JP2009506384A - 照明システム及び照明システムを含む投射システム - Google Patents

照明システム及び照明システムを含む投射システム Download PDF

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Abstract

照明システム及びこれを組み込んだ投射型システムが開示される。照明システムは、個々に動作可能な二次元配列の光源を含む。各光源は画素式光変調器の活性領域全体を実質的に照らす。各光源は異なる放射方向に光を放つ。各放射方向は前記活性領域のそれぞれの位置へ方向づけられる。前記活性領域の各画素は、独立して操作可能な光源の前記二次元配列からの光の投射錐体によって照らされる。前記錐体は円錐角を有し、各光源からの少なくとも１本の光線を含む。少なくとも１つの前記光の錐体の前記円錐角は、前記独立して操作可能な１つ以上の光源の強度を調整することによって制御することができる。

Description

本発明は全般的には照明システムに関する。本発明は特に投射システムにおいて高コントラストを実現する照明システムに適用できる。
照明システムは一般的に光を光源から希望する相手先に伝達させるための光源と照明光学系を含む。照明システムは、投射型ディスプレイ及び液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のためのバックライトのような様々な応用に用いられる。照明システムの光源は、例えば、水銀アークランプなどのアークランプ、又は白熱ランプ、又は蛍光ランプ、又は発光ダイオード（ＬＥＤ）、又はレーザーを含む場合がある。
投射システムは一般的に像を投射するための活性光バルブ、及び光バルブを照らすための照明システム、及び像を一般的に映写幕に投射し表示するための光学系を備える。投射システムにおける照明システムは一般的に１つ以上のアークランプなどの白色光源を使用する。照明システムの照明光学系は白色光を赤、及び緑、及び青のような異なる色へ分離するための手段を含む場合がある。
多くの場合、映像を高い輝度、及び解像度、及びコントラストで表示するように光バルブを照らすことが望ましい。
広くは、本発明は照明システムに関する。本発明はまた投射システムで用いられる照明システムに関する。
本発明の一つの実施形態において、照明システムは複数の個別の光源を備える。個別の各光源の出力光の強度は個々に制御することができる。照明システムはさらに複数の個別の光源の共役面に配置される開口絞りを備える。開口絞りは１つの開口部を有する。複数の個別光源からの光は少なくとも開口部の一部を満たし、開口絞りに第一光場を形成する。照明システムはさらに、投射可能な像を表示することができる活性領域を有する画素式光変調器を備える。第一光場は活性領域を照らし、活性領域に第二光場を形成する。第一及び第二光場はフーリエ変換対を形成する。投射可能な像のコントラスト比は、１つ以上の個別の光源の出力強度を選択的に制御することによって調整することが可能である。
本発明の他の実施形態において、照明システムは独立して操作可能な光素子の二次元配列を備える。照明システムはさらに第一光学的伝達システムを備える。第一光学的伝達システムは光素子から光を受容し、画素式光変調器の活性領域を照らす。活性領域は投射可能な像を表示することができる。少なくとも１つの光素子からの光は有限数の方向から活性領域を照らす。活性領域の各画素は各光素子によって照らされる。投射可能な像のコントラスト比は１以上の光素子の出力強度を調整することで制御することができる。
本発明の他の実施形態において、照明システムは独立して操作可能な光源の二次元配列を備える。各光源は実質的に画素式光変調器の活性領域全体を照らすことができる。各光源は異なる放射方向に光を放つ。各放射方向は活性領域のそれぞれの位置に方向づけられる。活性領域の各画素は、独立して操作可能な光源の二次元配列からの光の投射錐体によって照らされる。錐体は円錐角を有し、少なくとも各光源からの１本の光線を含む。少なくとも１つのそのような光の錐体の円錐角は、独立して操作可能な１つ以上の光源の強度を調整することで制御することができる。
本発明の他の実施形態において、照明システムは調整可能な二次元強度プロファイルによって光を放射することができる拡張光源を備える。照明システムはさらに、像を表示することができる活性領域を有する光変調器を備える。拡張光源の点は同じ方向から活性領域全体を照らす。この方向は拡張光源の地点によって異なる。表示される像のコントラストは放射される光の二次元強度プロファイルを調整することによって制御することができる。
本発明の他の実施形態において、投射システムは、コントラスト比を持つ投射可能な像を形成するために画素式光変調器の活性領域を照らすことができる複数の個別の光源を備える。個別の各光源は実質的に活性領域全体を照らす。投射システムはさらに個別の各光源の出力光の強度を個々に制御するためのプロセッサを備える。プロセッサはさらに個別の各光源に対応するコントラスト比を決定する。プロセッサはさらに投射可能な像の平均輝度を決定する。平均輝度が閾値に満たない場合、プロセッサは投射可能な像のコントラスト比を増加させるために低いコントラスト比を持つ１つ以上の個別の光源の出力光の強度を減らす。
本発明は全般的には照明システムに関する。本発明はまた、映像を高いコントラスト及び輝度で表示することが望ましい照明システムを含む投射システムに適用できる。本発明は特に、投射可能な像を作り出すための液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又はデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を含む投射システムに適用できる。
明細書において多数の図面で用いられる同じ参照番号は同一又は同様な特性及び機能を有する同一又は同様な要素を参照する。
本発明の一つの利点は、照明システムの光の強度プロファイルを、例えば映像の全体的な輝度に応じて、各々の又は一連の映像のコントラスト及び／又は輝度を最適化するために動的に制御することができる点である。例えば、照明システムを動的に制御して戸外の日中の景色のような明るい映像のために最大の輝度を提供したり、夜の景色のような比較的暗い映像のために最適なコントラストを提供したりすることができる。
図１は、本発明の一実施形態による照明システム１００の概略三次元図を図示する。照明システム１００は光アセンブリ１１０及び光変調器１３０を含む。光アセンブリ１１０は光変調器１３０を照らすための光を放射する拡張光源１１５を含む。
本発明の一態様によれば、拡張光源１１５は光線１１２Ａ、及び１１２Ｂ、及び１１２Ｃによって示される方向のような異なる放射方向に光を放射する。例えば、拡張光源１１５の二次元強度プロファイルはＸ−Ｙ平面において、Ｘ−Ｙ平面における１以上の方向に沿って電子機器１０５によって制御することができる。例えば、強度プロファイルを図２ａ及び２ｂで概略的に図示されているように、方向Ａ１−Ａ２及びＢ１−Ｂ２に沿って電子機器１０５によって制御することができる。図２ａはＸ方向に沿った位置の関数としてＸ−Ｙ平面における強度Ｉを示し、図２ｂはＹ方向に沿った位置の関数として強度を示す。特に、図２ａはＡ１−Ａ２方向に沿った例示の強度プロファイル２１０及び２１１を図示し、図２ｂはＢ１−Ｂ２方向に沿った例示の強度プロファイル２２０及び２２１を図示する。強度プロファイル２１０及び２２０は電子機器１０５の１の構成に対応することができ、強度プロファイル２１１及び２２１は電子機器１０５の異なる構成に対応することができる。方向Ａ１Ａ２及びＢ１Ｂ２が単なる一例の方向に過ぎないことが理解されるだろう。広くは、本発明の一態様によれば、電子機器１０５は拡張光源１１５に電圧を加え、Ｘ−Ｙ平面に望ましい二次元強度プロファイルを作り出すことができる。
上記の図１を参照すると、光変調器１３０は像を表示することができる活性領域１４０を有する。本発明の一態様によれば、拡張光源１１５のすべての発光点は実質的に活性領域１４０全体を照らす。例えば、拡張光源１１５の発光点１１３及び１１４はそれぞれ実質的に活性領域１４０全体を照らす。さらに、拡張光源１１５の個々の発光点それぞれは共通方向から活性領域１４０を照らす。この場合の共通方向は発光点によって異なる可能性がある。例えば、拡張光源１１５の発光点１１３は立体円錐角αを有する光の錐体１１７を放射する。錐体１１７は例示の光線１１３Ａ及び１１３Ｂ及び１１３Ｃを含む。光錐体１１７は共通方向「Ｕ」から活性領域１４０を照らす。特に、放射光線１１３Ａは光線Ｕ１として活性領域１４０を照らし、放射光線１１３Ｂは光線Ｕ２として活性領域１４０を照らし、放射光線１１３Ｃは光線Ｕ３として活性領域１４０を照らす。この場合の光線Ｕ１及びＵ２及びＵ３はすべて共通方向「Ｕ」に沿う。別の例として、発光点１１４は例示の光線Ｖ１及びＶ２及びＶ３によって方向「Ｖ」に沿って活性領域１４０を照らす。この場合の方向「Ｖ」は方向「Ｕ」とは異なる。
照明システム１００はさらに図１に明確に示されていない他の構成要素を含む場合がある。例えば、照明システム１００は、光を光アセンブリから変調器へ移動させるための、光アセンブリ１１０と光変調器１３０の間に配置される光モジュールを含む場合がある。特に、光モジュールは、例えば、錐体１１７の光線の向きを変え、光線が共通方向「Ｕ」に沿って実質的に活性領域１４０全体を照らすように設計される場合がある。
光変調器１３０は像を表示することが可能な任意の光変調器でありうる。例えば、光変調器１３０はデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）のような微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）である場合がある。ＤＭＤは一般的に傾斜角を変えられるマイクロミラーの配列を含む。各ミラーの傾斜は、例えば電気信号によって独立して制御できる。各ミラー（又は画素）の傾斜はミラーが高速かつ精密な光スイッチの機能を果たすことを可能にする。結果として、ＤＭＤは、例えば入射光線によって照らされる際に、像を表示するために入射光線をデジタル処理で調節する空間光変調器の機能を果たすことができる。ＤＭＤの一例は、テキサス・インストルメンツ・カンパニー（Texas Instruments Company）、（テキサス州ダラス）から入手できるデジタル光プロセッサ（Digital Light Processor）（商標）（ＤＬＰ（商標））である。
光変調器１３０の別の例は、例えば米国特許第５，８４１，５７９号で議論される回折格子光バルブ（ＧＬＶ）又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む。液晶型変調器１３０は、例えば、高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ）液晶又はシリコン液晶（ＬＣｏＳ）ディスプレイのように、それぞれ光学的に透過又は反射が可能である。典型的なＬＣＤでは、液晶の薄い被膜が、例えばガラス又はプラスチックで作られた２つの基材の間の空隙を満たす。偏光シートは液晶に出入りする光を偏光させるために、通常、基材の片側又は両側に定置される。液晶に面する基材の面は一般的に液晶セル又は画素の配列を定義する模様付き導電性電極でコーティングされている。セルに対する電極に電界を適用し、セルの液晶分子の配向を変えることによって、セルの光学的透過又は反射特性に影響を及ぼすことができる。個々の画素の光学的特性に影響を及ぼす能力は、ＬＣＤが入射光線に照らされた際に像を表示することを可能にする。
広くは、光変調器１３０は像を形成できる任意の電子的に指定可能又は切替可能な装置でありえる。使用目的によっては、光変調器１３０は、特定の用途に応じ時間の相関的要素として例えば一新、又は変更、ないしは別の方法で更新されえる静止像を表示する場合がある。
光変調器のコントラスト比は通常、変調器の活性領域における「白」（又は「オン」）と「暗」（又は「オフ」又は「黒」）状態の間の、輝度又は輝度の比率として定義される。コントラスト比を測定するには、逐次コントラスト及びＡＮＳＩ（米国規格協会）コントラストのような異なる方法がある。逐次コントラスト比測定において、変調器１３０のような変調器のコントラスト比は、一般的に活性領域１４０の輝度の測定によって決定される。例えば、活性領域全体に「白」（「オン」状態）を表示して領域の中心部又はその付近で測定を行なった後、活性領域全体に「黒」（「オフ」又は「暗」状態）を表示して同様の測定を行なう。コントラスト比は輝度の２つの測定値の比率である。
ＡＮＳＩコントラストは「白」と「黒」の画素を交互に入れ替えて構成されている１６ボックス（画素）方格ディスプレイを提供することにより測定される。「白」状態の輝度は８つの「白」画素の中心の輝度を測定し加算することで求められる。同様に、「黒」状態の輝度は８つの「黒」画素の中心の輝度を測定し加算することで求められる。ＡＮＳＩコントラストは２つの輝度値の比率である。
本発明の一態様によれば、活性領域１４０に表示される像のコントラスト比は放射光の二次元強度プロファイルを調節することによって制御できる。例えば、図２ａ及び２ｂを再び参照すると、強度プロファイル２１０及び２２０によって特徴づけられる強度プロファイルは、活性領域１４０に表示される像をもたらすことができる。この活性領域１４０が有するコントラスト比は強度プロファイル２１１及び２２１によって特徴づけられる強度プロファイルのための活性領域に表示される同じ像のコントラスト比とは異なる。
本発明の一つの利点は、任意の光変調器及び／又は光源のために、表示される像のコントラスト比及び／又は輝度を拡張光源１１５の二次元強度プロファイルを調整することによって改善又は最適化することができる点である。
照明システム１００は改善されたコントラスト及び解像度及び輝度を提供するために前面又は背面投射システムで有利に用いられる場合がある。投射システムによって形成される像は実像又は虚像の場合がある。その場合、視聴者は像を直接又は、例えば接眼レンズを通して見ることができる可能性がある。
図３は本発明の一つの実施形態による照明システム３００の概略側面図である。照明システム３００は光アセンブリ３１０、及び活性領域３４０を有する画素式光変調器３３０を含む。光アセンブリ３１０は光源３１５Ａ及び３１５Ｂ及び３１５Ｃのような独立して操作可能な光源３１５の二次元配列を含む。各光源は個別又は独立して操作することができる。つまり、例えば、独立して操作可能な各光源の光の出力強度は他の独立して操作可能な光源の光の出力強度とは別に調整することができる。例えば、光源３１５Ａの光の出力強度は光源３１５Ｂの光の出力強度と異なりえる。光源３１５Ｂの出力光の強度も同様に光源３１５Ｃの光の出力強度と異なりえる。ある応用又は状況において、１つ以上の独立して操作可能な光源の出力光の強度を、例えば、これらの特定の光源を停止ないしは別の方法で遮断することによって、減らす又は最小化することができる。
本発明の一つの実施形態において、光源３１５の独立して操作可能な各光源は実質的に活性領域３４０全体を照らす。例えば、独立して操作可能な光源３１５Ｃは実質的に活性領域３４０全体を照らす。さらに、独立して操作可能な各光源はそれぞれ異なる放射方向に光を放射する。例えば、光源３１５Ａは放射方向Ａ及びＢに沿ってそれぞれ放射される光線３１８Ａ及び３１８Ｂのように異なる放射方向に光を放射し、光源３１５Ｂは放射方向Ａ及びＢに沿ってそれぞれ放射される光線３１６Ａ及び３１６Ｂのように異なる放射方向に光を放射し、光源３１５Ｃは放射方向Ａ及びＢに沿ってそれぞれ放射される光線３１７Ａ及び３１７Ｂのように異なる放射方向に光を放射する。加えて、各放射方向は活性領域３４０のそれぞれの位置に向かう。つまり光源３１５によって任意の方向に放射されたすべての光線は活性領域３４０のそれぞれの位置を照らす。例えば、方向「Ａ」に沿って放射される光線３１６Ａ及び３１７Ａ及び３１８Ａは画素３４１Ａのような活性領域３４０の同じ位置に集中する。別の例として、方向「Ａ」とは異なる方向「Ｂ」に沿って放射される光線３１６Ｂ及び３１７Ｂ及び３１８Ｂは、画素３４１Ｂのような活性領域３４０の異なる位置に集中する。
活性領域３４０上の各画素は、円錐角を有し、光源３１５の二次元配列における独立して操作可能な各光源から放射される少なくとも１本の光線を含む入射光錐体によって照らされる。例えば、活性領域３４０の画素３４１Ｃは光錐体３２０によって照らされる。光錐体３２０は円錐角βを有する。図３は光錐体３２０における２本の例示の極光線３２０Ａ及び３２０Ｂを示す。光錐体３２０は、光源３１５の二次元配列における独立して操作可能な各光源からの光線を少なくとも１本含む複数の光線を含む。
光錐体３２０の円錐角βは光源３１５の二次元配列における１つ以上の独立して操作可能な光源の出力光の強度を調整することによって制御することができる。例えば、１つ以上の独立して操作可能な光源３１５の出力光の強度を変更することによって、光錐体３２０を円錐角γの光錐体３５０へ変えることができる。このγはβよりも小さい。
広くは、光変調器を照らす入射光錐体の円錐角が増加すると光変調器のコントラスト比は減少する。ＬＣＤ変調器の場合、この減少は一般的に液晶材料の遅延特性の、入射光線の入射角への従属に起因する。このような従属は暗状態における画素の輝度を増加させることによってコントラスト比を減少させる。斜入射角における偏光シート（又は偏光ビームスプリッタのような別の構成要素）上の光の漏れもまたコントラスト悪化の一因になりえる。
ＤＭＤ変調器の場合、コントラスト比の減少は、少なくとも一部分においては、光回折作用に起因すると見られている。すべての光変調器において、例えば不完全なレンズ表面によって生じる迷走光または散乱光もまたコントラスト比を減少させる可能性がある。
本発明の１つの利点は、光変調器３３０によって表示された像のコントラストを光源３１５の二次元配列における個々の光源の出力光の強度を調整することによって増加させることができ、そうすることで活性領域３４０の入射光錐体の１つ以上の円錐角が減少し、それによって例えば改善された像コントラストをもたらすことができる点である。
さらに、本発明の一つの実施形態において、入射光錐体の円錐角の大きさに有意に影響を及ぼさない１つ以上の光源の出力強度は像のコントラスト比及び／又は輝度をさらに改善するために増加される場合がある。そのような光源は、例えば、入射光錐体の内側部に位置する入射光線の一因となる光源でありえる。
照明システム３００はさらに図３に明確に示されていない他の構成要素を含む場合がある。例えば、照明システム３００は光を光アセンブリから変調器へ移動させるために、光アセンブリ３１０と画素式光変調器３３０の間に定置される光学部品を含む場合がある。特に、光学部品は、例えば方向「Ａ」に沿って画素３１４Ａへ放射されたすべての光線の方向を変え、方向「Ｂ」に沿って画素３４１Ｂへ放射されたすべての光線の方向を変えるために設計される場合がある。
照明システム３００は改善されたコントラスト及び解像度及び輝度を提供するために投射システムの前側又は後側で有利に用いられる場合がある。
本発明において、錐体は広くは、円錐角と呼ばれる包含角を定める複数の光線を示す。本発明による一般的な光錐体は図４ａに示され、図４ａにおいて錐体４００は光線４００Ａ及び４００Ｂ及び４００Ｃのような複数の光線を含み、光線は立体包含角又は円錐角α1を定める。錐体４００はさらに、適宜形成される閉曲線４１１によって定められるＸ−Ｙ平面上の底面４１０を有する。底面は一般的に光錐体が光変調器と交わるｚ軸に沿った錐体横断面を示す。広くは、ｚ軸に沿った別の位置における錐体４００の横断面は底面４１０と異なる形状を有する場合がある。例えば、Ｘ−Ｙ平面上の錐体４００の横断面４２０は底面４１０と異なる形状を有する。底面４１０は、例えば、活性領域３４０上の画素（図３を参照）又は活性領域１４０上の位置（図１を参照）を照らすことができる。
他の例示の光錐体は図４ｂ〜４ｅに示される。例えば、図４ｂは頂点４１２を有する錐体４０１、並びに円錐角α2、並びに例示の最外光線４０１Ａ及び４０１Ｂ及び４０１Ｃ、並びに、例えば円又は楕円又は任意形状になりえる、Ｘ−Ｙ平面上の横断面輪郭４２１を示す。本発明による錐体は錐体４０１と類似するが頂点４１２付近で切断された錐体でありえることが理解されるであろう。
図４ｃは矩形底面４１３、並びに立体包含角α3、並びに例示の最外光線４０２Ａ及び４０２Ｂ及び４０２Ｃを有する錐体４０２を示す。横断面４２２はｚ軸に沿った異なる位置のＸ−Ｙ平面における錐体の横断面である。図に示すように、横断面４２２は任意輪郭を有する。別の例示の錐体が図４ｄにおいて概略的に示される。図４ｄにおいて錐体４０３は矩形底面４１４、及び円錐角α4、及び円又は楕円輪郭を有する、ｚ軸に沿った異なる地点のＸ−Ｙ平面における横断面４２３を有する。底面４１３又は４１４は、例えば、活性領域３４０上の画素（図３を参照）を照らすことができる。
さらに別の例として、図４ｅは矩形底面４１５及び包含角α5を有する切頭ピラミッド又は錘台の一種の形状における錐体４０４を示す。錐体４０４は、横断面４２４のような、ｚ軸に沿った他の地点に沿った矩形横断面を有する。底面４１５は、例えば、活性領域３４０上の画素（図３を参照）を照らすことができる。
広くは、Ｘ−Ｙ平面における錐体の底面又は錐体の他の横断面は、特定の適用において望ましい可能性のある任意の二次元形状を有することができる。例示の形状は、特定の適用において有利な場合のある円、又は楕円、又は四辺形、若しくはひし形、若しくは平行四辺形、若しくは台形、若しくは矩形、若しくは正方形、若しくは三角形のような多角形、又は任意の他の形状を含む。例えば、上記の図３を参照すると、光錐体３２０の底面の形状は光錐体によって照らされる画素３４１Ｃの形状と実質的に一致するよう設計される場合がある。形状の一致は表示される像のコントラスト及び／又は輝度を増加させることができる。
図４ａ〜４ｅにおいて示される例示の錐体は立体である又は光線がない部分を有する可能性がある。そのような例は図５において示される。錐体５００は光線５００Ａ及び５００Ｂ及び５００Ｃ及び５００Ｄのような複数の光線を含む。複数の光線は立体包含角又は円錐角α6規定する。錐体５００はさらに空面５１１のあるＸ−Ｙ平面における矩形底面５１０を有する。横断面５２０は底面５１０に対応する地点以外のｚ軸に沿った地点におけるＸ−Ｙ平面上の錐体５００の横断面である。横断面５２０は空面５３０を有する。図５において示されるように、錐体５００は光線を含まない単一の空部５４０を有する。広くは、錐体５００は１以上の空部を有することができる。
上記の図３を参照すると、光源３１５の配列はある適用において有利な場合のある任意の種類の光源を含むことができる。例は水銀アークランプなどのアークランプ、又は白熱ランプ、又は蛍光ランプ、又はレーザー、又は発光ダイオード（ＬＥＤ）、又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、又は垂直空洞表面放射レーザー（ＶＣＳＥＬ）、又は任意の他の好適な発光装置を含む。
本発明の好ましい一つの実施形態において、光源３１５の二次元配列における各光源はＬＥＤである。
配列３１５における独立して操作可能な光源は、ある適用において望ましい可能性のある任意の配列形式に配置することができる。例は矩形の、又は三角形の、又は六角形の、又は円形の、又は任意の他の適切に構成された配列を含む。図６ａ〜６ｃは独立して操作可能な光源の異なる配列を有する３つの例示の光アセンブリの概略正面図を示す。図６ａは独立して操作可能な光源６１５の二次元矩形配列を含む光源アセンブリ６１０を示す。光源６１６Ａは光源の配列における例示の独立して操作可能な光源である。図６ｂは独立して操作可能な光源６２５の二次元円形配列を含む光源アセンブリ６２０を示す。光源６２６Ａは光源の配列における例示の独立して操作可能な光源である。同様に、図６ｃは独立して操作可能な光源６３５の二次元配列を含む光源アセンブリ６３０を示す。光源６３６Ａは光源の配列における例示の独立して操作可能な光源である。本発明によれば、独立して操作可能な光源は異なる寸法の光源を含む場合があることが理解されるであろう。例えば、光源６３５の配列において、光源６３６Ｂは光源６３６Ｃより大きな面積を有している。
本発明の一つの実施形態において、個々の光源は異なる種類の光源でありえる。例えば、ある光源はＬＥＤであり、別の光源はアークランプであり、配列のさらに別の光源はＯＬＥＤでありえる。さらに、光源の発光スペクトルは異なる可能性がある。例えば、独立して操作可能なＬＥＤの配列において、異なるＬＥＤは白及び緑及び赤及び青のような異なる色の光を放射することができる。
図７は本発明の別の実施形態に従って投射型ディスプレイ７００の概略三次元図を図示する。投射型ディスプレイ７００は照明システム７０１及び投射システム７０２を含む。照明システム７０１は拡張光源７１０、及び第一光学的伝達システム７２０、及び画素式光変調器７３０を含む。
拡張光源７１０は光軸７１６を軸とし、光素子７１５Ａ及び７１５Ｂのような、独立して操作可能な光素子の二次元配列７１５を含む。各光素子は出力光の強度、及び円錐角、及び１つの方向に沿って伝播する中心光線を特徴とする光の錐体を放射する。例えば、光素子７１５Ｂは円錐角α7、並びに例示の最外光線７０５Ａ及び７０５Ｂ、並びに方向７０４に沿って伝播する中心光線７０５Ｃを有する光の錐体７０３を放射する。
第一光学的伝達システム７２０は光源７１０によって放射された光をその入力面７２１から受容し、受容した光をその出力面７２２へ移動させ、その出力面から画素式光変調器７３０へ透過光を放出する。
本発明の一つの実施形態によれば、第一光学的伝達システム７２０によって伝達された少なくとも１の光素子からの光は、有限数の方向が少なくとも２であるところの有限数の方向から画素式光変調器７３０を照らす。例えば、第一光学的伝達システム７２０はその入力面７２１から光の錐体７０３を受容し、受容した光をその出力面７２２へ伝達し、透過光を２つの方向７１７及び７１９に沿って変調器７３０へ放出する。例えば、錐体７０３から発生する光線７１６Ａ及び７１６Ｂは出力面７２２を抜け出て、方向７１７に沿って変調器７３０へ伝播する。同様に、錐体７０３から発生する光線７１８Ａ及び７１８Ｂは出力面７２２を抜け出て、方向７１９に沿って変調器７３０へ伝播する。
本発明の一つの実施形態によれば、方向７１７及び７１９は図８ａ及び８ｂにおいて示される概略図の参照において記載のとおり光軸７１６を軸とする回転対称である。図８ａは光軸７１６と共に角α8を成す方向７１７、及び光軸７１６と共に角α9を成す方向７１９を示す。この時α8及びα9は等しい。さらに、本発明の一つの実施形態によれば、方向７０４は方向７１７及び７１９のそれと同じである。例えば、図８ａにおいて方向７０４は方向７１７に沿っている。
図８ａにおいて示されるように、方向７１７及び７１９並びに光軸７１６は同じ平面にある必要はない。しかし、本発明の一つの実施形態によれば、方向７１７及び７１９並びに光軸７１６は、図８ｂに概略的に示されるように同じ平面８１０にある。
上記の図７を参照すると、光学的伝達システム７２０は錐体７０３の方向を変えて、すべての錐体光線が方向７１７及び７１９に沿って光学的伝達システムを抜け出すようにする。一部の光素子からの錐体の光線は実質的に単一の方向に沿って第一光学的伝達システム７２０を出る場合がある。これは、例えば、光素子７１５Ｃのように、光軸７１６の付近に配置される光素子の場合である可能性がある。
広くは、光素子７１５Ｂからの光錐体７０３の光線のような、光錐体の光線は、有限数の方向に沿って第一光学的伝達システム７２０の出力面７２２から抜け出すことができる。１例が図９において概略的に示される。特に、図９は、円錐角α10及び方向９０４に沿って伝播する中心光線９１５Ａを有する光錐体９０３を放射する光素子７１５Ｄを示す。錐体９０３の光線は光軸７１６を軸とする回転対称である３つの異なる方向Ｕ１及びＵ２及びＵ３に沿って第一光学的伝達システム７２０を抜け出す。つまりω1が方向Ｕ１と光軸７１６の間の角であり、ω2が方向Ｕ２と光軸７１６の間の角であり、ω3が方向Ｕ３と光軸７１６の間の角であるところの角ω1及びω2及びω3は等しい。本発明の一つの実施形態によれば、方向９０４は３つの方向Ｕ１及びＵ２及びＵ３のそれと同じである。
上記の図７を参照すると、画素式光変調器７３０は、画素７５１及び７５２のような独立して制御可能な画素の配列を含む活性領域７４０を有する。活性領域７４０は第一光学的伝達システム７２０によって放出された光に照らされた時、像を表示することができる。広くは、光変調器７３０は、ＬＣＤ又はＤＭＤのような、像を形成することのできる任意の電子的にアドレス可能又は切替可能な装置でありえる。本発明の一つの実施形態において、光変調器７３０の各画素は、画素を照らす光の投射錐体の円錐角が小さくなるにつれて、より高いコントラスト比を提供する。
本発明によれば、第一光学的伝達システム７２０は、光を光変調器７３０へ移動するために第一光学的伝達システム７２０において使用される場合があるレンズ、又はマイクロレンズ配列、又は光ホモジナイザー、又は光学フィルター、又はカラーホイール、又は反射鏡、又は他の任意の光学部品のような１つ以上の光学部品を含む可能性がある。
例示の第一光学的伝達システム７２０は図１０において概略的に示される光学的伝達システム１３００である。光学的伝達システム１３００は、独立して操作可能な光素子７１５の二次元配列と活性領域７４０を有する画素式光変調器７３０の間に配置される。図の簡略化のため及び一般性を失わないために、配列７１５の光素子７１５Ａ及び７１５Ｂ及び７１５Ｃの３つのみが示されている。光学的伝達システム１３００は第一レンズ配列１３０５、及び第二レンズ配列１３１５、及び対物レンズ１３３０を含む。各光素子は第一レンズ配列１３０５からの専用のレンズ及び第二レンズ配列１３１５からの専用のレンズを有する。例えば、光素子７１５Ａは専用のレンズ１３１０及び１３２０を有する。光学的伝達システム１３００は各光素子からの光の方向を変えることで、各光素子からの光出力が有限数の方向から実質的に活性領域７４０全体を照らすようにする。例えば、光素子７１５−Ａは光の錐体１３６０を放射する。レンズ１３１０及び１３２０及び１３３０は、光線１３７１及び１３７２によって例示されるように方向１３７０に沿って活性領域７４０全体を照らすため、光錐体１３６０の光線の方向を変えるために協調的に働く。
別の例示の第一光学的伝達システム７２０は図１１において概略的に示される光学的伝達システム１４００である。光学的伝達システム１４００は、独立して操作可能な光素子７１５の二次元配列と活性領域７４０を有する画素式光変調器７３０の間に配置される。図１１の例において、各光素子は光素子によって放射される光錐体の円錐角を小さくするための専用のレンズキャップを含む。例えば、光素子７１５Ａはレンズキャップ１４３０を含む。光学的伝達システム１４００はレンズ配列１４０５、及び集光レンズ１４１０、及び任意対物レンズ１４２０を含む。各光素子はレンズ配列１４０５から専用のレンズを有している。例えば、光素子７１５Ａは専用のレンズ１４０６を有している。光学的伝達システム１４００は各光素子からの光の方向を変えることで、各光素子からの光出力が有限数の方向から実質的に活性領域７４０全体を照らすようにする。例えば、光素子７１５Ａは光の錐体１４６０を放射する。レンズ１４０６及び１４１０及び１４２０は、光線１４７１及び１４７２によって例示されるように方向１４７０に沿って活性領域７４０全体を照らすため、光錐体１４６０の光線の方向を変えるために協調的に働く。任意対物レンズ１４２０は照明システム１４９０をテレセントリックにすることができる。つまり照明システム１４９０の入射瞳及び射出瞳の１つまたは両方が無限遠に又はほぼ無限遠に位置することができる。
光学的伝達システム１４００はさらに、同じ方向に放射された光線が実質的に活性領域７４０の同じ位置を目的とするように、配列７１５によって放射された光線を方向づける。例えば、光線１４３１及び１４３２及び１４３３は同じ方向１４８０に沿って異なる光素子によって放射される。光学的伝達システム１４００はこれらの光線の方向を変え、光線が実質的に活性領域７４０の同じ地点に集中するようにする。
別の例示の第一光学的伝達システム７２０は図１２において概略的に示される光学的伝達システム１６００である。光学的伝達システム１６００は、独立して操作可能な光素子７１５の二次元配列と活性領域７４０を有する画素式光変調器７３０の間に配置される。簡略化のため及び一般性を失わないために、配列７１５の光素子７１５Ａ及び７１５Ｂ及び７１５Ｃの３つのみが示されている。光学的伝達システム１６００は第一レンズ配列１６０５、並びに第二レンズ配列１６１５、並びに光ホモジナイザー１６５０、並びにレンズ１６３０及び１６４０を含む中継レンズシステム１６２５を含む。各光素子は第一レンズ配列１６０５からの専用のレンズ及び第二レンズ配列１６１５からの専用のレンズを有する。例えば、光素子７１５Ａは専用のレンズ１６１０及び１６２０を有する。光学的伝達システム１６００は各光素子からの光の方向を変えることで、各光素子からの光出力が有限数の方向から実質的に活性領域７４０全体を照らすようにする。例えば、光素子７１５Ａは光の錐体１６６０を放射する。光学的伝達システム１６００は光錐体１６６０の光線の方向を変え、方向１６７１及び１６７２に沿って活性領域７４０全体を照らすようにする。この場合これら２つの方向は光軸７１６を軸とする回転対称である可能性がある。
ホモジナイザー１６５０は独立して操作可能な光素子７１５の二次元配列から受容された光を均質化するために設計される。例えば、ホモジナイザー１６５０は光素子７１５Ａから受容した光を均質化する。この場合、均質化することによって、ホモジナイザー１６５０を出る光はホモジナイザー１６５０に入る光よりも均一な空間的強度分布を持つことになる。既知の光ホモジナイザーの例は、米国特許第５，６２５，７３８号明細書、及び第６，３３２，６８８号明細書、並びに米国特許出願公開第２００２／０１１４１６７号明細書、及び第２００２／０１１４５７３号明細書、及び第２００２／０１１８９４６号明細書に記載されているであろう。
ホモジナイザー１６５０は入力面１６５１、及び光学ロッド１６５３、及び出力面１６５２を有する。入力面１６５１は出力面１６５２に平行である場合も平行でない場合もある。広くは、出力面１６５２は活性領域７４０の形状と異なる形状を有する可能性がある。例えば、出力面１６５２は台形で、活性領域７４０は正方形である場合がある。一部の適用において、出力面１６５２及び活性領域７４０は、矩形又は正方形のような同じ形状を有する場合がある。
入力面１６５１、及び出力面１６５２、及び光学ロッド１６５３の横断面は、矩形、又は台形、又は正方形、又は楕円、又はある適用において望ましい他の形状のような、任意の形状を有する可能性がある。入力面１６５１、及び出力面１６５２、及び光学ロッド１６５３の横断面は異なる形状を有する可能性がある。例えば、入力面１６５１が円である一方、出力面１６５２は正方形である可能性がある。光学ロッド１６５３の横断面は光学ロッドに沿った位置によって異なる可能性がある。例えば、光学ロッド１６５３は光軸７１６に沿って先にいくにつれて次第に細くなる場合がある。光学ロッド１６５３の横断面の辺は直線又は曲線の場合がある。先細の光学ロッドの例は米国特許第６，３３２，６８８号明細書に記載されている。
ホモジナイザー１６５０は任意の三次元形状、例えば六面体などの多面体を有することができる。ホモジナイザー１６５０の部分又は全体は固体又は中空である可能性がある。ホモジナイザー１６５０は、反射、又は内部全反射、又は屈折、又は散乱、又は回折、又は任意のそれらの併用のような任意の光学的方法によって、入力光を均質化する場合がある。
別の例示の第一光学的伝達システム７２０は図１３において概略的に示される光学的伝達システム１７００である。光学的伝達システム１７００は、独立して操作可能な光素子７１５の二次元配列と活性領域７４０を有する画素式光変調器７３０の間に配置される。簡略化のため及び一般性を失わないために、配列７１５の光素子７１５Ａ及び７１５Ｂ及び７１５Ｃの３つのみが示されている。光学的伝達システム１７００は複数の光導体１７０１、及び複数のレンズキャップ１７０２、及びレンズ配列１７０４、及び集光レンズ１７１０、及び対物レンズ１７２０を含む。各光素子は複数の光導体１７０１から専用の光導体、及び複数のレンズキャップ１７０２から専用のレンズキャップ、及びレンズ配列１７０４から専用のレンズを有している。例えば、光素子７１５Ａは専用の光導体１７０１Ａ、及びレンズキャップ１７０２Ａ、及びレンズ１７０４Ａを有している。この場合、図１３の例において、レンズキャップ１７０２Ａは光導体１７０１Ａの出力面１７６０上に実装されている。光学的伝達システム１７００は各光素子からの光の方向を変えることで、各光素子からの光出力が有限数の方向から実質的に活性領域７４０全体を照らすようにする。例えば、光学的伝達システム１７００は光素子７１５Ａによって放射された光線の方向を変え、方向１７３１及び１７３２に沿って活性領域７４０全体を照らすようにする。この場合、これら２つの方向は光軸７１６を軸とする回転対称でありえる。
光学的伝達システム１７００はさらにレンズ配列１７０４に又はレンズ配列１７０４近くに配置される開口絞り１７０５を含む。図１３で示される実施形態において、複数の光導体１７０１の各光導体の出力面の像は、実質的に活性領域７４０全体に形成される。例えば、出力面１７６０の像は実質的に活性領域７４０全体に形成される。
上記の図７を参照すると、投射システム７０２は第二光学的伝達システム７５０及び映写幕７６０を含む。第二光学的伝達システム７５０は光変調器７３０によって形成された像を映写幕７６０に投射する。図７は光学的透過型光変調器７３０を示す。広くは、光変調器７３０は透過型又は反射型の場合がある。投射型ディスプレイ７００と類似するが反射型光変調器を用いる投射型ディスプレイは、図１４において概略的に示されている。特に、図１４は、一般方向Ｗ１において光を受容し、映写幕７６０への投射のために、受容した光を一般方向Ｗ２において選択的に第二光学的伝達システム７５０へ反射する反射型画素式光変調器１０３０を示す。
上記の図７を参照すると、投射型ディスプレイ７００は背面投射型システムである場合がある。この場合、映写幕７６０は背面映写幕である。投射型ディスプレイ７００は前面投射型システムである場合がある。この場合、映写幕７６０は前面映写幕である。
本発明によれば、第二光学的伝達システム７５０はレンズ、又はマイクロレンズ配列、又は偏光子、又は色合成器、又は反射鏡、又はフレネルレンズ、又は光変調器７３０（又は１０３０）によって表示された像を映写幕７６０へ投射するために第二光学的伝達システム７５０において用いられる場合のある任意の他の光学部品のような、１つ以上の光学部品を含む可能性がある。
例示の第二光学的伝達システム７５０は図１５において概略的に示される光学的伝達システム１５００である。光学的伝達システム１５００は画素式光変調器７３０と映写幕７６０の間に配置され、特にレンズ素子１５１０及び１５２０及び１５３０及び１５４０及び１５５０といった複数のレンズ素子を含む。光学的伝達システム１５００は活性領域７４０に表示された像を拡大して映写幕７６０に投射する。既知の投射システムの他の例は米国特許第６，４１７，９７１号明細書、及び第６，３０１，０５７号明細書、及び第５，９６９，８７６号明細書に記載されている。
図１６は本発明の別の実施形態に従って、投射型ディスプレイ１１００の概略側面図を示す。投射型ディスプレイ１１００は照明システム１１０１及び投射システム１１０２を含む。照明システム１１０１は主として像形成変調器１１６０を照らすために設計され、投射システム１１０２は主として変調器１１６０によって形成された像を、例えば視聴者１１９５による視聴のために映写幕１１９０に投射するために設計される。
照明システム１１０１は拡張光源１１１０、及び第一光学的伝達システム１１２０、及び開口絞り１１３０、及び第二光学的伝達システム１１５０、及び画素式光変調器１１６０を含む。拡張光源１１１０は個別の光源１１１１のような複数の個別の光源１１１５を含む。個別の各光源は独立して制御することができる。つまり、例えば、個別の各光源の出力強度は他の個別の光源から独立して制御することができる。一部の適用において、図１７ａ及び１７ｂにおいてさらに詳細に記載されているように、複数の個別の光源１１１５の異なる部分集合を個別の集団として制御することが有利になる場合がある。
図１７ａは本発明の一実施形態に従って、図１６における光源１１１５に類似する複数の個別の光源１２１５の概略正面図を示す。複数の個別の光源１２１５は、電気コネクタ１２２２によって互いに接続されている個別の光源１２２０Ａのような個別の光源の第一円形列１２２０を含む。第二円形列１２２０のすべての個別の光源は電子機器１２２１によって１の集団として電圧を加えられることができる。複数の個別の光源１２１５はさらに、電気コネクタ１２３２によって互いに接続されている個別の光源１２３０Ａのような個別の光源の第二円形列１２３０を含む。第二円形列１２３０のすべての個別の光源は電子機器１２３１によって１の集団として電圧を加えられることができる。複数の個別の光源１２１５はさらに、電気コネクタ１２４２によって互いに接続されている個別の光源１２４０Ａのような個別の光源の第３円形列１２４０を含む。第３円形列１２４０のすべての個別の光源は電子機器１２４１によって１集団として電圧を加えられることができる。広くは、複数の個別の光源１２１５はより多くの又はより少ない光源の列を有する可能性がある。図１７ａにおいて示される例示の二次元光源において、各列の出力強度は独立して制御することができる。広くは、光源１２１５は異なるセグメントを含むことができる。この場合各セグメントの光の出力強度は独立して制御できる。
図１７ｂは、本発明の一つの実施形態に一致する複数の個別の光源１２５０の概略の正面図である。複数の個別の光源１２５０は、１〜１６の番号が付いた１６の個別のライトセグメントを含む。各ライトセグメントは個別に、例えば専用の電子回路で、制御される。例えば、電子機器１２１２はライトセグメント１２の光の強度の出力を制御し、電子機器１２０９はライトセグメント９の光の強度の出力を制御する。
図１６に戻ると、複数の個別の光源１１１５は、非平面で示されている。広くは、複数の個別の光源１１１５は、与えられた応用で有利になるような任意の構成で配置される。例えば、複数の個別の光源１１１５は、球形、楕円、放物線状、双曲線、平面、又はその他任意の適切な表面に配置される場合がある。その他の例として、複数個別の光源１１１５は、少なくとも、四面体、六面体、八面体、１２面体、２０面体、またはその他任意の多面の表面、などの多面体の一部を形作る配置が可能である。さらにその他の例として、複数の個別の光源１１１５における異なる光源が異なる方法で配置される場合もある。例えば、内側の光源は多面体の一部を形作り、外側の光源は球形の表面の一部を形作る配置の場合もある。球形の表面はさらに、光源の２の個別の集合を形作るために多面体から位置的にオフセットしている場合がある。
本発明の一つの実施形態により、複数の個別の光源１１１５は異なる大きさの光源を含むことがある。例えば、図１７ｂを参照すると、光源１０は光源１６よりも広い範囲をもつ。複数の個別の光源１１１５内の光源は、異なる型であってもよい。例えば、光源のいくつかはＬＥＤで、その他のいくつかはアークランプで、さらにその他のいくつかの光源がＯＬＥＤであることができる。さらに、光源の発光スペクトルは異なる可能性がある。例えば、複数の個別のＬＥＤが、白、緑、赤、青といった異なる色の光を発してもよい。
開口絞り１１３０は、光学的に透過な空面１１４０をもつ。空面１１４０は、正方形、円形、楕円形、台形、又は応用に適したその他の任意の形状の形である。さらに、空面１１４０の大きさは、例えば手動又は電動で制御することができる。
第一光学的伝達システム１１２０は、実質的に開口１１３０と一致する又は近接する平面内の複数の個別の光源１１１５を撮像する。形成された像は、開口部１１４０の少なくとも一部を占める第一光場１１４５である。本発明の一つの実施形態において、第一光場１１４５は実質的に開口部１１４０の全体を占める。光場１１４５及び複数の個別の光源１１１５は、例えば光場１１４５が複数の個別の光源１１１５の像平面に位置するような、共役対を形成する。
本発明の一つの利点は、複数の個別の光源１１１５内の個別の光源を個々に制御することにより、開口絞りの有効形状及び／又は大きさが動的に制御できるようになり、投射された像の輝度及び／又はコントラストが改善されるという、動的なアポディゼーションを有することである。
第一光学的伝達システム１１２０は、レンズ、マイクロレンズアレイ、ライトホモジナイザー、光学フィルター、カラーホイール、反射鏡、フレネルレンズ、又は第一光学的伝達システム１１２０で適切に、複数の個別の光源１１１５を開口部１１４０に形成するために使用されるその他任意の光学部品などの１つ又はそれより多くの光学部品を含むことができる。
画素式光変調器１１６０は、像を形成することができる画素１１７１などの画素を含む画素化された活性領域１１７０を有する。第二光学的伝達システム１１５０は、第一光場１１４５を活性領域１１７０に伝達し、よって活性領域１１７０又は画素式光変調器１１６０の平面中の第二光場１１６５を形成する。本発明の一つの実施形態により、第一光場１１４５及び第二光場１１６５はフーリエ変換対を形成する、つまり一般的に、光場１１４５内の全ポイントは、有限数の方向、好ましくは１又は２の方向から実質的に活性領域１１７１全体を照らす。さらに、第一光場１１４５からの同じ方向に伝搬するすべての光線は、実質的に活性領域１１７０内のそれぞれのポイントに収束する。
第二光場１１６５は、活性領域１１７０の一部を照らす場合があるが、この状態は時にアンダーフィルと呼ばれる。第二光場１１６５は、活性領域１１７０を超える拡張領域を照らす場合があるが、この状態は時にオーバーフィルと呼ばれる。本発明の一つの実施形態によると、第二光場１１６５の大きさは活性領域１１７０の大きさとほぼ同じで、最小化されておりオーバーフィルもアンダーフィルもないということになる。
第二光学的伝達システム１１５０は、レンズ、マイクロレンズアレイ、ライトホモジナイザー、光学フィルター、カラーホイール、反射鏡、フレネルレンズ、又は第二光学的伝達システム１１５０で適切に、２の光場がフーリエ変換対を形成する変調器１１６０の点で第一光場１１４５を受け第二光場１１６５を形成するために使用されるその他任意の光学部品などの１つ又はそれより多くの光学部品を含むことができる。
例示の第一光学的伝達システム１１２０及び第二光学的伝達システム１１５０は図１８に示されている。図１８は、本発明の一つの実施形態による照明システム１９００の概略的側面図を示す。照明システム１９００は複数の個別の光源１１１５を含む。一般性を失うことなく簡単のために、複数の個別の光源１１１５は３の光源１１１５Ａ、１１１５Ｂ、１１１５Ｃをもつ。広くは、複数の個別の光源１１１５は、応用で要求される通りに調整された個別の光源のアレイを含む。照明システム１９００はさらに、活性領域１１７０を有する画素式光変調器１１６０を含む。照明システム１９００はさらに、第一複数の個別のレンズ群１９１０、第二複数の個別のレンズ群１９２０、開口絞り１９３０、集光レンズ１９４０、及び対物レンズ１９８０を含む。各個別の光源は、第一複数の個別のレンズ群１９１０からの専用のレンズおよび、第二複数の個別のレンズ群１９２０からの専用のレンズをもつ。例えば、光源１１１５Ａは専用レンズ群１９１０Ａ及び１９２０Ａをもつ。第二複数の個別のレンズ群１９２０は、開口絞り１９３０の開口部１９３１内に配置される。図１８に示されている例示の実施形態により、開口絞り１９３０は、複数の光源１１１５の共役面内に配置される。例えば、光源１１１５Ａは開口絞り１９３０の開口部１９３１内に形成される。複数の光源１１１５からの光は、開口部１９３１内の第一光場１９９０を形成する。本発明の一つの実施形態により、個別の光源からの光は同じ方向の活性領域１１７０全体を実質的に照らす。例えば、複数の光源１１１５Ａから発せられた光は、光線１９５１、１９５２、及び１９５３によって例示された方向１９５０内の活性領域１１７０全体を実質的に照射する。さらに、本発明の一つの実施形態によれば、与えられた方向内にある開口部１９３０の開口部１９３１を出る光線は、活性領域１１７０内の同じ位置に向かう。例えば、光線１９６１、１９６２、１９６３は方向１９６０へ開口絞り１９３０の開口部１９３１を出る。これらの光線は続いて活性領域１１７０内の同じ位置１９７０に収束する。本発明の一つの実施形態によれば、第一光場１９９０は活性領域１１７０の実質的に全体を照射し、この活性領域に第二光場１９９１を形成し、この２の光場がフーリエ変換対を形成する。
図１６に戻ると、投射システム１１０２は、第３光学的伝達システム１１８０及び映写幕１１９０を備える。第３光学的伝達システム１１８０は、光変調器１１６０によって形成された像を映写幕１１９０に投射する。図１６は、光学的に伝達される光変調器１１６０を示す。一般には、先に議論したように、光変調器１１６０は工学的に伝達可能か又は反射的かのどちらかである。
投射型ディスプレイ１１００は、背面投射型システムである場合があり、その場合には映写幕１１９０は背面投射幕となる。投射型ディスプレイ１１００は、前面投射型システムである場合があり、その場合には映写幕１１９０は前面投射幕となる。
第３光学的伝達システム１１８０は、レンズ、マイクロレンズアレイ、偏波器、色合成器、反射鏡、フレネルレンズ、開口絞り、又は幕１１９０上に光変調器１１６０によって像が投射されるように第３光学的伝達システム１１８０で適切に使用されるその他の任意の光学的構成要素を備える。第３光学的伝達システム１１８０の１の例が図１５に示されている。
投射型ディスプレイ１１００はさらに、各個別の光源に対応するコントラスト比を測定及び格納するためのプロセッサ１１０３を備える。それは例えば、個別の光源のひとつを除いてすべてを消し、「オン」の光源に対応する活性領域１１７０内のコントラスト比を測定することで行われる。そのような測定は、各光源に対して行われ、個別の光源が最低もしくは最少のコントラスト比から最高もしくは最大のコントラスト比までを並べた参照テーブルが電子的に格納されるようになる。
プロセッサ１１０３は、活性領域１１７０内に形成された投影可能な像の平均輝度を測定することもできる、ここで投影可能な像は例えば、第３光学的伝達システム１１８０によって投射１１９０上に投射されることができる。測定された平均輝度は、投影可能な像のコントラスト比及び／又は輝度を、１又はそれより多くの個別の光源の出力強度を調整することにより増加させるためにプロセッサ１１０３によって使用されることができる。例えば、平均輝度が夜の風景のように比較的暗い像であることを伝える閾値より小さい場合、プロセッサ１１０３は、対応するコントラスト比が最少の１又はそれより多くの個々の光源の出力強度を下げるあるいは完全に切る場合がある。影響を受ける個別の光源は、複数の個別の光源１１１５の外側部分、内側部分、又は一般に拡張された光源１１１０内の異なる場所に配置される。本発明の利点は、投影可能な像のコントラスト比及び／又は輝度のために、個別の光源の位置に係わらず個別の光源の出力強度を個別に制御可能なことである。同時に、プロセッサ１１０３は、対応する高いコントラスト比をもつ１又はそれより多くの個別の光源の出力強度を増加させることができる。よって、比較的暗い投影可能な像の輝度及びコントラスト比は増加される場合がある。
活性領域１１７０の投影可能な像の平均輝度が、戸外の日中像のように明るい像であることを伝える閾値より大きい場合、プロセッサ１１０３は、個別の光源１１１５をすべてオンにし、さらには１又はそれより多くの個別の光源の出力強度を増加させる場合がある。
本発明の一つの利点は、プロセッサ１１０３が任意に与えられた活性領域及び与えられた複数の光源１１１５に対する各個別の光源のコントラスト比を測定できることである。例えば、対応する低いコントラスト比をもつ特定の個別の光源の出力強度が、個別の光源が拡張された光源１１１０のどこに位置するかに係わらず減少させることができる。プロセッサ１１０３は電子回路１０５の一部であり（図１参照）、その場合、プロセッサ１１０３の機能は電子回路１０５によって遂行される。
図１９は、本発明の一つの実施形態による投射システム１８００の側面図を示す。投射システム１８００は、第一照明システム１８０１、第二照明システム１８０２、及び第３照明システム１８０３を備えるが、一般に投射システム１８００はそれより多い又はそれより少ない照明システムを持つことができる。さらに、図１９は３の照明システムが一般にｘ及びｙ方向に沿って配置されているが、一般には各照明システムは与えられた応用で要求される任意の方向に向けることができる。
図１９の各照明システムは、像を表示することができる活性領域を持ち、個別に操作可能な光素子の２次元アレイ、第一レンズアレイ、第二レンズアレイ、対物レンズ、及び光変調器を備える。例えば、第一照明システム１８０１は、第一個別に操作可能な光素子の２次元アレイ１８１０を備え、その３（光素子１８０１Ａ、１８０１Ｂ、及び１８０１Ｃ）が図１９に示されている。一般に、個別に操作可能な光素子の２次元アレイは、与えられた応用における必要性に最適に合致するように配置された複数の光源を備える。照明システム１８０１は、さらに第一レンズアレイ１８２０及び第二レンズアレイ１８３０を備える。アレイ１８１０内の各光素子は、第一レンズアレイ１８２０から専用のレンズ、第二レンズアレイ１８３０から専用のレンズを備える。例えば、光素子１８０１Ｃは専用のレンズ１８２０−Ｃ及び１８３０−Ｃを有する。照明システム１８０１は、さらに対物レンズ１８４０及び、像を表示できる活性領域１８５１をもつ光変調器１８５０を備える。光変調器１８５０は、ＬＣＤ又は像を生成することが可能なその他の任意の光変調器であることが可能で、その例は本明細書内で述べられている。
本発明の一つの実施形態により、各光素子から放射された光は対応する光変調器の活性領域全体を実質的に照らす。例えば、光素子１８０１Ａから放射された光はすべて、活性領域１８５１全体を照らす。さらに、本発明の一つの実施形態により、この照明は同じ方向に沿っている。例えば、光素子１８０１Ａから放射された光は、活性領域１８５１を光線１８１１及び１８１２で例示したように方向１８１０Ａで照らし、光素子１８０１Ｂから放射された光は、活性領域１８５１を方向１８１０Ｂで照らし、及び光素子１８０１Ｃから放射された光は、活性領域１８５１を方向１８１０Ｃで照らす。さらに、本発明の一つの実施形態により、方向１８１０Ａ、１８１０Ｂ、及び１８１０Ｃは図１９に示されるように互いに異なっている。
本発明の一つの実施形態により、個別に動作可能な光素子の２次元アレイによる同方向に沿って放射される光線はすべて、対応する光変調器の活性領域内の同じ位置に実質的に集中する。
図１９に示した３の例示の照明システムのそれぞれは、同じ色又は異なる色の照明をする。例えば、照明システム１８０１は例えば、図１９に示されていないが、青色を放射する光素子によって又は適切な色フィルターによって青の照明をすることができる。同様に、照明システム１８０２は赤の照明、及び照明システム１８０３は緑の照明をすることができる。
投射システム１８００はさらに、３光変調器によって作られる像を合成及びスーパーインポーズするための色合成器を備える。図１９は、光学的伝達ＬＣＤなどの光学的伝達光変調器を示す。ある応用においては、変調器は反射的で（例えば、図１４及び２０）、その場合、色合成器１８６０は光変調器によって作られた反射した像を合成及びスーパーインポーズする。
異なる光変調器によって作られた像の経路は、色合成器１８６０に概略的に示されている。特に、光経路１８６１は照明システム１８０１によって作られる像のための一般的伝搬経路を示し、光経路１８６２は照明システム１８０２によって作られる像のための一般的伝搬経路を示し、光経路１８６３は照明システム１８０３によって作られる像のための一般的伝搬経路を示す。この光経路は互いにわずかずつずらして示されているが、これは図の分かり易さのためである。一般に、照明システムによって作られる像は、高解像度の色付き像を作るために実質的にオーバーラップしかつスーパーインポーズされる。
投射システム１８００はさらに、投射レンズシステム１８７０及び投射幕１８８０を備える。投射レンズシステム１８７０は典型的に、複数のレンズ（例えば、図１９では５）を備える。既知の投射レンズシステムの例は、米国特許番号６，４１７，９７１号、６，３０１，０５７号及び５，９６９，８７６号で議論されている。
投射システム１８００は、背面投射型システムである場合があり、その場合には映写幕１８８０は好ましくは背面投射幕となる。投射システム１８００は、前面投射型システムである場合があり、その場合には映写幕１８８０は好ましくは前面投射幕となる。
図２０は、本発明の一つの実施形態による投射型システム２０００の概略側面図を示す。投射システム２０００は、第一照明システム２００１、第二照明システム２００２、及び第三照明システム２００３を備えるが、一般に投射システム２０００はそれより多い又はそれより少ない照明システムを持つことができる。さらに、図２０は３つの照明システムが一般にｘ及びｙ方向に沿って配置されているが、一般には各照明システムは与えられた応用で要求される任意の方向に向けることができる。
図２０中の各照明システムは、個別に動作可能な光素子、第一レンズアレイ、及び第二レンズアレイを備える。例えば、第一照明システム２００１は、個別に動作可能な光素子、その３（光素子２００１Ａ、２００１Ｂ、及び２００１Ｃ）は図２０に示されている、２０１０の２次元アレイ、第一レンズアレイ２０２０、及び第二レンズアレイ２０３０を備える。一般に、個別に操作可能な光素子の２次元アレイ中の光素子は、与えられた応用における必要性に最適に合致するように配置される。
さらに、照明システム中の各光素子は対応する第一レンズアレイから専用のレンズを有し、及び第二レンズアレイから専用のレンズを有する。例えば、光素子２００１Ｃは第一レンズアレイ２０２０から専用のレンズ２０２０Ｃをもち、第二レンズアレイ２０３０から専用のレンズ２０３０Ｃをもつ。３の照明システムは同じ対物レンズ２００５及び同じ反射光変調器２０５０を共有するが、ここで反射光変調器２０５０は像を表示することが可能な活性領域２０５１をもつ。光変調器２０５０は、ＤＬＰのようなＤＭＤが好ましい。
図２０に示された例示の実施形態において、照明システムは光変調器２０５０を共有する。ある応用において、各照明システムは専用の光変調器を有する。
本発明の一つの実施形態により、各光素子から放射された光は光変調器の活性領域全体を実質的に照らす。例えば、光素子２００１Ａから放射された光はすべて、活性領域２０５１全体を照らす。さらに、本発明の一つの実施形態により、与えられた光素子からの光線は同じ方向に沿って活性領域２０５１を照らし、ここで照明の方向は個別に動作可能な光素子の同じ２次元アレイ内にある異なる光素子によって異なる。
本発明の一つの実施形態により、個別に動作可能な光素子の２次元アレイによる同方向に沿って放射される光線はすべて、光変調器２０５０の活性領域内２０５１の同じ位置に実質的に集中する。
図２０に示した３の例示の照明システムのそれぞれは、同じ色又は異なる色の照明をする。例えば、照明システム２００１は、図２０には示されていないが例えば、青色を放出する光源又は適切な色フィルターを組み入れることにより、青色で照明することができ、照明システム２００２は赤で照明し、照明システム２００３は緑で照明することができる。
投射システム２０００はさらに、異なる光素子から光変調器２０５０へ小型かつ効率的に光の方向を変えるために、３の照明システムで共有される色合成器２０６０を備える。色合成器２０６０内での光線の経路は、図２０に概略的に示されている。特に、経路２０６１は照明システム２００１からの光線のための一般的伝搬経路を示し、経路２０６２は照明システム２００２からの光線のための一般的伝搬経路を示し、経路２０６３は照明システム２００３からの光線のための一般的伝搬経路を示す。この光経路は互いにわずかずつずらして示されているが、これは図の分かり易さのためである。一般に、照明システムからの光線は、活性領域２０５１を効率的に照明するために十分に重なり合っている。
投射システム２０００はさらに、光の小型かつ効率的な方向変えのために内部全反射（ＴＩＲ）プリズム２０７０を備える。ＴＩＲプリズム２０７０は、第一プリズム２０７１、第二プリズム２０７２、入力面２０７４、出力面２０７５、及びプリズム２０７１をプリズム２０７２と分けるための空気などの低指数領域２０７３からなる。
入力面２０７４から第一プリズム２０７１に入る光の光線２０８１は、点２０８５において第一プリズム２０７１と低指数領域２０７３の間の境界面で内部全反射し、光線２０８２のように光変調器２０５０に向けて伝搬する。光線２０８２は活性領域２０５１内の１画素上に入射する。この画素が「オン」状態の場合、入射光線２０８２は光線２０８３として反射し、ＴＩＲプリズム２０７０を脱出面２０７５から出て、投射レンズシステム２０９０へ伝搬する。一方、この画素が「オフ」状態の場合、入射光線２０８２は光線２０８４として反射し、投射レンズシステム２０９０から遠ざかる。光線２０８４は典型的には図２０に示されていない光トラップによって閉じ込められる。
投射システム２０００はさらに、投射レンズシステム２０９０及び投射幕２０９５を備える。投射レンズシステム２０９０は典型的に、複数のレンズ（例えば、図２０では５）を備える。既知の投射レンズシステムの例は、米国特許番号６，４１７，９７１号、６，３０１，０５７号及び５，９６９，８７６号で議論されている。
投射システム２０００は、背面投射型システムである場合があり、その場合には映写幕２０９５は好ましくは背面投射幕となる。投射システム２０００は、前面投射型システムである場合があり、その場合には映写幕２０９５は好ましくは前面投射幕となる。
投射システム２０００はさらに、個別光要素に応じてコントラスト比を決定し、並べ、及び格納するために図１６のプロセッサ１１０３に類似のプロセッサ２０２４を含む。さらに、投射可能な全体像のコントラスト比及び／又は輝度を向上プロセッサ２０２４が、低いコントラスト比で１又はそれより多くの個別の光素子の出力強度を減少させる、及び／又は高いコントラスト比で１又はそれより多くのその他の個別の光素子の出力強度を増加させる場合がある、プロセッサ２０２４に基づいて、光変調器２０５０によって形成される投射される像の平均強度を決定する。
上記に引用されたすべての特許、特許出願及び他の公開を完全に再現するように本明細書に参照により援用する。本発明の様々な態様の説明を容易にするために本発明の特定の実施例を上記に詳細に説明したが、本発明は、それら実施例の詳細に限定されるものではないことを理解すべきである。むしろ添付の特許請求の範囲により規定されるように本発明の趣旨及び範囲内にあるすべての変形例、実施形態及び代替例をすべて網羅しようとするものである。
本発明は、添付の図面に関連して以下の本発明の種々の実施形態の詳細な説明を考慮して、より完全に理解し正しく認識することができる。
本発明の実施形態による照明システムの概略の三次元図。 図１の拡張された光源に対する例示の２の断面強度プロファイルを示す。 図１の拡張された光源に対する例示の２の断面強度プロファイルを示す。 本発明の実施形態による照明システムの概略的側面図。 本発明による例示の光錐体を示す。 本発明による例示の光錐体を示す。 本発明による例示の光錐体を示す。 本発明による例示の光錐体を示す。 本発明による例示の光錐体を示す。 本発明によるその他の例示の光錐体を示す。 本発明の異なる実施形態による例示の光組立品の概略正面図。 本発明の異なる実施形態による例示の光組立品の概略正面図。 本発明の異なる実施形態による例示の光組立品の概略正面図。 本発明の実施形態による投射型ディスプレイの概略３次元図。 本発明による例示の照明方向を示す。 本発明による例示の照明方向を示す。 本発明による追加の例示の照明方向を示す。 本発明の実施形態による光学的伝達システムの概略側面図。 本発明の別の実施形態による光学的伝達システムの概略側面図。 本発明の別の実施形態による光学的伝達システムの概略側面図。 本発明のさらに別の実施形態による光学的伝達システムの概略側面図。 本発明の実施形態による投射型ディスプレイの概略側面図。 本発明の実施形態による光学的伝達システムの概略側面図。 本発明の実施形態による投射型ディスプレイの概略側面図。 本発明の異なる実施形態による例示の光源の概略正面図。 本発明の異なる実施形態による例示の光源の概略正面図。 本発明の実施形態による照明システムの概略側面図。 本発明の実施形態による投射型システムの概略側面図。 本発明の別の実施形態による投射型システムの概略側面図。

Claims (20)

  1. 各光源の出力光の強度が独立して制御可能な複数の個別の光源と、
    前記複数の個別の光源の共役面に配置される開口絞りと、前記開口絞りは開口部を有し、前記複数の個別の光源からの光は前記開口部の少なくとも一部を満たし前記開口絞りに第一光場を形成する、
    投射可能な像を表示することができる活性領域を有する画素式光変調器と、前記第一光場は前記活性領域を照らし前記活性領域に第二光場を形成し、前記第一光場及び第二光場はフーリエ変換対を形成し、前記投射可能な像のコントラスト比は１つ以上の前記個別の光源の前記出力強度を選択的に制御することによって調整することができる、
    を含む投射型ディスプレイのための照明システム。
  2. 前記複数の個別の光源が個別の光源の円形配列を形成する、請求項１に記載の前記照明システム。
  3. 前記複数の個別の光源のうち少なくとも１つがＬＥＤである、請求項１に記載の前記照明システム。
  4. 個別の各光源を独立して操作するための電子回路をさらに含む、請求項１に記載の前記照明システム。
  5. 前記開口絞りの前記開口部が円形である、請求項１に記載の前記照明システム。
  6. 前記複数の個別の光源からの前記光が実質的に前記開口絞りの前記開口部全体を満たす、請求項１に記載の前記照明システム。
  7. 前記複数の個別の光源の各々が前記開口絞りの前記開口部内に像形成する、請求項１に記載の前記照明システム。
  8. 前記画素式光変調器が液晶変調器を含む、請求項１に記載の前記照明システム。
  9. 前記画素式光変調器がデジタル・マイクロミラー・デバイスを含む、請求項１に記載の前記照明システム。
  10. 前記投射可能な像の前記コントラストが前記複数の個別の光源の１以上の前記個別の最外光源の前記出力強度を減少させることによって大きくされる、請求項１に記載の前記照明システム。
  11. 請求項１に記載の前記照明システムを１つ以上含む投射型ディスプレイ。
  12. 前面投射型ディスプレイである請求項１１に記載の前記投射型ディスプレイ。
  13. 背面投射型ディスプレイである請求項１１に記載の前記投射型ディスプレイ。
  14. 前記投射型ディスプレイによって形成された像が虚像である、請求項１１に記載の前記投射型ディスプレイ。
  15. 光軸を軸とする独立して操作可能な光素子の二次元配列と、
    前記光素子から光を受容し画素式光変調器の活性領域を照らす前記光軸を軸とする第一光学的伝達システムと、前記活性領域は投射可能な像を表示することができ、少なくとも１つの光素子からの光が有限数の方向から前記活性領域を照らし、前記有限数の方向は前記光軸を軸とする回転対称であり、前記活性領域の各画素は各光素子によって照らされることができ、投射可能な像のコントラスト比は１以上の光素子の出力強度を調整することによって制御することができる、
    を含む投射型ディスプレイのための照明システム。
  16. 独立して操作可能な光源の二次元配列を含む照明システムであって、各光源は画素式光学的光変調器の実質的に同じ活性領域を照らすことができ、各光源は異なる放射方向に光を放射し、各放射方向は前記活性領域のそれぞれの位置へ方向づけられ、前記活性領域の各画素は独立して操作可能な光源の前記二次元配列からの光の投射錐体によって照らされ、前記錐体は円錐角を有し各光源からの少なくとも１本の光線を含み、少なくとも１つの前記光の錐体の前記円錐角は前記独立して操作可能な１つ以上の光源の強度を調整することによって制御することができる、
    照明システム。
  17. 調整可能な二次元強度プロファイルを有する光を放射することができる拡張光源と、
    像を表示することのできる活性領域を有する光変調器とを含み、前記拡張光源の点が同じ方向において前記活性領域全体を照らし、前記拡張光源の地点によって前記方向が異なり、前記表示された像のコントラストは前記放射された光の前記二次元強度プロファイルを調整することによって制御可能である、
    照明システム。
  18. コントラスト比を有する投射可能な像を形成するために画素式光変調器の活性領域を照らすことができ、各光源が実質的に前記活性領域全体を照らす複数の個別の光源と、
    個別の各光源の出力光の強度を個々に制御し個別の各光源に対応するコントラスト比を決定するためのプロセッサであって、前記投射可能な像の平均輝度を決定することで、前記平均輝度が閾値に満たない場合に、前記プロセッサが前記投射可能な像のコントラスト比を増加させるために対応する低コントラスト比を持つ１つ以上の個別の光源の前記出力光の強度を減少させる、前記プロセッサと、
    を含む投射システム。
  19. 前記プロセッサが前記投射可能な像の前記コントラスト比をさらに増加させるために対応する高コントラスト比を持つ１つ以上の個別の光源の前記出力光の強度をさらに増加させる、請求項１８に記載の前記投射システム。
  20. その前記出力強度が前記プロセッサによって減少させられた少なくとも１つの前記個別の光源が前記複数Rの個別の光源の内部に位置する、請求項１８に記載の前記投射システム。
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