JP2003270588A

JP2003270588A - 空間光変調器を使用する投影装置

Info

Publication number: JP2003270588A
Application number: JP2003007527A
Authority: JP
Inventors: Joshua M Cobb; エムコブジョシュア
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2003-09-25
Also published as: US6808269B2; EP1335612A2; EP1335612A3; CA2413537A1; US20030133079A1

Abstract

(57)【要約】【課題】多色画像を投影するための投影装置を提供す
る。【解決手段】多色画像の投影用のディジタル投影装置
（１０）は、各成分の色に対する光変調組み立て品（３
８）の一部としての拡大リレーレンズ組み立て品（２
８）を含む。多色画像を形成するために、リレーレンズ
組み立て品（２８）は、各光変調組み立て品（３８）か
らの各色の変調された光を結合させるために使用される
二色性結合器（２６）への入射光の実効ｆ／＃を増加さ
せる。また、拡大リレーレンズ組み立て品（２８）は、
より低いコストの設計を可能にすると共に表示面（４
０）に最も良く適した投影レンズ（３２）の代用を容易
にする、投影レンズ（３２）に対する減少した作動距離
を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、一般的に、空間
光変調器を使用して形成されてきたディジタル画像を投
影するための投影装置に関係し、より詳しくは、このよ
うな投影装置の投影経路において二色性結合素子へ多数
の空間光変調器で発生した多色ディジタル画像を中継す
るための改善された装置及び方法に関係する。

【０００２】

【従来の技術】従来のフィルム投影器に対する適切な置
換と考えられるために、ディジタル投影系は、画質に対
する要求の厳しい要件を満たさなければならない。これ
は、多色の映画の投影系には特に正しい。従来の映画の
質の投影器に匹敵する代替物を提供するために、ディジ
タル投影装置は、高い解像度、広い色の全範囲、高い輝
度、及び１，０００：１を超えるフレームで連続したコ
ントラスト比を提供する、高い水準の性能を満たさなけ
ればならない。

【０００３】多色のディジタル映画の投影に対する最も
有望な解決策は、画像を形成するデバイスとして、二つ
の基本的なタイプの空間光変調器の一つを用いる。第一
のタイプの空間光変調器は、ＴｅｘａｓのＤａｌｌａｓ
におけるＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎ
ｃ．によって開発されたディジタルマイクロミラーデバ
イス（ＤＭＤ）である。ＤＭＤデバイスは、多くの特
許、例えば、特許文献１、２、３及び４に記載されてい
る。ＤＭＤを用いる投影装置に関する光学設計は、特許
文献５、６、７及び８に開示されている。ＤＭＤは、デ
ィジタル投影系で用いられてきた。しかしながら、ＤＭ
Ｄに基づく投影器は、必要な光のスループット、コント
ラスト比、色の全範囲、を提供するある能力を実証する
が、（わずかに１０２４ｘ７６８ピクセルを提供する現
在のデバイスでの）固有の分解能の限界並びに高い構成
部品及び系のコストが、高品質のディジタル映画投影に
対するＤＭＤの許容可能性を制限してきた。

【０００４】ディジタル投影に使用される第二のタイプ
の空間光変調器は、液晶デバイス（ＬＣＤ）である。Ｌ
ＣＤは、各々の対応するピクセルに対する入射光の偏光
状態を選択的に変調することによって、ピクセルの配列
として画像を形成する。ＬＣＤは、高品質のディジタル
映画の投影系に対する空間光変調器としての利点を有す
るように見える。これらの利点は、相対的に大きなデバ
イスの大きさ及び好都合なデバイスの生産高を含む。Ｌ
ＣＤの空間光変調器を利用する電子投影装置の例の中に
は、特許文献９、１０、１１、１２及び１３に開示され
たものがある。

【０００５】空間光変調器を使用する電子投影装置にお
いて、個々の色、従来は赤、緑、及び青（ＲＧＢ）は、
光学通路の対応する赤、緑、又は青の部分で別々に変調
される。次に各色の変調された光を、合成の多色のＲＧ
Ｂ色画像を形成するために結合させる。変調された色の
光を結合させる投影光学部品に関して二つの基本的なア
プローチがある。収束のアプローチとして特徴付けるこ
とができる、第一のアプローチは、より早期の従来の投
影系から改作される。収束のアプローチを使用して、成
分の赤、緑、及び青の光は、ある焦点面で合成の多色の
色画像を形成するために必要なように各々の光路を有効
に曲げる投影光学部品によって収束する、別々の軸を有
する。実例として、特許文献１４は、収束するビデオ投
影系が開示する。特に、特許文献１４の開示は、収束の
投影アプローチに関する主要な問題の一つが、即ち、個
別の色画像を、投影面に適切に位置を合わせなければな
らないことを説明する。色の光の投影経路における任意
の一つに沿った位置ずれ又は不十分な焦点調節は、不満
足な画像に容易に帰着し得る。このアプローチを使用し
て画像の経路を焦点面でのみ収束させることを観察する
ことは有益である。

【０００６】特許文献１５は、上述の収束のアプローチ
を使用して、設計の複雑さを単純化すると共に多色の投
影系に固有の光路の整列、及び位置合わせの問題のいく
つかを多少とも解消する試みを開示する。特許文献１５
の開示において、収束光学系が、都合良くは投影レンズ
の軸上に中心が置かれた収束した画像を形成するため
に、赤、緑、及び青の変調された光路を収束させる、光
弁投影系が記載されている。

【０００７】このように、特許文献１５で概説される設
計戦略は、収束のアプローチを使用する系に関する投影
レンズ設計の課題を単純化する。しかしながら、収束の
アプローチに固有の他の問題は残る。

【０００８】特許文献１５に示されたものに類似のアプ
ローチに関する一つの顕著な問題は、相対的に高いエタ
ンデュである。光学技術において周知であるように、エ
タンデュは、光学系によって取り扱うことができる光の
量に関係する。潜在的に、エタンデュが大きいほど、画
像は明るくなる。数字で表すと、エタンデュは、二つの
因子、即ち、画像の面積及び開口数の積に比例する。開
口数を増加させることは、例えば、エタンデュを増加さ
せるので、光学系は、より多くの光を捕える。同様に、
光がより大きなエリアにわたって生ずるように、源の画
像の大きさを増加させることは、エタンデュを、従っ
て、輝度を増加させる。一般則として、増加したエタン
デュは、より複雑でより高価な光学設計に帰着する。特
許文献１５で概説されるこのようなアプローチを使用し
て、例えば、光学系におけるレンズの構成部品を、大き
なエタンデュに対して設計しなければならない。系の光
学部品を通じて収束させなければならない光に対する源
の画像エリアは、赤、緑、及び青の光路における空間光
変調器の結合したエリアの和である。特に、これは、形
成される最終的な多色画像の三倍のエリアである。即
ち、特許文献１５に開示された配置に関して、赤、緑、
及び青の色の経路が個別であると共に光学的に収束され
なければならないので、光学構成部品は、相当な大きさ
の画像エリア、従って高いエタンデュを取り扱う。さら
に、特許文献１５に開示された配置が、形成された最終
的な多色画像のエリアの三倍からの光を取り扱うが、こ
の配置は、各色の経路が、光レベルの合計におけるわず
かに三分の一を含むので、増加した輝度のどんな利益も
与えない。特に、特許文献１５に開示されたもののよう
な収束の光学部品系における第二のリレーレンズ及び投
影レンズは、このような解決策にコスト及び複雑さを加
える、本質的に大きなエタンデュによって制約される。
さらに、第二のリレーレンズを、十分な可視のスペクト
ルにわたって色補正しなければならない。同時に、リレ
ーレンズ及び投影レンズの異なるセグメントは、異なる
波長を取り扱うので、局所的なレンズの欠陥、塵、又は
汚れは、投影された画像に影響するだけでなく、色の品
質にもまた有害な影響を与え得る。次に、エタンデュの
制約、色補正の要件、塵及び汚れ感度、並びにディジタ
ル投影に関する輝度レベルを最大限にする必要性に照ら
して、特許文献１５で例示した収束のアプローチを妨げ
る顕著な固有の制限があるように見える。

【０００９】投影光学部品に対する代替のアプローチ
を、同軸のアプローチとして特徴付けることができる。
成分の赤、緑、及び青の光ビームが、焦点面で収束する
ように曲げられる、収束のアプローチとは対照的に、同
軸のアプローチは、共通の軸に沿った成分の赤、緑、及
び青の変調された光ビームを結合させる。これをするた
めに、同軸のアプローチは、Ｘ−キューブ又はＰｈｉｌ
ｉｐｓプリズムのような、二色性結合素子を用いる。特
許文献１６及び特許文献１７に開示されているもののよ
うなＸ−キューブ又はＸ−プリズム及び関係する二色性
光学素子は、光学撮像技術において周知である。二色性
結合素子結合は、投影レンズに結合した色画像を提供す
るために、各色の経路からの変調された光を結合させ、
共通の軸に沿って色の経路を互いに折り曲げる。図１を
参照して、同軸のアプローチを使用する従来のディジタ
ル投影系１０の単純化されたブロック図を示す。各色の
経路（ｒ＝赤、ｇ＝緑、ｂ＝青）は、変調された光ビー
ムを形成するための類似の構成部品を使用する。各経路
内の個々の構成部品は、適宜添付されたｒ、ｇ、又はｂ
で標識される。しかしながら、以下に続く記載に関し
て、必要なときのみ、色の経路間の区別が指定される。
三色の経路のいずれに従っても、光源２０は、均一な照
明を提供するために光学部品２２を均一にすることによ
って条件付けられる、変調されてない光を提供する。偏
光ビームスプリッター２４は、ピクセル部位の配列にわ
たって入射光の偏光状態を選択的に変調する空間光変調
器３０へ適切な偏光状態を有する光を向ける。空間光変
調器３０の作用は、画像を形成する。偏光ビームスプリ
ッター２４を通じて光軸Ｏ_ｒ、Ｏ_ｇ、Ｏ_ｂに沿って透過
する、この画像からの変調された光は、二色性結合器２
６、典型的にはＸ−キューブ又はＰｈｉｌｉｐｓプリズ
ムに向けられる。二色性結合器２６は、投影スクリーン
のような表示面４０上への投影に関する共通の光軸Ｏに
沿って投影レンズ３２に対して結合した多色画像を形成
するために、個別の光軸Ｏ_ｒ、Ｏ_ｇ、Ｏ_ｂからの赤、
緑、及び青の変調された画像を結合させる。

【００１０】特許文献１５を参照して上で概説した収束
のアプローチとは対照的に、図１のブロック図に示すと
共に特許文献９に例示するように、同軸のアプローチ
は、多くの利点を有する。光のスループットに関して、
同軸のアプローチは、それが共通の軸に沿って光路を結
合させるので、光学系のエタンデュを増加させない。代
わりに、投影レンズ３２に関して、光軸Ｏ_ｇと接合する
と共に共通の光軸Ｏを形成するために適切な光軸Ｏ_ｒ及
びＯ_ｂを折り曲げることによって、二色性結合器２６
は、空間光変調器３０ｒ、３０ｇ、３０ｂのエリアを光
学的に部分的に重ね合わせる。よって、エタンデュは、
一つ、二つ、三つ、又はより多くの空間光変調器をこの
ように結合させても増加しない。及び、各光の色を別々
に変調し、次に結合させ、共通の光軸Ｏに沿って投影レ
ンズ３２へ提供するので、光学系は、二色性結合器２６
及び投影レンズ３２の間に要求されない。

【００１１】特許文献１８に開示されているもののよう
なＰｈｉｌｉｐｓプリズムを、二色性結合器２６として
代わりに用いることができるかもしれない。Ｐｈｉｌｉ
ｐｓプリズムは、例えば、特許文献１９、特許文献２
０、特許文献２１及び特許文献２２に開示されているも
ののような、投影器の設計において色分離器又は結合器
の構成部品として用いられてきた。

【００１２】図１の基本的なモデルを使用して設計され
たディジタル投影系１０が、良好なレベルの画質を提供
することができると同時に、改良の余地がある。二色性
コーティングによって課される制約は、重要な考察であ
る。二色性結合器２６に使用される二色性コーティング
は、特に、高い輝度レベル及び広い色の全領域が必要と
される投影の用途において、高価で、広範囲の角度にわ
たる入射光に関する適切な性能に設計すると共に作製す
ることが困難であり得る。二色性コーティングは、入射
角及び波長の関数として光を反射すると共に透過させ
る。入射角が変動すると、透過する又は反射させる光の
波長もまた変化する。二色性コーティングを、低いｆ／
＃を有する光学系と共に使用する場合、広いスペクトル
が、広い範囲の入射角によって、コーティングによって
反射されるか又は透過することになる。

【００１３】図２ａ及び２ｂは、入射光の角度の範囲が
増加するとき、二色性コーティングの性能における変化
を図説する。図２ａ及び２ｂを参照して、点源Ｐから
の、及びこれらの図で対角に配置される二色性面３６に
入射する光円錐を表す。図２ａ及び２ｂは、二つの異な
るｆ／＃の値で二色性面３６へ入射する光を表わす。図
２ａにおいて、より小さなｆ／＃を有する光円錐は、よ
り大きな範囲の角度で二色性面３６へ入射する。入射角
を、二色性面３６に対する法線Ｎに関して考える。入射
光ビームの一方の極限における角度Ａ及び反対の極限に
おける角度Ｂの間における差のために、二色性面３６
は、透過する及び反射される光円錐にわたって起こる色
の偏移を引き起こすことになる。

【００１４】比較により、光円錐は、図２ｂにおいてよ
り大きいｆ／＃で入射する。ここで、入射光円錐の極限
の端における角度Ａ’及びＢ’の間における差はほとん
どない。このような場合に、二色性面３６の応答は、図
２ａに示すより小さなｆ／＃を伴うよりも、透過する及
び反射される光円錐にわたって相応してより少ない色の
偏移を引き起こすことになる。

【００１５】図２ａ及び２ｂから明らかであるように、
二色性面３６は、ある支持構造、典型的にはプリズム４
２を有する。収差を最小にするために、面４４ａ及び４
４ｂの平面度は、光円錐がより小さな角度の範囲を与え
る図２ｂのより大きなｆ／＃を伴うよりも、光円錐がよ
り広い角度の範囲を与える図２ａのより小さなｆ／＃で
より重要である。このように、より大きなｆ／＃の光円
錐を使用することができるとすれば、二色性結合器にお
けるプリズム４２の面の公差における要件を、緩和する
ことができ、それによってコスト及び整列の複雑さを減
少させる。しかしながら、従来、より小さなｆ／＃を有
する光円錐は、系の設計が輝度を最大にすることに向け
られるので、投影系において使用される。

【００１６】図２ａ及び２ｂで図説する、より高いｆ／
＃の利点に関係付けられるのは、図を２ｃ及び２ｄを比
較することによって図説するテレセン性の利点である。
ここで、二色性面３６に入射する光線と共に、点源Ｐ
１、Ｐ２、及びＰ３は、平坦な画像平面における点を表
す。図２ｃにおいて、点源Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３からの
光円錐は、テレセントリックであり、同位角Ｃ及びＤ
は、同一である。比較によって、図２ｄにおいて、光円
錐は、テレセントリックではなく、同位角Ｃ’及びＤ’
は、異なる。入射角におけるこの差は、Ｐ１に、Ｐ３と
はわずかに異なる色を持たせることができ、それによっ
て、視野にわたって色の偏移を生ずる。

【００１７】図２ａ−２ｄから、小さな範囲の入射角で
（即ち、高いｆ／＃で）テレセントリックな光を提供す
ることに利点があることを理解することおができる。し
かしながら、実際には、ディジタル投影装置に関してこ
れらの利点を得ることは、同時に高い輝度レベルを維持
する必要性により、困難であることを示してきた。

【００１８】撮像技術において周知であるように、色の
全範囲を最大にするために、各合成色は、できるだけ純
粋な飽和色を提供するために、狭いスペクトルの範囲を
有するべきである。例えば、さらにいくらか緑の光を含
む赤の光のチャンネルを使用して、深い赤色を生じさせ
ることは困難であるだろう。このように、低いｆ／＃
を、色結合プリズム又は他の光学素子と使用する場合、
二色性コーティングの広いスペクトルの応答は、色の全
範囲を減少させる。同時に、しかしながら、低いｆ／＃
は、それが、より広い角度の範囲でより多くの光を集め
るので、高い輝度レベルを得るためには望ましい。フィ
ルター処理のような、色の全範囲を改善するための従来
の補正技術があると同時に、これらの技術は、輝度を減
少させ得る。次に、二色性結合器２６内のコーティング
の制限は、輝度レベル及び色の全範囲の両方を最適化す
るために、ディジタル投影系１０の光学部品の能力を制
約する。

【００１９】ありふれたＸ−キューブの二色性結合器２
６のさらなる制限は、デバイス自体の製造に固有であ
る。Ｘ−キューブは、四つのプリズムから組み立てら
れ、各プリズムの内面は、適切な二色性コーティングを
有する。作製において、プリズムは、互いに接着でくっ
つけられ、内面の平面は、できるだけ接近して整列され
る。しかしながら、これらのデバイスを、従来のディジ
タル投影の解決策と共に使用するとき、Ｘ−キューブの
作製におけるわずかな公差の誤差でさえ、撮像の問題に
帰着し得る。さらなる問題は、組み立てられたＸ−キュ
ーブの外側の面に均一で平坦な面を提供することにおけ
る困難さの結果である。

【００２０】図３ａは、光源Ｐから向けられる光に対し
て理想化されたＸ−キューブ１２６の応答を図説する。
Ｘ−キューブ１２６は、適切な表面処理を有すると共に
互いに接着される四つのプリズム１２８ａ、１２８ｂ、
１２８ｃ、及び１２８ｄを含む。面１３０ａ及び１３０
ｂは、適切な波長を有するＰからの光を反射するために
処理される。点Ｐ’に画像を形成するために、面１３０
ａ及び１３０ｂは、収差のない反射を提供するために、
完全に平面でなければならず、互いに関して完全に整列
しなければならない。図３ａと対照して、図３ｂは、面
１３０ａ及び１３０ｂが必ずしも完全には整列しないＸ
−キューブ１２６’の応答を示す。面１３０ａ及び１３
０ｂの調整不良は、点源Ｐからの光が点Ｐ１’及びＰ
２’に二つの別個の画像を形成することを引き起こす。
収差の効果は、画像点Ｐ１’及びＰ２’の間における距
離が、一つのピクセルの幅程度にあるか又はそれより大
きいとき、最も顕著であるだろう。明らかに、Ｘ−キュ
ーブ１２６’を通じて反射される画像におけるぼけは、
画像点Ｐ１’及びＰ２’の間における任意の方向で距離
を増加させると共にますますより明白であろう。相応し
て、ピクセルの寸法が小さいほど、Ｘ−キューブ１２
６’の作製における欠陥により、収差の不利な影響力は
大きくなる。

【００２１】実際には、図３ａにおけるような完全なＸ
−キューブ１２６の作製が非常に困難であろうこと、及
び誤差のいくらかの許容範囲を許容しなければならない
ことを、容易に認識することができる。この理由のため
に、Ｘ−キューブ１２６を使用して光学系を設計すると
き、精密なＸ−キューブ１２６の公差を維持することに
対する依存性を最小にすることは有利である。

【００２２】撮像の品質に対する関係付けられる重要性
は、光学系において可能なところはどこでも、テレセン
性を保つことである。空間光変調器３０の面における二
つの異なる点源の位置からの光の円錐が、テレセントリ
ックでないとき、次にこれらの異なる位置は、二色性結
合器２６における二色性面に対して異なる入射角を与え
る。応答において、二色性結合器２６は、画像にわたる
色の偏移に帰着する、異なる視野の位置で異なる波長帯
域を反射する。空間光変調器３０におけるテレセントリ
ックな撮像が、画像にわたるコントラストのシェーディ
ングをさらに減少させることを援助することは、光学設
計技術において周知である。

【００２３】投影装置の設計における別の周知な原理で
あるが、投影レンズ３２のレトロフォーカス距離を最小
にすること、よって投影レンズ３２の作動距離の要件及
びコストを最小にすることは、有益である。例えば、特
許文献７に開示されている解決策のような、その実効焦
点距離に対して長い後部焦点距離を有する投影レンズの
コスト及び複雑さの要件を回避することは好ましいだろ
う。

【００２４】特許文献２３は、ディジタル投影器におけ
る使用に関して、固有の公差の問題、及び投影レンズの
作動の要件に関係する上記した困難のいくつかを多少と
も解消する光学リレーレンズ系を開示している。特許文
献２３は、個々のＲＧＢ色の経路からの結合した画像を
ＭａｃＮｅｉｌｌｅ偏光ビームスプリッターへ中継する
ための、単一の１Ｘの二重テレセントリックなリレーレ
ンズの使用を開示する。特許文献２３において、空間光
変調器は、二色性結合器のＸ−キューブの非常に近くに
配置され、それによって、外面の平面度における欠陥及
び内面の作製おける公差の誤差の潜在的な悪影響のいく
つかを最小にする。しかしながら、この解決策は、画像
の輝度、及び色の全範囲の両方を維持することができる
ようにＸ−キューブのコーティング及び面に伴う固有の
問題を補償するために必要とされるものがはるかに不足
になる。例えば、特許文献２３の開示に記された設計
は、二色性コーティングの応答における固有の角度の依
存性を扱ってないので、同時に画像の輝度を維持する間
に、大きな色の全範囲を支持することは、困難なままで
ある。さらに、また投影レンズは、この設計で高い開口
数を使用しなければならならず、より低い開口数での設
計以上に追加されるコストを意味する。空間光変調器の
構成部品の規模のために、特許文献２３の設計は、高品
質のＸ−キューブの設計にまだ非常に依存する。さら
に、特許文献２３に開示されている配置は、偏光ビーム
スプリッター及びその変調するＬＣＤの間における相対
的に多数の光学構成部品を用いる。偏光した照明源の経
路における多数の光学構成部品と共に、いくらかの避け
られない応力複屈折は、両方の方向に伝わる変調されて
ない及び変調された光の両方の偏光状態を必ず変え、画
像のコントラストの損失に帰着するだろう。

【００２５】特許文献２４は、色の経路の一つのみにお
いて、二色性結合器へ中間の画像を中継するための、１
Ｘのリレーレンズの使用を開示する。特許文献２４にお
ける解決策は、構成部品を詰める問題を扱うが、二色性
結合器の応答によって課される角度の制約のいずれも多
少とも解消しない。特許文献２４における解決策もま
た、投影レンズの後部焦点距離の要件に関してどんな軽
減も提供しない。

【００２６】

【特許文献１】米国特許第４，４４１，７９１号明細書

【特許文献２】米国特許第５，５３５，０４７号明細書

【特許文献３】米国特許第５，６００，３８３号明細書

【特許文献４】米国特許第５，７１９，６９５号明細書

【特許文献５】米国特許第５，９１４，８１８号明細書

【特許文献６】米国特許第５，９３０，０５０号明細書

【特許文献７】米国特許第６，００８，９５１号明細書

【特許文献８】米国特許第６，０８９，７１７号明細書

【特許文献９】米国特許第５，８０８，７９５号明細書

【特許文献１０】米国特許第５，７９８，８１９号明細
書

【特許文献１１】米国特許第５，９１８，９６１号明細
書

【特許文献１２】米国特許第６，０１０，１２１号明細
書

【特許文献１３】米国特許第６，０６２，６９４号明細
書

【特許文献１４】米国特許第５，３４５，２６２号明細
書

【特許文献１５】米国特許第５，９０７，４３７号明細
書

【特許文献１６】米国特許第５，０９８，１８３号明細
書

【特許文献１７】米国特許第６，０１９，４７４号明細
書

【特許文献１８】米国特許第３，２０２，０３９号明細
書

【特許文献１９】米国特許第６，２８０，０３５号明細
書

【特許文献２０】米国特許第６，１７２，８１３号明細
書

【特許文献２１】米国特許第６，２６２，８５１号明細
書

【特許文献２２】米国特許第５，６２１，４８６号明細
書

【特許文献２３】米国特許第５，５９７，２２２号明細
書

【特許文献２４】米国特許第６，２４７，８１６号明細
書

【発明が解決しようとする課題】よって、最大の輝度及
び色の全範囲を提供すると同時に、二色性コーティング
における固有の角度の制限を多少とも解消する、投影光
学部品の作動距離の要件を最小にする、並びに投影光学
部品に対して高いｆ／＃を許容する、ディジタル投影光
学部品の設計における改善に対する要求があることを理
解することができる。

【００２７】本発明の目的は、多色画像を投影するため
の投影装置を提供することである。

【００２８】

【課題を解決するための手段】簡潔に、本発明の一つの
態様によれば、投影装置は、第一の光変調組み立て品を
含む。第一の変調組み立て品は、第一の波長を有する光
を変調するための第一の空間光変調器を含み、第一の画
像を形成するための光源を形成する。第一の拡大リレー
レンズは、第一の画像を集束させると共に中継する。第
二の空間光変調器は、第二の波長を有する光を変調し、
第二の画像を形成する。第二の拡大リレーレンズは、第
二の画像を集束させると共に中継する。第三の空間光変
調器は、第三の画像を形成する、第三の波長を有する光
を変調する。第三の拡大リレーレンズは、第三の画像を
集束させると共に中継する。二色性結合器は、第一、第
二、及び第三の画像を結合させることによって多色画像
を形成する。投影レンズは、多色画像を投影する。

【００２９】本発明の特徴は、それが、空間光変調器に
よって形成された画像を拡大するために、及び二色性結
合器へその画像を中継するために、二重テレセントリッ
クである拡大リレーレンズを提供することである。画像
を拡大することによって、拡大リレーレンズは、二色性
結合器が、より高いｆ／＃で動作することを有効に可能
にし、より狭い範囲の入射角に適合させ、よって投影さ
れた画像にわたって色の全範囲を増加させる。

【００３０】本発明の利点は、それが、より低いｆ／＃
で二色性結合器へ変調された光を中継するので、それ
が、二色性結合器におけるあまり高価でないコーティン
グの使用を許容することである。

【００３１】本発明のさらなる利点は、それが、二色性
結合器へ拡大された画像を提供し、それによって、Ｘ−
キューブ光学部品の精密な作製に対する撮像系の依存性
を減少させることである。

【００３２】本発明の利点は、それが、減少した開口数
及び短い作動距離を有する投影レンズの使用を許容する
ことである。よって、投影レンズの要件を緩和すること
によって、本発明は、より要求の厳しい設計にわたって
コスト削減を提供する。加えて、本発明は、投影器が、
交換可能な投影レンズと共に設計されることを可能にす
るので、特定のディスプレイ環境に対して容易に及び経
済的に適切な投影レンズを代用することができる。さら
に、投影レンズの開口数の要件を減少させることによっ
て、本発明は、本質的に、アナモルフィック投影レンズ
素子の設計ンに固有の複雑さを減少させる。

【００３３】本発明のさらなる利点は、それが、光が偏
光子によってフィルター処理される前に、投影された光
に複屈折を導入せず、それによって、コントラスト比を
保つ解決策を提供することである。

【００３４】本発明のまたさらなる利点は、それが、同
軸の光学設計に固有な輝度及び色の品質の利点を享受
し、従来の収束の投影装置における複雑な焦点の問題及
びレンズ設計の懸念を回避することである。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明のこれら及び他の目的、特
徴、及び利点は、図面と併せて考慮するとき、以下の詳
細な説明を読むことで、当業者に明らかになると思わ
れ、ここで本発明の実例となる実施例を示すと共に記載
する。

【００３６】明細書が、本発明の要旨を部分的に指摘す
ると共に明確に請求する請求項で結ぶと同時に、本発明
が、添付する図面と併せて考慮するとき、以下の記載か
らより良好に理解されると思われることを信じている。

【００３７】本記載は、特に、本発明による装置の一部
を形成するか又はその装置とより直接的に協働する素子
に向けられる。具体的に示さない又は記載しない素子
は、当業者に周知の様々な形態を取ってもよいことを理
解することができる。

【００３８】図１及び２ａ−２ｄを参照して上の背景の
欄で与えた記載に照らして、本発明の目標は、必要な輝
度をまだ提供すると同時に、二色性結合器２６の作製に
おける結果として生じる緩和された要件を利用する、高
いｆ／＃でテレセントリックな形態における二色性結合
器２６に光を提供することである。図３ａ及び３ｂに対
する追加の記載は、Ｘ−キューブ又は二色性結合器の機
械的に精密な作製における要求を最小にするＸ−キュー
ブ又は類似の二色性結合器へ光を提供することが有利で
あろうことを示す。

【００３９】図４を参照して、概略の形態で、本発明に
おけるディジタル投影系１０の各色の光学通路で使用さ
れる構成部品の実施を示す。各色のチャンネルにおい
て、光変調組み立て品３８は、色のチャンネルに適切な
ように、拡大された実像Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、又はＩ_ｂを形成す
るために協働する、拡大リレーレンズ２８及び空間光変
調器３０を含む。拡大された実像Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、又はＩ_ｂ
を形成するために、拡大リレーレンズ２８は、その光学
的対象として、空間光変調器３０に位置すると共に偏光
ビームスプリッター２４から反射される像を拡大する。
拡大リレーレンズ２８は、二重テレセントリックである
ので、二色性結合器２６へ光軸Ｏ_ｒ、Ｏ_ｇ、又はＯ_ｂに
沿って向けられた変調された光ビームは、テレセントリ
ックの形態にある。二色性結合器２６は、テレセントリ
ックな光を取り扱うので、角度の分散により、拡大され
た実像Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、又はＩ_ｂにわたる色のシェーディン
グに関して最小の傾向がある。特に、１Ｘよりも大きい
ある倍率因子で空間光変調器３０に形成された画像を拡
大することによって、拡大リレーレンズ２８は、また、
１Ｘの中継の動作が提供するであろうよりも高いｆ／＃
で二色性結合器２６の方へ拡大された実像Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、
又はＩ_ｂを有効に集束させる。結果として、二色性結合
器２６は、より狭いスペクトル帯域を取り扱い、それに
よって、より低いｆ／＃の下で達成可能であろうよりも
大きい色の全範囲を提供することができる。さらに、低
いｆ／＃が、空間光変調器３０でまだ使用されるので、
たとえより高いｆ／＃を二色性結合器２６において達成
しても、拡大リレーレンズ２８の使用により、光は、失
われない。結果として、改善された拡大された実像
Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、又はＩ_ｂが、共通の光軸Ｏに沿って、二色
性結合器２６の出力として提供される。

【００４０】また、図４の配置は、投影レンズ３２のコ
スト及び複雑さの要件を低下させるための利点がある。
図４の配置で、（図４に示してない）表示面４０上へ各
拡大された実像Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、又はＩ_ｂから結合した多色
画像を投影するために、投影レンズ３２は、都合よく、
より高いｆ／＃で作動することができる。加えて、投影
レンズ３２は、表示面４０上へ各拡大された実像Ｉ_ｒ、
Ｉ_ｇ、又はＩ_ｂから結合した多色画像を投影するため
に、小さな作動距離のみを必要とする。

【００４１】１Ｘのリレーレンズを光学部品の経路で使
用する、上で引用した特許文献２３及び２４に開示され
た先行技術の実施とは違って、本発明の装置及び方法
は、拡大リレーレンズ２８による一の倍率より大きいも
のを用いる。２Ｘの倍率では、例えば、拡大リレーレン
ズ２８は、二色性結合器２６へ２Ｘの画像としての拡大
された実像Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、又はＩ_ｂを提供する。これは、
例えば、ｆ／２．５の典型的な値からｆ／５へ、二色性
結合器２６のｆ／＃の要件を有効に倍加する。ｆ／２．
５の値は、容易に、二色性結合器２６のコーティングの
性能に関する推奨される範囲の外部にあり得る。しかし
ながら、ｆ／５は、推奨される範囲内で、典型的には良
好である。ｆ／５における入射の変調された光を使用し
て、二色性結合器２６は、色のシェードの低下無しに大
きい色の全範囲を提供する、投影用の変調された多色画
像を形成することができる。加えて、倍率は、より大き
なピクセルを備えた画像を作成し、それによって、図３
ａ及び３ｂを参照して上述したように、二色性結合器２
６の不完全な製造による収差の効果を減少させる。

【００４２】図５を参照して、横向きの透視図におい
て、好適な実施例において光変調組み立て品３８ｒ、３
８ｇ、３８ｂ及び構成部品の配置を示す。図６は、フォ
ールディングミラー１６無しの好適な実施例の単純化さ
れた概略のブロック図を示す。各光変調組み立て品３８
ｒ、３８ｇ、３８ｂ内で、空間光変調器３８ｒ、３８
ｇ、３８ｂからの初期の変調された光円錐の出力は、二
色性結合器２６の近くにその拡大された実像Ｉ_ｒ、
Ｉ_ｇ、又はＩ_ｂを提供するために、拡大リレーレンズ２
８ｒ、２８ｇ、２８ｂによって光軸Ｏ_ｒ、Ｏ_ｇ、及びＯ
_ｂに沿って中継される。図５に示す特定の配置におい
て、光変調組み立て品３８ｂ及び３８ｒの青及び赤の光
軸Ｏ_ｂ及びＯ_ｒは、ミラー１６で折り曲げられる。二色
性結合器２６は、その出力で共通の光軸Ｏに沿った結合
した多色の変調された画像Ｉ_ｒｇｂを形成するために、
赤及び青の光の選択的な反射によって、及び緑の光の透
過によって、三つの異なる拡大された実像Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、
及びＩ_ｂを結合させる。次に、投影レンズ３２は、（図
５に示してないが、図６に示す）表示面４０上へ結合し
た多色の変調された画像Ｉ_ｒｇｂを投影する。

【００４３】投影レンズ３２の透視図から、結合した多
色の変調された画像Ｉ_ｒｇｂは、個々の拡大された実像
Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、及びＩ_ｂが二色性結合器２６の空間的な位
置に対して形成される場所に依存して、実像又は虚像で
あってもよいことに注意することは有益である。個々の
拡大された実像Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、及びＩ_ｂが、二色性結合器
２６の前面、及び投影レンズ３２の後部の間に形成され
るときはいつでも、結合した多色の変調された画像Ｉ
_ｒｇｂは、実像を形成する。この配置は、図６において
結合した多色の変調された画像Ｉ_ｒｇｂの位置によって
示される。対照的に、個々の拡大された実像Ｉ_ｒ、
Ｉ_ｇ、及びＩ_ｂが、リレーレンズ２８の前面、及び二色
性結合器２６の前面の間に形成されるとすれば、結合し
た多色の変調された画像Ｉ_ｒｇｂは、投影レンズ３２に
関して虚像である。即ち、このような場合において結合
した多色の変調された画像Ｉ_ｒｇｂの実際の空間的な
“位置”は無い。代わりに、二色性結合器２６は、仮想
の結合した多色の変調された画像Ｉ _ｒｇｂとして個々の
拡大された実像Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、及びＩ_ｂを結合させるため
に動作する。

【００４４】結合した多色の変調された画像Ｉ
_ｒｇｂが、実像であるか虚像であるかにかかわらず、次
に投影レンズ３２は、結合した多色の変調された画像Ｉ
_ｒｇｂが形成されるどんな場所からでも表示面４０へ、
結合した多色の変調された画像Ｉ_ｒｇ _ｂを投影するため
に、必要な後部焦点距離で設計される。投影レンズ３２
は、画像投影技術において周知であるような、投影され
た画像のアスペクト比を調節するためのアナモルフィッ
ク付属品を代わりに組み込んでもよい。

【００４５】本発明によって可能にされる高いｆ／＃の
要件、より小さい相対的な大きさ、構成部品の減少した
数、及び緩和された公差は、ディジタル投影に対する投
影レンズ３２の設計のコスト及び複雑さを減少させる。
従って、投影レンズ３２を、例えば異なるスクリーンの
大きさに対して、容易に交換可能であるように設計する
ことができる。

【００４６】好適な実施例では、偏光ビームスプリッタ
ー２４は、空間光変調器３０として反射性ＬＣＤを備え
たワイヤーグリッドビームスプリッターである。偏光ビ
ームスプリッター２４に関しては、従来のＭａｃＮｅｉ
ｌｌｅ偏光ビームスプリッター又は等価な構成部品を代
用することができるかもしれない。

【００４７】代わりに、空間光変調器３０は、図８の概
略のブロック図に示すように撮像光学部品の経路への適
切な適応を伴う透過性ＬＣＤであり得る。透過性ＬＣＤ
に関しては、光源２０及び均一化光学部品２２からの均
一化された光は、空間光変調器３０による変調に対して
偏光した光を提供するために、偏光ビームスプリッター
２４を通じて透過する若しくは反射され得るかもしれな
いか、又は他の偏光構成部品を使用して調整され得るか
もしれない。図８に表すように、各構成部品のＲ、Ｇ、
及びＢの光路は、各光変調組み立て品３８における構成
部品の程度の小さい再配分のみを伴う並列の構造を有す
るであろう。

【００４８】さらに別の代替物として、ディジタル投影
技術において周知であるように、偏光ビームスプリッタ
ー２４に関する内部全反射（ＴＩＲ）ビームスプリッタ
ーの代用のように、撮像光学部品の経路への適切な適応
を伴う空間光変調器３０としてＤＭＤを使用することが
できるかもしれない。

【００４９】二色性結合器２６は、好適な実施例におけ
るＸ−キューブ又はＸ−プリズムである。代わりに、類
似の機能を行う他のデバイスを、例えばＰｈｉｌｉｐｓ
プリズムのような二色性結合器として用いることができ
るかもしれない。図７を参照して、Ｐｈｉｌｉｐｓプリ
ズム５０を使用するディジタル投影系１０の概略のブロ
ック図を示す。光軸Ｏ_ｒ、Ｏ_ｇ、及びＯ_ｂの角度の配置
は、Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム５０の幾何学に適合するた
めに、図６のＸ−キューブと使用されるものとは異な
る。さもなければ、各光変調組み立て品３８における光
学構成部品は、Ｘ−キューブの配置を伴うのと類似の様
式で配置される。再度、Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム５０を
使用するとき又はＤＭＤ若しくは透過性ＬＣＤを使用す
る実施例に関して、構成部品の好適な配置を提供するた
めに、フォールディングミラー１６を、代わりに用いる
ことができるかもしれない。

【００５０】本発明の方法は、二色性結合器２６として
Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム５０を使用する投影装置１０の
配置に特別の利点を提供する。拡大リレーレンズ２８の
長い作動距離が、Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム幾何学によ
り、Ｘ−キューブの作動距離の要件を超える、Ｐｈｉｌ
ｉｐｓプリズム５０の作動距離の要件を補償することが
できることを認識することができる。従って、Ｘ−キュ
ーブの設計と同じ様式で、Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム５０
を備えた拡大リレーレンズ２８の使用は、投影レンズ３
２の後部焦点距離の要件を緩める。加えて、Ｐｈｉｌｉ
ｐｓプリズム５０の設計が、内部全反射を利用するの
で、Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム５０は、必ず、制限された
開口数を有する。これは、Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム５０
に対する入射光のｆ／＃を増加させるために、拡大リレ
ーレンズ２８を使用することを有利にする。

【００５１】本発明は、空間光変調器３０による変調用
に源が色付けされた光を提供するためのどんな適切なタ
イプの照明系の使用も許容する。光源は、ランプ、フィ
ルター、ＬＥＤ、レーザー、又は他の照明構成部品を含
むことができるかもしれない。好適な実施例は、投影撮
像技術において周知の光分離技術に続く、二色性分離器
が、変調用に実質的に純粋な赤、緑、及び青色の光を提
供するために、源の照明をフィルター処理するように配
置される、白色光源としてのキセノンアークランプを使
用する。

【００５２】本発明の投影装置１０の使用、又は本発明
の方法を適用することは、光学系のｆ／＃を増加させる
ことによって、二色性結合器２６の性能及び機械的公差
の要件を緩和し、それによって、二色性結合器２６にお
ける二色性面に入射する角度の範囲を減少させる。これ
は、輝度を妥協することく、改善された全範囲に帰着す
る。そして次には、二色性結合器２６は、投影レンズ３
２に対して、減少した開口数及び短い作動距離を要求す
る、結合した多色の変調された画像Ｉ_ｒｇｂを提供し、
それによって、投影レンズ３２の設計のコスト及び複雑
さを減少させる。拡大リレーレンズ２８の構成部品が、
ＬＣＤ空間光変調器３０用に要求される偏光した照明源
の経路に配置されないので、高いコントラストは、本発
明の設計を使用して維持することができる。これらのレ
ンズ構成部品は、照明光における複屈折に寄与しない。

【００５３】各色の経路は、それ自身の個別の拡大リレ
ーレンズ２８を有するので、空間光変調器３０及び投影
レンズ３２の間にレンズ構成部品に対する広帯域の色補
正の必要はない。投影装置１０の性能に有利であるとす
れば、拡大リレーレンズ２８ｒ、２８ｇ、又は２８ｂの
いずれも、独立して色補正することができる。代わり
に、拡大リレーレンズ２８ｒ、２８ｇ、又は２８ｂの任
意の二つ又は三つ全てが、同一の製造であり、それによ
って作製及び設計コストを減少させることができるかも
しれない。また、二色性結合器２６の精密な作製におけ
る要求は、その入力で与えられる画像の倍率により、緩
和される。そして、これらの改善で、本発明は、投影装
置１０の撮像性能を押し上げ、最小のコストでより単純
で、より小型な光学設計を許容する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の先行技術のディジタル投影装置における
主要な構成部品を示す概略のブロック図である。

【図２ａ】異なるｆ／＃の値で二色性コーティングにお
ける光の入射を示す光線図である。

【図２ｂ】異なるｆ／＃の値で二色性コーティングにお
ける光の入射を示す光線図である。

【図２ｃ】二色性コーティングに入射するテレセントリ
ックな光を示す光線図である。

【図２ｄ】二色性コーティングに入射する非テレセント
リックな光を示す光線図である。

【図３ａ】理想化されたＸ−キューブの撮像の応答を示
す。

【図３ｂ】わずかな調整不良の誤差を有するＸ−キュー
ブの撮像の応答を示す。

【図４】本発明の光変調組み立て品を示すブロック図で
ある。

【図５】好適な実施例における光の変調の経路を示す、
本発明の投影装置の前からの透視図である。

【図６】本発明の投影装置の主要な構成部品を示す概略
のブロック図である。

【図７】二色性結合器としてＰｈｉｌｉｐｓプリズムを
使用する、本発明の投影装置の代替実施例における主要
な構成部品を示す概略のブロック図である。

【図８】空間光変調器として透過性ＬＣＤを使用する、
本発明の別の代替実施例における主要な構成部品を示す
概略のブロック図である。

【符号の説明】

１０ディジタル投影系１６フォールディングミラー２０、２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂ均一化光学部品２４、２４ｒ、２４ｇ、２４ｂ偏光ビームスプリッ
ター２４２６二色性結合器２８、２８ｒ、２８ｇ、２８ｂ拡大リレーレンズ３０、３０ｒ、３０ｇ、３０ｂ空間光変調器３２投影レンズ３６二色性面３８、３８ｒ、３８ｇ、３８ｂ光変調組み立て品４０表示面４２、１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄプ
リズム４４ａ、４４ｂ、１３０ａ、１３０ｂ面５０Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム１２６、１２６’ Ｘ−キューブＡ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’ 角度Ｃ、Ｃ’、Ｄ、Ｄ’ 同位角Ｎ法線Ｉ_ｒ、Ｉ_ｇ、Ｉ_ｂ拡大された実像Ｉ_ｒｂｇ結合した多色の変調された画像Ｏ共通の光軸Ｏ_ｒ、Ｏ_ｇ、Ｏ_ｂ光軸Ｐ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３点源Ｐ’、Ｐ１’、Ｐ２’ 画像点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源を形成すると共に第一の波長を有す
る光を変調して第一の画像を形成する第一の空間光変調
器、前記第一の画像を集束させると共に中継する第一の拡大
リレーレンズ、第二の波長を有する光を変調して第二の画像を形成する
第二の空間光変調器、前記第二の画像を集束させると共に中継する第二の拡大
リレーレンズ、第三の波長を有する光を変調して第三の画像を形成する
第三の空間光変調器、前記第三の画像を集束させると共に中継する第三の拡大
リレーレンズ、前記第一、第二、及び第三の画像を結合させることによ
って多色画像を形成する二色性結合器、並びに前記多色
画像を投影する投影レンズ、を含む第一の光変調組み立
て品を含む多色画像を投影する投影装置。
【請求項２】前記第一の波長は、赤であり、前記第二の波長は、緑であり、前記第三の波長は、青である請求項１記載の投影装置。
【請求項３】前記空間光変調器は、反射性ＬＣＤであ
る請求項１記載の投影装置。
【請求項４】前記空間光変調器は、透過性ＬＣＤであ
る請求項１記載の投影装置。
【請求項５】前記空間光変調器は、ディジタルマイク
ロミラーデバイスである請求項１記載の投影装置。