JP2005518562A

JP2005518562A - 狭帯域光源を用いて画像を投影するためのシステム

Info

Publication number: JP2005518562A
Application number: JP2003570565A
Authority: JP
Inventors: エードリンガー，ヨハネス; ハイネ−ケンプケンス，クラウス
Original assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2005-06-23
Also published as: US7515343B2; US20030156330A1; WO2003071793A1; CN1633805A; US20060197923A1; EP1477023A1; US7057822B2; AU2003203131A1

Abstract

この発明は、第１の光源（６１）および第２の光源（６２）を含む画像投影システムを提供する。第１の光源からの光は、有限数の制限された帯域間隔に制限される。画像化装置（１）は、第１および第２の光源からの光を変調するように適合される。光源からの光を結合して、結合された光を画像化装置に方向付けるためにビームコンバイナ（６５）が設けられる。画像化装置からの変調された光は、レンズ（１９）に方向付けられる。

Description

発明の背景
この発明は、狭帯域光源および反射型空間光変調器を用いた画像投影装置に関する。

さまざまな投影機は、局部的な偏光変調の原理に基づいて、反射型空間光変調器等の反射型画像化素子を用いている。たとえば、多くのシステムは、反射型液晶（liquid crystal on silicon）（ＬＣＯＳ）装置を用いる。偏光変調は、画像化素子の前の光路に位置付けられた偏光ビームスプリッタを用いて輝度変調に変換され得る。

投影機がたとえば赤色光、青色光、および緑色光に対して３つの画像化素子を用いる場合、偏光ビームスプリッタを各画像化素子のすぐ前に位置付けることができる。次に、これらの３色のビームを再結合するために、Ｘキューブ（X-cube）（米国特許第５，１２２，２１７号に記載）を使用することができる。

別の手法において、同じく３つの画像化素子が用いられる場合、偏光変調されたビームがまず再結合される。次に、輝度変調への偏光の変換は、ただ１つの偏光ビームスプリッタに基づく。

図１は、このような投影機の概略図である。光源２１が非偏光の白色光Ｗを放射する。白色光Ｗは偏光ビームスプリッタ５に入り、ここで偏光ビーム分割界面１７は、第１の偏光状態に偏光された光Ｗｓをシステム外に反射する。第２の偏光状態に、かつＷｓに対して垂直に偏光された光Ｗｐが、画像化装置１に伝送される。画像化装置１は、以降はＸキューブと呼ぶ波長選択ビームスプリッタ３と、３つの画像化素子７、９および１１とを含む。Ｘキューブ３は、Ｗｐ面で偏光された白色光を赤色、緑色、および青色成分に分割して、これらの成分を画像化素子７、９および１１のそれぞれに反射／伝送する。画像化素子７、９および１１は、実質的にすべての入射光を反射する。画像化素子上の所定の地点での局部的な状態に依存して、変化しないか、９０°回転するか、またはその中間の何らかの偏光を伴って光が発生する。反射された光はＸキューブ３で結合される。

反射後に変化のない偏光を有する光の成分は、画像化装置１から偏光ビームスプリッタ５に伝播し、偏光ビームスプリッタを通って伝送されて光源２１に戻る。回転偏光を有する光の成分は、画像化装置から、偏光ビームスプリッタ５の偏光ビーム分割界面１７に伝播する。偏光ビームスプリッタ５は、投影レンズ１９、したがって投影スクリーン２３に向けて光の成分を反射する。その結果、投影スクリーン上にカラー画像が生じる。

通常、Ｘキューブ３内に、波長選択誘電体層のシステム（カラーフィルタ１３および１５と呼ばれる）が配置される。これらのカラーフィルタは一般に、強い偏光依存性を示す。一方で、このことは効率を低下させ、したがって達成可能な画像の明るさを低下させる。加えて、迷光が、ほとんど制御されない多重反射をシステム内で経るおそれがあり、投影スクリーンに到達することが考えられ、ここで迷光は、画像のコントラストを低下させるか、またはゴースト像を生じる。

この問題を減じるための少なくとも２つの手法が公知である。すなわち、ａ）屈折性の高い層と組合せて屈折率の低い基板を選択することにより、カラーフィルタ１３および１
５の偏光依存性を減じ得る。ｂ）別の態様では光学的中心と幾何学的中心とが一致したビーム経路に対してＸキューブ３を傾斜させることにより、反射の前後で異なる入射角を生じ、これにより偏光依存性を補償する。これらの技術は輝度の保持を助けるものの、依然としてかなりの光損失が存在し、達成可能な画像のコントラストは容認できないほど低いままである。

このことは、カラーフィルタ１３および１５によって生じる位相遅延（位相シフトと呼ばれることが多い）にほとんどが起因する。誘電体層のシステムを介した伝送時または反射時に、ｓ偏光された光成分およびｐ偏光された光成分は、一般に異なる量の位相遅延を受ける。両方の成分を含む直線偏光されたビームは、層のシステムによる伝送または反射の後に楕円偏光されるため、偏光を明確に分離して画像情報を示すことが不可能になる。幾何学的な観察によると、光錐が偏光ビームスプリッタ５を照らす際に、カラーフィルタ１５に到達する光は両方の偏光成分を常に含む一方で、カラーフィルタ１３には１つの偏光成分のみが存在する可能性が高いことが示されている。

文献は、位相遅延をできる限り最小にするのに必要な層のシステムを最適化する試みを記載している。しかしながら、このことを達成するのは非常に難しい。特にカラーフィルタの縁部では、大きくかつ制御が難しい位相の変動、したがって位相遅延が一般に存在する。

他の手法は、分光的に中立に被覆されたさらに別の界面により、カラーフィルタ内で誘起される位相遅延を補償しようと試みている。しかしながら、このことはさらに別の界面を必要とし、それによってシステムを大型化して生産費用を増大させる。

光源によってもたらされる高比率の輝度を用いる一方で、ゴースト像およびコントラストの低下の原因となる位相遅延をなくす投影機を有することが望ましいであろう。

発明の概要
この発明は、第１の光源および第２の光源を含む画像投影システムを提供する。第１の光源からの光は、有限数の制限された波長間隔（wavelength interval）に制限される。第１および第２の光源からの光を変調するように画像化装置が適合される。光源からの光を結合して、結合された光を画像化装置に方向付けるために、ビームコンバイナが設けられる。画像化装置からの変調された光は、レンズに方向付けられる。

この発明は、また、画像を投影する方法も提供する。第１および第２の光源から光が伝送される。第１の光源からの光は、有限数の制限された波長間隔に制限される。光源からの光が結合されて、画像化装置に方向付けられる。画像化装置は第１および第２の光源からの光を変調する。画像化装置からの変調された光は、レンズに方向付けられる。

発明の詳細な説明
図２を参照すると、画像投影システムは画像化装置１を含む。この画像化装置は、光の特性を変調するように適合される。この特性は、好ましくは光の輝度であるか、または輝度に変換され得る特性である。たとえば、画像化装置は、光の輝度変調に変換され得る光の偏光を変調するように適合され得る。したがって、光の輝度は、光の変調された偏光に依存して変調され得る。画像化装置１は、たとえば上で論じたＸキューブおよび３つの画像化素子を含み得る。代替的に、画像化装置１は１つの画像化素子を含み得る。

このシステムは、また、少なくとも２つの光源６１および６２も含む。少なくとも１つ
の光源６２からの光は、有限数の制限された波長間隔に制限される。すなわち、光は、周波数帯域が制限される。このことは、たとえば、特にレーザダイオードを含む１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザ等の狭帯域光源を用いることによって達成可能である。光源は、重複しない波長間隔の光を放射することが好ましい。この波長間隔は、たとえば１００ｎｍ未満の幅に制限される。ほとんどの場合、５０ｎｍ未満の幅が適切である。２０ｎｍ以下の間隔幅を有する光源もまた使用することができる。光源の波長間隔をさらに制限するために、１つまたは複数のトリムフィルタを使用することができる。

光源６１および６２からの光はビームコンバイナ６５で結合される。ビームコンバイナ６５は、たとえばＸキューブまたは回折格子であり得る。ビームコンバイナ６５は、結合された光を画像化装置１に方向付ける。画像化装置１は、ビームコンバイナ６５からの光を変調する。画像化装置は、この明細書の別の場所で論じるように、たとえば１つまたは複数の画像化素子を用いることによって異なる波長帯域の光を同時にまたは順次に変調することができる。

画像化装置からの変調された光はレンズ１９に方向付けられて、スクリーン２３上に投影される。画像化装置１によって行なわれた光の変調の結果、画像化装置は、各々が異なる変調状態を有する２つの成分を有するビームを生成することができる。これらの２つの成分を分離して２つの成分の一方をレンズ１９に伝送するために、画像化装置とレンズ１９との間にビームスプリッタ６７を配置することができる。ビームスプリッタ６７およびビームコンバイナ６５は１つの装置であってよく、この例について以下に論じる。

この発明を実現する、図３に示した一例では、第１の光源が狭帯域光源４１であり、第２の光源が従来の光源、たとえば白色光源２１である。光源の一方（この例では２１）が白色光源または他の広帯域光源である場合、フィルタを用いて波長間隔を制限することができ、それによってこの波長間隔は、狭帯域光源４１の波長間隔と重複しない。たとえばカラーフィルタ３５は、白色光源２１が放射した光の赤色成分をフィルタ処理して除去し、白色光源が放射した光の、投影には使用され得ない青色成分および緑色成分の一部もまたフィルタ処理して除去する。伝送される唯一の光は、第１の波長間隔Δλ１、たとえば青色光の帯域内と、第２の波長間隔Δλ２、たとえば緑色光の帯域内とに入っている。この光は光学素子３７によって偏光される。光学素子３７は、たとえば単純な偏光子、偏光ビームスプリッタ、または偏光変換システムであり得る。

直線偏光された、第１の波長間隔Δλ１および第２の波長間隔Δλ２の光は、偏光ダイクロイックキューブ２７に入る。キューブ２７の反射界面２９において、この光はＸキューブ３に向けて反射される。

狭帯域光源４１は、第３の波長間隔Δλ３、たとえば赤色光の帯域内の光を放射する補助光源である。第３の波長間隔の光Δλ３は、偏光ダイクロイックキューブ２７に向けて方向付けられ、偏光ダイクロイックキューブ２７は、光Δλ３と、第１の波長間隔の光Δλ１および第２の波長間隔の光Δλ２とを結合する。上述の画像化装置の一種において、光は、Ｘキューブ３で３つのスペクトル帯に分割され、画像化素子７、９および１１のそれぞれにおいて偏光変調されて反射された後に、この例ではＸキューブ３であるビームコンバイナで再結合される。偏光変調された白色光は、偏光ダイクロイックキューブ２７に再び入る。キューブ２７の界面２９および３１は、ｐ偏光された光のすべてを投影レンズ１９に伝送する一方で、ｓ偏光された光のすべてを投影レンズ外に反射する。それにより、画像がスクリーン２３上に投影される。

図４に示した、さらに別の実施例において、第１の狭帯域光源４１は、第１の波長間隔Δλ１内にある光を放射する。第２の狭帯域光源４３は、第２の波長間隔Δλ２内にある
光を放射し、第３の狭帯域光源４５は、波長間隔Δλ３内にある光を放射する。追加されたＸキューブ３３が、光源からの光を結合して、その光を偏光ビームスプリッタ５を介して伝送する。追加されたＸキューブ３３と偏光ビームスプリッタ５との間に波長選択リターダ３９を挿入して、ｓ偏光されるべき光の偏光を、偏光ビームスプリッタ５を基準に調節することができる。反射後に変化のない偏光を有する光の成分は、画像化装置１から偏光ビームスプリッタ５に伝播して、偏光ビームを介して伝送される。回転偏光を有する光の成分は、画像化装置から、偏光ビームスプリッタ５の偏光ビーム分割界面に伝播し、偏光ビームスプリッタ５は、この光の成分を投影レンズ１９に向けて反射する。Ｘキューブ３、画像化素子７、９および１１、ならびにレンズ１９からスクリーン画像を生成するための技術は上で述べた。

図５に示した、さらに別の実施例では、３つの光源（図示せず）から３つの狭い波長間隔Δλ１、Δλ２、およびΔλ３を有する光を結合するために、回折性の光学素子５１が用いられる。回折性の光学素子５１の原理は、より高次の回折に基づく。たとえば、Ｘキューブ３と画像化素子７、９および１１とを含む画像化装置への光路に一次の光学回折格子を配置すると特に有利である。回折性の光学素子５１は回折格子であり得、２つの偏光面の一方のみにおいて回折特性を呈する。回折性の光学素子５１はまた、レンズ（図示せず）による投影用に、画像化装置からの偏光変調された光を、輝度変調された光に変換することもできる。入射光は、一次回折の角度において回折格子に向けて方向付けられ、Ｘキューブ３における変調および再結合の後に、ゼロ次回折の角度で回折格子を通過して、投影レンズの方に向かう。ダンマン（Dammann）型回折格子は、回折性の光学素子５１に必要な光学挙動を示すように設計することができる。より高い回折次数において、同様の構造を用いることもできる。この発明に従った、投影機で使用される狭帯域光源に関し、このような回折性の光学装置の製造が実施可能である。

先行技術の投影装置の概略図である。この発明に従ったシステムの概略図である。白色光源および追加の狭帯域光源を用いる、この発明の一実施例の概略図である。３つの狭帯域光源を用いる、この発明の一実施例の概略図である。回折性のビームスプリッタを用いる、この発明の一実施例の概略図である。

Claims

第１の光源を備え、前記第１の光源からの光は、有限数の制限された波長間隔に制限され、さらに、
第２の光源と、
前記第１および第２の光源からの光を変調するように適合された画像化装置と、
前記光源からの光を結合して、結合された光を前記画像化装置に方向付けるためのビームコンバイナと、
レンズとを備え、前記画像化装置からの変調された光は、前記レンズに方向付けられる、画像投影システム。
前記画像化装置は、光を変調するように適合された少なくとも１つの画像化素子を含む、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１に記載のシステム。
前記画像化素子は空間光変調器である、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１または請求項２の少なくとも１つに記載の、特に請求項２に記載のシステム。
前記画像化装置は、各々が異なる変調状態を有する２つの成分を有するビームを生成し、前記システムは、前記２つの成分を分離して前記２つの成分の一方を前記レンズに伝送するためのビームスプリッタをさらに備える、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項３の少なくとも１つに記載のシステム。
前記ビームスプリッタおよび前記ビームコンバイナは１つの装置である、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項４の少なくとも１つに記載の、したがって特に請求項４に記載のシステム。
前記ビームスプリッタはＸキューブである、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項５の少なくとも１つに記載の、したがって特に請求項５に記載のシステム。
前記画像化装置は光を変調するように適合された第１および第２の画像化素子を含み、第１の数の波長間隔を有する光は第１の画像化素子に方向付けられ、第２の数の波長間隔を有する光は第２の画像化素子に方向付けられる、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項６の少なくとも１つに記載のシステム。
前記画像化素子は、空間光変調器である、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項７の少なくとも１つに記載の、したがって特に請求項７に記載のシステム。
前記画像化装置は、前記ビームコンバイナからの光をそれぞれの画像化素子に選択的に方向付けるように位置付けられたビームスプリッタをさらに含む、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項８の少なくとも１つに記載の、したがって特に請求項７に記載のシステム。
前記画像化素子からの光を前記レンズに方向付けるように位置付けられた第２のビームコンバイナをさらに備える、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項９の少なくとも１つに記載の、したがって特に請求項７に記載のシステム。
前記ビームスプリッタおよび前記第２のビームコンバイナは１つの装置である、好まし
くは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１０の少なくとも１つに記載の、特に請求項１０に記載のシステム。
前記ビームスプリッタはＸキューブである、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１１の少なくとも１つに記載の、特に請求項１１に記載のシステム。
前記画像化装置は、各々が異なる変調状態を有する２つの成分を有するビームを生成し、前記システムは、前記２つの成分を分離して前記２つの成分の一方を前記レンズに伝送するためのビームスプリッタをさらに備える、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１２の少なくとも１つに記載の、特に請求項７に記載のシステム。
少なくとも１つの光源からの光を偏光するように位置付けられた偏光子をさらに備える、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１３の少なくとも１つに記載のシステム。
前記偏光子は、偏光ダイクロイックキューブである、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１４の少なくとも１つに記載の、特に請求項１４に記載のシステム。
前記光源の各々からの光を偏光するように位置付けられた偏光子をさらに備える、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１５の少なくとも１つに記載のシステム。
前記光源からの光は偏光され、前記画像化装置は、少なくとも１つの偏光変調器を含み、前記システムは、前記画像化装置と前記レンズとの間に配置されて光の偏光に依存した輝度の光を伝送するための手段をさらに備える、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１６の少なくとも１つに記載のシステム。
伝送するための前記手段は、ビームスプリッタである、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１７の少なくとも１つに記載の、特に請求項１７に記載のシステム。
伝送するための前記手段は、回折性の光学素子である、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１８の少なくとも１つに記載の、特に請求項１７に記載のシステム。
前記手段は回折格子である、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項１９の少なくとも１つに記載の、特に請求項１７に記載のシステム。
前記第２の光源は白色光を提供する、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項２０の少なくとも１つに記載のシステム。
前記第２の光源からの光の周波数帯域を制限するように位置付けられたフィルタをさらに備える、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項２１の少なくとも１つに記載の、特に請求項２１に記載のシステム。
前記第１の光源は狭帯域光源である、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項２２の少なくとも１つに記載のシステム。
第３の光源をさらに備え、前記第２および第３の光源は狭帯域光源である、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項２３の少なくとも１つに記載の、特に請求項２３に記載のシステム。
前記画像化装置は、各々が異なる変調状態を有する２つの成分を有するビームを生成し、前記システムは、前記２つの成分を分離して前記２つの成分の一方を前記レンズに伝送するためのビームスプリッタをさらに備え、前記光源からの光は、前記ビームスプリッタを介して前記画像化装置に方向付けられる、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項２４の少なくとも１つに記載の、特に請求項２４に記載のシステム。
前記光源と前記ビームスプリッタとの間に配置された波長選択リターダをさらに備える、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項１から請求項２５の少なくとも１つに記載の、特に請求項２５に記載のシステム。
画像を生成する方法であって、
第１の光源および第２の光源からの光を伝送するステップと、
前記第１の光源からの光を、有限数の制限された波長間隔に制限するステップと、
前記光源からの光を結合するステップと、
結合された光を画像化装置に方向付けるステップと、
前記第１の光源および前記第２の光源からの光を前記画像化装置が変調するステップと、
前記画像化装置からの変調された光をレンズに方向付けるステップとを含む、方法。
各々が異なる変調状態を有する２つの成分を有する光ビームを前記画像化装置が生成するステップと、
前記２つのビームを分離するステップと、
前記２つのビームの一方を前記レンズに伝送するステップとをさらに含む、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項２７に記載の方法。
前記画像化装置は、第１の画像化素子および第２の画像化素子を含み、前記方法は、
前記画像化装置に方向付けられた光を分割するステップと、
第１の数の波長間隔を有する光を前記第１の画像化素子に方向付けるステップと、
第２の数の波長間隔を有する光を前記第２の画像化素子に方向付けるステップと、
前記第１の画像化素子への前記第１の数の波長間隔を有する光を前記第１の画像化素子が変調するステップと、
前記第２の画像化素子への前記第２の数の波長間隔を有する光を前記第２の画像化素子が変調するステップとをさらに含み、前記画像化装置からの変調された光を前記レンズに方向付ける前記ステップは、前記画像化素子からの変調された光を前記レンズに方向付けるステップを含む、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項２７または請求項２８の少なくとも１つに記載の、特に請求項２７に記載の方法。
変調された光を方向付ける前記ステップは、前記画像化素子からの光を結合するステップを含む、好ましくは少なくとも１つの請求項に記載の、特に請求項２７から請求項２９の少なくとも１つに記載の、特に請求項２９に記載の方法。
前記光源からの光を偏光するステップをさらに含み、光を変調する前記ステップは、
光の偏光を変調するステップと、
光の偏光に依存して光の輝度を変調するステップとを含む、好ましくは少なくとも１つ
の請求項に記載の、特に請求項２７から請求項３０の少なくとも１つに記載の、特に請求項２７に記載の方法。