特開 2021-173919 レーザー装置、投射型画像表示装置及びセンシング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-173919(P2021-173919A)

(43)【公開日】2021年11月1日

(54)【発明の名称】レーザー装置、投射型画像表示装置及びセンシング装置

(51)【国際特許分類】

   G03B 21/14 20060101AFI20211004BHJP

   H04N 5/74 20060101ALI20211004BHJP

【ＦＩ】

   G03B21/14 A

   H04N5/74 A

   H04N5/74 H

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2020-79142(P2020-79142)

(22)【出願日】2020年4月28日

(11)【特許番号】特許第6816322号(P6816322)

(45)【特許公報発行日】2021年1月20日

(71)【出願人】

【識別番号】000108410

【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(74)【代理人】

【識別番号】100114937

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 裕幸

(72)【発明者】

【氏名】金杉 駿介

(72)【発明者】

【氏名】渋谷 和幸

【テーマコード（参考）】

2K203

5C058

【Ｆターム（参考）】

2K203FA09

2K203FA25

2K203FA32

2K203FA44

2K203FA54

2K203GA36

2K203GA40

2K203HA74

2K203HA92

2K203HB25

2K203MA08

5C058BA08

5C058BA35

5C058EA02

5C058EA05

5C058EA13

5C058EA26

5C058EA27

(57)【要約】

【課題】スペックルノイズを低減できるレーザー装置を提供することを目的とする。
【解決手段】このレーザー装置は、レーザー光源と、前記レーザー光源から出力された光をコリメートするコリメートレンズと、前記レーザー光源からの光をコリメートする前に拡散する拡散板と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー光源と、
前記レーザー光源から出力された光をコリメートするコリメートレンズと、
前記レーザー光源からの光をコリメートする前に拡散する拡散板と、を備える、レーザー装置。

【請求項2】

前記拡散板は、前記レーザー光源の出力面を覆うカバー部材である、請求項１に記載のレーザー装置。

【請求項3】

前記レーザー光源から出力された光の第１方向の広がり角をＬ_ｘ、前記第１方向と直交する第２方向の広がり角をＬ_ｙとし、
前記拡散板を通過した光の前記第１方向の広がり角をθ_ｘ、前記第２方向の広がり角をθ_ｙとした際に、
θ_ｘ／Ｌ_ｘ＜１．５５、かつ、θ_ｙ／Ｌ_ｙ＜１．５５を満たす、請求項１又は２に記載のレーザー装置。

【請求項4】

前記レーザー光源から出力された光の第１方向の広がり角をＬ_ｘ、前記第１方向と直交する第２方向の広がり角をＬ_ｙとし、
前記拡散板を通過した光の前記第１方向の広がり角をθ_ｘ、前記第２方向の広がり角をθ_ｙとし、
前記拡散板の拡散角をθ_ｄとし、
θ_ｄ／Ｌ_ｘをａ、θ_ｘ／Ｌ_ｘをｂ、θ_ｄ／Ｌ_ｙをｃ、θ_ｙ／Ｌ_ｙをｄとした際に、
０．０６４１×ａ^２＋０．０３２１×ａ＋０．９＜ｂ＜０．０６４１×ａ^２＋０．０３２１×ａ＋１．０９、
かつ、
０．０６４１×ｃ^２＋０．０３２１×ｃ＋０．９＜ｄ＜０．０６４１×ｃ^２＋０．０３２１×ｃ＋１．０９を満たす、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザー装置。

【請求項5】

前記レーザー光源から出力された光の第１方向の広がり角をＬ_ｘ、前記第１方向と直交する第２方向の広がり角をＬ_ｙとし、
前記拡散板の拡散角をθ_ｄとした際に、
０＜θ_ｄ／Ｌ_ｘ＜２．９５、かつ、０＜θ_ｄ／Ｌ_ｙ＜２．９５を満たす、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザー装置。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザー装置と、前記レーザー装置から出力された光を投影する光学系と、を備える、投射型画像表示装置。

【請求項7】

請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザー装置と、前記レーザー装置からの光を物体に照射する光学系と、前記物体からの光を検知するセンサーと、を備える、センシング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー装置、投射型画像表示装置及びセンシング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザー光は、様々な用途で用いられている。例えば、レーザーを光源とした画像表示装置、センサー（例えば、ＴｏＦ（Time of Flight）センサー、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）センサー）が知られている。

【0003】

例えば、特許文献１及び２には、半導体ダイオードをレーザーチップとしたレーザー装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３１８７４８２号公報

【特許文献2】特開２０１５−２３３０５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

レーザーを画像表示装置やセンサー等に用いるとスペックルノイズが生じる。スペックルノイズは、被照射物（例えばスクリーン）における拡散作用と、コヒーレントなレーザー光との干渉によりランダムな細かい干渉パターンがノイズとして生じたものである。

【0006】

スペックルノイズは、例えば、画像の画質を著しく低下させる原因となる。スペックルノイズを低減させるために、レーザー装置から出力した後の光学系で光を処理することが行われている。例えば、複数のレーザー装置を用い複数の波長又は偏光の光を重ねる試み、レーザー装置から出力したコヒーレント光を拡散させる試み、レーザー装置から出力した光の光線の角度や偏光を混ぜる試み等がされている。しかしながら、これらの方法を用いてもスペックルノイズを十分抑制することは難しい。また光学系を配置する分、装置全体が大きくなるという問題もある。

【0007】

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スペックルノイズを低減できるレーザー装置、投射型画像表示装置及びセンシング装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0009】

第１の態様にかかるレーザー装置は、レーザー光源と、前記レーザー光源から出力された光をコリメートするコリメートレンズと、前記レーザー光源からの光をコリメートする前に拡散する拡散板と、を備える。

【0010】

上記態様にかかるレーザー装置において、前記拡散板は、前記レーザー光源の出力面を覆うカバー部材であってもよい。

【0011】

上記態様にかかるレーザー装置は、前記レーザー光源から出力された光の第１方向の広がり角をＬ_ｘ、前記第１方向と直交する第２方向の広がり角をＬ_ｙとし、前記拡散板を通過した光の前記第１方向の広がり角をθ_ｘ、前記第２方向の広がり角をθ_ｙとした際に、θ_ｘ／Ｌ_ｘ＜１．５５、かつ、θ_ｙ／Ｌ_ｙ＜１．５５を満たしてもよい。

【0012】

上記態様にかかるレーザー装置は、前記レーザー光源から出力された光の第１方向の広がり角をＬ_ｘ、前記第１方向と直交する第２方向の広がり角をＬ_ｙとし、前記拡散板を通過した光の前記第１方向の広がり角をθ_ｘ、前記第２方向の広がり角をθ_ｙとし、前記拡散板の拡散角をθ_ｄとし、θ_ｄ／Ｌ_ｘをａ、θ_ｘ／Ｌ_ｘをｂ、θ_ｄ／Ｌ_ｙをｃ、θ_ｙ／Ｌ_ｙをｄとした際に、
０．０６４１×ａ^２＋０．０３２１×ａ＋０．９＜ｂ＜０．０６４１×ａ^２＋０．０３２１×ａ＋１．０９、
かつ、
０．０６４１×ｃ^２＋０．０３２１×ｃ＋０．９＜ｄ＜０．０６４１×ｃ^２＋０．０３２１×ｃ＋１．０９を満たしてもよい。

【0013】

上記態様にかかるレーザー装置は、前記レーザー光源から出力された光の第１方向の広がり角をＬ_ｘ、前記第１方向と直交する第２方向の広がり角をＬ_ｙとし、前記拡散板の拡散角をθ_ｄとした際に、０＜θ_ｄ／Ｌ_ｘ＜２．９５、かつ、０＜θ_ｄ／Ｌ_ｙ＜２．９５を満たしてもよい。

【0014】

第２の態様にかかる投射型画像表示装置は、上記態様にかかるレーザー装置と、前記レーザー装置から出力された光を投影する光学系と、を備える。

【0015】

第３の態様にかかる投射型画像表示装置は、上記態様にかかるレーザー装置と、前記レーザー装置からの光を物体に照射する光学系と、前記物体からの光を検知するセンサーと、を備える。

【発明の効果】

【0016】

上記態様にかかるレーザー装置は、スペックルノイズを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態に係るレーザー装置の模式図である。

【図2】第１実施形態に係るレーザー装置の特徴部分を拡大した断面図である。

【図3】第１実施形態に係る拡散板の平面図である。

【図4】第１実施形態に係る拡散板の断面図である。

【図5】第１実施形態に係る拡散板の拡散角の定義を説明するための模式図である。

【図6】第１実施形態に係るレーザー光源及び拡散板からの光の広がり角の定義を説明するための模式図である。

【図7】第１変形例に係るレーザー装置の模式図である。

【図8】第１適用例に係る投射型画像表示装置の模式図である。

【図9】第２適用例に係る投射型画像表示装置の模式図である。

【図10】第３適用例に係る投射型画像表示装置の模式図である。

【図11】第４適用例に係るセンシング装置の模式図である。

【図12】第５適用例に係るセンシング装置の模式図である。

【図13】実施例１〜８及び比較例１の評価に用いた光学系の模式図である。

【図14】実施例１〜８及び比較例１の結果をまとめたグラフである。

【図15】実施例９〜３６及び比較例２〜４の結果をまとめたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

【0019】

「レーザー装置」
図１は、第１実施形態にかかるレーザー装置１００の模式図である。レーザー装置１００は、レーザー光源１０と拡散板２０とコリメートレンズ３０とを有する。レーザー装置１００は、少なくともレーザー光源１０をカバーするキャップ４０を有してもよい。またレーザー装置１００は、拡散板２０とコリメートレンズ３０との間に、図示略の波長板等を有してもよい。

【0020】

まず方向について定義する。拡散板２０が広がる面をｘｙ平面とし、ｘｙ平面の任意の方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、第１方向の一例である。ｙ方向は、第２方向の一例である。また拡散板２０に対して直交する方向をｚ方向とする。

【0021】

レーザー光源１０は、特に問わない。レーザー光源１０は、例えば、半導体レーザー、ビクセル（ＶＣＳＥＬ）レーザー、半導体励起固体（ＤＰＳＳ）レーザー等である。レーザー光源１０の出力帯域は、用途に合わせて選択でき、例えば、可視域から赤外領域である。可視域から赤外領域の光の波長は、例えば、４００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下である。

【0022】

コリメートレンズ３０は、発散したレーザー光をコリメートするレンズである。コリメートレンズ３０は、公知のものを用いることができる。コリメートレンズ３０は、後述する拡散板２０で拡散した光をコリメートし、レーザー装置１００から出力される光の指向性を高める。

【0023】

拡散板２０は、レーザー光源１０から出射した光の光路において、レーザー光源１０とコリメートレンズ３０との間にある。拡散板２０は、ｘ方向及びｙ方向に広がる。拡散板２０の第１面に光が入射し、第１面に入射した光は第２面から出射する。拡散板２０は、レーザー光源１０からの光をコリメートする前に拡散する。

【0024】

図２は、第１実施形態に係るレーザー装置１００の特徴部分を拡大した断面図である。拡散板２０は、例えば、レーザー光源１０と一体化されている。レーザー光源１０は、例えば、光源１０Ａと支持体１０Ｂとを有する。支持体１０Ｂは、光を一方向に出射するための湾曲面１０ｃを有する。湾曲面１０ｃの中央部に光源１０Ａがマウントされている。拡散板２０は、支持体１０Ｂに接続されている。支持体１０Ｂと拡散板２０とを合わせて、光源１０Ａを保護するカバー部材（キャップ４０）とみなしてもよい。支持体１０Ｂの湾曲面１０ｃと拡散板２０との間の空間は、樹脂で封止されていてもよい。拡散板２０は、必ずしもレーザー光源１０と一体化されている必要はなく、拡散板はレーザー光源１０と離間していてもよい。

【0025】

拡散板２０は、例えば、フロスト型拡散板、マイクロレンズ型拡散板である。以下、拡散板の一例としてマイクロレンズ型拡散板の場合を例にして説明する。

【0026】

図３は、第１実施形態に係る拡散板２０の平面図である。図４は、第１実施形態に係る拡散板２０の断面図である。図４は、図３におけるＡ−Ａ線に沿って拡散板２０を切断した断面である。

【0027】

拡散板２０は、例えば、ｚ方向からの平面視で、複数のマイクロレンズ２１が行列状に配列している。マイクロレンズ２１のそれぞれは、例えば、略矩形である。マイクロレンズ２１は、略矩形の場合に限られず、円形、楕円形、略六角形、略三角形でもよい。マイクロレンズ２１の配列は、六方最密配列でも、ランダム配列でもよい。マイクロレンズ２１のサイズは、例えば、１００μｍ程度である。

【0028】

拡散板２０においてマイクロレンズ２１は、密に存在する。すなわち、マイクロレンズ２１の間に非レンズ領域が存在しない。そのため、マイクロレンズ２１同士の間は稜線となる。稜線の高さ、方向が不規則であると、拡散板２０による回折が抑制される。隣接する稜線は、互いに平行ではないことが好ましい。

【0029】

マイクロレンズ２１は、例えば、拡散板２０の基準面Ｒｐに対して凹む凹レンズである。マイクロレンズ２１は、例えば、基準面Ｒｐに対して突出する凸レンズでもよい。基準面Ｒｐは、ｘｙ平面と平行な面であり、第１面２０ａの最も突出した部分と接する面である。基準面Ｒｐは、例えば、拡散板２０のマイクロレンズ２１となる凹部を加工する前の基板の表面である。図４では、マイクロレンズ２１が拡散板２０の第１面２０ａのみにある例を示したが、マイクロレンズ２１は第１面２０ａと第２面２０ｂの両面にあってもよい。マイクロレンズ２１のそれぞれの曲率半径は、ランダムでもよい。

【0030】

拡散板２０は、例えば、入射する波長帯域の光を透過できる材料からなる。拡散板２０は、例えば、光学ガラス、水晶、サファイア、樹脂板、樹脂フィルムである。光学ガラスは、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、白板ガラス等である。樹脂は、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、環状オレフィン・コポリマー（ＣＯＣ）等である。光学ガラス、水晶及びサファイアの無機材料は、耐光性に優れる。また水晶、サファイアは放熱性に優れる。

【0031】

拡散板２０による光の拡散は、例えば、所定の範囲内である。拡散板２０による光の拡散の程度は、拡散板の拡散角θ_ｄ、レーザー光源１０から拡散板２０に入射する光の広がり角Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ、拡散板２０から出射する光の広がり角θ_ｘ、θ_ｙによって規定される。

【0032】

図５は、第１実施形態に係る拡散板の拡散角の定義を説明するための模式図である。拡散板２０の拡散角θ_ｄは、マイクロレンズの曲率半径Ｒ、拡散板２０の屈折率ｎ、隣接するマイクロレンズ２１の平均間隔ｐに対して以下の関係を満たす。
θ_ｄ＝２ｓｉｎ^−１｛（ｐ（ｎ−１）／２Ｒ）
拡散板２０の拡散角θ_ｄは、平行光を入射した際に、拡散板２０から出射される光の広がり角と定義することもできる。

【0033】

図６は、第１実施形態に係るレーザー光源１０及び拡散板２０からの光の広がり角の定義を説明するための模式図である。図６に示すように、レーザー光源１０から出射した光は拡散板２０に広がりながら入射する。

【0034】

レーザー光源１０から拡散板２０に入射する光の広がり角Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙは、レーザー光源１０から拡散板２０に向かう光の広がりの程度である。広がり角Ｌ_ｘは、ｘ方向の指向角半値全幅（ＦＷＨＭ）であり、広がり角Ｌ_ｙは、ｙ方向の指向角半値全幅（ＦＷＨＭ）である。指向角半値全幅は、相対放射強度がピーク値の５０％以上である角度である。

【0035】

また拡散板２０から出射する光の広がり角θ_ｘ、θ_ｙは、拡散板２０からスクリーンＳｃに向かう光の広がりの程度である。広がり角θ_ｘは、ｘ方向の指向角半値全幅（ＦＷＨＭ）であり、広がり角θ_ｙは、ｙ方向の指向角半値全幅（ＦＷＨＭ）である。拡散板２０に入射する光が平行光の場合、広がり角θ_ｘ、θ_ｙは、ｘ方向、ｙ方向のそれぞれの拡散角θ_ｄと一致する。

【0036】

拡散板２０は、例えば、θ_ｘ／Ｌ_ｘ＜１．５５、かつ、θ_ｙ／Ｌ_ｙ＜１．５５を満たす。またθ_ｘ／Ｌ_ｘ及びθ_ｙ／Ｌ_ｙの範囲は、好ましくはθ_ｘ／Ｌ_ｘ＜１．５０、かつ、θ_ｙ／Ｌ_ｙ＜１．５０を満たし、より好ましくはθ_ｘ／Ｌ_ｘ＜１．４０、かつ、θ_ｙ／Ｌ_ｙ＜１．４０を満たし、さらに好ましくはθ_ｘ／Ｌ_ｘ＜１．３、かつ、θ_ｙ／Ｌ_ｙ＜１．３を満たす。拡散板２０は、例えば、０．９＜θ_ｘ／Ｌ_ｘ、かつ、０．９＜θ_ｙ／Ｌ_ｙを満たしてもよく、１．０＜θ_ｘ／Ｌ_ｘ、かつ、１．０＜θ_ｙ／Ｌ_ｙを満たしてもよい。拡散板２０がこの条件を満たすと、拡散板２０を通過後の光が広がりすぎることを抑制できる。拡散板２０を通過後の光が広がりすぎると、コリメートレンズ３０に入射する光の入射角の角度範囲が広くなり、コリメートレンズ３０による光のコリメートの精度が低下する。

【0037】

また拡散板２０は、θ_ｄ／Ｌ_ｘをａ、θ_ｘ／Ｌ_ｘをｂ、θ_ｄ／Ｌ_ｙをｃ、θ_ｙ／Ｌ_ｙをｄとした際に、以下の関係式（１）、（２）を共に満たす。
０．０６４１×ａ^２＋０．０３２１×ａ＋０．９＜ｂ＜０．０６４１×ａ^２＋０．０３２１×ａ＋１．０９ …（１）
０．０６４１×ｃ^２＋０．０３２１×ｃ＋０．９＜ｄ＜０．０６４１×ｃ^２＋０．０３２１×ｃ＋１．０９ …（２）
拡散板２０が上記関係式を満たすと光源１０の広がり角と、拡散板２０の拡散角とを決めれば、コリメートレンズに入射する光の広がりを容易に見積もることができ、光学系の設計が容易になる。

【0038】

また拡散板２０は、例えば、０＜θ_ｄ／Ｌ_ｘ＜２．９５、かつ、０＜θ_ｄ／Ｌ_ｙ＜２．９５を満たす。またθ_ｄ／Ｌ_ｘ及びθ_ｄ／Ｌ_ｙは、好ましくは０＜θ_ｄ／Ｌ_ｘ＜２．８３、かつ、０＜θ_ｄ／Ｌ_ｙ＜２．８３を満たし、より好ましくは０＜θ_ｄ／Ｌ_ｘ＜２．５６、かつ、０＜θ_ｄ／Ｌ_ｙ＜２．５６を満たし、さらに好ましくは０＜θ_ｄ／Ｌ_ｘ＜２．２７、かつ、０＜θ_ｄ／Ｌ_ｙ＜２．２７を満たす。拡散板２０がこの条件を満たすと、スペックルノイズをより低減できる。また拡散板２０がこの条件を満たすと、市販されているレーザー装置のレーザー光源とコリメートレンズの間に配置するだけで、スペックルノイズを低減でき、汎用性に優れる。

【0039】

拡散板２０は、第１面２０ａと第２面２０ｂとのうち少なくとも一面を被覆する反射防止膜を有してもよい。反射防止膜は、例えば、低屈折率層と高屈折率層とが積層された積層膜である。低屈折率層は、例えばＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２である。高屈折率層は、例えば、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２である。ＳｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５及びＴａ_２Ｏ_５は、耐光性に優れ、高出力レーザー等によって出射される高い光密度の光が照射されても劣化しにくい。また反射防止膜は、数百ｎｍピッチの微細な凹凸が配列したモスアイ構造でもよい。

【0040】

拡散板２０は、レジスト塗布工程、露光・現像工程、エッチング工程を順に行うことで作製できる。

【0041】

レジスト塗布工程では、基板上にレジストを塗布する。基板は、加工後に拡散板２０となるものであり、拡散板２０と同様の材料である。後述するエッチング工程では、エッチングガスとしてフッ素系エッチングガス（ＣＦ_４、ＳＦ_６、ＣＨＦ_３等）を用いる場合がある。基板に含まれるＡｌ_２Ｏ_３及びアルカリ金属等は、フッ素系エッチングガスと反応して不揮発性物質となる場合がある。例えば、アルカリ金属は含有しないがＡｌ_２Ｏ_３を２７％含有するガラス基板（例えば、コーニング社製のイーグルＸＧ）をフッ素系エッチングガスでエッチングすると、エッチングされにくいＡｌ_２Ｏ_３が残り、表面に微小突起が発生し、ガラス基板の透過率が低下する。基板は、アルカリ成分の含有量が２０質量％以下であることが好ましく、１０質量％以下であることがより好ましい。基板は、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスが好ましい。レジストは、公知のものを適用できる。

【0042】

次いで、露光工程では、グレースケールマスクを介してレジストに光を照射し、レジストを露光する。露光は、例えば、グレースケールマスクを動かしながら繰り返し露光するステップアンドリピート露光を行う。ステッピングの位置精度によっては、１回の露光で形成される基本セルの間に最大で数μｍ程度の幅の繋ぎ目が生じる場合がある。このような問題を避けるために、基本セル同士が重なるように露光することが好ましい。基本セル同士を大きく重ねる場合は、複数回の露光で所望の露光量となるように調整してもよい。

【0043】

次いで、現像工程では、露光したレジストパターンを現像する。現像によりレジストの一部が除去され、表面にレジストパターンを有するレジストとなる。レジストの表面には、所望のマイクロレンズアレイと同様のレジストパターンが形成される。

【0044】

次いで、エッチング工程では、レジストを介して基板をドライエッチングする。ドライエッチングは、例えば、反応性のガスを用いて行う。ガスは、例えば、上述のフッ素系エッチングガスである。ドライエッチングによりレジストの表面に形成されたマイクロレンズアレイのパターンが、基板に転写される。基板は、第１面２０ａに複数のマイクロレンズ２１が形成された拡散板２０となる。拡散板２０の両面にマイクロレンズ２１を形成する場合は、同様の手順を、第１面２０ａと反対側の第２面２０ｂに対して行う。

【0045】

第１実施形態にかかるレーザー装置は、コリメートする前の光を先に拡散させることで、スペックルノイズを低減することができる。スペックルノイズは、被照射物（例えばスクリーン）における拡散作用と、コヒーレントなレーザー光との干渉によりランダムな細かい干渉パターンがノイズとして生じたものであり、照射される光がコヒーレント光の場合に特徴的に生じる問題である。

【0046】

第１実施形態にかかる拡散板２０は、レーザー光源１０とコリメートレンズ３０の間に配置されている。そのため、レーザー光源１０から出射した光は、拡散板２０で一度拡散された光がコリメートレンズ３０に入射する。拡散板２０を通過することで、レーザー光源１０から出射した光のコヒーレンスが低下し、スペックルノイズが低下する。

【0047】

また拡散板２０の拡散の程度を所定の範囲にすることで、スペックルノイズの低下及び光の指向性を維持することができる。レーザー光は、その指向性、直進性が特徴の一つであり、レーザー装置１００から出力される光にはこれらの特徴が求められる。一方で、指向性、直進性が高い光は、コヒーレンスが高く、スペックルノイズを生じやすい。拡散板の拡散の程度を所定の範囲にすることで、レーザー光の指向性、直進性という特徴を維持しつつ、スペックルノイズを低減することができる。

【0048】

以上、第１実施形態について詳述したが、当該例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【0049】

図７は、第１変形例に係るレーザー装置１０１の模式図である。レーザー装置１０１は、レーザー光源１１と拡散板２０とコリメートレンズ３０とを有する。レーザー装置１０１は、レーザー光源１１の構造が、レーザー装置１００と異なる。第１変形例においてレーザー装置１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

【0050】

レーザー光源１１は、複数のダイオード１１Ａを有する。ダイオード１１Ａは、例えば、ｘ方向及びｙ方向に配列する。ダイオード１１Ａのそれぞれは光を出射する。レーザー光源１１は、複数のダイオード１１Ａが集まったダイオード群からの光を出射する。拡散板２０は、ダイオード群を覆うカバー部材でもよい。

【0051】

第１変形例に係るレーザー装置１０１のように光源が複数の場合でも、同様にスペックルノイズを低減できる。またそれぞれのダイオード１１Ａから出射される光の波長等にばらつきを与えると、よりスペックルノイズを低減できる。

【0052】

また上述のレーザー装置１００、１０１は、投射型画像表示装置、センシング装置に適用できる。

【0053】

図８は、第１適用例に係る投射型画像表示装置２００の模式図である。投射型画像表示装置２００は、例えば、レーザーテレビ、ＤＬＰプロジェクタである。投射型画像表示装置２００は、複数のレーザー装置１００と光学系Ｏｐ１とを有する。

【0054】

複数のレーザー装置１００はそれぞれ、例えば、赤色Ｒと緑色Ｇと青色Ｂのいずれかを出力する。レーザー装置１００のそれぞれは、第１実施形態にかかるレーザー装置である。レーザー装置１００から出力された光のｓ偏波Ｓｐとｐ偏波Ｐｐとを重ねてもよい。

【0055】

光学系Ｏｐ１は、例えば、ダイクロイックミラーＤＭと、拡散板Ｄと、回転拡散板ＤＲと、インテグレートレンズＩＬと、複数のレンズＬと、デジタルマイクロデバイスＤＬＤと、プリズムＴＩＲと、を有する。レーザー装置１００から出力された光は、ダイクロイックミラーＤＭ及び拡散板Ｄで重ねられ、インテグレートレンズＩＬ及び複数のレンズＬで集光する。集光された光は、プリズムＴＩＲを介してデジタルマイクロデバイスＤＬＤに至る。デジタルマイクロデバイスＤＬＤは、光のＯＮ、ＯＦＦを制御し、プリズムＴＩＲと介して外部に光を出力する。

【0056】

第１適用例に係る投射型画像表示装置２００は、レーザー装置１００から出力される光のコヒーレンスが抑えられており、スペックルノイズが生じにくい。

【0057】

図９は、第２適用例に係る投射型画像表示装置２０１の模式図である。投射型画像表示装置２０１は、例えば、ＬＣＯＳプロジェクタである。投射型画像表示装置２０１は、複数のレーザー装置１００と光学系Ｏｐ２とを有する。第２適用例は、デジタルマイクロデバイスＤＬＤが反射型液晶ＬＣＤと置き換わっている点が異なる。第１適用例と同様の構成については、説明を省く。

【0058】

第２適用例に係る投射型画像表示装置２０１は、レーザー装置１００から出力される光のコヒーレンスが抑えられており、スペックルノイズが生じにくい。

【0059】

図１０は、第３適用例に係る投射型画像表示装置２０２の模式図である。投射型画像表示装置２０２は、例えば、ヘッドアップディスプレイである。投射型画像表示装置２０２は、複数のレーザー装置１００と光学系Ｏｐ３とを有する。光学系Ｏｐ３は、ダイクロイックミラーＤＭとメムスミラーＭＥＭＳとを有する。メムスミラーＭＥＭＳは、微小な電気機械システムであり、複数のレーザー装置１００のそれぞれからの光を制御する。

【0060】

第３適用例に係る投射型画像表示装置２０２は、レーザー装置１００から出力される光のコヒーレンスが抑えられており、スペックルノイズが生じにくい。

【0061】

図１１は、第４適用例に係るセンシング装置２０３の模式図である。センシング装置２０３は、例えば、車載用のTime of Flight (TOF)方式のセンサーである。センシング装置２０３は、例えば、物体Ｏｂとの距離を測定する。

【0062】

センシング装置２０３は、レーザー装置１００と光学系Ｏｐ４とセンサーＳＥとを有する。レーザー装置１００は、例えば、赤外光を出射する。光学系Ｏｐ４は、例えば、偏光ビームスプリッタＰＢＳとメムスミラーＭＥＭＳとを有する。

【0063】

レーザー装置１００から出射した光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過し、メムスミラーＭＥＭＳで反射し、物体Ｏｂに照射される。物体Ｏｂで反射した光は、再度メムスミラーＭＥＭＳで反射し、偏光ビームスプリッタＰＢＳを介してセンサーＳＥに入射する。センサーＳＥは、入射した光の情報から物体Ｏｂの３次元情報を検知する。

【0064】

第４適用例に係るセンシング装置２０３は、レーザー装置１００から出力される光のコヒーレンスが抑えられており、スペックルノイズが生じにくい。波長が長い赤外光はスペックルノイズを生み出しやすいが、レーザー装置１００を用いることで、スペックルノイズを低減できる。

【0065】

図１２は、第５適用例に係るセンシング装置２０４の模式図である。センシング装置２０４は、例えば、イメージセンサーである。センシング装置２０４は、例えば、携帯の顔認識機能等に用いられる。

【0066】

センシング装置２０４は、レーザー装置１００と光学系Ｏｐ５とセンサーＳＥとを有する。レーザー装置１００は、例えば、赤外光を出射する。光学系Ｏｐ５は、例えば、回折光学素子ＤＯＥを有する。レーザー装置１００から出射した光は、回折光学素子ＤＯＥで回折し、物体にＯｂに照射される。物体Ｏｂで反射した光は、センサーＳＥに入射する。センサーＳＥは、入射した光の情報から物体Ｏｂの３次元情報を検知する。

【0067】

第５適用例に係るセンシング装置２０４は、レーザー装置１００から出力される光のコヒーレンスが抑えられており、スペックルノイズが生じにくい。波長が長い赤外光はスペックルノイズを生み出しやすいが、レーザー装置１００を用いることで、スペックルノイズを低減できる。

【0068】

ここで提示した適用例は、レーザー装置の用途の一例であり、これらの例に限られるわけではない。またレーザー装置１００に変えて、レーザー装置１０１を用いてもよい。

【実施例】

【0069】

「実施例１」
図１３は、実施例１〜８及び比較例１の評価に用いた光学系の模式図である。実施例１の光学系は、レーザー光源１０と拡散板２０とスクリーンＳｃと測定機Ｍからなる。

【0070】

レーザー光源１０は、波長５３２ｎｍのコヒーレント光源を用いた。レーザー光源１０から出射される光の広がり角Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙは共に１２°とした。

【0071】

拡散板２０は、レーザー光源１０の出射面から８５ｍｍ離した位置に、レーザー光源１０からの光線の光軸と拡散板２０が直交するように配置した。拡散板の拡散角は、１．０°とした。

【0072】

スクリーンＳｃは、拡散板２０から１５５ｍｍ離れた位置に設置した。スクリーンＳｃと拡散板２０とは略平行に配置した。スクリーンＳｃは、標準反射散乱板（スペクトラロン）を用いた。

【0073】

測定機Ｍは、光軸から３０°傾いた方向で、スクリーンＳｃからの反射光を読み取れる位置に、スクリーンＳｃと３６０ｍｍ離して配置した。測定機Ｍは、スペックルコントラスト測定機（株式会社オキサイド製）を用いた。

【0074】

そして測定機Ｍで測定されるスペックルコントラストＣｓを求めた。スペックルコントラストＣｓは、人の網膜で発生するスペックルノイズを正確に反映し、明るい部分と暗い部分の標準偏差から求められる。スペックルコントラストＣｓが大きいほど、スペックルノイズは大きい。

【0075】

実施例１では、上記の方法でスペックルコントラストＣｓを測定したところ０．３２であった。

【0076】

「実施例２〜８」
実施例２〜８は、拡散板２０の拡散角を変えた点が実施例１と異なる。その他の条件は同じとして、スペックルコントラストＣｓを測定した。

【0077】

「比較例１」
比較例１は、拡散板２０を用いなかった点が実施例１と異なる。その他の条件は同じとして、スペックルコントラストＣｓを測定した。

【0078】

実施例１〜８及び比較例１の結果を表１及び図１４にまとめた。

【0079】

【表1】

【0080】

実施例１〜８及び比較例１の結果を比較すると、レーザー光源１０から出射した光を拡散板２０で拡散することで、スペックルノイズが低減していることが分かる。

【0081】

「実施例９」
実施例９は、図６に示す光学系を組み立てて、シミュレーションによりレーザー光源１０の広がり角Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ、拡散板２０の拡散角θ_ｄ、拡散板２０から出射する光の広がり角θ_ｘ、θ_ｙの関係を求めた。シミュレーションは、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏを用いて行った。

【0082】

レーザー光源１０は、波長６３５ｎｍのコヒーレント光源を用いた。レーザー光源１０から出射される光のｘ方向の広がり角Ｌ_ｘを３．５５°、ｙ方向の広がり角を３２．６１°とした。

【0083】

拡散板２０は、レーザー光源１０の出射面から３０ｍｍ離した位置に、レーザー光源１０からの光線の光軸と拡散板２０が直交するように配置した。拡散板の屈折率は、１．４７とした。拡散板の拡散角は、０．９７とした。

【0084】

スクリーンＳｃは、拡散板２０から５０ｍｍ離れた位置に設置した。スクリーンＳｃと拡散板２０とは略平行に配置した。スクリーンＳｃに照射される光の相対放射強度がピーク値の５０％以上である角度から拡散板２０から出射される光の広がり角θ_ｘ、θ_ｙを求めた。

【0085】

「実施例１０〜１７」
実施例１０〜１７は、レーザー光源１０の広がり角Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙを固定して、拡散板２０の拡散角θ_ｄを変えた。その他の条件は、実施例９と同じとして、拡散板２０から出射される光の広がり角θ_ｘ、θ_ｙを求めた。

【0086】

「比較例２」
比較例２は、拡散板２０を配置しなかった点が実施例１と異なる。すなわち、拡散角θ_ｄを０°に設定した。その他の条件は、実施例９と同じとして、拡散板２０から出射される光の広がり角θ_ｘ、θ_ｙを求めた。

【0087】

実施例９〜１７及び比較例２の結果を表２及び表３にまとめた。

【0088】

【表2】

【0089】

【表3】

【0090】

「実施例１８〜２７、比較例３」
実施例１８〜２７は、レーザー光源１０の広がり角Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙを変えた点が実施例９〜１７と異なる。実施例１８〜２７は、レーザー光源１０から出射される光のｘ方向の広がり角Ｌ_ｘを７．９°、ｙ方向の広がり角を３２．８５°とした。また実施例１８〜２７はそれぞれ、拡散板２０の拡散角θ_ｄが異なる。比較例３は、拡散板２０を配置せず、拡散角θ_ｄを０°とした。その他の条件は、実施例９と同じとして、拡散板２０から出射される光の広がり角θ_ｘ、θ_ｙを求めた。

【0091】

実施例１８〜２７及び比較例３の結果を表４及び表５にまとめた。

【0092】

【表4】

【0093】

【表5】

【0094】

「実施例２８〜３６、比較例４」
実施例２８〜３６は、レーザー光源１０の広がり角Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙを変えた点が実施例９〜１７と異なる。実施例２８〜３６は、レーザー光源１０から出射される光のｘ方向の広がり角Ｌ_ｘを１１．６５°、ｙ方向の広がり角を３２．１７°とした。また実施例２８〜３６はそれぞれ、拡散板２０の拡散角θ_ｄが異なる。比較例４は、拡散板２０を配置せず、拡散角θ_ｄを０°とした。その他の条件は、実施例９と同じとして、拡散板２０から出射される光の広がり角θ_ｘ、θ_ｙを求めた。

【0095】

実施例２８〜３６及び比較例４の結果を表６及び表７にまとめた。

【0096】

【表6】

【0097】

【表7】

【0098】

また実施例９〜３６の結果を図１５にプロットした。その結果、上記の関係式（１）、（２）の間にすべての実施例の結果が当てはまった。

【符号の説明】

【0099】

１０，１１…レーザー光源、１０Ａ…光源、１０Ｂ…支持体、１０ｃ…湾曲面、１１Ａ…ダイオード、２０…拡散板、２０ａ…第１面、２０ｂ…第２面、２１…マイクロレンズ、３０…コリメートレンズ、４０…ライトパイプ、１００，１０１…レーザー装置、２００，２０１，２０２…投射型画像表示装置、２０３，２０４…センシング装置、Ｏｂ…物体、Ｏｐ１，Ｏｐ２，Ｏｐ３，Ｏｐ４，Ｏｐ５…光学系、Ｒｐ…基準面、Ｓｃ…スクリーン、ＳＥ…センサー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【手続補正書】

【提出日】2020年9月4日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー光源と、
前記レーザー光源から出力された光をコリメートするコリメートレンズと、
前記レーザー光源からの光をコリメートする前に拡散する拡散板と、を備え、
前記拡散板は、前記レーザー光源の出力面を覆い、前記レーザー光源に対して固定されたカバー部材であり、
前記レーザー光源から出力された光の第１方向の広がり角をＬ_ｘ、前記第１方向と直交する第２方向の広がり角をＬ_ｙとし、
前記拡散板の拡散角をθ_ｄとした際に、
０＜θ_ｄ／Ｌ_ｘ＜２．９５、かつ、０＜θ_ｄ／Ｌ_ｙ＜２．９５を満たす、レーザー装置。

【請求項2】

前記レーザー光源から出力された光の第１方向の広がり角をＬ_ｘ、前記第１方向と直交する第２方向の広がり角をＬ_ｙとし、
前記拡散板を通過した光の前記第１方向の広がり角をθ_ｘ、前記第２方向の広がり角をθ_ｙとした際に、
θ_ｘ／Ｌ_ｘ＜１．５５、かつ、θ_ｙ／Ｌ_ｙ＜１．５５を満たす、請求項１に記載のレーザー装置。

【請求項3】

前記レーザー光源から出力された光の第１方向の広がり角をＬ_ｘ、前記第１方向と直交する第２方向の広がり角をＬ_ｙとし、
前記拡散板を通過した光の前記第１方向の広がり角をθ_ｘ、前記第２方向の広がり角をθ_ｙとし、
前記拡散板の拡散角をθ_ｄとし、
θ_ｄ／Ｌ_ｘをａ、θ_ｘ／Ｌ_ｘをｂ、θ_ｄ／Ｌ_ｙをｃ、θ_ｙ／Ｌ_ｙをｄとした際に、
０．０６４１×ａ^２＋０．０３２１×ａ＋０．９＜ｂ＜０．０６４１×ａ^２＋０．０３２１×ａ＋１．０９、
かつ、
０．０６４１×ｃ^２＋０．０３２１×ｃ＋０．９＜ｄ＜０．０６４１×ｃ^２＋０．０３２１×ｃ＋１．０９を満たす、請求項１又は２に記載のレーザー装置。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザー装置と、前記レーザー装置から出力された光を投影する光学系と、を備える、投射型画像表示装置。

【請求項5】

請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザー装置と、前記レーザー装置からの光を物体に照射する光学系と、前記物体からの光を検知するセンサーと、を備える、センシング装置。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0032】

図５は、第１実施形態に係る拡散板の拡散角の定義を説明するための模式図である。拡散板２０の拡散角θ_ｄは、マイクロレンズの曲率半径Ｒ、拡散板２０の屈折率ｎ、隣接するマイクロレンズ２１の平均間隔ｐに対して以下の関係を満たす。
θ_ｄ＝２ｓｉｎ^−１｛（ｐ（ｎ−１）／２Ｒ）｝
拡散板２０の拡散角θ_ｄは、平行光を入射した際に、拡散板２０から出射される光の広がり角と定義することもできる。

【手続補正3】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図14】

【手続補正4】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図15】