(57)【要約】  光リサイクルする用光バルブ系は、投影レンズと光学的に結合する非液晶(LC)光バルブを有する。図示の系はまた、前記光バルブによって、前記系の光路に沿って反対方向へ反射される光の少なくとも一部を結像面へ反射することで像の明るさを増大させる光リサイクル素子をも有する。
2007519974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影レンズと光学的に結合する非液晶(LC)光バルブ；及び、
前記光バルブによって、前記系の光路に沿って反対方向へ反射される光の少なくとも一部を結像面へ反射することで像の明るさを増大させる光リサイクル素子；
を有する、光リサイクル用カラーシーケンシャル投影系。
【請求項２】
前記光バルブはデジタルマイクロミラー素子(DMD)であることを特徴とする、請求項1に記載の投影系。
【請求項３】
前記DMDは複数の反射素子を有し、
前記素子の各々は各対応する前記素子の回転軸を有し、かつ、
前記DMDは、前記系からの入射光が前記軸の面に垂直な面内にあるように配向している、
ことを特徴とする、請求項2に記載の投影系。
【請求項４】
前記光リサイクル素子は光導波路を有することを特徴とする、請求項1に記載の投影系。
【請求項５】
前記光導波路は反射面及び当該光導波路の一端にアパーチャを有することを特徴とする、請求項4に記載の投影系。
【請求項６】
さらに前記光導波路と投影レンズとの間に設置されているカラーホイールを有する、請求項1に記載の投影系。
【請求項７】
さらに少なくとも1つのプリズムを有し、
前記プリズムは前記DMDからの光を前記系へ向けて反射する、
ことを特徴とする、請求項1に記載の投影系。
【請求項８】
投影レンズは前記DMDに対してオフセットされていることを特徴とする、請求項2に記載の投影系。
【請求項９】
前記DMDは投影レンズに対して傾いていることを特徴とする、請求項2に記載の投影系。
【請求項１０】
非液晶(LC)光バルブから前記系の光路に沿って戻る、受光された光の一部を選択的に反射する段階；及び、
前記反射光の少なくとも一部を結像面へ透過させることで像の明るさを増大させる段階；
を有する、カラーシーケンシャル投影系において光リサイクルを行う方法。
【請求項１１】
前記光バルブはDMDであることを特徴とする、請求項10に記載の投影系。
【請求項１２】
前記DMDは複数の反射素子を有し、
前記素子の各々は各対応する前記素子の回転軸を有し、及び、
前記DMDは、前記系からの入射光が前記軸の面に垂直な面内にあるように配向している、
ことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記光リサイクル素子は光導波路を有することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
【請求項１４】
前記光導波路は反射面及び当該導波路の一端にアパーチャを有することを特徴とする、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
さらに前記光導波路と投影レンズとの間設置されているカラーホイールを有する、請求項13に記載の方法。
【請求項１６】
さらに少なくとも1つのプリズムを有し、
当該プリズムは前記DMDからの光を前記系へ向け、反対方向へ反射する、
ことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項１７】
投影レンズは前記DMDに対してオフセットされていることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項１８】
前記DMDは投影レンズに対して傾いていることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光バルブ投影系の投影ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
光バルブ投影系投影ディスプレイは、ほんの数例だけ挙げると投影テレビ、コンピュータのモニタ、販売表示の点及び電子シネマにおいて使用可能である。
【０００３】
一の種類の光バルブ投影系は液晶(LC)光バルブよりもむしろデジタルマイクロミラー素子(DMD)を内蔵している。デジタルマイクロミラー素子(DMD)は既知の素子で、マイクロミラーのアレイに基づくものである。各画像構成要素（画素）は軸に対して回転可能な単一ミラーから構成される。動作中、各ミラーは第1位置又は第2位置になるように回転する。第1位置では、ミラーへ入射する光はミラーから反射され、投影レンズそして結像面（観察スクリーン）へ向かう。第2位置では、入射光はミラーによって反射され、投影レンズとは結合しない。その結果、第1位置では明るい状態の画素が結像面で生成され、第2位置では暗い状態の画素が結像面で生成される。グレイスケールはサブフィールドアドレス指定によって生成可能である。単一パネルDMDプロジェクタでは、色はカラーシーケンシャル技術によって得られる。これらの基本原理から、像は結像面において生成可能となる。
【特許文献１】米国特許出願公開第2003/0086066号明細書
【特許文献２】国際公開第02/096122号パンフレット
【特許文献３】米国特許第6273571号明細書（出願人は株式会社カラーリンク（登録商標））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これまでの説明で分かったかもしれないが、前述のような光バルブ投影系は、光を結像面へ透過させるにはむしろ非効率的である。たとえば、特定のフレーム又は像中の各暗い状態の画素は像面に到達する光を妨げることで生じる。既知の系においては、この暗い状態は戻りの光路で失われる。すでに分かったと思うが、この結果結像面において非効率的な光学損失が生じることになる。そのような既知の系の非効率は表示される像に有害な影響を及ぼすかもしれない。たとえば、光エネルギーが失われることで明るさが減少するかもしれない。
【０００５】
従って必要なことは、少なくとも上述した既知の系における問題を解決する方法及び装置である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施例に従うと、光リサイクル用カラーシーケンシャル投影系は、投影レンズと光学的に結合する非液晶光バルブを含む。図示された系はまた、光リサイクル素子をも含む。当該光リサイクル素子は光バルブによって反射されて系の光路に沿って戻ってきた光の一部を結像面へ反射することで像の明るさを増大させる。
【０００７】
別な実施例に従うと、非液晶光バルブ系で光をリサイクルする方法は、光バルブから系の光路に沿って戻ってきて受光された光の一部の選択的反射を含む。当該方法はまた、反射された光の少なくとも一部を結像面へ透過させることで像の明るさを増大させる。
【０００８】
本発明は、添付の図を参照しながら以下の詳細な説明を読むことで最もよく理解できる。様々な構成部品は必ずしも同一スケールで描かれていないことを強調しておくべきだろう。実際議論をわかりやすくするため、大きさは任意に大きくする又は小さくしてよい。
【実施例】
【０００９】
以下の詳細な説明では、限定目的ではなく説明目的である、特定の詳細について開示している実施例は、本発明を完全に理解してもらえるような説明がなされている。しかし、本開示による利益を得る当業者には、本発明がここで開示されている特定の詳細から離れた他の実施例においても実施可能であるということは明らかである。加えて、周知の素子、方法及び材料の説明が省略されているだろう。それは本発明の説明が曖昧になることを避けるためである。可能な限り、同様な機能を有する構成部品は同じ参照番号を付してある。
【００１０】
簡単に説明すると、実施例に従った非液晶(non-LC)光バルブカラーシーケンシャル投影系は光をリサイクルすることで結像面（投影スクリーン）での像全体の明るさを改善する方法及び装置を含む。図示すると、実施例の投影系は光学構造を有する。当該光学構造は、最初投影光学系を透過しない光（たとえば暗い状態の光）をリサイクルする。反射して系の方へ向かう他の光も同様に光学構造によってリサイクル可能である。このリサイクルによって、最初スクリーンへ到達するのを妨げられた光がスクリーンへ到達し、結果として像の明るさレベルを全体的に増大させることが可能となる。
【００１１】
図1は実施例に従ったカラーシーケンシャル投影系100を図示している。系100は反射素子101を含む。反射素子101には当業者に既知の楕円反射体が図示されている。光源（図示していない）はたとえば超高圧(UHP)ガス放電ランプのような高輝度ガス放電ランプであり、当業者には周知のものである。光102は反射体101から反射され、光導波路103のアパーチャ104へ入射する。光導波路103は大抵の場合光ホモジナイザであり、光積分器である。すなわち光導波路103の出力は実質的に均一である。光導波路103は実質的に全内部反射(TIR)の振る舞いを示す。例示すると、光導波路103は、長方形又は正方形の断面を有するシリンドリカル素子又は多角形素子であって良い。そのような光導波路の一例は特許文献1に見いだされる。
【００１２】
アパーチャ104は光102の光導波路の入り口としての役割及び、戻りの光の伝播方向を進む戻り光（つまり反射素子101へ向かって伝搬する光）の射出口としての役割を果たす。しかし、アパーチャ104は戻り光路を伝播してアパーチャ104へ入射する光を有効に防ぐ。この戻り光の詳細は本明細書を読み進めて行くことで明らかになる。
【００１３】
導波光105は光導波路に沿って透過し、導波路からカラーホイール106へ向けて放出される。カラーホイールは大抵、赤、青及び緑の光を順次透過する。系100で使用可能なカラーホイールの例は特許文献2に見いだされる。カラーホイールの代わりに他のカラーシーケンシャルフィルムを使用しても良い。たとえば特許文献3で説明されている種類のカラーシャッター又はカラーフィルタであって良い。さらに付け加えると、カラーリンク（登録商標）によって製造された他のカラーシャッター又はカラーフィルタをこの方法で使用しても良い。
【００１４】
そこで光112はカラーホイール106から放出され、光学素子107及び光学素子108へ入射する。これらの光学素子は有効に光を結像面（スクリーン）116へ効率よく透過するように集光する。レンズ素子107及びレンズ素子108を進んだ後、光112はミラーとして図示されている反射体109から反射される。本明細書を読み進めてゆくにつれてより明らかになるように、光112がDMDのマイクロミラーの回転軸に直交する面に入射するように、ミラーは光バルブ110に対して傾く。もちろん、このミラー109の選択的設置及び傾きは系100の他の光学素子（レンズ素子107、レンズ素子108、カラーホイール106、光導波路103及び反射素子101）の設置及び傾きに影響を与える。この影響はすでに当業者には理解されていることなので、本発明の説明が曖昧になることを避ける意味でこれらの詳細は割愛する。
【００１５】
ミラーから反射される光112は、DMDとして図示されている光バルブ110の面に入射する。LC技術に基づかない他の種類の光バルブを使用して良いことは明記されるべきである。図1に図示し、ここでより詳しく説明するように、光112はDMD110の面の法線に対して角度θで入射する。換言すれば、光112は、DMD110の面に垂直な面に対してθの角度を有する入射面内にある。しかも、光112はDMD111の画素の軸に直交して入射する。
【００１６】
ここでより詳しく説明するように、DMDの明るい状態の画素からの光が光114として反射されるようにDMDの画素は選択的に傾く。そこで、この明るい状態の光114は投影レンズ111へ入射し、結像面116へ向かって透過する。
【００１７】
対照的に、実施例に従うと、DMDから反射された光が系の光路を戻り、光導波路103へ向かうように、DMDの暗い状態の画素は傾く。この暗い状態の光113は有効にリサイクルされ、結像面116に投影される。そのことによって像の全体的な明るさは改善される。
【００１８】
実施例の光113のリサイクルを明らかにする前に、DMD110に対する投影レンズ111の設置についてわかりやすく説明する。戻り光の光路に沿った暗い状態の光の反射を調節するためにDMDが傾く場合にそれに合わせて結像面を傾けなくてもいいように、投影レンズ111はDMDに対してオフセットされている。像が邪魔されたり、又は面のレベルよりも低いレベルで投影されるような面上にプロジェクタが設置される場合に投影レンズ111のオフセットはよく効果を表す。従って、投影レンズの垂直位置はDMDチップの垂直位置よりも高い。引き続き実施例について図1と関連して説明すると、オフセットに対応する角度はおよそ10°からおよそ15°のオーダーである。最終的には、DMD110と結像面116とは有効に面平行となる。
【００１９】
DMDの暗い状態の画素から反射された光113は“光路の可逆性の原理(the  principle  of  reciprocity  of  optics)”を維持しながら光路を戻る。すなわち、光113はミラー109から反射され、レンズ素子108及びレンズ素子107を通り抜ける。そこで光113はカラーホイールを通り抜け、光導波路103によって導光される。ここで、光は後ろ面118から反射される。後ろ面は反射を改善する反射コーティングを含んで良い。上述のように、アパーチャ104はむしろ小さい領域を有し、それゆえ反射光の比較的小さな領域がアパーチャを通り抜ける。この光はまた、反射素子101からも反射されることが可能で、それゆえに後ろの面118から反射される光113と同じ方法でリサイクル可能である。
【００２０】
そこで面118から反射される光115は系100を通り抜け、カラーホイール、レンズ素子107及びレンズ素子108を通り抜けてミラー109によって反射され、DMD110へ向かう。図1の実施例に従うと、光115（光119として図示されている）の重要部は投影レンズ111へ入射する。この目的のため、DMD110のすべてのマイクロミラーが‘明るい状態’の傾きの場合（これについては図2a及び図2bの実施例と関連させてより詳細に説明する）、光115は実質的に反射され、光119として投影レンズへ入射する。これまでの説明で分かったかもしれないが、リサイクルされる光は結像面での明るさを改善するのに有利である。
【００２１】
図2aは本発明に従ったDMD200（又はその一部）を図示する。図2bは線2b-2bに沿ったDMDの断面図である。DMD200は複数の反射素子201を含み、これらの反射素子はそれぞれ対応する軸202に対して回転する。これらの反射素子201はミラー又は他の反射素子であって良い。回転作動及び各特定素子201の回転の選択は制御手段（図示していない）によって実現される。DMDは当業者にとって既知なので、ある程度既知となっている詳細については、実施例の説明が曖昧になるのを避けるために割愛する。
【００２２】
光203は各素子201に入射する。この光203は上記の光112又は光115であって良い。光203は軸202の面に直交する面を入射面とする。つまり入射角θに関係なく、光203は常に軸202と直交する（つまり光203はx-y平面にある。ここで軸202は図2bの座標系のz軸に沿っている）。これは、系の投影レンズへの光の反射同様に、リサイクルする戻り光路のDMDからの反射光を起こす。説明のため、DMDの反射素子201の軸202は入射光112の面に直交するし、それによって反射されて光113となり、光導波路103による光リサイクルが実現することは留意すべきである。
【００２３】
動作中、反射素子201は各対応する軸202に対して回転する。具体的には入射光203が投影レンズへ向かって反射されるように、素子201’は傾き、入射光203が180°反射又は入射方向から直接戻るように反射されるように、素子201’’は傾く。上記の説明を続けると、素子201’は明るい状態の画素を生成し、素子201’’は暗い状態の画素を生成する。もちろん要求に応じて素子201の傾きをオン状態からオフ状態へ変化させることで、像は連続的に生成される。よって、素子201の傾きは両極性（暗い状態と明るい状態）で、各状態は素早く変化させることで明るい画素及び暗い画素を生成することが可能である。素子の配向角はおよそ±10°のオーダーで、又明るい状態の素子(201’)と暗い状態の素子(201’’)との間の傾きはおよそ20°である。最終的に、全画素が明るい状態の場合、光203は系の投影光学系を完全に透過する。これは光115又は光119のような光をリサイクルするのに有利である。
【００２４】
実施例に従うと、反射光のリサイクルのため像全体の明るさが顕著なまでに改善される。つまり、aが平均ディスプレイ負荷（100%に対して）を表し、bが光バルブ投影系の光リサイクル効率を表すとして、DMDによって光路を反対に進む光をリサイクルする場合（たとえば上記実施例の光112）、明るさは因子Gで増大する。Gは以下の式で表される。
G=[1-(b(1-a))]-1  (1)
実施例では、光導波路（たとえば光導波路103）は約60%(b=0.6)のリサイクル効率を有することが可能で、ビデオの場合、ディスプレイ負荷は約20%(a=0.2)である。よって実施例に従うと、ゲイン因子Gは約1.9のオーダー、すなわち2倍近い明るさになるということである。
【００２５】
反射光バルブから放出される際に偏光変換が起こらない光は再度界面118で反射されて光113となる。この光は結局像面に入射しないため、像の‘暗い’画素が実現する。
【００２６】
図3は実施例に従ったカラーシーケンシャル光バルブ投影系300を図示する。系300は実質的に図1の実施例と同じであり、繰り返しの説明は簡潔さとわかりやすさの点から省略する。2つの実施例の重大な差異は、DMD110及び投影レンズ111の配向である。前者については、DMDはある角度(φ)301で配向している。この角度は素子201の偏角及びDMDの軸の配向によって決定される。後者については、投影レンズ111はDMDに対してオフセットされていない。
【００２７】
図3の実施例の話を続けると、系の他の素子に対するDMD110の配向は、DMD110の暗い状態の画素から光導波路103への光113の反射を、光路を介して起こす。再度光導波路103は光を反射そしてミラー109及びDMD110へ導光する。ここで光は反射されて光119となるだろう。それによって、有利な光リサイクルが実現する。
【００２８】
図4は説明した実施例の投影系で使用される光学系400の実施例を図示している。系400は図3で図示しているように傾斜しているDMD110を図示しているが、素子を適切に選択すれば系400を図1の実施例で使用することも可能であることに留意されたい。光学系400はプリズム素子401、プリズム素子402及びプリズム素子403を含む。入射光ビームと射出光ビームとを分離するのに、プリズム401、プリズム402、プリズム403及び全内部反射の原理を使用する。この目的のため、入射光404はプリズム401によって反射される。この光は投影系300からの光であって良い。そこでこの光はDMD110へ入射し、反射されることで、明るい状態の光406又は暗い状態の光407のいずれかになる、DMD110の素子の配向に依存して。そこで暗い状態の光は系300によって光405としてリサイクルされる。
【００２９】
典型的実施例に関する議論に関連して、実施例の詳細を説明することで、本発明の修正は本開示による利益を得る当業者にはすぐ分かるということは明らかである。そのような修正及び変化は添付請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例に従った投影系の概略図である。
【図２Ａ】実施例に従ったDMD光バルブの上面図である。
【図２Ｂ】実施例に従ったDMD光バルブの断面図である。
【図３】実施例に従った光バルブ投影系の概略図である。
【図４】実施例に従った、光を投影レンズへ結合する光学レンズ系の透視図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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