを持つように設定されており、Ｃ１=Ｃ２＝０．５である。σｈは１００μｍである。理解されるように、波長ギャップが０に近い場合、異なるレーザによって生成されたスペックルパターンは相関しており、スクリーン上でそれらの重なりがあまり多くのスペックル低減をもたらさないので、スペックル低減は制限される。波長ギャップが０．７ｎｍよりも大きいと、ＳＣＲはほとんど最小レベル、この場合は約７１％に達する。これは、波長間隔が０．７ｎｍより大きいと、異なるレーザによって生成されたスペックルパターンが完全に相関しなくなるために起こる。したがって、いくつかの実施形態では、単色レーザの異なる波長間の波長間隔は、ほぼ最大のスペックル低減を達成するために０．７ｎｍより大きくあるべきであるが、０．７ｎｍを超える差はスペックル低減を大幅に改善しない。
【００６６】
一般に、より広い線幅を有することは、達成可能な最大波長ダイバーシティに寄与する。図３は、偏光ダイバーシティおよび空間ダイバーシティを１に設定して上記式を用いて計算された、線幅１．２ｎｍのガウスプロファイルを有する２つのレーザ間の波長差の関数としてのＳＣＲを示すグラフである。１．２ｎｍは半導体レーザダイオードの典型的な線幅である。図示されるように、１．５ｎｍの波長差を超えると、ＳＣＲは有意に増大するとは予想されない。
【００６７】
図４は、偏光ダイバーシティおよび空間ダイバーシティを１に設定して、レーザ線幅の関数としてプロットした、理論最大スペックル低減の９９％である最大スペックル低減を達成するのに必要な最小波長差を示すグラフである。図示されるように、必要とされる波長差は、レーザ線幅の増大と共に増大する。
【００６８】
いくつかの実施形態では、必要最小限の波長ダイバーシティを決定することは、空間ダイバーシティおよび偏光ダイバーシティを決定または推定することを含む。多くの用途において、空間ダイバーシティおよび偏光ダイバーシティは、１０のスペックル低減係数を提供すると期待することができる。したがって、そのような用途において５％未満のＳＣＲを達成するためには、光源１１０のような光源のダイバーシティファクタＲλは少なくとも２であるべきである。他の用途では、スペックルレベルを知覚できないレベル以下に維持するために、より大きな波長ダイバーシティファクターが必要とされるかもしれない。
【００６９】
波長ダイバーシティに起因して計算されたＳＣＲの例は、図５Ａおよび図５Ｂに示されている。
【００７０】
図５Ａは、レーザ光源内に３つのレーザ群を有する混合レーザ光源の計算された波長ダイバーシティを示す。Ｘ軸は異なるグループ間の波長差であり、Ｙ軸は計算された波長ダイバーシティ１／Ｒλである。破線は、３つのグループの半導体ダイオードレーザを有するレーザ光源に対応し、各レーザは１．２ｎｍの線幅を有する。実線は３つのグループのダイオード励起固体レーザを有するレーザ光源に対応し、各レーザは０．１ｎｍの線幅を有する。波長差が増加すると、波長ダイバーシティは増加し、１／Ｒλ減少する。図示されるように、３つのグループの半導体ダイオードレーザは、グループ間の十分な波長差が与えられると２より大きい波長ダイバーシティファクタを生成することができるが、３つのグループのダイオード励起固体レーザは十分な波長ダイバーシティに達しない。
【００７１】
図５Ｂは、５つのグループのレーザを有する混合レーザ光源の計算された波長ダイバーシティを示す。Ｘ軸は異なるグループ間の波長差であり、Ｙ軸は計算された波長ダイバーシティ１／Ｒλである。破線は混合半導体ダイオードレーザからなるレーザ光源に対応する。実線は、混合ダイオード励起固体レーザから導出されたレーザ光源に対応する。５つのグループのレーザを用いると、ダイオード励起固体レーザでさえも２を超える波長ダイバーシティファクタに達する。
【００７２】
十分な波長差が与えられた場合に２より大きい波長ダイバーシティファクタを生成するレーザ光源のスペクトルの例は、図６から図８に示されている。
【００７３】
図６は、それぞれ１．２ｎｍの線幅を有する半導体レーザダイオードを有するレーザ光源のスペクトルを示す。波長ギャップは１．５ｎｍに設定されている。それぞれが１つのレーザを有する３つのレーザ群が使用される。緑色波長が使用されているが、波長差要件およびレーザ数要件が投影機の赤チャネルおよび青チャネルにも適用されることは明らかであろう。
【００７４】
図７は、それぞれ０．１ｎｍの線幅を有するダイオード励起固体レーザを有するレーザ光源のスペクトルを示す。波長ギャップは０．７ｎｍに設定されている。それぞれ１つのレーザを有する５つのレーザ群が使用される。レーザ波長は５３２ｎｍの周りに均一に広がり、Ｒｅｃ．２０２０を満たすことは明らかである。ここでも、緑色波長が使用されているが、波長差要件およびレーザ数要件がプロジェクタの赤チャネルおよび青チャネルにも適用されることは明らかであろう。
【００７５】
図８は、線幅１．２ｎｍの半導体レーザダイオードと、線幅０．１ｎｍのダイオード励起固体レーザとの両方を有するレーザ光源のスペクトルを示す。３つのグループのレーザが混ざり合っている。最初のグループには１．２ｎｍの線幅のレーザがあり、残りの２つのグループにはそれぞれ０．１ｎｍの線幅のレーザがある。ここでも、緑色波長が使用されているが、波長差要件およびレーザ数要件がプロジェクタの赤チャネルおよび青チャネルにも適用されることは明らかであろう。
【００７６】
投影機１００は、所望の色域と一致する色域を投影するように構成されている。レーザ光源１１０内のレーザの異なるグループ間またはレーザグループ間のパワー比は、所望の色域が投影されることを可能にするように設定される。投影機の色域は、赤、緑、および青の原色の色度座標を計算することによって決定できる。赤、緑、および青の原色の対応する点によって形成される三角形は、投影機の色域である。
【００７７】
図９は、ＣＩＥ１９３１色度図２１０を示す。三角形２２０は、Ｒｅｃ．７０９の色域に対応する。三角形２３０は、ＤＣＩ−Ｐ３の色域に対応する。三角形２４０は、Ｒｅｃ．２０２０の色域に対応する。点Ａは、波長５１５ｎｍ、線幅１．２ｎｍの半導体レーザダイオードの色座標に対応する。点Ｂは、５３２ｎｍの波長および０．１ｎｍの線幅を有するダイオード励起固体レーザの色座標に対応する。
【００７８】
一群の少なくとも１つの半導体レーザダイオードが一群の少なくとも１つのダイオード励起固体レーザと混合される実施形態では、これら２つの群の間のパワー比を調整して、点Ａと点Ｂとの間の線に沿って緑色原色の色度座標を調整することができる。赤と青の色座標を形成するレーザについても同様の調整を行うことができ、これらは簡単のためにそれぞれ点Ｄと点Ｅとしてそれぞれ示されている。
【００７９】
この実施形態では、ダイオード励起固体レーザの数が非常に少ないとき、色域三角形は三角形ＡＥＤに近くなり、その結果、５８０ｎｍ付近に黄色がなくなる。黄色がないことを避けるために、レーザ光源からの混合緑色光の色度座標が、線ＣＤがＤＣＩ−Ｐ３の色域の最上右側の境界と重なる、点Ｂと点Ｃとの間の線上になるように出力比を調整しなければならない。点Ｂと点Ｃの間の線上にとどまるためには、中心波長５１５ｎｍ（点Ａ）を有する１つのレーザダイオードであれば、出力比Ｐ（半導体レーザダイオード）：Ｐ（ダイオード励起固体レーザ）＝０．２：０．８以下である。５３２ｎｍ（点Ｂ）の中心波長を有する１つのダイオード励起固体レーザが使用される。異なる数のレーザ光源および異なる中心波長のレーザダイオードおよびダイオード励起固体レーザを用いた他の場合には、それらの間のパワー比はそれに応じて所望の色度座標を満たすように変えることができる。例えば、Ｒｅｃ．２０２０色域をカバーするために、点Ｂは５４３ｎｍのようなより長い波長にシフトされてもよく、その結果、点Ｃは５３２ｎｍの近くに配置されてもよい。赤と青のチャンネルの出力比は、色域の赤と青の角の調整を定義するために同様に設定できます。
【００８０】
上述のように、必要とされる波長ダイバーシティの限界内で、光源１１０のようなレーザ光源は、適切な色座標を生成する出力比を形成するように調整することができる。
【００８１】
図１０Ａ〜図１１Ｂは、知覚できないスペックルおよび所望の色域を提供するように構成されたレーザ光源を組み込んだ投影システムの例を示す。
【００８２】
図１０Ａおよび図１０Ｂは投影システム３０２および３０４を示す。レーザ３１２、３１４、および３１６を含むレーザ光源３１０は、それぞれ結合素子３３２、３３４、３３６を介して、対応するマルチモードファイバ３２２、３２４、３２６に光を向ける。マルチモードファイバは、出射端でファイバ束３２８に組み合わされる。レーザおよびファイバの数は、照明要件およびレーザ性能の現実などのために、スペックル低減システムの設計および動作パラメータによって変わり得る。
【００８３】
ファイバーバンドル３２８から、光は均質化成分に向けられる。図１の均質化コンポーネントは次の通りである。図１０Ａの実施形態は、移動可能または静止することができる拡散器３５２と、ライトパイプ３５４とを含む。図１の均質化コンポーネントは次の通りである。図１０Ｂの実施形態は、移動可能または静止することができる拡散器３５２と、一対のレンズアレイ３５６とを含む。
【００８４】
均質化コンポーネントから、中間光学素子３６０を使用して、調整された調整光を集める。空間光変調器３７０は、中間光学素子３６０から精密調整光を受け取り、精密調整光を変調して画像を形成するために使用される。投影レンズ３８０は、スクリーン３９０上に画像を投影するために使用される。
【００８５】
図１１Ａおよび図１１Ｂは投影システム３０６および３０８を示す。システム３０６はシステム３０２と同様であるが、レーザ光源３１０の出力を均質化コンポーネントに結合するためにマルチモードファイバおよび結合要素ではなくミラー３４０が使用される。システム３０８はシステム３０４と類似しているが、やはりマルチモードファイバおよび結合要素ではなくミラー３４０が使用されている。
【００８６】
投影システム３０２、３０４、３０６、および３０８は、ＳＣＲを知覚できないレベルまで低減し、所望の色域に一致する色域を生成するのに必要な波長および出力比に設定されたレーザ光源３１０を使用する。
【００８７】
レーザスペックル低減のために波長混合を最適化する方法が図１２に示されている。方法４００のステップ４１０で、スクリーン表面粗さを測定してσｈを計算する。異なるスクリーンは異なるσｈを持ち得る。従来の印刷用紙の場合、σｈは約１００μｍである。ステップ４２０において、利用可能なレーザの線幅情報が決定される。例えば、半導体レーザダイオードは通常約１．２ｎｍの線幅を有し、一方ダイオード励起固体レーザは通常約０．１ｎｍの線幅を有する。ステップ４３０で、許容可能な波長ダイバーシティに必要な波長間隔が計算される。ステップ４４０において、所望の波長間隔を得るためにレーザが調整される。例えば、レーザダイオードは中心波長を変えるために異なる利得材料を使用することができる。中心波長は、レーザダイオードの使用温度を変えることによっても調整できる。
【００８８】
画像投影の方法を図１３に示す。方法５００のステップ５１０において、複数のレーザ光源を含む投影システムが受け取られる。ステップ５２０において、所望の色域が選択される。ステップ５３０において、スペックルレベルを知覚できないレベル以下に維持するための投影システムに対する最小波長ダイバーシティが決定される。ステップ５４０において、投影システムが少なくとも最小波長ダイバーシティを維持しながら所望の色域を生成することを可能にするために、複数のレーザ光源のうちの各レーザ光源についてパワー比および波長が決定される。ステップ５５０において、複数のレーザ光源の各レーザ光源は、最良の色および最小スペックルコントラスト比が達成され得るように、決定されたパワー比および波長を有するように調整される。
【００８９】
いくつかの実施形態では、システムは入力装置と少なくとも１つのプロセッサとを含み得る。例えば、入力装置は、タッチスクリーンインターフェース、一組のセンサ、および／またはキーボードを含み得る。入力装置は、投影面の表面高さ変動の標準偏差、入射角、および観察角を含む、予想される動作環境の動作パラメータのセットを受け取るように構成される。少なくとも１つのプロセッサが、入力装置に結合されて、一組の所望の色度座標および一組の動作パラメータを受け取る。少なくとも１つのプロセッサは、投影機システムの正規化パワースペクトル密度関数を生成するために複数のパワー比および複数のパワースペクトル密度関数を設定するために複数のレーザ光源にも結合される。例えば、正規化されたパワースペクトル密度関数は、予想される動作環境において、１組の所望の色度座標および少なくとも２の波長ダイバーシティファクタを生成するように設定され得る。
【００９０】
図１４は、動作環境における投影システム６１０である。投影システム６１０は複数のレーザ光源を含み、各レーザ光源は独立に調整可能なパワー比および独立に調整可能なパワースペクトル密度関数を有する。投影システム６１０はまた、入力タッチスクリーン６２０と、タッチスクリーン６２０から入力を受け取るために入力タッチスクリーン６２０に結合されたプロセッサ６３０とを含む。プロセッサ６３０は、投影システム６１０の一組のレーザ光源に動作可能に結合されて、各レーザ光源のパワー比およびパワースペクトル密度関数を調整する。投影システム６１０は、入射軸６４０に沿って投影スクリーン６５０上に投影するように設定され、入射軸６４０は、投影スクリーン６５０と入射角６４２を形成する。観察カメラ６６０は、観察軸６７０に沿ってスクリーン６５０を観察するように設定され、観察軸６７０は投影スクリーン６５０と観察角度６７２を形成する。投影スクリーン６５０は、スペックル生成に寄与する表面高さ変動の標準偏差を有する。観察角度６７２などの観察カメラ６６０からのデータは、プロセッサ６３０への入力として使用することができる。
【００９１】
本発明をここで例としてのみ説明した。添付の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に対して様々な修正および変更を加えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
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