(57)【要約】像を生成するレーザプロジェクタと、拡散構造体と、観測手段と、を含む光学投影システムについて記載する。システムは、光学系全体を通して、各画素の光の擾乱のない波面が維持されるように設計されており、これにより、観測手段の撮像センサ上でスペックルが発生することを防いでいる。【選択図】図２
2015532462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光源（１０１、２０１、３０１、４０１）と、
各画素について擾乱のない波面を有する投影像（１０３、２０３、３０３、４０３）を発する光偏向器（１０２、２０２、３０２、４０２）と、
前記擾乱のない波面を維持する拡散構造体（１０４、２０４、３０４、４０４）と、
前記拡散構造体（１０４、２０４、３０４、４０４）の上部に生成される像を結像する観測手段（１０６、２０６、３０６、４０６）と、
を備えたことを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記拡散構造体（１０４、２０４、３０４、４０４）は、マイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
各画素について主光線（２０８）が略類似した角度で前記拡散構造体（２０４）に入射するように、コリメート光学素子（２０７、３０７、４０７）が、前記投影像（２０３）を、前記拡散構造体の上部に向きを変えていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項４】
前記コリメート光学素子（２０７、３０７、４０７）は、屈折光学素子、回折光学素子、または反射光学素子で構成されることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項５】
前記観測手段（３０６、４０６）により観測される前記拡散構造体（３０４、４０４）の上部の像のサイズを、拡大光学系（３０９、４０９）により変更していることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項６】
前記拡散構造体（３０４、４０４）は、前記拡大光学系（３０９、４０９）に統合されていることを特徴とする請求項５に記載の光学系。
【請求項７】
前記拡散構造体（１０４、２０４、３０４、４０４）は、ポリマ、プラスチック、ガラス、水晶、または金属で構成されることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項８】
当該光学系全体を通して、各画素の波面の擾乱は、１波長よりも小さく、具体的には０．２５波長よりも小さいことを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項９】
前記拡散構造体（１０４、２０４、３０４、４０４）は、ポリマ、プラスチック、ガラス、水晶、または金属で構成されることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１０】
前記拡散構造体（１０４、２０４、３０４、４０４）の構造は、前記投影像（１０３、２０３、３０３、４０３）の画素サイズと同じ大きさのピッチを有することを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１１】
前記拡散構造体（１０４、２０４、３０４、４０４）は、反射型または透過型であることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１２】
前記拡散構造体（１０４、２０４、３０４、４０４）の構造は、周期的またはランダムであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１３】
前記拡散構造体（１０４、２０４、３０４、４０４）は、少なくとも屈折性または回折性またはホログラフィックであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１４】
拡大光学系（３０９、４０９）は、少なくとも透過性または回折性または反射性であることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１５】
前記投影像（１０３、２０３、３０３、４０３）は、走査ミラーによるレーザプロジェクタまたは２次元強度変調アレイによるレーザプロジェクタにより生成されることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペックルフリーのレーザ投影システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザスペックルは、レーザ投影システムにとって最大の障害の１つである。スペックル効果は、コヒーレントなレーザ光の多くの波の強め合う干渉および弱め合う干渉の結果であり、これによって、光投影の強度プロファイルがランダムに変化する。
【０００３】
光波を面に照射する場合、回折理論によれば、被照射面上の各点は、２次球面波の発生源として作用する。散乱光野内の点における光は、被照射面の各点から散乱された波で構成される。面の粗さが、例えば１波長を超える光路長差を生じさせて、２πを超える位相変化を発生させるのに十分である場合に、その結果として、光の振幅ひいては強度がランダムに変化する。
【０００４】
投影システムでは、２種類のスペックル、すなわち主観的スペックルと客観的スペックルとを区別できる。客観的スペックルは、面上に生成される干渉縞である。特に、客観的スペックルは、粗面から散乱したレーザ光が、その後、別の面に当たる場合に、非常によく見られる。例えば、写真乾板または他の２Ｄ光センサが、レンズを用いることなく、散乱光野内に配置される場合に、スペックルパターンが得られ、その特性は、系のジオメトリおよびレーザの波長に依存する。
スペックルパターン内の所与の点における光は、散乱面全体からの寄与で構成される。それらの波の相対位相は面上の位置によって異なるので、個々の波の和はランダムに変化する。そのパターンは、まるで着色パターンであるかのように、結像方法に関わりなく同じである。
【０００５】
スペックルの「サイズ」は、光の波長、第１の面に照射するレーザビームのサイズ、その面とスペックルパターンが形成される面との間の距離、の関数である。これは、被照射領域の中心からの散乱光を被照射領域の辺縁からの散乱光と比較した相対光路差がλだけ異なるように散乱角が変化する場合に、強度が無相関となるからである。
【０００６】
第２のタイプのスペックルは、いわゆる主観的スペックルである。主観的スペックルは、コヒーレントに照射される面を、例えば眼または他の結像系である観測手段により撮像するときに発生する。結像系のレンズは、様々に異なる角度からの光を結像点（画素）に収束させ、その結果、その点で光の干渉が生じる。光が擾乱波面を持つか、または結像系自体で波面の大きな擾乱を導入する場合に、光は正および負の干渉を生じて、さらなる強度の変化が発生する。
【０００７】
様々なスペックル低減方法が知られており、それらはすべて、スペックルパターンの平均化を目指すものである。
【０００８】
例えば、特許文献１は、光変調器モジュールについて開示しており、これは、入射光を受けて変調するとともに、変調した光を出力光として出力する光変調器と、光変調器に配置されて入射光および出力光を透過させる透明基板であって、透明基板の表面の領域に形成された位相操作パターンを有する透明基板と、を備える。この発明による光変調器モジュールによって、レーザスペックルを低減できる。
【０００９】
特許文献２は、スペックル除去のための、スペックル除去素子、レーザビーム・ホモジナイザ、および方法について記載している。スペックル除去素子は、複数個の光学段差を含む第１面と、複数個のマイクロレンズを含む第２面と、を有する透明材を含む。複数の光学段差の各々は、マイクロレンズのうちの少なくとも１つと１対１に対応している。第１面と第２面のうち一方は、コヒーレンス長を有するコリメート光を受けるように構成されており、第１面と第２面の残りの１つは、マイクロレンズの個数に対応する複数のビームレットに分割されたコリメート光を通過させるように構成されている。光学段差のうちの少なくとも２つの各段差の高さは、コヒーレンス長よりも長いコリメート光の光路差を発生させるように構成されており、よって、レーザ光のコヒーレンスを壊乱する。
【００１０】
さらに、特許文献３の投写型表示装置は、レーザ投影用のスペックル低減装置について記載している。レーザ投影システムは、レーザ光を発するための少なくとも１つのレーザ光源と、ＭＥＭＳミラーとしての光偏向器またはデジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）としての２次元強度変調アレイなど、レーザ光を像光に変調するための像生成素子と、を備える。像光は、光出口を通してスクリーンに投影されて、像を形成する。スペックル低減装置は、反射モードまたは透過モードでレーザ光を通過させるために、レーザ光源とスクリーンとの間のレーザ光の投影経路に配置される少なくとも１つのレーザ位相擾乱素子を利用する。位相擾乱素子の表面に、少なくとも１つの位相擾乱パターンが配置されて、これにより、位相擾乱パターンを通過するレーザ光において不均一な位相変化を生じさせることで、最後に、スペックルを効果的に低減するように、スクリーンから発せられる像光のコヒーレンス長を減少させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／００５５６９８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１２／００８１７８６号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１２／１２２６７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
すべての従来技術のシステムは、それらが、レーザ光のコヒーレンスを壊乱する原理に、ひいてはスペックルを能動的に低減することに、依拠するものであるという欠点がある。これを、点走査系において達成することは、各画素に対する擾乱を極めて短時間で発生させる必要があるため、特に困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的は、スペックルフリーの投影システムのための異なるアプローチを提案することである。本発明は、コヒーレンスを壊乱する平均化アプローチを用いてスペックルを除去する代わりに、観測手段に至るまでの投影システム全体を通して、優れたコヒーレンスおよび各画素の擾乱のない波面を維持することによって、スペックルのない像を生成することを目的とする。
【００１４】
そこで、本発明によるスペックルフリーの投影システムは、以下のものを含む。
・擾乱のない波面を生成するコヒーレントなレーザ光
・レーザ光を像光に変調するための、例えばＭＥＭＳミラーである光偏向器、またはデジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）もしくは反射型液晶（ＬＣＯＳ（登録商標）：エルコス）などの２次元強度変調アレイ、または例えばＬＣＤである透過型光変調器
・各画素の擾乱のない波面を維持する例えばマイクロレンズアレイである拡散構造体
・結像光学系を有する観測手段
【００１５】
コヒーレントなレーザ光は、光偏向器に向けられ、これによって光を偏向することで像を生成する。像の各画素の波面は擾乱のないままであり、例えば眼である観測手段により結像された場合に、客観的スペックルも主観的スペックルも観測されない。しかしながら、ほとんどの実際の投影システムでは、レーザ光を観測手段の結像系に直接送ることは不可能であり、通常、可能な視野角を広げるために拡散スクリーンが必要とされる。ところが、不都合なことに、コヒーレント光が、例えばランダム拡散体を通して送られるときには、レーザ光の波面は、少なくとも部分的に擾乱されて、観測手段の結像光学系により結像される際に、撮像センサ上に主観的スペックルが発生する。
これらの望ましくない主観的スペックルを防ぐために、レーザ光の波面を壊乱することなく拡散させることで、複数の視角から像を見ることができるようにする拡散構造体が必要とされる。そのような拡散構造体の一例は、例えば投影される画素ごとに１つのレンズを有するマイクロレンズアレイである。そのような画素が、観測手段により結像される場合に、その画素においてスペックルは発生しない。また、マイクロミラーなどの他の構造体、または光の波面を擾乱させない他の構造体も可能である。このような波面を維持する構造体の主な利点は、何らかの動的システムを必要とすることなく、主観的スペックルと客観的スペックルのどちらの発生も防止されるということである。
【００１６】
好ましい実施形態では、波面維持構造体は、射出成形プラスチックまたはポリマで構成されたマイクロレンズアレイである。他の実施形態では、拡散スクリーンは、マイクロミラーで構成されたミラーである。
【００１７】
本発明は、さらに、波面維持拡散構造体の前または後に光を予備整形するシステムに関する。
【００１８】
本発明の実施形態は、レーザ光を像光に変調するための、例えばＭＥＭＳミラーである光偏向器、またはデジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）、反射型液晶（ＬＣＯＳ）などの２次元強度変調アレイ、または透過型光変調器を含むことができる。
【００１９】
本発明の詳細な説明および他の態様については、以下で提示する。
【００２０】
本発明について、以下のその詳細な説明を考慮することで、より良く理解され、また、上記以外の目的が明らかとなるであろう。その説明では、添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による光学系の第１の実施形態を示している。
【図２】本発明による光学系の第２の実施形態を示している。
【図３】本発明による光学系の第３の実施形態を示している。
【図４】本発明による光学系の第４の実施形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
定義
「擾乱のない波面」という用語は、一般に、擾乱されていないか、または擾乱が最小限のみである波面を有する光波を記述するために用いられる。つまり、結像系により一領域に収束される光波のすべての部分が、同位相であるか、または極めて近い位相を有する。特に、干渉光波の位相差は１波長よりも小さく、具体的には、０．２５波長よりも小さい。
【００２３】
本発明は、レーザ光の擾乱のない波面をレンズにより維持することと、擾乱のない波面を有する光は、結像系により収束されたときに主観的スペックルを発生しないことと、を利用するものである。本発明は、種々の形態で実施できる。それらのシステムのいくつかについて以下で説明する。
【００２４】
本発明の可能な一実施形態を図１に示している。本実施形態は、以下のものを含む。
【００２５】
擾乱のない波面を生成するコヒーレント光源１０１。これは、１つのレーザまたは複数のレーザ源により生成される単色源または多色源とすることができる。像を生成する光偏向器１０２は、例えば走査ミラーであって、これは、光を１次元または２次元に偏向させて、投影像１０３を生成する。走査ミラーの表面品質が良好である場合には、投影像の光の波面は、擾乱がないままである。このとき、生成された像は、各画素の擾乱のない波面を維持する拡散構造体１０４に向けられる。そのような構造体の一例は、マイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイは、理想的には、投影像の画素ごとに１つのマイクロレンズを有する。この場合、各画素は、１つのマイクロレンズに対応する。
各画素の光は、マイクロレンズの焦点距離に応じて、特定の角度に拡散されて、拡散像１０５を生成する。そして、拡散像１０５は、例えば眼である観測手段１０６により結像される。観測手段の結像系を拡散構造体１０４の表面に合焦させると、観測手段の撮像センサ上に投影像の像が生成される。各画素の光の擾乱のない波面がマイクロレンズにより維持されるため、各画素は、スペックルを生じることなく、網膜に投影される。よって、本実施形態に記載のシステムにより、観測手段は、多くの視角からスペックルのない像を見ることが可能となる。
【００２６】
効果的には、拡散構造体１０４は、以下のプロセスのうちの１つを用いて製造される。
ａ）  キャスティング、特に、射出成形／モールド加工
ｂ）  ナノメートルサイズの構造体の例えばホットエンボス加工によるインプリント
ｃ）  （例えば、化学またはプラズマ）エッチング
ｄ）  スパッタリング
ｅ）  ホットエンボス加工
ｆ）  ソフトリソグラフィ（すなわち、予備成形された基材上にポリマをキャスティングする）
ｇ）  セルフアセンブリ：磁気的または化学的セルフアセンブリ（例えば、「Ｓｕｒｆａｃｅ  ｔｅｎｓｉｏｎ−ｐｏｗｅｒｅｄ  ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ―  ｔｈｅ  ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｔｈｅ−ａｒｔ（表面張力による微細構造のセルフアセンブリ―技術的現状）」，Ｒ．Ｒ．Ａ．Ｓｙｍｓ，Ｅ．Ｍ．Ｙｅａｔｍａｎ，Ｖ．Ｍ．Ｂｒｉｇｈｔ，Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ著，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  １２（４），２００３年，３８７〜４１７頁を参照）
ｈ）  電磁場誘導によるパターン形成（例えば、「Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｇｕｉｄｅｄ  ｐａｔｔｅｒｎ  ｆｏｒｍｉｎｇ（電磁場誘導によるパターン形成）」，Ｌ．Ｓｅｅｍａｎｎ，Ａ．Ｓｔｅｍｍｅｒ，Ｎ．Ｎａｕｊｏｋｓ著，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．，７（１０），３００７〜３０１２頁，２００７年，１０．１０２１／ｎｌ０７１３３７３を参照）
【００２７】
光偏向器１０２は、以下のもので構成できる。
ａ）  走査ミラー
ｂ）  デジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）
ｃ）  反射型液晶（ＬＣＯＳ）
ｄ）  動的回折光学素子（例えば、ホログラフィック構造体）
ｅ）  例えばＬＣＤである透過型変調器
【００２８】
拡散構造体１０４は、以下のもので構成できる。
ａ）  屈折構造体
ｂ）  回折構造体
ｃ）  ホログラフィック構造体
ｄ）  反射構造体
【００２９】
拡散構造体１０４の表面は、例えば、以下のものでコーティングできる。
ａ）  反射防止コーティング
ｂ）  反射コーティング
ｃ）  カラーフィルタ被膜
【００３０】
拡散構造体１０４の材料は、例えば、以下のものを含むか、以下のもので構成できる。
ａ）  ゲル（ＬｉｔｅｗａｙによるオプティカルゲルＯＧ−１００１）
ｂ）  エラストマ（ＴＰＥ、ＬＣＥ、例えばＰＤＭＳ  Ｓｙｌｇａｒｄ  １８６であるシリコーン、アクリル、ウレタン）
ｃ）  熱可塑性プラスチック（ＡＢＳ、ＰＡ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＶＣなど）
ｄ）  デュロプラスト（Ｄｕｒｏｐｌａｓｔ）
ｅ）  ガラス
ｆ）  金属
ｇ）  特有の光学特性を有するその他の材料（セラミック、液体）
ｈ）  これらの組み合わせ
【００３１】
本発明の第２の実施形態を図２に示している。本実施形態は、以下のものを含む。
【００３２】
擾乱のない波面を生成するコヒーレント光源２０１。これは、１つのレーザまたは複数のレーザ源により生成される単色源または多色源とすることができる。像を生成する光偏向器２０２は、例えば走査ミラーであって、これは、光を１次元または２次元に偏向させて、投影像２０３を生成する。走査ミラーの表面品質が良好である場合には、投影像の光の波面は、擾乱がないままである。このとき、生成された像は、コリメート光学素子２０７に向けられ、そしてこれにより、擾乱のない光が、具体的にはマイクロレンズアレイである拡散構造体２０４に向けられる。
【００３３】
マイクロレンズアレイは、理想的には、投影像の画素ごとに１つのマイクロレンズを有する。この場合、各画素は、１つのマイクロレンズに対応する。各画素の光は、マイクロレンズの焦点距離に応じて、特定の角度に拡散されて、拡散像２０５を生成する。そして、拡散像２０５は、例えば眼である観測手段２０６により結像される。観測手段の結像系を拡散構造体２０４の表面に合焦させると、観測手段の撮像センサ上に投影像の像が生成される。各画素の光の擾乱のない波面がマイクロレンズにより維持されるため、各画素は、スペックルを生じることなく、網膜に投影される。よって、本実施形態に記載のシステムにより、観測手段は、多くの視角からスペックルのない像を見ることが可能となる。
【００３４】
本実施形態の利点は、マイクロレンズアレイ上への各画素の光の主光線２０８ａ、２０８ｂの入射角が略同じであり、その結果、観測手段２０６の可能な角度位置のそれぞれにおいて、均一な光強度分布が得られるということである。
【００３５】
コリメート光学素子２０７は、以下のもので構成できる。
ａ）  屈折レンズ
ｂ）  回折レンズ
ｃ）  フレネルレンズ
ｄ）  レンズスタック
ｅ）  ミラー
ｆ）  または、上記のすべての組み合わせ
【００３６】
本発明の第３の実施形態を図３に示している。本実施形態は、拡散構造体３０４の後に、観測像のサイズを調整するために拡大光学系３０９が導入されることを除いて、第２の実施形態に略対応している。拡大光学系は、レンズ系またはミラー系または両方の組み合わせとすることができる。
【００３７】
本発明の第４の実施形態を図４に示している。本実施形態は、拡散構造体４０４が拡大光学系４０９に統合されていることを除いて、第３の実施形態に略対応している。
【００３８】
本発明では、拡散構造体は、記載されたマイクロレンズアレイに限定されない。実際に、各画素の光の擾乱のない波面を維持するとともに、回折アーティファクトを防ぎつつ、光を拡散させるためのものとして、他の構造体を規定できる。
【００３９】
本発明は、さらに、光偏向器を、走査ミラーの代わりに、デジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）またはＬＣＯＳなどの２次元強度変調アレイとすることができるシステムに関する。
【００４０】
本光学系は、以下のような幅広い各種用途に利用できる。
・  家庭用またはプロ用ディスプレイの大型プロジェクタおよび超小型プロジェクタ
・  ヘッドアップディスプレイ
・  ラップトップ／モバイル・プロジェクタ
・  ＴＶプロジェクタ
・  ビジネス用プロジェクタ
・  ヘッドマウントディスプレイ
【００４１】
本発明の現下での好ましい実施形態について図示および説明しているが、本発明は、それらに限定されるものではなく、それ以外にも様々に具現化でき、以下の請求項の範囲内で実施され得るということは、明確に理解されるべきである。
【図１】
2015532462.tif 000003
【図２】
2015532462.tif 000004
【図３】
2015532462.tif 000005
【図４】
2015532462.tif 000006
【国際調査報告】
2015532462.tif 000007
2015532462.tif 000008
2015532462.tif 000009