(57)【要約】  本発明は、ピクセル・レートが定義されている空間光変調器（ＳＬＭ）を有するレーザ・プロジェクタを用いるときに、レーザ・プロジェクタ・ディスプレイにおいてレーザ・スペックルと干渉パターンとを削減するシステム及び方法を提供する。本発明による方法は、連続波レーザ（１０２）のレーザ出力（１０４）を偏光して、レーザ出力がビーム・コンバイナ（１４０）に対してｓ偏光されるようにする動作を含む。ｓ偏光されたレーザ出力（１０８）は、第１のレーザ・ビーム（１１２）と第２のレーザ・ビーム（１１６）とに分割することができる。第２のレーザ・ビーム（１１６）の位相は、レーザ出力（１０４）の約半分の波長の位相遅延を生じさせるのに十分な振幅とＳＬＭのピクセル・レートの少なくとも２倍の周波数とで変調することができる。
2008535020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピクセル・レートが定義されている空間光変調器（ＳＬＭ）を有するレーザ・プロジェクタを用いるときに、レーザ・プロジェクタ・ディスプレイにおいてレーザ・スペックルと干渉パターンとを削減する装置であって、
複数の光経路に分離される光経路を定義するレーザ出力を有する連続波レーザと、
前記連続波レーザから光学的なダウンフィールド側に位置決めされており、前記複数の光学経路を再結合するビーム・コンバイナと、
前記ユーザ出力に入射する光経路に配置されており、前記レーザ出力を前記ビーム・コンバイナに対してｓ偏光されるように偏光するように構成された第１のλ／２波長板と、
前記連続波レーザの前記レーザ出力を第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームとに分割するように光学的に位置決めされ構成された第１の偏光独立なビーム・スプリッタと、
前記第２のレーザ・ビームの位相を、前記レーザ出力の波長の約半分の奇数培の位相遅延を生じるのに十分な振幅と前記ＳＬＭの前記ピクセル・レートの少なくとも２倍の周波数とで発振させるように光学的に位置決めされ構成された位相変調器と、
前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分と前記位相変調された第２のレーザ・ビームの半分とを反射し、前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分と前記位相変調された第２のレーザ・ビームの半分とを透過させ、第３及び第４のレーザ・ビームを生じるように光学的に位置決めされ構成された第２の偏光独立なビーム・スプリッタであって、前記第３及び第４のレーザ・ビームはそれぞれが前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分と前記位相変調された第２のレーザ・ビームのほぼ半分とを含む、第２の偏光独立なビーム・スプリッタと、
前記第４のレーザ・ビームを前記ビーム・コンバイナに対してｐ偏光されるように偏光するように光学的に位置決めされ構成された第２のλ／２波長板と、
を備えており、前記ビーム・コンバイナは、ｓ偏光された第３のレーザ・ビームとｐ偏光された第４のレーザ・ビームとを結合して第５のレーザ・ビームを生じるように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、前記ｓ偏光された第３のレーザ・ビームと前記ｐ偏光された第４のレーザ・ビームとは結合されて直線偏光された第５のレーザ・ビームを形成することを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、前記ｓ偏光された第３のレーザ・ビームと前記ｐ偏光された第４のレーザ・ビームとは結合されて楕円偏光された第５のレーザ・ビームを形成することを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、前記第１の偏光独立なビーム・スプリッタからの前記第１のレーザ・ビームを前記第２の偏光独立なビーム・スプリッタにリダイレクトするように構成された第１の実質的完全反射ミラーを更に備えていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、前記位相変調器から出力された前記第２のレーザ・ビームを第２の偏光独立なビーム・スプリッタにリダイレクトするように構成された第２の実質的完全反射ミラーを更に備えていることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、前記第１の偏光独立なビーム・スプリッタは、前記レーザ出力のほぼ半分を透過させ前記レーザ出力のほぼ半分を反射するように構成された部分反射ミラーであることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項６記載の装置において、前記第１のレーザ・ビームは透過される前記レーザ出力のほぼ半分を含むことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項６記載の装置において、前記第２のレーザ・ビームは反射される前記レーザ出力のほぼ半分を含むことを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１記載の装置において、前記第２の偏光独立なビーム・スプリッタは、前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分を透過させ前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分を反射し前記位相変調された第２のレーザ・ビームのほぼ半分を透過させ前記位相変調された第２のレーザ・ビームのほぼ半分を反射する部分反射ミラーであることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９記載の装置において、前記第３のレーザ・ビームは前記反射された第１のレーザ・ビームのほぼ半分と前記位相変調され透過された第２のレーザ・ビームのほぼ半分とを含むことを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項９記載の装置において、前記第４のレーザ・ビームは前記透過された第１のレーザ・ビームのほぼ半分と前記位相変調され反射された第２のレーザ・ビームのほぼ半分とを含むことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１記載の装置において、前記第２の偏光独立なビーム・スプリッタからの前記第３のレーザ・ビームを前記ビーム・コンバイナにリダイレクトするように構成された第３の実質的完全反射ミラーを更に備えていることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１記載の装置において、前記第２の偏光独立なビーム・スプリッタからの前記第４のレーザ・ビームを前記第２のλ／２波長板を通過して前記ビーム・コンバイナにリダイレクトするように構成された第４の実質的完全反射ミラーを更に備えていることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１記載の装置において、前記位相変調器は電子光学位相変調器であることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１記載の装置において、前記位相変調器は、前記第２のレーザ・ビームを前記レーザ出力の少なくとも半分の波長振幅で発振させるように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１記載の装置において、前記位相変調器は、前記第２のレーザ・ビームを前記ピクセル・レートの少なくとも４倍の周波数で発振させるように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１記載の装置において、前記第５のレーザ・ビームをビューイング・スクリーン上に実質的に反射するように構成された走査ミラーを更に備えていることを特徴とする装置。
【請求項１８】
レーザ・スペックルと干渉フリンジとを削減する装置であって、
複数の光経路に分離される光経路を定義するレーザ出力を有する連続波レーザと、
前記連続波レーザに光学的に結合されており定義されたピクセル・レートを有する空間光変調器（ＳＬＭ）と、
前記連続波レーザから光学的なダウンフィールド側に位置決めされており、前記複数の光学経路を再結合するビーム・コンバイナと、
前記ユーザ出力に入射する光経路に配置されており、前記レーザ出力を前記ビーム・コンバイナに対してｓ偏光されるように偏光するように構成された第１のλ／２波長板と、
前記連続波レーザの前記レーザ出力を第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームとに分割するように光学的に位置決めされ構成された第１の偏光独立なビーム・スプリッタと、
前記第２のレーザ・ビームの位相を、前記レーザ出力の波長の約半分の奇数培の位相遅延を生じるのに十分な振幅と前記ＳＬＭの前記ピクセル・レートの少なくとも２倍の周波数とで発振させるように光学的に位置決めされ構成された位相変調器と、
前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分と前記位相変調された第２のレーザ・ビームの半分とを反射し、前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分と前記位相変調された第２のレーザ・ビームの半分とを透過させ、第３及び第４のレーザ・ビームを生じるように光学的に位置決めされ構成された第２の偏光独立なビーム・スプリッタであって、前記第３及び第４のレーザ・ビームはそれぞれが前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分と前記位相変調された第２のレーザ・ビームのほぼ半分とを含む、第２の偏光独立なビーム・スプリッタと、
前記第４のレーザ・ビームを前記ビーム・コンバイナに対してｐ偏光されるように偏光するように光学的に位置決めされ構成された第２のλ／２波長板と、
を備えており、前記ビーム・コンバイナは、ｓ偏光された第３のレーザ・ビームとｐ偏光された第４のレーザ・ビームとを結合して第５のレーザ・ビームを生じるように構成されており、
この装置は更に、
前記第５のレーザ・ビームを実質的に直線偏光するように光学的に位置決めされ構成されたλ／４波長板と、
前記実質的に直線偏光された第５のレーザ・ビームの偏光を回転させるように光学的に位置決めされ構成された偏光回転子と、
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の装置において、前記ＳＬＭは、電子光学的、光導電体液晶、光導電体形状可変ミラーから構成される空間光変調器のグループから選択されることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１８記載の装置において、前記偏光回転子は電子光学偏光回転子であることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項１８記載の装置において、前記偏光回転子は、前記第５のレーザ・ビームの偏光を前記位相変調器の少なくとも２倍のレートの周波数で回転させるように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項１８記載の装置において、偏光回転されたビームをスクリーン上に実質的に反射するように構成された走査ミラーを更に備えていることを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項２２記載の装置において、前記スクリーンは偏光解消スクリーンであることを特徴とする装置。
【請求項２４】
ピクセル・レートが定義されている空間光変調器（ＳＬＭ）を有するレーザ・プロジェクタを用いるときに、レーザ・プロジェクタ・ディスプレイにおいてレーザ・スペックルと干渉パターンとを削減する方法であって、
連続波レーザのレーザ出力を、ビーム・コンバイナに対してｓ偏光されるように偏光するステップと、
前記ｓ偏光されたレーザ出力を第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームとに分割するステップと、
前記第２のレーザ・ビームの位相を、前記レーザ出力の波長の約半分の位相遅延を生じるのに十分な振幅と前記ＳＬＭのピクセル・レートの少なくとも２倍の周波数とで変調するステップと、
前記第１及び第２のレーザ・ビームを合成して第３及び第４のレーザ・ビームを生じるステップであって、前記第３及び第４のレーザ・ビームはそれぞれが前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分と位相変調された第２のレーザ・ビームのほぼ半分とを含む、ステップと、
前記第４のレーザ・ビームを前記ビーム・コンバイナに対してほぼｐ偏光されるように偏光するステップと、
前記第３及び第４のレーザ・ビームを前記ビーム・コンバイナを用いて結合して第５のレーザ・ビームを生じるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
ピクセル・レートが定義されている空間光変調器（ＳＬＭ）を有するレーザ・プロジェクタを用いるときに、レーザ・プロジェクタ・ディスプレイにおいてレーザ・スペックルと干渉パターンとを削減する手段であって、
連続波レーザのレーザ出力を、ビーム・コンバイナに対してｓ偏光されるように偏光する手段と、
前記ｓ偏光されたレーザ出力を第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームとに分割する手段と、
前記第２のレーザ・ビームの位相を、前記レーザ出力の波長の約半分の位相遅延を生じるのに十分な振幅と前記ＳＬＭのピクセル・レートの少なくとも２倍の周波数とで変調する手段と、
前記第１及び第２のレーザ・ビームを合成して第３及び第４のレーザ・ビームを生じる手段であって、前記第３及び第４のレーザ・ビームはそれぞれが前記第１のレーザ・ビームのほぼ半分と位相変調された第２のレーザ・ビームのほぼ半分とを含む、手段と、
前記第４のレーザ・ビームを前記ビーム・コンバイナに対してほぼｐ偏光されるように偏光する手段と、
前記第３及び第４のレーザ・ビームを前記ビーム・コンバイナを用いて結合して第５のレーザ・ビームを生じる手段と、
を備えていることを特徴とする手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、コヒーレント照射されたシステムの分野に属する。更に詳しくは、本発明は、レーザ照射されたプロジェクション・システムにおけるスペックル及び干渉パターンの削減に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ・スペックルは、コヒーレント光が粗い表面を照射する際に生成される干渉パターンに起因して生じうる。粗い表面からの反射は、拡散反射を生じることがある。粗い表面を通過する透過は、拡散透過を生じる。光が粗い表面に衝突すると、散乱反射及び／又は拡散透過が生じて、光は様々な方向に散乱する。レーザ・プロジェクタは、コヒーレントなレーザ・ビームをその光源として用いる。プロジェクタからのレーザ・ビームがディスプレイ・スクリーンに衝突すると、光は、様々な角度で表面から反射され、それ自体とのコヒーレント・レーザ光のランダムな空間干渉が生じる。結果的に生じたコヒーレント光源の干渉により、強め合う（constructive）干渉と弱め合う（destructive）干渉とが生じる。人間の目には、このイメージ・アーチファクトは、スペックル・パターンとして現れる。
【０００３】
回折は、回折要素を用いるレーザ・プロジェクタと共に生じる別のイメージ・アーチファクトの原因になることがある。回折要素の例としては、米国特許第５，９８２，５５３号に記載されているグレーティング・ライト・バルブ（ＧＬＶ）変調器がある。スペックルはスクリーンから散乱された光の干渉によって生じるが、レーザ・ビームの経路に回折要素が存在すると、スクリーンに入射する光に干渉パターンが生じる。このパターンは、観察者には暗い及び明るい水平方向の線の反復として見え、再結合された後で回折された順序の間の干渉によって生じる。
【０００４】
これまでに、イメージの画質に対するレーザ・スペックルの影響を削減するための試みがなされてきた。米国特許第３，６３３，９９９号には、レーザ・ビームを２つのビームに分離するためのビーム・スプリッタの使用が開示されている。一方のビームの光経路の長さがレーザのコヒーレント長よりも大きい長さだけ伸長された後で、これらのビームが再結合される。２つのビームはもはやコヒーレントではないから、再結合後のビームでは、スクリーンなどの表面から反射されるときに、生じるスペックルが減少する。しかし、この方法は、短いコヒーレント長を有するレーザにだけ有効である。更に、コヒーレント長が長くなるにつれて、装置のパッケージングが困難になる。
【０００５】
米国特許第６，３２３，９８４号は、散乱表面の全体でライン・イメージを走査することによって２次元イメージを生じるレーザ・ベースのプロジェクタのイメージの画質に対するレーザ・スペックルの影響を軽減するために、位相グレーティングを用いることを開示している。開示されている位相グレーティングは、位相遅延のラインの反復的配列から構成された単純な２次元パターンである。発明者による後の文献では、いわゆるアダマール行列（Hadamard matrix）を用いてスペックル・コントラストの更なる低下を達成したより高度な構成が記載されている（J I Trisnadi, “Speckle-contrast reduction in laser-projection displays”, in Projection Displays VIII, Proc. SPIE 4657, M H Wu, Editor (Soc. Photo-Opt. Instru. Engrs., Bellingham, WA, 2002）, pp. 131-137)。アダマール行列位相グレーティングは振動させることによって、プロジェクタのそれぞれの走査に対してライン・イメージに対する位相グレーティングを移動させてスペックル・コントラストを更に低下させることができる。その場合には、目が、複数のシーケンシャルな走査を統合するからである。しかし、位相グレーティングを用いることの結果として、光学機器によって収集されるには大きすぎる角度でレーザ・ビームがより高い回折次数に回折されると、光が失われてしまう。更に、位相グレーティングはスペックル・コントラストを削減することはできるが、位相グレーティングを用いることにより、スクリーン上に問題のある干渉パターンが生じる可能性がある。位相グレーティングを用いることは、単に、ある１つのイメージ・アーチファクトと別のイメージ・アーチファクトとを交換することに過ぎない。
【０００６】
最後に、ＰＣＴ特許出願ＷＯ０１／５７５８１には、レーザ・プロジェクタからのレーザ・ビームを２つの経路に分離し、圧電トランスデューサを用いてこれらの経路の一方における光学的長さを変動させることによって、スペックルを削減する方法が開示されている。レーザ出力の半波長の奇数倍の振幅と目では検出不可能な周波数とによって光学的長さを変動させることにより、単一のスペックル・パターンのコントラストは、光経路差がレーザのコヒーレント長よりも大きいことを必要とせずに、３０％までを有効に低下させることができる。この方法は、コヒーレント長が大きなレーザのレーザ・スペックルを削減する場合に有効である。しかし、この方法では、プロジェクタにおける回折要素に起因してスクリーンに入射するイメージにおいて生じる望まない干渉パターンを削減することができない。更に、この方法は上述した静的な位相グレーティングと共に用いることはできるが、上述した振動する位相グレーティングと共に用いる場合には、追加的な改善は得られない。その理由は、これらの方法は、共に、プロジェクタのそれぞれの走査と共に変化しなければならないからである。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、ピクセル・レートが定義されている空間光変調器（ＳＬＭ）を有するレーザ・プロジェクタを用いるときにレーザ・プロジェクタのディスプレイにおけるレーザ・スペックルと干渉パターンとを削減するシステム及び方法を提供する。この方法は、連続波レーザのレーザ出力をビーム・コンバイナに対してｓ偏光されるように偏光する動作を含む。ｓ偏光されたレーザ出力は、第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームとに分割される。第２のレーザ・ビームの位相は、レーザ出力の波長のほぼ半分の位相遅延とＳＬＭのピクセル・レートの少なくとも２倍の周波数とで変調される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では、添付の図面に図解されている例示的な実施例を参照し、特定の表現を用いてこれらの実施例について説明する。しかし、本発明の範囲をこれらの実施例によって限定することは全く意図していないことを理解してほしい。この出願において説明される本発明の特徴の改変や修正、更には、この出願において説明される本発明の原理の追加的な応用例も、この技術分野の当業者であってこの出願における開示を参照するものによって想到されるものは、本発明の範囲に属すると考えるべきである。
【０００９】
上述した問題点を克服し、レーザ・プロジェクタ・ディスプレイにおける視覚的な異常を削減する効率的なシステムを提供するために、本発明は、図１に図解されたような、ピクセル・レートが定義された空間光変調器（ＳＬＭ）を有するレーザ・プロジェクタを用いる際に、レーザ・プロジェクタ・ディスプレイにおいてレーザ・スペックルと干渉パターンとを削減する装置及び方法を提供する。定義されているピクセル・レートは、観察者が所望のイメージを見ることを可能にするのに必要な任意のピクセル・レートでよい。例えば、ピクセル・レートは、イメージにおけるフリッカを削減するのに十分なレートに設定することができる。ピクセル・レートは、プロジェクタからの光が表示されているイメージ又はディスプレイのタイプに応じて変動する。毎秒６０フレームでイメージを生成するのに十分なピクセル・レートは、あるタイプのディスプレイにとって十分である。また、毎秒１００フレームでイメージを生成するのに十分なピクセル・レートは、また、別の第２のタイプのディスプレイにとって十分である。
【００１０】
装置１００は、レーザ出力１０４を有する連続波レーザ１０２を含む。ある実施例では、第１のλ／２波長板（半波長板、half-wave plate）１０６を、レーザ出力１０４に入射するように配置することができる。この第１のλ／２波長板は、レーザ出力を偏光してｓ偏光されたレーザ出力１０８を生じるように構成することができる。第１の偏光とは独立なビーム・スプリッタ１１０を、ｓ偏光されたレーザ出力の光経路の中に配置し、ｓ偏光されたレーザ出力を第１のレーザ・ビーム１１２と第２のレーザ・ビーム１１６とに分割するように構成することができる。ここで、２つのレーザ・ビームは、それぞれが、２つの実質的に等しい直交するレーザ・ビームとして透過され反射される。
【００１１】
位相変調器１１８は、第２のレーザ・ビーム１１６の光経路の中に配置し、第２のレーザ・ビームの位相を、レーザ出力１０４の約半分の波長の位相遅延を生じるのに十分な振幅とレーザ・プロジェクタのピクセル・レートの少なくとも２倍の周波数とで発振させるように構成することができる。この位相変調器は、レーザ・プロジェクタの中で回折要素が用いられているかどうかに応じて、レーザ・プロジェクタのピクセル・レートよりも遙かに大きな周波数で第２のレーザ・ビームの位相を発振させるように要求されることがある。大きな変化速度で機能するため、位相変調器は、電子光学的な位相変調器である場合がある。これについては、より詳細に後述する。
【００１２】
第１の実質的に完全反射型のミラー１１４を、第１のレーザ・ビーム１１２の光学経路の中に配置することができる。このミラーは、第１の偏光独立ビーム・スプリッタ１１０からの第１のレーザ・ビームを第２の偏光独立ビーム・スプリッタ１２４の上に反射するように構成することができる。同様に、第２の実質的に完全反射型のミラー１２２を、第２のレーザ・ビーム１１６の光学経路の中に配置して、位相変調器１１８から出力される位相変調された第２のレーザ・ビーム１２０を第２の偏光独立ビーム・スプリッタの上に反射するように構成することができる。
【００１３】
第２の偏光独立なビーム・スプリッタ１２４は、第１のレーザ・ビーム１１２のほぼ半分を第１のある方向に透過させ、第１のレーザ・ビームのほぼ半分を別の第２の方向に反射するように構成することができる。また、ビーム・スプリッタが、第１及び第２のビームを直交しない角度で透過及び反射することも可能である。また、第２の偏光独立なビーム・スプリッタが、位相変調された第２のレーザ・ビーム１２０のほぼ半分を前記第２の方向に透過させ、位相変調された第２のレーザ・ビームのほぼ半分を前記第１の方向に反射することも可能である。
【００１４】
第３のレーザ・ビーム１２６は、第１のレーザ・ビーム１１２の反射された部分と位相変調された第２のレーザ・ビーム１２０の透過された部分とを含むように形成することができる。第４のレーザ・ビーム１３０は、第１のレーザ・ビーム１１２の透過された部分と位相変調された第２のレーザ・ビーム１２０の反射された部分とを含むように形成することができる。従って、第３及び第４のレーザ・ビームは、それぞれが、半分が変調された光と半分が変調されていない光であるビームで構成されている。
【００１５】
第３の実質的に完全反射型のミラー１２８は、第３のレーザ・ビーム１２６の光経路の中に配置することができる。このミラーは、第２の偏光独立なビーム・スプリッタ１２４からの第３のレーザ・ビームをビーム・コンバイナ１４０の上に反射するように構成することができる。同様に、第４の実質的に完全反射型のミラー１３２は、第４のレーザ・ビーム１３０の光経路の中に配置することができる。このミラーは、第２の偏光独立なビーム・スプリッタ１２４からの第４のレーザ・ビームを第２のλ／２波長板１３６の上に反射するように構成することができる。
【００１６】
第２のλ／２波長板１３６は、第４のレーザ・ビームを偏光して、第４のレーザ・ビームの偏光が第３のレーザ・ビームの偏光と直交するようにすることができる。光学の分野では、直交偏光されたレーザ・ビームを、ｓ偏光された電場及びｐ偏光された電場と称するのが一般的である。ｓ偏光された電場は、入射面に対して垂直な偏光を有している。ここで、入射面とは、入射するビームと反射されたビームとによって定義される面である。ｐ偏光された電場は、入射面とは平行な偏光を有する。第２のλ／２波長板は、ビームが第４の実質的に完全反射型のミラー１３２から反射された後で、第４のレーザ・ビームの光経路の中に配置することができる。ｐ偏光された第４のレーザ・ビーム１３８は、ビーム・コンバイナ１４０に入射するλ／２波長板から出力される。
【００１７】
ビーム・コンバイナ１４０は、この実施例においては、偏光とは独立でありうる。従って、ビーム・コンバイナを入射面として用いると、第３のレーザ・ビーム１２６をｓ偏光することができる。つまり、ビーム・コンバイナの入射面に対して垂直な偏光である。ｓ偏光は、上述したように、レーザ出力１０４を第１のλ／２波長板１０６を通過するように送出することによって得ることができる。偏光された第４のレーザ・ビーム１３８は、ｐ偏光することができる。これは、すなわち、ビーム・コンバイナの入射面に対して平行な偏光である。ｓ偏光された第３のレーザ・ビーム１２６とｐ偏光された第４のレーザ・ビーム１３８とは、両方共に、半分が変調され半分が変調されていないコヒーレント光である。ビーム・コンバイナは、第３及び第４のレーザ・ビームが交差する地点には位置されるように位置決めすることができ、それによって、これらの複数のビームが第５のレーザ・ビーム１４２に結合されることが可能になる。第５のレーザ・ビームは、半分が変調され半分が変調されていないコヒーレント光である。第５のレーザ・ビームは、結合される第３及び第４のレーザ・ビームに応じて、直線偏光、円偏光、又は楕円偏光されうる。
【００１８】
図１に示されているように、ビームを分離し、後に再結合することで、分離されたビームの間の長さの差がレーザ出力のコヒーレント長よりも大きい場合には、ディスプレイ・スクリーン上にレーザ・プロジェクション・システムによって生じるスペックルのコントラストを削減することが可能である。長さの差がレーザ出力のコヒーレント長よりも小さい場合には、２つのビームは、再結合されても、依然としてコヒーレントである。レーザ・プロジェクタのディスプレイ・スクリーン１４６は、レーザ・プロジェクタからのコヒーレント光を異なる複数の方向に送る散乱センター（散乱中心）で構成することができる。これらの散乱センターの高さの変動のために、隣接する点から観察者の目に到達する光は、異なる経路長を有する。結合されて観察者の最小の分解可能なスポットを形成するスクリーンからの光は、干渉し、既に上述したように、明るい又は暗いスペックルを、又は、それらの間の輝度を有するスペックルを生じうる。
【００１９】
この実施例では、再結合されたビームは、スクリーンを見ている観察者に新たなスペックル・パターンを提供する。その理由は、光のほぼ半分の位相が変化しているからである。新たなスペックル・パターンは元の単一のビーム・スペックル・パターンとは異なっているが、スペックルの量やスペックル・コントラストは、分離されたビームの間の長さの差がレーザ出力のコヒーレント長よりも小さい場合には、同じままである。
【００２０】
スペックル・コントラストを低下させるには、位相変調器は、この実施例では第２のレーザ・ビーム１１６であるビームの一方の位相を、高い周波数で変化させる。変調器のピーク・ピーク振幅は、ほぼ１８０度の位相遅延を生じさせるはずであり、これは、ほぼ半波長の長さの光経路における変化に対応する。周波数は、プロジェクタのピクセル・レートの少なくとも２倍でなければならない。位相をプロジェクタのピクセル・レートの少なくとも２倍の周波数で変調することによって、スクリーン上のそれぞれの散乱センターは、それぞれのピクセルに対する２つのビームの間の強め合う及び弱め合う干渉の少なくとも２つのサイクルに露光される。高周波の位相変調は、目の応答時間よりもはるかに高速であるから、変動する輝度が目において平均化される。このようにして、位相の変調が、２つの異なるスペックル・パターンを効率的に生じさせることができる。
【００２１】
この技術分野では、Ｎ個の相関のないスペックル・パターンを重畳させる（重ね合わせる）ことによりスペックルを削減できることが広く知られている。これにより、ディスプレイ上のスペックルのコントラストを、最大で１／（Ｎ）１／２だけ削減することができる。従って、高周波位相変調器を用いて２つの相関しないスペックル・パターンを生じさせることで、スペックル・コントラストを１００％から１／（２）１／２まで削減することができる。より大きな変化をコントラストに生じさせるには、相関のない多数のスペックル・パターンを作成しなければならない。
【００２２】
空間光変調器（ＳＬＭ）１４４を、第５のレーザ・ビーム１４２の光経路の中に配置して、偏光回転されたビームをスクリーン１４６の上に走査するように構成することができる。第５のレーザ・ビームは、観察者が走査が原因で生じる異常を全く感じることなくイメージの全体を見ることができるレートで走査することができる。これは、典型的には、約６０Ｈｚ以上の走査レートで達成することができる。空間光変調器は、電子光学的なＳＬＭ、光電導体液晶ＳＬＭ、又は、光電導体形状変形ミラーＳＬＭなどでありうる。例えば、ある実施例では、ＳＬＭは、グレーティング・ライト・バルブ（ＧＬＶ）でありうる。ＧＬＶは、第５のレーザ・ビームをスクリーン上に走査するのに用いることができる。
【００２３】
第２の実施例では、図１の装置１００からの位相変調された光を、図２に示されているように、高周波偏光回転子２０８と結合することができる。λ／４波長板２０４を、第５のレーザ・ビーム１４２の光経路に配置することができる。第５のレーザ・ビームの偏光は、結合されるときの第３のレーザ・ビーム１２６と第４のレーザ・ビーム１３８との位相に依存する。λ／４波長板は、第５のレーザ・ビームにおけるｓ及びｐ偏光の位相をコヒーレントで直線偏光されたビームにシフトするように構成することができる。あるいは、λ／４波長板は、第５のレーザ・ビームの楕円偏光を生じるように構成することもできる。高周波偏光回転子は、λ／４波長板から出力された偏光されたレーザ・ビーム２０６の光経路に配置することができる。偏光回転子は、位相変調器１１８の周波数の２倍以上で回転するように構成することができる。高い変化速度で機能するために、位相変調器は、電子光学的な位相変調器でありうる。直線偏光されたビームの偏光を回転させることによって、ｓ及びｐ偏光からのスペックル・パターンは、それぞれがシーケンシャルに与えられるために、偏光解消スクリーンの後では相互に干渉しない。これにより、２つの追加的な相関のないスペックル・パターンを作り出すことができ、更に３０％のスペックル・コントラストを削減することができる。
【００２４】
走査ミラー２１２（又は、ＳＬＭ）は、偏光回転されたビーム２１０の光経路の中に配置して、偏光回転されたビームをスクリーン２１６上に走査するように構成することができる。偏光回転されたビームは、観察者が走査が原因で生じる異常を全く感じることなくイメージの全体を見ることができるレートで走査することができる。これは、典型的には、約６０Ｈｚ以上の走査レートで達成することができる。スクリーンは、偏光解消スクリーンでありうる。偏光解消（depolarizing）スクリーンは、直線偏光されたビームから２つの独立なスペックル・パターンを作成することができ、更に３０％のスペックルを削減することができる。
【００２５】
第１及び第２の実施例は、位相グレーティング・セルの周波数の２倍以上で光経路長を変動させることによって、移動型の位相グレーティング又は拡散器（図示せず）と共に用いることもできる。例えば、位相グレーティング・セルは、ピクセルの８分の１のサイズでありうる。位相グレーティング行列は、１ピクセル当たり８つのセルを含むことができる。最大のピクセル・レートは、およそ、走査の１万分の１に対して１つのピクセルが表示されるというものであり、レーザ・プロジェクタは、６０Ｈｚの走査レートで動作され、光経路長の発振周波数は、６０（走査／秒）ｘ１００００（ピクセル／走査）ｘ８（セル／ピクセル）ｘ１（サイクル／セル）ｘ２＝９．６ＭＨｚで変動させることができる。
【００２６】
このように、上述した設定で位相グレーティングを用いるときにスペックルを削減するためには、光経路を、少なくとも９．６ＭＨｚの周波数と、レーザ出力１０４の波長のほぼ半分（あるいは、波長の半分の奇数倍）の振幅とで、変動させなければならない。
【００２７】
この例では、位相グレーティングは、プロジェクタの１走査当たり８つのスペックル・パターンを提供し、スペックルを１／（８）１／２だけ削減することができる。プロジェクタの１走査ごとに位相グレーティングを移動させることにより、８つの異なるスペックル・パターンがそれぞれの走査に対して提供される。人間の目の統合時間（integration time、積分時間）、すなわち、目が変化を検出するのに要する時間がほぼ５０ｍｓであると仮定すると、５０Ｈｚで走査しているプロジェクタは、目の統合時間の間に３回の走査を通過することができる。従って、位相グレーティングは、１／（３ｘ８）１／２＝１／（２４）１／２の削減を生じさせることができる。光経路を十分な周波数で変動させることによって、１つの拡散セルに対して２つの経路長が存在するようにそれぞれのセルに対するそれぞれのサイクルにおいて最大値及び最小値を作成することができる。１つの拡散セルについて２つの経路長が存在することによって、スペックル・パターンの数が２倍になり、スペックル・コントラストは、元のスペックル・コントラストの１／（２ｘ２４）１／２＝１／（４８）１／２＝０．１４４まで低下する。このようにして、スペックル・コントラストを、８５．６％まで低下させることが可能になる。
【００２８】
スペックル・コントラストを低下させることに加えて、本発明は、スクリーン上に現れる干渉ラインのコントラストを低下させることもできる。上述したように、干渉ラインは、ＧＬＶや位相グレーティングなどの回折要素の使用によって生じうる。本発明は、２つの直交する偏光の経路長を変化させることによって、スクリーン上の干渉コントラストを低下させることができる。ｓ偏光の半分とｐ偏光の半分との経路長を変動させることによって、干渉ラインは、２つの状態の間を高周波で変化させ、目によって統合されてより少ないコントラストを示すようにすることができる。
【００２９】
本発明の別の実施例は、図３のフロー・チャートに示されているように、定義されたピクセル・レートを有する空間光変調器（ＳＬＭ）を用いるときにレーザ・プロジェクタ・ディスプレイにおけるレーザ・スペックルと干渉パターンとを削減する方法を提供する。この方法は、ブロック３１０に図解されているように、連続波レーザのレーザ出力を、このレーザ出力がビーム・コンバイナに対してｓ偏光されるように偏光する動作を含む。次の動作として、ブロック３２０に図解されているように、ｓ偏光されたレーザ出力を第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームとに分割する。更なる動作として、ブロック３３０に図解されているように、第２のレーザ・ビームの位相を、レーザ出力の約半分の波長の位相遅延を生じさせるのに十分な振幅とＳＬＭのピクセル・レートの少なくとも２倍の周波数とで変調する動作が含まれる。この動作において用いられる位相変調器は、電子光学的な位相変調器でありうる。
【００３０】
次の動作として、ブロック３４０に図解されているように、第１及び第２のレーザ出力を混合して第３及び第４のレーザ・ビームを作成し、第３及び第４のレーザ・ビームのそれぞれが、第１のレーザ・ビームの約半分と位相変調された第２のレーザ・ビームの約半分とを含むようにする動作が含まれる。この例において用いられている混合は、第１及び第２のレーザ・ビームのそれぞれのほぼ半分を透過させほぼ半分を反射して第３及び第４のレーザ・ビームを生じさせる半透過性のミラーを用いて達成される。ブロック３５０に図解されているように、第４のレーザ・ビームを偏光してビーム・コンバイナに対してｐ偏光させる動作が、更に含まれる。更なるステップとして、第３及び第４のレーザ・ビームをビーム・コンバイナを用いて結合して第５のレーザ・ビームを生じさせる動作が含まれる。走査ミラーは、第５のレーザ・ビームの光経路に配置し、ディスプレイ・スクリーン上のイメージを走査するのに用いることができる。ＳＬＭを、走査ミラーの代わりに用いることもできる。イメージを、観察者が走査をイメージ全体に統合することを可能にする周波数で走査することができる。例えば、イメージは、６０Ｈｚのレートで走査することができる。ディスプレイ・スクリーンは、偏光解消スクリーンの場合もある。
【００３１】
この出願において開示されている発明は、従来技術における問題を解消し、レーザ・プロジェクタが用いられるときにディスプレイ・スクリーンから視覚的な異常を削減する効果的な装置及び方法を提供する。特に、本発明は、コヒーレント長が比較的長いレーザを用いるレーザ・プロジェクタの場合に、スペックルと干渉パターンとの両方を削減することができる。更に、本発明による装置及び方法は、高周波位相変調器を用いて光経路長と位相グレーティングとを変動させることによって８５％以上のスペックルを削減することが可能である。高周波位相変調器と位相グレーティング拡散器とを組み合わせることにより、この技術分野において現時点で達成されているよりも優れたスペックル削減が可能になり、同時に、この技術分野で存在する視覚的な干渉パターンを削減することもできる。
【００３２】
以上の説明で述べた構成は、本発明の原理の応用例の例示であることを理解すべきである。この技術分野の当業者には、特許請求の範囲に記載された本発明の原理及び概念から逸脱することなく様々な修正を行うことが可能であることが明らかなはずである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のある実施例によってレーザ・プロジェクタ・ディスプレイにおいてレーザ・スペックルと干渉パターンとを削減する装置を図解しているブロック図である。
【図２】図１の装置とλ／４波長板及び偏光回転子の使用とを更に組み合わせた本発明のある実施例を図解しているブロック図である。
【図３】本発明のある実施例によってレーザ・プロジェクタ・ディスプレイにおいてレーザ・スペックルと干渉パターンとを削減する方法を示している流れ図である。
【図１】
2008535020.tif 000003
【図２】
2008535020.tif 000004
【図３】
2008535020.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月13日(2007.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008535020.tif 000006
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2008535020.tif 000007
【国際調査報告】
2008535020.tif 000008
2008535020.tif 000009