JP3804970B2 - 像投映装置 - Google Patents

Description

本発明は、
光源と；
像を観察表面上に投映するための投映レンズと；
前記光源と前記投映レンズとの間に延在する光路と；
前記光源と前記投映レンズとの間の前記光路内に配置した光弁であって、回動自在のミラー画素の二次元アレイを有し、前記画素は前記アレイの長軸に対して対角線方向に向いた回動軸のまわりを回動することができ、前記画素がこれらの画素に当たる光源からの光を、当該画素に入力されるビデオ情報に従って光を変調すべく前記投映レンズ内か、該投映レンズから離れたところに反射する光弁と；
前記光路内に配置した開口手段と；
を含む像投映装置に関するものである。
ここで云う像投映装置とは広義に理解すべきであり、これは例えばビデオ像、グラフィック像、数値情報又はそれらを組合せたものを表示するための装置を含むものである。像は単色及びカラー像のいずれとすることもできる。
市販のたいていのビデオ投映装置は３つの各３原色用の別個の投映光路を利用している。従って、これらの装置は赤、緑及び青の光弁及びスクリーン上に正確に収束させなければならない光路を必要とし、構成の複雑さ及び価格の高騰をまねいている。最近、単光弁だけを利用するビデオ投映装置が開発されている。斯種の装置の１つに所謂カラーフィールド順次装置があり、これでは例えば１／５０又は１／６０秒の正規のビデオフィールドを３つの部分、即ち例えば１／１５０又は１／１８０秒のカラーサブフィールドに細分する。
３つのカラーサブフィールドの期間中に光弁は赤、緑及び青色光で順次照射される。光弁がいずれかの所定の色で照射されている間、その色に対応するビデオデータが光弁上に表示される。この場合に目は３つのカラーサブフィールドを１つの全カラーフィールドに融合する。目は連続ビデオフィールドを完全な動き、完全なカラービデオにも融合する。斯かる装置は光弁の表面を３つの色で順次照射するための装置を必要とする。このような照射装置の最も簡単なものとしてカラーホイールがあり、これは回転すると白色投映ランプからのビームの色を変える。
最近では投写テレビジョン装置に使用するのが特に好適な改良光弁が市販されている。このような装置の１つに所謂変形可能なミラーデバイス（ディジタルミラーデバイス又はＤＭＤと称することもある）があり、これは米国特許第５，０７９，５４４号に開示されており、この場合には光弁を極めて小さい回動自在のミラー状の画素のアレイで構成し、これらの画素は光ビームを投映レンズを経て表示スクリーンの方か（オン）又は投映レンズから離れた方（オフ）のいずれかに偏向させるようにする。このようなデバイスはフィールド順次装置に使用するのが特に好適である。その理由はデバイスの画素を極めて迅速に切り換えることができるからである。画素を極めて迅速に切り換えることができることにより一様なグレースケールを発生させることができる。
ビデオ投映装置にとっては、輝度が直視（ＣＲＴ）装置の輝度に近づくか、又はそれ以上となるように輝度を高めることが常に所望される。明るい像に加えて、像は投映像が“色はげ”を来さないようにコントラストも良好にする必要がある。ビデオ投映装置における輝度を増大させる通常の方法は、この装置の開口を大きくすることである。しかし、開口を大きくすることは一般に光学系の構成を複雑にし、且つ価格を上げることになると共に、開口を大きくすることにより装置に入射する擬似光が多くなるために装置のコントラストを下げることにもなる。コントラストを高くするのが特に重要とされる場合に、多くの投映装置は開口を小さくしてコントラストを増大させるようにするが、これでは輝度の低減をまねくという犠牲が生ずる。
本発明の目的は輝度とコントラストの双方を増大させる像投映装置を提供することにある。本発明による装置は、前記開口手段が長軸及び短軸を有し、且つ像投映装置の光軸に沿って見たときに、前記長軸が前記光弁の画素の回動軸に対して平行に配置される向きで前記開口手段を前記光路内に配置するようにしたことを特徴とする。
非対称開口は光路に沿って１個所以上の所に位置させる。非対称開口の長軸は画素のスイッチング方向に対して直角の方向とする。コントラストの強調をさらに高めたい場合には、光がＤＭＤ構体から回折又は散乱される方向における開口の幅が狭くなるように開口を構成することもできる。非対称開口はランプとＤＭＤとの間の光路内か、ＤＭＤの後方、例えば投映レンズ内か、又はこれら双方の個所に設けることができる。本発明はカラー又は単色装置並びにマルチ光弁及びマルチ投映ランプを用いる装置にも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は個々の画素のヒンジ方位を示しているＤＭＤタイプの光弁の表面を図式的に示した平面図であり；
図２はＤＭＤ投映装置における入射ビーム、オンビーム、正反射ビーム及びオフビームの分離角度を示す線図であり；
図３は本発明による像投映装置の実施例であり；
図４は照明装置の光路内に用いられるような対称開口と非対称開口との比較を示す線図であり；
図５は光弁に関連して投映装置の光軸に沿って見た図４の非対称開口を図解したものであり；
図６は本発明に使用する非対称開口の第２例を示したものであり；
図７は光弁に関連して投映装置の光軸に沿って見た図６の非対称開口を図解したものである。
図１はミラー画素２２のアレイを有している変形可能なミラーデバイス（以後“ＤＭＤ”と称する）形態の光弁２０を示す。各画素２２は、その各々の２つの対角隅部に位置付けした捩れヒンジ２４のまわりを回動し得るように取付けられる。作動に当り、適当なオン電圧を画素２２に印加すると、画素２２の左上隅部２６がＤＭＤ２０の水平面から上方に動き、又右下隅部２８が下方に動くようになる。同様に、オフ電圧を印加すると、画素２２は、隅部２６が下方に動き、隅部２８が上方に動くように、捩れヒンジ２４のまわりを回動するようになる。従って、オン及びオフ位置は各画素２２の２つの別個の動きによって得られる。一般に、画素２２はＤＭＤ２０の水平面のどちらか一方に１０°だけ回動させることができる。オン位置にて入射光は投映レンズの開口内に反射される。オフ位置では入射光が投映レンズの開口外に反射されるため、入射光は観察スクリーンに達しなくなる。この動作を図２に図解してある。本発明は、個々の画素に対するヒンジがこれらの画素の下側に配置される所謂“隠れヒンジ”形状のＤＭＤにも適用することができる。
図２は画素２２のスイッチングにより得られる光路を示す。図２の点線３０は画素２２をオン位置に回動させた場合におけるこの画素の位置を示し、点線３２は画素２２をオフ位置に回動させた場合におけるこの画素の位置を示す。垂直方向の実線３１はそれぞれの画素２２の同一平面位置（オン位置でもなければ、オフ位置でもない）を示す。図式的に示してある照明装置３４は各画素２２の表面に入射する光ビーム３６を発生する。画素２２がオン位置３０にあるときには、入射ビーム３６がビーム３８として投映レンズ系４０へと反射され、この投映レンズ系がその後方の観察スクリーン（図示せず）上にビーム３８を投映する。画素２２を作動させ、オフ位置３２に回動させると、入射ビーム３６は“オフ”ビーム４２として反射され、このビームは投映レンズ系４０の受光角から外れるため、画素２２のオフ位置からは光が投映スクリーンに達しなくなる。
実際上、ＤＭＤ２０から反射されるビームはオンビーム３８及びオフビーム４２だけではない。それ以外に、ＤＭＤ２０を覆っている窓並びに画素間構体から反射される正反射ビーム４４がある。この正反射ビーム４４は情報内容を有しておらず、これは光学系の“ノイズ”を表す。投映レンズ系４０及び照明装置３４は、黒レベルを高めて投映像の総体的なコントラストを低下させることになる正反射ビーム４４の影響を低減するように設計すべきである。投映レンズ系では適切なコントラストを提供するために４つのビーム３６，３８，４４及び４２を分離すべきであり、従って投映レンズ系４０の受光角は一般に±１０°以下に限定される。投映レンズ系の受光角をそれよりも大きな角度に限定した場合には、投映装置の輝度が低下することになる。
図３は本発明による像、例えばビデオの投映装置４８を図式的に示したものである。図３に示した装置は単パネルの全カラー（ＲＧＢ）装置である。しかし、本発明の原理は単一パネルのカラー装置に限定されるものでなく、単色装置及びマルチパネルカラー装置にも使用することができる。図３に示すように、投映ランプ４９は白色光源を供すべく用いられる。投映ランプ４９は反射器５０と一体とするか、又は別個の反射器に連結して用いることができる。ランプ４９及び反射器５０から放射される光は、ビーム５４をカラーホイール５６の方へと集束するのに用いられる収束レンズ又はレンズ系５２へと進む。カラーホイール５６は赤、緑及び青色透過フィルタから成る一連のセグメント又はスポークを具えている。カラーホイール５６は、装置の軸線５３に対して平行な軸のまわりを回転させて、このホイールの色付きセグメントが順次光ビーム５４を遮えぎるようにする。カラーホイール５６を出た色付きの光ビーム５８は結像レンズ６０の作用を受けてから、集光レンズ６２及び積分器６３へと進む。
積分器６３を出た後のビーム６４は、後に詳述するような形状及びアライメントを有する開口６８を有しているアパーチュアプレート６６へと向けられる。このアパーチュアプレート６６には別の積分器プレート７０も配置する。その後光ビームはプリズム系７２の方へと集束される。このプリズム系７２にて光は表面７４から反射されて、ＤＭＤ２０の表面へと向けられる。なお、プリズム系７２は、ＤＭＤ２０の表面から反射され、従って変調されたビデオ情報を含んでいる光が投映レンズ７６へと向けられて、観察スクリーン又は面（図示せず）上に投映されるように配置する。プリズム系７２はファン デン ブラントの米国特許第４，９６９，７３０号に開示されている形状のものとすることができる。積分器６３，７０は均一な照明ビームを形成するためのものであり、これらはファン デン ブラント外１名の米国特許第５，０９８，１３４号に開示されているものの１つとすることができる。
図４は図３に示したようなＤＭＤ投映装置に使用する開口の形状を示す。たいていの投映装置における光学系は±１５°又はそれ以下の受光角を有するように設計される。光学設計、特に投映レンズの設計は開口が大きくなるにつれて一層困難となる。従って、光学系を簡単にするために開口は実用値に制限する。しかし、ＤＭＤの如きデバイスではＤＭＤそのものを開口をスイッチング方向にて、一般には±８°の受光角に制限する。一般に、投映装置の開口は円形である。±８°のビーム受光角を有する円形開口を図４に点線９０にて示してある。
しかし、ＤＭＤの受光角は画素２２が回動する方向においてのみ制限される。従って、投映装置の開口は画素の傾斜方向に対して直交し、つまり画素２２のヒンジ２４に対して直角の方向に大きくすることができる。図４にはヒンジ方向に沿う受光角が１５°で、ミラー回動（ヒンジ）方向に沿う受光角が８°の非対称開口９２を示してある。図４の矢印９４は画素２２の回動方向を示し、矢印９６は個々の画素２２のヒンジ２４の方向を示す。従って、非対称開口９２の長軸がヒンジ軸に沿う方向に向けられることがわかる。言い換えれば非対称開口９２は回動軸に沿って引き伸ばされている。
図５は投映装置４８の光軸５３に沿って見たものであり、これはＤＭＤ２０及び画素２２に対する非対称開口９２の方位を示している。図５から明らかなように、非対称開口９２は各画素２２のヒンジ２４の軸に沿って整列され、従ってＤＭＤ２０によって形成される像の水平線に対して４５°の角度傾斜している。一般に、像の明るさは開口の面積に比例し、非対称開口９２の面積は対称開口９０の面積の２．３倍とする。実際に実現される輝度の増加量は光源及び集光光学系の諸特性に依存する。
図４では装置の開口をヒンジ２４の方向（ミラー傾斜方向に対して直交する方向）に拡張させた。ＤＭＤ装置ではこの開口形状はコントラスト比の低減をまねくことになる。その理由は大きな開口がオフ状態にて多量の擬似光を受光することになるからである。さらに、擬似光は開口をもっと整形しなければならないように分布する。コントラストを損ねる１つの要因は画素構体から投映レンズ系内に回折される光にある。この回折光はミラー傾斜方向に対して４５°である画素縁の方向に沿って配向される。従って、コントラスト比を改善するためには装置の開口を図６に示すような形状とするのが良い。この図６には非対称開口の他の例９８を示してある。図６の非対称開口９８は図２に示したような正反射ビーム４４の方向１００の幅を狭くした。これにより正反射ビームからの光が投映レンズ系内へ回折する可能性が減るため、この投映レンズ系によって形成される像のコントラストが高くなる。図７に示すように開口９８の縁部１０２は画素２２の側縁に平行に整列させ、又縁部１０４は画素２２の上側及び下側縁に対して平行とする。図６から明らかなように、縁部１０２，１０４は開口９８の上側壁１０６に対して４５°で延在する。
前述したように、ここで述べた実施例はカラー装置に限定されるものでなく、単色装置にも同じように適用することができる。例えば、図３に示したものと同様な単色装置はカラーホイール及び３色用の光弁を駆動させるのに用いられる回路を単に省くだけで済む。同様に、カラー装置では、３つの着色光を逐次発生させるのにカラーホイール以外の他の多くの方法を用いることができる。ＲＧＢ装置は、各々が原色光を発生する３つのランプで形成することもできる。本発明による構成の開口は３つの各照明光路に開口を配置する照明装置にも適用することができる。照明ビームを非対称形状とするのには歪像レンズを用いることもできる。光学系の開口を制御するために、所望形状の開口６８を有するアパーチュアプレート６６の如き物理的な絞りは装置の開口絞り又はその像個所に設けることができる。さらに、投映レンズ７６にも所望形態に形成した内部絞りを設けることができる。たいていの投映装置のように、照明装置の開口絞りは投映レンズの内部絞り内に結像させるべきである。
本発明を変形可能なミラーデバイスに適用するように説明したが、本発明の概念は任意タイプの光弁に適用することができる。例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）によって発生されるコントラスト比は入射角の関数として変化する。一般にこの関数は法線入射光のまわりに円対称ではない。従って、円対称ではないシステム開口を用いることにより装置の輝度及び／又はコントラスト比を改善することができる。
上述した装置は本発明の原理を単に図示したに過ぎず、本発明は幾多の変更を加え得ること明らかである。

Claims (8)

1. 光源と；
   像を観察表面上に投影するための投映レンズと；
   前記光源と前記投映レンズとの間に延在する光路と；
   前記光源と前記投映レンズとの間の前記光路内に配置した光弁であって、回動自在のミラー画素の二次元アレイを有し、前記画素は前記アレイの長軸に対して対角線方向に向いた回動軸のまわりを回動することができ、前記画素がこれらの画素に当たる光源からの光を、当該画素に入力されるビデオ情報に従って光を変調すべく前記投映レンズ内か、該投映レンズから離れたところに反射する光弁と；
   前記光路内に配置した開口手段と；
   を含む像投映装置において、前記開口手段が長軸及び短軸を有し、且つ像投映装置の光軸に沿って見たときに、前記長軸が前記光弁の画素の回動軸に対して平行に配置される向きで前記開口手段を前記光路内に配置するようにしたことを特徴とする像投映装置。
2. 前記開口手段が前記長軸に沿う真直ぐな縁及び前記短軸のまわりの彎曲縁を具えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の像投映装置。
3. 前記開口手段の前記真直ぐな縁の長さを相違させて、前記開口手段が１つの長縁に沿って幅狭となるようにしたことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の像投映装置。
4. 前記開口手段を前記光源と前記光弁との間に配置したことを特徴とする請求の範囲第１，２又は３項のいずれか一項に記載の像投映装置。
5. 前記開口手段を前記光弁から前記投映レンズを含む所までの光路内に配置したことを特徴とする請求の範囲１，２又は３項のいずれか一項に記載の像投映装置。
6. 前記光弁の後方の前記投映レンズまでの光路内に配置される第２開口手段も具えていることを特徴とする請求１，２，３又は４項のいずれか一項に記載の像投映装置。
7. 前記光源によって放射される光の色を少なくとも２つの異なる色に順次変える手段も設けて、請求の範囲１〜６項のいずれか一項に記載の像投映装置をカラー像投映用としたことを特徴とする像投映装置。
8. 前記光源によって放射される光の色を変えるための前記手段が回転ホイールを具えていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の像投映装置。

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