JP2010536057A - 画像を投影するための結像装置 - Google Patents

Abstract

投影面に画像（９９）を投影するための結像装置において、動作中に放射方向に沿って電磁ビームを放射するビーム放射構成要素（１）と、前記ビーム放射構成要素（１）のビーム路にある画像形成要素（２）と、前記ビーム放射構成要素（１）のビーム路にある、電磁ビームを投影面（９）に偏向するためのビーム偏向要素（３）と、ビーム出射面（４）とを含み、この際前記投影面（９）は、前記ビーム出射面（４）に対して側方にずらされている。

Description

本明細書は、ドイツ連邦共和国特許明細書第１０２００７０３７４４３．９号および第１０２００８００３４５１．７号の優先権を主張するものであり、それらの開示内容は参照により本願に含まれるものとする。

以下、請求項１の上位概念による結像装置を示す。

所定の実施形態の少なくとも１つの課題は、画像を投影面に投影するための結像装置を提供することである。

少なくとも１つの実施形態による結像装置は、とりわけ以下のものを含む
・動作中に放射方向に沿って電磁ビームを放射する、ビーム放射構成要素
・前記ビーム放射構成要素のビーム路にある、画像形成要素
・前記ビーム放射構成要素のビーム路にある、電磁ビームを投影面に偏向するための、ビーム偏向要素
・ビーム出射面
ここで、
・前記投影面は、前記ビーム出射面に対して側方にずらされている。

とりわけ前記投影面を、前記ビーム出射面に対して傾けることもできる。

このような結像装置の利点は、結像装置を、投影面に対して側方にずらして配置することができることである。これはすなわち、結像装置を、とりわけ投影面上の画像に対して側方にずらして配置することができるということを意味する。したがって、画像を観察する観察者の視界にある結像装置を、画像および投影面に対して側方にずらして配置でき、結像装置が、観察者から見て画像を隠蔽することはない。したがって撮像装置を、スペースを節約しつつ、投影面の隣に配置することが可能となる。

画像形成要素を、ビーム路においてビーム放射構成要素に後置し、ビーム偏向要素を、前記ビーム放射構成要素のビーム路において前記画像形成要素に後置することができる。

とりわけ画像形成要素を、ビーム路において直接に、すなわち無媒介にビーム放射構成要素に後置し、そしてビーム偏向要素を、前記ビーム放射構成要素のビーム路において直接に、すなわち無媒介に前記画像形成要素に後置することができる。これによって、結像装置の個々の構成部材を省スペースに配置し、ひいては結像装置の構造形状をコンパクトにすることが可能となる。

例えば結像装置によって、幾何学形状、図、シンボルを有する画像を投影面に投影することができ、これによって例えば観察者に情報を伝えることができる。ビーム放射構成要素は、可視光を放射するためにとりわけ適当であるようにすることができる。光は単色または多色とすることができ、とりわけ白色または有色の発光印象を可能にすることができる。

さらに画像形成要素は、画像を形成するために、例えば、電磁ビームに対して少なくとも部分的に透明な光学要素、および／または、電磁ビームに対して少なくとも部分的に反射性の光学要素を有することができる。このことは、ビーム放射構成要素が、画像形成要素を通過して光線を通す、および／または、画像形成要素を照明し、そしてこの際、電磁ビームに、画像のために必要な空間的輝度変化および／または色座標変化を刻印することができる、ということを意味する。

少なくとも部分的に透明な光学要素は、少なくとも２つの領域を有することができ、これらの領域は、電磁ビームに対して互いに異なる透過率を有する。このようにして例えば第１領域は、電磁ビームに対して高い透過率を有し、第２領域は低い透過率を有することができる。これによって投影面上の画像を、前記少なくとも部分的に透明な光学要素の、投影面に投影された領域の輝度差によって形成することが可能となる。択一的または付加的に、互いに異なる透過率を有する前記少なくとも２つの領域は、ビーム放射構成要素によって形成された電磁ビームの種々異なる波長に対しても透過性であることができ、これによって多色の画像が可能となる。さらに、少なくとも部分的に透明な光学要素は、少なくとも部分的に電磁ビームに対して透過性のマトリクスを有することができ、該マトリクスは種々異なる透過率の多数の領域を含むことができる。これらの種々異なる透過率の領域は、ピクセル、すなわち例えば列と段に配置された画素の形態で構成することができる。択一的または付加的に、これらの種々異なる透過率の領域は、少なくとも部分的に情報を担う形状を有することができる。

この際、少なくとも部分的に透明な光学要素は、液晶マトリクスおよび／または構造化されたカラーフィルタを含むことができる。とりわけ液晶マトリクスの場合には、投影面に投影された画像は、時間によって変化し得ることができる。

ビーム偏向要素はさらに、レンズまたはレンズセグメントを含むことができ、電磁ビームを投影面に向けるため、かつこの際視準または集束するために適当なものとすることができる。とりわけレンズまたはレンズセグメントは、ビーム放射構成要素に対して偏心して配置することができる。このことは例えば、レンズまたはレンズセグメントが光軸を有しており、該光軸が、例えば傾倒されて、および／または、ビーム放射構成要素および画像形成要素の配置方向に対して平行シフトされて配置されている、ということを意味する。

さらに、ビーム偏向要素を同時に画像形成要素として構成することができる。このことは、画像形成要素をビーム偏向要素の一部分として構成することが可能であることを意味する。とりわけ例えば少なくとも部分的に透明な光学要素を、ビーム偏向要素の上または中に構成することができる。さらに、ビーム偏向要素を以下のように構成することができる。すなわち、電磁ビームが投影面上に一様に偏向されるのではなく、例えば投影面の異なる部分領域に異なる強度で集束または視準されるように、構成することができる。これによって例えば投影面における輝度差を可能にすることができる。これに加えてビーム偏向要素は、適当に成形された、自由形状面として構成された表面を有することができる。

さらにビーム偏向要素はミラーを有することができる。ミラーは、平坦に、または湾曲されて、例えば球面、楕円、放物線状、またはこれらの組み合わせ形状に形成することができる。ミラーはさらに固定的または可動に配置することができ、後者の場合には、投影面上の画像の位置が変化されるか、または、例えば液晶マトリクスまたは液晶要素のような、時間によって変化し得る画像形成要素と関連して、段および列毎の走査によって投影面上の画像が可能となる。

画像形成要素もミラーを有することができ、該ミラーは、電磁ビームに対して少なくとも部分的に反射性とすることができる。ミラーはさらに、反射性の表面の上に、例えば構造化された表面、および／または、カラーフィルタ、および／または液晶マトリクスを有することができる。

この際ビーム放射構成要素を、放射方向が投影面とは異なる方向へ向けられるように配置することができる。このことは、ビーム放射構成要素を、例えば空間的なフレーム条件および予め定められた状況に基づいて省スペースに結像装置内に配置することができ、これによって放射方向が、投影面とは異なる方向に向けられ得ることを意味している。しかしそれにもかかわらず、ビーム偏向要素によれば電磁ビームを投影面へと向けることが可能である。

ビーム放射構成要素は、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むか、またはＬＥＤとすることができる。ＬＥＤは有利には、単色または混合色ビームを放射し、さらに例えば波長変換材料を有することができる。ＬＥＤは例えば、１つ以上の活性領域を備える半導体層列を有することができ、この活性領域は、動作中、とりわけ電流の印加中に電磁ビームを生成する。さらに、ビーム放射構成要素は複数のＬＥＤ、とりわけＬＥＤアレイを有することができるか、または複数のＬＥＤ、とりわけＬＥＤアレイとすることができる。

半導体層列は、エピタキシ層列として、すなわちエピタキシャルに成長された半導体層列として構成することができる。ここでは半導体層列は、たとえば無機材料をベースとして、たとえばＩｎＧａＡｌＮをベースとして形成することができ、たとえばＧａＮ薄膜半導体チップを形成することができる。ＩｎＧａＡｌＮベースの半導体チップにはとりわけ、通常は異なる個別の層から成る層列を有するエピタキシ形成された半導体層列が、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}ＮのIII‐Ｖ化合物半導体材料系から成る材料を有する個別層を少なくとも１つ有する半導体チップが含まれる。ここでは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である。択一的または付加的に半導体層列は、ＩｎＧａＡｌＰをベースとすることもできる。すなわち半導体層列は、異なる個別層を有することができ、そのうち少なくとも１つの個別層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}ＰのIII‐Ｖ化合物半導体材料系から成る材料を有することができ、ここでは０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である。択一的または付加的に、半導体層列は他のＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体材料系、例えばＡｌＧａＡｓベースの材料またはＩＩ‐ＶＩ族化合物半導体材料系を有することができる。

半導体層列は活性領域としてたとえば、従来のｐｎ接合部、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）あるいは多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有することができる。半導体層列は活性領域の他に、別の機能層および機能領域も有することができ、たとえばｐドーピングまたはｎドーピングされた電荷担体輸送層、すなわち電子輸送層または正孔輸送層、および／または、ｐドーピングまたはｎドーピングされた閉じ込め層、および／または、ｐドーピングまたはｎドーピングされたクラッド層、および／または、バリア層または平坦化層、および／またはバッファ層および／または保護層および／または電極を有するか、またはこれらの組み合わせを有することができる。活性領域または別の機能層および別の機能領域に関するこのような構造は、当業者にはとりわけ、構成、機能および構造に関して公知であるから、ここでは詳細に説明しない。

ビーム放射構成要素はさらに、半導体層列によって生成された電磁ビームを集束または視準するための光学要素を有することができる。このような光学要素は、例えばレンズ、レンズアレイ、光学的集光器、またはこれらの組み合わせを有することができる。光学要素は、半導体層列上に直接配置することも、半導体層列とは間隔を置いて配置することもできる。

さらに、ビーム放射構成要素、画像形成要素、ビーム偏向要素、およびビーム出射面を、１つのケーシング内に配置することができる。この際ケーシングは、例えば携帯電話、デジタルカメラ、ＭＰ３またはマルチメディアプレーヤー、いわゆる携帯情報端末（ＰＤＡ）、またはポータブルコンピュータのような、持ち運び可能な電子機器のケーシングとすることができる。したがって結像装置は、このような電子装置の一部として構成することができる。プロジェクタやビーム発生器のような従来の独立型投影装置は、これまでは上述の電子機器の上に付加的に接続する必要があり、著しいスペース要求を有していたが、このような従来の投影装置とは異なり上述した実施形態によれば、コンパクトかつ省スペースの結像装置を、持ち運び可能な電子機器の中に組み込むことが可能となる。

とりわけこの際、ビーム出射面を、ケーシングの開口部または窓として構成することができる。さらに例えば、ビーム偏向要素の平面も、例えば該ビーム偏向要素が上述のようなレンズまたはレンズセグメントを含む場合には、ビーム出射面を形成するか、またはビーム出射面に含めることができる。

さらにビーム出射面は、投影面に対して非平行に配置することができる。このことは、画像を投影するための結像装置が、投影面に対して以下のように配置されていることを意味する、すなわち、ビーム出射面と投影面とが互いに０°より大きく１８０°より小さい角度になるよう配置することができるのである。とりわけ、ビーム出射面を、投影面に対して垂直に配向することができる。これによって結像装置を、投影される画像の隣にて側方にずらされて、投影面上か、または少なくとも投影面の近くに配置することができ、この際観察者に対して画像への視界を妨げずに済む。

以下、図１〜３に関連して説明される実施形態から、本発明の別の利点および有利な実施形態ならびに発展形態を理解することができる。

図１は、１つの実施例による結像装置の概略図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、別の実施例による、結像装置およびビーム偏向要素の概略図である。 図３は、別の実施例による結像装置の概略図である。 図４は、別の実施例による結像装置の概略図である。 図５は、別の実施例による結像装置の概略図である。 図６は、別の実施例による結像装置の概略図である。 図７は、別の実施例による結像装置の概略図である。 図８は、別の実施例による結像装置の概略図である。 図９は、別の実施例による結像装置の概略図である。

実施例および図面において、同一の構成部材または同様に作用する構成部材には、それぞれ同一の参照符号を付してある。ここに図示された要素および該要素相互間のサイズ比は、基本的に拡大比率どおりであると見なすべきではない。むしろ、たとえば層、構成部分、構成要素および領域等は、より良好に見やすくし、かつ／または理解しやすくするため、過度に厚く、ないしは過度に大きく図示されていることがある。

図１は、投影面９に画像９９を投影するための結像装置１００の実施例を示す。結像装置１００はビーム放射構成要素１を有し、該ビーム放射構成要素１は、動作中に放射方向に沿って電磁ビームを放射する。示された実施例において、ビーム放射構成要素１は視準光学系を備えるＬＥＤを含み、動作中に白色または単色の可視の電磁ビームを放射する。

ビーム放射構成要素１の放射方向において、電磁ビームのビーム路に画像形成要素２が配置されており、この際前記ビーム放射構成要素１の放射方向は、装置方向１２に対して平行に配向されている。ビーム放射構成要素１および画像形成要素２によって、装置１２が規定されている。画像形成要素２は、例えば種々異なる透過率の領域を備える、部分的に透明な光学要素として構成されている。画像形成要素２の種々異なる透過率の領域によって、画像９９のために必要な空間情報が電磁ビームに輝度変化および／または色変化の形態で刻印される。ビーム放射構成要素１の視準光学系によって、電磁ビームは画像形成要素２に集束される。

ビーム放射構成要素１のビーム路にはさらにビーム偏向要素３が配置されており、画像形成要素２を通って透過された電磁ビームを、投影面９の方向へと偏向することができる。投影面は結像装置１００の構成部分ではなく、壁、スクリーン、テーブル面、ガラス面、またはその他の面とすることができる。

ビーム偏向要素３は図示した実施例においてはレンズであり、該レンズの、前記ビーム放射要素１とは反対の表面が、結像装置１００のビーム出射面４を形成している。ビーム偏向要素３は光学軸３１を有しており、ビーム偏向要素３は、ビーム放射要素１と画像形成要素２に対して以下のように配置されている、すなわち前記光学軸が装置方向１２に対して平行にシフトされて配向されるように配置されているのである。したがってレンズ３は、ビーム放射要素１と画像形成要素２に対して偏心されて配置されている。

これによって投影面９を、ビーム出射面４に対して側方にずらすこと、とりわけ本実施例においては、前記ビーム出射面４に対して垂直に配置することが可能となる。したがって画像９９は、結像装置１００に対して側方にずらされて投影面９上に形成される。

図２Ａには、結像装置２００の別の実施形態が示されており、ここではビーム放射構成要素１は、ＬＥＤ１０と光学要素１１とを備えるケーシングを有しており、前記光学要素は、ＬＥＤによって生成された電磁ビームを、画像形成要素２へと視準または集束するために適当である。

先行する実施例とは異なり、ビーム偏向要素３は、図１に図示したレンズ３の非照明領域が取り除かれたレンズセグメント３として構成されている。これにより、結像装置２００の構成を、材料および重要を節約してよりコンパクトにすることが可能となる。

画像形成要素２とビーム偏向要素３の間の間隔は約４ｍｍである。レンズセグメント３は、電磁ビームを、ビーム出射面４に対して垂直に配置された投影面９に向けるために特別に形成されており、図２Ｂに図示した寸法、すなわち高さ３．０６ｍｍ、直径５．３７ｍｍ、幅４．５５ｍｍを有する。

図３には、結像装置３００の別の実施例が空間図において示されている。結像装置３００は、先行する実施例に示したように、ビーム放射構成要素１、画像形成要素２、ビーム偏向要素３、および、ビーム出射面４を有しており、これらはケーシング５の中に配置されている。図３に示すように、この実施例の場合、画像形成要素２は同時にビーム偏向要素３として構成されている。例えば先行する実施例のような、部分透過性の、すなわち少なくとも部分的に透明の光学要素２を、ビーム偏向要素３の中に組み込むことができるか、またはビーム偏向要素３の上に配置することができる。

ケーシング５は、例えば携帯電話またはマルチメディアプレーヤーのような、持ち運び可能な電子機器のケーシングとすることができる。結像装置３００に対して側方にずらされた任意かつ適切な投影面９上にて、結像装置３００の隣に、観察者によって知覚可能な画像を形成することができる。

図４〜９には結像装置の別の実施例が図示されており、ここでは見易さのために、図示した構成要素に加えて、必要な支持体、電気および電子制御装置または付加的な構成部材は図示されていない。

図４の結像装置４００は、ビーム放射構成要素１を有し、該ビーム放射構成要素は、電磁ビームを放射することができるＬＥＤまたはＬＥＤアレイ１０を有する。ビーム放射構成要素はさらに、視準光学系または集束光学系の形態の光学要素１１を有し、該光学要素は、電磁ビームを、少なくとも部分的に透明な要素２へと集束ないし配向させる。

少なくとも部分的に透明な要素２は、図示した実施例においてはＬＥＤマトリクスを含み、該ＬＥＤマトリクスは、投影面９上にて時間によって変化可能な画像９９を可能にする。先行する実施例のように、投影面９は、ビーム出射面４に対して傾けられている。この際投影面９は、ビーム偏向要素３に基づいて、図示した９０度とは異なる角度で配向することも可能である。

図５の結像装置５００は、画像形成要素２として、少なくとも部分的に反射する要素２を有し、該要素２は、種々異なって反射する領域に構造形成された表面を有する。択一的または付加的に、前記少なくとも部分的に反射する要素２は、反射性の裏面を備える液晶マトリクスまたは液晶要素も有することができ、これによって例えば、時間によって変化可能な画像９９を達成することが可能となる。少なくとも部分的に反射する要素２は、固定的または可動に支承することができる。

ビーム放射構成要素１は、ケーシング５内にて、投影面９の平面と同じ法線方向を有する平面に取り付けられている。したがってビーム放射構成要素１の放射方向は、投影面９とは異なる方向に向けられており、このことは、例えば結像装置５００のコンパクトな構造という点で有利となろう。レンズまたはレンズセグメントとして構成されたビーム偏向要素３によって、電磁ビームは、投影面９の方向へと偏向される。

図６による結像装置６００においては、ビーム偏向要素３は、レンズ３またはレンズセグメント３３と組み合わせてプレーンミラー３２を含む。これによって画像形成要素２は、上に記載したように例えば液晶マトリクスまたは液晶要素として構成することができるか、またはそのようなものを有することができ、この際ビーム放射構成要素は図５の実施例のように配置することができる。

図７による結像装置７００は、ビーム偏向要素３として中空体ミラー３を有し、該中空体ミラーは先行する実施例と比較して、プレーンミラー３２の偏向機能と、結像装置６００のレンズ３の集束機能または視準機能またはビーム偏向機能とを同時に可能にする。

この場合ビーム出射面４は、ケーシング５の窓４１によって形成される。

図８による結像装置８００においては、ビーム偏向要素３は同時に画像形成要素２でもある。このビーム偏向および画像形成要素２，３は、自由形状の光学系として構成されており、該光学系は、１つ以上の光学要素から形成することができ、投影面９上に画像９９として像が可能となるように成形されている。他の光学要素が必要ないので、結像装置８００は非常にコンパクトに構成することができる。

図９の実施例による結像装置９００は、種々異なる色のＬＥＤ１０１，１０２，１０３を含むＬＥＤアレイ１０を備えたビーム放射要素１を有する。これらのＬＥＤ１０１，１０２，１０３は、種々異なる波長スペクトル、例えば赤、緑、青における重心を備える光を放射する。種々異なるＬＥＤ１０１，１０２，１０３から放射された電磁ビームは、共通の視準光学系１１によって、画像形成要素２に集束される。画像形成要素２は、複数の異なる部分領域２１，２２，２３を有する。これらの部分領域は、例えば液晶マトリクスに加えてそれぞれ１つの色選択性被覆を有することができ、これによって多色の画像９９を投影面９に実現することが可能となる。

図示した実施例に加えて、図示した機能原理および要素のさらなる組み合わせも可能である。

本発明は上述した実施例に限定されるものではない。さらに本発明は、あらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これにはとりわけ特許請求の範囲に記載した特徴の組み合わせ各々が含まれ、このことは例えそのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていないにしてもあてはまる。

Claims (15)

1. 投影面に画像（９９）を投影するための結像装置において、
   ・動作中に放射方向に沿って電磁ビームを放射する、ビーム放射構成要素（１）
   ・前記ビーム放射構成要素（１）のビーム路にある、画像形成要素（２）
   ・前記ビーム放射構成要素（１）のビーム路にある、電磁ビームを投影面（９）に偏向するための、ビーム偏向要素（３）
   ・ビーム出射面（４）
   を含み、この際、
   ・前記投影面（９）は、前記ビーム出射面（４）に対して側方にずらされている、
   ことを特徴とする結像装置。
2. 前記画像形成要素（２）は、画像（９９）を形成するために、電磁ビームに対して少なくとも部分的に透明な光学要素、および／または、電磁ビームに対して少なくとも部分的に反射性の光学要素を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の結像装置。
3. ・前記画像形成要素（２）は、ビーム路において前記ビーム放射構成要素（１）に後置されており、
   ・前記ビーム偏向要素（３）は、前記ビーム放射構成要素（１）のビーム路において前記画像形成要素（２）に後置されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の結像装置。
4. 前記少なくとも部分的に透明な光学要素（２）は、少なくとも２つの領域を有し、これらの領域は、電磁ビームに対して互いに異なる透過率を有する、
   ことを特徴とする請求項２記載の結像装置。
5. 前記少なくとも部分的に透明な光学要素（２）は、少なくとも部分的に電磁ビームに対して透過性のマトリクスを有する、
   ことを特徴とする請求項４記載の結像装置。
6. 前記少なくとも部分的に透明な光学要素（２）は、液晶マトリクスおよび／または構造化されたカラーフィルタを含む、
   ことを特徴とする請求項５記載の結像装置。
7. 前記ビーム偏向要素（３）は、レンズまたはレンズセグメントを含む、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の結像装置。
8. 前記レンズまたはレンズセグメントは、前記ビーム放射構成要素（１）のビーム路において偏心されて配置されている、
   ことを特徴とする請求項７記載の結像装置。
9. 前記ビーム偏向要素（３）と前記画像形成要素（２）は、１つの光学要素に構成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の結像装置。
10. 前記ビーム偏向要素（３）および／または前記画像形成要素（２）は、電磁ビームに対して少なくとも部分的に反射性であるミラーを有する、
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の結像装置。
11. 前記ビーム放射構成要素（１）の放射方向は、投影面（９）とは異なる方向に向けられている、
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の結像装置。
12. 前記ビーム放射構成要素（１）は、ビームを放射する半導体層列を有する、
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の結像装置。
13. ・前記ビーム放射構成要素（１）、前記画像形成要素（２）、前記ビーム偏向要素（３）、および前記ビーム出射面（４）は、１つのケーシング（５）内に配置されており、
    ・前記ビーム出射面（４）は、前記ケーシング（５）の開口部または窓（４１）として構成されている、
    ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の結像装置。
14. 前記ビーム出射面（４）は、前記投影面（９）に対して非平行に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の結像装置。
15. 前記ビーム出射面（４）は、前記投影面（９）に対して垂直に配向されている、
    ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の結像装置。

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