(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランプおよび放物面反射体を有する光源、空間光変調器、および該光源からの光を該空間光変調器に入射させるための光学系を有する投射ディスプレイであって、
前記光学系は、
前記光源からの光を結像するようにそれぞれ構成された２つの半円部分を有し、前記各半円部分は、それぞれの入力開口部の相対位置とは異なる相対位置を有する原像の空間的分布を形成するように垂直方向に相互にずれている、分割フレネルレンズと、
前記原像の前記相対位置に設けられており、前記分割フレネルレンズの前記各半円部分からの光を、前記空間光変調器上にそれぞれ反射するように構成された複数の反射体と、
を有し、
前記反射体の各々は、前記入力開口部の重複像を前記空間光変調器において形成するための結像手段を含む、または、該結像手段と結合されていることを特徴とする投射ディスプレイ。
【請求項２】
前記反射体は、前記空間光変調器と、該空間光変調器から屈曲された光を受け取る投射用光学素子との間に設けられている、請求項１に記載の投射ディスプレイ。
【請求項３】
前記反射体と前記空間光変調器との間にフィールドレンズが設けられた、請求項１または２に記載の投射ディスプレイ。
【請求項４】
前記重複像は互いに実質的に重畳されている、請求項１に記載の投射ディスプレイ。
【請求項５】
前記反射体の各々は平面反射体を有するとともに、前記結像手段と結合されている、請求項１〜４のいずれかに記載の投射ディスプレイ。
【請求項６】
前記結像手段の各々は集光レンズを含む、請求項５に記載の投射ディスプレイ。
【請求項７】
前記反射体の各々は凹形反射体を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の投射ディスプレイ。
【請求項８】
前記反射体の各々は、放物面の一部の形状をなす反射表面を有するミラーを含む、請求項７に記載の投射ディスプレイ。
【請求項９】
前記入力開口部は２次元アレイとして構成され、前記原像の前記空間的分布は１次元アレイを含む、請求項１〜８のいずれかに記載の投射ディスプレイ。
【請求項１０】
ランプおよび凹型反射体を有する光源、空間光変調器、および該光源からの光を該空間光変調器に入射させるための光学系を有する投射ディスプレイであって、
前記凹型反射体は、前記ランプからの光を結像するようにそれぞれ構成された複数の反射部分を有し、前記各反射部分は、それぞれの入力開口部の相対位置とは異なる相対位置を有する原像の空間的分布を形成するように、垂直方向に相互にずらされているか、または、前記ランプが位置されている焦点を通る水平軸のまわりに角度的に相互にずらされており、
前記光学系は、前記原像の前記相対位置に設けられて、前記凹型反射体の前記各反射部分からの光を、前記空間光変調器上にそれぞれ反射するように構成された複数の反射体を有し、
前記反射体の各々は、前記入力開口部の重複像を前記空間光変調器において形成するための結像手段を含む、または該結像手段と結合されていることを特徴とする投射ディスプレイ。
【請求項１１】
前記凹型反射体は楕円面形状である、請求項１０に記載の投射ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投射ディスプレイに関連する。
【０００２】
【従来の技術】
本明細書において、「光学的広がり」の語は、光線の大きさと光学的発散度との積と定義する。
【０００３】
いくつかの光学系は、光の強度をある１次元において効果的に集積し、従ってそれに直交する１次元における光学的広がりに関しては許容性を有するという意味において、本来的に１次元的である。そのような光学系の例として投射システムがある。例えばプロジェクションテレビジョンシステムは、ある１次元において光を屈曲することによって光を変調し、その次元における大きさが物理的に小さい光源を必要とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このタイプの公知のシステムは、寿命制限がある小さな光源を用いており、従って商品としては不適切で望ましくないものである。比較的大きな電極ギャップを有するメタルハライドランプは、電気の光出力への変換の面で効率的であり、比較的長寿命である。従って、このようなランプは民生用投射システムに適切に用いられる。しかし、投射ディスプレイの性能を改善するために、より長い寿命を有しかつより小さい光源を提供することが望ましい。
【０００５】
H. Roder、H.J. Ehrke、R. Gerhard-Multhaupt、E. IppおよびImenzelの「Full Color Diffraction-based Optical System for Light Valve Projection Displays」、Jn. Display、vol.16、No.11995、第27〜33頁ならびに、DavidArmitage「Design Issues in Liquid Crystal Projection Displays」、第41〜51頁、SPIE予稿集Vol.2650 Projection Displays II、Ming H. Wu編、Hamamatsu Corp.、米国ニュージャジー州Bridgewater（国際標準図書番号0-8194-2024-7、308頁、1996年発行）に、シュリーレン(Schlieren)型あるいは暗視野光学システムと一般に呼ばれる、公知のタイプのシステムが開示されている。このようなシステムは、例えば「The Grating Light Valve; revolutionising Display Technology」D.M. Bloom、Photonics West/Electronic Imaging '97 SPIEおよびEP 0 811 872号に開示されているように、投射ディスプレイに適切に用いられる。しかしこれらのシステムは、前述のように、高効率で小さな光源を必要とするという欠点を有する。
【０００６】
１つの次元において小さい照明源を必要とする他の装置の例が、「Digital Light Processing for Projection Displays; A Progress Report」Larry J.Hornbeck, Proceedings Society of Information Display 16th International Display Research Conference 1009予稿集第67〜71頁および、H.Hamadaら「A New Bright Single Panel LC-Projector System without a Mosaic Color Filter」IDRC '94予稿集、422(1994)ならびに、C. Joubert、B. Loiseaux、A. DelboulbeおよびHuignard J-P「Dispersive Holographic Microlens Matrix for LCD Projection」SPIE予稿集 Vol.2650 Projection Displays II、Ming H. Wu編、Hamamatsu Corp.、米国ニュージャジー州Bridgewater（国際標準図書番号0-8194-2024-7、308頁、1996年発行）に開示されている。
【０００７】
米国特許 US 3 296 923号、US 4 497 015号およびUS 5 594 526号に、発光体(light emitter)および楕円鏡などの光収集反射体からなる光源によって提供される、照度の均一性を改善するための構成が開示されている。このような光源において、発光体自体が出力光線中に向けられた光を部分的に隠すことにより、出力光線は輪状の強度分布を有している。これらの特許においては、光源からの光線を複数の光学系中においてサンプリングし、光学系の入力開口部における相対位置と同じ相対位置で像を生成することによって、分布をより均一にする試みがなされている。そして光学系のこれらの出力を、さらなる光学装置（一般にレンズである）を用いて互いに重なるように再結合する。
【０００８】
このタイプのシステムは照明源の像面において実質的に平坦な強度分布を有する出力光線を生成することが可能であるが、これらのシステムは光学的広がり（すなわち、光源の面積と発光立体角度との積）を変更する能力は有さない。
【０００９】
光学的広がりを変更あるいは再分配する能力を有するシステムが、GB 2 125 983号、GB 1 391 677号、GB 1 353 739号、EP 0 660 158号、EP 0 527 084号、EP 0 493 365号、EP 0 395 156号、EP 0 343 729号、EP 0 201 306号、WO 96/41224号、WO 95/18984号、WO95/00865号、US5 463497号およびUS 5 005 969号に開示されている。
【００１０】
US 5 662 401号およびUS 5 418 593号はそれぞれ、空間光変調器を照明するための光学系を開示している。これらの光学系は、光源の光学的広がりを再分配することにより、空間光変調器の照度の均一性を改善するものである。これら文献に開示された光学系は、屈折レンズの２つのアレイからなっている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光源、空間光変調器、および光源からの光を空間光変調器に入射させるための光学系を有する、投射ディスプレイが提供され、この光学系は、複数の光学部分系および複数の反射体を備えており、各光学部分系は、入力開口部を有し、光源からの光を結像するように構成され、光学部分系は入力開口部の相対位置とは異なる相対位置を有する原像の空間的分布を形成し、反射体は、原像の相対位置に設けられており、各反射体は各光学部分系からの光を空間光変調器上に反射するように構成され、そのことにより上記目的が達成される。
【００１２】
「暗視野」光学系とは、通常時において暗く見える光学系を指す。光学系の領域のうち、端部（すなわち「ステップ」）を越して光を散乱あるいは回折させる領域のみが明るく見える。例えば、図１１に示す光学系がＯＦＦ状態にあるとき（すなわちLCDパネル７が回折状態にないとき）、LCDパネルは鏡として作用する。LCDパネル７に入射するランプ１からの光は、投射レンズ１７の方ではなくランプ１の方に向かって反射して戻されることにより、投射レンズは暗視野を「見る」ことになる。光は、LCDパネル７が回折状態にあるとき（光学系がＯＮ状態のとき）のみ投射レンズ１７に向けられ、光はLCDパネル７により、反射体４の第２アレイを通り越して投影レンズ１７まで回折される。
【００１３】
反射体は、空間光変調器と、空間光変調器から屈曲された光を受け取る投射用光学素子との間に設けられてもよい。
【００１４】
反射体と空間光変調器との間にフィールドレンズを設けてもよい。
【００１５】
各反射体は、入力開口部の重複像を空間光変調器において形成するための、結像手段を含むか結像手段と結合されてもよい。
【００１６】
重複像は、互いに実質的に重畳されてもよい。
【００１７】
各反射体は平面反射体を有してもよく、結像形成器と結合されてもよい。各結像形成器は集光レンズを含んでもよい。
【００１８】
各光屈曲素子は凹形反射体を有していてもよい。各反射体は凹形反射体を有していてもよい。各反射体は、放物面の一部の形状をなす反射表面を有するミラーを含んでもよい。
【００１９】
入力開口部を２次元アレイとして構成し、原像の空間的分布は１次元アレイを含んでいてもよい。
【００２０】
各部分系は光学結像素子を含んでもよい。結像素子の各々は集光レンズを含んでもよい。集光レンズはフレネルレンズの相対的にずらされた部分であってもよい。または、集光レンズはマイクロレンズのアレイを含んでいてもよい。マイクロレンズは矩形の開口部を有していてもよい。
【００２１】
光源は発光体および凹型反射体を含んでいてもよく、光学結像素子は凹型反射体の相対的にずらされた部分を含んでいてもよい。反射体は楕円面形状であってもよい。
【００２２】
このように、コンパクトな光学系を有し、空間光変調器において実質的に均一な照度を有する投射ディスプレイを提供することができる。また、公知の投射システムに比較して、光学的広がりの変更により、投射システムのスクリーンにおける像の明るさが改善される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
付属の図面を参照し、本発明を実施例についてさらに説明する。図面において、同様な構成要素は同様な参照符号を付して表している。
【００２４】
図１および図２に示す投射ディスプレイは、光源としてのランプ１（例えばアークランプなど）および放物面反射体２を有している。光源から生成される実質的に平行化された光線は、分割フレネルレンズ３に入射する。レンズ３は、２つの半円部分３ａおよび３ｂを有しており、半円レンズ３ａは、半円レンズ３ｂに対して垂直上方にずらされている。
【００２５】
半円レンズ３ａおよび３ｂは、光学結像／結合システム４において光源の像を形成する。光学結像／結合システム４は、２つの鏡面化コーナーキューブ５および２つのマイクロレンズ６からなっている。図２（ａ）に示すように、各鏡面化コーナーキューブ５は透明材料（ガラスまたはプラスチックなど）から形成される立方体の半分からなっており、例えば銀メッキなどにより反射性を付与した傾き面５ｂを有している。分割レンズ３からの光は、表面５ａに入射して通過し、銀メッキされた表面５ｂにおいて反射される。マイクロレンズ６は、鏡面化コーナーキューブ５の出射面５ｃに形成されている。
【００２６】
半円レンズ３ａおよび３ｂによって形成された光源１、２の像は、各鏡面化コーナーキューブ５、特にその反射面５ｂ上に位置している。マイクロレンズ６は、フィールドレンズ１６を介して、半円レンズ３ａおよび３ｂの開口部の像を空間光変調器（ＳＬＭ）７上に形成する。像は参照符号８に示されるように重なっている。ＳＬＭの画素からの反射または回折などにより選択的に屈曲された光は、投射レンズ１７に向けられる。投射レンズ１７は、ＳＬＭ７に供給された画像データに対応する像を、投射スクリーン（図示せず）の前面または背面に投射する。
【００２７】
分割レンズ３は、複数の光学部分系（すなわち半円レンズ３ａおよび３ｂ）を構成する。各部分系３ａ、３ｂは入力開口部を有する。本実施態様において入力開口部は光学平面上にある半円レンズの形状を有しており、光源からの光を結像することにより各鏡面化コーナーキューブ５の面５ｂにおいて原像を形成する。部分系（半円レンズ３ａ、３ｂ）は、原像の空間分布（垂直間隔）を形成する。形成された原像の空間分布における相対位置は、入力開口部の相対位置（水平間隔）と異なっている。
【００２８】
光源１および２は、図２（ｂ）の９に示す強度分布を生成する。光源１、２からの出力光線は実質的に平行化された、円柱対称的な強度分布を有する円柱状の光線である。ランプ１は、例えばランプ１と分割レンズ３との間に設けられた電極１ａにより部分的に光を隠す。この結果、光分布は輪状のピークを有しており、光源の中心あるいは軸において減少し、かつ出力光線の端部に向かって減少している。
【００２９】
２つの半円レンズ３ａおよび３ｂは、光源１、２の広がりを、２つの鏡面化コーナーキューブ５およびマイクロレンズ６によって別々にＳＬＭ７上に結像される２つの光線に分割する。得られる像は重なり、図１および図２（ｂ）に示すように、実質的に互いに重畳され得る。マイクロレンズ６が形成する像がインコヒーレントに混合されることにより、図２（ｂ）の１０に示されるように、照明は実質的により均一な強度分布を有する。さらに、光源１、２の広がりを変更することによって、ある１次元においては小さくかつそれに直交する１次元においては大きくなった広がりをＳＬＭ７上において提供する。照明は従ってより「１次元的」になり、特に例えばEP0 811 872号に開示されるタイプのＳＬＭを照明するために適切になる。特に、表示輝度およびコントラスト比を増大することができ、強度分布の均一性の改善によってより均等に照明された像が得られる
【００３０】
図３は別の投射ディスプレイを示している。図３に示す異なる投射ディスプレイは、反射体２が楕円面状であり、円柱状レンズ１８および１９が光源１、２と分割レンズ３との間に設けられ、光学的結合システム４が分割平面ミラーからなっている点で、図１および図２に示したものとは異なっている。ランプ１および反射体２からの光は円柱状コリメートレンズ１８および１９によって平行化される。レンズ１９の焦点距離ｆ”は、レンズ１８の焦点距離ｆ’の２倍に等しい。レンズ１８および１９の各々は１次元における発散度を変更し、像サイズについてもその方向における対応する変更が起こる。これにより光源の発散度が等しくなり、均一な照度の円錐が形成される。これは分割フレネルレンズ３によって結像された際に、円形光源の楕円像を生成する効果を有する。半円レンズによって生成される像をオフセットすることにより、２つの像の広がりが水平方向においておよそ半分に減少する。像面にある分割ミラー４は、これら２つの像からの光伝播の方向を調整し、フィールドレンズ１６を介してＳＬＭ７上におおよそ均一な照度領域を形成する。
【００３１】
図４に別のディスプレイを示す。図４のディスプレイは、鏡面化コーナーキューブ５およびマイクロレンズ６の代わりに、非軸上放物面ミラー１１のアレイを用いて光学結像／結合システムを構成している点において、図１および図２に示すものとは異なっている。アレイは、分割フレネルレンズ３の２つの半円レンズ３ａおよび３ｂを結像するための、２つのミラー１１を有している。各ミラー１１は、鏡面化コーナーキューブ５の一方およびマイクロレンズ６の一方の有する屈曲および結像機能を行う。
【００３２】
図５に別のディスプレイを示す。図５のディスプレイは、フレネルレンズ３が４つの部分３ｃ、３ｄ、３ｅおよび３ｆに分割されている点において、図１に示すものとは異なっている。４つの部分３ｃ、３ｄ、３ｅおよび３ｆは、垂直方向において互いにずらされていることにより、光源１、２の各像を構成する４つのスポット２２をそれぞれ異なる高さで形成する。また、システム４は４つの鏡面化コーナーキューブおよび４つのマイクロレンズを有しており、４つのスポット２２はそれぞれの４つの鏡面化コーナーキューブ５の反射面５ｂに形成される。
【００３３】
図６の９に、例えば光源１、２のみで形成されるような従来の強度分布を示している。分布９の上に示すように、ＳＬＭパネル７（例えば液晶空間光変調器）は、パネル７よりも実質的に大きい光線１５によって照明される。このように実質的な量の光が失われており、このことは、従来の光源によって生成される光が非効率的に使用されていることを意味する。図６において、図５に示すディスプレイのＳＬＭ７によって生成される強度分布１０の上に、４つの重なる部分の強度プロファイル８を示している。強度分布１０は非常に均一であり、頂部が平らで垂直な端部を有する理想的な分布に近い。この構成により、パネル７のサイズにマッチし光源１、２からの光を効率的に利用することを可能にする、正方形あるいは矩形状のプロファイルが達成され得る。
【００３４】
図７に別のディスプレイを示す。図７のディスプレイは、分割フレネルレンズ３を省略し放物面反射体２の代わりに分割楕円面反射体２を用いている点において、図１に示すものと異なっている。図示した反射体２は２つの部分２ａおよび２ｂに分割されているが、必要な光学部分系の数に応じて任意の所望の数の部分に分割され得る。部分２ａおよび２ｂは垂直方向に互いにずらされてもよいし、ランプ１が位置されている焦点を通る水平軸のまわりに角度的にずらされてもよい。部分２ａおよび２ｂは、光源１、２の像を形成する２つの光学部分系を構成している。部分２ａおよび２ｂにより形成される光源１、２の像は、部分系の入力開口部における空間分布とは異なる空間分布を有しており、実効的にミラー部分２ａおよび２ｂの出力開口部である。
【００３５】
部分２ａおよび２ｂの各々は、ランプ１からの光を集める機能と、対応する鏡面化コーナーキューブ５の反射面上に光を結像する機能とを組み合わせている。その他の点については、図７に示すディスプレイは図１に示すものと同様に動作する。
【００３６】
図８に別のディスプレイを示す。図８のディスプレイは、分割フレネルレンズ３の代わりに、矩形の開口部を有するマイクロレンズのアレイ３’を用いている点で、図１に示すものとは異なっている。各マイクロレンズは光源１、２をシステム４の各鏡面化コーナーキューブ５およびマイクロレンズ６上に結像する。システム４は、アレイ３のマイクロレンズの矩形開口部を、フィールドレンズ１６を介してＳＬＭ７上に結像する。
【００３７】
図９は、反射面５ｂまたは鏡面化コーナーキューブ５のミラーを正しく位置合わせするために必要な寸法を示している。ミラーを正しく方向付けるためには、成分（ｘn，ｙn，ｚn）を有する法線ベクトルｎの角度θ(ｘ)およびθ(ｚ)を決定しなければならない。成分および角度は、３次元デカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に対して測定される。
【００３８】
ミラー法線は、
ｎ＝（１／２）＊｛ａ−ｃ＋（ｂ−ｃ）＊｜ａ−ｃ｜／｜ｂ−ｃ｜｝によって定義される。
【００３９】
成分（ｘn，ｙn，ｚn）を次に用いて角度を以下のように決定することができる：
θ(ｚ)＝a tan（ｙn／ｘn）かつ
θ(ｘ)＝a tan（ｚn／（ｘn2＋ｙn2）1/2）
上式において、ベクトルａ、ｂ、ｃおよびｄは以下のように定義される：
ａ＝（ａ１，ａ２，ａ３）はレンズ矩形部分の中心へのベクトルを表す。
ｂ＝（ｂ１，０，０）は装置中心へのベクトルを表す。
ｃ＝（ｄ１，ｄ２−Ｆ，ｄ３）はミラー中心へのベクトルを表す。
ｄ＝（ｄ１，ｄ２，ｄ３）はレンズ部分の光学中心へのベクトルを表す。
【００４０】
次に鏡面化コーナーキューブに取り付けられたマイクロレンズの焦点距離ｆmを以下の式を用いて計算することができる：
１／ｆm＝（１／Ｆ）＋（１／Ｌ）
【００４１】
上式において、Ｆはアレイ３のマイクロレンズの焦点距離であり、Ｌはミラー平面と装置平面との間の距離である。
【００４２】
例えば、以下の値について（単位はミリメートル）、
ａ＝（7.5，70，13.25）
ｂ＝（0，60，0）
ｃ＝（0，0，7.5）
Ｆ＝70
Ｌ＝60
以下の値が計算される：
θ(ｚ)＝38.7°
θ(ｘ)＝-2.6°
ｆm＝32.3ｍｍ
【００４３】
前述のディスプレイは、１次元アレイとして並べられた鏡面化コーナーキューブ５およびマイクロレンズ６または放物面ミラー１１を有しているが、その他の構成も可能である。図１０に示すディスプレイは、鏡面化コーナーキューブ５およびマイクロレンズ６が２次元アレイとして並べられて光学結像／結合システム４を構成している点において、図８に示したものとは異なる。
【００４４】
図１１は、図１０に示すような矩形開口部を有するマイクロレンズのアレイ３’を用いたディスプレイを示している。しかし、図１１のディスプレイは、マイクロレンズの数が増やされ、非軸上放物面ミラーの２次元アレイをシステムが有している点において、図１０のものとは異なる。
【００４５】
【発明の効果】
このように、像の照度の均一性が実質的に改善された、投射ディスプレイを提供することができる。この照明はＳＬＭのパネルサイズに正確にマッチングさせ得る。例えば、適切な方向における広がりを減少させて照明をより１次元的にすることにより、１次元的照明を必要とするディスプレイの性能を改善してもよい。均一な照度を必要とする２次元的開口部を有するＳＬＭにおいては、照明をＳＬＭの形状およびサイズに対してより正確にマッチングさせ、ＳＬＭの周囲付近で無駄にされる光の量を減少させることができる。このように、照度の均一性を改善することに加え、ディスプレイの明るさを増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施態様によるディスプレイを示す図である。
【図２】  （ａ）は本発明の図１の細部の拡大断面図であり、（ｂ）は強度分布を示すグラフを含む、図１の実施態様を示す断面図である。
【図３】  本発明の第２の実施態様によるディスプレイを示す図である。
【図４】  本発明の第３の実施態様によるディスプレイを示す、図２（ｂ）と同様な図である。
【図５】  本発明の第４の実施態様によるディスプレイを示す、図１と同様な図である。
【図６】  本発明の図５の実施態様における強度分布を示す図である。
【図７】  本発明の第５の実施態様によるディスプレイを示す、図１と同様な図である。
【図８】  本発明の第６の実施態様によるディスプレイを示す、図１と同様な図である。
【図９】  様々な実施態様におけるミラーの方向をどのように決定するかを示す図である。
【図１０】  本発明の第７の実施態様によるディスプレイを示す、図１と同様な図である。
【図１１】  本発明の第８の実施態様によるディスプレイを示す、図１と同様な図である。
【符号の説明】
１  ランプ
２  放物面反射体
３  垂直にずらされた分割フレネルレンズ
４  光学結像／結合システム
７  ＳＬＭ
８  互いに重なる分割された強度プロファイル
１６  フィールドレンズ
１７  投射レンズ
【図１】
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【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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