(57)【要約】【課題】投影と結像を同時に実現でき、従来の技術的問題を効果的に解決できる集積マイクロ表示投影・結像システムを提供する。【解決手段】集積マイクロ表示投影・結像システム９００は、焦点変更可能なレンズ系１００と、平面偏光分光器２００と、反射式偏光変調結像器３００と、結像センサー４００と、発光モジュール５００とを含む。反射式偏光変調結像器３００から平面偏光分光器２００を経て、焦点変更可能なレンズ系１００に到達して計測された投影過程（３８０）の光通過距離は、結像センサー４００から平面偏光分光器２００を経て、焦点変更可能なレンズ系１００に到達して計測された結像過程４８０の光通過距離に等しい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸（１１０）を有する焦点変更可能なレンズ系（１００）と、
前記焦点変更可能なレンズ系（１００）に面し、前記主軸（１１０）に対して４５度の角を成す平面偏光分光器（２００）と、
前記平面偏光分光器（２００）の第１の側に設けられ、前記平面偏光分光器（２００）に対して４５度の反射角を成す反射式偏光変調結像器（３００）と、
前記平面偏光分光器（２００）の第２の側に設けられ、前記平面偏光分光器（２００）に対して４５度の結像角を成す結像センサー（４００）と、
前記平面偏光分光器（２００）に対して４５度の入射角を成すコリメート光を発光するための発光モジュール（５００）と
を含み、
前記反射式偏光変調結像器（３００）から平面偏光分光器（２００）を経て、焦点変更可能なレンズ系（１００）に到達して計測された投影過程（３８０）の光通過距離は、結像センサー（４００）から平面偏光分光器（２００）を経て、焦点変更可能なレンズ系（１００）に到達して計測された結像過程（４８０）の光通過距離に等しい、
ことを特徴とする集積マイクロ表示投影・結像システム（９００）。
【請求項２】
前記平面偏光分光器（２００）と前記結像センサー（４００）との間に設けられ、偏光方向が前記平面偏光分光器（２００）に垂直である後置偏光子（６４０）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記平面偏光分光器（２００）と前記発光モジュール（５００）との間に設けられ、偏光方向が前記平面偏光分光器（２００）に垂直である予備偏光子（６５０）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記反射式偏光変調結像器（３００）は、シリコン上液晶マイクロ表示結像器（３１０）であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記反射式偏光変調結像器（３００）は、互いに平行に設けられた、１／４波長遅延板（３２０）と、ＭＥＭＳに基づく回折空間光変調結像器（３２５）とを含み、前記平面偏光分光器（２００）に対して４５度の結像角を成し、前記１／４波長遅延板（３２０）が前記回折空間光変調結像器（３２５）と前記平面偏光分光器（２００）との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記焦点変更可能なレンズ系（１００）は、焦点変更可能なレンズ系（１００）を通過して結像センサー（４００）に最終に到達する結像過程の光感度、及び反射式偏光変調結像器（３００）と発光モジュール（５００）から焦点変更可能なレンズ系（１００）を通過する投影過程の光感度を調整するための絞り調整器（１２０）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記後置偏光子（６４０）は、膜状に結像センサー（４００）に集積されることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記結像センサー（４００）は、
カラーフィルター素子（４１５）の平面アレー（４１０）と、
半導体基板（４０９）上に位置する感光画素（４２５）の平面アレー（４２０）であって、前記感光画素（４２５）のそれぞれが、前記カラーフィルター素子（４１５）と光学的に整合し、少なくとも一つのフォトダイオード（４２６）を含む、前記感光画素（４２５）の平面アレー（４２０）と、
を含むことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記後置偏光子（６４０）は、前記カラーフィルター素子（４１５）の平面アレー（４１０）に接合されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記後置偏光子（６４０）は、前記カラーフィルター素子（４１５）の平面アレー（４１０）と前記感光画素（４２５）の平面アレー（４２０）との間に設けられた、反射延長金属ワイヤー（６４６）を有するワイヤグリッド偏光子（６４５）であることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単板式のマイクロ表示結像器及び結像センサーを含み、投影表示もでき、画像センシングにも便利な集積光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話及び他の携帯機器での携帯型デジタルディスプレーに対する需要が増えているに従って、マイクロ又はサブマイクロのプロジェクターの市場が生まれ、その発展も促進され、このようなプロジェクターでは、簡単であるが、コンパクトな構成においてデジタル光処理（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｏｎ、略称：ＤＬＰ）のような単板式のマイクロ表示結像器、シリコン上液晶（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ、略称：ＬＣＯＳ）、及び発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ、略称：ＬＥＤ）やレーザー器のようなマイクロ光源に基づく反射式投影光学エンジンが採用されている。更に、携帯型電子システムのスリム化及び／又は簡略化のためだけでなく、投影表示とビデオ結像を組み合わせてその集積能を拡大するために、マイクロカメラをこのような携帯型表示システムに集積することにも関心が持たれている。
【０００３】
しかしながら、画像・ビデオセンサーとマイクロ又はサブマイクロの投影光学エンジンを一緒に設けることは、機能やコストの面で直ちに実現しがたい。特に技術の面で、システムの設計と実施はいずれも、１)投影のための高い強度の光と結像のための低い強度の光、２)投影と結像は、いずれも同様の光学エンジンとレンズ系からなる光路を通過する、３)投影過程と結像過程との間またはそれらのイネーブル集積回路の間の光電干渉またはクロストーク、などのような課題がある。多くの参照文献における従来技術は、いずれも上記のいずれかの課題を解決する方法についての記載はない。例えば、単板ＤＬＰ方式のマイクロ表示投影システムにおいて、コリメート光源がＤＬＰ結像器を照射すると同時に、ＤＬＰ結像器からの投影画像を投影レンズにガイドして通過させることを実現するように、全内反射（Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、略称：ＴＩＲ）によって光路を管理する。外部物体から投影レンズを通過した結像光は、その大部分がＴＩＲを通過して結像センサーまで反射されないため、単にＴＩＲのもう一側にＤＬＰ結像器に対応して結像センサーを配置することは、外部物体から焦点調節可能な投影レンズ及びＴＩＲを通過し、結像センサーに到達して結像するという光路管理の要求を満たすことができない。従来のＬＣＯＳマイクロ表示後投影表示システムは、投影画像を調整するための画像センサーを含み、光学的設計が求められて相反する二つのサブシステムを集積し、特に光電干渉とクロストークの対抗効果の面でも、上記した問題を解決できない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、投影と結像を同時に実現でき、上記の技術的問題を効果的に解決できる集積マイクロ表示投影・結像システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの実施形態は、
主軸を有する焦点変更可能なレンズ系と、
前記焦点変更可能なレンズ系に面し、前記主軸に対して４５度の角を成す平面偏光分光器と、
前記平面偏光分光器の第１の側に設けられ、前記平面偏光分光器に対して４５度の反射角を成す反射式偏光変調結像器と、
前記平面偏光分光器の第２の側に設けられ、前記平面偏光分光器に対して４５度の結像角を成す結像センサーと、
前記平面偏光分光器に対して４５度の入射角を成すコリメート光を発光するための発光モジュールと、を含み、
前記反射式偏光変調結像器から平面偏光分光器を経て、焦点変更可能なレンズ系に到達して計測された投影過程の光通過距離は、結像センサーから平面偏光分光器を経て、焦点変更可能なレンズ系に到達して計測された結像過程の光通過距離に等しい集積マイクロ表示投影・結像システムを提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明による集積マイクロ表示投影・結像システムは、投影と結像を同時に実現でき、各種のマイクロ表示投影システム、特に単結像器のマイクロ表示投影システムに広く適用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態に係る集積マイクロ表示投影・結像システムの断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る集積マイクロ表示投影・結像システムの断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態に係る集積マイクロ表示投影・結像システムの断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態に係る集積マイクロ表示投影・結像システムの断面図である。
【図５ａ】本発明の上記実施形態に係る後置偏光子を含む結像センサーの一つの構成の断面図である。
【図５ｂ】本発明の上記実施形態に係る後置偏光子を含む結像センサーの、他の構成の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の目的、技術的解決策及びそのメリットを更に明らかにするために、本発明の実施形態における添付図面を参照し、本発明の実施形態における技術的解決策について詳細に述べるが、もちろん、述べられる実施形態は本発明の全ての実施形態ではなく、その一部の実施形態だけである。当業者が本発明における実施形態に基づいて何ら創造的な取り組みをせずに得られた他の実施形態は、全て本発明が保護した範囲に属する。
【０００９】
図１は、本発明の一つの実施形態に係る集積マイクロ表示投影・結像システム９００の断面図である。図に示すように、上記集積マイクロ表示投影・結像システム９００は、１)主軸１１０を有する焦点変更可能なレンズ系１００と、２)前記焦点変更可能なレンズ系１００に面し、前記主軸１１０に対して４５度の角を成す平面偏光分光器２００と、３)前記平面偏光分光器２００の第１の側に設けられ、前記平面偏光分光器２００に対して４５度の反射角を成す反射式偏光変調結像器３００と、４)前記平面偏光分光器２００の第２の側に設けられ、前記平面偏光分光器２００に対して４５度の結像角を成す結像センサー４００と、５)前記平面偏光分光器２００に対して４５度の入射角を成すコリメート光源光５１０を発光するための発光モジュール５００とを含む。
【００１０】
前記発光モジュール５００は、平面偏光分光器２００に対して４５度の入射角を成す第１の方向５１に沿って、平面偏光分光器２００へコリメート光源光５１０を発光する。このコリメート光源光５１０には、第１の偏光状態１である第１の偏光の光源光１０と第２の偏光状態２である第２の偏光の光源光２０が含まれる。前記第１の偏光の光源光１０は平面偏光分光器２００により反射され、第１の偏光状態１である結像器入射光１１になり、第２の方向５２で反射式偏光変調結像器３００まで反射される。変調と同時にその偏光方向を９０度回転させることにより、第２の偏光状態２である偏光変調画像ビーム１２が生成され、反射式偏光変調結像器３００により平面偏光分光器２００に送られ、その一部のビームが平面偏光分光器２００を通過して偏光変調投影ビーム１３になる。焦点変更可能なレンズ系１００を通過した後、第２の偏光状態２である偏光変調投影ビーム１３は外部物体９１０（例えば、投影スクリーンまたは結像物体）に投影され、反射式偏光変調結像器３００において生成された原信号画像３６０を写した投影画像３６５を形成する。
【００１１】
前記システム９００は、前記平面偏光分光器２００と前記結像センサー４００との間に設けられた、偏光方向が前記平面偏光分光器２００に垂直な後置偏光子６４０を更に含む。第２の偏光状態２である第２の偏光の光源光２０は平面偏光分光器２００を通過して第２の偏光２１になるが、その大部分が結像センサー４００に到達する前、後置偏光子６４０により阻止され、または反射されて平面偏光分光器２００に戻され、投影表示と結像との間の光学的干渉やクロストークを最低限まで低減し、特に、発光モジュール５００と結像センサー４００も同様な干渉低減の効果を達成する。
【００１２】
外部物体９１０の外部画像４６０は、第１の偏光状態１である第１の偏光の画像光２３と、第２の偏光状態２である第２の偏光の画像光３３との二つの偏光状態の画像ビームを生成する。そして、上記第１の偏光の画像光２３は平面偏光分光器２００により反射され、第１の偏光状態１である結像入射偏光２２になり、後置偏光子６４０に送られるが、第２の偏光状態２である第２の偏光画像光３３は、その大部分が平面偏光分光器２００を通過して反射式偏光変調結像器３００に到達する。第１の偏光状態１である結像入射偏光２２は、その大部分が後置偏光子６４０を通過して結像センサー４００まで照射し、この結像センサー４００は外部画像４６０に対応するセンシング画像４６５の電気信号を生じる。それと同時に、結像入射偏光２２による結像センサー４００での露光強度を十分に調整するために、焦点変更可能なレンズ系１００において、絞りを調整し、焦点変更可能なレンズ系１００を通過して最終に結像センサー４００に到達する結像過程の光感度を調整するとともに、反射式偏光変調結像器３００と発光モジュール５００から焦点変更可能なレンズ系１００を通過する投影過程の光感度を調整するための絞り調整器１２０が更に設置される。
【００１３】
前記反射式偏光変調結像器３００は、規則的に平らに広がった平面的配列を採用する変調画素平面アレー３５０を有するが、結像センサー４００は、もう一種の規則的に平らに広がった平面的配列を採用する画像検出画素アレー４５０を有し、図１に示すように、いずれも選択的にシリコン基板に設けられる。本実施形態では、反射式偏光変調結像器３００としてＬＣＯＳマイクロ表示結像器３１０が用いられる。
【００１４】
図２は、本発明の他の実施形態に係る集積マイクロ表示投影・結像システム９００の断面図である。図２に示すように、反射式偏光変調結像器３００から平面偏光分光器２００を経て焦点変更可能なレンズ系１００に到達して計測された投影過程３８０の光通過距離は、結像センサー４００から平面偏光分光器２００を経て焦点変更可能なレンズ系１００に到達して計測された結像過程４８０の光通過距離にほぼ等しい。このような光学的構成は、外部物体９１０に対する反射式偏光変調結像器３００と結像センサー４００の光学的合焦を調整するための、一致した方法を提供する。
【００１５】
本実施形態に係る集積マイクロ表示投影・結像システム９００は、投影と結像を同時に実現でき、各種のマイクロ表示投影系、特に単結像器のマイクロ表示投影系に広く適用されることができる。
【００１６】
図２に示す実施形態は、発光モジュール５００からのコリメート光源光５１０による結像センサー４００への干渉を除去するために、発光モジュール５００と平面偏光分光器２００との間に主軸１１１を有する予備偏光子６５０が設けられる、という選択的な特徴を更に表わしている。前記予備偏光子６５０もその偏光方向が平面偏光分光器２００に垂直であり、この予備偏光子６５０は、二重モードという動作モード、すなわち投影も結像もその機能が開いて同時に動作するモードで、信号雑音比の性能を改善するように、結像センサー４００に、後置偏光子６４０への第２の偏光状態２である偏光に対して特別なフィルター機能を提供することができる。
【００１７】
図３は、本発明のさらに他の実施形態に係る集積マイクロ表示投影・結像システム９００の断面図であり、本実施形態において、反射式偏光変調結像器３００は、互いに平行に設けられた、１／４波長遅延板３２０と、メムス（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、略称：ＭＥＭＳ）に基づく回折空間光変調結像器３２５とを含み、前記平面偏光分光器２００に対して４５度の結像角を成し、前記１／４波長遅延板３２０が回折空間光変調結像器３２５と平面偏光分光器２００との間に配置される。この１／４波長遅延板３２０とＭＥＭＳに基づく回折空間光変調結像器３２５は共に結像器入射光１１に、図１に示すＬＣＯＳマイクロ表示結像器３１０と等価の反射式偏光変調を提供する。
【００１８】
図４は、本発明のさらに他の実施形態に係る集積マイクロ表示投影・結像システム９００の断面図であり、選択的であるが、平面偏光分光器２００に対する反射式偏光変調結像器３００及び結像センサー４００の空間構成と等価である。反射式偏光変調結像器３００と結像センサー４００は、依然として平面偏光分光器２００の両側に設けられるが、図１に示す実施形態の位置と置き換えられている。反射式偏光変調結像器３００は第２の偏光状態２である結像器入射光１１に対して操作を行い、また、平面偏光分光器２００は第１の偏光状態１である光を反射して第２の偏光状態２である光を通過させるが、後置偏光子６４０はその相反する操作を行う。
【００１９】
上記したそれぞれの図面において、所望の光学性能を達成するために、集積マイクロ表示投影・結像システム９００における平面偏光分光器２００以外の四つの主要な要素、すなわち焦点変更可能なレンズ系１００、反射式偏光変調結像器３００、後置偏光子６４０を有する結像センサー４００及び発光モジュール５００は、いずれも平面偏光分光器２００に対して４５度に近い傾き角を成してもよい。
【００２０】
図５ａは、本発明の上記実施形態に係る後置偏光子６４０を含む結像センサー４００の一つの構成の断面図であり、図５ｂは、本発明の上記実施形態に係る後置偏光子６４０を含む結像センサー４００の他の構成の断面図である。それらにおいては、後置偏光子６４０はいずれも膜の形で結像センサー４００に集積されるが、この結像センサー４００は、カラーフィルター素子４１５の平面アレー４１０と、半導体基板４０９上に位置する感光画素４２５の平面アレー４２０とを含み、感光画素４２５は、前記カラーフィルター素子４１５と光学的に整合し、それぞれ少なくとも１つのフォトダイオード４２６を含む。
【００２１】
図５ａに示すように、後置偏光子６４０は、カラーフィルター素子４１５の平面アレー４１０に接合され、複数の光学係数マッチング層からなる複合膜を形成する。図５ｂに示すように、膜の形で用いられる後置偏光子６４０は、カラーフィルター素子４１５の平面アレー４１０と感光画素４２５の平面アレー４２０との間に形成され、感光画素４２５のそれぞれが少なくとも一つのフォトダイオード４２６を含む。例えば、このような膜状の後置偏光子６４０は、複数の反射延長金属ワイヤー４６４からなるワイヤグリッド偏光子６４５として構成される。複数の反射延長金属ワイヤー４６４の線形アレーは、結像センサーのシリコン上チップ４０９の裏側デバイスが積層された先端部にしっかりと製造される。
【００２２】
最後に、以上の実施形態は、本発明の技術的解決策を説明するためのものであって、限定を目的としていない。好適な実施形態を参照して本発明を詳しく説明したが、上記の実施形態に記載の技術的解決策を修正したり、その部分的な技術的特徴を同等物に置き替えたりすることができ、その修正や置き替えは、該当する技術的解決策の本質が本発明の実施形態の技術的解決策の趣旨と範囲を逸脱することに繋がらないことは、当業者が理解するところである。
【符号の説明】
【００２３】
１００    焦点変更可能なレンズ系
１１０    光軸
１２０    絞り調節器
２００    平面偏光分光器
３００    反射式偏光変調結像器
３１０    ＬＣＯＳマイクロ表示結像器
３２０    １／４波長遅延板
３２５    回折空間光変調結像器
４００    結像センサー
４１５    カラーフィルター素子
４２５    感光画素
４２６    フォトダイオード
６４０    後置偏光子
６４５    ワイヤグリッド偏光子
【図１】
2010271717.tif 000003
【図２】
2010271717.tif 000004
【図３】
2010271717.tif 000005
【図４】
2010271717.tif 000006
【図５ａ】
2010271717.tif 000007
【図５ｂ】
2010271717.tif 000008