JP4903711B2 - 投影システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、画像を表示するための画像投影システムに関し、特に、レーザに基づく照明光源を有する画像投影システムに関する。

投影器は、背面画像投影システム及び前面画像投影システムの両方で使用されている。背面投影システムにおいては、投影器は、拡散性透過スクリーンの背面側に、画像表示テレビジョン又はデータ図形情報を投影し、その拡散性透過スクリーンの前面側は視聴者の方を向いている。前面投影システムにおいては、投影器は、反射スクリーンの前面側に画像表示テレビジョン又はデータ図形情報を投影し、その反射スクリーンの前面側は視聴者の方を向いている。

投写器の商業的要請に適合するように、小さく、長寿命を有し、良好なコントラストで明るいピクチャを照射するシステムの製造が変わることなく目指されている。

下記においては、照明光源としてランプを有する従来の前面ＬＣＤ投影器の基本的な説明をしている。ＬＣＤ装置以外に、他の空間光モジュール（ＳＬＭ）、例えば、マイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等を、画像情報により光を変調するために用いることが可能である。

投影器には、所望の方向に光を方向付けるように、放物線状リフレクタ及びレンズプレートを有する光収集システム及び光源がある。光源は、典型的には、ＵＨＰランプである。更に、適切な寸法及び幾何学的構成にビームを整形するように及びビームの断面において光強度の均一な分布を得るように、一連のインテグレータ及びレンズを有する。その投影はまた、例えば、平坦なマルチ偏光ビームスプリッタを有する偏光変換システム（ＰＣＳ）のような偏光前光学系を有する。ＰＣＳは、未偏光光を偏光光に大部分を偏光することができる。殆どの透過型前面投影器におけるように、白色光は、その後、色分離光学系又はダイクロイックミラーにより、赤色、緑色及び青色の原色に分離される。３つの異なる色の光は、３つの異なる光バルブを通して送られる。各々の光バルブは、偏光子、ＬＣＤパネル及び検光子を有する。光バルブは、光を透過するか又は遮断するかのどちらかであり、即ち、暗状態か又は明状態のどちらかで備えられることが可能である。ＬＣ層における電場を変化させることによって得られる、ＬＣＤパネルにおけるＬＣ分子の配向を変化させることにより、明状態と暗状態との間で切り換えられることが可能である。それらの３つの異なる色は、その後、ダイクロイックキューブ等により単一のフルカラー画像に再結合され、最終的には、その画像は、イメージング投影光学系により投影される。

近年、アークランプをレーザの集合で置き換えることが好まれている。そのようにすることにより、良好なピクチャ挙動を得て、同時に、コストパフォーマンスが高く、小型の投影システムを得るように、複数の問題点が解決される必要がある。そのような問題点のうちの３つの例として、ｉ）スペックル状のレーザ光はコヒーレント光であり、それ故、厄介な反転及び干渉パターンがもたらされること、ｉｉ）光学上の欠陥が画像において可視的にされる大きい焦点深度、ｉｉｉ）照明光源を失うことなく、システムを如何に最小化するか、の問題点がある。

本発明の目的は、低エテンデュー照明システム、特に、レーザに基づく投影システムを有する画像投影システムで用いる改善された光学的構成を備えることである。

本明細書においては、低エテンデュー照明システムは、レーザに基づく光源のような光源又は光源システムから出射される閉じ込められた狭いビームを有するシステムである。

小さいエテンデューは、光学系における大きい深度のフィールドをもたらす。それ故、ゴミの粒子、引っかき傷、暗いこと及び材料の欠陥のような光路における不完全性が、投影画像において可視性が強くなる。極めて高品質の光学的材料を用いることによりこの問題点を克服するには、コストが掛かり過ぎる。

本発明は、レーザに基づく照明光源を有する画像投影システムにおいてＬＣＤパネルの光出射側に備えられた拡散器を用いることにより、投影画像の品質を改善することができるという洞察に基づいている。有利であることに、拡散器は、小さく、適切にフォーカシングされた変調レーザビームを拡大し、それ故、投影画像は、より均一な強度分布を備えることができ、光路における不完全性は可視性が低く抑えられる。換言すれば、一般概念としては、ビームは、変調された後に及びビームが投影光学系を通る前に、拡大されるようになる。このことは、ビームが変調時に閉じ込められるため、容易な変調を与え、且つ深度の大きいフィールドに関連する問題点を軽減する。

本発明においては、レーザに基づく光源及びＬＣＤパネルを有する投影器に関して説明しているが、本発明はまた、小さいエテンデューを有する何れの他の光変調投影システムに適用可能であること、そして拡散器が何れの種類の光エテンデュー変換要素であることが可能であることは、当業者には明らかである。

本発明の目的は、特許請求の範囲の請求項１、９及び１２にしたがった画像投影システム、光学要素及び方法により達成される。

本発明の第１特徴にしたがって、本発明は、照明ビームを供給するためのレーザ光源と、画像情報により照明ビームを変調するための変調パネルと、スクリーンに変調された照明ビームを投影するための投影光学系と、を有する画像投影システムを提供する。更に、その画像投影システムはまた、前記変調された照明ビームを広げるためのエテンデュー変換手段であって、前記エテンデュー変換手段は光源からスクリーンへの光路における前記変調パネルの後に備えられている、エテンデュー変換手段を有する。

本発明の第２特徴にしたがって、本発明は、上記のような画像投影システムで用いられる光学要素を備えている。その光学要素は、光変調ＬＣＤ層及びエテンデュー変換層を備えた基板を有し、前記光変調ＬＣＤ層及びエテンデュー変換層は、前記基板の反対側に好適に備えられている。

本発明の第３特徴にしたがって、本発明は、投影器のための画像投影方法であって、レーザ光の照明ビームを出射する段階と、画像情報により照明ビームを変調する段階と、ビーム径を広げるように、前記変調された照明ビームをエテンデュー変調する段階と、スクリーンにおいて前記エテンデュー変調された照明ビームを投影する段階とから成る連続的段階を有する、方法を提供する。

上記の３つの特徴に関連する一有利点は、それらの特徴が、例えば、光学系における不完全性が殆ど現れず、何れの画像情報の損失を伴うことなく、投影画像において高い均一性を有することのために、投影画像の良好であると認識できる品質を提供することである。投影画像の不完全性は、変調された光の拡散により殆ど現れない。光を拡散する拡散器又はエテンデュー変換要素は更に、画像における各々の画素が明瞭に視認されるように備えられている。

有利であることに、エテンデュー変換要素は、エテンデュー変換された照明ビームが、実質的に均一な遠視野強度分布又は角度分布を有するように備えられている。これは、例えば、回折ビーム整形要素により達成される。換言すれば、エテンデュー変換された照明ビームは、好適には、トップハット状散乱分布、更に好適には、矩形状角度分布を有する。これは、例えば、ビーム整形要素により達成される。換言すれば、投影画像は、何れの実質的な光の量の損失を伴わずに改善されて、かなり均一になる。更に、エテンデュー変換要素は、有利であることに、それらの変換要素を、コストパフォーマンスが高く、光学的特性に関する特定の要求に適合するように、調節することができるようなホログラフィック拡散器である。

有利であることに、投影画像におけるスペックルの視認性が低減されるように、手段が導入されている。この視認性の低減は、眼の応答時間に比べて速く、光路中の要素を変調することにより行われる。これは、例えば、照明ビームの光路を横断して前後に要素を動かす又はビーム面においてその要素を回転させて、約７０Ｈｚより速く、要素を振動させることにより行われる。この手段は異なるスペックルのパターンをオーバーレイし、投影画像において見込まれるスペックルが人間の眼には視認されない。それどころか、ビューアは、平均強度分布として画像を知覚する。好適には、変調要素はエテンデュー変換要素である。

スペックルの視認性はまた、粗い拡散面を有するエテンデュー変換要素において液晶層を備えることにより低減される。液晶層は、拡散状態と拡散がない又は殆どない状態との間で透過光が切り換えられるように、電気光学的に変調される。そのような装置は、当該技術分野においては既知である。例えば、スイッチング可能液晶層は、偏光依存性アクティブ状態とパッシブ状態との間で切り換えられ、その電場はＬＣ材料中の結晶を回転し、その回転は、液晶材料の屈折率に影響を与える。パッシブ状態においては、液晶層の屈折率は、光が実質的に影響されることなく、切り換え可能層を容易に透過するように備えられている。アクティブ状態においては、液晶層の屈折率はエテンデュー変換要素の屈折率に一致している。それ故、液晶層画拡散器の粗い拡散層において備えられ、適合する屈折率を有するために、光の広がりは除去される又は減少される。切り換え可能エテンデュー変換要素は、アクティブ状態において大きい線状透過を回避するように、通常の又は非切り換え可能エテンデュー変換要素と好適に結合される。この電気光学変調は可動部分を用いない有利点を有する。

有利であることに、マイクロレンズアレイが画像パネルの光入来側に備えられ、それ故、照明ビームは、画像パネルにおけるそれぞれの画素に良好にフォーカシングされる。これは、小さい画素を有する画像パネルの使用を可能にし、即ち、２つの画素間の中心間距離は、何れの光の損失を伴わずに、小さくなる。換言すれば、幾何学的に小さい画像パネルを用いることができる。

本発明の実施形態により得られる幾つかの有利点について、上で説明している。類似する有利点がまた、前記要素及び前記方法の対応する実施形態により得られる。

本発明を要約すると、変調後にビームを広げ、変調を容易にするように小さいエテンデュー（閉じ込められた）ビームを維持するようになっている。投影光学系の前のビームの広がりは焦点深度を減少させ、それ故、その光学系を投影光学系における不完全性に対して殆ど感応しないようにする。

本発明の上記の及び他の特徴については、下記の実施形態から明らかになり、理解できる。

本発明をよりよく理解するように、本発明にしたがった好適な実施形態について、以下に詳述する。その記載は、添付図と関連付けて読むことができるため、その理解は容易である。図の全体を通して、同じ又は対応する要素には同じ参照番号が付けられている。図はスケーリングされていない。

本発明においては、透過型ＬＣＤ投影システムに関連して記載しているが、他の種類の光変調投影器、例えば、反射型ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｉｌｉｃｏｎ）ディスプレイパネルを有する投影器で本発明を用いることがまた、可能である。

図１は、本発明にしたがった画像投影システムの模式図である。投影器１０は緑色光変調チャネル１１０を有し、その緑色光変調チャネル１１０は、順に、緑色レーザ１１１、照明光学系１０１及びＬＣＤ装置のような変調パネル１０２を有する。緑色レーザ１１１から出射される緑色照明ビーム１１２は、照明光学系１０１に達し、その照明光学系１０１は、緑色照明ビーム１１２を所望のスポットサイズを有するコリメートされた光ビームに変換する。コリメートされた緑色照明ビーム１１２は、透過型ＬＣＤ装置１０２に達するまで、光軸１に沿って光学系をトラバースし、その透過型ＬＣＤ装置１０２の背後には、光学的に、検光子又は偏光子１０３が備えられている。

透過型ＬＣＤ装置１０２はＬＣＤ要素のアレイを有し、各々の要素は、例えば、電場の印加又は除去により、明状態又は暗状態に切り換えられることが可能である。それらの２つの状態間の違いは、明状態においては、出射された光は第１偏光方向を有し、暗状態においては、出射された光は前記第１方向と異なる第２偏光方向を有することである。好適には、前記第１及び第２偏光方向は、互いに直交している。

偏光子１０３は、ＬＣＤ要素が明状態にあるときに、ＬＣＤ要素から出射された光はその偏光子を通るように備えられている。更に、その偏光子は、ＬＣＤ要素が暗状態にあるときに、出射された光はその偏光子により遮断されるように備えられている。画像は、それら２つの状態の一及び他の状態においてＬＣＤ要素の一部を配列させることにより、並びにＬＣＤ要素の一部アレイを照明することにより生成される。偏光子により透過された光は、その場合、画像情報を担持し、それ故、変調された照明ビームが、例えば、スクリーン１０５に投影される場合、照明ビームは画像情報により変調されて、視認できるようになる。

投影器１０は、全部で３つの色変調チャネルを、即ち、緑色チャネル１１０以外に、赤色変調チャネルと青色変調チャネルとを有する。赤色及び青色変調チャネル１２０、１３０はそれぞれ、赤色変調チャネル１２０におけるレーザ１２１が第２光軸２に沿って赤色発光ビームを出射し、青色変調チャネル１３０におけるレーザ１３１が第３光軸３に沿って青色発光ビームを出射することを除いて、緑色チャネル１１０に関連して説明したように備えられている。それら３つの光軸１、２、３は、それらの光軸が共通の交点の方に方向付けられるように備えられている。第２軸２及び第３軸３は同一線上にあり、互いに対向するように方向付けられ、前記第１軸１は他の２つの軸２、３と直交している。

Ｘキューブプリズム又はダイクロイックプリズムのような色組み合わせ要素１０６は、光軸１、２、３の交差点に備えられ、それ故、それぞれの変調プレート１０２を透過する各々の変調された照明ビーム１１２、１２２、１３２は、単一の出力光軸４に沿って変調されたマルチカラー光ビームに結合される。それらは、その後、例えば、スクリーン１０５に投影レンズのような投影光学系１０６により投影される。

投影画像の品質を改善するように、エテンデュー変換要素（ＥＴＥ）１０４は、光源から投影光学系へのビーム経路において変調パネル１０２の下流に位置付けられている。好適には、ＥＴＥ１０４は、各々のカラー変調チャネルにおいて、色組み合わせ要素１０６の前に且つ各々の変調プレートの後に位置付けられている。代替として、１つのＥＴＥは、色組み合わせ要素１０６の背後に光学的に及び投影レンズ１０６の前に光学的に位置付けられている。このことは、ディスプレイの画像が拡散器に投影される必要がある。

本明細書においては、拡散器は、その拡散器を通る光の多重散乱を特徴付ける要素である。この散乱は、実質的には、光の波長より長い構造における反射及び屈折の混合である。その散乱の特徴は、透過光の構成（ランダムな又は順序付けられた）及び拡散器のフィーチャサイズに依存する。好適には、投影器で用いられる拡散器は、光を適切に規定された円錐状に散乱する。適切に規定された出射アパーチャ及び円錐角度を有する拡散材料は、例えば、米国の企業“Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ社”製のものがある。それらの材料は、特定のアプリケーションの必要性に適合するように調節されることが可能である。

本明細書においては、用語“エテンデュー変換要素（ＥＴＥ）”は、入射ビームを広げることができる要素全て、即ち、上記の拡散器ばかりでなく、回折格子及びホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）のような回折に基づく要素を有する。それらの構成要素のフィーチャサイズは、典型的には、光の波長順になっている。ＨＯＥは、光感応性フィルムのレーザ照射により生成される、又は、リソグラフィ及び転写技術によりコンピュータを用いて生成及び製造されることが可能である。幾らか理論的及び実際的装置である、散乱拡散器及びＨＯＥの間の違いは、しばしばその中間的なものである。

ＥＴＥのような、重合体フィルムにおける小さいガラス球を有する拡散器又は英国の企業、Ｍｉｃｒｏｓｈａｒｐ社製のレンズ構成のようなマイクロレンズアレイを用いることがまた、可能である。

更に、ＥＴＥ１０４は、例えば、切り換え可能な液晶層１０７を備えることが可能であり、それ故、透過ビームは、広がった状態と広がっていない又は殆ど広がって以内状態との間で切り換えられる。ＥＴＥ１０４及び切り換え可能な液晶層１０７は２つの別個の装置として示されているが、ＬＣ層は、好適には、前記ＥＴＥの粗い面の上に備えられている。

好適には、ＥＴＥは、大きい第１ｆナンバーｆ＃１の適切にコリメートされたビームを第２の小さいｆナンバーｆ＃２の均一な（又は平滑に変化する）発散ビームに変換されるように備えられている。更に、拡散器は、大きいｆナンバーのビームｆ＃１を透過しないように、低いインラインの透過を有する必要がある。更に、拡散器は、できるだけ多くの入射光を所定の小さいｆナンバーｆ＃２の前方ビームに集め、ことビームを外側には散乱しないようにする必要があるという観点で、非ランバーシアン分布である必要がある。更に、全エネルギーのかなりの割合は、小さいｆナンバーｆ＃２に対応する大きい角度に散乱される必要がある。理想的な散乱特性は均一な遠視野分布である。角度範囲が０．５°乃至８０°で、楕円又は矩形錐を有し、小さいｆナンバーｆ＃２を渡すサンプル表面構造が商業的に入手可能である。

図２は、ＬＣＤ層２０２及びエテンデュー変換層又はＥＴＥ２０４を有する光学構成要素２０の実施形態の模式図である。その構成は、図１に関連付けて説明した投影器システム１０で用いられることが可能であり、それにより、その構成は、上記の変調パネル１０２、偏光子１０３及びＥＴＥ構成１０４により置き換えることが可能である。ＬＣＤ要素又は画素を有するＬＣＤ層２０２は、第１ガラス基板２０５と第２ガラス基板２０６との間に挟まれている。マイクロレンズのアレイ２０１は、前記ＬＣＤ層２０２を基準とすると、前記第２ガラス基板２０５の反対側に備えられている。検光子２０３は、前記ＬＣＤ層２０２を基準とすると、前記第１ガラス基板２０６の反対側に備えられている。更に、
ＥＴＥ２０４は透過光の偏光性を殆ど無くすことは略間違いないため、ＥＴＥ２０４はＬＣＤ層と偏光子層２０３との間に備えられている。

マイクロレンズアレイ２０１における各々のマイクロレンズは、ＬＣＤ２０２の単一の画素ピッチと略同じ寸法を有し、画素の幾何学的開口に入射光をフォーカシングする。そのシステムにおける大きい深度のフィールドが、ＬＣＤ層２０２におけるアパーチャを通る入射光を方向付けるように用いられ、それ故、その光は、電極及び遮光部のような障害構造にはぶつからない。約５μｍの画素ピッチ及び約５００μｍのガラスの厚さを用いる場合、レーザに基づく投影器は、ＵＨＰランプに基づく投影器に比べて、５００倍良好なコリメーションを必要とする。これは、標準的な高品質のレーザにより容易に達成される。

画素を横切る光ビームは検光子層２０３を通り、ＬＣＤセルの反対側の面におけるＥＴＥ２０４に入射する。画素の寸法は、マイクロレンズアレイ２０１における第１マイクロレンズ要素に入射する光全ては画素アパーチャを横切り、画素ピッチに等しい又はそれより小さい領域におけるＥＴＥ２０４に入射する。ＥＴＥは、上記のように、ほんの僅かに拡散する特性を有し、そのことは、画像における小さいエテンデュー光領域を変化させ、小さいｆナンバー、例えば、投影レンズの方にｆ＃＝４．０を有するテレセントリックな光ビームを出射する。ＬＣＤパネルと投影レンズとの間の光ビームはテレセントリックであるため、ビーム経路中に更に備えられているビーム結合要素（図示せず）により、色ずれ及び不均一性はもたらされない。

光学要素は、光源からスクリーンまでの光路中にエテンデュー変換要素の下流に備えられている切り換え可能液晶層２０７を更に備えることが可能である。切り換え可能液晶層は、エテンデュー変換要素の上部に備えられている。液晶層は、電場の印加又は除去により、第１アクティブ状態及び第２パッシブ状態との間で切り換えられる。切り換え可能液晶層のパッシブ状態においては、その液晶層の屈折率は、エテンデュー変換層により拡散された又は広げられた光がまっすぐに透過することを可能にするように備えられている。
切り換え可能液晶層のアクティブ状態においては、それに代えて、その液晶層の屈折率は、エテンデュー変換層により拡散された又は広げられた光がコリメートされる又は殆ど発散しないように備えられている。少なくとも７０Ｈｚの周波数においてアクティブ状態とパッシブ状態との間で液晶層を切り換えることにより、投影画像のスペックルの視認性は低減される。

要約すれば、画像を表示するためにレーザに基づく画像投影システムであって、ＬＣＤ装置及び投影光学系を有する、システムについて詳述した。ＬＣＤ装置と反射型偏光子との間に拡散器を導入することにより、投影画像の品質が改善される。そのシステムの大きい深度のフィールドのために、投影画像において以前は可視的であった光ビーム経路中の材料の不完全性が低減される。これは、ＬＣＤパネルと投影レンズとの間の光ビームが広いアパーチャによりビームに対して変化されたために、引っかき傷、材料の欠陥及び他の障害物（ダスト等）の視認性がかなり低減されるということによるものである。更に、光ビームは、ビームが拡散器に入射するまで、小さいエテンデューを有するため、非常に小さいＬＣＤパネルを用いることができる。同様に、パネルの寸法は、高コントラストの液晶の光学的効果を尚も得ることが可能である、例えば、５μｍの画素及び２μｍのセルギャップを有する制限により決定される。ＬＣＤパネルが小さければ小さい程、同じシステムの複雑度のレベルにおいて、拡散器と投影レンズとの間の小さいｆナンバーが可能であり、それにより、ＬＣＤの後で小さい光学構成要素を用いることが可能であり、同時に、表面欠陥、粒子介在及び画像経路におけるダストを防止する必要性を低減することができる。

本明細書においては、用語“を有する”は他の要素又は段階を排除するものではなく、単数表現は複数の存在を排除するものでなく、単数の構成要素は請求項において列挙されている幾つかの手段の機能を実行することが可能である。

本発明にしたがった投影器の模式図である。 本発明にしたがった光学構成要素の模式図である。

Claims (8)

1. 照明ビームを供給するレーザ光源；
   画像情報により前記照明ビームを変調する変調パネル；
   スクリーンに前記変調された照明ビームを投影する投影光学系；及び
   前記変調された照明ビームを広げるエテンデュー変換手段であって、前記エテンデュー変換手段は、前記光源から前記スクリーンまでの光路において前記変調パネルの後に備えられている、エテンデュー変換手段；
   を有する画像投影システムであって、
   前記エテンデュー変換手段は、エテンデュー変換された照明ビームが実質的に均一な角度分布を有するように備えられた拡散器であり；
   前記拡散器は、前記投影画像におけるスペックルの視認性を低減するように、前記拡散器及び切り換え可能液晶層を透過する前記照明ビームが広げられた状態と殆ど広げられていない状態との間で切り換えられることが可能であるように備えられた前記切り換え可能液晶層を備えている；
   画像投影システム。
2. 請求項１に記載の画像投影システムであって、前記エテンデュー変換手段が、前記光源から前記スクリーンまでの前記光路において前記投影光学系の前に備えられている、画像投影システム。
3. 請求項２に記載の画像投影システムであって、前記エテンデュー変換された照明ビームは、円形又は矩形断面のビーム整形角度分布を有する、画像投影システム。
4. 請求項３に記載の画像投影システムであって、前記エテンデュー変換手段はホログラフィック拡散器である、画像投影システム。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の画像投影システムであって、前記液晶層は、投影画像におけるスペックルの視認性を低減するように、少なくとも７０Ｈｚで切り換えられるように備えられている、画像投影システム。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の画像投影システムであって、前記変調パネルはＬＣＤ装置である、画像投影システム。
7. レーザ光の照明ビームを発する段階；
   画像情報により前記照明ビームを変調する段階；
   前記照明ビームの径を広げるように、前記変調された照明ビームをエテンデュー変換する段階；及び
   スクリーンに前記エテンデュー変換された照明ビームを投影する段階；
   の連続する段階を有する画像投影方法であって、
   前記エテンデュー変換は均一な角度分布を有する前記照明ビームを与え；
   前記エテンデュー変換する段階は、前記切り換え可能液晶層を備えている拡散器を動作させる段階を有し、当該画像投影方法は、前記投影画像におけるスペックルの視認性を低減するように、広げられた状態と殆ど広げられていない状態との間で前記拡散器及び切り換え可能液晶層を透過する前記照明ビームを切り換える段階を有する；
   画像投影方法。
8. 請求項７に記載の画像投影方法であって、照明ビームの切り換えは、投影画像におけるスペックルの視認性を低減させるように、少なくとも７０Ｈｚのレートにある、画像投影方法。

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