(57)【要約】結像装置（１７）と、光源（１１）、光源からの光線ビームを結像装置に方向付ける手段（１２）、及び、光パイプからなるインテグレータ（１３、２０、２１）を含む、結像装置を照射する手段とを含む画像投射又は表示システムに係り、光パイプの後には、光線ビームが光パイプ内で反射した時に生成される仮想照明源を結像装置に反射させて方向付ける手段（１４）が続き、手段（１４）の後には、偏光スプリッタ手段（１５）が続き、手段（１４）は、偏光スプリッタ手段上に仮想照明源を結像する。本発明は、特に、ＬＣＤ結像装置に適用可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージャ（１７）と、
光源（１１）、上記光源から来る光線ビームを上記イメージャに方向付ける手段（１２）、及び、光導波路で構成される光インテグレータ（１３、２０、２１）を含む上記イメージャを照射する手段と、を含み、
上記光導波路の後には、上記光導波路内での光線ビームの反射の際に、仮想照明源を上記イメージャに方向付ける手段（１４）が続く、画像投射又は視覚化システムであって、
上記仮想照明源を方向付ける手段の後に続く偏光スプリッタ手段（１５）を含み、
上記仮想照明源を方向付ける手段は、上記偏光スプリッタ手段への上記仮想照明源の結像を行うことを特徴とするシステム。
【請求項２】
上記光導波路は、反射型であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
上記光導波路は、平行六面体形、又は、角錐台形であることを特徴とする請求項１及び２記載のシステム。
【請求項４】
上記光導波路は、その内壁が鏡である中空のチューブ、又は、全内部反射で動作するガラスといった材料の固体の棒により形成されることを特徴とする請求項２及び３に記載のシステム。
【請求項５】
上記光導波路の切断面は、上記イメージャと同一の長さ対幅の比を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項６】
上記光導波路の入力面は、上記光源から来る光線ビームを上記イメージャに方向付ける手段（１２）の焦平面に位置付けられることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項７】
上記光源から来る光線ビームを上記イメージャに方向付ける手段（１２）は、楕円形反射器、又は、集束レンズに関連付けられるパラボラ反射器で構成されることを特徴とする請求項６記載のシステム。
【請求項８】
上記仮想照明源を方向付ける手段は、少なくとも１つのレンズからなるセット（１４）で構成されることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項９】
上記偏光スプリッタ手段は、全ての非偏光光線ビームを１つの偏光に変換する半波長膜に関連付けられる薄膜偏光スプリッタ素子により形成される列で構成されることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１０】
上記偏光スプリッタ手段は、上記偏光スプリッタ手段の出力を上記イメージャ上に結像させる第２のレンズセット（１６）が後続することを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１１】
上記第２のレンズセットのうち少なくとも１つのレンズ（１６ａ）は、上記イメージャの寸法に対する照明を調節するよう上記偏光スプリッタ手段と上記イメージャの間で可動であることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
上記第１のレンズセット（１４）は、上記偏光スプリッタ手段がある側でテレセントリックであり、
上記第２のレンズセット（１６）は、上記偏光スプリッタ手段と上記イメージャとの間でテレセントリックであることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１３】
上記イメージャは、液晶光バルブであることを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか一項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、像を投射又は視覚化するシステムに係り、より具体的には、光インテグレータを有する照明装置を含む上述したタイプのシステムに係る。
【０００２】
像の投射又は可視化には、例えば、各像形成素子の透明度が、形成される像の各点の輝度の関数として制御される透過型又は反射型の液晶を有するシステムといった光バルブで構成されるイメージャを用いることが知られている。
【０００３】
投射の場合、光エネルギーは、一般的に、ランプと、光線を光バルブに向かわせる反射器で構成される照明装置により与えられる。
【０００４】
投射又は視覚化された像が、光バルブに形成された像を正確に再現するには、イメージャの照明が、均一で、また、高い光束で行われる必要がある。というのは、システムには多くの光の損失があるからである。この問題は、解決することは容易ではない。特に、照明は、有限の照明源から来るものであり、また、照明源は、非偏光の光線で構成されるからである。液晶バルブは、偏光光線を用いて動作するが、このことは、液晶バルブの入力と出力において偏光子を用いることを必要にする。これらの偏光子は、システムの出力における光束をかなり減少してしまう。
【０００５】
上述した欠点を解決すべく幾つかの解決策が提案されている。
【０００６】
第１の解決策は、偏光スプリッタに関連付けられる光インテグレータを用いることである。この解決策の一例を、図１に示す。この例では、照明手段１は、反射器３に関連付けられる光源２で構成される。矢印ｆにより表される光線ビームは、反射器３により反射され、以下に詳細に説明するインテグレータ４により集められる。反射器３は、収束レンズに関連付けられるパラボラ反射器、又は、楕円の焦点の１つに光源が位置する楕円形反射器で構成され得る。インテグレータ４は、２つのレンズアレイ４ａ、４ｂで構成され、これらは、イメージャと同じ長さ対幅の比を有する。第２のアレイ４ｂのレンズは、第１のアレイ４ａのレンズの像を、イメージャ７上に形成するよう配置される。更に、図１の実施例では、偏光スプリッタ、即ち、ＰＢＳ５が、インテグレータ４の出力に設けられる。以下に詳細に説明するＰＢＳは、インテグレータ４の第１のレンズアレイ４ａにより形成される、光源の実際の像が、ＰＢＳの各第２の台形素子に、交互に形成されるよう位置付けられる。図２に示すように、この実施例に使用する偏光スプリッタ、即ち、ＰＢＳ５は、光線を透過する素子５１によりそれぞれ分けられる素子の列５０で構成される。光線を透過する材料から形成される素子５０は、台形素子であり、光線を受ける面に吸収層５２を、また、両側面のうち１つの側面に偏光分割を行う薄膜５３を、選択的に有し得る。入力面とは反対の面に、ｐ偏光をｓ偏光に変換する半波長膜５４を有し、また、面５３に、変更することなく偏光を反射する膜５５を有する。これらの様々な素子は、当業者には周知であり、従って、詳細には説明しない。
【０００７】
従って、図２に示すＰＢＳ列５は、以下に説明するような方法で動作する。透過素子５１の入力面に到着する非偏光光線は、偏光スプリッタ膜５３によって分割され、それにより、偏光スプリッタ膜は、ｐ偏光を素子５０内に透過させ、ｓ偏光を素子５１内に反射させる。透過された偏光は、次に、半波長膜５４により、ｓ偏光に変換され、図２中、ｓ１と示す光線ビームを生成する。更に、素子５１内に反射された光線は、隣の素子５０の面５４から反射され、ｓ偏光ビームｓ２の形で現れる。平行ビームｓ１、ｓ２を得るには、面５４と面５３は、光線ビームの方向に対し４５°で傾斜される。半波長膜が、素子５０ではなくて素子５１に置かれる場合、ｐ偏光出力を得ることも可能である。
【０００８】
図１に示すシステムでは、偏光スプリッタ５の後に、第１のアレイ４ａのレンズの像を、例えば、液晶バルブで構成されるイメージャ７上に重ねるレンズ６が続く。この実施例では、イメージャは、正確に偏光されたビームにより均一に照射される。
【０００９】
しかし、このシステムは、液晶バルブの前に視野レンズを使用することを必要とする。視野レンズの機能は、対象物の入力瞳に、光源の像を形成することである。しかし、この視野レンズは、特に、反射型のイメージャである場合のシステムにおいて、寸法の理由から問題がある。
【００１０】
更に、このようなシステムでは、イメージャのテレセントリックタイプの照明を生成することが不可能である。照明は、イメージャの任意の点において、主光線が、イメージャの面に対し垂直であるときに、テレセントリックである。このような照明特性は、２つの主な利点を有する。
【００１１】
１）視野レンズを用いる必要がなくなる。
【００１２】
２）主光線が全て光学軸と平行にされるので、ダイクロイック色分解ミラーを通る光線によるスクリーン上の色の空間的な偏差の問題がない。
【００１３】
更に、上述したシステムでは、異なる寸法のバルブに適応可能なように、照明面面積を変更することが不可能である。
【００１４】
イメージャの照明不均一性の問題を解決するために、照明装置の出力に、積分管（ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ  ｔｕｂｅ）を用いることも提案されている。積分管の目的は、光源から来る光線を混合して、イメージャの均一な照明を生成することである。積分管は、その出力面が、イメージャと同じ長さ対幅の比を有するよう選択される。つまり、例えば、このシステムがテレビジョンに用いられる場合に、４：３又は１６：９の比にされる。このシステムでは、積分管の端面の像は、レンズ系に支援されてイメージャ上に形成される。このレンズ系は、より均一にイメージャを照明し、ビームは、イメージャと同じ長さ対幅の比を有するという利点を有する。しかし、イメージャが、液晶バルブで構成される場合、イメージャに到達する前に５０％以上の光線を吸収してしまう偏光子を用いることが必要である。この吸収された光線は更に、熱に変換される。熱は、偏光子の特性を破壊してしまう場合がある。
【００１５】
従って、本発明は、高い光束及び低い熱放散を有する均一な照明を得ることを可能にする新規のシステムを提供することを目的とする。
【００１６】
本発明は更に、様々な寸法の光バルブに容易に適用可能である新規のシステムを提供することを目的とする。
【００１７】
従って、本発明は画像を投射又は視覚化するシステムに係る。本発明のシステムは、イメージャと、光源、光源から来る光線ビームをイメージャに向けて方向付ける手段、及び、光導波路で構成される光インテグレータを含むイメージャを照射する手段とを有する。光導波路の後には、光導波路内での光線ビームの反射により発生する仮想照明源をイメージャに方向付ける手段が続く。本発明のシステムは、仮想照明源を方向付ける手段の後に続く、偏光スプリッタ手段を含み、仮想照明源を方向付ける手段は、偏光スプリッタ手段への仮想照明源の結像を行うことを特徴とする。上述のシステムによって、仮想照明源で構成される多数の照明源を用いることにより、最小の光線の損失で、イメージャの均一な照明が得られる。
【００１８】
様々な実施例によると、光導波路は、反射型である。従って、光導波路は、中空のチューブから形成され得、その内壁は鏡である。又は、光導波路は、反射は全内部反射によって行われる、ガラスといった材料からなる固体の棒から形成され得る。光導波路は、イメージャの切断面に依存して、平行六面体の形状、又は、四角形又は可能であれば矩形の切断面を有する角錐台の形状を有し得る。更に、光導波路の出力切断面は、イメージャと同一の長さ対幅の比を有し、また、光導波路の入力面は、光源から来る光線ビームをイメージャに方向付ける手段の焦平面に位置付けられる。光源から来る光線ビームをイメージャに方向付ける手段は、楕円形反射器、又は、集束レンズに関連付けられるパラボラ反射器で構成され得る。
【００１９】
本発明の別の特徴によると、仮想照明源を方向付ける手段は、少なくとも１つの第１のレンズ群で構成される。偏光スプリッタ手段は、全ての非偏光光線ビームを１つの偏光に変換する半波長膜が関連付けられる薄膜偏光スプリッタ素子により形成される列で構成される。スプリッタ素子のセットは、互いに平行な台形素子により形成される。偏光スプリッタ手段の後には、光導波路の出力をイメージャ上に結像する第２のレンズ群が続く。
【００２０】
本発明の別の特徴によると、第２のレンズ群は、ＰＢＳの出力と、光線ビームをイメージャ上にフォーカスするレンズとの間で可動なレンズを含み、それにより、バルブの様々な寸法に対し装置を適応可能にする。この特徴は更に、バルブの位置付け許容範囲の関数として照明の寸法を最適化することができ、それにより、最大の光束を得られる。
【００２１】
更に、収集レンズ（ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ  ｌｅｎｓｅ）が、第２のレンズ群とイメージャとの間に配置され、それにより、全ての光線ビームが、出力においてイメージャに到達する。つまり、第１のレンズ群は、偏光スプリッタ側においてテレセントリックであり、第２のレンズ群は、入力及び出力、即ち、偏光スプリッタ側及びイメージャ側においてテレセントリックである。１つの好適な実施例によると、イメージャは、液晶バルブで構成される。
【００２２】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照しながら、以下に与えられる説明を読むことにより明らかとなろう。
【００２３】
説明を簡単にするために、図中、同一の素子には、同一の参照符号を付ける。
【００２４】
まず、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、本発明の投射システムの１つの実施例を説明する。本発明のシステムは、概略的に、光源１１と、イメージャ１７に光線を方向付ける反射器１２で構成される照明装置１０を有する。本発明では、積分光導波路１３で構成される光インテグレータシステムは、反射器１２の後に設けられる。導波路の出力には、第１のレンズ１４が設けられ、次に、偏光スプリッタ、即ち、ＰＢＳ１５と、第２のレンズセット１６と、イメージャ１７が設けられる。このシステムの様々な素子を、更に詳細に説明する。図示する実施例では、光源１１は、放電ランプ、キセノン又はＭＨＬタイプのアークランプで構成される。光源１１から来る光線は、反射器１２によって、イメージャに向けられる。反射器１２は、収束レンズに関連付けられるパラボラ反射器であってよい。この収束レンズは、パラボラ反射器の出力に置かれて、反射された光線を、積分導波路１３にフォーカスさせる。反射器は、更に、楕円形反射器からも構成され得る。この場合、光源は、楕円の第１の焦点と同じ場所に置かれ、一方、光導波路１３の入力面は、楕円の第２の焦点の平面に位置付けられる。図示する実施例では、光導波路１３は、直角の平行六面体、つまり、イメージャと同一の長さ対幅比の出力切断面を有するチューブで構成される。このチューブは、４つの反射面を有する。チューブには空気が充填される。光導波路は更に、全内部反射するガラス棒でも構成され得る。チューブの長さは、チューブの出力において照明均一性が得られるよう選択され、入力における光線は、多数の反射により、チューブの終わりまで伝搬される。このことは、特に、図９に示す。光導波路１３から来る光線は、以下に詳細に説明するレンズ系１４により、偏光スプリッタ、即ち、ＰＢＳ１５に方向付けられる。偏光スプリッタ１５は、図２を参照して説明したような素子の列で構成される。レンズ系１４は、導波路内の多数の反射の際に得られる仮想光源（図５及び図６）のアレイの、偏光スプリッタ素子の列上への結像を行い、このことは、以下に詳細に説明する。ＰＢＳ１５から来るｓ偏光又はｐ偏光は、レンズ系１６を通されて、イメージャ１７に送られる。図示する実施例では、イメージャ１７は、液晶バルブで構成される。本発明によると、レンズ系１６は、固定レンズ１６ａと可動レンズ１６ｂを含み、これらは一緒に、光導波路の出力１３ｂを、イメージャ１７上に結像させる。可動レンズは、イメージャを照射する光の矩形の寸法の倍率を変化させ、固定レンズは、ビームをイメージャ上に集中させる。図３Ａの実施例では、レンズ１６ｂは、ＰＢＳ１５の付近に位置付けられ、レンズ１６ｂがレンズ１６ａに近い図３Ｂの場合よりも小さい寸法のイメージャを照射する。
【００２５】
本発明の動作原理を、特に、図４乃至６を参照しながら説明する。これらの図では、図示する素子は、図３における類似する素子と同じ参照符号が付けられる。使用する反射器１２は、パラボラ反射器であり、この反射器は、収束レンズ１８に関連付けられて、それにより、反射器１２により反射された光線を、光導波路１３の入力に送る。光導波路１３内では、多数の反射が起き、出力１３ｂにおいて、光導波路１３から出てくる光線は、図４に示すように混合される。しかし、出力１３ｂから出てくる光線の発生源を、収束レンズ１８の焦平面に位置付けられる光導波路１３の入力面のレベルまで戻りながら各光線を追跡することによって詳しく調べると、入力面１３ａと同じ場所に一連の多数の仮想光源が観察される。これらの多数の仮想光源は、側壁を取り除き、光導波路の出力に鏡を位置付ける光線追跡プログラムに支援されて、光導波路の出力をデフォーカスすることによって視覚化することが可能である。図３に示すように、これらの仮想光源は、導波路内の様々な反射の際に発生される。これらの多数の仮想光源ＶＳは、図６の放射図上に示すように位置付けられる。本発明によると、光導波路の入力側に位置付けられる仮想光源ＶＳの仮想列は、ＰＢＳ列１５上に結像され、一方、均一に照射される矩形開口を形成する光導波路の出力側は、イメージャ１７上に直接結像される。このことは、特に、図７Ａ及び図７Ｂに示すレンズ系１４及び１６に支援されて得られる。出力１３ｂの像を形成するレンズ系の使用は、イメージャ上に低損失で高い光束が得られることを可能にし、この光束は、ＰＢＳ１５を使用することにより、正確に偏光される。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、仮想光源の像を形成するレンズ系１４は、第１のレンズ１４ａと、第１のレンズ１４ａを補完する第２のレンズ１４ｂで構成される。図７Ａ及び図７Ｂに示す特定の実施例では、レンズ系１４は、その瞳孔がグループ１４の外側にあるコリメータを形成する。ＰＢＳの出力では、固定レンズ１６ａと可動レンズ１６ｂを有するレンズ系１６を更に含み、レンズ系１６の役割は、上述した。固定レンズ１６ａは、光線を、イメージャ上に集中させ、可動レンズ１６ｂは、出力１３ｂの像の倍率を変化させる。
【００２６】
上述したシステムでは、照明の高い均一性と効率が得られ、照明の寸法は、イメージャの様々な寸法に対し最適に適応される。更に、最終段階では、光線は、投射レンズの入力瞳孔上に運ばれる。イメージャの照明は、テレセントリックとなるよう行われるので、視野レンズを用いる必要がない。更に、このようなシステムでは、各色にそれぞれ対する３つの像を照射することができるようイメージャ１７とレンズ系１６との間に、色分離立方体を挿入することが可能である。色の再合成は、投射レンズの直前に、別の色分離立方体により行われる。このシステムの利点は、色分離立方体の照明は、略テレセントリックであり、スクリーン上の色の位置ずれをほとんどもたらさないことである。
【００２７】
上述したシステムの実用的な実施例を説明する。この実施例は、シミュレーションに用いた。
【００２８】
【表１】
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構成７Ａ
【００２９】
【表２】
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構成７Ｂ（レンズ１６ｂの位置のみ変更）
図８乃至図１０を参照して、光導波路の別の実施例を説明する。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、光導波路２０及び２１は、イメージャの切断面に依存して、矩形又は四角形の切断面を有する角錐台で構成され得る。
【００３０】
図８Ａでは、光導波路２０は、出力切断面２０ｂより大きい入力切断面２０ａを有する。一方、図８Ｂでは、光導波路２１は、出力切断面２１ｂより小さい入力切断面２１ａを有する。いずれの場合も、壁２０ｃ、２０ｄ、及び２１ｃ、２１ｄは、僅かに傾斜されており、これにより、最適な光束を送るために、偏光スプリッタ、即ち、ＰＢＳにおける光源の正確な位置付けを制御することが可能となる。
【００３１】
図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ、図８Ａの光導波路２０のＺｘの断面図及びＺｙの断面図を表し、出力２０ｂにおける光線ビームの、２２の符号で表すＰＢＳに向けての経路を表す。水平方向（図９Ａ）及び垂直方向（図９Ｂ）の光導波路の特定の形状は、図１０に示すように、光源の仮想像ＶＳを互いに対し動かすことと、ＰＢＳにおける実際の光源の位置付けを最適化することを可能にする。
【００３２】
上述した実施例は、単に例示の為に与えられ、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく修正されることは、明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術の光インテグレータを有する照明系を有する投射システムを示す概略図である。
【図２】
偏光スプリッタ素子、即ち、ＰＢＳの列を示す略断面図である。
【図３Ａ】
本発明の光インテグレータを有する照明装置を有し、可動レンズがＰＢＳの付近にある投射システムを示す概略図である。
【図３Ｂ】
本発明のインテグレータを有する照明装置を有し、可動レンズが固定レンズの付近にある投射システムを示す概略図である。
【図４】
本発明の動作を説明可能にする図３に示す素子の部分図である。
【図５】
本発明の動作を説明可能にする図３に示す素子の部分図である。
【図６】
図５のシステムで形成された多数の仮想光源の位置を表す図である。
【図７Ａ】
図３Ａに示すＰＢＳを囲むレンズ系を示す概略図である。
【図７Ｂ】
図３Ｂに示すＰＢＳを囲むレンズ系を示す概略図である。
【図８Ａ】
光導波路の別の実施例を示す斜視図である。
【図８Ｂ】
光導波路の別の実施例を示す斜視図である。
【図９Ａ】
図８Ａに示すタイプの光導波路における光線ビームの経路を示す図である。
【図９Ｂ】
図８Ａに示すタイプの光導波路における光線ビームの経路を示す図である。
【図１０】
図９Ａ及び図９Ｂのシステムで得られる多数の仮想光源の位置を表す図である。
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004534962.tif 000026
2004534962.tif 000027
2004534962.tif 000028
2004534962.tif 000029
2004534962.tif 000030
2004534962.tif 000031