JP2005530210A - 蛍光・投影スクリーンと、不可視スペクトル内で放出する放射線源とを備えた投影システム - Google Patents

Abstract

投影システム（１）及び投影方法であって、可視波長領域以外の電磁放射線を発生させるための放射線源と、この放射線源により照射可能な画像提供ユニットと、投影スクリーン（３）とを含んでいて、この投影スクリーンが放射線感応性の面を備えていて、この面が前記の不可視放射線での励起時に可視波長領域内の蛍光を放射し得る。この際、放射線感応性の面が、場所に依存せず異なる波長の蛍光を励起放射線の波長に依存して放出する材料から成り、及び、放射線源が異なる波長の励起放射線を放射し得る。

Description

本発明は投影システム（プロジェクション・システム）に関し、この投影システムは、可視波長領域以外の電磁放射線を発生させるための放射線源と、この放射線源により照射可能な画像提供ユニットと、投影スクリーンとを含んでいて、この投影スクリーンは放射線感応性の面を備えていて、この面は前記の不可視放射線での励起時に可視波長領域内の蛍光を放射し得る。

更に本発明は、放射線源により画像提供ユニットを介して可視波長領域以外の電磁放射線で照射される投影スクリーンにして、この投影スクリーンが放射線感応性の面を備えていて、この面が前記の不可視放射線での励起時に可視波長領域内の蛍光を放射し得るという投影スクリーン上にて情報を画像提供描写するための方法に関する。

特許文献１から前記の形式の投影システム及び方法が知られていて、そこでは放射線源により紫外（ＵＶ）放射線が放射される。マイクロミラーであって角度指向付けに関してコントロール可能でありＵＶ源により照射されるシリコン基板上の多数のマイクロミラーを備えた２次元ミラーフィールドを用い、ＵＶ放射線に対して２次元画像信号が変調され、この画像信号は蛍光・投影スクリーン上に反射され、この際、各マイクロミラーは画像点（ピクセル：画素）に対応している。蛍光・投影スクリーンの放射線感応性の層において、各ピクセルの領域には空間的に互いに相違する３つのサブピクセルが配設されていて、これらのサブピクセルは、各々、異なる材料から構成されている。これらの異なる材料は、同じ波長領域のＵＶ放射線を用いた照射により、材料特有の異なる波長領域内の可視蛍光の放出（エミッション）のために励起される。

この周知の投影システム及び方法の短所は、一方では、投影スクリーンの製造に係る費用と手間であり、この投影スクリーンでは異なる材料が空間的に高精度をもって配設されなくてはならない。このことは、特により大きな面で表示を行う場合、高い粗悪品率、従って高い製造コストを導いてしまう。更には最大で達成可能な解像度が強く減少されてしまう。他方では、そのようなシステム及び方法は、個々のコンポーネントの互いの相対的な指向付けに関して極めて敏感である。理想的な位置からの小さな偏りですら、表示の全体的な色ずれを結果として伴い、その理由は、正確なサブピクセルの代わりに、隣接するサブピクセルが照射され、このサブピクセルが別の色を放出してしまうためである。従ってこの周知の装置或いはこの周知の方法は、互いに固定結合されていて出来るだけ低振動で配設されているコンポーネントを用いた小さな表示にだけ適している。

更に特許文献２からは３次元画像を描写するための投影システムが知られている。そこでは、希土類でドープされていて結晶状又はガラス状であり可視及び赤外（ＩＲ）波長領域内で透明な基本材料から成る直方体が投影容積として用いられる。この投影容積はＩＲ放射線を放射する２つのレーザによりスキャンされ、これらのレーザは、それらの光線が所定の点で交差するように制御される。これらの点において放射線のエネルギー密度は高く、それにより所謂ツー・フォトン・励起、即ち希土類・イオンによる２つのＩＲフォトンの同時吸収に著しく至ることになる。イオンは、可視波長領域内の蛍光フォトンを放射しながらその基底状態へと緩和し、それによりレーザ光線の各々の交差点が発光点として現われる。この発光点の色の制御は、両方のレーザの少なくとも一方の波長を変更することにより可能である。つまり、基本材料の結晶構造又はガラス構造内に固定式で挿入されている希土類・イオンは、比較的シャープな異なるエネルギーレベルを有し、これらのエネルギーレベルは、異なる励起エネルギーで励起可能であり、エネルギー的に異なるフォトン、即ち異なる色のフォトンを放射しながら基底状態へと緩和する。

しかしこの周知の投影システムにおける短所は、投影容積の大きなスペース要求、並びに、コンポーネントの相対的な指向付けに関して極めて敏感なレーザにおける複雑なコントロールである。

同じ短所が、特許文献２に由来し且つ実質的に機能的に同様に形成されている特許文献３に係る発明にも当てはまる。ここでは投影容積或いは画像スクリーンが確かにより平坦であるが、同様に３次元で放射線感応性の立方体として形成されていて、この立方体内に１つの平面において放射が成され、その平面に対して垂直にこの立方体が観察される。従って立方体の高さが重要な役割を果たし、任意に減少することはできない。

日本特開平１１−４１５４８号明細書 米国特許第５６８４６２１号明細書 米国特許第５７６４４０３号明細書

従って本発明の課題は、製造において有利であり適用において頑強であり、それにより特に自動車両（モータビークル）における使用に適している投影システムを創作することである。

この課題は、本発明に従い、請求項１に記載した前提部と関連し、投影スクリーンの放射線感応性の面が、場所に依存せず異なる波長の蛍光を励起放射線の波長に依存して放出する材料から成ること、及び、放射線源が異なる波長の励起放射線を放射し得ることにより解決される。

投影スクリーンの本発明に従う構成により、例えば、特許文献２で開示されている材料を放射線感応性の面として使用することにより、表示における異なる色のコントロールの問題が、全てのコンポーネントの空間的な指向付けから、異なる励起波長の遥かに簡単で且つ操作可能なコントロールへと移される。それにより、一方では使用可能性に関して遥かに大きな柔軟性が可能であり、他方では今までの従来技術におけるよりも遥かに頑強な構成が可能である。特にこのシステムの振動は、投影画像の対応する空間的なずれを導くが、色ずれを導くことはないので、例えば自動車両における使用が可能とされる。

特許文献２で投影容積の製造に適していると開示されている材料は、極めて異なる形状の投影スクリーンに問題なく組み込まれ得て、この際、実質的に平坦な支持体自身が、適切なイオンでドープされ得るか、又は、例えばラッカ塗布又は蒸着により、ドープされた材料でコーティングされ得る。

有利な実施形態に従い、放射線源は調整可能な出力波長を有するレーザを含んでいる。それによりシステムのコントロールが複雑ではなくなり、その理由は、レーザの有利な強度特性と集束特性が利用され得て、同時に光線の制御だけが保証されればよいためである。

また他の実施形態に従い、放射線源が異なる出力波長の複数のレーザを含んでいることも可能である。それによりコントロールは確かに幾らか複雑になるが、画像構成はより速く行われ、このことは、より高く解像された及び／又はフリッカのより少ない、より大きな投影を可能とする。

１つの有利な実施形態は、放射線源が紫外波長領域内の電磁放射線を放射し得ることにより傑出する。それには次の認識が基礎とされている。即ち、蛍光を発する材料が通常は負のストークス・シフトを有する、つまり可視光を放出するためにより高いエネルギーの励起即ちより短波のエネルギー励起を必要とするということである。このことは、特許文献２で投影容積の製造に適していると開示されている材料にも当てはまるが、特許文献２で所望とされる空間的な描写に基づき、そこではＵＶ励起放射線を使用することはできず、その理由は、この蛍光が、ＵＶ光線の全吸収経路を介し、所望の画像点だけで発生されるわけではないためである。しかし、実質的に投影スクリーンが平坦なこの場合、直接的により高いエネルギーの励起放射線も使用され得る。

しかし他の実施形態では同様に、放射線源が赤外波長領域内の電磁放射線を放射し得ることも可能である。この際、光線の強度は、投影スクリーンの放射線感応性の層内でツー・フォトン・吸収が充分な程度で成されるほど高くなければならない。このことは、例えば、放射線感応性の層内で交差する複数の光線の使用、又は、十分な強度の唯一の光線の使用により行われ得る。

特に有利な実施形態では複数の投影スクリーンが設けられていて、これらの投影スクリーンが画像提供ユニットを介して放射線源により照射される。このことは、様々な場所にいる複数の観察者が描写された情報に対して最適の視界を有するという長所、又は、異なる情報が異なる個所にいる観察者に対して一目瞭然の状態で描写され得るという長所を有し、この際、各々、１つの光電子ユニットだけが必要である。それにより最も高価で最も手間のかかるシステムの部分が一度だけ設けられればよい。

投影システム或いは投影スクリーンは、好ましくは自動車両内又は自動車両に付属して配設されている。それにより自動車両内のインフォメーション及び／又はエンターテイメントの柔軟な可能性が得られ、このことは、現代の自動車両内、特に自動車内における、常にその数が増加する監視パラメータ及び制御パラメータ、及び、それと結び付けられている、明白に感知でき一目瞭然である情報の提示に関する問題点にとって相応しいものである。

少なくとも１つの投影スクリーンが自動車両のインストルメントパネルの領域に配設されているという実施形態は特に有利である。それにより自動車両内の表示に関する通常の配置構成は維持され得るが、この際、例えばタコメータ、回転数表示器などのような特有の表示装置の固定設置は回避される。つまり、画像提供ユニットの適切なプログラミングにより利用者及び／又は状況に特有の表示を創作することが可能である。

他の有利な実施形態では、少なくとも１つの投影スクリーンが自動車両のサイドウインドウ又はウインドシールドの領域に配設されていることが意図されている。このことは、運転者が視線を完全に交通事象から逸らすことなく表示を読み取ることができるという長所を提供する。

更に、少なくとも１つの投影スクリーンが自動車両の運転席及び／又は助手席の後側の領域に配設されていることが意図され得る。このことは、後座席の同乗者に対して走行中にビデオやＴＶやコンピュータゲームなどの形式の娯楽を提供することを可能にする。当然のことであるがそのためには画像提供ユニットのコントロールが適切に設計されなくてはならない。

画像提供ユニットは当業者にとって周知の様々な方式で実施され得る。そのためにはマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭ：Microelectromechanical
System）が適している。それには、ＤＭＤマイクロディスプレイ（ＤＭＤ：Digital
Micromirror Device）、２軸で偏向可能なマイクロミラー、及びＧＬＶ（Grating
light Valve）が数えられる。また、ＬＣＯＳマイクロディスプレイ（Liquid
Crystal On Silicon）、２つのガルバノメータミラーを含んでいるスキャニングシステム、ガルバノメータミラーとＭＲＳ（Mechanical
Resonant Scanner）の組み合わせ、又は２つのＭＲＳの組み合わせというような実施形も適している。

そのような要素、並びにそれらに付属のコントロール、即ちハードウェア及びソフトウェアは、市販のものであり、それにより低コストで組込可能である。それらは、レーザ源又は他の光源と共に稼動され得る。この際、画像提供ユニットはプログラミング可能なコンピュータによりコントロール可能である。

有利な実施形態では、放射線源と画像提供ユニットとを観察者から見て投影スクリーンの後に配設することが意図され得る。それにより、特に自動車両の狭い運転者キャビン内において、観察者が画像提供ユニットに向かって投影スクリーンを暗くしてしまうことが回避される。つまり車両内への隠蔽式の組み込みが可能である。

他方では同様に、放射線源と画像提供ユニットとが観察者から見て投影スクリーンの前に配設されていることが可能である。このことは、例えば自動車両のウインドウガラスのような後方には取り付けられていないスクリーン上への投影も可能とする。

使用されている励起放射線に対して非透過性又は吸収性のコーティングが投影スクリーンに設けられていると特に有利である。このコーティングは、当然のことながら、スクリーンにおいて画像提供ユニットの反対側に塗布されなくてはならない。それにより、観察者が、透過において又は反射において、励起放射線にさらされることが防止され、このことは、レーザ放射線が強度の場合には重要な安全観点を意味する。

本発明の他の課題は、低コストで頑強な情報描写を可能とし、特に自動車両における使用に適している方法を提供することである。

この課題は、本発明に従い、請求項１６に記載した前提部と関連し、異なる色の蛍光が、場所に依存せず異なる波長の蛍光を励起放射線の波長に依存して放出する材料から成る、投影スクリーンの放射線感応性の面により、不可視電磁放射線の波長を変えることにより放射されることによって解決される。

異なる色或いは異なる波長の蛍光が、励起放射線の波長に依存し、場所に依存せず、不可視電磁放射線の波長を変えることにより放射されることで、低コストで頑強な情報描写が可能である。システムの変化は、上述のように、色ずれを導くことはないので、自動車両においてもこの方法が使用され得る。

本発明の他の詳細は以下の詳細な説明と添付の図面から明らかであり、次にそれらの図面を用い、例として本発明の有利な実施形態を具体的に説明する。

図１には、蛍光体、即ち蛍光を発する分子、イオン、原子などのエネルギーレベル、例えば、ガラス状又は結晶状のキャリア材料内の希土類イオンのエネルギーレベルの概要図が示されている。通常、イオンはその基底状態Ｓ０にあり、この基底状態Ｓ０は図１において太線で描かれている。細線として描かれているフォノン的なサブレベルは、通常、励起されていない。例えば電磁放射線の形式のエネルギーｈνの照射により、イオンはより高いエネルギー状態へと高められ得るが、このことは照射されたエネルギーが基底状態Ｓ０とより高い状態Ｓ１又はＳ２との間のエネルギー間隔に対応する場合にだけ該当する。これらのエキサイテーションエネルギー又は励起エネルギーは図１においてｈνｅｘ１及びｈνｅｘ２で示されていて、これらは波長λｅｘ１＝ｃ／νｅｘ１及びλｅｘ２＝ｃ／νｅｘ２の放射線に対応し、この際、ｃは光速を表し、νは周波数を表し、ｈはプランク定数を表す。そのエネルギー間隔は、多数・フォトン・吸収により、即ち低エネルギーの多数のフォトンの同時吸収により橋渡しされるが、この際、このことは極めて小さな確率で発生する物理的に異なる現象に係るものである。照射により、より高いフォノン的なレベルも、励起された状態の上側の細線により示唆されているように励起され得るので、吸収バンドは完全にシャープではなく、多少なりとも幅広のスペクトルを有する。通常ではｎｓ領域内を動く、励起された状態の寿命の後、イオンはそのイオンの励起された状態から基底状態へと逆戻りし、この際、ｈνｅｍ１又はｈνｅｍ２のエネルギーのフォトンが放出される。この放射線は、通常、励起放射線よりも長波であり、その理由は、励起されたイオンが、蛍光フォトンの放射前、内部の転換（コンバージョン）により、励起された状態の最下位のフォノン的なレベルへと移行するが、他方では基底状態のより高いフォノン的なレベルへと逆戻りすることができるためである。ここでは負のストークス・シフトに関している。従って、材料が適切に選択されている場合、ＵＶ領域内の励起により可視スペクトル領域内の蛍光を発生させることが可能である。図１から明らかに見てとれるように、蛍光の波長、即ち蛍光の色は、実質的に、どの励起された状態からイオンがその基底状態へと戻るかに依存するが、このことは、上記したように先ずは励起放射線の波長に依存する。従って、励起波長を適切に調整することにより異なる色の蛍光を発生させることが可能である。

図２には本発明に従う投影システム１が描かれていて、この投影システム１は、投影ユニット２と、投影スクリーン３とから構成されている。投影ユニット２は放射線源と画像提供ユニットとを含んでいるが、これらは図面において詳細には描かれていない。放射線源は、例えば、調整可能な波長を有するＵＶレーザ、又は、赤色の又は緑色の又は青色の蛍光を励起するのに各々適している異なった固定波長の３つのＵＶレーザによるバッテリ（一組の装置）であり得る。画像提供ユニットとしては、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭ）と並び、中でも、コンピュータ制御され且つ２つのガルバノメータミラーを含んでいるスキャニングシステム、２軸偏向可能なマイクロミラー、ＬＣＯＳマイクロディスプレイ、又はＤＭＤマイクロディスプレイなどが考慮対象となる。図２の実施形態において投影スクリーン３は、自動車両ドア５のサイドウインドウ４の領域に実現されている。このことは、例えば、サイドウインドウ４のガラスが投影スクリーン３の領域において適切なイオンでドープされていること又は例えばラッカ塗布又は蒸着として適切なコーティングを支持していることにより行われる。

図３には、本発明に従う投影システム１’の他の実施形態が描かれている。投影ユニット２’により照射される投影スクリーン３’は、ここでは自動車両のインストルメントパネル６の領域に配設されている。

図４には、最終的に、本発明に従う投影システム１”の第３実施形態が示されている。投影ユニット２”により照射される投影スクリーン３”は、ここでは自動車両の運転席又は助手席８のヘッドレスト７の後側の領域に配設されている。

当然のことであるが本発明は図示された実施形態に限られるわけではない。他の有利な多数のバリエーションが想定可能である。つまり、特に、車両において、インサイドミラー又はアウトサイドミラーの領域内の他の面、又はセンタコンソール又はウインドシールドの領域内の他の面が投影スクリーンとして利用され得る或いはそれらの面に投影スクリーンが設けられ得る。

蛍光体のエネルギーレベルの概要図を示す図である。 本発明に従う投影システムの第１実施形態の概要図を示す図である。 本発明に従う投影システムの第２実施形態の概要図を示す図である。 本発明に従う投影システムの第３実施形態の概要図を示す図である。

符号の説明

Ｅ エネルギー
Ｓ０ 基底状態
Ｓ１ 励起状態
Ｓ２ 励起状態
１、１’、１” 投影システム
２、２’、２” 投影ユニット
３、３’、３” 投影スクリーン
４ サイドウインドウ
５ 自動車両ドア
６ インストルメントパネル
７ ヘッドレスト
８ 運転席又は助手席

Claims (15)

1. 投影システムであって、この投影システムが、可視波長領域以外の電磁放射線を発生させるための放射線源と、この放射線源により照射可能な画像提供ユニットと、投影スクリーンとを含んでいて、この投影スクリーンが放射線感応性の面を備えていて、この面が前記の不可視放射線での励起時に可視波長領域内の蛍光を放射し得る、前記投影システムにおいて、
   放射線感応性の面が、場所に依存せず異なる波長の蛍光を励起放射線の波長に依存して放出する材料から成ること、及び、放射線源が異なる波長の励起放射線を放射し得ることを特徴とする投影システム。
2. 放射線源が、調整可能な出力波長を有するレーザを含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の投影システム。
3. 放射線源が、異なる出力波長の複数のレーザを含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の投影システム。
4. 放射線源が、紫外波長領域及び／又は赤外波長領域内の電磁放射線を放射し得ることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の投影システム。
5. 複数の投影スクリーン（３；３’；３”）が設けられていて、これらの投影スクリーンが画像提供ユニットを介して放射線源により照射されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影システム。
6. 放射線感応性の面が、平坦なガラス支持体内に埋設されている、又は、平坦で透明性の又は反射性の支持体上に塗布されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の投影システム。
7. 投影システムが、自動車両内又は自動車両に付属して配設されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の投影システム。
8. 投影スクリーン（３’）が、自動車両のインストルメントパネル（６）の領域に配設されていることを特徴とする、請求項７に記載の投影システム。
9. 少なくとも１つの投影スクリーン（３）が、自動車両のサイドウインドウ（４）又はウインドシールドの領域に配設されていることを特徴とする、請求項７又は８に記載の投影システム。
10. 少なくとも１つの投影スクリーン（３”）が、自動車両の運転席及び／又は助手席（８）の後側の領域に配設されていることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の投影システム。
11. 画像提供ユニットが、ＭＥＭシステム、又は、ＬＣＯＳマイクロディスプレイ、又は、２つのガルバノメータミラー又はＭＲＳを含んでいるスキャニングシステムとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の投影システム。
12. 放射線源と画像提供ユニットとが、観察者から見て投影スクリーンの後に配設されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の投影システム。
13. 放射線源と画像提供ユニットとが、観察者から見て投影スクリーン（３；３’；３”）の前に配設されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の投影システム。
14. 投影スクリーン（３；３’；３”）が、当該投影スクリーンで画像提供ユニットとは反対側にて、使用されている励起放射線に対して非透過性又はこの励起放射線を吸収するコーティングを備えていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の投影システム。
15. 放射線源により画像提供ユニットを介して可視波長領域以外の電磁放射線で照射される投影スクリーンにして、この投影スクリーンが放射線感応性の面を備えていて、この面が前記の不可視放射線での励起時に可視波長領域内の蛍光を放射し得るという投影スクリーン上にて情報を画像提供描写するための方法であって、特に請求項１〜１５のいずれか一項に記載した投影システムを使用する方法において、
    異なる色の蛍光が、場所に依存せず異なる波長の蛍光を励起放射線の波長に依存して放出する材料から成る、投影スクリーンの放射線感応性の面により、不可視電磁放射線の波長を変えることにより放射されることを特徴とする方法。
    

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