JP2010237709A - イメージャとイメージャのリレーにおけるレンズシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、特に暗い状態においてビデオ画像のコントラスト比を増大し、アーティファクトの輪郭化を減ずるプロジェクションシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】 ピクセルごとに第一イメージャから光出力を第二イメージャに中継する、二段階プロジェクションシステムで使用するためのレンズシステム。レンズシステムは、約１５．４マイクロメートルの正方形内に投射された特定ピクセルの光エネルギーの少なくとも約９０％で約０．０１５％未満のディストーションを有するダブルガウスレンズセットを含む。
【選択図】 図1

Description

本発明は、一般的に、プロジェクションシステムで使用するためのレンズシステムに関し、特に、二段階プロジェクタ構造で第一イメージャから画像を第二イメージャに投射するための低いディストーションで１対１のプロジェクションレンズに関する。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤｓ）、特に反射型光エンジン又はイメージャを使用するシリコン上の液晶（ＬＣＯＳ）系は、リアプロジェクションテレビ（ＲＰＴＶ）などのイメージング装置でますます普及してきている。ＬＣＯＳシステムにおいて、投射された光は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）によって偏光され、ピクセルのマトリックスからなるＬＣＯＳイメージャ又は光エンジンに導かれる。この明細書において、かつ、関連技術の実施と一致して、ピクセルという用語は、画像の小さな領域又はドット、光の移動に対応する部分及びその光の移動を生じるイメージャの部分を示すために使用される。

イメージャの各ピクセルは、別々に変調した光信号若しくはピクセルのマトリックスを形成するためにイメージャ又は光エンジンへのグレースケールファクターの入力に従って、光の入射を変調する。変調された光信号のマトリックスはイメージャから反射されるか又は出力され、可視できる画像を形成するために光のピクセルを組み合わせて、ディスプレイスクリーンに変調した光を投影するプロジェクションレンズのシステムに導かれる。このシステムにおいて、ピクセルからピクセルへのグレースケールの変化は、画像信号を処理するために使用されるビット数によって制限される。明るい状態（つまり、最大の光）から暗い状態（最低の光）までのコントラスト比は、イメージャでの光の漏出によって制限される。

既存のＬＯＣＳシステムの主な問題の一つは、暗い状態での光量を減ずることが難しく、際立ったコントラスト比の提供が困難である。これは、部分的に、ＬＣＯＳシステムに固有な光の漏出による。

加えて、入力はビットの固定した数（例えば、８、１０など）であり、光のフルスケールを記述しなければならないため、ピクチャーのより暗い領域での微妙な違いを記述するために利用可能なビットが非常に少ない傾向にある。これは、アーティファクトの輪郭化（ｃｏｎｔｏｕｒｉｎｇ ａｒｔｉｆａｃｔ）を導く。

暗い状態でのＬＣＯＳのコントラストを増強する一つのアプローチは、ＣＯＬＯＲＳＷＩＴＣＨ（登録商標）又は、その特定のフレームで最大値に基づいた全体のピクチャーをスケール化する同様の装置を使用することである。これは幾らかのピクチャーを改善するが、高レベルと低レベルを含むピクチャーではほとんど改善しない。上記問題を解決する他の方法は、より良好なイメージャを成すことなどであるが、これらはせいぜい改善が高まる程度である。

特に暗い状態においてビデオ画像のコントラスト比を増大し、アーティファクトの輪郭化を減ずるプロジェクションシステムを必要とする。

本発明は、二段階プロジェクタ構造でピクセルごとに第一イメージャからの画像を第二イメージャに投射するように形成されたレンズシステムを提供する。ピクセルごとに第一イメージャからの画像を第二イメージャに投射するために、ダブルガウスレンズシステムは、約０．０１５％未満のディストーションを有し、かつ、第一イメージャ上の特定のピクセルの光エネルギーの少なくとも約９０％を第二イメージャ上の約１５．４マイクロメートルの正方形内に投射する、本発明の実施態様にしたがって提供される。本発明の典型的な実施態様において、レンズシステムの倍率は、約−１で非常に精確に制御され、テレセントリック性（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ）はレンズシステムの入力および出力の両者で維持される。

本発明は、添付図を参照して記載される。

本発明の実施態様による典型的なレンズシステムを示す。 図１のレンズシステムにおいて計算されたディストーションを示す。 図１のレンズシステムにおいて計算されたエンスクエアされたエネルギーを示す。

第一イメージャの特定のピクセルの出力が第二イメージャの対応するピクセルに投射されるようにして第一イメージャの出力を第二イメージャに投射することによって、コントラストが増大され、輪郭化が減じられたプロジェクションシステムを提供できることを本発明者は確定した。二段階構造が非常に低いディストーション及び高いエンスクエアされたエネルギー（ｅｎｓｑｕａｒｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）を有するレンズシステムを必要とすることを本発明者が確定した。第一イメージャのピクセルからの光が、その対応するピクセルの中心に集光されるべきである。さらに第二イメージャでは、ほとんどの光は、対応するピクセルの領域内となる。

本発明は、二段階プロジェクション構造で使用するための低ディストーションで、エンスクエアされたエネルギーが高いリレーレンズシステムを提供する。本発明の典型的な実施態様において、ダブルガウスレンズシステムは、約０．０１５％未満のディストーションを有し、かつ、第一イメージャ５０上の特定のピクセルからの光エネルギーの少なくとも約９０％を第二イメージャ上の約１５．４マイクロメートルの正方形内に投射し、光を第一イメージャ５０から第二イメージャ６０にリレーするために提供される。図１に示されるように、典型的な二段階プロジェクションシステムは、第一イメージャ５０及び第二イメージャ６０を含み、ピクセルごとに第一イメージャ５０から第二イメージャ６０の対応するピクセルに光画像を中継するために、イメージャ５０と６０との間に配置された２つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７１、７２及びレンズセット又はレンズシステム８０を具備する。

図１に示されるように、典型的なリレーレンズシステム８０は、第一ＰＢＳ７１とレンズシステム又はシステム絞り８３との間に第一の非球面レンズ８１及び第一の色消しレンズ８２を含む。システム絞り８３と第二イメージャ７２との間に、レンズシステム８０は第二の色消しレンズ８４及び第二の非球面レンズ８５を含む。第一の非球面レンズ８１は、第一表面８１ａ及び第二表面８１ｂを有し、それら表面は、レンズシステム８０の光軸に向かって収束する光のパターンに向かう第一ＰＢＳ７１からの分岐する光パターンを曲げる。第一の色消しレンズ８２は第一表面８２ａ、第二表面８２ｂ及び第三表面８２ｃを有し、第一の非球面レンズ８１からの収束する光パターンをシステム絞り８３に集光する。システム絞り８３において、光パターンは反転し分岐する。第一表面８４ａ、第二表面８４ｂ及び第三表面８４ｃを有する第二の色消しレンズ８４は、第一の色消しレンズ８２の鏡像である（つまり、第二の色消しレンズ８４の第一表面８４ａは第一の色消しレンズ８２の第三表面８２ｃと同等であり、第二の色消しレンズ８４の第三表面８４ｃは第一の色消しレンズ８２の第一表面８２ａと同等であるように同じレンズは後方で転向している。）。第二の色消しレンズ８４の第一表面８４ａ、第二表面８４ｂ及び第三表面８４ｃは、分岐する光パターンを第二の非球面レンズ８５に分配する。第一表面８５ａ及び第二表面８５ｂを有する第二の非球面レンズ８５は、第一の非球面レンズ８１の鏡像である。表面８５ａ及び８５ｂは、第一イメージャ５０からの対象物又はピクセルのマトリックスに対する１対１の一致を有する第二イメージャ６０に反転した画像を形成するように光パターンを収束へと曲げる。リレーレンズシステム８０の表面は、第一イメージャ５０及び第二イメージャ６０のピクセルの１対１の一致を達成するように、イメージャ５０、６０及びＰＢＳ７１、７２と共に作用するように形成される。典型的な二段階プロジェクションシステム３０の表面の概要が表１に提供され、表面８１ａ、８１ｂ、８５ａ及び８５ｂの非球面係数が表２に提供される。これらの典型的なレンズ表面は、ＺＥＭＡＸ（登録商標）及び本発明者によって確定された新奇な特徴を使用して、本発明者によって開発された。コスト、サイズ、輝度レベル及び他の設計的な要素などの要素に基づいて様々な修正がこの典型的なプロジェクションシステムで成されることができる。リレーレンズシステム８０において、色消しレンズ８２及び８４は同等であり、非球面レンズ８１及び８５は同等である。したがって、少数の独特の部分が製造効率及びコストの削減を提供することを必要とされる。さらに、典型的なレンズシステム８０の色消しレンズ８２、８４は、安価な光学ガラス（ＳＦ１５はＢＫ７のおよそ２．２５倍の価格であり、ＢＡＫ２はＢＫ７のおよそ１．８５倍の価格である）を含む。（ＳＦ１５、ＢＫ７及びＢＡＫ２は、ニューヨーク州ＹｏｎｋｅｒｓのＳｃｈｏｔｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されており入手可能である。）

第一光マトリックスがリレーレンズシステム８０を通過した後、第一光マトリックスは第一表面７２ａにより第二ＰＢＳ７２に入射する。第二ＰＢＳ７２は、第二表面７２ｂにより第二イメージャ６０にｓ偏光の第一光マトリックスを反射する偏光表面７２ｂを有する。図１に例示される典型的な実施態様において、第二イメージャ６０はＬＣＯＳイメージャであり、そのＬＣＯＳイメージャは、各個々のピクセルにおいて第二イメージャ６０に提供されるグレースケール値に比例してピクセルごとにすでに変調した第一光マトリックスを変調する。第二イメージャ６０のピクセルは、１対１で第一イメージャ５０のピクセル及びディスプレイ画像のピクセルと一致する。したがって、第二イメージャ６０への特定のピクセル（ｉ、ｊ）の入力は、第一イメージャ５０の対応するピクセル（ｉ、ｊ）からの出力である。

表１及び２に概要したレンズシステム８０は、本発明者によって考案されたシステム制約下のＺＥＭＡＸ（登録商標）ソフトウェアパッケージを使用して設計された。レンズシステム８０の計算されたディストーション及びエンスクエアされたエネルギーが図２及び３にそれぞれ示される。ディストーションは０．０１５％未満であり、第一イメージャ５０の特定のピクセル（ｉ、ｊ）からの光出力を第二イメージャ６０の対応するピクセル（ｉ、ｊ）に中継させるか、又は投射させ、例えば、そのピクセル（ｉ、ｊ）において第一イメージャ５０及び第二イメージャ６０に提供された値の組み合わせによってビデオ画像を変調させる。第一イメージャ５０からの光エネルギーは、第一イメージャ５０の特定のピクセル（ｉ、ｊ）からの光エネルギー出力の少なくとも９０％を第二イメージャ６０の１５．４ミクロンの正方形に投射されて、高度にエンスクエアされる。典型的なＬＣＯＳイメージャにおけるピクセルサイズが１２ミクロンであるので、第一イメージャ５０の特定のピクセル（ｉ、ｊ）からのほとんどの光は、第二イメージャ６０の対応するピクセル（ｉ、ｊ）に当たる。

ピクセルごとに第一イメージャ５０から画像を第二イメージャ６０に投射するために、イメージャ５０、６０が同じサイズである場合、１対１のレンズシステムにおける倍率は、ほぼ−１．０であるべきである。典型的なレンズシステム８０は、ＺＥＭＡＸ（登録商標）ソフトウェアによって計算されるように、−０．９９９７７の倍率を提供する。

典型的なレンズシステム８０はまた、高くとも２．８の低いＦ数を提供し、より詳細には、約２．７９８の計算されたＦ数を提供する。この低いＦ数は、ビューイングスクリーンの適切な照明を保証するために望ましい。典型的なレンズシステム８０はまた、約１６１．２５ｍｍのイメージャ５０、６０間の全体の距離を有してコンパクトである。この全体の長さは、レンズシステムの様々な表面における厚さ値の合計であり、厚さ値は次の表面までの線形距離である。

さらに、プロジェクションシステムへの光の入射がテレセントリックであり、プロジェクションレンズがテレセントリック画像を必要とするので、レンズシステム８０は、高テレセントリックである。典型的なレンズシステム８０における投射された画像の中心の主要な放射線から計算された最大偏差は、入力角度の１．０３度及び出力角度の１．００度である。

前述は、本発明を実行するための幾つかの可能性を例示する。

前述の記載は本発明を実行するための幾つかの可能性を例示する。多数の他の実施態様は、本発明の趣旨及び範囲内で可能である。したがって、先の記述は制限ではなく実例となるものと見なされ、本発明の範囲が等価物の十分な範囲と共に請求項によって与えられることが意図される。

関連出願の相互参照
この出願は、ここに参照として全体が組み込まれている、出願日が２００２年１２月４日で発明の名称が“ＬＥＮＳ ＤＥＳＩＧＮ ＦＯＲ ＬＣＯＳ ＴＯ ＬＣＯＳ ＲＥＬＡＹ”である米国仮特許出願番号第６０／４３０，９９５（事件番号ＰＵ０２０４７３）の利益を主張する。

Claims (7)

1. ピクセルごとに第一イメージャから光出力を第二イメージャに中継するためのプロジェクションシステムで使用するレンズシステムであって、
   当該レンズシステムはダブルガウスレンズセットを含み、
   該ダブルガウスレンズセットは、光路に沿って、順番に、第1非球面レンズ、第1色消しレンズ、第2色消しレンズ、及び第2非球面レンズを有し、
   焦点又は当該レンズシステムのストップは、前記第1色消しレンズと前記第2色消しレンズの間に設けられ、
   前記ダブルガウスレンズセットは約１５．４マイクロメートルの正方形内に投射された特定ピクセルの光エネルギーの少なくとも約９０％で約０．０１５％未満のディストーションを有し、かつ
   少なくとも1つのイメージャはLCOSである、
   ことを特徴とするレンズシステム。
2. 前記ダブルガウスレンズセットは、約−０．９９９７乃至−１．０００３間の倍率を有することを特徴とする請求項１に記載のレンズシステム。
3. 前記ダブルガウスレンズセットは、１．０５度未満の入力及び出力角度の偏差のテレセントリック性を有することを特徴とする請求項１に記載のレンズシステム。
4. 前記ダブルガウスレンズセットは、１．０３度未満の入力角度の偏差のテレセントリック性を有し、１．０度未満の出力角度の偏差のテレセントリック性を有することを特徴とする請求項３に記載のレンズシステム。
5. 前記色消しレンズは、光学ガラスを含むことを特徴とする請求項１に記載のレンズシステム。
6. 前記第一イメージャと第二イメージャとの間の全距離は１６５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載のレンズシステム。
7. 前記ダブルガウスレンズセットは、高くても約２．８のＦ数を有することを特徴とする請求項１に記載のレンズシステム。

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