(57)【要約】  スペックル減少装置及び方法が開示され、この場合、ビームエキスパンダ（７）を用いることによってコヒーレントレーザビーム（３）が拡大される。次に、拡大されたビームは、可変光学素子（１１）を通過するようになり、この可変光学素子は、液晶セルから成るのが良く、このような可変光学素子は、回折機能を拡大ビームに及ぼす。すると、ビームの断面は、コリメータ（１７）によって減少する。コリメートされたビームのスペックルパターンは、迅速に変化して、ビームが表面上に投射されたときに知覚される煩わしいスペックルの程度が減少するようになる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームによって生じたスペックルの知覚を軽減する装置であって、前記装置は、
入射ビームから拡大されたビームを生じさせるよう配置されたビームエキスパンダを有し、前記拡大ビームは、前記入射ビームに比べ大きな断面積を有し、
前記拡大ビームの経路中に配置された可変光学素子を有し、前記光学素子は、前記拡大ビームの少なくとも小部分に回折機能を及ぼし、それにより回折されたビームを生じさせるよう配置されており、前記回折機能は、経時的に変化し、
前記回折ビームからコリメートされたビームを生じさせるよう配置されたビームコリメータを有し、前記コリメートされたビームは、前記回折ビームに比べ小さな断面積を有する、装置。
【請求項２】
前記光学素子は、液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた第１の液晶セルと、前記収容された液晶物質に影響を及ぼす電極とを有する、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記光学素子は、液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた第２の液晶セルと、前記収容された液晶物質に影響を及ぼす電極とを更に有し、前記第１のセルと前記第２のセルは、個々に制御可能である、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記第１のセルと前記第２のセルは、相互に異なる格子周期及び（又は）格子方位を有する、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記光学素子は、液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた液晶セルと、前記収容された液晶物質に影響を及ぼすよう複数の群をなして互いに接続された複数個の電極とを有する、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記光学素子は、各々が液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた複数個の液晶セルと、前記収容された液晶物質に影響を及ぼす電極とを有し、各セルは、前記拡大ビームの小部分に影響を及ぼす、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記装置は、レーザ投影システムに設けられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記装置は、照明システムに設けられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
レーザビームによって生じたスペックルの知覚を軽減する方法であって、前記方法は、
入射ビームから拡大されたビームを生じさせるステップを有し、前記拡大ビームは、前記入射ビームに比べ大きな断面積を有し、
前記拡大ビームの少なくとも小部分に回折機能を及ぼし、それにより回折されたビームを生じさせるステップを有し、前記回折機能は、経時的に変化し、
前記回折ビームからコリメートされたビームを生じさせるステップを有し、前記コリメートされたビームは、前記回折ビームに比べ小さな断面積を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームによって生じたスペックルの知覚を軽減する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような装置は、例えば米国特許第５，３１３，４７９号明細書に記載されており、この米国特許明細書は、コヒーレント光を用いたディスプレイシステムを開示しており、スペックルは、回転又は振動が行われるディフューザによって減少する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，３１３，４７９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この種の装置は、機械的可動部品の使用により複雑であり、しかも高価になり易い。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、可動部品を使用しないで、スペックルの知覚を軽減する装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１に記載されたレーザビームにより生じるスペックルの知覚を軽減する装置及び請求項９に記載されたこれに対応した方法によって達成される。
【０００７】
具体的に説明すると、この装置は、入射ビームから拡大されたビームを生じさせるよう配置されたビームエキスパンダを有し、拡大ビームは、入射ビームに比べ大きな断面積を有し、この装置は、拡大ビームの経路中に配置された可変光学素子を更に有し、光学素子は、拡大ビームの少なくとも小部分に回折機能を及ぼし、それにより回折されたビームを生じさせるよう配置されており、回折機能は、経時的に変化し、この装置は更に、回折ビームからコリメートされたビームを生じさせるよう配置されたビームコリメータを有し、コリメートされたビームは、回折ビームに比べ小さな断面積を有する。
【０００８】
この装置は、光ビームに回折機能を及ぼすことができ、回折機能は、スペックルパターンを迅速に変化させるような仕方で変化する。これは、スペックルパターンを除くというわけではなく、これを人の目にとって見えにくくし、人の目に邪魔にならないようにする。機械的可動部品は、不要である。
【０００９】
光学素子は、液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた第１の液晶（ＬＣ）セルと、収容されたＬＣ物質に影響を及ぼす電極とを有するのが良い。格子構造体により、ＬＣ分子は、強力な回折効果をもたらすよう配列されることになり、電極は、この回折効果に大幅に影響を与えることができる。光学素子は、第２のセルを更に有するのが良く、第１のセル及び第２のセルは、個々に制御可能であるのが良い。これにより、光学素子の回折効果を迅速に変化させることができる。
【００１０】
２つのセルが用いられる場合、これらセルは、回折効果をより大幅に変化させるよう相互に異なる格子周期及び（又は）格子方位を有するのが良い。
【００１１】
第１の変形例として、光学素子は、ＬＣ物質を収容すると共に格子構造体を備えたＬＣセルと、収容されたＬＣ物質に影響を及ぼすよう複数の群をなして互いに接続された複数個の電極とを有するのが良い。これにより、単一のセルを用いながら、ＬＣ分子を２つ以上の格子周期を備えた構造の状態に配列することが可能である。
【００１２】
第２の変形例として、光学素子は、各々がＬＣ物質を収容すると共に格子構造体を備えた複数個のＬＣセルと、収容されたＬＣ物質に影響を及ぼす電極とを有し、各セルは、拡大ビームの小部分に影響を及ぼす。
【００１３】
この装置は、レーザ投影システム又は照明システムに設けられるのが良い。
【００１４】
本発明の方法は、入射ビームから拡大されたビームを生じさせるステップを有し、拡大ビームは、入射ビームに比べ大きな断面積を有し、この方法は、拡大ビームの少なくとも小部分に回折機能を及ぼし、それにより回折されたビームを生じさせるステップを更に有し、回折機能は、経時的に変化し、この方法は更に、回折ビームからコリメートされたビームを生じさせるステップを有し、コリメートされたビームは、回折ビームに比べ小さな断面積を有する。この方法は、利点をもたらし、しかもこの装置と一致して変形可能である。本発明の上記観点及び他の観点は、以下において説明する実施形態から明らかであり、このような実施形態を参照してこのような観点について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】レーザビームにより生じたスペックルの知覚を軽減する装置を概略的に示す図である。
【図２】図１の装置に用いられる可変光学素子を示す図である。
【図３】図１の装置に用いられる変形例としての第１の可変光学素子を示す図である。
【図４】図１の装置に用いられる変形例としての第２の可変光学素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、レーザビームにより生じたスペックルの知覚を軽減する方法及び装置について説明する。
【００１７】
スペックルは、コヒーレント性（可干渉性）の高い光ビーム、例えばレーザビームがランダムな表面特性を備えた粗面、例えば紙、布又は塗装壁によって散乱されたときに生じる現象である。散乱光の互いに異なる部分が、干渉に起因して強く変動する光パターンになり、その結果、強度の山部と谷部が生じる。このスペックル現象は、例えばレーザビームがレーザ投与システムに用いられた場合に非常に煩わしいものとして経験される場合がある。この場合、投影された像は、「表面がざらざらした」外観を有する場合がある。
【００１８】
図１は、レーザビームにより生じたスペックルの知覚を軽減する装置を概略的に示している。
【００１９】
装置１は、レーザ光源５、例えばレーザダイオード、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光ダイオードレーザ）、周波数変換ソリッドステートレーザ、ガスレーザ等によって生じた入射ビーム３を受け入れる。光源５は、装置１の一部でないことに注目されたい。入射ビーム３は、時間的及び空間的にコヒーレント性が高く、粗面上に投影された場合、この入射ビームは、煩わしいスペックルパターンを生じさせることになる。
【００２０】
入射ビーム３は、ビームエキスパンダ７に送り込まれ、このビームエキスパンダは、全体が単一の凹レンズで示されている。しかしながら、当業者であれば、ビームを拡大することができ、即ち、その断面を増大させることができ、通常、多数のレンズ及び（又は）鏡を内蔵した種々の光学系を想到できる。ビームエキスパンダから出力されたビーム９は、拡大ビームと呼ばれる場合がある。
【００２１】
可変光学素子１１が、拡大ビーム９の経路中に配置されている。以下に詳細に説明する回折／光学素子１１は、拡大ビーム９に回折機能を及ぼすよう配置されている。ビームの幅全体、又はビームの少なくとも小部分は、回折機能の影響を受ける場合がある。光学素子は、経時的に変化する回折機能を提供するよう配置されている。この変化は、光学素子１１に接続された制御ユニット１３によって行われる。
【００２２】
回折機能が約６０Ｈｚ以上の周波数で変化する場合、ビームが最終的に表面上に投影されたときにスペックルパターンを大幅に除去することができる。スペックルパターンは、投影ビーム中に依然として存在するが、パターンが変化するので、このスペックルパターンは、人の目にはそれほど知覚されない。しかしながら、６０Ｈｚ未満の周波数も又、或る程度の効果を生じさせる。光学素子１１から出力されたビーム１５は、回折ビーム１５と呼ばれる場合がある。
【００２３】
回折ビームは続いて、凸レンズで示されているビームコリメータ１７に入る。ビームエキスパンダ７の場合と同様、コリメータ１７は、当業者には周知であるように種々の仕方で実現できる。一般に、コリメータ１７は、回折ビーム１５からコリメートされたビーム１９を生じさせる。コリメートされたビーム１９は、回折ビーム１５に比べ小さな断面積を有する。
【００２４】
コリメートされたビーム１９の断面積は、入射ビーム３の断面積に一致する場合があるが、これは必要であるというわけではない。
【００２５】
光学素子１１の回折機能の変化により、コリメートされたビーム１９のスペックルパターンは、迅速に変化し、その結果、見る人は、コリメートされたビームが表面上に投影されたときにスペックルパターンには全く気がつかず、或いは、入射ビーム３が投影される状況と比較して、煩わしいスペックルを減少したものとして知覚するようになる。
【００２６】
コリメートされたビーム１９は、今や、多くの用途、例えばレーザ投影システムに使用でき、スポットライトして使用でき、自動車のフロント照明システム等に使用できる。
【００２７】
図１は又、レーザビームによって生じたスペックルの知覚を軽減する対応の方法を記載しており、この方法は、入射ビームから拡大されたビームを生じさせるステップを有し、拡大ビームは、入射ビームに比べ大きな断面積を有し、この方法は、拡大ビームの少なくとも小部分に回折機能を及ぼし、それにより回折されたビームを生じさせるステップを更に有し、回折機能は、経時的に変化し、この方法は更に、回折ビームからコリメートされたビームを生じさせるステップを有し、コリメートされたビームは、回折ビームに比べ小さな断面積を有する。
【００２８】
図２は、図１の装置に用いられる可変光学素子１１の概略断面図である。この光学素子は、液晶（ＬＣ）物質２３を収容した第１の薄い液晶セル２１を有している。
【００２９】
セル２１の内面は、微細な表面構造として提供された格子構造体２５を有し、この微細な表面構造により、弛緩状態では、ＬＣ分子は、特定の方位（ＬＣセルの平面内において）及び間隔周期を備えた格子状構造体の状態に配列される。ＬＣセル２１中のＬＣ分子のこの格子状構造は、図２に矢印によって示されている方向でセルを通過した光を実質的に回折することになる。格子構造体は、顕微鏡で確認できる程度の大きさである（極めて小さい）。この点に関し、図２は、当然のことながら、縮尺通りには描かれていない。ＬＣ物質が偏光の一形式にしか影響を及ぼさないので、レーザ光の偏光性状が用いられる。
【００３０】
セル２１は、ＬＣ物質の互いに反対側に設けられた電極２７，２９を更に有する。これら電極は、透明な物質（例えば、ＩＴＯ、即ちインジウム錫酸化物）で作られるのが良く、これら電極は、セル内に収容されているＬＣ物質２３に影響を及ぼすために用いられる。電圧が電圧源３１及びスイッチ３３によって指示されているように電極２７，２９相互間に印加されると、ＬＣ分子は、電界によりこれらの格子状構造を或る程度残すのになる。これは、例えば、図１に示されている制御ユニット１３によって達成されるのが良い。次に、ＬＣセル２１の回折効果が実質的に変化する。屈折率も又、変化する。回折効果を十分に高いレートで、例えば６０Ｈｚ以上で変化させた場合、人の目は、スペックルが減少したことを知覚することになる。
【００３１】
例えば電界をオンオフに切り換えることにより、ＬＣセルの回折機能は、経時的に変化が生じることになる。当然のことながら、印加電圧を連続的に変化させて回折効果をスムーズに変化させるようにすることが可能である。
【００３２】
図２に示す光学素子１１は、第２の液晶セル３５によって一段と改良されており、この第２の液晶セルは、第１のセル２１に類似している。第２のセルは、液晶物質３７を収容し、格子構造体３９と、収容されている液晶物質に影響を及ぼす電極４１，４３とを有している。第１及び第２のセルは、個々に制御可能であり、即ち、第１のセルをオンに切り換えても良く又はオンに切り換えなくても良く、これに対し、第２のセルをオフに切り換えても良く、又この逆の場合が成り立つ。したがって、オン状態とオフ状態だけが用いられる場合であっても、４通りの組み合わせが可能である（オン‐オン、オン‐オフ、オフ‐オン、オフ‐オフ）。回折効果は、ＬＣ物質が「遅い」場合に特に有用な印加電界の周波数を２度変化させることができる。セルは、互いに異なる格子周期を有するのが良く、例えば、第１のセル２１の場合には５０μｍの格子周期を有し、第２のセルの場合には６０μｍの格子周期を有する。変形例として、或いはこの差との組み合わせにおいて、セルは又、互いに異なる格子方位を有しても良い。これらの差により、上述した回折モードは、更に一層互いに異なるものになる。当然のことながら、３つ以上のセルを用いることができる。
【００３３】
図３は、図１の装置に用いられる変形例としての第１の可変光学素子を断面で示している。この場合、光学素子１１′は、液晶物質５３を収容した単一の液晶セル５１を有している。このセルは、ＬＣ物質に影響を及ぼす格子構造体５５を有する。例えば図２の第１のセル２１との差異は、セルの平らな表面上に設けられた電極が、複数の群をなして互いに接続された別々の部分に分割されていることにある。別々の電極５７，５９，６１，６３，６５は、セルの一方の側に配置され、電極の第１の群５７，６１，６５及び第２の群５９，６３をなして互いに接続されている。各電極は、格子構造体中の部分構造体（サブストラクチャ）と協調されるのが良い。同様に、電極の２つの群６７，７１，７５及び６９，７３が、他方の側に設けられている。図２の２つのセルの組み合わせと同様、これにより、多種多様な回折機能を互いに異なる電極群への互いに異なる電圧の印加によって達成することができる。互いに異なる電極群への電圧の種々の組み合わせの印加を利用すると、格子間隔周期を変化させてＬＣ分子の回折構造を変化させることができる。
【００３４】
図３に示されている２つのセルは、当然のことながら、図３に示すような１つのセル及び図２に示されている１つのセル等が可能であるように組み合わせ可能である。
【００３５】
図４は、図１の装置に用いられる変形としての第２の可変光学素子の正面図である。
【００３６】
この場合、光学素子１１″は、複数個の液晶セル８１，８３，８５，８７，８９等を有し、これら液晶セルは、図１に示すような拡大ビーム９の互いに異なる小部分に影響を及ぼすようアレイをなして配列されている。各セルは、上述したような液晶物質を収容している。図４に示されているように、セルは、互いに異なる格子間隔及び格子方位を有することができ、これらセルは、電極によって個々に制御可能である。したがって、拡大ビームの互いに異なる部分は、これらがコリメータによってコリメートされたビームに組み合わされる前に、互いに異なり且つ変化する回折効果の影響を受けることになる。これは、人の目によって知覚されるスペックルを非常に効果的に減少させることになる。
【００３７】
以上要するに、スペックル減少装置及び方法が開示され、この場合、ビームエキスパンダを用いることによってコヒーレントレーザビームが拡大される。次に、拡大されたビームは、可変光学素子を通過するようになり、この可変光学素子は、液晶セルから成るのが良く、このような可変光学素子は、回折機能を拡大ビームに及ぼす。すると、ビームの断面は、コリメータによって減少する。コリメートされたビームのスペックルパターンは、迅速に変化して、ビームが表面上に投射されたときに知覚される煩わしいスペックルの程度が減少するようになる。
【図１】
2010509617.tif 000003
【図２】
2010509617.tif 000004
【図３】
2010509617.tif 000005
【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年5月8日(2009.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
具体的に説明すると、この装置は、入射ビームから拡大されたビームを生じさせるよう配置されたビームエキスパンダを有し、拡大ビームは、入射ビームに比べ大きな断面積を有し、この装置は、可変光学素子を更に有し、光学素子は、液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた少なくとも１つの液晶セル及び収容された液晶物質に影響を及ぼす電極を有し、光学素子は、拡大ビームの経路中に配置されると共に拡大ビームの少なくとも小部分に回折機能を及ぼし、それにより回折されたビームを生じさせるよう配置されており、回折機能は、経時的に変化し、この装置は更に、回折ビームからコリメートされたビームを生じさせるよう配置されたビームコリメータを有し、コリメートされたビームは、回折ビームに比べ小さな断面積を有する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
格子構造体により、ＬＣ分子は、強力な回折効果をもたらすよう配列されることになり、電極は、この回折効果に大幅に影響を与えることができる。光学素子は、第２のセルを更に有するのが良く、第１のセル及び第２のセルは、個々に制御可能であるのが良い。これにより、光学素子の回折効果を迅速に変化させることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームによって生じたスペックルの知覚を軽減する装置であって、前記装置は、
入射ビームから拡大されたビームを生じさせるよう配置されたビームエキスパンダを有し、前記拡大ビームは、前記入射ビームに比べ大きな断面積を有し、
可変光学素子を有し、前記光学素子は、液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた少なくとも１つの液晶セル及び前記収容された液晶物質に影響を及ぼす電極を有し、前記光学素子は、前記拡大ビームの経路中に配置されると共に前記拡大ビームの少なくとも小部分に回折機能を及ぼし、それにより回折されたビームを生じさせるよう配置されており、前記回折機能は、経時的に変化し、
前記回折ビームからコリメートされたビームを生じさせるよう配置されたビームコリメータを有し、前記コリメートされたビームは、前記回折ビームに比べ小さな断面積を有する、装置。
【請求項２】
前記光学素子は、液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた第２の液晶セルと、前記収容された液晶物質に影響を及ぼす電極とを更に有し、前記第１のセルと前記第２のセルは、個々に制御可能である、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記第１のセルと前記第２のセルは、相互に異なる格子周期及び（又は）格子方位を有する、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記光学素子は、液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた液晶セルと、前記収容された液晶物質に影響を及ぼすよう複数の群をなして互いに接続された複数個の電極とを有する、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記光学素子は、各々が液晶物質を収容すると共に格子構造体を備えた複数個の液晶セルと、前記収容された液晶物質に影響を及ぼす電極とを有し、各セルは、前記拡大ビームの小部分に影響を及ぼす、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記装置は、レーザ投影システムに設けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記装置は、照明システムに設けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
レーザビームによって生じたスペックルの知覚を軽減する方法であって、前記方法は、
入射ビームから拡大されたビームを生じさせるステップを有し、前記拡大ビームは、前記入射ビームに比べ大きな断面積を有し、
少なくとも１つの液晶セルを有する可変光学素子を用いて前記拡大ビームの少なくとも小部分に回折機能を及ぼし、それにより回折されたビームを生じさせるステップを有し、前記回折機能は、経時的に変化し、
前記回折ビームからコリメートされたビームを生じさせるステップを有し、前記コリメートされたビームは、前記回折ビームに比べ小さな断面積を有する、方法。
【国際調査報告】
2010509617.tif 000007
2010509617.tif 000008
2010509617.tif 000009