(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射されたイメージを、入力端および出力端の間を光が伝播するにしたがって入射スラブ内に横方向に広げる入射スラブと、
入射スラブの出力端から光を受信し、光線が受信される角度に対応した放出導波路の出力面上のあるポイントで出力するよう配置された放出導波路と、を備え、
前記入射スラブおよび前記放出導波路が、テーパー状に構成されることによって光線の全体的な進行方向において厚みを減らし、入射スラブの入力端と光線が出力面を離れるポイントとの間を伝播する異なる角度の光線が同じ数の反射を経験するように、入射スラブのテーパー角度および放出導波路のテーパー角度が制御されており、入射スラブのテーパー角度が、入力端から出力端に亘って一定であり、入射スラブのテーパー角度が放出導波路のテーパー角度より小さいことを特徴とするライトガイド。
【請求項２】
入射および放出導波路は実質的に同じ長さであることを特徴とする請求項１に記載のライトガイド。
【請求項３】
プロジェクタ（１）と、請求項１または２に記載のライトガイドと、を備えるディスプレイであって、前記プロジェクタは、入射スラブの厚みのある端部にイメージを導入するよう配置されることを特徴とする、ディスプレイ。
【請求項４】
光線を受信するための入力端と光線を出力するための出力端とを有する入射スラブであって、一定のテーパー角度を有することで入力端から出力端へ向かって厚みが減少している、入射スラブと、
入射スラブの出力端からの光線を受信するよう配置された入り口端と、光線を出射する出力面とを有する放出導波路と、を備え、
前記放出導波路は、出力面までずっとテーパー状の角度を有していることで、入り口端から光線が全体として進行する方向に放出導波路の厚みが減少し、入射スラブの一定のテーパー角度は放出導波路のテーパー角度よりも小さいことを特徴とするライトガイド。
【請求項５】
投射されたイメージを受信し、光を伝導する材料の入射スラブであって、投射されたイメージの光線が入射スラブの入力端と出力端との間を伝播するにしたがって、投射されたイメージを入射スラブ内で横方向に広げ、一定のテーパー角度を有することで入力端から出力端へ向かって厚みが減少している、入射スラブと、
入射スラブの出力端から光線を受信するよう配置された入り口端を有し、光を伝導する材料の放出導波路であって、入射スラブから受信した光線を出射する出力面を有し、入り口端から放出導波路の底面に対して所定のテーパー角度で出力面を配置した末端に向かって厚みが減少する、放出導波路と、を備え、
入射スラブのテーパー状の一定の角度および出力面のテーパー角度は、異なる角度で入射スラブの入力端に入力する投影するイメージの光線が出力面から出るまでに同じ回数の反射をするように、設定されていることを特徴とする、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクションディスプレイと、最適な能率および最小のマージン（誤差）でライトガイド(light guide：導光板)を通過したイメージを投射する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオプロジェクタは低コストで大きな動くイメージを示す。安くテレビを作る方法は、図１に示すように、ミラー３を介して背後に広がるスクリーン５上にプロジェクタ１を向けることである。しかしながら、この形態のプロジェクションテレビジョンは、かさばるものであり、ユーザはディスプレイがスリムになることを望んでいる。
【０００３】
スリムなプロジェクションディスプレイは、出願人の先の特許文献１によれば、テーパー状のライトガイドの厚みのある端部にビデオプロジェクタを向けることにより作成され得る。原理は図２に図示されている。すなわち、光線は、テーパー状のパネル導波炉（waveguide）１０の厚みのある端部１２に、傾斜表面の境界を通って、臨界角を越えて放出するまで、次第に鋭角な角度で入射する。浅い光線（太線）は、このことが起こる前に遠くまで伝播し、それゆえディスプレイに沿ってさらに放出する（通常の指向では上に）。これはテーパー状の導波路原理と呼ばれ、もっともこれは単純な幾何形状のテーパーの代わりのＧＲＩＮ技術によって引き起こされ得る。
【０００４】
問題は、すなわち、プロジェクタが平行よりも左右の寸法がより小さいので、光線は入射ポイントからファンアウトし、投射されたイメージはＶ形状になる。さらに、投射されたイメージは、バンドに分裂する。すなわち、各バンドは所与の回数の反射を経る全ての光線を含んでおり、一方、バンドに隣接して放出する光線に他ならない１組の反射を経た光線の１組は、ギャップにより分離されている。
【０００５】
特許文献１で説明したとおり、一定の厚みがある透過的な入射スラブ（input slab）をプロジェクタとテーパー状のライトガイドとの間に挿入できる。すなわち、このことは、光線はテーパー状のライトガイドに入射する前にファンアウトする機会があるということを意味し、その結果、投射されたイメージは台形(trapezoidal)になる。
【０００６】
これは、Ｖ形状よりも不快でないが、まだ著しく根本的にゆがんでいる。さらに、観者は、イメージがスクリーンを充たすことを好み、それゆえ、テーパー状のライトガイドの後ろに入射スラブを組み込むことが望ましい。これは、スクリーンの幅にわたる光角度のプリズムのペアで行われる。
【０００７】
その表面の臨界角よりわずかに小さく入射スラブに入射する光線は、スラブで多くの反射を経るが、テーパー状のライトガイドではほとんど反射しない。だが一方、臨界角よりかなり小さく入射する光線は、スラブではほとんど反射しないが、テーパー状のライトガイドでは多く反射する。出願人による特許文献２は、システムを通じて反射の合計が全ての入射角度における光線で同じにするために、テーパー状のライトガイドをどのように形成するかを説明しており、その結果、投射されたイメージはもはやバンドに分裂しない。これは、記号２０で指示される平行面スラブによって、図３に示されている。放出導波路(output waveguide)のこの形状は、端部に向かってテーパー状をなすフラット面を有する単純なウェッジと似ており、その長さは、スラブの長さの約１．５倍である。しかしながら、テーパー形状を有する表面はわずかに外向きに湾曲しており、テーパーの厚みは中間地点において、表面が平らであったとした場合よりも１０％大きい。
【０００８】
プロジェクタレンズは、ファンアウト角度が小さい場合、比較的高くなく、それゆえ、テーパー状のライトガイドよりスラブが短くないという意味がある。その場合、テーパー状のライトガイドは、図３における破線によって示されるように、３分の１だけ、事実上切り捨てられる(truncated)。切り捨てられたテーパーは、結果的に、ライトガイドが同じ距離の先端に向けてテーパー状である場合よりは急角度でない。テーパーの角度がより急角度でなくなれば、光線によって、システムから離れるにしたがって作られる交差の最終角度は、臨界角に近接し、わずかな光線が伝播し、このことはシステム性能を低下させる。さらに、切り捨てられたテーパーは、同じ距離にわたって、同じ厚みで始まり先端（端部）に向かってテーパー状となるものよりも、重い。スラブの表面およびテーパー状のライトガイドは、あるとしてもごくわずかの湾曲を有するだけであるが、スラブがテーパーと交わる先端において曲がりが存在し、これにより投射されたイメージの質が低下する。図４に示すように、スラブからテーパーへ向けての遷移を滑らかにする湾曲を伴うこの曲がりを置き換えることができ、しかし、その表面が湾曲したライトガイドを折りたたむ(fold)ことはできない。折りたたまれたプリズムはそれゆえ、スラブと遷移領域の間にそれぞれは位置されなければならないか、または、折りたたまれたプリズムは遷移領域およびウェッジの間に配置されなければならない。この場合、遷移領域は、スラブの長さに追加される。遷移領域が長い場合、遷移領域およびスラブの組み合わされた長さは、見苦しい態様で、ウェッジの長さを超えて延びる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第０１／７２０３７号パンフレット
【特許文献２】国際公開第０３／０１３１５１号パンフレット
【特許文献３】国際公開第０２／４５４１３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
テーパー状ライトガイドは、特許文献２で説明されたのとは逆に用いられることができ、厚みのある端部に向けられたカメラは、ライトガイドの反対側に配置されたどのようなもののイメージも捉える。すなわち遷移領域についての同様の問題が発生する。
【００１１】
本発明の目的は、テーパー状の導波路原理を利用して、光装置の空間利用を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、入射スラブはそれ自体、放出導波路と同様の方向に、テーパー形状が付与されており、好ましくは放出導波路が全体に満たない部分がテーパー状であり、好ましくは一定である。さらに、これは効果がＧＲＩＮ光学特性などの他の技術により生じ得る場合、幾何的にテーパー状である必要がない。これは実際には、入射スラブを短くして、テーパー状の導波路の長さと合うようにする。それゆえ導波路は、先端に向けてほとんどテーパー状であってよく、好ましくは、入射スラブと同様の光線進行方向において、同じ長さのままである。
【００１３】
本発明のよりよい理解のために、この実施形態は、図面を参照して例示的方法で記述されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のタイプのリアプロジェクションテレビジョンディスプレイを示す図である。
【図２】テーパー上のライトガイドディスプレイの原理を示す図である。
【図３】すべての光線は放出する前に同じ回数の反射を経る、従来のテーパー上のライトガイドディスプレイを示す図である。
【図４】スラブおよびテーパーの間の湾曲が、既知のように、湾曲した連結部でどのように置き換えられ得るかを示す図である。
【図５】本発明にかかるスラブシステムを示す図である。
【図６】スラブに連結されるとき、すべての光線が放出する前に同じ回数の反射を経るテーパー状のライトガイドを評価する第１のステージを示す図である。
【図７】テーパー状のライトガイドを評価する第２のステージを示す図である。
【図８】テーパー状のライトガイドを評価する第３のステージを示す図である。
【図９ａ】テーパー状の入射スラブが、投射されたイメージにおけるゆがみをどのように減らすかを示す図である。
【図９ｂ】テーパー状の入射スラブが、投射されたイメージにおけるゆがみをどのように減らすかを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図５に描写されるのは、入射スラブ３０および放出導波路１０からなる光学導波路を含むプロジェクションディスプレイである。これらは、進行方向（ディスプレイの左から右、カメラについては逆）におおよそ同じ長さを有する。図示しないが、放出導波路の幅にわたって延びるプリズムは、通常接続部分に配置されて、入射スラブは、実際は、放出導波路の背後に折りたたまれる(folded)。
【００１６】
入射スラブ３０は、それ自体わずかにテーパー状である。入射スラブの所与のテーパー形状について、全ての光線が放出する前に同じ回数の反射を経ることを確実にするテーパー状の放出スラブのプロファイル(profile)が見出され得る。これは、平らな入射スラブを有する特許文献２の開示と同様の方法でなされる。第１に、最初のうちは入射スラブの放出端において臨界角である光線、たとえば、もっとも急角度で伝播し得る光線は、それは入射スラブの中で最大反射回数であるが、通常傾斜面である、スラブの入り口において光線の角度を見出すほどにスラブによって後方にトレースされる。この光線のスラブの入り口における角度は次第に増大し、たとえば、図６に示すように、少量だけ浅く、その出口に向けてスラブによってトレースされる。ライトガイドの断面は、光線が放出する前に必要な回数、たとえば１回以上、の反射を経るのに十分な長さが追加される。実際、図６は、まさに１回少ない状況を示している。この追加された断面のスロープは、その最終の入射において、図７に示すように、臨界角よりもまさに小さい角度において光線が新しい断面に交差するよう調整される。
【００１７】
スラブ入り口における光線の角度は、少量増大し、光線はスラブおよびライトガイドの断面の両方を通じてトレースされ、光線が必要な回数の反射を経るために十分な長さのライトガイドの更なる断面は追加され、新しく追加された断面のスロープは、図８に示すように、光線が最終の入射で空気中へ放出するよう調整される。テーパーが傾斜に達するまで、このプロセスは繰り返される。
【００１８】
スラブテーパーの角度は、反復プロセスから生じるテーパー状の放出ライトガイドの長さがスラブのものよりもわずかに大きくなるよう、好ましくは選択される。たとえば、スラブが、距離４５０ｍｍにわたって、２５ｍｍから１４ｍｍの厚みでテーパー状ならば、テーパー状のライトガイドの厚みは、距離４５０ｍｍにわたって、ほとんどゼロに減少する。
【００１９】
これは４つの利点がある。第一に、テーパーは以前より急角度であるので、効率が向上する。第２に、スラブがプロジェクタと同じ幅だけ必要であるので、急角度のテーパーから取り去られる材料はスラブの入射側にかなり重すぎる材料を追加していたから、システムの重さが少なくなる。第３に、スラブからテーパーへの遷移において、角度がほとんど変化しないので、この領域は短くされ、この結果スクリーンの底において、マージンをほとんど与えない。第４に、システムは、根本的なゆがみが少なくなる。
【００２０】
根本的なゆがみの低減は更なる説明を必要とする。一定の厚みのスラブに入射する光線は、面から面への反射なしに、まっすぐに進行し、ファンアウトパターンは、図９ａに示すように、Ｖ形状である。しかしながら、テーパー状のスラブに入射される光線は、スラブの一面または他の面で反射する度ごとに前方への運動量の減少を経験する。Ｖ形状のパターンは、１つ以上の噴水(water fountain)やアヤメ（Fleur-de-Lys）などになり、それゆえ光線は、図９ｂに示すように、スラブから離れる時間までにより大きい幅にファンアウトする。投射されたイメージはそれゆえ、幅広にされ、根本的なゆがみが低減される。
【００２１】
図９ａおよび図９ｂは、入射端においてスラブ３０の狭い部分だけがいかに使用されるか、スラブは特に、スクリーンを正しく表現するテーパー状の放出導波路などの装置の台と同じ幅を有するか否かを示している。これは、プロジェクタの幅（５ｃｍ前後）がディスプレイ全体（たとえば１００ｃｍ）より小さいことを反映している。
【００２２】
プロジェクタの場所におけるカメラの逆に使用される場合、テーパー状のライトガイドについて同様の原理が採用されることに注意すべきである。この場合「入射スラブ」という用語は、わずかに誤解を与えるが、それは、実際に、カメラにアウトプットを提供しているからである。「横方向の拡大／縮小スラブ」という用語で置き換えられ得るだろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005450066.tif 000008
【図８】
0005450066.tif 000009
【図９ａ】
0005450066.tif 000010
【図９ｂ】
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