JP2005528656A - 投射表示システム用の導光器を備えた小型の光エンジン - Google Patents

Abstract

単一のパネルを順次動かすカラー投射表示システム用の光エンジンは、源から不同の経路長を通じて出力レンズまで光を導くための導光器を用いる。導光器は、高い性能及び低いコストを有する小型の配置に帰着する、経路長に関わらず、ほとんど無い若しくは全く無い光の損失又はエタンデュ（角度範囲）における増加によって特徴付けられる。

Description

この発明は、投射表示システム用の光エンジンに関し、より詳しくは、単一のパネルを順次動かすカラー投射表示システムにおける使用に特に適する導光器を用いる小型の光エンジンに関する。

２００２年 に出願され、本願と同じ譲受人に譲渡された、米国特許出願番号 明細書、代理人整理番号ＰＨ （ＩＤ７０２６９７）は、本願の光エンジンに使用される、損失の少ないエタンデュを保存する導光器に関する。

単一のパネルを順次動かすカラー投射表示システムは、個々の画素又はピクセルのラスターを有する液晶表示（ＬＣＤ）パネルのような単一の光変調器パネルによって特徴付けられ、そのパネルは、水平に延長された赤色、緑色、及び青色の照明のスジ又は縞によって照明される。画素の照明される行が、そのときの入射の縞の色に対応する表示情報と同期してアドレス指定される一方で、縞は、パネルに対して垂直に、連続的に順次動かされる。例えば、特許文献１及び特許文献２を参照のこと。

このような単一のパネルのシステムは、より従来の三つのパネルシステムから区別されるものであり、その従来のシステムにおいては、個々の赤色、緑色、及び青色のビームが、各々十分に照明すると共に、個々の光変調器パネルによって変調される。そして、変調されたビームは、フルカラーの表示を生成させるために、表示画面上に重ね合わせられる。例えば、特許文献３参照のこと。

単一のパネル及び三つのパネルのカラー投射表示システムの両方に対する光エンジンは、ランプの光を赤色、緑色、及び青色の変調用の成分に分割するための、そして、投射表示用の変調された成分を再結合させるための二色性フィルターのみならず、明るい表示に必要とされる強度のレベルを提供するために、通常、高い強度のアーク燈を利用する。

先行技術の単一のパネル及び三つのパネルのシステムの両方において、高い光の効率に対する要請は、赤色、緑色、及び青色のビームの光路の長さが、おおよそ等しいことを規定してきた。さもなければ、光源から表示パネルまでさらに遠くまで進行しなければならないそれらのビームは、より大きいエタンデュ（角度範囲）を有し、それらのビームからの光のいくらかは、失われる。例えば、特許文献４を参照のこと。

残念ながら、このようなシステムは、光の利用に関して有効である一方で、三つの色に対して等価な画像を作り出すために相対的に高い光学品質の多数のリレーを要求する。加えて、先行する光の収集の段階における光の完全な統合（混合）が、必要である。多数の光学構成部品は、システムの大きさ及び全体的なコストに対して有意に寄与する。

順次動かすカラーの投射器用の現在使用される光エンジン１に対する照明の構成を、図１に概略的に示す。源Ｓからの光が、二色性素子２によって青色の成分Ｂ並びに緑色／赤色Ｇ／Ｒに分割される一方で。Ｂ成分は、レンズ３及びミラー４によってプリズムの走査器５へ方向付けられる。Ｇ／Ｒ成分を、二色性素子２によってレンズ６を通じて二色性素子７へ通過させ、その二色性素子は、Ｇ／Ｒ成分を緑色成分Ｇ及び赤色成分Ｒに分割する。赤色成分を、二色性素子７を通じてプリズムの走査器９へ通過させる一方で、Ｇ成分を、素子７によってプリズムの走査器８へ反射させる。そして、走査されるＲ、Ｇ、Ｂ成分は、ミラー１２及びリレーレンズ１３から１７までによって、再結合二色性素子１０及び１１へ方向付けられる。

リレーレンズ１３から１７までは、プリズムの走査器５、８、及び９から出力レンズ１８までの長い再結合の経路にわたる光の拡大を限定するように設計される。その結果として、プリズムの走査器５、８、及び９でテレセントリックである光は、再結合二色性素子１０及び１１でテレセントリックではない。結果として、（高価な）色彩を次第に変化させた二色性部品を使用しなければ、（表示の上部から下部までの）走査の間に色むらが導入される。
米国特許第５，４１０，３７０号明細書（１９９４年３月２５日にＰ．Ｊａｎｓｓｅｎに対して発行された“Ｓｉｎｇｌｅ ｐａｎｅｌ ｃｏｌｏｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｖｉｄｅｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ” 米国特許第５，４１６，５１４号明細書（１９９５年５月１６日にＰ．Ｊａｎｓｓｅｎ等に対して発行された“Ｓｉｎｇｌｅ ｐａｎｅｌ ｃｏｌｏｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｖｉｄｅｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｈａｖｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ ｆｏｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｒｅａｄｉｎｇ／ｗｒｉｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅ”） 米国特許第５，９１７，５６１号明細書（１９９９年６月２９日にＨａｔａｎａｋａに対して発行された“Ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｈａｖｉｎｇ ａ ｃｏｌｏｒ ｐｕｒｉｔｙ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒ”） 米国特許第４，８６４，３９０ Ｂ１号明細書（１９８９年９月５日にＭｃＫｅｃｈｎｉｅ等に対して発行された“Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｅｑｕａｌ Ｐａｔｈ Ｌｅｎｇｔｈｓ”）

本発明によれば、少なくとも投射表示システムの光エンジンの部分は、損失の少ないエタンデュを保存する導光器を用い、多くの高い品質の光学レンズに対する必要性を除去する一方で、個々の光ビームに対する不同の経路長の使用を通じて小型の配置を可能とすると共に、先行技術の等しい経路長の設計の光の効率を保存する。

本発明の第一の態様によれば、投射表示システムに対する光エンジンは、源からの光を二つ以上の光の成分に分割するためのビームスプリッター、並びに少なくとも源からビームスプリッターへ光を導くための源の分岐及びビームスプリッターから離れて光の成分を導くための少なくとも二つの成分の分岐を含む導光器を含む。

光エンジンの好適な実施形態によれば、ビームスプリッターは、交差した二色性素子又は源の光を赤色、緑色、及び青色の成分に分割することを含む。

光エンジンの別の好適な実施形態によれば、走査する縞の発生器は、赤色、緑色、及び青色の成分に対して提供され、導光器の各々の成分の分岐は、光の成分の一つを、走査する縞の発生器の一つへ導く。

光エンジンの別の好適な実施形態によれば、交差した二色性素子のビーム再結合器は、赤色、緑色、及び青色の成分を再結合させるために提供される。

本発明の別の態様によれば、投射表示システムが、提供され、そのシステムは、本発明の光エンジン、表示信号に従って光を変調するための少なくとも一つの光変調器パネル、及び変調された光を表示画面へ投射するための投射レンズを含む。

投射表示システムの好適な実施形態によれば、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）は、光エンジン及び第一の偏光状態の光を伝達すると共に第一の偏光状態と交差する第二の偏光状態の光を反射させるための光変調パネルの間に提供される。

今、図２Ａを参照して、本発明の光エンジンに対する照明の構成の一つの実施形態２０の平面図であり、（示してない）収集光学部品によってテレセントリックにされた源Ｓからの白色光は、導光器２１の源の分岐２１ａによって、導光器の経路に組み込まれるビームスプリッター２５へ運ばれる。源の分岐２１ａは、長方形の断面の真っ直ぐな導光器の区画２２及び２４、並びに内部反射面２３ａを有する光結合素子２３を含む。ビームスプリッター２５は、白色光を赤色、緑色、及び青色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の成分に分割し、それらの各々は、回転するプリズム（３８、３９、４０）へ方向付けられる。Ｇ及びＲの成分は、それぞれ、導光器２１の構成部品の分岐２１ｂ及び２１ｃによって、プリズム３９及び４０へパイプ輸送される。構成部品の分岐２１ｂ及び２１ｃは、各々、長方形の断面の三つの真っ直ぐな導光器の区画（それぞれ、２６、２８、３０及び３２、３４、３６）及び三つの光結合素子（それぞれ、２７、２９、３１及び３３、３５、３７）を含む。

光は、ほとんど無い若しくは全く無い損失又はエタンデュ（角度範囲）における増加を備えた様々な分岐を通じて導かれる。導光器の構造及び動作のより詳細な記載は、これと同時に出願される、ここでは参照によって組み込まれる同時継続の米国特許出願番号 明細書（代理人整理番号ＰＨＩＤ７０２６９７）に見出されることもある。

導光器の異なる分岐内の多重反射により、出口の開口２５ａ、３１ａ、及び３７ａで光は、完全に混合され、よって非常に均一である。出口の開口２５ａ、３１ａ、及び３７ａは、それぞれ、回転するプリズム３８、３９、及び４０上へ結像させられ、その上に長方形の色縞を形成する。回転するプリズムの視差は、色縞の連続的な順次動く運動を引き起こす。順次動く色縞を、ビーム再結合器４１によって結合させ、そのビーム再結合器は、角度αで交差した、二色性素子４１ａ及び４１ｂを含む。このように、Ｒ、Ｇ、及びＢの順次動く縞の結合した画像は、出力レンズ４３に伝えられる。

入力における白色光のテレセントリック性は、高価なリレー光学部品の欠如にもかかわらず、再結合二色性部品のみならず導光器の分岐によっていたるところで保存される。さらに、この非結像の構成は、非常に小型であり、高い性能及び低いコストを有するカラー投射ディスプレイ用の光エンジンを可能とする。

図２Ｂ、すなわち図２Ａの光エンジンの側面図は、源Ｓからの白色光の入力に対する別の可能な配置を示す。この配置において、白色光は、真っ直ぐな導光器の区画４４及び４６並びに光結合素子４５によって上部から導かれる。この配置の背面図である、図５は、導光器の区画４６が、内部反射面４７ａを有する光結合素子４７によって導光器の区画２２に接続されることを示す。

図２Ｃ、すなわち図２Ａの光エンジンの正面図は、“レンズの瞳”４４を示す。レンズの瞳４の形状は、出力レンズ４３の長方形の開口及び再結合させた光のテレセントリック性（円錐）によって、決定される。ビームが出てくると、それは、長方形の出力の装置から広がり、丸みのある形状を形成する。

図２Ｄ、すなわちビームスプリッター及び隣接する導光器の区画の詳細な図は、真っ直ぐな導光器の区画２４からビームスプリッター２５に入る白色光が、埋め込まれた二色性素子によって、三つの成分のビームに分割されることを示す。二色性素子２５ａは、青色光を反射させ、成分Ｂを導光器の区画２６に沿って放ち、緑色光を通過させ、導光器の区画４８に沿って成分Ｇを放つ。二色性素子２５ｂは、赤色光を反射させ、成分Ｒを導光器の区画３２に沿って放ち、緑色光を通過させ、成分Ｇを導光器の区画４８に沿って放つ。導光器の区画４８は、ビームスプリッター２５の出力面２５ｃへの回転するプリズム３８の近接により、図２Ａの配置において不要にされることに留意することになる。

図３は、交差した二色性素子を備えたビームスプリッター２５が、二つの個々のビーム分割素子５４及び５７で置き換えられてある、別のビームを分割する配置を示し、各々は、埋め込まれた二色性の面（５４ａ、５７ａ）を備える。源Ｓからの白色光は、真っ直ぐな導光器の素子５１及び５３を含む源の導波管からビームスプリッター５４、並びに内部反射面５２ａを備えた光結合素子５２に入る。青色光は、成分Ｂとして真っ直ぐな導光器の区画５５中へ面５２ａから反射される。赤色及び緑色光は、ビームスプリッター５７中へ通過させられるが、ここで、赤色光は、面５７ａによって、成分Ｒとして真っ直ぐな導光器の区画６０中へ反射される。緑色光は、成分Ｇとして真っ直ぐな導光器の区画５８に通過させられる。接着剤層５６、５９、及び６１は、真っ直ぐな導光器の区画５５、５８、及び６０をビームスプリッター５４及び５７に対して固定する。

図４は、本発明の光エンジン７１を用いる投射表示システム７０の一つの実施形態に対する概略のレイアウトである。Ｒ、Ｇ、及びＢの光の順次動く帯の画像を構成する、光エンジンからの出力光は、偏光子７２を通じて、内部の偏光したビームを分割する面７３ａを有する偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）７３へ方向付けられる。偏光子７２は、偏光してない光を一つの偏光状態、例えばＳの光へ変換する。面７３ａは、このＳの光を光変調器パネル７４へ通過させ、その光変調器パネルは、表示信号７５に従って光を変調し、変調された光を、ＰＢＳ７３へ反射し返す。変調及び反射の過程において、パネル７４は、ＳからＰへ光の偏光状態を変化させ、面７３ａは、ＰＢＳ７３の外の光を、ディスプレイ用の投射レンズ７６へ反射させる。

図６は、図４に示すタイプの順次動かすカラー投射表示システムにおいて有用である偏光変換システム（ＰＣＳ）８０の概略の図説である。ＰＣＳ８０は、偏光子７２に取って代わり、それが、順次動く色帯の幅を倍増させるという点で好都合である。導光器の区画８２は、（導光器の区画８２の断面に対応する、断面において見られる）色帯８１を導く。偏光してない色帯８１は、内部偏光層８３ａを有する光結合素子８３に入り、ここでは、偏光のＳ状態における成分は、層８３ａによって、出力面８３ｂを通じて導光器の区画８６中へ反射される。偏光のＰ状態における成分は、光結合素子８４へ通過させられ、反射面８４ａから反射される。反射されたＰ成分は、出力面８４ｂを通じ、半波長板８５を通じて、導光器の区画８６へ通過し、ここでそれらは、Ｓ成分へ変換される。このように、ＰＣＳ８０は、偏光してない色帯８１を、色帯８１の幅の倍を有するＳ偏光した色帯８７へ変換してしまう。このより広いアスペクト比は、例えば、ある一定のより高い周波数の走査システムにおいて好都合である。

本発明を、必然的に、限定された数の実施形態に関して記載してきた。この記載から、他の実施形態及び実施形態の変形は、当業者には明らかであると思われ、本発明及び添付した請求項の範囲内に十分に包含されることが意図されている。

光源から赤色、緑色、及び青色のビームに対する表示パネルまで等しい経路長を有する先行技術の順次動かすカラー投射器に関する概略のレイアウトである。 本発明の一つの実施形態による導光器を用いる、順次動かすカラー投射器に対する小型の光エンジンの平面図である。 本発明の一つの実施形態による導光器を用いる、順次動かすカラー投射器に対する小型の光エンジンの側面図である。 本発明の一つの実施形態による導光器を用いる、順次動かすカラー投射器に対する小型の光エンジンの正面図である。 図２Ａの光エンジンのビーム分割部分の詳細な図である。 図２Ａの光エンジンのビーム分割部分の別の実施形態の概略の図説である。 図２Ａの小型の光エンジンを用いる投射表示システムの概略の図説である。 照明の源及びビームスプリッターの間における図２Ｂの導光器の部分の背面図である。 図４に図説されたタイプの投射表示システムに有用な偏光変換システムの概略の図説である。

Claims (14)

1. 投射表示システム用の光エンジンであって、
   源からの光を二つ以上の光の成分に分割するビームスプリッター並びに
   前記源からの光を前記ビームスプリッターへ導く少なくとも源の分岐並びに
   前記ビームスプリッターから離れて前記光の成分を導く、少なくとも第一及び第二の構成部品の分岐
   を含む導光器
   を含む投射表示システム用の光エンジン。
2. 前記ビームスプリッターは、前記源の光を赤色、緑色、及び青色の成分に分割する、交差した二色性素子を含む請求項１に記載の光エンジン。
3. 第一、第二、及び第三の走査する縞の発生器は、それぞれ、前記赤色、緑色、及び青色の光の成分に対して提供され、
   少なくとも前記導光器の前記第一及び第二の構成部品の分岐は、それぞれ前記緑色及び青色の成分を、走査する縞の発生器に導くために提供される
   請求項２に記載の光エンジン。
4. 前記走査する縞の発生器は、各々、回転可能なプリズムを含む請求項３に記載の光エンジン。
5. ビーム再結合器は、前記赤色、緑色、及び青色の成分を再結合させるために提供される請求項２に記載の光エンジン。
6. 前記ビーム再結合器は、交差した二色性素子を含む請求項５に記載の光エンジン。
7. 出力レンズは、当該光エンジンの外へ前記再結合させた成分のビームを方向付けるために提供される請求項６に記載の光エンジン。
8. 前記ビームスプリッターは、光を成分のビームに分割する二色性ミラーを各々有する第一及び第二のビーム分割プリズムを含む請求項１に記載の光エンジン。
9. 前記源の分岐は、少なくとも二つの真っ直ぐな導光器の区画及び少なくとも一つの光結合素子を含む請求項１に記載の光エンジン。
10. 前記源の分岐は、少なくとも四つの導光器の区画及び少なくとも三つの光結合素子を含む請求項９に記載の光エンジン。
11. 前記第一及び第二の構成部品の分岐は、それぞれ、各々、少なくとも三つの真っ直ぐな導光器の区画及び少なくとも三つの光結合素子を含む請求項１に記載の光エンジン。
12. 投射表示システムであって、
    源からの光を二つ以上の光の成分に分割するビームスプリッター、
    前記源からの光を前記ビームスプリッターへ導く、少なくとも源の分岐並びに
    前記ビームスプリッターから離れて前記光の成分を導く、少なくとも第一及び第二の構成部品の分岐
    を含む導光器、
    表示信号に従って光を変調する少なくとも一つの光変調器パネル、並びに
    前記変調された光を表示画面へ投射する投射レンズ
    を含む投射表示システム用の光エンジン
    を含む投射表示システム。
13. 偏光子及び偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）は、前記光エンジン及び前記光変調パネルの間に提供され、
    前記ＰＢＳは、第一の偏光状態の光を透過させると共に前記第一の偏光状態と交差する第二の偏光状態の光を反射させる面を有する
    請求項１２に記載の投射表示システム。
14. 偏光変換システム（ＰＣＳ）は、前記光エンジン及び前記光変調パネルの間に提供され、
    前記ＰＣＳは、第一の導光器の区画を有し、
    第一の光結合素子は、前記第一の導光器の区画に隣接し、
    前記第一の光結合素子は、内部の偏光させる面を有し、
    第二の光結合素子は、前記第一の光結合素子に対して隣接し、
    前記第二の光結合素子は、反射面及び出力面を有し、
    半波長板は、前記出力面に隣接し、
    第二の導光器の区画は、前記光結合素子の前記出力面に対して隣接する
    請求項１２に記載の投射表示システム。

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