JP3245190U - Ｌｅｄアレイ照明付き像プロジェクタ - Google Patents

Abstract

像を投影するためのプロジェクタは、照明光学系（８）を介して収束ビームで空間光変調器（ＳＬＭ）（１０）を照明するための別々に制御可能なＬＥＤを有するＬＥＤアレイ（２）を含む。投影光学系（１２）は、ＳＬＭによって生成された像を投影する。典型的には、４つの平面反射器を有する反射配置（１６）は、ＬＥＤアレイ（２）と照明光学系（８）との間に配備され、その結果、ＬＥＤの各々からの光が、照明光学系を介してＬＥＤから直接透過することによってＳＬＭの第１の領域、及び平面反射器内の反射を介してＳＬＭの追加の領域を照明する。【選択図】図３

Description

本考案は、像プロジェクタに関し、特に、ＬＥＤアレイを照明源として採用する像プロジェクタに関する。

デジタル光処理（ＤＬＰ）システムの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）変調器、デジタルマイクロミラーデバイスなどの空間光変調器を照明し、ユーザの眼に出力するために変調された像をコリメートすることによって像を投影することが知られている。そのようなプロジェクタは、ニアアイディスプレイで使用されることが多く、投影された像は、典型的には、部分反射面又は回折要素によって、ユーザの眼に結合されるまで、像が内部反射によって伝播する透明な光ガイドに導入される。

本考案は、ＬＥＤアレイを照明源として採用する像プロジェクタである。

本考案の一実施形態の教示によれば、像を投影するためのプロジェクタであって、（ａ）照明を生成するための複数の別々に制御可能なＬＥＤを含むＬＥＤアレイと、（ｂ）像を生成するために入射照明の光学特性を変調するように配備された空間光変調器（ＳＬＭ）と、（ｃ）ＬＥＤからの照明を受信し、ＳＬＭに向かって収束ビームとして照明を指向するように配備された照明光学系と、（ｄ）投影された像を生成するために、ＳＬＭによって生成された像を投影するように配備された投影光学系と、（ｅ）少なくとも３つの平面反射器を含む反射配置であって、反射配置が、ＬＥＤアレイと照明光学系との間に配備され、その結果、ＬＥＤの各々からの光が、照明光学系を介してＬＥＤからの直接透過によって、ＳＬＭの第１の領域、及び平面反射器のうちの少なくとも１つにおける反射を介して、第１の領域とは別個のＳＬＭの追加の領域を照明し、少なくとも３つの平面反射器が、多角形の形状を形成する、反射配置と、を備える、プロジェクタが提供される。

本考案の一実施形態の更なる特徴によれば、反射配置が、長方形の形状を形成するように配備された平面反射器のうちの４つを含み、平面反射器が、ＬＥＤの各々について、ＳＬＭ上に少なくとも９つの別個の照明領域のセットを生成する。

本考案の一実施形態の更なる特徴によれば、４つの平面反射器が、平行反射器の２対を形成する。本考案の一実施形態の代替的な特徴によれば、４つの平面反射器が、拡散反射器の少なくとも１つの対、又は収束反射器の少なくとも１つの対を含む。

本考案の一実施形態の更なる特徴によれば、４つの平面反射器が、光ガイドプリズムの外面によって提供される。

本考案の一実施形態の更なる特徴によれば、反射配置の端部が、照明ストップを画定し、照明ストップが、照明光学系及び投影光学系によって、プロジェクタの出口開口部上に結像される。

本考案の一実施形態の更なる特徴によれば、少なくとも１つのプロセッサを含むコントローラも提供され、コントローラが、ＬＥＤアレイ及びＳＬＭに関連付けられており、コントローラが、（ａ）投影される像のためのピクセルデータを受信し、（ｂ）ＬＥＤの各々について、ＬＥＤによって照明された別個の領域内で生じる最大ピクセル値を決定し、（ｃ）ＬＥＤの各々について、対応する最大ピクセル値を生成するために必要な照明レベルを決定し、（ｄ）必要な照明レベルに従って、ＬＥＤによって照明されたときに投影される像に対応するピクセル出力を生成するために、ＳＬＭのピクセルのスケーリングされたピクセル値を計算し、（ｅ）スケーリングされたピクセル値に従ってＳＬＭを作動させ、かつ（ｆ）必要な照明レベルに従って、ＬＥＤアレイを作動させるように構成されている。

考案を、添付の図面を参照して、実施例として本明細書に記載する。

ＬＥＤアレイ光源からの照明の分布を示す像プロジェクタの光学配置の概略図である。 反射空間光変調器を採用し、偏光ビームスプリッタ構成に基づいた、図１の光学配置の一実施態様の側面図である。 ＬＥＤアレイ光源と照明光学系との間に介在された反射配置を採用する、本考案の一態様による像プロジェクタの側面図である。 折りたたまれていないときの図３の反射配置によって生成されたものと等価の光路を示す概略図である。 アレイの１つのＬＥＤの位置を強調するＬＥＤアレイの概略正面図である。 図３の反射配置を乗じたときの図５Ａの強調されたＬＥＤによって生成される照明パターンの概略正面図である。 図３の像プロジェクタを採用して所望の出力像を生成するコントローラの動作を示すフロー図である。 それぞれ、１つ以上の対の平行、拡散、及び収束する反射器を有する反射配置の実装態様の概略図である。 それぞれ、１つ以上の対の平行、拡散、及び収束する反射器を有する反射配置の実装態様の概略図である。 それぞれ、１つ以上の対の平行、拡散、及び収束する反射器を有する反射配置の実装態様の概略図である。

本考案は、ＬＥＤアレイを照明源として採用する像プロジェクタである。

本考案による像プロジェクタの原理及び動作は、図面及び添付の説明を参照することによってより良く理解され得る。

ここで図面を参照すると、図１及び図２は、出口ストップ１４を介してコリメートされた像を投影するための像プロジェクタを概略的に示している。照明は、像平面１０を通過し、像は、ピクセル要素の２次元アレイを提供する空間光変調器（ＳＬＭ）によって生成され、ピクセル要素の各々は、ピクセル要素によって透過又は反射された光の特性、典型的には偏光を変調するように制御可能である。透過光のＳＬＭの一例は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）であり、反射ＳＬＭの一例は、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）デバイス又はデジタル光処理（ＤＬＰ）デバイスである。図１の概略表現は、左から右への光学経路に沿った伝播を示すが、図２に示されるように、この光学経路は、結像平面１０に位置するＬＣＯＳを含む様々な反射要素で折りたたまれ得ることが理解されるであろう。少なくとも１つの光学要素のコリメート配置１２は、像平面（ＳＬＭ）からの照明をコリメートして、出口ストップ１４に向けられたコリメートされた像を生成するように構成され、これは、典型的には、ユーザの眼に送達するための光ガイド光学要素（導波路）に注入するためのものである。

像プロジェクタはまた、照明ストップ６からの照明を送達する照明配置と、照明ストップ６と像平面１０との間の光路に配備された照明光学系８と、を含む。好ましくは、光学効率を向上させるために、照明光学系８及びコリメート配置１２は、照明ストップ６の像が出口ストップ１４に実質的に落ちるように構成されている。これは、「瞳結像」を達成し、照明ストップ６からＳＬＭに向かう照明光線が効率的に出口ストップ１４に指向されることを確実にする。

本考案は、特に、照明源がＬＥＤアレイ２である像プロジェクタに関する。ＬＥＤアレイ２が、好ましくは、ＳＬＭ上で収束ビーム（フォーカスされるか、又はわずかにオフフォーカスされるかのいずれか）を形成するように照明光学系８によって指向されて、その結果、ＬＥＤアレイの選択的照明がＳＬＭの異なる領域の選択的な照明を生成する。これにより、（拡張現実アプリケーションで一般的であるように）像が表示されていない領域を照明しないことによって、エネルギーを節約しながら、像コンテンツが生成されるＳＬＭの領域を選択的に照明することが可能になる。このような電力節約は、コンパクトで軽量な実装態様に電力効率が重要であるニアアイディスプレイアプリケーションで特に重要である。

ＬＥＤアレイは、典型的には、一般に「ミニＬＥＤアレイ」と称される寸法のものであり、これは以下本明細書ではｍＬＥＤａと略されるが、本考案は、ＬＥＤアレイの任意の特定の寸法又はハードウェア実装態様に必ずしも限定されない。

ｍＬＥＤａ２内の活性化されたピクセルからの光は、典型的には、ランバート分布で放出され、光５の一部は、照明ストップ６の開口部を通過してシステム内に入り、光４の大部分は、より高い角度で透過され、失われる。

ＭＬＥＤａのピクセルは、色のものであり得、この場合、像平面１０に到達するｍＬＥＤａ２からのピクセルの像をぼかし、それによって均一な色分布を可能にする光拡散器を導入することが好ましい。代替的には、ｍＬＥＤａ２は白色光を送信し、マトリックス１０上のピクセルはピクセル当たりの色フィルタを有する。この場合、最小限の拡散が必要である。

ｍＬＥＤａからのランバート分布は、典型的には約１２０度の円錐であるが、実際に使用されている光円錐５は約３０度である。このシナリオでは、失われた光４は、ｍＬＥＤａによって生成された光の９４％近くであり、収集効率はわずか６％である。理論的には、ＬＥＤアレイを照明光学系のより近くに位置決めすることによって、これらの損失を低減することが可能であり得るが、これは、はるかに短い焦点距離を有する照明光学系を必要とし、実装態様上の問題を提示する。追加的に、上述したような好ましい光学配置は、照明ストップ６と出口ストップ１４との間の瞳結像を有するが、ｍＬＥＤａ照明５は、好ましくは、出口ストップ１４でコリメートされるＳＬＭ平面１０上の収束（フォーカスされるか、又はニアフォーカスされる）画定パッチであり、したがって、照明ソースと照明ストップとの間の重要な間隔を必要とする。

図２は、そのようなシステムの例示的な実装態様を示す。ｍＬＥＤａ２からの光は、照明ストップ瞳平面６（ここでは対軸レンズとして提示される）及びレンズ８によって任意選択的に部分的にフォーカスされる。光は、ＰＢＳ９によって、像平面１０（その面に隣接するフィールドレンズでここに示される）でＬＣＯＳ（又は別の像生成器）上で反射される。反射光は、ＰＢＳ９を通過してコリメート反射レンズ１２（これは、屈折成分を有する複合レンズとして示される）上に通過し、そこからＰＢＳ９で反射されて瞳１４を出る。

ここで、及び本文書全体を通して、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）での反射／透過又は透過／反射のシーケンスが示される場合は、当技術分野で周知であるように、単一の透過のための半波プレート又は二重パス反射界面のための四分の一波プレートなどの偏光スイッチング構成要素が、光経路の所望の挙動を達成するために提供されることが理解されるべきである。ＬＣＯＳ ＳＬＭの場合、ＬＣＯＳ自体の動作は、ピクセル値の関数として偏光を選択的に回転させることであるため、そのような要素は典型的には必要とされない。

ここで図３を参照すると、これは、像を投影するための本考案の非限定的であるが特に好ましい実施形態によるプロジェクタを示す。多くの点で、プロジェクタは、図２のものと同様であり、これは、照明を生成するための複数の別々に制御可能なＬＥＤを有するＬＥＤアレイ２、像を生成するための入射照明の光学特性を変調するために配備された空間光変調器（ＳＬＭ）１０、ＬＥＤから照明を受信し、ＳＬＭに向かって収束ビームとして照明を指向するように配備された照明光学系８、及びＳＬＭによって生成された像を投影するように配備された投影光学系１２を含み、その結果、出口ストップ１４に示される投影像、好ましくはコリメート像を生成する。

図３のプロジェクタは、ＬＥＤアレイ２と照明光学系８との間に配備された、少なくとも３つ、好ましくは４つの平面反射器を含む反射配置１６を含むことによって、図２のプロジェクタと区別される。ＬＥＤアレイ２から照明光学系８に通過する光の光軸に垂直な断面では、平面反射器は、好ましくは、反射器の数、例えば、３つの反射器のための三角形、及び４つの反射器のための正方形又はそうでなければ長方形に応じて多角形状を形成する。ここに示される好ましい実装態様では、反射器は、光軸に平行に延在する。この構造の結果、ＬＥＤの各々からであって、像平面１０でのフォーカスに向かって、又はニアフォーカスに向かって収束する光は、照明光学系を介してＬＥＤからの直接透過によってＳＬＭの第１の領域、及び平面反射器のうちの少なくとも１つにおける反射を介して、第１の領域とは別個のＳＬＭの追加の領域を照明する。

「直接透過」という句は、本明細書では、反射器のいずれかによる反射なしに反射配置の光の通過を指すために使用されるが、照明光学系８内の反射要素の使用又は照明のすべての領域に作用するＰＢＳ９の存在を排除するものではない。

ここに示される特に好ましい実装では、反射配置は、平行な反射器の２つの対として典型的に形成される、横方向の断面（「等辺長方形」は、「正方形」と同義であり、これにより、「長方形」の定義に明示的に含まれる）で等辺又は非等辺の長方形の形状を形成するように配備された４つの平面反射器で構成される。１つの特に好ましいが非限定的な例では、反射器は、光ガイドプリズムの外面によって提供され、この例では、最も好ましくは正方形の入口及び出口面を有する立方体プリズムである。出口面は、任意選択で、屈折力を有する非平面で形成されてもよい。

したがって、図３は、透明プリズムとして実装された反射配置１６に隣接するｍＬＥＤａ２を示す。直接透過光５は、典型的には、小さなエアギャップ３を介して反射配置に入り、反射配置を通過し、任意選択で、システムの照明ストップとして好ましくは機能する出口１８で屈折する。反射配置からのこの出口１８には、有利には、光拡散器又はマイクロレンズアレイが設けられてもよい。光路の残りの部分は、図２で上述したものと同様であり、出口１８の照明ストップは、好ましくは、上述のように、プロジェクタの出口瞳１４に結像される。ｍＬＥＤａ２から高角度で出現する光４も反射配置１６に入るが、全内部反射（ＴＩＲ）によって、又は必要に応じて１６の面上の反射コーティングによってその面から反射する。この光（破線矢印として示されている）も１６から光学系に出現するが、高い角度では、したがって、フィールドの高い角度を照明する。

図４は、図３の展開された概略図を示す。反射配置１６は、破線状の長方形によって示されるように展開され、一方、高角光４は、反射なしで示され、すなわち、ＬＥＤアレイの鏡像から発するかのように示される。ガラス及び空気中のこれらのビームの高角度は明らかであり、光の収集コーンは９０度のオーダーであることができる。したがって、１２０度のランバート放射からの収集効率は約６０％であり、これは、図２に示されるような自由空間で典型的に収集されるよりも１０倍多い。

図３の配置から生じる照明パターンの概略的な描写を図５Ａ及び図５Ｂに示す。図５Ａでは、ＬＣＯＳマトリックス１０は、中央矩形２０Ｃの正方形直射光（以前は５として説明された）によって照明される。矢印は、向きについて示され、ピクセル２２は、赤、緑、及び青を表す。明瞭にするために、すべての色からの単一のピクセルが示されるが、どのピクセルが２で活性化されるかに応じて、すべての矩形２０Ｃを照明することができる。図５Ｂは、反射ビーム４によって生成された折り畳まれた像を示す。長方形反射２０Ｌ及び２０Ｒは、ｍＬＥＤａからの光４が、反射配置１６の側方反射器によって左右に一度反射された後に生じる。長方形２０Ｕ及び２０Ｄは、反射配置１６の他の垂直面からの反射を表す。長方形２０ＵＲ、２０ＵＬ、２０ＤＲ及び２０ＤＬは、反射配置１６の２つの隣接する面による組み合わされた反射を表す。

光が反射配置１６から出て面１８を通過するとき、それは、均一な色の照明を生成するために好ましくは軽く拡散される。この拡散は少数のピクセルのみであるため、ＬＣＯＳの選択的照明が維持される。図５Ｂでは、この拡散は、ピクセル２２がスポット２４にぼやけているときに概略的に提示される。

反射配置１６の拡散器及び端部は、好ましくは重なり合い、出力開口部１４の瞳像平面に位置する。結果として、１８から出現し、ＳＬＭによって反射（又は透過）された照明光の実質的にすべては、瞳１４を介して導波路（図示せず）内に結合される。

図５Ｂから分かるように、ｍＬＥＤａ内のすべてのピクセルの活性化は、この例では、像生成器１０上の像平面内の９つの照明スポットを生成する。したがって、改善された効率は、他の像セクションも照明する必要がある場合に利用可能である。

ここでは、９つの長方形の像のみが示されるが、異なる数の反射が可能である。例えば、反射配置１６の三角形の断面は、三角形の折りたたまれた照明パターンを生成する。また、反射配置において、より高い角度及び複数の反射を考慮する場合、より多くの反射が可能である。

図３にも示されているように、プロジェクタは、好ましくは、ＬＥＤアレイ２及びＳＬＭ１０に関連付けられ、動作を制御する少なくとも１つのプロセッサ３８を含むコントローラ３６を含む。典型的な好ましい実装態様では、コントローラが、
（ａ）投影される像のためのピクセルデータを受信することと、
（ｂ）ＬＥＤの各々について、ＬＥＤによって照明された別個の領域内で生じる最大ピクセル値を決定し、
（ｃ）ＬＥＤの各々について、対応する最大ピクセル値を生成するために必要な照明レベルを決定し、
（ｄ）必要な照明レベルに従って、ＬＥＤによって照明されたときに投影される像に対応するピクセル出力を生成するために、ＳＬＭのピクセルのスケーリングされたピクセル値を計算し、
（ｅ）スケーリングされたピクセル値に従ってＳＬＭを作動させ、かつ
（ｆ）必要な照明レベルに従って、ＬＥＤアレイを作動させるように構成されている。

アルゴリズムの特定の実装態様の詳細は、図６を参照して示される。具体的には、図６は、折りたたみ照明システムからの電力効率の向上を達成しながら、入力像５０を表示するためのアルゴリズムを概略的に表す。

像は、最初に、収差、ピクセルサイズ、及び拡散器（又はＭＬＡ）スプレッド分布から構成される予測されたぼかしカーネルで畳み込まれる（ステップ５１）。次いで、生成された像は「逆に折りたたまれ」、そのため、すべての像セクションが、ｍＬＥＤａ２９に戻ってその投影に従って配向される（ステップ５２）。

ここで、ｍＬＥＤａピクセル当たりの照明は、像のすべての投影されたセクションの最大パワーとして選択される（ステップ５３）。像３０の断面は、すべての投影されたセクションの強度を示し、破線は、選択された照明パワーを表す。

ｍＬＥＤａ照明パワーが選択された後（ステップ５４）、像マトリックス１０の起動は、ステップ５５における像３１を横切る照明（照明パターンを再折りたたみする）による像の分割として決定される。この分割は常に１よりも小さいため、必要に応じて、像マトリックスは減衰する（ステップ５６）。

最後に図７Ａ～図７Ｃを参照すると、ここまで論じられた実装態様では、反射配置１６を構成する反射器は平行反射器であり、反射配置の長さに沿って一定の断面形状をもたらす。このオプションは、図７Ａに示されており、対向する反射器（例えば、立方体プリズムの面）３０ａの対は平行である。しかしながら、本考案はこれらの場合に限定されず、反射配置は、代替的に、拡散反射器３０ｂ（図７Ｂ）の少なくとも１対又は収束反射器３０ｃ（図７Ｃ）の少なくとも１対を含むことができることに留意されたい。

具体的には、基準点として、図７Ａでは、側面ファセット３０ａは、ＬＥＤアレイの平面３２に垂直であり、それによって、反射面３０ａの周りに平面３２を折りたたむことによって、像平面３４ａを生成する。これにより、照明光源平面３２が得られ、垂直反射器３０ａにより、照明光源３２を有する同一平面上の像３４ａに結像される。図７Ｂ及び図７Ｃは、それぞれ、反射器３０ｂ及び３０ｃによって示されるように、側方反射器が傾斜している場合を示す。このような場合、像平面の反射は、像３４ｂ及び３４ｃに示されるように、対応して傾斜される。これは、例えば、結像光学系がフィールド曲率を有し、反射像３４ｂ又は３４ｃの位置がこの曲率に近似するように選択される場合に有益であり得る。

上記の説明は、実施例として機能することのみを意図しており、添付の特許請求の範囲で定義されるような本考案の範囲内で、他の多くの実施形態が可能であることが理解されるであろう。

Claims (8)

1. 像を投影するためのプロジェクタであって、
   （ａ）照明を生成するための複数の別々に制御可能なＬＥＤを含むＬＥＤアレイと、
   （ｂ）像を生成するために入射照明の光学特性を変調するように配備された空間光変調器（ＳＬＭ）と、
   （ｃ）前記ＬＥＤからの照明を受信し、前記ＳＬＭに向かって収束ビームとして前記照明を指向するように配備された照明光学系と、
   （ｄ）投影された像を生成するために、前記ＳＬＭによって生成された像を投影するように配備された投影光学系と、
   （ｅ）少なくとも３つの平面反射器を含む反射配置であって、前記反射配置が、前記ＬＥＤアレイと前記照明光学系との間に配備され、その結果、前記ＬＥＤの各々からの光が、前記照明光学系を介して前記ＬＥＤからの直接透過によって、前記ＳＬＭの第１の領域、及び前記平面反射器のうちの少なくとも１つにおける反射を介して、前記第１の領域とは別個の前記ＳＬＭの追加の領域を照明し、前記少なくとも３つの平面反射器が、多角形の形状を形成する、反射配置と、を備える、プロジェクタ。
2. 前記反射配置が、長方形の形状を形成するように配備された前記平面反射器のうちの４つを含み、前記平面反射器が、前記ＬＥＤの各々について、前記ＳＬＭ上に少なくとも９つの別個の照明領域のセットを生成する、請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記４つの平面反射器が、平行な反射器の２つの対を形成する、請求項２に記載のプロジェクタ。
4. 前記４つの平面反射器が、拡散反射器の少なくとも１つの対を含む、請求項２に記載のプロジェクタ。
5. 前記４つの平面反射器が、収束反射器の少なくとも１つの対を含む、請求項２に記載のプロジェクタ。
6. 前記４つの平面反射器が、光ガイドプリズムの外面によって提供される、請求項２に記載のプロジェクタ。
7. 前記反射配置の端部が照明ストップを画定し、前記照明ストップが、前記照明光学系及び前記投影光学系によって、前記プロジェクタの出口開口部上に結像される、請求項２に記載のプロジェクタ。
8. 少なくとも１つのプロセッサを含むコントローラを更に備え、前記コントローラが、前記ＬＥＤアレイ及び前記ＳＬＭに関連付けられており、前記コントローラが、
   （ａ）投影される像のためのピクセルデータを受信し、
   （ｂ）前記ＬＥＤの各々について、前記ＬＥＤによって照明された前記別個の領域内で生じる最大ピクセル値を決定し、
   （ｃ）前記ＬＥＤの各々について、対応する最大ピクセル値を生成するために必要な照明レベルを決定し、
   （ｄ）前記必要な照明レベルに従って、前記ＬＥＤによって照明されたときに投影される前記像に対応するピクセル出力を生成するために、前記ＳＬＭのピクセルのスケーリングされたピクセル値を計算し、
   （ｅ）前記スケーリングされたピクセル値に従って前記ＳＬＭを作動させ、かつ
   （ｆ）前記必要な照明レベルに従って、前記ＬＥＤアレイを作動させるように構成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載のプロジェクタ。