JP2010506204A - 歪みを減少するフラットパネルの光投射装置 - Google Patents

Abstract

テーパー導波路タイプの光導体は、入力端と出力端（４０）の間の映像を拡大する入力スラブ（３０）、および、入力スラブの前述の出力端から光線を受けるように配置され、光線を受けた角度に対応するその表面の一点で光線を放つテーパー状の出力スラブ（１０）を含む。テーパーは、入力端に注入されるすべての光線が出力面を出る前に、同一の数の反射を受けるように計算される。入力スラブ光導体（３０）の厚さは、横方向に中心線Ｃから離れるほど大きく、その結果、そのファンアウト角度にかかわらずに、臨界角でスラブ導波路の入力面から出力導波路（１０）に向かって進む光は、入力スラブで同じ回数跳ね返り、画像の歪みをさらに減少する。

Description

本発明は、投写型ディスプレイに関し、光導体を通して映像を投影し、歪みを減少する方法に関する。

ビデオプロジェクターは、低コストで大きい動画を作成する。テレビを作る安価な方法は、図１に示すように、鏡３を通して拡散スクリーン（diffusive screen）５の後部にプロジェクター１を向けることである。しかしながら、この形式のプロジェクションテレビは分厚く、そして、ユーザーは薄いディスプレイを好む。

国際公開第０１／７２０３７号パンフレット 国際公開第２００６／０８２４４４号パンフレット 国際公開第０２／４５４１３号パンフレット 国際公開第０３／０１３１５１号パンフレット ＧＢ０６１９２２６．４号明細書

薄型の投写型ディスプレイを、特許文献１に従って、テーパー状の（tapered）光導体の厚い端の中にビデオプロジェクターを向けることによって作成することができる。その原理を、図２に示す。傾斜面を通ってテーパー状のパネル導波路１０の厚い端１２に入る光線は、臨界角を超えるまで、次第により急な角度で跳ね返り、そして抜け出る。浅い光線（実線）は、臨界角を超えて抜け出る前にさらに移動するため、ディスプレイに沿ってより遠くに抜け出る（移動方向における上の部分にて）。これはテーパー導波路（tapered-waveguide）の原理と呼ばれる。もっとも、純粋に幾何学的なテーパーの代わりにＧＲＩＮの技術によって、それを引き起こすことができる。

問題は、プロジェクターはパネルよりはるかに側部の寸法が小さいので、光線は注入点から四方八方に広がり、そのため、映像がＶ字形となることである。さらに、映像は細かく分けられ複数のバンドになるだろう。各バンドは、特定の数の反射を受けるすべての光線を含む。一方、隣接したバンドにおいて、抜け出る光線よりも１組多く反射を受けた、または１組少なく反射を受けた光線のセットは、ギャップによって分けられるだろう。

特許文献１で説明したように、プロジェクターとテーパー状の光導体との間に、一定の厚さの透明な入力スラブを挿入することができる。このことは、光線が、テーパー状の光導体に入る前に四方八方に広がる機会を持つことを意味し、映像は台形となる。これは、Ｖ字形ほど好ましくないわけではないが、重要な台形歪みがまだある。さらに、視聴者は、イメージを画面いっぱいに表示するのが好きなので、テーパー状の光導体の裏側に入力スラブを折りたたむことは望ましい。これを、スクリーンの全幅にわたる１組の直角なプリズムですることができる。

表面に対して臨界角よりわずかに少ない角度で入力スラブに入る光線は、スラブでは多くの反射を受けるが、テーパー状の光導体ではわずかの反射しか受けない。一方で、臨界角より非常に少ない角度で入る光線は、スラブではわずかの反射しか受けないが、テーパー状の光導体では多くの反射を受ける。特許文献１は、エントリーのすべての角度の光線にとって、システムを通した反射の合計が同じであるために、どのようにテーパー状の光導体を形成するかについて説明しており、映像はもはや複数のバンドに細かく分けられない。

この輪郭は中心線に沿った光線のために設計されているので、それはスキュー（skew）光線、すなわち大きいファンアウト角度（fan-out angle）の光線ではうまくいかない。そして、映像が幅広いと、側面が薄暗くなり、まだ、細かく分けられ複数のバンドになるだろう。

特許文献２で示されたシステムを表す、中心線に沿って切り取った図３に示されるように、側面の薄暗さは、入力スラブとテーパー状の光導体の形を、光の注入点のあたりで中心線に沿って円形に輪郭の押出し（extrusion）と同等に作ることによって取り除くことができる。実線は、可能な限り大きい角度で入力スラブ２０に注入された光線である。一方、点線は、可能な限り小さい角度で注入された光線であり、画像の先端でテーパー導波路を抜け出る。現在、光線は、決して輪郭が設計された方向へ曲げられないが、システムは極性の対称性（polar-symmetric）であり、そのため、映像は変形して曲線になる。さらに、スラブとテーパー状の光導体の境界は、もはや直線ではなく、そのため、システムを、一定の断面図の直線のプリズムで折りたたむことができない。

テーパー状の光導体を、逆に特許文献３に従って使用すると、入力スラブの厚い端に向けたカメラは、テーパー状の光導体の面に対して置かれるものなら何でも画像をとらえることもできる。しかし、極性の対称性に関して同一の問題が生じる。

本発明に従って、入力端と出力端の間の映像を拡大する入力スラブと、入力スラブの前述の出力端から光線を受けるように配置され、光線を受けた角度に対応する出力表面の一点で光線を放つ出力導波路とを含んだテーパー導波路タイプの光導体が提供される。出力導波路の輪郭は、入力スラブの入力端に注入されたすべての光線が、出力導波路の出力表面を出る前に、同じ数の反射を受ける。入力スラブの厚さは、光線運動の一般的な方向に横向きの方向で変化するので、そのファンアウト角度、すなわち、中心線から離れるその角度にかかわらずに、入力スラブの入力端から出力導波路に向かって進む光は、同じ回数跳ね返る。

この厚さの変化は、入力スラブと出力導波路の間の遷移領域が直線であることを可能とし、横に広がり、一般的な光線運動方向に達する。この線は、普通は、ディスプレイの底縁となり、その結果、入力スラブは後方に折りたたまれる。

本発明をより良く理解するために、特定の実施形態を、添付図面に関する実施例で説明する。
周知の背面投射型テレビディスプレイを示す図である。 テーパー状の光導体ディスプレイの原理を示す図である。 極性の対称的な光導体ディスプレイの原理を示し、投射軸の左への半分のディスプレイを表現する図である。 光線が薄い光導体から厚い光導体へ通る場合、どのように光線周期が増加するかを示す図である。 本発明を具現化するスラブを示し、さらに、投射軸の左への半分のスラブを表現する図である。 本発明のテーパー状の光導体ディスプレイの半分を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。

光線が四方八方に広がり、装置の全幅を覆う長さを超える入力スラブからなる複合フラットパネルディスプレイまたは同様の光学装置、および光線の入力の角度によって決まる点で光線が抜け出るテーパータイプの出力導波路において、映像の底を形成する光線は、テーパー状の光導体の中で、反射をほとんど全く受けない。すべての光線が、抜け出る前に同一の数の反射を受ける場合は、映像の底を形成する光線は、お互い入力スラブの中で、同一の数の反射を受けるだろう。これらの光線は入った後すぐにテーパー状の光導体から離れるので、光線はすべて、臨界角すれすれで入力スラブから離れるだろう（図３の実線）。さらに、映像の底がゆがんでいない場合は、スラブの中で各光線の最終の反射の点は、直線を形成するはずである。

これらの条件は、従来の平面の入力スラブで満たすことはできない。なぜなら、プロジェクターからスラブの遠くの角への距離が中心線に沿うより長く、そのようなスラブでは、臨界角の光線が、光導体のユニット距離単位で同一の数の反射を受けるからである。

従って、本発明は、側面が中心よりも厚くなっている入力スラブを想定する。すなわち、中心では、光線運動の中心軸に横向きの垂直な方向の断面図は、縁よりも薄い。この方法における光導体の厚さは、図４の厚い導体の点線によって示されるように、まず第１にただスケールの理由で、反射間の距離を広くする。その上、第２に、図４の実線によって示されるように、製品の厚さと光線角度のコサインが、さまざまな厚さの滑らかな光導体において一定であると、スケーリングの効果に加えて、特許文献４に示すように、さまざまな厚さの光導体を通って進む場合、光線角度が減少する。

スラブは、注入点でただ１つの厚さを有することができ、そのため、図５に示すように、異なる光線経路間の厚さの変化を、スラブに沿って途中で、領域３５がふくらむにつれて、導入する。入力スラブ３０は通常、三角形の形態を有し、出力導波路１０の最も低い角へのファンアウトと一致するものとして示される。

結果として生じるディスプレイを直線の合流点または遷移領域４０と共に図６に示す。この図は、中心線Ｃから左側の縁への半分のディスプレイを示す。導波路は、中心線に関して対称である。また、面外の角度の範囲を越えて傾斜面３２に画像を注入するプロジェクター１が示され、ディスプレイへの入力（または、プロジェクターを小さなカメラによって代替するカメラシステムへの出力）が表されている。通常は、出力導波路１０は、入力端３２よりも１桁分広い。その出力面（陰つきの）は一般的に長方形であり、遷移領域４０から始まっている。その画像列は、画像の下側の縁を表すこの遷移領域４０に対しておおむね平行である。

スラブの中心が一定の厚さを持つ場合は、テーパー状の光導体の中心線に沿った輪郭は、特許文献４で記載したものと同一となるだろう。入力スラブ３０の側面を通って進む光線は、スラブの中で可変の厚さの輪郭に出くわすが、すべての光線が要求に応じて同一の数の跳ね返りを受けるとすると、テーパー状の光導体の輪郭を調整する必要があってよい。本発明を変更した実施形態には好ましいものもあり、これらの実施形態は、光学の分野に長けている人、および特許文献４を理解している人にとってありふれた方法におけるレイトレーシング（ray tracing）によって、見出すことができるが、その変更は軽微であることが分かる。

光導体の厚さの変化が段階的な場合、光導体を通って投影された画像の均一性は十分であるが、スラブに沿って中途半端に側面を厚くすることによって導入された曲率（curvature）は、幅広いファンアウト角度で過度に大きくなり、画像は縞のあるように見える。特許文献５で記載したように、どのような場合でも、入力スラブがテーパー状であるなら、利点があるといえる。なぜなら、このことは、入力スラブとテーパー状の出力光導体の間の接点で曲率を減らすからである。入力スラブが出力スラブより厚い、本発明のさらなる実施形態を記載するが、図７に示すように、中心線Ｃに沿った厚さは、入力端３２から短距離（領域３７）にわたって出力の厚さに向けて減少する一方、スラブ側面に沿った厚さは、より長い距離、少なくとも約半分の距離にわたって出力の厚さに向けて減少する。さらにスラブは、臨界角でスラブから現れるすべての光線が、スラブ内でお互いと同一の数の反射を受けるように設計されるべきである。

前述のように、プロジェクターの代わりにカメラを入れかえて使用する場合、同一の原理はテーパー状の光導体に適合するが、ここで「入力スラブ」または「拡張スラブ」という用語はそれほど適切ではなく、「集線装置または「外側への拡張／収縮スラブ」の方が良いとすることができ、テーパー状の出力導波路は「コレクター」導波路と呼ぶことができる。

要約すれば、テーパー導波路タイプの光導体は、入力端と出力端４０の間で投影された画像を拡大する入力スラブ３０と、入力スラブの出力端からの光線を受けるように配置され、光線を受けた角度に対応するその面の一点で光線を放つテーパー状の出力スラブ１０とを含む。テーパーは入力端に注入されるすべての光線が出力表面を出る前に、同一の数の反射を受けるように計算される。

しかしながら、既知の種類の入力スラブにとっては、これは、平面で軸外の（off-axis）の角度でまだ歪みをもたらしているかもしれない。したがって本発明では、入力スラブ光導体３０の厚さを、中心線Ｃから離れる横向きの方向において大きくし、臨界角でスラブ導波路の入力面から出力導波路１０に向けて進む光は、ファンアウト角度にかかわらずに、入力スラブで同じ回数跳ね返る。テーパー状の出力導波路への接触面はそのとき、直線４０とすることができる。

Claims (7)

1. テーパー導波路タイプの光導体であって、
   入力端に注入され、出力端に向かって進むにつれて映像を拡大する入力スラブ（３０）と、
   前記入力スラブの前記出力端から光線を受けるように配置され、光線を受けた角度に対応する出力面の一点で光線を放つ出力スラブ（１０）と
   を備え、
   前記入力端に注入されたすべての光線が、前記出力面を出る前に、合計で同じ数の反射を受け、かつ、入力スラブ光導体の厚さが横方向に変化するので、そのファンアウト角度にかかわらずに、入射面外でスラブ導波路の前記入力端から出力導波路に向かって進み、臨界角で前記入力スラブを出る光は、前記入力スラブで同じ回数跳ね返ることを特徴とする光導体。
2. 前記入力スラブ（３０）は、前記入力端（３２）がテーパー状の光導体の端より厚いことを特徴とする請求項１に記載の光導体。
3. 前記厚さは、縁に沿うより早い時期に、中心軸（Ｃ）に沿って減少することを特徴とする請求項２に記載の光導体。
4. 前記入力スラブ（３０）は、中心線（Ｃ）に沿って一定の厚さを持つが、前記縁に沿ったふくらみ（３５）を持つことを特徴とする請求項１に記載の光導体。
5. プロジェクター（１）および請求項１乃至４のいずれかに記載の光導体を含むディスプレイであって、
   前記プロジェクターは、前記入力スラブの前記入力端（３２）に映像を注入するように配置されることを特徴とするディスプレイ。
6. カメラおよび請求項１、２、３または４に記載の光導体を含むことを特徴とするカメラ装置。
7. 場合によって、前記プロジェクターまたは前記カメラは、前記出力導波路よりも横方向に小さいことを特徴とする請求項５または６に記載の装置。

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