(57)【要約】第１、第２投影面の少なくともいずれか一方に画像を投影する、画像投影システムおよび方法を提示する。システムは、１つまたは複数の所定波長範囲の光を発生するように動作可能な１つまたは複数の光源部を含む光源システム１０２と、直接投影または表示する画像に応じて入射光を空間変調可能な１つまたは複数のＳＬＭユニットを含む空間光変調器（ＳＬＭ）システム１０４と、各々２つの空間的に分離した光伝播路に対応し光を所望の倍率で第１および第２投影面１０８Ａ、１０８Ｂに導く２つの光学系１０６と、を具備する。システムは、ＳＬＭシステムへ向かって伝播する入射光またはＳＬＭシステムによって変調された光をそれぞれ第１および第２投影面に対応した２つのチャネルの少なくともいずれか一方に沿って伝播するよう選択的に導くように構成されている。
2006520932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１および第２投影モードのいずれか１つで動作するように構成された投影システムであって、
（ｉ）１つまたは複数の所定波長範囲の光を発生可能な１つまたは複数の光源部を搭載した光源システムと、
（ｉｉ）直接投影または表示する画像に応じて入射光を空間変調するように動作可能な１つまたは複数のＳＬＭユニットを搭載した空間光変調器（ＳＬＭ）システムと、
（ｉｉｉ）２つの空間的に分離した光伝播路に対応し、所望の画像倍率でそれぞれ第１および第２投影面に光を導く２つの光学系と、を具備し、
ＳＬＭシステム側への入射光またはＳＬＭシステムによる変調光をそれぞれ第１および 第２投影面に対応した２つのチャネルの少なくともいずれか１つを通じて伝播するよう選択的に導くように構成されたシステム。
【請求項２】
ＳＬＭユニットは光反射モードで動作するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
ＳＬＭユニットは光透過モードで動作するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
ＳＬＭシステムは、前記２つのチャネルにそれぞれ配置された２つのＳＬＭユニットを具備する、請求項１ないし３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
ＳＬＭユニットは単一光源部に対応する、請求項４に記載のシステム
【請求項６】
ＳＬＭシステムは、単一ＳＬＭユニットを具備する、請求項１ないし３のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記２つの光伝播チャネルを規定する偏光分離素子を具備する、請求項１ないし６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記偏光分離素子は直線偏光ビームスプリッタである、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記偏光分離素子は、光磁気円偏光ビームスプリッタである、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
制御可能な偏光回転子を具備し、偏光回転子の動作位置は、２つのチャネルの一方または双方を通じた選択的光伝播を決定する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
偏光回転子が光源部から投影面への光伝播の方向に対して偏光分離素子の上流側に配置された、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
偏光分離素子および偏光回転子は反射型ＳＬＭユニットの上流側に配置された、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
それぞれ２つのチャネルに配置された第１および第２ミラー部を具備し、各ミラー部は偏光分離素子からの各偏光光成分出力を、偏光分離素子からの他の偏光光成分出力の入射角と異なる入射角でＳＬＭユニットに導く、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記偏光分離素子および偏光回転子は、反射型ＳＬＭユニットの下流側に配置された、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
入射光をＳＬＭ ユニットに反射するようにＳＬＭユニットに向かって伝播する入射光の光路上に配置されるとともに、変調光を偏光回転子に伝達するようにＳＬＭユニットから出る変調光の光路上に配置される第２偏光分離素子を具備する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記偏光分離素子および偏光回転子は、透過型ＳＬＭユニットの下流側に配置されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記偏光分離素子および偏光回転子は、透過型ＳＬＭシステムの上流側に配置されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
ＳＬＭシステムは、偏光分離素子のそれぞれ２つの出力に配置された２つのＳＬＭユニットを具備する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
偏光分離素子の２つの出力の１つに配置された第２偏光回転子と、第２偏光回転子の下流側に配置されたミラーとを具備し、前記ミラーは、偏光分離素子の前記出力からの光成分を前記第２偏光回転子によって前記偏光分離素子に反射して戻す、請求項１０に記載のシステム。
【請求項２０】
透過型ＳＬＭユニットは第１偏光回転子の上流側に配置された、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記偏光分離素子の２つの出力の１つに部分的透明ミラーを具備し、前記偏光分離素子は、入射光をＳＬＭユニットに反射するように反射型ＳＬＭに向かって伝播する入射光の光路上に配置されるとともに、変調光を前記部分的透明ミラーに伝達するようにＳＬＭユニットからの変調光出力の光路上に配置される、請求項７に記載のシステム。
【請求項２２】
前記偏光分離素子の２つの出力の１つに位置する動作位置と、前記偏光分離素子の出力の外部に位置する非動作位置との間で移動可能なミラーを具備し、前記偏光分離素子は、入射光をＳＬＭユニットに反射するように反射型ＳＬＭ ユニットに向かって伝播する入射光の光路上に配置されるとともに、変調光を前記２つの出力のいずれか１つに伝達するようにＳＬＭユニットからの変調光出力の光路上に配置される、請求項７に記載のシステム。
【請求項２３】
反射型表面が変調光を第１および第２投影面の該当する１つの面に反射するようにＳＬＭユニットの出力に向けられた場合の動作位置と、前記変調光が他の投影面に向かって伝播するように変調光の光路の外部に位置する非動作位置との間で移動可能なミラーを具備し、第１および第２投影モードのいずれか１つで選択的に動作する、請求項６に記載のシステム。
【請求項２４】
ＳＬＭユニットは、それぞれ第１および第２伝播方向から入射する入射光を受光するそれぞれ第１および第２動作位置の間で移動可能であり、それぞれ第１および第２投影面に変調光を出力する、請求項６に記載のシステム。
【請求項２５】
光源システムは、第１および第２発生光をそれぞれ前記第１および第２伝播方向に導くように配置された第１および第２光源部を具備する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
光源システムは、発生光をそれぞれ前記第１および第２伝播方向に導く、第１および第２動作位置の間における移動のために搭載された単一光源部を具備する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
ＳＬＭユニットの出力に位置する光学素子の第１列を具備し、前記第１列は、レンズとプリズムを交互に配置することによって形成され、レンズは、それに入射する光成分の方向に実質的に影響を及ぼすことなく前記光成分をそれぞれ第１および第２投影面の１つに向かって伝播させ、前記第１列のプリズムが、入射する光成分を他の投影面に偏向する、請求項６に記載のシステム。
【請求項２８】
第１プリズムの拡散効果を補正するよう第１列のプリズムによって偏向された光成分の光路上に配置された第２列のプリズムを具備する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
第１列から出射する前記第１および第２光成分は、２つの投影チャネルの１つに設定されたＳＬＭユニットの画素配列のそれぞれ半分を表すものである、請求項２７または２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記偏光分離素子の２つの出力の１つに配置され、前記偏光分離素子の前記出力からの光の伝播軸に対してある角度に向けられたミラーを具備し、
前記偏光分離素子は、入射光をＳＬＭユニットに反射するように反射型ＳＬＭユニットに向かって伝播する入射光の光路上に配置されるとともに、変調光を伝達するようＳＬＭユニットからの変調光出力の光路上に配置され、
前記偏光分離素子およびミラーによって形成されるアセンブリは、
ＳＬＭユニットに対する前記アセンブリの２つの動作位置の間で前記軸の周りに回転可能であり、これらの動作位置の１つにおいて前記偏光分離素子からの光出力が前記ミラーによって第１および第２投影面の１つに向けて反射され、他の動作位置において出力光は前記ミラーによって他の投影面に反射される、請求項７に記載のシステム。
【請求項３１】
光源部は、異なる波長範囲の少なくとも２本の光束を生成するように構成される、請求項１ないし３０のいずれかに記載のシステム。
【請求項３２】
光源部は、赤、緑、青色波長範囲の光を生成するように構成される、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
発生した光束は特定の偏光を持つ、請求項３０または３１に記載のシステム。
【請求項３４】
光源部は、発生光の断面内部で略一様な輝度分布を提供するように構成される、請求項１ないし３３のいずれかに記載のシステム。
【請求項３５】
光源部は回折素子を具備する、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
単一ＳＬＭユニットに向かって伝播する少なくとも２本の入射光束のいずれかの光路上、あるいはそれぞれ少なくとも２つのＳＬＭユニットから到来する少なくとも２本の変調光束の光路上に配置された光合成部を具備し、光合成部は、合成多波長出力光束を生成する、請求項３１ないし３５のいずれかに記載のシステム。
【請求項３７】
それぞれ光合成部に向かって伝播する少なくとも２本の前記発生光束の光路上に少なくとも２つの偏光修正素子を具備し、偏光修正素子は、それぞれの光束の偏光品質を修正するように構成される、請求項３１ないし３６のいずれかに記載のシステム。
【請求項３８】
偏光修正素子は、１／４波長板である、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
偏光修正素子は、光束の円偏光を直線偏光に変換するように構成される、請求項３７または３８に記載のシステム。
【請求項４０】
波長の異なる少なくとも２本の光束の光路上に配置され、前記少なくとも２本の光束を１本の合成光束に合成し合成光束をＳＬＭユニットに導くように動作する波長合成部を具備する、請求項３１または３２に記載のシステム。
【請求項４１】
波長合成部は、スペクトル位相調整素子を具備する、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記波長合成部は、
内部全反射条件に該当する角度で入射する入射光の導波路として動作し、導波路内部の入射光の略すべてのエネルギーを維持する平面光学素子と、
少なくとも２本の入射光束の光路上に配置され前記所定の入射角で入射光束を前記平面光学素子に導く第１導光部と、を具備し、
前記スペクトル位相調整素子は、平面光学素子を伝播する光の光路上に配置されている、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
波長合成部は、それぞれ少なくとも２本の光束の光路上に少なくとも２つの位相変調素子を含む位相変調部を具備する、請求項４１または４２に記載のシステム。
【請求項４４】
波長合成部は、それぞれ変調された位相を持つ少なくとも２本の光束の光路上に配置された少なくとも２つの位相補正素子を含む位相補正部を具備する、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
波長合成部は、
スペクトル位相調整素子に向かって伝播するそれぞれ前記少なくとも光束の光路上に少なくとも２つの位相変調素子を含む位相変調部と、
変調された位相がスペクトル位相調整素子に向かって伝播するそれぞれ少なくとも２本の光束の光路上に配置された少なくとも２つの位相補正素子を含む位相補正部と、を具備し、
前記位相変調部、前記位相補正部および前記スペクトル位相調整素子が平面光学素子の表面に位置する、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４６】
第１および第２投影面の少なくとも１つに画像を投影する方法であって、
１つまたは複数の所定波長範囲の光を生成するように構成された１つまたは２つの光源部からの入射光の光路上にある単一空間光変調（ＳＬＭ）ユニットを動作させ投影画像に応じて光を変調し、
投影画面に応じて入射光を変調するようにＳＬＭユニットを動作させ、
ＳＬＭユニットに向かって伝播する入射光またはＳＬＭユニットによって変調された光をそれぞれ前記第１および第２投影面に対応した少なくとも第１および第２光伝播路の１つに沿って伝播するように選択的に導く方法。
【請求項４７】
入射光の選択的導光は、入射光を制御可能な偏光回転子および偏光分離素子を通過させ、偏光回転子の動作位置は第１および第２チャネルのいずれか１つまたはその両方に沿って選択的光伝播を決定する、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
それぞれ偏光分離素子の第１および第２出力における第１および第２ミラー部を提供し、第１および第２ミラー部は、ＳＬＭユニットに対して異なる光入射角で反射型ＳＬＭユニットに偏光分離素子の第１および第２出力光成分を導くように構成され、
それぞれ第１および第２投影面に向かって伝播するＳＬＭユニットの第１および第２出力光成分を提供する、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
第１偏光分離素子に対する入射光をＳＬＭユニットに向かって伝播する入射光を反射しＳＬＭユニットからの変調光出力を偏光回転子に伝達するように導き、
偏光回転子からの変調光を２つの出力面が第１および第２投影面と対応するように向けられた第２偏光分離素子に導く、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
入射光の選択的導光は、反射型ＳＬＭユニットに向かって伝播する入射光を、ＳＬＭユニットに対する入射光を反射しＳＬＭユニットからの変調光出力を通過させるように向けられた偏光分離素子を通過させ、通過した変調光を第１および第２投影面の１つを直接通過できるようにするか、通過した変調光を少なくとも部分的に光を反射するように構成されたミラーに導き偏光分離素子に反射して戻すことによって他の投影面に反射するよう導くか、のいずれか一方を選択的に実行する、請求項４６に記載の方法。
【請求項５１】
入射光の選択的導光は、反射型ＳＬＭユニットに向かって伝播する入射光を、ＳＬＭ ユニットに対する入射光を反射しＳＬＭ ユニットからの変調光出力を伝達するように向けられた偏光分離素子を通過させ、前記光を第１および第２投影面のいずれか１つに反射するように選択的に向けられたミラーに通過した変調光を導く、請求項４６に記載の方法。
【請求項５２】
変調光の選択的導光は、ＳＬＭ ユニットから出力された変調光を制御可能な偏光回転子を通過させ、偏光回転子から出た光を偏光分離素子に連続的に導き、偏光回転子の動作位置は、第１および第２チャネルのいずれか１つまたはその双方に沿う選択的光伝播を決定する、請求項４６に記載の方法。
【請求項５３】
偏光分離素子を通過した偏光光成分を、前記偏光分離素子によって第１および第２投影面のいずれか１つに反射される前記偏光分離素子に反射して戻す、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
変調光の選択的導光は、ＳＬＭユニットから出力される変調光を第１および第２投影面のいずれか１つに選択的に反射するか、他の投影面に対する変調光の直接伝播を可能にする、請求項４６に記載の方法。
【請求項５５】
変調光の選択的導光は、ＳＬＭユニットから出力される変調光をレンズおよびプリズムを交互に配置した列を通過させることによって前記光をレンズに入射し第１チャネルを通じて第１投影面に向けて伝播する第１光成分と、プリズムに入射し第２チャネルを通じて第２投影面に向かって伝播する第２光成分とに空間的に分離する、請求項４６に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１および第２チャネルにおける光伝播に影響を及ぼして第１および第２光成分の分離によって生じた欠落画素に対する補正を行う、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
変調光の選択的導光は、第１および第２動作位置の間でＳＬＭユニットを移動し、第１動作位置でＳＬＭユニットは第１光源部から第１光を受光するように向けられ第１投影面に向かって伝播する第１出力光を提供し、ＳＬＭユニットの第２動作位置でＳＬＭユニットは第２光源部から第２光を受光するように向けられ第２投影面に向かって伝播する第２出力光を提供する、請求項４６に記載の方法。
【請求項５８】
異なる波長範囲の少なくとも２本の光束の形で入射光を提供する、請求項４６ないし５７のいずれかに記載の方法。
【請求項５９】
光束はそれぞれ赤、緑、青色波長範囲の３つの光束を含む、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
光束の特定偏光を提供する、請求項５８または５９に記載の方法。
【請求項６１】
入射光に影響を及ぼして光束の断面内において略一様な輝度分布を提供する、請求項４６ないし６０のいずれかに記載の方法。
【請求項６２】
入射光を、それぞれ少なくとも２つの光源によって生成され単一ＳＬＭユニットに向かって伝播する少なくとも２本の入射光の光路上に配置された波長合成部を通過させることによって合成された多波長入射光束を生成する、請求項５８ないし６１のいずれかに記載の方法。
【請求項６３】
入射光を、少なくとも２つのＳＬＭユニットから到来する少なくとも２本の変調光束の光路上に配置された波長合成部をそれぞれ通過させることによって合成された多波長変調光束を生成する、請求項５８ないし６１のいずれかに記載の方法。
【請求項６４】
それぞれ少なくとも２つの光源によって生成された少なくとも２本の光束のそれぞれを通過させ、それぞれの光束の偏光品質を修正するように構成されたそれぞれの偏光修正素子を介して波長合成部に向かって伝播させる、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
偏光修正素子は１／４波長板である、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
偏光修正素子は、光束の円偏光を直線偏光に変換するように構成された、請求項６４または６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記波長合成部は、スペクトル位相調整素子を具備する、請求項６２に記載の方法。
【請求項６８】
前記波長合成部は、内部全反射条件に該当する角度で入射光の導波路として動作する平面光学素子を具備することによって導波路内の入射光の略すべてのエネルギーを維持し、さらに平面光学素子に向かう入射光束の伝播に影響を及ぼして光束を前記所定入射角で前記平面光学素子に導く、請求項６２または６７に記載の方法。
【請求項６９】
各光束の位相を変調する、請求項６２、６７および６８のいずれかに記載の方法。
【請求項７０】
変調された位相で光束の位相を補正する、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
カラー画像を投影する投影システムであって、
それぞれ異なる波長範囲の少なくとも２本の光束を生成する少なくとも２つの光源部を含む光源システムと、
単一空間光変調器（ＳＬＭ）ユニットに向かって伝播中に前記少なくとも２本の発生光束の光路上、あるいはそれぞれ少なくとも２つの空間光変調器（ＳＬＭ）ユニットを前記少なくとも２本の発生光束を通過させることによって生じた少なくとも２本の変調光束の光路上に配置され、それによって合成多波長出力光束を生成する波長合成部と、
合成出力光束を所望の画像拡大率で投影面に導く合成出力光束の光路上に配置された光学配列と、を具備するシステム。
【請求項７２】
波長合成部は、前記少なくとも２本の生成光束の光路上に配置された細い反射器付の潜望鏡を具備する、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７３】
波長合成部は、前記少なくとも２本の生成光束の光路上に配置された合成キューブを具備する、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７４】
波長合成部は、波長の異なる前記少なくとも２本の生成光束を１本の光束に合成可能にするスペクトル位相調整素子を具備する請求項７１に記載のシステム。
【請求項７５】
波長合成部は、内部全反射条件に該当する角度で入射光の導波路として動作する平面光学素子を具備し、それによって導波路内の入射光の略すべてのエネルギーを維持する、請求項７４に記載のシステム。
【請求項７６】
少なくとも２本の生成光束の光路上に配置され、光束を前記所定入射角で前記平面光学素子に導く第１導光部を具備する、請求項７５に記載のシステム。
【請求項７７】
前記少なくとも２本の光束の光路において少なくとも２つの位相変調素子を含む位相変調部を具備する、請求項７４ないし７６のいずれかに記載のシステム。
【請求項７８】
小型投影システムであって、
波長範囲の異なるそれぞれ少なくとも２本の光束を生成する少なくとも２つの光源部を含む光源システムと、
内部全反射条件に該当する角度で入射光の導波路として動作することによって導波路内の入射光の略すべてのエネルギーを維持する平面光学素子と、
少なくとも２本の生成光束の光路上に配置され、生成光束を前記所定入射角で前記平面光学素子に導く第１導光部と、を具備し、
前記平面光学素子は、
それぞれ導波路に向かって伝播する前記少なくとも２本の光束の光路上に少なくとも２つの位相変調素子を含む位相変調部と、
導波路に向かって伝播する位相変調光の光路上に配置されたスペクトル位相調整素子と、をその表面に具備し、
位相変調部およびスペクトル位相調整素子は、協働して光束の整形および波長合成を行い、波長の異なる前記少なくとも２本の光束を１本の光束に合成して合成光束を空間光変調器（ＳＬＭ）ユニットに導くシステム。
【請求項７９】
前記第１導光部は、ミラーまたはプリズムである、請求項７８に記載のシステム。
【請求項８０】
位相変調素子は、トップハット回折光学素子であり、所定の伝播距離の後、光束プロファイルを入射ガウス形プロファイルから矩形プロファイルに変換することを可能にする、請求項７８または７９に記載のシステム。
【請求項８１】
スペクトル位相素子は、波長の異なる入射光束が各波長に応じた異なる回折素子を検出するようなパターンの深さを増加させることによって設計された回折光学素子であり、異なる角度でスペクトル位相素子に入射する波長の異なる入射光束を同じ空間方向に出力する、請求項７８ないし８０のいずれかに記載のシステム。
【請求項８２】
ＳＬＭユニットから出力された変調光の光路上に配置され変調光を投影表面に導く第２導光部を具備する、請求項７８ないし８１のいずれかに記載のシステム。
【請求項８３】
第２導光部から出力された光の光路上に配置された撮像レンズ列をさらに具備する、請求項７８ないし８２のいずれかに記載のシステム。
【請求項８４】
撮像レンズ列は、投影表面の方位角に該当する角度で向けられ、撮像レンズ列の角度を調整することによって変調光によって形成された投影画像に対する投影表面の傾きによって生じた収差の補正を可能にする、請求項８３に記載のシステム。
【請求項８５】
第２導光部の向きが、少なくとも２つの異なる投影モードでのシステム動作に対して調整可能である、請求項８２ないし８４のいずれかに記載のシステム。
【請求項８６】
波長の異なる少なくとも２本の光束を１本の光束に合成する際に使用する方法であって、前記少なくとも２本の光束を増加した深さパターンを持つ回折格子の形で波長合成素子を介して通過させる方法。
【請求項８７】
前記波長合成素子は、記録面から所定の距離に位置するマスクを用い、マスク面および記録面に関する特殊な変形を考慮して記録面上に所望のプロファイルを生成するような記録処理によって生成される、請求項８６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンターテインメント市場は「前面投影型」、「背面投影型」システムおよびニアアイ（near eye）（直接表示（direct view））システムの導入により大幅に拡大した。前面投影型システムにおいて、視聴者は映像光線が投影される側と同じ側の前面投影画面に対面して表示像を見る。一方、背面投影型システムにおいて、視聴者は映像光線が投影される側と反対側の表示像を見る。ニアアイシステムにおいて、視聴者はＳＬＭそのものの拡大仮想画像を表示画像として見る（よって「直接表示」と呼ぶ）。
【０００３】
米国特許第６，４８５，１４６号明細書は、特殊投影光学素子およびその光学素子と連携して動作するよう最適化された統合画面を協調させて最高の表示性能および必要かつ主要な補正を行うように構成した薄型統合前面投影システム（low-profile integrated front projection system）を開示している。このシステムは、筐体部、投影部、および拡大部からなる。筐体部は、前面投影画面を提供する前面を持つフレーム、その他のモジュール構成部品を具備している。さらに、格納位置、投影位置を有し、前面投影型ヘッドを結合できる可動アーム付き投影部を含んでもよい。一態様によれば、投影部はモジュラー化され、筐体に結合された複数の容易に交換可能なコンポーネントモジュールを持ち、これらが協働して画像を前面投影画面に投影する。他の態様によれば、統合前面投影システムは、筐体に結合した拡大部をさらに具備する。拡大部は、筐体に形成され投影部の表示コントローラと電気的に接続された拡張スロットおよび拡張スロットに接続された拡張モジュールを具備する。拡張モジュールは表示コントローラの機能を拡張するよう動作する。
【０００４】
米国特許第５，２８５，２８７号明細書は、前面投影モードおよび背面投影モードで選択的に動作できる画像表示装置用の投影方法および装置を開示している。この装置は筐体に配置されるプロジェクタ、筐体壁に形成される背面投影画面および筐体外部に配置される前面投影画面を具備する。前面および背面投影のいずれかを選択できるよう、プロジェクタは筐体に取り外し可能に取り付けられる。プロジェクタ搭載時、画像光は背面投影用として筐体に導入され、一方プロジェクタを取り外した場合は前面投影用に使用できる。他の実施の形態において、選択的導光器によって画像光は背面投影画面または前面投影画面のいずれかに導かれる。さらに別の実施の形態において、背面投影画面は、透明、半透明状態の切り替えを行うことができる。透明状態の場合、画像光は背面投影画面を通過して前面投影画面に到達する。
【０００５】
本願の譲受人に譲渡された国際公開第０３／００５７３３号パンフレットは、画像投影装置および方法を開示している。この装置は、ＳＬＭ画素配列によって形成された空間光変調器（ＳＬＭ）のアクティブ表面に入射する光束を生成するように動作する光源システムおよびＳＬＭユニットの出力側に配置される拡大光学素子を具備する。ＳＬＭ画素配列に入射する光束は、前記アクティブ表面のサイズに対応した所定の断面を持っている。ＳＬＭユニットは、画素配列の互いに反対側に配置された第１、第２レンズ列を具備し、第１列の各レンズとそれに対応する反対側の第２列のレンズがＳＬＭ画素の一つと対応づけられている。
【０００６】
発光ダイオード（ＬＥＤ）が普及して数年になるが、今日は実績のある技術とみなされている。ＬＥＤは、光出力が小さいため、これまで単純な照明、通信用に限定されてきた。ここ数年、ＬＥＤは数ルーメンに達し、携帯、低消費電力分野に好適な小型投影装置の製造を可能にしている。しかし、高光出力ＬＥＤは、ＬＥＤをベースにしたマイクロプロジェクタの実現を妨げる唯一の障害ではない。移動・携帯用に好適なサイズの投影画面の需要に応えるには数十ルーメンの光出力の投影システムが必要になる。現在利用できる高出力ＬＥＤに基づくモバイル装置用のマイクロ投影システムは、高電力消費なしには要求された光出力を達成することは不可能なので高出力ＬＥＤはそのような用途にはまだ好適ではない。
【０００７】
現在のプロジェクタ構成は市販の構成部品である、あらゆるタイプ（透過型、反射型等）の空間光変調器（ＳＬＭ）を必要とする。透過型ＳＬＭには光出力を著しく減衰させる２組の偏波器が内蔵されている。ＬＣＯＳ変調器タイプなどの反射型ＳＬＭには１つの偏波器が内蔵されているが、光が同じ偏波器を２度通過するため光出力は著しく減少する。２つの変調器において、ＬＥＤによって生じた光にはランダムな偏光が含まれるため第１偏波器は光の著しい減衰（約５０％）をもたらす。偏光ＬＥＤを用いると特定の出力偏光（ランダムな偏光ではなく）の光を発生し、５０％の光減衰分の大部分を保持し第１偏波器での光損失を抑え第１偏波器そのものが必要でなくなる。そのような偏光ＬＥＤの実現可能性については最近実証されている（たとえば、「集積ＺｎＯベースのスピン偏光ＬＥＤ」、ラトガーズ大学）。
【０００８】
投影システムは偏光レーザ光源を用いても実現できる。偏光レーザ光源は、光学的効率向上の観点から偏光ＬＥＤと同様に効率的である。しかし、レーザ光源には目に対する安全上の問題や干渉模様現象の取り扱い、システムのコスト増大などの新たな課題が伴う。
【発明の開示】
【０００９】
投影システム、特に同じデータを２つの空間的に分離したチャネルを通して２つの異なる投影面に対する二重投影を可能とする小型投影システム用の技術が求められている。これらの投影チャネルには、前面、背面投影チャネル、２つの前面投影型チャネル、２つの背面投影型チャネル、あるいは直接表示・ニアアイチャネル付き前面・背面投影チャネルがある。
【００１０】
本発明は、背面投影型（あるいはニアアイ／直接表示機能）と前面投影型技術を効率的に組み合わせた革新的な二重投影システムおよび方法を提供する。光出力を２つの投影チャネルに分配し、例えば一方の投影チャネルの未使用時、すべての光出力を他方の投影チャネルに回す（その逆もまた同様）ことができるので本システムは低消費電力と光効率の改善を特徴とする。例えば、本発明を携帯ビデオカメラに使用する場合、大きなＬＣＤ画面の代わりに前面投影を録画中の画像の快適な表示に使用し、背面投影をカメラのファインダとして使用する。また、本発明の技術はファインダ機能を搭載した装置で（装置そのものよりもさらに大きい）大画面を使用して多数の視聴者の間で共有できるようにするものである。前面、背面投影型チャネルは、空間光変調器（ＳＬＭ）に対応した光路に配慮して単一光路として実現することが好ましい。
【００１１】
このように本発明の一つの広範な態様によれば、第１および第２投影モードの少なくともいずれかで動作するよう構成された投影システムであって、
（ｉ）１つまたは複数の所定波長範囲の光を発生可能な１つまたは複数の光源部を搭載した光源システムと、
（ｉｉ）直接投影または表示する画像に応じて入射光を空間変調するように動作可能な１つまたは複数のＳＬＭユニットを搭載した空間光変調器（ＳＬＭ）システムと、
（ｉｉｉ）２つの空間的に分離した光伝播路に対応し、所望の画像倍率でそれぞれ第１および第２投影面に光を導く２つの光学系と、を具備し、システムはＳＬＭシステム側への入射光またはＳＬＭ システムによる変調光のいずれかをそれぞれ第１および第２投影面に対応した２つのチャネルの少なくともいずれかを通じて伝播するよう選択的に導くように構成されている。
【００１２】
なお、前面および／または背面投影システムを考慮した場合、投影対象は画像でありＳＬＭは投影する画像を表すデータによって動作する。ニアアイ／ファインダ用途の場合、チャネルの一つは拡大光学素子を用いて画像の投影ではなくＳＬＭ画像そのものを拡大する。したがって、ここで用いる「投影面」という用語は実際に画像または画像投影が表示される平面を意味している。
【００１３】
ＳＬＭユニットは反射型または透過型のいずれであってもよい。
【００１４】
本発明の一実施の形態によれば、選択的導光は偏光に対して選択的に影響を及ぼし、互いに直交する２つの光に分離可能な少なくとも１つの素子（ビームスプリッタまたは光磁気ビームスプリッタ等）を用いて２つの光伝播チャネルを定義することによって実現する。ここではそのような偏光分離素子を「偏光スプリッタ」と呼ぶものとする。制御可能な偏光回転子は（光源部から投影面への光伝播の方向に対して）ビームスプリッタの下流側で使用できる。この場合、偏光回転子の動作位置によって２つのチャネルのいずれか、またはその両方による選択的光伝播が決まる。偏光ビームスプリッタおよび偏光回転子はともに反射型ＳＬＭユニットの下流側に配置してもよい。ミラー部はそれぞれ２つのチャネルで用いることによって伝達する偏光を偏光ビームスプリッタを通じて反射型ＳＬＭユニットに偏光ビームスプリッタから反射した他の偏光成分の入射角と異なる入射角で導いてもよい。２つの偏光ビームスプリッタは、その間に制御可能な偏光回転子を挿入しても使用してもよい。この場合、第１偏光ビームスプリッタは反射型ＳＬＭに対して光を反射し変調光を偏光回転子を介して第２偏光ビームスプリッタへ伝達する。偏光回転子および偏光ビームスプリッタは、透過型ＳＬＭの下流側に配置することによって変調光の方向を選択的に決定するようにしてもよい。新たな偏光回転子およびミラーを偏光ビームスプリッタの下流側の変調光の光路上に配置してもよい。
【００１５】
本発明の別の実施の形態によれば、選択的導光は偏光ビームスプリッタから出た変調光の光路上のミラーを選択的に動作させることによって変調光をチャネルの少なくとも一つに導くことによって実現される。ミラーはこの光をビームスプリッタに戻し、ビームスプリッタで反射された光はそれぞれ第１および第２投影面に導かれる。偏光ビームスプリッタは反射型ＳＬＭユニットの上流側に配置し、動作位置、非動作位置の間で移動可能なミラーは部分的に透明であってもよい。この場合、ミラーの動作状態において偏光ビームスプリッタからの光出力の一部は第１および第２投影面のいずれかに送られそれ以外の部分は偏光ビームスプリッタに向けて反射して戻され、ビームスプリッタで他の投影面に向けて反射される。このようにシステムは第１および第２投影モードの両方で動作可能であり、あるいはこれらのチャネルのうちいずれか一方で動作可能である。一方、そのような半透明部は偏光ビームスプリッタの出力部に固定して設置してもよい。このようにシステムは第１および第２投影モードで動作する。
【００１６】
さらに他の実施の形態によれば、選択的導光はＳＬＭユニットをこの場合２つの光源または単一光源のそれぞれ２つの異なる位置で規定される２つのチャネルのいずれか一つに選択的に再設定することによって実現される。
【００１７】
本発明のさらに別の実施の形態によれば、選択的導光は偏光ビームスプリッタを２つの光源または単一光源のそれぞれ２つの異なる位置で規定される２つのチャネルのいずれか一つに選択的に再設定することによって実現される。
【００１８】
さらに他の実施の形態によれば、選択的導光を交互に配置したレンズとプリズムの列によって光を２分割してそれぞれ２つのチャネルを伝播させることによって実現される。
【００１９】
本発明の別の広範な態様によれば、少なくとも第１および第２投影面のいずれかに画像を投影する方法であって、１つまたは２つの光源部からの入射光の光路上に配置された単一空間光変調（ＳＬＭ）ユニットを動作して投影する画像にしたがって光を変調し、光源部は１つまたは複数の所定波長範囲の光を発生するように構成され、またＳＬＭユニットに向かって伝播する入射光またはＳＬＭユニットで変調された光をそれぞれ前記第１および第２投影面に対応した第１および第２光伝播路の少なくともいずれかを通して伝播するよう選択的に導く。
【００２０】
光源部は赤、緑、青の波長範囲の光を発生するように構成するのが好ましい。光源部は発生した光の断面内で略一様な輝度分布となるように構成するのが好ましい。これは回折素子を用いて実現される。
【００２１】
本発明はまた以下に関連した問題を解決するものである。表示対象は携帯、電池駆動装置で生成した英数字およびグラフィック情報であることが多い。そのようなディスプレイは十分な大きさの明瞭な画像を生成し消費電力量も十分低くなければならない。本発明は低電力光源を使用したマイクロプロジェクタおよび表面に画像を投影する特殊な光学素子を提供することでこの問題を解決する。本発明はレーザをベースにした投影システムよりさらに小型、好適、低コストの可能性をもった偏光ＬＥＤを利用する。
【００２２】
このように、本発明のさらに別の態様によれば、カラー画像を投影する投影システムであって、それぞれ異なる波長範囲の少なくとも２本の光束を発生する少なくとも２つの光源部を含む光源システムと、単一空間光変調器（ＳＬＭ）ユニットに向かって伝播する少なくとも前記発生した２本の光束の光路か、少なくとも前記発生した２本の光束がそれぞれ少なくとも２つの空間光変調器（ＳＬＭ）ユニットを通過することによって生じる少なくとも２本の変調光束の光路上に配置され、合成多波長出力光束を生成する波長合成部、および合成出力光束の光路上に配置され所望の画像倍率で投影面に光束を導く光学系と、を具備する。
【００２３】
さらに別の態様による本発明は、それぞれ異なる波長範囲の少なくとも２本の光束を発生する少なくとも２つの光源部を含む光源システムと、内部全反射条件に該当する角度で入射する入射光の導波路として動作することによって入射光のほぼ全エネルギーを導波路内で維持する平面光学素子と、少なくとも２本の発生光束の光路上に配置され前記所定入射角で前記平面光学素子に光束を導く第１導光部と、を具備する小型投影システムを提供し、平面光学素子は導波路を伝播する前記少なくとも２本の光束の光路においてそれぞれ表面に少なくとも２つの位相変調素子を含む位相変調部、および導波路を伝播する位相変調光の光路上に配置されたスペクトル位相調整素子を含み、位相変調部およびスペクトル位相調整素子は協働して光束の整形および波長合成を行い波長の異なる前記少なくとも２本の光束を１本の光束に合成し合成光束を空間光変調器（ＳＬＭ）ユニットへ導く。
【００２４】
システムは、変調された位相でスペクトル位相調整素子に向かって伝播する、それぞれ少なくとも２本の光束の光路上の少なくとも２つの位相補正素子を含む位相補正部をさらに具備することが好ましい。
【００２５】
本発明のさらに別の態様によれば、波長の異なる少なくとも２本の光束を１本の光束に合成するために使用する方法であって、増加した深度パターンで回折格子状の波長合成素子を介して前記少なくとも２本の光束を通過させる。
【００２６】
波長合成素子は、記録面から所定の距離に配置されたマスクを用い、マスク面および記録面に関する特殊な変形を考慮して記録面上に所望のプロファイルを生成するような記録処理によって生成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明、および本発明の実施方法を理解するために、添付図面を参照し非限定的実施例として本発明の実施の形態を説明する。
【００２８】
図１を参照すると、同図には本発明の投影システム１００の概略が示されている。システム１００は光源システム１０２、空間光変調器（ＳＬＭ）システム１０４、選択的導光手段１０６、およびそれぞれ第１および第２投影チャネルに対応した第１および第２拡大光学素子１０８Ａおよび１０８Ｂを具備している。
【００２９】
光源システム１０２は、それぞれ１つまたは複数の発光素子を具備する１つまたは複数の光源部を搭載している。好ましくはＲＧＢ光源部を使用する。なお、光源システムは、放出された光束の断面内でほぼ一様な輝度分布を提供するように動作可能な光学配列を含むことが好ましい。この光学配列は、一般に「トップハット」と呼ばれる回折素子を搭載している。光源部は高度に偏光された光束を生成するタイプのものが好ましい。
【００３０】
ＳＬＭシステム１０４は、光透過または光反射モードで動作するように構成できる。本発明のシステムは、単一ＳＬＭユニットを使用することが好ましいが、２つの投影チャネルにそれぞれ対応する２つのＳＬＭユニットを使用してもよい。それぞれ画像の画素として機能し変調ドライバによって個別にオンまたはオフされ、入射する光の偏光回転を実行することによって画素の該当する階調レベルを提供できるようにするアクティブセル（例えば液晶セル）の二次元列を構成する点を除きＳＬＭユニットの構成は既知の技術であるので特に説明を要しない。一部のセルは偏光に変化を生じさせることなく光を通過させるように制御され、一方他のセルはドライバからの入力信号に応じてある角度で偏光を回転するように制御される。
【００３１】
なお、偏光（例えば、マイクロミラー）を使用しない他のＳＬＭ技術も本発明で使用できる。ＳＬＭの充填比を改善するためＳＬＭユニットはＳＬＭ画素行列の上流側および下流側に小型レンズ列を含むことが好ましい。この概念については本願の譲受人に譲渡された上記の国際公開第０３／００５７３３号パンフレットに記載されている。
【００３２】
選択的導光手段は、２つの投影チャネルのいずれか一方または両方への光伝播を導くように設計されている。なお、選択的導光手段は、物理的素子を用いて構成してもよいしまったく用いないで構成することもできる。そのような手段は、例えば（以下に示すように）ＳＬＭユニットをその異なる動作位置間で変位させることによって実現できる。導光器１０６の物理的素子はＳＬＭの上流側または下流側に配置してもよく、その部品もＳＬＭの上流側または下流側いずれに配置してもよい。
【００３３】
第１および第２投影チャネルは、前面および背面投影型チャネル、２つの前面投影型チャネル、２つの背面投影型チャネル、または背面／前面投影型に直接表示・ニアアイチャネルを加えたもののいずれでもよい。以下に示す例において、これらのチャネル（すなわちそれらの拡大光学素子）はそれぞれ前面および背面投影モード用に設計されたものとして示されているが本発明はこれらの例には限定されない。
【００３４】
本発明の投影システムの異なる構成を示す図２Ａないし図２Ｄを参照する。理解を容易にするために、本発明のすべての例において、共通の構成要素には同じ参照番号を使用する。これらの例において、光源部は偏光光を生成するタイプのものである。偏光光の生成は、偏光発光素子を用いるか、発光素子の出力部で偏波器を用いることによって実現できる。光源として、レーザ、発光ダイオード等、任意のタイプのものを使用できる。
【００３５】
図２Ａの例において、投影システム２００Ａは少なくとも前面または背面投影モードのいずれか１つのモードで動作するように構成される。システム２００Ａは、光束２を生成する単一光源部１０２によって形成される光源システム、選択的に光を光チャネルＣ１、Ｃ２のいずれか一方またはその両方を伝播させて前面および背面投影面Ｐ１、Ｐ２に導くように構成された選択的導光手段１０６、単一反射型ＳＬＭユニット１０４（ＡＭＬＣＤ、ＬＣＯＳまたはマイクロミラー型等）およびそれぞれチャネルＣ１、Ｃ２に対応した拡大光学素子１０８Ａ、１０８Ｂを含む。また、システム２００Ａには光束２を適切に拡大／平行化するように構成されたレンズ列６を設けることが好ましい。
【００３６】
導光部１０６は、偏光回転子４（半波長板、例えば、単一画素液晶セル）、偏光ビームスプリッタ８、およびミラー１０、２２および２４を含む。偏光ビームスプリッタ８とともに偏光回転子４は、ビームスプリッタに対する偏光回転子の回転角で規定される前面投影型チャネルＣ１への光量および背面投影型チャネルＣ２への光量を決定する。ミラー１０は、偏光ビームスプリッタを通じて送られた光成分Ｌ１を適切に偏向してＳＬＭ ユニットに対するこの光成分の所望の入射角を得、ＳＬＭから前面投影面（入射角に等しい角）への出力（変調）光Ｌ１の反射を実現する。ミラー２２および２４は、ビームスプリッタから反射された他の光成分Ｌ２をこの光成分の所望の入射角を与えるようＳＬＭユニット（前面投影型経路に対して９０度）に適切に導き背面投影面への出力（変調）光Ｌ’２の反射を得る。図示のように、光成分Ｌ１およびＬ２は、互いに９０度の角度をなすそれぞれの軸に沿ってＳＬＭユニット１０４に入射し、従って２つの画像を異なる位置に形成できる。
【００３７】
（レンズ６による拡大後）ビームスプリッタに入射する光束２は、システムの動作モードよっては偏光回転子４により以前に影響を受けている場合とそうでない場合がある。ビームスプリッタ８は、光の回転部分にしたがって光束を分割する。例えば、光束２を偏光回転子４によって９０度回転すると、光源１０２からのｓ−偏光光がｐ−偏光光となり、またその逆の場合もある。０〜９０度までのいずれかの角度の回転の結果、異種の偏光が混合し、次に光はビームスプリッタ８によってそれぞれチャネルＣ１およびＣ２を通過する２つの直線偏光光成分に分割される。
【００３８】
光成分Ｌ’１の光路上に配置された光学系１０８Ａは、偏波器２５および撮像レンズ２６を含み、この光成分を投影面Ｐ１に投影する。光学系１０８Ｂは、拡大レンズ１４（その上流側の偏波器１５を含む）およびガラス、有機物、空気等の透明材料からなり素子１６の対向する面に平行に間隔をおいて配列された２つのミラー１８で形成され光伝播路として機能する光学素子１６を含む。光Ｌ’２は偏波器１５およびレンズ１４を通過し拡大され伝播路１６と位置合わせされ、伝播路１６で光Ｌ’２はミラー１８の間で跳ね返り大きな距離を伝播することによってこの光束は所望の拡大サイズでレンズ２０を通じて伝播路から出、背面投影面Ｐ２に投影される。
【００３９】
なお、光路には必要に応じて新たな偏波器を追加し光偏光を調整することができる。光学素子１６を設けるかどうかは選択でき、ファインダまたは前面／背面投影用の撮像レンズとして使用する場合は単純な拡大レンズで置き換えることができる。手持ち式の装置または薄型の物理的形状を維持することが必要な他の装置内で背面投影型モジュールを実現するためには、このモジュールの撮像レンズとＳＬＭユニットとの距離を最小にし、しかも所望の倍率を維持する必要があり、光学素子１６は素子内部で光を跳ね返らせ、光が撮像レンズに導かれそこから背面投影面まで導かれる前に素子を通過する距離が長くなるようにすることによってそれを実行する道筋を描く。平面光学素子もこのため同様に利用できる。
【００４０】
図２Ｂの投影システム２００Ｂも前面または背面投影モードのいずれか一方またはその両方で動作するように構成される。ここでは単一透過型ＳＬＭユニット１０４を使用する。光源システムは単一光源部１０２を含み、単一光源部１０２は図２Ａ同様ＲＧＢ波長範囲の光束２を生成するように構成される。この光束２は、平行化／拡大レンズ６を介してＳＬＭユニット１０４に導かれる。出力変調光は、偏光回転子４（半波長板、例えば、単一画素ＬＣセル）に導かれる。図２Ａを参照して説明したように、偏光ビームスプリッタ８とともに偏光回転子４は、前面投影型チャネルＣ１への導光量および背面投影型チャネルＣ２への導光量を決定する。光伝播方式は、図示のとおりであり説明を要しない。
【００４１】
単一ＳＬＭユニットの代わりにそのような２つのＳＬＭユニットを使用することもできる。これについて図２Ｃに示す。同図に示すように、システム２００Ｃは概してシステム２００Ｂに類似しているが、２つの透過型ＳＬＭユニット１０４Ａおよび１０４Ｂを含む点で異なる。一方は偏光ビームスプリッタ８を通過する光成分Ｌ１の光路（チャネルＣ１）に存在し他方はビームスプリッタ８によって反射された光成分Ｌ２の光路（チャネルＣ２）に存在する。
【００４２】
図２Ｄの例において、投影システム２００Ｄは、単一反射型ＳＬＭユニット１０４（ＡＭＬＣＤまたはＬＣＯＳ等）および単一光源部１０２（ＲＧＢ光源）を利用する。選択的導光部１０６は２つのビームスプリッタ８Ａおよび８Ｂ、およびそれらの間に挟持された偏光回転子４を含む。上記の例同様、システム２００Ｄは平行化／拡大レンズ列６を含むことが好ましい。
【００４３】
システム２００Ｄの動作は以下のとおりである。光源部１０２からの光束２はレンズ６を通過し、レンズ６は光束を平行の状態で偏光ビームスプリッタ８Ａに導く。偏光ビームスプリッタ８Ａは光束２をＳＬＭユニット１０４に向けて反射し表示（投影）する画像にしたがって空間的に変調させるように光源の偏光に応じて適切に設計されている。変調光は、偏光ビームスプリッタ８Ａに戻され次に偏光回転子４に入射し、そこで光の偏光タイプを変更でき第２偏光ビームスプリッタ８Ｂに向けて出力される。第２偏光ビームスプリッタ８Ｂは偏光回転子４からの変調光の偏光タイプに応じて（すなわち偏光回転子が非動作位置にあるか動作位置にあるかに応じて）変調成分Ｌ１およびＬ２をそれぞれ反射し透過させる。光成分Ｌ１は光学系１０８Ａに向かって伝播し前面投影面Ｐ１上で結像し、光成分Ｌ２は光学系１０８Ｂに向かい背面投影面Ｐ２上で結像する。
【００４４】
図３を参照して本発明の他の例による投影システム３００を説明する。前述のように、同じ参照番号は本発明のすべての例に共通な構成要素を識別するものである。システム３００は、単一光源部１０２、単一透過型ＳＬＭユニット１０４、偏光ビームスプリッタ８からなる選択的導光部１０６、ビームスプリッタ８とＳＬＭユニット１０４の間の偏光回転子４、偏光ビームスプリッタ８を通過した光成分Ｌ１の光路上に配置されたλ／４偏光回転子板５７およびミラー５８、および光学素子１０８Ａ、１０８Ｂを含む。光源１０２からの光束２はレンズ列６を通過し、ＳＬＭユニット１０４によって変調された後偏光回転子４に導かれる。偏光ビームスプリッタ８とともに偏光回転子４は前面投影チャネルＣ１への光量と背面投影チャネルＣ２への光量とを決定する（光量の指定はビームスプリッタに対する偏光回転子の回転角によって決まる）。光成分Ｌ１はλ／４偏光回転子５７を通過した後ミラー５８で反射されその偏光が９０℃だけ回転して、ビームスプリッタ８に戻される。ビームスプリッタ８は、この光成分Ｌ１を光学素子１０８Ａに反射する。この構成の結果、光成分Ｌ１、Ｌ２は平行軸に沿ってそれぞれの投影面に向かって伝播する。特に示していないが、単一ＳＬＭユニットは２つのＳＬＭユニットで置き換えてもよく、一方はビームスプリッタ８と光学系１０８Ａの間に配置し、他方はビームスプリッタと光学系１０８Ｂの間に配置してもよい。
【００４５】
図４は、本発明によるさらに別の投影システム４００を例示したものである。図４は概して上記の各例に類似しており、光源部１０２、単一反射型ＳＬＭユニット１０４、選択的導光手段１０６、および光学系１０８Ａ、１０８Ｂを具備し、上記の例とは選択的導光手段１０６が偏光回転子を持たず、偏光ビームスプリッタ８およびミラー７８のみで形成されている点が異なっている。光源１０２によって生じた偏光光束２はレンズ６を通過して平行な光束として偏光ビームスプリッタ８に導かれる。偏光ビームスプリッタ８は偏光光をＳＬＭユニット１０４に向けて反射するように適切に設計されている。変調光２’はＳＬＭユニット１０４によって偏光ビームスプリッタ８に向けて反射されて戻され、偏光ビームスプリッタ８はこの光２’を光学系１０８Ｂに送る。
【００４６】
ミラー７８は、光２の光路に固定的に設置されていてもよく、また半透明ミラーであってもよい。この場合、システム４００は同時に前面、背面型投影モードで動作することになる。光２の一部Ｌ１はミラー７８によって反射されてビームスプリッタに戻り、ビームスプリッタはこの光Ｌ１を光学素子１０８Ａに反射して前面投影面Ｐ１に導き、一方光２’の一部Ｌ２はミラー７８によって光学素子１０８Ｂに送られ背面投影面２に導かれる。
【００４７】
代替的にあるいは追加的に、ミラー７８はビームスプリッタ８から出力した光２’の光路上の動作位置とこの光路の外の非動作位置との間で移動可能であってもよい。この場合、ミラーが半透明であれば、システムは選択的に前面および背面投影モード双方で動作するか（ミラー７８の動作位置の場合）、背面投影モードのみで動作する（ミラーの非動作位置の場合）。ミラーの反射率が高い場合、システムはミラーの非動作位置の場合は背面投影モードで動作し、ミラーの動作位置の場合は前面投影モードで動作する。
【００４８】
図５は本発明のさらに別の例を示す。ここで、投影システム５００は単一偏光光源部１０２、単一透過型ＳＬＭユニット１０４、動作状態、非動作状態間で移動可能なミラー９６により形成された選択的導光部１０６、および光学素子１０８Ａ、１０８Ｂを使用する。光源１０２で生成された偏光光束２はレンズ６を通過してＳＬＭユニット１０４に入射する。ＳＬＭユニット１０４を通過した変調光２’は前面投影型光学素子１０８Ａに向かって伝播する。ミラー９６が非動作位置にある場合、すなわち光２’の光路外にある場合、システムは前面投影モードのみで動作する。ミラー９６が動作状態（例えば、回転状態）でありその反射表面がＳＬＭユニット１０４の出力に面する場合、出力光２はミラー９６によって反射され背面投影光学素子１０８Ｂに向かい、システムは背面投影モードのみで動作する。
【００４９】
ミラー９６は、電動回転型であってもよく、各チャネルに対する光の部分のデューティサイクル動作によって制御できる。具体的には示さないが透過型ＳＬＭユニットは反射型ＳＬＭユニットに置き換えることができる。
【００５０】
図６は、本発明のさらに別の実施の形態による画像投影システム６００を示す。システム６００は、単一光源部１０２からなる光源システム、単一透過型ＳＬＭユニット１０４からなるＳＬＭ部（反射型ＳＬＭで代替可能）、選択的導光部１０６および画像拡大光学系１０８Ａ、１０８Ｂを主要な構成部分として具備する。導光部１０６は、ＳＬＭユニット１０４の下流側に配置され、マイクロレンズ１１４Ａとマイクロプリズム１１４Ｂを交互に配置した小型レンズ列１１４を含む。導光部１０６はさらに第１列１１４のプリズム１１４Ｂで生じた拡散を補正するためのプリズム第２列１２０およびマイクロレンズ列１１６、１２２、１２４も含む。システム６００の動作は以下のとおりである。
【００５１】
光源１０２で発生した偏光光束２は、平行化／拡大レンズ列６を通過しＳＬＭユニット１０４に導かれる。ＳＬＭユニット１０４から出力された（本実施例ではＳＬＭを通過した）変調光２’は小型レンズ列１１４に入射する。小型レンズ列１１４は、光２’をマイクロレンズ１１４Ａに入射し同レンズを通過し第１チャネルＣ１を通じて前面投影型光学素子１０８Ａに向かって伝播する光成分によって形成される光部分Ｌ１とマイクロプリズム１１４Ｂに入射し、偏向されてチャネルＣ２を通じて背面投影型光学素子１０８Ｂに向かって伝播する光成分で形成される部分Ｌ２とに分割する。
【００５２】
本構成では、画像画素の半分は前面投影画像に使用され、残り半分は背面投影型画像に使用されるので各画像において２つの画素ごとに１画素の間隙が形成される。このようにして形成された間隙を埋め互いに連続した画素の画像を作成するために背面投影、前面投影チャネルのいずれにおいても必要な補正を行う第２小型レンズ列が必要となる。
【００５３】
前面投影型チャネルにおいて、光部分Ｌ１は小型レンズ列１１４を通過し、レンズ列１１６（連続レンズを含む）に導かれ平行光に整形され光学素子１０８Ａを通じて前面投影面Ｐ１に投影される。
【００５４】
背面投影型チャネルにおいて、光部分Ｌ２は補正のため２つの光学的変換を必要とする。小型レンズ列１１４に入射した変調光２’はいつくかの波長（ＲＧＢ波長）が含まれているので、各波長は角度の異なるプリズム１１４Ｂで偏向され、したがって波長を元の形に再グループ化するために第２マイクロプリズム列１２０が必要になる。マイクロプリズム列１２０で補正された画像は２つの画素ごとに１つの画素の間隙が依然存在するが、この効果は画像を（間隙を排除して）互いに連続した画素の画像に変換する小型レンズ列１２２および小型レンズ列１２４をこの光がさらに通過するようにさせることによって修正することができる。
【００５５】
図７は、本発明のさらに別の実施例に対応した投影システム７００を示す。システム７００は、２つの光源部１０２Ａ、１０２Ｂからなる光源システム、単一透過型ＳＬＭユニット１０４（反射型ＳＬＭでも代替可能）、選択的導光手段１０６、および画像拡大光学系１０８Ａ、１０８Ｂを具備している。ここで選択的導光手段１０６は、２つの異なる動作位置でＳＬＭユニットをシフト（回転）するようにＳＬＭユニットに対応した駆動機構（図示せず）からなる。第１動作位置でＳＬＭユニットの入射面は光源１０２Ａで規定される伝播路Ｃ１に面する。第２動作位置（図中点線で示す）でその入射面は光源１０２Ｂで規定される光伝播路Ｃ２に面する。
【００５６】
なお、光源１０２Ａおよび１０２Ｂは、それぞれ投影および覗き込み型直接表示に対応した実質的に異なるパワー出力タイプであってもよい。ＳＬＭユニットは、電気的にまたは手動により回転でき、したがって「駆動機構」は自動または手動駆動を意味する。ＳＬＭユニットは装置の物理的特性に応じて異なる軸を中心に回転する方向に向けてもよい。
【００５７】
このように、システムの前面投影モードにおいて、光源１０２Ａは動作状態、光源１０２Ｂは非動作状態である。光源１０２Ａで発生した光束２Ａは平行化／拡大化光学系６Ａを通過して、第１動作位置で適切に回転するＳＬＭユニット１０４に入射する。ＳＬＭユニットからは変調光２Ａ’が出力し（本実施例では通過し）前面投影型光学素子１０８Ａに向かって伝播する。システムの背面投影モードにおいて光源１０２Ａは非動作状態、光源１０２Ｂは動作状態となり、ＳＬＭユニット１０４は第２動作位置にある。光源１０２Ｂによって発生した光束２Ｂは平行化／拡大化光学系６Ｂを通過しＳＬＭユニット１０４に入射する。ＳＬＭユニットからは変調光２Ｂ’が出力し背面投影型光学素子１０８Ｂに向かって伝播する。
【００５８】
図８Ａおよび８Ｂは本発明のさらに別の実施例に対応した画像投影システム８００を示す。システム８００は、２つの光源部１０２Ａ、１０２Ｂ（それぞれ偏光ＲＧＢ光束を発生）からなる光源システム、単一反射型ＳＬＭユニット１０４、選択的導光器１０６、および拡大光学素子１０８Ａ、１０８Ｂを含む。選択的導光器１０６は、偏光ビームスプリッタ８およびミラー１６２を具備し、ＳＬＭユニットで反射した光の伝播方向に平行な軸の周りに回転してその第１および第２動作位置の間で移動できる。図８Ａは選択的導光器１０６の第１動作位置でのシステムを示すもので、この位置でシステムは前面投影型またはファインダモードで動作する。この場合、光源１０２Ａは動作状態であり光源１０２Ｂは非動作状態である。図８Ｂは選択的導光器１０６の第２動作位置でのシステムを示すもので、この位置でシステムは背面投影モードで動作する。この場合、光源１０２Ｂは動作状態であり光源１０２Ａは非動作状態である。
【００５９】
このように図８Ａに示すように光源１０２Ａで発生した光束２Ａは、レンズ６Ａで平行化／拡大化され偏光ビームスプリッタ８に導かれ、光ビームスプリッタ８は光束２ＡをＳＬＭユニット１０４へ反射する。ＳＬＭユニットからビームスプリッタ８へ反射され戻された変調光２Ａ’はビームスプリッタを通過してミラー１６２に送られ、ミラー１６２はこの光２Ａ’を前面投影型光学素子１０８Ａに向けて反射する。
【００６０】
図８Ｂに示すように、選択的導光器（ビームスプリッタ８およびミラー１６２）は、ＳＬＭユニットからの光伝播軸と平行な軸の周りに９０度回転する。光源１０２Ｂで生じた光束２Ｂはレンズ６Ｂで平行化／拡大化され偏光ビームスプリッタ８に導かれ、偏光ビームスプリッタ８は光束２ＢをＳＬＭユニット１０４に向けて反射する。ＳＬＭユニットからビームスプリッタ８へ反射されも戻された変調光２Ｂ’はビームスプリッタを通過してミラー１６２に送られ、ミラー１６２はこの光２Ｂ’を背面投影型光学素子１０８Ｂに向けて反射する。
【００６１】
なお、上記すべての図面において投影チャネルの一つを拡大光学素子で置換することによって直接表示ファインダとして使用することができる。この場合、２つのチャネルに対しては概ね異なるパワー出力を使用してもよい。
【００６２】
以上のすべての実施例において、ＳＬＭのフィルファクタ（充填比）を向上するためにＳＬＭユニットはＳＬＭ画素配列の上流側および下流側に小型レンズ列を含めてもよい。この概念は本願の譲受人に譲渡された上記の国際公開第０３／００５７３３号パンフレットに記載されている。
【００６３】
上記すべての実施例において、システムは背面投影型と前面投影型を組み合わせるように設計されているが、同様の原理を二重前面投影型（両チャネルともに前面投影型）または二重背面投影型（両チャネルともに背面投影型）に使用することもできる。
【００６４】
本発明のすべての実施例において、直交偏光の直線偏光光束の代わりに直交偏光の円偏光光束も使用することができることにも注目すべきである。このような円偏光は光源そのもの（例えば偏光ＬＥＤ）または光源で発生した直線偏光光を１／４波長板（λ／４）を通過させ、光磁気ビームスプリッタにより光を分割することによって生成することができる。
【００６５】
本発明は以下に関連した問題も解決する。表示対象は携帯・電池駆動装置で生成した英数字およびグラフィック情報であることが多い。そのようなディスプレイは十分な大きさの明瞭な画像を生成し消費電力量も十分低くなければならない。
【００６６】
本発明は低電力光源を使用したマイクロプロジェクタおよび表面に画像を投影する特殊光学素子を提供することでこの問題を解決する。本発明はレーザをベースにした投影システムよりさらに小型、好適、低コストの可能性をもった偏光ＬＥＤを利用する。人間の目によるカラー知覚の性質上、赤、緑、青色光源を組み合わせることによってすべての知覚カラーを生成するのに十分である。白色光を生成するには必要な光出力は概ねカラーごとに異なり、緑で７０％、赤で２３％、青で７％（必要な白色温度によって異なる場合がある）である。パワー変換効率（すなわち光パワー出力に対する電力入力の比）およびコストも概ねカラーごとに異なる。場合によっては複数の光源を混合したシステムの方が適していることもある。例えば偏光ＬＥＤ、偏光／非偏光レーザ光源および非偏光ＬＥＤを混合してシステムの光源として用いることができる。本発明は、偏光ＬＥＤと適切な光学構成を組み合わせて妥当な室内照明条件での快適な大きさの画像、低消費電力、高解像度・高品質の投影画像を含む今日の携帯・計算装置のすべての要件を実現する。
【００６７】
以下に上記の投影システムで使用可能な投影カラー画像を形成するための本発明の実施例のいくつかを示す。
【００６８】
図９は、偏光光源システム９０２、反射型ＳＬＭシステム９０４（ＡＭＬＣＤまたはＬＣＯＳ型）、潜望鏡部９０８、集光レンズ部９１６、偏光ビームスプリッタ９１８を用いた投影システム９００を示す。ＳＬＭシステム９０４は、ＳＬＭ画素配列（ＬＣ画素部）９２４および画素配列前面の２つの小型レンズ列を具備する。本願の譲受人に譲渡された上記の国際公開第０３／００５７３３号パンフレットに記載されているように画素配列および小型レンズ列は共通のＳＬＭユニットに集積されている。
【００６９】
光源システム９０２は赤、緑、青色光源（発光ダイオード）９０２Ａ、９０２Ｂ、９０２Ｃを含み、偏光光または部分偏光光を発生する。これらの光源によって発生した光束は、１／４波長板などの偏光修正素子９１２Ａ、９１２Ｂおよび９１２Ｃを通して導かれるのが好ましいが、これらの素子の搭載はオプションであって、円偏光を直線偏光に変換するなど偏光品質の修正を目的としている。これらの光束は回折成分（トップハット）９１４Ａ〜９１４Ｃを通過するのが好ましいが、これらの素子の搭載もオプションであって、ガウス形の光を一様な輝度の方形均一光に変換することを目的としている。一般に各光源に回折成分を使用する代わりに潜望鏡９０８と集光レンズ９１６との間に配置した一つの回折成分のみを使用してもよい。同様に、各光源に１個の３つの偏光修正素子を使用する代わりに単一偏光修正素子を潜望鏡と集光レンズとの間に使用してもよい。
【００７０】
潜望鏡９０８は薄膜ミラー９１０を含み、特定の波長に対して透明性を確保できるようにし他の波長の光は反射し、したがって３つすべての光源を同じ出力座標へ向けることが可能である。潜望鏡からの出力光はビームスプリッタの入口全域を覆うようにこの光をビームスプリッタ９１８に集光する集光レンズ９１６を通過する。入射光の特定の偏光成分は、ビームスプリッタで第１レンズ列９２０へ反射された後、第２レンズ列９２２によって焦点を絞られ集光され（画素サイズまで集光され）ＬＣ画素部９２４に向けて平行に送られる。このように光はすべてのアクティブな画素を相対的に通過した後、変調され背面ミラーのコーティング（図示せず）から反射されてビームスプリッタ９１８に戻る。
【００７１】
多彩な画像形成に必要なＲ、Ｇ、Ｂ合成は、同じ画素にカラーフレームを連続的に適用する（すなわち、各色はフレームごとにＳＬＭによって連続的に変調される）ことによって生成するか小型レンズ列によって屈折させてカラー画像を作成するために個々の画素に必要なすべての色を形成する。戻り光は入射光と反対に偏光されるので、戻り光はビームスプリッタ９１８の偏光表面を通過した後、撮像レンズ９２６で拡大、前方へ投影される。
【００７２】
なお、システム９００は例えば偏光ＬＥＤ、偏光／非偏光レーザ光源および非偏光ＬＥＤを混合した複数の光源を組み合わせてシステムの光源としてもよい。レンズ列の使用は（光学的効率を向上するので）好ましいが、必須ではなくレンズ列を一切使用しないでも変調器およびシステムを使用することができる。また、円偏光を直線偏光へ変換する場合など偏光修正成分を使用することは好ましい場合もあるが、必須ではなくそのような構成要素がなくても変調器およびシステムを使用することができ、あるいはそのような構成要素が光源に一体的に組み込まれていてもよい。さらに、回折成分を使用することは（光の一様性を向上するので）好ましいが、必須ではなく回折成分が一切なくても変調器およびシステムを使用することができる。光源は、コリメーティングレンズなど業界で知られている内部光学成分を含めてもよい。
【００７３】
例えば図２Ａに戻って説明すると、光源部１０２は、光源９０２Ａ〜９０２Ｃおよび潜望鏡９０８（および好ましくは素子９１２Ａ〜９１２Ｃ並びに９１４Ａ〜９１４Ｃ）で形成した図９のアセンブリを用いて構成してもよい。
【００７４】
図１０は、偏光／部分偏光ＬＥＤ１００２Ａ、１００２Ｂおよび１００２Ｃ、および３つのＳＬＭユニット１００４Ａ、１００４Ｂおよび１００４Ｃを含む反射型ＳＬＭシステムを用いた投影システム１０００を例示している。偏光赤、緑、青色光束Ｂｒ、Ｂｇ、Ｂｂは、それぞれＳＬＭユニット１００４Ａ、１００４Ｂおよび１００４Ｃによって変調された後カラー合成キューブ４４に向かって伝播し、カラー合成キューブ４４は光を撮像レンズ１０２６に伝達する。各光束は偏光修正素子（光束Ｂｒ用１０１２Ａ等）および回折成分（光束Ｂｒ用１０１４Ａ等）を介してそれぞれのＳＬＭユニットに向かって伝播することが好ましい。各光束は続いて光束をそれぞれの偏光ビームスプリッタ（光束Ｂｒ用１０１８Ａ等）に焦点を絞る集光レンズ（光束Ｂｒ用１０１６Ａ等）に向かって進む。偏光ビームスプリッタは光束の特定の偏光成分を該当するビームスプリッタ（光束Ｂｒ用１０１８Ａ等）に反射する。偏光ビームスプリッタは各ＳＬＭユニット（光束Ｂｒ用１００４Ａ等）にビームの特定の偏光成分を反射し、各ＳＬＭユニットでビームは第１レンズ列１０２０を通過し、焦点を結び第２レンズ列１０２２によって集光され（ビームを画素サイズに絞り）ＬＣ画素部１０２４に平行に送られ、変調されて背面ミラーコーティング（図示せず）から各ビームスプリッタに反射されて戻される。ビームスプリッタは（入射光と比較して）反対の偏光の戻り光をカラー合成キューブ４４に送り、３つのすべての色変調画像を合成し合成カラー画像を表す出力光束Ｂｏｕｔを撮像レンズ１０２６に送ることによって画面に画像を適切に拡大投影する。
【００７５】
図１１は赤、緑、青色光源１１０２Ａ、１１０２Ｂ、１１０２Ｃを含む偏光光源システム１１０２、透過型ＳＬＭユニット１１０４、潜望鏡部１１０８、集光レンズ列１１１６および撮像光学素子１１２６を用いた投影システム１１００を示す。上記の実施例同様、光源は偏光または部分偏光される。光源で発生し、かつ潜望鏡１１０８に向かって伝播する光束は修正素子１１１２および回折成分１１１４を通過することが好ましい。潜望鏡１１０８は、薄膜ミラー１１１０を具備しているので特定の波長に透明性を付与し他の波長は反射することによって３つすべての光源を同じ出力座標に向けることができる。このように処理された光は集光レンズ１１１６を通過し、集光レンズ１１１６はＳＬＭの入口全域を覆うように光束を（好ましくは光学的効率を向上するためにＬＣ行列の両側のレンズ列を含めて）ＳＬＭ１１０４に対して所望の大きさに絞る。多彩な画像形成に必要なＲ、Ｇ、Ｂ合成は同じ画素にカラーフレームを連続的に適用する（すなわち、各色はフレームごとにＳＬＭによって連続的に変調される）ことによって生成する小型レンズ列によって屈折させてカラー画像を作成するために個々の画素に必要なすべての色を形成する。変調された光束は続いて撮像レンズ１１２６で拡大され、前方に投影される。
【００７６】
図１２は、それぞれ赤、緑、および青色光を発生する偏光または部分偏光光源１２０２Ａ、１２０２Ｂ、１２０２Ｃを用いた投影システム１２００を示す。これらの光束は潜望鏡１２０８（薄膜ミラー１２１０を含む）に向かって伝播する一方、修正素子１２１２および回折成分１２１４を通過する。このように整形された光束は、ＳＬＭの入口全域を覆うように（オプションで光学的効率を向上するためのＬＣ両側のレンズ列を含め）ＳＬＭユニット１２０４の明るい開口部に集光レンズ１２１６によって焦点が絞られる。潜望鏡１２０８は特定の波長に透明性を付与する一方他の波長は反射し３つすべての光源を同じ出力座標に向けることができる。変調光は次に撮像レンズ１２２６によって拡大され前方に投影される。
【００７７】
図１３は１つの透過型ＳＬＭユニット１３０４ および単一白色偏光光源（偏光ＬＥＤ）１３０２を用いた投影システム１３００を示す。ＬＥＤによって発生した光は集光レンズ１３１６に導かれ（好ましくは偏光修正素子１３１２および回折素子１３１４を介して）ＳＬＭの明るい開口部上のＳＬＭ１３０４に焦点を絞られる。ＳＬＭユニットにおいて、光はＣＦ（カラーフィルタ）によって選別され豊かな色彩に必要なＲ、Ｇ、Ｂ合成を形成するか小型レンズ列によって屈折されてカラー画像を生成するために必要なすべてのカラーを形成する。変調光は撮像レンズ１３２６によって拡大され前方に投影される。
【００７８】
図１４は、単一反射型ＳＬＭ１４０４および単一白色偏光光源（偏光ＬＥＤ）１４０２を用いた投影システム１４００を示す。光源からの光は修正素子１４１２、回折素子１４１４および集光レンズ１４１６を介して導かれる。集光レンズ１４１６はビームスプリッタの入口全域を覆うように偏光ビームスプリッタ１４１８に対し所望の大きさに光の焦点を絞る。この光の特定の偏光成分はビームスプリッタ１４１８によって（すなわち、第１、第２レンズ列１４２０、１４２２を介してそのＬＣ画素部１４２４に向けて）ＳＬＭユニット１４０４に導かれる。ＳＬＭへのその入口内部で光はＣＦ（カラーフィルタ）によって選別されて多彩な画像形成に必要なＲ、Ｇ、Ｂ合成を形成するか、カラー画像を生成するために必要なすべてのカラーを形成するよう小型レンズ列によって屈折させることができる。このように光束は、すべてのアクティブな画素を相対的に通過した後、変調され、背面ミラーコーティング（図示せず）から反射されてビームスプリッタ１４１８に戻る。戻り光は偏光方向が入射光と反対なので、この戻り光はビームスプリッタの偏光面を通過し、撮像レンズ１４２６によって拡大され前方に投影される。
【００７９】
本発明はさらに投影システムを小型化（例えば、大きさが２cm３未満）できるのでシステムを異なるモバイル装置に内蔵し、装置の物理的サイズを大きくすることなく大型の投影ビデオ画像を提供できる機能を与える。物理的に小型化したサイズの投影システムを利用するためにはすべての光学素子を小型化しなければならない。投影モジュールで使用する光源は、垂直キャビティ表面照射レーザ光源（ＶＣＳＥＬ、半導体分散ブラッグ反射器などのミラー層間に挟持されたアクティブ領域を含む半導体レーザ）、レーザダイ等のレーザ光源である。
【００８０】
投影モジュールは、基本的に可視光チャネルを得るために発振結晶（Ｎｄ：ＹＶ０４等）をポンプするポンプ源として使用される小型の２次元ＶＣＳＥＬ列の光源および非線形結晶（ＫＴＰ／ＢＢＯ等）から構成される。そのような２つのチャネルは緑、青の異なる２色用に形成される。赤色チャネルに関しては、赤色レーザダイの２次元列によって形成される。なお、赤色ＶＣＳＥＬ列等、他のレーザ光源を使用することもできる（直接、あるいは周波数逓倍後）。光路として特殊な平面導波路を使用することにより、投影モジュールは多彩な画像を形成できるよう特殊な光学処理素子を追加する可能性を持たせるとともに小型化も継続できる。ガラスウェーハ上に格子を書き込むことによって異なる（４５度よりも大きい）位置にある平面ウェーハ／導波路に光が入射される。
【００８１】
光源で発生した光はトップハット／トップハットレット素子を通過する。出力が一本の光束のみの緑、青色光源用にはトップハット素子が使用されるが、レーザダイ光源の列である赤色光源にはトップハットレット素子が使用される。トップハットの使用はガウスビーム波形を矩形の統一ビームに整形することを目的にしている。トップハットレットは、光源列内の（それぞれガウスビーム波形を持つ）複数の光源を一つの矩形統一ビームにまとめる。トップハット／トップハットレット素子は実際に互いに分離した２つの下位素子で構成してもよい。
【００８２】
トップハット／トップハットレット素子から出た光は、波長によって異なる影響を及ぼす波長回折マスクとして使用される特殊光学素子を通過する。この波長合成素子は波長に対する感受性の高い潜望鏡として作用し、それぞれ異なる波長を持ちＳＬＭユニット側の単一光路に対する入射角が異なる３つの光路（赤、緑、青）から到来する光束を合成することを目的としている。出力レンズ列および格子は、用途に応じて画像を外部へ正しく投影するために使用される（以下に示すようになんらかの光学補正が必要になる場合もある）。
【００８３】
本発明は、特定の視聴者の目による歪みに応じて投影画像を調整し、視聴者がメガネを使用しなくてもすむような方法を提供する。これは次に述べる方法のいずれかを用いて実現できる。単純な目による歪みには、ＳＬＭに対して出力撮像レンズを（電子的または機構的に）移動して投影画像に球形位相プロファイルを追加することができる。より複雑な目による歪み（例えば、シリンダ）には、電子的に調整可能／構成可能な位相マスク素子（例えば、位相ＳＬＭ）をＳＬＭと撮像レンズとの間の投影システムに挿入して変形の補正に柔軟性を持たせることができる。目による歪みとは逆にＳＬＭそのものにおいても（位相変形もサポートしている場合）画像変形が生じる場合もある。
【００８４】
本発明は、新しい光源技術と特殊なビーム整形を組み合わせ、この組み合わせを超小型投影システムの利用のための手がかりとして用いることによりそのような技術の多様な応用を可能にする方法を提供する。
【００８５】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、本発明の投影システム（モジュール）２０００のそれぞれ側面図、平面図を示す。モジュールは平面光学構成に基づくもので、赤、緑、青色光束の組み合わせおよび出力先変更は同じ光学素子を用いることによって行う。光源２００２Ａ（赤）、２００２Ｂ（緑）および２００２Ｃ（青）は、プリズム２００３（図１５Ｂには図示せず）に向かって投影される光束を生成する。このプリズム２００３は、それぞれの光束の進路を下方の平面光学素子２００６（ガラスウェーハ）に変える。ガラスウェーハ２００６の上面には格子が書き込まれ、光を平面ウェーハに決められた（４５度より大きい）角度で入射させる。平面ウェーハ素子２００６は、導波路形式の光束整形および波長合成部として機能し、光束の角度が内部全反射を維持するのに十分な大きさである限り光エネルギーのすべては導波路内部に維持される。
【００８６】
光束は跳ね返りを繰り返した後それぞれ位相変調用に構成された下位素子２００８Ａ、さらに好ましくは位相補正用に構成された下位素子２０１０Ａ（赤色チャネル用）２００８Ｂ、２０１０Ｂ（緑色チャネル用）および２００８Ｃ、２０１０Ｃ（青色チャネル用）を含むトップハット／トップハットレット素子を通過する。このように素子２００８Ａ〜２００８Ｃは位相変調部を示し、素子２０１０Ａ〜２０１０Ｃは位相補正部（この設置はオプション）を示す。トップハット／トップハットレット素子は、それぞれの光束の輝度分布を一つの分布に変換するよう動作する。これらすべての素子（２００８Ａ〜２００８Ｃおよび２０１０Ａ〜２０１０Ｃ）は、内部全反射条件が維持されるように設計されているので光は導波路から逃げない。素子２００８Ａ（および２００８Ｂ、２００８Ｃ）は、所定の伝播距離を経た後、光束プロファイルがガウス形プロファイルからトップハット（矩形）プロファイルへ変化するようにそれぞれの光束の位相に影響を及ぼすように設計されている。素子２０１０Ａ（および２０１０Ｂおよび２０１０Ｃ）は、それぞれの光束の先行波に作用して位相分布を補正（例えば、高速な空間位相変化を平滑化）する。
【００８７】
３つのＲ、Ｇ、Ｂチャネルは共通スペクトル位相調整素子２０１２に向かって伝播する。素子２０１２は、３本の光束の位相を補正するための波長に対する感受性の高い潜望鏡として作用し波長の異なる３つすべての経路から到来する光束を単一出力経路に合成し合成光束をＳＬＭユニット２００４に導く。ＳＬＭユニットに向かって伝播する光は、内部全反射関係を破壊することによって導波路から光を出させる新たな回折素子２００５を通過する。透過型ＳＬＭの場合、ＳＬＭユニット２００４から出た光はプリズム２０１６によって出力撮像レンズ２０２６に導かれ外部に投影される。反射型ＳＬＭユニットの場合、光はＳＬＭユニット２００４によって導波路へ反射され類似した格子にぶつかるまで引き続き導波路を伝播し、そのとき導波路を脱してプリズム２０１６に類似したプリズムに入射する。
【００８８】
全モジュール２０００の高さ／厚さｈは、約６ｍｍ以下である。モジュールの物理的全体サイズ（l１およびl２）はそれぞれ２２ｍｍおよび１２ｍｍよりも小さくてもよい。
【００８９】
本実施例において、光源の向きはプリズム２００４によって平面導波路２００６に光を導くように設定されているが、光源は光を下方、すなわち導波路２００６に導きプリズム２００４を要しない設計にしてもよい。トップハット／トップハットレット素子は、２つの下位素子から構成するのではなく単一の素子で構成してもよい。レーザ光源は、任意の波長範囲で動作するいずれのタイプ（ＶＣＳＥＬ、レーザダイ等）であってもよく、単独で使用したり、任意の結晶材料（例えば、Ｎｄ：ＹＶ０４、ＫＴＰ、ＢＢＯ等）と併用したり、また可能なら標準のビーム整形光学素子と併用することができる。
【００９０】
また、スペクトル位相調整素子２０１２は、平面導波路だけでなく自由空間で動作でき、あらゆる波長合成潜望鏡構成に取って代わることができる。そのような合成素子は増加した深度パターンを持っている。多波長処理を扱う波長合成素子の生成は、マスクを記録面から所定の距離に置き、マスク面および記録面に関する特殊な変形を考慮してフォトリソグラフィ技術を用いて記録面に所望のプロファイルを生成するように行ってもよい。
【００９１】
例えば、図２Ｂまたは図３において、システム２０００は図２Ｂまたは図３のシステムの投影チャネルを形成できる。
【００９２】
図１６Ａおよび図１６Ｂは、例えば携帯フリップトップ電話器等のモバイル装置に内蔵するそれぞれ超小型投影システム３０００Ａおよび３０００Ｂを示す。システム３０００Ａ、３０００Ｂともに背面投影モードで（例えば、携帯電話に内蔵して）動作するものとして示されている。
【００９３】
システム３０００Ａは、概して図１５Ａ、図１５Ｂと類似しており出力撮像レンズ３０２６が、光を画面（投影表面Ｐ）に向けるプリズム３００７より前にある点、およびフリップ表示面Ｐの角度に相当する角度αだけ傾斜したレンズを持つ点が異なる。プリズム３００７およびレンズ３０２６の角度を変化させることによって、表示面（フリップ）がプリズム３０１６からの投影画像に対して傾斜していることによって生じる収差を補正することができる。
【００９４】
システム３０００Ｂは、プリズム３０１６およびＳＬＭ３００４が平面導波路３００６の端面近くに配置されている点がシステム３０００Ａと異なる。システム３０００Ａと比較して水平に１８０度回転したプリズム３０１６は、表示面（フリップ）がプリズム３０１６からの投影画像に対して垂直でないことによって生じる収差を補正するために傾斜した補正プリズム３００７および撮像レンズ３０２６に投影画像を出力する。
【００９５】
本実施例においては背面投影モードを示したが、本発明の原理はシステム構成になんらかの変更を必要とする（例えば、投影表面および撮像レンズが別の場所に配置される）他の投影モード（例えば、前面投影型）でも使用できる。同様に、前述のように、本システム構成は２つの投影チャネル間で交互に／同時に動作するように使用することができる。
【００９６】
図１７は、上記の実施例の投影システムで使用できるトップハットレット素子４０００を示す。トップハットレット素子４０００は、それぞれ通常のトップハット素子の特性を持つマイクロトップハット素子４０１０の列からなる。トップハット４０００の列の各下位素子４０１０はそれぞれ２Ｄ光源配列（例えば、図１５Ａ、図１５Ｂに示すようなレーザダイ列）内の特定のビームレットに該当する。トップハットレット素子における各下位素子４０１０は、それに対応する特定のビームレットの光輝度分布を統一するように動作する。
【００９７】
図１８は、波長合成素子（例えば、図１５Ａ、図１５Ｂの２０１２）の動作原理を具体的に示す。前述のように、波長合成素子は波長に対する感受性の高い潜望鏡のように動作し、その目的は、それぞれ波長が異なる３つの経路（赤、緑および青色チャネル）から到来する光束をＳＬＭユニット側の単一光路に合成することである。波長合成素子は、３つの波長それぞれが異なる空間構造を持つように設計されている。各波長は２πの自然数の位相蓄積とは無関係であるが、各波長は異なる高さに至る２π位相を蓄積し、その結果、各波長は同じ物理高さに対して異なる反応を示す。数学的に、その関係は次のように表される。
【数１】
2006520932.tif 000003
ここでｈは任意の点における物理的高さであり、ｈＲ、ｈＧ、およびｈＢはそれぞれＲ、ＧおよびＢ波長によって「感知される」高さであり、λＲ、λＧおよびλＢはＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれの波長である。
【００９８】
素子の高さは約２０波長まで増加しており、波長ごとに異なるフィルタを実現可能な最適な関数が得られた。
【００９９】
次の方程式は素子の幅を示すものである。
【数２】
2006520932.tif 000004
ここで、λｋは３つの波長でありmｋは波長ごとに異なる整数である。Φｋは波長（Ｒ、Ｇ、Ｂ）ごとに必要な位相関数である。
【０１００】
再び図１８によれば、モデルは赤色（Ｒ）波長が位相関数５０、緑色（Ｇ）が一定位相、および青色（Ｂ）が位相関数５２を呈するような設計を実現することを目的としている。そのように、赤色光束は左側に偏り、緑色は直進を継続し、青色は右側に偏る。
【０１０１】
設計は、ＲおよびＢの位相、Ｇの位相の一定レベルの間の相対的な横シフトを調整することによって最適化される。再帰的アルゴリズムを構築し３つの波長４５７ｎｍ、５３２ｎｍおよび６５０ｎｍの実例において実証した。上記の設計を実証するために幅ｄ（ｘ）は２０波長（約１０ミクロン）まで変化させることができ、光を４５度で偏向するプリズムを実現するために図１６Ａおよび図１６Ｂの構造の空間周期も２０波長であった。
【０１０２】
式（２）に示す関係は次のように表現することもできる。
【数３】
2006520932.tif 000005
ここでφｉは例えば、すべてのｘについて一定となる（ｘは横軸）ことを目標としてＧ光路の位相であってもよい。この場合、ｉはＧに対応する指標であり、ｊはＲおよびＢの指標を「スキャン」する。
【０１０３】
最適なｍｊ値を抽出する、考えられる数的アルゴリズムの一つは、次のようなルーチンを含む。
−  ｍ１に対する種々の値の組み合わせを選択し式（３）からｍ２およびｍ３に対する値を取得する。得られる値は整数ではない。このように数値の端数を丸め、丸めによって得られる誤差を計算する。
−  そのようなｍｊの値の各組ついて、最大誤差を見つけ得られたすべての組から最小誤差を選択する。この誤差を与える組が選択した組（ローカル最適値）である。
−  ｍ２の値を固定としたとき同じ手順を繰り返し、（式）３からｍ１およびｍ３を計算し、ｍ３の値を固定としたとき（式）３からｍ１およびｍ２を抽出する。
【０１０４】
アルゴリズムの出力は、各空間位置ｘにつきｍｊに対して３つの提案を生成する。３つの提案のうち最小誤差を与える１つを選択した。
【０１０５】
参照番号５４（図１８）は上記の例ではそれぞれＲ、ＧおよびＢに対して得られる素子のフーリエ変換を表す。上記のようにＲ色に対してエネルギーのほとんどは（−１）次回折に偏向され、Ｇ色に対しては０次に向かい、Ｂ色に対しては１次である。得られた素子のエネルギー効率はＲ、ＧおよびＢについてそれぞれ８７％、９５％および９８．３％である。
【０１０６】
式（２）に記載された関係は４つ以上の別々の波長に対する提案された再帰アルゴリズムを用いて解くことができる。提案されたアルゴリズムの最適化は、可能な位相値に対してＭ量子化レベルが制限される場合に実行してもよい。その場合、Ｍ個の方程式の組は式（３）から導かれる。
【０１０７】
図１８の参照番号５６は、上記多波長合成を実現する、考えられる実際の深さパターンを表す。
【０１０８】
図１９は、メガネを必要とする視聴者の目による歪み、およびそれを補正する方法を例示している。特定の視聴者の目による歪みに応じて投影映像を調整する機能を扱う（視聴者がメガネを使用しなくてもすむようにする）方法は、図１ないし図８、図１５Ａ、１５Ｂ、図１６Ａおよび図１６Ｂの設計に基づいたものである。
【０１０９】
メガネは、歪みチャープ関数と観察画像間の畳み込みとして数学的に表現されるチャープのような歪みを画像に与える。視聴者の目のレンズに存在する歪みによって必要な画面上で目の焦点が合わなくなる。仮想画面を作成することによって、観察者はメガネをかけなくても補正画像を見ることができる。歪みは被観察画像とチャープ位相関数との間の畳み込みなので、通常の画面ではこの補正ができない。また、歪みは位相関数なので乗算演算ではなく畳み込み演算である。投影システムを用いることによって画面は画像生成器（ＳＬＭ）と同じ面に配置されない。このようにして位相チャープ関数との畳み込みが作成できる。レーザ光源を使用することは、通常の非干渉性光では得ることができない位相分散を生成するという点でも重要である。
【０１１０】
単純な目による歪みの場合、出力撮像レンズ（図１６Ａ、１６Ｂの２０２６）を、球形位相プロファイルを投影画像に追加するＳＬＭ（２００４）に対してシフトすることができる。より複雑な目による歪み（例えば、シリンダ）の場合、電気的に調整可能／構成可能な位相マスク素子（例えば、 位相ＳＬＭ）をＳＬＭと撮像レンズの間に挿入することができ、歪みを補正する際に柔軟性をより高くすることができる。ＳＬＭそのもの（位相歪みもサポートしている場合）においても目による歪みとは逆に画像を変形できる。
【０１１１】
図１９は、ジオプトリが３である視聴者を想定して上記の内容を示すものである。元の画像１５６は視聴者がメガネをかけている限り正しく見える。メガネを外すと、観察者の目には歪んだ画像１５８（図面では正しく表示されない）が形成される。必要な位相補正を施したレーザ投影システムを使用することによって、補正画像１６０（図面内では正しく表示されない）を観察者はメガネを使用しなくてもより明確に見ることができる。上記に示すように、歪みは補正され、歪みのある空間周波数が復帰される。歪みは排除されても、画像が投影される画面が完全な平面でないため位相歪みが生じる。この歪みは必ずしも投影画像を見る上で障害とはならない。
【０１１２】
以上に記述した本発明の実施の形態に対して、以下の請求項によって規定される範囲を逸脱しない限り様々な修正および変更を適用可能であることは当業者であれば容易に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の投影システムの概略図
【図２Ａ】本発明の画像投影システムの例を示し、単一反射型ＳＬＭユニットの使用に基づくシステム構成を示す図
【図２Ｂ】本発明の画像投影システムの例を示し、単一透過型ＳＬＭユニットの使用を示す図
【図２Ｃ】本発明の画像投影システムの例を示し、それぞれ２つの光伝播チャネル用の２つの透過型ＳＬＭユニットの使用を示す図
【図２Ｄ】本発明の画像投影システムの例を示し、単一反射型ＳＬＭユニットの使用に基づく他のシステム構成を示す図
【図３】それぞれ反対方向の２つのチャネルに出力される光を得るように構成された選択的導光部を用いた本発明の別の実施例による画像投影システムを示す図
【図４】単一ＳＬＭユニットおよび光を２つのチャネルに分割する反射率を持つミラーを用いた本発明のさらに別の実施例による画像投影システムを示す図
【図５】単一ＳＬＭユニットと、位置が２つのチャネルのいずれか一方への光伝播を規定する可動ミラーとを利用した本発明のさらに別の実施例を例示する図
【図６】マイクロレンズおよびプリズムを交互に配置した列の単一ＳＬＭユニットを用いてＳＬＭ画素の半分を前面投影用に使用し、他の半分を背面投影に使用して一つのＳＬＭのみを用いて各チャネル上に異なる画像を表示できるようにする、本発明の画像投影システムを例示する図
【図７】２つのチャネルのいずれか一方に対する光伝播を可能にするよう回転自在の単一ＳＬＭユニットを用いた本発明のさらに別の実施例を示す図
【図８Ａ】単一ＳＬＭユニットおよび２つのチャネルのいずれか一方に光を導くように回転自在の選択的導光器を用いた本発明の画像投影システムを示す図
【図８Ｂ】単一ＳＬＭユニットおよび２つのチャネルのいずれか一方に光を導くように回転自在の選択的導光器を用いた本発明の画像投影システムを示す図
【図９】それぞれ単一反射型ＳＬＭユニットに対応した３つの異なる波長範囲の光を生成する３つの光源を具備する本発明の投影チャネルを示す図
【図１０】それぞれ３つの反射型ＳＬＭユニットに対応した３つの光源およびカラー合成キューブを具備する本発明の投影チャネルを示す図
【図１１】単一透過型ＳＬＭ ユニットに対応した３つの光源を具備する本発明の投影チャネルを示す図
【図１２】３つの透過型ＳＬＭユニットに対応した３つの光源を具備する本発明の投影チャネルを示す図
【図１３】白色光源および単一透過型ＳＬＭユニットを具備する本発明の投影チャネルを示す図
【図１４】白色光源および単一反射型ＳＬＭユニットを具備する本発明の投影チャネルを示す図
【図１５Ａ】非常に小さな構成の本発明の投影システムを示す図
【図１５Ｂ】非常に小さな構成の本発明の投影システムを示す図
【図１６Ａ】超小型投影システムで使用可能な本発明の光学素子を詳細に示す図
【図１６Ｂ】超小型投影システムで使用可能な本発明の光学素子を詳細に示す図
【図１７】図１５Ａ、図１５Ｂ、図１６Ａおよび図１６Ｂの投影システムでの使用に好適なトップハットレット素子を示す図
【図１８】図１５Ａ、図１５Ｂ、図１６Ａおよび図１６Ｂの投影システムで使用する波長合成素子の動作原理を詳細に示す図
【図１９】投影システム内での（メガネ着用の視聴者における）視覚変形を補正するために本発明を使用する様子を示す図
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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