(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影システムであって、
光ビームを発生するための光源と、
スクリーンと、
前記光ビームを前記スクリーン上に投影するための投影レンズと、
画像情報を、前記光ビームに、前記投影レンズの上流側で与えるためのデジタルミラー装置と、
前記デジタルミラー装置に入力される前記光ビームを定められた偏光方向に偏光するための第１偏光手段と、
前記投影レンズを通過した後または通過する前の前記デジタルミラー装置によって前記画像情報を与えられた前記光ビームを前記ビームが前記スクリーンに到達する前に前記定められた偏光方向に偏光するための第２偏光手段と、
前記第２偏光手段の上流側において、前記第１偏光手段によって偏光された光ビームの散乱光を偏光解消し、または前記散乱光を前記定められた方向に対して直交する方向に偏光するのに適した、前記投影システム内の面とを含む投影システム。
【請求項２】
さらに、前記光ビームを、赤、緑および青の成分に分離し、これらの成分を前記デジタルミラー装置に伝達し、次いでこれらの成分を１つの光ビームに再結束して前記投影レンズを通過させるためのビームスピリッタを含む請求項１に記載の投影システム。
【請求項３】
前記面が四分の一波長板として機能する材料である四分の一波長偏光材料によりコーティングされた請求項１に記載の投影システム。
【請求項４】
前記投影システムは、前記第１の偏光手段と前記第２の偏光手段との間に更に光学素子を有し、
前記光ビームにより前記光学素子にかかる熱負荷が、前記光ビームを偏光する前記第１偏光手段によって、前記第１偏光手段を設けない場合と比較して低減される請求項１に記載の投影システム。
【請求項５】
投影システムであって、
光ビームを発生させるための光源と、
前記光ビームを定められた方向に偏光するための第１偏光子と、
前記第１偏光子で偏光された前記光ビームに画像情報を与えるためのデジタルミラー装置と、
前記第１偏光子によって偏光された光ビームの散乱光を偏光解消し、または前記散乱光を前記定められた方向に対して直交する方向に偏光するのに適した投影システム内の面と、
スクリーンと、
前記光ビームを前記スクリーン上に投影するための投影レンズと、
前記光ビームが前記面から反射された後、前記光ビームが前記スクリーンに到達する前に光ビームを定められた偏光方向に偏光するための第２偏光子とを含む投影システム。
【請求項６】
さらに、前記光ビームを、赤、緑および青の成分に分離し、これらの成分を前記デジタルミラー装置に伝達し、次いでこれらの成分を１つの光ビームに再結束して前記投影レンズを通過させるためのビームスピリッタを含む請求項５に記載の投影システム。
【請求項７】
前記面が四分の一波長板として機能する材料である四分の一波長偏光材料によりコーティングされた請求項５に記載の投影システム。
【請求項８】
前記投影システムは、前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間に光学素子を更に有し、
前記光ビームにより前記光学素子かかる熱負荷が、前記光ビームを偏光する前記第１偏光子によって、前記第１偏光子を設けない場合と比較して低減される請求項５に記載の投影システム。
【請求項９】
プロジェクタであって、
光ビームを発生するための光源と、
前記光ビームを定められた方向に偏光するための第１偏光子と、
前記第１偏光子で偏光された前記光ビームに画像情報を与えるための複数のデジタルミラー装置と、
前記光ビームを投影するための投影レンズと、
前記投影レンズを通過した後または通過する前の前記デジタルミラー装置によって前記画像情報を与えられた前記光ビームを前記ビームが前記スクリーンに到達する前に定められた方向に偏光するための第２偏光子と、
前記第２偏光子の上流側において、前記第１偏光子によって偏光された光ビームの散乱光を偏光解消し、または前記散乱光を前記定められた方向に対して直交する方向に偏光するのに適した、前記プロジェクタ内の面とを含むプロジェクタ。
【請求項１０】
さらに、前記光ビームを、赤、緑および青の成分に分離し、これらの成分を個々の前記デジタルミラー装置に伝達し、次いでこれらの成分を単一の光ビームに再結束して投影レンズを通過させるためのビームスピリッタを含む請求項９に記載のプロジェクタ。
【請求項１１】
前記面が四分の一波長板として機能する材料である四分の一波長偏光材料によりコーティングされた請求項９に記載のプロジェクタ。
【請求項１２】
前記プロジェクタは、前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間に光学素子を更に有し、
前記光ビームにより前記光学素子にかかる熱負荷が、前記光ビームを偏光する前記第１偏光子によって、前記第１偏光子を設けない場合と比較して低減される請求項９に記載のプロジェクタ。
【請求項１３】
前記第２偏光子が、前記光ビームが前記投影レンズにより投影された後に前記光ビームを偏光する請求項９に記載のプロジェクタ。
【請求項１４】
前記第２偏光子が、前記光ビームが前記投影レンズにより投影される前に前記光ビームを偏光する請求項９に記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
本発明は、概して画像投影システムに関し、さらに詳細には、投影された光ビームに画像情報を与えるための空間光変調器（ＳＬＭ）に関する。このタイプのシステムは、典型的には、「電子プロジェクタ」としばしば称される大きなスクリーンテレビのために用いられる。
【発明の背景】
典型的な電子プロジェクタにおいて、ＳＬＭは、個々にアドレス指定可能な液晶ピクセルのマトリクスを含む液晶装置（ＬＣＤ）であり得る。各ピクセルは、光源からの入射光がピクセルを通過しかつ投影される透過モードと非透過モードとに切り換えることができる。非透過モードにおいて、光は投影レンズから離れる方向に反射され得る。いずれの場合にも、各ピクセルは「オン」状態と「オフ」状態を有する。蓄積データにしたがってピクセルを適切に制御することにより、画像情報が投影光ビームに与えられる。
米国特許第５，５８４，９９１号（レビスら）がＬＣＤ投影システムの例を開示している。
ピクセルのアクティブマトリクスを含むＳＬＭの別の例が、変形可能なミラー装置（ＤＭＤ）として知られている。この場合、マトリクスは傾斜可能なミラーの列を含み、ミラーの各々が、電極を有するカンチレバー型ビーム素子である。電極は、ビーム素子を２つの位置の間で静電的に偏向させる。偏向の範囲は、加えられる静電位によりコントロールでき、それにより偏向の程度が可変となる。または、装置は、各ミラーが「オン」状態と「オフ」状態との間で切り換わるように二値的に動作させることができる。ミラーは、入射光ビームの角度を、ビームがプロジェクタの光学素子を通して反射されるかあるいは反射されないように偏向させる。
ＤＭＤは、「ＤＭＤに基づく投影ディスプレイに関する現在の状況および将来的用途」と題されたラリー・Ｊ・ホーンベックによる論文に幾分詳細に記載されている。この論文は、テキサス・インスツルメンツ(Texas Instruments)のインターネットウェブサイトで見ることができる。
光源からの光がＳＬＭによって変調される既知の投影システムは、ＳＬＭに向けて入射されることができる光束の量にしばしば限界があるという不利点を有する。この限界は、例えば、放射線束の加熱作用に関連する限界、または高度の照明光束による飽和により生じる。
ＳＬＭが有する別の問題は、入射光の幾らかが散乱または反射する傾向があり、それが、スクリーンに投影される画像の全体的なコントラストを低下させることである。
本発明の目的は、投影画像のコントラストを改善するためにこれらの不利点に対処することにある。
【発明の概要】
本発明は、光ビームを投影するための光源と、スクリーンと、光ビームをスクリーン上に投影するための投影レンズと、画像情報を投影レンズの上流で光ビームに与えるための空間光変調器（ＳＬＭ）とを含む投影システムを提供する。ＳＬＭを離れる光は、第１偏光手段により定められた偏光方向に偏光され、前記投影レンズを通過した光は第２偏光手段により、前記定められた偏光方向と同一の偏光方向に偏光される。
概して、第１偏光手段は光を予備偏光または「特性化」する。次いでプロジェクタ内で散乱および偏光解消される光が、第２偏光手段により部分的に（最大５０％まで）遮断されることになる。したがって、投影された画像のコントラスト比が２倍のファクタで増大することになる。
本発明の利点は、望まない「ノイズ」（散乱光）を偏光により特性化することが、信号を他の何らかの方法で特性化しようとするよりも幾分容易であることにある。ノイズの量は信号と比べて小さいため、偏光材料の非効率は重要でない。非効率、例えば、波長または入射角によって性能が不均一となることは、信号全体のノイズ成分と比較すればかなり容易に許容し得る。
投影画像コントラスト比のさらなる重要な改善は、光が散乱しやすいプロジェクタ内の表面を、ＳＬＭに入射する光の偏光方向と直交する方向に光を偏光する材料でコーティングまたはカバーすることにより行うことができる。
本発明がより明確に理解されるように、ここで、本発明の好ましい具体例を一例として例示する添付図面を参照する。
【好ましい具体例の説明】
図１は、本発明に従う投影システムの主要部品を概略的に示す。符号２０は、光のビーム２２を投影スクリーン２４上に投影レンズ２６を介して投影する光源を示す。光源２０、投影レンズ２６および投影スクリーン２４は、本質的に慣用のものである。光ビーム２２を赤、緑および青（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の成分に光学的に分割するプリズム３０の組立体を含むビームスピリッタ装置もまた慣用のものである。それぞれの成分はビームスピリッタにより、対応する３つのＤＭＤ３２に向けられる。
これらのＤＭＤは本質的に同一であるが、それぞれがスペクトルの異なる部分を処理する。すなわち、ビームスピリッタに入った光は赤、緑および青の成分に分離され、それぞれ、ＤＭＤ（Ｒ）、ＤＭＤ（Ｇ）およびＤＭＤ（Ｂ）に送光される。次いで、ビームスピリッタは、光ビームの赤、緑および青の成分を実質的に「再結束」し、結束した成分を共に投影レンズ２６に送り、スクリーン２４上に投影する。
ＤＭＤ３２の各々は、シリコンチップ上に集積された反射デジタル光スイッチ（ミラー）のアレイを含み、チップはスイッチを個々にアドレス指定することができる。各スイッチは、アレイ中の１つのピクセルを表示させ、適切なハードウェアおよびソフトウェアコントローラによりチップに送られたデジタル情報に従って個々にオンオフに切り換えられることができる。各ＤＭＤにおける個々のピクセルが、スクリーン２４上に投影される光ビームに適切な画像情報を与えるように制御される。
図２は、ＤＭＤのミラーの１つ、および、ミラーを制御するために用いるシリコンチップの一部を示す。ＤＭＤは知られているため、ＤＭＤの構造および動作に関する詳細な情報は本文中に記載しない。さらなる情報を得るには、先に述べたホーンベックの記事を参照するとよいであろう。本発明に関しては、図２が符号３４にてミラーを示し、ミラーが、電極（図示せず）を有するカンチレバー型ビーム素子３６の外端に取り付けられており、これらの電極が素子３６を、ミラーが光を投影レンズ２６に向けて反射させる（図１）位置と、ミラーが光を投影レンズから離れる方向に反射させる位置との２つの傾斜位置の間で静電的に偏向させることが理解されれば十分である。図２において、ミラーは、傾斜位置の一方においては実線で示されており、他方の傾斜位置に関しては点線で示されている。
ミラーがその上に取り付られるシリコンチップの一部が符号３８により示されている。チップは個々のメモリセルを含み、各セルが各ミラーを制御する。ＤＭＤの構造により、各ミラーの下に配置されたチップ３８の上面（概して３８ａで示す）が、図２に概して符号４０で示されているような、それぞれ異なる高さにありかつ種々の異なる不定形の形状を有する面の部分を有する。後に説明する本発明の一態様に従えば、チップの上面は、符号４２で示されるシートにより覆われまたは遮られる。
本発明の主な態様に従えば、投影システムは、各ＤＭＤを離れる光を決められた方向に偏光するための第１の偏光手段（ポラライザ）と、投影レンズを通過した光を同一の決められた方向に偏光する第２の偏光手段を含む。第１の偏光手段は、決められた方向に光を予備偏光または「特性化」する。次いで、後にプロジェクタ内で散乱されそして偏光解消される光は、第２偏光手段により遮断され、スクリーン上に投影される画像のコントラストを損なわない。
図１に示した具体例において、第１偏光手段は、光源２０からビームスピリッタに入る光のビーム内に配置された偏光フィルタＰ１により示されている。例えば、ポラライザは、光がビームスピリッタに入る前に光ビームを適切に形成する２つのレンズ素子４４の間に配置され得る。このようにして、光はポラライザＰ１により予備偏光または「特性化」される。
ポラライザＰ２もまた、偏光フィルタであり、この具体例においては、投影レンズ２６の外端に配置されている。ポラライザＰ２は、ポラライザＰ１による決められた方向と同一の定められた偏光方向を有する。したがって、ポラライザＰ２は、光ビームがプロジェクタの光学システムを通過したときに偏光が解消されたいかなる光もスクリーン上に投影されるのを遮断および防止することになる。もちろん、ポラライザＰ２が、例えば投影レンズ２６内（例えば、投影レンズのレンズ素子の間）に、またはＰ２’に点線で示したように投影レンズより上流に配置され得ることが理解されるであろう。
同様に、ポラライザＰ１の位置も変えることができる。光は、投影システムのＳＬＭに到達する前に予備偏光されることが好ましい。しかし、ただ一つ重要なことは、光がＳＬＭを出てゆく際に偏光されていることである。例えば、本発明が、液晶装置（ＬＣＤ）の形態のＳＬＭを用いる投影システムに適用され得ることが理解されるべきである。ＬＣＤは、典型的には、前ポラライザおよび後ポラライザ、ならびに、それらのポラライザ間の液体を含み、その液体は、第１ポラライザに入射する光を、ＬＣＤが「オン」のときにこの光が第２ポラライザを通って出ることができるように「ねじる(twist)」。したがって、光はＬＣＤを離れるときに本質的に偏光される。したがって、このような具体例において上流側のポラライザＰ１を用いることの利点はあるにしても、それは本質的でなく、偏光はＬＣＤ自体の偏光作用に依存していることが理解されるべきである。
要約すると、本発明により備えられる第１ポラライザおよび第２ポラライザの配置が、スクリーン上に投影される画像のコントラスト比をかなり改善することが分かった。また、光が散乱しやすいプロジェクタ内の表面を、ＳＬＭを離れていく光の偏光方向と直交する方向に光を偏光する材料で覆うことにより、コントラスト比のさらなるかなりの改良を達成できることもわかった。例えば、四分の一波長偏光材料または他の適切なコーティング材料のシートを用いることができる。図１に符号４６で示された波線が、このようなコーティングを施し得る典型的な領域を示す。１つの重要な領域は、各ＤＭＤのメモリチップ３８の上面である。図２を再び参照すると、符号４２で示されたシートがこのような材料を含み得る。シート４２は、ミラー３４から「外れる」または部分的に外れることのある、面４０による反射を効果的に遮る。そうしなければ、面４０による反射は、プロジェクタ内で大きな光学ノイズを生じるであろう。
本発明のさらなる利点は、プロジェクタにより発光された光が特定の方向に偏光されることを必要とされる状況において、ＳＬＭにかかる熱負荷を低減することである。これは、例えば３Ｄ投影システムの場合に考えられる。３Ｄ投影システムにおいては２組の画像が生成され、その一方が左右の目のいずれかのために提供され、２つの画像は、直交するように偏光された光により特性化またはコード化される。従来のシステムにおいて、光は、通常、プロジェクタレンズを通過した後に偏光され、その結果、ほぼ５０％の効率損失を生じる。この効率損失は、高光入力レベルを用いることを要求し、これはＳＬＭを過度に加熱させることになる。本発明は、この過度の加熱を、光がプロジェクタの光学素子を通過する前に偏光させて、放射線束、およびそれに関連するＳＬＭへの加熱を低減することにより回避する。
最後に、以上の記載は本発明の特定の好ましい具体例に関するものであるが、本発明がこの具体例に限定されないことが理解されるべきである。多くの変更を詳細に示してきたが、その他の修正があることも当業者には明らかであろう。さらに、以上に記載された具体例は３つのＤＭＤを含む投影システムに関するが、投影システムは、３個以外の個数、例えば１つまたは２つのＤＭＤを用いて構成することもできることに留意すべきである。投影システムの用途、およびシステムに要求される特性に応じて、システムの異なる構造が考えられる。概して、１つまたは２つのＤＭＤシステムは、色のタイムマルチプレクシング（時間多重送信）を必要とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の好ましい具体例に従う電子プロジェクタの概略図である。
【図２】  図２は、図１のプロジェクタにおいて用いられ得るＤＭＤのピクセルの概略斜視図である。
【図１】
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【図２】
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