JP2005070728A

JP2005070728A - 投影照明システム及びその投影照明方法

Info

Publication number: JP2005070728A
Application number: JP2003400780A
Authority: JP
Inventors: Shoyu Cho; 紹雄張
Original assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Current assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-03-17
Also published as: TW200508660A; DE102004026129A1; US20050046806A1; TWI247137B

Abstract

【課題】入射光を光路スイッチング装置の光受信セクションに完全に進入させ、効果的に照明效率を向上する、投影照明システム及びその投影照明方法を提供する。
【解決手段】ライトガイド１４と光受信セクションを有する光路スイッチング装置２０とを含み、ライトガイドは、光源１２と光路スイッチング装置との間の光路に設置され、ライトガイドの端面から放出された光線が光受信セクション平面の法線と一定の角度を成して光受信セクションに入射し、その投影パターンの形状はライトガイドの端面の形状に対しオフ軸角θの方向に沿って伸び変形が生じ、ライトガイドの端面の形状は、オフ軸角の方向に沿った内角がその隣接角より大きい平行四辺形である。
【選択図】図３

Description

本発明は、投影照明システム及びその投影照明方法に関し、特に、効果的に照明効率を向上する投影照明システム及びその投影照明方法に関する。

従来の光学式投射表示器の原理として、光源が発する光線を、光路をスイッチングできる複数の微小な光路スイッチング素子を有する光路スイッチング装置に投射し、これらの微小な光路スイッチング素子によって影像を組み合わせてから、投影システムを介して表示スクリーン上に投射する。例えば、Texas Instruments（TI）が製造したデジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device；DMD）は、複数のマイクロミラーから構成され、ミラーを二つの異なる傾斜角度に選択的に制御することにより、光線を透過投影システム（明態モード）及び不透過投影システム（暗態モード）の二つの状態で切り換えを行い、これにより、表示スクリーン上の各画素ユニットの輝度を変化させる。

光路スイッチング装置102を含む従来の投影システム100において、マイクロミラー102aの傾斜角度を明態モードとするときの光路の模式図を図１に示す。図１に示すように、照明システムを介して入る入射光Iは、光路スイッチング装置102のマイクロミラー102aにより反射された後、内部全反射プリズム104を通過して投影装置106に進入する。一般に、投影画面をはっきりとさせるために、投影装置106はオン軸（On-axis）としなければならず、即ち、マイクロミラー102aにより反射された光線は、投影装置106の光軸方向と平行または平行に近い状態で投影装置106に進入させる必要がある。この条件を満たすために、内部全反射プリズム104により反射された入射光Iは、一定の角度θでマイクロミラー102aへ入射する設計としなければならず、つまり、マイクロミラー102aを採用した投影照明システムの設計は、入射光Ｉをオフ軸（Off-axis）方式で、一定の傾斜角度を成して光路スイッチング装置102に進入させる設計としなければならない。

図２Ａは従来の照明システム110の模式図を示す。従来の照明システム110の入射光の方向は、光路スイッチング装置102の光受信セクション平面の法線とオフ軸角θを成す。図２Ｂに、ライトガイド114の端面、入射光がライトガイド114を介してオフ軸を成して光路スイッチング装置102に投影されたときの投影パターン及び光路スイッチング装置102の光受信セクションをそれぞれ示す。この例においては、光受信セクションが光路スイッチング装置102の一表面に分布する。

図２Ａに示すように、光源112が発する光線は、先ず、ライトガイド114に集束され、ライトガイド114周辺の壁面は反射面であるため、光線はこの反射壁面により複数回反射された後、ライトガイドの出口端から均一に分布された光線として放出され、さらにリレーレンズ組116を介して光路スイッチング装置102上に投射される。

前述のように、入射光をオフ軸（Off-axis）方式で光路スイッチング装置102に進入させる方法には、以下のような欠点がある。照明システム110の入射光の方向が、光路スイッチング装置102の法線とオフ軸角θを成すとき、入射光がライトガイド114の端面を経て光路スイッチング装置102で形成した投影パターンには、図２Ｂに示すように、そのオフ軸角の方向に沿って伸び変形が生じ、且つ、オフ軸角θの角度が大きければ大きいほど、投影パターンの当該オフ軸角θの方向に沿った延び変形が大きくなる。図２Ｂを例にすれば、一般に矩形である光路スイッチング装置102に合せるため、ライトガイド114の端面を矩形にした場合、入射光がライトガイド114の矩形の端面を経て光路スイッチング装置102へ投射される時、元々矩形であるはずの投影パターンが、オフ軸入射によって生成された伸び変形のために、隣接角が等しくない平行四辺形に変形してしまう。このため、投射光の一部が光路スイッチング装置102の光受信セクション内に進入できず、光線が無駄となり、照明効率が低くなってしまう。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、入射光を光路スイッチング装置の光受信セクションに完全に進入させ、効果的に照明效率を向上する、投影照明システム及びその投影照明方法を提供することを目的とする。

本発明に係わる投影照明システムは、光源と、ライトガイドと、光受信セクションを有する光路スイッチング装置とを含む。前記ライトガイドは、前記光源と光路スイッチング装置との間の光路に設置され、前記ライトガイドの端面から放出された光線が、光受信セクションの平面の法線とオフ軸角を成して前記光受信セクションに入射して投影パターンを形成する。前記投影パターンの形状がライトガイドの端面の形状に対してオフ軸角の方向に沿って生成される伸び変形を考慮し、本発明は、ライトガイドの端面形状を、矩形の光受信セクションの形状に基づいて平行四辺形に設計し、前記平行四辺形のオフ軸角の方向に沿った内角をその隣接角より大きくすることにより、形状の伸び変形を消去し、光受信セクションに投射される投影パターンの形状と面積が光受信セクションの形状と面積と実質的に同じとなるようにする。

本発明の投影照明システムによれば、オフ軸投影後の実際パターンの角度変化を考慮し、予めライトガイドの端面に対して設計した反対方向の変形を利用して、オフ軸入射の投影パターンの変形を完全に消去し、実際の投影パターンの形状と面積を、光受信セクションの形状と面積と同じにすることができる。即ち、入射光を完全に光路スイッチング装置上の光受信セクションに進入させることができるため、大幅に照明效率を向上することができる。

図３は本発明の実施例に係わる投影照明システム10の模式図を示す。図３に示すように、投影照明システム10は、光源12と、ライトガイド14と、光路シフトデバイス16と、少なくとも一つの光路スイッチング素子20aを備えた光路スイッチング装置20と、を含む。

光源12は、照明光線を投影照明システム10に提供するために用いられる。光源12の周囲には、光源12が発する光線を集束するための集光器を設置し、この集光器は、例えば、楕円体反射鏡24としてもよい。光路シフトデバイス16は、ライトガイド14からの光線を光路スイッチング装置20にへ運搬するために用いられる。光路シフトデバイス16は、例えば、投射方向を変更できる内部全反射プリズム26と、投射サイズを変更できるリレーレンズ組28と、によって構成される。内部全反射プリズム26は、中間にエアギャップ(Air Gap)が隔てられる二つのプリズムによって構成され、エアギャップとプリズムの界面での全反射により、光線を光路スイッチング装置20に投射する。

光路スイッチング装置20は、複数の光路スイッチング素子20aを備え、これらの光路スイッチング素子20aが光路スイッチング装置20の光受信セクションを構成し、それぞれの光路スイッチング素子20aの光路スイッチングにより、それぞれの光路スイッチング素子20aに投射される光線を投影装置22に向けて投射するか否かを制御する。光路スイッチング装置20は、例えば、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device；DMD）または反射式LCOS（Liquid Crystal on Silicon；LCoS）とすることができる。また、上記光線が各光路スイッチング素子20aに投射される時、当該光線は光路スイッチング素子20aの法線方向とある角度を形成し、この角度が前述のオフ軸角θとなる。

ライトガイド14は、光源12からの光線を受信し、均一に分布された光線を出力する。ライトガイド14の周辺壁面は反射面であり、光線がライトガイド14の入射端面から入射すると、その反射壁面に複数回反射され、そしてライトガイド14の投射端面から均一に分布された光線として放出される。この後、この光線がオフ軸角θを成して光路スイッチング装置20の光路スイッチング素子20aに照射される。

本発明の特徴は、ライトガイド14から放出される光線が光路スイッチング装置20に照射される時、この光線の投射面積と形状が光路スイッチング素子20aの面積と形状と一致する点にある。この目的を達成するため、本発明は、ライトガイド14の投射端面の形状を、予めオフ軸角θの方向に沿って内側へ圧縮して変形させることにより、オフ軸角の方向に沿った内角がその隣接角より大きい平行四辺形とする。これにより、ライトガイド14から放出される光線は、オフ軸を成して光路スイッチング装置20に投射される時、オフ軸投影時の変形を消去する効果が得られ、その投射面積及び形状を光路スイッチング素子20aの面積及び形状と一致させることができる。

以下、実施例に基づき、従来のライトガイド114と本発明のライトガイド14の差異を具体的に説明する。本実施例において、オフ軸角θは24度であり、光受信セクションとする光路スイッチング素子20a、102aが光路スイッチング装置20、102の全表面に配置される。なお、前記光受信セクションの形状は矩形である。図２Ｂ及び図４Ａに示すように、ライトガイド114の投射端面30の形状は、内角角度α、β＝90度の矩形であり、その投射してなる投影パターン32はオフ軸角θの方向に沿って伸び変形を生じ、投影パターン32は内角角度α'=88度、内角角度β'=92度の平行四辺形を成す。このような状況において (即ち、従来のライトガイドを使用する場合)、投影パターン32が光路スイッチング装置102の光受信セクションより大きいため、光線の一部が光路スイッチング装置102に投射されず、その照明効率を低下させる。

これに対し、図３及び図４Ｂに示すように、本発明のライトガイド14の投射端面30’は、予め反対方向に形状を変化させてあるため、投射されるパターン32’ の形状及び面積は光路スイッチング装置20の形状及び面積と完全に一致する。前述の実施例において、投射端面30’は図４Ａに示す端面30の内角角度α、βをそれぞれβ’、α’に変更しており、即ち、元は90度のα角を92度のβ’角に変更し、元は90度のβ角を88度のα’角に変更することにより、投射端面30’はオフ軸角の方向に沿った内角がその隣接角より大きい平行四辺形となる。つまり、オフ軸角θの方向で、投射端面30’は元の大きさＤから大きさｄと縮小することにより、投射端面30’のオフ軸角θの方向に沿った対角線の寸法は別の対角線の寸法より短くなり、光線が投射端面30’から放出されると、投影パターン32’はオフ軸角θに沿った方向に伸び変形を生じるため、伸び変形後の投影パターン32’は、内角角度が約90度、且つ両対角線の寸法が実質的に等しい矩形となり、この形状は光路スイッチング装置20の形状と一致するため、光エネルギーの無駄を回避する効果が得られ、照明効率を向上させることができる。

このため、図３に示すように、光線がライトガイド14の投射端面から放出されると、先ずリレーレンズ組28を経由して内部全反射プリズム26に進入し、プリズムとエアギャップの界面において全反射され、このとき、反射光がオフ軸を成して光路スイッチング装置20に入射される。本発明によれば、予めライトガイドの投射端面に変形をさせることにより、光線が全反射プリズム26に反射された後、オフ軸を成して光路スイッチング装置20に入射する時に生じる投影パターンの変形を完全に消去し、実際の投影パターンの形状と面積を光受信セクションの形状と面積と同じにすることができる。即ち、ライトガイドを介して入射する光を完全に光路スイッチング装置の光受信セクションに進入させることができ、よって大幅に照明効率を向上させることができる。さらに、オフ軸の入射角度が大きくなると、投影パターンのオフ軸角の方向に沿った伸び変形がより顕著になるため、平行四辺形のオフ軸角の方向に沿った内角を、当該オフ軸角の増加に従って大きくし、即ち、ライトガイド端面のオフ軸角の方向に沿った対角線の寸法を当該オフ軸角の増加に従って短くすることにより、投影パターンの形状と面積が当該光受信セクションの形状と面積と一致するように調整することが可能である。

なお、ライトガイドの端面の形状に予め変化を加えた本発明の方法は、様々な光受信セクションの形状を備えた光路スイッチング装置に適用することができる。異なる形状の光受信セクションに合わせ、ライトガイドの端面の角度または寸法の変化程度を調整するだけで、オフ軸投影の変形を消去し、ライトガイドの投射光を完全に光受信セクションに進入させることができる。例えば、光路スイッチング装置の光受信セクションが、隣接角が等しくない平行四辺形である場合、相応する角度を変化させた矩形のライトガイドの端面を採用すれば、当該矩形のライトガイドの端面がオフ軸投影を経た後の実際の投影パターンは隣接角が等しくない平行四辺形となり、投射光を完全に光受信セクションに進入させることができる。

また、ライトガイド端面の形状を修正する方法は限られず、例えば、ライトガイドの製造時に直接入射光のライトガイドの出口端面における形状を変化させてもよく、または、図５に示すように、別途、内部全反射素子等の形状修正素子34をライトガイドの端面に設置することもできる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において設計変更等があっても、本発明の特許請求の範囲に含まれる。

従来の投影システムにおいて、マイクロミラーの傾斜角度を明態モードとしたときの光路を示す模式図である。従来の照明システムにおいて、照明システムの光軸が光受信セクション平面の法線とオフ軸角θを成して入射する状態を示す模式図である。ライトガイドの端面、入射光がライトガイドを介してオフ軸を成して光路スイッチング装置に投影されたときの投影パターン及び光路スイッチング装置の光受信セクションを示す模式図である。本発明の実施例における投影照明システムを示す模式図である。従来のライトガイドの端面の設計を説明する模式図である。本発明に係わるライトガイドの端面の設計を説明する模式図である。本発明の他の実施例における投影照明システムを示す模式図である。

符号の説明

10 投影照明システム
12 光源
14 ライトガイド
16 光路シフトデバイス
20 光路スイッチング装置
20a 光路スイッチング素子
22 投影装置
24 楕円体反射鏡
26 内部全反射プリズム
28 リレーレンズ組
30、30' ライトガイドの端面
32、32' 投影パターン
34 形状修正素子
100 投影システム
102 光路スイッチング装置
102a マイクロミラー
104 内部全反射プリズム
106 投影装置
110 照明システム
112 光源
114 ライトガイド
116 リレーレンズ組

Claims

光源が発する光線を受信する矩形の光受信セクションを備えた光路スイッチング装置と、
前記光源と前記光路スイッチング装置との間の光路に設置され、前記ライトガイドの端面から放出される光線が前記光受信セクションの平面の法線とオフ軸角を成して前記光受信セクションに投射され、投影パターンを形成し、前記ライトガイドの端面の形状は平行四辺形であり、且つ前記平行四辺形の前記オフ軸角の方向に沿った内角が隣接する内角より大きいライトガイドと、
を含む投影照明システムであって、
前記平行四辺形の前記オフ軸角の方向に沿った前記内角を、前記オフ軸角の増加に従って増大し、且つ前記投影パターンの形状及び面積が前記光受信セクションの形状及び面積と実質的に同じであることを特徴とする投影照明システム。
前記ライトガイドと前記光路スイッチング装置との間の光路に設置され、内部全反射プリズムとリレーレンズにより構成され、前記ライトガイドの端面から放出される光線が前記内部全反射プリズムにより反射された後、オフ軸を成して前記光受信セクションに投影される光路シフトデバイスとをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の投影照明システム。
光受信セクションを備えた光路スイッチング装置と、
端面から光線を放出し、前記光線が前記光受信セクションの平面の法線とオフ軸角を成して前記光受信セクションに投射されて投影パターンを形成し、前記端面の前記オフ軸角の方向に沿った対角線の寸法が他の対角線の寸法より短いライトガイドとを含む投影照明システムであって、
前記投影パターンの形状及び面積が前記光受信セクションの形状及び面積と実質的に同じであることを特徴とする投影照明システム。
光源と矩形の光受信セクションを備えた光路スイッチング装置との間の光路にライトガイドを設置するステップと、
前記ライトガイドの端面を通過した光線を、前記光受信セクションの平面の法線とオフ軸角を成して前記光受信セクションに入射し、投影パターンを形成し、前記投影パターンの形状は前記端面の形状に対してオフ軸角の方向に沿って伸び変形が生じるステップと、
前記ライトガイドの端面の形状を、前記オフ軸角の方向に沿った内角が隣接する内角より大きい平行四辺形とし、前記伸び変形を消去して前記投影パターンの形状及び面積を前記光受信セクションの形状及び面積と実質的に同じとするステップとを有することを特徴とする投影照明方法。