JP2004126552A

JP2004126552A - 多数の二重テレセントリックリレーを使用する空間光変調器用のカラー照明システム

Info

Publication number: JP2004126552A
Application number: JP2003208800A
Authority: JP
Inventors: Joshua M Cobb; ジョシュア　エム　コブ
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2004-04-22
Also published as: EP1398972A1; CA2435858A1; CN1490664A; US20040047045A1; US6809873B2

Abstract

【課題】ディジタル投影システムにおいて二色性の面を使用するとき、高い明るさ、高い効率、及びはっきりと定められたスペクトルの端を提供するための照明光学システムを提供する。
【解決手段】多色の画像の投影用のディジタル投影装置（１０）は、光源（１２）からの多色性の光を均一化し、二色性の分離器（２７）における状態調節用の減少した開口数を提供する、基本のコンデンサーリレー（８０）を使用して均一化された照明ビームに倍率を提供する。二色性の分離器から提供された各々の単色性の成分の色に対して、縮小リレー（８２）は、次に、増加した開口数で空間光変調器（３０）に源の照明を提供するために、照明ビームを縮小する。結果として、視野を横切る色むらは、最小にされ、明るさは、最適化される。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般に、空間光変調器を使用してディジタルデータからカラー画像を形成する投影装置に関係し、より詳しくは、白色光源から、高い強度、高い効率、及びはっきりと定められたスペクトルの端を有するカラー照明を提供するための照明システムに関係する。
【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、ディジタル投影システムは、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、多色の映画の投影システムには特に正しい。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、広い色域、高い明るさ、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Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．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、ディジタル投影システムにおいて用いられてきた。しかしながら、ＤＭＤ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、及び色域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）固有の分解能の制限並びに高い構成部品及びシステムの費用が、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。ＬＣＤ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システム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、相対的に大きい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。ＬＣＤ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。次に各々の色の変調された光を、合成の多色のＲＧＢカラー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システムから改作される。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カラー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システムを開示する。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、即ち、個別のカラー画像を、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システム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、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、収束光学システムが、赤、緑、及び青の変調された光路を収束させる、光弁投影システムが記載されている。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システム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。
【０００７】
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、光学システム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、光学システムが、より多くの光を捕えるように、エタンデュを増加させる。同様に、光がより大きい領域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、明るさを増加させる。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で概説されるもののようなアプローチを使用して、例えば、光学システムにおけるレンズの構成部品を、大きいエタンデュに対して設計しなければならない。システム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領域は、赤、緑、及び青の光路における空間光変調器の結合した領域の和である。特に、これは、形成される最終的な多色の画像の三倍の領域である。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領域、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の画像の三倍の領域からの光を取り扱うが、この配置は、各々の色の経路が、光のレベルの合計におけるわずかに三分の一を含むので、増加した明るさ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システム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費用及び複雑さを加える、大きいエタンデュによって本質的に制約される。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明るさレベルを最大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。
【０００８】
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Ｐｈｉｌｉｐｓプリズムのような、二色性の結合素子を用いる。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−プリズム及び関係した二色性の光学素子は、光学結像技術において周知である。二色性の結合素子は、投影レンズに結合したカラー画像を提供するために、各々の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システム１０の単純化されたブロック図を示す。各々の色の経路（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。各々の経路内の個々の構成部品を、適宜添付されたｒ、ｇ、又はｂで標識する。しかしながら、以下に続く記載に関して、必要なときのみ、色の経路間の区別を明細書に記す。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の均一化光学部品２２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方向付ける。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、二色性の結合器２６、典型的には従来のシステムにおけるＸ−キューブ又はＰｈｉｌｉｐｓプリズム、又は二色性の面の結合に方向付けられる。二色性の結合器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の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。
【０００９】
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、光学システム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、二色性の結合器２６は、空間光変調器３０ｒ、３０ｇ、３０ｂの領域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ようとさせまいと増加しない。及び、各々の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、二色性の結合器２６及び投影レンズ３２の間に光学システムが要求されない。
【００１０】
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、二色性の結合器２６として代わりに用いることができるであろう。Ｐｈｉｌｉｐｓプリズムは、例えば、特許文献１９、特許文献２０、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。
【００１１】
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システム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、改良の余地があると感じられる。二色性の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。二色性の結合器２６に使用される二色性のコーティングは、特に、高い明るさレベル及び広い色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。二色性のコーティングは、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れる光の波長もまた変化する。二色性のコーティングを、低いｆ／＃を有する光学システム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。
【００１２】
図２ａ及び２ｂは、入射光の角度の範囲が増加するとき、二色性の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の面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／＃の値で二色性の面３６へ入射する光を表す。図２ａにおいて、より小さいｆ／＃を有する光円錐は、より大きい範囲の角度で二色性の面３６へ入射する。入射角を、二色性の面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、二色性の面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ずれを引き起こすことになる。
【００１３】
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、二色性の面３６の応答は、図２ａに示すより小さい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ずれを引き起こすことになる。
【００１４】
図２ａ及び２ｂから明らかであるように、二色性の面３６は、ある支持構造、典型的にはプリズム４２を有する。収差を最小にするために、面４４ａ及び４４ｂの平面度は、光円錐がより小さい角度の範囲を与える図２ｂのより大きい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のより小さいｆ／＃でより重要である。このように、より大きいｆ／＃の光円錐を使用することができるとすれば、二色性の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、それによって費用及び整列の複雑さを減少させる。しかしながら、従来、より小さいｆ／＃を有する光円錐は、システムの設計が明るさを最大にすることに向けられるので、投影システムにおいて使用される。
【００１５】
図２ａ及び２ｂで図説する、より高いｆ／＃の利点に関係するのは、図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、二色性の面３６に入射する光線と共に、点源Ｐ１、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、点源Ｐ１からの光に、点源Ｐ３からの光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、視野にわたって色ずれを生ずる。
【００１６】
図２ａ−２ｄから、小さい範囲の入射角で（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、同時に高い明るさレベルを維持する必要性により、困難であることが示されてきた。
【００１７】
結像技術において周知であるように、色域を最大にするために、各々の合成の色は、できるだけ純粋な飽和色として提供するために、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、二色性のコーティングの広いスペクトルの応答は、色域を減少させる。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、高い明るさ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、色域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、明るさを減少させ得る。次に、二色性の結合器２６内のコーティングの制限は、明るさレベル及び色域の両方を最適化するために、投影システム１０の光学部品の能力を制約する。
【００１８】
図３ａは、光源Ｐからレンズ１３２を通じて方向付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１３０ｂ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１３０ａ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１３０ｂの調整不良は、点源Ｐからの光が点Ｐ１’及びＰ２’に二つの別個の画像を形成することを引き起こす。上で注意した可視の継ぎ目のような収差の効果は、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１２６’の作製における欠陥により、収差の不利な影響力はより大きくなる。
【００１９】
よく知られたＸ−キューブの二色性の結合器２６の制限は、デバイスそれ自体の製造に固有である。Ｘ−キューブは、適切な二色性のコーティングを有する各々のプリズムの内面をもつ、四つのプリズムから組み立てられる。作製において、プリズムは、内面の平面ができるだけ近くに整列して、互いに接着される。しかしながら、Ｘキューブの作製におけるわずかな公差の誤差でさえ、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、結像の問題に帰着し得る。例えば、Ｘ−キューブ内における平面のコーティングされた面のわずかな調整不良は、色ぶちのような収差を引き起こし得るであろう。色ぶちの収差を、点まで補正することができる。しかしながら、このタイプの問題をあまり被りがちでなかった二色性の結合器の設計に対して利点があるであろう。二色性の面を結合する“継ぎ目”は、表示された画像における一つ又はそれ以上の線として現われる傾向がある。高品質のＸ−キューブの作製は、個々の構成部品のプリズムが、同一の屈折率を有するという要件によってさらに複雑にされる。実際には、これは、同じガラスの溶融物を全てのプリズムの構成部品に使用するとき、最も良好に達成される。加えて、コーティングの工程は、多数のプリズムの面で均一でなければならない。Ｘ−キューブの面に適用される光学コーティングは、典型的には、サブミクロンの厚さを有し、多層化され、ときどき５０又は６０層ほども要求する。このように、精密作製の実施に加えて、注意深い部品の追跡を実行しなければならない。さらなる問題は、組み立てられたＸ−キューブの外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。この複雑さが、Ｘ−キューブにかなりの費用を加えることを良く認識することができる。最後に、従来のアプローチを使用して得る明るさは、接着剤及びＸ−キューブのコーティング面を損傷させ得る、高い熱レベルに帰着する。
【００２０】
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、及び誤差に関する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を使用して光学システムを設計するとき、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。
【００２１】
結像の品質に対する関係した重要性は、光学システム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、二色性の結合器２６における二色性の面に対して異なる入射角を与える。応答において、二色性の結合器２６は、画像にわたる色ずれに帰着する、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結像が、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助けることは、光学設計技術において周知である。
【００２２】
投影装置の設計における別の周知な原理として、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の後部作動距離の要件及び費用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費用及び複雑さの要件を回避することは好ましいだろう。
【００２３】
特許文献２３は、投影レンズに関する後部作動距離の要件を付加的に減少させるハイブリッドＸ−キューブの設計を伴う投影ディスプレイの構成部品の配置を開示している。この開示において、偏光ビームスプリッター及び二色性の結合面の両方を、他の先行技術の設計と比較したとき投影レンズの作動距離を短くする、単一のＸ−キューブに結合させる。特に、しかしながら、改善された明るさは、二色性の面の角度の制約を多少とも解消してきてないので、特許文献２３における設計によって達成されない。他の問題は、偏光ビームスプリターのコーティングが、全ての色及び偏光の結合に関して容易に最適化されないので、高価なコーティングの解決策を含む。さらに、作動距離の要件におけるさらなる改善は、有利であろう。
【００２４】
特許文献２４は、Ｘ−キューブの二色性のものの代わりとして、プラスチックのプリズム内の二色性の面を含む光学ブロックを開示している。この解決策は、プラスチックの屈折率が、空気のものを超えるので、後部作動距離の要件に関するいくらかの軽減を提供する。後部作動距離を最小にするために、結合光学ブロックに対してできるだけ近くの像の形成を可能にする、透過性の空間光変調器を用いる。しかしながら、この配置は、後部作動距離の要件が、まだ過大であるので、反射性の空間光変調器を使用する投影機の装置に対してはあまり適切ではないであろう。後部作動距離の点から、特許文献２４の解決策は、従来のＸ−キューブの設計にわたって有利ではない。相当な大きさの投影レンズが、原寸の映画の投影に要求されるであろう。さらに、特許文献２４に開示されている解決策は、上述の二色性の面の固有の角度の制限を扱わない。よって、明るさレベルは、このタイプの設計の解決策に制約される。
【００２５】
特許文献２５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システムを開示している。特許文献２５は、結合した画像を個々のＲＧＢの色の経路から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リレーレンズの使用を開示している。特許文献２５において、空間光変調器は、二色性の結合器の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、画像の明るさ及び色の全域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２５に記された設計は、二色性の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、同時に画像の明るさを維持する間に、大きい色域を支持することは、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費用を意味する。空間光変調器の構成部品の規模のために、特許文献２５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２５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であろう。
【００２６】
特許文献２６は、色の経路の一つのみにおいて、二色性の結合器へ中間の画像を中継するための、１Ｘのリレーレンズの使用を開示している。特許文献２６における解決策は、構成部品を詰める問題を扱うが、二色性の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２６における解決策もまた、投影レンズの後部作動距離の要件に関してどんな軽減も提供しない。
【００２７】
特許文献２７は、偏光成分の大きさを最小にするために照明経路に、及びディジタル投影システムに対して後部作動距離の制約を緩和することを助けるために、変調された光路に、使用される１Ｘのリレーレンズの配置を開示する。この配置がいくつかの利点を提供する一方で、色を結合させる二色性の面が、まだ、低いｆ／＃の値で光を操作しなければならず、減少した色域に帰着する。さらに、この解決策を使用するとき、投影レンズもまた、低いｆ／＃で動作しなければならない。
【００２８】
特許文献２８の開示で述べられているように、投影システムにおいて明るさを最大にするために従来のアプローチは、低いｆ／＃の光学部品を強調する。しかしながら、図２ａ−２ｄを参照して上に述べるように、カラー画像の経路を結合させるために使用する二色性の面の性能は、低いｆ／＃の光学システムの大きい入射角によって妨げられる。
【００２９】
それらの高い費用及び既知の問題にも関わらず、Ｘ−キューブは、相当な数の結像デバイスの設計において二色性の結合器として役立ってきた。Ｘ−キューブ及び類似のデバイスの広く行き渡った使用に対する一つの理由は、二色性の面を使用する他の解決策に対して比較したとき、それらの小さい大きさに関係する。投影レンズの後部作動距離を最小にするために、従来の設計のアプローチは、例えば、特許文献２３に示したように、Ｘ−キューブに対して近くに空間光変調器を位置決めする。
【００３０】
Ｘ−キューブを除去するための戦略は、特許文献２９に開示されるものを含む。ここで、各々の光路に維持される等しい光路長と共に、各々の色の変調の経路からの光を結合させるために二色性の鏡を用いる。記載したシステムは、Ｘ−キューブの光学部品を使用する従来の解決策よりも高価でない解決策を提供する。しかしながら、同時に、特許文献２９に開示される解決策は、投影レンズシステムの後部作動の要件を緩和しない。この解決策は、利用可能な明るさを制限すると共により大きい投影レンズの直径を要求する、より口径が小さい集光能力に投影器の光学部品のｆ／＃を限定する。非点収差に対する補正を、投影の経路において円筒形の光学部品によって提供しなければならない。
【００３１】
また、Ｘ−キューブ、Ｐｈｉｌｉｐｓのプリズム、及び、二色性の面を使用する関係した構造を含む二色性の構成部品を、白色光を変調用の赤、緑、及び青の色の成分に分離するために従来から用いられる、照明に光路に使用する。特許文献２９、特許文献３０、及び特許文献３１は、色の分離のための二色性の構成部品を使用する、投影器の設計のごくわずかの例である。予想することができるように、光の入射角に関係した同じ性能の問題は、二色性のコーティングを、変調された光を投影の経路に結合させるために使用しようと、照明の経路で変調されてない光を分離するために使用しようと、当てはまる。二色性の面が、変動する角度で入射光を受けるとき、出力の性能は、影響を与えられ、視野にわたって知覚可能な色ずれを引き起こす。このわずかな色むらを補正することは困難である。累進的なフィルターは、利用可能な全体の明るさを設計すると共に減少させることが、高価である。色の確度に関しては、二色性の面が、相対的に低い入射角で入射光を操作するとき、最適な結果が得られる。これは、各々の色のチャネルにおいて望まれない色の最小限の漏れを許容する、最も良好なフィルターの応答特性を提供する。図６を参照して、二色性の面に対して波長によって典型的な反射率の応答がある。曲線の組みは、入射角がある範囲にわたって変化するとき、同じ二色性の面に対して、応答における継続的な変動を示す。入射角のこの範囲の極値において、曲線１５０ａ及び１５０ｚは、どのように劇的にこの応答を変えることができるかを示す。ここで、応答曲線は、曲線１５０ａによって示すように一つの極値における入射角で主たる遷移が５２０ｎｍ付近で起こると共に曲線１５０ｚによって示すように他の極値で主たる遷移がだいたい６２０ｎｍで起こるように、入射角と共にそれの反射率の特性を変化させる。入射光がある範囲にわたって変動することになるので、例えば、赤のチャネルへ緑の光のいくらかの漏れが容易にあり得る。このように、二色性の面によって操作される入射角の範囲を限定することが、最も良好な色の性能を提供することになることを認識することができる。また、曲線１５０ａのより急な勾配を曲線１５０ｚのあまり急でない勾配と比較することも、有益である。一般的な規則として、二色性の面に対する応答曲線の勾配が急であるほど、スペクトル特性、すなわち望まれない波長のより少ない漏れは、より良好である。はっきりと定められたスペクトルの縁は、二色性の面からの最も良好な色の応答を得るためには望ましい。
【００３２】
色結合器の二色性の面で明るさを最大にする及び全体的な入射角を減少させるための一つの解決策は、均一な光の領域を増加させること、及び
二色性の分離器の面に入射する不均一にされた光の領域の開口数を有効に低下させることである。しかしながら、これは、均一化構成部品のかさ及び費用を増加させることなく達成することが困難であろう。さらなる問題が、それら自体に存在する。例えば、積分棒を、光均一化器として使用するとき、単に積分棒を断面においてより大きくすることは、十分でないであろう。光の十分な均質化のために、積分棒は、また、より長いこと、大きさ、重量、及び費用を加えることが必要とされるであろう。類似の問題は、他のタイプの均一化構成部品を使用して解決策を限定する。このような解決策は、高い開口数で入射光を提供する、空間光変調器それ自体において光を最大にする必要性によって、より困難にされる。
【００３３】
要約すると、ディジタル投影機の設計に対する従来のアプローチは、最大の明るさで高い質の画像を提供するために、性能、費用、及び複雑さに対していくつかの妥協をなす。照明光学部品は、従来の設計のアプローチと共に二色性の分離器を使用するとき、高いレベルの明るさ及びスペクトル純度を提供することから制約され得る。このように、最大の明るさ及び色域を提供する一方で二色性のコーティングの固有の角度の制限を緩和する、ディジタル投影用の照明光学部品における改善に対する要望があることを理解することができる。
【００３４】
【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６，１１３，２３９号明細書
【特許文献２４】
米国特許第５，９４４，４０１号明細書
【特許文献２５】
米国特許第５，５９７，２２２号明細書
【特許文献２６】
米国特許第６，２４７，８１６号明細書
【特許文献２７】
米国特許第４，８３６，６４９号明細書
【特許文献２８】
米国特許第５，３７４，９６８号明細書
【特許文献２９】
米国特許第６，２３１，１９２号明細書
【特許文献３０】
米国特許第６，０５３，６１５号明細書
【特許文献３１】
米国特許第６，２２０，７１３号明細書
【特許文献３２】
米国特許第６，２５４，２３７号明細書
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ディジタル投影システムにおいて二色性の面を使用するとき、高い明るさ、高い効率、及びはっきりと定められたスペクトルの端を提供するための照明光学システムを提供することである。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
この目的を考慮して、本発明は、表示面上へ多色の画像を投影するための投影装置を提供し、その装置は、
（ａ）多色性の光源、
（ｂ）均一な照明野を提供するために多色性の光源からの光を均質化するための均一化手段、及び
（ｃ）拡大された均一な照明野を形成するために均一な照明野を拡大するための、及び二色性の分離器へ拡大された均一な照明野を方向付けるための基本のコンデンサーリレーレンズ、を含み、
二色性の分離器は、第一、第二、及び第三の色の付いた光のチャネルに色の付いた光を提供し、
その装置は、
（ｄ）第一の変調された光ビームを形成するための第一の空間光変調器へ第一の色の付いた光のチャネルにおいて色の付いた光を結像させると共に方向付けるための第一の縮小リレーレンズ、
（ｅ）第二の変調された光ビームを形成するための第二の空間光変調器へ第二の色の付いた光のチャネルにおいて前記色の付いた光を結像させると共に方向付けるための第二の縮小リレーレンズ、
（ｆ）第三の変調された光ビームを形成するための第三の空間光変調器へ第三の色の付いた光のチャネルにおいて色の付いた光を結像させると共に方向付けるための第三の縮小リレーレンズ、
（ｇ）多色の変調された光ビームを形成するために第一、第二、及び第三の変調された光ビームを結合させるための色結合器、並びに
（ｈ）表示面上へ多色の変調された光ビームを投影するための投影レンズ、
を含む。
【００３６】
それが、均一化手段によって形成された均一な平面の画像を拡大すると共に色分離器のための入力の照明としてこの画像を提供するために、二重テレセントリックである、拡大する基本のコンデンサーリレーレンズを提供することが本発明の特徴である。各々の縮小リレーレンズもまた、二重テレセントリックであり、それによって、投影装置において照明の均一性を維持する。
【００３７】
均一な視野の画像を拡大することによって、拡大する基本のコンデンサーリレーレンズは、二色性の分離器が、より狭い範囲の入射角を受ける、より高いｆ／＃で動作することを有効に可能にし、このようにして、二色性の面に入射する、角度の視野にわたる色ずれを減少させる。これは、各々の色チャネルに関して、よりはっきりと定められたスペクトルの端を生成させ、このようにして照明システムの効率を改善する。
【００３８】
それが、より低いｆ／＃で二色性の分離器へ光を中継するので、それは、分離器の構成部品におけるあまり高価でない二色性のコーティングの使用を可能にすることは、本発明の利点である。
【００３９】
それが、好ましくは、照明システム内の鍵となる点で開口数を変化させることは、本発明のさらなる利点である。均一化構成部品それ自体において、高い開口数は、最も良好である。均一な領域の画像を拡大することによって、次に本発明は、最も好ましい、減少した開口数で二色性の分離器に画像を提供する。次に、空間光変調器それ自体において、縮小は、最大の明るさを得るために必要とされる、より高い開口数を提供する。
【００４０】
それが、積分器の構成部品に関する大きさ及び重量の要件を減少させることは本発明のさらなる利点である。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本発明のこれらの及び他の目的、特徴、及び利点は、図面と併せて理解するとき、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。
【００４２】
明細書が、本発明の対象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一方で、本発明が、添付する図面と併せて理解するとき、以下の説明からより良好に理解されると思われると信じる。
【００４３】
本発明は、特に、本発明と一致する装置の部分を形成する又は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が、当業者に周知の様々な形態をとってもよいことを理解するこができる。
【００４４】
本発明の目標は、明るさを最大にすると共に二色性の面の角度の応答による色むらの効果を最小にするカラー投影システム用の照明光学部品を提供することである。
【００４５】
図４を参照して、概略の形態で、本発明における投影装置１０の赤の光路に使用される構成部品の実施を示す。多色性の光源１２は、均一化光学部品２２を通じて源の照明を方向付ける。光源１２は、典型的には、キセノンアークランプのような、ランプであるが、いくつかの他のタイプの高強度の光放射源でもあり得るであろう。好適な実施例において、積分棒は、均一化光学部品２２として役立つ。光学設計技術において周知なように、光混合棒ともまた呼ばれる積分棒は、入射光を均質化するために内部全反射（ＴＩＲ）の効果を使用し、それによって照明の空間的に均一な平面を提供する。均一化光学部品２２の他の選択肢は、フライアイアレイのような小レンズアレイ、又は拡散スクリーン、積分トンネル、ファイバー光学部品の面板、又はガラスを含む。均一化光学部品２２は、光源１２の内部の画像として有効に役立つ、その出力Ａにおいて光の均一な平面を提供する。テレセントリックな基本のコンデンサーリレー８０は、この出力を結像させ、画像を出力Ａで拡大すると共に二色性の分離器２７において二色性の面３６に光を方向付ける。図４を再び参照して、赤の光路のみを図説する。二色性の面３６を透過した、残る青及び緑の光は、色を結像させる技術において周知の技術を使用する、類似の様式で個別の変調経路を照明する。このようにして、各々の赤、緑、及び青の色の経路に対する出力Ａの拡大した内部の画像を形成する。
【００４６】
次に縮小リレー８２は、二色性の分離器２７からの色の付いた光の出力を縮小し、空間光変調器３０に光を方向付け、空間光変調器３０において出力Ａのカラーの縮小された内部の画像を有効に提供する。各々の色の光路に個別の縮小リレー８２がある。図４の好適な実施例において、空間光変調器３０は、偏光ビームスプリッター２４を要求する、反射性ＬＣＤである。偏光ビームスプリッター２４は、例えば、ユタ州のＯｒｅｍのＭｏｘｔｅｋ　Ｉｎｃ．から入手可能な又は米国特許第６，１２２，１０３号公報に記載するもののような、従来のＭｃＮｅｉｌｅ型のビームスプリッター又はワイヤーグリッドビームスプリッターであり得るであろう。次に二色性の結合器２６は、投影レンズ３２による投影用の多色性の変調された光の画像を形成するために、各々の光路からの変調された光を結合させる。他のタイプの光空間変調器に関して、偏光ビームスプリッター２４は、必要でないであろう。ＤＭＤデバイス又は透過ＬＣＤを、空間光変調器３０として用いる場合には、縮小リレー８２からの光は、空間光変調器３０へ直接行く。空間光変調器３０としてＤＭＤを使用する場合には、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に対する内部全反射（ＴＩＲ）ビームスプリッターの置換のような、適切な適合を、結像の光路になすであろう。
【００４７】
上で与えられた背景の材料に記載するように、投影装置１０は、明るさを最大にすることによって、及び色むら及び関係した収差を最小にすることによって、高いレベルの性能を提供する。しかしながら、従来の設計のアプローチを使用して、二色性の面３６は、明るさを制約する。システムにおいて利用可能な光の明るさを増加させることは、二色性の面２６においてより高い入射光の角度を許容することの出費に至る。視野にわたって結果として生じる色ずれは、色の性能を劣化させると共にシステムの全体の効率を劣化させる。図４の配置は、システムにおける鍵となる点での入射光の角度を条件付けることによって、この問題を克服する。第一に、均一化光学部品２２が低いｆ／＃で動作する場合に、最大の均一性を達成する。図４の構成で、均一化光学部品２２、好適な実施例における積分棒は、おおよそｆ／１．３１にある。この低いｆ／＃は、光が積分棒を通じて、棒を通じて多数の跳ね返りを有するように、伝わることを可能にし、また、積分棒の寸法を最小にすることを可能にする。しかしながら、これは、また、均一化された光が、二色性の分離器２７で好ましくない、高い入射角度で出てくることを意味する。同時に、均一化光学部品２２の出力Ａにおける面の大きさは、空間光変調器３０の結像する面の大きさに対して小さい。これらの角度及び大きさの不都合を補正するために、基本のコンデンサーリレー８０は、均一化光学部品２２の均一化された出力におおよそ３．５ｘの倍率を提供する。この倍率は、従来の二色性の面３６に対して十分に許容可能な範囲内における、ｆ／４．６での二色性の分離器２７に入射光を有効に提供する。しかしながら、出力Ａの拡大された画像は、今、空間光変調器３０の面に対して大き過ぎる。従って、縮小リレー８２は、０．５ｘの倍率を提供する。これは、均一化光学部品２２の出力の画像の大きさを減少させるだけでなく、空間光変調器３０に提供された照明の入射角度もまた増加させ、ほとんどのＬＣＤ及び他の空間光変調器３０に対する望ましい範囲内にある、おおよそｆ／２．３で照明を出す。このように、鍵となる点で均一化された照明の出力を拡大すると共に縮小することによって、本発明の装置は、明るさを最適化し、そうでなれば二色性の分離器２７での高い入射角によって引き起こされるであろう、色の劣化を最小にする。各々の色の光の変調経路（例えば、赤、緑、及び青）が、個々の縮小リレー８２を有することを強調しなければならない。この配置は、縮小リレー８２を特定の範囲の波長にわたって最も良好な性能に設計することを可能にする。
【００４８】
図５を参照して、好適な実施例における基本のコンデンサーリレー８０及び縮小リレー８２の鍵となる構成部品の概略図を示す。この構成において、基本のコンデンサー８０は、レンズ８０１１、８０１２、８０１３からなる。二つの鏡８０ｍ１及び８０ｍ２は、光の経路を折り曲げ、光を二色性の分離器２７へ方向付ける。ここで、二色性の分離器２７は、透明なプリズム４２内における内部の二色性の面３６を有する。
【００４９】
縮小リレー８２は、折り曲げ鏡８２ｍ及び開口８２ａと共に二つのレンズ８２１１及び８２１２からなる。また縮小リレー８２は、二色性の分離器２７の角度の応答特性による色ずれを最小にすること、及び空間光変調器３０の角度の応答によるコントラストの損失を最小にすることを助ける、二重テレセントリックである。
【００５０】
また、二色性の分離器２７は、Ｘ−キューブ若しくはＸ−プリズム、Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム、又は、色を分割する機能を提供する、ある配置の二色性の面３６であり得るであろう。
【００５１】
これらの改善とともに、次に、本発明は、投影装置１０の結像性能を押し上げ、最小限の費用でより単純な、より小型の光学設計を可能にする。
【００５２】
基本のコンデンサーリレー８０によって提供された倍率の量は、１Ｘより大きい任意の値であり得ると共に、均一化光学部品２２及び結像の経路における他の構成部品の寸法及び特徴に適切に調和されるはずである。詳細に示しも記載もしないのは、ＬＣＤの空間光変調器３０のコントラスト及び性能を改善するために従来使用された多くの追加の支持する偏光成分である。（示さない）偏光子を、均一化光学部品２２及び基本のコンデンサーリレー８０の間に、又は自由選択で縮小リレー８２の前若しくは後の各々の色の経路に、配備することができるであろう。本発明は、空間光変調器３０による変調のための源の色の付いた光を提供するために、任意の適切なタイプの照明システムの使用を可能にする。光源１２は、様々なタイプのランプ、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であろう。三つより多い色の光の変調経路を提供することができる。
【００５３】
このように、提供されるものは、白色光源から、高い強度、高い効率、及びはっきりと定められたスペクトルの端を有する色の照明を提供するための照明システムと共に、改善された投影装置及びディジタル画像投影用の方法である。
【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の主要な構成部品を示す概略のブロック図である。
【図２ａ】二つの異なるｆ／＃の値の一方での二色性の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】二つの異なるｆ／＃の値の他方での二色性の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】二色性のコーティングにおけるテレセントリックな光の入射を示す光線図である。
【図２ｄ】二色性のコーティングにおける非テレセントリックな光の入射を示す光線図である。
【図３ａ】理想化されたＸ−キューブの結像の応答を示す。
【図３ｂ】わずかな調整不良の誤差を有するＸ−キューブの結像の応答を示す。
【図４】照明及び結像の経路における鍵となる構成部品を示す概略図である。
【図５】本発明を使用する照明光学部品の一つの可能な配置を示す概略図である。
【図６】ある範囲の入射角度に対するｓ−極性の反射率対波長を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　　ディジタル投影システム
１２　　多色性の光源
２０ｂ、２０ｇ、２０ｒ　　光源
２２、２２ｂ、２２ｇ、２２ｒ　　均一化光学部品
２４、２４ｂ、２４ｇ、２４ｒ　　偏光ビームスプリッター
２６　　二色性の結合器
２７　　二色性の分離器
３０、３０ｂ、３０ｇ、３０ｒ　　空間光変調器
３２　　投影レンズ
３６　　二色性の面
４０　　表示面
４２、１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄ　　プリズム
４４ａ、４４ｂ、１３０ａ、１３０ｂ　　面
８０　　基本のコンデンサーリレー
８０１１、８０１２、８０１３、８２１１、８２１２、１３２　　レンズ
８０ｍ１、８０ｍ２　　鏡
８２　　縮小リレー
８２ａ　　開口
８２ｍ　　折り曲げ鏡
１２６、１２６’　　Ｘ−キューブ
１５０ａ、１５０ｚ　　曲線
ｂ　　青
ｇ　　緑
ｒ　　赤
Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’　　角度
Ｃ、Ｃ’、Ｄ、Ｄ’　　同位角
Ｎ　　法線
Ｏ、Ｏｂ、Ｏｇ、Ｏｒ　　光軸
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３　　点源
Ｐ１’、Ｐ２’　　画像点

Claims

表示面へ多色の画像を投影する投影装置であって、
前記装置は、
（ａ）多色性の光源、
（ｂ）前記多色性の光源からの光を均質化して均一な照明野を提供する均一化手段、及び
（ｃ）前記均一な照明野を拡大して、拡大された均一な照明野を形成し、前記拡大された均一な照明野を二色性の分離器へ方向付ける基本のコンデンサーリレーレンズ、を含み、
前記二色性の分離器は、第一、第二、及び第三の色の付いた光のチャネルに色の付いた光を提供し、
前記装置は、
（ｄ）第一の変調された光ビームを形成する第一の空間光変調器へ前記第一の色の付いた光のチャネルにおいて前記色の付いた光を結像させると共に方向付ける第一の縮小リレーレンズ、
（ｅ）第二の変調された光ビームを形成する第二の空間光変調器へ前記第二の色の付いた光のチャネルにおいて前記色の付いた光を結像させると共に方向付ける第二の縮小リレーレンズ、
（ｆ）第三の変調された光ビームを形成する第三の空間光変調器へ前記第三の色の付いた光のチャネルにおいて前記色の付いた光を結像させると共に方向付ける第三の縮小リレーレンズ、
（ｇ）前記第一、第二、及び第三の変調された光ビームを結合させて、多色の変調された光ビームを形成する色結合器、並びに
（ｈ）前記多色の変調された光ビームを表示面へ投影する投影レンズを含む装置。
前記第一の色の付いた光のチャネルにおける前記色の付いた光は、赤であり、
前記第二の色の付いた光のチャネルにおける前記色の付いた光は、緑であり、前記第三の色の付いた光のチャネルにおける前記色の付いた光は、青である請求項１記載の投影装置。
前記第一の空間光変調器は、反射性ＬＣＤである請求項１記載の投影装置。
前記第一の空間光変調器は、透過性ＬＣＤである請求項１記載の投影装置。
前記第一の空間光変調器は、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。