(57)【要約】      （修正有）【課題】小型、安価で消費電力が少なく、また二次元（２Ｄ）と三次元（３Ｄ）のどちらも投影できる改良型データプロジェクタを提供すること。【解決手段】多指向性の光源から光を放射させることと、パターンを有する光学面を少なくとも１つ用いることによって、前記放射された光のエタンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）を保ちつつ、該光を集光して空間的に配光することと、第２の光学面を少なくとも１つ用いることによって、前記集光された光のエタンデュを保ちつつ、該集光された光を角方向に配光する光源ユニット及びマイクロディスプレイを備えた２Ｄおよび３Ｄ画像を投影することが可能なプロジェクタ。【選択図】図３Ｇ
2008046621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を操作する方法であって、
多指向性の光源から光を放射させることと、
パターンを有する光学面を少なくとも１つ用いることによって、前記放射された光のエタンデュ（etendue）を保ちつつ、該光を集光し且つ空間的に配光することと、
第２の光学面を少なくとも１つ用いることによって、前記集光された光のエタンデュを保ちつつ、該集光された光を角方向に配光することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記集光された光を配光することは、線形結像面（rectilinear imaging surface）上に、実質的に均一な照度でもって、前記集光された光を配光することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記、光を集光して配光することは、約10ｃｍ３以下の体積の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法を少なくとも２つの別々の光源に適用する方法であって、該方法は、
前記少なくとも２つの別々の光源の各々に適合したカラーフィルタを用いて、該少なくとも２つの別々の光源からの光を１つの光路へ集めることと、
カラー画像を投影するために前記光を空間変調することと、
を含む、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、さらに、前記集光して配光した光を、少なくとも２つの、波長によって定義される帯域へ分離することを含む、方法。
【請求項６】
多指向性の光源と、
前記光源に面した反射面を備える基板と、
１よりも大きな屈折率を有する光学材料であって、該光学材料と前記反射基板が前記光源を包み込むように配される、第１の光学材料と、
前記第１の光学材料に接して該第１の光学材料との境界を定める第２の光学材料と、
前記第２の光学材料の外側部の境となる複数の反射側壁と、
前記第２の光学材料に接する下面を有し、前記第１の光学材料には接しないように配されるレンズと、
を具備する光学モジュールであって、
前記光源からの光は、第１及び第２の光路を辿って前記レンズを通過し、ここで前記第１の光路は前記境界において屈折した後に前記レンズにおいて屈折せしめられる光路であり、前記第２の光路は前記境界において屈折した後に側壁により反射され、その後に前記レンズにおいて屈折せしめられる光路であり、前記第１及び第２の光路を進む光は、前記レンズにおいて、並進的な断面（rectilinear cross section）を形成するように構成される、光学モジュール。
【請求項７】
照射目標物と組み合わされた請求項６に記載の光学モジュールであって、前記照射目標物は、収差が補正された断面を形成する前記光が、該照射目標物において実質的に一様な照度を示すように配される、光学モジュール。
【請求項８】
前記照射目標物はマイクロディスプレイを備える、請求項７に記載の光学モジュール。
【請求項９】
前記反射側壁は、厚さおよそ1.5cm以下で、幅と長さはおよそ2.5cm以下である、請求項６に記載の光学モジュール。
【請求項１０】
前記境界に沿って設けられる微小光学回折構造を有する、請求項６に記載の光学モジュール。
【請求項１１】
前記第１の光学材料が前記光源に接するように配される、請求項６に記載の光学モジュール。
【請求項１２】
カラー光源を備えると共に、第３の光学モジュールと組み合わされた第２の光学モジュールと組み合わされた請求項６に記載の光学モジュールであって、
前記第２の光学モジュールは、第２のカラー光源を備えると共に請求項６に特定される光学モジュールであり、
前記第３の光学モジュールは、第３のカラー光源を備えると共に請求項６に特定される光学モジュールであり、
前記３つの光学モジュールは、それぞれがX-cube光学エンジンに結合して、該光学エンジンの３つの面となるように構成される、
光学モジュール。
【請求項１３】
前記光学エンジンの光軸に沿って設けられる透過型微小マイクロディスプレイを備える、請求項１２に記載の光学モジュール。
【請求項１４】
それぞれの前記光学モジュールに対して前記光学エンジンとの間に透過型微小マイクロディスプレイが備えられる、請求項１２に記載の光学モジュール。
【請求項１５】
偏光ビームスプリッタと、第１及び第２の反射型マイクロ光学ディスプレイとが組み合わされた請求項６に記載の光学モジュールであって、該光学モジュールと、前記第１及び第２の反射型マイクロ光学ディスプレイとは、前記偏光ビームスプリッタの３つの面の周りに配される、光学モジュール。
【請求項１６】
全反射TIRプリズムと反射型マイクロディスプレイとが組み合わされた請求項６に記載の光学モジュールであって、該光学モジュールは前記TIRプリズムの１つの面に光学的に結合せしめられ、前記反射型マイクロディスプレイは前記TIRプリズムの隣接面に光学的に結合せしめられる、光学モジュール。
【請求項１７】
エタンデュ（etendue）が重要な光学システムを規定する光学エンジンと組み合わされた請求項６に記載の光学モジュールであって、前記光源から前記光学エンジンの出力部に至るまでの光損失が30％を超えないように、前記システムのエタンデュを保持すべく微小光学機構が前記第１及び第２の光学経路に沿って設けられる、光学モジュール。
【請求項１８】
前記光損失が10％を超えない請求項１７に記載の光学モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影によって画像を表示するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の機動性の傾向では、消費者の要求が携帯電話、携帯情報端末、音楽および映像再生機、ラップトップＰＣ、ヘッドマウントディスプレイなどのより小型の携帯機器へと向かっている。より小型化され、より高機能になると、超小型装置によって十分に大きな視覚映像を表示しうるかという根本的な問題が生じる。装置自身を大型化せずに固定スクリーンを大型化することはできないので、小型の装置からの視覚映像を好都合に提供するための唯一の方法は、データプロジェクタを用いてそれらを投影することである。しかしながら、現行のデータプロジェクタは、大型であり性能的にも非効率的である。
【０００３】
市販のデータプロジェクタは、白熱バルブまたはアーク灯のような高輝度広帯域光源を用いている。これらの光源は、本質的に低効率であり熱を生じるが、大量のエネルギを消費し、冷却装置を必要とする。データプロジェクタの光源としてのＬＥＤの使用も提案されている。しかしながら、これらの解決策では十分な光学効率が得られない。これらのシステムにおいて、光源は外部効率が低いだけでなく、光線の大部分はコリメーション系で失われる。また、これらの解決策は依然として大型で、高消費電力により費用がかかり、また広く用いられているバッテリ技術ではそれらを作動させることができない。
【０００４】
多くの消費者にとって興味深い他の画像投影の問題としては、三次元（３Ｄ）投影がある。現行のデータプロジェクタは、本質的にフルカラーの３Ｄ画像を表示することができず、またそのように設計された特別な装置は高価かつ稀有である。３Ｄ対応の装置が一般的に使用されるようになれば、メディア業界による３Ｄの映画、ゲーム、およびその他の娯楽の提供が増加することになる。
【発明の開示】
【０００５】
本発明の目的は、小型、安価で消費電力が少なく、また二次元（２Ｄ）と三次元（３Ｄ）のどちらも投影できる改良型データプロジェクタを提供することにある。本発明の１つの側面によれば、データプロジェクタであって、投影される画像を有する少なくとも１つのマイクロディスプレイと、少なくとも１つの光源チップを備える少なくとも１つの光源ユニットと、マイクロディスプレイの画像をターゲットに投影するための集束光ユニットと、を備え、前記光源ユニットは少なくとも１つのビーム形成要素をさらに備え、前記少なくとも１つのビーム形成要素は三次元構成に配置された複数の表面を備え、前記複数の表面のうち少なくとも１つは微細構造の光学部品を備える、データプロジェクタが提供される。
【０００６】
本発明の好適な実施態様は、従属請求項において説明される。
【０００７】
本発明の方法およびシステムは、様々な利点を提供する。前記データプロジェクタは良好な出力効率を有し、前記プロジェクタの画像は良好な明るさも有する。前記データプロジェクタは、小型、軽量化が可能であり、また耐久性を持たせることができる。前記データプロジェクタは、２Ｄおよび３Ｄ両方の画像をユーザーが自由に切り換えて表示することができる。
【実施形態の詳細な説明】
【０００８】
以下、本発明を好適な実施態様および添付図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
プロジェクタの効率は、スペクトル損失（広域帯光源を用いた場合）、光源の内部効率の低さによる損失、光源（例えば、ＬＥＤによる）の外部効率の低さによる損失、光収集損失（コリメーション系損失）、集積損失（複数の光線を結合した場合）、色分解損失（光の赤色、緑色、および青色への分割に用いたダイクロイックミラーにおける損失）、偏光損失（ＬＣ−マイクロディスプレイを用いた場合）、例えば充填率（ピクセル間の間隙）の低さによるマイクロディスプレイ自身の反射または透過損、色の組合せ損失（例えばＸ−ｃｕｂｅまたはダイクロイックミラーを用いた場合）、および投影レンズ（レンズ面上の反射損失）における損失、などの損失によって低下する。
【００１０】
いずれの側面においても、光損失が最小限に抑えられることが極めて重要である。また、光源の内外の量子効率を最大化できることが望ましい。光は、空間変調器として機能するマイクロディスプレイの有効領域にのみ導かれなければならない。光学要素およびマイクロディスプレイにおける損失は、最小限に抑えられなければならない。
【００１１】
スペクトル損失は、光源として白熱バルブまたはアーク灯を用いた場合に生じる。それらは非常に広い波長帯域を有する光を発し、電力の大部分は熱に変換される。例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）光源を用いれば、必要とする波長帯域（赤色、緑色、および青色）のためにだけ光を発生させることが可能であるため、この問題を回避することができる。
【００１２】
ＬＥＤの全効率は、内部量子効率および外部効率によって決まる。内部量子効率は、装置内で生じた光子の数に対する外部回路を流れる電子の数の割合である、と定義される。外部量子効率は、ＬＥＤから放射される光子の数に対する内部的に発生した光子の数の割合を意味する。内部量子効率は、特定の材料、波長および構造のＬＥＤチップによってほぼ１００％、例えば９９％にすることができる。しかしながら、発生した光の大部分は、半導体から放射されずにＬＥＤチップ自身に吸収される。これは、全反射によって大部分の光をチップ内に閉じ込めてしまう、ＬＥＤチップと周辺の材料との間の屈折率の大きな差異によって生じる。外部効率は、従来のＬＥＤに対してｌ／（４ｎ２）≒１／５０（ここで、ｎ＝３．５が半導体の屈折率である）ほどにしかなりえない。より高性能なＬＥＤの設計では、ごくわずかの内部光しか逃がさないことを特徴としている。これらの特徴には、ＬＤＥ上の半球状のまたは円錐形の半導体ドーム、粗面処理、透明の基材および上層部、および光子のリサイクルが挙げられる。共振キャビティＬＥＤは、精密共振器における自発的な排出の量子電気力学的な改良を用いている。これらの方法により、最大３０％の外部効率を可能にしているが、それでも最適な状態をはるかに下回っている。提案されたさらに別の方法では、半導体チップを先端を切り取って逆さまにしたピラミッド状に切断して、５５％の外部効率を達成している。
【００１３】
光収集損失は、低い外部効率とともに投影装置における最も顕著な光損失を示す。ＬＥＤからの光の大部分は、凸レンズまたは全反射に基づく反射体あるいは金属被覆した反射体を用いて平行にすることができる。概して、これは円形対称性を有する比較的コンパクトな光線を形成する。しかしながら、マイクロディスプレイは角胴形を有することがあるので、この円形光線は理想的ではない。この形状差異のために、光の大部分が失われている。これらの解決策ではまた、口径食、すなわち、マイクロディスプレイ全体にわたる不均等な光の強度が生じる。それに加えて、現在の光収集およびコリメーション技術では、光学システム全体に対して光線のコリメーションを最適化できない。
【００１４】
集積損失、色分解損失、および色の組合せ損失は、事実上改善が困難である。それらは、ダイクロイックミラー、Ｘ−ｃｕｂｅｓおよびビームスプリッタを慎重に選択することによって最小限に抑えることができる。ＬＣＤまたはＬＣｏＳマイクロディスプレイを用いた場合、その偏光損失は５０％以上の損失という顕著な結果となる。この損失の一部は、光源とマイクロディスプレイとの間に偏光変換器を用いることにより回避することができる（ＪＰ２００３２８７７１９）。マイクロディスプレイは、マイクロディスプレイのタイプ、変調率、および、例えば充填率の低さ（ピクセル間の間隙）によるマイクロディスプレイ自身における反射および散乱に依存する内部損失を有する。ＬＣＤマイクロディスプレイを用いた場合、充填率の低さによる損失は概して２０％乃至４０％である。充填率の低さによる損失は、アクティブなピクセルエリアを介して光を導く液晶パネルの前、および任意にその後ろに、いわゆるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を付加することによって減じることができる。ＬＣｏＳおよびＤＭＤマイクロディスプレイは、ＬＣＤマイクロディスプレイよりも実質的により十分な充填率を有する。
【特許文献１】特開２００３−２８７７１９号公報
【００１５】
投影レンズにおける損失は、反射防止被覆レンズを用いることにより最小限に抑えられることができる。この損失を許容するか、または、より高価なレンズを用いるかは、コストの問題である。
【００１６】
光源チップ：
本発明のデータプロジェクタは、可視域において機能する１つ以上の狭帯域光源チップを備えることが可能である。この光源チップは、例えばＬＥＤ、ＯＬＥＤ、または量子ウエルＬＥＤチップなどを備えることができる。各狭帯域光源チップの帯域幅は、可視域全体と比較すると狭く（４００ナノメートル乃至７５０ナノメートル）、例えばその帯域幅は１ナノメートルから１５０ナノメートル以上にまで変化しうるが、とりわけその帯域幅は、１０ナノメートルから５０ナノメートルまでになりうる。データプロジェクタは、全て同じ波長帯域の光を放射する１つ以上の光源チップを備えることができる。カラープロジェクタにおいて、光源チップは異なる帯域の光を供給する。概して、光源チップは、赤色、緑色、および青色の光を同時に供給することが可能である。
【００１７】
光源ユニット：
本発明のプロジェクタは、１つ以上の光源ユニットを備える。光源ユニットは、革新的なビーム形成要素と一体化される１つ以上の光源チップを備える。ビーム形成要素の機能は、光源チップの外部効率を増すことと、特別に設計された強度分布および発散角度を有する外部結合された光線を供給することである。
【００１８】
ビーム形成要素は、マイクロディスプレイに均一な照明を供給する。図１Ａは、ＬＥＤなどの光源１０２を従来の光学配置（図１には図示せず）に用いた場合のマイクロディスプレイ１０４上の照明光線１０６を示す。図に示されるように、光１０６の本質的部分がマイクロディスプレイ１０４に当たっていない。さらに、この照明は均一でなく、口径食を生じる（異なるハッチングで示す）。
【００１９】
図１Ｂは、図１Ａと同じ部分において本発明の光源ユニット１０８を用いた場合のマイクロディスプレイ１０４上の照明光線１１０を示す。光線１１０の形状は、マイクロディスプレイ１０４を最適に充填するようにほぼ矩形である。それに加えて、マイクロディスプレイは、口径食が最小限に抑えられるように均等に照明される。
【００２０】
光学システム内の光損失を考慮するための最も重要なパラメータは、エタンデュ（etendue）である。任意の形状の表面に対して、その一般形式におけるエタンデュは、（屈折率ｎ１を有する材料からの光として）次のように定義される。
2008046621.tif 000003
【００２１】
光学システム全体を通じたエタンデュの保存は、光学システムが損失のないことを意味する。さらに、このエタンデュは、いずれの光学的構成によっても減じることができない。従って、特定の要素におけるエタンデュの増加をできる限り少なくするように光学システムを設計することが重要である。表面を通過する全光束は、次のように計算することができる。
2008046621.tif 000004
【００２２】
小型の携帯型プロジェクタアプリケーションでは、プロジェクタを十分小型にするために最小のマイクロディスプレイを用いなければならない。概して、この制約によって対角線が０．５ｃｍから１．５ｃｍまでのマイクロディスプレイがもたらされる。これらの小型マイクロディスプレイのエタンデュは、ＬＥＤチップ自身の本来のエタンデュに比較的近い。ＬＥＤチップのための市販の光収集およびコリメーション系構造は、本来のＬＥＤチップのエタンデュをそれほど良好に保たず、光がマイクロディスプレイに当たらないために実質的な光の量が失われ、それに加えて、残りの光が非常に幅の広い開口角度を有することがある。開口角度が広すぎると光の一部が光学領域から伝播し、またＬＣＤ、ＬＣｏＳ、偏光ビームスプリッタ、およびフィルタなどでの損失が開口角度の増加によって増えるので、光の損失が生じる。また、多くのプロジェクタの構成において開口角度が広くなると、コントラスト比も減少する。
【００２３】
図２Ａおよび２Ｂは、慎重に設計された光線の発散角度の分布の効果を示す。図２Ａは、現在の光コリメーション系構造による典型的な状況を示す。最も効率的なプロジェクタの構成では、光源ユニット２０２とマイクロディスプレイ２０４との間、および／またはマイクロディスプレイ２０４と集束対物レンズ２０６との間にいくつかの光学要素２１０を必要とする。図２Ａに見られるように、マイクロディスプレイの大きさおよび／または対物レンズおよび他の光学要素の大きさを増加させない場合、光線の発散による不可避の実質的な損失が生じる。
【００２４】
図２Ｂは、本発明の光源ユニット２０８の状況を表す。光源チップのエタンデュは、実質的により良好に保たれる。それに加えて、発散角度分布は、損失がプロジェクタの長さ全体で最小限に抑えられるように設計される。光線の開口角度が減少すれば、マイクロディスプレイ２０４、偏光要素、Ｘ−ｃｕｂｅｓ、ダイクロイックミラー、レンズ、回折要素などにおける透過損は減少する。本発明の１つの主要な効果は、光線の開口角度が最小限に抑えられることにより、従来の解決策よりも他の光学要素における損失がより少なくなることである。
【００２５】
本発明の光源ユニットは、マイクロディスプレイに対する要件を満たすと同時に、全体の光線の発散を最小限に抑えるように入力光線の強度と角度分布とを変形させるという、理想的なエタンデュおよび全光束を保つ構成に近い。主たる設計原理は、個々の要素に対する特別な要件が同様に満たされ、しかしエタンデュができる限り保たれることである。最適化のパラメータには、領域、光強度分布、およびプロジェクタのすべての位置における光線発散が挙げられる。効果を示す主な数値は、「光源が消費する電力により除されるプロジェクタからの光束」の比率である。また、照明の均一性およびコントラストなどの二次的な基準もある。上述の方程式により、設計において最適化の可能性が十分となる。
【００２６】
本発明の光源ユニットは、ビーム形成要素と一体化された１つ以上の光源チップを備える。光源ユニットの一実施態様では、ビーム形成要素と一体化された１つの光源チップを備える。光源ユニットの別の実施態様は、それぞれ同じ波長帯域の光を供給する複数の光源チップを備え、それぞれがそれ自身のビーム形成要素と一体化される。ビーム形成要素は、光線が所望の光線を同時に形成するように設計される。これらの光源サブユニットは、それらが特定の装置アセンブリにおいて有効でありうる単一のユニットを備えるように単一のユニットに一体化することができる。組み合わせたビーム形成要素は、ユニット全体の機能を高める共通のビーム形成要素をさらに有することができる。
【００２７】
光源ユニットのさらに別の実施態様は、複数の狭帯域光源を備え、そのいくつかまたはそれぞれが異なる狭波長帯域で機能している。概して光源ユニットは、例えば、赤色、緑色、および青色のＬＥＤを備える。各光源は、ビーム形成要素と一体化される。ビーム形成要素は、光線が所望の光線を同時に形成するように設計される。これらの光源サブユニットは、それらが単一のユニットを備えるように単一のユニットに一体化することができる。例えば、光源ユニットは、赤色、緑色、および青色のＬＥＤが２つずつになるように６つのＬＥＤチップを備えることが可能である。組み合わせたビーム形成要素は、ユニット全体の性能を高める共通のビーム形成要素をさらに有することができる。
【００２８】
本発明の光源ユニットにおいて、光源チップは、ビーム形成要素に一体化される。これは、光源チップが実質的に透明な材料によって囲まれることを意味する。異なる屈折率を有する部品を光源チップの構造に基づいて備えることができる。透明な材料の屈折率は、チップおよび透明な材料の辺縁からの反射を最小限に減じ、従って光源チップの外部効率を増すように選択される。概して、透明な材料の屈折率は、できる限り利用可能な材料および製造プロセスを有する光源チップの屈折率にできる限り近づくように適合させる。本発明の一実施態様において、光源チップの外部効率をさらに増すために、回折格子を光源チップと透明な材料との間の光源チップの表面上に形成する。
【００２９】
本発明の一実施態様において、光源チップは、反射金属表面に載置される。金属層は、下方向へ放射された光を上方向へ反射する。この金属層の他の機能は、あらゆる熱を追い出すことである。エタンデュを減じるために、金属ミラーを光源チップのいくつかの部分の表面上に被着させることもできる。例えば、エタンデュを減じるために、表面に実装されたＬＥＤチップの上面に金属を被覆することができる。
【００３０】
ビーム形成要素は、１つまたは複数の光源チップを囲み、それに応じて屈折率を適合させた透明な材料を備える。ビーム形成要素は、回折、屈折、または反射型である微細構造の光学部品を備えた少なくとも１つの表面を備える。概して全ての要素は、ビーム形成要素が単一のユニットを備えるように一体化される。また、ビーム形成要素のいくつかの要素を他の要素に一体化させないことも可能である。また、屈折および回析要素上に無反射コーティングを施すことも可能である。ビーム形成要素は、実質的に透明な材料によって部分的に、または完全に充填することが可能である。
【００３１】
図３Ａは、ビーム形成要素と一体化される光源チップ３０２を備える光源ユニットの一実施態様を示す。ビーム形成要素３２０は、その屈折率が光源チップ３０２のそれに近い透明な材料３０６を備える。透明な材料の上面は、特定の形状およびテクスチャを有する。ビーム形成要素は、少なくとも１つの回折要素３０８を備える。任意に、屈折要素３１０を備えることも可能である。光源チップ３０２は、反射金属層３０４上に載置され、下方向へ放射された光を反射する。
【００３２】
図３Ｂは、透明な材料３０６が直線状の側面を有する矩形ブロック状であること以外は、図３Ａのそれとほぼ同様の構造を示す。これは、回析および屈折要素のない状況を示す。光源チップから上方向へ伝播する効率的な光線を得ることが目的である。図３Ｂでは、遮断材料と空気との間の屈折率の差により、チップからほぼ上方向に放射される光３１２だけが全反射を回避することができる。それに加えて、外部結合された光線は、透明な材料と空気との辺縁に実質的に発散される。つまり、光源の外部効率が非常に低く、外部からの光線は顕著に発散する。
【００３３】
回折要素３０８は、１つの回折表面パターンを有する。この表面は、光源チップからその領域への大部分の光が所望の方向に回析するように最適化された局所的な回折領域を備える。例えば、好適な２つの部分か、またはブレーズドプロファイルを用いることによって、例えば、所望の方向に回析した光の９５％を得ることが可能である。光源チップの大きさが表面の点から光源チップまでの距離と比較して小さくなるほど、指向性がより良好になる。外部からの光線の方向は、好適な設計、および表面上で変化する様々な回折パターンを用いることによって予め定められた設計にすることができる。周期、形状およびパターン、変調度および使用率は、所望の機能を最良に果たすように設定することができる。概して、光源チップの真上の表面では屈折するだけである一方、他の場所の表面では回折する。
【００３４】
図３Ｃに示されるビーム形成要素の他の一実施態様において、光源チップ３０２は、反射体カップ内に沈められる。図３Ｃはまた、透明な材料が、ほぼ矩形の形状となることができ、その表面が回折領域および任意に屈折領域をも備えることを示す。
【００３５】
図３Ｄは、ビーム形成要素が、反射要素も含む実施態様を示す。光源チップ３０２から側面に放射される光は、ミラー３１４から所望の方向へ反射される。このミラーは、平面状、放物線状、楕円状、球形、または、他の何らかの形状にすることができる。任意に、回折要素はミラーの表面上にあってもよい。ミラー３１４および金属層３０４は、単一のユニットを備えることができる。また、ミラー３１４は、透明な材料３０６に一体化することもできる。
【００３６】
図３Ｅは、ミラーが透明な材料３１６の辺縁で全反射を用いることにより構成される、ビーム形成要素の別の実施態様を示す。反射光は、表面３１８を介して所望の方向に導かれる。この表面３１８は、回折および屈折要素を含むことができる。
【００３７】
図３Ｆは、ビーム形成要素のさらに別の実施態様を示す。上部壁３２０に加えて、透明な材料３０６の側壁３２２およびミラー化された表面３１４は、回折および／または屈折表面パターンも有することができる。この回折および／または屈折表面パターンは、上述の設計原理に基づいて局所的に最適化されている。側壁３２２は、垂直すなわち９０°に向けるか、または外側にある程度の角度、例えば、１５乃至３５°の角度をつけることができる。
【００３８】
図３Ｇは、ビーム形成要素のさらに別の実施態様を示す。ＬＥＤチップ３０２はミラー化された基材３０４に載置され、透明な材料３０６に囲まれる。この透明な材料の表面は、屈折および／または回折微細構造３２６を含み、第２の透明な材料３２４によってさらに囲まれる。ミラー化された表面３１４は、屈折および／または回折構造を備えることができる。
【００３９】
図３Ｈおよび３Ｉは、図３Ｇに示される微細構造の実施態様を示す。図３Ｈにおいて、微細構造３２６は、第１の透明な材料３０６と第２の透明な材料３２４との間の屈折率の差異を用いることによって形成される。図３Ｉにおいて、この微細構造は、第１の透明な材料３０６と第２の透明な材料３２４との間に第３の透明な材料３３０を備える。この第３の透明な材料には、例えば、空気、接着剤、ゲルなどがあるが、第１および第２の透明な材料の屈折率とは異なる屈折率を有するあらゆる材料を用いることができる。この構造では光を２度屈折させるので、図３Ｈに示すように１度だけの屈折の場合よりも大きな偏向角が可能である。また、第１および第２の透明な材料は、同じ屈折率を有することができる。
【００４０】
光源ユニットの一実施態様では、赤色、緑色、および青色を有する３つの光源チップを備える。３つのチップは、全て同じビーム形成要素と一体化される。少なくとも１つの回折要素を備えるビーム形成要素は、概して１つの色に対して最適化される。本実施態様において、最適化は、３色全てに対して同時に行われる。以下のいくつかの光学的構成において、この解決策は、極めてコンパクトな装置を提供する。
【００４１】
ビーム形成要素の前記実施態様は、非常に単純な例である。本構造は、示された実施態様のみに制限されるものではなく、アプリケーションによっては非常に複雑になりうる。このビーム形成要素の構造は、装置全体の光学システムを考慮に入れた前記設計原理に基づいて、非常に慎重に設計しなければならない。ビーム形成要素は、既知の大量生産方法によって容易に大量生産できることが要求される。これには、設計の段階で予め考慮しなければならない、いくつかの制約および制限が加えられる。
【００４２】
必要とされる屈折および反射要素のための幾何学的形状は、従来の光学設計方法を用いることにより計算することができる。Zemax（Zemax Development社、サンディエゴ、カリフォルニア州、米国）のような光学設計ソフトウェア、またはTracePro（Lambda Research社、シンシナティ、オハイオ州、米国）のようなレイトレーシングソフトウェアを、シミュレーションに用いることができる。基本的に、必要とされる回折要素の幾何学的パラメータは、非常にシンプルな状況において分析的に解決することができる。しかしながら、この分析的な解決策は、通常より高速かつよりシンプルな数値モデリングと比較して、非常に複雑である。回折格子の数値モデリングは、例えば、GSOLVER（Grating Solver Development社、アレン、テキサス州、米国）ソフトウェアを用いることにより可能になる。GSOLVERは、平面波照明に対する任意の格子構造の回折効率を解決するための、ハイブリッドRigorous Coupled Wave Analysisおよびモード解析を用いた全三次元ベクトルコードを用いる。熟練者は、自身のより高度なモデリングツールを構築するために、市販のソフトウェアに加えて、従来のプログラムツールを用いることができる。
【００４３】
マイクロディスプレイ：
マイクロディスプレイは、ＬＣＤ（液晶表示装置）、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）、または、ＬＣｏＳ（反射型液晶パネル）ベースの空間変調器または他の利用可能なマイクロディスプレイ、例えば、ＭＥＭＳベースの光空間変調器を備えることができる。
【００４４】
ＬＣＤまたはＬＣｏＳは、１度に１つの偏光状態しか用いることができない。ＬＣＤマイクロディスプレイでは、有効なピクセル間の間隙によって２０％乃至４０％の損失が生じる。より良好な解決策では、ＬＣＤ、すなわちＭＬＡ−ＬＣＤを備えたマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を用いる。マイクロディスプレイの前（および、場合により後ろ）のマイクロレンズアレイは、有効なピクセル領域だけを介して光を案内する。ＬＣＤまたはＭＬＡ−ＬＣＤは、ＤＭＤおよびＬＣｏＳマイクロディスプレイが反射型であるために、透過型マイクロディスプレイの構成において用いなければならない。
【００４５】
一方、ＬＣＤはまた、ミラーを液晶画面の後ろに配置することができるので、反射型の構成において用いることもできる。このマイクロディスプレイは、生のビデオ画像または静止画像を生成することができる。
【００４６】
集束ユニット：
集束ユニットは、ターゲットに１つまたは複数のマイクロディスプレイの画像領域を投影する。このターゲット（図示せず）は、例えば、壁、紙、書籍、スクリーンなどのユーザーがイメージを投影したいと望むあらゆる表面とすることができる。この集束ユニットは、例えば、単一のレンズ、フレネルレンズ、単一のミラー、回折光学要素、ハイブリッド屈折−回折要素、または前記要素を組み合わせたものを備えることができる。集束ユニットは、一組のレンズを備えることが好ましい。集束ユニット内の要素は、反射損失を減じるために無反射コーティングを有することが可能である。
【００４７】
仮想ディスプレイアプリケーションにおいて、１つまたは複数の画像領域は、その前面または後ろに配置することができる仮想平面部に投影される。例えば、仮想ディスプレイ眼鏡において、プロジェクタは、イメージを眼鏡の表面上ではなく、例えば２メートル前方の仮想平面部上に形成するように、画像を半反射型眼鏡に投影する。
【００４８】
モノクロプロジェクタのアーキテクチャ：
図４Ａは、波長帯域を１つだけ用いたデータプロジェクタの一実施態様を示す。このデータプロジェクタは、上述の単色光源ユニット４０２、透過型マイクロディスプレイ４０４、および集束ユニット４０６を備える。光源ユニット４０２は、マイクロディスプレイに光を供給する。マイクロディスプレイ４０４の画像は、集束ユニット４０６を介してターゲットに投影される。
【００４９】
図４Ｂは、光源ユニット４０２を１つだけ用いたデータプロジェクタの別の実施態様を示す。データプロジェクタは、光源ユニット４０２と、集束ユニット４０６を介してターゲットに光を反射するＤＭＤマイクロディスプレイ４１０に光線を導く任意のミラー４０８とを備える。
【００５０】
図４Ｃは、光源ユニット４０２を１つだけ用いたデータプロジェクタのさらに別の実施態様を示す。データプロジェクタは、光源ユニット４０２、偏光ビームスプリッタ４１４、ＬＣｏＳマイクロディスプレイ４１２、および集束ユニット４０６を備える。光線の他の偏光状態では、偏光ビームスプリッタによってマイクロディスプレイに反射される。ＬＣｏＳマイクロディスプレイは、所望のピクセルからの光が再び偏光ビームスプリッタを通過してターゲットに投影されるように、光線の偏光を調整する。偏光ビームスプリッタ４１４とマイクロディスプレイ４１２との間に、達成可能なコントラスト比を増加させる４分の１波長板４１６を任意に配置することも可能である。コントラスト比は、光源ユニット４０２と偏光ビームスプリッタ４１４との間に任意にプレ偏光器４１８を用いることによって向上させることもできる。
【００５１】
ＬＣＤ、ＭＬＡ−ＬＣＤ、またはＬＣｏＳベースのマイクロディスプレイを用いた場合、他の偏光方向、すなわち５０％の光が失われる。図５に示される実施態様において、この損失は回避される。光源ユニット５０２からの光線は、偏光ビームスプリッタ５０４に導かれ、光線は、双方とも２方向に分割され、１つだけの直線的に分極された光を備える。両光線は、独立したＬＣＤマイクロディスプレイ５０６および５０８を照明する。光線は、ミラー５１０および５１２、および第２の偏光ビームスプリッタ５１４を用いて再び結合される。マイクロディスプレイの画像は、集束ユニット５１６によってターゲットに投影される。このようにして、両偏光状態が用いられる。
【００５２】
図６は、透過型ＬＣＤパネルの代わりに２つのＬＣｏＳマイクロディスプレイを用いた、前述の実施態様の別の変更態様を示す。光源ユニット６０２からの光線は、偏光ビームスプリッタ６０４において２つの光線に分割される。両光線は、独立したマイクロディスプレイ６０６および６０８で反射され、マイクロディスプレイの偏光変調に基づいて、マイクロディスプレイの所望のピクセルからの光は、集束ユニット６１０に導かれる。コントラスト比を向上させるために、４分の１波長板６１２および６１４を任意に用いることができる。
【００５３】
図５および図６に示される実施態様は、プロジェクタが２Ｄおよび３Ｄモードで作動する場合に特に有効である。本実施態様は、同じ画像（２Ｄモード）、または、ステレオペア（３Ｄモード）を形成する２つの独立した画像により駆動されることができる２台の独立したマイクロディスプレイを含む。
【００５４】
さらに、図７および８は、両方の光の偏光状態を保つ２つの実施態様を示す。図７において、光源ユニット７０２からの光線は、偏光ビームスプリッタ７０４によって２つの直線的に分極される光線に分割される。反射ビームは、ＬＣＤマイクロディスプレイ７０６の半分を照明する。偏光ビームスプリッタからの透過ビームは、ミラー７０８で反射され、２分の１波長板７１０を介してマイクロディスプレイ７０６の他の半分に伝播する。マイクロディスプレイは、集束ユニット７１２を用いることによりそれからターゲットに投影される。２分の１波長板７１０は、光線がマイクロディスプレイ７０６を通過できるように、光線の偏光状態を９０°回転させるために用いられる。マイクロディスプレイ７０６が、偏光方向が互いに垂直である２枚の独立した液晶表示パネルを備えている場合、２分の１波長板７１０は不要である。
【００５５】
基本的に、図８は、反射型ＬＣｏＳマイクロディスプレイのための同様の実施態様を示す。光源ユニット８０２からの光線は、第１の偏光ビームスプリッタ８０４によって２つの直線的に分極された光線に分割される。図４Ｃのように、第１のビームスプリッタからの反射ビームの偏光は、ＬＣｏＳマイクロディスプレイ８０６の前半部によって調整される。マイクロディスプレイの所望のピクセルからの光は、再びビームスプリッタ８０４を通過し、集束ユニット８０８に伝播する。第１の偏光ビームスプリッタ８０４からの透過ビームは、第２の偏光ビームスプリッタ８１０によってマイクロディスプレイ８０６の後半部へ反射される。同様に、この光は、マイクロディスプレイによって調整されてターゲットに投影される。これは、偏光ビームスプリッタ８０４および８１０の偏光方向が互いに垂直であるので可能である。図７および図８の実施態様は、非常にコンパクトであるが、それでも光の両方の偏光状態を保つ。
【００５６】
カラープロジェクタのアーキテクチャ：
概して、３つの波長帯域、すなわち、赤色、緑色、および青色が、投影に用いられる。複数の波長帯域を用いた場合、マイクロディスプレイは本質的にモノクロであるため、異なる波長帯域は、異なるマイクロディスプレイ、１つのマイクロディスプレイの異なる領域、または異なる連続の時勢を有する同じマイクロディスプレイによって変調される。
【００５７】
カラープロジェクタの一実施態様では、カラー画像をターゲットにおいて同時に形成するように互いに整列配置される３つの単色プロジェクタを備える。この実施態様は、３つの集束ユニットを含むが、高価である。より良好な解決策では、集束ユニットのない３つの単色プロジェクタを用いるために、互いに光線を結合し、その結合した光線を共通の集束ユニットに導く。３つの光線の組合せは、例えば、Ｘ−ｃｕｂｅまたはダイクロイックミラーを用いて行うことができる。
【００５８】
図９Ａは、図４Ａの実施態様に基づいて、３つの単色プロジェクタ（赤色９０２Ｒ、緑色９０２Ｇ、および青色９０２Ｂ）をカラープロジェクタを形成するためにＸ−ｃｕｂｅを用いることによって結合する、実施態様を示す。光源ユニット９０２Ｒからの光は、ＬＣＤマイクロディスプレイ９０４を照明する。Ｘ−ｃｕｂｅ９０６は、３つの光線を集束ユニット９０８によってターゲットに投影される１つの光線に結合する。
【００５９】
図９Ｂは、Ｘ−ｃｕｂｅの代わりに２つのダイクロイックミラー９１０および９１２を光線の結合に用いる、図９Ａとほぼ同様の実施態様を示す。
【００６０】
図９Ａおよび９Ｂのカラープロジェクタは、図４Ａに示される３つの単色プロジェクタからの光線を結合することによって構成される。同様に、このカラープロジェクタは、他の上述の形態の３つの単色プロジェクタを結合して構築することができる。例えば、図４Ｂ、４Ｃ、５、６、７、および８に示される単色カラープロジェクタは、同様な方法のカラープロジェクタを構築するために用いることができる。
【００６１】
上述のカラープロジェクタのアーキテクチャでは、複数の異なるマイクロディスプレイ（または異なる領域の同じマイクロディスプレイ）が必要であった。図１０Ａは、１つだけのマイクロディスプレイを用いた一実施態様を示す。３つの異なる光源ユニット１００２Ｂ、１００２Ｇ、および１００２Ｒは、赤色、緑色、および青色の光線でマイクロディスプレイ１００４を照明する。異なるピクセルを介して異なる色の光線を導くマイクロディスプレイの前部には、ビームステアリング要素１００６がある。任意に、光線の発散を減じるためにマイクロディスプレイの後ろに別のビームステアリング要素１００８がある。ビームステアリング要素は、例えばマイクロレンズアレイ、レンズ状のシートまたはマイクロプリズムアレイとすることができる。ビームステアリング要素は、マイクロディスプレイと一体化することができる。マイクロディスプレイからの画像は、集束ユニット１０１０によってターゲットに投影される。ターゲット上のピクセルの量は、マイクロディスプレイのピクセルの量の１／３である。
【００６２】
図１０Ｂは、以前の解決策の別の実施態様を表す。その構造は他の態様と同様であるが、３つの独立した光源ユニット１００２Ｂ、１００２Ｇ、および１００２Ｒが、赤色、緑色、および青色の光源チップを備え、３色全てに対して良好な効率を有するように設計された光源ユニット１０１２に置き換えられている。本発明の一実施様態では、図５、６、７、または８の変更を保つ観念を伴う図１０Ａまたは図１０Ｂに示される構成を組み合わせる。
【００６３】
上述のように、迅速に連続する１つの色に一度に照明することによって、カラープロジェクタにおいて１つだけのマイクロディスプレイを用いることが可能である。この解決策は、実質的に装置の構成を簡素化する。有効なスクリーンは、少なくとも６０Ｈｚのリフレッシュレートが必要であるので、全色を１７ｍｓの時間で表示しなければならない。これは、３色を用いる場合に１色ごとの照明時間が５．７ｍｓであることを意味する。マイクロディスプレイは、応答時間が十分に短かくなければならない。ＤＭＤベースのマイクロディスプレイは、ミリ秒以下の十分な応答時間を有する。ＬＣｏＳマイクロディスプレイの応答時間は、これも十分な数ミリ秒、例えば、２．２ｍｓである。市販のＬＣＤ応答時間は概して１６ｍｓであるが、より高速なものがすでに開発されている。２、３年の内に、ＬＣＤの応答時間は、十分な７ｍｓの範囲に短縮されると考えられる。ＬＥＤが急速にパルスモードに駆動される場合、全体の平均光強度は、それらを同じ平均電力によってＤＣモードにした場合と同じにすることができることは公知である。従って、ＬＥＤをパルシングすることは、システムの出力効率とシステムの絶対的な光強度のどちらにも悪影響を与える。
【００６４】
全色が連続的に同じマイクロディスプレイを用いるカラープロジェクタの光学的構成は、１色の光源ユニットが３色光源ユニットに置き換えられる、図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、５、６、７、および８に示される単色プロジェクタの構成と同じである。三色光源ユニットの一実施態様は、赤色、緑色、および青色の光源チップを備え、全３色に対して良好な効率を有するように設計された本発明の光源ユニットである。３色光源ユニットの別の実施態様では、その光線が、例えば、Ｘ−ｃｕｂｅまたは２つのダイクロイックミラーを用いて結合される３つの単色光源ユニットを備える。単色プロジェクタおよび三色光源のこれらの上述の組合わせによるいくつかの好適な実施態様を、以下の図に示す。
【００６５】
図１１は、連続的な照明を用いたカラープロジェクタの一実施態様を示す。３つの光源ユニット１１０２Ｂ、１１０２Ｇ、および１１０２Ｒからの赤色、緑色、および青色の光線は、Ｘ−ｃｕｂｅ１１０４において結合される。図５に示すように、光線は、偏光ビームスプリッタ１１０６に導かれ、そこで２方向に分割され、双方が１つだけの直線的に分極された光を有する。両光線は、独立したＬＣＤマイクロディスプレイ１１０８および１１１０を照明する。光線は、ミラー１１１２および１１１４、および第２の偏光ビームスプリッタ１１１６を用いて再び結合される。マイクロディスプレイの画像は、集束ユニット１１１８によってターゲットに投影される。
【００６６】
図１２は、連続的な照明を用いたカラープロジェクタの別の実施態様を表す。３つの光源ユニット１２０２Ｂ、１２０２Ｇ、および１２０２Ｒからの赤色、緑色、および青色の光線は、Ｘ−ｃｕｂｅ１２０４において結合される。図６に示すように、光線は、偏光ビームスプリッタ１２０６において２つの光線に分割される。両光線は、独立したＬＣｏＳマイクロディスプレイ１２０８および１２１０で反射され、マイクロディスプレイの偏光変調に基づいて、マイクロディスプレイの所望のピクセルからの光は、集束ユニット１２１２に導かれる。図１１および図１２における実施態様では、コンパクトな装置構成を有する２Ｄ／３Ｄの切り替えが可能なカラープロジェクタを提供する。
【００６７】
図１３は、連続的な照明を用いたカラープロジェクタのさらに別の実施態様を示す。３つの光源ユニット１３０２Ｂ、１３０２Ｇ、および１３０２Ｒからの赤色、緑色、および青色の光線は、Ｘ−ｃｕｂｅ１３０４において結合される。図７に示すように、光線は、偏光ビームスプリッタ１３０６によって２つの直線的に分極された光線に分割される。反射ビームは、第１のＬＣＤマイクロディスプレイ１３０８を照明する。偏光ビームスプリッタからの透過ビームは、ミラー１３１０からの第２のＬＣＤマイクロディスプレイ１３１２へ反射される。マイクロディスプレイ１３０８および１３１２は、集束ユニット１３１４を用いてターゲットに投影される。
【００６８】
図１４Ａは、連続的な照明を用いたカラープロジェクタのさらに別の実施態様を示す。３つの光源ユニット１４０２Ｂ、１４０２Ｇ、および１４０２Ｒからの赤色、緑色、および青色の光線は、Ｘ−ｃｕｂｅ１４０４において結合される。図８のように、光線は、第１の偏光ビームスプリッタ１４０６によって２つの直線的に分極された光線に分割される。第１のビームスプリッタ１４０６からの反射ビームの偏光は、ＬＣｏＳマイクロディスプレイ１４０８の前半部によって調整される。マイクロディスプレイの所望のピクセルからの光は、再びビームスプリッタ１４０６を通過し、集束ユニット１４１０に伝播する。第１の偏光ビームスプリッタ１４０６からの透過ビームは、第２の偏光ビームスプリッタ１４１２によってマイクロディスプレイ１４０８の後半部へ反射される。同様に、この光は、マイクロディスプレイによって調整されてターゲットに投影される。これは、 偏光ビームスプリッタ１４０６および１４１２の偏光方向が互いに垂直であるので可能である。
【００６９】
図１３および１４Ａに示した本発明の実施態様は、２Ｄ投影に対してのみ好適である。しかしながら、集束ユニット１３１４および１４１０をビームスプリッタを有する集束ユニットに置き換えることによって、この実施態様は２Ｄおよび３Ｄ両方の投影に対して好適になる。これを、図１４Ｂおよび１４Ｃに示す。図１４Ｂは、２Ｄおよび３Ｄ両方の投影機能を有するように改良した図１４Ａの実施態様を示す。全反射プリズム１４１４および１４１６が、集束ユニット１４１０の後に加えられる。このプリズムは、偏光眼鏡を介して見たときに互いに３Ｄ画像を生成するように、垂直な偏光状態を有する両光線をターゲット上の同じ位置に導く。
【００７０】
図１４Ｃは、集束ユニットを備えたビームスプリッタの別の実施態様を示す。集束ユニット１４１０は、ビームスプリッタの後ろに配置される２つの集束ユニット１４１８および１４２０に置き換えられる。この解決策によって、投影されたスクリーンの周縁部は、図１４Ｂに示される実施態様よりもより鮮明であると考えられる。ビームスプリッタは、プリズムの代わりにミラーを用いることによって提供することができる。
【００７１】
図１５は、連続的な照明を備えたカラープロジェクタの実施態様を示し、図１４に示される実施態様と同様であるが、Ｘ−ｃｕｂｅおよび３つの独立した光源ユニットが、赤色、緑色、および青色の光源チップを備え、３色全てに対して良好な効率を有するように設計された１つの光源ユニット１５０２に置き換えられている。
【００７２】
図１６は、その代わりに、連続的な照明を備えたカラープロジェクタの一実施態様を示し、図１４に示される実施態様と同様であるが、Ｘ−ｃｕｂｅが２つのダイクロイックミラー１６０２および１６０４に置き換えられている。
【００７３】
図１７は、連続的な照明を用いたカラープロジェクタの一実施態様を示す。３つの光源ユニット１７０２Ｂ、１７０２Ｇ、および１７０２Ｒからの赤色、緑色、および青色の光線は、Ｘ−ｃｕｂｅ１７０４において結合される。図４Ｂに示すように、任意のミラー１７０６は、集束ユニット１７１０を介してターゲットに光を反射するＤＭＤマイクロディスプレイ１７０８に光線を導く。
【００７４】
上述のカラープロジェクタの実施態様において用いられた色は、赤色、緑色、および青色であったが、これらの色に限らず、可視域のいずれかの３色であってよい。例えば、他の色の選択は、シアン、黄色、およびマゼンタであってもよい。また、いくつかのアプリケーションでは、２色で十分である。場合によっては、４色以上を用いることが有効な場合がある。このような多色の組合せは、例えばダイクロイックミラーを用いることによって可能である。上述の光学的構成に対する変更態様を本発明の範囲において行えることは、明らかである。上述の構成は、可能な実施態様の例として挙げた。アプリケーションに基づいて、上述の基本的なレイアウトに光学要素を加えることによって、投影の質に影響を及ぼすことが可能である。例えば、ミラー、回折要素、レンズ、光学フィルタ、偏光変換器、４分の１および２分の１波長板などは、本発明の基本的な観念を変えることなく加えることができる。それに加えて、これらの光学要素は、同様の機能を有する他の要素に置き換えることができ、例えば、ミラーは、全反射プリズムに置き換えることができる。多くの要素は、それらが単一のユニットを構成するように互いに一体化することができる。アプリケーションによっては、例えば、光学要素間に透明な材料を用いることによって全ての要素を互いに一体化することが望ましい。上述のマイクロディスプレイは、好適な機能性を有する他の空間変調器に置き換えることができる。
【００７５】
本発明のデータプロジェクタは、様々な投影機構に用いることができる。最も直接的な機構には、プロジェクタが画像を、例えば、銀幕、壁、紙などを用いることが可能な表面に投影する直射がある。投影画像は、同じ側の表面に照明して眺める。特定のアプリケーションでは、直射の半反射または拡散表面とすることができる半透明の表面での使用に有効である。別の形態の投影には、プロジェクタが、半透明の拡散表面を照明し、照明された表面の反対側から眺める逆投影がある。さらに別の投影の形態には、１つまたは複数のマイクロディスプレイを仮想平面部に投影する仮想スクリーン投影がある。
【００７６】
３Ｄ投影：
上述の実施態様のいくつかでは、光線は、別々に変調される２つの垂直な偏光状態に分割されていた。これによって、別々にマイクロディスプレイを制御して異なる画像を有する両偏光を投影することが可能になる。したがって、同じプロジェクタを備えた２Ｄおよび３Ｄ画像を投影することが可能である。３Ｄ画像を見る場合には、偏光眼鏡が必要である。上述の直射において、偏光は、投影表面からの反射において保たれなければならない。これは、例えば、メタルバック蛍光面を用いることによって達成することができる。逆投影の機構において、偏光は、概して特別な配置またはスクリーン材料を用いることなく保たれる。図１８は、逆投影の一例として３Ｄ投影機構を示す。データプロジェクタ１８０２は、偏光眼鏡１８０６を介して見る逆投影スクリーン１８０４に、異なる偏光状態を有する２つの画像を投影する。
【００７７】
電気回路は、ＶＬＳＩ要素（超大規模集積回路）、ＦＰＧＡ要素（フィールドプログラマブルゲートアレイ）、好ましくは、例えば、ＡＳＩＣ回路技術（特定用途向け集積回路）による独立した電子部品を備える回路基板上のハードウェアによって提供することができる。自動データ処理は、コンピュータによって行うか、好ましくは、プロセッサ内で動作するソフトウェアによって行われる。
【００７８】
本発明に記載の投影方法およびデータプロジェクタは、特に以下での使用に好適である。
・  テレビの代替物
・  コンピュータモニタの代替物
・  ビデオプロジェクタ
・  スライドプレゼンタ／スライドプロジェクタ
・  仮想ディスプレイプロジェクタ
【００７９】
また、本発明の解決策は、以下の付属品として、または一体化させて用いることができる。
・  携帯電話
・  ＤＶＤおよび他のメディア再生機
・  ビデオカメラ
・  デジタルカメラ
・  携帯情報端末
・  ラップトップコンピュータ
・  携帯型およびデスクトップ型のゲーム用機器
・  テレビ会議用機器
・  ヘッドマウントディスプレイ
・  軍用ディスプレイ
・  家庭、ホテル、レストラン、車、飛行機、船、およびその他の車両、事業所、例えば病院、図書館などの公共建築物など、およびその他の場所におけるマルチメディア機器
・  所望の対象物の３Ｄ視覚を提供するためのレイトレーシング、ＣＡＤ、３Ｄモデリング、３Ｄが可能なグラフィックスカード、３Ｄ動画及びゲームなどの３Ｄ画像ソフトウェアおよびハードウェアとともに使用される上述のいずれか
・  低消費電力、小型、および低価格が重要な側面である他のいずれの装置
【００８０】
全般的に見て、本発明は、非常に小型のプロジェクタ構成、省エネルギー、より低コストをもたらし、現存の装置よりも高い耐久性を提供する。
【００８１】
本発明は、添付図面を参照して実施例に関して上述しているが、本発明は、それらに制限されることなく、添付の請求の範囲内でいくつかの点において変更できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１Ａ】従来の光学装置によるマイクロディスプレイの照明を示す。
【図１Ｂ】本発明の光学配置によるマイクロディスプレイの照明を示す。
【図２Ａ】従来の光学配置によるビームの発散を示す。
【図２Ｂ】本発明の光学配置によるビームの発散を示す。
【図３Ａ】光源と一体化されたビーム形成要素を示す。
【図３Ｂ】ビーム形成要素を用いない場合の光線の形跡を示す。
【図３Ｃ】光源と一体化されたビーム形成要素の断面図を示す。
【図３Ｄ】光源と一体化されたビーム形成要素の断面図を示す。
【図３Ｅ】光源と一体化されたビーム形成要素の断面図を示す。
【図３Ｆ】光源と一体化されたビーム形成要素の断面図を示す。
【図３Ｇ】ビーム形成要素のさらに別の実施態様を示す。
【図３Ｈ】図３Ｇに示される微細構造の実施態様を示す。
【図３Ｉ】図３Ｇに示される微細構造の実施態様を示す。
【図４Ａ】透過型ＬＣＤマイクロディスプレイを備えた単色プロジェクタを示す。
【図４Ｂ】反射型ＤＭＤマイクロディスプレイを備えた単色プロジェクタを示す。
【図４Ｃ】反射型ＬＣｏＳマイクロディスプレイを備えた単色プロジェクタを示す。
【図５】両方の偏光状態を用いた２Ｄ／３ＤＬＣＤ−プロジェクタを示す。
【図６】両方の偏光状態を用いた２Ｄ／３ＤＬＣｏＳ−プロジェクタを示す。
【図７】両方の偏光状態を用いたＬＣＤ−プロジェクタを示す。
【図８】両方の偏光状態を用いたＬＣｏＳ−プロジェクタを示す。
【図９Ａ】Ｘ−ｃｕｂｅビーム結合器を備えたカラープロジェクタを示す。
【図９Ｂ】ダイクロイックミラービーム結合器を備えたカラープロジェクタを示す。
【図１０Ａ】ビーム案内要素および３つの光源ユニットを備えたカラープロジェクタを示す。
【図１０Ｂ】ビーム案内要素および１つの光源ユニットを備えたカラープロジェクタを示す。
【図１１】両方の偏光状態を用いたＸ−ｃｕｂｅビーム結合器および液晶マイクロディスプレイを備えた２Ｄ／３Ｄカラープロジェクタを示す。
【図１２】両方の偏光状態を用いたＸ−ｃｕｂｅビーム結合器およびＬＣｏＳマイクロディスプレイを備えた２Ｄ／３Ｄカラープロジェクタを示す。
【図１３】両方の偏光状態を用いたＸ−ｃｕｂｅビーム結合器および液晶マイクロディスプレイを備えたカラープロジェクタを示す。
【図１４Ａ】両方の偏光状態を用いたＸ−ｃｕｂｅビーム結合器およびＬＣｏＳマイクロディスプレイを備えたカラープロジェクタを示す。
【図１４Ｂ】両方の偏光状態を用いたＸ−ｃｕｂｅビーム結合器およびＬＣｏＳマイクロディスプレイを備えた２Ｄ／３Ｄカラープロジェクタを示す。
【図１４Ｃ】両方の偏光状態を用いたＸ−ｃｕｂｅビーム結合器およびＬＣｏＳマイクロディスプレイを備えた２Ｄ／３Ｄカラープロジェクタを示す。
【図１５】両方の偏光状態を用いた１つの光源ユニットおよびＬＣｏＳマイクロディスプレイを備えたカラープロジェクタを示す。
【図１６】両方の偏光状態を用いたダイクロイックミラービーム結合器およびＬＣｏＳマイクロディスプレイを備えたカラープロジェクタを示す。
【図１７】連続的な照明を用いたカラープロジェクタの一実施態様を示す。
【図１８】両方の状態が、それぞれの視覚に対して垂直な偏光フィルターを有するめがねを通して眺める独立した画像を有するように両方の偏光状態を用いた３Ｄカラープロジェクタを示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2008046621.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月13日(2007.8.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を操作する方法であって、
多指向性の光源から光を放射させることと、
パターンを有する光学面を少なくとも１つ用いることによって、前記放射された光のエタンデュ（etendue）を保ちつつ、該光を集光し且つ空間的に配光することと、
第２の光学面を少なくとも１つ用いることによって、前記集光された光のエタンデュを保ちつつ、該集光された光を角方向に配光することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記集光された光を配光することは、線形結像面（rectilinear imaging surface）上に、実質的に均一な照度でもって、前記集光された光を配光することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記、光を集光して配光することは、約10ｃｍ３以下の体積の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法を少なくとも２つの別々の光源に適用する方法であって、該方法は、
前記少なくとも２つの別々の光源の各々に適合したカラーフィルタを用いて、該少なくとも２つの別々の光源からの光を１つの光路へ集めることと、
カラー画像を投影するために前記光を空間変調することと、
を含む、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、さらに、前記集光して配光した光を、少なくとも２つの、波長によって定義される帯域へ分離することを含む、方法。
【請求項６】
多指向性の光源と、
前記光源に面した反射面を備える基板と、
１よりも大きな屈折率を有する光学材料であって、該光学材料と前記反射基板が前記光源を包み込むように配される、第１の光学材料と、
前記第１の光学材料に接して該第１の光学材料との境界を定める第２の光学材料と、
前記第２の光学材料の外側部の境となる複数の反射側壁と、
を具備する光学モジュールであって、
前記光源を発して前記第２の光学材料の放射面から放射される光束は、第１の光路を辿る光および第２の光路を辿る光から構成され、ここで前記第１の光路は前記境界において屈折した後に前記放射面へと到達する光路であり、前記第２の光路は前記境界において屈折した後に側壁により反射され、その後に前記放射面へと到達する光路であり、前記第１及び第２の光路を進む光は、前記レンズにおいて、並進的な断面（rectilinear cross section）を形成するように構成される、光学モジュール。
【請求項７】
前記放射面に接する面を有するレンズをさらに有し、これによって、前記第１の光路は前記境界において屈折した後に前記レンズによって屈折せしめられる光路となり、前記第２の光路は前記境界において屈折した後に側壁により反射され、その後に前記レンズによって屈折せしめられる光路となり、前記第１及び第２の光路を進む光は、前記レンズにおいて並進的な断面を形成するように構成される、請求項６に記載の光学モジュール。
【請求項８】
照射目標物と組み合わされた請求項６又は７に記載の光学モジュールであって、前記照射目標物は、並進的な断面を形成する前記光が、該照射目標物において実質的に一様な照度を示すように配される、光学モジュール。
【請求項９】
前記照射目標物はマイクロディスプレイを備える、請求項８に記載の光学モジュール。
【請求項１０】
前記反射側壁は、厚さおよそ1.5cm以下で、幅と長さはおよそ2.5cm以下である、請求項６又は７に記載の光学モジュール。
【請求項１１】
前記境界に沿って設けられる微小光学回折構造を有する、請求項６又は７に記載の光学モジュール。
【請求項１２】
前記第１の光学材料が前記光源に接するように配される、請求項６又は７に記載の光学モジュール。
【請求項１３】
カラー光源を備えると共に、第３の光学モジュールと組み合わされた第２の光学モジュールと組み合わされた請求項６又は７に記載の光学モジュールであって、
前記第２の光学モジュールは、第２のカラー光源を備えると共に請求項６又は７に特定される光学モジュールであり、
前記第３の光学モジュールは、第３のカラー光源を備えると共に請求項６又は７に特定される光学モジュールであり、
前記３つの光学モジュールは、それぞれがX-cube光学エンジンに結合して、該光学エンジンの３つの面となるように構成される、
光学モジュール。
【請求項１４】
前記光学エンジンの光軸に沿って設けられる透過型微小マイクロディスプレイを備える、請求項１３に記載の光学モジュール。
【請求項１５】
それぞれの前記光学モジュールに対して前記光学エンジンとの間に透過型微小マイクロディスプレイが備えられる、請求項１３に記載の光学モジュール。
【請求項１６】
偏光ビームスプリッタと、第１及び第２の反射型マイクロ光学ディスプレイとが組み合わされた請求項６又は７に記載の光学モジュールであって、該光学モジュールと、前記第１及び第２の反射型マイクロ光学ディスプレイとは、前記偏光ビームスプリッタの３つの面の周りに配される、光学モジュール。
【請求項１７】
全反射TIRプリズムと反射型マイクロディスプレイとが組み合わされた請求項６又は７に記載の光学モジュールであって、該光学モジュールは前記TIRプリズムの１つの面に光学的に結合せしめられ、前記反射型マイクロディスプレイは前記TIRプリズムの隣接面に光学的に結合せしめられる、光学モジュール。
【請求項１８】
エタンデュ（etendue）が重要な光学システムを規定する光学エンジンと組み合わされた請求項６又は７に記載の光学モジュールであって、前記光源から前記光学エンジンの出力部に至るまでの光損失が30％を超えないように、前記システムのエタンデュを保持すべく微小光学機構が前記第１及び第２の光学経路に沿って設けられる、光学モジュール。
【請求項１９】
前記光損失が10％を超えない請求項１８に記載の光学モジュール。
【外国語明細書】
2008046621000001.pdf