レーザ照明システム用のリターダー・ベース・スペックル除去デバイス
【課題】レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる方法および装置を提供する。
【解決手段】レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる方法および装置は、レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出された光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーションを与える光リターダーを含むスペックル除去デバイスを使用する。近半波光リターダーは、実質的に一定のリターダンスおよび空間的に変えられる遅軸を有する。空間的に変えられる遅軸は、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行う位相マスクを光ビームに課す。近半波光リターダーは、検出器の積分時間内で副解像度光位相変調を変えるように機械的または電気的に駆動される。
【解決手段】レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる方法および装置は、レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出された光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーションを与える光リターダーを含むスペックル除去デバイスを使用する。近半波光リターダーは、実質的に一定のリターダンスおよび空間的に変えられる遅軸を有する。空間的に変えられる遅軸は、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行う位相マスクを光ビームに課す。近半波光リターダーは、検出器の積分時間内で副解像度光位相変調を変えるように機械的または電気的に駆動される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にはスペックル低減に関し、特にレーザ照明システムにおけるスペックルを低減させるためのリターダー（ｒｅｔａｒｄｅｒ）をベースとする方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ照明システムは、高パワーの照明および飽和色を得るために投射型ディスプレイで一般に使用される。しかし、レーザが明るい画像を良好な色彩で実現する一方で、画像品質がスペックルのために劣化することがある。
【０００３】
スペックルは、コヒーレント光が粗い表面またはほこりをかぶった表面から反射されたとき、あるいは屈折率がランダムに変化する媒体中をコヒーレント光が伝搬するときに生じる。より詳細には、スペックルは、光の波長よりも遅延差が大きい多数のビームを含む反射光が検出器（例えば人間の眼、または二乗光検出器）において干渉するときに生じる。この干渉は、一般にスペックル・パターンと呼ばれる不均一でランダムな光強度の変動をもたらす。
【０００４】
投射型ディスプレイでは、スペックルは一般に、レーザ光の波長の４分の１よりも大きい表面粗度を通常有するディスプレイ・スクリーンで光が反射するときに生じる。結果として起こる反射レーザ光のランダムな空間干渉により、画像の品質を著しく劣化させるスペックル・パターンが生成される（例えば、画像の粒子が粗く見えるようになり、かつ／または鮮明度が低下する）。さらに、所与の方向における相対的な位相遅れの特性がそれぞれ異なることにより、スペックル・パターンは視点によって変化し得る。この結果、見ている画像が視点とともに変化し、光学システムは高忠実度の画像を確実に再現することができなくなる。
【０００５】
スペックルは通常、スペックル・コントラストによって定量化される。従来技術では、スペックルを低減させる、かつ／またはスペックル・コントラストを低減させる様々な技法が述べられている。例えば、１つの手法は、多数の波長によるスペックル・パターンが平均して平滑なプロファイルになるように、レーザの縦モードの数を増加させるものであった。別の手法は、空間的にインコヒーレント照明を実現するために、コヒーレント・レーザ・ダイオード（ＬＤ）のアレイをタイルのように並べるものであった。残念ながら、この手法は費用がかかり、また多くの小型プロジェクタでは、数十ルーメンの照度を出力するのに単一のＬＤチップに依拠しているので、必ずしも実際的ではない。さらに別の手法は、レーザ照明において偏光ダイバーシティを生成するものであった。例えば、１つのレーザ・ビームを２つの偏光に分割することができ、その第１の偏光は偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）を通ることができ、第２の偏光はレーザのコヒーレンス長よりも大きく遅延される（例えば、米国特許第３６３３９９９号および第４５１１２２０号を参照されたし）。一般に、この手法はかさばり、スペックル・コントラスト低減が限定的である。さらにこれは、レーザのコヒーレンス長が非常に長い場合には理想的ではない。
【０００６】
レーザ・ビームの空間的および時間的干渉性を低減させるためにＬＤ配列（空間的）を変更すること、またはレーザ・デバイス特性（偏光および縦モード）を操作することに加えて、別の手法は、強度の不均一性を低減させるための時間的平均化を可能にする（例えば人間の眼または光検出器によって）多くの変えられるボイリング・スペックル・パターンをつくり出すことであった。例えば、１つの手法はディスプレイ・スクリーンを振動させることである。残念ながら、大きな投射スクリーンでは、これはまったく実際的ではない。したがって、より一般的な手法は、拡散器（例えばＪ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ他、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ａ ｍｏｖｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ」、Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｒｈｏｄｅ Ｉｓｌａｎｄ、２０００年を参照されたし）、位相板（例えば米国特許第６３２３９８４号および第６７４７７８１号を参照されたし）、またはランダム回折光学素子（例えばＬ．Ｗａｎｇ他、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３７、１７７〜１７７５頁、１９９８年を参照されたし）などの外部光学素子を使用することであり、この素子を経時的に多数の位相遅れが生じるように振動または回転させる。別の手法では、干渉縞をずらすために超音波変調器が使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第３６３３９９９号
【特許文献２】米国特許第４５１１２２０号
【特許文献３】米国特許第６３２３９８４号
【特許文献４】米国特許第６７４７７８１号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ他、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ａ ｍｏｖｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ」、Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｒｈｏｄｅ Ｉｓｌａｎｄ、２０００年
【非特許文献２】Ｌ．Ｗａｎｇ他、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３７、１７７〜１７７５頁、１９９８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
時間的平均化を行うための多くの変えられるボイリング・スペックル・パターンをつくり出す、より一般に使用される方法では、スペクトル・コントラストの低減にかなり成功したが、これらは一般に、従来技術の拡散器／位相板に表面パターンが物理的にエッチング／エンボス加工されることによって制約されてきた。例えば、高くされたこれらの表面パターンがレーザ・ビームの品質を著しく劣化させることが認められた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は可動波長板要素を用いて多くの変えられるボイリング・スペックル・パターンをつくり出す方法に関する。一実施形態では、ボイリング・スペックル・パターンは、光学素子の屈折率不均一性、および／または投射スクリーン粗さにより生じる静止／可変スペックル・パターンとともに、画像面において経時的に検出器（例えば人間の眼、光検出器）に提示される。これらの相関関係のない、または部分的に相関関係のあるスペックル・パターンは、検出器積分期間にわたってインコヒーレントに合計される（例えば、時間的に平均される）。この時間的に平均されたスペックル・パターンでは、必要とされる画像強度からのどの観測ピクセルの偏差もスペックルがない状態で低減させることによって、スペックル・コントラストが低減する。
【００１１】
可動波長板要素は、近半波（ｎｅａｒ ｈａｌｆ−ｗａｖｅ）光リターダーの機械的擾乱および／または電子的スイッチングによって発生させる可変位相変調を行うことで、変えられたスペックル・パターンを生じさせる。より詳細には、空間的に変えられる遅軸を有する近半波光リターダーの機械的擾乱および／または電子的スイッチングで、レーザ・ビームのそれぞれ異なる領域に幾何位相シフトを生じさせる。
【００１２】
一実施形態によれば、可動波長板要素は、２段以上を含む波長板アセンブリである。第１段では、単層４分の１波長板（ＱＷＰ）または多層色消し（Ａ）ＱＷＰが、その光軸（また遅軸、ＳＡ）がレーザ源からの偏光された光出力に対して±π／４（４５°）方位角オフセットで配向されるように、向けられる。この結果、レーザからの直線偏光された光出力が、第１の直線偏光から第１の旋光性の円偏光に変換される。第２段では、近半波長板（ＨＷＰ）要素が、第１の円偏光（すなわち第１の旋光性を有する）を第２の円偏光（すなわち反対の第２の旋光性を有する）に変換する。近半波長板は、変えられる遅軸分布を有する（例えば遅軸方向が、所定またはランダムなパターンで光リターダーの面全体にわたって変わる）。任意選択の第３段では、第２のＱＷＰまたはＡＱＷＰが第２の円偏光を第２の直線偏光に変換する。第１段と第３段のＱＷＰのリターダー軸が平行に配向された場合には、第２の直線偏光は第１の直線偏光と平行になる。しかし、２つのＱＷＰ段が軸を交差して配向された場合には、第１と第２の直線偏光は直交する。第３段のＱＷＰが省略された場合には、円偏光が出力され、適切な光変調器（例えば複数のマイクロミラーを有する）に渡される。注目すべきことに、この偏光変換では、ポアンカレ球上に閉ループ軌跡を形成して、第２段の近ＨＷＰの光軸方向に応じた幾何位相シフトを生じさせる。近ＨＷＰは変えられる光軸分布を含むので、この波長板アセンブリは、空間的および／または時間的に変えられる位相マスクをコヒーレント・レーザ・ビームに課すスペックル除去デバイスとして機能し、それによって、必要とされる出力偏光状態で高い入力パワーをなお維持しながら、知覚されるスペックルを低減させる。
【００１３】
本発明の一態様によれば、光ビーム中にスペックル除去デバイスを挿入すること、ここで前記光ビームが、レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出された光を含み、前記スペックル除去デバイスが、前記コヒーレント・レーザから放出された前記光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーション（ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ）を与えるための光リターダーを含み、前記光リターダーが、実質的に一定のリターダンス（ｒｅｔａｒｄａｎｃｅ）、および空間的に変えられる遅軸を有し、前記空間的に変えられる遅軸が、前記光ビームに位相マスクを課すためのものであり、前記位相マスクが、検出器上の解像度スポットに対して副解像度（ｓｕｂ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）光位相変調を行うためのものであり、および、前記副解像度光位相変調が前記検出器の積分時間内で変えられるように、かつ検出された１つの解像度スポットと別のものとの間の強度不均一性が低減されるように前記光リターダーを駆動することを含む、レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる方法が提供される。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出される光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーションを与えるための光リターダーを含み、前記光リターダーが、実質的に一定のリターダンス、および空間的に変えられる遅軸を有し、前記空間的に変えられる遅軸が、光ビームに位相マスクを課すためのものであり、前記光ビームが、前記コヒーレント・レーザから放出される光を含み、前記位相マスクが、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行うためのものであるスペックル除去デバイスと、前記副解像度光位相変調が前記検出器の積分時間内で変えられるように、かつ検出された１つの解像度スポットと別のものとの間の強度不均一性が低減されるように前記光リターダーを駆動するアクチュエータとを備える、レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる装置が提供される。
【００１５】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】スペックル除去デバイスを組み込んだ、レーザをベースとする投射型ディスプレイの概略図である。
【図２】変えられる位相値を有するセル区画を示す、検出器の解像度スポット領域内のセルの概略図である。
【図３】ベースライン投射システムの概略図である。
【図４（ａ）】３段階の変調での物体強度マップの例を示す図である。
【図４（ｂ）】±πまでのランダムな位相変調によるスペックルが物体波面に加えられている検出強度画像の例を示す図である。
【図５】強度変化を平均するためのボイリング・スペックル・パターンの生成を示す概略図である。
【図６】３段のＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相変調を示す概略図である。
【図７】Ｑ／Ｈ／Ｑの波長板偏光変換によって得られたＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを示す図である。
【図８】Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑの３段偏光変換システムを使用した多数の幾何学的位相シフトを示す図である。
【図９】図９ＡはＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを誘導するための３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ偏光変換の概略的な配置を示す図である。図９ＢはＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを誘導するための３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ偏光変換の概略的な配置を示す図である。
【図１０（ａ）】４６０ｎｍ波長でのＱ／Ｈ（θ）／Ｑ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１０（ｂ）】５２０ｎｍ波長でのＱ／Ｈ（θ）／Ｑ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１０（ｃ）】６３５ｎｍ波長でのＱ／Ｈ（θ）／Ｑ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１１】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイスの多数のＸＹ位置から導出した計算された幾何学的な位相シフトを示すグラフである。
【図１２】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイスの多数のＸＹ位置における、入力直線偏光（Ｈ偏光）に沿った計算強度比を示すグラフである。
【図１３】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイスの多数のＸＹ位置における、計算された楕円偏光の長軸角度および楕円率角度を示すグラフである。
【図１４】垂直入射での二重層ＡＱＷＰ設計の計算された１回通過リターダンス特性を示すグラフである。
【図１５】垂直入射での二重層ＡＱＷＰ設計の計算された２回通過リターダンス特性を示すグラフである。
【図１６（ａ）】４６０ｎｍ波長でのＨ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１６（ｂ）】５２０ｎｍ波長でのＨ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１６（ｃ）】６３５ｎｍ波長でのＨ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１７】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、５段Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスの多数のＸＹ位置から導出した計算された幾何学的な位相シフトを示すグラフである。
【図１８】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、５段Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスの多数のＸＹ位置における、入力直線偏光（Ｈ偏光）に沿った計算強度比を示すグラフである。
【図１９】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、５段Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスの多数のＸＹ位置における、計算された楕円偏光の長軸角度および楕円率角度を示すグラフである。
【図２０（ａ）】電気的に切換え可能なＨＷＰおよび２つのＱＷＰを含む、本発明の一実施形態によるスペックル除去デバイスの概略図である。
【図２０（ｂ）】電気的に切換え可能なＨＷＰおよび２つのＱＷＰの遅軸方向を示す、図２０（ａ）に示したスペックル除去デバイスの拡大図である（図を分かりやすくするために基板は省略）。
【図２０（ｃ）】電気的に切換え可能なＨＷＰを含む、本発明の一実施形態によるスペックル除去デバイスの概略図である。
【図２０（ｄ）】電気的に切換え可能なＨＷＰの遅軸方向を示す、図２０（ｃ）に示したスペックル除去デバイスの拡大図である（図を分かりやすくするために基板は省略）。
【図２１（ａ）】空間的に変えられる固定遅軸および２つのＱＷＰを有する近ＨＷＰを含む、本発明の一実施形態によるスペックル除去デバイスの概略図である。
【図２１（ｂ）】２つのＱＷＰの遅軸方向を示す、図２１（ａ）に示されたスペックル除去デバイスの拡大図である。
【図２１（ｃ）】図２１（ａ）に示した近ＨＷＰが、検出器積分期間にわたって可変位相変調を生じさせるように回転する、本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図２１（ｄ）】図２１（ａ）に示した近ＨＷＰが、検出器積分期間にわたって可変位相変調を生じさせるように振動して１Ｄ（ａ）または２Ｄ（ｂ）の直線並進移動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）を実現する、本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図２２】近ＨＷＰがＬＣＰを含む場合に、第１、第２および第３段の波長板アセンブリの光学軸方向を示す概略図である。局所ＬＣＰ部位のランダムな配向を示す図である。
【図２３】ランダムに配向されたＬＣＰ半波長板の交差偏光子顕微鏡強度画像である。
【図２４】ｍ＝＋１とｍ＝＋１の渦が相互作用する場合のＬＣダイレクタ分布のモデルを示す図である。
【図２５】ｍ＝−１とｍ＝−１の渦が相互作用する場合のＬＣダイレクタ分布のモデルを示す図である。
【図２６】ｍ＝−１とｍ＝＋１の渦が相互作用する場合のＬＣダイレクタ分布のモデルを示す図である。
【図２７】タイプＢプロセスを用いて製造されたＬＣＰのＨＷＰの減偏光スペクトルを示すグラフである。
【図２８】図２８（ａ）は粗い静止スクリーン・スペックルおよび静止スペックル除去を示す検出画像である。図２８（ｂ）は粗い静止スクリーン・スペックルと、スペックル除去デバイスによって設けられた１０個のランダムな位相マスクから発生したスペックルとを示す検出画像である。図２８（ｃ）は粗い静止スクリーン・スペックルと、スペックル除去デバイスによって設けられた１００個のランダムな位相マスクから発生したスペックルとを示す検出画像である。図２８（ｄ）は粗い静止スクリーン・スペックルと、スペックル除去デバイスによって設けられた１６０個のランダムな位相マスクから発生したスペックルとを示す検出画像である。
【図２９】ボイリング・スペックル・パターン数の関数としてシミュレートしたスペックル・コントラストのグラフである。
【図３０】各副解像度スポットの区画とディスプレイ・パネル・ピクセル・サイズとの関係を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
添付の図面全体を通して、同様なものは同じ参照番号で識別されていることに留意されたい。
【００１８】
図１にレーザをベースとするプロジェクタ（ＰＪ）システムが示されている。このシステム１００では、光源１１０からの出力光は、ディスプレイ・パネル１５０上に、必要とされるアスペクト比で均一な照度の長方形を形成するために、光学素子１２０によって均質化され成形される。この実施形態では、光源１１０は、共パッケージされた１つの赤、緑および青（ＲＧＢ）レーザ・ダイオード（ＬＤ）モジュールを含む。別の実施形態では、光源は、個別に結合された３つのＲＧＢ ＬＤを含む。ビーム成形光学部品１２０は、一実施形態では高性能光パイプ、コリメーション・レンズ、またはフライ・アイ・レンズを含み、また一般に、ディスプレイ・パネル１５０で偏光変調を用いる場合（例えば液晶をベースとするディスプレイ）では、偏光変換光学部品および／または偏光回復光学部品も含む。他の実施形態（例えば、空間が制約されたナノ／ピコ・プロジェクタ）では、ビーム成形光学部品１２０は、照明アーム内で長方形を均質化し成形するために使用される回折性／屈折性のフラット光学部品の組合せを含む。この実施形態では、ディスプレイ・パネル１５０は、透過形ディスプレイ・パネル（例えばツイステッド・ネマチック（ＴＮ）ＬＣＤパネル）として図示されている。他の実施形態では、ディスプレイ・パネル１５０は反射形である（例えば、デジタル・マイクロ・ミラー（ＤＭＤ）または液晶オン・シリコン（ＬＣｏＳ）パネル）。反射形ディスプレイ・パネルを使用する実施形態では、偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）が通常、照明と投射光学縦列を分離するために設けられる。投射光学部品１６０は通常、変調光をディスプレイ・スクリーン１７０上に投射する投射レンズを含む。ディスプレイ・スクリーン１７０から反射された光は、検出器１８０で観測される。
【００１９】
上述したように、光源１１０の固有の干渉性、様々な光学構成要素１２０の屈折率不均一性、および／またはディスプレイ・スクリーン１７０の粗さは、光干渉を引き起こすランダムな位相変動を誘起し、これは、明暗の画像スポットとして観測者に明らかに見える。このスポット間の強度ゆらぎ（例えばスペックル・パターン）は、検出器１８０の解像度スポットのサイズと同じ固有の粒径を有する。スペックル・パターンにより、画像品質がほとんどの画像応用例で許容できないものになる。
【００２０】
したがって、スペックル除去デバイス１４０が、スペックル・ノイズを除去または低減するために光路に挿入される。この実施形態では、スペックル除去デバイス１４０は、スペックル除去デバイスの望ましくない散乱および／または減偏光により光学システムの変調伝達関数が低下しないように、ディスプレイ・システムの照明アーム内（例えば、光源１１０とディスプレイ・パネル１５０の間）に配置される。他の実施形態では、スペックル除去デバイス１４０は、ディスプレイ・システムの投射アーム内（例えば、ディスプレイ・パネル１５０と投射スクリーン１７０の間）に挿入される。
【００２１】
スペックル除去デバイス１４０は、人間の眼または電子検出器１８０の１つの検出期間にわたって、様々な光学構成要素の屈折率不均一性、および／またはディスプレイ・スクリーンの粗さにより生じる静止スペックル・パターンと平均される多数のスペックル・パターンを生成することによって、スペックル・ノイズを低減させる。スペックル除去デバイス１４０は、レーザ光源の干渉性は低減させないが、スペックル・パターンの知覚される影響を低減させ、かつ／またはスペックル・コントラストを低減させる。
【００２２】
スペックル・コントラストを低減させるために多数のスペックル・パターンを生成する方法は、テクスチャ表面を有した能動拡散器／可変位相板を使用する従来技術のスペックル除去デバイスのために検討されてきた。Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ、「Ｓｏｍｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｋｌｅｓ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍｅｒ．Ａ、６６、１１４５〜１１５０頁、１９７６年によれば、レーザ照明のスペックル・コントラスト比は、相関関係のないＮ個のスペックル・パターンを重畳することによって低減させることができる。スペックル・コントラスト比は、平均画像強度包絡線との比として、不均一な画像の二乗平均（ｒｍｓ）強度偏差と定義される。低減は、完全に相関関係のない組では√Ｎの因数になる。相関関係のないスペックル・パターンは、時間、空間、周波数（波長）および偏光から得ることができる。Ｎ組のスペックル・パターンが相関関係のないものではない場合には、低減係数は小さくなる。
【００２３】
Ｊ．Ｉ．Ｔｒｉｓｎａｄｉ、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ」、Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ＶＩＩＩ、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ４６５７、Ｍ Ｈ Ｗｕ編集（Ｓｏｃ．Ｐｈｏｔｏ−Ｏｐｔ．Ｉｎｓｔｒｕ．Ｅｎｇｒｓ．、Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ、ＷＡ、２００２年）、１３１〜１３７頁によれば、スペックル・コントラストを低減させる１つの手法は、強度検出器（すなわち人間の眼または電子光検出器）の解像度スポットに対応するセルを多数のセル区画の中につくり、時間的位相変化をそのセル区画に加えることである。検出器の解像度スポット内セルの概略図が図２に示されている。
【００２４】
米国特許第６７４７７８１号ではＴｒｉｓｎａｄｉが、最適なスペックル・コントラスト低減には検出器における光場のコヒーレント加算のクロス項が除去されることが必要であると教示している。例えば、能動拡散器／位相板が、２×２個の区画に分割されたセルを含む場合、最初の変化していない検出強度は次式で与えられる。
【００２５】
【数１】
ここでＡｉｊは、能動拡散器のあるセル内の個別セル区画の複素振幅透過または複素振幅反射である。能動拡散器の単一セルは、検出器解像度スポット・サイズに対応する。本明細書では、能動拡散器という用語は能動位相板と交換可能に使用される。能動拡散器は、その特性が検出器積分期間にわたって変化しなければならないという意味において能動的である。
【００２６】
クロス項（すなわち２つ以上のセル区画の複素振幅の積）は、２×２個のセルがアダマール２×２行列として配列され、検出器積分時間の４つの副期間（ｓｕｂ−ｉｎｔｅｒｖａｌ）を通して変換される場合に除去されることが示された。次に、所望の照度結果が次式で与えられる。
【００２７】
【数２】
したがって、任意の粗い表面、または任意の屈折率変調光学構成要素に到達する検出可能な強度は、単に個々のセル区画強度のインコヒーレントな合計になる。スペックルをもたらすコヒーレント干渉は発生しない。
【００２８】
上述の手法では、実質的に等しい伝達のアダマール行列と、副解像度スポット・レベルで０とπの位相変化とが用いられる。アダマール行列の次元が大きいほどスペックル・コントラスト低減の利得が高くなる。しかし、０とπの位相マスクを得るにはエッチングされた表面レリーフ構造に依拠しなければならないことで、セル区画の実現可能なサイズが制限される。加えて、解像度スポットのセグメントに対応する各位相区画の等しいサンプリング間隔を厳密に実行することは、小さな横方向並進移動要件により困難である。例えば、マイクロディスプレイ・パネルが約１０μｍのピクセル・ピッチを有する場合、１つの２×２区画は、各２．５×２．５μｍの位相区画がマイクロディスプレイ・ピクセルのセグメント内へ検出器積分期間の１／４で正確に並進移動することを必要とする。
【００２９】
本発明の一実施形態によれば、スペックル除去デバイス１４０はリターダーをベースとする。リターダー・ベース・スペックル除去デバイス１４０は、時間領域および／または空間領域にわたって光場の振幅を一定に保ちながら、個々のセル区画（またはより一般的には、照明断面の各ＸＹ部位）で光位相シフトの量を変化させることによって検出器内のクロス項の寄与を低減させる。
【００３０】
一般に、リターダー・ベース・スペックル除去デバイス１４０は、空間的に変えられる遅軸を有する光リターダーを使用して、可変量の光位相シフトを生成する。一実施形態では、空間的に変えられる遅軸を有する光リターダーは、各セル区画（またはより一般的には、照明断面の各ＸＹ部位）を通して伝達される波面を変えるように検出器積分時間にわたって動かされ（例えば振動または回転させる）、この結果、位相変調が検出器に副解像度スポットにおいて与えられるようになる。別の実施形態では、空間的に変えられる遅軸を有する光リターダーは、位相変調を行うように電子的に駆動される。これらの実施形態では、リターダー・ベース・スペックル除去デバイス１４０は、１つまたは複数の光リターダー（すなわち、空間的に変えられる遅軸方向を有する光リターダーを含む）によって行われる偏光変換を介して光位相シフトを行う。
【００３１】
有利なことに、テクスチャ表面ではなく光リターダーによって光位相シフトが行われるので、レーザ・ビームの特性が維持される。さらに、光リターダーの空間的に変えられる軸方向が連続的に変えられる実施形態では、増加した数の位相マスクを検出器に与えることができ、それによって、疑似ランダム位相符号化が可能になる。この場合、スペックル除去デバイス１４０は、テクスチャ表面を有する従来技術の拡散器／位相板で経験された解像度スポット制限に対する位相区画配向により制約されない。
【００３２】
ベースライン・プロジェクタ・システム１０５を示す図３参照して、リターダー・ベース・スペックル除去デバイスの機能を説明する。このベースライン・システムでは、ビーム成形光学部品が理想レンズ１２１として図示されているが、ディスプレイ・パネル１５０は、追加のピクセルごとの光変調が２Ｄ検出画像を複雑にするので、省略されている。
【００３３】
レーザ光源１１０は、様々な角度の一連の光線を放出し、そのそれぞれがコヒーレントである（すなわち同相で同じ光周波数を有する）。レンズ１２１は、レーザ源１１０からフラット位相面１４５までで単一点光源を平行にする。より詳細には、レンズ１２１は、その位置の後のある所定距離を取ったところに焦点位置を合わせて、フラット位相面１４５に平行ビーム・ウェストをつくり出す。このフラット位相面全体にわたってすべての波面が互いに同相で到達する。スクリーン１７０上に投射されるのがこのフラット位相面からの照明であり、照明がスクリーン上でスクリーンの粗い表面によって変調される。したがって、観測者１８０には、それぞれ異なる光路長を取ってどれか所与の検出器ピクセル（ここで、検出器ピクセルは、眼の解像度スポットと交換可能に用いられている）に到達する多数の光線の干渉により、不均一な強度分布（例えばスペックル・パターン）が見える。
【００３４】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、画像に対するスペックルの影響を示す。図４（ａ）は、３ゾーン（例えば０．１、０．５および１の単位）強度マップとして表された物体を示す。図４（ｂ）は同じ物体の、シミュレートしたスペックル・パターンで劣化した画像を示す。シミュレーションで画像システムは、５１２×５１２の計算格子にわたって発生させた±πまでの正規分布ランダム位相分布を含むようにモデル化された。このモデルは、ランダム位相分布を生成する表面を通した伝達を想定している。この表面は、プロジェクタ・システム内のスペックルのすべての発生源を表すが、このスペックルの大部分は、ディスプレイ・スクリーンの表面粗さから発生する。物体波面およびスペックル発生源による波面は、複素振幅空間で増幅され前方に伝搬される。この伝搬された視野は次に、円形の開口によって増大されて、画像システムの射出瞳のところに視野がつくり出される。その画像平面分布は、射出瞳分布とのフーリエ変換対であり、数値的に計算される。検出器面に、多数の光路の建設的干渉および相殺的干渉による不均一画像が得られる。この計算で、５０％を超えるスペックル比が得られたことに留意されたい。平均画像輝度よりも、検出器ピクセルの一部は非常に明るいが他の検出器ピクセルは非常に暗い。
【００３５】
リターダー・ベース・スペックル除去デバイス１４０は、スペックル除去デバイスに対する一連の空間的および／または時間的変更によって、一連のスペックル・パターンを発生する。他の光学部品（すなわちスペックル除去デバイス以外）により生じたスペックル・パターンとは相関関係がないこれらのスペックル・パターンは、知覚されるスペックル量を低減させるために、１つの積分期間内に、他の光学部品によって発生したスペックル・パターンとともに検出器１８０まで伝達される。スペックル除去デバイス１４０によって発生させる一連のスペックル・パターンは、検出器１８０の積分期間にわたって一連の位相変調を行うモデルを用いてシミュレートすることができる。ディスプレイ・スクリーン１７０で、スペックル除去デバイス１４０の位相変調は、元のスペックルの位相マップによって増大される。次に、結果として生じた波面が検出器面まで伝搬される。こうすると、眼（または検出器）がその積分期間にわたって融合する一連のボイリング・スペックル・パターンがつくり出される。このシミュレーションでは、１：１の画像拡大倍率が想定されている。さらに、スペックル除去デバイスおよび投射スクリーンによる位相マスクは、生じる波面が２つの構成位相マップの合計になる位相変調を有するように、本質的に無損失（すなわち、１単位の複素振幅視野を与える純粋な位相変調）であると想定されている。
【００３６】
過度に単純化した解析では、所与の解像度スポット内の瞬時検出強度は、検出器上に落ちるすべての複素振幅光線のコヒーレント合計になる。このコヒーレント合計は、各検出器ピクセルで瞬時画像強度を生じさせる。検出器積分期間にわたって、知覚される画像強度は、これらすべての画像のインコヒーレント平均になる。Δｔ期間にわたる平均強度は次式となる。
【００３７】
【数３】
式（４）は（ｉ、ｊ）光流の瞬時複素振幅であり、定数Ｂが振幅、φｉｊが瞬時位相項であり、位相項は一般に（ｘ、ｙ）に依存し、かつ／または経時的に変化させることができ、Δｔが検出器積分時間である。人間の眼では、積分時間は約２０ｍｓ（すなわち毎秒５０フレーム）である。
【００３８】
本質的に、検出器１８０には一連の強度画像が与えられる。この画像は、スペックル除去デバイス１４０によって設けられた位相マスクの複素振幅増倍、および投射スクリーン光路長変調から発生する。検出器積分時間内の各構成画像はスペックル・パターンである。これらは、図５に示されたように、観測者によって積分される。とりわけ、スペックル除去デバイスによって発生したスペックルが無相関画像に対応する場合には、不均一強度画像（例えばスペックル）は最も低減されたように見える。システム・スペックルの発生源（例えばディスプレイ・スクリーンから発生する）が静止しているので、スペックル除去デバイスがスペックル画像を検出器積分時間にわたって変化させることが好ましい。
【００３９】
本発明の一実施形態によれば、スペックル除去デバイス１４０は、光路幾何学変調を用い、一連の位相変調を生じさせて一連の無相関スペックル・パターンを発生させる。一般に、位相シフトは、光路長変調または光路幾何学変調を用いて生成することができる。前者はよく知られている技法であり、通常は光路長を変化させるために屈折率または物理的厚さを変えることを含む。後者は一般的ではない。これは、光路長は同一にして、しかし経路の形状は変えることに依拠する。幾何位相とは、量子状態がパラメタ空間または状態空間において閉鎖ループ断熱過程にかけられた場合に得られる位相シフトに与えられた総称である。光学では、この現象は少なくとも２つの重要な事例、すなわちらせん経路に沿った円偏光光子搬送のスピン方向変更位相シフトと、閉ループに沿った偏光変換のＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相とに該当する。前者は１単位スピンのスピノルを用いるのに対して、後者は、１／２のスピン単位を有するポアンカレ球（ＰＳ）上に偏光変換を写像する。この結果、スピン方向変更では、囲まれた立体角の大きさに対応する幾何位相シフトを誘導し、閉ループ偏光変換では、囲まれた立体角の大きさの幾何位相シフトの半分だけを生じる。
【００４０】
例えば、少なくとも２つの線形リターダー素子によって最後の偏光が再び水平になるように変換される直線水平偏光を考える（例えば、π／３および２π／３に配向された中間の直線偏光状態を含むシステム）。ＰＳ球上の３つの点に関して、球の表面に沿って最短経路をたどって点を結ぶことによって測地三辺形を形成することができる。その場合、この測地ループに対する立体角は２π（球の立体角４πの半分）になる。これを受けて、幾何位相シフトはπ（Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相の場合の立体角の半分）になる。直線水平偏光を有する参照光を、やはり水平に偏光されているが偏光変換によってπの位相シフトを得た別のビームと干渉させた場合、この２つのビームは相殺的な干渉を生じる。
【００４１】
ここで採用する位相規約では、光場Ｅに対する時間的外乱は正の符号を有し、空間的外乱は負の符号を有する。
【００４２】
【数４】
【００４３】
上式は、等方性のみのフィルム上に光が直角で入射するという想定を含む。オフノーマルで複屈折の層をマトリクス法で処理することができる。位相規約を定義することを目的として、２つの直交する直線視野成分が次式で与えられる。
【００４４】
【数５】
ここで振幅と位相差の比はそれぞれ次式となる。
【００４５】
【数６】
これらの角度の範囲は次式となる。
【００４６】
【数７】
【００４７】
（β、α）の組合せにより、一般的な楕円偏光面波を記述することができる。陰な時間的および空間的位相依存性を除くことによって、偏光ベクトルをより簡潔な形で書くことができる。
【００４８】
【数８】
【００４９】
偏光楕円の主軸の方向角度γ、およびその楕円率角度χもまた、次式のジョーンズ・ベクトル（β、α）角度量から容易に得られる。
【００５０】
【数９】
【００５１】
式（１１）から明らかなように、楕円率角度の符号は、単にｓｉｎ（α）の符号によって決定される（例えば、常にｓｉｎ（２β）≧０）。ｓｉｎ（α）＞０（すなわち０＜α＜π）では楕円率は正になり、楕円は自然用語体系による左旋性を有する。ｓｉｎ（α）＜０では楕円率は負になり、楕円は右旋性を有する。ｓｉｎ（α）＝０（すなわちα＝±π）では楕円率はゼロであり、光は直線に偏光される。
【００５２】
上式で、（ωｔ−ｋｚ）は動的位相と呼ばれる。一連の複屈折構成要素を含むシステムを光線が横切るようにした場合、幾何位相は、偏光を変化させずに相対的な位相に影響を及ぼす。つまり、それがｘ成分およびｙ成分の電界ベクトルに対して同じ位相シフトを与える。したがって、下記の式（９）で出力電界が完全に記述される。
【００５３】
【数１０】
ここでΦは幾何位相シフトである。閉ループ経路になる個別偏光感応素子（例えば偏光子およびリターダー）を使用する一連の偏光変換では、幾何位相は一般にＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトと呼ばれる。この位相シフトは囲まれた立体角Φ＝−Ψ／２の２分の１に等しい。１単位半径の球では、その立体角は曲面の面積に等しくΨ＝Ωになることに注意されたい。ここでΨは立体角、Ωは表面積である。
【００５４】
レーザをベースとする照明システムでは、ＬＤの出力は直線偏光される。この直線偏光は、光学システムのＸＹ幾何学的配置に対して、必要に応じ任意に配向することができる。したがって、位相差は０またはπになる。したがって、入力直線偏光は次式で示される。
【００５５】
【数１１】
【００５６】
ここでＡｘおよびＡｙは実数である。直線偏光が閉ループまわりで変換された後、出力光場は追加の幾何位相Φを得る。
【００５７】
【数１２】
【００５８】
Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍの解析から続いて、閉ループ偏光変換が、出力偏光を変えずに幾何位相を生じる。Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを発生させるために、少なくとも２つのリターダー構成要素が必要である。さらに、直線リターダー構成要素または円リターダー構成要素だけが使用される（すなわち楕円リターダーではない）場合には、偏光変換を行うのに少なくとも３つの構成要素が必要になる。直線リターダー縦続接続では、各リターダー素子がその部分厚さに対して一律の軸方向を有する。２つの連続する構成要素からの直線リターダー軸（速軸または遅軸）は、互いに平行に配向されるべきではない。
【００５９】
図６は、Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを誘起するために使用された位相変調器デバイスを示す。位相変調器デバイス２００は、第１の波長板アセンブリ（ＷＰ１）を使用してレーザ・ダイオードからの第１の直線偏光出力を第１の円偏光に変換し、第２の波長板アセンブリ（ＷＰ２）を使用して第１の円偏光を直交する第２の円偏光に変換し、第３の波長板（ＷＰ３）アセンブリを使用して第２の円偏光を第２の直線偏光に変換する。この３段波長板構成は、可変位相シフトを発生させるために提案された。
【００６０】
本発明の一実施形態によれば、スペックル除去デバイス１４０は、図６に示された位相変調器デバイスと類似の波長板アセンブリを使用する。特に、一実施形態では、スペックル除去デバイス１４０は、第１の直線偏光軸に対して±π／４に配向された有効光軸を有する第１の単層ＱＷＰまたは多層ＡＱＷＰと、ＨＷＰ上でそのＸＹ位置の関数として変えられ、かつ／または照明断面の所与のＸＹ部位で１つの検出器積分期間にわたって変えられる光軸分布を有するＨＷＰと、第２の直線偏光軸に対して±π／４に配向された有効光軸を有する第２の単層ＱＷＰまたは多層ＡＱＷＰとを含む。第１と第２のＱＷＰアセンブリがそれらの光軸を平行にして配向される場合には、第１と第２の直線偏光もまた平行になることに留意されたい。反対に、光軸が垂直に配向される場合には、第１と第２の直線偏光は直交する。どちらの場合でも、第２のＱＷＰアセンブリは、その光軸が所望の第２の直線偏光出力に対して±π／４に配向される。第２の直線偏光出力は、水平、垂直、またはその間の他の任意の直線状態とすることができる。第２の直線偏光は、第１の直線偏光と関係なく独立して得ることができる。しかし、前述のように、第１と第２の直線偏光状態が平行でなければ、開ループ偏光変換が得られる。実際の位相シフトは、幾何位相シフトと動的位相シフトの両方から影響を受ける。可変幾何位相シフトを含む上述の３段偏光変換波長板アセンブリは、Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ（すなわちＱＷＰ／ＨＷＰ／ＱＷＰ）デバイスと呼ばれ、ここでθは、基準角度に対する中間段波長板アセンブリの方位角である。
【００６１】
このＱ／Ｈ（θ）／Ｑ変換の一例が図７のＰＳで示されている。図６も参照すると、点Ａが、π／４にＳＡを有するＱＷＰによって点Ｂ（「．」のプロット）でＲＨＣに写像されている。θ−π／４にＳＡ方向を有するＨＷＰが点Ｂを点Ｃ（「ｏ」のプロット）に写像して、２θ方向で赤道を横断する。最後に、π／４にＳＡを有する別のＱＷＰを使用して点Ｃが点Ａに再び写像される（「ｘ」のプロット）。囲まれたＰＳ球の切出し部は、角度広がりが２θラジアンである。したがって、囲まれた立体角は４θになる（すなわち２θ／２π×４π）。幾何位相は、Φ＝−２θとして与えられる半分に等しい。ＨＷＰのＳＡは、±π／２の範囲内で一義的にしか定義されない。したがって、最大の幾何位相シフトは±πになり、全体で２πの範囲を与える。
【００６２】
幾何位相シフトは限界がないと述べた。これは、偏光変換によってＰＳ上の閉ループから引き出せる位相シフトの量に制限がないことを意味する。これは、可変ＳＡ方向を有する高次のＨＷＰがＱ／Ｈ（θ）／Ｑのようにして利用された場合に、全体の位相変調が２πよりも大きくなることを意味する。しかし、重要なのはＨＷＰ光軸変化に対する位相依存性である。
【００６３】
上述のように、ＨＷＰの遅軸（ＳＡ）は、照明断面のそれぞれ異なるＸＹ部位にわたって、および／またはそれぞれ異なる時間間隔にわたって変えられる。この結果、図８に示すように、一連の測地閉ループがＰＳ上に、位相変調のそれぞれ異なる量に対応して生成される。開始点は直線水平偏光であり、ＰＳ上で赤道に位置する。２つの中間点が両極に位置し、ＨＷＰのＳＡに応じて、ＨＷＰ偏光変換の軌跡が極から極までＰＳの表面に沿って縦線の１つをたどる。ＨＷＰがとる各経路（「ｏ」、「ｘ」および「＋」のプロットで示す）は閉ループを囲う。その結果は、各往復偏光変換による囲まれた領域になる。３段光リターダーによるすべての変換は測地経路をたどる。幾何位相シフトは再び、囲まれた各立体角の２分の１で与えられる。
【００６４】
第１と第２の直線偏光が平行であることを必要とする場合には、２つのＱＷＰの光学軸もまた平行になる。この場合、入力直線偏光をまずＲＨＣまたはＬＣＨのどちらかに変換する選択肢があり、それぞれでＱＷＰ軸をπ／４オフセット（符号は異なる）で配向する必要がある。ＱＷＰ配向の２つの事例が図９（ａ）および図９（ｂ）に示されている。
【００６５】
以下の計算では、青（Ｂ）、緑（Ｇ）および赤（Ｒ）のレーザのピーク放出の中心に対応するＢ、ＧおよびＲの波長の組を用いた。例えば、ＧａＮ材料系を利用すると、そのＢおよびＧの中心波長はそれぞれ、約４６０ｎｍおよび約５２０ｎｍになる。ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ材料系を利用する従来のＲレーザ・ダイオードは、６３５ｎｍの中心波長を有すると想定する。さらに、単層ＱＷＰの固有材料分散は、Δｎ（Ｂ）／Δｎ（Ｇ）が約１．０５７、Δｎ（Ｒ）／Δｎ（Ｇ）が約０．９３７の複屈折比を有すると想定する。これらの複屈折比は、ＬＣをベースとする波長板を使用して容易に得られる。波長差の影響を含むことで、Ｇ波長でπ／２のリターデーションを有するＱＷＰが、ＢおよびＲの波長でそれぞれ約１．１９５×および約０．８１９×のリターデーションを生じる。Ｂ、ＧおよびＲ波長でのリターデーション値のこれらの入力を用い、ＨＷＰを−１１５°（θ＝−７０°）に固定し、ＱＷＰがπ／４に配向された遅軸を有するＱ／Ｈ（θ）／Ｑ波長板のシステムによるストークス・ベクトル展開が、Ｂ、ＧおよびＲの波長それぞれについて図１０（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示されている。
【００６６】
図１０（ｂ）に示されたＰＳ図から、２つのＱＷＰがＧ設計波長で必要に応じて、直線偏光を円偏光に変換し、逆も同様であることが明らかである。ＨＷＰは、やはり設計波長でπのリターダンスを与えられて、１つの円偏光を直交する円偏光に変換する。したがって、Ｇ波長での閉ループ測地経路ＡＢＣＡの幾何位相シフトは、−２θすなわち１４０°で与えられる。
【００６７】
対照的に、図１０（ａ）に示されたＢ波長の偏光軌跡はＰＳ上の南極位置を行き過ぎるのに対して、Ｒ波長の偏光軌跡（例えば図１０（ｃ））は南極位置に到達していない。Ｂ波長で、ＱＷＰに必要なπ／２、およびＨＷＰに必要なπよりも大きいリターダンスの結果として、第３の波長板変換を通って伝達された光の偏光は、点Ａでループを閉じるのではなく、点Ｄで終わることになる。幾何位相シフトの理論から、位相因子はなお、意図された点Ａに至る仮想測地経路でループを閉じることによって抽出することができる。偏光は保存されないので、動的位相ならびに幾何位相の両方が青色波出力の瞬時位相に寄与する。しかし、偏光をベースとするディスプレイでは、高い偏光純度を得るために照明が浄化されなければならないしたがって、偏光子が通常、その伝達軸を元のレーザ出力偏光（例えは図６の水平偏光）と平行にして挿入される。点Ｄで楕円偏光状態であると、水平偏光成分だけを取り込むことによって損失が生じる。次に点Ｄが、短縮した長さの電界ベクトルを有する点Ｅに変換される。水平偏光子は理想的なものであり、直交する直線偏光（例えば垂直偏光）を完全に阻止すると想定する。この偏光子はまた、共通伝達損失または相対的な位相差を生じさせない（すなわち複屈折ではない）とも想定する。同様の取扱いを６３５ｎｍ波長の偏光出力にも適用する。
【００６８】
各計算波長での幾何位相依存性を抽出するために、下記の計算を実施する。まず、所与の波長およびＨＷＰ角度θでのジョーンズ・ベクトルが次式を用いて計算される。
【００６９】
【数１３】
【００７０】
入力偏光は直線水平と想定する。ＱＷＰとＨＷＰおよびГＱとГＨの各リターダンスは、必要とされる波長および遅軸方向で値が求められる。一般に、電界ベクトルＶのＸとＹの両成分は、次式で与えられるいくつかの位相因子を得る。
【００７１】
【数１４】
【００７２】
理想的な偏光子の想定で、ドット積がジョーンズ・ベクトル出力から取り込まれ、次式が得られる。
【００７３】
【数１５】
【００７４】
したがって、ＰＳ上の任意の偏光変換軌跡からの幾何位相シフトは、ＰＳ上の囲まれた表面積の値を求める必要なしにジョーンズ計算法で得ることができる。ここで結果として得られた電気ベクトルは、１ではなくＡｘの長さを有する。
【００７５】
ＨＷＰが固定の空間的に変えられる遅軸を有する実施形態では、幾何位相シフトは、継続的に変えられる複数の方向について計算される。ＨＷＰを回転運動で特定の垂直軸まわりに回転させる場合にすべての可能なＨＷＰ遅軸方向を取り込むと、幾何位相シフト、したがってまた各局所ＸＹ部位でのレーザ・ビームの位相変調は、出力ジョーンズ・ベクトルの位相因子を抽出することによって計算される。これらの位相依存性の計算結果は図１１に示されている。Ｇチャネル幾何位相は、計算波長においてＱＷＰもＨＷＰも理想的にπ／２およびπのリターダンスであるので、正確に−２θになる。Ｂ波長およびＲ波長もまた、位相変調対ＨＷＰ遅軸でほぼ直線である。Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイスでの幾何位相シフト効果による位相変調は、動作波長とほぼ無関係であるが、認識偏光子を介して伝達されるパワーの計算で、Ｂ波長およびＲ波長でのパワー損失が明らかになる。水平直線偏光状態で残っている光の計算強度は、図１２に示されている。計算でＨＷＰのＳＡは±πにわたって変えられる。グラフに示されたように、パワーは、ＨＷＰのＳＡ方向の最初の±２０°では１に近い。偏光子を適用する前に偏光が必ず直線水平に戻されるので、Ｇチャネル・パワーは維持される。極限のθ＝π／２の方向で、Ｂチャネルは最大３３％、Ｒチャネルは最大２９％のパワー損失をまねき得る。
【００７６】
ＨＷＰが電子的に駆動される（すなわち遅軸が切換え可能である）実施形態では、ＳＡ変化は一般に±π／４までに制限され、３チャネルすべてが約９０％のパワー効率を保持すると予想される（Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイス内のＡＲ損失、吸収などは無視）。理想偏光子の前の楕円偏光出力の主軸をより詳細に見ると、出力偏光が長軸で入力偏光からわずかだけオフセットしているのが明らかになる。計算されたγ角度は、±π／２の間のθの範囲全体で±２６°以内にある。したがって、出力偏光が入力偏光と直交し、その結果分析器によって阻止されるおそれはない。しかし、楕円角度は、極限のＨＷＰのＳＡの方向で±３５°に近づく。これらの結果は図１３に示されている。
【００７７】
ＱＷＰ設計のスペクトル帯域幅を増大させる１つの方法は、２つ以上の複屈折層を使用することである。例えば、一実施形態では、２層色消しＡＱＷＰ設計が、入力光側から順に、所与の軸に配向された第１のＨＷＰ層と、第２の角度に配向された第２のＱＷＰ層とを含む。結果として得られる波長板は、２つのリターダーの異種縦続接続になる。円リターダンスならびに直線リターダンスは、直線偏光を円偏光に変換し、逆も同様に変換するように必要な波長帯域にわたって最適化することができる。結果として得られる直線リターダー遅軸は、構成要素ＨＷＰおよびＱＷＰの各遅軸をほぼ二等分する。偏光変換では、構成要素ＨＷＰおよびＱＷＰの遅軸は、約±π／４から対称的にオフセットされる。例えば、一実施形態では、ＡＱＷＰがＨＷＰとＱＷＰからλ＝５１０ｎｍで形成されるが、それらの光軸は５８°の方位角でオフセットされて縦続されている。１回通過について計算された直線リターデーションの大きさ（ａ）、直線リターデーションの方向（ｂ）、および円リターデーション（ｃ）が図１４に示されている。５１０ｎｍの設計波長において、直線リターダンスは約１０７°であり、遅軸は約１６°である。円リターダンスは、設計波長において約９７°である。これらのリターダンス特性は、直線偏光（すなわち水平偏光または垂直偏光）を円偏光出力に変換する広帯域ＡＱＷＰを得るために組み合わされる。異種リターダーの２回通過について計算された直線リターデーションの大きさ（ａ）、直線リターデーションの方向（ｂ）、および円リターデーション（ｃ）が図１５に示されている。これらの結果から、２回通過での正味リターダンスは約１８０°であり、遅軸は約−４５°であることが明らかである。円リターダンスはほぼゼロである。この組合せで、水平偏光の光を垂直偏光に変換し、逆も同様である。示された実効遅軸は、Ｘ軸が反転された反射ＲＨ−ＸＹＺ座標と関係づけられる。したがって、１回通過ＡＱＷＰはまた、可視帯域全体にわたって直線偏光を円偏光に効率的に変換しなければならない。
【００７８】
本発明の一実施形態によれば、スペックル除去デバイス１４０は、図６に示された位相変調器デバイスと類似の波長板アセンブリを使用し、ＷＰ１およびＷＰ３がＡＱＷＰであり、ＷＰ２がＨＷＰであり、このＨＷＰは、ＨＷＰ全体にわたってそのＸＹ位置の関数として変えられ、かつ／または照明断面の所与のＸＹ部位で１つの検出器積分期間にわたって変えられる光軸分布を有する。２層ＡＱＷＰの上述の設計に続いて、結果として得られる３段可変幾何位相変調デバイスがＨ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈとして構成され、ここでＨおよびＱは、必要とされるＢ、ＧおよびＲのレーザ波長で色消し直線−円偏光変換を行う設計波長において、一律の軸のＨＷＰおよびＱＷＰである。Ｈ遅軸およびＱ遅軸は固定されている。空間的に変えられる遅軸Ｈ（θ）を有するＨＷＰは、Ｇレーザ波長で、またはその近くで真のπリターダンスに合わせることができる。ストークス・ベクトル変換をＰＳ球に適用し、可変軸ＨＷＰのＳＡを７０°に定め（すなわち−π／４からθ＝−７０°のオフセット）、Ｑ波長板およびＨ波長板の遅軸がπ／４軸から対称に±２９°だけオフセットされるように構成すると、偏光変換は、Ｂ、ＧおよびＲの波長でそれぞれ図１６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）で示される。まずＧチャネル変換を参照すると、第１の固定Ｈ波長板は、点Ａの水平直線偏光入力を赤道近くの点Ｂに写像し（「．」のプロット）、第１のＱ波長板は、点Ｂを南極近くの点Ｃに写像し（「ｏ」のプロット）、Ｘ軸に対して−１１５°のＳＡ配向での可変Ｈ（θ）は、南極近くの点Ｃ（ほぼＲＨＣ）を北極近くの点Ｄ（ほぼＬＨＣ）に写像し（「ｘ」のプロット）、第２のＱ波長板は、点Ｄを赤道近くの点Ｅに写像し（「＋」のプロット）、最後に、第２のＨ波長板は、点Ｅをほぼ最初の入力直線偏光である点Ｆに写像する（「□」のプロット）。したがって、５つのリターダー層を備える３段デバイスは、ＡＢＣＤＥＦの偏光軌跡を形成する。点Ｆは、理想的には入力直線水平偏光と同じになる。
【００７９】
偏光画像変調を利用するディスプレイ・システムでは、偏光子は、入力ビームと平行に偏光された光の成分を取り込む。したがって、点Ｆは、点Ａと同じ偏光を有する点Ｇに変換されるが、短縮された長さの電界ベクトルを有する。３段デバイスに続く理想偏光子を想定することによって、閉ループ偏光変換が達成される。ここで、必要とされる各波長で、変えられる各ＨＷＰ軸の幾何位相シフトを抽出するために、囲まれた表面積を計算することは簡単ではない。図１６（ａ）および（ｃ）で分かるように、ＢチャネルおよびＲチャネルの入力偏光は、大きな楕円率と、理想的な直線水平偏光出力に対する主軸角度の大きな配向ずれとを伴う出力に変換される。
【００８０】
再び、ＨＷＰを回転運動で特定の軸まわりに回転させる場合にすべての可能なＨ（θ）遅軸の方向を取り込むと、幾何位相シフト、したがってまた照明断面の各局所ＸＹ部位でのレーザ・ビームの位相変調は、出力ジョーンズ・ベクトルの位相因子を抽出することによって計算される。ＲＧＢ各チャネルの位相依存性の計算結果は図１７に示されている。
【００８１】
ＷＰ３の１つの構成では、構成要素固定配向ＱＷＰおよびＨＷＰの方位オフセットは、ＷＰ１内の対応するＱＷＰ層およびＨＷＰ層の負符号の角度オフセットにしてある。両方の波長板アセンブリが、ＨおよびＶの偏光方向の同じ名目二等分線軸からオフセットされている。この場合、誘起された幾何位相は、ＡＱＷＰの２つのスタックの一定位相シフトが相殺されている。総位相シフトは０で、θ＝０である。０から±π／２まで変化するＨ（θ）軸では、総幾何位相シフトは再び±πである。
【００８２】
ＷＰ１と同じ符号のＨＷＰ角度オフセットおよびＱＷＰ角度オフセットをＷＰ３が有する代替ＡＱＷＰ構成では、全体の一定幾何位相シフトが、５つのリターダー層を有する３段デバイスに対して得られる（結果は図示せず）。ＨＷＰ軸θ＝０°では、Ｇチャネルに対し誘起した幾何位相は約−１１８度である。−π／４軸から±π／２のＨ（θ）軸変化を上回って、可変幾何位相は６２°から−２９８°に及ぶ。可変位相シフトは正確に−２θであり、最大位相変調は、±π／２のθの範囲の最大値で±πになる。θ＝０°での付加的な位相シフトは、幾何位相シフトの限界のない性質と、３段Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスにおける追加波長板の使用とに起因すると考えられる。代替構成でのＢ波長およびＲ波長もまた、位相変調対ＨＷＰ遅軸がほぼ線形である。それらのθ＝０での位相オフセットは、波長板の分散効果によりＧチャネル位相オフセットからずれている。このことは再び、Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスにおける幾何位相シフト効果による位相変調が、動作波長とほぼ無関係であることを示す。
【００８３】
Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスを通過した後に水平直線偏光状態で残っている光の計算強度が図１８に示されている。認識偏光子を介して伝達されたパワーは、Ｂ波長およびＲ波長での強度損失が非常に少ないことが明らかである。ＨＷＰのＳＡは、計算では±πにわたって変えられている。グラフに示されたように、Ｇチャネルでは、水平偏光された光で少なくとも９９％の強度を保持するのに対して、ＢおよびＲチャネルでは、水平偏光された光の入力強度の８８％から９４％が得られる。５つのリターダー層を有する３段デバイスは、大きなθ回転におけるパワーを改善する。５つのリターダー層を有する３段デバイスの設計では、理想偏光子の前の楕円偏光出力の主軸角度および楕円角度は、直線水平入力偏光の特性に近づけられる。計算されたγ角度は、±π／２の間のθの範囲全体、および３つすべてのチャネルで±２０°以内である。楕円角度は、ＳＡのすべての方向で±２０°未満である。これらの計算結果は図１９に示されている。
【００８４】
図２０（ａ）および図２０（ｂ）を参照すると、本発明の一実施形態によるスペックル除去デバイス３００が示されている。この実施形態では、スペックル除去デバイス３００は、能動ＬＣリターダーでできた近ＨＷＰ ３１０を含む。ＬＣリターダー３１０は、２つの平行板３１４と３１６の間に挟まれた、平面配列ネマチックＬＣなどの面内スイッチング（ＩＰＳ）材３１２を含む。デバイスの入力側で、第１のＱＷ層（または多層ＡＱＷＰ）３２４が第１の平行板３１４に、その有効光軸３２５を入力レーザ光の直線偏光軸に対してπ／４に配向して結合される。デバイスの出力側で、第２のＱＷ層（または多層ＡＱＷＰ）３２６が第２の平行板３１６に、その有効光軸３２７が入力レーザ光の直線偏光軸に対してやはりπ／４に配向されるように結合される。一実施形態では、外側ＱＷＰリターダー層３２４、３２６は、堆積技術を使用してＬＣセル基板３１４、３１６上にコーティングされる。別の実施形態では、外側ＱＷＰリターダー層３２４、３２６は、有機箔材料の積層によって設けられる。近半波リターダー３１０は、空間的および時間的に変えられる光軸を有するように可動である（例えば、光軸または遅軸は、リターダーおよび／または照明断面の全体にわたってＸＹ位置の関数として変化する）。より詳細には、近半波リターダー３１０は、可変遅軸を与えるのに独立して制御される複数のセル区画すなわちピクセルを含む。複数のＬＣピクセルは、検出器および／または画像形成デバイス（図示せず）の解像度に関して、副解像度スポット区画を設けるためにパターン化されている。
【００８５】
アクチュエータ３２０が、ランダムなまたは既定のパターンで各ＬＣピクセルの遅軸を１つの検出器積分期間にわたって能動的に変えるために（例えば、光リターダーの平面内で遅軸の方向を切り換えるために）設けられる。一実施形態では、アクチュエータ３２０は、基板３１４およびカバー・ガラス３１６の上に配置された複数のＩＴＯ電極に電圧を印加することによって、個々のＬＣピクセルを電子的に制御する。より詳細には、アクチュエータ３２０は、ＬＣピクセルを画定するピクセル化透明電極構造を含む。例えば、一実施形態では、ＬＣはフリンジ・フィールド・スイッチングによって切り換えられる。別の実施形態では、ＬＣは強誘電性ＬＣ（ＦＬＣ）である。これらの実施形態で、能動ＨＷＰの遅軸は−π／４と＋π／４の間、または＋π／４と３π／４の間で継続的に切り換えられる。π／２の範囲は、市販の面内スイッチングＬＣ材料の現在の限界により引き合いに出している。例えば、ＣＨＩＳＳＯ ２００４などのＦＬＣは、ＬＣデバイスの面内でπ／２だけ回転させることができる。横方向電極によって切り換えられるネマチックＩＰＳのＬＣは、同様にπ／２の回転角度に制限される。
【００８６】
動作の際には、レーザ入力ビーム（例えば水平偏光）は、それが円偏光になる（例えば第１の旋光性を有する）第１のＱＷ層３２４を通過し、旋光性が反対の方向に変化する（例えば第２の旋光性を有する）ＨＷＰ ３１０を通過し、ビームが再び直線偏光（例えば、ＱＷＰ遅軸が平行であるので水平偏光）になる第２のＱＷ層３２６を通過する。ＨＷＰ ３１０の各ピクセルは、すべての駆動状態で（例えば、それが−π／４に切り換えられるか＋π／４に切り換えられるかにかかわらず）、閉ループ偏光変換を行うことに留意されたい。前述のように、この閉ループ偏光変換は、相関関係のないスペックル・パターンを発生させる位相変調を生じさせるのに使用される幾何位相シフトをもたらす。π／２に制限された切換え範囲で、電気的に切換え可能なＨＷＰ、および共動する２つのＱＷＰによって得られる最大幾何位相変調度は、π（２θ＝２×π／２が最大、すなわちπ）になる。
【００８７】
図２０（ｃ）および図２０（ｄ）を参照すると、本発明の別の実施形態によるスペックル除去デバイス３００ａが示されている。この実施形態では、スペックル除去デバイス３００ａは、能動ＬＣリターダーでできた近ＨＷＰ ３１０ａを含む。この能動ＬＣリターダーは、２つの平行板３１４ａと３１６ａの間に挟まれた、平面配列ネマチックＬＣなどの面内スイッチング（ＩＰＳ）材３１２ａを含む。近半波リターダー３１０ａは、ＸＹ位置の関数として変化する可変光軸分布を有するように可動である。より詳細には、近半波リターダー３１０ａは、複数のセル区画すなわちピクセルを含み、その遅軸は独立して制御可能である。複数のＬＣピクセルは、検出器および／または画像形成デバイス（図示せず）の解像度に関して、副解像度スポット区画を設けるためにパターン化されている。
【００８８】
アクチュエータ３２０ａが、ランダムなまたは既定のパターンで各ＬＣピクセルの遅軸を１つの検出器積分期間にわたって能動的に変えるために（例えば、光リターダーの平面内で遅軸の方向を切り換えるために）設けられる。一実施形態では、アクチュエータ３２０ａは、基板３１４ａおよびカバー・ガラス３１６ａの上に配置された複数のＩＴＯ電極に電圧を印加することによって、個々のＬＣピクセルを電子的に制御する。より詳細には、アクチュエータ３２０ａは、ＬＣピクセルを画定するピクセル化透明電極構造を含む。例えば、一実施形態では、ＬＣはフリンジ・フィールド・スイッチングによって切り換えられる。別の実施形態では、ＬＣは強誘電性ＬＣ（ＦＬＣ）である。一般に、遅軸は（例えば、直線偏光された入力光を基準として）０とπの間、または０と−πの間で切り換えられる。
【００８９】
動作の際には、レーザ入力ビーム（例えば水平偏光）がＨＷＰ ３１０ａを通過する。ＬＣピクセルがその遅軸を水平入力と平行にするように駆動される場合には、ピクセルを通過する光は１８０°回転する（例えば水平偏光）。ＬＣピクセルがその遅軸を水平入力と垂直にするように駆動される場合には、ピクセルを通過する光は０°回転する（例えば水平偏光）。言い換えると、２値スイッチングＬＣ軸が、同じ直線偏光出力を維持しながら０またはπの位相変調を行う。
【００９０】
有利なことに、図２０（ａ）および図２０（ｃ）に関して説明した実施形態では、可変ＨＷＰの機械的摂動を必要とせず、それによって、スペックル・コントラストを低減させるための低騒音で小型の（例えば、組込み式携帯デバイスの形でレーザをベースとするプロジェクタに非常に有用である）ソリューションが得られる。
【００９１】
さらに有利なことに、上述のＬＣリターダー３１０、３１０ａは面内スイッチング材を利用する。したがって、ＬＣデバイスは、傾斜角をデバイス面から０°またはその近くに固定したままにしながら光軸の方位角を変調する。これは、方位角を固定したままにしながらＬＣの傾斜角を変調することで動作する、ＬＣリターダー材を使用した位相変調だけの変調器とは異なる。上述の幾何位相シフトを行うことに加えて、面内スイッチングＬＣデバイスはまた、より高速のスイッチング時間も実現する。
【００９２】
図２１（ａ）および図２１（ｂ）を参照すると、本発明の別の実施形態によるスペックル除去デバイス４００が示されている。この実施形態では、スペックル除去デバイス４００は、機械的に摂動される近半波リターダー４１０を含む。より詳細には、スペックル除去デバイス４００は、近半波リターダー４１０の入力側に配置され、入力レーザ光の直線偏光軸に対して有効光軸４２５がπ／４に配向された第１のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）４２４と、近半波リターダー４１０の出力側に配置され、入力レーザ光の直線偏光軸に対して有効光軸４２７がやはりπ／４に配向された第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）４２６とを含む。この実施形態では、近半波リターダー４１０は半波長板であり、あるいは実質的に半波の奇整数倍のリターデーション（例えば１ＨＷ、３ＨＷ、５ＨＷなど）を対象の波長で与える多次半波長板である。近半波リターダー４１０は、空間的に変えられる遅軸を有し、これは一実施形態では、半波長板の面と平行な複数の遅軸方向を含む。より詳細には、近半波リターダーは、ＸＹ位置の関数として変化する遅軸分布を有する（例えば、遅軸方向は、既定またはランダムなパターンで光リターダーの面全体にわたって変化する）。一般に遅軸変化量は、スペックル除去面の対応する解像度スポットよりもずっと小さい近半波リターダーの副区画（ｓｕｂ−ｓｅｃｔｉｏｎ）が局所的に一律のリターダー軸を示すように（例えば微視的レベルで）設計される。
【００９３】
アクチュエータ４２０は、ＱＷＰ ４２４、４２６を固定したままにしながら近半波長板４１０を機械的に摂動させる。一実施形態では、アクチュエータは、近半波長板を回転軸まわりに回転させるモータを含む。例えば、図２１（ｃ）に示された実施形態では、近ＨＷＰ ４１０はビーム軸からオフセットされて取り付けられる。別の実施形態では、アクチュエータは、直線並進移動を実現するための圧電アクチュエータを含む（すなわち近半波長板を振動させる）。例えば、図２１（ｄ）を参照すると、アクチュエータ４１０は１次元（１Ｄ）または２次元（２Ｄ）の並進移動を実現することができる。有利なことに、１Ｄまたは２Ｄの直線並進移動するアクチュエータを含むスペックル除去デバイスは、回転変換を行うアクチュエータを含むスペックル除去デバイスほど大きな近ＨＷＰを必要としない。例えば、１Ｄまたは２Ｄの直線並進移動するアクチュエータを含むスペックル除去デバイスは、照明される領域よりもわずかに大きいだけの（例えば、従来の光パイプが使用される場合では約７×４．４ｍｍである）近ＨＷＰを必要とするのに対し、回転変換を行うアクチュエータを使用するものでは２倍を超えるほどにも長くなる。
【００９４】
動作の際には、レーザ入力ビーム（例えば水平偏光）は、それが円偏光になる（例えば第１の旋光性を有する）第１のＱＷＰ ４２４を通過し、次に、近ＨＷＰ ４１０および第２のＱＷＰ ３２６を通過する。π／４または−π／４に近い局所的な遅軸方向を有する近ＨＷＰ ４１０上の領域を光が通過する場合には（例えば図２１（ｂ）に示されたように）、円偏光されている光は旋光性を変え、πの位相シフトを有する直線偏光された光として第２のＱＷＰから送出される（すなわち閉ループ偏光変換）。π／４または−π／４ではない局所的な遅軸方向を有する近ＨＷＰ ４１０上の領域を光が通過する場合には、位相シフトはπ未満になる。言い換えると、位相シフトは局所的な遅軸方向によって決まる。複数の局所的な遅軸方向により（例えば、リターダーの表面と平行になっている）、静止したスペックル・パターンを生成する位相マスクが得られる。
【００９５】
アクチュエータ４２０は、レーザ・ビームの断面の副区画（すなわちスペックル除去面の解像度スポットよりも小さい）が所与の時間期間にわって様々な遅軸方向をサンプリングするように近ＨＷＰ ４１０を動かす。言い換えると、近ＨＷＰ ４１０を動かす（例えば回転／振動させる）ことで、各副・ピクセル解像度スポットでの干渉状態が経時的に変化するように照明断面の各ＸＹ部位での位相シフトを経時的に変化させる。したがって、スペックル・パターンが経時的に、解像度スポットの上で変化する。この結果、１つの検出器積分期間内で検出されるスペックル・コントラストが低減されることになる。
【００９６】
一実施形態では、近半波長板４１０は、図２２（ａ）に概略的に示されたようなランダムな向きの遅軸分布を有する液晶ポリマー（ＬＣＰ）を含む。また同じ図に示された（ａ）および（ｃ）は、第１段および第３段の波長板光軸の一律の向きを表す図である。一般に、分布パターンは、レーザ照明システム内で入射光ビーム断面の各副区画（例えばＸＹ部位）が、局所的に一律のリターダー軸（微視的レベルで）および実質的に均質なｚ軸をサンプリングするように設計される。
【００９７】
図２２（ｂ）は、光ビームの一部によってサンプリングされた局所的に一律のリターダー軸を示す。より詳細には、図２２（ｂ）は、ディスプレイ・システムの解像度スポット・サイズよりも小さい局所的なＬＣＰ部位のＬＣダイレクタ図である。所与のＸＹ位置で、局所的に配向されたＬＣ分子は、所与のデバイスのＸＹ座標系に対してθ（ｘ、ｙ）に向けられる。複数の近接局所ＬＣＰ部位がディスプレイ・システムの解像度スポット・サイズを形成するので、近ＨＷＰ ４１０は、可変量の幾何位相シフトを照明中に生じさせる。
【００９８】
一実施形態では、近半波長板４１０は、下記のような光硬化ＬＣＰ材料を用いて製造されるＬＣＰを含む。ネマチック型ＬＣＰ前駆物質（例えばＲＯＦ−５１５１、Ｒｏｌｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｂａｓｅｌ、スイス）が透過性または反射性の基板（例えばガラス、ポリマー、単結晶など）の上にコーティングされる。任意選択で基板は、ＬＣＰ前駆物質コーティングの接着性および／または濡れを促進するために、まず下塗り層でコーティングされる。任意選択の下塗り層が線状重合可能ポリマー（ＬＰＰ）材料である場合には、この層は配向層として使用されない。言い換えると、ラビング配向処理工程または光配向処理工程は使用されない。あるいは、配向層を使用するランダム配向または疑似ランダム配向が使用される。ＬＣＰ前駆物質膜を基板上にコーティングすると、ＬＣＰ材料はネマチック相の液晶になる。巨視的レベルでは全体として選択される方向（すなわちダイレクタ方向）はないが、微視的レベルではＬＣＰ前駆物質膜は遅軸方向を示し、この方向は、配向層が使用されない場合にはランダムに、あるいは配向層が使用される場合には配向層のランダム配向または疑似ランダム配向に追従して、継続的に変化する。配向の空間的変化によりこのような小さな空間の範囲にわたって生じる多数の特異点（渦）を除いて、すべての空間位置に有限の配向がある。
【００９９】
ＬＣＰ前駆物質膜が液体状態にある間、特に配向層が設けられていない場合には、顕微鏡スケールで空間的に変えられる遅軸方向は絶えず経時的に変化する。膜を固体状態にするためにＬＣＰは、通常では紫外線硬化処理によって架橋される。こうすると、上述の微視的に継続して変わる配向および渦が恒久不変になる。
【０１００】
ＬＣＰ膜内の配向変化のスケール（平均の空間の変化速度、または単位面積当たりの渦密度）を制御するために、２つの手法が使用されてきた。
【０１０１】
（タイプＡ）低い渦密度をつくり出すために、ＬＣＰ前駆物質膜は比較的高い溶媒含有率を有するように作製され、そのネマチック−等方相転移に近いがそれよりも低い温度でアニールされる。これらの条件により、より広い同様な配向の領域が生じること、および一部の渦が互いに遭遇したときに合体することが可能になる。所望のアニーリング時間の後に、膜は急速に架橋され、または急速に冷却されてから架橋されて構造が固定する。次に任意選択で、硬化膜は、残留溶剤を除去するためにポスト・ベークされる。
【０１０２】
（タイプＢ）高い渦密度を生成するために、ＬＣＰ前駆物質膜は比較的低い溶剤含有率を有するように作製され、次に、それが等方性になるそのネマチック−等方相転移より高い温度まで引き上げられる。次いで、膜は急速に周囲温度まで冷却される。それが等方−ネマチック相転移温度を経由して冷えるので、高い空間変化速度を有する配向が微視的レベルで急激に生じ、高密度の渦がある。この構造を恒久不変にするために、直ちに架橋処理が施される。次に、硬化膜は任意選択で、残留溶剤を除去するためにポスト・ベークされる。
【０１０３】
ランダムに配向され高い渦密度を有するＬＣＰの近半波長板（すなわち無配向ＬＣＰ）の画像が図２３に示されている。画像は交差偏光顕微鏡の強度画像であり、レチクル・スケールが１単位＝２５ミクロンである。暗い粒子が、偏光子または交差軸分析器と平行に配向されたＬＣＰダイレクタに該当する。暗い粒子の間の連続する陰影は連続的なＬＣＰダイレクタ変化を表す。無配向ＨＷＰの空間的に変えられる遅軸が、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行うことが明らかである（例えば、ディスプレイ・デバイスが約１０ミクロンのピクセル幅を有する場合）。より詳細には、副解像度光位相変調は、検出器において副解像度強度変化（例えば、静止スペックル・パターン）を与える。
【０１０４】
膜内で観察される渦は、ｍ＝＋１およびｍ＝−１のタイプの渦であると記述できるが、一般には歪んでいる。渦のｍ＝＋／−１の性質は、各渦から出ている向かい合う２つの暗い干渉縞、および向かい合う２つの明るい干渉縞があるので明らかである。ｍ＝＋１とｍ＝−１の渦の分布は一般に同じで、よく分散している。高次の渦は観察されなかったが、考えられるところでは存在する可能性がある。試料を交差偏光子の間で回転したときに干渉縞がどちらの方向に回転するかを観察することによって、ｍ＝＋１とｍ＝−１を区別することができる。干渉縞の回転が、ｍ＝＋１では試料の回転の反対方向になり、ｍ＝−１では試料の回転と同じ方向になる。
【０１０５】
２つの渦が相互作用する場合のＬＣＰダイレクタの配向分布を示すために、いくつかの簡単な数学モデルを用いた。図２４、２５および２６に計算結果が示されており、図はそれぞれ、近接する２つのｍ＝＋１の渦、近接する２つのｍ＝−１の渦、および近接するｍ＝−１とｍ＝＋１の渦のまわりで、ＬＣＰダイレクタ配向がどのようにふるまうかを大まかに示す。
【０１０６】
有利なことに、上述の無配向ＬＣＰ製造技術では、空間的に変えられる遅軸を有するＨＷＰを実現し、遅軸変化は離散的ではなく連続的である。したがって、このＬＣＰのＨＷＰは、透明なピクセル化電極構造を有する電子的にアドレス指定されるＬＣ、および／またはテクスチャ表面を有する従来技術の拡散器と関連した個別ステップによって制限されない。さらに、ＬＣＰのＨＷＰの連続的に変えられる遅軸がランダムに、または疑似ランダムに分布するので（例えばＬＣＰは、硬化される前にランダムに配向された配向層、または無配向の配向層の上にコーティングされる）、その製造では特定の標的に一致させる必要がなく、この結果、ＬＣＰの近ＨＷＰは、従来技術の拡散器よりも製造するのが簡単になる。さらに、ＬＣＰのＨＷＰは、テクスチャ表面を有する従来技術の拡散器よりも損失が少ない。
【０１０７】
さらに有利なことに、無配向ＬＣＰ製造技術は、近ＨＷＰのＸＹ面にある局所的な遅軸が、システムの１つの解像度スポット・サイズの等価物よりもずっと小さなスケールで（すなわちＨＷＰが挿入されたところの近くで）変化することを可能にする。例えば、近半波長板がマイクロディスプレイ・パネルに接近して配置されている場合、１つの解像度スポット・サイズは、ほぼ１つのＬＣピクセル・サイズに相当する。ＳＶＧＡおよび１０８０ｐのマイクロディスプレイ・パネルは、１０ミクロン未満のピクセル・ピッチを有することがある。図２３の１単位のレチクル・サイズの間に、−π／２からπ／２の相対的ダイレクタ配向の完全な発達が複数起こることに留意されたい。レチクル・サイズは、典型的なマイクロディスプレイ・パネルでは約２〜３個のピクセルの幅に相当する。これは、任意選択の直線−円偏光変換器と組み合わせて可変的に配向されるＨＷＰによってかけられる位相可変変調が、このピクセル幅の非常に小さな部分で行われることを意味する。ＬＣＰのＨＷＰによって実現される空間的に可変の位相マスクが、マイクロディスプレイ・ピクセルよりもずっと小さい粒子サイズを有するので、スペックル低減の改善が期待される。
【０１０８】
さらに有利なことに、ＬＣＰのＨＷＰは入力直線偏光レーザ光を攪乱しないことが分かった。後者に関しては、高渦ＬＣＰのＨＷＰのいくつかの例で特徴がミュラー行列旋光計を用いて調べられた。これらの実験では、約２ｍｍ幅の光ビームが垂直入射で試料に入射された。試料の完全なミュラー行列データが波長スペクトル全体にわたって収集された。
【０１０９】
図２７を参照すると、波長の関数として減偏光率のグラフが示されている。減偏光率（Ｄｅｐ．Ｉｎｄｅｘ）は次式で定義される。
【０１１０】
【数１６】
ここでＭは試料のミュラー行列であり、ｍｉｊはＭの（ｉ行、ｊ列）にある行列要素であり、ｉもｊも０から３までの範囲にある。ここでの定義では、０の単位のＤｅｐ（Ｍ）は非減偏光ミュラー行列に等しく、１の単位は理想偏光子に等しい。
【０１１１】
図２７の他のグラフは、所与の入力偏光についての減偏光度（ＤＯｄＰ）の計算結果を示す。減偏光度は、所与のストークス・ベクトルＳの偏光度の補数として定義される。
【０１１２】
【数１７】
いくつかの周知の偏光での減偏光度を計算するために、測定された試料のミュラー行列に入力ストークス・ベクトルを乗算する。グラフ中の表示の「Ｈ」、「Ｖ」、「Ｐ」、「Ｍ」、「Ｌ」および「Ｒ」はそれぞれ、直線水平入力偏光、直線垂直入力偏光、直線π／４入力偏光、直線−π／４入力偏光、左旋円入力偏光、および右旋円入力偏光に対応する。この行列演算は、収集された資料データに次式を用いて適用される。
【０１１３】
【数１８】
【０１１４】
図２７に示された結果では、すべての偏光状態が入力ビーム中に存在するとすれば、減偏光率はほぼ減偏光度の平均になっている。空間的に変えられる遅軸を有して製造されたＨＷＰが、設計波長での円偏光入力の両方の旋光性でほとんどまたはまったく減偏光を示さないことに注意されたい。この円偏光入力条件は、前段のＱＷＰ偏光変換によりスペックル除去デバイスにおいて満たされる。したがって、ＬＣＰのＨＷＰは、１つの光線入力の閉ループ偏光変換に際して入力直線偏光を維持するだけでなく、直径が数ミリメートルの領域を照明する光線束によって入力偏光を攪乱することもないことが示された。
【０１１５】
空間的に変化するＨＷＰ光軸配向によってつくり出される一連の位相マスクが、知覚されるスペックル・ノイズを低減させるのに効果的であることを実証するために、一連の数値モデル化が実施された。スペックル除去デバイスおよび粗いスクリーンを含む基礎のシステムでは、スペックル除去デバイスによる照明変調がさらに、粗いスクリーン上で光路変調によって変調される。ディスプレイ・パネルをさらに含む全投射型システムでは、スペックル除去デバイスの位相マスクを載せる物体波面がさらに、ディスプレイ・パネル・ピクセルにおいて振幅、位相、偏光、またはこれらの組合せの変調を受ける。次に、この波面は、粗いスクリーンの位相パターンで変調される。正味変調パターンは検出器に投射される。マイクロディスプレイは、コヒーレント照明レーザ波長のいくつかの倍数のランダムな光路長変調の発生源になるとは考えられず、したがって、スペックルを発生させるとは考えられない。マイクロディスプレイは通常、ピクセル化構造により格子パターンを含み、この格子パターンは、コヒーレント・レーザ光源を利用するプロジェクタ・システムにおいて回折効果を引き起こす。この効果はここではモデル化されていない。
【０１１６】
前述のスペックル画像化モデルは、５１２×５１２の格子点からなる追加ランダム位相マスクを含むように変更された。このモデル化は、静的ではあるがランダムな位相マスクが、粗い投射スクリーンによって検出器積分期間にわたってもたらされると想定する。各計算期間において、別の位相マスクが生成されて、スペックル除去デバイスの機能を表す。これらの２つのマスクは互いに乗算されて、検出器のところで有効複素振幅光場が得られる。位相マスクは、複素振幅変調に変換され、３ゾーン・パネル変調と乗算される。積分期間にわたる検出画像は、スペックル除去デバイスにより積分期間にわたる１６０組までのＸＹランダム位相変調について図２８（ａ）から図２８（ｄ）に示されている。図２８（ａ）を参照すると、静止位相マスクは、スクリーンによる静止スペックル・パターンとのその相互作用の後では、どのようにしても知覚されるスペックルを低減させる助けにならないことが明らかである。図２８（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を参照すると、位相マスクの数がそれぞれ１０から１００、１６０へと増加されるにつれて、スペックル粒子が小さくなり、また平均検出強度からの偏差が縮小されることが明らかである。
【０１１７】
±πまでのランダム位相マスクを用いると（均一な分布、またはπの１σを有する正規（ガウス）分布を使用して）、結果として得られる各瞬間画像で約５０％のスペックル・コントラスト比を生じる。多数のインコヒーレント画像を合計することによって、スペックル比は低下し始める。生成されるスペックル画像数へのスペックル・コントラスト比の依存性が図２９に示されている。最初の１０枚の画像では、統合される各追加画像ごとのスペックル・コントラストの低下が急峻である。５０枚の画像の後に統合される追加の画像では、スペックル・コントラストは横ばいになり始める。この比を＜１０％および＜８％に保つという典型的な要件では、１００枚から１６０枚の完全に相関がないスペックル・パターンが必要であることをこのモデルは示唆することに留意されたい。位相変調が部分的にだけ相関がない場合には、試料の知覚されるスペックル比では位相マスクの数が増加する。
【０１１８】
上記の実施形態のそれぞれで、空間的に変えられる遅軸を有する近半波長リターダー（例えば３１０、３１０ａ、４１０）は、空間的に変えられる遅軸がそこを通過する光に位相マスクを課すように製造される。この位相マスクは、光ビームをインコヒーレント・スペックル・パターンに対応する空間干渉パターンでコード化するために使用されるが、通常は、検出器（例えば二乗検波器または人間の眼）の解像度スポットのサイズよりもずっと小さく、かつ／またはディスプレイ・パネル内のピクセルのサイズよりもずっと小さい位相セル・サイズ（すなわち、一定の位相または局所的に一律のリターダー軸を伴う別個の領域のサイズ）を有する。一般に、空間的に変えられる遅軸を有するＨＷＰリターダーが電子的にアドレス指定可能である場合には、位相マスクはピクセル化されるのに対して、空間的に変えられる遅軸を有するＨＷＰリターダーがＬＣＰをベースとする場合には、位相マスク内の位相セルはランダムに分散され、かつ／または不規則に形づくられる。それぞれの場合で、位相マスクは、０とπの間で連続の位相シフトを与えることができ（例えば、スイッチング中に中間の位相シフトが起こる電子的にアドレス指定可能なＨＷＰに対し、また空間的に変えられる遅軸ＬＣＰをベースとするＨＷＰに対し）、あるいは０とπの位相シフトが優勢になるように与えることができる（例えば、スイッチング時間がエンドポイント状態でピクセルの休止時間よりもずっと短く、かつ周期的な時間間隔ですべてのピクセルが同時に任意選択でスイッチングする、電子的にアドレス指定可能なＨＷＰで）。それぞれの場合で、スペックル・コントラストは、位相セル・サイズがレーザ照明システムの解像度スポットのサイズよりもずっと小さい（例えば、検出器の解像度スポットよりもずっと小さく、かつ／またはディスプレイ・パネル内のピクセルのサイズよりもずっと小さい）場合に最も低減される。
【０１１９】
検出器の解像度スポットを評価するために、スペックル除去デバイスがマイクロディスプレイ・パネルに近接して配置されると想定する。投射光学部品の倍率にかかわらず、観測者は通常、マイクロディスプレイによって変調された画像の画素を識別することができる。透過型でも反射形でも最も高い解像度のマイクロディスプレイ・パネルはＬＣをベースとするものであり、約５〜１０ピクセル・ピッチが得られる。ＤＭＤをベースとするマイクロディスプレイは通常、各ピクセルにマイクロメカニカル・アクチュエータが必要であるために、より大きいピクセル・ピッチを持つ。
【０１２０】
図３１を参照すると、スペックル除去デバイス１４０上の照明される領域のフットプリントが、マイクロディスプレイ・パネルの仮想の行×列の解像度に分割されている。照明の断面は仮想的なＩ行とＪ列を有する。必要な位相区画を示すために１つのマイクロディスプレイ・ピクセルに対応する領域が拡大されている。ボイリング・スペックル・パターンを平均するために、各区画内の位相値は、検出器積分間隔にわたって高速で変えられなければならない。
【０１２１】
一般に、人間の眼の積分時間は約２０ｍｓと５０ｍｓの間である（例えば、人間の眼が変化を検出する時間は少なくとも２０ｍｓである）。したがって、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷリターダーがＬＣをベースとするものである場合には、検出器積分期間にわたる高速位相変調は、電子スイッチングを適切な高い速度に選択することによって行われる。空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷリターダーがＬＣＰをベースとするものである場合には、検出器積分期間にわたる高速位相変調は、近ＨＷＰを適切な速度で並進移動させることによって行われる。
【０１２２】
例えば、図２１（ｃ）に示された近半波長板を回転させることを考える。一般に、入射コヒーレント光ビームは、最も近くで照明される縁部が回転軸から距離ｌになるように、また最も遠くで照明される縁部が回転軸から距離Ｌになるように、回転軸（例えば回転の中心）からオフセットされた近ＨＷＰの小さな領域を照明し、回転するＨＷＰの有効経Ｋの半径はＬよりも長くなっている。各ディスプレイ・ピクセル・ピッチｄが１０ミクロンに等しく、スペックル除去デバイス面の最大解像度スポットが１０ミクロンであると想定すると、最小回転速度は次のように計算することができる。検出器が２倍速の１２０Ｈｚの検出器積分期間を有し（例えば、Δｔが１／１２０ｓすなわち８．３３ｍｓに等しい）、１６０組の位相パターンが、＜８％の知覚されるスペックル・コントラスト比を与えるように１つの積分期間内で平均される場合、各位相パターンの時間間隔Δｔ１は約５２μｓになる。最小線速度ｖはｖ＝ｄ／Δｔ１から計算され、したがって１０μｍ／５２μｓ、すなわち１９２ｍｍ／ｓに等しい。スピンドルからの最小直線距離ｌが６ｍｍに等しいと想定すれば、最小角速度ω＝ｖ／ｌは１９２ｍｍ／ｓ／６ｍｍ、すなわち３２ｒａｄ／ｓになる。毎秒回転数（ｒｐｓ）に換算して、これは約５ｒｐｓすなわち３０６ｒｐｍの角速度になる。この角速度は、照明される領域全体にわたって一定とすることができ、局所の線速度は、スピンドル位置からのその距離に比例することに留意されたい。照明される領域の最小距離が減少する場合には、検出される画像内で必要なスペックル比を維持するために、速度を増大させなければならない。
【０１２３】
本発明の一実施形態によれば、上述のスペックル除去デバイスの１つ（例えば３００、３００ａ、４００）は、有限の開口、および検出器１８０の有限の積分時間から生じるスペックル効果を低減させるために、図１に示されたスペックル除去デバイス１４０として使用される。一実施形態では、スペックル除去デバイス（例えば３００、３００ａ、４００）は、照明アーム内に挿入される。別の実施形態では、スペックル除去デバイス（例えば３００、３００ａ、４００）は、投射アーム内に挿入される。一般に、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷリターダー（例えば３１０、３１０ａ、４１０）であって、スペックル除去デバイスにおいてレーザ照明面の全体にわたって空間的に可変かつ／またはランダムな位相変調を生じさせる近ＨＷリターダーは、スペックル除去デバイスが挿入された面に沿った解像度スポットの等価物よりもずっと小さい空間領域サイズで変化する遅軸変化を有する。スペックル除去デバイスがマイクロディスプレイ・パネル１５０の近傍に配置される場合には、位相変調面の解像度スポットは、マイクロディスプレイ・パネル１５０のピクセル・サイズとほぼ同じサイズであると想定することができる。この場合、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷリターダー（例えば３１０、３１０ａ、４１０）の粒子サイズ（すなわち１区画または１位相セル）は、マイクロディスプレイ・パネルのピクセル・サイズよりも小さくなる。
【０１２４】
図２０（ａ）および図２１（ａ）に関して説明した実施形態では、スペックル除去デバイス３００、４００は、入力レーザ光の直線偏光軸に対して有効光軸がπ／４に配向された第１のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）３２４、４２４と、入力レーザ光の直線偏光軸に対して有効光軸がやはりπ／４に配向された第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）３２６、４２６とを含み、その結果、出力光の偏光が入力光の偏光と平行になるように示されている。別の実施形態では、第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）の有効光軸は、出力光の偏光が入力光の偏光と垂直になるように、入力レーザ光の直線偏光軸に対して−π／４に配向される。別の実施形態では、第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）の有効光軸は、入力レーザ光の直線偏光軸に対して別のある角度に配向される。それぞれの場合で、第１および第２のＱＷＰまたはＡＱＷＰは有利なことに、システムの直線偏光を維持し、したがって、偏光をベースとするディスプレイ・システムの輝度を増大させるのに非常に有用である。別の実施形態では、第２のＱＷＰは省略される。実際のところ、ディスプレイ・パネルが偏光をベースとするもの（例えばＬＣＤマイクロディスプレイ・パネル）である実施形態では、第２のＱＷＰは有用であるが、ディスプレイ・パネルが偏光をベースとするものではない場合（例えば変形可能マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ））では、その有用性が小さい。
【０１２５】
もちろん、上記の実施形態は例としてのみ提供した。様々な改変形態、代替構成、および／または等価物が本発明の範囲から逸脱することなく使用されることは、当業者には理解されよう。例えば上述の実施形態は、空間的に変えられる遅軸を有するＬＣベースの近ＨＷＰ（例えば電子的に駆動されるもの、またはＬＣＰ）を含むとして説明したが、本発明の他の実施形態では、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷＰは、他の複屈折材料をベースとする。例えば一実施形態では、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷＰは、有機延伸ポリマー箔または不均一な配向結晶の波長板を含む。さらに、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷＰを単一要素として説明したが、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷＰが別の要素と結合されることもまた本発明の範囲内にある。例えば本発明の一実施形態では、近ＨＷＰおよび／またはＱＷＰは、波長板の受光角を改善する（例えば、入射角の関数として変化する位相リターダンスを与える）構造性複屈折誘電体の薄形コーティングで覆われる。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【０１２６】
１００ システム
１０５ ベースライン・プロジェクタ・システム
１１０ 光源、レーザ源
１２０ ビーム成形光学部品
１２１ 理想レンズ
１４０ スペックル除去デバイス
１４５ フラット位相面
１５０ ディスプレイ・パネル
１６０ 投射光学部品
１７０ ディスプレイ・スクリーン
１８０ 検出器、観測者
３００ スペックル除去デバイス
３００ａ スペックル除去デバイス
３１０ 近半波リターダー、近ＨＷＰ、ＬＣリターダー
３１０ａ 近半波リターダー、近ＨＷＰ、ＬＣリターダー
３１２ 面内スイッチング（ＩＰＳ）材
３１２ａ 面内スイッチング（ＩＰＳ）材
３１４ 第１の平行板
３１４ａ 第１の平行板
３１６ 第２の平行板
３１６ａ 第２の平行板
３２０ アクチュエータ
３２０ａ アクチュエータ
３２４ 第１のＱＷ層（または多層ＡＱＷＰ）
３２６ 第２のＱＷ層（または多層ＡＱＷＰ）
３２７ 有効光軸
４００ スペックル除去デバイス
４１０ 近半波リターダー
４２４ 第１のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）
４２５ 有効光軸
４２６ 第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）
４２７ 有効光軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にはスペックル低減に関し、特にレーザ照明システムにおけるスペックルを低減させるためのリターダー（ｒｅｔａｒｄｅｒ）をベースとする方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ照明システムは、高パワーの照明および飽和色を得るために投射型ディスプレイで一般に使用される。しかし、レーザが明るい画像を良好な色彩で実現する一方で、画像品質がスペックルのために劣化することがある。
【０００３】
スペックルは、コヒーレント光が粗い表面またはほこりをかぶった表面から反射されたとき、あるいは屈折率がランダムに変化する媒体中をコヒーレント光が伝搬するときに生じる。より詳細には、スペックルは、光の波長よりも遅延差が大きい多数のビームを含む反射光が検出器（例えば人間の眼、または二乗光検出器）において干渉するときに生じる。この干渉は、一般にスペックル・パターンと呼ばれる不均一でランダムな光強度の変動をもたらす。
【０００４】
投射型ディスプレイでは、スペックルは一般に、レーザ光の波長の４分の１よりも大きい表面粗度を通常有するディスプレイ・スクリーンで光が反射するときに生じる。結果として起こる反射レーザ光のランダムな空間干渉により、画像の品質を著しく劣化させるスペックル・パターンが生成される（例えば、画像の粒子が粗く見えるようになり、かつ／または鮮明度が低下する）。さらに、所与の方向における相対的な位相遅れの特性がそれぞれ異なることにより、スペックル・パターンは視点によって変化し得る。この結果、見ている画像が視点とともに変化し、光学システムは高忠実度の画像を確実に再現することができなくなる。
【０００５】
スペックルは通常、スペックル・コントラストによって定量化される。従来技術では、スペックルを低減させる、かつ／またはスペックル・コントラストを低減させる様々な技法が述べられている。例えば、１つの手法は、多数の波長によるスペックル・パターンが平均して平滑なプロファイルになるように、レーザの縦モードの数を増加させるものであった。別の手法は、空間的にインコヒーレント照明を実現するために、コヒーレント・レーザ・ダイオード（ＬＤ）のアレイをタイルのように並べるものであった。残念ながら、この手法は費用がかかり、また多くの小型プロジェクタでは、数十ルーメンの照度を出力するのに単一のＬＤチップに依拠しているので、必ずしも実際的ではない。さらに別の手法は、レーザ照明において偏光ダイバーシティを生成するものであった。例えば、１つのレーザ・ビームを２つの偏光に分割することができ、その第１の偏光は偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）を通ることができ、第２の偏光はレーザのコヒーレンス長よりも大きく遅延される（例えば、米国特許第３６３３９９９号および第４５１１２２０号を参照されたし）。一般に、この手法はかさばり、スペックル・コントラスト低減が限定的である。さらにこれは、レーザのコヒーレンス長が非常に長い場合には理想的ではない。
【０００６】
レーザ・ビームの空間的および時間的干渉性を低減させるためにＬＤ配列（空間的）を変更すること、またはレーザ・デバイス特性（偏光および縦モード）を操作することに加えて、別の手法は、強度の不均一性を低減させるための時間的平均化を可能にする（例えば人間の眼または光検出器によって）多くの変えられるボイリング・スペックル・パターンをつくり出すことであった。例えば、１つの手法はディスプレイ・スクリーンを振動させることである。残念ながら、大きな投射スクリーンでは、これはまったく実際的ではない。したがって、より一般的な手法は、拡散器（例えばＪ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ他、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ａ ｍｏｖｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ」、Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｒｈｏｄｅ Ｉｓｌａｎｄ、２０００年を参照されたし）、位相板（例えば米国特許第６３２３９８４号および第６７４７７８１号を参照されたし）、またはランダム回折光学素子（例えばＬ．Ｗａｎｇ他、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３７、１７７〜１７７５頁、１９９８年を参照されたし）などの外部光学素子を使用することであり、この素子を経時的に多数の位相遅れが生じるように振動または回転させる。別の手法では、干渉縞をずらすために超音波変調器が使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第３６３３９９９号
【特許文献２】米国特許第４５１１２２０号
【特許文献３】米国特許第６３２３９８４号
【特許文献４】米国特許第６７４７７８１号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ他、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ａ ｍｏｖｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ」、Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｒｈｏｄｅ Ｉｓｌａｎｄ、２０００年
【非特許文献２】Ｌ．Ｗａｎｇ他、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３７、１７７〜１７７５頁、１９９８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
時間的平均化を行うための多くの変えられるボイリング・スペックル・パターンをつくり出す、より一般に使用される方法では、スペクトル・コントラストの低減にかなり成功したが、これらは一般に、従来技術の拡散器／位相板に表面パターンが物理的にエッチング／エンボス加工されることによって制約されてきた。例えば、高くされたこれらの表面パターンがレーザ・ビームの品質を著しく劣化させることが認められた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は可動波長板要素を用いて多くの変えられるボイリング・スペックル・パターンをつくり出す方法に関する。一実施形態では、ボイリング・スペックル・パターンは、光学素子の屈折率不均一性、および／または投射スクリーン粗さにより生じる静止／可変スペックル・パターンとともに、画像面において経時的に検出器（例えば人間の眼、光検出器）に提示される。これらの相関関係のない、または部分的に相関関係のあるスペックル・パターンは、検出器積分期間にわたってインコヒーレントに合計される（例えば、時間的に平均される）。この時間的に平均されたスペックル・パターンでは、必要とされる画像強度からのどの観測ピクセルの偏差もスペックルがない状態で低減させることによって、スペックル・コントラストが低減する。
【００１１】
可動波長板要素は、近半波（ｎｅａｒ ｈａｌｆ−ｗａｖｅ）光リターダーの機械的擾乱および／または電子的スイッチングによって発生させる可変位相変調を行うことで、変えられたスペックル・パターンを生じさせる。より詳細には、空間的に変えられる遅軸を有する近半波光リターダーの機械的擾乱および／または電子的スイッチングで、レーザ・ビームのそれぞれ異なる領域に幾何位相シフトを生じさせる。
【００１２】
一実施形態によれば、可動波長板要素は、２段以上を含む波長板アセンブリである。第１段では、単層４分の１波長板（ＱＷＰ）または多層色消し（Ａ）ＱＷＰが、その光軸（また遅軸、ＳＡ）がレーザ源からの偏光された光出力に対して±π／４（４５°）方位角オフセットで配向されるように、向けられる。この結果、レーザからの直線偏光された光出力が、第１の直線偏光から第１の旋光性の円偏光に変換される。第２段では、近半波長板（ＨＷＰ）要素が、第１の円偏光（すなわち第１の旋光性を有する）を第２の円偏光（すなわち反対の第２の旋光性を有する）に変換する。近半波長板は、変えられる遅軸分布を有する（例えば遅軸方向が、所定またはランダムなパターンで光リターダーの面全体にわたって変わる）。任意選択の第３段では、第２のＱＷＰまたはＡＱＷＰが第２の円偏光を第２の直線偏光に変換する。第１段と第３段のＱＷＰのリターダー軸が平行に配向された場合には、第２の直線偏光は第１の直線偏光と平行になる。しかし、２つのＱＷＰ段が軸を交差して配向された場合には、第１と第２の直線偏光は直交する。第３段のＱＷＰが省略された場合には、円偏光が出力され、適切な光変調器（例えば複数のマイクロミラーを有する）に渡される。注目すべきことに、この偏光変換では、ポアンカレ球上に閉ループ軌跡を形成して、第２段の近ＨＷＰの光軸方向に応じた幾何位相シフトを生じさせる。近ＨＷＰは変えられる光軸分布を含むので、この波長板アセンブリは、空間的および／または時間的に変えられる位相マスクをコヒーレント・レーザ・ビームに課すスペックル除去デバイスとして機能し、それによって、必要とされる出力偏光状態で高い入力パワーをなお維持しながら、知覚されるスペックルを低減させる。
【００１３】
本発明の一態様によれば、光ビーム中にスペックル除去デバイスを挿入すること、ここで前記光ビームが、レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出された光を含み、前記スペックル除去デバイスが、前記コヒーレント・レーザから放出された前記光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーション（ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ）を与えるための光リターダーを含み、前記光リターダーが、実質的に一定のリターダンス（ｒｅｔａｒｄａｎｃｅ）、および空間的に変えられる遅軸を有し、前記空間的に変えられる遅軸が、前記光ビームに位相マスクを課すためのものであり、前記位相マスクが、検出器上の解像度スポットに対して副解像度（ｓｕｂ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）光位相変調を行うためのものであり、および、前記副解像度光位相変調が前記検出器の積分時間内で変えられるように、かつ検出された１つの解像度スポットと別のものとの間の強度不均一性が低減されるように前記光リターダーを駆動することを含む、レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる方法が提供される。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出される光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーションを与えるための光リターダーを含み、前記光リターダーが、実質的に一定のリターダンス、および空間的に変えられる遅軸を有し、前記空間的に変えられる遅軸が、光ビームに位相マスクを課すためのものであり、前記光ビームが、前記コヒーレント・レーザから放出される光を含み、前記位相マスクが、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行うためのものであるスペックル除去デバイスと、前記副解像度光位相変調が前記検出器の積分時間内で変えられるように、かつ検出された１つの解像度スポットと別のものとの間の強度不均一性が低減されるように前記光リターダーを駆動するアクチュエータとを備える、レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる装置が提供される。
【００１５】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】スペックル除去デバイスを組み込んだ、レーザをベースとする投射型ディスプレイの概略図である。
【図２】変えられる位相値を有するセル区画を示す、検出器の解像度スポット領域内のセルの概略図である。
【図３】ベースライン投射システムの概略図である。
【図４（ａ）】３段階の変調での物体強度マップの例を示す図である。
【図４（ｂ）】±πまでのランダムな位相変調によるスペックルが物体波面に加えられている検出強度画像の例を示す図である。
【図５】強度変化を平均するためのボイリング・スペックル・パターンの生成を示す概略図である。
【図６】３段のＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相変調を示す概略図である。
【図７】Ｑ／Ｈ／Ｑの波長板偏光変換によって得られたＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを示す図である。
【図８】Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑの３段偏光変換システムを使用した多数の幾何学的位相シフトを示す図である。
【図９】図９ＡはＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを誘導するための３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ偏光変換の概略的な配置を示す図である。図９ＢはＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを誘導するための３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ偏光変換の概略的な配置を示す図である。
【図１０（ａ）】４６０ｎｍ波長でのＱ／Ｈ（θ）／Ｑ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１０（ｂ）】５２０ｎｍ波長でのＱ／Ｈ（θ）／Ｑ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１０（ｃ）】６３５ｎｍ波長でのＱ／Ｈ（θ）／Ｑ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１１】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイスの多数のＸＹ位置から導出した計算された幾何学的な位相シフトを示すグラフである。
【図１２】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイスの多数のＸＹ位置における、入力直線偏光（Ｈ偏光）に沿った計算強度比を示すグラフである。
【図１３】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、３段Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイスの多数のＸＹ位置における、計算された楕円偏光の長軸角度および楕円率角度を示すグラフである。
【図１４】垂直入射での二重層ＡＱＷＰ設計の計算された１回通過リターダンス特性を示すグラフである。
【図１５】垂直入射での二重層ＡＱＷＰ設計の計算された２回通過リターダンス特性を示すグラフである。
【図１６（ａ）】４６０ｎｍ波長でのＨ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１６（ｂ）】５２０ｎｍ波長でのＨ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１６（ｃ）】６３５ｎｍ波長でのＨ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈ波長板による偏光変換を示す図である。
【図１７】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、５段Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスの多数のＸＹ位置から導出した計算された幾何学的な位相シフトを示すグラフである。
【図１８】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、５段Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスの多数のＸＹ位置における、入力直線偏光（Ｈ偏光）に沿った計算強度比を示すグラフである。
【図１９】±πの間のＨＷＰ遅軸方向全体を範囲として、５段Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスの多数のＸＹ位置における、計算された楕円偏光の長軸角度および楕円率角度を示すグラフである。
【図２０（ａ）】電気的に切換え可能なＨＷＰおよび２つのＱＷＰを含む、本発明の一実施形態によるスペックル除去デバイスの概略図である。
【図２０（ｂ）】電気的に切換え可能なＨＷＰおよび２つのＱＷＰの遅軸方向を示す、図２０（ａ）に示したスペックル除去デバイスの拡大図である（図を分かりやすくするために基板は省略）。
【図２０（ｃ）】電気的に切換え可能なＨＷＰを含む、本発明の一実施形態によるスペックル除去デバイスの概略図である。
【図２０（ｄ）】電気的に切換え可能なＨＷＰの遅軸方向を示す、図２０（ｃ）に示したスペックル除去デバイスの拡大図である（図を分かりやすくするために基板は省略）。
【図２１（ａ）】空間的に変えられる固定遅軸および２つのＱＷＰを有する近ＨＷＰを含む、本発明の一実施形態によるスペックル除去デバイスの概略図である。
【図２１（ｂ）】２つのＱＷＰの遅軸方向を示す、図２１（ａ）に示されたスペックル除去デバイスの拡大図である。
【図２１（ｃ）】図２１（ａ）に示した近ＨＷＰが、検出器積分期間にわたって可変位相変調を生じさせるように回転する、本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図２１（ｄ）】図２１（ａ）に示した近ＨＷＰが、検出器積分期間にわたって可変位相変調を生じさせるように振動して１Ｄ（ａ）または２Ｄ（ｂ）の直線並進移動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）を実現する、本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図２２】近ＨＷＰがＬＣＰを含む場合に、第１、第２および第３段の波長板アセンブリの光学軸方向を示す概略図である。局所ＬＣＰ部位のランダムな配向を示す図である。
【図２３】ランダムに配向されたＬＣＰ半波長板の交差偏光子顕微鏡強度画像である。
【図２４】ｍ＝＋１とｍ＝＋１の渦が相互作用する場合のＬＣダイレクタ分布のモデルを示す図である。
【図２５】ｍ＝−１とｍ＝−１の渦が相互作用する場合のＬＣダイレクタ分布のモデルを示す図である。
【図２６】ｍ＝−１とｍ＝＋１の渦が相互作用する場合のＬＣダイレクタ分布のモデルを示す図である。
【図２７】タイプＢプロセスを用いて製造されたＬＣＰのＨＷＰの減偏光スペクトルを示すグラフである。
【図２８】図２８（ａ）は粗い静止スクリーン・スペックルおよび静止スペックル除去を示す検出画像である。図２８（ｂ）は粗い静止スクリーン・スペックルと、スペックル除去デバイスによって設けられた１０個のランダムな位相マスクから発生したスペックルとを示す検出画像である。図２８（ｃ）は粗い静止スクリーン・スペックルと、スペックル除去デバイスによって設けられた１００個のランダムな位相マスクから発生したスペックルとを示す検出画像である。図２８（ｄ）は粗い静止スクリーン・スペックルと、スペックル除去デバイスによって設けられた１６０個のランダムな位相マスクから発生したスペックルとを示す検出画像である。
【図２９】ボイリング・スペックル・パターン数の関数としてシミュレートしたスペックル・コントラストのグラフである。
【図３０】各副解像度スポットの区画とディスプレイ・パネル・ピクセル・サイズとの関係を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
添付の図面全体を通して、同様なものは同じ参照番号で識別されていることに留意されたい。
【００１８】
図１にレーザをベースとするプロジェクタ（ＰＪ）システムが示されている。このシステム１００では、光源１１０からの出力光は、ディスプレイ・パネル１５０上に、必要とされるアスペクト比で均一な照度の長方形を形成するために、光学素子１２０によって均質化され成形される。この実施形態では、光源１１０は、共パッケージされた１つの赤、緑および青（ＲＧＢ）レーザ・ダイオード（ＬＤ）モジュールを含む。別の実施形態では、光源は、個別に結合された３つのＲＧＢ ＬＤを含む。ビーム成形光学部品１２０は、一実施形態では高性能光パイプ、コリメーション・レンズ、またはフライ・アイ・レンズを含み、また一般に、ディスプレイ・パネル１５０で偏光変調を用いる場合（例えば液晶をベースとするディスプレイ）では、偏光変換光学部品および／または偏光回復光学部品も含む。他の実施形態（例えば、空間が制約されたナノ／ピコ・プロジェクタ）では、ビーム成形光学部品１２０は、照明アーム内で長方形を均質化し成形するために使用される回折性／屈折性のフラット光学部品の組合せを含む。この実施形態では、ディスプレイ・パネル１５０は、透過形ディスプレイ・パネル（例えばツイステッド・ネマチック（ＴＮ）ＬＣＤパネル）として図示されている。他の実施形態では、ディスプレイ・パネル１５０は反射形である（例えば、デジタル・マイクロ・ミラー（ＤＭＤ）または液晶オン・シリコン（ＬＣｏＳ）パネル）。反射形ディスプレイ・パネルを使用する実施形態では、偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）が通常、照明と投射光学縦列を分離するために設けられる。投射光学部品１６０は通常、変調光をディスプレイ・スクリーン１７０上に投射する投射レンズを含む。ディスプレイ・スクリーン１７０から反射された光は、検出器１８０で観測される。
【００１９】
上述したように、光源１１０の固有の干渉性、様々な光学構成要素１２０の屈折率不均一性、および／またはディスプレイ・スクリーン１７０の粗さは、光干渉を引き起こすランダムな位相変動を誘起し、これは、明暗の画像スポットとして観測者に明らかに見える。このスポット間の強度ゆらぎ（例えばスペックル・パターン）は、検出器１８０の解像度スポットのサイズと同じ固有の粒径を有する。スペックル・パターンにより、画像品質がほとんどの画像応用例で許容できないものになる。
【００２０】
したがって、スペックル除去デバイス１４０が、スペックル・ノイズを除去または低減するために光路に挿入される。この実施形態では、スペックル除去デバイス１４０は、スペックル除去デバイスの望ましくない散乱および／または減偏光により光学システムの変調伝達関数が低下しないように、ディスプレイ・システムの照明アーム内（例えば、光源１１０とディスプレイ・パネル１５０の間）に配置される。他の実施形態では、スペックル除去デバイス１４０は、ディスプレイ・システムの投射アーム内（例えば、ディスプレイ・パネル１５０と投射スクリーン１７０の間）に挿入される。
【００２１】
スペックル除去デバイス１４０は、人間の眼または電子検出器１８０の１つの検出期間にわたって、様々な光学構成要素の屈折率不均一性、および／またはディスプレイ・スクリーンの粗さにより生じる静止スペックル・パターンと平均される多数のスペックル・パターンを生成することによって、スペックル・ノイズを低減させる。スペックル除去デバイス１４０は、レーザ光源の干渉性は低減させないが、スペックル・パターンの知覚される影響を低減させ、かつ／またはスペックル・コントラストを低減させる。
【００２２】
スペックル・コントラストを低減させるために多数のスペックル・パターンを生成する方法は、テクスチャ表面を有した能動拡散器／可変位相板を使用する従来技術のスペックル除去デバイスのために検討されてきた。Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ、「Ｓｏｍｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｋｌｅｓ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍｅｒ．Ａ、６６、１１４５〜１１５０頁、１９７６年によれば、レーザ照明のスペックル・コントラスト比は、相関関係のないＮ個のスペックル・パターンを重畳することによって低減させることができる。スペックル・コントラスト比は、平均画像強度包絡線との比として、不均一な画像の二乗平均（ｒｍｓ）強度偏差と定義される。低減は、完全に相関関係のない組では√Ｎの因数になる。相関関係のないスペックル・パターンは、時間、空間、周波数（波長）および偏光から得ることができる。Ｎ組のスペックル・パターンが相関関係のないものではない場合には、低減係数は小さくなる。
【００２３】
Ｊ．Ｉ．Ｔｒｉｓｎａｄｉ、「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ」、Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ＶＩＩＩ、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ４６５７、Ｍ Ｈ Ｗｕ編集（Ｓｏｃ．Ｐｈｏｔｏ−Ｏｐｔ．Ｉｎｓｔｒｕ．Ｅｎｇｒｓ．、Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ、ＷＡ、２００２年）、１３１〜１３７頁によれば、スペックル・コントラストを低減させる１つの手法は、強度検出器（すなわち人間の眼または電子光検出器）の解像度スポットに対応するセルを多数のセル区画の中につくり、時間的位相変化をそのセル区画に加えることである。検出器の解像度スポット内セルの概略図が図２に示されている。
【００２４】
米国特許第６７４７７８１号ではＴｒｉｓｎａｄｉが、最適なスペックル・コントラスト低減には検出器における光場のコヒーレント加算のクロス項が除去されることが必要であると教示している。例えば、能動拡散器／位相板が、２×２個の区画に分割されたセルを含む場合、最初の変化していない検出強度は次式で与えられる。
【００２５】
【数１】
ここでＡｉｊは、能動拡散器のあるセル内の個別セル区画の複素振幅透過または複素振幅反射である。能動拡散器の単一セルは、検出器解像度スポット・サイズに対応する。本明細書では、能動拡散器という用語は能動位相板と交換可能に使用される。能動拡散器は、その特性が検出器積分期間にわたって変化しなければならないという意味において能動的である。
【００２６】
クロス項（すなわち２つ以上のセル区画の複素振幅の積）は、２×２個のセルがアダマール２×２行列として配列され、検出器積分時間の４つの副期間（ｓｕｂ−ｉｎｔｅｒｖａｌ）を通して変換される場合に除去されることが示された。次に、所望の照度結果が次式で与えられる。
【００２７】
【数２】
したがって、任意の粗い表面、または任意の屈折率変調光学構成要素に到達する検出可能な強度は、単に個々のセル区画強度のインコヒーレントな合計になる。スペックルをもたらすコヒーレント干渉は発生しない。
【００２８】
上述の手法では、実質的に等しい伝達のアダマール行列と、副解像度スポット・レベルで０とπの位相変化とが用いられる。アダマール行列の次元が大きいほどスペックル・コントラスト低減の利得が高くなる。しかし、０とπの位相マスクを得るにはエッチングされた表面レリーフ構造に依拠しなければならないことで、セル区画の実現可能なサイズが制限される。加えて、解像度スポットのセグメントに対応する各位相区画の等しいサンプリング間隔を厳密に実行することは、小さな横方向並進移動要件により困難である。例えば、マイクロディスプレイ・パネルが約１０μｍのピクセル・ピッチを有する場合、１つの２×２区画は、各２．５×２．５μｍの位相区画がマイクロディスプレイ・ピクセルのセグメント内へ検出器積分期間の１／４で正確に並進移動することを必要とする。
【００２９】
本発明の一実施形態によれば、スペックル除去デバイス１４０はリターダーをベースとする。リターダー・ベース・スペックル除去デバイス１４０は、時間領域および／または空間領域にわたって光場の振幅を一定に保ちながら、個々のセル区画（またはより一般的には、照明断面の各ＸＹ部位）で光位相シフトの量を変化させることによって検出器内のクロス項の寄与を低減させる。
【００３０】
一般に、リターダー・ベース・スペックル除去デバイス１４０は、空間的に変えられる遅軸を有する光リターダーを使用して、可変量の光位相シフトを生成する。一実施形態では、空間的に変えられる遅軸を有する光リターダーは、各セル区画（またはより一般的には、照明断面の各ＸＹ部位）を通して伝達される波面を変えるように検出器積分時間にわたって動かされ（例えば振動または回転させる）、この結果、位相変調が検出器に副解像度スポットにおいて与えられるようになる。別の実施形態では、空間的に変えられる遅軸を有する光リターダーは、位相変調を行うように電子的に駆動される。これらの実施形態では、リターダー・ベース・スペックル除去デバイス１４０は、１つまたは複数の光リターダー（すなわち、空間的に変えられる遅軸方向を有する光リターダーを含む）によって行われる偏光変換を介して光位相シフトを行う。
【００３１】
有利なことに、テクスチャ表面ではなく光リターダーによって光位相シフトが行われるので、レーザ・ビームの特性が維持される。さらに、光リターダーの空間的に変えられる軸方向が連続的に変えられる実施形態では、増加した数の位相マスクを検出器に与えることができ、それによって、疑似ランダム位相符号化が可能になる。この場合、スペックル除去デバイス１４０は、テクスチャ表面を有する従来技術の拡散器／位相板で経験された解像度スポット制限に対する位相区画配向により制約されない。
【００３２】
ベースライン・プロジェクタ・システム１０５を示す図３参照して、リターダー・ベース・スペックル除去デバイスの機能を説明する。このベースライン・システムでは、ビーム成形光学部品が理想レンズ１２１として図示されているが、ディスプレイ・パネル１５０は、追加のピクセルごとの光変調が２Ｄ検出画像を複雑にするので、省略されている。
【００３３】
レーザ光源１１０は、様々な角度の一連の光線を放出し、そのそれぞれがコヒーレントである（すなわち同相で同じ光周波数を有する）。レンズ１２１は、レーザ源１１０からフラット位相面１４５までで単一点光源を平行にする。より詳細には、レンズ１２１は、その位置の後のある所定距離を取ったところに焦点位置を合わせて、フラット位相面１４５に平行ビーム・ウェストをつくり出す。このフラット位相面全体にわたってすべての波面が互いに同相で到達する。スクリーン１７０上に投射されるのがこのフラット位相面からの照明であり、照明がスクリーン上でスクリーンの粗い表面によって変調される。したがって、観測者１８０には、それぞれ異なる光路長を取ってどれか所与の検出器ピクセル（ここで、検出器ピクセルは、眼の解像度スポットと交換可能に用いられている）に到達する多数の光線の干渉により、不均一な強度分布（例えばスペックル・パターン）が見える。
【００３４】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、画像に対するスペックルの影響を示す。図４（ａ）は、３ゾーン（例えば０．１、０．５および１の単位）強度マップとして表された物体を示す。図４（ｂ）は同じ物体の、シミュレートしたスペックル・パターンで劣化した画像を示す。シミュレーションで画像システムは、５１２×５１２の計算格子にわたって発生させた±πまでの正規分布ランダム位相分布を含むようにモデル化された。このモデルは、ランダム位相分布を生成する表面を通した伝達を想定している。この表面は、プロジェクタ・システム内のスペックルのすべての発生源を表すが、このスペックルの大部分は、ディスプレイ・スクリーンの表面粗さから発生する。物体波面およびスペックル発生源による波面は、複素振幅空間で増幅され前方に伝搬される。この伝搬された視野は次に、円形の開口によって増大されて、画像システムの射出瞳のところに視野がつくり出される。その画像平面分布は、射出瞳分布とのフーリエ変換対であり、数値的に計算される。検出器面に、多数の光路の建設的干渉および相殺的干渉による不均一画像が得られる。この計算で、５０％を超えるスペックル比が得られたことに留意されたい。平均画像輝度よりも、検出器ピクセルの一部は非常に明るいが他の検出器ピクセルは非常に暗い。
【００３５】
リターダー・ベース・スペックル除去デバイス１４０は、スペックル除去デバイスに対する一連の空間的および／または時間的変更によって、一連のスペックル・パターンを発生する。他の光学部品（すなわちスペックル除去デバイス以外）により生じたスペックル・パターンとは相関関係がないこれらのスペックル・パターンは、知覚されるスペックル量を低減させるために、１つの積分期間内に、他の光学部品によって発生したスペックル・パターンとともに検出器１８０まで伝達される。スペックル除去デバイス１４０によって発生させる一連のスペックル・パターンは、検出器１８０の積分期間にわたって一連の位相変調を行うモデルを用いてシミュレートすることができる。ディスプレイ・スクリーン１７０で、スペックル除去デバイス１４０の位相変調は、元のスペックルの位相マップによって増大される。次に、結果として生じた波面が検出器面まで伝搬される。こうすると、眼（または検出器）がその積分期間にわたって融合する一連のボイリング・スペックル・パターンがつくり出される。このシミュレーションでは、１：１の画像拡大倍率が想定されている。さらに、スペックル除去デバイスおよび投射スクリーンによる位相マスクは、生じる波面が２つの構成位相マップの合計になる位相変調を有するように、本質的に無損失（すなわち、１単位の複素振幅視野を与える純粋な位相変調）であると想定されている。
【００３６】
過度に単純化した解析では、所与の解像度スポット内の瞬時検出強度は、検出器上に落ちるすべての複素振幅光線のコヒーレント合計になる。このコヒーレント合計は、各検出器ピクセルで瞬時画像強度を生じさせる。検出器積分期間にわたって、知覚される画像強度は、これらすべての画像のインコヒーレント平均になる。Δｔ期間にわたる平均強度は次式となる。
【００３７】
【数３】
式（４）は（ｉ、ｊ）光流の瞬時複素振幅であり、定数Ｂが振幅、φｉｊが瞬時位相項であり、位相項は一般に（ｘ、ｙ）に依存し、かつ／または経時的に変化させることができ、Δｔが検出器積分時間である。人間の眼では、積分時間は約２０ｍｓ（すなわち毎秒５０フレーム）である。
【００３８】
本質的に、検出器１８０には一連の強度画像が与えられる。この画像は、スペックル除去デバイス１４０によって設けられた位相マスクの複素振幅増倍、および投射スクリーン光路長変調から発生する。検出器積分時間内の各構成画像はスペックル・パターンである。これらは、図５に示されたように、観測者によって積分される。とりわけ、スペックル除去デバイスによって発生したスペックルが無相関画像に対応する場合には、不均一強度画像（例えばスペックル）は最も低減されたように見える。システム・スペックルの発生源（例えばディスプレイ・スクリーンから発生する）が静止しているので、スペックル除去デバイスがスペックル画像を検出器積分時間にわたって変化させることが好ましい。
【００３９】
本発明の一実施形態によれば、スペックル除去デバイス１４０は、光路幾何学変調を用い、一連の位相変調を生じさせて一連の無相関スペックル・パターンを発生させる。一般に、位相シフトは、光路長変調または光路幾何学変調を用いて生成することができる。前者はよく知られている技法であり、通常は光路長を変化させるために屈折率または物理的厚さを変えることを含む。後者は一般的ではない。これは、光路長は同一にして、しかし経路の形状は変えることに依拠する。幾何位相とは、量子状態がパラメタ空間または状態空間において閉鎖ループ断熱過程にかけられた場合に得られる位相シフトに与えられた総称である。光学では、この現象は少なくとも２つの重要な事例、すなわちらせん経路に沿った円偏光光子搬送のスピン方向変更位相シフトと、閉ループに沿った偏光変換のＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相とに該当する。前者は１単位スピンのスピノルを用いるのに対して、後者は、１／２のスピン単位を有するポアンカレ球（ＰＳ）上に偏光変換を写像する。この結果、スピン方向変更では、囲まれた立体角の大きさに対応する幾何位相シフトを誘導し、閉ループ偏光変換では、囲まれた立体角の大きさの幾何位相シフトの半分だけを生じる。
【００４０】
例えば、少なくとも２つの線形リターダー素子によって最後の偏光が再び水平になるように変換される直線水平偏光を考える（例えば、π／３および２π／３に配向された中間の直線偏光状態を含むシステム）。ＰＳ球上の３つの点に関して、球の表面に沿って最短経路をたどって点を結ぶことによって測地三辺形を形成することができる。その場合、この測地ループに対する立体角は２π（球の立体角４πの半分）になる。これを受けて、幾何位相シフトはπ（Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相の場合の立体角の半分）になる。直線水平偏光を有する参照光を、やはり水平に偏光されているが偏光変換によってπの位相シフトを得た別のビームと干渉させた場合、この２つのビームは相殺的な干渉を生じる。
【００４１】
ここで採用する位相規約では、光場Ｅに対する時間的外乱は正の符号を有し、空間的外乱は負の符号を有する。
【００４２】
【数４】
【００４３】
上式は、等方性のみのフィルム上に光が直角で入射するという想定を含む。オフノーマルで複屈折の層をマトリクス法で処理することができる。位相規約を定義することを目的として、２つの直交する直線視野成分が次式で与えられる。
【００４４】
【数５】
ここで振幅と位相差の比はそれぞれ次式となる。
【００４５】
【数６】
これらの角度の範囲は次式となる。
【００４６】
【数７】
【００４７】
（β、α）の組合せにより、一般的な楕円偏光面波を記述することができる。陰な時間的および空間的位相依存性を除くことによって、偏光ベクトルをより簡潔な形で書くことができる。
【００４８】
【数８】
【００４９】
偏光楕円の主軸の方向角度γ、およびその楕円率角度χもまた、次式のジョーンズ・ベクトル（β、α）角度量から容易に得られる。
【００５０】
【数９】
【００５１】
式（１１）から明らかなように、楕円率角度の符号は、単にｓｉｎ（α）の符号によって決定される（例えば、常にｓｉｎ（２β）≧０）。ｓｉｎ（α）＞０（すなわち０＜α＜π）では楕円率は正になり、楕円は自然用語体系による左旋性を有する。ｓｉｎ（α）＜０では楕円率は負になり、楕円は右旋性を有する。ｓｉｎ（α）＝０（すなわちα＝±π）では楕円率はゼロであり、光は直線に偏光される。
【００５２】
上式で、（ωｔ−ｋｚ）は動的位相と呼ばれる。一連の複屈折構成要素を含むシステムを光線が横切るようにした場合、幾何位相は、偏光を変化させずに相対的な位相に影響を及ぼす。つまり、それがｘ成分およびｙ成分の電界ベクトルに対して同じ位相シフトを与える。したがって、下記の式（９）で出力電界が完全に記述される。
【００５３】
【数１０】
ここでΦは幾何位相シフトである。閉ループ経路になる個別偏光感応素子（例えば偏光子およびリターダー）を使用する一連の偏光変換では、幾何位相は一般にＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトと呼ばれる。この位相シフトは囲まれた立体角Φ＝−Ψ／２の２分の１に等しい。１単位半径の球では、その立体角は曲面の面積に等しくΨ＝Ωになることに注意されたい。ここでΨは立体角、Ωは表面積である。
【００５４】
レーザをベースとする照明システムでは、ＬＤの出力は直線偏光される。この直線偏光は、光学システムのＸＹ幾何学的配置に対して、必要に応じ任意に配向することができる。したがって、位相差は０またはπになる。したがって、入力直線偏光は次式で示される。
【００５５】
【数１１】
【００５６】
ここでＡｘおよびＡｙは実数である。直線偏光が閉ループまわりで変換された後、出力光場は追加の幾何位相Φを得る。
【００５７】
【数１２】
【００５８】
Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍの解析から続いて、閉ループ偏光変換が、出力偏光を変えずに幾何位相を生じる。Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを発生させるために、少なくとも２つのリターダー構成要素が必要である。さらに、直線リターダー構成要素または円リターダー構成要素だけが使用される（すなわち楕円リターダーではない）場合には、偏光変換を行うのに少なくとも３つの構成要素が必要になる。直線リターダー縦続接続では、各リターダー素子がその部分厚さに対して一律の軸方向を有する。２つの連続する構成要素からの直線リターダー軸（速軸または遅軸）は、互いに平行に配向されるべきではない。
【００５９】
図６は、Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ位相シフトを誘起するために使用された位相変調器デバイスを示す。位相変調器デバイス２００は、第１の波長板アセンブリ（ＷＰ１）を使用してレーザ・ダイオードからの第１の直線偏光出力を第１の円偏光に変換し、第２の波長板アセンブリ（ＷＰ２）を使用して第１の円偏光を直交する第２の円偏光に変換し、第３の波長板（ＷＰ３）アセンブリを使用して第２の円偏光を第２の直線偏光に変換する。この３段波長板構成は、可変位相シフトを発生させるために提案された。
【００６０】
本発明の一実施形態によれば、スペックル除去デバイス１４０は、図６に示された位相変調器デバイスと類似の波長板アセンブリを使用する。特に、一実施形態では、スペックル除去デバイス１４０は、第１の直線偏光軸に対して±π／４に配向された有効光軸を有する第１の単層ＱＷＰまたは多層ＡＱＷＰと、ＨＷＰ上でそのＸＹ位置の関数として変えられ、かつ／または照明断面の所与のＸＹ部位で１つの検出器積分期間にわたって変えられる光軸分布を有するＨＷＰと、第２の直線偏光軸に対して±π／４に配向された有効光軸を有する第２の単層ＱＷＰまたは多層ＡＱＷＰとを含む。第１と第２のＱＷＰアセンブリがそれらの光軸を平行にして配向される場合には、第１と第２の直線偏光もまた平行になることに留意されたい。反対に、光軸が垂直に配向される場合には、第１と第２の直線偏光は直交する。どちらの場合でも、第２のＱＷＰアセンブリは、その光軸が所望の第２の直線偏光出力に対して±π／４に配向される。第２の直線偏光出力は、水平、垂直、またはその間の他の任意の直線状態とすることができる。第２の直線偏光は、第１の直線偏光と関係なく独立して得ることができる。しかし、前述のように、第１と第２の直線偏光状態が平行でなければ、開ループ偏光変換が得られる。実際の位相シフトは、幾何位相シフトと動的位相シフトの両方から影響を受ける。可変幾何位相シフトを含む上述の３段偏光変換波長板アセンブリは、Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ（すなわちＱＷＰ／ＨＷＰ／ＱＷＰ）デバイスと呼ばれ、ここでθは、基準角度に対する中間段波長板アセンブリの方位角である。
【００６１】
このＱ／Ｈ（θ）／Ｑ変換の一例が図７のＰＳで示されている。図６も参照すると、点Ａが、π／４にＳＡを有するＱＷＰによって点Ｂ（「．」のプロット）でＲＨＣに写像されている。θ−π／４にＳＡ方向を有するＨＷＰが点Ｂを点Ｃ（「ｏ」のプロット）に写像して、２θ方向で赤道を横断する。最後に、π／４にＳＡを有する別のＱＷＰを使用して点Ｃが点Ａに再び写像される（「ｘ」のプロット）。囲まれたＰＳ球の切出し部は、角度広がりが２θラジアンである。したがって、囲まれた立体角は４θになる（すなわち２θ／２π×４π）。幾何位相は、Φ＝−２θとして与えられる半分に等しい。ＨＷＰのＳＡは、±π／２の範囲内で一義的にしか定義されない。したがって、最大の幾何位相シフトは±πになり、全体で２πの範囲を与える。
【００６２】
幾何位相シフトは限界がないと述べた。これは、偏光変換によってＰＳ上の閉ループから引き出せる位相シフトの量に制限がないことを意味する。これは、可変ＳＡ方向を有する高次のＨＷＰがＱ／Ｈ（θ）／Ｑのようにして利用された場合に、全体の位相変調が２πよりも大きくなることを意味する。しかし、重要なのはＨＷＰ光軸変化に対する位相依存性である。
【００６３】
上述のように、ＨＷＰの遅軸（ＳＡ）は、照明断面のそれぞれ異なるＸＹ部位にわたって、および／またはそれぞれ異なる時間間隔にわたって変えられる。この結果、図８に示すように、一連の測地閉ループがＰＳ上に、位相変調のそれぞれ異なる量に対応して生成される。開始点は直線水平偏光であり、ＰＳ上で赤道に位置する。２つの中間点が両極に位置し、ＨＷＰのＳＡに応じて、ＨＷＰ偏光変換の軌跡が極から極までＰＳの表面に沿って縦線の１つをたどる。ＨＷＰがとる各経路（「ｏ」、「ｘ」および「＋」のプロットで示す）は閉ループを囲う。その結果は、各往復偏光変換による囲まれた領域になる。３段光リターダーによるすべての変換は測地経路をたどる。幾何位相シフトは再び、囲まれた各立体角の２分の１で与えられる。
【００６４】
第１と第２の直線偏光が平行であることを必要とする場合には、２つのＱＷＰの光学軸もまた平行になる。この場合、入力直線偏光をまずＲＨＣまたはＬＣＨのどちらかに変換する選択肢があり、それぞれでＱＷＰ軸をπ／４オフセット（符号は異なる）で配向する必要がある。ＱＷＰ配向の２つの事例が図９（ａ）および図９（ｂ）に示されている。
【００６５】
以下の計算では、青（Ｂ）、緑（Ｇ）および赤（Ｒ）のレーザのピーク放出の中心に対応するＢ、ＧおよびＲの波長の組を用いた。例えば、ＧａＮ材料系を利用すると、そのＢおよびＧの中心波長はそれぞれ、約４６０ｎｍおよび約５２０ｎｍになる。ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ材料系を利用する従来のＲレーザ・ダイオードは、６３５ｎｍの中心波長を有すると想定する。さらに、単層ＱＷＰの固有材料分散は、Δｎ（Ｂ）／Δｎ（Ｇ）が約１．０５７、Δｎ（Ｒ）／Δｎ（Ｇ）が約０．９３７の複屈折比を有すると想定する。これらの複屈折比は、ＬＣをベースとする波長板を使用して容易に得られる。波長差の影響を含むことで、Ｇ波長でπ／２のリターデーションを有するＱＷＰが、ＢおよびＲの波長でそれぞれ約１．１９５×および約０．８１９×のリターデーションを生じる。Ｂ、ＧおよびＲ波長でのリターデーション値のこれらの入力を用い、ＨＷＰを−１１５°（θ＝−７０°）に固定し、ＱＷＰがπ／４に配向された遅軸を有するＱ／Ｈ（θ）／Ｑ波長板のシステムによるストークス・ベクトル展開が、Ｂ、ＧおよびＲの波長それぞれについて図１０（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示されている。
【００６６】
図１０（ｂ）に示されたＰＳ図から、２つのＱＷＰがＧ設計波長で必要に応じて、直線偏光を円偏光に変換し、逆も同様であることが明らかである。ＨＷＰは、やはり設計波長でπのリターダンスを与えられて、１つの円偏光を直交する円偏光に変換する。したがって、Ｇ波長での閉ループ測地経路ＡＢＣＡの幾何位相シフトは、−２θすなわち１４０°で与えられる。
【００６７】
対照的に、図１０（ａ）に示されたＢ波長の偏光軌跡はＰＳ上の南極位置を行き過ぎるのに対して、Ｒ波長の偏光軌跡（例えば図１０（ｃ））は南極位置に到達していない。Ｂ波長で、ＱＷＰに必要なπ／２、およびＨＷＰに必要なπよりも大きいリターダンスの結果として、第３の波長板変換を通って伝達された光の偏光は、点Ａでループを閉じるのではなく、点Ｄで終わることになる。幾何位相シフトの理論から、位相因子はなお、意図された点Ａに至る仮想測地経路でループを閉じることによって抽出することができる。偏光は保存されないので、動的位相ならびに幾何位相の両方が青色波出力の瞬時位相に寄与する。しかし、偏光をベースとするディスプレイでは、高い偏光純度を得るために照明が浄化されなければならないしたがって、偏光子が通常、その伝達軸を元のレーザ出力偏光（例えは図６の水平偏光）と平行にして挿入される。点Ｄで楕円偏光状態であると、水平偏光成分だけを取り込むことによって損失が生じる。次に点Ｄが、短縮した長さの電界ベクトルを有する点Ｅに変換される。水平偏光子は理想的なものであり、直交する直線偏光（例えば垂直偏光）を完全に阻止すると想定する。この偏光子はまた、共通伝達損失または相対的な位相差を生じさせない（すなわち複屈折ではない）とも想定する。同様の取扱いを６３５ｎｍ波長の偏光出力にも適用する。
【００６８】
各計算波長での幾何位相依存性を抽出するために、下記の計算を実施する。まず、所与の波長およびＨＷＰ角度θでのジョーンズ・ベクトルが次式を用いて計算される。
【００６９】
【数１３】
【００７０】
入力偏光は直線水平と想定する。ＱＷＰとＨＷＰおよびГＱとГＨの各リターダンスは、必要とされる波長および遅軸方向で値が求められる。一般に、電界ベクトルＶのＸとＹの両成分は、次式で与えられるいくつかの位相因子を得る。
【００７１】
【数１４】
【００７２】
理想的な偏光子の想定で、ドット積がジョーンズ・ベクトル出力から取り込まれ、次式が得られる。
【００７３】
【数１５】
【００７４】
したがって、ＰＳ上の任意の偏光変換軌跡からの幾何位相シフトは、ＰＳ上の囲まれた表面積の値を求める必要なしにジョーンズ計算法で得ることができる。ここで結果として得られた電気ベクトルは、１ではなくＡｘの長さを有する。
【００７５】
ＨＷＰが固定の空間的に変えられる遅軸を有する実施形態では、幾何位相シフトは、継続的に変えられる複数の方向について計算される。ＨＷＰを回転運動で特定の垂直軸まわりに回転させる場合にすべての可能なＨＷＰ遅軸方向を取り込むと、幾何位相シフト、したがってまた各局所ＸＹ部位でのレーザ・ビームの位相変調は、出力ジョーンズ・ベクトルの位相因子を抽出することによって計算される。これらの位相依存性の計算結果は図１１に示されている。Ｇチャネル幾何位相は、計算波長においてＱＷＰもＨＷＰも理想的にπ／２およびπのリターダンスであるので、正確に−２θになる。Ｂ波長およびＲ波長もまた、位相変調対ＨＷＰ遅軸でほぼ直線である。Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイスでの幾何位相シフト効果による位相変調は、動作波長とほぼ無関係であるが、認識偏光子を介して伝達されるパワーの計算で、Ｂ波長およびＲ波長でのパワー損失が明らかになる。水平直線偏光状態で残っている光の計算強度は、図１２に示されている。計算でＨＷＰのＳＡは±πにわたって変えられる。グラフに示されたように、パワーは、ＨＷＰのＳＡ方向の最初の±２０°では１に近い。偏光子を適用する前に偏光が必ず直線水平に戻されるので、Ｇチャネル・パワーは維持される。極限のθ＝π／２の方向で、Ｂチャネルは最大３３％、Ｒチャネルは最大２９％のパワー損失をまねき得る。
【００７６】
ＨＷＰが電子的に駆動される（すなわち遅軸が切換え可能である）実施形態では、ＳＡ変化は一般に±π／４までに制限され、３チャネルすべてが約９０％のパワー効率を保持すると予想される（Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑデバイス内のＡＲ損失、吸収などは無視）。理想偏光子の前の楕円偏光出力の主軸をより詳細に見ると、出力偏光が長軸で入力偏光からわずかだけオフセットしているのが明らかになる。計算されたγ角度は、±π／２の間のθの範囲全体で±２６°以内にある。したがって、出力偏光が入力偏光と直交し、その結果分析器によって阻止されるおそれはない。しかし、楕円角度は、極限のＨＷＰのＳＡの方向で±３５°に近づく。これらの結果は図１３に示されている。
【００７７】
ＱＷＰ設計のスペクトル帯域幅を増大させる１つの方法は、２つ以上の複屈折層を使用することである。例えば、一実施形態では、２層色消しＡＱＷＰ設計が、入力光側から順に、所与の軸に配向された第１のＨＷＰ層と、第２の角度に配向された第２のＱＷＰ層とを含む。結果として得られる波長板は、２つのリターダーの異種縦続接続になる。円リターダンスならびに直線リターダンスは、直線偏光を円偏光に変換し、逆も同様に変換するように必要な波長帯域にわたって最適化することができる。結果として得られる直線リターダー遅軸は、構成要素ＨＷＰおよびＱＷＰの各遅軸をほぼ二等分する。偏光変換では、構成要素ＨＷＰおよびＱＷＰの遅軸は、約±π／４から対称的にオフセットされる。例えば、一実施形態では、ＡＱＷＰがＨＷＰとＱＷＰからλ＝５１０ｎｍで形成されるが、それらの光軸は５８°の方位角でオフセットされて縦続されている。１回通過について計算された直線リターデーションの大きさ（ａ）、直線リターデーションの方向（ｂ）、および円リターデーション（ｃ）が図１４に示されている。５１０ｎｍの設計波長において、直線リターダンスは約１０７°であり、遅軸は約１６°である。円リターダンスは、設計波長において約９７°である。これらのリターダンス特性は、直線偏光（すなわち水平偏光または垂直偏光）を円偏光出力に変換する広帯域ＡＱＷＰを得るために組み合わされる。異種リターダーの２回通過について計算された直線リターデーションの大きさ（ａ）、直線リターデーションの方向（ｂ）、および円リターデーション（ｃ）が図１５に示されている。これらの結果から、２回通過での正味リターダンスは約１８０°であり、遅軸は約−４５°であることが明らかである。円リターダンスはほぼゼロである。この組合せで、水平偏光の光を垂直偏光に変換し、逆も同様である。示された実効遅軸は、Ｘ軸が反転された反射ＲＨ−ＸＹＺ座標と関係づけられる。したがって、１回通過ＡＱＷＰはまた、可視帯域全体にわたって直線偏光を円偏光に効率的に変換しなければならない。
【００７８】
本発明の一実施形態によれば、スペックル除去デバイス１４０は、図６に示された位相変調器デバイスと類似の波長板アセンブリを使用し、ＷＰ１およびＷＰ３がＡＱＷＰであり、ＷＰ２がＨＷＰであり、このＨＷＰは、ＨＷＰ全体にわたってそのＸＹ位置の関数として変えられ、かつ／または照明断面の所与のＸＹ部位で１つの検出器積分期間にわたって変えられる光軸分布を有する。２層ＡＱＷＰの上述の設計に続いて、結果として得られる３段可変幾何位相変調デバイスがＨ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈとして構成され、ここでＨおよびＱは、必要とされるＢ、ＧおよびＲのレーザ波長で色消し直線−円偏光変換を行う設計波長において、一律の軸のＨＷＰおよびＱＷＰである。Ｈ遅軸およびＱ遅軸は固定されている。空間的に変えられる遅軸Ｈ（θ）を有するＨＷＰは、Ｇレーザ波長で、またはその近くで真のπリターダンスに合わせることができる。ストークス・ベクトル変換をＰＳ球に適用し、可変軸ＨＷＰのＳＡを７０°に定め（すなわち−π／４からθ＝−７０°のオフセット）、Ｑ波長板およびＨ波長板の遅軸がπ／４軸から対称に±２９°だけオフセットされるように構成すると、偏光変換は、Ｂ、ＧおよびＲの波長でそれぞれ図１６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）で示される。まずＧチャネル変換を参照すると、第１の固定Ｈ波長板は、点Ａの水平直線偏光入力を赤道近くの点Ｂに写像し（「．」のプロット）、第１のＱ波長板は、点Ｂを南極近くの点Ｃに写像し（「ｏ」のプロット）、Ｘ軸に対して−１１５°のＳＡ配向での可変Ｈ（θ）は、南極近くの点Ｃ（ほぼＲＨＣ）を北極近くの点Ｄ（ほぼＬＨＣ）に写像し（「ｘ」のプロット）、第２のＱ波長板は、点Ｄを赤道近くの点Ｅに写像し（「＋」のプロット）、最後に、第２のＨ波長板は、点Ｅをほぼ最初の入力直線偏光である点Ｆに写像する（「□」のプロット）。したがって、５つのリターダー層を備える３段デバイスは、ＡＢＣＤＥＦの偏光軌跡を形成する。点Ｆは、理想的には入力直線水平偏光と同じになる。
【００７９】
偏光画像変調を利用するディスプレイ・システムでは、偏光子は、入力ビームと平行に偏光された光の成分を取り込む。したがって、点Ｆは、点Ａと同じ偏光を有する点Ｇに変換されるが、短縮された長さの電界ベクトルを有する。３段デバイスに続く理想偏光子を想定することによって、閉ループ偏光変換が達成される。ここで、必要とされる各波長で、変えられる各ＨＷＰ軸の幾何位相シフトを抽出するために、囲まれた表面積を計算することは簡単ではない。図１６（ａ）および（ｃ）で分かるように、ＢチャネルおよびＲチャネルの入力偏光は、大きな楕円率と、理想的な直線水平偏光出力に対する主軸角度の大きな配向ずれとを伴う出力に変換される。
【００８０】
再び、ＨＷＰを回転運動で特定の軸まわりに回転させる場合にすべての可能なＨ（θ）遅軸の方向を取り込むと、幾何位相シフト、したがってまた照明断面の各局所ＸＹ部位でのレーザ・ビームの位相変調は、出力ジョーンズ・ベクトルの位相因子を抽出することによって計算される。ＲＧＢ各チャネルの位相依存性の計算結果は図１７に示されている。
【００８１】
ＷＰ３の１つの構成では、構成要素固定配向ＱＷＰおよびＨＷＰの方位オフセットは、ＷＰ１内の対応するＱＷＰ層およびＨＷＰ層の負符号の角度オフセットにしてある。両方の波長板アセンブリが、ＨおよびＶの偏光方向の同じ名目二等分線軸からオフセットされている。この場合、誘起された幾何位相は、ＡＱＷＰの２つのスタックの一定位相シフトが相殺されている。総位相シフトは０で、θ＝０である。０から±π／２まで変化するＨ（θ）軸では、総幾何位相シフトは再び±πである。
【００８２】
ＷＰ１と同じ符号のＨＷＰ角度オフセットおよびＱＷＰ角度オフセットをＷＰ３が有する代替ＡＱＷＰ構成では、全体の一定幾何位相シフトが、５つのリターダー層を有する３段デバイスに対して得られる（結果は図示せず）。ＨＷＰ軸θ＝０°では、Ｇチャネルに対し誘起した幾何位相は約−１１８度である。−π／４軸から±π／２のＨ（θ）軸変化を上回って、可変幾何位相は６２°から−２９８°に及ぶ。可変位相シフトは正確に−２θであり、最大位相変調は、±π／２のθの範囲の最大値で±πになる。θ＝０°での付加的な位相シフトは、幾何位相シフトの限界のない性質と、３段Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスにおける追加波長板の使用とに起因すると考えられる。代替構成でのＢ波長およびＲ波長もまた、位相変調対ＨＷＰ遅軸がほぼ線形である。それらのθ＝０での位相オフセットは、波長板の分散効果によりＧチャネル位相オフセットからずれている。このことは再び、Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスにおける幾何位相シフト効果による位相変調が、動作波長とほぼ無関係であることを示す。
【００８３】
Ｈ／Ｑ／Ｈ（θ）／Ｑ／Ｈデバイスを通過した後に水平直線偏光状態で残っている光の計算強度が図１８に示されている。認識偏光子を介して伝達されたパワーは、Ｂ波長およびＲ波長での強度損失が非常に少ないことが明らかである。ＨＷＰのＳＡは、計算では±πにわたって変えられている。グラフに示されたように、Ｇチャネルでは、水平偏光された光で少なくとも９９％の強度を保持するのに対して、ＢおよびＲチャネルでは、水平偏光された光の入力強度の８８％から９４％が得られる。５つのリターダー層を有する３段デバイスは、大きなθ回転におけるパワーを改善する。５つのリターダー層を有する３段デバイスの設計では、理想偏光子の前の楕円偏光出力の主軸角度および楕円角度は、直線水平入力偏光の特性に近づけられる。計算されたγ角度は、±π／２の間のθの範囲全体、および３つすべてのチャネルで±２０°以内である。楕円角度は、ＳＡのすべての方向で±２０°未満である。これらの計算結果は図１９に示されている。
【００８４】
図２０（ａ）および図２０（ｂ）を参照すると、本発明の一実施形態によるスペックル除去デバイス３００が示されている。この実施形態では、スペックル除去デバイス３００は、能動ＬＣリターダーでできた近ＨＷＰ ３１０を含む。ＬＣリターダー３１０は、２つの平行板３１４と３１６の間に挟まれた、平面配列ネマチックＬＣなどの面内スイッチング（ＩＰＳ）材３１２を含む。デバイスの入力側で、第１のＱＷ層（または多層ＡＱＷＰ）３２４が第１の平行板３１４に、その有効光軸３２５を入力レーザ光の直線偏光軸に対してπ／４に配向して結合される。デバイスの出力側で、第２のＱＷ層（または多層ＡＱＷＰ）３２６が第２の平行板３１６に、その有効光軸３２７が入力レーザ光の直線偏光軸に対してやはりπ／４に配向されるように結合される。一実施形態では、外側ＱＷＰリターダー層３２４、３２６は、堆積技術を使用してＬＣセル基板３１４、３１６上にコーティングされる。別の実施形態では、外側ＱＷＰリターダー層３２４、３２６は、有機箔材料の積層によって設けられる。近半波リターダー３１０は、空間的および時間的に変えられる光軸を有するように可動である（例えば、光軸または遅軸は、リターダーおよび／または照明断面の全体にわたってＸＹ位置の関数として変化する）。より詳細には、近半波リターダー３１０は、可変遅軸を与えるのに独立して制御される複数のセル区画すなわちピクセルを含む。複数のＬＣピクセルは、検出器および／または画像形成デバイス（図示せず）の解像度に関して、副解像度スポット区画を設けるためにパターン化されている。
【００８５】
アクチュエータ３２０が、ランダムなまたは既定のパターンで各ＬＣピクセルの遅軸を１つの検出器積分期間にわたって能動的に変えるために（例えば、光リターダーの平面内で遅軸の方向を切り換えるために）設けられる。一実施形態では、アクチュエータ３２０は、基板３１４およびカバー・ガラス３１６の上に配置された複数のＩＴＯ電極に電圧を印加することによって、個々のＬＣピクセルを電子的に制御する。より詳細には、アクチュエータ３２０は、ＬＣピクセルを画定するピクセル化透明電極構造を含む。例えば、一実施形態では、ＬＣはフリンジ・フィールド・スイッチングによって切り換えられる。別の実施形態では、ＬＣは強誘電性ＬＣ（ＦＬＣ）である。これらの実施形態で、能動ＨＷＰの遅軸は−π／４と＋π／４の間、または＋π／４と３π／４の間で継続的に切り換えられる。π／２の範囲は、市販の面内スイッチングＬＣ材料の現在の限界により引き合いに出している。例えば、ＣＨＩＳＳＯ ２００４などのＦＬＣは、ＬＣデバイスの面内でπ／２だけ回転させることができる。横方向電極によって切り換えられるネマチックＩＰＳのＬＣは、同様にπ／２の回転角度に制限される。
【００８６】
動作の際には、レーザ入力ビーム（例えば水平偏光）は、それが円偏光になる（例えば第１の旋光性を有する）第１のＱＷ層３２４を通過し、旋光性が反対の方向に変化する（例えば第２の旋光性を有する）ＨＷＰ ３１０を通過し、ビームが再び直線偏光（例えば、ＱＷＰ遅軸が平行であるので水平偏光）になる第２のＱＷ層３２６を通過する。ＨＷＰ ３１０の各ピクセルは、すべての駆動状態で（例えば、それが−π／４に切り換えられるか＋π／４に切り換えられるかにかかわらず）、閉ループ偏光変換を行うことに留意されたい。前述のように、この閉ループ偏光変換は、相関関係のないスペックル・パターンを発生させる位相変調を生じさせるのに使用される幾何位相シフトをもたらす。π／２に制限された切換え範囲で、電気的に切換え可能なＨＷＰ、および共動する２つのＱＷＰによって得られる最大幾何位相変調度は、π（２θ＝２×π／２が最大、すなわちπ）になる。
【００８７】
図２０（ｃ）および図２０（ｄ）を参照すると、本発明の別の実施形態によるスペックル除去デバイス３００ａが示されている。この実施形態では、スペックル除去デバイス３００ａは、能動ＬＣリターダーでできた近ＨＷＰ ３１０ａを含む。この能動ＬＣリターダーは、２つの平行板３１４ａと３１６ａの間に挟まれた、平面配列ネマチックＬＣなどの面内スイッチング（ＩＰＳ）材３１２ａを含む。近半波リターダー３１０ａは、ＸＹ位置の関数として変化する可変光軸分布を有するように可動である。より詳細には、近半波リターダー３１０ａは、複数のセル区画すなわちピクセルを含み、その遅軸は独立して制御可能である。複数のＬＣピクセルは、検出器および／または画像形成デバイス（図示せず）の解像度に関して、副解像度スポット区画を設けるためにパターン化されている。
【００８８】
アクチュエータ３２０ａが、ランダムなまたは既定のパターンで各ＬＣピクセルの遅軸を１つの検出器積分期間にわたって能動的に変えるために（例えば、光リターダーの平面内で遅軸の方向を切り換えるために）設けられる。一実施形態では、アクチュエータ３２０ａは、基板３１４ａおよびカバー・ガラス３１６ａの上に配置された複数のＩＴＯ電極に電圧を印加することによって、個々のＬＣピクセルを電子的に制御する。より詳細には、アクチュエータ３２０ａは、ＬＣピクセルを画定するピクセル化透明電極構造を含む。例えば、一実施形態では、ＬＣはフリンジ・フィールド・スイッチングによって切り換えられる。別の実施形態では、ＬＣは強誘電性ＬＣ（ＦＬＣ）である。一般に、遅軸は（例えば、直線偏光された入力光を基準として）０とπの間、または０と−πの間で切り換えられる。
【００８９】
動作の際には、レーザ入力ビーム（例えば水平偏光）がＨＷＰ ３１０ａを通過する。ＬＣピクセルがその遅軸を水平入力と平行にするように駆動される場合には、ピクセルを通過する光は１８０°回転する（例えば水平偏光）。ＬＣピクセルがその遅軸を水平入力と垂直にするように駆動される場合には、ピクセルを通過する光は０°回転する（例えば水平偏光）。言い換えると、２値スイッチングＬＣ軸が、同じ直線偏光出力を維持しながら０またはπの位相変調を行う。
【００９０】
有利なことに、図２０（ａ）および図２０（ｃ）に関して説明した実施形態では、可変ＨＷＰの機械的摂動を必要とせず、それによって、スペックル・コントラストを低減させるための低騒音で小型の（例えば、組込み式携帯デバイスの形でレーザをベースとするプロジェクタに非常に有用である）ソリューションが得られる。
【００９１】
さらに有利なことに、上述のＬＣリターダー３１０、３１０ａは面内スイッチング材を利用する。したがって、ＬＣデバイスは、傾斜角をデバイス面から０°またはその近くに固定したままにしながら光軸の方位角を変調する。これは、方位角を固定したままにしながらＬＣの傾斜角を変調することで動作する、ＬＣリターダー材を使用した位相変調だけの変調器とは異なる。上述の幾何位相シフトを行うことに加えて、面内スイッチングＬＣデバイスはまた、より高速のスイッチング時間も実現する。
【００９２】
図２１（ａ）および図２１（ｂ）を参照すると、本発明の別の実施形態によるスペックル除去デバイス４００が示されている。この実施形態では、スペックル除去デバイス４００は、機械的に摂動される近半波リターダー４１０を含む。より詳細には、スペックル除去デバイス４００は、近半波リターダー４１０の入力側に配置され、入力レーザ光の直線偏光軸に対して有効光軸４２５がπ／４に配向された第１のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）４２４と、近半波リターダー４１０の出力側に配置され、入力レーザ光の直線偏光軸に対して有効光軸４２７がやはりπ／４に配向された第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）４２６とを含む。この実施形態では、近半波リターダー４１０は半波長板であり、あるいは実質的に半波の奇整数倍のリターデーション（例えば１ＨＷ、３ＨＷ、５ＨＷなど）を対象の波長で与える多次半波長板である。近半波リターダー４１０は、空間的に変えられる遅軸を有し、これは一実施形態では、半波長板の面と平行な複数の遅軸方向を含む。より詳細には、近半波リターダーは、ＸＹ位置の関数として変化する遅軸分布を有する（例えば、遅軸方向は、既定またはランダムなパターンで光リターダーの面全体にわたって変化する）。一般に遅軸変化量は、スペックル除去面の対応する解像度スポットよりもずっと小さい近半波リターダーの副区画（ｓｕｂ−ｓｅｃｔｉｏｎ）が局所的に一律のリターダー軸を示すように（例えば微視的レベルで）設計される。
【００９３】
アクチュエータ４２０は、ＱＷＰ ４２４、４２６を固定したままにしながら近半波長板４１０を機械的に摂動させる。一実施形態では、アクチュエータは、近半波長板を回転軸まわりに回転させるモータを含む。例えば、図２１（ｃ）に示された実施形態では、近ＨＷＰ ４１０はビーム軸からオフセットされて取り付けられる。別の実施形態では、アクチュエータは、直線並進移動を実現するための圧電アクチュエータを含む（すなわち近半波長板を振動させる）。例えば、図２１（ｄ）を参照すると、アクチュエータ４１０は１次元（１Ｄ）または２次元（２Ｄ）の並進移動を実現することができる。有利なことに、１Ｄまたは２Ｄの直線並進移動するアクチュエータを含むスペックル除去デバイスは、回転変換を行うアクチュエータを含むスペックル除去デバイスほど大きな近ＨＷＰを必要としない。例えば、１Ｄまたは２Ｄの直線並進移動するアクチュエータを含むスペックル除去デバイスは、照明される領域よりもわずかに大きいだけの（例えば、従来の光パイプが使用される場合では約７×４．４ｍｍである）近ＨＷＰを必要とするのに対し、回転変換を行うアクチュエータを使用するものでは２倍を超えるほどにも長くなる。
【００９４】
動作の際には、レーザ入力ビーム（例えば水平偏光）は、それが円偏光になる（例えば第１の旋光性を有する）第１のＱＷＰ ４２４を通過し、次に、近ＨＷＰ ４１０および第２のＱＷＰ ３２６を通過する。π／４または−π／４に近い局所的な遅軸方向を有する近ＨＷＰ ４１０上の領域を光が通過する場合には（例えば図２１（ｂ）に示されたように）、円偏光されている光は旋光性を変え、πの位相シフトを有する直線偏光された光として第２のＱＷＰから送出される（すなわち閉ループ偏光変換）。π／４または−π／４ではない局所的な遅軸方向を有する近ＨＷＰ ４１０上の領域を光が通過する場合には、位相シフトはπ未満になる。言い換えると、位相シフトは局所的な遅軸方向によって決まる。複数の局所的な遅軸方向により（例えば、リターダーの表面と平行になっている）、静止したスペックル・パターンを生成する位相マスクが得られる。
【００９５】
アクチュエータ４２０は、レーザ・ビームの断面の副区画（すなわちスペックル除去面の解像度スポットよりも小さい）が所与の時間期間にわって様々な遅軸方向をサンプリングするように近ＨＷＰ ４１０を動かす。言い換えると、近ＨＷＰ ４１０を動かす（例えば回転／振動させる）ことで、各副・ピクセル解像度スポットでの干渉状態が経時的に変化するように照明断面の各ＸＹ部位での位相シフトを経時的に変化させる。したがって、スペックル・パターンが経時的に、解像度スポットの上で変化する。この結果、１つの検出器積分期間内で検出されるスペックル・コントラストが低減されることになる。
【００９６】
一実施形態では、近半波長板４１０は、図２２（ａ）に概略的に示されたようなランダムな向きの遅軸分布を有する液晶ポリマー（ＬＣＰ）を含む。また同じ図に示された（ａ）および（ｃ）は、第１段および第３段の波長板光軸の一律の向きを表す図である。一般に、分布パターンは、レーザ照明システム内で入射光ビーム断面の各副区画（例えばＸＹ部位）が、局所的に一律のリターダー軸（微視的レベルで）および実質的に均質なｚ軸をサンプリングするように設計される。
【００９７】
図２２（ｂ）は、光ビームの一部によってサンプリングされた局所的に一律のリターダー軸を示す。より詳細には、図２２（ｂ）は、ディスプレイ・システムの解像度スポット・サイズよりも小さい局所的なＬＣＰ部位のＬＣダイレクタ図である。所与のＸＹ位置で、局所的に配向されたＬＣ分子は、所与のデバイスのＸＹ座標系に対してθ（ｘ、ｙ）に向けられる。複数の近接局所ＬＣＰ部位がディスプレイ・システムの解像度スポット・サイズを形成するので、近ＨＷＰ ４１０は、可変量の幾何位相シフトを照明中に生じさせる。
【００９８】
一実施形態では、近半波長板４１０は、下記のような光硬化ＬＣＰ材料を用いて製造されるＬＣＰを含む。ネマチック型ＬＣＰ前駆物質（例えばＲＯＦ−５１５１、Ｒｏｌｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｂａｓｅｌ、スイス）が透過性または反射性の基板（例えばガラス、ポリマー、単結晶など）の上にコーティングされる。任意選択で基板は、ＬＣＰ前駆物質コーティングの接着性および／または濡れを促進するために、まず下塗り層でコーティングされる。任意選択の下塗り層が線状重合可能ポリマー（ＬＰＰ）材料である場合には、この層は配向層として使用されない。言い換えると、ラビング配向処理工程または光配向処理工程は使用されない。あるいは、配向層を使用するランダム配向または疑似ランダム配向が使用される。ＬＣＰ前駆物質膜を基板上にコーティングすると、ＬＣＰ材料はネマチック相の液晶になる。巨視的レベルでは全体として選択される方向（すなわちダイレクタ方向）はないが、微視的レベルではＬＣＰ前駆物質膜は遅軸方向を示し、この方向は、配向層が使用されない場合にはランダムに、あるいは配向層が使用される場合には配向層のランダム配向または疑似ランダム配向に追従して、継続的に変化する。配向の空間的変化によりこのような小さな空間の範囲にわたって生じる多数の特異点（渦）を除いて、すべての空間位置に有限の配向がある。
【００９９】
ＬＣＰ前駆物質膜が液体状態にある間、特に配向層が設けられていない場合には、顕微鏡スケールで空間的に変えられる遅軸方向は絶えず経時的に変化する。膜を固体状態にするためにＬＣＰは、通常では紫外線硬化処理によって架橋される。こうすると、上述の微視的に継続して変わる配向および渦が恒久不変になる。
【０１００】
ＬＣＰ膜内の配向変化のスケール（平均の空間の変化速度、または単位面積当たりの渦密度）を制御するために、２つの手法が使用されてきた。
【０１０１】
（タイプＡ）低い渦密度をつくり出すために、ＬＣＰ前駆物質膜は比較的高い溶媒含有率を有するように作製され、そのネマチック−等方相転移に近いがそれよりも低い温度でアニールされる。これらの条件により、より広い同様な配向の領域が生じること、および一部の渦が互いに遭遇したときに合体することが可能になる。所望のアニーリング時間の後に、膜は急速に架橋され、または急速に冷却されてから架橋されて構造が固定する。次に任意選択で、硬化膜は、残留溶剤を除去するためにポスト・ベークされる。
【０１０２】
（タイプＢ）高い渦密度を生成するために、ＬＣＰ前駆物質膜は比較的低い溶剤含有率を有するように作製され、次に、それが等方性になるそのネマチック−等方相転移より高い温度まで引き上げられる。次いで、膜は急速に周囲温度まで冷却される。それが等方−ネマチック相転移温度を経由して冷えるので、高い空間変化速度を有する配向が微視的レベルで急激に生じ、高密度の渦がある。この構造を恒久不変にするために、直ちに架橋処理が施される。次に、硬化膜は任意選択で、残留溶剤を除去するためにポスト・ベークされる。
【０１０３】
ランダムに配向され高い渦密度を有するＬＣＰの近半波長板（すなわち無配向ＬＣＰ）の画像が図２３に示されている。画像は交差偏光顕微鏡の強度画像であり、レチクル・スケールが１単位＝２５ミクロンである。暗い粒子が、偏光子または交差軸分析器と平行に配向されたＬＣＰダイレクタに該当する。暗い粒子の間の連続する陰影は連続的なＬＣＰダイレクタ変化を表す。無配向ＨＷＰの空間的に変えられる遅軸が、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行うことが明らかである（例えば、ディスプレイ・デバイスが約１０ミクロンのピクセル幅を有する場合）。より詳細には、副解像度光位相変調は、検出器において副解像度強度変化（例えば、静止スペックル・パターン）を与える。
【０１０４】
膜内で観察される渦は、ｍ＝＋１およびｍ＝−１のタイプの渦であると記述できるが、一般には歪んでいる。渦のｍ＝＋／−１の性質は、各渦から出ている向かい合う２つの暗い干渉縞、および向かい合う２つの明るい干渉縞があるので明らかである。ｍ＝＋１とｍ＝−１の渦の分布は一般に同じで、よく分散している。高次の渦は観察されなかったが、考えられるところでは存在する可能性がある。試料を交差偏光子の間で回転したときに干渉縞がどちらの方向に回転するかを観察することによって、ｍ＝＋１とｍ＝−１を区別することができる。干渉縞の回転が、ｍ＝＋１では試料の回転の反対方向になり、ｍ＝−１では試料の回転と同じ方向になる。
【０１０５】
２つの渦が相互作用する場合のＬＣＰダイレクタの配向分布を示すために、いくつかの簡単な数学モデルを用いた。図２４、２５および２６に計算結果が示されており、図はそれぞれ、近接する２つのｍ＝＋１の渦、近接する２つのｍ＝−１の渦、および近接するｍ＝−１とｍ＝＋１の渦のまわりで、ＬＣＰダイレクタ配向がどのようにふるまうかを大まかに示す。
【０１０６】
有利なことに、上述の無配向ＬＣＰ製造技術では、空間的に変えられる遅軸を有するＨＷＰを実現し、遅軸変化は離散的ではなく連続的である。したがって、このＬＣＰのＨＷＰは、透明なピクセル化電極構造を有する電子的にアドレス指定されるＬＣ、および／またはテクスチャ表面を有する従来技術の拡散器と関連した個別ステップによって制限されない。さらに、ＬＣＰのＨＷＰの連続的に変えられる遅軸がランダムに、または疑似ランダムに分布するので（例えばＬＣＰは、硬化される前にランダムに配向された配向層、または無配向の配向層の上にコーティングされる）、その製造では特定の標的に一致させる必要がなく、この結果、ＬＣＰの近ＨＷＰは、従来技術の拡散器よりも製造するのが簡単になる。さらに、ＬＣＰのＨＷＰは、テクスチャ表面を有する従来技術の拡散器よりも損失が少ない。
【０１０７】
さらに有利なことに、無配向ＬＣＰ製造技術は、近ＨＷＰのＸＹ面にある局所的な遅軸が、システムの１つの解像度スポット・サイズの等価物よりもずっと小さなスケールで（すなわちＨＷＰが挿入されたところの近くで）変化することを可能にする。例えば、近半波長板がマイクロディスプレイ・パネルに接近して配置されている場合、１つの解像度スポット・サイズは、ほぼ１つのＬＣピクセル・サイズに相当する。ＳＶＧＡおよび１０８０ｐのマイクロディスプレイ・パネルは、１０ミクロン未満のピクセル・ピッチを有することがある。図２３の１単位のレチクル・サイズの間に、−π／２からπ／２の相対的ダイレクタ配向の完全な発達が複数起こることに留意されたい。レチクル・サイズは、典型的なマイクロディスプレイ・パネルでは約２〜３個のピクセルの幅に相当する。これは、任意選択の直線−円偏光変換器と組み合わせて可変的に配向されるＨＷＰによってかけられる位相可変変調が、このピクセル幅の非常に小さな部分で行われることを意味する。ＬＣＰのＨＷＰによって実現される空間的に可変の位相マスクが、マイクロディスプレイ・ピクセルよりもずっと小さい粒子サイズを有するので、スペックル低減の改善が期待される。
【０１０８】
さらに有利なことに、ＬＣＰのＨＷＰは入力直線偏光レーザ光を攪乱しないことが分かった。後者に関しては、高渦ＬＣＰのＨＷＰのいくつかの例で特徴がミュラー行列旋光計を用いて調べられた。これらの実験では、約２ｍｍ幅の光ビームが垂直入射で試料に入射された。試料の完全なミュラー行列データが波長スペクトル全体にわたって収集された。
【０１０９】
図２７を参照すると、波長の関数として減偏光率のグラフが示されている。減偏光率（Ｄｅｐ．Ｉｎｄｅｘ）は次式で定義される。
【０１１０】
【数１６】
ここでＭは試料のミュラー行列であり、ｍｉｊはＭの（ｉ行、ｊ列）にある行列要素であり、ｉもｊも０から３までの範囲にある。ここでの定義では、０の単位のＤｅｐ（Ｍ）は非減偏光ミュラー行列に等しく、１の単位は理想偏光子に等しい。
【０１１１】
図２７の他のグラフは、所与の入力偏光についての減偏光度（ＤＯｄＰ）の計算結果を示す。減偏光度は、所与のストークス・ベクトルＳの偏光度の補数として定義される。
【０１１２】
【数１７】
いくつかの周知の偏光での減偏光度を計算するために、測定された試料のミュラー行列に入力ストークス・ベクトルを乗算する。グラフ中の表示の「Ｈ」、「Ｖ」、「Ｐ」、「Ｍ」、「Ｌ」および「Ｒ」はそれぞれ、直線水平入力偏光、直線垂直入力偏光、直線π／４入力偏光、直線−π／４入力偏光、左旋円入力偏光、および右旋円入力偏光に対応する。この行列演算は、収集された資料データに次式を用いて適用される。
【０１１３】
【数１８】
【０１１４】
図２７に示された結果では、すべての偏光状態が入力ビーム中に存在するとすれば、減偏光率はほぼ減偏光度の平均になっている。空間的に変えられる遅軸を有して製造されたＨＷＰが、設計波長での円偏光入力の両方の旋光性でほとんどまたはまったく減偏光を示さないことに注意されたい。この円偏光入力条件は、前段のＱＷＰ偏光変換によりスペックル除去デバイスにおいて満たされる。したがって、ＬＣＰのＨＷＰは、１つの光線入力の閉ループ偏光変換に際して入力直線偏光を維持するだけでなく、直径が数ミリメートルの領域を照明する光線束によって入力偏光を攪乱することもないことが示された。
【０１１５】
空間的に変化するＨＷＰ光軸配向によってつくり出される一連の位相マスクが、知覚されるスペックル・ノイズを低減させるのに効果的であることを実証するために、一連の数値モデル化が実施された。スペックル除去デバイスおよび粗いスクリーンを含む基礎のシステムでは、スペックル除去デバイスによる照明変調がさらに、粗いスクリーン上で光路変調によって変調される。ディスプレイ・パネルをさらに含む全投射型システムでは、スペックル除去デバイスの位相マスクを載せる物体波面がさらに、ディスプレイ・パネル・ピクセルにおいて振幅、位相、偏光、またはこれらの組合せの変調を受ける。次に、この波面は、粗いスクリーンの位相パターンで変調される。正味変調パターンは検出器に投射される。マイクロディスプレイは、コヒーレント照明レーザ波長のいくつかの倍数のランダムな光路長変調の発生源になるとは考えられず、したがって、スペックルを発生させるとは考えられない。マイクロディスプレイは通常、ピクセル化構造により格子パターンを含み、この格子パターンは、コヒーレント・レーザ光源を利用するプロジェクタ・システムにおいて回折効果を引き起こす。この効果はここではモデル化されていない。
【０１１６】
前述のスペックル画像化モデルは、５１２×５１２の格子点からなる追加ランダム位相マスクを含むように変更された。このモデル化は、静的ではあるがランダムな位相マスクが、粗い投射スクリーンによって検出器積分期間にわたってもたらされると想定する。各計算期間において、別の位相マスクが生成されて、スペックル除去デバイスの機能を表す。これらの２つのマスクは互いに乗算されて、検出器のところで有効複素振幅光場が得られる。位相マスクは、複素振幅変調に変換され、３ゾーン・パネル変調と乗算される。積分期間にわたる検出画像は、スペックル除去デバイスにより積分期間にわたる１６０組までのＸＹランダム位相変調について図２８（ａ）から図２８（ｄ）に示されている。図２８（ａ）を参照すると、静止位相マスクは、スクリーンによる静止スペックル・パターンとのその相互作用の後では、どのようにしても知覚されるスペックルを低減させる助けにならないことが明らかである。図２８（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を参照すると、位相マスクの数がそれぞれ１０から１００、１６０へと増加されるにつれて、スペックル粒子が小さくなり、また平均検出強度からの偏差が縮小されることが明らかである。
【０１１７】
±πまでのランダム位相マスクを用いると（均一な分布、またはπの１σを有する正規（ガウス）分布を使用して）、結果として得られる各瞬間画像で約５０％のスペックル・コントラスト比を生じる。多数のインコヒーレント画像を合計することによって、スペックル比は低下し始める。生成されるスペックル画像数へのスペックル・コントラスト比の依存性が図２９に示されている。最初の１０枚の画像では、統合される各追加画像ごとのスペックル・コントラストの低下が急峻である。５０枚の画像の後に統合される追加の画像では、スペックル・コントラストは横ばいになり始める。この比を＜１０％および＜８％に保つという典型的な要件では、１００枚から１６０枚の完全に相関がないスペックル・パターンが必要であることをこのモデルは示唆することに留意されたい。位相変調が部分的にだけ相関がない場合には、試料の知覚されるスペックル比では位相マスクの数が増加する。
【０１１８】
上記の実施形態のそれぞれで、空間的に変えられる遅軸を有する近半波長リターダー（例えば３１０、３１０ａ、４１０）は、空間的に変えられる遅軸がそこを通過する光に位相マスクを課すように製造される。この位相マスクは、光ビームをインコヒーレント・スペックル・パターンに対応する空間干渉パターンでコード化するために使用されるが、通常は、検出器（例えば二乗検波器または人間の眼）の解像度スポットのサイズよりもずっと小さく、かつ／またはディスプレイ・パネル内のピクセルのサイズよりもずっと小さい位相セル・サイズ（すなわち、一定の位相または局所的に一律のリターダー軸を伴う別個の領域のサイズ）を有する。一般に、空間的に変えられる遅軸を有するＨＷＰリターダーが電子的にアドレス指定可能である場合には、位相マスクはピクセル化されるのに対して、空間的に変えられる遅軸を有するＨＷＰリターダーがＬＣＰをベースとする場合には、位相マスク内の位相セルはランダムに分散され、かつ／または不規則に形づくられる。それぞれの場合で、位相マスクは、０とπの間で連続の位相シフトを与えることができ（例えば、スイッチング中に中間の位相シフトが起こる電子的にアドレス指定可能なＨＷＰに対し、また空間的に変えられる遅軸ＬＣＰをベースとするＨＷＰに対し）、あるいは０とπの位相シフトが優勢になるように与えることができる（例えば、スイッチング時間がエンドポイント状態でピクセルの休止時間よりもずっと短く、かつ周期的な時間間隔ですべてのピクセルが同時に任意選択でスイッチングする、電子的にアドレス指定可能なＨＷＰで）。それぞれの場合で、スペックル・コントラストは、位相セル・サイズがレーザ照明システムの解像度スポットのサイズよりもずっと小さい（例えば、検出器の解像度スポットよりもずっと小さく、かつ／またはディスプレイ・パネル内のピクセルのサイズよりもずっと小さい）場合に最も低減される。
【０１１９】
検出器の解像度スポットを評価するために、スペックル除去デバイスがマイクロディスプレイ・パネルに近接して配置されると想定する。投射光学部品の倍率にかかわらず、観測者は通常、マイクロディスプレイによって変調された画像の画素を識別することができる。透過型でも反射形でも最も高い解像度のマイクロディスプレイ・パネルはＬＣをベースとするものであり、約５〜１０ピクセル・ピッチが得られる。ＤＭＤをベースとするマイクロディスプレイは通常、各ピクセルにマイクロメカニカル・アクチュエータが必要であるために、より大きいピクセル・ピッチを持つ。
【０１２０】
図３１を参照すると、スペックル除去デバイス１４０上の照明される領域のフットプリントが、マイクロディスプレイ・パネルの仮想の行×列の解像度に分割されている。照明の断面は仮想的なＩ行とＪ列を有する。必要な位相区画を示すために１つのマイクロディスプレイ・ピクセルに対応する領域が拡大されている。ボイリング・スペックル・パターンを平均するために、各区画内の位相値は、検出器積分間隔にわたって高速で変えられなければならない。
【０１２１】
一般に、人間の眼の積分時間は約２０ｍｓと５０ｍｓの間である（例えば、人間の眼が変化を検出する時間は少なくとも２０ｍｓである）。したがって、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷリターダーがＬＣをベースとするものである場合には、検出器積分期間にわたる高速位相変調は、電子スイッチングを適切な高い速度に選択することによって行われる。空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷリターダーがＬＣＰをベースとするものである場合には、検出器積分期間にわたる高速位相変調は、近ＨＷＰを適切な速度で並進移動させることによって行われる。
【０１２２】
例えば、図２１（ｃ）に示された近半波長板を回転させることを考える。一般に、入射コヒーレント光ビームは、最も近くで照明される縁部が回転軸から距離ｌになるように、また最も遠くで照明される縁部が回転軸から距離Ｌになるように、回転軸（例えば回転の中心）からオフセットされた近ＨＷＰの小さな領域を照明し、回転するＨＷＰの有効経Ｋの半径はＬよりも長くなっている。各ディスプレイ・ピクセル・ピッチｄが１０ミクロンに等しく、スペックル除去デバイス面の最大解像度スポットが１０ミクロンであると想定すると、最小回転速度は次のように計算することができる。検出器が２倍速の１２０Ｈｚの検出器積分期間を有し（例えば、Δｔが１／１２０ｓすなわち８．３３ｍｓに等しい）、１６０組の位相パターンが、＜８％の知覚されるスペックル・コントラスト比を与えるように１つの積分期間内で平均される場合、各位相パターンの時間間隔Δｔ１は約５２μｓになる。最小線速度ｖはｖ＝ｄ／Δｔ１から計算され、したがって１０μｍ／５２μｓ、すなわち１９２ｍｍ／ｓに等しい。スピンドルからの最小直線距離ｌが６ｍｍに等しいと想定すれば、最小角速度ω＝ｖ／ｌは１９２ｍｍ／ｓ／６ｍｍ、すなわち３２ｒａｄ／ｓになる。毎秒回転数（ｒｐｓ）に換算して、これは約５ｒｐｓすなわち３０６ｒｐｍの角速度になる。この角速度は、照明される領域全体にわたって一定とすることができ、局所の線速度は、スピンドル位置からのその距離に比例することに留意されたい。照明される領域の最小距離が減少する場合には、検出される画像内で必要なスペックル比を維持するために、速度を増大させなければならない。
【０１２３】
本発明の一実施形態によれば、上述のスペックル除去デバイスの１つ（例えば３００、３００ａ、４００）は、有限の開口、および検出器１８０の有限の積分時間から生じるスペックル効果を低減させるために、図１に示されたスペックル除去デバイス１４０として使用される。一実施形態では、スペックル除去デバイス（例えば３００、３００ａ、４００）は、照明アーム内に挿入される。別の実施形態では、スペックル除去デバイス（例えば３００、３００ａ、４００）は、投射アーム内に挿入される。一般に、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷリターダー（例えば３１０、３１０ａ、４１０）であって、スペックル除去デバイスにおいてレーザ照明面の全体にわたって空間的に可変かつ／またはランダムな位相変調を生じさせる近ＨＷリターダーは、スペックル除去デバイスが挿入された面に沿った解像度スポットの等価物よりもずっと小さい空間領域サイズで変化する遅軸変化を有する。スペックル除去デバイスがマイクロディスプレイ・パネル１５０の近傍に配置される場合には、位相変調面の解像度スポットは、マイクロディスプレイ・パネル１５０のピクセル・サイズとほぼ同じサイズであると想定することができる。この場合、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷリターダー（例えば３１０、３１０ａ、４１０）の粒子サイズ（すなわち１区画または１位相セル）は、マイクロディスプレイ・パネルのピクセル・サイズよりも小さくなる。
【０１２４】
図２０（ａ）および図２１（ａ）に関して説明した実施形態では、スペックル除去デバイス３００、４００は、入力レーザ光の直線偏光軸に対して有効光軸がπ／４に配向された第１のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）３２４、４２４と、入力レーザ光の直線偏光軸に対して有効光軸がやはりπ／４に配向された第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）３２６、４２６とを含み、その結果、出力光の偏光が入力光の偏光と平行になるように示されている。別の実施形態では、第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）の有効光軸は、出力光の偏光が入力光の偏光と垂直になるように、入力レーザ光の直線偏光軸に対して−π／４に配向される。別の実施形態では、第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）の有効光軸は、入力レーザ光の直線偏光軸に対して別のある角度に配向される。それぞれの場合で、第１および第２のＱＷＰまたはＡＱＷＰは有利なことに、システムの直線偏光を維持し、したがって、偏光をベースとするディスプレイ・システムの輝度を増大させるのに非常に有用である。別の実施形態では、第２のＱＷＰは省略される。実際のところ、ディスプレイ・パネルが偏光をベースとするもの（例えばＬＣＤマイクロディスプレイ・パネル）である実施形態では、第２のＱＷＰは有用であるが、ディスプレイ・パネルが偏光をベースとするものではない場合（例えば変形可能マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ））では、その有用性が小さい。
【０１２５】
もちろん、上記の実施形態は例としてのみ提供した。様々な改変形態、代替構成、および／または等価物が本発明の範囲から逸脱することなく使用されることは、当業者には理解されよう。例えば上述の実施形態は、空間的に変えられる遅軸を有するＬＣベースの近ＨＷＰ（例えば電子的に駆動されるもの、またはＬＣＰ）を含むとして説明したが、本発明の他の実施形態では、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷＰは、他の複屈折材料をベースとする。例えば一実施形態では、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷＰは、有機延伸ポリマー箔または不均一な配向結晶の波長板を含む。さらに、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷＰを単一要素として説明したが、空間的に変えられる遅軸を有する近ＨＷＰが別の要素と結合されることもまた本発明の範囲内にある。例えば本発明の一実施形態では、近ＨＷＰおよび／またはＱＷＰは、波長板の受光角を改善する（例えば、入射角の関数として変化する位相リターダンスを与える）構造性複屈折誘電体の薄形コーティングで覆われる。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【０１２６】
１００ システム
１０５ ベースライン・プロジェクタ・システム
１１０ 光源、レーザ源
１２０ ビーム成形光学部品
１２１ 理想レンズ
１４０ スペックル除去デバイス
１４５ フラット位相面
１５０ ディスプレイ・パネル
１６０ 投射光学部品
１７０ ディスプレイ・スクリーン
１８０ 検出器、観測者
３００ スペックル除去デバイス
３００ａ スペックル除去デバイス
３１０ 近半波リターダー、近ＨＷＰ、ＬＣリターダー
３１０ａ 近半波リターダー、近ＨＷＰ、ＬＣリターダー
３１２ 面内スイッチング（ＩＰＳ）材
３１２ａ 面内スイッチング（ＩＰＳ）材
３１４ 第１の平行板
３１４ａ 第１の平行板
３１６ 第２の平行板
３１６ａ 第２の平行板
３２０ アクチュエータ
３２０ａ アクチュエータ
３２４ 第１のＱＷ層（または多層ＡＱＷＰ）
３２６ 第２のＱＷ層（または多層ＡＱＷＰ）
３２７ 有効光軸
４００ スペックル除去デバイス
４１０ 近半波リターダー
４２４ 第１のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）
４２５ 有効光軸
４２６ 第２のＱＷＰ（または多層ＡＱＷＰ）
４２７ 有効光軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる方法であって、
光ビーム中にスペックル除去デバイスを挿入すること、ここで前記光ビームが、レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出された光を含み、前記スペックル除去デバイスが、前記コヒーレント・レーザから放出された前記光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーションを与えるための光リターダーを含み、前記光リターダーが、実質的に一定のリターダンス、および空間的に変えられる遅軸を有し、前記空間的に変えられる遅軸が、前記光ビームに位相マスクを課すためのものであり、前記位相マスクが、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行うためのものであり、および
前記副解像度光位相変調が前記検出器の積分時間内で変えられるように、かつ検出された１つの解像度スポットと別のものとの間の強度不均一性が低減されるように前記光リターダーを駆動することを含む方法。
【請求項２】
前記光リターダーを駆動することが、前記検出器の前記積分時間内で前記光ビームの断面の副区画が前記位相マスクの複数の領域をサンプリングするように、前記光リターダーを回転させることおよび振動させることの一方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光リターダーを駆動することが、液晶セル内の局所的な遅軸方向が前記検出器の前記積分時間内に前記セルの面内で回転するように、液晶セルを電子的に駆動することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる装置であって、
レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出される光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーションを与えるための光リターダーを含み、前記光リターダーが、実質的に一定のリターダンス、および空間的に変えられる遅軸を有し、前記空間的に変えられる遅軸が、光ビームに位相マスクを課すためのものであり、前記光ビームが、前記コヒーレント・レーザから放出される光を含み、前記位相マスクが、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行うためのものであるスペックル除去デバイスと、
前記副解像度光位相変調が前記検出器の積分時間内で変えられるように、かつ検出された１つの解像度スポットと別のものとの間の強度不均一性が低減されるように前記光リターダーを駆動するアクチュエータとを備える装置。
【請求項５】
前記スペックル除去デバイスが、前記光ビームを、第１の偏光を有して直線偏光された光から第１の旋光性を有して円偏光された光に変換するために前記光リターダーの第１の側に配置された第１の４分の１波長板を含み、前記第１の４分の１波長板の軸が前記第１の偏光に対して実質的に±４５°に向けられる、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記スペックル除去デバイスが、反対の第２の旋光性を有して円偏光された光を、第２の偏光を有して直線偏光された光に変換するために前記光リターダーの反対側の第２の側に配置された第２の４分の１波長板を含み、前記第２の４分の１波長板の軸が前記第１の偏光に対して実質的に±４５°に向けられ、前記第２の偏光が前記第１の偏光に対して垂直および平行のうちの一方であり、それによって、空間的に変えられる遅軸を有する前記光リターダーが、前記副解像度光位相変調が幾何位相変調になるように、前記光リターダーの局所的な遅軸の向きに従って、前記第１の旋光性を有して前記円偏光された光を前記第２の旋光性を有して前記円偏光された光に変換する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２の４分の１波長板が色消し４分の１波長板である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記光リターダーが、第１と第２の板の間に配置された液晶を含み、前記アクチュエータが、前記液晶の領域の横方向全体にわたって電圧を印加するための複数のパターン化電極を含み、前記印加電圧が、前記液晶の局所的な遅軸方向をその面内で回転させるものであり、かつ変えられた前記副解像度光位相変調を提供するものである、請求項４から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記空間的に変えられる遅軸が固定され、前記光ビームの断面の副区画が前記位相マスクの複数の領域をサンプリングし、かつ変えられた前記副解像度光位相変調を提供するように、前記アクチュエータが光リターダーを動かすためのモータを含む、請求項４から７のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記モータが、前記光リターダーの直線並進移動および回転並進移動のうちの一方を実現する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記光リターダーが液晶ポリマーを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記液晶ポリマーが、無配向、ランダム配向、および疑似ランダム配向の配向層のうちの１つの上にコーティングされる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記配向層が線状重合可能ポリマーを含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記空間的に変えられる遅軸が複数の遅軸方向を含み、各遅軸方向が実質的に前記光リターダーの面と平行である、請求項４から７のいずれかに記載の装置。
【請求項１】
レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる方法であって、
光ビーム中にスペックル除去デバイスを挿入すること、ここで前記光ビームが、レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出された光を含み、前記スペックル除去デバイスが、前記コヒーレント・レーザから放出された前記光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーションを与えるための光リターダーを含み、前記光リターダーが、実質的に一定のリターダンス、および空間的に変えられる遅軸を有し、前記空間的に変えられる遅軸が、前記光ビームに位相マスクを課すためのものであり、前記位相マスクが、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行うためのものであり、および
前記副解像度光位相変調が前記検出器の積分時間内で変えられるように、かつ検出された１つの解像度スポットと別のものとの間の強度不均一性が低減されるように前記光リターダーを駆動することを含む方法。
【請求項２】
前記光リターダーを駆動することが、前記検出器の前記積分時間内で前記光ビームの断面の副区画が前記位相マスクの複数の領域をサンプリングするように、前記光リターダーを回転させることおよび振動させることの一方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光リターダーを駆動することが、液晶セル内の局所的な遅軸方向が前記検出器の前記積分時間内に前記セルの面内で回転するように、液晶セルを電子的に駆動することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
レーザ照明システムにおけるスペックルを低減させる装置であって、
レーザ照明システム内のコヒーレント・レーザから放出される光に実質的に半波の奇整数倍のリターデーションを与えるための光リターダーを含み、前記光リターダーが、実質的に一定のリターダンス、および空間的に変えられる遅軸を有し、前記空間的に変えられる遅軸が、光ビームに位相マスクを課すためのものであり、前記光ビームが、前記コヒーレント・レーザから放出される光を含み、前記位相マスクが、検出器上の解像度スポットに対して副解像度光位相変調を行うためのものであるスペックル除去デバイスと、
前記副解像度光位相変調が前記検出器の積分時間内で変えられるように、かつ検出された１つの解像度スポットと別のものとの間の強度不均一性が低減されるように前記光リターダーを駆動するアクチュエータとを備える装置。
【請求項５】
前記スペックル除去デバイスが、前記光ビームを、第１の偏光を有して直線偏光された光から第１の旋光性を有して円偏光された光に変換するために前記光リターダーの第１の側に配置された第１の４分の１波長板を含み、前記第１の４分の１波長板の軸が前記第１の偏光に対して実質的に±４５°に向けられる、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記スペックル除去デバイスが、反対の第２の旋光性を有して円偏光された光を、第２の偏光を有して直線偏光された光に変換するために前記光リターダーの反対側の第２の側に配置された第２の４分の１波長板を含み、前記第２の４分の１波長板の軸が前記第１の偏光に対して実質的に±４５°に向けられ、前記第２の偏光が前記第１の偏光に対して垂直および平行のうちの一方であり、それによって、空間的に変えられる遅軸を有する前記光リターダーが、前記副解像度光位相変調が幾何位相変調になるように、前記光リターダーの局所的な遅軸の向きに従って、前記第１の旋光性を有して前記円偏光された光を前記第２の旋光性を有して前記円偏光された光に変換する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２の４分の１波長板が色消し４分の１波長板である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記光リターダーが、第１と第２の板の間に配置された液晶を含み、前記アクチュエータが、前記液晶の領域の横方向全体にわたって電圧を印加するための複数のパターン化電極を含み、前記印加電圧が、前記液晶の局所的な遅軸方向をその面内で回転させるものであり、かつ変えられた前記副解像度光位相変調を提供するものである、請求項４から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記空間的に変えられる遅軸が固定され、前記光ビームの断面の副区画が前記位相マスクの複数の領域をサンプリングし、かつ変えられた前記副解像度光位相変調を提供するように、前記アクチュエータが光リターダーを動かすためのモータを含む、請求項４から７のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記モータが、前記光リターダーの直線並進移動および回転並進移動のうちの一方を実現する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記光リターダーが液晶ポリマーを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記液晶ポリマーが、無配向、ランダム配向、および疑似ランダム配向の配向層のうちの１つの上にコーティングされる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記配向層が線状重合可能ポリマーを含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記空間的に変えられる遅軸が複数の遅軸方向を含み、各遅軸方向が実質的に前記光リターダーの面と平行である、請求項４から７のいずれかに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４（ａ）】
【図４（ｂ）】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１０（ｃ）】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６（ａ）】
【図１６（ｂ）】
【図１６（ｃ）】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０（ａ）】
【図２０（ｂ）】
【図２０（ｃ）】
【図２０（ｄ）】
【図２１（ａ）】
【図２１（ｂ）】
【図２１（ｃ）】
【図２１（ｄ）】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２】
【図３】
【図４（ａ）】
【図４（ｂ）】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１０（ｃ）】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６（ａ）】
【図１６（ｂ）】
【図１６（ｃ）】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０（ａ）】
【図２０（ｂ）】
【図２０（ｃ）】
【図２０（ｄ）】
【図２１（ａ）】
【図２１（ｂ）】
【図２１（ｃ）】
【図２１（ｄ）】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【公開番号】特開２００９−２５８７３８（Ｐ２００９−２５８７３８Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−９８４９０（Ｐ２００９−９８４９０）
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】４３０ Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｍｉｌｐｉｔａｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ９５０３５， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９８４９０（Ｐ２００９−９８４９０）
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】４３０ Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｍｉｌｐｉｔａｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ９５０３５， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
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