JP2005519328A - 向上した効率を持つ投影装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、画像を投影する投影装置であって、光源（１）と、LCD投影サブシステム（３）と、前記画像を投影する投影手段（４、５）とを有する投影装置に関する。前記投影サブシステムが、入口（３１）から出口（３４）まで光を導く導波路インテグレータ（３０）であって、前記インテグレータ（３０）の内側入口面（３３）が、反射材で被覆されており、前記光源（１）から発せられた光を該インテグレータ（３０）内に結合するための穴（３２）を持つ導波路インテグレータ（３０）と、前記インテグレータ（３０）の出口面（３４）に設けられる、誤った偏光を持つ光を該インテグレータ（３０）内に反射し戻すための反射偏光子（３５）と、前記反射偏光子（３５）の出口に設けられる、該偏光子（３５）によって透過された光を変調するための透過型LCD（３６）とを有し、前記LCD（３６）が、誤った色を持つ光を前記インテグレータ（３０）内に反射し戻すための組み込まれた反射型カラーフィルタアレイ（３７）を持つ小さなサイズで低コストの投影装置が提案されている。

Description

本発明は、画像を投影する投影装置であって、光源と、透過型LCD投影サブシステムと、前記画像を投影する投影手段とを有する投影装置に関する。本発明はまた、対応する画像を投影する方法及び透過型LCD投影装置にも関する。

このタイプの投影装置は、米国特許公報第US5,889,567号に開示されている。一実施例によれば、表示システムは、光源から光パイプ組立体の開口部を通して光を集束させるために放物線状光源(parabolic light source)と集光レンズとを含む。光パイプは、当接する位相板において終端する。LCDパネルの像平面は、位相板の像平面から或る距離だけ離される。投影レンズは、ディスプレイパネルにおいて形成された画像を観察面上に投影する。光パイプ組立体３３０は、光が位相板に達する前に開口部からの光を一様に混合するように大きさが決められる光ガイド又はパイプを作成するために協働する４つの反射面を含む。それは、好ましくは、長方形の断面を持ち、ロッドの周面上に反射面を備える光学ガラス製のロッドである。位相板は、当たっている光を赤色、緑色及び青色の波長成分に分離し、これらの波長成分をLCDパネルの各々の副画素(sub-pixel)に向ける。制御回路でLCDパネルを駆動することによって、副画素は、ディスプレイパネルの表面全体にわたってカラー画像を生成するように調節(valve)され得る。

本発明の目的は、より高い光利用効率を持ち、より小さく、より安価に製造され得る改良された投影装置を提供することにある。

本発明によれば、この目的は、
−入口から出口まで光を導く導波路インテグレータ(waveguide integrator)であって、前記インテグレータの内側入口面が、反射材で被覆されており、前記光源から発せられた光を該インテグレータ内に結合するための穴を持つ導波路インテグレータと、
−前記インテグレータの出口面に設けられる、誤った偏光を持つ光を該インテグレータ内に反射し戻すための反射偏光子と、
−前記反射偏光子の出口に設けられる、該偏光子によって透過された光を変調するための透過型LCDとを有し、前記LCDが、誤った色を持つ光を前記インテグレータ内に反射し戻すための組み込まれた反射型カラーフィルタアレイを持つ投影サブシステムを前記投影装置中に設けることによって達成される。

本発明は、光の利用を改善するために有効に用いられ得ない光を可能な限り多く前記導波路インテグレータ内に又は該導波路インテグレータ自体の内部に反射し戻す考えに基づいている。更に、前記投影サブシステムの幾らかの素子を統合することによって、非常に小さく、低コストの投影装置が製造され得る。本発明による投影サブシステムは、米国特許公報第US5,146,248号に記載されているタイプ又はとりわけ図１９に関して米国特許公報第US5,889,567号に記載されているタイプの導波路インテグレータを用いる。これらの文献の記載は参照により本明細書に盛り込まれる。本発明による導波路インテグレータは、組み込まれた反射型カラーフィルタアレイを備える透過型LCDに結合される出口窓を持つ。反射偏光子は、前記出口窓と前記LCDとの間に配置される。前記偏光子が、誤った偏光を持つ光を前記インテグレータ内に反射し戻す一方で、前記反射型カラーフィルタアレイは、誤った色を持つ光を前記インテグレータ内に反射し戻す。前記入口面中には、前記投影ランプからの前記光が前記インテグレータに入ることを可能にするための小さな穴しか持たない前記インテグレータの前記入口面に鏡が配置されることから、前記インテグレータ内ではね返される光のほとんどが、前記鏡にあたり、再利用され、ディスプレイを通り、スクリーンに到るための新たな機会を得る。このようにして、高い光利用効率が達成され得る。

本発明の好ましい実施例は、従属項において規定されている。対応する本発明による画像を投影する方法は請求項１０において規定されている。請求項１に記載されているような投影装置用の透過型LCD投影装置は請求項９において規定されている。前記導波路インテグレータ内に反射された光のほとんどは、次いで、該導波路の反射入口面において前記LCDの方に向け直されるであろう。

前記反射型カラーフィルタアレイがダイクロイックミラー又はポリマ層を有することは好ましい。しかしながら、あらゆる他の反射型カラーフィルタ手段もまた用いられ得る。通常、このようなタイプのカラーLCDは、吸収タイプのフィルタ素子を用いるカラーフィルタパターンを持つ。これらの吸収タイプのフィルタ素子は、誤ったスペクトル特性を持つ光を吸収する。前記光は吸収されることから、前記光は、失われ、再利用され得ない。その後、この吸収は、熱を生成し、斯くして、（前記システムの耐用年数制約のために）前記パネルにおける許容光密度を制限し、これは、最大明るさを制限する。反射型カラーフィルタの使用は、前記光が再利用されることを可能にし、前記パネルを通してのより高い光束を可能にする。

非常に小さなサイズの投影装置を得るために、前記反射型カラーフィルタアレイは、好ましくは、例えば前記ディスプレイが作成されるガラス担体板の内部において、前記LCDの基板の一方の内面に、即ち、前記LCDパネル中の画素構造に近接して配置され、前記偏光子と前記LCDとの間に位置する。前記LCDパネルは、２つのガラス基板の間にはさまれたLC層を有する。各基板は略々0.5mm以上の厚さを持つ。前記ディスプレイの外面に前記フィルタパターンを持つということは、該フィルタパターンと前記画素構造との間に0.5mmより大きな間隔があることを意味するであろう。これは、視差の問題をもたらし、ほとんど如何なる光も前記システムを通ることが出来ないように該システムの開口数を制限するであろう。典型的な画素の寸法は５乃至２０ミクロンの範囲内であることに注意されたい。

４：３又は１６：９のアスペクト比を維持するために、前記反射型カラーフィルタアレイは好ましくは３：１のアスペクト比を持つ多数のカラーストライプを有する。

前記インテグレータ内に反射し戻された光の偏光を変更するために、好ましくは、リタデーションフィルムが該インテグレータの出口面に設けられる。

光利用効率を更に増大させるために、前記LCDの可視窓の外側の出口面は、光がまた該LCDのこれらの部分から前記導波路インテグレータ内に反射し戻されるであろうように反射型にされる。

アプリケーションのタイプに依存して、前記カラーフィルタアレイは、好ましくは、直交構成(orthogonal configuration)又は対角線構成(diagonal configuration)のいずれかを持ち、データの投影のためには前記直交構成が好ましく、ビデオの投影のためには前記対角線構成が好ましい。

好ましくは、前記インテグレータは、前記入口面から前記出口面へ進む間に側壁にあたる光が臨界角反射によって該インテグレータ内にはね返されるようにより屈折率が高い材料で作成される。

図面を参照して以下に本発明をより詳細に説明する。

本発明による投影装置が図1に示されている。この投影装置は、楕円反射器を持つ投影ランプなどの光ビーム２を発するための光源１と、投影サブシステム３と、検光子４と、画像をスクリーン又は壁の上に投影するための投影レンズ５とを有する。投影サブシステム３は、鏡などの反射材３３で被覆された入口面３１を持つロッドインテグレータのような波長板を用いる導波路インテグレータを有する。投影ランプ１からの光２は、入口面３１にある鏡３３中の小さな穴３２を介して導波路インテグレータ３０内に結合される。導波路インテグレータ３０の出口面３４は、反射偏光子３５を介して透過型液晶ディスプレイ(LCD)３６に結合される。LCD３６は、更に、組み込まれた反射型カラーフィルタアレイ３７を有する。

反射偏光子３５は、誤った偏光を持つ光を導波路インテグレータ３０内に反射し戻す。誤った色の光は、カラーフィルタアレイ３７によって反射され、導波路インテグレータ３０の内部で再配分されるであろう。反射光の偏光は、導波路インテグレータ３０の内部で複屈折又はリタデーションフィルムのいずれかによって変更され得る。前記反射光は、次いで、入口面３１にある反射鏡３３によってLCD３６に反射し戻されるであろう。このようにして、可能な限り多くの光を用いる非常に効率的なシステムが得られる。更に、少ない小さなサイズの光学部品しか必要とされず、導波路インテグレータ３０自体は低コストのものであり得ることから、本発明は、極めて小さく、低コストの投影装置を製造することを可能にする。

カラーフィルタアレイ３７は、誤った色を持つ光を導波路インテグレータ３０内に反射し戻すのに加えて、当たっている光を赤色、緑色及び青色の波長成分に分け、これらの波長成分をLCDパネル３６の各々の副画素上に向ける。制御回路（図示せず）でLCD３６を駆動することによって、副画素は、LCD３６の表面全体にわたってカラー画像を生成するように調節され得る。

導波路インテグレータ３０は、光ガイド又はパイプを作成するように協働する反射面を含む。光パイプは、光が反射偏光子３５に到達する前に入口穴３２からの光を一様に混合するように大きさが決められる。好ましくは、導波路インテグレータ３０は、導波路インテグレータ３０の内部で偏光変換を達成するのに十分に複屈折のものである。出口面３４には、偏光変換を改善するために付加的なリタデーションフィルムが配置され得る。導波路インテグレータ３０の長さは、最適統合機能(optimal integration function)を保証するように設計され得る。

導波路インテグレータ３０の入口面３１は、図２において別の斜視図で示されている。この図においては、入口板３１の中央の穴３２がはっきりと見られ得る。入口板３１の残りの表面３３は、導波路インテグレータ３０の内部に光を反射するように反射鏡層で被覆される。

組み込まれた反射型カラーフィルタアレイ３７と一緒のLCD３６が図３においてより詳細に示されている。図３ａは、２つの層を有し、前記２つの層の間に反射型カラーフィルタアレイ３７が配置されるLCDパネル３６の断面図を示している。前記アレイ３７の拡大された一部３８が図３ｂに示されている。より一層の詳細は、拡大された一部３９を示している図３ｃにおいて認識され得る。フィルタアレイは、４：３又は１６：９のアスペクト比を維持するために３：１のアスペクト比を持つ３つの異なる色のカラーストライプ３９１、３９２、３９３を有することがこの図において見られ得る。更に、フィルタアレイは、直交構成又は対角線構成を持ち得る。ビデオのためには対角線構成が好ましく、データのためには直交構成が好ましい。

本発明は、反射型カラーフィルタアレイを備えるLCDを必要とする。しかしながら、１つのLCDしか必要とされないことから、このLCDは３パネルシステム中のLCDより大きくなり得る。要約すると、好ましくは透過型の単一パネルLCDしか持たない小さなサイズで低コストの投影装置が製造され得る。

本発明による投影装置の実施例を示す。 導波路インテグレータの入口面を示す。 組み込まれた反射型カラーフィルタアレイを備えるLCDを示す。 図３ａの拡大された一部を示す。 図３ｂの拡大された一部を示す。

Claims (10)

1. 画像を投影する投影装置であり、光を発する光源と、透過型LCD投影サブシステムと、前記画像を投影する投影手段とを有する投影装置であって、前記投影サブシステムが、
   −入口から出口まで光を導く導波路インテグレータであって、前記インテグレータの内側入口面が、反射材で被覆されており、前記光源から発せられた光を該インテグレータ内に結合するための穴を持つ導波路インテグレータと、
   −前記インテグレータの出口面に設けられる、誤った偏光を持つ光を該インテグレータ内に反射し戻すための反射偏光子と、
   −前記反射偏光子の出口に設けられる、該偏光子によって透過された光を変調するための透過型LCDとを有し、前記LCDが、誤った色を持つ光を前記インテグレータ内に反射し戻すための組み込まれた反射型カラーフィルタアレイを持つ投影装置。
2. 前記反射型カラーフィルタアレイがダイクロイックミラー又はポリマ層を有することを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記反射型カラーフィルタアレイが、前記偏光子と前記LCDとの間において該LCDの基板の一方の内面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
4. 前記反射型カラーフィルタアレイが、３：１のアスペクト比を持つ多数のカラーストライプを有することを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
5. 前記導波路インテグレータが、該インテグレータ内に反射し戻された光の偏光を変更するリタデーションフィルムを更に有することを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
6. 前記LCDの可視窓の外側の表面が反射型にされることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
7. 前記反射型カラーフィルタアレイが、直交構成又は対角線構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
8. 前記インテグレータが、光を反射するために屈折率が高い材料で作成されることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
9. 光を発する光源と、投影手段とを有する請求項１に記載の画像を投影する投影装置用の透過型LCD投影装置であって、前記投影装置が、
   −入口から出口まで光を導く導波路インテグレータであって、前記インテグレータの内側入口面が、反射材で被覆されており、前記光源から発せられた光を該インテグレータ内に結合するための穴を持つ導波路インテグレータと、
   −前記インテグレータの出口面に設けられる、誤った偏光を持つ光を該インテグレータ内に反射し戻すための反射偏光子と、
   −前記反射偏光子の出口に設けられる、該偏光子によって透過された光を変調するための透過型LCDとを有し、前記LCDが、誤った色を持つ光を前記インテグレータ内に反射し戻すための組み込まれた反射型カラーフィルタアレイを持つ透過型LCD投影装置。
10. 画像を投影する方法であって、
    −光源を用いて光を発するステップと、
    −導波路インテグレータであって、前記インテグレータの内側入口面が、反射材で被覆されており、前記光源から発せられた光を該インテグレータ内に結合するための穴を持つ導波路インテグレータを用いて、入口において前記光源から受け取った光を出口に導くステップと、
    −前記インテグレータの出口面に設けられた反射偏光子を用いて、誤った偏光を持つ光を該インテグレータ内に反射し戻すステップと、
    −前記反射偏光子の出口に設けられた透過型LCDであって、誤った色を持つ光を前記インテグレータ内に反射し戻すための組み込まれた反射型カラーフィルタアレイを持つ透過型LCDを用いて、前記偏光子によって透過された光を変調するステップとを有する方法。
    

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