JP2006510949A - 投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器 - Google Patents

Abstract

投射ディスプレイシステム（８０）のための統合ビームスプリッタ及び偏光器（３０）は、非偏光の白色光を提供するための出光面（Ｗ）を有し、且つ、有色光を受光するための入光面（３６，３８，４０）配列を有する光導波路配列（３２）と、白色光を２つの異なる偏光状態の偏光された光に分割するための偏光ビームスプリッタ（４２）と、白色光を有色光に分割し、且つ、異なる偏光状態の偏光された光を入光面の異なる側部の配列上に向けるための二組の色彩フィルタ（Ｆ１及びＦ２）と、１つの偏光状態の有色光を他の偏光状態の有色光に変換するための波長板（５２）とを含む。

Description

本発明は投射ディスプレイシステムに関し、より詳細には、単一パネルスクロール色彩投射システムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器に関する。

単一パネルスクロール色彩投射システムは、個別の画像素子又は画素のラスタを有する画素液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような単一の光変調器パネルによって特徴付けられ、パネルは水平方向に細長い赤色、緑色及び青色の照明バー又はストライプによって照明される。ストライプはパネルに亘って垂直に連続的にスクロールされるのに対し、照明された画素の行は、その時の入射ストライプの色彩に対応するディスプレイ情報と同期してアドレス付けされる。例えば、１９９４年３月２５日にＰ．Ｊａｎｓｓｅｎに発効した米国特許第５，４１０，３７０号「単一パネル色彩投射ビデオディスプレイの改良された走査」及び１９９５年５月１６日にＰ．Ｊａｎｓｓｅｎ ｅｔ ａｌ．に発効した米国特許第５，４１６，５１４号「色彩照明システムを光弁の読取り／書込みに同期させる制御回路を有する単一パネル色彩投射ビデオディスプレイ」が参照されるべきであり、それらの全文を参照として本明細書に引用する。

そのような単一パネルシステムは、より従来技術の３パネルシステムと区別されるべきであり、３パネルシステムでは、別々の赤色、緑色及び青色ビームが各々十分に照明し、別々の光変調器パネルによって変調される。次に、変調されたビームがディスプレイスクリーン上で重ね合わされて、完全な色彩のディスプレイが生成される。

単一パネルスクロール色彩システムにおいて、入射する白色光は、二色性素子を用いる光エンジンによって、別々の赤色、緑色及び青色の色彩成分に分割される。そのようなスクロール色彩投射器のための光エンジン１用の照明構造が図１に図式的に示されている。光源Ｓからの白色光は、二色性素子７によって、青色成分Ｂ及び緑色／赤色成分Ｇ／Ｒに分割される。Ｂ成分はレンズ３及び反射鏡４によってプリズム５に向けられる。Ｇ／Ｒ成分は二色性素子２を通過し、レンズ６を通じて二色性素子７に向けられる。二色性素子７はＧ／Ｒ成分を緑色成分Ｇと赤色成分Ｒに分割する。Ｇ成分は素子７によって反射されてプリズムスキャナ８に向けられるのに対し、赤色成分Ｒは二色性素子７を通過してプリズムスキャナ９に向けられる。次に、反射鏡１２及び中継レンズ１３乃至１７によって、走査されたＲ，Ｇ，Ｂ成分は再結合二色性素子１０，１１に向けられる。

二色性素子及び反射鏡はビーム経路に対して４５°で傾斜している。傾斜された二色性フィルタのスペクトル反応は光の入射角度に強く依存する。従って、これらのフィルタを高い光処理量が必要な発散光に用いるときには、白色光を非オーバーラップ色彩帯に効果的に分割することは可能ではない。この結果、システムの色彩性能又は光学効率のいずれかが犠牲にならなければならない。

光変調器パネルがＬＣＤである場合、光も偏光されなければならない。ＭｃＮｅｉｌｌプリズムとして知られる光学素子を典型的に用いて、偏光変換は別個の工程で達成される。二色性フィルタの場合のように、処理される光がより発散すると、これらの偏光変換の効率は減少する。

典型的な偏光転換の構造２０が図２に示されている。赤色、緑色及び青色光のスクロール帯の画像を構成する光エンジンからの出力光は、偏光器を通じて偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２３に向けられる。偏光ビームスプリッタは内部偏光ビームスプリッタ面２３ａを有する。偏光器２２は非偏光を１つの偏光状態、例えば、Ｓの光に転換する。内部偏光ビームスプリッタ面２３ａはこのＳ光を光変調器２４に通す。光変調器はディスプレイ信号に従って光を変調し、変調された光を偏光ビームスプリッタに戻す。変調及び反射処理において、パネル２４は光の偏光状態をＳからＰに変化させ、表示のため、内部偏光ビームスプリッタ面２３ａは光を偏光ビームスプリッタ２３から投射レンズに向ける。

偏光変換は、積分配列を用いる光積分工程との組み合わせで遂行されることが多い。光積分は均一な明度のストライプ形状断面を有する光ビームを生成することを目的とする。しかしながら、現在実施されているように、光積分配列と組み合わされた偏光変換は、そのような大きな縦横比を備える断面を有するビームと余り良く機能しない。

本発明に従えば、非偏光の白色光を赤色、緑色及び青色成分に分割するため及びこれらの成分を単一状態の偏光に変換するための統合システムが提供される。

本発明の１つの特徴によれば、投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム１０が提供されており、システムは、
少なくとも４つの光導波路素子（Ｗ，Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）を有し、第一光導波路素子（Ｗ）は出光面（３４）を有し、第二、第三及び第四光導波路素子（Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）は広い縦横比（１／Ｗ≧２）の入光面（３６，３８，４０）を有し、入光面（３６，３８，４０）は各々第一側部（３６ａ，３８ａ，４０ａ）及び第二側部（３６ｂ，３８ｂ，４０ｂ）を有する光導波路配列３２と、
第一光導波路素子（Ｗ）の出光面３４からの白色光を第一状態の偏光を有する第一ビーム及び第二状態の偏光を有する第二ビームに変換するために、入光面４４と、入光面に対し傾斜して位置し、且つ、第一状態の偏光を反射するため、並びに、第二状態の偏光を透過するための偏光ビーム分割側面４６ａと第二状態の偏光を透過するための反対側面４６ｂとを有する内部偏光ビーム分割面４６と、偏光ビーム分割側面４６ａに面する第一出光面４８と、反対側面４６ｂに面する第二出光面５０とを有する偏光ビームスプリッタと、
赤色、緑色及び青色フィルタ（Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１）を有し、且つ、内部偏光ビーム分割面４６の偏光ビーム分割側面４６ａによる反射の後に、第一状態の偏光の赤色、緑色及び青色光の各々を、光導波路素子（Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）の入光面（３６，３８，４０）の第一側部（３６ａ，３８ａ，４０ａ）の各々に向けて反射するよう位置付けられた、第一出光面４８に対向する第一フィルタセットＦ１と、
赤色、緑色及び青色フィルタ（Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１）を有し、且つ、第二状態の偏光の赤色、緑色及び青色光の各々を、光導波路素子（Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）の入光面（３６，３８，４０）の第二側部（３６ｂ，３８ｂ，４０ｂ）の各々に向けて反射するよう位置付けられた、第二出光面５０に対向する第二フィルタセットＦ２と、
第一光導波路素子（Ｗ）の出光面３４からの光を偏光ビームスプリッタ４２の入光面４４に撮像するため、並びに、偏光ビームスプリッタ４２からの光を第二、第三及び第四光導波路素子（Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）の入光面（３６，３８，４０）上に撮像するために、前記光導波路配列（３２）に対向する第一レンズＬ１と、
第一光導波路素子（Ｗ）の出光面３４からの光を平行化するための第二レンズＬ２と、
第二状態の偏光の光を前記第一状態の偏光の光に変換するために、第二レンズＬ２と前記第二、第三、第四光導波路素子（Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）の入光面（３６，３８，４０）の第二側部（３６ｂ，３８ｂ，４０ｂ）との間に位置付けられた波長板５２と、
を有する。

光導波路素子（Ｗ）は、光導波路素子（Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）の下方に位置するのが好ましいが、代替的に、光導波路素子（Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）の上方又は１つの側方に位置し得る。

フィルタセットＦ１及びフィルタセットＦ２のフィルタ（Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１）及びフィルタ（Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２）は、出光面（４８及び５０）から青色（Ｂ），緑色（Ｇ），赤色（Ｒ）の順番で連続して位置するのが好ましい。

本発明の他の特徴によれば、投射ディスプレイシステム５０が提供され、システムは、
白色光源５２と、
該光源５２を、広い縦横比を有する偏光された赤色、緑色及び青色ビームに分割するための本発明に従った統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム５４と、
ディスプレイ信号に従って光を変調するための光変調器パネル５６と、
該光変調器パネル５６に亘って前記赤色、緑色及び青色ビームを連続的且つ逐次的にスクロールための手段５８と、
前記変調された光をディスプレイ表面に投射するための投射レンズ６０と、
を有する。

光変調器パネル５６は液晶ディスプレイパネルであるのが好ましいが、可変鏡のような他の種類のディスプレイパネルも代替的に用い得る。ビームをスクロールするための手段５８は単一の大きな回転プリズム、或いは、代替的に、３つの小さな回転プリズム（赤色、緑色及び青色ビームの各々のために１つのプリズム）であり得る。

投射ディスプレイシステム５０は、赤色、緑色及び青色ビームを、ビーム分割及び偏光変換システム５４からスクロール手段５８に案内するための光導波路システム６２を含む。本発明において用いられるのに適した低損失エテンデュ保持光導波路が＿＿＿＿＿＿＿に出願された同時係属の米国特許出願第＿＿＿＿＿＿＿＿号（代理人整理番号ＰＨＵＳ０２０，１７０）に記載されており、その全文を参照のために本明細書に引用する。

投射ディスプレイシステム５０は、光変調器パネル５６に亘って赤色、緑色及び青色光ビームをスクロールする間、色彩ディスプレイ信号の赤色、緑色及び青色成分を光変調器パネルに同期的且つ連続的に供給するための手段６４も含み得る。適切な手段は、例えば、既に引用された米国特許第５，４１０，３７０号及び５，４１６，５１４号に記載されている。

ここで、図３Ａを参照すると、本発明の統合ビームスプリッタ及び偏光器３０の１つの実施態様が側面で示されている。光導波路配列３２は、４つの光導波路素子（Ｗ，Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）を含む。光導波路素子Ｗは出光面３４を有し、光導波路素子（Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂ）は入光面３６，３８，４０を各々有する。

図３Ｃ乃至３ＥのＡ−Ａ断面図に示されるように、入光面３６，３８，４０は、第一側部（３６ａ，３８ａ，４０ａ）と、第二側部（３６ｂ，３８ｂ，４０ｂ）とを有する。また、光変調器パネルをスクロールするために必要なストライプ形状のビーム断面を可能にするために、これらの入光面は２又はそれ以上（１／Ｗ≧２）の長さ対幅比によって特徴付けられた広い縦横比を有する。

統合ビームスプリッタ及び偏光器３０は、光導波路Ｗの出光面３４からの白色光を第一状態の偏光を有する第一ビームと第二状態の偏光を有する第二ビームとに変換するための偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４２も含む。光導波路（Ｗ）の出光面３４からの非偏光の白色光（Ｕ）はＰＢＳ４２の入光面４４上に撮像され、第二レンズＬ２によって平行化される。レンズＬ２も光のテレセントリック性を保持するのを助ける。表面４６の内部偏光ビーム分割面４６ｂを打撃後、Ｕ光はＳ光に転換され、出光面４８及びフィルタセットＦ１の方向に反射される。フィルタＢ１，Ｇ１，Ｒ１は、Ｓ偏光白色光から、青色光、緑色光、赤色光を各々分割する。フィルタＢ１，Ｇ１，Ｒ１は逆反射的であり、且つ、異なる角度で傾斜していることによって、逆反射後、光はレンズＬ１によって対応する光導波路に再撮像される。光が光導波路の左半分（３６ａ，３８ａ，４０ａ）に入るよう、フィルタＢ１，Ｇ１，Ｒ１は図面に対して直角な平面に傾斜している（Ａ−Ａを参照）。

同時に、Ｐ偏光の光（図２Ｂ）は、ＰＢＳ４２の表面４６によって出光面５０に透過される。第二フィルタセットＦ２が出光面５０に対向して位置し、個々の逆反射フィルタＢ２，Ｇ２，Ｒ２が傾斜されることによって、逆反射後、光は再度表面４６によって透過され、レンズＬ１によって対応する光導波路の右半分（３６ｂ、３８ｂ、４０ｂ）に再撮像される。

光導波路配列３２の右半分の前に配置された波長板５２（図３Ｅ）は、Ｐ光の偏光状態をＳ光に転換し、よって、入光面３６，３８，４０上の適合した斜線で示されるように（図３Ｆ）、光導波路Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂに入射する光の全ての偏光状態が適合する。

代替的な、光導波路の並列配列が図４Ａ乃至４Ｇのシステム６０に示されている。この実施態様の描写において、配列６２内の光導波路Ｗの配置及びフィルタセットＦ１，Ｆ２内のフィルタ配置の順序が異なることを除き、図４Ａ及び４Ｂは図３Ａ及び３Ｂと類似の側面図である。この配列において、フィルタＲとＧの位置が前述の実施態様の位置から置換している。

図４Ｃは配列の上面図であり、光導波路Ｗが配列６２の左側に配置されていることを示している。図４Ｄ乃至４ＧはＡ−Ａに沿った断面図であり、図４Ｅ及び４Ｇは波長板前の不適合な偏光状態を示し、図４Ｄ及び４Ｆは波長板７２後の適合された偏光状態を側面及び上面から各々示している。

上記の統合システムは偏光変換及び色彩分割機能の双方を１つのコンパクトなユニットに組み合わせている。その上、色彩分割のための二色性フィルタの使用が排除され、分散光における色彩純度の付随的な低下が回避される。

図５は、本発明に従った統合ビームスプリッタ及び偏光器８２を組み込んだ投射ディスプレイシステム８０と、光変調器パネル８４と、パネル８４に亘って有色光をスクロールするための手段８６と、変調された光をディスプレイ表面に投射するための投射レンズ８８とを示している。

システム８０は、光源Ｓからの白色光を統合ビームスプリッタ及び偏光器８２に案内するため、並びに、有色光ビームを統合ビームスプリッタ及び偏光器８２から手段８６へ案内するための光導波路システム９０も含む。色彩ディスプレイ映像を生成するために、有色光のスクロール帯の衝撃と同期して、ディスプレイ信号をパネル８４に供給するためのアドレス付け手段９２が設けられている。

動作の詳細並びに光導波路システムのための例示的構造は、＿＿＿＿＿に出願された前記参照の同時係属中の米国特許出願第＿＿＿＿＿＿＿号（代理人整理番号ＰＨＵＳ０２０，１７０）に記載されている。

本発明は止むを得ず限定的な数の実施態様に関して記載された。しかしながら、他の実施態様及び実施態様の変形が当業者に明らかであり、それらは添付の請求項の範囲に包含される。

従来技術の単一パネルスクロール色彩投射システムのための光エンジンの例示的構造を図式的に示す概略図である。 従来技術の単一パネルスクロール色彩投射システムのための偏光変換構造を図式的に示す概略図である。 Ａは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の１つの実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｂは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の１つの実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｃは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の１つの実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｄは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の１つの実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｅは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の１つの実施態様を図式的に示す概略図である。 Ａは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の追加的な実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｂは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の追加的な実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｃは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の追加的な実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｄは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の追加的な実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｅは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の追加的な実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｆは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の追加的な実施態様を図式的に示す概略図であり、Ｇは、本発明の投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光器の追加的な実施態様を図式的に示す概略図である。 本発明の統合ビームスプリッタ及び偏光器を組み込んだ投射ディスプレイシステムの１つの実施態様を例示するブロック図である。

Claims (13)

1. 少なくとも４つの光導波路素子を有し、第一光導波路素子は出光面を有し、第二、第三及び第四光導波路素子は広い縦横比の入光面を有し、該入光面は各々第一側部及び第二側部を有する光導波路配列と、
   前記第一光導波路素子の出光面からの白色光を第一状態の偏光を有する第一ビーム及び第二状態の偏光を有する第二ビームに変換するために、入光面と、該入光面に対し傾斜して位置し、且つ、前記第一状態の偏光を反射するため、並びに、前記第二状態の偏光を透過するための偏光ビーム分割側面と前記第二状態の偏光を透過するための反対側面とを有する内部偏光ビーム分割面と、前記偏光ビーム分割側面に面する第一出光面と、前記反対側面に面する第二出光面とを有する偏光ビームスプリッタと、
   赤色、緑色及び青色フィルタを有し、且つ、前記内部偏光ビーム分割面の前記偏光ビーム分割側面による反射の後に、前記第一状態の偏光の赤色、緑色及び青色光の各々を、前記光導波路素子の入光面の第一側部の各々に向けて反射するよう位置付けられた、前記第一出光面に対向する第一フィルタセットと、
   赤色、緑色及び青色フィルタを有し、且つ、前記第二状態の偏光の赤色、緑色及び青色光の各々を、前記光導波路素子の入光面の第二側部の各々に向けて反射するよう位置付けられた、前記第二出光面に対向する第二フィルタセットと、
   前記第一光導波路素子の前記出光面からの光を前記偏光ビームスプリッタの前記入光面に撮像するため、並びに、前記偏光ビームスプリッタからの光を前記第二、第三及び第四光導波路素子の前記入光面上に撮像するために、前記光導波路配列に対向する第一レンズと、
   前記第一光導波路素子の前記出光面からの光を平行化するための第二レンズと、
   前記第二状態の偏光の光を前記第一状態の偏光の光に変換するために、前記第二レンズと前記第二、第三、第四光導波路素子の前記入光面の前記第二側部との間に位置付けられた波長板と、
   を有することを特徴とする投射ディスプレイシステムのための統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム。
2. 前記有色光導波路の前記入光面は広い縦横比（１／Ｗ≧２）を有することを特徴とする請求項１に記載の統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム。
3. 前記第一白色光導波路の前記出光面からの光を前記偏光ビームスプリッタの前記第一入光面上に撮像するため、並びに、前記偏光ビームスプリッタからの光を前記有色光導波路の前記入光面上に撮像するために、第一レンズが前記光導波路配列に対向して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム。
4. 前記白色光導波路の前記出光面からの光を平行化するために、第二レンズが前記偏光ビームスプリッタの前記入光面に対向して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム。
5. 前記偏光ビームスプリッタは、前記第一出光面が前記偏光ビームスプリッタの上側面に対応するように位置付けられ、前記光導波路配列は、前記白色光導波路が前記有色光導波路の上方又は下方に位置するように位置付けられていることを特徴とする請求項１に記載の統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム。
6. 第一及び第二フィルタセットのフィルタは、各々、前記第一及び第二出光面から、青色、緑色及び赤色の順番で連続的に位置していることを特徴とする請求項５に記載の統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム。
7. 前記偏光ビームスプリッタは、前記第一出光面が前記偏光ビームスプリッタの前記上側面に対応するように位置付けられ、前記光導波路配列は、白色光導波路が前記有色光導波路の１つの側方に位置するように位置付けられていることを特徴とする請求項１に記載の統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム。
8. 前記第一及び第二フィルタセットのフィルタは、各々、前記第一及び第二出光面から、青色、赤色及び緑色の順番で連続的に位置していることを特徴とする請求項７に記載の統合ビームスプリッタ及び偏光変換システム。
9. 白色光源と、
   該光源を、広い縦横比（１／Ｗ≧２）を有する偏光された赤色、緑色及び青色ビームに分割するための請求項１の統合ビームスプリッタ及び偏光変換システムと、
   ディスプレイ信号に従って光を変調するための光変調器パネルと、
   該光変調器パネルに亘って前記赤色、緑色及び青色ビームを連続的且つ逐次的にスクロールための手段と、
   前記変調された光をディスプレイ表面に投射するための投射レンズと、
   を有することを特徴とする投射ディスプレイシステム。
10. 前記光変調器パネルは、液晶ディスプレイパネルであることを特徴とする請求項９に記載の投射ディスプレイシステム。
11. 前記スクロール手段は、少なくとも１つの回転プリズムを有することを特徴とする請求項９に記載の投射ディスプレイシステム。
12. 前記赤色、緑色及び青色ビームを、前記ビーム分割及び偏光変換システムから前記スクロール手段に案内するための光導波路システムが設けれらていることを特徴とする請求項９に記載の投射ディスプレイシステム。
13. 前記光変調器パネルに亘って前記赤色、緑色及び青色光ビームをスクロールする間、色彩ディスプレイ信号の赤色、緑色及び青色成分を前記光変調器パネルに同期的且つ連続的に供給するための手段が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の投射ディスプレイシステム。

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