JP2007501446A - Precision optical system for display panel - Google Patents
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Abstract
超薄型光学パネル、及び超薄型光学パネルの製造方法を開示する。複数のガラスシートを積層する。各シートは、透明クラッド物質でコートされていてもよいし、或いはコートされていなくてもよい。積層されコートされた複数のガラスシートを、エポキシ又は紫外線接着剤を用いて互いに固定する。そして、一様な圧力を積層体に印加し、積層体を硬化させ、積層体を切断して入口面を積層体の一方の側面に、又出口面を積層体の反対側の側面に形成する。積層体の入口面にカプラーを接着し、カプラーが接着された積層体を、上記出口面と整列された開放した前部を有する矩形の筐体内に固定する。矩形の筐体は、上記カプラーと光学的に整列された光発生器をその中に有する。光発生器は、好ましくは、入口面と平行に、又入口面に近接して配置される。これにより、筐体の奥行の低減を可能とする。このタイプの光発生器の代わりの手段は、像経路に対して高度に傾斜した光学パネル入口面の表面上に正確な像を生成するための光学系である。この光学系は、像源と、像のアナモルフィックディストーションを低減するためのアナモルフィック系/拡大器(テレスコープ)と、任意に像の台形ひずみを防止するためのテレセントリック素子と、を有する。 An ultra-thin optical panel and a method for manufacturing the ultra-thin optical panel are disclosed. A plurality of glass sheets are laminated. Each sheet may or may not be coated with a transparent clad material. A plurality of laminated and coated glass sheets are fixed to each other using epoxy or UV adhesive. Then, a uniform pressure is applied to the laminate, the laminate is cured, and the laminate is cut to form the entrance surface on one side of the laminate and the exit surface on the opposite side of the laminate. . A coupler is bonded to the inlet surface of the laminate, and the laminate to which the coupler is bonded is secured in a rectangular housing having an open front aligned with the outlet surface. A rectangular housing has a light generator optically aligned with the coupler therein. The light generator is preferably arranged parallel to and close to the entrance surface. Thereby, the depth of the housing can be reduced. An alternative to this type of light generator is an optical system for producing an accurate image on the surface of the entrance face of the optical panel that is highly inclined with respect to the image path. The optical system has an image source, an anamorphic system / magnifier (telescope) to reduce anamorphic distortion of the image, and optionally a telecentric element to prevent trapezoidal distortion of the image. .
Description
本出願は、1999年12月21日に出願の米国特許出願第09/468,602号(現在米国特許第6,485,145号)の継続出願である、2002年4月25日に出願の米国特許出願第10/132,028号の一部継続出願である。 This application is a continuation of US application Ser. No. 09 / 468,602 (currently US Pat. No. 6,485,145) filed on Dec. 21, 1999, filed on Apr. 25, 2002. This is a continuation-in-part of US Patent Application No. 10 / 132,028.
発明の背景
発明の分野
本発明は、一般には、ディスプレイ(表示)装置の分野に関するものである。より詳細には、本発明は、対象の像をディスプレイ装置上に結合させるための光学系及び方法に関するものである。更に詳しくは、本発明は、対象の像を超薄型平面光学ディスプレイ装置上に結合させるための光学系及び方法に関し、この光学系及び方法は、入射像に対して傾斜しているディスプレイ装置上に像が投影されるときに一般に発生するひずみ(ディストーション,歪曲)を、低減又は排除することができる。
BACKGROUND OF THE
背景の説明
光学スクリーンは、一般に、スクリーン上に像を投影するために陰極線管(CRT)を用いる。標準的なスクリーンは、幅対高さの比が4:3であり、525本の垂直解像度を有する。電子ビームが、このスクリーン上を横切って水平及び垂直方向の両方に走査され、集合的に像を形成する多くの画素(ピクセル)を形成する。
2. Description of Background Optical screens typically use a cathode ray tube (CRT) to project an image onto the screen. A standard screen has a width to height ratio of 4: 3 and has a vertical resolution of 525 lines. The electron beam is scanned both horizontally and vertically across the screen to form a number of pixels that collectively form an image.
通常の陰極線管は、寸法上、実用的な限界があり、又必要とされる電子銃に適応させるためにその奥行が比較的深い。一般的に種々の形態の像投影を含む、より大きなスクリーンが入手可能である。しかしながら、このようなスクリーンは、限られた視角(viewing angle)、解像度、明度(輝度)、コントラストを含む種々の視覚上の欠点を有し、又このようなスクリーンは一般に重量及び形状において比較的扱い難い。更に、どのような大きさの画面にとっても、視野のコントラストを改善するために、黒く見えることが望ましい。しかしながら、CRTは像の形成に蛍光体を使用しており、この蛍光体は黒くないため、直視用CRTが実際に黒であることは不可能である。 A typical cathode ray tube has practical limits in size and is relatively deep in depth to accommodate the required electron gun. Larger screens are generally available that include various forms of image projection. However, such screens have various visual drawbacks including limited viewing angle, resolution, brightness (brightness), and contrast, and such screens are generally relatively small in weight and shape. It is difficult to handle. Furthermore, it is desirable for any size screen to appear black in order to improve the contrast of the field of view. However, since the CRT uses a phosphor for image formation, and this phosphor is not black, it is impossible for the CRT for direct viewing to be actually black.
各々が第1及び第2の端部を有する積層された光学導波路によって光学パネルを作製することができる。この光学パネルにおいては、複数の第1の端部によって出口面が画成され、又複数の第2の端部によって入口面が画成される。このようなパネルは、その高さ及び幅と比較してその奥行を薄くすることができ、導波路のクラッドは、黒色表面の面積を増加させるために黒色に作製することができるが、このようなパネルは、入口面を横切って像光を分配するための高価で扱い難い投影装置を必要とすることがある。これによって、この投影装置は、パネルの全体の寸法及びコストを増加させる。 An optical panel can be made with stacked optical waveguides each having a first and second end. In the optical panel, an exit surface is defined by the plurality of first ends, and an entrance surface is defined by the plurality of second ends. Such a panel can be thinned in depth compared to its height and width, and the waveguide cladding can be made black to increase the area of the black surface. Such a panel may require an expensive and cumbersome projection device for distributing image light across the entrance surface. Thereby, the projection apparatus increases the overall size and cost of the panel.
従って、積層された導波路パネルに対応する利点を有していながら、高価で扱い難い投影装置の使用を必要とせず、又このような装置によって余儀なくされる寸法及びコストの増大を被ることもない光学パネルに対する要求がある。 Thus, it does not require the use of expensive and cumbersome projection devices, while having the advantages corresponding to laminated waveguide panels, and does not suffer from the increased size and cost required by such devices. There is a need for optical panels.
筐体(ハウジング)の奥行(光学パネル及び投影装置を含む。)が最小であることが望まれる光学パネルでは、一般には、投影装置はそれらの全体の規模(寸法)の制約に適応するように配置される。従って、投影装置の配置は、標的とされるパネルの入口面に対して、鋭角に指向される像経路を必要とすることがある。このように、入口面の表面は一般に像経路に対して高度に傾斜されているため、焦点が合わされ、ひずみの無い像を生成することのできる結像(画像形成)系が重要である。適切に焦点合わせ(集束,合焦)された像が望まれるだけではなく、入口面の表面上に生成される像はまた、対象から像への線形的な点間写像(マッピング)(linear point-to-point mapping)を維持する一方、オリジナルの対象のアスペクト比を保持していなければならない。 In optical panels where it is desired that the housing (housing) depth (including the optical panel and the projection device) be minimal, the projection device is generally adapted to accommodate their overall size constraints. Be placed. Thus, the arrangement of the projection device may require an image path that is directed at an acute angle with respect to the entrance surface of the targeted panel. Thus, since the surface of the entrance surface is generally highly inclined with respect to the image path, an imaging (image forming) system that is focused and can generate an image without distortion is important. Not only is a properly focused image desired, but the image produced on the surface of the entrance plane is also a linear point-to-image mapping (linear point). -to-point mapping) while maintaining the original target aspect ratio.
従って、像経路に対して高度に傾斜された入口面表面上で正確な像を生成することが可能であり、不適当に焦点合わせされた像、及びオリジナルの対象の不正確なアスペクト比及び矛盾した対象から像への線形的な点間写像をもたらす像ひずみを被ることのない、光学パネル用の光学系に対する要求がある。 Thus, it is possible to produce an accurate image on the entrance surface that is highly inclined with respect to the image path, improperly focused image, and inaccurate aspect ratio and discrepancy of the original object. There is a need for an optical system for an optical panel that does not suffer image distortion resulting in linear point-to-point mapping from the subject to the image.
発明の概要
本発明は、対象の像を光学パネルの表示像平面上にゼロより大きい入射角にて投影するための光学系に向けられる。前記光学系は、像源及び結像素子(要素)を有する。前記結像素子は、前記対象の像を形成する。前記光学系はまた、前記像のアナモルフィックなひずみ(アナモルフィックディストーション)を低減するためのアナモルフィック素子(要素)、及び前記像の台形ひずみを低減するためのテレセントリック素子(要素)を有する。本発明はまた、光学系と光学パネルとの組み合わせを含む表示系(ディスプレイシステム)に向けられる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to an optical system for projecting an image of an object onto an optical panel display image plane at an angle of incidence greater than zero. The optical system includes an image source and an imaging element (element). The imaging element forms an image of the object. The optical system also includes an anamorphic element (element) for reducing anamorphic distortion (anamorphic distortion) of the image, and a telecentric element (element) for reducing trapezoidal distortion of the image. Have. The present invention is also directed to a display system (display system) including a combination of an optical system and an optical panel.
本発明は、像経路に対して高度に傾斜した入口面表面上に正確な像を生成し、不適当に焦点合わせされた像、及びオリジナルの対象の不正確なアスペクト比及び矛盾した対象から像への線形的な点間写像をもたらす像ひずみを被ることがない、減少した光学経路(距離)を有する光学系を提供することによって、高額で扱い難い投影装置の使用など、従来技術にて経験する問題を解決する。本発明はまた、改善されたコントラスト及び最小化された奥行などの、積層された導波路パネルに対応する利点を保持している。 The present invention produces an accurate image on the entrance surface surface that is highly inclined with respect to the image path, an improperly focused image, and an incorrect aspect ratio of the original object and an image from an inconsistent object. Experienced in the prior art, such as using expensive and cumbersome projectors by providing an optical system with reduced optical path (distance) that does not suffer from image distortion resulting in linear point-to-point mapping to To solve the problem. The present invention also retains the advantages associated with laminated waveguide panels, such as improved contrast and minimized depth.
本発明の、これらの及び他の利点、及び利益は、以下の発明の詳細な説明から明らかとなる。 These and other advantages and benefits of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention.
本発明が明確に理解され、容易に実施できるように、本発明を添付の図面と関連して説明する。 In order that the present invention may be clearly understood and readily implemented, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
発明の詳細な説明
本発明の図面及び説明は、本発明の明確な理解に関係する要素を例示するように単純化され、一方、明瞭さを期す目的で、一般の光学ディスプレイパネルにおいて見出される他の多くの要素は排除している。通常の当業者は、本発明の実施のためには他の要素が望まれ及び/又は要求されることを認めるであろう。しかし、このような要素は斯界にて周知であり、これらが本発明のよりよい理解を助けることはないので、そのような要素の議論はここでは提供しない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The drawings and descriptions of the present invention have been simplified to illustrate elements relevant to a clear understanding of the present invention, while others are found in general optical display panels for purposes of clarity. Many elements of are excluded. One of ordinary skill in the art will recognize that other elements are desired and / or required for the practice of the present invention. However, a discussion of such elements is not provided here because such elements are well known in the art and they do not aid a better understanding of the present invention.
図1は、光学パネル10を示す概略等角図である。光学パネル10は、複数の導波路10aを有し、各々の導波路10aの一端部は、その導波路の入口を形成し、又各々の導波路10aの反対側の端部はその導波路10aの出口を形成する。又、光学パネル10は、光発生系12、この光発生系12と複数の導波路10aが内部に取り付けらる筐体(ハウジング)14及びカプラー(結合器)16を有する。
FIG. 1 is a schematic isometric view showing an
各々の導波路10aは水平方向に延在し、複数の積層された導波路10aは垂直方向に延在する。複数の入口端部は、像光22を受光する入口面20を画成する。複数の出口端部は、光22を表示するための、入口面20と実質的に平行に配置される出口面24を画成する。光22は、限定されるものではないが、ビデオ(映像)像22aなどの形態で表示することができる。
Each waveguide 10a extends in the horizontal direction, and the plurality of stacked waveguides 10a extend in the vertical direction. The plurality of entrance ends define an
筐体14は、光発生系12と複数の導波路10aとを組み合わせたものよりも大きな高さの寸法にされ、複数の導波路10aと光発生系12をその内部に配置することを可能にする。筐体14は、開放した前部を有し、出口面24を見ることを可能にし、又筐体14の開放した前部から後部へと見て、閉じた奥行Dを有する。
The
光発生系12は、導波路10aを通して視覚される光を供給する。光発生系12は、光源30及び光源30からの入射光22をカプラー16へと再指向させる光再指向素子(light redirection element)32を備えている。この光再指向素子32は、カプラー16と共働して、筐体14の奥行Dの減少を可能にする。この減少が可能となるのは、光再指向素子32が、複数の導波路10aの垂直方向の積層体に対して近接し且つ平行に筐体14内に配置された光源30からの光22の向きをカプラー16へと変え、次いでカプラー16が光22の向きを導波路10aへと鋭く変えるように形成されている場合である。カプラー16は、複数の導波路10aを介して略水平方向の伝達(透過)を生起させるために、例えば像光の向きを約45°から約90°までの範囲内で変える作用を成すことが好ましい。又、光発生系12は、変調器(モジュレータ)、更には結像光学部品をも備えていてよい。光発生系12は、図2を参照して更に具体的に議論される。
The
入口面20と出口面24との表面が平行であることは、パネル10及び閉囲(封入)する筐体14を、極めて薄い奥行で作製することを可能とする。パネル10は、入口面20と出口面24との間の導波路10aの奥行である公称厚さTを有し、厚さTは実質的に出口面24の高さH及び幅Wより小さい。パネル10は、例えば、典型的なテレビの幅と高さの比である4:3又は16:9で形成することができる。約100cmの高さH及び約133cmの幅Wに対して、本発明のパネルの厚さTは約1cmとすることができる。奥行Dは厚さTに従って変動するが、上記実施態様において、筐体14の奥行Dは、好ましくは約12cmより大きくない。
The parallel surfaces of the
図2は、超薄型光学パネル10の概略断面側面図である。パネル10は、複数の積層された導波路10a、光発生系12、カプラー16及び筐体14を有する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional side view of the ultra-thin
本発明の一実施態様において、光発生系12は、光再指向素子32と光学的に整列されたプロジェクタ(投光器)60を有する。像は光再指向素子32上に投影され、次いで導波路10aを通して伝達(透過)し、出口面24上で表示するために、カプラー16へ再指向される。好ましい実施態様では、プロジェクタ60は、像光22を入口面20に対して略平行に投影するために入口面20の上部(頂部)に隣接して配置され、又像光22の向きを光再指向素子32からカプラー16へと変えて導波路10aを通して伝達(透過)させるのに十分なだけ、入口面20から距離を置かれる。
In one embodiment of the present invention, the
プロジェクタ60は、光22を発生するための適当な光源30を有していてよい。光源30は、電球(例えば、フィラメント又はアーク型)又はレーザであってよい。プロジェクタ60は、光22を変調して像22aを形成するための変調器62を有していてよい。変調器62は、例えば通常の液晶ディスプレイ(LCD)、ディジタルマイクロミラー装置(DMD)、GLV、レーザラスタスキャナ、PDLC、LCOS、MEMS、又はCRTであってよい。プロジェクタ60はまた、光再指向素子32を越えて像光22を水平方向及び垂直方向に分配或いは分散して、適当に集束させてカプラー16に伝達(透過)するために、適当な像光学部品64を有していてよい。像光学部品64は、集束(フォーカシング,合焦)及び拡大レンズ、及び/又はミラー(鏡)を有していてよい。1つ以上、例えば2〜4個の光発生系12を、カプラー16の1箇所以上に光を供給するために用いることができる。像光22をカプラー16上で垂直方向及び水平方向の両方に拡大するために、結像光学部品64及び光再指向素子32の両方に対して拡大レンズを使用することができる。別法として、カプラー16を横切って像光22を水平方向及び垂直方向の両方にラスタリングすることによって像を形成するために、適切なラスタリング系を光発生系12として使用することができる。
Projector 60 may include a suitable
例示した実施態様では、光22は、先ず、プロジェクタ60から筐体14内を垂直方向下方に、光再指向素子32が取り付けられた筐体14の底部へと投影され、次いで、カプラー16の露出した全表面上に分散させるために、光再指向素子32が像光22を小さな鋭角にて垂直方向上方に再指向させる。他の実施態様では、プロジェクタ60は、入口面20の後ろより寧ろ入口面20の下側に配置することができる。
In the illustrated embodiment, the light 22 is first projected from the projector 60 vertically downward in the
像光22のカプラー16上への許容し得る入射角は、光22の向きをパネル10の入口面20へと変えるカプラー16の能力によって決まる。カプラー16の、この向きを変える能力が大きいほど、筐体14に必要とされる奥行Dを減少させるためにプロジェクタ60をカプラー16の近くに取り付けることができる。
The allowable angle of incidence of the
図3は、超薄型光学パネル10の概略水平及び垂直断面を示す。パネル10は、複数の垂直方向に積層された光学導波路10a、光発生系12(図2参照)、カプラー16及び筐体14を有する。
FIG. 3 shows schematic horizontal and vertical cross sections of the ultra-thin
複数の導波路10aの各導波路10aは、第1の屈折率を有する透明な中心(中央)のコア80を有する。コア80は、限定されるものではないが、例えば、プレキシガラス又はポリマーなどの、光波を通過させるのに適した斯界にて既知の如何なる材料で形成されてもよい。中心コア80は、光学的に透過性の材料で形成することができる。即ち、光学プラスチック、例えばジェネラルエレクトリック社(General Electric Company)(登録商標)から市販されているレクサン(「Lexan」(登録商標))など、或いはBK7タイプなどのガラスである。本発明の一実施態様は、個々のガラスシート(板ガラス)群を用いて実施され、ガラスシートの厚さは一般に2〜100ミクロン(μm)の範囲内であり、又扱いやすい長さ及び幅であってよい。中心コア80は、少なくとも2つのクラッド層82の間にラミネートされる。ガラスと直接触するクラッド層82は、コア80の屈折率より小さな第2の屈折率を有する。これにより、光22がコア80を通して伝達(透過)される際に、実質的に光22の内部全反射(全反射)が可能となる。クラッド82は、例えば、適当なプラスチック、プレキシガラス、ガラス、接着剤、ポリウレタン、低屈折率ポリマー又はエポキシとすることができ、黒色であることが好ましい。多層クラッド層82が使用される場合、クリア(透明)なクラッド層がガラスに接触し、黒に着色された層が隣接するクリアなクラッド層の間に配置されるのが好ましい。これにより、出口面24の視野のコントラスト及びコア80を通る光22の内部反射を改善する。少なくとも1つの黒に着色された層の使用により、出口面24での付加的な黒さを提供することによって、コントラストを改善する。更に、出口面24における黒に着色された層の露出した縁部を観察者が直接視覚できる。加えて、出口面24を介して軸から外れて導波路に入射する周辺光が、黒に着色された層によって内部に吸収される。黒に着色された層は、黒色噴霧塗料、又は1つ以上の黒に着色された層中の隣接するコア80を互いに接合させるエポキシ接着剤中のカーボン(炭素)粒子を用いるなどの適当な方法にて形成することができる。クラッド層82及びコア80を形成する方法を以下で更に具体的に議論する。
Each waveguide 10a of the plurality of waveguides 10a has a transparent center (center)
好ましい実施態様の導波路10aは、出口面24の幅に沿って水平方向に連続して延在する平坦なリボンの形態である。このリボン導波路10aは、好ましくは、出口面24の高さに沿って垂直方向に積層される。従って、パネル10の垂直解像度は、出口面24の高さに沿って積層された導波路10aの数に依存する。例えば、525個の導波路の積層は、525本の垂直解像線を提供する。
The waveguide 10a of the preferred embodiment is in the form of a flat ribbon that extends continuously along the width of the
複数の積層された導波路10aは、最初に第1のガラスシートを、大きさがこの第1のガラスシートより僅かに大きいトラフ(槽)の中に配置して形成することができる。次いで、このトラフを熱硬化性エポキシで充填することができる。このエポキシは、導波路間に黒色層を形成するために黒色であることが好ましく、それによって視野のコントラストが改善される。更に、このエポキシは、例えばガラスシートよりも小さい屈折率を有して、ガラスシート内で実質的に光22の全反射を可能にするなどの、適当なクラッド層82の特性を有しているべきである。トラフを充填した後に、ガラスシート80を繰り返し積層し、エポキシ層を各々のガラスシート80の間に形成する。この積層は、約500〜800枚のシートが積層されるまで繰り返すのが好ましい。次いで、この積層体に一様な圧力を加え、ガラスシート80の間でエポキシを流動させて略一様なレベルとすることができる。本発明の好ましい実施態様では、得られる一様なレベルは、ガラスシートの間で約0.00051cm(0.0002インチ)である。次いで、この積層体を、80℃でエポキシが硬化するのに必要な時間ベーキング(bake)して硬化させる。そして、積層体を、ガラスの割れを防ぐために徐冷させる。硬化後に、積層体を、限定されるものではないが、例えばダイアモンド鋸(ソー)などの鋸に対して配置し、所望の大きさに切断(cut)する。次いで、パネル10の切断部をダイアモンドポリッシャー(研磨材)で研磨して鋸跡(ソーマーク)を全て除去することができる。
The plurality of laminated waveguides 10a can be formed by first placing the first glass sheet in a trough (tank) that is slightly larger in size than the first glass sheet. The trough can then be filled with a thermosetting epoxy. The epoxy is preferably black to form a black layer between the waveguides, thereby improving the field of view contrast. In addition, the epoxy has
本発明の別の実施態様では、複数のガラスシート80を、このガラスよりも小さな屈折率を有する物質で個別に被覆(コート)、或いはこのような物質内に浸漬して、複数の被覆されたシートを、好ましくは黒色の接着剤又は熱硬化性エポキシを用いて互いに固定する。第1の被覆されたガラスシート10aを、大きさがこの第1の被覆されたガラスシートより僅かに大きなトラフに配置し、トラフを熱硬化性黒色エポキシで充填し、被覆されたガラスシート10aを繰り返し積層して、エポキシ層を各々の被覆されたガラスシート10aの間に形成する。この積層は、約500〜800枚のシートが積層されるまで繰り返すのが好ましい。そして、この積層体に一様な圧力を加え、その後エポキシを硬化させ、積層体を所望の大きさに切断(鋸引き:sawing)する。積層体は、曲面状又は平坦に切断することができ、又切断の後につや消し(フロスト)にするか又は研磨してもよい。
In another embodiment of the present invention, a plurality of
本発明の他の実施態様では、ガラスシート80は、好ましくは、1.27cm(0.5インチ)〜2.54cm(1.0インチ)の範囲内の幅を有し、例えば30.48cm(12インチ)〜91.44cm(36インチ)といった取り扱いやすい長さである。シート80は、各シート80の間に配置される黒色の紫外線接着剤の層と共に積層される。そして、紫外線放射を使用して各接着剤層を硬化させ、この積層体を切断及び/又は研磨することができる。
In another embodiment of the present invention, the
上記各実施態様の方法は、積層体の切断及び/又は研磨の後に、積層体の入口面20にカプラー16を結合させること、及びカプラー16が結合された積層体を矩形の筐体14内に固定することを含む。積層体は、筐体14の開放した前部が出口面24と整列し、又筐体14内の光発生器12がカプラー16と光学的に整列するように固定される。
In the method of each of the above embodiments, after cutting and / or polishing the laminate, the
光発生系12は、カプラー16上に入射される光22を供給し、実質的に図2を参照して議論したようなものである。光発生系12の光源30は、筐体14内に、筐体14の容積と奥行を最小にするような適当な位置に取り付けることができる。光源30は、好ましくは、筐体14内において入口面20の上部(頂部)に位置して入口面20の直ぐ後ろに取り付けられ、最初光22を垂直方向下方に投影し、次いで光22の向きは光発生系12の光再指向素子32によって垂直方向上方に変えられて、カプラー16と光学的に係合する。本発明の好ましい実施態様では、個々の導波路10aは傾斜せずに水平方向に延在し、観察者が直接視覚するために、像は導波路10aを通して直接に水平方向に伝達(透過)させることができる。これによって、観察者(視聴者)が光22の全強度を受光して最大明度(輝度)を得ることを可能とする。任意に、拡散材料のシートを出口面24上に設けてもよく、ディスプレイの視角の向上効果をもたらす。或いは、拡散材料のシートの代わりに、出口面24それ自体内に拡散表面を形成してもよく、同様に視角の向上効果をもたらす。このように、明度を最大にするためには、光発生系12から入射する光22の向きは実質的に水平に変える必要がある。プリズム状カプラー16を用いて、90度までの角度で光の向きを変え、入口面20に入射させることができる。本発明の一実施態様では、透過性直角フィルム(TRAF:Transmissive Right Angle Film)が81度の角度にて光の向きを変える。
The
光カプラー16は、光発生系12から入射する光22を入口面20へと結合(カップリング)又は再指向させ、導波路10aを通して伝達(透過)させるために、入口面20の全体に亙り隣接し、又入口面20に適当に接合させることができる。本発明の導波路10aは、入射光22を受光する受け入れ角に制限があることがあり、カプラー16は、像光22の向きを適当に変え、許容し得る受け入れ角内で導波路コア80に確実に入射するように整列される。
The
本発明の好ましい実施態様においては、カプラー16は、入口面20の幅に沿って直線状であり、又入口面20の高さに沿って垂直方向に離間して配置されるフレネルプリズム状溝(群)16aを有する。このプリズム状カプラー16は、90度の角度まで光の向き変えることができる。本発明の他の好ましい実施態様において、プリズム状カプラー16は、3M社(3M Company)(登録商標)(セントポール、ミネアポリス(St. Paul, Minneapolis))から商品名TRAFII(登録商標)で市販されているTRAFである。任意に、このプリズム状カプラー16に極めて近接してに反射器を配置し、溝16aでのいかなる迷光22をも導波路10a内に反射させて戻すことができる。本発明の更に他の実施態様では、カプラー16(又は光再指向表面)は、代わりに入口面20それ自体内に形成してもよい。
In the preferred embodiment of the present invention, the
カプラー16は、回折素子16の形態をとることもできる。回折カプラー16は、水平方向に延在し、個々の導波路10aに平行な多数の小さな溝を有する回折格子を有し、この溝群は入口面20の高さに亙り垂直方向に互いに密接に離間配置されている。カプラー16は、限定されるものではないが、ホログラフィック素子を含む他の形態を同様にとることができる。
The
筐体14は、導波路の積層体10a及び光発生系12を、実質的に閉鎖された囲いの中に支持している。出口面24は外側に面して、観察者及び周囲光に露出しており、入口面20及び隣接するカプラー16は、筐体14内の好ましくは黒色の表面に向かって内側に面している。これによって、出口面24でのコントラストに更なる黒色を提供する。この付加的な黒色は、導波路10a及びカプラー16の受動的性質に起因して出口面24で提供される。これら受動装置が黒色領域内に包囲されていると、出口面24は、入口面20上に入射する像光22によって照明されていない場合黒く見える。
The
図4は、像源110からの像を光学パネル10(これもまた図説の目的で図4中に示されている。)上に投影するのに用いられる光学系100を示す、単純化された概略背面図である。光学系100は、図2を参照して上述した光発生系12を置き換えることができる。光学系100は、像源110、結像素子(imaging element)120、アナモルフィック素子(anamorphic element)130、及びテレセントリック素子(telecentric element)140を有する。光学パネル10は、図1〜3を参照して上述した実施態様のタイプのものであってよい。或いは、光学パネルは、当業者による設計的選択又は日常的なごく普通の実験に依存する異なるタイプのものであってもよい。像源110、結像素子120、アナモルフィック素子130、及びテレセントリック素子140は全て、理想的にはこの光学素子群の湾曲の中心の全てを含む単一平面に関して名目上対称である。単にここでの議論の目的のために、この平面をここでは「y−z平面」と呼ぶ。
FIG. 4 is a simplified illustration showing
ここで用いられる入射角θは、対象平面の中心から表示像平面の中心へ引いた直線と、表示像平面に垂直な直線との間に形成される角度として定義される。これは図5に図示されており、ここでは、投影系はミラー群ではなくレンズ群を用いる。ミラー群が投影系中の光学素子群として用いられる実施態様では、対象平面の中心から表示像平面への直線は、図6に示されるように(ここではテレセントリック素子はミラーである。)「折り返し」されるか又は「反射」される。像は表示像平面上にゼロより大きい入射角にて投影される。本発明の好ましい実施態様において、入射角θは約50°〜85°の範囲内にある。本発明のより好ましい実施態様においては、入射角θは約78°である。 The incident angle θ used here is defined as an angle formed between a straight line drawn from the center of the target plane to the center of the display image plane and a straight line perpendicular to the display image plane. This is illustrated in FIG. 5, where the projection system uses a lens group rather than a mirror group. In an embodiment in which the mirror group is used as an optical element group in the projection system, a straight line from the center of the object plane to the display image plane is shown in FIG. 6 (here the telecentric element is a mirror). Or “reflected”. The image is projected on the display image plane at an angle of incidence greater than zero. In a preferred embodiment of the invention, the incident angle θ is in the range of about 50 ° to 85 °. In a more preferred embodiment of the present invention, the incident angle θ is about 78 °.
斯かる配置と関連するこの傾斜(ティルト)は本質的なものであるので、像平面の光学的な傾斜は、好ましくは、全光学列にわたって徐々に広げられる。換言すれば、光学列中の光学素子群、即ち、結像素子120、アナモルフィック素子130、及びテレセントリック素子140は、各々対象の像にティルト効果(傾斜)をもたらす。とはいえ、これは光学列中のただ1つ又はいくつかの光学素子を用いて達成することができる。像源110及び結像素子120は、各々x軸に関して(x軸周りに)ティルティング(傾斜)される。この方法における像源110及び結像素子120の両方のティルティングは、シャインプルーフの法則(Scheimflug rule)を利用して、像平面に中間のティルト効果をもたらす。
Since this tilt associated with such an arrangement is essential, the optical tilt of the image plane is preferably gradually spread over the entire optical column. In other words, the optical element groups in the optical train, that is, the
結像素子120は、対象の傾斜した像を形成する。アナモルフィック素子130及びテレセントリック素子140もまた、x軸に関してティルティングされ、像平面に更なる中間のティルティング効果をもたらす。アナモルフィック素子130によるティルティングは、光学系100が傾斜された像を生成するために要求されるものではないが、いくらかの程度のアナモルフィック素子130によるティルティングを提供することは、これにより像の品位を向上させるために有用である。
The
像源110は、照明された対象、例えばLCD又はDMDであってよく、又は放射することのできる対象、例えばLEDアレイ又はレーザであってもよい。結像素子120は、好ましくは回転対称な表面を有し、又ガラス又はプラスチックで構成され、これは球面又は非球面表面を含んでいる。
The
アナモルフィック素子130は、主に像のアナモルフィックディストーションを低減するために光学系100中に設けられており、好ましくは、アナモルフィック素子130は光学系100の光学経路(距離)内で結像素子120の後に配置される。とはいえ、いくつかの配置において、結像素子120を光学系100の光学経路内でアナモルフィック素子130の後に配置することが望ましいこともある。ここでの開示の目的のためには、アナモルフィック素子は、2つの直交軸(例えば、x及びy)のそれぞれにおいて、異なる光学的パワー(屈折力,倍率)を有するものである。
The
アナモルフィック素子130は、好ましくは3つの構成要素グループ、即ち、正の集束グループ131、負の集束グループ132、及び負の像拡大グループ133を有する。これら3つの構成要素グループの各々の中には、非球面表面を有する少なくとも1つの円筒状(シリンドリカル)の又は両側(左右)対称(bi-laterally symmetrical)な素子がある。又、個々の構成要素グループはそれぞれ、任意に、球面又は非球面のいずれかである、回転対称な表面を有する素子群を有していてよい。個々構成要素グループは、所望の補正量又はタイプに応じて、選択的に、光学系100の中心長手光学軸101(図4)に対してティルティング(傾斜)されるか又は偏心化される。個々の構成要素グループに対するこれらの調整(即ち、ティルティング及び偏心化)は、日常のごく普通の実験を通して決定することができる。従って、この調整は、この開示に鑑みて当業者には明らかであろう。個々の構成要素グループのそれぞれは、光学系100の他の残りの素子群(アナモルフィック素子130内の残りの個々の構成要素グループを含む。)から独立して配列又は調整することができる。例えば、負の集束グループ132が、光学系100の中心長手光軸101に対して正の傾斜を有し、一方正の集束グループ131及び負の像拡大グループ133が、それぞれ光学系100の中心長手光軸101に対して負の傾斜を有するような配列又は調整が必要となる場合がある。当然、この開示に鑑みて、他の配置も本発明の範囲内に入る。或いは、厳密に3つの構成要素グループ(アナモルフィック素子130内)が全ての構成において要求されるわけではない。理想的には、アナモルフィック素子130内の3つの構成要素グループの各々が対象の像にティルト効果をもたらすが、必要なことは、全体のティルト効果が一定の値となることであり、これはアナモルフィック素子130内の、より少ない或いはより多い構成要素グループを用いて達成することができる。アナモルフィック素子130内の構成要素グループの正確な数は、光学系の全体の配置(上述のティルティングを含む。)、入射角θの値、及び所望の像品位によって決定されてよい。
The
光学系100中のテレセントリック素子140は、主に、ゼロより大きい入射角θを有する結像系においてしばしば発生する、像の台形型像ひずみ(trapezoidal image distortion)(或いは、キーストーン型ひずみ(keystone-type distortion)、即ち、台形ひずみとして知られている。)の低減又は排除のために使用される。この台形型像ひずみの防止は、本開示の全体を通した本発明の種々の実施態様における光学系において望ましいものである。テレセントリック性は、集束表面、光学系の残りの部分のいくつか又は全ての素子、及びこれらの素子群の各々の相対的な間隔/位置を含むファクターの組み合わせによって、これらの光学系に導入することができる。そのようなものとして、本開示の全体を通して、「テレセントリック素子」なる用語は、その系(システム)にテレセントリック様式で像を形成させるのに使用される場合には、素子群及び/又はこれら素子群の対応する間隔/位置の組み合わせを表すことができる。又、所望により、テレセントリック素子140は、任意に、対象の像に傾斜(ティルト)を導入するために用いることができ(上述したように)、又、任意に、像を焦点合わせするために用いることができる。テレセントリック素子140は、好ましくは、光学系100の光学経路内で、アナモルフィック素子130及び結像素子120の後に配置される。又、テレセントリック素子140は、レンズ、ミラー、レンズとミラーとの組み合わせ、又は後述のその他のタイプのものを有していてよい。上述のように、テレセントリック素子140を図6に示されるようにミラーとして備え、光学系100の光学経路中で折り返し効果を成すことが望ましいことがあり、これにより光学パネル10及び光学系100を含む筐体14の全体の奥行D(図1〜3)を減少させる。
The
ここでの開示の目的では、テレセントリック素子は、光線を実質的に平行とするものである。換言すれば、テレセントリックミラー素子から反射された、又はテレセントリックレンズ素子から脱した光は、更に分かれることはなく(円錐形ではなく)、従って、結果として対象は無限遠から来たように見える。 For the purposes of this disclosure, a telecentric element is one that makes the rays substantially parallel. In other words, the light reflected from the telecentric mirror element or deviated from the telecentric lens element is not further separated (not conical), and as a result the object appears to have come from infinity.
所望の補正量又はタイプに応じて、テレセントリック素子140を光学系100の中心長手光軸101に対してティルティング及び偏心させることが望ましいことがある。テレセントリック素子140に対するこれらの調整(即ち、ティルティング及び偏心化)は、日常的なごく普通の実験を通して決定することができる。従って、この調整は、この開示に鑑みて当業者には明らかであろう。好ましい実施態様において、テレセントリック素子140は、像の品位を向上させるために、トロイダル(トロイド状、環状面体)及び/又は非球面である非回転対称(non-rotationally symmetric)表面を備えていてよい。
Depending on the desired correction amount or type, it may be desirable to tilt and decenter the
上述して説明したようなレンズ、ミラー、又はレンズとミラーとの組み合わせとしてのテレセントリック素子140を設ける代わりとして、台形ひずみの低減又は排除は、電子的に行うことができる。例えば、像源110は、投影経路の光学部品によって引き起こされる台形ひずみを補償する「逆台形ひずみ(inverse keystone-type distortion)」を有する像を生成するように構成されたDMDとすることができる。当然、このひずみ補正手法を使用して、光学系内に設けられる他のいかなるひずみ補正又は集束素子を補償することができる。この手法は、DMD変調器に関して説明したが、LCDなどの他の変調器を用いてもよい。
As an alternative to providing a
図5は、図4に示しされるタイプの好ましい光学系100を用いた超薄型光学パネル10の概略断面側面図である。一般に入手可能な、例えばZEMAX(フォーカス ソフトウェア社(Focus Software, Inc.)のような光学設計ソフトウェアを、光学系100内の個々の素子群/グループ群のそれぞれの表面領域に対応する種々の特性(例えば、半径、厚さ、ガラスのタイプ、直径(倍率)、及び表面が円錐形であるかなど)を記述する補助として用いることができる。図4に示す例示的な配置において、ZEMAXソフトウェアは、表1に示されるこれらの表面特性を記述する表面データを出力する。表面番号4〜番号16(表1の左側欄に示される)の表面データは、結像素子120に相当する。表面番号19〜番号26、番号29〜番号31、及び番号35〜番号39の表面データは、アナモルフィック素子130内の正の集束グループ131、負の集束グループ132、及び負の像拡大グループ133にそれぞれ相当する。表面番号43の表面データは、テレセントリック素子140に相当する。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional side view of an ultra-thin
当然、個々の素子/グループのそれぞれに対する他の表面データ値が、この開示に鑑みて当業者には明らかであり、従って光学系100内の個々の素子群/グループ群の全体の構成及び配置(上述のティルティングを含む。)、入射角θの値、所望の像品位に応じて、日常的なごく普通の実験を通して決定することができる。 Of course, other surface data values for each individual element / group will be apparent to those skilled in the art in view of this disclosure, and thus the overall configuration and arrangement of individual elements / groups within optical system 100 ( Including the above tilting), depending on the value of the incident angle θ and the desired image quality, can be determined through routine and routine experimentation.
上述の光学系100は、適正に焦点合わせされた像を光学パネル10の入口面20の表面に生成し、対象から像への線形的な点間写像を維持する一方で、オリジナルの対象のアスペクト比を保持する。
The
レンズ群を有する代わりに、結像素子120及びアナモルフィック素子130はそれぞれ択一的に屈折性素子、反射性素子(例えば、ミラー)、回折性素子、又はそれらの組み合わせを有していてよい。表面形状は、全体的に、又は部分的に、フレネルステップ(段差)群又はファセット(小面)群によって提供することができる。光学系100の光学経路内における折り返し又は複数の折り返しをもたらし、これによって光学パネル10及び光学系100を収容する筐体14の全体的な奥行D(図1〜3)を低減するために、結像素子120及び/又はアナモルフィック素子130をミラーとして提供すること、又は付加的なミラー素子を提供することが望まれることがある。図7〜10に示される後述の実施態様は、これらの設計の選択肢をも組み込むことができる。
Instead of having a lens group, the
図7〜10に開示される系を記述するのに用いられる座標系は、x軸を垂直方向、y軸を水平方向とした、右回りのデカルト座標系(直交座標系)(right-hand Cartesian coordinate system)である。系内の各レンズグループの全ての傾斜は、実質的にx−z平面内にある。x−z平面はまた、系のための対称面であると見なされる。この系における傾斜は、正のy方向が上を指向し、正のz方向が右を指向するように系を見た時に、それらが反時計方向である場合には正の傾斜であると見なされる。系全体の光軸は、対象平面の中心と像平面の中心とを結ぶ線であるとして定義される。折り返された系(即ち、少なくとも1つの反射性表面を組み込んだ系)の場合は、光軸は対応して折り返される。 The coordinate system used to describe the system disclosed in FIGS. 7-10 is a right-hand Cartesian (right-hand Cartesian) with the x-axis being the vertical direction and the y-axis being the horizontal direction. coordinate system). All tilts of each lens group in the system are substantially in the xz plane. The xz plane is also considered to be a symmetry plane for the system. Tilts in this system are considered to be positive if they are counterclockwise when viewed in the system with the positive y direction pointing up and the positive z direction pointing right. It is. The optical axis of the entire system is defined as the line connecting the center of the object plane and the center of the image plane. In the case of folded systems (ie systems incorporating at least one reflective surface), the optical axis is correspondingly folded.
本開示における光学系は、単純な従来の2つの交差したシリンダー(円筒)の系(即ち、その主軸が互いに垂直なシリンダー群。例えば、バイザー(Beiser)に対する米国特許第6,012,816号に記載されたアナモルフィックシリンドリカルレンズ群ch及びcvを参照。)が、アナモルフィックディストーションが補正された像を傾斜した像平面に生成することができる、ということを考慮することによって導き出される。しかし、2つの交差したシリンダーの系は、商業用の像投影系に要求される高い品質の像を生成することはできない。本発明においては、従来の交差したシリンダーの系を、交差していない(即ち、その主軸が互いに垂直ではない)2つの実質的にシリンドリカルな素子(例えば、図7及び8のそれぞれにおいてレンズグループ1及び4として、又図10においてレンズグループ1及び3として示される。)、及びこの2つの実質的にシリンドリカルな素子の間の少なくとも1つの実質的に回転対称な素子によって置換した。図7及び8はそれぞれ、レンズグループ2及び3を実質的に回転対称なレンズグループとして示す。一方、図10に示す実施態様においては、レンズグループ2が、単独の実質的に回転対称なレンズグループである。このグループ構成は、とりわけ、傾斜した像平面上にアナモルフィックディストーションを補正された像を生成する能力を保持しながら、系内の光学収差を補正することを可能とする。
The optical system in this disclosure is a simple conventional two-cylinder system (ie, a group of cylinders whose principal axes are perpendicular to each other. For example, see US Pat. No. 6,012,816 to Beiser. Described by taking into account that the described anamorphic cylindrical lens groups c h and c v ) can produce anamorphic distortion corrected images in a tilted image plane. . However, a system of two crossed cylinders cannot produce the high quality image required for a commercial image projection system. In the present invention, the conventional crossed cylinder system is divided into two substantially cylindrical elements that are not crossed (ie, whose principal axes are not perpendicular to each other) (eg,
対象平面と像平面とが傾斜した系は、一般的に、1ではない有効垂直倍率(magnification)と有効水平倍率との比率として定義されるアナモルフィックディストーションを被る。傾斜した像平面を備えた系の有効倍率は、下記式で定義される。 A system in which the object plane and the image plane are inclined generally suffers from anamorphic distortion, defined as the ratio of effective vertical magnification (not 1) to effective horizontal magnification. The effective magnification of a system with an inclined image plane is defined by the following equation:
但し、mv、mhは、それぞれ光学系の垂直倍率、水平倍率であり、a、cは、それぞれ系全体の光軸に対する、対象の傾斜角(ティルトアングル)、像平面の傾斜角である。従来の交差したシリンダーの系の有効焦点距離は、下記式によって与えられる。 Where m v and m h are the vertical magnification and horizontal magnification of the optical system, respectively, and a and c are the tilt angle of the object and the tilt angle of the image plane with respect to the optical axis of the entire system, respectively. . The effective focal length of a conventional crossed cylinder system is given by:
但し、OIは、対象と像との距離、EFLv、EFLhは、それぞれ垂直シリンドリカルレンズの垂直有効焦点距離、水平シリンドリカルレンズの水平有効焦点距離である。対象の傾斜角(a)、水平集束シリンダーの傾斜角(bh)、垂直集束シリンダーの傾斜角(bv)、及び像平面の傾斜角(c)は、下記式の関係を有する。 Where OI is the distance between the object and the image, and EFL v and EFL h are the vertical effective focal length of the vertical cylindrical lens and the horizontal effective focal length of the horizontal cylindrical lens, respectively. The tilt angle (a) of the object, the tilt angle (b h ) of the horizontal focusing cylinder, the tilt angle (b v ) of the vertical focusing cylinder, and the tilt angle (c) of the image plane have the following relationship:
式(1)〜(3)の解は、傾斜した平面上にアナモルフィックディストーションの無い像を形成するのに必要とされる一次特性を系に与える。 The solutions of equations (1)-(3) give the system the primary characteristics required to form an image without anamorphic distortion on an inclined plane.
従来の交差したシリンダーの系は、合理的に(適度に)大きなOI距離に対して、対象平面及びシリンダー群の傾斜角が小さいという利点を有する。しかし、系が低いf/#(Fナンバー)での高性能な動作ができないことが主な欠点である。全体的な交差シリンダー設計形態が、存在する光学収差を補正するその能力が本質的に制限されるためである。 The conventional crossed cylinder system has the advantage that the tilt angle of the object plane and the cylinder group is small for a reasonably (moderately) large OI distance. However, the main drawback is that the system cannot perform high-performance operation at low f / # (F number). This is because the overall cross cylinder design is inherently limited in its ability to correct existing optical aberrations.
上述の従来の交差したシリンダーの系をより詳細に検討すると、本発明を理解するために使用することのできる教示的な例に発展させることができる。従来の系を傾斜されていない対象平面(a=0度)で検討することによって、この従来の系を単純化することができる。この教示的な例の系の目的は、傾斜した像平面(c=78度)上にアナモルフィックディストーション無しで像を生成することである。下記表2に示す情報を用いることにより、その他のシステムパラメータについて解いて、従来の系の一次モデルを得ることができる。 A more detailed examination of the above-described conventional crossed cylinder system can be developed into a teaching example that can be used to understand the present invention. By examining the conventional system on an object plane that is not tilted (a = 0 degrees), this conventional system can be simplified. The purpose of this example teaching system is to produce an image on an inclined image plane (c = 78 degrees) without anamorphic distortion. By using the information shown in Table 2 below, other system parameters can be solved to obtain a primary model of the conventional system.
対角線12.7mmでf/2.5の系については、垂直集束レンズ及び水平集束レンズの両方が>30度の視野を有する必要がある。小さいf/#(Fナンバー)及び大きな視野を有するシリンドリカルレンズは、設計及び製造の両方が難しい。 For a diagonal 12.7 mm and f / 2.5 system, both the vertical and horizontal focusing lenses should have a field of view> 30 degrees. Cylindrical lenses with small f / # (F number) and large field of view are both difficult to design and manufacture.
上述の不都合を克服するために、従来の2つの交差したシリンダーの系は、2つの実質的に平行なシリンドリカル素子及び少なくとも1つの実質的に回転対称な素子の系によって置換することができる。 To overcome the above disadvantages, the conventional two crossed cylinder system can be replaced by two substantially parallel cylindrical elements and at least one substantially rotationally symmetric element system.
上述の2つの交差したシリンダーの系を、系内の光学収差の補正を可能とし、又系内の個々のシリンドリカル素子に必要とされる光学的パワー(屈折力,倍率)を低減する、3つ又はそれ以上のレンズグループを備えた系へと変質させる。回転対称素子は、単独のレンズグループであってもよく、或いは2つの別個のレンズグループを有していてもよい。 The two crossed cylinder systems described above allow correction of optical aberrations in the system and reduce the optical power (refractive power, magnification) required for individual cylindrical elements in the system. Or, the system is transformed into a system having more lens groups. The rotationally symmetric element may be a single lens group or may have two separate lens groups.
4グループの系(図7及び8参照。)においては、従来の2つの交差したシリンダーの系から、それぞれのシリンドリカル素子を実質的にシリンドリカルなグループ及び実質的に回転対称なグループへと変質させることによって、各シリンドリカル素子のパワー及び傾斜角を低減することができる。この方法で、各シリンドリカル素子の光学的パワーを、各回転対称素子を通して展開することができる。これを達成するために、正に集束させる回転対称グループ(図7においてグループ2として示される。)を、正の水平に集束させるシリンドリカルグループ(グループ1)と組み合わせた。このグループ1とグループ2との組み合わせは、従来の交差したシリンダーの系の水平に集束させるシリンドリカルレンズを置換する。又、負又は正のいずれかに集束させるものであってよい回転対称グループ(グループ3)を、負の水平に集束させるシリンドリカルグループ(グループ4)と組み合わせた。このグループ3とグループ4との組み合わせは、従来の交差したシリンダーの系の垂直に集束させるシリンドリカルレンズを置換する。本発明のこれらの実施態様において、グループ3の光学的パワーは、グループ4の水平方向における光学的パワーと等しく又符号が逆である。又、グループ3とグループ4との組み合わせの光学的パワーは、垂直方向において正となり又水平方向においてゼロとなる。これらの実施態様において、グループ1とグループ2との組み合わせが、水平方向における実質的に全ての光学的パワーを提供することになる。垂直方向における光学的パワーは、グループ1及びグループ4が垂直方向において実質的に光学的パワーを有しない場合、グループ2とグループ3との組み合わせによって実質的に完全に提供されることになる。又、この構成を用いることで、グループ4における負のパワーを増大することが可能となり、これによりグループ4を、水平方向における逆望遠レンズ系(reverse telephoto lens system)の、前方の負の素子として機能させることが可能となる。これはまた、グループ4の焦点距離を増大させることを可能とする。
In a four group system (see FIGS. 7 and 8), transforming each cylindrical element from a conventional two crossed cylinder system into a substantially cylindrical group and a substantially rotationally symmetric group. Thus, the power and tilt angle of each cylindrical element can be reduced. In this way, the optical power of each cylindrical element can be developed through each rotationally symmetric element. To achieve this, a positively focused rotationally symmetric group (shown as
本発明の光学系は、実質的にシリンドリカルな2グループのレンズ群を有する。これらの実質的にシリンドリカルなレンズグループ群は、実質的に回転対称な少なくとも1つのグループのレンズ群を取り囲む。各レンズグループの光軸は、実質的にx−z平面内にある。実質的にシリンドリカルなレンズグループ及び実質的に回転対称なレンズグループの各々の傾斜は、実質的にx−z平面内にある。プラスチック又は光学ガラスであり、又実質的にシリンドリカルな表面を一方の側面、実質的に回転対称な非球面の表面を他の側面に有する、3つの素子(即ち、図7においてグループ1、2及び4のそれぞれに1つずつ、又図10においてグループ1、2及び3のそれぞれに1つずつ)が存在することが好ましい。系内の各グループの傾斜は全て、入射光の中心線に関して比較的小さい。系内の偏心もまた、入射光の中心線に関して小さい。少なくとも1つの実質的に回転対称なグループは、ただ1つの実質的に回転対称なグループから成っていてもよく、或いはより好ましくは少なくとも2つの実質的に回転対称なグループを有していてもよい。2つ又はそれ以上の実質的に回転対称なグループを利用する時は、光学系の収差補正特性における付加的な向上が生じる。小さな偏心及び傾斜は、光学系内の全ての素子を最小の複雑さのものとすることができ、これにより製造容易化を可能とすることができる点で有利である。交差したシリンダーの系から始め、そして系の光学的パワーの大部分を実質的に回転対称な光学系へと移動させることで、これらの利点に到達した。垂直方向における実質的に全てのパワーを少なくとも1つの実質的に回転対称な系へと移動させ、又水平方向における光学的パワーを2つの実質的にシリンドリカルなグループ及び少なくとも1つの実質的に回転対称なグループを通して展開(拡大)した。このような方法で、水平方向においてより短い焦点距離の光学系、及び垂直方向においてより長い焦点距離の光学系を達成することができる。垂直方向と水平方向とにおける光学的パワーの比率は、系内のアナモルフィックディストーションを補正するメカニズムを提供する。任意に、この光学系を実質的にテレセントリックな素子と組み合わせる場合には、系内の台形ひずみをも防ぐことができる。テレセントリック素子は、屈折性、回折性、反射性、又はそれらの組み合わせである素子であってよい。テレセントリック素子は、ホログラフィック(例えば、ボリュメトリック型(volumetric type)、表面レリーフ型(surface-relief type)、又はそれらの組み合わせなど)のものであってもよく、或いは択一的に又は付加的に球状(スフェリカル)、円筒状(シリンドリカル)、円環状(トーリック)、円錐状(コニック)、楕円状(エリプティカル)、又はそれらの組み合わせである表面を有していてもよい。表面形状は、全体的に、又は部分的に、フレネルステップ(段差)群又はファセット(小面)群によって提供することができる。図9に示す実施態様では、テレセントリック素子は、その光軸291が観察面(viewing screen)に対して垂直である反射性の円錐状表面240を有する。
The optical system of the present invention has two groups of lenses that are substantially cylindrical. These substantially cylindrical lens groups surround at least one group of lenses that is substantially rotationally symmetric. The optical axis of each lens group is substantially in the xz plane. The tilt of each of the substantially cylindrical lens group and the substantially rotationally symmetric lens group is substantially in the xz plane. Three elements (ie,
図7の実施態様
下記表3に示すZemaxの処方により記述された図7に示す系の処方においては、座標系はz軸に関して90度回転した。これにより、対称面をx−z平面にする。この系の水平軸はy軸であり、又垂直軸はx軸である。
7 embodiment In the formulation of the system shown in FIG. 7 described by the Zemax formulation shown in Table 3 below, the coordinate system was rotated 90 degrees about the z-axis. As a result, the symmetry plane becomes the xz plane. The horizontal axis of this system is the y axis and the vertical axis is the x axis.
この系内には、4グループの屈折性光学部品と、1つの反射性表面(図示せず)とがある。各グループは、系の光軸に関して傾斜及び偏心されている。グループ内のレンズ群は、そのグループの共通の軸に沿って整列されている。 Within this system are four groups of refractive optics and one reflective surface (not shown). Each group is tilted and decentered with respect to the optical axis of the system. Lens groups within a group are aligned along the common axis of the group.
この系内のグループ1は、その光学的パワーの大部分を水平方向において有する。このパワーは、これも水平方向におけるパワーを有する、y方向における湾曲(曲率)を備えた3つのシリンドリカル素子、及び1つの非球面のシリンドリカルな表面によって提供される。このグループの光学的パワーの符号は正である。このグループ内にはまた、1つの回転対称な表面があり、これはこの場合は非球面状である。このグループ内のシリンドリカル素子群は、全て光学ガラスで作製される。非球面の回転対称な表面及び非球面のシリンドリカルな表面を有するレンズは、ポリマー材料を含む。
この系内のグループ2は、グループ1と平行なその光軸に整列される。これは、系の最適な性能にとっての要件ではない。グループ2の光学的パワーは、実質的に回転対称である。このグループの光学的パワーの符号は正である。このグループ内には3つの回転対称な球状素子、水平方向においてパワーを有する1つの非球面のシリンドリカルな表面、及び1つの回転対称な非球面表面がある。このグループ内の回転対称な球状素子群は、全て光学ガラスで作製される。非球面の回転対称な表面及び非球面のシリンドリカルな表面を有するレンズは、ポリマー材料を含む。
この系内のグループ3は、負のパワーを有する単一の回転対称ガラス素子から成る。
この系内のグループ4は、その光学的パワーの大部分を水平方向において有する。このパワーは、これも水平方向におけるパワーを有する、y方向における湾曲(曲率)を備えた3つのシリンドリカル素子、及び1つの非球面のシリンドリカルな表面によって提供される。このグループの光学的パワーの符号は負である。このグループ内にはまた、1つの回転対称な表面があり、これはこの場合は非球面状である。このグループ内のシリンドリカル素子群は、全て光学ガラスで作製される。非球面の回転対称な表面及び非球面のシリンドリカルな表面を有するレンズは、ポリマー材料を含む。
この系内の反射性表面は、回転対称な球状表面の一部分である。この素子は、系内の台形ひずみの防止を可能とする。 The reflective surface in this system is part of a rotationally symmetric spherical surface. This element makes it possible to prevent trapezoidal distortion in the system.
各グループにおける光学ガラスの使用は、各グループ内での色収差の補正を可能とする。そのパワーの大部分を水平方向において有する2つのグループ(従って、それらはアナモルフィックである。)の使用は、水平方向において像を拡大することによって系内のアナモルフィックディストーションの補正を可能とする。 Use of optical glass in each group allows correction of chromatic aberration within each group. The use of two groups that have most of their power in the horizontal direction (and therefore they are anamorphic) allows correction of anamorphic distortion in the system by magnifying the image in the horizontal direction. To do.
当然、下記表3に示すZemaxの処方に関して、個々の素子/グループのそれぞれに対する他の表面データ値が、この開示に鑑みて当業者には明らかであり、従って光学系内の個々の素子群/グループ群の全体の構成及び配置(上述のティルティングを含む。)、入射角θの値、所望の像品位に応じて、日常的なごく普通の実験を通して決定することができる。 Of course, for the Zemax prescription shown in Table 3 below, other surface data values for each individual element / group will be apparent to those skilled in the art in view of this disclosure, and thus the individual element groups / It can be determined through routine and routine experimentation depending on the overall configuration and placement of the group (including the tilting described above), the value of the incident angle θ, and the desired image quality.
図8及び9の実施態様
下記表4に示すZemaxの処方により記述された図8及び9に示す系の処方においては、座標系はz軸に関して90度回転した。これにより、対称面をx−z平面にする。この系の水平軸はy軸であり、又垂直軸はx軸である。
Embodiments of FIGS. 8 and 9 In the formulation of the system shown in FIGS. 8 and 9 described by the Zemax formulation shown in Table 4 below, the coordinate system was rotated 90 degrees about the z-axis. As a result, the symmetry plane becomes the xz plane. The horizontal axis of this system is the y axis and the vertical axis is the x axis.
この系内には、4グループの屈折光学部品と、1つの反射性表面(図9に示される素子240)がある。各グループは、系の光軸に関して傾斜及び偏心されている。グループ内のレンズ群は、そのグループの共通の軸に沿って整列されている。
Within this system are four groups of refractive optics and one reflective surface (
この系内のグループ1は、その光学的パワーの大部分を水平方向において有する。このパワーは、これも水平方向におけるパワーを有する、y方向における湾曲(曲率)を備えた3つのシリンドリカル素子、及び1つの非球面のシリンドリカルな表面によって提供される。このグループの光学的パワーの符号は正である。このグループ内にはまた、1つの回転対称な表面があり、これはこの場合は非球面状である。このグループ内のシリンドリカル素子群は、全て光学ガラスで作製される。非球面の回転対称な表面及び非球面のシリンドリカルな表面を有するレンズは、ポリマー材料を含む。
この系内のグループ2は、グループ1と平行なその光軸に整列される。これは、系の最適な性能にとっての要件ではない。グループ2の光学的パワーは、実質的に回転対称である。このグループの光学的パワーの符号は正である。このグループ内には3つの回転対称な球状素子、水平方向においてパワーを有する1つの非球面のシリンドリカルな表面、及び1つの回転対称な非球面表面がある。このグループ内の回転対称な球状素子群は、全て光学ガラスで作製される。非球面の回転対称な表面及び非球面のシリンドリカルな表面を有するレンズは、ポリマー材料を含む。
この系内のグループ3は、負のパワーを有する単一の回転対称なガラス素子から成る。
この系内のグループ4は、その光学的パワーの大部分を水平方向において有する。このパワーは、これも水平方向におけるパワーを有する、y方向における湾曲(曲率)を備えた3つのシリンドリカル素子、及び1つの非球面のシリンドリカルな表面によって提供される。このグループの光学的パワーの符号は負である。このグループ内にはまた、1つの回転対称な表面があり、これはこの場合は非球面状である。このグループ内のシリンドリカル素子群は、全て光学ガラスで作製される。非球面の回転対称な表面及び非球面のシリンドリカルな表面を有するレンズは、ポリマー材料を含む。
この系内の反射性表面240は、回転対称な楕円状表面の一部分である。反射性表面240の光軸291は、スクリーン(画面)の表面に対して垂直に整列される。反射性素子は、系内の台形ひずみの防止を可能とする。
The
各グループにおける光学ガラスの使用は、各グループ内での色収差の補正を可能とする。そのパワーの大部分を水平方向において有する2つのグループ(従って、それらはアナモルフィックである。)の使用は、水平方向において像を拡大することによって系内のアナモルフィックディストーションの補正を可能とする。 Use of optical glass in each group allows correction of chromatic aberration within each group. The use of two groups that have most of their power in the horizontal direction (and therefore they are anamorphic) allows correction of anamorphic distortion in the system by magnifying the image in the horizontal direction. To do.
当然、下記表4に示すZemaxの処方に関して、個々の素子/グループのそれぞれに対する他の表面データ値が、この開示に鑑みて当業者には明らかであり、従って光学系内の個々の素子群/グループ群の全体の構成及び配置(上述のティルティングを含む。)、入射角θの値、所望の像品位に応じて、日常的なごく普通の実験を通して決定することができる。 Of course, for the Zemax prescription shown in Table 4 below, other surface data values for each individual element / group will be apparent to those skilled in the art in view of this disclosure, and thus the individual element groups / It can be determined through routine and routine experimentation depending on the overall configuration and placement of the group (including the tilting described above), the value of the incident angle θ, and the desired image quality.
図10の実施態様
下記表5に示すZemaxの処方により記述された図10に示す系の処方においては、座標系はz軸に関して90度回転した。これにより、対称面をx−z平面にする。この系の水平軸はy軸であり、又垂直軸はx軸である。
Embodiment of FIG. 10 In the system recipe shown in FIG. 10 described by the Zemax recipe shown in Table 5 below, the coordinate system was rotated 90 degrees about the z-axis. As a result, the symmetry plane becomes the xz plane. The horizontal axis of this system is the y axis and the vertical axis is the x axis.
この系内には、3グループの屈折性光学部品と、1つの反射性表面(図示せず)とがある。各グループは、系の光軸に関して傾斜及び偏心されている。グループ内のレンズ群は、そのグループの共通の軸に沿って整列されている。 Within this system are three groups of refractive optical components and one reflective surface (not shown). Each group is tilted and decentered with respect to the optical axis of the system. Lens groups within a group are aligned along the common axis of the group.
この系内のグループ1は、その光学的パワーの大部分を水平方向において有する。このパワーは、これも水平方向におけるパワーを有する、y方向における湾曲(曲率)を備えた3つのシリンドリカル素子、及び1つの非球面のシリンドリカルな表面によって提供される。このグループの光学的パワーの符号は正である。このグループ内にはまた、1つの回転対称な表面があり、これはこの場合は非球面状である。このグループ内のシリンドリカル素子群は、全て光学ガラスで作製される。非球面の回転対称な表面及び非球面のシリンドリカルな表面を有するレンズは、ポリマー材料を含む。
この系内のグループ2は、グループ1と平行なその光軸に整列される。これは、系の最適な性能にとっての要件ではない。グループ2の光学的パワーは、実質的に回転対称である。このグループの光学的パワーの符号は正である。このグループ内には3つの回転対称な球状素子、水平方向においてパワーを有する1つの非球面のシリンドリカルな表面、及び1つの回転対称な非球面表面がある。このグループ内の回転対称な球状素子群は、全て光学ガラスで作製される。非球面の回転対称な表面及び非球面のシリンドリカルな表面を有するレンズは、ポリマー材料を含む。
この系内のグループ3は、その光学的パワーの大部分を水平方向において有する。このパワーは、これも水平方向におけるパワーを有する、y方向における湾曲(曲率)を備えた3つのシリンドリカル素子、及び1つの非球面のシリンドリカルな表面によって提供される。このグループの光学的パワーの符号は負である。1つの回転対称な球状素子及び1つの回転対称な表面もまた存在し、これはこの場合は非球面状である。このグループ内のシリンドリカル素子群及び回転対称な球状素子は、全て光学ガラスで作製される。非球面の回転対称な表面及び非球面のシリンドリカルな表面を有するレンズは、ポリマー材料を含む。
この系内の反射性表面は、回転対称な球状表面の一部分である。この素子は、系内の台形ひずみの防止を可能とする。 The reflective surface in this system is part of a rotationally symmetric spherical surface. This element makes it possible to prevent trapezoidal distortion in the system.
各グループにおける光学ガラスの使用は、各グループ内での色収差の補正を可能とする。そのパワーの大部分を水平方向において有する2つのグループ(従って、それらはアナモルフィックである。)の使用は、水平方向において像を拡大することによって系内のアナモルフィックディストーションの補正を可能とする。 Use of optical glass in each group allows correction of chromatic aberration within each group. The use of two groups that have most of their power in the horizontal direction (and therefore they are anamorphic) allows correction of anamorphic distortion in the system by magnifying the image in the horizontal direction. To do.
当然、下記表5に示すZemaxの処方に関して、個々の素子/グループのそれぞれに対する他の表面データ値が、この開示に鑑みて当業者には明らかであり、従って光学系内の個々の素子群/グループ群の全体の構成及び配置(上述のティルティングを含む。)、入射角θの値、所望の像品位に応じて、日常的なごく普通の実験を通して決定することができる。 Of course, for the Zemax formulation shown in Table 5 below, other surface data values for each of the individual elements / groups will be apparent to those skilled in the art in view of this disclosure, and thus the individual element groups / It can be determined through routine and routine experimentation depending on the overall configuration and placement of the group (including the tilting described above), the value of the incident angle θ, and the desired image quality.
(表1、表3、表4及び表5中の記号)
SURFACE DATA SUMMARY:表面データ概要,SURFACE DATA DETAIL:表面データ詳細,Surf:表面,Type:型(タイプ),Radius:半径,Thickness:厚さ,Glass:ガラス,Diameter:直径,Conic:円錐,STANDARD:標準,IRREGULA:不規則,COORDBRK:コーディネートブレーク,BICONICX:バイコニックス(双円錐),EVENASPH:イーブンアスフェリカル(一様非球面),TOROIDAL:トロイダル,Infinity:無限大,POLYCARB:ポリカーボネート,ACRYLIC:アクリル系,MIRROR:ミラー,Surface:表面,Decenter:偏心,Tilt:傾斜(ティルト),Tilt about X (Y, Z):X(Y,Z)に関する傾斜,Order:順序,Decenter then tilt:偏心して傾斜, Tilt then decenter:傾斜して偏心,Aperture:開口,Rectangular Aperture:矩形開口,Half Width:半値幅,Coeff on〜:〜の係数,Rad of rev.:回転半径,Maximum term:最大期間,Spherical:球状,Astigmatism:非点収差,Coma:コマ。
(Symbols in Table 1, Table 3, Table 4 and Table 5)
SURFACE DATA SUMMARY: Surface data summary, SURFACE DATA DETAIL: Surface data details, Surf: Surface, Type: Type, Radius: Radius, Thickness: Thickness, Glass: Glass, Diameter: Diameter, Conic: Cone, STANDARD: Standard, IRREGULA: Irregular, COORDBRK: Coordinate break, BICONICX: Biconics (Bicone), EVENASPH: Even aspherical (Uniform aspheric), TOROIDAL: Toroidal, Infinity: Infinity, POLYCARB: Polycarbonate, ACRYLIC: Acrylic, MIRROR: Mirror, Surface: Decenter: Eccentricity, Tilt: Tilt, Tilt about X (Y, Z): Tilt about X (Y, Z), Order: Order, Decenter then tilt: Eccentric tilt, Tilt then decenter: inclined and eccentric, Aperture: aperture, Rectangular Aperture: rectangular aperture, Half Width: half width, Coeff on ~: coefficient of ~, Rad of rev .: turning radius, Maximum term: maximum period, Spherical: Jo, Astigmatism: the astigmatic aberration, Coma: coma.
本開示の全体を通して言及した個々の素子(例えば、レンズ)は、1以上のより大きな素子の部分として働くことができる。例えば、図7及び8のそれぞれにおけるグループ4内のレンズ群(及び図10におけるグループ3内のレンズ群)は、アナモルフィック素子の部分として働くことができると共に、テレセントリック素子の部分としても働くことができる。
Individual elements (eg, lenses) mentioned throughout this disclosure can serve as part of one or more larger elements. For example, the lens group in
当業者は、本発明の多くの修飾及び変形を実施し得ることを認めるであろう。上述の説明及び特許請求の範囲は、そのような修飾及び変形の全てを包含するものとして意図されている。 Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations of the present invention may be implemented. The above description and claims are intended to cover all such modifications and variations.
Claims (33)
像源と、
前記像のアナモルフィックディストーションを低減するためのアナモルフィック拡大器(テレスコープ)であって、第1の方向において前記像の第1の倍率を提供し、前記第1の方向に対して垂直である第2の方向において前記像の第2の倍率を提供し、前記第1の倍率は前記第2の倍率とは異なり、第1の実質的にシリンドリカルなレンズグループ及び第2の実質的にシリンドリカルなレンズグループを有し、そして少なくとも1つの実質的に回転対称なレンズグループが、前記第1の実質的にシリンドリカルなレンズグループと前記第2の実質的にシリンドリカルなレンズグループとの間に配置されているアナモルフィック拡大器と、
を有することを特徴とする前記光学系。 An optical system for projecting an image on a display image plane at an incident angle θ greater than zero,
An image source,
An anamorphic magnifier (telescope) for reducing anamorphic distortion of the image, providing a first magnification of the image in a first direction and perpendicular to the first direction Providing a second magnification of the image in a second direction, wherein the first magnification is different from the second magnification, the first substantially cylindrical lens group and the second substantially Having a cylindrical lens group and at least one substantially rotationally symmetric lens group disposed between the first substantially cylindrical lens group and the second substantially cylindrical lens group An anamorphic magnifier,
The optical system comprising:
像源と、
前記像のアナモルフィックディストーションを低減するためのアナモルフィック系と、
テレセントリック素子と、
を有し、
前記テレセントリック素子は、反射性素子、屈折性素子、回折性素子、又はそれらの組み合わせの素子を有し、又前記テレセントリック素子は、前記表示像平面に対して垂直である光軸を有することを特徴とする前記光学系。 An optical system for projecting an image on a display image plane at an incident angle θ greater than zero,
An image source,
An anamorphic system for reducing anamorphic distortion of the image;
A telecentric element;
Have
The telecentric element includes a reflective element, a refractive element, a diffractive element, or a combination thereof, and the telecentric element has an optical axis that is perpendicular to the display image plane. Said optical system.
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- 2004-05-12 EP EP04752050A patent/EP1623270A2/en not_active Withdrawn
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