JP2004529375A - レーザースペックル低減方法及び装置 - Google Patents

Abstract

レーザー照明されたシステムのレーザースペックルを低減させる方法及び装置であって、同システムではレーザーによって発生されるラインイルミネーションが放散表面を横切って走査され、同方法及び装置は２次元像がディスプレスクリーン上に発生されるディスプレス装置に組入れられるのが望ましい。ディスプレス装置は光変調器、波面変調器及び投影・走査光学系を含む。光変調器は、ピクセルの線形配列から構成される行イメージを形成するためにレーザーイルミネーションを変調する。波面変調器は行イメージの幅を横切って空間位相を変化させ、従って位相変調された波面を形成する。投影・走査光学系はディスプレスクリーン上に行イメージを投影すると共にディスプレスクリーンを通して行イメージを走査する。位相変調された波面は多数のスペックルパターンを発生させ、行イメージが走査されるにつれて平均を取られ、従って低減されたレーザースペックルを発生させる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明はレーザー照明システム分野に関する。特に、本発明はレーザーによって発生されるラインイルミネーション（行照明）が放散（拡散）面を通して走査されるレーザー照明システムの分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粗面を照明する干渉性（可干渉）光はスペックル（斑点）を生じる（発生させる）。粗面からの反射は放散反射と呼ばれる。粗面を通じた伝達（伝送）は放散伝達と呼ばれる。放散反射、即ち、放散伝達では光は各種の方向に散乱する。放散反射によって散乱される干渉性光は、粗面から離れた空間で干渉パターンを形成する。人の目で見られると、「粒状」パターンの明及び暗に見えるであろう。その粒状パターンがスペックルである。干渉性光によって照明された粗面を見ると、光学システムの彩度検出器も同様にスペックルを検出するであろう。
【０００３】
先行技術のスペックル表示装置が図１に例示される。スペックル表示装置１は、第１光軸８上に配置される表示レンズ２、放散レンズ４及び観察（視聴）スクリーン６を含む。表示レンズ２はレーザービーム１０を発する。放散レンズ４はレーザービーム１０を放散レーザービーム１２に変換する。放散レーザービーム１２は大領域１４の観察スクリーン６を照明する。観察スクリーン６は放散レーザービーム１２を拡散的に反射して干渉パターンを造りだす。第２光軸１８上に配置される観察面１６は、干渉パターンと交差する。観察面１６は、そこで目又は光学システムの焦点が合わされる空間の視野である。視聴スクリーン６において目又は光学システムの焦点が合わされると、観察面１６は視聴スクリーン６に位置づけられる。放散レンズ４はスペックルの表示を助長するが、それはスペックルの発生上不必要である。
【０００４】
図２は、先行技術の典型的なスペックルパターン１７の写真であり、観察面１６において見られるスペックルを例示する。観察スクリーン１６から拡散的に反射する放散レーザービーム１２の建設的な干渉は観察面１６の明るい斑点（スポット）を造り出す。破壊的な干渉は明るいスポット間に暗いスポットを造り出す。視聴スクリーン６からの放散反射は無作為の性質を有し、そのために明スポット及び暗スポットは観察面１６全体を通して変化する。
【０００５】
スペックルの程度（尺度）はコントラスト（Ｃ）である。コントラストは、百分率でＣ＝１００＊Ｉ_ＲＭＳ／Ｉ’によって与えられ、ここではＩ’は平均彩度、Ｉ_ＲＭＳは平均彩度に関する二乗平均平方根彩度変動である。
【０００６】
Ｇｏｏｄｍａｎは、「スペックルに関する若干の基本性質」（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａ．，Ｖｏｌ．６６，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖ．１９７６，ｐｐ １１４５−１１５０）で、Ｎ個の相関関係のないスペックルパターンを重ねることによってスペックルが低減され得ることを教示している。Ｎ個の相関関係のないスペックルパターンが同一の平均彩度及びコントラストを有するとすれば、これはスッペクル低減係数（因数）Ｎ’だけコントラストを低減させる。Ｎ個の相関関係のないパターンが等しくない平均彩度又は等しくないコントラストを有するならば、スッペクル低減係数はＮ’未満であろう。従って、スッペクル低減係数Ｎ’は、Ｎ個の相関関係のないスペックルパターンに対するスッペクル低減に関して最大の場合である。Ｇｏｏｄｍａｎは、相関関係のないスペックルパターンは、時間、空間、周波数又は偏光によって得られることをさらに教示している。
【０００７】
先行技術のスペックル低減方法は、視聴スクリーン６を移動させることによって多数のスペックルパターンを与えるものであり、そこではＧｏｏｄｍａｎによって教示された時間手段が用いられる。振動運動１９は、概して光軸８の周りの小円又は小楕円に従う。これは、スペックルパターンを目又は視聴スクリーン６を観察する光学システムに関してスペックルパターンを移動させ、従って時間を通して多数のスペックルパターンを形成する。時間に合った任意の瞬間においてスペックルの量は変らないが、振動運動の速度が或る閾値を越えるならば目には低減されたスペックルが知覚される。スペックルパターンが有意の距離移動できるように露出時間が十分長いならば、同光学システムの彩度検出器は低減されたスペックルを検出する。
【０００８】
レーザー照明されたディスプレシステム技術では、レーザースペックルを低減させるために能動放散器（ディフューザ）がレーザー照明された作像システムに加えられ得ることが知られている。能動放散器は中間像平面又は中間像平面の近くに配置される。ディスプレスクリーンにおいて移動する位相を与えるために能動放散器は、ディスプレスシステム光軸の回りにおいて回転又はトロイド（トーラス方向）パターンの形で中間像平面内で移動される。移動する位相は時間を通して相関関係のないスペックルパターンを与え、従って、Ｇｏｏｄｍａｎによって教示された時間手段を用いる。
【０００９】
「レーザー投影システムにおける放散光学素子によるスペックル低減」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ． １０， Ａｐｒ． １９９８， ｐｐ １７７０−１７７５）でＷａｎｇ他は、レーザーテレビシステムのようなレーザー投影システムにおけるレーザースペックル低減方法を教示している。レーザー投影システムにおけるレーザースポットは、ＣＲＴ（陰極線管）ディスプレにおいて電子ビームが像を形成するのと同様にラスタ走査によってディスプレスクリーン上に像を形成する。Ｗａｎｇ他によって教示された方法は、レーザービームを拡張し、多数の小ビームを形成するために拡張されたレーザービーム内に放散性光学素子を配置し、次いでディスプレスクリーン上にレーザースポットを形成するために小レーザービームに焦点を合わせる。これは時間で変化するスペックルパターン及び結果的にスペックル低減を与える。Ｗａｎｇ他は、さらにスペックル低減に関して僅かに改良するために放散性光学要素が回転され得ることを教示している。
【００１０】
Ｂｌｏｏｍ他は、参照により本明細書に組み入れられた、１９９９年１１月９日発行の米国特許第５，９８２，５５３号において、格子光弁（ＧＬＶ）赤、緑、青レーザー、各種のレンズ系、走査鏡、ディスプレスクリーン、電子機器を含むディスプレシステムを教示している。
【００１１】
Ｂｌｏｏｍ他により教示されたディスプレシステムでは、ＧＬＶはディスプレスクリーン上のピクセルの線形配列から成る行イメージを形成する。走査鏡は、ＧＬＶがピクセルの線形配列を変調するにつれて行イメージに垂直な方向でディスプレスクリーンを横切って行イメージを反復的に走査し、それによって２次元像を形成する。
【００１２】
Ｂｌｏｏｍ他により教示された２次元像はレーザーイルミネーションによって形成されるので、同２次元像はレーザースペックルを示し、像品質を劣化させる。
【００１３】
行イメージを走査することによって２次元像が形成されるディスプレシステムで必要とされるのは、レーザースペックルを低減させる方法である。
【００１４】
レーザーによって発生されたラインイルミネーションが放散面を通して走査される光学システムで必要とされるのは、レーザースペックルを低減させる方法である。
【００１５】
【本発明の要約】
本発明は、低減されたレーザースペックルを示すディスプレスクリーンを横切って、２次元像が行イメージを走査することによって形成される２次元像を表示する方法及び装置である。ディスプレ装置は、光変調器、波面変調器及び投影・走査光学系を含む。光変調器は、ピクセルの線形配列から行イメージを形成するためにレーザーイルミネーションを変調する。波面変調器は、行イメージの幅を横切って位相を空間的に変化させ、従って、位相変調された波面を形成する。投影・走査光学系は、行イメージをディスプレスクリーン上に投影し、ディスプレスクリーンを横切って行イメージを走査する。位相変調された波面は、ディスプレスクリーンを通して行イメージが走査されるにつれて多数のスペックルパターンを発生させ、従って低減されたレーザースペックルを発生させる。
【００１６】
その代わりに、本発明は、レーザーによって発生されるラインイルミネーションが放散面を横切って走査されるあらゆるレーザー照明されたシステムにおいてレーザースペックルを低減させるのに適している。
【００１７】
【本発明の望ましい実施態様の詳細な説明】
本発明のディスプレシステムは、図式的に図３に示される。ディスプレシステム４０は、ディスプレ光学機器４２及びディスプレ電子機器４４を含む。ディスプレ光学機器４２は、レーザー４６、イルミネーション電子機器４８、格子光弁（ＧＬＶ）５０、シリーレン（Ｓｃｈｌｉｅｒｅｎ）光学機器５２、波面変調器５４、投影及び走査光学機器５６及びディスプレスクリーン５８から成る。ディスプレ電子機器４４はレーザー源４６、ＧＬＶ５０及び投影及び走査光学機器５６に結合される。
【００１８】
ディスプレ電子機器４４は、レーザー４６を作動させる。レーザー４６はレーザーイルミネーションを発する。イルミネーション光学機器４８は、レーザーイルミネーションをＧＬＶ５０上に集中させる。ＧＬＶ５０は、第１像平面６０内に配置される。ディスプレ電子機器４４はＧＬＶ５０を制御する。ＧＬＶ５０はレーザーイルミネーションを変調し、ピクセルの線形配列（アレイ）に関して反射された光又は放散された光を形成する。シリーレン光学機器５２は、反射された光を放散された光から分離し、シリーレン光学機器５２を通すために少なくともプラス１及びマイナス１の放散オーダー（ｏｒｄｅｒ）を可能にする。
【００１９】
シリーレン光学機器は、波面変調器５４において行イメージ幅を有する行イメージを形成する。波面変調器５４は、第２像平面に配置される。波面変調器５４は、行イメージ幅を横切って位相を変調する。ディスプレ電子機器４４は、投影及び走査光学機器５６の走査鏡を駆動する。投影及び走査光学機器５６行イメージをディスプレスクリーン５８上に投影し、ディスプレスクリーン５８上に２次元像を形成するためにディスプレスクリーン５８を横切って行イメージを走査する。ディスプレスクリーン５８は第３像平面６４に配置される。
【００２０】
波面変調器５４は、ディスプレスクリーン５８において行イメージ幅を横切って位相を変化させる。行イメージ幅でディスプレスクリーン５８を横切って走査するにつれて位相が変化し、従って時間を通して多数のスペックルパターンを発生させる。多数のスペックルパターンを見る人の目又は光学システムの彩度検出器は低減されたスペックルを検出する。
【００２１】
本発明のディスプレ光学機器４２は、図４及び５にさらに例示される。図４はディスプレ光学機器４２の平面図を示す。図５はディスプレ光学機器４２の立面図を例示し、ディスプレ光学機器４２は光軸７０に沿って展開される。レーザー４６はレーザーイルミネーション７２を発（放出）する。イルミネーション光学機器４８は拡散レンズ７４、視準レンズ７６及び円柱レンズ７８から成る。イルミネーション光学機器４８は、焦点幅を有する焦点ラインの形でＧＬＶ５０上にレーザーイルミネーション７２の焦点を合わせる。図４は、入射角４５°でＧＬＶ５０を照明するレーザーイルミネーション７２を例示することに注目せよ。理想的には入射角度は最少にし、レーザーイルミネーション７２でＧＬＶ５０を照明するのを可能にすると同時に反射及び回折した光がシリーレン光学機器５２達し得るようにすることである。ＧＬＶ５０を照明するために他の光学機器系が用いられ得ることは当業者にとっては容易に明らかであろう。本発明の各レンズの描写は単一構成成分のレンズに限らず、また任意の所与のレンズが複合レンズ又は反射による光学素子で置き換えられ得ることも同様に当業者にっては容易に明らかであろう。
【００２２】
ＧＬＶ５０は焦点ラインに沿ってピクセルの線形配列としてレーザーイルミネーション７２を変調し、各ピクセルにつきプラス１及びマイナス１回折オーダーＤ_＋１及びＤ_‐１を含む、反射された光Ｒ又は回折された光を形成する。その代わりに、ＧＬＶ５０は、１０８０を越えるか又はそれ未満のピクセルを発生させる。図５は、反射された光及び例示のために２つのピクセルにつきプラス１及びマイナス１回折オーダーＤ_＋１及びＤ_‐１を例示する。所与のピクセルが光りを反射するように変調されるならば、反射された光Ｒが現れ、プラス１及びマイナス１回折オーダーＤ_＋１及びＤ_‐１は現れないであろう。その代わりに、所与のピクセルが光を回折するように変調されるならば、プラス１及びマイナス１回折オーダーＤ_＋１及びＤ_‐１が現れ、反射された光Ｒは現れないであろう。場合によっては、結果的に生じる像内にグレースケール効果を与える、結果的に生じる像内の所与のピクセル輝度を低減させるために、反射された光及びプラス１及びマイナス１回折オーダーＤ_＋１及びＤ_‐１を発生させるように所与のピクセルを変調するのが望ましい。
【００２３】
シリーレン光学機器５２は、第１及び第２レンズ８２及び８４間に配置されるシリーレン絞り８０を含む。シリーレン絞り８０は、反射された光Ｒを止めて、プラス１及びマイナス１回折オーダーＤ_＋１及びＤ_‐１がシリーレン絞り８０を通過するのを可能にする。シリーレン絞り８０は第１変換平面８５に配置されるのが望ましい。その代わりに、シリーレン絞り８０は第１変換平面８５に近接して配置される。
【００２４】
第１及び第２リレー（中継）レンズ８２及び８４は、波面変調器５４以内であることが望ましい、第２像平面６２内の行イメージとしてピクセルの線形配列の像を作る（映す）。その代わりに、第２像平面６２は波面変調器５４に近接する。暗及び明ピクセルは行イメージを構成する。暗ピクセルは、反射される光Ｒを与えるように変調されるＧＬＶ５０におけるピクセルに相当する。明ピクセルは、プラス１及びマイナス１回折オーダーＤ_＋１及びＤ_‐１を含む、回折される光を与えるために変調されるＧＬＶ５０におけるピクセルに相当する。
【００２５】
波面変調器５４は、波面変調器５４における行イメージ幅を横切る波面の空間位相変量を形成する。望ましくは、レーザーイルミネーション７２の波長に対して空間位相変量は０及び２πラジアン間にある。望ましくは、空間位相変量は波面変調器５４においては行イメージ幅未満であるが、投影及び走査光学機器５６の最小サイズ分解能と等しいか又はそれより大きい周期を有する。波面変調器５４は、行イメージに対して少なくとも部分的に直角な格子輪郭（側面）を有する透過性回折格子から成るのが望ましい。その代わりに、波面変調器５４は、行イメージに対して少なくとも部分的に直角な格子輪郭を有する反射性回折格子から成る。反射性回折格子を用いることで、反射性回折格子を考慮するディスプレ光学機器４２の再配列を要することは当業者にとって容易に明らかであろう。高さを変化させる無作為輪郭が、行イメージ幅を横切って波面の空間位相変量を発生させるために格子輪郭の代わりに用いられ得ることも同様に当業者にとって容易に明らかであろう。
【００２６】
投影及び走査光学機器５６は、投影レンズ８６及び走査鏡８８から成る。投影レンズ８６は、走査鏡８８を介してディスプレスクリーン５８上に行イメージ９０を投影する。同様に投影レンズ８６は、ディスプレスクリーン５８上の行イメージ幅９２を横切って空間位相変量を有する波面を修正する。走査鏡８８は第２変換平面９４の周りに配置されるのが望ましい。
【００２７】
走査鏡８８は、第１走査運動Ａと共に移動し、従って第２走査運動Ｂと共にディスプレスクリーン５８を横切って行イメージ９０を走査する。望ましくは、第１走査運動Ａは鋸歯状歯走査運動であり、そこでは走査サイクルの第１部分はディスプレスクリーン５８を照明し、走査サイクルの第２部分は走査鏡８８を走査サイクルの初めに戻す。ディスプレスクリーン５８を横切って行イメージを反復走査することによって２次元像がディスプレスクリーン５８上に形成される。ディスプレスクリーン５８を横切って行イメージ９０を走査するために他の走査運動が用いられ得ることは当業者にとって容易に明らかであろう。同様にゼロの光学パワーを有する対物走査装置のような透過性走査装置で走査鏡８８を置き換え得ることは当業者とって容易に明らかであろう。
【００２８】
行イメージ９０がディスプレスクリーン５８を横切って走査するにつれて、ＧＬＶ５０はピクセルの線形並列を変調し、従ってピクセル矩形配列から構成される２次元像を発生させる。高解像度テレビ（ＨＤＴＶ）フォーマットに関しては、行イメージ９０がディスプレスクリーン５８を横切って走査するにつれてＧＬＶ５０は１９２０回変調する。従って、ＧＬＶ５０は、ＨＤＴＶフォーマット用の２次元像を形成する、１９２０Ｘ１０８０の矩形配列を発生させるのが望ましい。 他の映像フォーマットに関しては、他のどの映像フォーマットが表示されるかに依存して、行イメージ９０がディスプレスクリーン５８を横切って走査するにつれて、ＧＬＶ５０は１９２０を越えるか又はそれ未満の回数の変調を行う。
【００２９】
行イメージ幅９２でディスプレスクリーン５８を横切って走査するにつれて、空間位相変量を有する波面は時間と共に多数のスペックルパターンを発生させる。当該多重スペックルパターンは目又は光学システムの彩度検出器によって検出されるスペックルを低減させる。
【００３０】
図３、４及び５に描写されたディスプレ光学機器は単色像を発生させる。 カラーディスプレ光学機器は、ディスプレ光学機器４２、２つの追加レーザー、２つの追加イルミネーション光学機器、２つの追加ＧＬＶ及び２色性フィルタ群から成る。カラーディスプレ光学機器では、赤、緑及び青レーザーは３つのＧＬＶを照明し、ピクセルの赤、緑及び青線形配列を発生させる。２色性フィルタ群は３つのＧＬＶから反射及び回折された光を結合し、反射及び回折された光をシリーレン光学機器５２に方向づける。波面変調器５４は、波面変調器５４及びその結果としてディスプレスクリーン５８において赤、緑及び青波面に対して行イメージ幅９２を横切って位相を変化させる。カラーディスプレ光学機器に関しては、行イメージ幅９２を横切る空間位相変量は、赤、緑及び青レーザーイルミネーションの１つ（例えば、緑レーザーイルミネーション）に対して最適振幅又は関係する波長の特殊な平均である波長を有するのが望ましい。行イメージ９０がディスプレスクリーン５８を横切って走査されるにつれて、赤、緑及び青波面は、時間を通して多数のスペックルパターンを発生させ、従って、カラーディスプレ光学機器内のスッペクルを低減させる。その代わりに、カラーカラーディスプレ光学機器では、２色性フィルタ群は、単一ＧＬＶを連続的に照明するために赤、緑及び青レーザーイルミネーションを結合させる。
【００３１】
望ましい波面変調器５４Ａは図６Ａ及び６Ｂに例示される。望ましい波面変調器５４Ａは、幅、高さ及び厚さ１０６、１０８及び１０９並びに格子輪郭１１０を有する透過性格子から成る。好ましい波面変調器５４Ａにおいて２５．５μｍの行イメージ幅を有する２７．５ｍｍの行イメージに対する便利な取扱サイズ及び冗長性を与えるために、幅１０６は約４ｍｍ、高さ１０８は約３５ｍｍ及び厚さ１０９は約１ｍｍであることが望ましい。その代わりに、高さ１０８及び幅１０６は、少なくとも行イメージのサイズになるように選択され、また好ましい波面変調器５４Ａにおける行ライン幅及び厚さ１０９は、少なくとも十分な取扱構造を与えるものになるように選択される。例示の目的のために図６Ａ及び６Ｂは現実のものより遥かに大きくされたものとして格子輪郭１１０を描写していることに注目せよ。
【００３２】
格子輪郭１１０は、高さ１０８に対して角度Ｃを形成し、２７．５ｍｍの行イメージに平行である。格子輪郭１１０は、好ましい波面変調器５４Ａにおいて２７．５ｍｍの行イメージに対して少なくとも部分的に直交し、従って角度Ｃは９０°ではない。望ましくは、ディスプレ光学機器４２（図４及び５）の投影レンズ８６及び走査鏡８８に対する光学的処理量を最適化するために角度Ｃは約４５°である。４５°の角度は、ディスプレスクリーン５８において行イメージ幅９２を横切る空間位相変量を与え、同時に第２変換平面９４（図４及び５）の回りに配置される、走査鏡８８における光学的足跡を最小にする。格子輪郭１１０、角度Ｃ、投影レンズ８６及び走査鏡８８は、ディスプレ光学機器４２（図４、５、６Ａ及び６Ｂ）の相互に関係のあるサブシステムを形成する。相互に関係のあるサブシステムは、異なった格子輪郭、角度Ｃに対する４５°以外の角度、異なった投影レンズ及び異なった走査鏡を用いて最適化され得る。
【００３３】
図６Ｃは、格子輪郭１１０をさらに例示する。格子輪郭１１０は２ピッチ格子輪郭から成る。投影レンズ８６がｆ／２．５の速度を有する、融解石英（５３２ｎｍ光に対し１．４６屈折率を有する）の格子材料、好ましい波面変調器５４Ａにおける像幅の格子材料及び相互に関係するサブシステムに対して最適化された好ましい格子輪郭を以下に示す。
【００３４】
図６Ｃ基準 寸法
Ｄ ４μｍ
Ｅ ３．５
Ｆ ２
Ｇ ８．５
Ｈ ５７８ｎｍ
【００３５】
寸法Ｈは、Ｈ＝λ／［２（ｎ−１）］によって決定され、ここではλは光波長であり、ｎは格子材料に関する屈折率である。好ましい格子輪郭は、走査鏡８８がディスプレ光学機器４２（図４及び５）の第２変換平面９４の回りに配置された矩形鏡から成る、相互に関係するサブシステムに対する光学的足跡を最適化する。
【００３６】
好ましい波面変調器５４Ａは写真平版パターンを溶解石英に食刻することによって製造されるのが望ましい。好ましい波面変調器５４Ａはむしろ反射防止膜を含む。好ましい反射防止膜は４００−７００ｎｍＢＢＡＲ（ブロードバンド反射防止性）膜である。
【００３７】
既に述べたように、行イメージ幅９２でディスプレスクリーン５８を走査するにつれて空間位相変量を有する波面は時間と共に多数のスッペクルパターンを発生させる。目で検出されると当該多重スッペクルパターンは、本発明のスッペクル低減係数（率）だけスペックルを低減させる。
【００３８】
本発明のスペックル低減係数は下式で与えられる。
【００３９】
スペックル低減係数＝（１＋θ_{ｐｒｏｊ２}／θ_ｅｙｅ）^１／２／（１＋θ_{ｐｒｏｊ１}／θ_ｅｙｅ）^１／２
ここで、θ_{ｐｒｏｊ１}＝走査方向で、投影された光によって境界づけられた、投影された第１平面角度であり、波面変調器５４のないディスプレ光学器
４２に対するものである
θ_{ｐｒｏｊ２}＝走査方向で、投影された光によって境界づけられた、投影された第２平面角度であり、波面変調器５４を伴うディスプレ光学器４２に対するものである
θ_ｅｙｅ＝目によって境界づけられて見られた平面角度である
【００４０】
波面変調器５４をディスプレ光学器４２に含めることによって、投影された第１平角度θ_{ｐｒｏｊ１}は第２平面角度θ_{ｐｒｏｊ２}に増大される。投影及び走査光学機器５６の投影出口瞳孔を最大化するように波面変調器５４を設計することによって、本発明のスペックル低減係数は最大化される。
【００４１】
スペックル低減係数は本発明の総合的スペックル低減を評価するが、行イメージ幅９２がディスプレスクリーン５８を横切って走査されるにつれて、同幅に関してスッペクルがどのように低減されるかを理解することは有用である。
【００４２】
行イメージ幅９２でディスプレスクリーン５８上の各ピクセルを横切って走査するにつれて、多重スペックルパターンが発生される。それは光波関数Ψ_{ｔｏｔａｌ}（ｘ，ｔ）が時間と共に変わるからである。即ち、
Ψ_{ｔｏｔａｌ}（ｘ，ｔ）＝Ψ_{ｓｃｒｅｅｎ}（ｘ）＋Ψ_ｂｅａｍ（ｘ−ｖｔ）
ここで、Ψ_{ｓｃｒｅｅｎ}＝静止ディスプレスクリーン光波関数
Ψ_ｂｅａｍ＝移動ビームを構成する可変光波
ｘ＝走査方向に沿ったディスプレスクリーン５８上の位置
ｖ＝行イメージ幅９２の走査速度
【００４３】
走査動作が速く、１ピクセルを横切るのに１０μｓ未満なので目で多重スペックルパターンの平均が取られる。
【００４４】
例示的な１例では、第１、第２、第３及び第４の分散した領域及び２段階波面輪郭によって、多重パターンがどんな風に形成されるかが図７Ａ及び７Ｂに図式的に示される。図７Ａから始まる、ディスプレスクリーン５８上の分散した領域、１５０、１５２、１５４及び１５６が初期時間ｔ_１において示され、２段階波面輪郭１５８で第１、第２及び第３分散領域１５０、１５２及び１５４が照明され、２段階波面輪郭１５８が観察者の目で見られる。
【００４５】
観察者の目で見られる光を記述する第１光波関数Ψ（ｔ_１）が下式で与えられる。
【００４６】
Ψ（ｔ_１）＝Ａ_１ｅ^ｉΦ’＋Ａ_２ｅ^ｉΦ’’＋Ａ_３ｅ^ｉΦ’’’
ここで、Ａ_１＝第１分散領域１５０から放散反射する光の第１振幅
Ａ_２＝第２分散領域１５２から放散反射する光の第２振幅
Ａ_３＝第３分散領域１５４から放散反射する光の第３振幅
Φ’＝第１分散領域１５０から放散反射する光の第１位相
Φ’’＝第２分散領域１５２から放散反射する光の第２位相
Φ’’’＝第３分散領域１５４から放散反射する光の第３位相
【００４７】
例示的例に関して、Φ’＝πラジアン及びΦ’’＝Φ’’’＝０と仮定すると、光波関数Ψ（ｔ_１）は下式で与えられる。
【００４８】
Ψ（ｔ_１）＝‐Ａ_１＋Ａ_２＋Ａ_３
これは彩度を導き、第１光波関数Ψ（ｔ_１）に対する第１彩度Ｉ（ｔ_１）は下式で与えられる。
【００４９】
Ｉ（ｔ_１）＝Ψ（ｔ_１）^２＝Ａ_１ ^２＋Ａ_２ ^２＋Ａ_３ ^２‐２Ａ_１Ａ_２‐２Ａ_１Ａ_３＋２Ａ_２Ａ_３
図７Ｂは、その後の時間ｔ_２におけるディスプレスクリーン５８上の２段階波面輪郭１５８を図式的に描写し、そこでは２段階波面輪郭１５８は第２、第３及び第４分散領域１５２、１５４及び１５６を照明する。
【００５０】
観察者の目で見られる光を記述する第２光は関数Ψ（ｔ_２）は下式で与えられる。
【００５１】
Ψ（ｔ_２）＝Ａ_２ｅ^ｉΦ’’＋Ａ_３ｅ^ｉΦ’’’＋Ａ_４ｅ^ｉΦ’’’’
ここで、Ａ_４＝第３分散領域１５６から放散反射する光の第３振幅
Φ’’’’＝第４分散領域１５６から放散反射する光の第４振幅
【００５２】
例示的例に関して、Φ’＝πラジアン及びΦ’’’＝Φ’’’’＝０と仮定すると、光波関数Ψ（ｔ_２）は下式で与えられる。
【００５３】
Ψ（ｔ_２）＝‐Ａ_２＋Ａ_３＋Ａ_４
これは第２光波関数Ψ（ｔ_２）に対する、下式で与えられる第２彩度Ｉ（ｔ_２）を導く。
【００５４】
Ｉ（ｔ_２）＝Ψ（ｔ_２）^２＝Ａ_２ ^２＋Ａ_３ ^２＋Ａ_４ ^２‐２Ａ_２Ａ_３‐２Ａ_２Ａ_４＋２Ａ_３Ａ_４
【００５５】
初期時間（ｔ_１）と、その後の時間（ｔ_２）との時間差は観察者の目に対する統合時間より遥かに小さいので、観察者の目は第１及び第２彩度Ｉ（ｔ_１）及びＩ（ｔ_２）の平均を取る。特に、第１及び第２彩度Ｉ（ｔ_１）及びＩ（ｔ_２）の比較は、第１彩度Ｉ（ｔ_１）の第１交差項（＋２Ａ_２Ａ_３）が第２彩度Ｉ（ｔ_２）の第２交差項（−２Ａ_２Ａ_３）によって相殺されることを示す。観察者の目で見られるスペックルを低減させるのは交差項のこの相殺である。
【００５６】
本発明の第１代替ディスプレ光学機器は、反射性光弁の線形配列を用いる。図４及び５を参照すると、そんなシステムはＧＬＶ５０を反射性光弁の線形配列で置き換えるのでシリーレン絞り８０を用いないであろう。第１の代替ディスプレ光学機器では、第１中継レンズ８２からレーザーイルミネーションを反射することによって特殊の反射性光弁が暗ピクセルを発生させる。第１代替ディスプレ光学機器では、レーザーイルミネーションを第１中継レンズ８２へ反射することによって特殊の反射性光弁が明ピクセルを発生させる。
【００５７】
本発明の第２代替ディスプレ光学機器は、透過性光弁の線形配列を用いる。図４及び５を参照すると、そんなシステムはＧＬＶ５０を透過性光弁の線形配列で置き換えるのでシリーレン絞り８０を用いないであろう。第２の代替ディスプレ光学機器では、第１中継レンズ８２へレーザーイルミネーションを伝導しないことによって特殊の透過性光弁が暗ピクセルを発生させる。第２代替ディスプレ光学機器では、レーザーイルミネーションを第１中継レンズ８２へ伝導することによって特殊の反射性光弁が明ピクセルを発生させる。
【００５８】
本発明の第３代替ディスプレ光学機器は、シリーレン光学機器を反射性シリーレン光学機器で置き換える。反射性シリーレン光学機器はオフナー（Ｏｆｆｎｅｒ）リレーを用いるのが望ましい。オフナーリレーは、凸面鏡及び凹面鏡を含む。凸面鏡は矩形スリットを含む。反射された光Ｒ及び、プラス１及びマイナス１回折オーダー、Ｄ_＋１及びＤ_‐１を含む、回折された光は凸面鏡から凹面鏡へ反射する。反射された光Ｒは矩形スリットを通過する。プラス１及びマイナス１回折オーダー、Ｄ_＋１及びＤ_‐１は凸面鏡から凹面鏡へ逆反射する。続いて、凹面鏡はプラス１及びマイナス１回折オーダー、Ｄ_＋１及びＤ_‐１を波面変調器５４へ反射する。
【００５９】
代わりの波面変調器が図８に例示される。代替波面変調器５４Ｂは、第１及び第２格子表面、１３６及び１３８、並びに同調（調整）表面１３９から成る。第２格子表面１３８は、ライン１４０を横切って反映される第１格子表面から成る。同調表面１３９は、ディスプレ光学機器４２（図４、５及び８）の初期整列（調整）のために用いられる平坦な表面から成る。ディスプレ光学機器４２の初期整列では、代替波面変調器５４Ｂの光学的厚さを説明するようにディスプレ光学機器４２を調整するために行イメージ９０が同調表面１３９に又はその近くに集中される。初期整列後、波面を横切って空間位相変量を発生させるために第１又は第２格子表面、１３６又は１３８が選択される。このように、第１又は第２格子表面、１３６又は１３８のよりよい像品質（図４、５及び８）を与えるどちらかを選択することによって後続の光学機器の光学的欠点が最小にされる。
【００６０】
好ましい格子輪郭を有する好ましい波面変調器５４Ａの性能を評価するために２つの試験が行われた。第１試験では、波面変調器は存在しなかった。同試験ではコントラストは４４％であることが分かった。第２試験では、好ましい波面変調器５４Ａが存在した。同試験では、コントラストは２０％であることが分かった。従って、２．２スペックル低減係数（Ｎ’）が好ましい波面変調器５４Ａによって発生された。
【００６１】
本発明のディスプレシステム４０に関して本発明は記載されているが、本発明はレーザーによって発生されるラインイルミネーションが放散表面を横切って走査される任意のレーザー照明されたシステムにおいてレーザースペックルを低減させるのに適している。
【００６２】
添付された請求の範囲によって限定される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく好ましい実施形態に各種の修正がなされ得ることは当業者にとって容易に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、先行技術のレーザースペックルを示す装置を例示する。
【図２】
図２は、先行技術の典型的なレーザースペックルパターンの写真である。
【図３】
図３は、本発明のディスプレ装置を図式的に例示する。
【図４】
図４は、本発明のディスプレ光学機器系の平面図を例示する。
【図５】
図５Ａ及び５Ｂは、光軸に沿って展開された本発明のディスプレ光学機器系の立面図を例示する。
【図６】
図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは本発明の望ましい波面変調器を例示する。
【図７】
図７Ａ及び７Ｂは、行イメージが本発明のディスプレスクリーンを横切って走査されるつれて進行する波面を例示する。
【図８】
図８は、本発明の代わりの波面変調器を例示する。

Claims (22)

1. ディスプレスクリーンに２次元像を表示する表示装置であって、
   ａ．電子手段で駆動されかつレーザーイルミネーションによって照明される、第１像平面に配置される光変調器であって、行イメージを形成する直線配列ピクセルを形成する光変調器と、
   ｂ．第２像平面に配置される波面変調器であって、該行イメージの幅を横切って位相を空間的に変化させ、それによって位相変調された波面が形成される波面変調器と、
   ｃ．該電子手段によって駆動される投影・走査光学系であって、該ディスプレスクリーンに２次元像が形成されかつさらに該位相変調された波面がレーザースペックルを低減させるように、該行イメージを該ディスプレスクリーン上に投影すると共に該ディスプレスクリーンを通して該行イメージを走査する投影・走査光学系から成る２次元像表示装置。
2. 該光変調器が回折光弁配列を含む、請求項１の装置。
3. 該回折光弁配列が格子光弁を含む、請求項２の装置。
4. 該第２像平面が該第１像平面と該投影・走査光学系との間に光学的に配置される、請求項３の装置。
5. 該光変調器が反射光弁配列を含む、請求項１の装置。
6. 該光変調器が透過光弁配列を含む、請求項１の装置。
7. 該波面変調器が回折素子を含む、請求項１の装置。
8. 該波面変調器が反射素子を含む、請求項１の装置。
9. 該波面変調器が回折格子を含む、請求項１の装置。
10. 該回折格子が２ピッチ回折格子を含む、請求項９の装置。
11. 該投影・走査光学系が投影レンズ及び走査鏡を含みかつさらに該回折格子が光学処理量を最適化させるように構成される、請求項９の装置。
12. ディスプレスクリーンに２次元像を表示する表示装置であって、
    ａ．電子手段で制御されてレーザー出力を与えるレーザー源と、
    ｂ．焦点ライン上のレーザー出力を円柱状に集中させる第１光学系であって、該焦点ラインが焦点幅を有しかつ第１像平面に配置される第１光学系と、
    ｃ．該電子手段によって変調される光弁配列であって、第１像平面に配置されかつ行イメージを形成するピクセルの直線配列を発生させるように構成される光弁配列と、
    ｄ．第２像平面において該焦点幅を有する該焦点ラインを円柱状に集中させる第２光学系と、
    ｅ．該第２像平面に配置される波面変調器であって、位相変調された波面が行イメージ幅を横切って形成されるように該焦点幅を横切る空間位相を変調する波面変調器と、
    ｆ．電子手段によって駆動される第３光学系であって、
    該ディスプレスクリーンに該２次元像が形成されかつさらに該位相変調された波面がレーザースペックルを低減させるように、該行イメージを該ディスプレスクリーン上に投影すると共に該ディスプレスクリーンを通して該行イメージを走査する２次元像表示装置。
13. 該光弁配列が回折光弁配列を含む、請求項１２の装置。
14. 該回折光弁配列が光弁から成りかつさらに該第３光学系が回折された光と反射された光との結合から回折された部分を分離する手段を含み、該回折された部分が該回折された光の一部分である、請求項１３の装置。
15. 該回折された部分がプラス１回折オーダー及びマイナス１回折オーダーから成る、請求項１４の装置。
16. 該回折された光が該行イメージを形成する、請求項１５の装置。
17. 該光弁配列が反射性光弁配列から成る、請求項１２の装置。
18. 該光弁配列が透過性光弁配列から成る、請求項１２の装置。
19. ディスプレスクリーンに２次元像を表示する表示装置であって、
    ａ．電子手段で制御されてレーザー出力を与えるレーザー源と、
    ｂ．焦点ライン上のレーザー出力を円柱状に集中させる第１光学系であって、該焦点ラインが焦点幅を有しかつ第１像平面に配置される第１光学系と、
    ｃ．焦点ラインによって照明されかつ該電子手段によって変調される第１像平面に配置される格子光弁であって、回折された光とピクセルの直線配列に配列された反射された光との結合を発生させ、ピクセルの該直線配列の回折された部分が行イメージを形成する格子光弁と、
    ｄ．該回折された光と該反射された光との結合から該回折された部分を分離する第２光学系であって、第２像平面に該行イメージを造る第２光学系と、
    ｅ．該第２像平面に配置されると共に行イメージ幅を横切って空間位相を変調し、それによって位相変調された行イメージが形成される波面変調器と、
    ｆ．該位相変調された行イメージを投影し、それによって投影された行イメージが形成される投影レンズと、
    ｇ．該電子手段によって駆動される走査鏡アッセンブリであって、該ディスプレスクリーンに２次元像が形成されかつさらに該位相変調された波面がレーザースペックルを低減させるように、該ディスプレスクリーンを通して該投影された行イメージを走査する走査鏡アッセンブリとから成る２次元像表示装置。
20. レーザー照明されたディスプレシステムのレーザースペックルを低減させる方法であって、
    ａ．ある幅を有するライン上のレーザー出力に焦点を合わせ、
    ｂ．ピクセルの直線配列を発生させるために該ラインに沿って該レーザー出力を変調し、ピクセルの該直線配列が行イメージ幅を有する行イメージを形成するようにさせ、
    ｃ．位相変調された波面が形成されるように該行イメージの幅を横切って空間位相をに変調し、
    ｄ．ディスプレスクリーン上に該行イメージを投影し、
    ｅ．該ディスプレスクリーンに２次元像が形成されかつさらに該位相変調された波面がレーザースペックルを低減させるように、該ディスプレスクリーンを通して該行イメージを走査することから成るレーザースペックル低減方法。
21. 放散面上のある領域を照明する装置であって、
    レーザーイルミネーションによって照明されかつ第１像平面に配置される波面変調器であって、該レーザーイルミネーションは該波面変調器においてラインイルミネーション幅を有するラインイルミネーションを形成し、該波面変調器は該ラインイルミネーション幅を横切って位相を空間的に変化させ、それによって位相変調された波面が形成される波面変調器と、
    電子手段によって駆動される投影・走査光学系であって、該ラインイルミネーションを該放散面上に投影し、該領域が照明されかつさらに該位相変調された波面がレーザースペックルを低減させるように該放散面を通して該ラインイルミネーションを走査する投影・走査光学系とから成る放散面領域照明装置。
22. レーザースペックルを低減させる方法であって、
    ａ．あるラインイルミネーション幅を有するラインイルミネーションにレーザー出力の焦点を合わせ、
    ｂ．位相変調された波面が発生されるように該ラインイルミネーション幅を横切って空間位相を変調し、
    ｃ．放散面上に該ラインイルミネーションを投影し、
    ｄ．ある領域が照明されかつさらに該位相変調された波面でレーザースペックルが低減されるように、該放散面を通して該ラインイルミネーションを走査することから成るレーザースペックル低減方法。

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