JP3877236B2

JP3877236B2 - コンパクトな背面投影装置

Info

Publication number: JP3877236B2
Application number: JP08426396A
Authority: JP
Inventors: ブリジツト・ルワゾー; ジヤン−ピエール・ユイニヤール; エリツク・スピツ; セシル・ジユベール
Original assignee: タレス
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1996-04-05
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2016-04-05
Also published as: US5734447A; EP0736795B1; JPH08339033A; DE69629411T2; DE69629411D1; FR2732783B1; EP0736795A1; FR2732783A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の分野は、特に、ますます大型化し典型的には対角線が１メートル以上の大きさにもなる高解像度画像の表示に向けて現在発展しつつあるディスプレイシステムの分野である。
【０００２】
さらに具体的には、本発明は、よりコンパクトであり、要するに大形画像のディスプレイ用に設計された平板スクリーンの作成を考えることが可能な、新規の種類の背面投影装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
現在、背面投影装置は、観測者と、図１に示される一般図に従って動作する陰極線管又は液晶モジュレータのどちらかである画像生成装置との間に配置されたスクリーンを有する。投影光学系（ＯＰ）を介して画像生成装置（ＧＩ）から来る画像は、主ミラーＭ_pによってスクリーンへ送られる。ミラーＭ_pは一般に、スクリーンに対して４５°の角度αに配向しており、画像生成装置とスクリーンとの間の空間を、画像をスクリーン上に前面投影するのに必要な空間と比較して半分だけ減らすことが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
背面投影装置の深さｅをさらに小さくするために、本発明は、最終画像がその上に形成される平面に近接して配置された「混合器（ｍｉｘｅｒ）」型光学部品を介在させることによってスクリーン（Ｅ）と前方反射ミラーＭ_pとの間の角度を減らすことのできる背面投影装置を提案する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
さらに具体的には、本発明の目的は、小形画像を生成するためのシステム（ＧＩ）と、小形画像を大形画像（Ｉ₁）に変換する投影光学系と、最終画像（Ｉ_f）がその上に形成されるスクリーン（Ｅ）とを備える背面投影装置であって、少なくとも一つの前方反射部品（ＭＲ）とスクリーン（Ｅ）に近接する光混合部品（ＯＭ）とを備えており、平均入射角θ₁の領域において画像（Ｉ₁）のほぼ全体を画像（Ｉ₂）として反射でき、かつ平均入射角θ₀の領域において画像（Ｉ₂）が部品（ＭＲ）上で反射することによって生じた画像（Ｉ_f）のほぼ全体を透過できる装置である。
【０００６】
したがって、光混合部品（ＯＭ）は、透過でも反射でも局部的に使用されることを特徴とする。
【０００７】
したがって、それぞれ混合部品および前方反射部品である二つの光学部品（ＯＭ）および（ＭＲ）は、連動して背面投影装置の必要空間を減少させる。
【０００８】
光混合部品は、
第一の種類の偏光を反射でき、かつ他方の種類の偏光を透過できる偏光選択性ミラー、有利にはコレステリック液晶ミラー、又は
その反射特性が光束の入射角の関数として選択できる格子構造を有する回折光学部品であることが好ましい。
【０００９】
画像生成装置（ＧＩ）は、陰極線管から来たものよりも小さい平面的広がりを有する、液晶モジュレータ及び光源を関連付けるアセンブリであることが好ましい。
【００１０】
本発明による背面投影装置は、光束の光経路を閉じ込めることによって、すなわち光束を何回も往来させることによって、装置の必要空間をさらに減少させるため、二つの光前方反射部品（ＯＭ）₁および（ＯＭ）_rを備えると有利である。さらに具体的には、この装置は、スクリーン（Ｅ）に近接して配置された部品（ＯＭ）₁と、部品（ＯＭ）₁と標準光前方反射部品（ＭＲ）の間に配置された部品（ＯＭ）_rとを備える。部品（ＯＭ）_rは、画像（Ｉ₁）のほぼ全体と画像（Ｉ₁）が部品（ＭＲ）上で反射することによって生じた画像（Ｉ₂）のほぼ全体を透過できる。また、部品（ＯＭ）_rは、画像（Ｉ₂）のほぼ全体が光混合部品（ＯＭ）₁上で反射することによって生じた画像（Ｉ’₂）のほぼ全体を反射でき、画像（Ｉ’₂）は、部品（ＯＭ）₁によって透過される画像（Ｉ_f）として反射される。
【００１１】
非限定的な例を挙げて添付の図面を参照して行った以下の説明から、本発明をより明確に理解でき、また他の利点も明らかとなろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、画像生成装置（ＧＩ）が投影光学系（ＯＰ）を介して光線を生成する本発明による背面投影装置を示す。この光線は、前方反射ミラー（Ｍ_p）上で反射されて、スクリーン上に画像（Ｉ）を形成する。角度θを条件付けする光投影装置を使用した場合、この装置の全体的な必要空間ｅは、次式（１）によって与えられる。
【００１３】
ｅ＝（ｈ＋Ｈ）ｓｉｎαｃｏｓθ／ｃｏｓ（α−θ）
上式でｈは、スクリーンの上部を画定する点（Ｏ）に対する、画像（Ｉ）を形成する光線の中心光線の位置を表す。
【００１４】
２Ｈは、画像（Ｉ）の高さを表す。
【００１５】
αは、スクリーン（Ｅ）とミラー（Ｍ_p）との間の角度を表す。
【００１６】
例えば、投影光学系（ＯＰ）の焦点距離が５０ｍｍ（すなわち、投影の倍率が１３．５）、画像生成装置が対角線７．６ｃｍ（３インチ）、スクリーンの直径が１０１ｃｍ（５００×９００ｍｍ²）であり、かつ位置α＝４５゜、θ＝２０゜、および２Ｈ＝５００ｍｍの場合、必要空間ｅは、３６７ｍｍである。
【００１７】
軸外し動作を考えることによって、すなわち画像生成装置（ＧＩ）を光学投影系（ＯＰ）に対して偏心させることによって、この必要空間ｅを小さくできることに留意されたい。図２は、中心光線が角度ｄθ_0Aだけずれており、したがってｔａｎｄθ_0A＝ｄｈ_0A・ｔａｎθ／Ｈにより画像の中心が高さｄｈ_0Aだけずれているこの構成を示す。
【００１８】
θ＋ｄθ_0Aに等しい最大角度θ_maxでは、画像（Ｉ）全体をスクリーン上に閉じ込めながら光学系を偏心させることが可能である。
【００１９】
したがって、α＝４５゜、θ＝２０゜および２Ｈ＝５００ｍｍの場合、ｄｈ_0A＝Ｈ／２、ｄθ_0A＝１０゜である。
【００２０】
式（１）によって与えられる必要空間ｅの値は、２８６ｍｍに等しくなる。
【００２１】
図３は、少なくとも一つの標準前方反射ミラー（ＭＲ）と光学部品を連動させて、画像生成装置（ＧＩ）によって生成された光線の「折り曲げ」と、前記光線のディスプレイスクリーン（Ｅ）への透過の両方を可能にすることによって、従来技術の背面投影装置よりもコンパクトになった本発明による背面投影装置を示す。この種の混合部品が存在することにより、半反射ミラーの場合と異なり、画像のほぼ全体の透過が可能になる。半反射ミラーを使用して同じ光閉じ込めを達成することも考えられるが、光束の損失が約４倍大きくなる。
【００２２】
図３の線図は、本発明による背面投影装置の一般的原理を示す。入射光線の発散が小さくかつ必要空間が小さい発散光源と連結された、好ましくは液晶ディスプレイモジュレータ（ＬＣＤ）型の画像生成装置（ＧＩ）を使用し、投影光学系（ＯＰ）を使用して大型の虚像（Ｉ₁）を生成し、光混合部品（ＯＭ）によってこれを平均入射角θ₁の領域で一回反射させて、第二の虚像（Ｉ₂）を形成する。この第二の画像を、次いで前方反射部品（ＭＲ）で反射させて、垂直入射角θ₀の領域で部品ＯＭによって透過された最終画像（Ｉ_f）をスクリーン上に形成する。
【００２３】
光学系（ＯＰ）と画像生成装置（ＧＩ）は、補助標準前方反射ミラー（図３には図示せず）の存在によって必要空間ｅに追加されることが好ましいことに留意されたい。
【００２４】
この場合、高さｈは、次式で定義される。
【００２５】
ｈ＝Ｈ／ｔａｎ２αｔａｎ（α＋θ）、かつ
ｅ＝Ｈｓｉｎαｃｏｓθ／ｓｉｎ２α・ｓｉｎ（α＋θ）
高さｈ_minは、（ＯＭ）によって反射される画像全体が前方反射ミラー（ＭＲ）に到達して、画像（Ｉ_f）を生成するように定義される。
【００２６】
α＝１５゜、θ＝２０゜、および２Ｈ＝５００ｍｍの場合、
ｈ_min〜６１８ｍｍ、必要空間ｅは２１２ｍｍとなる。
【００２７】
第一の例示的実施形態では、混合光学部品（ＯＭ）は、偏光選択性コレステリックミラーである。例えば、「左まわり」形の偏光を有する光を反射し、「右まわり」形の偏光を損失なしに透過する。
【００２８】
なお、図４に示す装置は、光の偏光の異なる変化を示す。
【００２９】
ＬＣＤ形の画像生成装置（ＧＩ）とともに使用すると、直線偏光が生じる。この偏光は、１／４波長板（λ／４）により左まわり偏光に変換される。コレステリック部品（ＯＭ）は、標準反射器と異なり、偏光を変化させることなしにこの光を反射する。「左まわり」に偏光された反射光は金属鏡タイプの反射器（ＭＲ）によって反射され、それによって「右まわり」形偏光が生じる（図に示される矢印は、光の偏光がその光経路中に回転する方向を示す）。
【００３０】
「右まわり」偏光は、部品（ＯＭ）によって反射されてスクリーンに到達し、そこからスクリーンに関して画像生成装置（ＧＩ）と反対側にいる観測者によって画像が見られる。
【００３１】
さらに具体的には、部品（ＯＭ）は、コレステリック液晶を含む高分子膜を含む。この種類の材料は複屈折が大きいため、（必要な条件すなわち透過および反射が満足される）８０ｎｍ以上の大きいスペクトル幅が達成できる。
【００３２】
したがって、それぞれ異なる波長を中心とした二つ又は三つのこの種類の膜を重ねることによって、可視スペクトル領域全体、すなわち約２００有効ｎｍを覆うことができる。この種類の部品は、現在３０×３０ｃｍ²の範囲の寸法のものが存在する。それらのスペクトル幅のセンタリングは、高分子膜の重合温度を制御することによって得られる（例えば、ＳＩＤＤｉｇｅｓｔ９４；ｐｐ．３９９−４０２：「ＣｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃＲｅｆｌｅｃｔｏｒｓＷｉｔｈＡＣｏｌｏｒＰａｔｔｅｒｎ」）。
【００３３】
実際、コレステリック液晶は、らせん形に構成される。らせんのピッチは、温度とともに変化し、反射波長を条件付ける。したがって、このらせんピッチを制御するために温度を設定し、次いで高分子中に分散した液晶の配向を固定するために膜を重合すれば十分である。
【００３４】
第二の例では、部品（ＯＭ）の混合機能は、回折格子が存在することによって達成される。
【００３５】
回折格子は図３で定義された角度θ₁に沿って動作するように設計されており、光の偏光はどんな型式のものでもよい。（ＬＣＤ）画像生成装置の場合、小型の投影光源が存在する。これにより、格子構造の角度受容が小さい場合でも、放出光のほとんどすべてを反射できる。
【００３６】
光は、部品（ＯＭ）によって反射されると、前方反射部品（ＭＲ）によって再度反射され、体積回折部品（ＯＭ）の角度通過帯域内にない垂直入射角に近い入射角θ₀で再び部品（ＯＭ）に到達する。
【００３７】
必要な格子構造を製造するには、恐らく０．０５から０．１までの屈折率変動を生じさせることが可能な、重クロム酸ゼラチン（ｂｉｃｈｒｏｍａｔｉｃｇｅｌａｔｉｎ）又はフォトポリマタイプの材料を使用できる。
【００３８】
これらの屈折率変動は、図５に示されるように、二つの球面波ΣおよびΣ’によって光誘導される。球面波の曲率中心０および０’は次のようなものである。
【００３９】
（０）は、投影目標（ＯＰ）の中心にある。
【００４０】
（０’）は、混合回折部品（ＯＭ）に対して（０）と対称である。
【００４１】
このようにしてできた層は部品の平面に平行であり、波長非分散ミラー機能が得られる。すなわち、所与の入射角領域で、主として材料内で光誘導された屈折率変動に依存するスペクトル幅に対して動作する。
【００４２】
赤、緑および青の三原色を効率的に反射するために、異なるスペクトル成分を中心としてそれぞれ少なくとも一つのミラー機能を含む複数の部品を重ね合せることができる。また、それぞれ赤、緑および青のスペクトル成分を中心として複数のミラー機能を同じ一つの膜で多重化することもできる。
【００４３】
本発明の他の変形態様では、部品（ＯＭ）₁とミラー（ＭＲ）の間に配置された追加の混合光学部品（ＯＭ）_rを使用する。
【００４４】
さらにコンパクトな装置の実現可能性を示すためにそのような構成を図６に示す。二つの混合部品（ＯＭ）および（ＯＭ）_rは、使用する入射角の値に適合する反射特性および透過特性を有する。それらの角度通過帯域は一般に、回折部品を使用する場合に光誘導される屈折率変動の値によって適合される。図６は、画像生成装置（ＧＩ）によって生成された画像（Ｉ₁）を使用してスクリーン上に最終画像（Ｉ_f）を形成する様子を示す。画像（Ｉ₁）は、部品（ＯＭ）_rによって透過され、次いで前方反射部品（ＭＲ）によって画像（Ｉ₂）として反射される。また、画像（Ｉ₂）は、部品（ＯＭ）_rによって透過され、次いで部品（ＯＭ）₁によって画像（Ｉ’₂）として反射され、部品（ＯＭ）₁によって透過される画像（Ｉ_f）として部品（ＯＭ）_rによって反射される。
【００４５】
図３に示される装置と比較して、部品（ＯＭ）_rにより、スクリーンと前方反射部品（ＭＲ）によって画定される角度内で画像を「立てる」ことができる。ｈ_min＝Ｈであると定義することが可能になり、必要空間ｅは、この場合次式によって表される。
【００４６】
ｅ＝Ｈｓｉｎ（π／４−α＋３θ／２）／ｓｉｎ２θ・ｓｉｎ（π／２−α＋θ／２）。この場合、α＝１５゜、θ＝２０゜、２Ｈ＝５００ｍｍの場合、約１８８ｍｍの必要空間ｅが得られる。
【００４７】
提案した光学構成の形態では、軸上で動作する投影物体（ＯＰ）を使用することが好ましいことに留意されたい。これには、その光学的組合せが簡略化される利点がある。それにもかかわらず、ＬＣＤ型画像生成装置を照明するのに使用する光線の平面的広がりが小さければ、従来技術の背面投影装置の場合に、図２で有効であったように、特にこれらの物体の複雑さを増すことなく、ある程度軸外れの動作を考えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スクリーンに対して４５°に配置されたミラーを使用する従来技術による背面投影図である。
【図２】画像生成装置（ＧＩ）が投影光学系（ＯＰ）に対して整列していない従来技術による背面投影装置の概略図である。
【図３】部品（ＯＭ）を使用する本発明による例示的背面投影装置を示す図である。
【図４】部品（ＯＭ）が偏光選択性である例示的背面投影装置の概略図である。
【図５】二つの球面光波の妨害によって光誘導される格子構造の構成を示す図である。
【図６】二つの光混合部品（ＯＭ）₁および（ＯＭ）_rを使用する本発明による背面投影装置を示す図である。
【符号の説明】
ＧＩ画像生成装置
Ｅスクリーン
ＭＲ前方反射部品
ＯＭ光混合部品
ＯＰ投影光学系

Claims

小形画像を生成するためのシステム（ＧＩ）と、小形画像を大形画像（Ｉ_１）に変換する投影光学系（ＯＰ）と、最終画像（Ｉ_ｆ）がその上に形成されるスクリーン（Ｅ）とを備える背面投影装置であって、少なくとも一つの反射部品（ＭＲ）とスクリーン（Ｅ）に近接する光混合部品（ＯＭ）とを備えており、光混合部品（ＯＭ）が、平均入射角θ_１の近くで画像（Ｉ_１）のほぼ全体を画像（Ｉ_２）として反射するようにされており、かつ平均入射角θ_０の近くで画像（Ｉ_２）が部品（ＭＲ）上で反射することによって生じた画像（Ｉ_ｆ）のほぼ全体を透過でき、前記混合部品（ＯＭ）が、その反射率が入射角に応じて選択的であり、角度θ _１の近くで反射性でありかつ角度θ _０の近くで透過性である回折光学部品である、背面投影装置。
画像生成システム（ＧＩ）が液晶モジュレータである、請求項１に記載の背面投影装置。
混合部品（ＯＭ）が、画像（Ｉ_ｆ）を構成する光束の光軸にほぼ平行なピッチを有する格子構造を有する、請求項１に記載の背面投影装置。
格子構造がコレステリック液晶を含むフォトポリマ型の材料内に作られる、請求項３に記載の背面投影装置。
二つの光混合部品（ＯＭ）_１および（ＯＭ）_ｒを備えており、部品（ＯＭ）_１がスクリーン（Ｅ）に近接して配置され、部品（ＯＭ）_ｒが部品（ＯＭ）_１と光前方反射部品（ＭＲ）との間に配置され、
部品（ＯＭ）_ｒが、画像（Ｉ_１）のほぼ全体と画像（Ｉ_１）が部品（ＭＲ）上で反射することによって生じた画像（Ｉ_２）のほぼ全体とを透過でき、かつ部品（ＯＭ）_ｒが、画像（Ｉ_２）のほぼ全体が光混合部品（ＯＭ）_１上で反射することによって生じた画像（Ｉ’_２）のほぼ全体を反射でき、画像（Ｉ’_２）が画像（Ｉ_ｆ）として反射され、画像（Ｉ_ｆ）が部品（ＯＭ）_１によって透過される、請求項１又は２に記載の背面投影装置。