(57)【要約】コヒーレントな光源システムが提出される。このシステムは、コヒーレントな光ビームを生成する少なくとも１つのコヒーレントな光エミッタと、集束レンズユニットと、ビーム成形器ユニットとを有し、前記ビーム成形器ユニットは、前記コヒーレントな光エミッタと前記集束レンズユニットの前側焦点面にあるコリメーティングレンズユニットとの間に収容され、それによって光伝播の光路における要求される平面において実質的に均一なプロファイルと高度な平行化を提供する。
2010533889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントな光ビームを生成する少なくとも１つのコヒーレントな光エミッタと、集束レンズユニットと、ビーム成形器ユニットとを有し、前記ビーム成形器ユニットは、前記コヒーレントな光エミッタと前記集束レンズユニットの前側焦点面にあるコリメーティングレンズユニットとの間に収容され、それによって光伝播の光路における要求される平面において実質的に均一なプロファイルと高度な平行化を提供することを特徴とするコヒーレントな光源システム。
【請求項２】
前記のビーム成形器ユニットは少なくとも１つの回折ビーム成形素子を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ビーム成形器ユニットは回折最上層素子を有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ビーム成形器ユニットは屈折非対称マイクロビーム成形器を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記コヒーレントな光源システムは、異なった波長の光ビームを生成する複数のコヒーレントな光エミッタを有する請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のコヒーレントな光源システムを有する画像投影システムであって、ピクセル配置によって形成された活性な表面を規定する空間光変調器（ＳＬＭ）ユニットと、光源システムから出力されＳＬＭユニットの活性な表面の方に伝播する光の光路に収容された合焦点マイクロレンズアレイ配置と、ＳＬＭユニットの光出力に収容される画像投影光学部品とを有することを特徴とする画像投影システム。
【請求項７】
前記光源システムは、複数の空間的に分離された光ビームの形態の光を生成するよう、設定され、および動作可能とされることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
発散される光の光路に収容された少なくとも１つの合焦点マイクロレンズアレイアセンプリを有することを特徴とする請求項６または７に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの合焦点マイクロレンズアレイアセンプリは、ＳＬＭユニットの中に位置することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ＳＬＭは、自身を通る光を空間的に変調するよう設定され、および動作可能とされた液晶ピクセルマトリクスを有する統合化された多層構造として設定され、前記ＳＬＭは、前記ピクセルマトリックスの前に置かれた前記少なくとも１つの合焦点マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を有し、そしてピクセルマトリックスのすべてのピクセルが前記少なくとも１つのＭＬＡからその対応するマイクロレンズに関連付けられるよう設定され、ＳＬＭは、合焦点ＭＬＡの対応するマイクロレンズによって、同じピクセル内でそれぞれ間隔をあけられたスポット上への異なった入射方向の出力光ビームを合焦点するよう設定されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ＭＬＡの小レンズの大きさは、実質的にピクセルの大きさと等しいことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ピクセルマトリクスはサブピクセルのグループ内に配列され、光源システムによって生成された異なった波長の分離された光ビームがそれぞれのサブピクセルの方に合焦点され、そして前記合焦点ＭＬＡは、異なった波長の前記光ビームが異なった入射角で前記ＳＬＭに入射し、かつ異なった波長に対応する異なったサブピクセルに合焦点されるように前記サブピクセルのグループをカバーするピッチを持ち、それによってそれぞれのサブピクセルが別々に一つの波長成分を制御することを特徴とする請求項１０または１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記異なった波長の前記異なった入射角は、前記ＳＬＭの前に置かれた傾斜したダイクロイックミラーを使うことによって作られることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記異なった波長の前記異なった入射角は、前記ＳＬＭのピクセルの開口部の大きさ内で光ビーム分離を提供する周期をもった前記合焦点ＭＬＡに、近接して収容された回折格子によって作られることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
合焦点ＭＬＡの焦点面に収容されたフィールドＭＬＡを有し、前記フィールドＭＬＡの光学パワーは本質的に合焦点ＭＬＡの光学パワーと同じであることを特徴とする請求項６から１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
ビーム断面におけるポイント毎での一つの局所的なビーム方向と、ビーム伝播軸に沿って連続した断面における空間干渉性と、を本質的に有するコヒーレントな光ビームを生成する段階を有することを特徴とする画像化方法。
【請求項１７】
コヒーレントな光を発散することによって前記コヒーレントな光ビームが作られ、ビーム成形器を通して前記発散された発散光ビームが通過し、そして前記ビーム成形器からコリメーティング光が出力されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、レーザ光源と電気的−光学的空間光変調器（ＳＬＭ）、例えば液晶パネルを使った投影システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
画像投影システムはコンピュータ、テレビジョン、および映画システムの不可欠な部品
である。コンパクトな投影システムは、ユーザに馴染みの形態で、ラップトップおよびデスクトップコンピュータ内に設けられたデジタルコンタクト、セルラー式携帯電話、またはコンパクトメモリデバイス（小型記憶装置）を表示する助けとなる。画像投影システムのコヒーレントな（干渉性の）レーザ光源の使用が、例えば特許文献１に開示されている。走査型赤−緑−青（ＲＧＢ）レーザビームシステムが、例えば特許文献２および特許文献３に開示されている。いくつかのタイプの固体状態の半導体レーザは、例えば特許文献４に記載されているような、利用可能な光コンバイナ（混合器）および従来型スキャナに出力するために使われうる。
【０００３】
非コヒーレントな光源に比較して、レーザ光源はより高い輝度、光伝播の角度方向における高濃度の光パワー、投影画像のための大きな焦点深度、および効率的な光電変換を提供する。しかしながら、レーザは、光学システム設計における特別な扱いを必要とする空間的にコヒーレントな光を提供する。さらに、色は、別個のレーザ光源によって作られなければならない。これらのレーザ光源の組み合わせだけでなく、投影画像におけるそれぞれのレーザ光源の空間的変調の組み合わせが、共に投影システム全体のために重要である。
【０００４】
それぞれの色のための空間的変調は、以下のように組み合わせられうる。３−パネル投影システムがそれぞれの色毎に別個のＳＬＭを利用することができる。しかしながら、投影画像上にいくつかのＳＬＭのピクセル（画素）グリッドを適合させることは難しい操作である。代わりに、ＳＬＭの時間的に連続的な変調を使って、１−パネル投影システムがすべての色のために一つのＳＬＭを利用することができる。しかしながら、これらのタイプのシステムは、液晶パネル（ＬＣ）に慣習的に関連付けられたＳＬＭによってサポートされないＳＬＭ変調におけるピクセル制御の高い周波数に悩まされる。また、これらのシステムのレーザ光源の最大パワーは、ビデオフレーム持続期間のただ一部だけに使われ、画像輝度の全体的な減少を誘発する。他の方策は、それぞれのＳＬＭピクセルを３−サブピクセルに分け、それに応じて入射光を３本の別個のサブビームに分けることである。白色光に関連付けられ、入射光を３本の別個のサブビームに分けるための回折格子を使う投影システムは、例えば特許文献５、特許文献６、特許文献７に開示されている。
【０００５】
一つの平行な色ＳＬＭの異なったサブピクセル上に分離された別個の色を得るために、異なった方向に伝播する異なった色の光ビームも使われうる。ピクセル間のクロストークを最小にするために、それぞれの一つのピクセルに対応するレーザ光源はマイクロレンズアレイの小レンズによって液晶セルに合焦される。しかしながら、レーザの自然な発散と固有の回折限界は、それぞれの一つのピクセルに対応するビームがシャープに合焦点されることを妨げる。３つの色のフォーカルスポット（焦点スポット）は重なり合い、ＳＬＭのピクセルサイズの縮小に制限を招きうる。異なった色でスポットの重複を避けるために、３つの色に対応する３−サブピクセルへのピクセル分離を備えたＳＬＭが利用されるべきである。
【０００６】
特許文献８、特許文献９、および特許文献１０は、投影パネルの一側または両側上にカスケード接続され、そして液晶層の内部に、またはそれを越えて光ビームを合焦点する、１つ以上のマイクロレンズアレイを持つ液晶パネルを開示している。カスケード接続されたマイクロレンズアレイのペアが、合焦点のために、そして次に小レンズに対応する小ビームの再平行化（再コリメーション）のために使われる。しかしながら、３つの色のために異なった伝播の方向を使って、第１の小レンズアレイの小レンズによって合焦点された光の一部だけが、第２の小レンズアレイの瞳のところに到達する。
【０００７】
ＳＬＭベースの投影システムの種々の形態は、そのすべてが本願の譲受人に譲渡された特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、および特許文献１６に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６,４９４,３７１号明細書
【特許文献２】米国特許第６,０００,８０１号明細書
【特許文献３】米国特許第５,７７４,１７４号明細書
【特許文献４】米国特許第５,３１７,３４８号明細書
【特許文献５】米国特許第５,６１５,０２４号明細書
【特許文献６】米国特許第６,３９２,８０６号明細書
【特許文献７】米国特許第５,８９４,３５９号明細書
【特許文献８】米国特許第６,２９５,１０７号明細書
【特許文献９】米国特許第５,３９８,１２５号明細書
【特許文献１０】米国特許第５,５０８,８３４号明細書
【特許文献１１】国際公開ＷＯ０４／０６４４１０号パンフレット
【特許文献１２】国際公開ＷＯ０４／０８４５３４号パンフレット
【特許文献１３】米国特許第７,１２８,４２０号明細書
【特許文献１４】国際公開ＷＯ０７／０６０６６６号パンフレット
【特許文献１５】国際公開０５／０３６２１１号パンフレット
【特許文献１６】国際公開ＷＯ０８／０１０２１９号パンフレット
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、特に画像投影システムを使用するためのコヒーレントな光源システムを提供する。コヒーレントな光源システムは、コヒーレントな光ビームを生成するコヒーレントな光エミッタ（例えばレーザ）と、集束レンズユニットと、前記コヒーレントな光エミッタとコリメーティングレンズユニットの前側焦点面に近接して存在するコリメーティングレンズユニット（前記前側焦点面の下流側の）との間に収容され、それによって光伝播の光路における要求される平面において実質的に均一なプロファイルと高度な平行化（コリメーション）を提供するビーム成形器ユニットとを有する。
【００１０】
このようなコヒーレントな光源システムの形態は、ビーム断面におけるポイント毎での一つの局所的なビーム方向（輝線）と、ビーム伝播軸に沿って連続した断面における空間干渉性と、を本質的に特徴付けるレーザビームを生成することを考慮する。ビーム断面におけるポイント毎での局所的なビーム方向（輝線）の開口数（ＮＡ）は０．０１から０．０５まで範囲にありうる。
【００１１】
従って、本発明の他の局面によれば、ビーム断面におけるポイント毎での一つの局所的なビーム方向と、ビーム伝播軸に沿って連続した断面における空間干渉性と、を本質的に有するコヒーレントな光ビームを生成する段階を有する画像化方法が提供される。
【００１２】
本発明による画像投影システムは、従って、上述の光源システム（コヒーレントな光エミッタ、ビーム成形器、およびコリメータ）、ピクセル配置によって形成された活性な表面を規定する空間光変調器（ＳＬＭ）ユニット、光源システムからの光出力の光路に収容され、ＳＬＭユニットの活性な表面の方に伝播する合焦点マイクロレンズ配置、およびＳＬＭユニットの光出力に収容された画像投影光学部品を有する。マイクロレンズ配置が、ＳＬＭピクセルより大きいＳＬＭサブピクセルのあるグループに対応するピッチを有すること、また主要色の数、例えばＲＧＢまたはＲＧＢＷなどに対応するサブピクセルの数を含むことは、本発明の重要な特徴である。
【００１３】
合焦点マイクロレンズ配置が、ＳＬＭユニットの中に（すなわち取り囲む基板（通常はガラス基板）の間のＳＬＭ層構造の中に）マイクロレンズアレイを含みうる、および／またはＳＬＭユニットに対する外にマイクロレンズアレイを含みうる、ということに注目すべきである。ＳＬＭユニットにマイクロレンズアレイを組み込むことは、同一譲受人の種々の特許文献に記載されている。また、投影システムが、システムを通した光伝播に関してビーム成形器の上流および／または下流に置かれた追加の合焦点／収集／方向付け素子（例えばレンズ）を含みうる、ということに注目すべきである。
【００１４】
画像投影光学部品は、レーザビームの空間的にコヒーレントな特性を使うよう設定され、および動作可能とされた投影レンズでありうる。
【００１５】
ＳＬＭは、スクリーン上に投影されるのに必要とされる画像のデジタルホログラムのデジタルデータによって制御されうる。コヒーレントな光エミッタ（レーザ）での動作は、好都合に、偏光または位相変調によるフーリエホログラムを利用することを可能にする。偏光または位相変調を使うことは、直交する（十字の）偏光子対によって光の一部をブロックするよりは、むしろ再配分によって効率を改善する。投影レンズは、ＳＬＭによって生成された光配列のフーリエ変換を実行しうる。このようなホログラムオプションの使用は、変調された光が自由空間におけるいくらかの距離を伝播することが可能とされるならば、位相の空間的変調または偏光が強度変調をもたらしうる、ということに基づいている。
【００１６】
本発明のビーム成形器は、ＳＬＭ平面上に実質的に矩形の均一な強度プロファイルの光ビームを提供するために、コヒーレントな光エミッタによって発散された光ビームの強度プロファイルに影響を与えるよう設定され、動作可能とされる。ビーム成形器は、屈折非対称マイクロビーム成形器(refractive asymmetrical micro-beam-shaper)として、あるいは好ましくは最上層(top-hat)素子として設計された回折素子として実行されうる。
【００１７】
本発明のコヒーレントな光源システムは、投影されている画像の異なった色成分に対応する異なった波長の光を生産する、複数のコヒーレントなエミッタ（例えばレーザ）を有しうる。別個のエミッタは、複数の空間的に分離された光ビームの形態にある光を生成するよう設定され、動作可能とされる。色画像を投影するよう設定された投影システムは、多数の光成分の光路に多数のＳＬＭ、または１つ以上の色成分のために共通なＳＬＭを含みうる。
【００１８】
いくつかの実施の態様において、ＳＬＭは、自身を通って通過する光を空間的に変調するよう設定され、および動作可能とされた液晶ピクセルマトリクスを有する統合化された多層構造として設定される。ＳＬＭは、透過タイプ（ＳＬＭユニットの反対側において光入力と出力を持つ（ガラス基板））、または反射タイプ（ＳＬＭユニットの同じ側において光入力と出力を持つ）のものでありうる。ＳＬＭは、該ＳＬＭの前に置かれた少なくとも１つの合焦点マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）と関連付けられうるか、および／または好ましくはその統合された部分においてそれを有しうる。そしてピクセルマトリックスのすべてのピクセルがＭＬＡからその対応するマイクロレンズに関連付けられるよう設定される。
【００１９】
ＭＬＡは、ＭＬＡにおけるマイクロレンズの多くの凸形または凹形の表面領域をそれぞれ規定する曲面、およびＭＬＡにおけるすべてのマイクロレンズに共通な反対の平らな表面を有しうる。ＭＬＡは、ピクセルマトリックスの活性な表面からその表面のいずれか１つによって間隔をあけられうる。ＳＬＭは、合焦点ＭＬＡの対応するマイクロレンズによって同じピクセル内で、それぞれ間隔をあけられたスポット上に、異なった入射方向の入力光ビームを合焦点するよう設定され、動作可能とされる。
【００２０】
ＭＬＡの小レンズの大きさはピクセルの大きさと実質的に等しくありうる。
【００２１】
いくつかの実施の態様において、ＳＬＭのピクセルマトリクスは、サブピクセルのあるグループに配列されうる（従ってそれぞれおよびあらゆる１つ１つのピクセルがサブピクセルのグループ（例えば３つ）に分けられる）。また、コヒーレントな光エミッタの分離された光ビームは、合焦点ＭＬＡを使ってそれぞれのサブピクセルの方に合焦点される。合焦点ＭＬＡは、異なった入射角でＳＬＭに入射する異なった色の光ビームが異なった色に対応する異なったＳＬＭサブピクセル上に合焦点されるように、サブピクセルのグループをカバーするピッチを持ち、それによってそれぞれのサブピクセルが別々に一つの色成分を制御する。
【００２２】
本発明の投影システムは、フィールドＭＬＡの光学パワーが合焦点ＭＬＡの光学パワーと本質的に同じであるように、合焦点ＭＬＡの焦点面に収容されたフィールドＭＬＡを有しうる。合焦点されたビーム伝播の方向は、フィールドＭＬＡを使うことによって光軸に実質的に平行なビームに至らしめられうる。合焦点ＭＬＡとフィールドＭＬＡとの間隔は、合焦点ＭＬＡの焦点距離に実質的に等しいよう選ばれる。フィールドＭＬＡの焦点距離と合焦点ＭＬＡの焦点距離は実質的に等しくありうる。
【００２３】
いくつかの実施の態様において、異なった色のレーザビームはＳＬＭの方に異なった入射角を持ちうる。異なった色の異なった入射角は、ＳＬＭの前に置かれた、適切に方向付けられた波長選択フィルタ（例えば傾斜させたダイクロイックミラー）を使うことによって作られうる。あるいは、異なった色の異なった入射角を作るために回折格子が使われうる。この回折格子は、合焦点ＭＬＡに近接して収容でき、ＳＬＭのピクセルの開口部の大きさ内で光ビーム分離を提供する周期によって設定されうる。
【００２４】
本発明を理解するため、そしてそれがどのように実際に実行されうるかを見るために、添付の図面を参照しつつ限定的でない例を通じて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】非コヒーレントな画像化の輝線軌跡を概略的に示す。
【図１Ｂ】コヒーレントな画像化の輝線軌跡を概略的に示す。
【図１Ｃ】コヒーレントな画像化の輝線軌跡を概略的に示す。
【図２Ａ】非コヒーレントな画像化のビーム広がり（発散）および輝線広がりを概略的に示す。
【図２Ｂ】非コヒーレントな画像化のビーム広がりおよび輝線広がりを概略的に示す。
【図３Ａ】ビーム成形器ユニットおよびコリメーティングユニットに関連した、そして広がるビームを発するダイオードポンプ（ＤＰＭ）レーザのための一つのモードのコヒーレントなレーザ光エミッタを利用した、本発明のレーザ投影システムにおける光学スキーム（基本構成）の例を示す。
【図３Ｂ】ビーム成形器ユニットおよびコリメーティングユニットに関連した、そして広がるビームを発するダイオードポンプ（ＤＰＭ）レーザのための一つのモードのコヒーレントなレーザ光エミッタを利用した、本発明のレーザ投影システムにおける光学スキーム（基本構成）の例を示す。
【図３Ｃ】ビーム成形器ユニットおよびコリメーティングユニットに関連した、そしてダイオードレーザのための一つのモードのコヒーレントなレーザ光エミッタを利用した、本発明のレーザ投影システムにおける光学スキーム（基本構成）の例を示す。
【図４】ＬＣパネルベースのレーザ投影システムの例の光学スキームを概略的に示す。
【図５Ａ】コヒーレントな画像化において合焦点マイクロレンズアレイを使う色の角度分離を有するＳＬＭを示す。
【図５Ｂ】コヒーレントな画像化において合焦点マイクロレンズアレイとフィールドマイクロレンズアレイを使う色の角度分離を有するＳＬＭを示す。
【図５Ｃ】３色のレーザユニットにおいて異なった色の適応を例示する。
【図５Ｄ】４色のレーザユニットにおいて異なった色の適応を例示する。
【図５Ｅ】ＳＬＭのピクセル配置における隣接したピクセルに対応する３つのスポット上で得ることが可能な対応する画像の例を示す。
【図５Ｆ】ＳＬＭのピクセル配置における隣接したピクセルに対応する４つのスポット上で得ることが可能な対応する画像の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の投影システムはコヒーレントな画像化の利点を使う。投影機、特にマイクロ投影機の空間的にコヒーレントな光源の使用は、従来の非コヒーレントな投影システムを使うことによって得ることができるものと比較して、画像の方向の投影を改善することを可能にする。これに関連して、非コヒーレントおよびコヒーレントな画像化準備のための光伝播案スキームを示した図１Ａから１Ｃ（図１Ａ〜１Ｃ）を参照する。
【００２７】
図１Ａにおいて、非コヒーレントな光によって照明された物体は投影レンズを使ってスクリーン上に画像化される。示されるように、物体のすべてのポイント（点）は、投影システムが非コヒーレントな画像化における高解像度を持つようにする多くの輝線の広い広がりを生成する。コヒーレントな光によって照明されたシステムにおいては、通常、輝線の広い広がりを提供することが不可能であるが、コヒーレントな光画像の隣接するポイント間での干渉を特徴付ける。コヒーレントな光によって画像化する（例えば幾何学的なコヒーレントな画像化）小レンズにおいて、図１Ｂに示されるように、一つの輝線が物体のすべてのポイントから生成され、画像は幾何学的に物体からスクリーンまで転送される。しかしながら、この場合、画像の解像度は物体の細かい詳細に対する回折効果によって制限されることになる。図１Ｃで示されたコヒーレントな画像化を支援されたレンズは、比較的、物体のすべてのポイントから一つの輝線または輝線の限定された広がりを生成するが、それぞれのポイントは隣接したポイントとの非コヒーレントなマッチ（適合）を実行し、それによって図１Ｂのシステムに比較してより高い解像度にシステムを仕向ける。
【００２８】
従来の投影像システムの光伝播スキームを例示した図２Ａ〜２Ｂを参照する。ここでは、図２Ａは非コヒーレントな画像化を使う投影システムを、図２Ｂはコヒーレントな画像化を使う投影システムを示す。示されるように、非コヒーレントな画像化を使う投影レンズから出現するビームの広がりは、コヒーレントな画像化に比較して高い。しかしながら、それぞれの像点は隣接した物体点の連続的なセットによって形成され、その結果、たとえそれぞれの物体点での輝線の広がりが角度幅に制限されるとしても、高い画像解像度が可能である。
【００２９】
空間光変調器パネル上の物体は、コヒーレントな画像化のケースにおいて複素振幅関数
【００３０】
【数１】
2010533889.tif 000003
【００３１】
によって記述され、あるいは非コヒーレントな画像化のケースにおいて強度関数
【００３２】
【数２】
2010533889.tif 000004
【００３３】
によって記述されると想定する。ここに、
【００３４】
【数３】
2010533889.tif 000005
【００３５】
は物体平面における２次元（２Ｄ）のデカルト物体座標、
【００３６】
【数４】
2010533889.tif 000006
【００３７】
および
【００３８】
【数５】
2010533889.tif 000007
【００３９】
は波長に依存する。投影画像化システムは座標
【００４０】
【数６】
2010533889.tif 000008
【００４１】
を持った２Ｄ物体を、拡大された２Ｄデカルト画像座標
【００４２】
【数７】
2010533889.tif 000009
【００４３】
を持った画像に変換する。それは以下のような幾何学的な拡大係数に従う。
【００４４】
【数８】
2010533889.tif 000010
【００４５】
「理想的な画像」
【００４６】
【数９】
2010533889.tif 000011
【００４７】
および
【００４８】
【数１０】
2010533889.tif 000012
【００４９】
は、新たな２Ｄデカルト画像座標
【００５０】
【数１１】
2010533889.tif 000013
【００５１】
によって以下のように記述される。
【００５２】
【数１２】
2010533889.tif 000014
【００５３】
投影レンズが、コヒーレントおよび非コヒーレントな照明それぞれに対して、ポイントスプレッド(point spread)関数（ＰＳＦ）
【００５４】
【数１３】
2010533889.tif 000015
【００５５】
および
【００５６】
【数１４】
2010533889.tif 000016
【００５７】
を持っていると想定する。実際の画像
【００５８】
【数１５】
2010533889.tif 000017
【００５９】
は、コヒーレントおよび非コヒーレントな画像化それぞれに対して、理想的な画像
【００６０】
【数１６】
2010533889.tif 000018
【００６１】
と
【００６２】
【数１７】
2010533889.tif 000019
【００６３】
の以下のような畳み込みである。
【００６４】
【数１８】
2010533889.tif 000020
【００６５】
【数１９】
2010533889.tif 000021
【００６６】
ここに、
【００６７】
【数２０】
2010533889.tif 000022
【００６８】
である。
【００６９】
コヒーレントな画像化は、以下のような複素振幅関数のフーリエ変換によって数学的に記述される、物体の空間周波数成分に実質的に依存する。
【００７０】
【数２１】
2010533889.tif 000023
【００７１】
空間周波数変数ｖは、以下のような深度ｚ
【００７２】
【数２２】
2010533889.tif 000024
【００７３】
と、そして以下のような焦点距離Ｆ
【００７４】
【数２３】
2010533889.tif 000025
【００７５】
を有するレンズとを持つ自由空間において規定される。
【００７６】
コヒーレントな光エミッタ、ビーム成形器ユニット、およびコリメーティングユニットを含む光源システムを利用する、本発明のレーザ投影システムのための光学スキームを例示する図３Ａ〜３Ｃを参照する。
【００７７】
図３は、（ダイオードレーザまたは緑色ＤＰＭレーザのような）コヒーレントな光エミッタ５０２、ビーム成形器（マイクロビーム成形器）５０４、およびコリメーティングレンズＬ２（例えば２２．５／２７／４５ｍｍの焦点を持っている）を含むコヒーレントな光源システムを有する投影システム５００を示す。ビーム成形器は、Ｌ２の前側焦点面の後側（下流）から短い距離に位置している。システム５００は、自身を通る光を空間的に変調するよう設定され、および動作可能とされたＳＬＭ５０６をさらに含み、単純化された投影レンズＬ３を含む。また任意選択的に、システム５００には、ビーム成形器５０４の上流（光源システムを通る光伝播の方向に対して）にエミッタ５０２の出力に収容されたマイクロレンズＬ１が提供される。レンズＬ１は実質的に平行な照明を生成するよう設定され、および動作可能とされる（例えばｘ、ｙ平面上において１．１ｍｍ／２．５ｍｍの焦点を持つ）。ビーム成形器５０４は、ＳＬＭ上に入射する光ビームの断面中に均一な強度分布を生成するよう設定され、および動作可能とされる。システム５００には、さらに、ＳＬＭの活性なピクセルの適切に拡大された画像を生成し、投影ターゲットにそれを投影するよう設定され、動作可能とされた投影レンズ（ここでは図示せず）が提供される（例えば６／９／１８ｍｍの焦点を持った単レンズ）。
【００７８】
ビーム成形器５０４は、その断面中でビームの実質的に均一な強度分布を生成するためのビーム強度分布を修正するよう動作可能とされた、回折素子（通常、「回折最上層ビーム成形器(diffractive top-hat beam shaper)」と言われる）として、あるいは屈折マイクロ光学素子（通常、「屈折最上層マイクロビーム成形器(refractive top-hat micro-beam shaper)」と言われる）として実装されうる。ビーム成形器５０４は、コヒーレントな光エミッタ５０２とコリメーティングレンズＬ２との間に置かれ、さらに詳細には、コリメータの前側焦点面に近接して、そしてその下流に置かれる。ビーム成形器は、回折を通して所定のパターンに入射波を変調し、変換するために、上部に複雑な微細構造が作られるような基板でありうる。ビーム成形器は、多ピクセルの回折光学位相マスク（フィルタ）またはフラクタルアプローチベースの位相マスクを利用でき、コヒーレントな光源システムによって照らされる時に、等しいエネルギー分布を持ったスポットの二次元アレイを出力するよう設計できる。ビーム成形器は、干渉および位相制御の使用を通じて波面を修正することによって、入射光の回折を制御するよう設定され、および動作可能とされる。光ビームがビーム成形器を通り抜けるにつれて、ビームの特性（位相および／または振幅）は光学の原理に従って変えられる。修正された外向きの光ビームは、ビーム成形器の近距離場または遠距離場のいずれかにおける像平面上のある強度パターンを生成する。本発明のシステムを使うことによって、出力平面において、所与の大きさを有する最上層強度と成形器から所定の距離Ｓ１（例えば約４５ｍｍ）におけるほぼ球形の波面とを獲得することができる。上記所定の距離はコリメーティングレンズＬ２の平行化（コリメーション）状態から見積もられる。レンズＬ１の前の所定のビーム径と広がりに対して、距離Ｓ１は作製可能な成形器、すなわち小さな傾斜と小さな凹型曲線、を持つように最適化されるべきである。
【００７９】
ビーム成形器は、コリメーション（平行化）を改善するためにビームの波面を修正するよう設定され、動作可能とされる。それは対称でない形状の非球面表面を持った屈折素子または回折素子であるべきである。
【００８０】
上記で示されるように、ビーム成形器は、コリメーティングレンズＬ２の前側焦点面の下流で前記焦点面に近接して置かれ、それによって（レーザ光源によって生成されたガウス分布ではなくて）均一なプロファイル、および要求される平面（いわゆる「最上層平面」）における高度な平行化を持ったビームを得ることが可能となる。ＳＬＭユニットの入力面は前記平面内に、あるいはそれに非常に近接して位置する。
【００８１】
システム素子の配置とレーザパラメータの許容誤差が考慮に入れられる、ということも注目すべきである。レーザ許容誤差は、マイクロレンズＬ１からビーム成形器５０４まで距離を最適化することによって、補償されうる。マイクロレンズＬ１の焦点からビーム成形器５０４までの距離も、要求される「最上層」強度を持った出力ビームとビーム成形器５０４から所定の距離における最も球形に近い波面を得るために最適化されうる。
【００８２】
図３Ａに一目瞭然な方法で示されたように、成形器５０４は、真の発散する入射ビームの中心をビームの仮想の曲率中心に実際に「置き換える」。
【００８３】
他の実施形態において、光学システムは、９０℃までビーム偏光を回転させる９０℃のツイスト・ネマティック（ＴＮ）ＳＬＭを含みうる。空間的に変調された光の異なったピクセルは異なった偏光を特徴付ける。ＳＬＭを通過するコヒーレントな光は、ＳＬＭの活性な表面（液晶層）の後の所定の距離（約１ｍｍ）に位置する中間像面の方に伝播する間に回折を経験する。回折プロセスは、暗いピクセルにおいて光をブロックする（すなわち吸収する）代わりに、明および暗のピクセルの間の光を再配列する。投影レンズ（ＳＬＭの出力における）は、活性な面よりはむしろスクリーン上に中間像面を映し出す。中間像面における絵柄は、液晶層における絵柄のコード化されたバージョンでありうる。予めエンコーディングすることは、ビデオ信号のデジタル処理によって行なわれうる。デジタルフィルタは、数ピクセルまたは数行のピクセルのバッファを有する、スライディングウインドウタイプのものでありうる。この形態により、吸収の代わりに光を再配分するプロセスと共に、偏光子を使う必要性を排除することが可能になり、暗−明の再配分によって２倍、また偏光子の排除によって１／０．８＝１．２５倍を含んで、約２．５倍の光学パワーの節約につながる。
【００８４】
図３Ｂは、ＳＬＭが透過性液晶マイクロディスプレイ（例えばクォーター・ビデオ・グラフィックス・アレイ（ＱＶＧＡ）、すなわち３２０×２４０の解像度を持った、ビデオコントローラに関連付けられたコンピュータディスプレイ、あるいは、ビデオグラフィックスアレイ（ＶＧＡ）、すなわち６４０×４８０の解像度を持った、ビデオコントローラに関連付けられたコンピュータディスプレイ）でありうる本発明の投影システムの形態を示す。ここで、光エミッタはＤＰＭ緑色レーザのようなものである。このシステムは、上述されたシステム５００に一般に類似するが、図３Ａに表されたようなダイオードレーザのゆっくり発散する軸ビームよりはむしろ、ＤＰＭレーザの平行ビームを利用する。
【００８５】
図３Ｃは、全般的に５１０で示された、本発明の投影システムのさらに他の形態を示す。このシステムにおいて、コヒーレントな光源システムは、多モードのレーザダイオード（コヒーレントな光エミッタを構成する）を含む。このシステムは、一般的に上述されたシステム３００に類似しているが、マイクロレンズＬ１の上流のレーザダイオードの出力において追加のコリメータＬ４を含む。これは、生成された光の高度な発散、および多モードレーザダイオードに典型的なエミッタ面積の長い（通常１０〜２００マイクロメートル）寸法のためであって、速軸および遅軸のコリメータはマイクロレンズＬ１に追加して必要とされる。
【００８６】
全般的に１００と示された、レーザ投影機システム１００の例を表した図４を参照する。システム１００は、緑色レーザ１０２、赤色レーザ１０４、および青色レーザ１０６、ガウス分布レーザビームを均一な強度プロファイルを持った実質的にコリメートされたビームに変換するよう設定され、および動作可能とされた、３つの光エミッタとそれぞれ関連付けられた３つの成形器１０８、１１０、１１２を有する収集および成形光学ユニットを含むコヒーレントな光源システムを有する。このシステム１００には、自身を通過する光を空間的に変調するよう設定され、および動作可能とされたＳＬＭユニット（例えば液晶パネル）１１４、液晶パネル１１４の前に置かれ、実質的に平行な照明を提供するよう動作するフィールドレンズ１２４、および、スクリーン１２８のＬＣパネル１１４の活性なピクセルの拡大された画像を投影する投影レンズ１２６が、さらに提供される。このシステムには、種々の光収集／合焦点／方向付け素子がさらに提供され、これ（後者）は、現在の例では、波長選択フィルタ（例えばダイクロイックミラー）１１６、１１８、および、３つのレーザからの光ビームを赤色、緑色、および青色光成分の間で相互に角度分離された状態の一つの混合されたビームへと組み合わせるように適切に収容され、動作させる光偏向板（ミラー）１２０、１２２を含む。
【００８７】
図４に一目瞭然な方法で示されたように、Ｒ、Ｇ、およびＢ光成分１０４、１０２、および１０６は３つのレーザ光源、例えば白色光源を得るための適切なパワーを備えたコンパクトなレーザダイオード、によってそれぞれ生成される。次に、空間的に変調されたＲ、Ｇ、Ｂ  １０４、１０２、および１０６は、ダイクロイックミラー１１６、１１８とミラー１２０、１２２のセットによって画像化フィールドレンズ１２４を通過する混合されたビームに結合され、そのように生成された出力ビームはスクリーン表面１２８に投影され、そしてそこで出力画像は現出される。
【００８８】
Ｒ、Ｇ、Ｂレーザチャネルの光軸の方向とダイクロイックミラー１１６、１１８の角度方向は、液晶パネル１１４上に入射される時に、Ｒ、Ｇ、Ｂビームの間に小さな角度を持つように調整されうる。
【００８９】
ＳＬＭの例についての部分的な表示を示した図５を参照する。後者（上記ＳＬＭ）は、ＲＧＢチャネルの小ビームをＳＬＭ（例えばＬＣパネル、ＬＣＯＳパネル、ＤＬＭミラー）の活性な表面／平面上の小さなスポットに合焦点するための合焦点小レンズ４２０（例えばマイクロレンズアレイ）を有する。活性な表面はピクセルアセンプリ／マトリクス位置のそれである。一般的に、小レンズアセンプリ４２０は、入ってくる光の伝播方向に対してピクセルアセンプリの少なくとも上流に収容された、１つ以上の小レンズアレイを含む。小レンズアレイ４２０は、入ってくる光ビームを小片として集光するのに有用な小さなレンズの２次元アレイでありうる。レンズのそれぞれは、レンズに影響する入力ビームの対応する光部分を、小レンズアレイから数ミクロン（例えば１２〜１５ミクロン）の距離においてレンズの軸の周りの小さな領域に合焦点するように光学的に設計されうる。小レンズアレイのピッチは、入ってくる光を、活性なピクセルアレイ（例えばサブピクセルを形成するピクセルのグループ）のピッチと一致するように集光するよう設計される。そのレンズは、該レンズがお互いに接し、レンズアレイ領域の大部分を満たす（約１００％の充填率）ように、正方形のものでありうる。レンズは、円形形状のものでもありうる。レンズの光学特性、およびレンズと活性なピクセルとの距離は、活性なピクセル平面上での小ビームスポットの直径がピクセルによって規定される瞳（開口)より小さくなることを保証するように、単純な光学法によって計算され、それによってＬＣピクセル配列上に影響するすべての光がピクセルアセンブリの活性領域を通過する。
【００９０】
いくつかの実施形態においては、ＬＣパネルは、合焦点マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）と、ＬＣパネルを通ってピクセルマトリックスの活性な表面の方へ進む光の光路において、間隔をあけられた関係で収容されたフィールドＭＬＡとを含む。この形態は、合焦点およびフィールドＭＬＡの平面が第１のスペーサ層構造によって互いに間隔をあけられ、フィールドＭＬＡの曲面がピクセルマトリックスの活性な表面に近接して位置するようにしうる。
【００９１】
本発明が、異なった色で動作可能とされ、共通なピクセル瞳のサブピクセルによって別々に空間的に変調された画像投影システムを提供する、ということに注目すべきである。ピクセルサイズをサブピクセルサイズの方へと縮小することは、マイクロレンズアレイと追加のフィールドマイクロレンズを利用することによって達成される。
【００９２】
これに関係して、合焦点マイクロレンズアレイ４００とフィールドマイクロレンズアレイ４０２とを備えた液晶パネル１０１４の断面図を表した、図５Ｂを参照する。合焦点マイクロレンズアレイ４００は、液晶の活性な平面においてピクセル瞳を通して不明瞭にすることなく小ビームを小さいスポットに合焦点する。フィールドマイクロレンズアレイ４００は、投影レンズ１０２６の光軸に実質的に平行なビームにＲ、Ｇ、Ｂビームのそれぞれの伝播方向を変える。この形態は、液晶パネルの後に発散するビームを生成する。ＬＣパネルは、間隔をあけられたピクセルのアレイまたはピクセル瞳４０４を含むＬＣベースのピクセルユニットを持ったＳＬＭユニットとして設定され、動作可能とされる。
【００９３】
レーザ光源の異なった角度配置を表した図５Ｃ〜５Ｆを参照する。これらは、ＳＬＭの側面から見たもの（図５Ｃ〜５Ｄ）、そしてＳＬＭの一つのピクセルに対応するサブピクセルにおいて異なった波長の合焦点されたスポットの対応する位置として見たもの（図５Ｅ〜５Ｆ）である。
【符号の説明】
【００９４】
Ｌ１  マイクロレンズ
Ｌ２  コリメーティングレンズ
Ｌ３  投影レンズ
Ｌ４  コリメータ
１００  レーザ投影機システム
１０２  緑色レーザ
１０４  赤色レーザ
１０６  青色レーザ
１０８  成形器
１１０  成形器
１１２  成形器
１１４  液晶パネル
１１６  ダイクロイックミラー
１１８  ダイクロイックミラー
１２０  光偏向板（ミラー）
１２４  フィールドレンズ
１２６  投影レンズ
１２８  スクリーン
３００  システム
４００  合焦点マイクロレンズアレイ
４０２  フィールドマイクロレンズアレイ
４０４  ピクセル瞳
４２０  合焦点小レンズ
５００  投影システム
５０２  光エミッタ
５０４  ビーム成形器（マイクロビーム成形器）
１０１４  液晶パネル
１０２６  投影レンズ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【国際調査報告】
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2010533889.tif 000042
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