(57)【要約】レーザ投影システムなどの作像デバイスに適切な照射を提供するためのシステムおよび方法。一実施形態において、高度にコリメートされた（例えば、レーザ光）ビームをホログラムディフューザに通して、ディフューザ上の各点から出射する光のための明確なコーン角を生成する。この光はフォーカシングされ、ディフューザの規定によって制御された照射画像となる。一実施形態において、画像は、投影ディスプレイ用のイメージャに適合するための４：３アスペクト比を有する強度の均一な矩形である。ディフューザ規定およびその結果の照射画像は任意の所望のイメージャに適合するように選択され得る。本システムおよび方法は、高レベルの光効率、スペックルおよび「虫食い」の低減または除去、ｃｏｓｉｎｅ４およびガウシアン強度フォールオフの低減または除去の利点（すべて従来の設計に共通する課題）を提供する。
2004525390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された制御角度ディフューザと、
該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズと
を含むシステム。
【請求項２】
前記画像のテレセントリック度を補正するように構成された視野レンズをさらに含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
高度にコリメートされたさらなる光ビームを出射するように構成されたさらなる光源をさらに含み、前記制御角度ディフューザは該高度にコリメートされたさらなる光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成され、かつ該高度にコリメートされたさらなる光ビームの該回折パターンをフォーカシングしてさらなる画像にし、該さらなる画像が前記第１の画像と同一であり、かつ該第１の画像上に重ね合わされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記光源はレーザ、発光ダイオード、およびアークランプからなる群のうちの１つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記光源と前記制御角度ディフューザとの間に位置づけられたビーム拡大器をさらに含み、該ビーム拡大器は前記光ビームの直径を拡大し、かつ該光ビームのコリメーションを維持するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ビーム拡大器は前記光ビームを非対称に拡大するように構成された、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記制御角度ディフューザはホログラムディフューザを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ホログラムディフューザは、均一な強度を有する照射画像に対応する規定を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記ホログラムディフューザは、矩形である照射画像に対応する規定を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記制御角度ディフューザは、屈折性レンズレット、バルク散乱材、および回折要素からなる群のうちの１つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記光源によって出射された前記光ビームの実質的にすべてがフォーカシングされて画像となる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記光源と前記制御角度ディフューザとの間に位置づけられたビーム拡大器をさらに含み、該ビーム拡大器は前記光ビームの直径を拡大するように構成され、前記画像での光の開口数は該拡大された光ビームの直径によって制御される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記制御角度ディフューザは、前記高度にコリメートされた光ビームから回折パターンを生成するように構成され、ここで該回折パターンはフォーカシングされて矩形かつ均一強度の画像となる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
高度にコリメートされた光ビームを提供するステップと、
制御角度ディフューザを使用して該光ビームを回折させるステップと、
該回折光をフォーカシングして照射画像にするステップと、
イメージャを該照射画像を用いて照射するステップと
を含む方法。
【請求項１５】
前記制御角度ディフューザを使用して光ビームを回折させるステップは、ホログラムディフューザを使用して該光ビームを回折させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記高度にコリメートされた光ビームを提供するステップは、レーザ光ビームを提供するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記回折光をフォーカシングして照射画像にするステップおよびイメージャを該照射画像を用いて照射するステップは、該回折光をフォーカシングして、イメージャ上に位置する照射画像とするステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
ディスプレイデバイスのための照射システムであって、
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成されたレーザ光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成されたホログラムディフューザと、
該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズであって、該照射画像がディスプレイデバイスのイメージャに適合する形状および強度特性を有する、視野レンズと
を含む照射システム。
【請求項１９】
前記レーザ光源によって出射された前記光ビームの実質的にすべてがフォーカシングされて前記照射画像となる、請求項１８に記載の照射システム。
【請求項２０】
前記照射システムは、前記光ビームの各部分から同一の画像を生成し、そして該同一の画像を重ね合わせて前記照射画像を形成するように構成された、請求項１８に記載の照射システム。
【請求項２１】
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された複数の光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された制御角度ディフューザと、
該回折パターンをフォーカシングして同一の、重複する画像にするように構成された視野レンズと
を含むシステム。
【請求項２２】
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された制御角度ディフューザと、
該制御角度ディフューザを光軸に対して横方向に移動させるように構成された機構と、
該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズと
を含むシステム。
【請求項２３】
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された制御角度ディフューザと、
該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズであって、該画像は該光ビームの光軸から、ゼロ次光漏れを該画像から外すのに十分な量だけオフセットされる、視野レンズと
を含むシステム。
【請求項２４】
高度にコリメートされた異なった波長の光ビームを出射するように構成された複数の光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして各光ビームに対応する回折パターンを生成するように構成されたスプリット制御角度ディフューザと、
該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズであって、該画像の各々は同一であり、かつ他の画像に重ね合わされる、視野レンズと
を含むシステム。
【請求項２５】
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された複数の光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを組み合わせるように構成されたビームコンバイナと、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された色消し制御角度ディフューザと、
該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズと
を含むシステム。
【請求項２６】
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された複数の光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された制御角度ディフューザと、
該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズであって、該画像は該光ビームの光軸から、ゼロ次光漏れを該画像から外すのに十分な量だけオフセットされる、視野レンズと
を含むシステム。
【請求項２７】
複数の光学プロセッサであって、各光学プロセッサは、高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された単色光源と、該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された制御角度ディフューザと、該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズとを有する、複数の光学プロセッサと、
画像の後段に位置づけられた画像コンバイナであって、該単色画像を組み合わせて１つの多色画像にし、そして該多色画像をリレー光学にリレーするように構成された画像コンバイナと
を含むシステム。
【請求項２８】
複数の光学プロセッサであって、各光学プロセッサは、高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された単色光源と、該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された制御角度ディフューザと、該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズとを有する、複数の光学プロセッサと、
各光学プロセッサの該視野レンズの後段に位置づけられた画像コンバイナであって、該単色画像を組み合わせて１つの多色画像にするように構成された画像コンバイナと
を含むシステム。
【請求項２９】
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された制御角度ディフューザと、
該回折パターンをフォーカシングして照射画像にするように構成された視野レンズと、
イメージャであって、該イメージャは、該照射画像によって照射され、かつ情報画像を生成するように位置づけられた、イメージャと、
該情報画像を見ることのできるスクリーン上へ投影するように構成されたディスプレイ光学と
を含むシステム。
【請求項３０】
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された１つ以上のさらなる光源と、該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように構成された１つ以上の制御角度ディフューザと、該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された１つ以上の視野レンズと、
各視野レンズの後段に位置づけられた画像コンバイナであって、該画像を組み合わせて１つの画像にするように構成された画像コンバイナと
をさらに含む請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
各視野レンズとイメージャとの間に位置づけられたビームスプリッタであって、該ビームスプリッタは前記画像が該イメージャを照射し、かつ光を該イメージャからディスプレイ光学へ再方向づけることを可能にするように構成された、ビームスプリッタをさらに含む請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
高度にコリメートされた光ビームを出射するように構成された光源と、
該高度にコリメートされた光ビームを受け取り、そして該光ビームから回折パターンを生成するように異なる規定を有する複数の制御角度ディフューザを交互に位置づけるように構成されたディフューザ機構と、
該回折パターンをフォーカシングして画像にするように構成された視野レンズと
を含むシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願）
この出願は、米国特許法（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ）１１９（ｅ）により以下の米国仮出願の利益を主張する。これらは、本明細書に完全に示される如く参考として完全に援用される。
【０００２】
シリアルナンバー第６０／２５７，０６１号、２０００年１２月２０日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ  Ｌｉｇｈｔｂｅａｍｓ」、代理人事件整理番号ＲＩＡＫＥ１１００
シリアルナンバー第 号、２０００年８月１日出願、名称「Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ」、代理人事件整理番号ＲＩＡＫＥ１１１０
シリアルナンバー第６０／２５７，０４７号、２０００年１２月２０日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ  Ｌｉｇｈｔｂｅａｍｓ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１１２０
シリアルナンバー第６０／２５７，０６２、２０００年１２月２０日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ  Ｚｅｒｏ−Ｏｒｄｅｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｌｅａｋ  ｉｎ  ａｎ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１１３０
シリアルナンバー第６０／２５７，０６３、２０００年１２月２０日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  ａｎ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１１４０
シリアルナンバー第６０／２５７，０４５、２０００年１２月２０日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  Ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｂｅａｍｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１１５０
シリアルナンバー第６０／２５７，０４６、２０００年１２月２０日出願、名称「Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ａｎｄ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｚｅｒｏ−Ｏｒｄｅｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｌｅａｋ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１１６０
シリアルナンバー第６０／２８４，４５５、２００１年４月１８日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  Ｓｅｌｅｃｔａｂｌｅ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅｓ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１１７０
シリアルナンバー第６０／２８２，７３８、２００１年４月１０日出願、名称「Ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒ，ａ  Ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ  ａｎｄ  ａ  Ｃｏｍｂｉｎｅｒ  ｉｎ  ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｓｐａｃｅ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１２００
シリアルナンバー第６０／２８２，７３６、２００１年４月１０日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｉｍａｇｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｓｐａｃｅ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１２１０
シリアルナンバー第６０／２８２，７３５、２００１年４月１０日出願、名称「Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒ  ａｎｄ  ａ  Ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ  ａｎｄ  ａ  Ｃｏｍｂｉｎｅｒ  ｉｎ  ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｓｐａｃｅ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１２５０
シリアルナンバー第６０／２８２，７３７、２００１年４月１０日出願、名称「Ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｃｏｍｂｉｎｅｒ，ａｎｄ  Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒ  ａｎｄ  ａ  Ｂｅａｍｓｐｒｉｔｔｅｒ  ａｎｄ  ａ  Ｃｏｍｂｉｎｅｒ  ｉｎ  ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｓｐａｃｅ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１２６０
シリアルナンバー第６０／２８２，７３４、２００１年４月１０日出願、名称「Ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒｓ，ａ  Ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ  ａｎｄ  ａ  Ｃｏｍｂｉｎｅｒ  ｉｎ  ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｓｐａｃｅ」、代理人整理番号ＲＩＡＫＥ１２７０
（発明の分野）
本発明は、投影ディスプレイに関し、より詳細には、光源からの光を均質化およびフォーマット化して、投影された画像においてより高度な均一性および効率性を達成する向上された方法に関する。
【０００３】
（関連技術の説明）
画像投影のために用いられる照射システムは、作像装置、フィルムまたは他のメディアを照射するために用いられ得る空間的に均一な平面を生成するように設計される。作像装置から反射されたまたは透過された光は、見るためのスクリーン上に投影される。明るさおよび空間的な明るさの均一性は、各特定の用途に対して見る者に受入可能と考えられるように一定の制限の範囲内であるべきである。
【０００４】
フィルム映画プロジェクタ、スライドプロジェクタ、電子化した液晶およびマイクロ電子化機械（ｍｅｍ）プロジェクタ、マイクロフィルムおよびオーバーヘッドプロジェクタを含む画像プロジェクタは全て、良好な画像を生成するために、画像において高度の空間的な光の均一性を必要とする。このことは、常時、これらのシステム全てに利用可能な光源が非常に無秩序な光出力を有し、このため、光を秩序付けるために複雑な光学システムを必要とするという事実に起因して、投影システム設計に対する挑戦である。さらに、短い距離における高度の拡大（これは、これらの光学システムにおいてしばしば発生する）は、光学分野において周知の問題を引き起こす。すなわち、この問題は、画像の中央から離れるように移動するときの画像における電力のｃｏｓｉｎｅ４ロールオフ（ｒｏｌｌ  ｏｆｆ）である。この効果は、画像の隅で最も際立つ。別の問題は、大抵の画像が矩形状の形でありながら、光源が円形または楕円形のガウシアンビーム輪郭を生成する傾向があることである。典型的には、光ビームは、空間的に切り捨てられる（すなわち、画像に対応する矩形の輪郭の外側に落ちるビームの部分が遮断される）。これは、照射の明るさを最大にする別の問題につながる。すなわち、光がその幾何形状を変更するように切り捨てられた場合、切り捨てられた光が明らかに無駄になる。
【０００５】
多くの光学的方法が従来技術において、利用可能な光源の特定の特徴に起因する均一性の変動を最小にすること、並びに照射の明るさを最大にすることをを試みるために用いられている。用いられる光学的方法は、用いられる光源にいくらかに依存する。多くの異なる種類の光源が今日一般に用いられている。いくつかの種類は、電気フィラメント、およびメタルハライドアークを含むアークランプ、低圧および高圧水銀アーク、キセノンアーク、カーボンアーク、並びに、固体型の発光ダイオード（ＬＥＤ）光源、およびレーザである。しかしながら、これら光源のすべてが従来技術を用いるディスプレイのために適しているわけではない。
【０００６】
市販の用途に使用されている光源の最も一般的な種類のうちの二つは、メタルハライドアークランプおよび高圧水銀アークランプである。これらのアークランプは、通常、楕円または放物線のリフレクタを用いて、図１に示されるように、それぞれ、集光して光を焦点に向けるかまたはビームを平行にする光学照射システム内に構成される。これらの種類のシステムの両方は、高度に非均一なビームを生成する。いくつかのシステムは、図２に示されるように、スクランブルされて、このためにより空間的に均一な光線の束を生成するために光源の光が導かれる反射トンネルまたは光パイプを用いる。
【０００７】
レンズレットアレイもまた、時には、光の均一性を高めるために用いられる。これらレンズレットのいくつかのバージョンが、米国特許第５，０９８，１８４号および米国特許第５，４１８，５８３号に記載されている。レンズレットアレイは、本質的に以下の方法で機能する。二つのレンズレットアレイが、個々のエレメントの焦点の長さに等しい間隔で分離される。第一のアレイのエレメントは、第二のアレイのエレメントの開口に光源の像を形成する。レーザの場合には、光源像は、回折パターンになる。次いで、第二のアレイのエレメントは、第一のアレイのエレメントの開口の像を照射平面上に形成する。開口は、照射されるデバイス（フィルムゲート、またはＬＣＤ）のアスペクト比と調和するように選択される。第二のアレイに近接する視野レンズは、各エレメントの主要な光線を照射平面の中心に焦点を合わせ、その結果、アレイの全エレメントによってサンプリングされたビームのサブセットは、照射平面に重ね合わされ、そして、照射平面がより均一な光の発散を有するように平均化プロセスが発生する。第二の視野レンズが、しばしば、投影像光学によって最もしばしば要求されるように光がテレセントリックになることを保証するために、照射平面に要求される。
【０００８】
この方法では、非均一の光の発散を有するビームが、多くのエレメントから構成されるアレイによってサンプリングされ、異なる幾何形状（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を有する均一なビーム（一般には矩形状）に変換され得る。
【０００９】
照射システムに用いられるレンズレットアレイ光学システムは、照射および作像システムが矛盾がないことを保証するように調整されなければならない設計特性を有する。そうでない場合、光が浪費される。例えば、照射の幾何形状は、イメージャ（ｉｍａｇｅｒ）の幾何形状と同一であるべきである。照射システムの開口数も作像システムに矛盾なくあるべきである。照射平面への距離に対する第一のアレイ上に投射する光のフットプリントの比によって、照射光の開口数が決まる。したがって、アレイエレメントの焦点距離および視野レンズの焦点距離は、照射開口数が作像開口数に合うことを保証するように調節される。
【００１０】
一見すると、レーザ光は、投影ディスプレイシステムにおける照射源であることについて巨大な潜在性を有するように見える。光は、良好に振る舞われ、まとめられ（すなわち、コリメートされる）、色彩において純粋であり、三波長（赤、緑、青）の最小を用いて高い色空間および範囲が生成され、高出力低消費のレーザが利用可能になっている。しかしながら、レーザに基づく照射システムにはいくつかの問題がある。
【００１１】
まず、レーザ光のコヒーレンスが、スペックル（緻密な粒状を有し、非均一である）につながる。スペックルが起こる影響は、この発明において提案するようにいわゆるホログラフィーディフューザの使用によって増加される。正味の効果は、「虫食い（ｗｏｒｍｉｎｅｓｓ）」と呼ばれることのある高周波のまだら（ｍｏｔｔｌｉｎｇ）効果であることが多い。別の問題は、プロジェクタと同様に、レーザ光がコリメートされているので、画像をスクリーン上へ投影することを可能にするコーンまたは開口数を生成するのが困難なことである。さらに別の問題は、使用される特定のレーザ源に依存して、レーザ光が通常ガウシアン強度プロフィールを有し、かつレーザ光の直径が広範囲であることである。これにより、最終のスクリーンまたは投影画像表面上で光分布が均一にならないことがあり得、またそうなることが多いことである。
【００１２】
別の問題は、現在利用可能なレーザは通常、ディスプレイデバイスによっては十分な照射を提供するのに十分なパワーを有さないことである。さらに、従来の方法を使用しては、複数のレーザのビームを組み合わせてもこの目的のために十分な照射を得ることは困難である。
【００１３】
ディスプレイ照射デバイスとしてレーザ光を使用することの別の問題は、レーザによって生成されたビームがその発散において非点収差を有することであり得る。言い換えると、ある軸におけるビームの断面における発散は、他の軸のものよりも大きくあり得る。このため、円形対象回折限定ビームに比較してさらなる処理問題が生じる。
【００１４】
ディスプレイ照射デバイスとしてレーザ光を使用することのさらに別の問題は、レーザ光が光学システムにおいて回折させる場合、所定量の光が回折せずに回折デバイスを通過することである。この効果はゼロ次光漏れと呼ばれる。ゼロ次光漏れは、その結果生じる回折パターンが明確な所望の関数に一致することを妨げ得る。
【００１５】
照射用にレーザ光源を使用することの別の問題は、レーザ光源が単色光であることである。白色の光源を有することが所望であるので、数個の異なる波長（例えば、赤、緑および青）のレーザ光ビームを組み合わせる必要があり得る。これは困難であり得る。なぜなら、多くの光システムおよび構成要素は、波長に依存し、したがって、均一な照射を提供するためには色補正が必要となり得るからである。
【００１６】
ディスプレイシステムにおいてレーザ光を使用することの別の問題は、大きな物理体積が通常必要とされることである。これらのシステムが空間を要求するのは、部分的には、画像情報が見るために表示され得るように第１の光学システムにおけるレーザ照射の処理および後段の第２の光学システムにおける画像情報の処理が別々に行われるからである。
【００１７】
ディスプレイ照射デバイスにおいてレーザ光を使用することの別の問題は、レーザ源からの照射画像をフォーマット化するための光学プロセッサが１つの固定照射アスペクト比フォーマットを提供するように構成されることである。ディスプレイにおいて使用するための異なるアスペクト比フォーマットを得るために、照射源は通常マスクされるので、光の一部が失われ、かつシステム効率が著しく失われる。したがって、レーザ源によって生成された光のすべてを利用するために、全く異なる光学プロセッサを使用する必要があり得る。
【００１８】
（発明の要旨）
上記に概説された問題の１つ以上は、本発明の種々の実施形態によって解決され得る。本発明は、レンズレットアレイ光学システムと同様の機能を、より効率的に、より少ないかつよりコストの低い構成要素を用いて実行し、かつその設計の柔軟性が改善される。本技術は、レーザに加えてアークランプおよびＬＥＤなどの多くのタイプの照射源に適用され得る。
【００１９】
広義では、本発明は、不均一なプロフィールを有するレーザビームを均一なパワー密度を有する照射源に変換するためのシステムおよび方法を含む。生成された照射画像は多くの目的のために使用され得る。例えば、画像はディスプレイデバイスにおける使用に適する均一な強度の矩形であり得、または画像は光を光ファイバ中へ伝送するために適切な丸いドットであり得る。本発明を使用して、レーザ源によって生成されたパワーを保存し、かつ実質的にすべてのパワーを所望の照射領域に方向づける。レーザスペックルアーチファクトも同時に低減または除去され得る。システムにおける要素の設計を選択することで、照射パターン、および照射パターンを出射する特定のテレセントリックコーン角パターンの正確な制御が可能となる。好適な実施形態はレーザ源を使用するが、システムは広範囲の光源デバイス（すべてのランプおよびＬＥＤ源を含む）を利用し得る。
【００２０】
本発明の一実施形態によるシステムの動作は以下の通りである。システムのブロック図を図４に示す。光ビームはまずレーザ光源によって生成される。光ビームは、制御角度ディフューザを照射するように拡大またはサイズ決定される。拡大されたビームはコリメートされたままである。
【００２１】
拡大ビームは制御角度ディフューザ（例えば、ホログラム、バルク散乱器、など）を通過して光を所定パターンに回折または方向づける。（クロスレンズアレイ、またはレンズレットアレイがまた使用され得る。）制御角度ディフューザは任意の幾何形状（ディスプレイデバイスアスペクト比に一致するための矩形など）となるような角度で光を放つように設計され得る。ホログラムディフューザの出射角は、上記のレンズアレイシステムの開口幾何形状と同様である。なお、しかし、従来技術においては、本発明における１つの光学要素（ホログラムディフューザ）によって実行される効果を生成するのに、間隔を開けた２つの光学要素を必要とする。
【００２２】
第１の視野レンズはホログラムディフューザの後に配置される。この第１のフィールドレンズは、回折光を１つの矩形面上に焦点を合わせて空間的に重ねる。この矩形面はレンズからの距離がレンズの焦点距離と等しい距離に位置する。第２の視野レンズをこの照射面において使用してシステムにおいて所望されるテレセントリック度を補正する。場合によっては、過剰補正または補正不足が所望され得る。次いでこの画像がディスプレイのための照射源として使用される。両方の視野レンズは、レンズアレイシステムにおける視野レンズと同一の機能を果たすが、そのコストは著しくより低い。
【００２３】
本システムおよび方法は、従来技術にまさる多くの利点を提供し得る。例えば、光効率のレベルは従来技術よりも実質的に増加し得る。スペックルおよび画像「虫食い」（高周波強度ばらつき）に関連するコヒーレント光学システムにおいて頻繁に生じる問題は低減または除去され得る。別の利点は、このように提供される照射が均一であり、かつ照射されているディスプレイデバイスに一致するように空間的にフォーマット化され得ることである（従来の設計において共通のガウシアン強度減衰（ｆａｌｌｏｆｆ）の照射を提供するのではない）。
【００２４】
ホログラムディフューザに代わるものとしては、図５Ａにおいて示されるようなクロスレンティキュラ（ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ）アレイである。クロスレンティキュラアレイは、矩形出射プロフィール用のホログラムと同じ光学機能を実行するが、その空間サンプリングレートはより低い。レンティキュラにおけるレンズプロフィールは非球面であって、上記のように均一性問題を補償し得る。クロスレンティキュラは、図５Ｂにおいて示されるように１つの要素に組み合わされ得る。さらなる構成は、図５Ｃにおいて示されるように、クロスレンティキュラ機能が１つの要素レンズレットアレイ中に組み込まれる。レンズレットアレイはビームサンプリングレートを低減し、これにより得られる画像の均一性を若干低減するが、レンズレットアレイはホログラムディフューザよりも著しく単色性であり、かつしたがって、多色光源を用いて使用され得る。この実施形態はまた、従来のレンズレットアレイ間の間隔および空間を必要とせず、かつこれにより、より小型のシステムを構築することが可能であるという点で、従来技術にまさる著しい利点を提供する。
【００２５】
（好適な実施形態の説明）
以下に詳細に記載する好適な実施形態を図面と併せて検討することによって本発明はよりよく理解できる。
【００２６】
本発明の好適な実施形態を以下に記載する。なお、以下に記載のこの実施形態および他の実施形態は例であり、本発明の例示を目的として限定を意図しない。
【００２７】
広義では、本発明は、制御角度ディフューザを使用して所定形状および強度の画像を処理する光学システムにおいてレーザ光ビームを処理するためのシステムおよび方法を含む。
【００２８】
図６を参照して、本発明の好適な実施形態を示す。本発明は、レーザ光源１、ビーム拡大およびコリメート部２、ホログラムディフューザ３、第１視野レンズ４、および第２視野レンズ５を含む。この実施形態において、すべての要素はその中心を同軸上に有する。構成要素による光学処理の機能は、入射される、実質的にコリメートされた円形ガウシアンレーザビームを均一な矩形照射面６に変換する。矩形照射面６は、液晶ディスプレイパネル（または他のイメージャ（ｉｍａｇｅｒ））などの空間光変調器を照射する際に使用するためのものである。空間光変調器は、視野レンズ５の直後に照射されるか、照射面６がシステムにおける別の位置に拡大されて、またはされないで光学的にリレーされ得るかのいずれでもよい。
【００２９】
一実施形態におけるレーザ光源はエッジ出射レーザを含み得る。通常、そのようなレーザは異なる直交発散を有するパターンで光を出射する。すなわち、出射されたビームは、第２面よりも第１面においてより大きく広がる。したがって、ビームは、第２面とは異なる第１面の規定を有する光学システム（例えば、ビーム拡大器）によって補正されなければならない。これは、異なるパワーの一対のクロス円筒レンズを使用する一実施形態において達成され得る。この実施形態における円筒レンズの組の構成を図７に示す。図７を参照すると、第１円筒発散レンズ２ｃはビームを第１面において広がらせるが、第２面ではそうならないことが分かる。他方、第２円筒発散レンズ２ｄはビームを第２面において広がらせるが、第１面ではそうならない。ビームが円筒発散レンズの両方を通過した後、発散は両面で等しく、かつ集束レンズによってコリメートされ得る。したがって、ビーム拡大器を出射したビームは両方の面においてコリメートされる。
【００３０】
なお、上記円筒レンズは、別の実施形態において、同じ機能（異なる軸に沿って異なる量だけビームを回折させる）を実行する１つの非点収差レンズによって置き換えられ得る。同様に、異なる発散の補正は発散レンズによって補正される必要がない。その代わり、１対の円筒集束レンズまたは光学システムにおける他の要素によって補正され得る。別の実施形態において、レーザ光源からのビームの発散は、すでに１つの面において所望されるよりも大きな発散を有するので、円筒レンズのうちの一方は集束レンズであり、他方は発散レンズである。多くのそのような変更が可能である。
【００３１】
他の実施形態において、発光ダイオードもまた光源として使用され得る。ＬＥＤが使用される場合、ＬＥＤ出力プロフィールを実質的にコリメートされたビームに変換する光学システムがＬＥＤの後段に配置される。これを達成するための光学システムは当該分野において周知である。
【００３２】
好適な実施形態は、実質的に円筒なビーム形状および高パワー性能のために高パワーＶＥＣＳＥＬ（垂直空洞表面出射レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ））（例えば、Ｎｏｖａｌｕｘ，Ｉｎｃによって製造されるもので名称はＮＥＣＳＥＬ（ノバルクス  拡大空洞表面出射レーザ（Ｎｏｖａｌｕｘ  Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）））を用いる。
【００３３】
システムを広範囲の光源および光源強度プロフィールで動作されるように変更する能力は、本発明によって提供され得る利点の１つである。
【００３４】
レーザ光１は、図６のシステムに左から入射する。光は単色であり、かつ通常の円筒ビーム直径０．３〜３ｍｍを用いてコリメートされるが、他の直径および幾何形状が可能である。チューナブルレーザまたは予め組み合わされた単色光源などの多色光源もまた使用され得る。好適な実施形態におけるビームの強度プロフィールはガウシアンであるが、他の強度プロフィールおよびレーザマルチモードプロフィールも同様に機能する。
【００３５】
一旦実質的にコリメートされた光ビームが確立されると、ビーム拡大器を使用してビーム直径を拡大し得る。ビームが拡大される量は、所望のＦ数（以下に記載）によって記載される。ビーム拡大器は、コリメートされた光源が十分な直径の場合、省略され得る。
【００３６】
ビーム拡大器（２）は、光ビームを拡大し、かつ光を再コリメートする。第１の実施形態において、ビーム拡大器は２つの要素および介在するビーム拡大空間を含む。この実施形態において、第１の平凹レンズ２ａを使用して、光軸に沿って対称なコーンビーム発散を生成する。第２の平凸レンズ２ｂを使用してビームの拡大を停止し、かつレーザビームを、光線が光軸に実質的に平行となるように発散を最小化された第２のより大きな直径のビームに再コリメートする。次いで、このより大きな直径のビームはホログラムディフューザ（３）上へ方向づけられる。
【００３７】
ホログラムディフューザ（３）はビーム拡大器よりも後段にある。好適な実施形態において、図８Ｃに示すように、ホログラム規定にしたがって、このディフューザは入射レーザビームを複数の矩形光コーンプロフィールに変換する性質を有する。すなわち、ディフューザ上の各異なる点を出射する光が矩形コーンの光を形成する。矩形コーンの光は水平および垂直直交角をディスプレイデバイスに対して所望の照射パターンのフォーマットの比で有する。好適な実施形態において、出力での所望の照射パターンは、標準のＮＴＳＣテレビフォーマットおよび標準のＸＧＡコンピュータモニタフォーマットに対応する４：３アスペクト比の均一な強度の矩形である。図９に示される具体的な設計例において、対応する角度は□Ｈｏｒｉｚ＝２０度および□Ｖｅｒｔ＝１４．８度である。４：３アスペクト比システムまたは他のフォーマットに対する具体的な水平および垂直角度は以下の通りに計算される。
□Ｈｏｒｉｚ＝Ａｒｃｔａｎ（．５ｘＷｉｍａｇｅ／Ｄｄｉｆｆ−ｉｍａｇｅ）．□Ｖｅｒｔ＝Ａｒｃｔａｎ（．５ｘＨｉｍａｇｅ／Ｄｄｉｆｆ−ｉｍａｇｅ）ここで、
□Ｈｏｒｉｚ＝ディフューザ水平半発散角
□Ｖｅｒｔ＝ディフューザ垂直半発散角
Ｗｉｍａｇｅ＝所望の画像面６の半幅
Ｈｉｍａｇｅ＝所望の画像面６の半高さ
Ｄｄｉｆｆ−ｉｍａｇｅ＝ディフューザから画像面６への距離
他のホログラム規定が幅の広いフォーマットＨＤＴＶなどのために使用される。）これらの光コーンの各々はレーザビームガウシアンパワープロフィールの小さな区分またはサンプルからのエネルギーから生成され、その結果、元のビームよりも各光コーンにおけるほうが均一性のレベルがずっと高くなる。好適な実施形態において、これらのコーンパターンの中心光線は光軸に対して実質的に平行である。所定の拡大コーン内の各光線は、表面から出射されている他のコーンのすべてにおいて対応の平行光線を有する。これらの平行光線のすべては、中心軸に対して同じ角度である。平行光線の各セットは、以下に記載の視野レンズ４の結果として照射面６上のユニークな点にマッピングする。したがって、光線発散角パターンは、面６での照射画像の形状を定義する。照射画像における各点は入射ガウシアンビームにおけるすべての点からのエネルギーから構成されるので、照射面の均一性は、元のガウシアンビームの均一性よりも実質的に向上される。効果は、従来技術のレンズレットアレイシステムと同様であるので、光の各矩形コーンは、光の各矩形コーンがすべての点で入射光をサンプリングし、次いで照射面にサンプルを互いに重ねることによって生成される。レンズレットアレイはずっと低い空間周波数をサンプリングするので、したがって均一性のより低い結果を生じる。
【００３８】
図８Ｂに示すように、他の光コーンプロフィール（例えば、円）もまた可能である。実際、プロフィールはアプリケーションに対して任意に定義され得る。
【００３９】
次いで最終の均一性は、主としてホログラムディフューザの回折パターンの角度パワープロフィールに依存する。好適な実施形態において、このプロフィールは、照射画像において近均一なパワーおよび強度の効果を生じるような、立体角当たりの実質的な線形パワーのプロフィールである。光コーンの非線形ホログラムパワープロフィール対発散角は、ｃｏｓｉｎｅ４パワーロールオフまたは他のシステム不均一などの照射パターンにおける幾何均一性問題を補償するようにホログラム中に設計され得る。
【００４０】
図８Ａを参照して、コリメートされた光がホログラムディフューザを通過する際、その光は所定の光のコーン中に出射するように回折させる（「コーン」は光が放射される立体角をいう）。コーンは、他の照射面フォーマットが所望される場合、図の右側において破線で示されるように不規則な形状である。この破線は回折パターン画像の輪郭である。回折パターン画像は、ホログラムディフューザの特徴であり、かつホログラムディフューザの各点から出射する光は同じ形状（すなわち、画像の形状）のコーンで外側へ向かって放射する。
【００４１】
ホログラムディフューザは、任意の所望の回折パターン（および対応の画像）を生成するように構成され得る。図８Ｂに、各入射点から矩形画像を生成するように構成されたホログラムディフューザを示す。このタイプの画像を生成するように構成されたホログラムディフューザは、矩形光源が所望される投影型ディスプレイなどの用途に有用である。より詳細には、ディスプレイデバイスにおいて使用されるホログラムディフューザは、全域にわたって強度が均一な画像を生成するように構成され得るので、ディスプレイ上により高品質の画像が得られる。
【００４２】
なお、図８Ａおよび８Ｂにおいて例示される破線の画像輪郭はそれ自体画像ではない。その代わりに、光がホログラムディフューザの特定の点から放射するコーンの断面を表す。したがって、ホログラムディフューザ上の異なる点から放射する光は、例示されたコーンから横方向へ変位した同一のコーン中へ放射する。ホログラムディフューザ上の各点を起点とするコーンが互いに変位している場合、この光を視野レンズに通し、それにより焦点を合わせることによって生成される画像はホログラムディフューザ上の新しい点から出射する光を追加しても移動しない。その代わりに、このさらなる光は、すでに形成された画像の強度を増加する。しかし、さらなる光は、レンズによって形成された画像の角度量を変更し得る。
【００４３】
図８Ｃは、レーザビームによって照射される領域からホログラムを介して生成された複数の矩形パターンのうちのいくつかを示す。
【００４４】
ディフューザ上の照射占有面積のプロフィールは、照射面（６）を出射する光コーンの角度量かつしたがってシステムの開口数またはＦ数を制御する。ディフューザパターンからの平行光線はすべて、照射面上のユニークな点にマッピングする。照射面６からのその光線の出射角度は、画像点からのその光線の半径方向のオフセットによって決定される。それにより、画像点を通過した光の集まりがその点に対応する光コーンの形状および発散を設定する。
【００４５】
したがって、ディフューザ（３）立体コーン角度形状（すなわち、回折パターン）は照射画像の空間量を定義し、かつディフューザ（３）上のレーザ照射占有面積は光コーンおよび照射面（６）におけるＦ数を定義する。
【００４６】
別の実施形態において、ホログラムディフューザの代わりにクロスレンティキュラレンズ（図５Ａおよび５Ｂ）またはレンズレットアレイ（図５Ｃ）を使用し得る。これらの実施形態は、色消し性能がより高く、かつ多色光源との併用がより容易であるが、光源ビームのサンプリングがホログラムディフューザよりも低い空間周波数になるのでホログラムディフューザの実施形態に比較して照射画像の均一性が低減し得る。非球面レンズレット表面を使用して、角度パワープロフィールを調整し、これにより照射画像均一性をさらに向上し得る。
【００４７】
ディフューザ表面の後段に第１視野レンズ（４）がある。視野レンズ（４）は、ディフューザから照射面６上のユニークな点に各平行光線をマッピングし、効果的にディフューザを出射する光に対して角度対面積変換を行う。このプロセスは、照射面（６）においてディフューザ矩形コーンの各々を互いの上に実質的に重ねて均一性の高い画像を生成する。照射面６は視野レンズ（４）からある焦点距離の位置に配置され、かつ、好適な実施形態において、４：３アスペクト比を有する矩形照射画像を生成する。しかし、本発明はこれに限定されない。他の値が所定の実施形態においてその幾何形状に依存して実施可能であり得る。
【００４８】
物理的レンズは通常の単要素レンズであり得、または物理的レンズはレリーフ（ｒｅｌｉｅｆ）フレネルレンズまたはホログラムフレネルレンズであり得る。そのフレネルレンズのうちのいずれかを使用する利点は、コストがより低く、しかも場合によっては、ディフューザに積層してさらに組み立てが容易となりかつコストを低減し得ることである。
【００４９】
第２の視野レンズ（５）は、第１の視野レンズと同じ焦点距離を有し、第１の視野レンズの画像面（６）に配置される。このレンズの機能は、照射面を出射するテレセントリックコーン角の発散を補正することである。このレンズがなければ、照射面を出射する各光コーン束の中心は第１の視野レンズ（４）の中心から半径に沿って方向づけられる。言い換えると、光コーンの中心は、第１の視野レンズの中心から、コーンの頂点を定義する画像面における点へ伸びる線上に存在する。第１の視野レンズ（４）と等しい焦点距離を有しかつ照射面画像全体に外接するのに十分な直径を有する第２の視野レンズ（５）を照射面（６）において付加することによって、照射面を出射する光コーンは、それぞれ光軸に実質的に平行な中心出射角を有するように製造され得る。このレンズは過パワー化またはパワー不足化され得る。すなわち、このレンズの焦点距離は、作像光学システムの要求に合わせて調節され得る。この幾何形状はテレセントリック光を面（７）において提供する。次いで、このテレセントリック光は、反射型もしくは透過型ＬＣＤまたは同様のデバイスなどのディスプレイデバイス上に作像され得る。
【００５０】
好適な実施形態の具体的な設計例を図９に示す。
【００５１】
好適な実施形態の機能図を図１０に示す。
【００５２】
上記光学システムは多くの目的のために使用され得る。これらの目的の一つは投影ディスプレイデバイスにおけるイメージャを照射することである。そのようなデバイスにおいては、均一であり、かつデバイスにおいて使用されるイメージャの形状に対応する形状を有する照射源を有することが望ましい。この場合、そのような画像を形成するホログラムディフューザが選択され得る。次いで、光学システムは、この画像をディスプレイデバイスのイメージャに一致する平面上、または平面であって、そこから画像がリレー光学を介してイメージャへ伝送される平面上のいずれかにフォーカシングするように構成され得る。
【００５３】
本発明を利用するいくつか投影システムを図１１および１２に示す。これらの構造は当該分野において周知であり、かつ本発明がそのようなシステムにおいてどのように使用されるかの例示に過ぎない。
【００５４】
図１１Ａは、アークランプを使用する、各原色の赤、緑および青色に対して３つの別個のイメージャおよび各対応の原色に対して３透過型イメージャシステムを使用する典型的な従来システムを示す。この場合、光学フィルタを使用して白色光を光源からその構成原色に分離する。
【００５５】
図１１Ｂは、各原色の赤、緑および青色に対して３つの別個のイメージャおよび本発明をそれぞれ含む３つの別個の単色照射源を使用する３イメージャ透過型システムを示す。別個の照射源の各々において、ホログラム規定は特定の単色波長で動作して空間光変調器（イメージャ）に合う同じサイズの照射画像を生成するように設計される。各光変調器は同じサイズおよび形状である。３イメージャシステムの場合、すべての光源は連続してオンである。
【００５６】
図１２Ａは、アークランプを使用する、各原色の赤、緑および青色に対して３つの別個のイメージャおよび各対応の原色に対して３透過型イメージャシステムを使用する典型的な従来の３偏光ビームスプリッタシステムを示す。この場合、光学フィルタを使用して白色光を光源からその構成原色に分離する。
【００５７】
図１２Ｂは、上記のように本発明を含む３つの独立した光源を使用する３イメージャ、３ビームスプリッタ反射型イメージャシステムを示す。
【００５８】
図１３Ａは、アークランプ源および時間色順序付けのための色フィルタホイールを使用する典型的な従来の１イメージャ色順序システムを示す。光源は、空間光変調器（イメージャ）上でアクティブである色情報を用いて順番に時間変調される。
【００５９】
図１３Ｂは、色コンバイナによって予め組み合わされた本発明を含む３つの独立した光源を使用して同軸多色照射光源を生成する１イメージャ色順序システムを示す。光源は、空間光変調器（イメージャ）上でアクティブである色情報を用いて順番に時間変調される。
【００６０】
本発明が使用され得る別の目的は、光学フィルタへの入力のためのレーザ光ビームを組み合わせることである。レーザ光源は、現在光ファイバ通信システムにおいて使用されファイバに入力される光信号を提供する。しかし、これらのレーザ光源は所望の距離を介して信号を伝送するのに十分なパワーを提供しないことが多い。本システムを使用して、複数のレーザ光ビームは１本のファイバへの入力のために組み合わされ得る。この場合、光ビームをファイバの直径よりも小さい１つのスポットとして作像するディフューザが選択され得る。スポットはファイバの端に作像されるので、光はファイバ中へ伝送される。この実施形態において、ディフューザおよび／または対応の視野レンズの開口は、光ファイバ上へ作像される光が光をファイバ中へ伝送するために必要な開口数内に確実におさまるように選択される。
【００６１】
多くの別の実施形態および異なる実施形態のための使用が可能である。これらの別の実施形態のうちのいくつかを以下により詳細に記載する。
【００６２】
（複数ビーム）
別の実施形態を以下に記載する。この実施形態は、制御角度ディフューザを使用して所定の形状および強度の画像を生成する光学システムにおいて複数のレーザ光ビームを組み合わせるためのシステムおよび方法を含む。生成された画像は種々の目的のために使用され得る。例えば、画像はディスプレイデバイスにおける使用に適切な強度の均一な矩形であり得る。または画像は光を光ファイバ中へ伝送するために適切な丸いドットであり得る。
【００６３】
図１４は、この実施形態の機能ブロック図を示す。結合されるべきレーザビームは１つ以上のレーザ１１１によって生成される。ビームは平行であるが同軸ではない。通常、ビームは丸く、直径が０．３〜３ミリメートルであり、かつエネルギー分布についてガウシアンプロフィールを有する。しかし、他のビーム幾何形状およびプロフィールが可能である。通常、ビームは互いに密接する。ビーム間の距離は特定の実施形態の構成に依存する。加えて、サイズ、形状および発散の特別な出力特性を生じさせるか、または製造許容誤差を見込んでおくためにビームは非平行であり得る。
【００６４】
レーザ光ビームは１つ以上のビーム拡大器１１２に通される。次いで拡大されたビームはホログラムディフューザ１１３に通される。他のタイプの制御角度ディフューザが使用され得る。ホログラムディフューザは、ホログラム規定にしたがってレーザビームの各々からのコリメートされた光を回折される。この実施形態において、このディフューザパターンは、所定の発散の拡大矩形であり、その直交角度はディスプレイデバイスフォーマットに対する所望の照射パターンの比である。この実施形態において、出力での所望の照射パターンは強度が均一な矩形である。
【００６５】
ホログラムディフューザ１１３から出射する光は視野レンズ１１４に通される。視野レンズ１１４は拡散された光に対して角度対面積変換を行い、かつこれにより視野レンズからある焦点距離に均一な矩形空間パターンを生成する。これは、要素１１３と１２３との間で図１５での光線トレースにおいて見てとれる。入射レーザビーム面積またはパワーが増加するにつれ、矩形パターンは輝度が増加するが均一性、形状またはサイズは変化しない。画像面における光の角度量は、ディフューザを出射する光の空間量の関数である。したがって、図示のシステムは、視野レンズ１１４によって決定される平面においてホログラムディフューザ１１３によって決定される形状および強度ならびに角度分布を有する画像を生成する。
【００６６】
図１５はこの実施形態の物理的レイアウトを示す。この図において、光ビームを生成するレーザは図示されない。ビームは、図の左側から光学システムに入射するように図示される。この実施形態において、システムは、レーザ光ビームごとに別個のビーム拡大器を使用するように構成される。ビーム拡大器の各々は第１の発散レンズ１２１および第２の集束レンズ１２２からなる。次いで、拡大されたビームは１つのホログラムディフューザ１１３および１つの視野レンズ１１４に通される。２つのビームのホログラムディフューザ１１３上の占有面積を図１６に示す。ホログラムディフューザ１１３および視野レンズ１１４によって生成された画像は平面１２３上に位置する。図からわかるように、平面１２３における画像は強度が均一であるが、各点から出射する光コーン（その点において光要素がない）は、光学システムの軸に平行でない球状パターンで外側へ放射する。したがって、第２の視野レンズ１２４を平面１２３に配置してこの平面を出射する光コーンを補正する（すなわち、出射光のコーンをすべて整列させる、または光軸にテレセントリックにする）。いくつかのアプリケーションはテレセントリックの過剰補正を必要とし得る。
【００６７】
図１７は、複数の入力ビームを使用するシステムの別の実施形態を示す。この実施形態において、光学システムに入力されるレーザ光ビームは再度平行である。これにより、平行な２つの拡大ビームが生成される。拡大ビームのホログラムディフューザ１１３上での占有面積は図１６において示されるものと同じであり、かつ上記のように、光のすべてはホログラムディフューザによって形成される１つの画像の強度に寄与する。
【００６８】
したがって、上記光学システムの動作は一般に図１７に図示されるところとなる。この図を参照すると、平行なレーザ光ビームがシステムへの入力のために提供される。これらのビームは拡大され、そして次いでホログラムディフューザに通される。次いで、ホログラムディフューザから出射する光をフォーカシングして、フォーカシング（視野）レンズから有限距離にある平面上に所望の画像を得る。
【００６９】
この光学システムの実施形態は多くの目的のために使用され得る。これらの目的の一つは投影ディスプレイデバイスにおけるイメージャを照射することである。そのようなデバイスにおいては、均一であり、かつデバイスにおいて使用されるイメージャの形状に対応する形状を有する照射源を有することが望ましい。この場合、そのような画像を形成するホログラムディフューザが選択され得る。次いで、光学システムは、この画像をディスプレイデバイスのイメージャに一致する平面上、または平面であって、そこから画像がリレー光学を介してイメージャへ伝送される平面上のいずれかにフォーカシングするように構成され得る。
【００７０】
本発明が使用され得る別の目的は、光ファイバへの入力のためのレーザ光ビームを組み合わせることである。レーザ光源は、現在光ファイバ通信システムにおいて使用されファイバに入力される光信号を提供する。しかし、これらのレーザ光源は所望の距離を介して信号を伝送するのに十分なパワーを提供しないことが多い。本システムを使用して、複数のレーザ光ビームは１本のファイバへの入力のために組み合わされ得る。この場合、光ビームをファイバの直径よりも小さい１つのスポットとして作像するディフューザが選択され得る。スポットはファイバの端に作像されるので、光はファイバ中へ伝送される。この実施形態において、ディフューザおよび／または対応の視野レンズの開口は、光ファイバ上へ作像される光が光をファイバ中へ伝送するために必要な開口数内に確実におさまるように選択される。
【００７１】
（スペックル低減）
別の実施形態を以下に示す。この実施形態は、可動制御角度ディフューザを使用してスペックルのない所定の形状および強度の画像を生成する光学システムにおいて１つ以上のレーザ光ビームを処理するためのシステムおよび方法を含む。生成された画像は種々の目的のために使用され得る。例えば、画像はディスプレイデバイスにおける使用のために適切な均一強度矩形であり得るか、または画像は光を光ファイバ中へ伝送するために適切なドットであり得る。
【００７２】
図１８は、この実施形態の機能ブロック図を示す。レーザビームはレーザ２１１によって生成される。ビームは通常、半径が．３〜３ミリメートルであり、かつそのエネルギー密度についてガウシアンプロフィールを有する。しかし、他の幾何形状およびプロフィールが可能である。
【００７３】
レーザ光ビームはビーム拡大器２１２を通される。次いで、拡大されたビームはホログラムディフューザ２１３を通されるが、他のタイプの制御角度ディフューザが使用され得る。この実施形態において、ディフューザパターンは所定の発散の拡大矩形であり、その直交角度はディスプレイデバイスフォーマットに対する所望の照射パターンの比である。
【００７４】
ホログラムディフューザ２１３から出射する光は視野レンズ２１４に通される。視野レンズ２１４は拡散された光に対して角度対面積変換を行う。これは、要素２１３と２２３との間で図１９での光線トレースにおいて見てとれる。したがって、図示のシステムは、視野レンズ２１４によって決定される平面においてホログラムディフューザ２１３によって決定される形状および強度ならびに角度分布を有する画像を生成する。
【００７５】
この実施形態において、ホログラムディフューザを連続して移動させる。これにより、画像にわたってスペックルを効果的に「スメア（ｓｍｅａｒ）」する。ディフューザは、往復運動または円運動などの多くの方法で移動させ得る。任意の点でディフューザを出射する光は同じなので、移動してもディフューザの軸方向が同じである限り画像は影響されない。
【００７６】
図１９はこの実施形態の物理的レイアウトを示す。この図において、光ビームを生成するレーザは図示されない。ビームは、図の左側から光学システムに入射するように図示される。この実施形態において、システムは、ビーム拡大器を使用してレーザ光ビームの直径を拡大するように構成される。ビーム拡大器の各々は第１の発散レンズ２２１および第２の集束レンズ２２２からなる。次いで、拡大されたビームはホログラムディフューザ２１３および視野レンズ２１４に通される。ホログラムディフューザ２１３および視野レンズ２１４によって生成された画像は平面２２３上に位置する。第２の視野レンズ２２４を平面２２３に配置してこの平面を出射する光線を補正する（すなわち、出射光のコーンをすべて整列させる、または光軸にテレセントリックにする）。いくつかのアプリケーションはテレセントリックの過剰補正を必要とし得る。
【００７７】
レーザ光の特徴は、この光を使用して固定回折要素によって生成される画像にスペックルが生じることである。これは、レーザ光がコヒーレントかつ単色であることの結果である。正味の影響は、「虫食い」と呼ばれることのある高周波のまだらな画像であることが多い。この影響は、図２０および２１に示すようにホログラムディフューザが連続して移動される場合に低減され得る。ディフューザの移動は効果的にスペックルをスメアまたはぼかす。ディフューザは、特定の方向へ移動する必要はないが（例えば、往復運動または円運動）、ディフューザの軸方向は、運動にかかわらずに同じままであるべきである。言い換えると、ディフューザは運動によって変位されるべきであるが、運動はディフューザの向く光軸方向を変化させるべきでない。（なお、回転対称画像が使用される可能性がないとは考えないが、そのような画像に対しては、ディフューザを回転することによって本システムを実施する。）
図１９において示すように、一実施形態において、ホログラムディフューザは圧電デバイスに結合される。圧電デバイスは電気信号に応答してディフューザを移動するように構成される。信号がハイ（ｈｉｇｈ）の場合、圧電デバイスはディフューザを第１の位置へ移動させ、かつ信号がロー（ｌｏｗ）の場合、デバイスはディフューザを第２の位置へ移動させる。したがって、ハイとロー値との間で交互する信号によって、圧電はディフューザを前後に移動させる。したがって、ハイ値とロー値とを交番する信号（例えば、正弦波）によって、圧電デバイスはディフューザを前後に移動させる。図２０を参照のこと。変位の量および速さは、デバイスが使用される特定の実施形態に依存するが、ホログラムディフューザの移動がスペックル効果を低減するのに十分なように選択されるべきである。他の実施形態において、他のタイプの運動が使用され得（例えば、図２１参照）、かつこの運動をディフューザに与えるための対応手段が必要となる。
【００７８】
図２０〜２１を参照すると、強度が均一で矩形の画像を生成するように構成されるホログラムディフューザは投影タイプディスプレイなどの用途において有用である（矩形光源が所望される）と考えられる。より詳細には、ディスプレイデバイスにおいて使用されるホログラムディフューザは、全域にわたって強度が均一な画像を生成するように構成され、これによりディスプレイ上により高品質な画像が生じる。画像の品質（より具体的には、画像の均一性）は、レーザスペックルの影響を低減することによって改善される。
【００７９】
（ゼロ次光漏れ除去）
別の実施形態を以下に記載する。この実施形態は、制御角度ディフューザを使用してゼロ次光漏れから変位した画像を生成する光学システムにおいて１以上のレーザ光ビームを処理するためのシステムおよび方法を含む。生成された画像は種々の目的のために使用され得る。例えば、画像はディスプレイデバイスにおける使用に適切な強度が均一の矩形であり得る。
【００８０】
システムは、入射光を所定の幾何形状において角度をつけた回折パターンとして透過または反射させるように設計され得る、ホログラムまたはバルク散乱器などの、制御角度ディフューザを使用する。「ゼロ次漏れ」またはホログラムの回折パターンによって影響されず、かつ入射方向に沿って伝播する入射エネルギーのそのような部分を除去するためには、所定のホログラム規定および構成要素構成が必要となる。
【００８１】
１つの解法は、入力波面がホログラムの垂直軸から、ホログラム回折パターンによって生成される最大角度よりも大きな角度だけ角度をつけて変位するように設計されるホログラム規定を使用するが、ディフューザの垂直軸に対して対称的に伝播するように設計された出力回折パターンを有する。これは、ゼロ次漏れの角度を強制的に回折パターン規定の最大角度設定よりも大きくする効果を有する。これにより、ゼロ次漏れが幾何的に目的の回折エネルギーから分離されるので、単離および除去され得る。
【００８２】
別の構成は、入力波面がホログラムの垂直軸に沿うが、出力回折パターンが、ディフューザの垂直軸から、ホログラム回折パターンによって生成される最大角度よりも大きな角度で伝播するように設計されるホログラム規定を使用する。これもまた、ゼロ次漏れの角度を強制的に回折パターン規定の最大角度設定よりも大きくする効果を有する。これにより、ゼロ次漏れが幾何的に目的の回折エネルギーから分離されるので、単離および除去され得る。
【００８３】
図２２はこの実施形態の機能ブロック図を示す。レーザビームはレーザ３１１によって生成される。レーザ光ビームはビーム拡大器３１２を通される。次いで、拡大されたビームはホログラムディフューザ３１３を通される。ホログラムディフューザ３１３はホログラム規定にしたがってコリメートされた光を回折させる。（他のタイプの制御角度ディフューザが使用され得る。）
ホログラムディフューザ３１３から出射する光は視野レンズ３１４に通される。視野レンズ３１４は拡散された光に対して角度対面積変換を行う。角度空間において矩形（拡大矩形）を生成するディフューザは、視野レンズからある焦点距離に矩形空間パターンを生成する。これは、要素３１３と３２３との間で図２３での光線トレースにおいて見てとれる。したがって、図示のシステムは、視野レンズ３１４によって決定される平面においてホログラムディフューザ３１３によって決定される形状および強度ならびに角度分布を有する画像を生成する。
【００８４】
図２３はこの実施形態の物理的レイアウトを示す。この図において、光ビームを生成するレーザは図示されない。ビームは、図の左側から光学システムに入射するように図示される。この実施形態において、システムは、ビーム拡大器を使用してレーザ光ビームの直径を増加するように構成される。ビーム拡大器は第１の発散レンズ３２１および第２の集束レンズ３２２からなる。次いで、拡大されたビームはホログラムディフューザ３１３および視野レンズ３１４に通される。ホログラムディフューザ３１３および視野レンズ３１４によって生成された画像は平面３２３上に位置する。図からわかるように、平面３２３における画像は均一であるが、各点から出射する光コーンは、光学システムの軸に平行でない球状パターンで外側へ放射する。したがって、第２の視野レンズ３２４を平面３２３に配置してこの平面を出射する光線を補正する（すなわち、出射光のコーンをすべて整列させる、またはテレセントリックにする）。いくつかのアプリケーションはテレセントリックの過剰補正を必要とし得る。
【００８５】
図２３からわかるように、ホログラムディフューザ３１３および視野レンズ３１４は、第１の光軸３３１に沿って位置するビーム拡大器の入射光ビームならびにレンズ３２１および３２２に対して角度をつけられる。ディフューザ３１３および視野レンズ３１４は第２の光軸３３２上に位置する。第２の視野レンズ３２３もまた第２の光軸３３２上に位置する。光軸３３１および３３２は図中文字Ａによって示される角度を形成する。角度Ａは、ゼロ次光漏れの画像が平面３２３に形成される回折パターンの画像の境界の外側にあるように十分な大きさであるべきである。このためには、角度Ａが角度Ａ軸の方向の最大ディフューザパターン半角よりも（好ましくは１〜２度）大きいことが必要である。
【００８６】
図２４は、本システムの別の実施形態の物理的なレイアウトを示す。この実施形態において、レーザ光は再度拡大され、かつホログラムディフューザ３１３に伝送される。この場合、ホログラムディフューザ３１３は、それ自身の光軸（この場合、入射光の軸に一致する）に沿った伝送光を回折させるようには構成されない。その代わりに、ディフューザ３１３は、軸から外れた放射光を回折させるように構成される。したがって、ホログラムディフューザ３１３および視野レンズ３１４は入射光ビームと位置合わせされるが、ビームによって形成される画像は光軸３３１から角度Ａだけ変位する（図２３と同じ量の変位が必要であると仮定する）。
【００８７】
（スプリットディフューザ）
別の実施形態を以下に記載する。この実施形態は、セグメント化制御角度ディフューザを使用して所定の形状および強度の画像を生成する光学システムにおいて異なる波長の複数のレーザ光ビームを組み合わせるシステムおよび方法を含む。生成された画像は種々の目的のために使用され得る。例えば、画像はディスプレイデバイスにおける使用に適切な、強度の均一な矩形であり得る。
【００８８】
図２５はこの実施形態の機能ブロック図を示す。組み合わされるべきレーザビームは１つ以上のレーザ４１１によって生成される。ビームは一般に平行であるが、同軸ではない。ビームの種々の入射角はまた、回折光学のゼロ次光漏れ特性などの他の光学問題を補正するために使用され得る。通常、ビームは、直径が．３〜３ミリメートルであり、かつそのエネルギー密度についてガウシアンプロフィールを有する。しかし、他の幾何形状およびプロフィールが可能である。ビームは通常互いに密接する。ビーム間の距離は特定の実施形態の構成に依存する。
【００８９】
レーザ光ビームは１つ以上のビーム拡大器４１２を通される。次いで、拡大されたビームはホログラムディフューザ４１３を通される。ホログラムディフューザ４１３は、各点における入射光を、入射点におけるホログラム規定にしたがって所定の角度領域で外側へ向かって放射させる。
【００９０】
ディフューザ４１３のホログラム規定は、光がディフューザのどの部分に当たるかに依存にして変化する。より詳細には、ディフューザ４１３は複数のセグメントを含む。各セグメントは、特定波長の光を特定パターンに回折するように構成される。ディフューザ４１３は、各セグメントに対する結果のパターンが対応の波長の光が回折される場合に同一であるように構成される。好適な実施形態において、このディフューザパターンは、所定の発散の拡大矩形であり、その直交角度はディスプレイデバイスフォーマットに対する所望の照射パターンの比である。
【００９１】
ホログラムディフューザ４１３から出射する光は視野レンズ４１４に通される。視野レンズ４１４は拡散された光に対して角度対面積変換を行う。したがって、角度空間において矩形（拡大矩形）を生成するディフューザは、視野レンズからある焦点距離に矩形空間パターンを生成する。これは、要素４１３と４２４との間で図２６での光線トレースにおいて見てとれる。したがって、図示のシステムは、ホログラムディフューザ４１３によって決定される形状および強度を有する重複単色画像を（視野レンズ４１４および視野レンズ４２４によって決定される平面に）生成する。
【００９２】
図２６はこの実施形態の物理的レイアウトを示す。この図において、光ビームを生成するレーザは図示されない。なおまた、この図においては簡単のためビームを２つだけ示す。システムを使用して２つまたは任意の他の数のビームを組み合わせ得るが、本明細書中のシステムの記載は主に赤、緑および青色ビームを組み合わせて白色光画像を形成する実施形態に向けられる。
【００９３】
ビームは、図の左側から光学システムに入射するように図示される。ビームの各々はビーム拡大器を通過する。ビーム拡大器の各々は、第１の発散レンズ４２１および第２の集束レンズ４２２からなる。次いで、拡大されたビームはセグメント化ホログラムディフューザ４１３および１つの視野レンズ４１４を通される。視野レンズ１４はそれぞれのビームを平面４２３にフォーカシングさせる。
【００９４】
一実施形態におけるビームのホログラムディフューザ４１３上の占有面積を図２７Ａに示す。この実施形態において、３つのビームがシステムに入力される。（６つのビームが組み合わされる実施形態の占有面積を図２７Ｂに示す。）この図からわかるように、ビームの各々はディフューザ４１３の別個のセグメント上に入射する。セグメントは参照符号４１５ａ、４１５ｂおよび４１５ｃによって示される。これらのセグメントの各々は特定波長の光を用いて動作するように構成され、かつ各々はそれぞれの波長に対して本質的に同じ回折パターンを生成するように構成される。（なお、視野レンズはこれらの波長の各々に対して若干異なる焦点距離をおそらく有するので、ディフューザセグメントは異なる波長を若干異なる角度領域に出射して収差を補償し得る。）異なる光ビームは、それぞれのディフューザ４１３のセグメントを通過した後で、視野レンズ４１４によって同じ画像にフォーカシングされる（異なる色においてであるが）。
【００９５】
ホログラムディフューザ４１３および視野レンズ４１４によって生成される平面４２３上に位置する。図からわかるように、平面４２３での画像は強度が均一であるが、各点（その点において光要素はない）を出射する光コーンは、球状パターン（光学システムの軸に平行でない）で外側へ放射する。したがって、第２の視野レンズ４２４は平面４２３に配置され平面を出射する光コーンを補正する（すなわち、出射光のコーンのすべてを整列させる、または光軸にテレセントリックにする）。いくつかのアプリケーションはテレセントリックの過剰補正を必要とし得る。
【００９６】
図２８は、セグメント化ホログラムディフューザ上の２つの点での光の回折を図示する図を示す。コリメートされた光は、ホログラムディフューザを通過する際に、所定の光コーンで出射するように回折する。ここでコーンは矩形として図示される。この回折パターン画像は、光が通過するホログラムディフューザのセグメントの特徴である。ホログラムディフューザのセグメント内の各点から出射する単色光は、同じ形状（すなわち、画像の形状）のコーンで外側へ放射する。
【００９７】
図２８は、上部セグメント４１５ａおよび下部セグメント４１５ｂを示す。２つの光線がディフューザ４１３（１衝突セグメントおよび１衝突セグメント４１５ｂ）に当たるように示される。セグメント４１５ａに当たる光線はディフューザのこのセグメントに対応する波長を有すると仮定する。同様に、セグメント４１５ｂに当たる光線はそのセグメントに対応する波長を有する。適切な光線およびディフューザセグメントのマッチングの結果、光は各点から本質的に同一の立体角で外側へ放射する。各立体角はビームの間隔だけ変位する。光線は同じ立体角で放射するので、これらの光線のフォーカシングは重複画像を形成する。ディフューザがセグメント化されていなければ、図２９に示すように光線の各々からの光は異なる立体角で外側へ放射する。この場合、その結果の画像は均一に照射されない。
【００９８】
（色消しディフューザを用いた多色ビーム）
別の実施形態を以下に示す。この実施形態は、色消し制御角度ディフューザを使用して所定の形状および強度の白色光画像を生成する光学システムにおいて異なる波長の複数のレーザ光を組み合わせるためのシステムおよび方法を含む。生成された画像は、ディスプレイデバイスの照射光源などの種々の目的のために使用され得る。
【００９９】
なお、本明細書中で使用される「色消し」は、システムにおいて使用される特定の波長を同一に（略同一に）回折させるディフューザをいう。そのようなディフューザは、色消し性能が制限され得、かつ特定のシステムにおいて使用されるレーザの特定の波長である、制限されたセットの波長に対して色消しとして働く。ディフューザは、システムにおいて使用されない波長に対しては色消しとならないような方法で働き得るが、これは明らかにシステムに影響しない。
【０１００】
図３０は、この実施形態の機能ブロック図を示す。組み合わされるべきレーザビームは１つ以上のレーザ５１１によって生成される。ビームはまず種々の構成をとり得る。ビームはビームコンバイナ５１０によって組み合わされ、その後、ビームは平行になり、かつ好ましくは同軸となる。（本明細書中で使用される「組み合わされた」は、ビームが必ず重複されるとは意味しないが、ビームが光学処理システムへの入力のために平行でありかつ配置されることを単に意味する。）通常、ビームは、半径が．３〜３ミリメートルであり、かつそのエネルギー密度についてガウシアンプロフィールを有する。しかし、他の形状およびプロフィールが可能である。
【０１０１】
レーザ光ビームは１つ以上のビーム拡大器５１２を通される。次いで、拡大されたビームは色消しホログラムディフューザ５１３を通される。色消しホログラムディフューザ５１３は、ホログラム規定にしたがってレーザビームの各々からコリメートされた光を回折させる。ホログラムディフューザは色消しなので、回折パターンは光のいずれの色に対しても同じである。いくつかの実施形態において、ホログラムディフューザ以外のタイプの制御角度ディフューザが使用され得る。
【０１０２】
ホログラムディフューザ５１３から出射する光は視野レンズ５１４に通される。視野レンズ５１４は拡散された光に対して角度対面積変換を行う。したがって、角度空間において矩形（拡大矩形）を生成するディフューザは、視野レンズからある焦点距離に矩形空間パターンを生成する。これは、要素５１３と５２３との間で図３１での光線トレースにおいて見てとれる。したがって、図示のシステムは、視野レンズ５１４によって決定される平面でのホログラムディフューザ５１３によって決定される形状および強度ならびに角度分布を有する画像を生成する。
【０１０３】
図３１は本システムの一実施形態の物理的レイアウトを示す。この図において図示されるシステムにおいて、３つのレーザ光源（５１１ａ〜５１１ｃ）を使用して３つの異なる色の光ビームを生成する。レーザ光源のうちのの第１レーザ光源５１１ａで作成されるビームは、ビーム拡散器の光軸と位置合わせされる。これはまたコンバイナ５１０の軸である。コンバイナ５１０は２つのビームスプリッタ（２色性フィルタ）５２６ａおよび５２６ｂを含む。ビームスプリッタの各々は、レーザ光源５１１ａによって生成されたビームの光学経路中に位置する。ビームスプリッタの各々はまた、他のレーザ光源（５１１ｂおよび５１１ｃ）の１つと位置合わせされる。ビームスプリッタは、それぞれのレーザ光源からの光ビームを反射してビームがコンバイナ５１０およびビーム拡大器５１２の光軸に沿って反射されるように構成される。ビームスプリッタ５２６ａおよび５２６ｂはそれぞれ特定の波長を有する光を反射し、かつ他の波長のすべてを透過するように構成される。より詳細には、ビームスプリッタはそれぞれのレーザ光源と同じ波長を有する光を反射するように構成される。したがって、レーザ光源５１１ａによって生成される光は両方のビームスプリッタを通過し、そしてレンズ５２１に入射する。同様に、レーザ光源５１１ｂによって生成された光はビームスプリッタ５２６ａで反射し、そしてビームスプリッタ５２６ｂを通過する。レーザ光源５１１ｃによって生成された光はビームスプリッタ５２６ｂで反射し、そしてビーム拡大器に入射する。
【０１０４】
この実施形態において、ビームは同軸、または略同軸に組み合わされる。その結果、システムは、組み合わされたレーザ光ビームに対してビーム拡大器を１つだけ使用するように構成される。ビーム拡大器は第１の発散レンズ５２１および第２の集束レンズ５２２からなる。次いで、拡大されたビームは色消しホログラムディフューザ５１３および１つの視野レンズ５１４に通される。ホログラムディフューザ５１３および視野レンズ５１４によって生成される画像は平面５２３上に位置する。第２の視野レンズ５２４は平面５２３に配置され、平面を出射する光線角度を補正する。いくつかのアプリケーションはテレセントリックの過剰補正を必要とし得る。
【０１０５】
図３２は本システムの第２の実施形態を示す。この実施形態において、レーザ光源は、第２および第３ビーム（光源５１１ｂおよび５１１ｃから）が光軸の反対側から組み合わせられるように配置される。機能的には、この配置は図３１の実施形態と相違ない。しかし、この構成は、レーザ光源が十分に大きくて都合よく互いに隣合わせで配置され得ない場合によりコンパクトなパッケージを提供する。
【０１０６】
図３３は、本システムの第３の実施形態を示す。この実施形態において、レーザ光源は、３つのビームが２色性「Ｘ」キューブ（投影および光学産業に公知の光学要素）によって組み合わされる。機能的には、これは図３１の実施形態と相違ない。この構成は、ビームスプリッタが交差する場合にビームスプリッタが空間の半分を占有するので、コンバイナのよりコンパクトな設計を提供する。
【０１０７】
（単一ガン設計）
別の実施形態を以下に記載する。この実施形態は、複数のレーザ光源を使用し、かつ光の回折から生じるゼロ次光漏れを補正する照射光源を生成するためのデバイスを含む。一実施形態において、デバイスは複数のレーザ光源を含む。ここで複数のコリメートされた光ビームは光学システムによって組み合わされ、そして制御角度ディフューザによって回折され、かつシステムはゼロ次光漏れを除去するように構成される。複数のレーザ光源は平行なレーザ光ビームを生成するように位置づけられる。ヒートシンクがレーザ光源に隣接するデバイスの背面に取り付けられる。これらのビームは、各ビームを拡大するように機能する１セットの対応するレンズを通される。次いで、拡大されたビームの各々は制御角度ディフューザおよび視野レンズを通される。制御角度ディフューザはビームを回折し、その後、視野レンズは回折パターンを画像平面上にフォーカシングさせる。ディフューザおよび視野レンズは、ディフューザを通過するゼロ次光漏れを防止するように角度を決定される。複数のレーザ光源およびレンズならびにディフューザは１つの筐体に収納される。これによって、デバイスの製造の容易性が向上する。
【０１０８】
図３４は本デバイスの好適な実施形態を示す。この実施形態において、４つのレーザ光源６４１はベースプレート６４２に固定される。このベースプレートはレーザ光源を光源の各々から出射された光が平行であるような位置に保持する。ベースプレート６４２はまた、ヒートシンク６４３をレーザ光源６４１に結合して光源によって生成された熱を放散させるための便利な手段を提供する。
【０１０９】
ベースプレート６４２は筐体６４５に固定される。筐体６４５はデバイスの構成要素を取り囲み、それらを互いに固定する手段を提供する。第１のレンズアレイ６４６は、レーザ光源６４１の前で筐体６４５に結合される。第１のレンズアレイ６４６は複数の発散レンズ６４７を含む。各発散レンズ６４７はレーザ光源６４１の前に配置される。発散レンズ６４７はレーザ光源の光学経路中に存在し、結果として、対応のレーザ光ビームを発散する。これらのビームの各々は、複数の集束レンズ６４８のうちの１つに入射するまで発散し続ける。集束レンズ６４８は、筐体６４５に固定された第２のレンズアレイ６４９の一部を含む。レーザ光源の各々からのレーザ光が集束レンズのうちの１つを通過した後、その光はコリメートされるが、レーザ光源から出射する元のビームよりも大きな直径を有する。
【０１１０】
次いで、拡大およびコリメートされたビームの各々は第２のレンズアレイ６４９の後段に配置された制御角度ディフューザ６５０に入射する。この実施形態において、制御角度ディフューザ６５０はホログラム光学要素である。レーザ光がディフューザ６５０を通過する場合、その光は回折され、そして回折パターンを形成する。視野レンズ６５１はディフューザ６５０の後段に配置される。視野レンズ６５１はディフューザ６５０を出射する光をレンズのある焦点距離前に存在する平面上にフォーカシングさせる。
【０１１１】
図３４に図示されるデバイスは従来の照射デバイスにまさるいくつかの利点を有する。これらの利点は、照射のパワーの増加および照射の均一性の向上を含み得る。より詳細には、デバイスは他のレーザに基づく照射光源よりもパワフルである。なぜなら、デバイスは１つの照射光源において複数のレーザのパワーを組み合わせるからである。レーザのうちの各々によって生成される光は、各レーザビームを回折して同一の回折パターンを形成し、次いで回折光を１つの画像にフォーカシングさせることによって組み合わされる。各レーザは、デバイスによって生成される画像の強度に寄与する同一の画像を形成する。次いで、この画像は、直接または中継を介してイメージャに形成され得、そしてディスプレイのためにスクリーン画像を生成するように使用される。このデバイスはまた、ディフューザによって生成された画像の均一性を低減し得るゼロ次光漏れを除去する利点を有する。デバイスは、レーザ光源から軸の外れた位置に画像を生成し、それによりゼロ次光漏れを画像から変位させる。その結果、ゼロ次光漏れから生じる不均一性を除去するのに画像の補正が必要とされない。
【０１１２】
図３５は本デバイスの第２の実施形態を示す。この実施形態において、ビーム拡大器の個々のレンズは１つのレンズ６５３によって置き換えられる。レンズ６５３は実際には、第１の端部上の第１の倍率（ｐｏｗｅｒｅｄ）表面６５４および第２の端部上の第２の倍率表面６５５を有するロッドである。この例において、レンズ６５４は凹であり、レンズ６５５は凸である。図３６において、レンズ６５３はデバイスから離して示される。コリメートされた光は、レンズの第１の端部に入力され、そして第２の端部から出射する。光が凹表面６５４を通過する際、ビームは、図３４の実施形態において発散レンズ６４７を通過した後と同じように発散する。光が凸表面６５５に到達すると、光は、図３４の実施形態において集束レンズ６４８を通過した後と同じように再コリメートされる。
【０１１３】
レンズ６５３などのビーム拡大器を使用するといくつかの利点が提供され得る。例えば、このタイプのビーム拡大器はより効率的であり得る。光学システムにおける光損失は、主に光が屈折性表面に当たった場合に生じる。２つのレンズではなく単一のレンズだけを使用することによって、２つの表面は除去され、かつその結果ビーム拡大器の透過効率は向上する。別の利点は、このタイプのビーム拡大器を使用するデバイスの製造の容易性において見い出され得る。拡大器が単一のレンズを含むので、ビーム拡大器に対する製造許容誤差を制御するのが容易である。別の点では、デバイスの筐体内で２つの別個のレンズの位置合わせを維持する必要がない。筐体は、ビーム拡大器ロッドが単にレーザ光源の前の位置に落とされるように製造され得る。
【０１１４】
（画像コンバイナ）
別の実施形態を以下に示す。この実施形態は、異なる波長の複数のレーザ光ビームを単色制御角度ディフューザを使用して処理し、次いで処理されたビームを組み合わせて所定の形状および強度の白色光源を生成するためのシステムおよび方法を含む。生成された光は、ディスプレイデバイスにおける照射光源などの種々の目的のために使用され得る。
【０１１５】
図３７は、本システムの一実施形態の機能ブロック図を示す。システムは、複数の光学プロセッサ７１９を含む。光学プロセッサ７１９の出力はビームコンバイナ７１０に向けられる。各光学プロセッサ７１９は、コヒーレントな、組織された単色光のビームを生成するレーザ７１１を含む。レーザ光ビームはビーム拡大器７１２を通される。ビーム拡大器はビームの直径を増加させるが、光のコリメーションを著しくは変更しない。次いで、拡大されたビームは単色ホログラムディフューザ７１３を通される。ホログラムディフューザ７１３は、回折パターンが拡大レーザビームからの光によって生成されるようにする。
【０１１６】
ホログラムディフューザ７１３から出射する光は視野レンズ７１４を通される。視野レンズ７１４は、画像がレンズからその焦点距離に等しい距離に形成されるようにする。したがって、図示されるシステムは、視野レンズ７１４によって決定される平面でホログラムディフューザ７１３によって決定される形状および強度を有する画像を生成する。第２の視野レンズ７１５は、画像平面に配置され、光が画像から外側へ放射する角度を補正する。
【０１１７】
図３８は、本システムの一実施形態の物理的レイアウトを示す。この図に図示されるシステムにおいて、３つの光学プロセッサ（７１９ａ〜７１９ｃ）を使用して３つの異なる色の光ビームを生成する。光学プロセッサは、各光学プロセッサが異なる波長の光を含む画像を生成する以外は同一である。レーザ光源のうちの第１のレーザ光源７１１ａによって生成されるビームは、対応のビーム拡大器７１２の光軸と位置合わせされる。この実施形態において、コンバイナ７１０および後段のリレー光学はこの光軸と位置合わせされる。ビーム拡大器７１２から出射する拡大ビームはホログラムディフューザ７１３を通過し、そして回折される。回折光は視野レンズ７１４によって集められ、そして画像平面７２３上へフォーカシングされる。第２の視野レンズ７２４は、平面７２３に配置され、画像平面７２３から出射する光を補正する。すなわち、レンズは、確実に画像平面を出射する光のコーンはすべて特定の所望の方向を向くようにする。
【０１１８】
コンバイナ７１０は、２つのビームスプリッタ（薄膜干渉フィルタ）７２６ａおよび７２６ｂを有するプリズムを含む。ビームスプリッタの各々は、特定波長の光を反射し、かつ他の波長を通すように構成される。（なお、種々の異なるタイプの波長分離フィルタが公知であり、かつこの実施形態の薄膜干渉フィルタの代わりに使用され得る。）図示の実施形態において、フィルタ７２６ａは、光学プロセッサ７１９ｂによって生成される光を反射し、かつ光学プロセッサ７１９ａおよび７１９ｃの光を通すように構成される。他方、フィルタ７２６ｂは、光学プロセッサ７１９ｃによって生成された光を反射し、かつ光学プロセッサ７１９ａおよび７１９ｂによって生成された光を通すように構成される。したがって、コンバイナ７１０から出射する光は、平面７２３で１つの白色光画像によって生成されたかのように見える。次いで、この光はさらなるリレー光学によってディスプレイイメージャへ伝送される。
【０１１９】
図３９は本システムの第２の実施形態を示す。この実施形態において、レーザ光源は、第２および第３の光学プロセッサの出力が、第１の光学プロセッサの光軸に沿って互いに変位した薄膜干渉フィルタを使用して、第１の光学プロセッサの出力と組み合わされるように配置される。機能的には、この配置は図３８の実施形態と相違しない。しかし、この実施形態において使用されるコンバイナの構成は、上記構成よりも製造がより容易である。
【０１２０】
（視野レンズと画像との間のビームコンバイナ）
別の実施形態を以下に示す。この実施形態は、異なる波長の複数のレーザ光ビームを単色制御角度ディフューザを使用して処理し、次いで処理されたビームを組み合わせて所定の形状および強度の白色光源を生成するためのシステムおよび方法を含む。生成された光は、ディスプレイデバイスにおける照射光源などの種々の目的のために使用され得る。
【０１２１】
図４０は、本システムの一実施形態の機能ブロック図を示す。システムは、複数の光学プロセッサ８１９を含む。光学プロセッサ８１９の出力はビームコンバイナ８１０に向けられる。各光学プロセッサ８１９は、コヒーレントな単色光のビームを生成するレーザ８１１を含む。レーザ光ビームはビーム拡大器８１２を通される。次いで、拡大されたビームは単色ホログラムディフューザ８１３を通される。ホログラムディフューザ８１３は、回折パターンが拡大レーザビームからの光によって生成されるようにする。
【０１２２】
ホログラムディフューザ８１３から出射する光は視野レンズ８１４を通される。視野レンズ８１４は、画像がレンズからその焦点距離に等しい距離に形成されるようにする。この実施形態において、コンバイナは視野レンズ８１４と画像との間に設置される。その結果、光学プロセッサの各々によって生成される画像は同じ平面上にフォーカシングされ、１つの多色画像を形成する。次いで、第２の視野レンズ８１５は画像平面に設置され、多色光が画像から外側へ放射する角度またはテレセントリックを補正し得る。
【０１２３】
図４１は、本システムの一実施形態の物理的レイアウトを示す。この図に図示されるシステムにおいて、３つの光学プロセッサ（８１９ａ〜８１９ｃ）を使用して３つの異なる色の光ビームを生成する。光学プロセッサは、各光学プロセッサが異なる波長の光を含む画像を生成する以外は同一である。レーザ光源のうちの第１のレーザ光源８１１ａによって生成されるビームは、対応のビーム拡大器８１２の光軸と位置合わせされる。この実施形態において、コンバイナ８１０および後段のリレー光学はこの光軸と位置合わせされる。ビーム拡大器８１２から出射する拡大ビームはホログラムディフューザ８１３を通過し、そして回折される。回折光は視野レンズ８１４によって集められ、そして画像平面８２３上へフォーカシングされる。第２の視野レンズ８２４は、平面８２３に配置され、画像平面８２３から出射する光を補正する。すなわち、レンズは、確実に画像平面を出射する光のコーンはすべて特定の所望の方向を向くようにする。
【０１２４】
コンバイナ８１０は、２つのビームスプリッタ（例えば、薄膜干渉フィルタ）８２６ａおよび８２６ｂを有するプリズムを含む。ビームスプリッタの各々は、特定波長の光を反射し、かつ他の波長を通すように構成される。（なお、種々の異なるタイプの波長分離フィルタが公知であり、かつこの実施形態の薄膜干渉フィルタの代わりに使用され得る。）図示の実施形態において、フィルタ８２６ａは、光学プロセッサ８１９ｂによって生成される光を反射し、かつ光学プロセッサ８１９ａおよび８１９ｃの光を通すように構成される。他方、フィルタ８２６ｂは、光学プロセッサ８１９ｃによって生成された光を反射し、かつ光学プロセッサ８１９ａおよび８１９ｂによって生成された光を通すように構成される。したがって、コンバイナ８１０から出射する光は、平面８２３で集束して多色光画像を形成する。この画像は第２の視野レンズ８２４によって補正され、画像上の各点から出射する光コーンが所望の方向に外側へ放射することを確実にする。通常、この方向はテレセントリックに設計されるが、他がシステムの観点から所望であり得る。次いで、この光はリレー光学によってディスプレイイメージャに伝送される。
【０１２５】
図４２は本システムの第２の実施形態を示す。この実施形態において、レーザ光源は、第２および第３の光学プロセッサの出力が、第１の光学プロセッサの光軸に沿って互いに変位した薄膜干渉フィルタを使用して、第１の光学プロセッサの出力と組み合わされるように配置される。機能的には、この配置は図４１の実施形態と相違しない。しかし、この実施形態において使用されるコンバイナの構成は、機械組み立ての観点から上記構成よりも製造がより容易であり、かつフィルタは製造がより安価であり得る。
【０１２６】
（ディスプレイシステム）
別の実施形態を以下に示す。この実施形態は、単色制御角度ディフューザを使用してレーザ光ビームを処理して所定の形状および強度の光源を生成するためのシステムおよび方法を含む。生成された光はイメージャを照射する。イメージャは画像を生成し、その画像はユーザに提示するためのスクリーンへディスプレイ光学を介して伝送される。
【０１２７】
図４３はこの実施形態の機能ブロック図を示す。システムは光学プロセッサ９１９を含む。光学プロセッサ９１９の出力はビームスプリッタ９２７を介して方向づけられる。組み合わせられたビームによって形成される照射画像は焦点面上に位置する。焦点面は光学プロセッサから十分に離れているのでビームスプリッタ９２７は光学プロセッサと焦点面との間に配置され得る。イメージャ９２８は、焦点面に形成される画像によって照射されるように位置づけられる。イメージャ９２８は、ＬＣＯＳ（シリコン上の液晶）、ＤＬＰ（マイクロミラー）イメージャ、反射性ポリシリコン、または現在の投影ディスプレイにおいて見られるタイプの反射型ディスプレイなどの任意の適切なタイプであり得る。イメージャ９２８から反射される光、情報画像、は逆にビームスプリッタ９２７を通過する。ビームスプリッタ９２７は情報画像を作像光学システム９２９へ選択的に反射する。作像光学システム９２９から、光はディスプレイスクリーン９３０へ伝送される。ディスプレイスクリーン９３０でイメージャからの画像がユーザに見られ得る。
【０１２８】
図４４は、光学プロセッサ９１９の一実施形態を示す。光学プロセッサ９１９はコヒーレントな単色の光ビームを生成するレーザ光源９１１を含む。レーザ光源はビーム拡大器９１２を通される。ビーム拡大器９１２は、発散レンズ９２１および集束レンズ９２２を含む。次いで、拡大されたビームは単色ホログラムディフューザ９１３を通される。単色ホログラムディフューザ９１３は、回折パターンが拡大レーザビームからの光によって生成されるようにする。ホログラムディフューザ９１３から出射する光は視野レンズ９１４によって集められる。視野レンズ９１４は回折パターンを画像にフォーカシングさせる。この照射画像はディスプレイイメージャのための照射を提供する（例えば、イメージャと同じアスペクト比を有する強度が均一な矩形）。（なお、一実施形態において、光ビームは単色でありかつディフューザは対応の波長に対して設計され、他方別の実施形態においては、光ビームは多色でありかつディフューザは色消しである）。
【０１２９】
図４５は本システムの一実施形態の物理的レイアウトを示す。レーザ光源９１１によって生成されるビームはビーム拡大器９１２によって拡大される。ビーム拡大器９１２は発散レンズ９２１および集束レンズ９２２を含む。ビーム拡大器９１２から出射する拡大ビームはホログラムディフューザ９１３を通過し、そして回折される。回折された光は視野レンズ９１４によって集められる。光は視野レンズ９１４によって画像平面９２３にフォーカシングされる。したがって、図示されるシステムは視野レンズ９１４によって決定された平面でホログラムディフューザ９１３によって決定された形状および強度を有する照射画像を生成する。ビームスプリッタ９２７は視野レンズ９１４と照射画像平面９２３との間に位置づけられるので、光はビームスプリッタを通過した後、照射画像平面９２３にフォーカシングされる。
【０１３０】
図４５によって図示される実施形態は、第２の視野レンズ９２４が平面９２３の直後に配置され、照射画像から出射する光のテレセントリック度を所望のレベルに補正する。平面９２３に生成される画像を使用してイメージャ９２８を照射する。したがって、イメージャのアスペクト比と一致するアスペクト比を有する、均一な強度の画像を有することが望ましい。これは、適切なホログラムディフューザ（すなわち、対応の特徴的な回折パターンを有するもの）を選択することによって容易に達成される。イメージャ９２８はこの照射から情報画像を生成する。情報画像は、テレセントリック度のさらなる補正のために第２の視野レンズ９２４を介して逆に伝送され、そしてビームスプリッタ９２７へ伝送される。情報画像の一部はビームスプリッタ９２７によって反射され、ディスプレイ光学９２９を通り、そして見るためのディスプレイスクリーン９３０上へ伝送される。
【０１３１】
（ビームコンバイナおよびビームスプリッタを使用するディスプレイシステム）
別の実施形態を以下に示す。この実施形態は、異なる波長の複数のレーザ光ビームを単色制御角度ディフューザを使用して処理し、次いで処理されたビームを組み合わせて所定の形状および強度の白色光源を生成するためのシステムおよび方法を含む。生成された光は、ユーザへ提示するためのディスプレイ画像を生成するイメージャを照射する。
【０１３２】
図４６は、本システムの一実施形態の機能ブロック図を示す。システムは複数の光学プロセッサ１０１９を含む。光学プロセッサ１０１９の出力はビームコンバイナ１０１０に向けられる。各光学プロセッサ１０１９はレーザ光源を含み、かつ同一画像にフォーカシングされるビームを生成するように構成される。組み合わされたビームは多色である照射画像を形成する。
【０１３３】
組み合わされたビームによって形成される照射画像は平面１０２３に位置する。平面１０２３は、光学プロセッサから十分に離れているのでコンバイナ１０１０およびビームスプリッタ１０２７は光学プロセッサと平面１０２３との間に位置づけられ得る。視野レンズ１０２４は平面１０２３に配置され、照射画像から出射する光を補正する。次いで、この光はイメージャ１０２８に入射される。イメージャ１０２８から反射された光は、逆に視野レンズ１０２４およびビームスプリッタ１０２７を通過し、そして選択的に反射されて、ディスプレイ作像光学システム１０２９を通り、そしてディスプレイ１０３０上へ伝送される。ディスプレイ１０３０においてイメージャからの画像はユーザによって見られ得る。
【０１３４】
図４７を参照すると、各光学プロセッサ１０１９は、コヒーレントな単色光ビームを生成するレーザ１０１１を含む。レーザ光ビームはビーム拡大器１０１２を通される。次いで、拡大されたビームは単色ホログラムディフューザ１０１３を通される。ホログラムディフューザ１０１３は、回折パターンが拡大レーザビームからの光によって生成されるようにする。ホログラムディフューザ１０１３から出射する光は視野レンズ１０１４を通される。視野レンズ１０１４は、画像がレンズからその焦点距離に等しいレンズからの距離に形成されるようにする。
【０１３５】
図４８は、光学プロセッサ１０１９の一実施形態の物理的レイアウトを示す。光学プロセッサ１０１９は、各光学プロセッサが異なる波長の光を含む画像を生成する以外は同一である。レーザ光源１０１１によって生成されるビームは、ビーム拡大器１０１２の光軸と位置合わせされる。ビーム拡大器１０１２から出射する拡大ビームはホログラムディフューザ１０１３を通過し、そして回折される。回折光は視野レンズ１０１４によって集められ、そして画像平面１０２３上へフォーカシングされる。
【０１３６】
図４６を再度参照すると、コンバイナ１０１０は、２つのクロスビームスプリッタ（薄膜干渉フィルタ）１０２６ａおよび１０２６ｂを有するプリズムを含む。ビームスプリッタの各々は、特定波長の光を反射し、かつ他の波長を通すように構成される。同様に、他のコンバイナがプレートビームスプリッタを使用して構築される。図示の実施形態において、フィルタ１０２６ａは、光学プロセッサ１０１９ａによって生成された光を反射し、他方光学プロセッサ１０１９ｂおよび１０１９ｃによって生成された光を通すように構成される。フィルタ１０２６ｂは、光学プロセッサ１０１９ｃによって生成された光を反射し、他方光学プロセッサ１０１９ａおよび１０１９ｂによって生成された光を通すように構成される。したがって、白色光ビームは、コンバイナ１０１０から出射し、次いで第２のビームスプリッタ１０２７を通過する。ビームスプリッタ１０２７から出射する光は平面１０２３で集束し、１つの多色照射画像を形成する。この画像は、第２の視野レンズ１０２４によって補正され、画像上の各点から出射する光が特定の所望の方向にディスプレイイメージャ１０２８へ向かって外側へ放射することを確実にする。ディスプレイイメージャ１０２８から反射された光は、さらなる補正および処理のために第２の視野レンズ１０２４を逆に通される。次いで、光はビームスプリッタ１０２７によって選択的に反射され、ディスプレイ作像光学１０２９へ伝送され、そしてディスプレイスクリーン１０３０上へ伝送される。
【０１３７】
（選択可能な照射画像）
別の実施形態を以下に記載する。この実施形態は、スイッチ可能な制御角度ディフューザを使用して所定の形状および強度の選択可能な照射画像を生成する光学システムにおける１以上のレーザ光ビームを処理するためのシステムおよび方法を含む。
【０１３８】
図４９は本システムの一実施形態の機能ブロック図を示す。レーザビームはレーザ１１１１によって生成される。レーザ光ビームは１つ以上のビーム拡大器１１１２に通される。次いで、拡大されたビームはホログラムディフューザ１１１３に通される。ホログラムディフューザ１１１３はホログラム規定にしたがって光を回折させる。ホログラムディフューザ１１１３から出射する光は視野レンズ１１１４を通される。視野レンズ１１１４は拡散された光に対して角度対面積変換を行う。これは、要素１１１３と１１２３との間で図５０での光線トレースにおいて見てとれる。したがって、図示のシステムは、視野レンズ１１１４によって決定される平面においてホログラムディフューザ１１１３によって決定される形状および強度ならびに角度分布を有する画像を生成する。
【０１３９】
図５０は本システムの一実施形態の物理的レイアウトを示す。この図において、光ビームを生成する単一レーザは図示されない。ビームは、図の左側から光学システムに入射するように図示される。ビーム拡大器は第１の発散レンズ１１２１および第２の集束レンズ１１２２からなる。次いで、拡大されたビームはホログラムディフューザ１１１３および視野レンズ１１１４に通される。ホログラムディフューザ１１１３および視野レンズ１１１４によって生成された画像は平面１１２３上に位置する。ホログラムディフューザ１１１３はスイッチングデバイス１１２５によってスイッチ可能である。一実施形態において、スイッチングデバイス１１２５は、第１のホログラムを異なる規定の第２のホログラムと置き換えることを機械的に達成するデバイスである。これは、機械設計の当業者によって容易に設計される任意の多くの機械的手段によって達成され得る。したがって、第２の視野レンズ１１２４は平面１１２３に配置して平面を出射する光線を補正する。
【０１４０】
なお、スイッチング機構は機械的である必要はない。電気的にスイッチ可能なホログラム回折要素が機械的スイッチ可能要素の代わりに使用するために利用可能である。１つのそのような電気的スイッチ可能要素はＤｉｇｉｌｅｎｓによって製造される。そのような要素が使用される場合、別の照射画像を選択することは、対応の信号を回折要素に印加することである。
【０１４１】
図５１は、本システムの物理的レイアウトの第２の照射を示す。この図において、スイッチングデバイス１１２５は図示されない。その代わりに、この図はディフューザの移動を図示する。この場合、ディフューザ１１１３ａは光学経路から外すようにスイッチされるように示され、ディフューザ１１１３ｂはその場所に挿入されるように示される。
【０１４２】
ディフューザ上の各点から出射される光の特定のコーン（およびその結果の画像）は、その特定のディフューザ規定の特徴であるので、照射画像の変更は現在のディフューザを異なるディフューザに置き換えることである。図５０に示されるように、ホログラムディフューザはスイッチング機構に結合される。スイッチング機構は、ディフューザを光学経路の中へまたは外へ交互に移動するように構成される。スイッチング機構はディフューザを移動するための任意の適切な手段を含み得る。一実施形態において、ディフューザは、ユーザがディフューザをスイッチするために前後にスライドし得る単純なフレームに固定され得る。これを図５２に図示する。ディフューザ機構は、ディフューザ１１１３ｂが光学経路中にある第２の位置に示される。機構が右へ移動して第１の位置にくると、ディフューザ１１１３ａは光学経路へスイッチされる。ディフューザ機構は、ユーザによって手動で移動され得るか、または機構の移動が適切な電気信号によって作動され得るように動力化され得る。
【０１４３】
図５３は、ディフューザスイッチング機構の別の実施形態を示す。この実施形態において、異なるディフューザを回転可能な円構造に配置し、所望のディフューザを光学経路中に設置するようにする。光線は、ディフューザ１１１３ｂを含む構造のセグメントを通過するように示される（この光線は一連の実線で図示される。）構造が回転されると、ディフューザ１１１３ａ、１１１３ｂ、または１１１３ｃを含むセグメントが（手動または自動的に）光学経路中へスイッチされる。これらのディフューザの各々は異なる特徴画像を生成する。（ディフューザ１１１３ａを通過する光線は点線で示される−これは単に特徴画像間の違いを図示するためのものであって、光が同時に両方のディフューザを通過することを示すようには意図しない。
【０１４４】
照射画像が選択可能であることによって、照射システムは光学スイッチングシステムの構成要素としての使用に特に適切となり得る。例えば、レーザ光源によって生成される光信号は、信号を第１のセットの光ファイバに入力するのが望ましい場合に第１の規定にしたがって処理され、かつ信号を第２のセットのファイバに入力するのが望ましい場合に第２の規定にしたがって処理され得る。それぞれの規定は、対応のファイバ端の位置にドットを有する画像を生成する。多くの他の使用がまた可能である。
【０１４５】
本発明によって提供され得る利点および長所を具体的な実施形態を参照して上記に記載した。これらの利点および長所、ならびにそれらを生じさせるかまたはよりはっきりとさせるようないずれの要素または制限も、いずれかまたはすべての請求項の重要な、必要な、または本質的な特徴とはみなされない。本明細書中で使用する用語「含む」、「含むこと」またはその他の変形は、その用語に続く要素または限定を非排他的に含むとして解釈されるものと意図される。したがって、１リストの要素を含むプロセス、方法、製品、または装置は、それらの要素だけを含むのではなく、明示的にリストされないか、または請求されるプロセス、方法、製品、または装置に固有の他の要素を含み得る。
【０１４６】
本発明は特定の実施形態を参照して記載されたが、実施形態は例示するためのものであって、本発明の範囲が実施形態に限定されないことが理解されるべきである。上記実施形態に対する多くの変形、変更、追加、および改善が可能である。これらの変形、変更、追加、および改善は特許請求の範囲に詳細に記載される発明の範囲に該当すると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術における楕円およびパラボラアークランプを例示する図である。
【図２】
従来技術における楕円アークランプおよび光トンネルホモジナイザを例示する図である。
【図３】
従来技術におけるレンズレットアレイを例示する図である。
【図４】
本発明の一実施形態による照射システムの機能ブロック図である。
【図５Ａ】
レンティキュラアレイを例示する図である。
【図５Ｂ】
複合クロスレンティキュラを例示する図である。
【図５Ｃ】
一体化クロスレンティキュラを例示する図である。
【図６】
本発明の一実施形態による照射システムの構成要素を例示する図である。
【図７】
直交平面における度合いを変化させることによってダイオードエッジ出射レーザビーム光学から光ビームを拡大するように設計された光学システムを例示する１セットの図である。
【図８Ａ】
本発明の一実施形態におけるホログラムディフューザから出射する光のコーンのプロフィールを例示する図である。
【図８Ｂ】
別の実施形態におけるホログラムディフューザから出射する光のコーンのプロフィールを例示する図である。
【図８Ｃ】
一実施形態におけるホログラムディフューザから出射する複数の光のコーンのプロフィールを例示する図である。
【図９】
好適な実施形態における照射システムの具体的な設計を例示する図である。
【図１０】
本発明の一実施形態による照射システムの動作を例示するフロー図である。
【図１１Ａ】
従来の透過型イメージャシステムを例示する図である。
【図１１Ｂ】
透過型イメージャを含む本発明の実施形態を例示する図である。
【図１２Ａ】
従来技術における偏光ビームスプリッタ／イメージャシステムを例示する図である。
【図１２Ｂ】
本発明の一実施形態による偏光ビームスプリッタ／イメージャシステムを例示する図である。
【図１３Ａ】
従来の１色順序付け作像システムを例示する図である。
【図１３Ｂ】
本発明の一実施形態による色順序付け作像システムを例示する図である。
【図１４】
複数のレーザビームを組み合わせて１つの照射光源にする一実施形態の機能ブロック図である。
【図１５】
図１４の実施形態の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図１６】
図１４の実施形態における２つのビームのホログラムディフューザ上における占有面積を例示する図である。
【図１７】
複数のレーザビームを組み合わせて１つの照射光源にする別の実施形態の機能ブロック図である。
【図１８】
照射画像におけるスペックルを低減するように構成されたシステムの一実施形態を例示する機能ブロック図である。
【図１９】
図１８の実施形態の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図２０】
図１８および１９に対応する一実施形態における制御角度ディフューザの運動を例示する図である。
【図２１】
図１８および１９に対応する第２の実施形態における制御角度ディフューザの運動を例示する図である。
【図２２】
照射画像におけるゼロ次光漏れを除去するように構成されたシステムの一実施形態を例示する機能ブロック図である。
【図２３】
ゼロ次光漏れを除去するように構成された照射システムの一実施形態の物理的なレイアウトを例示するブロック図である。
【図２４】
ゼロ次光漏れを除去するように構成された照射システムの第２の実施形態の物理的なレイアウトを例示するブロック図である。
【図２５】
スプリット制御角度ディフューザを利用するシステムの一実施形態を例示する機能ブロック図である。
【図２６】
スプリット制御角度ディフューザを利用する照射システムの一実施形態の物理的なレイアウトを例示するブロック図である。
【図２７Ａ】
一実施形態における制御角度ディフューザのビームの占有面積を例示する図である。
【図２７Ｂ】
第２の実施形態における制御角度ディフューザのビームの占有面積を例示する図である。
【図２８】
セグメント化ホログラムディフューザ上の２つの点での光の回折を例示する図である。
【図２９】
非セグメント化ホログラムディフューザ上の２つの点での異なる波長の光の回折を例示する図である。
【図３０】
多色光ビームおよび色消しディフューザを利用するシステムの一実施形態を例示する機能ブロック図である。
【図３１】
図３０のシステムの一実施形態の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図３２】
図３０のシステムの別の実施形態の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図３３】
図３０のシステムの第２の別の実施形態の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図３４】
単一ガンシステムの一実施形態の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図３５】
単一ガンシステムの第２の実施形態の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図３６】
図３５の実施形態において使用されるビーム拡大器ロッドを例示する図である。
【図３７】
画像コンバイナを利用して単色画像を組み合わせて多色画像にするシステムを例示する機能ブロック図である。
【図３８】
図３７のシステムの物理的なレイアウトを例示する図である。
【図３９】
図３７のシステムの別の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図４０】
複数の照射システムの視野レンズと画像との間のビームコンバイナを利用するシステムを例示する機能ブロック図である。
【図４１】
図４０のシステムの物理的なレイアウトを例示する図である。
【図４２】
図４０のシステムの別の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図４３】
本開示による光学処理システムを利用するディスプレイシステムを例示する機能ブロック図である。
【図４４】
図４３のディスプレイシステムにおいて使用されるような光学プロセッサの一実施形態を例示する機能ブロック図である。
【図４５】
図４２のディスプレイシステムにおいて使用されるような光学プロセッサの一実施形態の物理的なレイアウトを例示する機能ブロック図である。
【図４６】
一実施形態による光学プロセッサと照射画像との間のビームコンバイナを利用するディスプレイシステムを例示する機能ブロック図である。
【図４７】
図４６のディスプレイシステムにおいて使用されるような光学プロセッサの一実施形態を例示する機能ブロック図である。
【図４８】
図４６のディスプレイシステムにおいて使用されるような光学プロセッサの一実施形態の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図４９】
選択可能な照射画像を有するシステムの一実施形態を例示する機能ブロック図である。
【図５０】
図４９の一実施形態の物理的なレイアウトを例示する図である。
【図５１】
図４９の一実施形態の物理的なレイアウトを例示する第２の図である。
【図５２】
図４９〜５１に対応する一実施形態における制御角度ディフューザを機械的に選択するための一メカニズムを例示する図である。
【図５３】
図４９〜５１に対応する一実施形態における制御角度ディフューザを機械的に選択するための第２のメカニズムを例示する図である。
【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６】
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【図７】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１４】
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【図１８】
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【図２２】
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【図２５】
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【図３０】
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【図３３】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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