(57)【要約】  【課題】より小さく、かつさほど高価でない光学構成要素、より簡単な光学-機械的パッケージ、およびさほど困難でない光学設計を提供する。  【解決手段】  ディスプレイ装置10は、光線を形成する光源20を含んでいる。イルミネーション光学装置は、光線を形作り、さらに方向付ける。光線を、少なくとも3つの色光線に分離する分離装置。3つの色光線の各々のための変調光学システム120は、プレ偏光子160、ワイヤグリッドビームスプリッタ170、反射空間光変調器30、および偏光分析器165を含んでいる。各色における画像化リレーレンズ130は、その色のための変調光から、反射空間光変調器の中間画像を提供する。二色結合装置26は、結合された中間画像を形成するために、複数の色光線が、共通の光軸に沿いそれぞれの中間画像を形成するような形で、所与の各色に対する変調光を再結合する。【選択図】図２
2005018071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含むディスプレイ装置：
(a) 光線を形成する光源；
(b) 前記光線を形作り、さらに方向付けるイルミネーション光学装置；
(c) 前記光線を少なくとも3つの色光線に分離する分離装置；
(d) 以下を含む、前記3つの色光線の各々のための変調光学システム：
(1) 所与の色の偏光光線を提供する、前記光線を偏光させるためのプレ偏光子；
(2) 第1の偏光を有する前記偏光光線を透過し、さらに、第1の偏光と直交する第2の偏光を有する前記偏光光線を反射する、前記偏光光線を受けるワイヤグリッド偏光ビームスプリッタであって、前記ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ上のサブ波長ワイヤが反射空間光変調器に面しているもの；
(3) 名目上のテレセントリック光を、前記反射空間光変調器に供給する撮像視野レンズ；
(4) 第1の偏光または第2の偏光のいずれかを有する前記偏光光線を受け取り、そして、その上にデータをコード化するよう前記偏光光線を選択的に変調し、偏光状態が異なる変調光および非変調光の双方を供給する反射空間光変調器； 
(5) 前記反射空間光変調器は、前記変調光および前記非変調光の双方を、前記ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタへ反射して戻す；
(6) 前記ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタは、前記変調光を前記非変調光から分離する；
(7) 前記変調光を受け、前記変調光からいかなる残存非変調光もさらに取り除く、偏光分析器；および
(8) その色のための変調光から、反射空間光変調器の中間画像を供給する、各色における画像化リレーレンズ；
(e) 結合された中間画像を形成するために、複数の色光線が、共通の光軸に沿いそれぞれの中間画像を形成するような形で、所与の各色のための変調光を再結合する二色結合装置；および、
(f) 前記結合された中間画像をディスプレイスクリーンへ画像化する投影レンズ。
【請求項２】
前記撮像視野レンズが、低応力、または低吸収光学ガラスである、請求項1に記載のディスプレイ装置。
【請求項３】
前記撮像視野レンズが、アモルファス石英ガラスから製造されている、請求項1に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、空間光変調器を用いて、ディジタルデータからカラー画像を形成する投影装置に関する。特に、本発明は、投影レンズに空間光変調器の画像をリレーする、中間画像化光学装置を提供する投影装置に関し、この中間画像化リレー光学装置は、空間光変調器の近傍に位置する、1つ以上の視野レンズを含んでいる。
【背景技術】
【０００２】
従来のプロジェクタに対する適切な代替品と考えられるには、ディジタル投影システムが、画質に対する過酷な必要条件を満たさなければならない。特に、従来の映画レベルの品質のプロジェクタに対して、競争力を有した代替手段を提供しようとするならば、電子またはディジタル投影装置は、高解像度、および広色域、および高輝度、および1,000：1を超えるフレーム連続コントラスト比を提供する、高性能規格を満たさなければならない。
【０００３】
マルチカラーディジタルシネマ投影に対する最も有望な解決策は、画像形成装置として、2つの基本的タイプの空間光変調器のうちの1つを用いることである。第1のタイプの空間光変調器は、テキサス州ダラスのテキサスインスツルメンツ（Texas Instruments）社により開発されたディジタルマイクロミラー装置(DMD)である。DMD装置は、例えば、特許文献１；特許文献２；特許文献３(すべてホーンベック（Hornbeck）に対して)；および、特許文献４(ハイムブチ(Heimbuch))など、多くの特許で説明されている。DMDを用いる投影装置の光学設計は、特許文献５(テジャダ(Tejada)他)；特許文献６(デワルド(Dewald))；特許文献７(アンダーソン(Anderson))；および特許文献８(イワイ(Iwai))において開示されている。DMDは、ディジタル投影システムにおいて用いられてきた。しかしながら、DMDベースのプロジェクタは、必要な光処理量、コントラスト比、および色域の提供にかなりの能力を示しながらも、固有の解像度制限(現行の装置では1024×768画素のみが提供される)、構成要素およびシステムの高いコストにより、高品質なディジタルシネマ投影に対するDMDの受容性は制限されている。
【０００４】
ディジタル投影に使用される第2のタイプの空間光変調器は、液晶装置(LCD)である。LCDは、対応する画素の各々に対して、入射光線の偏光状態を選択的に変調することにより、画像を画素のアレイとして形成する。LCDは、高品質なディジタルシネマ投影システムに対する空間光変調器としての利点を有しているように思われる。これらの利点には、比較的大きな装置サイズ、および好ましい装置歩留まりが含まれている。LCD空間光変調器を用いた電子投影装置の例は、特許文献９(シモムラ(Shimomura)他)；特許文献１０(ハットリ（Hattori）他)；特許文献１１(ウエダ（Ueda)）；特許文献１２(マキ（Maki）他)；および特許文献１３（オイカワ(Oikawa)他)で開示されている。
【０００５】
空間光変調器を用いた電子投影装置では、個々の色、慣習上赤色、緑色、および青色(RGB)は、光路の対応する赤色、緑色、または青色の部分内で、別々に変調される。その後、各色の変調光は、複合マルチカラーRGB画像を形成するために合成される。変調色光を合成する投影光学装置に対する、2つの基本的なアプローチがある。集中アプローチとして特徴付けられる第1のアプローチは、初期の従来の投影システムから適合されている。集中アプローチを用いて、構成成分の赤色、および緑色、および青色光は、合成マルチカラーカラー画像を形成するために、必要に応じて、効果的に各光路を方向付け、なんらかの焦点面に焦点を合わせる、別々の投影光学装置により集中される、別々の軸を有している。説明の例として、特許文献１４(イー(Yee)他)は、集中ビデオ投影システムを開示している。特許文献１４の開示は、集中投影アプローチの重大な問題の1つを明白に示している：すなわち、この別々のカラー画像は、投影面上に適切に登録されなければならないということである。色光投影経路の任意の1つに沿って、位置ずれまたは不十分なピントがあると、それにより、容易に不十分な画像がもたらされることになる。このアプローチを用いる場合、画像経路が集中されるのは、焦点面(スクリーン)においてのみであることを観測するのは教示的である。
【０００６】
特許文献１５（スプロットベリー(Sprotbery)他)は、設計の複雑さを簡素化し、上で説明された集中アプローチを用いるマルチカラー投影システムに固有の光路整列および登録問題のいくつかを軽減する試みを開示している。特許文献１５の開示では、光バルグ投影システムは、集中光学システムが内部集中画像を形成するために、赤色、および緑色、および青色変調光路を集中させ、その後、投影レンズにより内部集中画像をスクリーンに再画像化すると説明している。従って、特許文献１５で概説された設計ストラテジーは、集中アプローチを用いて、システムのための投影レンズ設計タスクを簡素化する。しかしながら、集中アプローチに固有の他の問題が残っている。
【０００７】
特許文献１５で開示されたものと同様のアプローチでの１つの、留意すべき問題は、比較的高いエタンデュ（etendue）である。周知のように、光学技術において、エタンデュは、光学システムによって取り扱い得る光量に関連している。エタンデュが大きければ大きなほど、潜在的に画像はより明るくなる。数値上は、エタンデュは2つのファクター、すなわち、画像面積および開口数の二乗の積に比例する。例えば、開口数を増加させるとエタンデュが増加するので、光学システムは、より多くの光を捕らえることになる。同様に、より広い領域から光が来るようソース画像サイズを増加させると、エタンデュが増加して、その結果輝度は増加する。一般ルールとして、増加したエタンデュにより、光学設計はより複雑で高価になる。例えば、特許文献１５に概説されているようなアプローチを用いると、光学システムのレンズ要素は、大きなエタンデュ用に設計されなければならない。システム光学を通して集中しなければならない光のためのソース画像面積は、赤色、および緑色、および青色光路内の空間光変調器の結合面積の合計である；これは、形成された最終マルチカラー画像の面積の明らかに三倍である。すなわち、特許文献１５で開示される構成では、赤色、および緑色、および青色の色経路が別々で、光学的に集中しなければならないので、光学部品は、かなりの画像領域を取り扱い、結果的に、高いエタンデュを取り扱うことになる。さらに、特許文献１５で開示された構成は、形成された最終マルチカラー画像の三倍の面積からの光を取り扱うのであるが、各色経路が総光レベルの1/3を含むのみであるため、この構成は、輝度の増加の利益をなんら受けることはない。特に、特許文献１５で開示されたような、集中光学システムの第2のリレーレンズおよび投影レンズは、本質的に、大きなエタンデュによって抑制され、こうした解決策でのコストおよび複雑さを増すことになる。そのうえ、第2のリレーレンズは、完全な可視スペクトル上で色修正されなければならない。同時に、リレーレンズおよび投影レンズの異なるセグメントが、異なる波長を取り扱うので、局所にあるレンズの不完全部分、ほこり、または汚れは、単に投影画像に影響するだけでなく、色品質にも影響を与える場合がある。色修正の必要性、ほこり並びに汚れに対する感度、およびディジタルプロジェクションの輝度レベルの最大化の必要性によるエタンデュ規制に鑑みて、特許文献１５で例示された集中アプローチを妨げる重大な固有の限界が存在している。
【０００８】
投影光学装置に対する代替的アプローチは、同軸アプローチとして特徴付けられる。赤色、緑色、および青色光線の構成成分が、焦点面で集中するよう曲げられる集中アプローチとは対照的に、同軸アプローチでは、赤色、緑色、および青色変調光線の構成分は、共通の軸に沿って結合される。これを実現するために、同軸アプローチでは、Xキューブまたはフィリップスプリズムなどの二色結合要素を使用している。特許文献１６(ソネハラ(Sonehara))、および特許文献１７(ドアニー(Doany他)で開示されているような、XキューブまたはXプリズム、および関連する二色光学構成要素は、光学画像化技術ではよく知られている。二色結合構成要素は、結合色画像を投影レンズへ提供するよう、各色経路からの変調光を結合し、共通の軸に沿って各色経路を一緒に折り重ねる。図1を参照すると、ここでは、同軸アプローチを用いた、従来のディジタル投影装置10の簡素化されたブロック図が示されている。各色経路(r＝赤色、g＝緑色、b＝青色)は、変調光線を形成するための、同様の構成要素を用いている。各経路の個々の構成要素には、適宜添え字r、g、bが付されている。しかしながら、以下の説明のために、色経路間の区別は必要な場合は明記されている。光源20は、3つの色経路のいずれに従っても均一なイルミネーションを提供するよう、均一化光学装置22により調節された非変調光を提供する。偏光ビームスプリッタ24は、適切な偏光状態にある光を、画素サイトのアレイにわたる入射光線の偏光状態を選択的に変調する空間光変調器30へ方向付ける。空間光変調器30の動作により、画像が形成される。偏光ビームスプリッタ24を通過して、光軸Or、Og、Obに沿って伝達された、この画像からの変調光は、概してXキューブ、フィリップスプリズム、または従来システムの二色表面の組み合わせである、二色結合装置26へ方向付けられる。二色結合装置26は、投影スクリーンなどの表示面40への投影のために、共通の光軸Oに沿って、投影レンズ32のための結合されたマルチカラー画像を形成するよう、別々の光軸Or、Og、Obからの、赤色、緑色、および青色の変調画像を結合する。
【０００９】
特許文献１５で概説された集中アプローチと比べ、同軸アプローチは、図1のブロック図で示されるように、また、特許文献９で例示されるように、多くの利点を有している。光スループットに関しては、同軸アプローチは、光路を共通の軸に沿って結合するので、光学システムのエタンデュを増加させることはない。代わりに、投影レンズ32に関して、二色結合装置26は、光軸Ogと一緒になり、さらに共通の光軸Oを形成するために、適切な光学軸OrObを折り重ねることにより、空間光変調器3０r、3０g、3０bの領域を光学的に重ね合わせる。従って、このようにして1つ、2つ、3つ、またはそれ以上の空間光変調器が結合されても、エタンデュが増加することは全くない。各光色が別々に変調され、その後結合されて、共通の光軸Oに沿い投影レンズ32に提供されるので、二色結合装置26と投影レンズ32の間には、いかなる光学システムも必要としない。
【００１０】
特許文献１８(デラング（DeLang）他)で開示されているように、フィリップスプリズムは、二色結合装置26として代替的に用いることが可能である。ディジタル画像投影技術の当業者であれば周知のことであるが、フィリップスプリズムは、例えば、特許文献１９および特許文献２０(共にタディックガレブ(Tadic‐Galeb)他)；および特許文献２１(マーシャル（Marshall）)；および特許文献２２(ドアニー(Doany)他)で開示されているもののようなプロジェクタ設計において、色分離装置または結合装置構成要素として用いられてきた。
【００１１】
図1の基本モデルを用いるよう設計されたディジタル投影装置10は、良好なレベルの画質を提供可能ではあるが、改善の余地がある。その主なものとして、二色コーティングにより課される規制がある。二色結合装置26内で用いられる二色コーティングは高価であり、かつ、特に高輝度レベルおよび広い色域が要求される投影アプリケーションにおける、広範囲な角度にわたる入射光線に適当な性能となるよう、設計し、製造することが難しい場合がある。二色コーティングは、入射角および波長の関数として、光を反射し、および伝達する。また、入射角が変化すると、伝達され、または反射される光の波長も変化する。二色コーティングが低F#および広いスペクトルを有する光学システムと共に使用される場合の一般的な結果は、伝達および反射光の双方の角度および波長の両方に対する可変効率である。また、Xプリズムタイプの二色結合装置の内部表面の整列不良またはウェッジは、画像分離、画像ぼけ、および色シェーディングを引き起こす場合がある。二色表面が結合されている「継ぎ目」は、ディスプレイ画像内に1つ以上の直線状の影人為構造として現れる傾向がある。高品質Xキューブの製造は、個々の構成要素プリズムが同一屈折率を有しているという要件によりさらに複雑となる；実際には、これは、すべてのプリズム構成要素に同一ガラス溶融物が用いられるなら、最も良好に達成される。
【００１２】
概して、Xプリズムに作用する、これらの、および他の様々な問題は克服可能であり、Xプリズムは投影システムで広く用いられている。しかしながら、高品質の注文設計されたXプリズムの入手は、プロトタイプまたは低生産量のアプリケーションのゆえに問題となる場合がある。さらに、ディジタルシネマシステムで生じるような高輝度アプリケーションは、Xプリズムの接着剤およびコーティング表面を損傷し得る高熱レベルを課す場合がある。明白に、二色分離装置(強い光荷重を見る)、および二色結合装置(低光荷重を見るが、これを通して最終画像が形成される)での問題は、同一感度を持っていないが、双方に必要とされるのは、同様の解決策となり得る。F#が増加可能であるなら、二色分離装置および結合装置の双方の設計および製造に役立つものとなる。特に、より大きなF#光円錐を用いることが出来る場合、二色結合装置の表面許容度の要求が緩和可能となり、その結果、コストおよび整列の複雑さが軽減される。しかしながら、慣習上、投影システムでは、システム設計が明度を最大にするのに向けられるので、より小さなF#を有する光円錐が使用される。
【００１３】
投影装置の設計に適用される、他のよく知られている原則として、投影レンズ32のリトロフォーカス距離（retrofocus distance）を最小にすることは有益であり、その結果、投影レンズ32の作動距離要件およびコストは最小となる。例えば、特許文献７（アンダーソン（Anderson））に開示された解決策などのように、その有効焦点距離に対して、長い後側焦点距離を有する投影レンズのコストおよび複雑さの要件を回避することが好ましいだろう。
【００１４】
特許文献２３（ムラカミ(Murakami)他)は、Xキューブ二色性装置の代替として、プラスチックプリズム内に二色表面を含んだVプリズム光学ブロックを開示している。この解決策は、プラスチックの屈折率が空気の屈折率を超えるので、後側作業距離要件へ何らかの寄与を提供する。後側作業距離を最小にするために、伝達性空間光変調器が採用され、結合光学ブロックに対する可能な限り近傍に画像形成可能としている。しかしながら、この構成は、後側作業距離要件が未だ過大であるので、反射空間光変調器を用いるプロジェクタ装置には、十分適合するとは言えないだろう。後側作業距離の点から言えば、特許文献２３の解決策は、従来のXキューブ設計に対して有利ではない。
【００１５】
フルスケールのシネマ投影では、かなり大きな投影レンズが必要となろう。さらに、特許文献２３で開示される解決策は、上で説明された二色表面の固有の角度制限については記述していない。従って、明度レベルは、このタイプの設計解決策で抑制される。
【００１６】
特許文献２４（（ドアニー(Doany)他)は、 ディジタルプロジェクタでの使用のために、固有の許容量問題、および投影レンズ作業要件に関連する、上述の難点のうちのいくつかを軽減する、光学リレーレンズシステムを開示している。特許文献２４は、結合画像を個々のRGB色経路から、マックネイル(MacNeille)偏光ビームスプリッタ(PBS)、偏光ビームスプリッタとも呼ばれる、へリレーする、単一の1Ｘ、ダブルテレセントリックリレーレンズの使用を開示している。特許文献２４では、空間光変調器は、二色結合装置Xキューブの非常に近傍に配置されており、それにより、外部表面平坦度における不完全性の潜在的悪影響、および内部表面製造の許容エラーの一部を最小にする。特許文献２４で開示されているシステムは、投影レンズの設計が、同様の設計と比べて簡素化されているという点で有益である。投影レンズの作動距離要件は、特許文献２４の設計アプローチを使用して、かなり軽減される。単一の1Ｘダブルテレセントリックリレーは、画像経路内の中間内部結合画像の前にマックネイル(MacNeille) PBSの挿入を可能にするよう、必要な作動距離を提供する。従って、投影レンズは、PBSおよび/またはXプリズムなどの二色カラー結合装置を用いる場合に必要な長い作業距離もなく、この内部画像をスクリーンへ再画像化することが可能となる。
【００１７】
しかしながら、特許文献２４で提示される解決策は、画像の明度および色域の双方を維持可能となる、Xキューブコーティングと表面との固有の問題を補正するのに要するものを遥かに下回っている。例えば、特許文献２４で留意される設計は、二色コーティング応答における固有の角度依存性には言及せず、画像の明度を維持しながら、同時に大きな色域をサポートすることの困難さは残ったままである。さらには、投影レンズはまた、この設計では高い開口数を用いなければならず、設計上も、低開口数ではコストがさらにかかることを暗示している。空間光変調器構成要素のスケールに起因して、特許文献２４の設計は、やはり高品質なXキューブ設計に著しく依存している。さらに、特許文献２４で開示される構成は、偏光ビームスプリッタとその変調LCDとの間に比較的多数の光学構成要素を採用する。偏光イルミネーション源の経路内に多数の光学部品を配すると、何らかの不可避の応力複屈折により、両方向に進む変調非変調の双方の光の偏光状態を必然的に変えてしまい、画像コントラストの損失をもたらすことになる。
【００１８】
特許文献２５(コンノ(Konno)他)は、特許文献２４に開示されたものと同様に、単一の1Ｘリレーレンズを用いて内部中間画像を投影レンズへ提示し、その結果、投影レンズ設計に課される作動距離要件をかなり軽減するシステムを開示している。特許文献２５は、偏光および色結合プリズムを用いる特許文献２４で示された構成に対する、代替的な構成を提供している。特許文献２５の装置では、偏光および色結合プリズムの双方は、特許文献２４の装置のような、十分距離を置いて離れているより、むしろ、空間光変調器の近傍に存在する。特許文献２５の装置は、従来のXプリズムの代わりに、色結合装置としてVプリズムを使用しており、このVプリズムは、特許文献２３で開示されたものと同様である。Vプリズムアプローチは、Xキューブの製造および使用における固有の問題のうち、いくつかを回避する。特許文献２５で開示されているアプローチは、投影レンズ設計に対する要求を緩和する反面、画像化リレー(第1のレンズグループ)は、空間光変調器、および関連PBS、および色結合Vプリズムに対して長い作動距離を提供しなければならないので、困難な問題を提示する。特許文献２４で留意したアプローチのように、特許文献２５に示されるアプローチは、3つの色(RGB) 全てに、名目上1Ｘ倍率で作動する、単一の画像化リレーレンズを使用する。特許文献２４で見られたように、特許文献２５のアプローチは、特にひずみおよびデフォーカスに関して、三次収差での最小の色収差または色差を有する白色光画像を形成するために、可視スペクトルの広い部分にわたり、完全に色修正された複雑な画像化リレーレンズを必要としている。
【００１９】
特許文献２６(シポラ(Cipolla)他)は、中間画像を、色経路1つのみの内の二色結合装置に向かってリレーする、1Ｘリレーレンズの使用を開示している。特許文献２６での解決策は、構成要素のパッケージングの問題に対処しているが、二色結合装置応答により課される角度規制はなんら軽減していない。また、特許文献２６での解決策は、投影レンズの後側作業距離要件に関しても、なんらの軽減も提供していない。
【００２０】
特許文献２７米国特許第4,836,649号（レデブール(Ledebuhr)他)は、イルミネーションおよび画像化経路の双方における内部画像化に使われるプロジェクタシステムを開示している。システムは、名目上、光バルブに接続するために使われるリレーの一部がイルミネーションおよび画像化の経路の双方に共通な、1X画像化リレーを利用している。引用された、このアーキテクチャーの利点は、偏光構成要素のサイズを最小にし、投影レンズの後側作業距離規制の軽減を補助することである。この構成がいくつかの利点を提供する一方で、色結合二色表面は、やはり低F#値で光を取り扱わなければならないので、色域の減少をもたらしてしまう。同様に、画像化リレーが直接内部白色光画像を提供するので、画像化リレーレンズは、可視スペクトル全体にわたって色修正されなければならない。最終的に、この解決策を用いる場合、投影レンズはまた、低F#で作動しなければならない。
【００２１】
従って、二色コーティングの固有の角度限界を軽減する一方で、最大の明度および色域を提供し、さらに投影光学装置の作動距離要件を最小にし、さらに投影光学装置に対する高F#を可能にする、ディジタル投影光学設計での改良の必要があることを理解することが出来る。
【００２２】
係属中の日本特許出願特願第2003‐7527号で説明される光学システムは、すでに説明された問題の多くを軽減する光学構成を提供している。このシステムは、3つの光学システムによりリレーされ、色結合プリズムにより結合された、3色(RGB)中間画像を結合することにより、内部白色光画像を作成する投影システムを提供する。このシステムは、作動距離の利点を提供するのみならず、プリズムの製造性を改良する色結合プリズムでの減少した開口数を提供する。このシステムは様々な構成要素で構成可能であるが、色結合プリズムがVプリズム(特許文献２５で説明されたVプリズムと同様)であり、偏光ビームスプリッタがワイヤグリッド偏光子(特許文献２８(ハンセン（Hansen）他)参照)である場合、優れた性能を提供する。
【特許文献１】米国特許第4,441,791号明細書
【特許文献２】米国特許第5,535,047号明細書
【特許文献３】米国特許第5,600,383号明細書
【特許文献４】米国特許第5,719,695号明細書
【特許文献５】米国特許第5,914,818号明細書
【特許文献６】米国特許第5,930,050号明細書
【特許文献７】米国特許第6,008,951号明細書
【特許文献８】米国特許第6,089,717号明細書
【特許文献９】米国特許第5,808,795号明細書
【特許文献１０】米国特許第5,798,819号明細書
【特許文献１１】米国特許第5,918,961号明細書
【特許文献１２】米国特許第6,010,221号明細書
【特許文献１３】米国特許第6,062,694号明細書
【特許文献１４】米国特許第5,345,262号明細書
【特許文献１５】米国特許第5,907,437号明細書
【特許文献１６】米国特許第5,098,183号明細書
【特許文献１７】米国特許第6,019,474号明細書
【特許文献１８】米国特許第3,202,039号明細書
【特許文献１９】米国特許第6,280,035号明細書
【特許文献２０】米国特許第6,172,813号明細書
【特許文献２１】米国特許第6,262,851号明細書
【特許文献２２】米国特許第5,621,486号明細書
【特許文献２３】米国特許第5,944,401号明細書
【特許文献２４】米国特許第5,597,222号明細書
【特許文献２５】米国特許第5,357,289号明細書
【特許文献２６】米国特許第6,247,816号明細書
【特許文献２７】米国特許第4,836,649号明細書
【特許文献２８】米国特許第6,243,199号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
このシステムは、ディジタルシネマなどの高輝度投影アプリケーションを含み、著しく良好に動作するが、改良および拡張の機会が存在する。特に、本発明のシステムは、より小さく、かつさほど高価ではない光学構成要素、およびより簡単な光学‐機械的パッケージ、およびさほど困難ではない光学設計を有する機会を提供する。他の利点は、本発明のシステムの議論から明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
簡潔に述べると、本発明の1つの態様では、表示装置は、光線を形成する光源を含んでいる。イルミネーション光学装置は、光線を形成して方向付け、さらに分離手段は、光線を少なくとも3つの色光線に分ける。3つの色光線の各々に対する変調光学システムは、プレ偏光子、ワイヤグリッドビームスプリッタ、反射空間光変調器、および偏光分析器を含んでいる。各色の画像化リレーレンズは、その色に対する変調光から、反射空間光変調器の中間画像を提供する。二色結合装置は、複数の色光線が、結合中間画像を形成するために、それぞれの中間画像を共通の光軸に沿って形成するような形で、所与の色の各々に対する変調光を再結合する。投影レンズは、結合中間画像を表示スクリーンへ画像化する。電子投影は、名目上のテレセントリック光を空間光変調器へ供給するよう、空間光変調器の各々の前に、さらに撮像視野レンズを含んでいる。
【００２５】
本発明、およびその目的、および利点は、以下に提示された好ましい実施例の詳細な説明において、より明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本明細書は、本発明の対象を特に指摘し明瞭に請求するクレームで結論付けられるが、添付図面を関連して読むと、以下の記述から、本発明をよりよく理解されるものと考えられる。
【００２７】
本説明は、特に、本発明に従う装置の一部分を形成し、またはより直接に連携する構成要素に向けられている。明示されていない、または説明されていない構成要素が、当業者によく知られた様々な形を取り得ることは理解されるものであろう。
【００２８】
図2を参照すると、ここには、本発明の電子投影システム100の画像化光路で用いられる好ましい構成要素の実行が、概略形式で示されている。特に、図2には、変調光学システム120、画像化リレーレンズ130、二色結合装置155、および投影レンズ150を含む、画像化システムの基本要素が示されている。イルミネーションシステム110は、図2では、主としてイルミネーションレンズ280による簡易形式で表されている。図2は、これらの基本構成要素を、緑色チャンネルのみのために示し、赤色および青色カラーチャンネルの存在は、二色結合装置155に方向付けられたラベル付の矢によって示すに留めている。各カラーチャンネルでは、光学システムは、内部画像200を提供する画像化リレーレンズ130を含んでいる。内部画像200は、対応する空間光変調器175の実像(Igは緑色チャンネル用)であることが好ましく、また、それは、倍率Rxで拡大されているのが好ましい。拡大実像Igを形成するために、画像化リレーレンズ130は、その光学対象として、空間光変調器175上に位置し、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170から反射される画像を拡大する。画像化リレーレンズ130は、空間光変調器175で名目上のテレセントリック光を集め、名目上のテレセントリック空間に存在する画像を出力するような、名目上の二重テレセントリックである。画像化リレーレンズ130から放出される画像光は、光軸290に沿い二色結合装置155内へ方向付けられる。二色結合装置155がテレセントリック光を取り扱うので、角度変化に起因する拡大実像Ig(または、それぞれの赤色および青色チャンネル用のIrおよびIb)にわたる色シェーディング傾向は最小となる。二色結合装置155は、図2に表現されたようにVプリズムが優先されるが、これは、Xプリズム(または、Xキューブ)、交差二色プレート、フィリップスプリズム、または二色表面の他の組み合わせでもよい。二色結合装置155はまた、コントラスト損失、または色またはコントラストシェーディングに対する憂慮、または追加コストの保証がある場合は、アモルファス石英ガラス、または他の低応力ガラスから製造されてもよい。
【００２９】
図2のプロジェクタ100の光学構成は、係属中の日本特許出願特願第2003-7527号で説明されているシステムと同様である。この新規システムは、先行出願のシステムにより提供されたものと同じ重要な利点の多くを共有可能である。例えば、何らかの倍率ファクターRx＞1Xで、空間光変調器175上に形成された画像を拡大することにより、画像化リレーレンズ130はまた、それぞれの拡大実像Ir、Ig、またはIbを、二色結合装置155に向かって1Xリレー操作より大きなF#で有効に焦点を合わせることが可能である。一例として、投影システム100は、空間光変調器175でF/2.3で作動するよう設計可能であり、そして、Rx＝2x倍率を提供する画像化リレーレンズ130を用いて、二色結合装置155でのスピードはF/4.6に低減される。その結果、二色結合装置155は、より鋭いカット‐オフを伴う内部表面157上の内部二色コーティングで設計可能となり、それにより、狭いスペクトルバンドおよびより大きな色域が、より低いF#の下で達成可能であろう。さらに、画像化リレーレンズ130を用いることにより、空間光変調器175において依然として低F#が使われているため、たとえ二色結合装置155でより高いF#が達成されても、いかなる光も失われることはない。その結果、改良された拡大実像Ir、Ig、またはIbは、二色結合装置155の出力として、共通の光軸290に沿い、投影レンズ150内へ提供される。これらの画像は、登録された白色光画像を形成するよう、重ね合わせられる。
【００３０】
再び、先行出願で議論したシステムのように、図2の構成は、投影レンズ150のコストおよび複雑さ要件を削減する利点も提供している。図2の構成で、投影レンズ150は、各拡大実像Ir、Ig、またはIbから結合されたマルチカラー画像(I)を表示面40(図2には図示せず)上へ投影するために、より高いF#で有利に作業することが出来る。さらに、投影レンズ150は、各拡大実像Ir、Ig、またはIbから結合されたマルチカラー画像(I)を表示面40上へ投影する際に、この内部画像を二色結合装置155の出口表面158近傍に配置可能であるので、わずかな作動距離を必要とするのみである。画像化リレーレンズ130を用いることにより、偏光ビームスプリッタと二色結合装置とは切り離され、多くの標準的電子プロジェクタで一般となっているような形でこれらが隣接することはない。こうしたシステム(図1など)では、投影レンズ32は、偏光ビームスプリッタ 24および二色結合装置26の双方を通して見えなければならないので、長い作動距離を余儀なくされる。これに比して、図2のプロジェクタ100の投影レンズ150に提供された短い作動距離は、大きなF#にもかかわらず、投影レンズ150内のレンズ素子を小さく出来ることを意味する。従って、映画プロジェクタで使用される平常のシネマ投影レンズに匹敵する複雑さを持てるよう、投影レンズ設計を簡素化することが可能である。投影レンズ150は、そうでなければ可能であろうよりも高いF #において、拡大マルチカラー実像Iから結合されたマルチカラー画像を投影するために、有利に作業可能となる。投影レンズ150は、例えば、一般に利用可能な光学ガラスを使いた、単純な5から7要素のレンズアセンブリでも可能であり、コストおよび複雑さの面では、映画フィルム投影装置と共に用いられる、商業的に利用可能なシネマ投影レンズに匹敵している。これは、通常、複雑かつ高価な投影レンズを要する従来のディジタルシネマ、および大規模電子投影のシステムとは対照的である。競争力のあるディジタルシネマ投影システム用に設計された投影レンズと比較すると、投影レンズに対する純節約は~10xになり得る。また、同様のコスト上の利点は、プロジェクタ100と共に用いられるいかなるアナモルフィック付属レンズにも提供可能となる。
【００３１】
さらに、画像化リレーレンズ130が、拡大画像Ir、Ig、またはIbを二色結合装置155に提供するならば、二色結合装置155は、1X倍率が使用された場合より大きくなる。しかしながら、たとえ2x倍率であっても、二色結合装置155は、標準的な従来技術投影システム内で用いられる匹敵する構成要素よりも小さく、かつ安くなり得る(再び図1参照)。すでに引用した、米国特許第5,597,222号明細書および米国特許第6,247,816号明細書で開示されているような、中間画像を伴う投影システムのための従来技術の実現は、本発明のシステムのように、共通の光軸に沿って投影される共通画像の形成に利用される、3つの画像化リレー(1色あたり1つ)をシステムに提供していない。同様に、従来技術特許はまた、2xなどの単一倍率より大きな、3つの拡大画像化リレーを提供しない。
【００３２】
本発明のプロジェクタ100は、撮像視野レンズ140の含有により、すでに言及した同時係属の日本特許出願特願第2003‐7527号で説明されているシステムと、非常に大きく異なっている。撮像視野レンズ140は、画像化リレーレンズ130の一部として提供されているが、これにより、画像化リレーレンズ130の設計がより簡単となり、レンズ素子はより小さくなり、結果として、先行する特許出願において提供された同等のレンズと比較して、コストならび複雑さを削減するという主要な利点を伴っている。空間光変調器(または、撮像装置)175は、優先的に、入射イルミネーション光および反射出射変調光の双方が、テレセントリック(主光線は、変調器の法線に平行)となるような形で、名目上のテレセントリック空間にある。その後、撮像視野レンズ140は、撮像視野レンズ140が、オフ軸フィールドの各点から集められた主光線を、集中方法で画像化リレーレンズ130の主要部分内へ方向付けるような形で、空間光変調器175に近接して配置されるのが好ましい。撮像視野レンズ140はまた、本質的に、適切なサイズおよびアスペクト比の光の均一フィールドを空間光変調器175に向かって提示する、前記イルミネーションシステムの他の光学構成要素を伴い、このイルミネーション光をテレセントリックに入射させるよう修正する撮像視野レンズ140を伴う、イルミネーションシステム110の一部である。これは、イルミネーションシステムの議論において、より詳細に説明される(図4参照)。最終的に、撮像視野レンズ140は、偏光ビームスプリッタを通し、かつ空間光変調器の視野にわたって、偏光コントラスト応答に影響可能であるので、変調光学システム120の本質的部分でもある。米国特許第5,597,222号明細書および米国特許第6,247,816号明細書で開示されているシステムを含む、内部中間画像を伴う従来技術の投影システムは、撮像視野レンズ140または同等物の使用を開示しておらず、さらに、これらの特許は、この構成要素を投影システムにおいて使用することから生じる利点または問題、および解決策のいずれも予期していない。
【００３３】
図2は、撮像視野レンズ140および単一のイルミネーションレンズ280についてのみ表現する、プロジェクタ100に適切なイルミネーションシステム110のきりつめられた図を提供しているが、実際には、イルミネーションシステム110はこれより複雑である。図3を参照すると、多色光源(図示せず)からの光は、集中ソース光260として、統合バー250に方向付けられる。光源は、通常キセノンアーク灯などのランプであるが、これは、他のタイプの高強度光エミッタであってもよい。典型的なランプでは、光エミッタ(アーク、プラズマ、またはフィラメント)は、反射鏡(通常、側面から見ると楕円または放物線)内に配置され、さらに統合された光線が出力として供給される。この光線はその後、直接または間接的に、均一化光学装置内に入射する。好ましい実施例では、入射光は、集中ソース光260として、均一化光学装置として働く統合バー250内へ提供される。集中ソース光260は、統合バー250へ、ほぼテレセントリックに入射(ローカル光軸290に平行)可能である。光学設計技術において周知のように、統合バーは、光混合バーとも呼ばれ、全反射(TIR)効果を用いて入射光線を均一化し、それによって、イルミネーションの空間的に均一な平面を提供する。均一化光学装置の他のオプションには、拡散スクリーン、統合トンネル、光ファイバー前面板、非干渉性光ファイババンドル、またはフライズアイ（fly's eye）統合アセンブリなどのレンズレットアレイが含まれている。一般に、均一化光学装置は、光の均一平面を提供するもので、図3の統合バー250では、その出力は平面Aで起こっている。イルミネーションの均一性に対する鮮明度または許容度は相対的であるが、通常、中心から周辺まで、イルミネーション強度が緩やかに10‐15%低下するのは許容出来る。
【００３４】
従って、イルミネーション光学装置110は、統合バー250の平面Aの出口表面から撮像平面275での入射まで光を移動させるために、様々方法で構成可能である。図3に描かれた部分的イルミネーションシステムは、統合バー250、および平面Bでイルミネーション開口絞り265へ光を提示する、ベースコンデンサレンズ255を示している。このイルミネーションシステムは、図4に描かれたように、一連のイルミネーションレンズ280(同一かどうかは問わない)、および撮像視野レンズ140へ続いてゆく。 (図3および図4を組み合わせると、イルミネーションシステムをより完全に示すことになるが、2つの図面は同一スケールになっていない。)図4のシステムでは、統合バー250の平面Aでの出口表面は、内部イルミネーション画像270へ再画像化され、続いてそれは、撮像平面275へ再画像化される。イルミネーション光は、内部イルミネーション画像270および撮像平面275の双方で、名目上テレセントリックである。このイルミネーションシステムは、平面Bでのイルミネーション開口絞り265、および再画像化されたイルミネーション開口絞り265aの双方を提供する。物理的絞り(虹彩など)は、撮像平面275へ入射するイルミネーション光の開口数を制御するために、これらの平面の一方、または両方に配置可能である。ベースコンデンサ255およびイルミネーションレンズ280の組み合わせは、統合バー250の出口表面Aでの名目上の均一な光の画像を像平面275へ方向付ける。撮像視野レンズ140は、このイルミネーション光を撮像平面275へ向けて、名目上テレセントリックにすることに最も重要な役割を果たす。撮像視野レンズ140はまた、統合バー250の出口表面Aから撮像平面275への総合倍率に少量の貢献をする。通常、イルミネーション光は、撮像平面275に配置された空間光変調器175の活動領域(画像領域)を僅かに超えることになる。
【００３５】
図4のシステムは、単一のカラーチャンネルを示すよう簡素化されており、「D」という表示のある破線を除いて二色分離装置を描いていない。均一化光学装置から放出される白色光線を、3つの色光線(それぞれ、名目上の赤色、緑色、および青色の光線)に分離する二色分離装置は、Xプリズム(図1に描かれている二色結合装置26に同じ)またはVプリズム(図2に描かれている二色結合装置155に同じ)であってもよい。図4の部分的イルミネーションシステムでは、二色分離装置は、イルミネーション開口絞り265に、またはその近傍に配置可能である。二色分離装置を平面Bに配置することにより、分離装置の避け難い角度応答変化が、瞳孔または開口絞りにわたる色シェーディングとして表示されてしまうという、潜在的な問題がある。角度空間内のこうした色シェーディングは、後に視野内の空間変化になり得るもので、角度効果が偏光ビームスプリッタを通る、またはレンズシステムを通る(口径食)場合には、色変異となる。この効果は、図4に示されたように、名目上、一般に入射またはテレセントリック空間に配置されたカラーフィルタ285を、システムに供給する(名目上、カラーチャンネルあたり1つ)ことにより最小化することが出来る。代替的に、二色分離装置は、名目上テレセントリック光を視る内部イルミネーション画像270に、またはその近傍に、配置可能である。このように、視野点では、二色分離装置の角度平均化色応答を視ることになる。図4のイルミネーションシステム110はまた、概して他の光学装置287として描かれ、さらに、1設計あたりの光の偏光方向または伝播方向を変更する、波長板およびミラーなどの光学装置を含むことが出来る。同様に、イルミネーションシステム110は、偏光子、偏光補償器、および空間光変調器と相互作用するが、これらの構成要素は、簡略さのために図4には描かれていない。
【００３６】
代替的イルミネーションシステムは、図4をさらに考慮することにより理解可能である。一般に描かれるような図4のイルミネーションシステム110では、二色分離装置は、名目上イルミネーション開口絞り265に配置され、内部イルミネーション画像270のサイズは、二次的に重要である。結果的に、イルミネーション開口絞り265を通る光線のサイズ、およびその光線の角度スペクトルは、二色分離装置の設計パラメータを決定する。このシステムでは、光路長を減少させるために、図4での内部イルミネーション画像270に対する倍率Nは小さくなり得る(N〜1から2)。他方、イルミネーションシステム110は、内部イルミネーション画像270に対する倍率を変更し、さらに二色分離装置を移動させることにより、違ったものに構成可能である。例えば、統合バー250の平面Aでの出口表面の内部画像は、Nxで、例えばN〜4.5で、拡大可能である。この場合、内部イルミネーション画像270での光線の空間サイズおよび角度範囲が、二色分離装置の設計を決定する。カラーフィルタ285は、テレセントリック空間に配置されて、すぐに、二色分離装置に従い得ることが好ましい。主要な相違点は、第1のバージョンが二色分離装置を開口絞りに配置する余地を提供するのに対し、第2のバージョンは二色分離装置をテレセントリック画像に配置する余地を提供することである。システム色の許容差および色域要件に応じて、一方または他方の位置/設計が好ましいものとなり得る。
【００３７】
再び図3および図4のイルミネーションシステムを考慮すると、さらに異形のイルミネーションシステムが考えられる。特に、第2および第3のイルミネーションレンズ280は取り外し、その後、撮像視野レンズ140および撮像平面275を、図4で特定された平面の近傍に、内部イルミネーション画像270として移すことが可能であろう。従って、2つ以上のイルミネーションレンズ素子を除去することにより、イルミネーションシステムは、よりコンパクトで単純となる。しかしながら、その場合、総合的な意味でコンパクトなプロジェクタ100の組立てるに必要な、他の光学装置(287)およびミラー折れ目位置に対して、十分な空間を提供することが困難となる場合もある。
【００３８】
本発明のプロジェクタ100の設計は、画像化リレーレンズ130および変調光学システム120について、図4で提供されるものより正確に表現された、図5および図6を参照することにより、より良く理解可能である。従って、図5は、撮像視野レンズ140を含む数個のレンズ素子を備えた、画像化リレーレンズ130を示している。文字標識「p」、「d」、「q」は、「I」が中間または内部の画像を表すのに対して、図5に描かれたシステムの一部を通る画像化経路を追うのを補助するよう提供されている。図6は、プレ偏光子160、偏光分析器165、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170、空間光変調器175、偏光補償器180、185、および撮像視野レンズ140を含む、変調光学システム120の拡張された図を示している。空間光変調器175、好ましくは、LCD、は、中間的内部画像Iに、適切なサイズのシャープな画像が提示されるよう、名目上撮像平面275に位置している(図5参照)。空間光変調器175は、ヒートシンク、冷却手段、および画像データを提供する回路(図示せず)を駆動する電気接続を含む、変調器パッケージ177に取り付けられている状態で示されている。関連上、図6には画像化リレーレンズ130の一部も示されている。
【００３９】
好ましい実施例では、画像化リレーレンズ130は、二重テレセントリックであり、二色結合装置155の近傍、またはその内部に、画像平面275の拡大中間(または、内部)実像Iを形成する。この場合、二色結合装置155は、テレセントリック光を取り扱うので、角度変化に起因して、拡大実像I全体にわたり、色シェーディングの傾向は最小となる。撮像平面275に提供された画像を、1Xより大きな何らかの倍率ファクター(Rx)で拡大することにより、画像化リレーレンズ130はまた、事実上、1Xリレー操作が提供するよりも高いF#で、拡大実像Iの焦点を合わせることになる。空間光変調器175に集められる視野角が、表示面(スクリーン)の視野角と別々/異なっているので、倍率Rx＞1Xの撮像視野レンズ140を含む画像化リレーレンズ130の設計も好ましい。これは、変調器でサポートされる視野が、最終的な投影画像に必要な視野角により規定されるより、むしろ偏光ビームスプリッタの角度性能を考慮して選択可能であることを意味している。図5に描かれた実際のシステムは、撮像平面275でF/2.3の光が、二色結合装置155ではF/4.6となるような、倍率Rx＝2xを提供する画像化リレーレンズ130を表している。
【００４０】
プロジェクタ100および画像化リレーレンズ130は、撮像視野レンズ140の存在のため、係属中の日本特許出願特願第2003‐7527号と比べて、依然としてかなり役立つ。この先行システムでは、画像光が撮像平面275から、第1のレンズ素子と出会う前に、偏光補償器を通過し、偏光ビームスプリッタを抜け、偏光分析器を通過して、テレセントリックに伝播されたので、同等な画像化リレーレンズのレンズ素子はより大きかった。この先行する出願で使われる画像化リレーレンズの1つの設計では、関係する大きくて高速撮影用の光学光線に起因するレンズ収差を軽減するために、1つ以上の非球面レンズ要素が使用されていた。比較すると、撮像視野レンズ140を用いて設計された画像化リレーレンズ130は、より小さな総合レンズアセンブリを提供し、同等の性能を得るために非球面レンズ要素を必要としない。本発明のプロジェクタ100は、(すでに述べたような様々な理由により)倍率Rx＞1Xで撮像平面275の拡大画像を提供する画像化リレーレンズ130を有することによって機能アップされているが、プロジェクタ設計に対して、それが一倍率(Rx〜lx)を有している場合にも、さらなる改良を提供可能である。特に、総合プロジェクタは、3つの名目上同等な画像化リレーレンズ130(1色あたり1つ)を用いて組み立てられているので、撮像視野レンズ140を伴う設計からもたらされた削減されたサイズおよびコストにより、よりコンパクトでさほど高価でないプロジェクタが提供される。
【００４１】
図5に示されるように、撮像視野レンズ140は、中程度の光学パワーを有しており、それは、主光線を、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170の下流に位置する画像化開口絞り210に向かって方向付ける。画像化開口絞り210の正確な位置は、主として光学設計により決定され、画質を下げる光学収差を最小にし、さらに、画像化リレーレンズ130のコストおよび複雑さを削減することに関連している。画像化リレーレンズ130に対する1つの自然な形は、図5に描かれたような「二重ガウス」レンズタイプである。確かに、画像化開口絞り210の位置は、設計により移動させることが可能である。例えば、撮像視野レンズ140にかなりの光学パワーが提供されるならば、画像化開口絞りは、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170の近傍に配置可能となろう。こうした設計は、撮像視野レンズ140が非常に高速撮影用であり、さらにイルミネーションシステムが開口絞りを不便な位置に置いて作動する必要がある場合、得てしてほとんど利益のないものとなろう。加えて、偏光ビームスプリッタに(一般に、または特に、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタに)課される角度応答要件は、さらに厳しいものとなろう。
【００４２】
本発明の電子投影システム100は、イルミネーションおよび画像化システムの双方において、一連の中間的内部画像を利用するものであり、様々な画像平面が付随の開口絞り平面を有していることに留意すべきである。これらには、イルミネーション開口絞り265、再画像化イルミネーション開口絞り265a(図4参照)、および画像化開口絞り210(図2および図5参照)、および投影レンズ150内の開口絞り(図2では附番なく図示されている)が含まれている。例えば、投影レンズ150内の開口絞りは、画像化F#を設定する光学システム全体に対する、実際の制限開口絞りともなり得る。イルミネーション開口絞りのうちの1つ(265または265a)は、空間光変調器175の僅かな角度過剰を可能にする、限界に近い角度範囲を定義し得る。このようにして、統合バー250から放出され、画像化のためにこのように選択された角度を越える角度で光路を横断する光は、結果として起こるいかなる熱も容易に排除可能な位置で取り除くことが出来る。
【００４３】
電子投影システムに役立つ設計アプローチとして、内部または中間画像(I)を提供し、空間光変調器175に隣接する視野レンズ140を利用する画像化リレーレンズ130を含む特定の設計は、新規である。しかしながら、電子プロジェクタ設計における空間光変調器(撮像装置)近傍の視野レンズの使用は、一般に、著しく回避されてきた。これは、変調に基づく偏光である、液晶ディスプレイ(LCD)などのような空間光変調器を利用するシステムにおいては、特に真実である。システムの偏光応答、およびプロジェクタにより提供される派生フレーム連続コントラストは、主にLCD、様々な偏光子、および偏光補償器の応答により決定される。こうしたシステムでは、LCDと最終偏光コントラスト構成要素(通常、偏光分析器)との間の光路内の光学装置数を最小にすることが、良い一般の方法である。これは、こうした余分な光学装置でのいかなる応力も、それが機械的取り付け、または製作の応力、または熱誘発応力であるにかかわらず、応力複屈折を引き起こす場合があるからである。複屈折が屈折率の方向の変化であり、偏光に敏感な現象であるので、応力複屈折は、偏光状態を変化させ、コントラストに影響する場合がある。システム構成に応じて、コントラストの均一損失、および/または、コントラストの空間的異形損失が発生しかねない。また、撮像装置(空間光変調器)の近傍の視野レンズの使用は、偏光子を通過する角度範囲を増加させるので、従来の可視波長偏光ビームスプリッタで利用可能な限られた角度応答ゆえに、こうした視野レンズの使用は、一般に回避されてきた。
【００４４】
プロジェクタ100の変調光学システム120部分に対する好ましい実施例は、図6に描かれており、プレ偏光子160、偏光分析器165、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170、空間光変調器175、偏光補償器180、 185、および撮像視野レンズ140が含まれている。撮像視野レンズ140を用いる変調光学システム120を構成する場合、画像化スピード(F#)および撮像視野レンズ140により導入される視野集合角度の組み合わせを操作するには、明らかに、広角度応答を伴う偏光ビームスプリッタの使用が好ましい。ハイスピード(小さなF#)、ハイコントラスト、高光学効率のシステムのために、様々な偏光ビームスプリッタ技術が考慮可能であるが、ユタ州オレームのモックステック（Moxtek）社からのワイヤグリッド偏光ビームスプリッタは、上位の候補である。
【００４５】
いくつかの関連する係属中特許出願(日本特許出願特願第2003‐7527号；特願第2002‐76565号；特願第2003‐590号)では、ワイヤグリッド偏光子を用いる変調光学システム120が開示されている。変調光学システム(工業語法では「光学コア」とも呼ばれる)の設計および属性は、それが、フレーム連続コントラストを決定し、または、ある画像フレームから次フレームまでの入/切状態間の変調を決定するので、プロジェクタ設計に重要である。特に、日本特許出願特願第2002‐76565号は、図7に示されたものと同様な、プレ偏光子160、偏光分析器165、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170、空間光変調器175、および偏光補償器180を含む、変調光学システム120を説明している。特にこのアプリケーションは、その目標である＞1,000:1 フレーム連続コントラストを達成するには、変調光学システム120が、空間光変調器175に面するワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170のサブ波長ワイヤ171で最適に構成されることを教示している。この出願は、さらに、最適コントラストのために空間光変調器175は、垂直に並べられたLC分子を用いるLCDであることを教示している。米国特許出願第10/040,663号は、変調光学システム120に対する設計、使用、および必要性は、ワイヤグリッド偏光子を利用するシステムでの動作に最適化された、偏光補償器180で機能アップされることを教示している。しかしながら、これらの出願のいずれも、撮像視野レンズ140を有する図6の変調光学システム120の設計を予期しておらず、その結果、いずれの出願も、付随する問題および潜在的問題を予期していない。撮像視野レンズ140の実際の設計の態様は、撮像視野レンズ140自体の偏光属性と同時に、隣接する光学装置の偏光挙動に依存することになり得る。
【００４６】
変調光学システム120のコントラストまたは偏光消滅特性は、かなりの部分が入射光線の「s」と「p」の偏光状態に対する、構成偏光子の伝達または反射応答に依存するのは明らかである。あらゆる偏光子の偏光応答は入射角および偏光状態の双方で変化するので、システムで用いられる角度範囲(F#)にわたり、適切な応答を提供することは重要である。さもなければ、より高い角度の光は、一方の偏光状態から他方へ漏れ出してしまい易くなり、コントラストを減少させることになる。コントラスト損失はまた、偏光光学システムを横切る斜光線およびスキュー光線に対して重要となる場合もある。斜光線は、交差した偏光子により形成された消光軸の外の4つの四分円内に入りながらも、ローカル光軸290を含んだ平面に存在する光線である。スキュー光線は、ローカル光軸290を含まない平面に存在する光線である。
【００４７】
反射液晶ディスプレイを利用して開発されたオリジナルの電子投影システムでは、各LCDは、後方からCRTを用いてアドレスされていた。今日、最先端の反射LCDは、シリコンバックプレーンにより直接電子的アドレスされる。シリコン上の液晶 (LCOS)ディスプレイとして知られたこれらの最新の装置は、一般に、画素アドレッシング回路でパターン化され、さらに反射的および光ブロッキングでオーバーコートされ、それに続き、LCD整列層、液晶の薄層(〜3μm)、および反射防止(AR)コートカバーガラスを備えたシリコン基板を含んでいる。LCDの光学性能は、液晶の材料の性質、電極構造、画素パターンと近接性、液晶分子のON状態とOFF状態の配向、アラインメント層の使用並びに構造、および反射性、反射防止性、および光ブロッキング層の光学的性質などを含む、多くの設計パラメータに依存している。例えば、液晶分子が、名目上シリコン基板とカバーガラスの内部表面に垂直である場合、現実には、分子隣接表面は、法線から1‐2度の残存傾斜を伴って方向付けられている。この残存傾斜角が大きくなると、装置コントラストに悪影響が出始める。変調光学システムにより提供される有効コントラストは、偏光子自体の応答変化によるのと同様に、LCD(大きな傾斜角、OFF状態でのバイアス電圧、熱による誘発応力、および大きな入射角(大きなNA))内の様々な微妙な影響により、低下される場合がある。
【００４８】
確かに、偏光コントラストは、実際の偏光装置(ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタおよびLCD)自体の設計を変更することにより、潜在的に高めることが出来る。しかしながら、これらの装置の基本的な設計、製造、および性能限界の変更は、常に可能または容易というわけではないため、代替的なコントラスト改良方法が求められてきた。特に、多くの投影および表示システムでは、様々な設計の偏光補償器が利用されている。
【００４９】
補償器および偏光子は、複数の屈折率を有する複屈折材料から構成される。比較すると、等方性メディア(ガラスなど)は単一の屈折率を有し、単軸メディア(液晶など)は2つの屈折率を有している。光学材料は、最大3つの主要屈折率を有することもある。3つの異なる屈折率の全てを有する材料は二軸と呼ばれ、図9aに示されるように、その主要屈折率nx0、ny0、nz0、および3つの配向角度により、独自に指定される。図9bは、nx0、ny0、nz0の軸がそれぞれx、y、z軸に整列した、二軸フィルムを示している。2つの等しい主要な屈折率を有する材料は、単軸材料と呼ばれる。これらの2つの等しい屈折率は、常光線屈折率であり、noとして参照されている。他の異なる屈折率は、異常光屈折率neと呼ばれる。neの軸はまた、光軸と呼ばれる。単軸材料は、ne、no、およびその光軸の方向を表す2つの角度により、独自に特徴付けられる。すべての3つの主要な屈折率が等しい場合、材料は等方性であると呼ばれる。
【００５０】
光は、単軸または二軸材料を通過して進む場合、その電場の偏光方向に応じて変化する有効な屈折率を見て、結果的に、電場の2つの固有モード間に位相差(リターダンス（retarndance)）が導入される。この位相差は、光の伝播方向で変化するので、2つの交差偏光子間に単軸または二軸材料が配置されると、光の伝達は角度で変化する。これらの位相差は、光軸に沿わない、または光軸と平行ではない経路に沿って進む光線に対する、ローカル偏光方向の修正に換算される。特に補償器は、大きな極角度での、斜光線およびスキュー光線の双方を含んでいる光線に対して、ローカル偏光方向を修正し、または調節する。通常、液晶材料は単軸材料である。液晶材料が液晶ディスプレイにおけるように2つの基板の間に挟まれている場合には、その光軸は、概して基板でのアンカリングおよび厚みを横切って印加された電圧に応じて、厚みにまたがって変化する。補償器は、液晶または他の光学要素により導入される位相差の角度依存を相殺する形で、角度に応じた位相差を導入するよう設計された、1つ以上の単軸および/または二軸フィルムを用いて構成される。当該技術において周知のとおり、図9cに示されるように、フィルムの平面に平行な光軸を備えた単軸フィルムはAプレートと呼ばれ、図9dに示されるように、フィルムの平面に垂直な光軸を備えた単軸フィルムはCプレートと呼ばれる。noより大きなneを有する単軸材料は、ポジティブな複屈折と呼ばれる。同様に、noより小さなneを有する単軸材料は、ネガティブな複屈折と呼ばれる。AプレートおよびCプレートの双方とも、それらのneおよびnoに応じて、ポジティブまたはネガティブとなり得る。
【００５１】
より精巧な多層偏光補償器180は、図8におけるように、完全な補償器を組み立てるために、基板195と共に補償フィルムのスタック(複屈折層190a、190b、190c)が使われており、その光軸または3つの主要な屈折率軸（index axes）は、その厚みにまたがって変化する。スタック補償については、米国特許第5,619,352号明細書(コホ(Koch)他)で詳細に議論されている。当該技術で周知のとおり、Cプレートは、単軸的に圧縮されたポリマーを使用し、または、またはアセテートセルロースを成形することにより製造可能であり、Aプレートは、ポリビニルアルコールまたはポリカーボネートなどの延伸ポリマーフィルムにより製造可能である。丈夫さを増強するには、偏光補償器は、一般的によく使用されているポリマーよりも、むしろ無機材料で製造可能である。
【００５２】
日本特許出願特願第2003‐590号では、図7のそれと同様の変調光学システム120が議論されており、偏光補償器180は、垂直に並べられたLCDおよびワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ170と関連する動作について説明している。当該出願で説明されているように、典型的補償器は、VA-LCD、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ、または双方の組み合わせの性能を最適化するよう設計されたリターダンスを有することが出来る。例えば、補償器は、VA LCD内の残留応力複屈折を修正する0.02λ(~11nm)のリターダンスを有するAプレート、およびLCDが高速撮影用光学システム(F/3.0以下)内で動作される場合に入射角応答変化を修正するネガティブCプレート(およそ-233nmのリターダンス)を含むことが可能である。同様に、議論されているように、それぞれ+90nmおよび+320nmのリターデーション（retardation）を有する、AプレートおよびポジティブCプレートの組み合わせを含んだ補償器が、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170に提供可能である。ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170およびLCDに対する補償器は、これらの2つの構成要素間に共同配置され、さらに、1つにパッケージされた補償器装置に結合可能であることに留意している。従って、結合された補償器180は、VA LCDのための＋11nmのAプレート(0.02λの補償)、連続オーダーにおけるLCD(175)の最も近くに配置された＋11nmのAプレートを伴うワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170のための、＋87nmのCプレートおよび＋90nmのAプレートを含んでいる。＋11nmのAプレートは回転可能である必要があり、一方、＋90nmのAプレートは、サブ波長ワイヤ171に対する固定方向を有しているので、2つのAプレートは、単純には結合することが出来ない。しかしながら、すでに述べたように、この先行する出願では、変調光学システム120での撮像視野レンズ140の使用、または隣接するいかなる偏光補償器のコントラスト性能および設計に対する、その潜在的なインパクトも予期していない。
【００５３】
図6に描かれたような、本発明の変調光学システム120について再び考察すると、画像視野レンズ140の使用に関連して、フレーム連続コントラストを高める様々な技術が使用可能である。先行する出願のように、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170は、空間光変調器175に面する、基板172上の、そのサブ波長ワイヤ171に方向付けられているのが好ましい。同様に、ハイコントラストのために、空間光変調器175は、他のタイプのハイコントラスト偏光変調器も使用可能であるが、垂直に並べられたLC分子を利用する液晶ディスプレイであることが好ましい。しかしながら、特に撮像視野レンズ140を組み込んだ変調光学システム120に関しては、画像視野レンズ140がいかなる応力複屈折も導入しない場合、フレーム連続コントラストは容易に維持可能である。その場合、光は、偏光ベクトルのいかなる回転も招くことなく、撮像視野レンズ140を横切ることが出来る。その結果、図6に示された偏光補償器180および第2の偏光補償器185は、日本特許出願特願第2003-590号で説明されている補償器と同様に、1台の装置に結合可能である。補償器は、潜在的に撮像視野レンズ140のどちらの側にも配置可能であるが、取り付けおよびコントラストの理由で、空間光変調器175に隣接して配置されることが多いことになる。撮像視野レンズ140は光学パワーを有しており、従って変調光学システム120の偏光コントラスト性能に対して、その直径を横切って位相の変化を導入するが、このレンズが最小位相リターデーションを導入することは重要である。
【００５４】
多くの偏光システムを含むほとんどのアプリケーションでは、多くのガラスは、撮像視野レンズ140と同様の方式で十分利用可能な程度に、応力がない。しかしながら、高コントラスト(1,000:1以上)、および高スクリーンルーメン、僅かな量の減偏光または偏光回転を求める電子投影システムでは、本質的な複屈折、または機械的、または熱的誘発応力複屈折のいずれに起因するかに関係なく、コントラストが下降することになり得る。さらに、応力複屈折は空間的に不均一となることが多いので、撮像視野レンズ140における応力から、空間的なコントラスト変化が生じることがある。
【００５５】
ほとんどの光学ガラスは、アモルファス(等方性)または非結晶性であるので、本質的な複屈折はない。機械的に誘発される応力複屈折は、対称製作技術、および、RTVなどのような、フレキシブルな接着剤を用いて達成される、コンプライアント取り付け（compliant mounting）を用いて回避可能である。熱的に誘発された応力複屈折は、光吸収から起こり得るので、低光学応力係数、低吸収率、またはその両方で、光学ガラスを選択することにより、最小化することが出来る。例えば、SF-57ガラスは、いかなる光学ガラスの中でも最小の応力係数を有しており、その理由で電子投影システムに使用されている。しかしながら、SF-57ガラスは高価であり、さらに作業が困難で、比較的高い青色光吸収を示す。代替的に、アモルファス石英ガラスは、可視スペクトルにわたって最小の光吸収を有し、多くの投影システムで良好に使用されている。その応力光学係数は最小ではないにせよ、光吸収からの熱の欠如は、非常に効果的に応力複屈折を最小にする。従って、図6の変調光学システム120で用いられる撮像視野レンズ140は、低応力または低吸収ガラス、特にアモルファス石英ガラスから製造されるのが好ましい。
【００５６】
もちろん、好ましい光学ガラスから組み立てられても、撮像視野レンズ140は、ハイコントラストの電子投影システムの性能に影響を与え得る、何らかの残余複屈折を受けることもある。その場合、この残余複屈折は、撮像視野レンズ140にわたって一定であることが好ましい。この場合、残留応力が相殺される撮像視野レンズ140の製造も可能である。従って、図12は、2つの撮像視野レンズ素子142、142'を含む、撮像視野レンズ140を描いている。これらのレンズを組み合わせることにより、光学設計の要求通り、撮像視野レンズ140に必要な総合的な光学パワーを提供することになろう。2つの撮像視野レンズ素子142、142'は、同一の光学材料から製造されることが好ましい。その後、各レンズ素子の複屈折軸は、独自に決定され、次に、レンズ素子は、残存リターダンスを取り消すために、互いに直交するよう方向付けられた軸に並べられる。従って、レンズ素子は、撮像視野レンズ140を製造するために、好ましくは低応力光学接着剤を用いて組み立てられる。最適なリターダンスキャンセルは、動作温度で達成されるのが最適である。
【００５７】
他のアプローチとして、撮像視野レンズ140が安定した均一の量の残存リターダンスを供給する場合は、レンズ残存リターダンスの修正のために、偏光補償器180、185を、面内(XY)および面外(Z)リターダンスAプレートおよびCプレート材で設計することが出来る。最も悪いケースとして、撮像視野レンズ140が安定していても残存リターダンスが不均一である場合、偏光補償器180、185のうちの1つ、またはその両方は、修正として、符号が反対の、空間的に異なるリターダンスにマッチするよう設計可能であろう。しかしながら、空間的に異なる、またはパターン化された偏光補償器を製造することは、かなり複雑である。
【００５８】
図2および図6では、プレ偏光子160を含むよう、本発明の変調光学システムが示されている。ディジタルシネマなどのアプリケーションに必要な明るい投影システムでは、キセノンアーク灯などの使用ランプは、大きな放出体積(大きなラグランジュまたはエタンデュ)から非偏光光を放出する。通常こうしたシステムでは、プレ偏光子によって拒絶された偏光状態の光の僅かしか回収出来ない(合計の50%)。しかしながら、より小さなランプ源を用いる多くの投影システムでは、結果として起こる偏光イルミネーション光を空間光変調器に向けて、拒絶された偏光状態を直交状態に変換するよう、偏光コンバータを使用することが出来る。こうした場合、本発明の変調光学システム120内に示されたプレ偏光子160は、事実上、偏光コンバータの使用により代替され、または代入される。当該技術では、大きな偏光ビームスプリッティングプリズムを有するシステム、およびマイクロプリズムアレイを有するシステム(例えば、米国特許第5,555,186号明細書（シオヤ(Shioya)）、および米国特許第5,898,521号明細書（オカダ(Okada))を含む、多くの形式の偏光コンバータが知られている。また、本発明の変調光学システム120に提供されるプレ偏光子160および偏光分析器165の双方は、ワイヤグリッド偏光子、またはダイまたはポリマー偏光子、または薄膜偏光子、またはジャイアント複屈折タイプ偏光子を含む、様々な潜在的偏光子技術から選択可能であることも理解されるべきである。
【００５９】
本発明の改良されたプロジェクタ100の理解を助ける手段として、図10は、システムの画像化側の重要な構成要素の多くが容易に目視出来る形で、システムの三次元図を描いている。この図は、特に、各々が、空間光変調器175、撮像視野レンズ140、および画像化リレーレンズ130を部分的に含む、3つの画像化システム(赤色、緑色、および青色)の名目上のレイアウトを示している。また、この図面は、Vプリズムタイプの二色結合装置155を示しているが、投影レンズは描かれていない。イルミネーションシステムの部分、および特に二色分離装置34は示されているが、イルミネーションシステムの多くは、前景に示された画像光学により覆われていたり、または示されていない(光源および統合バーなど)。総合システムは、明らかに多くの方法で構成され得るもので、この図面はコンパクトな構成を表しているが、必ずしも全体的に最適の構成というわけではない。
【００６０】
図6に示されるように、変調光学システム120のための好ましい実施例は、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170、および反射空間光変調器175を利用している。このシステムでは、イルミネーション光は、空間光変調器175上に入射する前に、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170を通して伝達される。空間光変調器175から放出された変調画像光は、その後、投影レンズ130の本体に入る前に、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170で反射される。非変調画像光は、好ましくは、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170を通って戻され、ゴーストまたはフレア光として返ることなく、吸収され、または拒絶される。このアプローチは、何らかの管理し易い機械的パッケージにまとめられており、ハイコントラスト、および高光学効率を提供する。代替的に、イルミネーション光が、反射空間光変調器175に入射する前に、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170で反射する、図11aに示されたように変調光学システム120が構成可能であろう。この場合、空間光変調器175から放出された変調画像光は、投影レンズ130の本体に入る前に、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170を通過して伝達される。このシステムは、ある程度簡単な光学‐機械的アーキテクチャーを提供するが、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170を通して伝えられる画像化光は、傾斜プレートを通る伝達により引き起こされる古典的収差を受ける。これらの収差は修正可能であるが、画像化リレーレンズ130および投影レンズ150の双方は、複雑さおよびコストを増加させることになり得る。
【００６１】
また、図11aの変調光学システム120は、簡易型の光学‐機械的構成を伴う代替的構成にも適している。特に空間光変調器175は、反射式装置よりむしろ透過式装置でもよい。この場合、プレ偏光イルミネーション光は、空間光変調器175に「背後」から(空間光変調器175の右側から)接近することになり、変調および非変調光は、各画素に方向付けられたドライブ信号に従って提供可能となろう。こうした伝達システムのために、簡略化した、よりコンパクトな光路を提供するために、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170は除去され、偏光分析器165が保有されてもよいだろう。代替的に、前の場合より潜在的に高いコントラストを伴う、簡略化されたシステムを提供するために、偏光分析器165が除去され、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170  が保有されてもよいだろう。撮像視野レンズ140は、画像リレーレンズ、または下流の投影レンズの設計の簡略化を補助するために、画像化側で依然使用されることになろう。第2の撮像視野レンズ140は、必要なものとは言えないが、伝達空間光変調器125のイルミネーション側で使用可能である。
【００６２】
他の代替手段として、図11bに示されたように、変調光学システム120は、偏光ビームスプリッタプリズム173で構成可能であろう。図6に提供された、傾斜プレートビームスプリッタと比べて、プリズムを用いる主要な利点は、削減された光路長、およびそれによる削減された作動距離要件である。この場合、例えば、偏光ビームスプリッタプリズム173は、従来のマックネイル(MacNeille) ビームスプリッタ (米国特許第2,403,731号明細書)、または埋込式ワイヤグリッドビームスプリッタ(米国特許第6,288,840号明細書（ペルキンス(Perkins)他))であってもよい。3Mの多層ポリマーシート偏光ビームスプリッタ(米国特許第5,962,114号明細書（ジョンザ(Jonza)他))を含む、他のタイプの偏光子および偏光ビームスプリッタは、偏光応答および熱安定性が適切であるなら、変調光学システム120において使用可能である。
【００６３】
図5に最も詳細に描かれている、画像化リレー130レンズに対する設計の変形形態は、図13に描かれたように、ラムスデン接眼レンズ145タイプの設計を利用している。古典的ラムスデン接眼レンズは、アクセスし易い開口絞り、および中程度の視野角に沿うアクセスし易い視野を提供する、2要素設計である。例えば、投影システムでこれを使用するには、偏光ビームスプリッティングプリズムをラムスデン接眼レンズの2つのレンズ素子間に配置すればよく、事実上、空間光変調器175に最も近いレンズ素子が、画像化視野レンズ140として特定される。二色結合装置が、ほぼテレセントリックな中間画像に、またはその近傍に配置されていると仮定すると、画像化リレーレンズは、ラムスデン接眼レンズを画像化開口絞り210の一方の側に、さらに他のレンズ素子を絞りの他方の側に組み込むよう設計すればよいだろう。より良好な光学性能を得るために、3つ以上のレンズ素子を用いる、他のより複雑な接眼レンズ設計が設計される場合がある。これらの接眼レンズ設計のうちのいくつかでは、画像化リレーレンズ130の総合的設計を、図5におけるそれと同様の二重ガウス構造を呈する方向に導いたり、または、他の設計では、総合的画像化リレーレンズ130を異なる解空間へ導く場合もあろう。また、ラムスデン接眼レンズ、またはその変形形態を用いる設計では、システム設計が、画像化リレーレンズ130を依然として中間画像(I)作成のために提供しながらも、二色結合装置を画像化開口絞り210に配置する自由空間を提供する場合もあろう。また、中間画像(I)は、投影レンズにより表示面へ画像化されることになろう。この代替手段は、二重ガウス構成を用いた画像化リレーレンズが提供するものより、さらにコンパクトな投影システム設計を可能にするかも知れない。偏光ビームスプリッタは、ラムスデンの2つのレンズ素子の間ではなく、むしろその後に配置可能であるが、これは、ビームスプリッタと空間光変調器との間の要素数をさらに増加させ、偏光コントラスト劣化の可能性を増加させてしまう。
【００６４】
すでに述べたことだが、中間画像化リレーレンズ130および撮像視野レンズ140を利用する、本発明に従う電子投影システムは、図2に示された好ましいV-プリズム(二色結合装置155)以外の二色結合装置を用いて構成可能である。XプリズムまたはXキューブの代替的使用は、図1(Xプリズムタイプの二色結合装置26を有する)と図2を比較することにより、容易に推論可能である。他の代替手段として、図14は、フィリップスプリズム28が、異なるカラーチャンネル(RGB)からの光の合成に使用される、本発明の電子プロジェクタ100を描いている。これまでと同様に、空間光変調器175の動作は、各カラーチャンネルのための画像を形成する。これらの画像からの変調光は、それぞれの光軸Or、Og、Obに沿い、撮像視野レンズ140を通過し、ビームスプリッタを通過し、画像化リレーレンズ130を通過して、フィリップスプリズム28へ伝達される。その後、フィリップスプリズム28は、別々の光学軸Or、Og、Obからの、赤色、緑色、および青色の変調画像を結合し、プリズムアセンブリの出口表面近傍、かつ共通の光軸Oに沿って、結合マルチカラー画像Irgbを形成する。投影レンズ150は、マルチカラー画像Irgbをディスプレイ面40へ再画像化する。これまでのように、空間光変調器175は、好ましくは、LCDなどの偏光変調器アレイであり、さらにビームスプリッタは、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタのマックネイル(MacNeille)タイププリズムなどの偏光ビームスプリッタ 24である。
【００６５】
代替的に、システムは、偏光ビームスプリッティングプリズムと二色結合装置を入れ替えた構成であってもよい。例として、図5は、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ 170が撮像平面275の近傍に配置され、二色結合装置155が内部画像(I)の近傍に配置された、プロジェクタの一部分を示している。この代替システムでは、二色結合装置155は、撮像平面275の近傍に配置され、偏光ビームスプリッタが内部画像(I)の近傍に配置されている。この場合、偏光ビームスプリッタは、伝達において傾斜プレートの光学収差なく使用可能となるよう、内部偏光分離表面を伴うガラスブロックを含んでいるのが好ましい。マックネイル（MacNeille）タイププリズムは、この代替構成で実行可能な、このような偏光ビームスプリッタの一例である。この構成は、空間光変調器(LCD)と偏光ビームスプリッタとの間に、多数のガラス要素を配置するもので、それらのいずれもが、偏光コントラストを低下させる残留応力複屈折を有し得るという、潜在的不都合を併せ持つものである。
【００６６】
他の代替手段として、本発明のプロジェクタは、LCD以外の空間光変調器175と共に作動するよう製造可能であることに留意されたい。例えば、図14のシステムにおいて、空間光変調器175は、LCDの代わりにDMDタイプ変調器とすることも出来よう。DMD装置は、偏光状態ではなく、画素×画素ベースで光の方向性を変調する。こうした場合、システムは、ディジタル投影技術で周知のとおり、偏光ビームスプリッタ24の代わりに、全反射(TIR) ビームスプリッタ、またはシュリーレン開口ミラーなどの、他の角度感受性光学装置を代用するよう変更可能であろう。結果として得られる電子プロジェクタは、依然として、図14に示されるフィリップスプリズム28である二色結合装置に、またはその近傍に、内部マルチカラー画像Irgbを提供するよう構成されているが、この二色結合装置は、(図2のような)Vプリズム、または(図1のような) Xプリズムであってもよいだろう。これまでのように、画像化リレーレンズ130は、単一、またはほぼ単一の倍率で作動し、投影レンズ150での削減された作動距離要件により、今日市販されているシステムと比べて、簡易型の安いコストの投影レンズを実現して、潜在的に役立つシステムを提供することが出来るだろう。画像化リレーレンズ130を用いることで、利点を軽減させてしまうような、若干の相殺コストがかかるのは確かであろう。プロジェクタ100を、撮像視野レンズ140を含むように設計することにより、画像化リレーレンズ130のコストおよび複雑さは削減されるはずである。プロジェクタ100は、さらに、結合プリズムのコストおよび複雑さを削減するよう、単一倍率より大きいもの(例えば、2x)を提供する、画像化リレーレンズ130を伴う設計にすることが出来る。結果として得られるシステムは、今日市場で利用可能な標準的DMDタイプのシステムと比べて、コストの面でさらに役立つものとなり得る。
【００６７】
従って、提供されるものは以下のものである。白色光源から高強度および高効率のカラーイルミネーションを提供するイルミネーションシステム、および各カラーチャンネル内に空間光変調器、および変調光と非変調光を分離する関連手段を有する変調光学システム、およびディスプレイ面に投影のための適切な画像を提供する画像化リレーレンズを含む、各カラーチャンネル内の中間画像化光学装置を有する、画像投影のための改良された電子投影装置並びに方法；ここで各カラーチャンネルは、ビームスプリッタとそれぞれの空間光変調器との間に、前記空間光変調器にテレセントリック光を提供する、撮像視野レンズを採用する。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】従来の先行技術における、ディジタル投影装置の主要構成要素を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明の電子投影システムの、変調および画像化部分の主要構成要素を示す概略ブロック図である。
【図３】本発明の電子投影システムでの使用に適切な、イルミネーション光学システムの一部分の概略図である。
【図４】本発明の電子投影システムでの使用に適切な、イルミネーションシステムの別の一部分の概略図である。
【図５】本発明に従う画像化リレーレンズ光学システムの、概略ブロック図である。
【図６】本発明に従う変調光学システムの概略ブロック図である。
【図７】従来技術の変調光学システムの概略ブロック図である。
【図８】偏光補償器の構造を示す斜視図である。
【図９ａ】複屈折の可能な軸方向付けを示す図である。
【図９ｂ】複屈折の可能な軸方向付けを示す図である。
【図９ｃ】複屈折の可能な軸方向付けを示す図である。
【図９ｄ】複屈折の可能な軸方向付けを示す図である。
【図１０】本発明の電子投影装置の斜視図である。
【図１１ａ】本発明に従う代替的変調光学システムの概略ブロック図である。
【図１１ｂ】本発明に従う代替的変調光学システムの概略ブロック図である。
【図１２】撮像視野レンズのための代替的構成の概略ブロック図である。
【図１３】本発明の電子投影装置に設けられた画像化リレーレンズおよび撮像視野レンズのための、代替的光学設計の一部分の概略ブロック図である。
【図１４】本発明の電子投影システムのための、代替的設計の概略ブロック図である。
【符号の説明】
【００６９】
１００  電子投影システム、１１０  イルミネーションシステム、１２０  変調光学システム、１３０  画像化リレーレンズ、１４０  撮像視野レンズ、１５０  投影レンズ、１５５  二色結合装置、１５７  内部表面、１７０  偏光ビームスプリッタ、１７５  空間光変調器、２００  内部画像。
【図１】
2005018071.tif 000003
【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】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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