JP2002521704A - 光源から射出する光を表面に配向する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光源（４６）より射出した光が第一光学要素（２２）により表面（２５）の上に配向されることにより、第二光学要素（２４）により検出可能な像が生成される配列で、第一、第二及び第三部分光学要素（２２，２４，２８）、及び第二光学要素を形成する第一、第二部分光学要素の共通光学軸（２０）としての光学軸（２０）を有し、第三部分光学光学要素（２８）より射出し第二部分光学要素（２４）に入射する光が共通光学軸（２０）と相関的な角度（α）を有し、前記共通光学軸（２０）において第三部分光学要素（２８）が反射面（２５）により第二部分光学要素（２４）から第一光学要素（２２）に反射される光により横切られる領域の外側に位置する配列。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、光源から射出する光を第一光学要素にて表面に配向することにより
形成される像を、第二光学要素で検出可能な装置に関する。

【０００２】 例えば照明のための光源から射出する光を物体の表面に配向することにより第
二光学要素により像を観察可能にする装置は、例えば顕微鏡により公知である。
さらに、スライドまたはフィルム映写機においては、光源から出射される光束が
スライド又はフィルム画像上をむらなく照明するためのコンデンサにより投射さ
れ、同画像が第二光学要素の働きをする対物レンズによりスクリーン上に生成さ
れることが知られている。

【０００３】 しかし、ここでは、ビデオ映像を傾斜鏡列により生成する最新技術を考慮の対
象とする。前記傾斜鏡列は、反射方向の調整の度合に応じて０又は１の２個の状
態をとる個々の傾斜配列鏡の視野を備える。同視野の横列及び縦列の量は、表示
されるビデオ画像の線及び画像の点／線についてのビデオの基準に対応している
。灰色値域又は個々の画素の色を可能にするために、画素に割り当てられた画像
鏡が画素情報にもとづく連続パルスの作用を受け、この連続パルスが傾斜鏡の入
射角及び反射角を別方向に迅速に切り替えることにより、対応する明暗の中間値
が、０と１のパルス反復率による計時方法で調整される。このような傾斜鏡列は
、例えばテキサス・インスツルメンツ社より入手可能である。

【０００４】 前記投射器におけるように、前記種類の傾斜鏡列において使用されている光学
要素は、傾斜鏡列の照明用の光学要素及び、通常画像内容をスクリーン上に投射
するための対物レンズと呼称される第二光学要素からなっており、前面投射及び
背面投射の両方が可能である。

【０００５】 「スクリーン」の用語は、ここでは非常に広い意味で用いられている。とくに
、例えばレーザー・ショーについては、スクリーンは、また、フォグマシーンか
ら出る煙や水壁をもさす。

【０００６】 照明における空間の問題のため、長い断面長を有する光学要素が以前には第一
光学要素及び第二光学要素として用いられていたため、傾斜鏡を有する投射器に
ついては、決まった大きさがつねに要求された。さらに、光を投射する距離が長
いため、光が損失する可能性があり、必要な入力及び従って得られる熱出力が増
加し、それによりさらに大きな構造上の形状がもたらされる。したがって、加熱
を抑えることが同時に必要な小型の投射器においては、大型のスクリーン対角線
による画像はもはやまったく不可能である。

【０００７】 しかし、小型で光集約的な投射器は必要とされる。小型の光集約的な投射器は
運搬可能で、かつ通常の室内照明のもとで十分に明るい適当な大きさの画像が得
られる必要がある。現在、市場に出回っている携帯用投射器は、新世代のさらに
小型の投射器、いわゆるパームトップ型投射器に取って代わられることになる。
前記パームトップ型投射器は、照明用光学機械及び投射目標に対して実質的にさ
らに小型の光学システムを備える。公知の光学機械のミニチュア化により前記光
学システムを獲得するための努力がなされたが、加熱の問題及び冷却に要する追
加的費用の問題が依然として障害として残る。そのうえ、十分な光の量を反射す
るためには傾斜鏡列が一定のサイズをなお具備しなければならない。

【０００８】 類似する一群の問題は、反射型ＬＣＤ、とりわけ傾斜ＬＣＤ要素を有する反射
型ＬＣＤについても生じる。

【０００９】 本発明の目的は、前記のような小型化された投射器の実現を可能にする新しい
照明と投射の組合せを見出すことにある。

【００１０】 前記の要件に照らすと達成不可能に思われる本発明の目的は、前記の先行技術
から進んで、第一及び第二の光学要素を第一、第二、及び第三の部分的光学要素
に分解し、第一及び第二部分光学要素が、各例において、共通の光学軸を有する
ことにより第二光学要素を形成することにより満足される。照明用の入射光が第
三部分光学要素を通過すると、第三部分光学要素と第二部分光学要素により第一
部分光学要素が形成される。投射を可能にするために、第三部分光学要素から進
んで第二部分光学要素に向いた光が共通の光学軸に対して一定の角度を有してお
り、前記光学軸において、第三部分光学要素は、第二部分光学要素から第一部分
光学要素までの表面に反射した光が横切る領域の外側に位置する。

【００１１】 第一に、従来技術では、前記例示の傾斜鏡列を照明し、かつ画像内容を生成す
るための交差距離の長さから、小口径の開口部を必要とするために、第一、第二
、及び第三の各部分光学要素への分割は考えられない。実験が示すように、その
結果、照明光の光線軌道と反射光の光線軌道は重複する必要がある。通常使用さ
れるのは小口径の開口部であるため、部分光学要素を介して傾斜鏡列に当る光束
を傾斜鏡列に反射する光の光線軌道から分離することは不可能である。本発明に
もとづく仕様によってのみ、適度に短小な交差距離を有する部分光学要素を実現
することが可能となり、使用可能な開口部から適度に大きな口径を選ぶことがで
きるとともに、第三部分光学要素を開いた状態に保つことにより傾斜鏡列から射
出する光が妨害されずに通過する。同種光学要素の特別な設計は当業者には公知
となっている。

【００１２】 前記の解決方法は、公知の装置の小型化についての通常の解決方法とは著しく
異なっている。とくに、小型化に際して生じる熱に関連した問題の認識にもとづ
いて、とりわけ空間節約型の冷却手段の実現に当業者がかなりの思考を割いてき
たであろうことは容易に推察される。

【００１３】 しかし、本発明による設計においては、実質的に熱の発生源である傾斜鏡列及
び光源が３個の部分光学要素の外に置かれているため、適切な冷却手段により一
般に問題を生じない。同熱発生源の裏側はまったく固定されていない状態になっ
ているため、公知の設計と対照的に、冷却に関しては光学要素に確保する空間に
特別な配慮を必要としない。したがって、コンパクトで効率的な冷却手段を傾斜
鏡列に用いることも、また可能である。

【００１４】 本発明による設計では光度の増加が得られることも予期せず明らかとなってい
る。これは、傾斜鏡列から射出し、投射される光束を照明及び集光するための交
差距離の短さのため、光学要素から傾斜鏡列までの距離が従来技術において維持
されうるよりも実質的に短く、光の損失が少ないという事実を原因とする。

【００１５】 第三部分光学要素は、原則的に、光学軸について第一部分光学要素及び第二部
分光学要素の間に導入することができる。しかし、本発明の更に有利な開発によ
り一層の小型化が達成可能であり、前記の開発例においては第三光学要素の光学
軸が第二光学要素に対して９０°以下の角度をなし、かつ光束偏向装置、とくに
鏡又はプリズムが提供されていることにより、第三部分光学要素から射出する光
が第二部分光学要素の中に向けられる。小型化は、鏡面レンズによる光学要素が
通常占めるよりも実質的に占める空間が小さい鏡又はプリズムの使用によりさら
に向上する。さらに、鏡又はプリズムは、とくに９０°未満の表示角度において
は、前記例示の傾斜鏡列について集光性の向上及び照明の収束性が得られる照明
用の光束軌道を提供する。前記のとくに望ましい照明用の開口部も、この延長さ
れた光束軌道により実現されうる。

【００１６】 鏡と対照的に、プリズムは、異なる色の光束を分割し、分割後に異なる傾斜鏡
列に配向され、同傾斜鏡列上において異なる色彩のエッセンスを調整してカラー
画像を表示するような態様で形成することが可能である。他の解決方法、例えば
色相環と比較して、プリズムでは全体としてより高い供給電力に見合う光の出力
がもたらされる。

【００１７】 原則的には、光束偏向装置を第一部分光学要素と第二部分光学要素との間の任
意の場所に導入することができる。他方で、偏向装置が、第二部分光学要素の同
ひとみの表面からひとみの直径の半分に満たない距離にある場合には、以下に例
示の実施態様から明らかなように、光束偏向装置に関してより好ましく、狭めら
れたスペースに収納するという要件に関してより有利である。同ケースにおける
第二光学装置のひとみの表面は、第二部分光学要素により決定される表面であり
、かつ同一の角度を有するが異なる偏向位置を有する反射面から射出する光が集
められる点により形成される表面であることである。

【００１８】 本発明の土台となる原理のために、第三部分光学要素は、例えば、１点に集光
された光源が前記例示の傾斜鏡列の地点上に前記部分光学要素を介して結像され
るような態様で形成される。しかし、結像の一体性については、第三部分光学要
素が集光するように構成される場合、すなわち実質的により経済的であることが
示されている。それにより第二部分光学要素の入射側の平行な光線から射出し、
同平行光線に集光して傾斜鏡列上で結像させることが可能となる。光を第二部分
光学要素の内側に案内するためには、同ケースにおいて平行な光線を生成するた
めに一般的に第三部分光学要素により大きなスペースが必要とされ、照明の一体
性は実質的に増加する。前記の光束軌道の変更装置を使用する場合には、より大
きなスペースを要する必要もない。

【００１９】 すでに明らかなように、本発明の実質的に有利な点は、結像及び照明用の孔を
最適化する特別な可能性にある。とくに、以下に説明する本発明の更なる開発例
においては、反射面側の第二部分光学要素が直径０．３以上、とくには０．５の
孔を有し、第三部分光学要素が、０．３以下のｓｉｎθ、とくには０．２を有す
る第二部分光学要素背面の反射面において照明角θを有するように設計されてい
る。同孔が拡大すると、傾斜鏡列として例示したスペースが従来技術におけるよ
りも小さくなる。前記の有利な照明用孔により、傾斜鏡列から射出する光が照明
装置に妨害されずにスクリーン上に投射されることが容易となる。

【００２０】 前記の詳細な特徴は、反射面が方形の画像生成要素、とくに傾斜鏡列又は反射
型ＬＣＤであり、かつ第三部分光学要素に当る光束が横倍率に関して同光束に適
合した方形の光束プロファイルを有する場合には、とくに有利であることがわか
る。

【００２１】 本発明による配列を傾斜鏡配列において用いる有利な点は、以上ですでに明ら
かにされている。光束がその横倍率又は画像比に適合した方形の光束プロファイ
ルを有するという事実により、照明に用いられる光が事実上完全に傾斜鏡列にも
たらされ、画像に最大光度が生成される可能性がある。

【００２２】 可能な最も統一的照明は、傾斜鏡列においても同様に有利である。本発明の有
利な更なる開発により光学要素を最大限有効に使うために、方形の光束プロファ
イルのための合成ロッドが第三部分光学要素の前に提供される。合成ロッドは、
光源から射出する光束を繰返し反射により合成する。例えば、入射光と射出光が
直交するプリズムロッドを該目的に使用することにより、光源からの光が外側の
表面領域を通過する際に全反射が多数回繰返し行われ、光が射出するプリズム状
の合成ロッドの表面領域上の位置が実際上入射点と無関係となる。したがって、
均等に照明された方形の領域が生成され、傾斜鏡列上に結像される。

【００２３】 原則として、前記合成ロッドは、第三部分光学要素の正面又は背面に配置する
ことができる。しかし、小型化を向上するためには、合成ロッドが照明器具と第
三部分光学要素との間に提供されるときわめて有利であることがわかっている。

【００２４】 カラー画像を表示するためには、単一の傾斜鏡列しかない場合でも、カラーホ
イールが通常、同傾斜鏡列技術の中に提供される。この関連で、従来技術より知
られるカラーホイールは、周線上に異なる色のフィルターを持つ複数のセクタを
有する円板である。前記カラーホイールは、カラー映像を生成するために迅速に
回転されることにより、光が連続的に異なる色を透過する。

【００２５】 さらに、傾斜鏡列上の情報の内容は、光が列を正目するために通過する個々の
カラーフィルタの各々の色と同期化される。視力の惰性とカラーホイールの回転
速度のために異なる色が同時に感知され、傾斜鏡列上に連続的に異なる色のエッ
センスが調整されることによりビデオ映像として検出される。

【００２６】 しかし、更なる有利な開発によれば、前記の構成はカラー画像を表示するため
の個々の傾斜鏡列及びカラーホイールを備える点で変更が加えられている。前記
カラーホイールは、異なる色のフィルタを有する複数のセクタに分かれ、合成ロ
ッドの入射及び反射表面を覆うシリンダの外側表面領域である。前記の仕様によ
りとくに小型化した配列が達成されるのは、従来技術と比較したシリンダの構成
により、カラーホイール用の合成ロッドの縦方向への延長に１個の寸法のみが垂
直に使用されるためである。これは図面を参照しながら以下に詳しく説明する。

【００２７】 通常、従来技術による光学要素においては、対応する複数の光学軸を相互に適
合させるために調整の費用が増大した。しかし、本発明の場合においては、本発
明の有利な更なる開発により、傾斜鏡列の位置及び角位置のいずれかを調整でき
ることが調整用の部材として可能であることがわかっている。

【００２８】 角度及び距離を修正する可能性により、第一及び第二部分光学要素を介した証
明方向及び光束軌道の調整が満足される。

【００２９】 以下に図面により実施態様の例を参照し、本発明を詳細に説明する。 以下においては、本発明がもとづく原理を、一般性あるいは普遍性を制限する
ことなく、傾斜鏡列を有する投射器について説明する。本発明による装置は、例
えば顕微鏡又は反射投映器などの他のケースの照明についても有利な利用が可能
である。

【００３０】 第一部分光学要素２２及び第二部分光学要素２４は光学軸２０上に配置され、
反射面２５上に結像される像を投影スクリーンに生成する投射光学要素を構成す
る。反射面２５は、前記のようにディジタル傾斜鏡列（ＤＭＤ列）により形成さ
れた。異なる色彩を抽出するために個々のＤＭＤの代わりに３個のＤＭＤ列がを
用いる場合には、照明光を３個の異なる色の光束に分離するプリズム２６をも追
加して用いることが可能であり、同光束はさらに一定の角度で配列された３個の
異なるＤＭＤ列に向けられる。

【００３１】 従来技術より公知であるように照明用の反射面２５上に個別の照明用光学要素
を割り当てる代わりに、第二部分光学要素２４も同時に照明用に使用し、前記目
的のために供給される光を第三部分光学要素２８、及び第二光学要素２４におけ
る偏向装置を介して割り当てることが提案される。図１の例においては、鏡３０
が偏向装置として示されている。

【００３２】 第三光学要素２８は光学軸２０の外側に光学軸２９と共に置かれ、したがって
第一部分光学要素２２の光学軸２０及び第二部分光学要素２４に対して角度αを
なす。同角度αは９０°以下であることが望ましい。とくに、例えば図２、図３
においてより明瞭にみられるように、角度αが６０°乃至９０°の急勾配角であ
ると有利であることがわかっている。

【００３３】 従来技術と対照的に、本発明のケースにおいては、第二部分光学要素２４も部
分投射要素に用いられるために、実質的に従来技術よりも短い断面長が達成され
る。前記理由により、反射面２５は第二部分光学要素２４のより近くに置かれる
ことが可能である。集光性が向上するため、公知の従来技術におけるよりも多く
の光を投射することが可能である。

【００３４】 前記方法により有利な値が可能となる照明光用の開口部、及び投射用に集光さ
れる光により、反射面２５を第二部分光学要素２４により近づけることができる
。

【００３５】 図２以下の図面からより明らかなように、光学要素の開口部全体は射出光が照
明光が反射面２５方向に偏向作用を受ける光学要素２４及び２６を介した領域の
外側まで延びるように設計されている。これは、組合される鏡３０は、光束軌道
内にないため射出光に干渉しないことを意味する。したがって、反射面２５より
射出する光のすべてが投射に用いられることが可能となる。

【００３６】 前記の装置については、第二部分光学要素２４が反射面２５に反射した光を第
二部分光学要素のひとみ３２の中へ変換する集光装置である場合にはとくに有利
であることがわかっている。前記ひとみは、また、第一部分光学要素２２のひと
みでもあり、ひとみ３２から進んで第一部分光学要素２２は像を投射面に投射す
る。

【００３７】 さらに、第三部分光学要素２８から射出する光もまた、ひとみ３２上に投射さ
れる。前記目的のためには、鏡３０が、図１に示されているように、ひとみ３２
及び第一部分光学要素２２の間に位置する場合には、とりわけ光学的に有利であ
ることがわかっている。

【００３８】 図２は、１単位のＤＭＤ列だけが使用されているために分光プリズム２６をま
ったく用いていない実施態様の例を示している。ＤＭＤ列は、光学的調整を可能
にするために角度及び位置の調整が可能である。部分光学要素２２，２４，及び
２８は、図２において、さらに詳しくレンズグループとして示されている。しか
し、図１における実施態様の例と比較して、鏡３０の代わりにプリズム装置３６
が例示されている。

【００３９】 しかし、カラーホイールは、また傾斜鏡列によるカラー画像表示にも使用され
る。従来技術と対照的に、前記カラーホイールは円板ではなく、シリンダの外側
表面領域として構成されており、同シリンダの長さは第三部分光学要素２８の前
の光束にほぼ等しい規模を要するのみである。これにより円板と較べてスペース
が省力化される。

【００４０】 前記外側表面領域は、誘電体層により実施態様の例に配設された相異なるカラ
ーフィルターを備える。前記カラーホイール４０は回転軸４２を中心に１０分の
１回転／分より速い速度で回転するため、視力の惰性により、観察者は外側の表
面領域に配備されたカラーフィルターにより生成される色を、外見上同時に知覚
する。ＤＭＤ列３４の画像内容はこれらの色と同期的に調整される。このように
観察者の目は部分光学要素２２を介して投射されたカラー画像を体験する。

【００４１】 さらに、ＤＭＤ列３４をできるだけ均等に照明する目的から、合成ロッド４６
が配設される。合成ロッド４６は、その外側表面で全反射が生じるガラスのロッ
ドとして構成される。光の射出の起点についての情報は全反射が反復される結果
失われるため、均等に照明された方形の領域が合成ロッド４６の端部に生じる。
前記の均等に照明された領域は、第三部分光学要素２８及び第二部分光学要素２
４を介してＤＭＤ列３４に向けられる。同ケースにおいてとくに有利なのは、そ
の送出口表面の縦横比をＤＭＤ列３４の寸法に適合させた方形の合成ロッドであ
り、その結果、ＤＭＤ列３４を照明するランプ４４から失われる基本光が可能な
かぎり少なくなる。

【００４２】 図３より、例示された個々の光学レンズを介する光軌道が看取される。さらに
、光学レンズの曲率が表１にさらに詳細に示されている。この点において、表示
されている表面の番号は図３における参照番号に対応する。表面間の距離はＤに
より、屈折率はＮにより示され、ｖは通常の分散能の定義に従ってアッベ数を表
す。表面番号９は中間画像平面３２に対応し、中間画像平面３２はまた第二光学
要素２４の入口及び出口のひとみでもある。

【００４３】

【表１】 参照番号５，１５，及び１０６のレンズ表面は非球面状をなしている。レンズ
表面５，１５，１０６の非球面係数は、表２に通常使用される述語で示されてい
る。非球面係数Ｋ，Ａ_nは関数ｚ，すなわち直交デカルト座標に対する光学軸の
空間方向を規定しており、ｙは以下のように定義される。

【表２】

【数１】

【００４４】 所与の非曲面性により、部分光学要素２２，２４，２６を介して可能なかぎり
多量の光が移送される。とくに、該事実は、レンズ表面１０６の場合において、
図３においても示されている。ほぼ合成ロッド４６にかけて一定の曲率が適用さ
れているにもかかわらず、レンズ表面の端部は、合成ロッド４６の出口表面の周
囲にも掛かっている。前記の構成により、合成ロッドのほぼすべての光は、表面
１０５及び１０６を有する曲面レンズにより集められ、さらに遠くへ案内される
。

【００４５】 プリズム３６の寸法及び表面９への配向性も表３に示されている。

【表３】

【００４６】 ＤＭＤ列の画像表示のための前記実施態様の例の使用は、２ｍ以上のスクリー
ン対角線を有するビデオ映像の表示にとって特別に有利であることが証明されて
いる。表１（Ｄ列）の寸法表示によっても示されているように、光学要素の寸法
は非常に小型化されている。エレクトロニクスは小型化により非常に小規模で維
持可能なため、ブリーフケースで携帯することが可能な装置も可能となる。前記
の装置は、したがって、とくに見本市におけるビデオ上映、及び多数又は少数の
聴衆に対してビデオ上映を望む小規模のアーティストや販売担当者にとくに好適
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に用いられている原理を説明するための配置の略図。

【図２】 ＤＭＤ列の照明のための、本発明のとくに有利な構成を示す図。

【図３】 使用される光学装置を詳細に説明するための、図２による実施態
様例におけるレンズの断面図。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源（４６）より出射された光が第一光学要素により表面（
   ２５）上に配向されることにより、第二光学要素により検出可能な像が生成され
   る装置において、第一、第二及び第三部分光学要素（２２，２４，２８）、及び
   第二光学要素を形成する第一、第二部分光学要素の共通光学軸（２０）としての
   光学軸（２０）が設けられ、前記第三部分光学要素（２８）より照射され、第二
   部分光学要素に入射する光が共通光学軸（２０）と相関的な角度（α）を有し、
   前記共通光学軸（２０）において第三部分光学要素（２８）が反射面（２５）に
   より第二部分光学要素（２４）から第一光学要素（２２）に反射される光により
   横切られる領域の外側に位置する装置。
2. 【請求項２】 第三部分光学要素（２８）の光学軸（２９）が、第二部分光
   学要素の光学軸（２０）と共に９０°未満又は９０°に等しい角度を有し、かつ
   、光束を偏向する装置、とくに鏡（３０）又はプリズム（３６）が提供され、前
   記装置により第三部分光学要素より射出する光が第二部分光学要素（２４）の上
   に向けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 第二光学要素のひとみ表面が第一部分光学要素と第二部分光
   学要素の間に提供され、前記ひとみの直径の半分以下のひとみ表面から離れた位
   置に偏向装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】 第二部分光学要素（２８）が集光するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 【請求項５】 反射面（２５）側の第二部分光学要素（２８）が０．３以上
   、とくには０．５の開口部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
   １項に記載の装置。
6. 【請求項６】 第三部分光学要素（２８）が反射面（２５）上において照明
   角度θになるように設計され、同反射面（２５）は０．３未満、とくに０．２未
   満のｓｉｎθを有する第二部分光学要素の背面に位置していることを特徴とする
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 【請求項７】 反射面（２５）が方形の結像要素、とくには傾斜鏡列（３４
   ）または反射ＬＣＤであり、第三部分光学要素（２８）がアスペクト比率に関し
   て同部分光学要素に適合した方形の光プロファイルを有することを特徴とする請
   求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 【請求項８】 方形の光プロファイルを生成する合成ロッド（４６）が第三
   部分光学要素（２８）の前後に配されていることを特徴とする請求項７に記載の
   装置。
9. 【請求項９】 個別の傾斜鏡列（３４）及びカラーホイール（４０）がカラ
   ー映像表示のために配設され、前記カラーホイール（４０）が相異なる色のフィ
   ルターを有する複数の部分に分割され、合成ロッド（４６）の入口表面及び出口
   表面のいずれかを覆っていることを特徴とする請求項８に記載の装置。