(57)【要約】  レーザ源の動作方法が提供される。方法は複数の統計的に独立なスペックルパターンをつくることによって投影画像におけるスペックルコントラストを低減する。方法は光モードを定める複数本のサブビームを生成する工程を含む。方法は選ばれたサブビーム毎の位相を、複数の直交光モードにかけてレーザ源を連続的に順次移行させるように、制御する工程をさらに含む。複数の直交モードは対応する数の統計的に独立なスペックルパターンをつくり、よって、レーザ源を用いて投影された画像におけるスペックルコントラストを時間平均により低減する。
2012501471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ源の動作方法において、前記方法が、
光モードを定める複数本のサブビームを生成する工程であって、前記複数本のサブビームは共通の投影データを伝送するものである工程、及び
複数の直交光モードにかけて前記レーザ源を連続的に順次移行させるために前記サブビームの選ばれた１本毎の位相を制御し、よって前記レーザ源を用いて投影された画像におけるスペックルコントラストを低減する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記複数本のサブビームが、複数の対応するビームスポットを眼の解像要素以下の面積を有する共通の画像面ピクセル内につくるように投射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数のビームスポットのセットが共通の画像面ピクセル内に照射領域を形成し、
前記複数本のサブビームが前記共通画像面ピクセルにかけて、複数の照射領域をつくる走査方向に、走査され、
前記レーザ源が前記複数の照射領域のそれぞれにおいて前記複数の直交光モードにかけて順次移行される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザ源が光信号を生成するように構成されたレーザを有し、前記複数の直交光モードが、
前記光信号を前記複数本のサブビームに分割し、
前記複数本のサブビームのそれぞれの間に光路長差ｌをつくり、
前記光信号の波長を、
λ０を前記光信号の原波長とし、
ｍを０からＭ−１までの正整数とし、ここでＭは前記直交光モードの総数であり、
Δλをそれぞれの変調波長間の波長差として、
λ０＋ｍΔλ
からなる一組の変調波長にわたって変調する、
ことによって生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザ源が、
少なくとも１つの光信号を生成するように構成されたレーザ、及び
前記光信号を前記複数本のサブビームに分割するように、また前記複数本のサブビームのそれぞれの間に光路長差ｌをつくるように、構成された少なくとも１つの分割／遅延ユニット、
を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００８年８月２９日に出願された、名称を「スペックル低減のためのシステム及び方法(Systems and Methods For Speckle Reduction)」とする、米国特許出願第１２/２００９６３号の優先権を主張する。
【０００２】
本出願は、スペックル低減のためのシステム及び方法について、２００８年１月３０日に出願された米国仮特許出願第６１/０２４８０２号の恩典を主張する。本出願は、光信号の偏光変調のためのシステム及び方法について、２００８年２月２６日に出願された、同時係属であり、共通に譲渡された、米国特許出願第１２/０７２４２６号にも関係するが、その優先権は主張しない。
【技術分野】
【０００３】
本発明は光信号の変調のためのシステム及び方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、レーザ投影画像に見ることができるスペックルの存在感を減じるための、レーザ源及びレーザ投影システムの構成及び動作方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
スペックルは、コヒーレント光源が粗表面、例えば、スクリーンあるいは乱反射または乱透過を生じる他のいずれかの物体を照射するために用いられる場合には必ず生じ得る。
【０００５】
詳しくは、スクリーンまたはその他の反射性物体の多数の小領域が光を散乱して、波源点が異なり、伝搬方向が異なる、多数の反射ビームにする。観測点において、例えば観察者の眼またはカメラのセンサにおいて、これらのビームは増加的に干渉して輝点を形成するかあるいは減殺的に干渉して暗点を形成することで、スペックルとして知られる無秩序な斑点状強度パターンを生じさせる。スペックルの特徴は、斑点の大きさ及び、観測面における平均光強度に対する標準偏差の比として通常定められる、コントラストによって表される。十分に大きな照射面積及び十分に小さい個々の散乱点の大きさに対し、輝度標準偏差は１００％になり、スペックルが「完全発現」するであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザビームを用いて画像がスクリーン上に形成される場合、そのような斑点構造は雑音、すなわち画像品質の重大な低下を表すであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態にしたがえば、レーザ源の動作方法が提供される。本方法によれば、光モードを定める共通投影データを伝送する複数本のサブビームが生成される。レーザ源を用いて投影された画像におけるスペックルコントラストは、複数の直交光モードにかけてレーザ源を連続的に順次移行させるようにサブビームの位相を制御することによって低減される。
【０００８】
本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがうレーザ投影システムの説明図である。
【図２】図２は本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう分割／遅延ユニットの説明図である。
【図３】図３は本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう分割／遅延ユニットの説明図である。
【図４】図４は本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう分割／遅延ユニットの説明図である。
【図５】図５は本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう分割／遅延ユニットの説明図である。
【図６】図６は本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう分割／遅延ユニットの説明図である。
【図７ａ】図７ａは本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう分割／遅延ユニットの説明図である。
【図７ｂ】図７ｂは本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう分割／遅延ユニットの一実施形態の説明図である。
【図７ｃ】図７ｃは本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう分割／遅延ユニットの一実施形態の説明図である。
【図７ｄ】図７ｄは本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう分割／遅延ユニットの一実施形態の説明図である。
【図８】図８は、本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう、ある領域にかけて走査される２本のサブビームの説明図である。
【図９】図９は、本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがう、ある領域にかけて走査される３本のサブビームの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
初めに図１を参照すれば、レーザ３０，レーザドライバ２０，レーザ投影光学系４０，システムコントローラ１０及び投影画像面５０を備えるレーザ投影システム１００の文脈において本発明の特定の実施形態を説明することができる。レーザ３０には、半導体レーザ、光ポンプ固体レーザ、ファイバレーザまたは、小波長変調ができる、その他いずれかのタイプのレーザを含めることができる。図１は、レーザ３０が周波数変換によって１本ないしさらに多くのビーム、例えば緑色レーザビーム、及び／または半導体レーザ元来の１本ないしさらに多くの光ビーム、例えば赤色ビーム及び青色ビームを発生する、走査型投影機として動作するようにレーザ投影システム１００が構成された特定の場合を示す。
【００１１】
レーザ投影システムによって生成される画像に存在するスペックルのコントラストは、レーザ源によって発生される光信号を多くの直交光モードにかけて順次移行させることで低減することができる。光モードはほぼ同じ波長及び特定の相対光位相を有する２本ないしさらに多くの平行サブビームのセットとして定めることができる。サブビームは投影面上に投射され、投影面上に特定のパターンに配列されたビームスポットをつくる(平行ビームに対し、スポットは列をなして配置されるであろう。すなわち、スポット中心を結ぶ線が直線である)。眼の解像要素はスクリーン上の、与えられた観察距離にある眼またはカメラでは細かい強度変動がその範囲内で解像され得ない、領域として定められる。良好な知覚画像品質のため、画像内のピクセル数及び画像寸法は一般に、個々のピクセルの大きさが眼の解像領域と同等であるかまたはそれより小さくなるように選ばれる。本発明の最適動作のためには、人間の眼またはカメラがスポットの全てをただ１つのスポットとして知覚するように、複合スポット面積が眼の解像要素の面積より小さいことが要求される。したがって、複合スポット面積も一般に個々のピクセルの面積より小さいであろう。スペックルの低減は時間平均によって達成される。それぞれの直交モードはそれぞれ自身の統計的に独立なスペックルパターンをつくるから、人間の眼の視覚存続時間またはカメラの積分時間より高速の時間スケールでモードの順次移行がなされれば、眼またはカメラは２つないしさらに多くの統計的に独立なスペックルパターンを平均し、スペックルは知覚されにくくなるであろう。
【００１２】
本発明にしたがえば、ラスター走査型システムにおいてビーム品質を低下させずにスペックルを低減するために複数の直交モードにかけてレーザ源を巡回させるため、波長変調、ビーム分割及び光遅延を利用することができる。以下で詳細に論じられるように、それぞれの間に光路長差ｌを有する複数本の平行サブビームに光信号を分割し、波長差Δλで隔てられた波長間で光信号が高速で切り換わるかまたは振動するようにレーザ源を変調すれば、固定光位相差を有する複数本の平行サブビームをつくることができる。１つの固定光位相差を有する複数本の平行サブビームは本明細書において単一光モードと定義される。サブビームが静止し(すなわち、スクリーンにわたり走査または移動しておらず)、レーザ源が多くの直交モードにかけて順次移行すれば：
【数１】
2012501471.tif 000003
【００１３】
のスペックルコントラスト低減を達成することができる。ここでＳはスクリーン上にサブビームでつくられるスポットの総数である。しかし、他の実施形態において、サブビームはピクセル内のｋ個の照射領域を照射するためにスクリーンにかけて走査され得る。照射領域は静止平行サブビームまたは一定の短時間に走査するサブビームによって生成される一組のビームスポットとして定めることができる。サブビームは次の照射領域に走査または移動される前にそれぞれの照明領域においてそれぞれの直交モードにかけて巡回する。この非静止実施形態においては：
【数２】
2012501471.tif 000004
【００１４】
のスペックルコントラスト低減を達成することができる。
【００１５】
本明細書に説明されるように波長変調を導入すると、必要な光路長差ｌが激減し、コンパクトな投影システム１００のパッケージの使用が可能になる。波長変調を導入しないと、例えば、コヒーレント長をこえるに必要な(サブビーム間のランダムな位相差、したがってスクリーン上に投射される光モードのランダムな順次移行を生じさせる)遅延量に必要になる光路長が長すぎてコンパクトなパッケージに組み込めなくなり得る。本発明は、光信号品質に有意な変化を生じさせずに、非常にコンパクトにすることができ、スペックルコントラストの低減を達成することができる。したがって、本発明は小型ラスター走査型レーザ投影機に組み込むに適している。さらに、波長変調は極めて高速に、走査レーザ画像のピクセルレートと同等かまたはさらに高い周波数で、実施することができる。したがって、本発明は他の低速スペックルコントラスト低減手段と置換可能であり、他のそのような手段とともに用いることができる。
【００１６】
図１を再度参照すれば、レーザ３０及びレーザ投影光学系４０は協働して、レーザ源の原光信号または(例えば周波数二逓倍結晶の使用による)周波数変換によって生成される信号を用い、投影スクリーンすなわち投影画像面５０上に二次元走査レーザ画像を生成する。レーザ投影光学系４０は走査ミラーを有することができるが、これには限定されない。レーザ３０，例えば周波数二逓倍半導体レーザ光信号１０１を放射することができる。図１に示されるように、いくつかの実施形態は、光信号を複数本のサブビームに分割するため及びそれぞれの隣り合う２本のサブビームの間に光路長差ｌをつくるために、分割／遅延ユニット１１０を用いることができる。最適な画像品質及びスペックル低減のため、サブビームは通常、平行とするべきである。分割／遅延ユニット１１０に入ると、光信号１０１は少なくとも２本の平行サブビーム(例えば、サブビームＡ及びサブビームＢ)に分割され得る。いかなる数のサブビームも生成され得るから、ここでは説明目的のためだけに２本の平行サブビームが用いられる。サブビームＡ及びサブビームＢは分割／遅延ユニット１１０内で２本の相異なる経路を進み、よって２本のサブビームの間には光路長差ｌがある。レーザ３０によって放射された光信号１０１は、波長差Δλで隔てられた、２つないしさらに多くの波長の間を交互するかまたは連続的に掃引するように変調することができる。いくつかの実施形態にしたがえば、サブビームＡ及びサブビームＢが分割／遅延ユニット１１０を出た後、サブビームＡ及びサブビームＢは走査ミラー４０によって転向され、走査される。サブビームは次いで投影画像面５０に向けられる。
【００１７】
分割／遅延ユニット１１０のための構成の特定の選択は、２本ないしさらに多くの平行サブビームがつくられ、相異なるルートを進んで光路長差ｌが確保される限り、本発明の適切な機能実施に重要ではない。光信号１０１の２本ないしさらに多くの平行サブビームへの分割及び１本ないしさらに多くのサブビームの遅延のいずれをも効率的に行うであろう、多くの分割／遅延ユニット１１０の構成がある。図２〜６を参照すれば、分割／遅延ユニット１１０は入り光信号１０１を、ほぼ等しいパワーをもつ、少なくとも２本のサブビームに分割する。分割／遅延ユニット１０１は、光信号１０１を２本ないしさらに多くのサブビームに分割するために用いることができる、１つないしさらに多くのビームスプリッタを有することができる。
【００１８】
図２に示されるように、分割／遅延ユニット１１０は、５０／５０ビームスプリッタのような、ビームスプリッタ１０２及び、完全反射ミラーのような、反射面を有することができる。入り光信号１０１の一部はビームスプリッタ１０２から反射されて第１のサブビームＡを形成する。入り光信号１０１の一部はビームスプリッタ１０２を透過し、完全反射ミラー１０４から反射されて第２のサブビームＢを形成する。サブビームＢはサブビームＡが進む光路より長い光路を進むから、２本のサブビームの間には光路長差ｌがある。この実施形態例にしたがえば、入りビームの入射角を調節することで２本のサブビームの間の離隔を調節することが可能である。
【００１９】
図３は分割／遅延ユニット１１０として平行平面板１０６を用いる実施形態例を示す。平行平面板１０６は複数本の平行サブビーム(サブビームＡ〜Ｅ)を提供できる。入り光信号１０１が平行平面板１０６のビームスプリット面１０８上に入射し、そこで入り光信号１０１の一部が反射されてサブビームＡを形成する。入り光信号１０１の一部はビームスプリット面１０８を通過し、次いで後背反射面１０７から反射される。この反射されたサブビームの一部はビームスプリット面１０８を通過してサブビームＢを形成する。サブビームＢはサブビームＡより長い距離を進むから、２本のサブビームの間に光路長差ｌがある。図３に示されるように、このプロセスが平行平面板１０６に沿って反復され、同じ態様でさらにサブビーム(サブビームＣ，Ｄ及びＥ)が形成される。それぞれの隣り合うサブビームの間(例えば、サブビームＡとサブビームＢの間、サブビームＢとサブビームＣの間、等)に光路長差ｌがある。
【００２０】
図４は断面が台形のプリズム１１５及び断面が三角形のプリズム１１９を有する分割／遅延ユニット１１０の例を示す。三角形断面プリズム１１９の外に面している２つの側面には無反射コーティングが施され、台形断面プリズム１１５の２つの側壁１１４及び１１６には完全反射コーティングが施されている。ビームスプリット面１１２において互いに隣接する、三角形断面プリズム１１９と台形断面プリズム１１５の側面は、光信号１０１のビームパワーの一部が反射され、光信号１０１のビームパワーの一部が通過するようにコーティングされる。図４に示される実施形態例の多くの他の変形が可能である。例えば、三角形断面プリズム１１９は必要ではなく、半ビーム反射特性を有するビームスプリット面１１２上の薄膜コーティングで置き換えることができる。台形断面プリズム１１５も台形である必要はなく、ビームスプリット面１１２に戻る前に２回のビーム反射が可能になるいずれかの形状とすることができる。
【００２１】
図４に示される分割／遅延ユニット１１０の例に示されるように、入り光信号１０１は、２本のサブビームの内の少なくとも１本がプリズム１１５内で少なくとも１度周回して進むであろうように、位置１１３ａにおいてビームスプリット面１１２上に入射することができる。光信号１０１がビームスプリット面１１２に達すると、光信号１０１の一部は点１１３ａにおいて反射されて第１のサブビームＡを形成する。光信号１０１の一部はビームスプリット面１１２を通過し、点１１３ｂにおける側壁１１４からの反射、点１１３ｃにおける側壁１１６からの反射及び点１１３ｄにおけるビームスプリット面１１２への帰還によって定められる第１の周回路を進む。ここで、この第１の通過部分の一部は点１１３ｄにおいてビームスプリット面１１２を通過して第２のサブビームＢを形成する。したがって、サブビームＢは、光信号１０１の、第１の周回路を進んだ後に点１１３ａにおいてビームスプリット面１１２を通過した部分を含む。
【００２２】
次に光信号１０１の別の一部が、第１の周回に続いて、点１１３ｄにおいてビームスプリット面１１２から反射され、点１１３ｅにおける側壁１１４からの反射、点１１３ｆにおける側壁１１６からの反射及び点１１３ａにおけるビームスプリット面１１２への帰還によって定められる第２の周回路を進む。この信号の一部は次いでビームスプリット面を通過してサブビームＡに加わる。これらの反射が反復され、よってサブビームＡは光信号１０１の反射部分及び複数の第２の周回部分からなり、サブビームＢは複数の第１の周回部分からなる。サブビームＡとサブビームＢの間の離隔は、入射点１１３ａの位置がビームスプリット面１１２に沿って変えられるように、分割／遅延ユニット１１５を上下に平行移動させることで調節することができる。
【００２３】
それぞれのサブビームのパワーは計算することができ、修正することができる。点１１３ａにおける反射時に、光信号１０１のパワーの(ｘで表される)一部が反射されてサブビームＡになるであろう。第１の周回後に一部(１−ｘ)(１−ｘ)が透過してサブビームＢになり、第２の周回後に一部ｘ(１−ｘ)(１−ｘ)が透過してサブビームＡになり、以下同様に続くであろう。台形断面プリズム１１５内の反射または伝搬に損失がなく、全てのサブビームが同位相で加え合わされるとすれば、サブビームＡの総パワーは式(１)：
【数３】
2012501471.tif 000005
【００２４】
で定められる。同じ仮定にしたがい、サブビームＢの総パワーは式(２)：
【数４】
2012501471.tif 000006
【００２５】
で定められる。
【００２６】
最大スペックルコントラスト低減を達成するためには、それぞれのサブビームの知覚強度を等しくするべきである。サブビームＡとサブビームＢが同じ(すなわち、実施形態が光信号１０１を２本のサブビームに分割すれば、原光信号１０１のパワーの１/２にほぼ等しい)パワーを有することを保証するように、上式(１)及び(２)を解くことができる。
【００２７】
図４に示される実施形態例にしたがえば、反射パワーｘは１/３すなわち３３.３％とすべきであり、したがってビームスプリット面１１２はそのように構成されるべきである。分割／遅延ユニット１１０内に存在し得るいかなる損失にも応じるため、最適な第１の反射強度はいずれのサブビームにも等しいパワーが与えられるように若干調節することができる。本実施形態においてサブビームは空気以外の材料内を進むから、それぞれの連続する周回及び反射の後に出ていくサブビームＡとサブビームＢの間の光路長差ｌは、プリズムの材料の屈折率ｎが断面が乗じられた台形断面プリズム内の周回路の物理的長さＬに等しい。すなわち、ｌ＝Ｌ×ｎである。
【００２８】
別の実施形態は、２本より多くの平行サブビームをつくる分割／遅延ユニット１１０を有することができる。図５に示される実施形態例は，平行サブビームＡ，Ｂ及びＣをつくるように配置及び構成されたビームスプリット面１２３及び反射面１２２で光信号１０１が通過し、反射されるプリズム１２０を有する、分割／遅延ユニット１１０である。図６の実施形態例は、三角形断面プリズム１２４及び不整長方形断面プリズム１２５を有する。光信号の一部はビームスプリット面１２６から反射されてサブビームＡを形成し、光信号の一部はビームスプリット面１２６を通過して反射コーティングされた側壁１２８，１３０及び１３２で反射されてからビームスプリット面に達する。このビームの一部はビームスプリット面１２６を通過してサブビームＢを形成し、このビームの一部はビームスプリット面１２６から反射されて反射コーティングされた側壁１２８，１３０及び１３２から反射される。光信号のこの部分は次いでこのユニットをサブビームＣとして出る。
【００２９】
図５及び６の実施形態は、分割／遅延ユニット１１０を光信号１０１に対して左右に平行移動させることでさらに多いかまたは少ないサブビームをつくることができる。サブビームＡ，Ｂ及びＣに対する等サブビーム強度は、分割／遅延ユニット１１０の様々な面上に反射強度が異なるコーティングを用いることによって達成することができる。例えば、図５及び６の分割／遅延ユニット例に反射強度が同じコーティングが用いられていれば、サブビームＡ，Ｂ及びＣはそれぞれ、原ビームパワーの０.３８２，０.３８２及び０.２３６を有するであろう。
【００３０】
ビームウエストからある距離にビームを拡大することで動作するレーザ投影システムのような、レーザ投影システムには、１本ないしさらに多くの光信号(すなわち入力ビーム)の、分割、遅延及び、サブビームによって生成されるビームスポットの直径より小さい離隔を有する一対または複数対のオフセットされた平行ビームへの、再結合を可能にする分割／遅延ユニットが必要であり得る。図７ａの実施形態は、２つのプリズム１６０，１６６を用いて第１及び第２のビームスプリット面１６２，１６４をつくる、偏光分割／遅延ユニット１１０を示す。第１のビームスプリット面１６２は、一方の偏光状態(例えば、Ｓ偏光状態)を有する光信号１０１の部分を反射及び遅延させ、他方の偏光状態(例えば、Ｐ偏光状態)を有する光信号の部分を通過させる。反射され、遅延されたサブビームＢは次いで第２のビームスプリット面１６４で反射されて、通過サブビームＡと再結合される。入力偏光はそれぞれの偏光状態に等しいパワーを与えるべきである。サブビームの偏光状態は、スクリーンが減偏光性であれば、スペックル低減に強い影響を与えずに、異ならせることができ、直交さえさせることができる。
【００３１】
偏光分割／遅延ユニット１１０は、偏光分割／遅延ユニットを出る際にＰサブビームとＳサブビームの間に横オフセット与えるためにオフセットさせることができる、２つのミラー面１６８及び１６９を有することができる。さらに詳しくは、２つのミラー面１６８及び１６９は２本のビームが中心を完全に合わせられて再結合されるであろう位置からオフセットされる。ミラーのオフセットはサブビーム間の所望のオフセットにしたがって修正することができる。さらに、再結合はビーム径に比較していかなる大きさにもオフセットさせて達成することができる。この実施形態によってビームが投影面上で隔てられ得るようなビームの投射及び集束が可能になり、いずれのビームも遮断せずに好ましい幾何学的配置及び任意の小オフセットも得られる。
【００３２】
偏光分割／遅延ユニット１１０は２本より多くのビームを生成するために用いることができる。例えば、図７ｂは、２つの光信号１０１ａ及び１０１ｂが偏光分割／遅延ユニット１１０上に入射する、偏光分割／遅延ユニット１１０の実施形態を示す。偏光分割／遅延ユニット１１０を通過した後、２本の入力ビーム１０１ａ及び１０１ｂはそれぞれ、サブビーム１０１ａ'，１０１ａ"及び１０１ｂ'、１０１ｂ"に分割される。図７ｂ〜７ｄにおいて、光信号及びサブビームは最終的に投影面上にビームスポットを生成する円として示される。上述したように、また図７ａに示されるように、この実施形態は、分割／遅延ユニット１１０が走査型レーザ投影システムに実装されれば、走査線方向に垂直とすることができるサブビームの縦列セットをつくる。
【００３３】
図７ｃは、２つの光信号１０１ａ及び１０１ｂが第１のビームスプリット面１６２上に入射する、偏光分割／遅延ユニット１１０の別の実施形態を示す。この実施形態において、２つの光信号１０１ａ及び１０１ｂは、図７ａに示される位置から９０°回転された、偏光分割／遅延ユニット１１０上に並行して入射する。したがって、光信号１０１ａは、水平に配列された、すなわち走査型レーザ投影システムに実装されれば走査線方向に平行な配置の、２本のサブビーム１０１ａ'及び１０１ａ"に分割される。同様に、光信号１０１ｂも２本のサブビーム１０１ｂ'及び１０１ｂ"に分割される。したがって、図７ｃの正方形のサブビーム配置を達成することができる。
【００３４】
図７ｃの４サブビーム配置は、単一光信号１０１から２つの偏光分割／遅延ユニットを用いてつくることができる。図７ｄは、２つの偏光分割／遅延ユニット１１０ａ，１１０ｂを用いて単一光信号１０１から４ビームを得る実施形態を示す。光信号１０１は第１の偏光分割／遅延ユニット１１０ａ上に入射し、そこで、図７ａに示され、説明されたように、光信号１０１ａはサブビーム１０１ａ及び１０１ｂに分割される。サブビーム１０１ａ及び１０１ｂは次いで、図７ｃで説明され、示されたように回転された、第２の偏光分割／遅延ユニット１１０ｂ上に入射する。第２の偏光分割／遅延ユニット１１０ｂは、サブビーム１０１ａをサブビーム１０１ａ'及び１０１ａ"に、またサブビーム１０１ｂをサブビーム１０１ｂ'及び１０１ｂ"に分割する。第２の偏光分割に対する偏光軸は最１の偏光分割に対する偏光軸に対して４５°をなすことに注意されたい。このプロセスは、偏光スプリッタの適する配置によって、それぞれの偏光スプリッタ毎にサブビームの数を２倍にしながら、無限に継続させることができる。
【００３５】
上述したスペックル低減に必要な直交光モードを生成するため、一群の波長λｍ＝λ０＋ｍΔλにかけて順次に変化するように、レーザ３０の光信号１０１が変調される。ここで、ｍは０からＭ−１までの正整数(Ｍは生成されるモードの総数)であり、λ０は生成される波長群の最初の波長である。それぞれの波長は隣り合う波長から波長差Δλだけ隔てられ、Δλは式(３)：
【数５】
2012501471.tif 000007
【００３６】
のように、選ばれる。順次する波長のそれぞれにおいて新しい直交光モードが生成される。最大スペックル低減を達成するため、そのような態様で生成された直交光モードのそれぞれは、等しい時間持続するべきであり、生成された光モードの全てにかけて巡回するための総時間はカメラの積分時間または眼の視覚存続時間より短くするべきである。
【００３７】
必要な波長変調または波長切換えを生じさせるために様々な方法を利用することができ、方法はレーザ投影システム１００に用いられるレーザ３０のタイプに依存し得る。例えば、レーザ３０に波長変調信号を印加することによって光信号１０１を変調するように、システムコントローラ１０をプログラムすることができる。例えば、レーザ３０は５３０ｎｍ(緑色)出力を生じる周波数二逓倍１０６０ｎｍダイオードレーザとすることができ、ダイオードレーザチップは、位相区画、ＤＢＲ(または波長選択)区画及び利得区画を有する、３区画ＤＢＲ構造とすることができる。発明者等は、そのようなＤＢＲレーザの出力波長が、利得区画のバイアスを一定に保ちながらＤＢＲ区画及び／または位相同調区画に可変バイアスの形態で波長変調信号を印加することによって、連続的に、または自由スペクトル範囲(縦モード間隔)に等しい段階で、変化させ得ることに気付いた。発明者等は、周期的に高速でレーザ利得区画電流をゼロにリセットし、動作点に戻せば、ＤＢＲレーザは異なる縦キャビティモードをランダムに選択し、よってレーザを複数の波長間で振動させることにも気付いた。波長変調信号は、光信号１０１がΔλだけ隔てられた複数の波長λｍの間で切り換わるかまたは振動するような、方形波信号、鋸歯状波信号、正弦波信号及びランダム信号を含むがこれらには限定されない、いずれかのタイプの信号とすることができる。スペックル低減は、ＭΔλという最小範囲よりも広い範囲にわたってレーザの波長を変調することによっても達成できる(すなわち、波長をＭΔλの倍数で変調できる)と考えられる。
【００３８】
さらに詳しくは、システムコントローラ１０で制御することができる、レーザドライバ２０をレーザ３０に波長変調信号を印加するように構成することができる。例えば、レーザドライバ２０は所望の波長変調信号をつくるように構成された回路とすることができる。一般に、位相区画に高周波ＡＣバイアスを印加すると、バイアス電圧(または電流)に依存する振幅をもつ出力波長の高速連続変調(掃引)が得られるであろう。ＤＢＲ区画にＡＣバイアスを印加すると、キャビティモードに対応する２つないしさらに多くの離散波長間の高速切換え(モードホッピングとして知られる現象)がレーザ３０におこるであろうが、この挙動は特定のチップ構造に依存し得る。Ｍ個の値の間で波長を順次に変化させる(切り換える)代わりに、波長λｍの全てを含む範囲内において波長を正弦波または鋸歯状波態様で前後に連続掃引すれば(振動させれば)、同じかまたはほとんど同じスペックル低減を達成することができる。
【００３９】
本発明にしたがうレーザ３０の波長変調は、ナノ秒スケールの、極めて高速に実施することができる。ＤＢＲレーザの例については、１ＧＨｚに近づくかさらにはこえるレートでＤＢＲ区画または位相区画を変調することができる。限定ではなく例として、ＸＶＧＡ画面(１０２４×７６８ピクセル)及び６０Ｈｚのフレームレートを有する画像投影システムに本発明を組み込むと、「ピクセルレート」は４７.２ＭＨｚである。したがって、本明細書に開示される発明を適用することによって、単ピクセルの表示時間に相当する期間中に平行サブビームの位相を数回変えることができる。レーザ投影システム１００によってつくられるピクセルはフレーム生成周波数で生成されるフレームを形成することができる。波長変調レートはフレーム生成周波数以上とすることもできる。高速波長変調の結果、本発明は、眼またはセンサの応答時間内の平均化に依存するが、より低いレートで動作する、スペックルコントラスト低減のための他の方法と組み合わせて、複合効果を得ることができる。例えば、投影に用いられるレーザビームの偏光状態を周期的に変えることができ、画像投影表面５０として減偏光スクリーンを用いることができる。
【００４０】
波長変調を導入すると、分割／遅延ユニット１１０は寸法を非常に小さくすることができ、したがって、例えば小型投影器への組込に適する。大きさが数ｍｍに過ぎない分割／遅延ユニット１１０に対し、必要なΔλは１００分の数ｎｍのオーダーとすることができる。この用途に周波数二逓倍結晶が用いられる場合、この波長変調の大きさは周波数二逓倍結晶の一般的なスペクトル許容帯域幅内に十分入り、したがって二次高調波変換効率及びレーザ３０の出力パワーに有意な変化は生じないであろう。
【００４１】
２ビーム例の図４を改めて参照し、波長がλ０(ｍ＝０)のときに台形プリズム１１５内部の１週回の光路長がλ０の整数倍に正確に等しいとし、上述したように、サブビームＡ及びサブビームＢに寄与する第１の周回長と第２の周回長の間に小さな差があり得ることも無視できるとする。λ０に対し、分割／遅延ユニット１１０を出る周回部分の全ては同位相であり、したがって、サブビームＡとサブビームＢは同位相であり、等しいパワーを有する。しかし、光信号１０１の波長が変えられてλ０＋Δλに(すなわち、ｍ＝１のときのλ１に)等しくなると、光は周回毎に１/２波長遅延される。したがって、サブビームＡに寄与する第２の周回部分の全ては同位相で相加され、第２のサブビームＢに寄与する第１の周回部分の全ても同様である。この結果、サブビームＡとサブビームＢは等しいパワーを有するが、相互間にπの位相差を有する。
【００４２】
図８は、眼の解像要素より小さい、スクリーン５０上に投影された１ピクセル１４０に等価な領域を示す。本発明の実施形態は、ピクセル１４０内に配置されて照射領域１４４を形成する２つの静止ビームスポット１４２，１４３のセットをつくるように構成することができる。別の実施形態においては、サブビームのセットが走査線方向１４１に垂直に配置される(すなわち、２つのビームスポット１４２，１４３の中心を走査線方向１４１に垂直な仮想線が結ぶ)２つのビームスポット１４２，１４３をつくるためにピクセルにかけて走査線方向１４１に走査される。この場合、第１の照射領域１４４が形成され、次いで、サブビームがピクセル１４０にかけて走査されると、ビームスポット１４２'及び１４３'を含む第２の照射領域１４５がつくられる。この図示される実施形態において、照射領域１４４，１４５は眼の解像要素の１/２ないしさらに小さくするべきである。２本のビームがピクセル１４０の領域を横切ると、初めは同位相であり次いで位相差πをもつサブビームによる照射領域１４４に２つ、及び初めは同位相であり次いで位相差πをもつサブビームによる照射領域１４５に２つの、４つの独立なスペックルパターンが生じるであろう。
【００４３】
本明細書に説明されるように、２つないしさらに多くのスペックルパターンの間の変化は眼の応答時間よりかなり高速の時間スケールで起こるから、本発明の静止２サブビーム実施形態に対してはほぼ：
【数６】
2012501471.tif 000008
【００４４】
の平均スペックル低減を達成することができる。しかし、２つ(ｋ＝２)の照明領域を形成するためにサブビームがピクセル１４０にかけて走査されているときには、２つの位置及び２つの直交光モードが４つのスペックルパターンを全体的に平均化する。スペックルパターン低減の大きさは：
【数７】
2012501471.tif 000009
【００４５】
で表すことができる。したがって、図８に示される実施形態においては、コントラストが１/２だけ低減されるであろう。最大のスペックルコントラスト低減を得るためには、眼には個々のスポットが１つの照射スポットに見えるように、与えられたスクリーンまでの距離に対して平行サブビームによって照射される複合領域を(人間の眼またはカメラの解像度のような)眼の解像度より小さくするべきである。
【００４６】
最大スペックル低減のためには、生成される光モードが直交していなければならない。本明細書で定められるような直交性の条件は、モードがスクリーン上の同じ領域を照射しているときに統計的に独立なスペックルパターンを生じさせることを意味する。本明細書で以下に示されるように、直交性には光モードを形成する平行サブビームの間に、サブビームの本数に依存し、所要の波長差Δλ及び対応する光路長差ｌを決定する、特定の位相差が必要である。サブビームを適切な位相のいくつかのセットにかけて巡回させることによって、
【数８】
2012501471.tif 000010
【００４７】
のスペックルコントラスト低減を達成することができる。ここで、Ｓはサブビームの総本数、すなわちサブビームで生成されるスポットの総数である。位相のセットのそれぞれは相異なる直交光モードを構成する。それぞれのサブビーム(ビーム番号ｓ：ｓは１からＳまでの整数)は、強度が：
【数９】
2012501471.tif 000011
【００４８】
のスペックルを眼に生成するであろう。ここで、ψｓｍはモード番号ｍ(ｍは０からＭ−１までの整数、ここでＭはモード数)に対する番号ｓのサブビームの位相である。総照射面積が、眼の一投射解像領域内の、１ピクセル内にある場合は、全サブビームＳによる強度を式(４)：
【数１０】
2012501471.tif 000012
【００４９】
にしたがって総和して、ピクセルの知覚強度を得ることができる。式(４)を展開すれば、式(５)：
【数１１】
2012501471.tif 000013
【００５０】
が得られる。
【００５１】
位相の多数の異なるセット(位相のそれぞれのセットは光モードを表す)を人間の眼の視覚存続時間またはカメラセンサの積分時間内に順次移行できるように、サブビームを高速で構成することができるから、位相(モード)の全てのセットが同じ時間長にわたって持続するとすれば、平均知覚強度は式(６)：
【数１２】
2012501471.tif 000014
【００５２】
と表すことができる。
【００５３】
上式は、式(６)の第２項が恒等的にゼロであるように位相ψｓｍを選ぶことができると仮定することで簡単にすることができる。ｋの場合、知覚強度は式(７)：
【数１３】
2012501471.tif 000015
【００５４】
と表すことができる。さらに、番号ｓのサブビームによってつくられるいかなるスポットに対するスクリーン面粗さの作用もが他のいずれかのスポットに対するスクリーン面粗さの作用と相関しないと仮定することにより、平均(知覚)強度は同じ平均をもつ強度に独立なＳの平均である。したがってスペックル強度は：
【数１４】
2012501471.tif 000016
【００５５】
まで低減される。式(７)ではそれぞれのスポットの平均強度が同じであることは要求されないことに注意されたい。しかし、スペックルコントラストの完全な低減は、それぞれのスポットの平均強度が同じである場合にのみ該当するであろう。
【００５６】
サブビームの総本数Ｓが光モードの総数Ｍ以下であれば、式(６)の第２項は、式(８)：
【数１５】
2012501471.tif 000017
【００５７】
のように位相を選ぶことによってゼロに等しくすることができる。ｓ及びｓ＋Ｍに対してψｓｍは同じであろうから、サブビームの総本数Ｓが光モードの総数Ｍをこえることはできない。このように位相を選択すると、式(６)の第２項における総和は式(９)：
【数１６】
2012501471.tif 000018
【００５８】
になる。ここで，‘ｃｃ’は複素共役を表す。式(９)の総和の特定の要素に注目すれば、式(１０)：
【数１７】
2012501471.tif 000019
【００５９】
である。式(１０)のｚｍは、式(１１)：
【数１８】
2012501471.tif 000020
【００６０】
となるような、１のＭ番目の根である。式(１１)の右辺の展開における線形項はゼロであるから、Ｍ個の根の和はセロにならなければならない。ｋ＜Ｍに対し、式(１２)：
【数１９】
2012501471.tif 000021
【００６１】
であることにも注意されたい。
【００６２】
したがって、式(７)におけるモード番号ｍ及びサブビーム番号ｓの位相ψｍｓの規定された選択により、スペックルコントラストを：
【数２０】
2012501471.tif 000022
【００６３】
まで低減することができる。式(８)は複数本の遅延ビームの生成と一貫する位相のセットを規定する。ビームの位相遅延は、λｍ＝λ０＋ｍΔλの波長セットにかけて巡回することによりモードが生成され、サブビームｓに対して光路長差ｓ×ｌがあれば、式(１３)：
【数２１】
2012501471.tif 000023
【００６４】
で定められる位相が得られるように、波長に比例するであろう。
【００６５】
式(６)の第２項をゼロにするための式(８)との一貫性に必要な光路長差は式(１２)：
【数２２】
2012501471.tif 000024
【００６６】
によって決定することができる。したがって、投影システムについてのスペックルコントラストは、直交光モードのセットをカバーするためにそれぞれの位相が独立に変えられるサブビームのアレイを生成することによって低減することができる。Ｓ本のサブビームに対して、全てのスポットの照射強度が等しく、照射領域が１つだけ生成され、モードｍに対するサブビームｓの位相が：
【数２３】
2012501471.tif 000025
【００６７】
である実施形態におけるスペックルコントラスト低減は：
【数２４】
2012501471.tif 000026
【００６８】
もの大きさにすることができる。本明細書において位相の巡回は順次態様で説明されるが、サブビームの位相を決定論的ではなくランダムに変える(すなわち、例えばレーザシステムにランダムノイズを印加することによって、ｍが増分態様ではなくランダムに変えられる)ことによって等しいレベルのスペックル低減を達成することができる。
【００６９】
例として図８を再び参照すれば、ビームスポット１４２及び１４３を生成している２本のサブビームは第１の光モードに対して同位相であり、第２の光モードに対しては位相差πを有する。これらのサブビームが走査線に沿って走査(移動)されると、同じ２つのモードがピクセル内の新しい領域に投射され、スポット１４２'及び１４３'を照射するであろう。したがって、統計的に独立な４つのスペックルパターンがつくられ、ビームがピクセル１４０にかけて走査された場合には、上述したように、ほぼ：
【数２５】
2012501471.tif 000027
【００７０】
すなわち１/２の平均スペックルコントラスト低減を達成することができる。
【００７１】
同様に、図９に示されるように、例えば図５及び６の分割／遅延ユニット１１０を用いて、３本の平行サブビームのセットをつくることができる。このセットは３つのビームスポット１４６，１４７及び１４８をスクリーン上のピクセル領域に生成し、第１の照射領域を形成するであろう。３本のサブビームが第１の照射領域１５０を照射している間、レーザ源は３つの直交光モード(Ｍ＝３)にかけて巡回させられる。この巡回により：
【数２６】
2012501471.tif 000028
【００７２】
のスペックルコントラスト低減が達成される。直交条件：
【数２７】
2012501471.tif 000029
【００７３】
を適用することによって、３つのビームスポットをつくる実施形態については、第１の直交光モードに対するサブビーム間の位相差が０πであり、第２の直交光モードに対するサブビーム間の位相差が２π/３であり、第３の直交光モードに対するサブビーム間の位相差が４π/３であることが示される。さらに詳しくは、例として、ビームスポット１４６(ｓ＝１)，１４７(ｓ＝２)及び１４８(ｓ＝３)を生成するサブビームの位相は、第１の光モード(ｍ＝０)が投射されている期間中はψ０，ψ０及びψ０であり、第２の光モード(ｍ＝１)が投射されている期間中は：
【数２８】
2012501471.tif 000030
【数２９】
2012501471.tif 000031
【００７４】
及び
【数３０】
2012501471.tif 000032
【００７５】
であり、第３の光モード(ｍ＝２)が投射されている期間中は：
【数３１】
2012501471.tif 000033
【数３２】
2012501471.tif 000034
【００７６】
及び
【数３３】
2012501471.tif 000035
【００７７】
である。
【００７８】
これらのビームスポットは対応するサブビームの走査により走査線方向１４１に沿ってピクセル１４０を横切り、照射領域１５２及び１５４を形成することができる。３本のモード巡回サブビームが等強度である場合、このサブビーム走査により：
【数３４】
2012501471.tif 000036
【００７９】
のスペックルコントラスト低減をさらに達成することができ、総合スペックルコントラスト低減は：
【数３５】
2012501471.tif 000037
【００８０】
すなわち１/３になる。巡回時間は、左から右への走査とすれば、ピクセルの左端から中心までまたは中心から右端まで走査する時間に比較して短くしなければならない。走査方向１４１は、図示されるような左から右への方向に限らず、いかなる方向にもすることができる。本実施形態にしたがえば、個々の照射領域１５０，１５２及び１５４の大きさは眼の解像度の１/３ないしさらに小さくするべきである。スポットは、相互にある程度重なり合うように配置することができる。しかし、直交光モードに対応する位相差を有するサブビームによってつくられるスペックルパターンが完全に独立ではなくなるであろうから、重なりはスペックルコントラスト低減の大きさを減じ得る。
【００８１】
例えば、ラスター走査型投影用途において、かなりの大きさのスペックルコントラスト低減を達成することができる。超小型ミラーで縦方向及び横方向に走査される赤色レーザビーム、緑色レーザビーム及び青色レーザビームを出力する投影機は、投影機からある距離(例えば０.５ｍ)に最小寸法のビームウエストを有するようにコリメートされる。さらに大きな距離において、ビームウエストの寸法は増大するが、増大率は投影画像の全体寸法の増大率より緩やかであろう。この結果、投影機から０.５ｍないしかなり遠く離して配置されたスクリーンに対し、投影される画像は、調節を全く必要とせずに、完全に焦点が合って見えるであろう。したがって、分割／遅延ユニット１１０及び波長変調信号によってつくられる平行サブビームは、原光信号１０１の照準特性を維持するであろうし、ほぼ無限大の焦点深度を保持することができる。サブビームはスクリーン上の相異なる領域を照射し、したがって、ビームが直交光モードにかけて順次移行されると、相異なる統計的に独立なスペックルパターンがつくられるであろう。
【００８２】
「通常」及び「一般に」のような語句は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定すると、あるいは特許請求される本発明の構造または機能にある特徴が必須であるか、肝要であるかまたは重要であることさえも意味すると、読み取られるべきではないことに注意されたい。むしろ、これらの語句は、本発明の特定の実施形態に用いられても用いられなくとも差し支えない、別のまたは追加の特徴を強調することが意図されているに過ぎない。
【００８３】
本発明を説明し、定める目的のため、本明細書において語句「ほぼ」は、いずれかの量的比較、値、測定値またはその他の表現に帰因され得る不確定性の固有の大きさを表すために用いられることに注意されたい。本明細書において語句「ほぼ」は、扱われている主題の基本機能に変化を生じさせずに言明された基準から量的表現が変化し得る大きさを表すためにも用いられる。
【００８４】
特定の形式で「プログラムされている」か、あるいは特定の特性または機能を特定の態様で具現化するために「構成されている」または「プログラムされている」、本発明のコンポーネントの本明細書における叙述は、目的用途の叙述ではなく、構造の叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「プログラムされる」または「構成される」態様への本明細書における言及はコンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがってコンポーネントの構造特性の限定された叙述としてとられるべきである。
【００８５】
本発明の特定の実施形態を参照して本発明を詳細に説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱しない改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本発明のいくつかの態様は本明細書において好ましいかまたは特に有利であるとされているが、本発明が本発明のそのような好ましい態様に限定されるとは限らないと考えられる。
【符号の説明】
【００８６】
１０    システムコントローラ
２０    レーザドライバ
３０    レーザ
４０    レーザ投影光学系
５０    投影画像面
１００    レーザ投影システム
１０１    光信号
１０２    ビームスプリッタ
１０４    完全反射ミラー
１１０    分割／遅延ユニット
【図１】
2012501471.tif 000038
【図２】
2012501471.tif 000039
【図３】
2012501471.tif 000040
【図４】
2012501471.tif 000041
【図５】
2012501471.tif 000042
【図６】
2012501471.tif 000043
【図７ａ】
2012501471.tif 000044
【図７ｂ】
2012501471.tif 000045
【図７ｃ】
2012501471.tif 000046
【図７ｄ】
2012501471.tif 000047
【図８】
2012501471.tif 000048
【図９】
2012501471.tif 000049
【国際調査報告】
2012501471.tif 000050