JP3582732B2 - 投影システム - Google Patents
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Description
本発明は投影システムに関する。より特定的には、本発明は、投影されるディスプレイが、１つ以上の空間光変調器デバイスによって光源からの光を空間的に変調しその後この空間的に変調された光をディスプレイ領域に投影することによって形成される投影システムに関する。本発明は、特に、異なる色の光のビームがそれぞれ異なる空間光変調器デバイスに照射され、変調されたビームが結合されて１つの投影カラーディスプレイを形成するカラー投影システムに関連しているが、これに限定されるわけではない。
空間光変調器は、入射光ビームを空間的に変調するように制御可能な光学成分である。空間光変調器のうちの１つの種類は、個々にアドレス指定されるピクセルのマトリックスを含むアクティブマトリックスデバイスであり、各ピクセルは光変調器を含む。たとえばEP 0401912に示されているように、各光変調器は液晶であってもよい。代替的には、アクティブマトリックスデバイスは、たとえばUS 4856863、US 4615595およびUS 4596992に示されるような傾斜可能なミラーデバイスのアレイを含んでいてもよい。そのような傾斜可能なミラーデバイスは、対応する電極アレイにわたって与えられる電界によって静電的に偏向可能なミニチュアミラー片持ちばりエレメントを含む。種々の偏向度を与えるために、与えられる静電電位によって偏向度を制御することができる。代替的には、予め定められた静電電位を与えて各傾斜可能なミラーデバイスを異なる偏向状態の間で切換えることによって、これらの傾斜可能なミラーデバイスを２値態様で動作させることができる。各ミラーデバイスは入射光ビームを角度的に偏向し、この光ビームを投影スクリーンまたはビームダンプのいずれかの方に照射する。
各々が個々にアドレス指定可能なそのようなミラーデバイスのアレイを用いれば、２次元的画像を生成することができる。ミラーデバイスを小型にしかつその切換え時間を速くすることによって、これらのミラーデバイスはビデオピクチャーデータ速度で使用可能となり、テレビまたはビデオ動画像をディスプレイスクリーン上に表示することができるようになる。
カラー画像を表示するためには、各々が異なる原色または原色の組合わせの光に応答する３つの別々に照射されるミラーデバイスアレイが設けられてもよく、各デバイスから反射された変調ビームはその後光学的に結合され、１つの光学ディスプレイに投影される。代替的には、異なる色の光を連続的に（たとえば色相環を用いて）１つのアレイに照射してもよく、見る人にフルカラー画像を与えるには、見る人の目の統合応答が頼りにされ得る。
本出願人の同時係属中の国際出願PCT WO93/18620（その内容を引用によりここに援用する）では、光源と、光源からの光を異なる色成分ビームに分割するための手段と、複数個の変形可能なミラー空間光変調器とを備える空間光変調器システムが記載されている。光源と光分割手段と空間光変調器との間の光路は、空間光変調器が装着される１つのプリズム内で規定され、これにより、光学系のサイズを最小限にしかつこのシステムに安定性を与える。
入射ビームは、ミラーデバイスアレイ全体を陰極線管の電子ビームのように走査せず、このミラーデバイスアレイ全体を照射する。したがって、１つ以上の変形可能なミラーデバイスを含む投影システムには、光源からの光のプリズムアセンブリへの光路とプリズムアセンブリによって透過された変調光の投影器システムへの光路とが交差しないように光源と投影システムとの間隔をあける必要があるという不利な点がある。これにより、生産できるシステムの小型化および効率が制限される。
本発明の目的は、この問題を少なくとも軽減できる空間光変調器システムを提供することである。
本発明の第１の局面に従えば、光源と、該光源からの光を異なる色成分ビームに分割するための手段と、複数個の反射空間光変調器とを含む投影システムであって、該光源からの光を異なる色成分ビームに分割するための該手段が１つのプリズムアセンブリに組み込まれ、該プリズムアセンブリは、入射光を空間光変調器のうちの少なくとも１つの方に偏向しかつ該空間光変調器によって生成される空間的に変調された光を透過するのに効果的な少なくとも２つのエアギャップを含む投影システムが提供される。
本発明の第２の局面に従えば、投影システムにおいて用いるためのプリズムアセンブリであって、入射光を少なくとも１つの反射空間光変調器の方に偏向しかつ該空間光変調器によって生成される空間的に変調された光をディスプレイ構成に透過するのに効果的な少なくとも２つのエアギャップを含むプリズムアセンブリが提供される。
該プリズムアセンブリは、異なる波長帯域内の入射光を、各波長帯域の光を含む別々のビームに分離するのに効果的な色分割エレメントを組み込んでいてもよい。
該光変調器は変形可能なミラーデバイスであってもよい。代替的には、該光変調器は反射液晶デバイスであってもよい。
本発明に従った１つの特定の実施例では、空間光変調器の数と同じ数のエアギャップが設けられる。
代替的には、光を複数個の空間光変調器の方に偏向しかつ該複数個の空間光変調器からの光を偏向するために２つ以上のエアギャップが用いられてもよい。
該光分割手段は、連続的に配列されてもよく、交差した構成（空間を節約するため）で配列されてもよく、連続的に交差した構成で配列されてもよい。
本発明に加えることができる要件を含む装置では、異なる波長帯域内の入射光を分割しその後反射空間光変調器から反射された後に光を再結合するのに効果的な二色性表面を含む投影システムであって、該二色性表面は、該空間光変調器に入射するビームおよび該空間光変調器から反射されるビームを含む平面に対して平行な方向に延在し、該二色性表面は、光を分割する領域と再結合する領域とでその特性が異なるように構成されてもよい。
次に、添付の図面を参照して本発明の多くの実施例を例示的に説明する。
図１は、空間光変調器アレイデバイスの構造を概略的に示す図である。
図２は、図１のデバイスの一部分の光学的な照射を概略的に示す図である。
図３は、図１および図２のアレイを組み込むカラー光学投影ディスプレイシステムを概略的に示す平面図である。
図4aは、本発明に従った空間光変調器システムの第１の実施例の一部分を一定の縮尺率で示した平面図である。
図4bは、図4aに示されるシステムの一部分を概略的にかつ簡略化して示す側面図である。
図4cは、図4aに示されるシステムの一部分の端面図である。
図５は、本発明の実施例に組み込まれるエアギャップの機能を説明するための図である。
図6aは、本発明の参考として例示する空間光システムの第２の実施例の一部分を一定の縮尺率で示す平面図である。
図6bは、図6aに示されるシステムの一部分を概略的に示す側面図である。
図6cは、図6aに示されるシステムの一部分の端面図である。
図７は、本発明の参考例である第２の実施例の変形例である、本発明の参考例の第３の実施例の一部分の側面図である。
図8aは、本発明の参考例である第４の実施例の一部分を一定の縮尺率で示す平面図である。
図8bは、図8aに示されるシステムの一部分の側面図である。
図９は、本発明の参考例である第４の実施例の変形例である、本発明の参考例の第５の実施例の側面図である。
図10aは、本発明に従った空間光システムの第６の実施例の一部分を一定の縮尺率で示す平面図である。
図10bは、図10aの実施例の側面図である。
図10cは、図10aの実施例の端面図である。
図11は、図10に示される実施例の適用例である第７の実施例の側面図である。
図12は、本発明の第８の実施例を概略的に示す図である。
図13は、本発明の第９の実施例を概略的に示す図である。
投影システムの全体的な動作
図１を参照して、本発明に従ったシステムに用いるための変形可能なミラーデバイスアレイは、ｍ×ｎ個の偏向可能なミラーデバイスM11〜Mmnのアレイ10を含み、典型的には、低解像度のディスプレイに関しては500×500デバイスのオーダであり、高解像度のディスプレイに関しては2000×2000デバイスのオーダである。アレイ10は、カラービデオ信号が入力される14として示される入力回路からの信号を受け取る電気アドレス回路12に接続される。本出願人の以前の国際出願番号WO 92/12506（その内容を引用によりここに援用する）に記載されているように、このアドレス回路12は、ミラーデバイスM11〜Mmnの各々の電極（図示せず）をそれぞれアドレス指定する。
さらに図２も参照して、光源16からの入射光ビームは、約20゜の角度α（アレイに対する法線からの角度）でアレイ10に照射される。個々の反射器デバイスＭがアレイ10の平面に対して平行であるその静止位置にあるとき、入射ビームは、ビームダンプ（図示せず）に通じる「オフ」経路における経路24bに沿って、この法線に対して対応する20゜の角度で反射される。アドレス指定回路12からの制御信号によってミラーデバイスＭがアレイ10の平面に対して10゜傾いた第１の偏向状態に設定されると、入射ビームはアレイに対して直角の角度で「オン」経路24aに沿って投影レンズおよびディスプレイスクリーン（図２には図示していないが図３にそれぞれ34および36として図示している）に向かって反射される。制御信号によってミラーデバイスＭが第１の偏向状態とは反対方向に10゜傾斜している第２の偏向状態に設定されると、この法線に対して40゜の角度で、これもビームダンプ（図示せず）に通じる第２の「オフ」経路において24cに沿って反射される。
したがって、「オン」経路24aに沿って見ると、瞬時に、アレイ10は２次元的画像を表示し、第１の偏向状態に設定されているミラーデバイスは明るく見え、第２の偏向状態に設定されているミラーデバイスは暗く見える。
次に特に図３を参照して、これから説明するシステムは、それぞれ青色、緑色および赤色の波長帯域内の光を空間的に変調するように構成される３つの別々の変形可能なミラーのアレイ10a、10bおよび10cを含むカラー投影システムである。この図は、そのようなカラー投影システムの動作原理を説明するためのものである。
高電力ランプを備える光源16は、各々が図１および図２のアレイ10に関して説明した形態である３つのアレイ10a、10bおよび10cに対して、入射光路に沿って白色光を発生するように構成される。ミラー32は、光源16からの光をアレイ10bに照射するように構成される。アレイ10bは、アレイ10bからの「オン」経路がミラー32および投影レンズ34を介して投影スクリーン36を照射するように入射ビームを偏向するように構成される。入射光路は、たとえば光源16をディスプレイスクリーン36の上に配置することによってスクリーン36の平面に対して垂直な平面にあってもよい。
入射する光線および偏向された光線の経路内には、入射ビームの一部分をそれぞれ他の変形可能なミラー偏向器アレイ10aおよび10cに反射するような角度だけ傾斜してスクリーンの平面に対して垂直な軸のまわりで回転される１対のスプリッタ／コンバイナミラー38aおよび38bが配置される。
アレイ10a、10bおよび10cは、各アレイ10a〜10cからスクリーン36へ横切る光路が同じになるように配置される。第１のスプリッタ／コンバイナミラー38aは、表示するべきピクチャーの青色波長成分に対応するようにビームを空間的に変調するために、電気的にアドレス指定される変更可能なミラーディスプレイアレイ10aに入射ビームの青色光波長成分を反射することができる。反射された「オン」ビームは垂直方向には20゜偏向されるが、水平方向には実質的に変更されない。スプリッタ38aは、入射光の赤色および緑色波長成分を実質的に減衰せずに透過する。
第２のスプリッタ38bは、再生するべきピクチャーの赤色光波長成分に対応するようにビームを変調するために、電気的にアドレス指定される第２の変形可能なミラーデバイスアレイ10cに入射ビームの赤色波長成分を反射することができ、反射された「オン」経路は垂直方向に20゜偏向される。第２のスプリッタ38bは、再生するべきピクチャーの緑色波長成分に対応するようにビームを空間的に変調するために、電気的にアドレス指定される第３の変形可能なミラーデバイスアレイ10bに緑色波長が入射するように、緑色波長を実質的に減衰せずに通過させる。
空間的に変調された緑色ビームは、それぞれミラー38aおよび38bによって反射され青色アレイ10aおよび赤色アレイ10cによって生成された空間的に変調されたビームと同じ「左右像」を有するようにミラー32によって反射される。空間的に変調された緑色ビームはその後減衰されずにスプリッタ／コンバイナ38aおよび38bと投影レンズ34とを介して戻り、スクリーン36に投影される。赤色アレイ10cからの空間的に変調されたビームは、第１のスプリッタ／コンバイナ38bに到達すると、空間的に変調された緑色ビームと同じ経路に反射され、第２のスプリッタ／コンバイナ38aでは、青色アレイ10aからの空間的に変調されたビームは同じ経路に反射されて戻り、その結果、投影レンズ34における信号は再結合された色信号を含む。
これまで説明してきたようなシステムは先行技術において既知であり、各空間光変調器アレイ10a、10bおよび10cへの入力ビームとそれらからの出力ビームとが重ならないようにするために光学成分間の間隔を広くしなければならないという不利な点がある。これにより、達成できるシステムの小型化が制限される。
第１の実施例
次に、図4a、図4bおよび図4cを参照して、本発明の第１の実施例に従えば、システムは、光源16からの光がアレイ10a、10bおよび10cに到達する前にその光を折り曲げるための手段とともに、図３に示されるスプリッタ／コンバイナミラー表面38aおよび38bの機能をそれぞれ果たすダイクロイックミラー49aおよび49bを備えるマルチファセットプリズムアセンブリ41を含む。これは、以下により詳細に説明するようにエアギャップを介して１方向に通過する入射光を完全に内部に反射する役割を果たす、プリズムアセンブリ41の成分間に、３つのエアギャップ45a、45bおよび45cを設けることによって達成される。
変形可能なミラーのアレイ10a、10bおよび10cの各々は、マルチファセットプリズムアセンブリ41のファセットに隣接して配置される。図4aでは、プリズムアセンブリ41への入力ビームは、図の右側の円43で示される。
図4a、図4bおよび図4cに示される特定の実施例は、表面49aおよび49bを連続的に配列するのではなく交差させて二重スプリッタを形成する交差ダイクロイックミラー構成を含む。
内部プリズム反射面49aは、青色光を青色アレイ10aに反射しかつ他の波長の光を透過するダイクロイックミラー表面38aとしての役割を果たす。同時に、別のプリズム表面49bは、赤色光を赤色アレイ10cに反射する第２のダイクロイックミラー38bとしての役割を果たす。ミラー表面49aおよび49bはともに緑色光を透過し、図３のミラー32と同等の完全に内部に反射する面44を介してこの緑色光を緑色アレイ10bの方に照射する。わかりやすくするために、図4bでは、表面44によって起こる反射を省略している。
次に、プリズムアセンブリ41に組み込まれる３つのエアギャップ45a、45bおよび45cの各々の動作を、１つのエアギャップ45を示している図５を参照して説明する。エアギャップ45は、エアギャップに入射するビームが図５においてビームＡとして示されるように完全に内部に反射されるように構成される。エアギャップからの反射光はその後図５において10で示される空間光変調器に照射する。図２に示される「オン」経路24aに沿った、各空間光変調器からの反射光は、エアギャップ45を真っ直ぐ通過し、図５のビームＢとして現われる。そのような構成により、プリズムアセンブリ41における入来ビームおよび変調ビームを、他の方法で可能である距離よりも短い距離で分離することができるようになる。したがって、他の方法で可能であろうアパーチャシステムよりも大きなアパーチャシステムが実用可能となる。
したがって、このシステムの動作では、再び図4a、図4bおよび図4cを参照して、入来光ビーム43は、白色光を反射しかつビーム48で示される赤外光を透過するように設計されるミラー42によって反射され、赤外光48はその後ミラー46でさらに反射され、ヒートシンク（図示せず）に向けられる。白色光ビーム43は２つの二色性層49aおよび49bによって３つのビームに分離され、図５に示される構成と類似した態様で３つの完全に内部に反射する表面40a、40bおよび40cと３つのエアギャップ45a、45bおよび45cとによってそれぞれ適切な空間光変調器10a、10bおよび10cに向けられる。空間的に変調された光はその後空間光変調器10a、10bおよび10cから反射され、エアギャップ45a、45bおよび45cを通り、その後ミラー46によってプリズムアセンブリから投影レンズ（図4a、図4bおよび図4cには図示せず）の方に向けられ、図4bおよび図4cにおいて示される空間的に発散する変調射出ビーム47を生成する。
図4aからわかるように、アレイ10bに照射される緑色光の場合、さらなる反射は、プリズムアセンブリ41の内面44上で起こる。これにより、緑色の空間的に変調された光には、ミラー49aまたは49bで反射された赤色および青色の空間的に変調された光と同じ「左右像」が与えられる。
主に図4cを参照して、プリズムアセンブリのベースには、プリズムのベースに接合または融合される概略的に51で示される黒色ガラスまたは他の吸収材の層が設けられてもよい。黒色ガラス層51の他方の表面には、銅ヒートシンクまたは他の冷却手段（図示せず）が取付けられる。ヒートシンクは、付加的な外部ヒートシンクコンポーネント（図示せず）上に装着するように突き出ていてもよい。黒色ガラス層または他の吸収層および関連する冷却手段は、図２に関して説明したような「オフ」経路24bおよび24cに沿って通過する光のためのビームダンプとして効果的である。
この交差ダイクロイックミラー構成では、ダイクロイックミラー49aおよび49bの分割および再結合領域は平面図で見たときに十字形を形成するように、物理的には一方が他方の上になるように配置される。図１、図２および図３に関して上で説明したように、アレイ10a、10bおよび10cの各々からの反射ビームは入射ビームから垂直方向にアレイに偏向される。したがって、垂直方向に配列されたミラー49aおよび49bは、別々の分割領域および再結合領域に分割されることができ、入射光を分割しかつ光を再結合して多色の空間的に変調されたビームを形成するためにミラー上に異なる特性のコーティングを用いることができるようになる。
光ビームは、二色性表面49aおよび49bが、入射する多面ビームとアレイ10aおよび10bからの空間的に変調されたビームとの両方に対して同じ角度になるように構成することができる。そのような構成により、本出願人の国際出願番号WO 92/13424に記載しているように、光の損失が回避され、この国際出願の内容を引用によりここに援用する。特に、この構成により、光のスプリッタへの入射角度に依存するダイクロイックミラー49aおよび49bのスペクトル反応による光損失が回避される。しかしながら、代替的な構成では、二色性表面49aおよび49bの各々を介して２方向に通過するビームを、たとえば入力ビーム43、ミラー42および／または完全内部反射表面40のアライメントを調整することによって互いに関して傾斜させてもよい。これは、二色性表面49aおよび／または49bでの制御された損失を達成し、それによって原色の質を向上するように設計され得る。
プリズムアセンブリ41は、たとえばBK7光学クラウンガラスのような何らかの都合の良い従来の光学ガラスからなる。黒色ガラス層51は、プリズム41の屈折率と一致した屈折率を有する。したがって、たとえば、黒色ガラス層はショット社（Schott）から入手可能なタイプNG1であってもよい。黒色ガラス層51の厚さは光の吸収と熱伝導との両方を鑑みてそれらの妥協点で選択され、典型的には0.5ミリメートルである。
オプションとして、アレイ10a、10bおよび10cは適切なセメントを用いてプリズム41の適切なファセットに接着されるか、または、光学結合流体を用いて結合されてもよい。代替的には、アレイ10a、10bおよび10cは、アレイのアライメントを可能にするために、ファセットに関して移動可能であってもよい。
プリズムアセンブリ41に形成されるエアギャップ45a、45bおよび45cの各々の厚さは典型的には10ミクロンである。エアギャップは、プリズムアセンブリのガラス内の窪みによって規定されてもよい。代替的には、たとえば細い金属ワイヤのループまたはマイカのようなスペーサを用いて非常に正確な間隔でエアギャップを設けてもよい。これらのスペーサは、何らかの形態のセメントを用いてプリズムアセンブリに接着され、このセメントの形態の選択は投影システムの当業者に自明であり、スペーサは熱的にプリズムアセンブリのガラスに一致される。
ランプ16からの光は、赤外周波数帯域および紫外周波数帯域のかなりのパワーを含み得る。赤外線は、光学成分を加熱しそれによりミスアライメントが生じる可能性があるため、望ましくない。紫外線は、プリズム成分を互いに接着するセメントに影響を与え得るため、望ましくない。したがって、光源16からの光をプリズムアセンブリ41に集めるために用いられる集光レンズ（図示せず）の前側の凸面は、可視光は透過するが赤外線および／または紫外線は反射するコーティングで被覆され得る。それを介して光ビーム43がプリズムアセンブリ41に入射する表面も、都合よくは、赤外線および／または紫外線の不必要な照射のレベルをさらに低減するためにフィルタコーティング50で被覆され得る。これらのコーティングはどちらも、光学系を通過するランプ16からの光のスペクトル分布をトリミングするように設計されてもよい。もちろん、これは、赤外光をヒートシンクに向ける上述のミラー構成42および46に対する付加的なものである。
プリズムアセンブリ41内では、アレイ10a、10bおよび10cの各々を照射しないいかなる光も、最終的に投影された画像のコントラストの損失を引き起こし得る。したがって、面40a、40bおよび40cを、入射ビーム43を完全に内部に反射するように構成できるのであれば、プリズムアセンブリ41の外面を、都合よくは、層51に関して上で説明したように黒色ガラス（図示せず）で囲み、かつその外面にヒートシンク（図示せず）を設けてもよい。代替的には、この迷光を光ダンプに向けるための手段が設けられてもよく、この光ダンプはプリズムアセンブリ41の外部にあることが可能である。
二色性表面49aおよび49bによって形成される二色性分割交差構造にエアギャップ45a、45bおよび45cを組み込むため、図4a、図4bおよび図4cに示される光学構成が特にコンパクトになることがわかるであろう。
第２の実施例（参考例）
次に図6a、図6bおよび図6cを参照して、これらの図は、プリズムアセンブリが、１つの弁別用エアギャップ63とともに、２つの完全内部反射表面と、２つの交差したダイクロイック色分割ミラー表面とを組み込む本発明の第２の実施例を示している。ダイクロイックミラーは図6aにおいて点線61aおよび61bで示されている。エアギャップ63は図6bにおいて最良に示されている。
本実施例では、１つのエアギャップ63は、光をアレイ10a、10bおよび10cの各々に向けかつこれらのアレイの各々からの光を集めるように構成される。入力ビームはプリズムアセンブリの内部表面を介してエアギャップ63に反射され、光の緑色成分はそのままダイクロイックミラー61aおよび61bを通過し、第２の完全内部反射表面を介してアレイ10bに達する。その後、赤色光成分および青色光成分は、青色光がアレイ10aに入射しかつ赤色光がアレイ10cに入射するように、二色性表面61aおよび61bによってビーム43から分割される。その後、アレイ10a、10bおよび10cからの空間的に変調された光は二色性表面61aおよび61bで再結合され、エアギャップ63を介してプリズムアセンブリから出ていく。
図6bに示されるプリズムアセンブリがアセンブリの２つの部分の間に三角形のエアギャップを含むことがわかるであろう。これは単に簡略化して図示するためである。
第３の実施例（参考例）
図７は、図６に示される実施例の適用例を示している。本実施例も、第２の実施例と同様に１つのエアギャップ65と２つの交差した二色性表面61aおよび61b（図７では見えない）とを有する。しかしながら、図７に示される実施例では、入力光路および出力光路の構成の代替的な可能性を示すために、プリズム構成は図６のものとは異なっている。本実施例では、プリズムアセンブリの入力面が図6bに示される入力面に関して回転されておりかつ出力ビームを反射するのに効果的な別の内部反射面をさらに含んでいるため、入力光路および出力光路は互いに平行でありかつ実質的に同軸である。
投影器システムの必要に応じて他の多くの適用例も可能であることが認識されるであろう。
第４の実施例（参考例）
次に図8aおよび図8bを参照して、本実施例では、入力ビームの色分割が連続的に行なわれるように、２つのダイクロイックミラー83aおよび83bは連続して配置される。プリズムアセンブリ41には、完全内部反射表面85と連続した１つのエアギャップ81が組み込まれる。システムのサイズをさらに縮小するために、表面85は入力ビームを折り曲げるのに効果的である。
第５の実施例（参考例）
図９は、図8aおよび図8bに示される第４の実施例の適用例である第５の実施例の側面図である。
図９に示されるプリズムアセンブリは、３つの二色性表面90a、90bおよび90cを用いて連続的な色分割を行ない、ここでも81で示される１つのエアギャップを用いる。プリズム入力構成とプリズム出力構成とは、エアギャップ面81と連続している完全内部反射表面85とさらなる完全内部反射表面91とを用いてそれぞれこの構成を適応させるように、互いに異なって構成される。
第６の実施例
図10a、図10bおよび図10cは、プリズムアセンブリが、３対の交差する二色性表面81a、81b;81c、81;および81e、81dが連続的に組み合わされる、交差した連続的な二色性表面の組合せを含む第６の実施例を示している。３つのエアギャップ93a、93bおよび93cがプリズムアセンブリに設けられ、各エアギャップは光をアレイ10a、10bおよび10cのうちの１つに向けかつそこから空間的に変調された光を受け取るのに効果的である。
図10a、図10bおよび図10cに示される構成では、入力ビームは、二色性表面81cおよび81dによって、アレイ10bの方に向けられる１つの原色に分割され、残りの２次光は第２の二色性表面対81aおよび81bの方に向けられる。表面81aおよび81bはこの２次光を２つのビーム、すなわち残りの２つの原色の各々に分割し、その各々はアレイ10aおよび10cのうちの１つの方にそれぞれ向けられる。これらの３つの１次光ビームは、エアギャップ93a、93bまたは93cから隣接するアレイ10a、10bまたは10cに反射される。その後、アレイ10a、10bおよび10cからの空間的に変調されたビームは、出力ビーム47を形成するように、エアギャップ93a、93bおよび93cを通過した後二色性表面81a、81bおよび81eで再結合される。
この特定の光学設計は特にコンパクトであり、入力ビーム43が出力ビーム47と同軸であるというさらなる利点を有する。このシステムはまた、二色性表面81cおよび81dを、有用な光のみをアレイ10a、10bおよび10cに送るように構成できるという利点を有する。内部反射面91は、不用の放射、たとえば赤外線の放射を光源に向かってまたは光軸に対してある角度で反射して廃棄するように構成することができる。代替的に、または付加的には、表面91を、非可視光線の不用の放射を二色性表面81eおよび81fを通して出力ビーム47に通過させ投影レンズ（図10aおよび図10bには図示せず）によって投影するように構成することができ、これにより、低いレベルの不用の放射が投影器スクリーン（図10aおよび図10bには図示せず）に投影されるため、スクリーンが僅かに加熱されるという犠牲はあるが、投影器システムにおける熱管理の問題が軽減される。
二色性表面81aおよび81bが、第１の実施例に関して説明した、二色性表面が交差する構成の利点を有することがわかるであろう。
図10aに示されるプリズム構成の外面95および97を、たとえばこれらの表面を黒色ガラスで被覆することによって入力ビーム内の不用の放射を抽出するために用いてもよい。
上述の構成において、すべて互いに独立している４つの分割面81c、81d、81aおよび81bと４つの再結合面81a、81b、81eおよび81fとがあるため、非常に厳重な測色および赤外線制御が可能であることがわかるであろう。
第７の実施例
次に図11を参照して、本実施例では、図10に示される実施例が、アレイ10a、10bおよび10cの活性領域に一致する断面を有するアレイ10a、10bおよび10cの各々に光ビームを生成するための二重レンズレンチキュラーシステムとともに用いるように適合される。これは、図10のプリズム内のコンパクトな経路を利用している。したがって、図11は、２つのレンチキュラーレンズ91および93を組み込む、図10の実施例の適用例を示している。
図４〜図11に示される投影システムは図３に概略的に示される色分割機構を用いているが、たとえば、３つの色すなわちマゼンタ色、シアン色および黄色を用いた機構または３つ以上の色成分ビームを用いた機構のような他の色分割機構を本発明に従ったシステムに用いてもよい。空間光変調器によって変調された光のバランスを向上するために、本発明に従ったシステムに色分割ミラーを用いてもよい。
応用例の中には、カラー投影システムに用いられる３つのアレイ10a、10bおよび10cにさらなるアレイを加えることが都合がよいものもある。そのようなさらなるアレイは、例えば本出願人の同時係属中の英国出願番号第9415771.6号および第9418863.8号に開示されるようにパワー処理の理由のため用いられることができ、これらの出願の内容を引用によりここに援用する。したがって、たとえば、緑色の色チャンネルが２つのアレイ間で分割されるように、たとえば図10aのアレイ10aに隣接するアレイ10bに対向して配置される第４のアレイを構成することが都合が良い場合もある。
本発明に従った投影システムは、１つ以上の色分割手段を用いて２つ以上の空間光変調器の間で入来光を分割するカラー投影システムにおいて特定の応用を有するが、本発明に従った投影システムはまた、投影システムが色分割／結合面を組み込んでいない、たとえば色相環を用いた連続的色投影を用いるカラーシステムまたはモノクロームシステムにおいても利点を有する。
第８の実施例
次に図12を参照して、この図から、図示するようなさらなるエアギャップ510を用いて光路24aを折り曲げることによって、アレイ10から「オン」経路24aに沿って反射された空間的に変調された光を「オフ」経路24bおよび24cに沿って通過する光から分離することができることがわかるであろう。入来光は、以前の実施例の場合と同様に、第１のエアギャップ45によってアレイ10に反射される。
アレイ10から「オン」経路24aに沿って通過する有用な出力ビームを折り曲げるために完全内部反射面を含むエアギャップ510を用いることによって、エアギャップ510に遭遇する「オフ」経路24bのいかなる拒絶光も、その光がエアギャップによって出力面512に透過されその後ビームダンプ（図示せず）に入るような急な角度になるようにすることができる。代替的には、第１の実施例に関して説明した吸収層51をビームダンプとして用いてもよい。完全内部反射面の特性により、経路24aに沿った「オン」光は、投影レンズ（図12には図示せず）に入射するようにエアギャップ510によって反射される。これにより、投影レンズの効果的なアパーチャのサイズを以前に可能であったサイズよりも大きくすることが可能となり、したがってシステムの効率が増大する。
第９の実施例
次に図13を参照して、本発明の本実施例では、入来光はプリズムアセンブリ41に入射し、光は以前の実施例と類似した態様でエアギャップ45の完全に内部に反射する面から１つのアレイ10に反射される。角度が10゜に設定された変形可能なミラーデバイスアレイから反射された光は通常は投影レンズ34の方に反射される。しかしながら、変形可能なミラーデバイスアレイ10から、アレイに対する法線に関して20゜または40゜で反射された非画像形成光は、エアギャップ107で第２の完全内部反射面から反射され、ビームダンプ（図示せず）に向けられる。これにより、光バルブ10から投影レンズ34までの経路が短くなり、システムの効率を向上するかまたはより小型で安価な投影レンズを用いることができるようになる。
本実施例では、光軸に関して、エアギャップ45の角度と全く等しくかつ反対方向の角度θで配置されるさらなるエアギャップ107によって、エアギャップ45のためにシステムで生じる非点収差がなくなることがわかる。
しかしながら、エアギャップ107が、光軸に関して、エアギャップ45の角度とは等しくなくかつ反対方向でない角度である場合、ギャップのサイズが調整されていれば、非点収差の補償はこのエアギャップ107で影響を受け得る。
光を空間光変調器に向けるのにエアギャップが用いられていない場合、不必要な光を逸らすために１つのエアギャップを用いてもよいことも認識されるであろう。
例示的に説明した空間光変調器アレイは変形可能なミラーデバイスであるが、本発明に従った投影システムには、反射液晶デバイスのような他の反射空間光変調器を用いる応用もあることも認識されるであろう。
空間光変調器は、入射光ビームを空間的に変調するように制御可能な光学成分である。空間光変調器のうちの１つの種類は、個々にアドレス指定されるピクセルのマトリックスを含むアクティブマトリックスデバイスであり、各ピクセルは光変調器を含む。たとえばEP 0401912に示されているように、各光変調器は液晶であってもよい。代替的には、アクティブマトリックスデバイスは、たとえばUS 4856863、US 4615595およびUS 4596992に示されるような傾斜可能なミラーデバイスのアレイを含んでいてもよい。そのような傾斜可能なミラーデバイスは、対応する電極アレイにわたって与えられる電界によって静電的に偏向可能なミニチュアミラー片持ちばりエレメントを含む。種々の偏向度を与えるために、与えられる静電電位によって偏向度を制御することができる。代替的には、予め定められた静電電位を与えて各傾斜可能なミラーデバイスを異なる偏向状態の間で切換えることによって、これらの傾斜可能なミラーデバイスを２値態様で動作させることができる。各ミラーデバイスは入射光ビームを角度的に偏向し、この光ビームを投影スクリーンまたはビームダンプのいずれかの方に照射する。
各々が個々にアドレス指定可能なそのようなミラーデバイスのアレイを用いれば、２次元的画像を生成することができる。ミラーデバイスを小型にしかつその切換え時間を速くすることによって、これらのミラーデバイスはビデオピクチャーデータ速度で使用可能となり、テレビまたはビデオ動画像をディスプレイスクリーン上に表示することができるようになる。
カラー画像を表示するためには、各々が異なる原色または原色の組合わせの光に応答する３つの別々に照射されるミラーデバイスアレイが設けられてもよく、各デバイスから反射された変調ビームはその後光学的に結合され、１つの光学ディスプレイに投影される。代替的には、異なる色の光を連続的に（たとえば色相環を用いて）１つのアレイに照射してもよく、見る人にフルカラー画像を与えるには、見る人の目の統合応答が頼りにされ得る。
本出願人の同時係属中の国際出願PCT WO93/18620（その内容を引用によりここに援用する）では、光源と、光源からの光を異なる色成分ビームに分割するための手段と、複数個の変形可能なミラー空間光変調器とを備える空間光変調器システムが記載されている。光源と光分割手段と空間光変調器との間の光路は、空間光変調器が装着される１つのプリズム内で規定され、これにより、光学系のサイズを最小限にしかつこのシステムに安定性を与える。
入射ビームは、ミラーデバイスアレイ全体を陰極線管の電子ビームのように走査せず、このミラーデバイスアレイ全体を照射する。したがって、１つ以上の変形可能なミラーデバイスを含む投影システムには、光源からの光のプリズムアセンブリへの光路とプリズムアセンブリによって透過された変調光の投影器システムへの光路とが交差しないように光源と投影システムとの間隔をあける必要があるという不利な点がある。これにより、生産できるシステムの小型化および効率が制限される。
本発明の目的は、この問題を少なくとも軽減できる空間光変調器システムを提供することである。
本発明の第１の局面に従えば、光源と、該光源からの光を異なる色成分ビームに分割するための手段と、複数個の反射空間光変調器とを含む投影システムであって、該光源からの光を異なる色成分ビームに分割するための該手段が１つのプリズムアセンブリに組み込まれ、該プリズムアセンブリは、入射光を空間光変調器のうちの少なくとも１つの方に偏向しかつ該空間光変調器によって生成される空間的に変調された光を透過するのに効果的な少なくとも２つのエアギャップを含む投影システムが提供される。
本発明の第２の局面に従えば、投影システムにおいて用いるためのプリズムアセンブリであって、入射光を少なくとも１つの反射空間光変調器の方に偏向しかつ該空間光変調器によって生成される空間的に変調された光をディスプレイ構成に透過するのに効果的な少なくとも２つのエアギャップを含むプリズムアセンブリが提供される。
該プリズムアセンブリは、異なる波長帯域内の入射光を、各波長帯域の光を含む別々のビームに分離するのに効果的な色分割エレメントを組み込んでいてもよい。
該光変調器は変形可能なミラーデバイスであってもよい。代替的には、該光変調器は反射液晶デバイスであってもよい。
本発明に従った１つの特定の実施例では、空間光変調器の数と同じ数のエアギャップが設けられる。
代替的には、光を複数個の空間光変調器の方に偏向しかつ該複数個の空間光変調器からの光を偏向するために２つ以上のエアギャップが用いられてもよい。
該光分割手段は、連続的に配列されてもよく、交差した構成（空間を節約するため）で配列されてもよく、連続的に交差した構成で配列されてもよい。
本発明に加えることができる要件を含む装置では、異なる波長帯域内の入射光を分割しその後反射空間光変調器から反射された後に光を再結合するのに効果的な二色性表面を含む投影システムであって、該二色性表面は、該空間光変調器に入射するビームおよび該空間光変調器から反射されるビームを含む平面に対して平行な方向に延在し、該二色性表面は、光を分割する領域と再結合する領域とでその特性が異なるように構成されてもよい。
次に、添付の図面を参照して本発明の多くの実施例を例示的に説明する。
図１は、空間光変調器アレイデバイスの構造を概略的に示す図である。
図２は、図１のデバイスの一部分の光学的な照射を概略的に示す図である。
図３は、図１および図２のアレイを組み込むカラー光学投影ディスプレイシステムを概略的に示す平面図である。
図4aは、本発明に従った空間光変調器システムの第１の実施例の一部分を一定の縮尺率で示した平面図である。
図4bは、図4aに示されるシステムの一部分を概略的にかつ簡略化して示す側面図である。
図4cは、図4aに示されるシステムの一部分の端面図である。
図５は、本発明の実施例に組み込まれるエアギャップの機能を説明するための図である。
図6aは、本発明の参考として例示する空間光システムの第２の実施例の一部分を一定の縮尺率で示す平面図である。
図6bは、図6aに示されるシステムの一部分を概略的に示す側面図である。
図6cは、図6aに示されるシステムの一部分の端面図である。
図７は、本発明の参考例である第２の実施例の変形例である、本発明の参考例の第３の実施例の一部分の側面図である。
図8aは、本発明の参考例である第４の実施例の一部分を一定の縮尺率で示す平面図である。
図8bは、図8aに示されるシステムの一部分の側面図である。
図９は、本発明の参考例である第４の実施例の変形例である、本発明の参考例の第５の実施例の側面図である。
図10aは、本発明に従った空間光システムの第６の実施例の一部分を一定の縮尺率で示す平面図である。
図10bは、図10aの実施例の側面図である。
図10cは、図10aの実施例の端面図である。
図11は、図10に示される実施例の適用例である第７の実施例の側面図である。
図12は、本発明の第８の実施例を概略的に示す図である。
図13は、本発明の第９の実施例を概略的に示す図である。
投影システムの全体的な動作
図１を参照して、本発明に従ったシステムに用いるための変形可能なミラーデバイスアレイは、ｍ×ｎ個の偏向可能なミラーデバイスM11〜Mmnのアレイ10を含み、典型的には、低解像度のディスプレイに関しては500×500デバイスのオーダであり、高解像度のディスプレイに関しては2000×2000デバイスのオーダである。アレイ10は、カラービデオ信号が入力される14として示される入力回路からの信号を受け取る電気アドレス回路12に接続される。本出願人の以前の国際出願番号WO 92/12506（その内容を引用によりここに援用する）に記載されているように、このアドレス回路12は、ミラーデバイスM11〜Mmnの各々の電極（図示せず）をそれぞれアドレス指定する。
さらに図２も参照して、光源16からの入射光ビームは、約20゜の角度α（アレイに対する法線からの角度）でアレイ10に照射される。個々の反射器デバイスＭがアレイ10の平面に対して平行であるその静止位置にあるとき、入射ビームは、ビームダンプ（図示せず）に通じる「オフ」経路における経路24bに沿って、この法線に対して対応する20゜の角度で反射される。アドレス指定回路12からの制御信号によってミラーデバイスＭがアレイ10の平面に対して10゜傾いた第１の偏向状態に設定されると、入射ビームはアレイに対して直角の角度で「オン」経路24aに沿って投影レンズおよびディスプレイスクリーン（図２には図示していないが図３にそれぞれ34および36として図示している）に向かって反射される。制御信号によってミラーデバイスＭが第１の偏向状態とは反対方向に10゜傾斜している第２の偏向状態に設定されると、この法線に対して40゜の角度で、これもビームダンプ（図示せず）に通じる第２の「オフ」経路において24cに沿って反射される。
したがって、「オン」経路24aに沿って見ると、瞬時に、アレイ10は２次元的画像を表示し、第１の偏向状態に設定されているミラーデバイスは明るく見え、第２の偏向状態に設定されているミラーデバイスは暗く見える。
次に特に図３を参照して、これから説明するシステムは、それぞれ青色、緑色および赤色の波長帯域内の光を空間的に変調するように構成される３つの別々の変形可能なミラーのアレイ10a、10bおよび10cを含むカラー投影システムである。この図は、そのようなカラー投影システムの動作原理を説明するためのものである。
高電力ランプを備える光源16は、各々が図１および図２のアレイ10に関して説明した形態である３つのアレイ10a、10bおよび10cに対して、入射光路に沿って白色光を発生するように構成される。ミラー32は、光源16からの光をアレイ10bに照射するように構成される。アレイ10bは、アレイ10bからの「オン」経路がミラー32および投影レンズ34を介して投影スクリーン36を照射するように入射ビームを偏向するように構成される。入射光路は、たとえば光源16をディスプレイスクリーン36の上に配置することによってスクリーン36の平面に対して垂直な平面にあってもよい。
入射する光線および偏向された光線の経路内には、入射ビームの一部分をそれぞれ他の変形可能なミラー偏向器アレイ10aおよび10cに反射するような角度だけ傾斜してスクリーンの平面に対して垂直な軸のまわりで回転される１対のスプリッタ／コンバイナミラー38aおよび38bが配置される。
アレイ10a、10bおよび10cは、各アレイ10a〜10cからスクリーン36へ横切る光路が同じになるように配置される。第１のスプリッタ／コンバイナミラー38aは、表示するべきピクチャーの青色波長成分に対応するようにビームを空間的に変調するために、電気的にアドレス指定される変更可能なミラーディスプレイアレイ10aに入射ビームの青色光波長成分を反射することができる。反射された「オン」ビームは垂直方向には20゜偏向されるが、水平方向には実質的に変更されない。スプリッタ38aは、入射光の赤色および緑色波長成分を実質的に減衰せずに透過する。
第２のスプリッタ38bは、再生するべきピクチャーの赤色光波長成分に対応するようにビームを変調するために、電気的にアドレス指定される第２の変形可能なミラーデバイスアレイ10cに入射ビームの赤色波長成分を反射することができ、反射された「オン」経路は垂直方向に20゜偏向される。第２のスプリッタ38bは、再生するべきピクチャーの緑色波長成分に対応するようにビームを空間的に変調するために、電気的にアドレス指定される第３の変形可能なミラーデバイスアレイ10bに緑色波長が入射するように、緑色波長を実質的に減衰せずに通過させる。
空間的に変調された緑色ビームは、それぞれミラー38aおよび38bによって反射され青色アレイ10aおよび赤色アレイ10cによって生成された空間的に変調されたビームと同じ「左右像」を有するようにミラー32によって反射される。空間的に変調された緑色ビームはその後減衰されずにスプリッタ／コンバイナ38aおよび38bと投影レンズ34とを介して戻り、スクリーン36に投影される。赤色アレイ10cからの空間的に変調されたビームは、第１のスプリッタ／コンバイナ38bに到達すると、空間的に変調された緑色ビームと同じ経路に反射され、第２のスプリッタ／コンバイナ38aでは、青色アレイ10aからの空間的に変調されたビームは同じ経路に反射されて戻り、その結果、投影レンズ34における信号は再結合された色信号を含む。
これまで説明してきたようなシステムは先行技術において既知であり、各空間光変調器アレイ10a、10bおよび10cへの入力ビームとそれらからの出力ビームとが重ならないようにするために光学成分間の間隔を広くしなければならないという不利な点がある。これにより、達成できるシステムの小型化が制限される。
第１の実施例
次に、図4a、図4bおよび図4cを参照して、本発明の第１の実施例に従えば、システムは、光源16からの光がアレイ10a、10bおよび10cに到達する前にその光を折り曲げるための手段とともに、図３に示されるスプリッタ／コンバイナミラー表面38aおよび38bの機能をそれぞれ果たすダイクロイックミラー49aおよび49bを備えるマルチファセットプリズムアセンブリ41を含む。これは、以下により詳細に説明するようにエアギャップを介して１方向に通過する入射光を完全に内部に反射する役割を果たす、プリズムアセンブリ41の成分間に、３つのエアギャップ45a、45bおよび45cを設けることによって達成される。
変形可能なミラーのアレイ10a、10bおよび10cの各々は、マルチファセットプリズムアセンブリ41のファセットに隣接して配置される。図4aでは、プリズムアセンブリ41への入力ビームは、図の右側の円43で示される。
図4a、図4bおよび図4cに示される特定の実施例は、表面49aおよび49bを連続的に配列するのではなく交差させて二重スプリッタを形成する交差ダイクロイックミラー構成を含む。
内部プリズム反射面49aは、青色光を青色アレイ10aに反射しかつ他の波長の光を透過するダイクロイックミラー表面38aとしての役割を果たす。同時に、別のプリズム表面49bは、赤色光を赤色アレイ10cに反射する第２のダイクロイックミラー38bとしての役割を果たす。ミラー表面49aおよび49bはともに緑色光を透過し、図３のミラー32と同等の完全に内部に反射する面44を介してこの緑色光を緑色アレイ10bの方に照射する。わかりやすくするために、図4bでは、表面44によって起こる反射を省略している。
次に、プリズムアセンブリ41に組み込まれる３つのエアギャップ45a、45bおよび45cの各々の動作を、１つのエアギャップ45を示している図５を参照して説明する。エアギャップ45は、エアギャップに入射するビームが図５においてビームＡとして示されるように完全に内部に反射されるように構成される。エアギャップからの反射光はその後図５において10で示される空間光変調器に照射する。図２に示される「オン」経路24aに沿った、各空間光変調器からの反射光は、エアギャップ45を真っ直ぐ通過し、図５のビームＢとして現われる。そのような構成により、プリズムアセンブリ41における入来ビームおよび変調ビームを、他の方法で可能である距離よりも短い距離で分離することができるようになる。したがって、他の方法で可能であろうアパーチャシステムよりも大きなアパーチャシステムが実用可能となる。
したがって、このシステムの動作では、再び図4a、図4bおよび図4cを参照して、入来光ビーム43は、白色光を反射しかつビーム48で示される赤外光を透過するように設計されるミラー42によって反射され、赤外光48はその後ミラー46でさらに反射され、ヒートシンク（図示せず）に向けられる。白色光ビーム43は２つの二色性層49aおよび49bによって３つのビームに分離され、図５に示される構成と類似した態様で３つの完全に内部に反射する表面40a、40bおよび40cと３つのエアギャップ45a、45bおよび45cとによってそれぞれ適切な空間光変調器10a、10bおよび10cに向けられる。空間的に変調された光はその後空間光変調器10a、10bおよび10cから反射され、エアギャップ45a、45bおよび45cを通り、その後ミラー46によってプリズムアセンブリから投影レンズ（図4a、図4bおよび図4cには図示せず）の方に向けられ、図4bおよび図4cにおいて示される空間的に発散する変調射出ビーム47を生成する。
図4aからわかるように、アレイ10bに照射される緑色光の場合、さらなる反射は、プリズムアセンブリ41の内面44上で起こる。これにより、緑色の空間的に変調された光には、ミラー49aまたは49bで反射された赤色および青色の空間的に変調された光と同じ「左右像」が与えられる。
主に図4cを参照して、プリズムアセンブリのベースには、プリズムのベースに接合または融合される概略的に51で示される黒色ガラスまたは他の吸収材の層が設けられてもよい。黒色ガラス層51の他方の表面には、銅ヒートシンクまたは他の冷却手段（図示せず）が取付けられる。ヒートシンクは、付加的な外部ヒートシンクコンポーネント（図示せず）上に装着するように突き出ていてもよい。黒色ガラス層または他の吸収層および関連する冷却手段は、図２に関して説明したような「オフ」経路24bおよび24cに沿って通過する光のためのビームダンプとして効果的である。
この交差ダイクロイックミラー構成では、ダイクロイックミラー49aおよび49bの分割および再結合領域は平面図で見たときに十字形を形成するように、物理的には一方が他方の上になるように配置される。図１、図２および図３に関して上で説明したように、アレイ10a、10bおよび10cの各々からの反射ビームは入射ビームから垂直方向にアレイに偏向される。したがって、垂直方向に配列されたミラー49aおよび49bは、別々の分割領域および再結合領域に分割されることができ、入射光を分割しかつ光を再結合して多色の空間的に変調されたビームを形成するためにミラー上に異なる特性のコーティングを用いることができるようになる。
光ビームは、二色性表面49aおよび49bが、入射する多面ビームとアレイ10aおよび10bからの空間的に変調されたビームとの両方に対して同じ角度になるように構成することができる。そのような構成により、本出願人の国際出願番号WO 92/13424に記載しているように、光の損失が回避され、この国際出願の内容を引用によりここに援用する。特に、この構成により、光のスプリッタへの入射角度に依存するダイクロイックミラー49aおよび49bのスペクトル反応による光損失が回避される。しかしながら、代替的な構成では、二色性表面49aおよび49bの各々を介して２方向に通過するビームを、たとえば入力ビーム43、ミラー42および／または完全内部反射表面40のアライメントを調整することによって互いに関して傾斜させてもよい。これは、二色性表面49aおよび／または49bでの制御された損失を達成し、それによって原色の質を向上するように設計され得る。
プリズムアセンブリ41は、たとえばBK7光学クラウンガラスのような何らかの都合の良い従来の光学ガラスからなる。黒色ガラス層51は、プリズム41の屈折率と一致した屈折率を有する。したがって、たとえば、黒色ガラス層はショット社（Schott）から入手可能なタイプNG1であってもよい。黒色ガラス層51の厚さは光の吸収と熱伝導との両方を鑑みてそれらの妥協点で選択され、典型的には0.5ミリメートルである。
オプションとして、アレイ10a、10bおよび10cは適切なセメントを用いてプリズム41の適切なファセットに接着されるか、または、光学結合流体を用いて結合されてもよい。代替的には、アレイ10a、10bおよび10cは、アレイのアライメントを可能にするために、ファセットに関して移動可能であってもよい。
プリズムアセンブリ41に形成されるエアギャップ45a、45bおよび45cの各々の厚さは典型的には10ミクロンである。エアギャップは、プリズムアセンブリのガラス内の窪みによって規定されてもよい。代替的には、たとえば細い金属ワイヤのループまたはマイカのようなスペーサを用いて非常に正確な間隔でエアギャップを設けてもよい。これらのスペーサは、何らかの形態のセメントを用いてプリズムアセンブリに接着され、このセメントの形態の選択は投影システムの当業者に自明であり、スペーサは熱的にプリズムアセンブリのガラスに一致される。
ランプ16からの光は、赤外周波数帯域および紫外周波数帯域のかなりのパワーを含み得る。赤外線は、光学成分を加熱しそれによりミスアライメントが生じる可能性があるため、望ましくない。紫外線は、プリズム成分を互いに接着するセメントに影響を与え得るため、望ましくない。したがって、光源16からの光をプリズムアセンブリ41に集めるために用いられる集光レンズ（図示せず）の前側の凸面は、可視光は透過するが赤外線および／または紫外線は反射するコーティングで被覆され得る。それを介して光ビーム43がプリズムアセンブリ41に入射する表面も、都合よくは、赤外線および／または紫外線の不必要な照射のレベルをさらに低減するためにフィルタコーティング50で被覆され得る。これらのコーティングはどちらも、光学系を通過するランプ16からの光のスペクトル分布をトリミングするように設計されてもよい。もちろん、これは、赤外光をヒートシンクに向ける上述のミラー構成42および46に対する付加的なものである。
プリズムアセンブリ41内では、アレイ10a、10bおよび10cの各々を照射しないいかなる光も、最終的に投影された画像のコントラストの損失を引き起こし得る。したがって、面40a、40bおよび40cを、入射ビーム43を完全に内部に反射するように構成できるのであれば、プリズムアセンブリ41の外面を、都合よくは、層51に関して上で説明したように黒色ガラス（図示せず）で囲み、かつその外面にヒートシンク（図示せず）を設けてもよい。代替的には、この迷光を光ダンプに向けるための手段が設けられてもよく、この光ダンプはプリズムアセンブリ41の外部にあることが可能である。
二色性表面49aおよび49bによって形成される二色性分割交差構造にエアギャップ45a、45bおよび45cを組み込むため、図4a、図4bおよび図4cに示される光学構成が特にコンパクトになることがわかるであろう。
第２の実施例（参考例）
次に図6a、図6bおよび図6cを参照して、これらの図は、プリズムアセンブリが、１つの弁別用エアギャップ63とともに、２つの完全内部反射表面と、２つの交差したダイクロイック色分割ミラー表面とを組み込む本発明の第２の実施例を示している。ダイクロイックミラーは図6aにおいて点線61aおよび61bで示されている。エアギャップ63は図6bにおいて最良に示されている。
本実施例では、１つのエアギャップ63は、光をアレイ10a、10bおよび10cの各々に向けかつこれらのアレイの各々からの光を集めるように構成される。入力ビームはプリズムアセンブリの内部表面を介してエアギャップ63に反射され、光の緑色成分はそのままダイクロイックミラー61aおよび61bを通過し、第２の完全内部反射表面を介してアレイ10bに達する。その後、赤色光成分および青色光成分は、青色光がアレイ10aに入射しかつ赤色光がアレイ10cに入射するように、二色性表面61aおよび61bによってビーム43から分割される。その後、アレイ10a、10bおよび10cからの空間的に変調された光は二色性表面61aおよび61bで再結合され、エアギャップ63を介してプリズムアセンブリから出ていく。
図6bに示されるプリズムアセンブリがアセンブリの２つの部分の間に三角形のエアギャップを含むことがわかるであろう。これは単に簡略化して図示するためである。
第３の実施例（参考例）
図７は、図６に示される実施例の適用例を示している。本実施例も、第２の実施例と同様に１つのエアギャップ65と２つの交差した二色性表面61aおよび61b（図７では見えない）とを有する。しかしながら、図７に示される実施例では、入力光路および出力光路の構成の代替的な可能性を示すために、プリズム構成は図６のものとは異なっている。本実施例では、プリズムアセンブリの入力面が図6bに示される入力面に関して回転されておりかつ出力ビームを反射するのに効果的な別の内部反射面をさらに含んでいるため、入力光路および出力光路は互いに平行でありかつ実質的に同軸である。
投影器システムの必要に応じて他の多くの適用例も可能であることが認識されるであろう。
第４の実施例（参考例）
次に図8aおよび図8bを参照して、本実施例では、入力ビームの色分割が連続的に行なわれるように、２つのダイクロイックミラー83aおよび83bは連続して配置される。プリズムアセンブリ41には、完全内部反射表面85と連続した１つのエアギャップ81が組み込まれる。システムのサイズをさらに縮小するために、表面85は入力ビームを折り曲げるのに効果的である。
第５の実施例（参考例）
図９は、図8aおよび図8bに示される第４の実施例の適用例である第５の実施例の側面図である。
図９に示されるプリズムアセンブリは、３つの二色性表面90a、90bおよび90cを用いて連続的な色分割を行ない、ここでも81で示される１つのエアギャップを用いる。プリズム入力構成とプリズム出力構成とは、エアギャップ面81と連続している完全内部反射表面85とさらなる完全内部反射表面91とを用いてそれぞれこの構成を適応させるように、互いに異なって構成される。
第６の実施例
図10a、図10bおよび図10cは、プリズムアセンブリが、３対の交差する二色性表面81a、81b;81c、81;および81e、81dが連続的に組み合わされる、交差した連続的な二色性表面の組合せを含む第６の実施例を示している。３つのエアギャップ93a、93bおよび93cがプリズムアセンブリに設けられ、各エアギャップは光をアレイ10a、10bおよび10cのうちの１つに向けかつそこから空間的に変調された光を受け取るのに効果的である。
図10a、図10bおよび図10cに示される構成では、入力ビームは、二色性表面81cおよび81dによって、アレイ10bの方に向けられる１つの原色に分割され、残りの２次光は第２の二色性表面対81aおよび81bの方に向けられる。表面81aおよび81bはこの２次光を２つのビーム、すなわち残りの２つの原色の各々に分割し、その各々はアレイ10aおよび10cのうちの１つの方にそれぞれ向けられる。これらの３つの１次光ビームは、エアギャップ93a、93bまたは93cから隣接するアレイ10a、10bまたは10cに反射される。その後、アレイ10a、10bおよび10cからの空間的に変調されたビームは、出力ビーム47を形成するように、エアギャップ93a、93bおよび93cを通過した後二色性表面81a、81bおよび81eで再結合される。
この特定の光学設計は特にコンパクトであり、入力ビーム43が出力ビーム47と同軸であるというさらなる利点を有する。このシステムはまた、二色性表面81cおよび81dを、有用な光のみをアレイ10a、10bおよび10cに送るように構成できるという利点を有する。内部反射面91は、不用の放射、たとえば赤外線の放射を光源に向かってまたは光軸に対してある角度で反射して廃棄するように構成することができる。代替的に、または付加的には、表面91を、非可視光線の不用の放射を二色性表面81eおよび81fを通して出力ビーム47に通過させ投影レンズ（図10aおよび図10bには図示せず）によって投影するように構成することができ、これにより、低いレベルの不用の放射が投影器スクリーン（図10aおよび図10bには図示せず）に投影されるため、スクリーンが僅かに加熱されるという犠牲はあるが、投影器システムにおける熱管理の問題が軽減される。
二色性表面81aおよび81bが、第１の実施例に関して説明した、二色性表面が交差する構成の利点を有することがわかるであろう。
図10aに示されるプリズム構成の外面95および97を、たとえばこれらの表面を黒色ガラスで被覆することによって入力ビーム内の不用の放射を抽出するために用いてもよい。
上述の構成において、すべて互いに独立している４つの分割面81c、81d、81aおよび81bと４つの再結合面81a、81b、81eおよび81fとがあるため、非常に厳重な測色および赤外線制御が可能であることがわかるであろう。
第７の実施例
次に図11を参照して、本実施例では、図10に示される実施例が、アレイ10a、10bおよび10cの活性領域に一致する断面を有するアレイ10a、10bおよび10cの各々に光ビームを生成するための二重レンズレンチキュラーシステムとともに用いるように適合される。これは、図10のプリズム内のコンパクトな経路を利用している。したがって、図11は、２つのレンチキュラーレンズ91および93を組み込む、図10の実施例の適用例を示している。
図４〜図11に示される投影システムは図３に概略的に示される色分割機構を用いているが、たとえば、３つの色すなわちマゼンタ色、シアン色および黄色を用いた機構または３つ以上の色成分ビームを用いた機構のような他の色分割機構を本発明に従ったシステムに用いてもよい。空間光変調器によって変調された光のバランスを向上するために、本発明に従ったシステムに色分割ミラーを用いてもよい。
応用例の中には、カラー投影システムに用いられる３つのアレイ10a、10bおよび10cにさらなるアレイを加えることが都合がよいものもある。そのようなさらなるアレイは、例えば本出願人の同時係属中の英国出願番号第9415771.6号および第9418863.8号に開示されるようにパワー処理の理由のため用いられることができ、これらの出願の内容を引用によりここに援用する。したがって、たとえば、緑色の色チャンネルが２つのアレイ間で分割されるように、たとえば図10aのアレイ10aに隣接するアレイ10bに対向して配置される第４のアレイを構成することが都合が良い場合もある。
本発明に従った投影システムは、１つ以上の色分割手段を用いて２つ以上の空間光変調器の間で入来光を分割するカラー投影システムにおいて特定の応用を有するが、本発明に従った投影システムはまた、投影システムが色分割／結合面を組み込んでいない、たとえば色相環を用いた連続的色投影を用いるカラーシステムまたはモノクロームシステムにおいても利点を有する。
第８の実施例
次に図12を参照して、この図から、図示するようなさらなるエアギャップ510を用いて光路24aを折り曲げることによって、アレイ10から「オン」経路24aに沿って反射された空間的に変調された光を「オフ」経路24bおよび24cに沿って通過する光から分離することができることがわかるであろう。入来光は、以前の実施例の場合と同様に、第１のエアギャップ45によってアレイ10に反射される。
アレイ10から「オン」経路24aに沿って通過する有用な出力ビームを折り曲げるために完全内部反射面を含むエアギャップ510を用いることによって、エアギャップ510に遭遇する「オフ」経路24bのいかなる拒絶光も、その光がエアギャップによって出力面512に透過されその後ビームダンプ（図示せず）に入るような急な角度になるようにすることができる。代替的には、第１の実施例に関して説明した吸収層51をビームダンプとして用いてもよい。完全内部反射面の特性により、経路24aに沿った「オン」光は、投影レンズ（図12には図示せず）に入射するようにエアギャップ510によって反射される。これにより、投影レンズの効果的なアパーチャのサイズを以前に可能であったサイズよりも大きくすることが可能となり、したがってシステムの効率が増大する。
第９の実施例
次に図13を参照して、本発明の本実施例では、入来光はプリズムアセンブリ41に入射し、光は以前の実施例と類似した態様でエアギャップ45の完全に内部に反射する面から１つのアレイ10に反射される。角度が10゜に設定された変形可能なミラーデバイスアレイから反射された光は通常は投影レンズ34の方に反射される。しかしながら、変形可能なミラーデバイスアレイ10から、アレイに対する法線に関して20゜または40゜で反射された非画像形成光は、エアギャップ107で第２の完全内部反射面から反射され、ビームダンプ（図示せず）に向けられる。これにより、光バルブ10から投影レンズ34までの経路が短くなり、システムの効率を向上するかまたはより小型で安価な投影レンズを用いることができるようになる。
本実施例では、光軸に関して、エアギャップ45の角度と全く等しくかつ反対方向の角度θで配置されるさらなるエアギャップ107によって、エアギャップ45のためにシステムで生じる非点収差がなくなることがわかる。
しかしながら、エアギャップ107が、光軸に関して、エアギャップ45の角度とは等しくなくかつ反対方向でない角度である場合、ギャップのサイズが調整されていれば、非点収差の補償はこのエアギャップ107で影響を受け得る。
光を空間光変調器に向けるのにエアギャップが用いられていない場合、不必要な光を逸らすために１つのエアギャップを用いてもよいことも認識されるであろう。
例示的に説明した空間光変調器アレイは変形可能なミラーデバイスであるが、本発明に従った投影システムには、反射液晶デバイスのような他の反射空間光変調器を用いる応用もあることも認識されるであろう。
Claims (5)
- 投影装置において用いるためのディスプレイデバイスであって、
光源と、
光のビームを少なくとも１つの変形可能なミラーのアレイに向けるのに効果的な手段とを備え、前記変形可能なミラーのアレイは、光ビームを反射して、入射ビームに対してゼロでない角度で、空間的に変調されたビームを生成するのに効果的であり、
前記変形可能なミラーのアレイへの光路は、入射光ビームを第１の方向に沿って通過させて前記１つの変形可能なミラーデバイスに入射させるのに効果的でかつ前記１つの変形可能なミラーデバイスによって生成される空間的に変調された光を前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って通過させるのに効果的な少なくとも２つのエアギャップを有するプリズムアセンブリを含み、前記２つのエアギャップは非点収差を互いに補償するように構成される、ディスプレイデバイス。 - 前記エアギャップの一方は、空間的に変調された光ビームを前記第２の方向に沿って投影手段の方に通過させるのに効果的であり、前記エアギャップの他方は、前記変形可能なミラーのアレイに入射する光で、前記空間的に変調された光ビームに含まれない部分を前記第２の方向とは異なる第３の方向に沿ってビームダンプの方に向けるのに効果的である、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
- 入射赤外光を、変形可能なミラーのアレイの各々によって生成される空間的に変調された光とは異なる方向に向けるための手段を備える、請求項１または ２に記載の投影装置。
- 光源と、
少なくとも１つの変形可能なミラーのアレイと、
光のビームを前記少なくとも１つの変形可能なミラーのアレイに向けるのに効果的な手段とを備え、前記変形可能なミラーのアレイは、光ビームを反射して、入射ビームに対してゼロでない角度で、空間的に変調されたビームを生成するのに効果的であり、
前記変形可能なミラーのアレイへの光路は、入射光ビームを第１の方向に沿って通過させて前記１つの変形可能なミラーのアレイに入射させるのに効果的でかつ前記１つの変形可能なミラーのアレイによって生成される空間的に変調された光ビームを前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って通過させるのに効果的な少なくとも２つのエアギャップを有するプリズムアセンブリを含み、前記２つのエアギャップは非点収差を互いに補償するように構成される、投影装置。 - ディスプレイ面をさらに備える、請求項４に記載の投影装置。
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