JP2025507386A - 投影ディスプレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの光源（ｌ）を備えた投影ディスプレイに関し、この投影ディスプレイは、少なくとも１つの複合体（２）を有し、該少なくとも１つの複合体（２）は、少なくとも２つの光学的個別チャネル（Ｋ）からなり、これらの少なくとも２つの光学的個別チャネルは、光伝播方向にピクセル単位で影響を与えるそれぞれ１つの面状光変調器（Ｄ）と、光学素子（０）と、からそれぞれ形成されており、かつ複合体のすべてのチャネルについて、すべてのチャネルの光学素子のチャネルにわたる全体が、複合体（２）への光入射の際に、面状光変調器（Ｄ）を照明し、これにより、当該チャネルの光学素子（０）が、面状光変調器（Ｄ）において反射された光を物体構造として結像し、個別チャネルのすべての結像が、スクリーン（３）上で１つまたは複数の仮想または実際の全体画像に重畳されることが当てはまる。

Description

本発明は、少なくとも１つの光源ならびに規則的に配置された光学的チャネルを有する投影ディスプレイに関する。特に、本発明は、反射性のピクセル化された面状光変調器（digital micro-mirror device，ＤＭＤ）に基づくデジタル投影システムに関する。

結像チャネルもしくは色混合用の３つの結像光学的チャネルを有するスライドプロジェクタもしくは投影ディスプレイを用いて、もしくはレーザスキャナによって、静的および動的な画像コンテンツをスクリーン上に投影することが実現されることは公知である。例えば、モバイル画像生成システムとしての使用に必要とされる小型化は、ここでは、投影された画像の一定の輝度損失につながる。

したがって、本発明で考えられる適用範囲は、通信および保守電子機器、データ視覚化、分光計、３Ｄプリンタ、ならびに特にインテリア照明や例えばヘッドライトなどの自動車外部照明用などの自動車分野にある。

米国特許出願公開第２００６／０２８５０７８号明細書からは、カラーシーケンシャルにＬＥＤ照明されたピコプロジェクタが公知であるが、その小型化は、小さな表面による伝送可能な光束の制限に基づき限定的にしか可能ではない。この関係は、エテンデュ保存則の光学的基本法則によって規定される。実際の光学系は、エテンデュを増加させるか、もしくは系透過率を低下させる。したがって、投影光学系内の伝送可能な最小光束については、所要の最小物体面も必要とされる。シングルチャネルの投影システムでは、結像すべき面との光学的な法則性（天然の口径食、結像エラー）に基づいて、システム構造長さも同様に増加し、このことは小型化を困難にする。アレイプロジェクタの提示された新たなアプローチによれば、このような投影輝度とシステム構造長さとの間の依存性が克服される。

投影システムをラジカルに小型化するための代替的な構想は、走査型レーザプロジェクタである。ここでは、米国特許第２００８０２６５１４８号明細書に記載されているように、出力変調されたレーザービームを画像面にわたって走査することにより画像コンテンツが生成される。このアプローチによって達成可能な明度は、とりわけ、使用可能なシングルモードレーザの低い性能によって、もしくはその制限された変調可能性によって制限される。さらなる実質的な欠点は、投影された画像において達成可能な解像度を制限するスペックル構造である。

独国特許出願公開第１０２００９０２４８９４号明細書は、少なくとも１つの光源と、規則的に配置された光学的チャネルと、を有する投影ディスプレイに関する。光学的チャネルは、少なくとも１つのフィールドレンズを含み、このフィールドレンズには、それぞれ、結像すべき物体構造と少なくとも１つの投影レンズとが割り当てられている。投影レンズと割り当てられた物体構造との間の距離は、投影レンズの焦点距離に相当し、それに対して、結像すべき物体構造と割り当てられたフィールドレンズとの間の距離は、割り当てられた投影レンズのケーラー照明が可能となるように選択される。次いで、全体画像に対する個別投影の重畳がなされる。

独国特許出願公開第１０２０１００３０１３８号明細書からは、少なくとも１つの光源（１１０）と、部分領域（１２４）の２次元分布（１２２）において同一の個別画像を表示するように構成された少なくとも１つの反射型画像発生器（１２０）と、少なくとも１つの画像発生器（１２０）の割り当てられた部分領域（１２５）をそれぞれ画像平面（１５０）上に結像するように構成され、それによって、個別画像の結像が画像平面（１５０）において全体画像（１６０）に重畳される、投影光学系（１３４）の２次元アレイ（１３２）を有する投影光学系アレイ（１３０）と、一方では少なくとも１つの反射型画像発生器（１２０）と投影光学系（１３４）の２次元アレイ（１３２）との間の光路に配置され、他方では少なくとも１つの光源（１１０）と少なくとも１つの反射型画像発生器（１２０）との間の光路に配置された少なくとも１つのビームスプリッタ（１４０）と、を備えた投影ディスプレイ（１００）が公知である。

画像発生器を備えたさらなる投影ディスプレイは、独国特許出願公開第１０２０１１０７６０８３号明細書に記載されており、この画像発生器は、画像発生器の撮像面の部分領域の例えば２次元分布のような分布において、個別画像を生成するように構成されており、さらにマルチチャネル光学系を備え、該マルチチャネル光学系は、チャネル単位でそれぞれ、画像発生器の割り当てられた個別画像もしくは割り当てられた部分領域を結像するように構成されており、詳細には、それにより、個別画像の結像が投影面において全体画像に少なくとも部分的に重畳され、この場合、投影面は、例えば湾曲面のような非平坦な自由形状面であり、かつ／または撮像面に対して傾斜されており、さらに画像発生器は、マルチチャネル光学系によって全体画像内のそれぞれの共通点にそれぞれ重畳される部分画像内の点の配置が、マルチチャネル光学系からの全体画像内のそれぞれの共通点の距離に依存して異なっていてよい。代替的に、画像発生器およびマルチチャネル光学系は、全体画像に対する各チャネルの寄与の顕著性が全体画像にわたり、マルチチャネル光学系からの全体画像内のそれぞれの共通点の距離に依存して局所的に変化するように構成されている。

独国特許出願公開第１０２０１３２０８６２５号明細書からの解決手段によれば、マルチアパーチャ投影ディスプレイを用いて投影すべき画像を、異なる投影距離において生成することが可能であり、詳細には、静的に、もしくは各々の切り替えなしで機械的にも画像発生器側での様式でもなく、マルチアパーチャ投影ディスプレイの個別画像を適切に設計することにより、すなわち、少なくとも２つの投影すべき画像のそれぞれについて設けられているマルチアパーチャ投影ディスプレイの投影チャンネル用の予備的な個別画像を、投影チャンネル毎に本来のもしくは最終的な個別画像に組み合わせることによって可能になる。

現下の従来技術によれば、デジタル投影システムは、空間光変調器（spatial light modulator；ＳＬＭ）を使用し、この空間光変調器は、自身に入射する光を変調して、画像を含む情報を生成し、続いて、光学的アレイによって結像するか、またはレーザ走査システムの場合のように直接的にスクリーンに向けることを可能にする。

各光学投影システムは、放出可能な光束によって特徴付けられる。シングルチャネル投影システムの光束Ｆ_ＥＫＰは、ここでは、その投影対物レンズの焦点距離の二乗に正比例する（スライド面Ａ、光源の輝度Ｂ、システム透過率Ｔ、投影光学系の絞り数Ｆおよび投影光学系の近軸焦点距離ｆ_ＭＫＰが与えられた場合）：以下の式

のようになる。

独国特許出願公開第１０２００９０２４８９４号明細書のモデルによるマルチチャネル投影システムは、投影チャネルの２次元アレイを使用することによりこの依存性を回避する。マルチチャネルプロジェクタのこの種のシステムの光束Ｆ_ＭＫＰは、以下の式：

によって生じ、ただし、Ｎはアレイにおけるすべてのチャネルの数であり、ｆ_ＭＫＰはアレイのシングルチャネルの近軸焦点距離である。ここで、シングルチャネルプロジェクタを等しい光束のマルチチャネルプロジェクタと比較すると、焦点距離の関係については以下の式：

が生じる。

そのため、同じ光束を伝送できるようにするために、例えば１００もしくは１０×１０の投影チャネルを有するマルチチャネルプロジェクタは、シングルチャネルプロジェクタの焦点距離の１０分の１しか必要としない。このことは、格段の構造空間節約の可能性を成し遂げる。なぜなら、プロジェクタの構造長さが直接プロジェクタの焦点距離に相関するからである。

本発明の課題は、これまでは実現することができなかった、光強度、コンパクト性および効率の結び付けを、最小数の所要構成部品のもとで実現する、デジタル投影ディスプレイを提案することにある。

この課題は、請求項１の特徴を有する投影ディスプレイによって解決される。さらなる従属請求項は、有利な実施形態を示す。

本発明は、結像すべき光を変調するためのＤＭＤ（digital micro-mirror device）へのアレイ投影原理を伝送するための技術的解決手段を説明している。多くの場合、この技術はＤＬＰ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社の商標名）とも称される。ＤＭＤは、個別の電気的な駆動制御により、双安定性の自身の傾斜角を２つの状態間で高頻度に交換できる反射性のピクセル表面の２次元行列アレイを用いて制御された偏向により、入射光を変調する。これら２つの定義された状態は、以下ではＯＮおよびＯＦＦと称される。ＤＭＤに入射し、続いてマイクロミラーで反射された光が、ＤＭＤに割り当てられた投影対物レンズをスクリーンの方向に通過し、投影対物レンズの光学的な屈折力によって光学的に結像される場合、このことは、それぞれピクセル化されたチルトミラー表面のオン状態と称される。

チルトミラー状態ＯＦＦでは、光束が、対応する投影対物レンズの方向に偏向されるのではなく、通常はビームダンパに供給される。すなわち、光束は、投影画像には用いられず、スクリーンには到達しない。無電流状態（ＦＬＡＴ State）におけるＤＭＤのピクセルは、光を無制御でオン偏向方向とオフ偏向方向との間の中間角度範囲に、典型的には同様にビームダンパに偏向する。［https://www.ti.com］

例えばＬＣＤまたはＬＣｏＳのような他の面状光変調器技術に対するＤＭＤの利点は、吸収に代わる反射に基づく固有の高い透過性と、無偏光の光を使用する場合でも変わらないその変調能力と、ＵＶからＶＩＳを介してＩＲまでの広大なスペクトル範囲の光を変調できる可能性と、にある。現下の従来技術によれば、５．４×１０^－６ｍのみの相互間隔のピクセルと１９２０×１０８０ピクセルの総ピクセル数とを有するＤＭＤが市販されている。

以下では、本発明による解決手段を、実施例に基づき、さらに図１～図１９に基づいてより詳細に説明する。

本発明による投影ディスプレイを示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明の具体的な実施形態を示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明２つの種々異なる状態で示した概略図である。 本発明を例示的に３つのチャネルからなる複合体に基づいて示した概略図である。 反射器１５によって補足された本発明によるさらなる配置構成を示した概略図である。 本発明の具体的な実施形態を示した概略図である。 光源１の場所空間分布および角度空間分布を示した概略図である。 光学素子のスクリーンに面した入射面の平面内に取り込まれた場所空間分布および角度空間分布を示した概略図である。 面状光変調器の平面内に取り込まれた場所空間分布および角度空間分布を示している 図１６からの配置構成を３次元図で示した概略図である。 本発明による２つの投影ディスプレイの組み合わせを示した概略図である。 光源１ａによって照明された配置構成をｚ方向図で示した概略図である。 光源１ｂによって照明された配置構成をｚ方向図で示した概略図である。 すべての下方の画像半部のすべての結像とすべての上方の画像半部のすべての結像との統合された投影画像を示した概略図である。 スクリーン上の２つの個別投影画像の例示的な重畳を示した概略図である。 スクリーン上の３つの個別投影画像の例示的な重畳を示した概略図である。

図１は、例示的にｙ断面図において、実際の全体画像をスクリーン３上に生成する本発明による投影ディスプレイを示す。
光源１から放射された光は、複合体２に入射し、この複合体２は、
複数の光学的チャネルＫからなり、ｘ－ｙ平面内に存在する２次元ｉ×ｊ行列、ただしｉ∈｛１，２，３，４，５，６｝かつｊ∈｛１，２，３｝で形成され、ｘ方向の中心間隔ｐ_ｏｉとｙ方向の中心間隔ｐ_ｏｊとを相互に有する光学的個別チャネルからなり、それらの行列要素Ｋ_ｉ，ｊとして、
それぞれ以下の式：

によって定義され、
光伝搬方向を反射によりピクセル単位でアドレス指定可能な面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊであって、その光入射ベクトルおよび光出射ベクトルの法線ベクトルが反射の行われた後、ｙ軸に対して平行に延在し、５行およびｊｍａｘ列に配置された面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊと、６行およびｊｍａｘ列に配置された光学素子Ｏ_ｉ，ｊと、を備え、
ここで、それぞれの光学的個別チャネルＫ_ｉ，ｊは、次のように構成され、すなわち、複合体２への光入射の際に、ｉ番目の行およびｊ番目の列の個別チャネルＫ_ｉ，ｊの面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊが、（ｉ＋１）番目のチャンネル行が常にｉ番目のチャンネル行と光源との間に位置決めされるｉについての計数方式でもって、以下の式：

もしくは

に従った照明割り当て関数ｂ（ｉ，ｊ）により定義される相互に同一に構成された光学素子（Ｏ_ｉ，ｊ）の部分集合によって照明されるように構成されている。チャネル行は、行インデックスｉの増加に伴い光源１までの距離が減少しており、
そのため、反射後、ｉ番目の行およびｊ番目の列の面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊでは、面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの各々は、ｐ（ｉ，ｊ）＝｛Ｏ_ｉ，ｊ｝に従った投影割り当て関数ｐ（ｉ，ｊ）により定義されるｉ番目の行およびｊ番目の列の光学素子（Ｏ_ｉ，ｊ）の集合によって光学的に結像され、複合体２のすべての個別投影画像が、スクリーン３上の１つまたは複数の仮想または実際の全体画像へ重畳される。同じｉインデックスを有する個別チャネルは、以下では行と称し、同じｊインデックスを有するチャネルは以下では列と称する。ｉおよびｊの計数方式は、インデックス１から開始して正のｘ方向およびｙ方向で増加するように行われる。
したがって、ｉ番目の行およびｊ番目の列のチャネルの平面状光発生器は、上記の部分集合説明のｂ（ｉ，ｊ）に従って許容される自身自体と、光源の方向に存在する自身に隣接するチャネル行と、の組み合わせによって照明され、面状光変調器での反射後、同じチャネルに割り当てられているその光学要素によって結像もしくは投影される。
光学素子Ｏ_６，ｊは、例示的な配置構成では投影機能を有するのではなく、アレイの面状光変調器Ｄ_５，ｊの最後の行の照明にのみ用いられる。チャネルＫ_６，ｊは、それに応じて特別なケースであり、他のすべてのチャネルとは対照的に、照明チャネルおよび投影チャネルとしての二重機能を有するのではなく、したがって照明チャネルだけである。

面状光変調器のミラーピクセルのフラット状態では、鏡面は、ｘ－ｙ平面に対して平行な平面に配向されている。個別面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊのすべてのピクセルのオン状態（on state）を達成するために、個別面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊは、その面中心点およびシステムのｙ単位ベクトルから形成される軸を中心として角度α_ＤＭＤ分だけ回転させられ、詳細には、フラット状態においてｚ軸の方向に向けられた反射性のピクセル面の法線ベクトルがここで光源の方向に傾斜するように回転させられる。すべての光学素子Ｏ_ｉ，ｊは、図示の例示的な配置構成では、相互に同一に構成されている。ｘ方向に隣接するチャネルには、Ｏ_ｉ，ｊおよびＯ_{（ｉ＋１），ｊ}が付されている。

（ｉ＋１）ｊ番目の光学素子Ｏ_{（ｉ＋１）ｊ}は、ここでは、光源１から到達した光束がｉ，ｊ番目の面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊを照明するように、かつ自身の隣接チャネルの光学素子Ｏ_{ｉ＋１，ｊ}と同一に構成されている光学素子Ｏ_ｉ，ｊが、面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊをスクリーン上の実際の画像に結像させて、すべての個別チャネルＫ_ｉ，ｊの個別画像の全体が、スクリーン３上の全体画像に対して距離Ｌ_１において完全に重畳するように構成されている。

大きな投影距離については、幾何学的光学系の結像方程式に従った自身の対応する面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊまでのｚ方向における光学素子Ｏ_ｉ，ｊの間隔は、個別投影チャネルの光学素子の近軸焦点距離ｆ_ＭＫＰにほぼ相当する。図示されているのは、結像のためにそれぞれ有効光束の主要ビームである。このシステムは、ここでは、次のように構成されている。すなわち、ｉ番目のチャネルＫ_ｉ，ｊに対してそれぞれの（ｉ＋１）番目の隣接チャネルＫ_{ｉ＋１，ｊ}の光束のみが、面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊに、すなわちｉ番目のチャネル行に入射し、それによって、反射された光が、行インデックスｉを有する当該面状光変調器に対応する光学素子Ｏ_ｉ，ｊを投影対物レンズとして効果的に通過することができ、かつ当該光学素子Ｏ_ｉ，ｊによって集束されてスクリーン上に結像されるように構成されている。ｉ番目の光学素子の最適なテレセントリック照明のためには、（ｉ＋１）番目の光学素子から到来し、面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの中心点に入射する光束の主要ビームの入射角が、好適には、チルトミラーα_ｄｍｄの２倍の最大偏向角度になるべきであろう（図１４参照）。

すべての個別チャネルＫ_ｉ，ｊの個別投影の光軸は、隣接する光学素子ｐ_ｏｉおよびｐ_ｏｊと、隣接する面状光変調器ｐ_ｄｉおよびｐ_ｄｊと、の間の定義された中心距離差に基づいて相互に集束を有しており、この集束は、１つのスクリーン３上のすべての個別画像が距離Ｌ_１で全体画像に完全に重畳されることをもたらす。ここで、以下の関係：
Ｌ_１＝（ｆ_ＭＫＰ・ｐ_ｏｉ）／（ｐ_Ｄｉ－ｐ_ｏｉ）＝（ｆ_ＭＫＰ・ｐ_ｏｊ）／（ｐ_Ｄｊ－ｐ_ｏｊ）
が成り立つ。

図２は、図１からの配置構成を示し、主要ビームの代わりに、ｘ方向で全体画像の最下部の画素に対する完全な光束を示す。

図３は、図１からの配置構成を示し、主要ビームの代わりに、ｘ方向で全体画像の中心点に対する完全な光束を示す。

図４は、図１からの配置構成を示し、主要ビームの代わりに、ｘ方向で全体画像の最上部の画素に対する完全な光束を示す。

図５は、図１からの配置構成を示し、（図１～図４に示されているように）面状光変調器のすべての個別画素のオン状態の代わりに、個別ミラーの法線ベクトルは、ここでは、ｚ軸に沿って配向されている。ＤＭＤの場合、これは、通常、フラット状態（flat state）と称される。この配置構成は、このピクセル状態において、反射性の面状光変調器に入射する光束がスクリーン３上に結像されず、ビームダンパ１２内に降着することをもたらす。

図６は、図１からの配置構成を示し、この場合、オン状態（図１～図４）でのチルトミラーの先の配向の代わりに、個別ミラー面が、ここでは、ピクセル面中心点およびシステムのｙ単位ベクトルによって定義される軸を中心として光源から時計回りに角度２α_ＤＭＤ分だけ回転させられる。このことは、面状光発生器の個別ピクセルのオフ状態（off state）を表す。オフピクセルに入射するすべての光束は、フラット状態の偏向（図５参照）に比べてさらに強く下向きに偏向され、スクリーンへの結像には寄与しない。散乱光の最小化のため、これらの光束はビームダンパ１２に向けられる。

図７は、相互に収束を伴わない５つの個別投影を有する、図１による本発明による装置を示す。個別チャネル投影は、最初に、スクリーン３上の全体画像まで間隔Ｆ_{Ｍａｋｒｏ}の固定の正の焦点距離Ｆ_{Ｍａｋｒｏ}を有する上流側に接続された両凸総合レンズ４（収束レンズ）を用いて結像され、完全な重畳によって統合される。

図８は、収束を伴わずに、すなわち互いに平行に複合体２から出射する個別投影画像を有する、図１による本発明による配置構成を示す。個別投影画像は、可変に設定可能な焦点距離を有する総合レンズ５に入射する。この総合レンズ５は、個別投影の光軸を、設定された焦点距離に応じて位置合わせし（図では負の焦点距離が示されている）、それにより、個別投影画像は、相互に収束させてスクリーン３方向に位置合わせさせても、相互に発散的に並列させて位置合わせさせてもよい。この設定可能な焦点距離は、可変の画像合成を可能にさせ、それにより、種々異なる、最大ルミナンスおよび最小画素数ならびに最小画像サイズを有する全体画像と、最大画素数および最小ルミナンスおよび最大画像サイズを有する全体画像と、の間で動的に切り替えることができる。

図９は、大面積の複合的面状光変調器６の形態の個別面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊを統合させることにより実行される本発明による配置構成を示す。これらの光学的個別素子は、個別チャネル毎にそれぞれ２つの光学面からなるレンズアレイ７の形態で、モノリシック部品として構成されている。面状光変調器６に面する光学面は自由形状表面であり、スクリーンに面する面はここでは非球面表面である。ここでは、有効光束が、３つの異なる画素に対する照明光路１３においても（ＤＭＤでの反射後の）投影光路１４においても示されている。ｉ番目の面状光変調器の照明光は、ここでは完全に、行インデックスｉ＋１を有する、ｙ方向で直接隣接する隣接チャネルから到来する。

図１０は、本発明の具体的な実施形態を示す。ここでは、５行およびｊ列を有する面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊからなる配置構成であり、投影方向において上流側に位置決めされているカバーディスク８を備えている。６行およびｊ列に配置されている、個別チャネルの光学素子Ｏ_ｉ，ｊは、それぞれ２つの光学面を有するそれぞれ２つのレンズから形成されている。ここでは、光学複合体９は、２つの両面モノリシックレンズアレイから形成され、この場合、第１のレンズアレイ９ａは、光学素子Ｏ_ｉ，ｊからなる第１のレンズの２次元アレイを含み、第２のレンズアレイ９ｂは、光学素子Ｏ_ｉ，ｊからなる第２のレンズの２次元アレイを含む。面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの照明は、光学素子Ｏ_{（ｉ＋１）ｊ}によっても、Ｏ_{（ｉ＋２）ｊ}によっても行われる。面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの投影は、で各チャネル行について光学素子Ｏ_ｉ，ｊ、ただしｉ∈｛１，…，５｝によって行われる。図示されているのは、ｉ∈｛１，３，５｝のチャネル行からの投影についての主要光路である。

図１１は、本発明による配置構成を示し、この場合、ここでは、個別チャネルの照明光路１３および投影光路１４の分離が、モノリシックプリズム１０を用いて行われる。照明の光源１から到来する光束は、その平坦な入射角に基づいてプリズム１０の側面において全反射され（ＴＩＲプリズム）、続いて、傾斜した入射下で複合体２に到達する。面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊにおける光束の反射偏向と角度変化とに基づき、それぞれの光学素子Ｏ_ｉ，ｊによって個別投影画像に結像される各光束は、プリズム１０を通り、さらにプリズム１０の反射角偏向を補償する第２のプリズム１１を通ってスクリーン３の方向に透過することができる。このことは、図１の配置構成に比べてさらにコンパクトな構造形態を可能にする。なぜなら、これらの光路は、それらが空間的にまだ相互に分離されていない場合であっても、全反射によって、すなわち角度に依存して種々異なる方向に供給することができ、したがって最小の構造空間内で空間的に分離されるからである。すべての個別投影画像は、スクリーン３上の全体画像に完全に重畳される。

図１２は本発明を示し、この場合、照明のビーム束が図１１とは異なり、プリズム１０を屈折的に通過し、全反射なしで複合体２に到達する。面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊにおける反射角偏向と、後続の光学素子Ｏ_ｉ，ｊによる結像と、に基づいて、光束は、投影光路においてプリズム１０の界面において全反射され、したがって、スクリーンの方向に偏向される。図１１でも同様に、角度フィルタとしての全反射の活用が、図１からの配置構成に対する全体システムの構成サイズのさらなる低減を可能にする。

図１３は、本発明を２つの種々異なる状態で示している。状態１は、複合体２からの投影距離Ｌ_１における実際の全体画像の投影に相当し、状態２（破線）は、第２の投影距離Ｌ_２における実際の全体画像の投影を示しており、この場合、Ｌ_１＜Ｌ_２である。
投影距離の拡大は、個別投影画像相互の収束の低減から生じ、これは隣接する個別面状光変調器の中心距離の低減によって生成される。個別面状光変調器の画像コンテンツの電気的な駆動制御可能性に基づき、好適には、Ｄ_ｉ，ｊ自体の機械的なシフトが伴うのではなく、Ｄ_ｉ，ｊ上での画像情報相互の相対的シフトのみによってＰＤＩの効果的な変化が実現でき、ひいては全体画像の合成のための異なる距離が生成される。

図１４は、例示的にＫ_１，ｊ＝（Ｄ_１，ｊ，Ｏ_１，ｊ）およびＫ_２，ｊ＝（Ｄ_２，ｊ，Ｏ_２，ｊ）およびＫ_３，ｊ＝（Ｏ_３，ｊ）からなる３つのチャネルからの複合体に基づいて示された本発明を示す。面状光変調器への主要ビームの入射角は、ここでは、α_ＤＭＤの傾斜角のもとで光学素子のテレセントリック照明を形成するために２α_ＤＭＤである。

図１５は、図１からの本発明による配置構成を、照明光路内の反射器１５によって補足して示している。このことは、配置構成のさらなる小型化に役立つ。

図１６は、本発明の具体的な実施形態を示す。これは、５行および３列の面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊからなる配置構成である。６行および３列に配置された個別チャネルの光学素子Ｏ_ｉ，ｊは、それぞれ２つの光学面を有するそれぞれ２つのレンズから形成される。ここでは、光学複合体１６は、２つの両面モノリシックレンズアレイから形成されており、この場合、第１のレンズアレイ１６ａは、光学素子Ｏ_ｉ，ｊからの第１のレンズの２次元アレイを含み、第２のレンズアレイ１６ｂは、光学素子Ｏ_ｉ，ｊからの第２のレンズの２次元アレイを含む。
個別面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの照明は、ここでは、図１０とは異なり、光学素子Ｏ_ｉ，ｊおよびＯ_{（ｉ＋１）ｊ}、すなわち直接の隣接部および固有のチャネルの光学素子の部分集合によって行われる。この配置構成では、カバーディスク８が存在しない。面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの投影は、で各チャネル行について光学素子Ｏ_ｉ，ｊ、ただしｉ∈｛１，２，３，４，５｝によって行われる。図示されているのは、ｉ∈｛１，３，５｝のチャネル行からの投影についての主要光路である。

図１６ａは、図１６からの配置構成からの光源１の場所空間分布および角度空間分布を示している。光源は、ｘ方向において比較的大きい拡がりを有する矩形の形状と、ｘ方向およびｙ方向において約±５°の発散角度を有する正方形の角度分布と、を有している。

図１６ｂは、光学素子Ｏ_ｉ，ｊのスクリーンに面した入射面の平面内に取り込まれた場所空間分布および角度空間分布を示している。光源の光は、近似的にＤＭＤの傾斜鏡角度α_ＤＭＤの２倍に相当する－２４°の主要ビーム角度のもとで光学素子Ｏ_ｉ，ｊ、ただしｉ∈｛２，３，４，５，６｝かつｊ∈｛１，２，３｝に入射する。

図１６ｃは、面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの平面内に取り込まれた場所空間分布および角度空間分布を示している。５×３で照明された光学素子の各々は、光源の角度分布からチャネル単位で当該分布の画像をＤＭＤ上に生成する。画像中心点のための光束の主要ビーム角度は、ｘ方向において＋２４°にある。オン状態におけるチルトミラーは、この主要ビーム角度を、０°まで、すなわちｚ方向において、Ｄ_ｉ，ｊに対応すべき光学素子によってスクリーン方向に偏向させる。フラット状態におけるチルトミラーは、主要ビーム角度をｘ－２４°に変向させ、オフ状態におけるピクセルは、主要ビームを－４８°に変向させる。

図１６ｄは、図１６からの配置構成を３次元図で示している。図示されるのは、面状光変調器Ｄ_３ｊ、ただしｊ∈｛１，２，３｝の中心点を結像するための光源１から到来する３つの主要ビームのビーム経過である。以下のビーム経過：
Ｏ_４１がＤ_３１を照明し、Ｏ_３１によりスクリーン方向に投影されるビーム経過
Ｏ_４２がＤ_３２を照明し、Ｏ_３２によりスクリーン方向に投影されるビーム経過
Ｏ_４３がＤ_３３を照明し、Ｏ_３３によりスクリーン方向に投影されるビーム経過
が例示的に示されている。

図１７は、本発明による解決手段の特別な構成において、本発明による２つの投影ディスプレイＰＤ_ａおよびＰＤ_ｂの組み合わせを示し、ＰＤ_ａは、光源１ａおよび複合体２ａからなり、ＰＤ_ｂは、光源１ｂおよび複合体２ｂからなる。
光源１ａは、当該光源からそれぞれｘ配向でさらに離れている各面状光変調器Ｄ_ａｉ，ｊの半部のみが照明されるように構成されている（ここでは例示的に、下方の画像半部１８_ａ１，ｊを有する面状光変調器Ｄ_ａｉ，ｊについて示されている）。投影ディスプレイＰＤ_ｂは、面状光変調器Ｄ_ａｉ，ｊの中心点においてシフトされたｙ－ｚ平面において反射された投影ディスプレイＰＤ_ａに相当する。すべての面状光変調器のすべてのピクセルは、最初に、フラット状態で形成されている。投影ディスプレイＰＤ_ａのすべての面状光変調器は、投影ディスプレイＰＤ_ｂにより、行Ｏ_ａｉ，ｊ、ただしｉ∈｛１，２，３，４，５｝の光学素子と同様にともに利用される。したがって、光学素子の関係についてＯ_ａ１，ｊ≡Ｏ_ｂ５，ｊおよびＯ_ａ２，ｊ≡Ｏ_ｂ４，ｊおよびＯ_ａ３，ｊ≡Ｏ_ｂ３，ｊおよびＯ_ａ４，ｊ≡Ｏ_ｂ２，ｊおよびＯ_ａ５，ｊ≡Ｏ_ｂ１，ｊが成り立ち、さらに面状光変調器についてはＤ_ａ１，ｊ≡Ｄ_ｂ５，ｊおよびＤ_ａ２，ｊ≡Ｄ_ｂ４，ｊおよびＤ_ａ３，ｊ≡Ｄ_ｂ３，ｊおよびＤ_ａ４，ｊ≡Ｄ_ｂ２，ｊおよびＤ_ａ５，ｊ≡Ｄ_ｂ１，ｊが成り立つ。
ここで、すべての面状光変調器のチャネル固有の上方画像半部１７_ａｉ，ｊ（チャネル（Ｋ_ａ１，ｊ）に対する１７_ａ１，ｊで例示的に示されている）の画像コンテンツを反転させれば、これらの画像コンテンツは、投影ディスプレイＰＤ_ｂに作用し、もしくは光源ｌｂが２ｂに照射される場合、表面光変調器の上方半部のピクセルが反転されていないかのように作用し、それに応じて、光学素子Ｏ_ａｉ，ｊ、ただしｉ∈｛１，…，５｝によってスクリーン３方向に結像される。したがって、すべてのチャネルの組み合わせは、すべての光学素子と両方の光源との相互作用により、チルトミラー状態の適正の変調のもとで、照明されている面と照明されていない面との適正な分布とともに全体画像を投影することができる。
好適には、２つの相互に組み合わせられた投影ディスプレイＰＤ_ａおよびＰＤ_ｂのこの配置構成において、各チャネルの光学素子に対する技術的な要求は比較的低い。なぜなら、それらはここで、各隣接チャネルの格段に小さい面領域を照明するかもしくは自身でチャネル内部に結像できなければならないからである。投影画像内でのエラー光の回避のために、有利には、１ａおよび１ｂから到来する照明領域の間で面状光変調器への照明領域の可及的に鮮明な分離およびクリーンな接続を保証することができる。

図１７ａは、光源１ａによって照明された、図１７からの配置構成をｚ方向図で示している。図示されているのは、５×３のすべての面状光変調器であり、この場合、これらはそれぞれ、その下方の半部１ａにおいてのみ照明される。光源１ａに対してＯＮピクセルとして有効な面要素は、ハッチングされ、これは、ＯＦＦピクセルとして有効な面要素として黒色に表示される。

図１７ｂは、光源１ｂによって照明された、図１７からの配置構成をｚ方向図で示している。図示されているのは、５×３のすべての面状光変調器であり、この場合、これらはそれぞれ、その上方の半分１ｂにおいてのみ照明される。光源１ｂに対してＯＮピクセルとして有効な面要素は、ハッチングされ、これは、ＯＦＦピクセルとして有効な面要素として黒色に表示される。

図１７ｃは、明るく照明された正方形の中心における暗い「Ｆ」からなるスクリーン３上でのＰＤ_ａによるすべての下方の画像半部１８_ａｉ，ｊのすべての結像と、ＰＤ_ｂによるすべての上方の画像半部１７_ａｉ，ｊのすべての結像と、の統合された投影画像を示している。

図１８は、スクリーン３上の２つの個別投影画像の例示的な重畳を示しており、この場合、これらは、ｘ方向およびｙ方向で相互にそれぞれＰ／２だけ、ただしＰは、複合体２の面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの投影されたピクセルの中心距離としてシフトされている。このことは、表示可能で変調可能な画像ピクセル数を、ｘ方向でもｙ配向でも２倍にさせることができ、すなわち表示可能な全体ピクセルを４倍にさせることができる。
図示されるのは、ｘ方向およびｙ配向における通常数百ピクセルの個別投影画像のすべての投影ピクセルの全体集合からのそれぞれ２×２の投影ピクセルである。この形態のハーフピクセル重畳は、個別プロジェクタの部分集合の空間的オフセットの適合化によって生成することができる。このことは、例えば、すべての光学素子の部分集合を、すべての光学素子の第２の部分集合に対して相対的に偏心させることによって生成することができる。このｘ方向およびｙ配向において画像側のハーフピクセル拡大に関して通常レンズシフトと称される効果は、光学素子の部分集合を偏芯させることによっても、相互に同じ中心距離を有する光学素子からの規則的に配置されたアレイに関する面状光変調器の部分集合を偏芯させることによっても実現させることができる。このハーフピクセル重畳を時系列的に実現するために、通常、高頻度の機構を使用する従来のシングルチャンネル投影システムとは異なり、このように構成されたマルチチャンネル投影システムでは、（固体の）可動部品なしで、表示可能な画像情報の増加（超解像）を生成することができる。

図１９は、スクリーン３上の３つの個別投影画像の例示的な重畳を示しており、この場合、これらは、ｘ方向およびｙ方向で相互にそれぞれＰ／３だけ、ただしＰは複合体２の面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの投影されたピクセルの中心距離としてシフトされている。このことは、表示可能で変調可能な画像ピクセル数を、ｘ方向でもｙ配向でも３倍にさせることができ、すなわち表示可能な全体ピクセルを９倍にさせることができる（超解像）。図１８とは異なり、このためには、その光軸が角度空間において１／３ピクセルシフトまたは２／３ピクセルシフトのいずれかによって光学的チャネルの第１の部分集合に対して偏向されているチャネルＫ_ｉ，ｊにいて３つの部分集合を必要とする。偏向は、例えば、統一的な中心距離を有する面状光変調器の全体に関するすべての光学素子の部分集合を相互に偏心させることによって、または同じ中心距離を有する光学素子の全体に関する面状光変調器の部分集合を相互に偏心させることによって行うことができる。

本発明による解決手段の特別な実施形態では、光学的に有効な素子の近軸焦点距離は、好適には０．５ｍｍ～３０ｍｍである。

有利には、本発明による解決手段では、スクリーン３上における、チャネル個別の空間照明分布を備えた多数の面状光変調器の重畳に基づき、スクリーン上の画像情報の重畳だけが行われるのではなく、スクリーン３上におけるＤ_ｉ，ｊ上のすべてのチャネル個別の空間照明分布の重畳も伴うことが認識できる。この固有の配置構成に起因する光分布の混合は、従来のシングルチャネル投影システムに比べて、全体画像にわたってより良好な光分布の均一性をもたらす。
従来のシングルチャネル投影システムでは、全体画像の照明の比較可能な均一性が必要となり、それゆえ、照明光路内の構造において、例えば光学素子の数がより多くなることにより、常により多くの労力を必要とする。
（チャネル数Ｎに依存して）同じ光束を有する従来の投影システムに比べて、結像に必要な光学素子の所要の焦点距離がほぼ

に格段に低減されていることに基づき、本明細書で説明する反射性の面状光変調器を使用しながら、提案されたマルチチャネル投影原理を使用することにより、格段の構造空間節約の可能性が生じる。

各チャネルの光学素子の二重機能、すなわち、それらを照明機能のためにも投影機能のためにも使用することによって、従来の投影システムに比べて膨大な部品節約の可能性が生じる。このことは、結果として生じる比較的僅かな複雑性および低減された許容誤差連鎖に基づいて、著しく高性能で、故障しにくく、かつ低コストの投影システムに結び付けることができる。

独国特許出願公開第１０２０１１０７６０８３号明細書に記載された方法の、提案された本発明による解決手段への適用は、コントラストに富んだ強い光の投影画像を、例えば強く傾斜したスクリーン面または自由形状面上に投影することを可能にする。これに対する基礎は、マルチチャネル配置構成の他に、通常の投影距離（１０ｃｍ…１０ｍ）よりも比較的小さな光学的開口数（０．５ｍｍ…１０ｍｍ）によって結果として生じる個々のチャネルの超焦点の活用にある。

独国特許出願公開第１０２０１３２０８６２５号明細書に記載された物体構造生成のためのアルゴリズムの使用は、同じ光束のシングルチャネル投影システムよりも拡張された被写界深度をもたらすことができる。特別なケースでは、独国特許出願公開第１０２０１３２０８６２５号明細書に開示されている計算規則は、面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊ上に形成されている物体情報を新たに調整する必要性なしで、３次元の投影光フィールド内で２つ以上の投影画像の生成にも利用可能である。

例えば８ビットのパルス幅変調駆動制御可能なピクセル輝度深さ（グレー値の数）を有する面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊの使用下では、全体画像３におけるｉ・ｊ≡Ｎチャネルのチャネル数のもとで、２５６×Ｎの画像ピクセルの表示可能なビット深さ（表示可能なグレースケールの数）が生じる。このことは、マルチチャネル重畳投影原理に基づいて、表示可能なグレースケール値もしくは画像深度の増大に相当する。

図９および図１６に図示された例示的な実施形態は、面状光発生器のカプセル化のためのモノリシック部品としての光学素子の使用を可能にさせ、従来のプロジェクタにおいて必要とされたカバーディスクに置き換わる。

本発明による解決手段のさらなる特別な実施形態では、複合体２の内部において、同じ列インデックスｊを有する投影チャネルＫ_ｉ，ｊの部分集合に、同じ透過スペクトル、例えば赤、緑または青色を有するチャネル固有のカラーフィルタが割り当てられ、対応する面状光変調器Ｄ_ｉ，ｊがＯＮピクセルとして相応の色成分を表し、それにより、フルカラーの全体画像が基本色で着色されたすべてのチャネルＫ_ｉ，ｊの重畳によりスクリーン３上に生じることが提案される。

独国特許出願公開第１０２０１２２０５１６５号明細書および独国特許出願公開第２０１３２０６６０４号明細書に記載された配置構成を、本明細書で開示された本発明による配置構成と組み合わせて使用することにより、例えばアイトラッキング眼鏡の形態で、または自動車の乗員の視野に情報を反映させるための配置構成の形態で、仮想の画像コンテンツを投影することが可能になる。
市販されているＤＭＤ面状光変調器の側面形式は、多くの場合、１６：９であり、効率的な投影システムの実現のために有利であるのは、利用可能な光源（高出力ＬＥＤ、レーザダイオード）の通常の場所分布との組み合わせにおいてこれによる最適な面状光変調器の面積利用に基づくその形式が同様に１６：９または１：１に相当する開口部を備えた光学素子の使用である。
請求項１による上記の配置構成のシステム効率をさらに向上させる手段は、オフ状態で面状光変調器のチルトミラーピクセルに入射する光を、スクリーンに入射可能にさせることなく、面状光変調器での反射後に光学素子の複合体から結像させずに再び出射させ、第２の回またはさらなる回で光学部品を用いて再度照明光路内に給電することであり、それにより、これらは、照明光路をさらなる回で通過でき、それによって、可能な場合には、さらなる通過の際にＯＮピクセルに入射して、スクリーン方向に結像させることができる。

Claims (7)

1. 少なくとも１つの光源（１）を備えた投影ディスプレイにおいて、
   前記投影ディスプレイは、少なくとも１つの複合体（２）を有し、
   前記少なくとも１つの複合体（２）は、少なくとも２つの光学的個別チャネル（Ｋ）からなり、
   前記少なくとも２つの光学的個別チャネル（Ｋ）は、光伝播方向にピクセル単位で影響を与えるそれぞれ１つの面状光変調器（Ｄ）と、光学素子（Ｏ）と、からそれぞれ形成されており、
   かつ前記複合体のすべてのチャネルについて、
   前記すべてのチャネルの光学素子の包括的チャネル全体は、前記複合体（２）への光入射の際に、前記面状光変調器（Ｄ）を照明し、これにより、前記チャネルの前記光学素子（Ｏ）は、前記面状光変調器（Ｄ）において反射された光を物体構造として結像し、前記個別チャネルのすべての結像は、スクリーン（３）上で１つまたは複数の仮想または実際の全体画像に重畳されることが当てはまることを特徴とする、
   投影ディスプレイ。
2. 前記複合体（２）は、
   光学的個別チャンネルＫ_ｉ，ｊからなり、
   ｘ－ｙ平面内に存在する、２次元ｉ×ｊ行列、ただしｏ≧３およびｊ_ｍａｘ≧１で形成され、それらの行列要素（Ｋ_ｉ，ｊ）として、それぞれ以下の式
   

   

   によって定義される光学的個別チャンネルからなり、
   光伝搬方向を反射によりまたは反射および回折の組み合わせによりピクセル単位でアドレス指定可能な面状光変調器（Ｄ_ｉ，ｊ）であって、その光入射ベクトルおよび光出射ベクトルの法線ベクトルがｙ軸に対して平行に延在し、ｄ行、ただしｄ≧２およびｊ_ｍａｘ列に配置された面状光変調器（Ｄ_ｉ，ｊ）と、ｏ行およびｊ_ｍａｘ列に配置された光学素子（Ｏ_ｉ，ｊ）と、を備え、
   それぞれの光学的個別チャネル（Ｋ_ｉ，ｊ）は，次のように構成され、すなわち、前記複合体（２）への光入射の際に、ｉ番目の行およびｊ番目の列の個別チャネル（Ｋ_ｉ，ｊ）の面状光変調器（Ｄ_ｉ，ｊ）は、（ｉ＋１）番目のチャンネル行が常にｉ番目のチャンネル行と光源との間に位置決めされるｉについての計数方式でもって、以下の式
   

   

   もしくは
   

   

   に従った照明割り当て関数ｂ（ｉ，ｊ）により定義される光学素子（Ｏ_ｉ，ｊ）の部分集合によって照明されるように構成され、
   それにより、ｉ番目の行およびｊ番目の列の面状光変調器（Ｄ_ｉ，ｊ）における反射の後、前記（Ｄ_ｉ，ｊ）の各々は、ｐ（_ｉ，ｊ）＝｛Ｏ_ｉ，ｊ｝に従った投影割り当て関数ｐ（ｉ，ｊ）により定義されるｉ番目の行およびｊ番目の列の光学素子（Ｏ_ｉ，ｊ）の集合によって光学的に結像され、前記複合体（２）のすべての個別投影画像は、スクリーン（３）上で１つまたは複数の仮想または実際の全体画像に重畳される、
   請求項１記載の投影ディスプレイ。
3. すべての前記個別チャネルの照明光路（１３）は、前記光源（１）と前記複合体（２）との間に配置された反射器（１９）において偏向される、
   請求項１または２記載の投影ディスプレイ。
4. 前記照明光路（１３）および投影光路（１４）の空間的分離は、前記光源（１）と前記複合体（２）との間に配置されたプリズム（１０）内の全反射によって行われ、それにより、前記照明光路（１３）を全反射させかつ前記投影光路（１４）を前記スクリーン（３）の方向に透過させるか、または前記照明光路（１３）を前記複合体（２）の方向に透過させかつ前記投影光路（１４）を前記スクリーン（３）の方向に全反射させる、
   請求項１または２記載の投影ディスプレイ。
5. 前記複合体（２）と前記スクリーン（３）との間に、可変に設定可能な焦点距離（５）を有する全体レンズが配置され、前記全体レンズを用いて、個別画像投影の光軸は、設定された焦点距離に応じて配置され、それによって、可変の画像合成は、例えば最大照度、最小画素数および最小画素サイズを有する全体画像かまたは最低照度、最大画素数および最大画素サイズを有する全体画像を動的に実現可能である、
   請求項１または２記載の投影ディスプレイ。
6. 前記複合体（２）内部において、同じｊインデックスを有する投影チャネル（Ｋ_ｉ，ｊ）に、同じ透過スペクトル、例えば赤、緑または青色を有するカラーフィルタが割り当てられ、対応する面状光変調器（Ｄ_ｉ，ｊ）は、ＯＮピクセルとして相応の色成分を表し、フルカラーの全体画像は、基本色に着色されたすべてのチャネル（Ｋ_ｉ，ｊ）の重畳により前記スクリーン（３）上に生じる、
   請求項１または２記載の投影ディスプレイ。
7. すべての投影チャネルの部分集合は、次のように構成され、すなわち、それらの対応する投影全体画像が、投影チャネルのさらなる部分集合の投影された全体画像に対して、前記スクリーンの平面内に存在する空間的オフセットを有するように構成され、前記オフセットは、投影された面状光変調器ピクセルのピクセル中心間隔の一部に相応し、すべての面状光変調器のピクセル情報のチャネル個別変調により、すべての投影の重畳は、個別投影画像の表示可能な画素数よりも多くの効果的に表示可能な画素数を有する累積された全体画像を生成する、
   請求項１または２記載の投影ディスプレイ。

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