JP3905036B2 - 色収差を補正したフラットパネルディスプレイ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明はフラットパネルディスプレイにおける色収差を補正する方法に関し、より詳細には、画像がマイクロディスプレイからテーパ状の透明な厚板へと投影されるタイプのフラットパネルディスプレイにおける色収差を補正する方法に関する。
【０００２】
我々の周辺視野の迅速な反応を刺激するのに十分な大きさのスクリーンを備えたディスプレイは画像に即時性を与えるが、該ディスプレイは部屋の壁に容易に取り付けることができるように平面状であることが望ましい。しかしながら、従来のフラットパネルディスプレイのサイズは、列と行との透明導電体の抵抗／コンデンサ時定数と、リソグラフィがトランジスタを形成するのに十分に精密である領域と、により制限されていた。スクリーンの対角線が１メートル以上であるアクティブマトリックス液晶ディスプレイの製造に要する費用は非常に高く、それより安いプラズマディスプレイでさえもほとんどの用途に対しては高価すぎるものである。しかしながら、費用はその大きさに伴いかなり削減でき、ビデオのプロジェクタにおいて使用される２インチ×２インチ（５ｃｍ×５ｃｍ）の液晶ディスプレイは比較的安価であり、一方、指の爪ほどの大きさのマイクロディスプレイは、わずか数ドルの費用となることが確実視されている。
【０００３】
ビデオプロジェクタは、２次元ディスプレイと、投射レンズと、透光性スクリーンとからなり、投射レンズは透光性スクリーン上に２次元ディスプレイの拡大画像を形成し、該画像はほとんど所望の大きさとすることができる。ビデオプロジェクタは安価であるためかなり出回りつつあるが、欠点も存在する。該プロジェクタが透光性スクリーンの前に向けられるタイプのものにおいて、該プロジェクタはしばしば見る人の邪魔になるか、あるいは見る人が投射された光に対して邪魔になることがある。更に、部屋の明かりを薄暗くしない限り、スクリーンは投影された画像とともに背景の光をも散乱するので、画像がぼやけて見える。代わりに、プロジェクタをスクリーンの背面に配置することができ、それにより見る人とスクリーンの間には邪魔するものが存在せず、スクリーンも背面に入射する光のみを散乱することとなるが、背面投影ディスプレイは嵩高くなる。
【０００４】
最近、出願人による国際公開第ＷＯ０１／７２０３７号明細書において、ビデオプロジェクタと先細になったガラス製シートとからなるテーパ状ディスプレイが開示された。ビデオプロジェクタ自体は、ほぼコリメートな（collimated）照射源と、マイクロディスプレイと、集光レンズと、投射レンズとから構成され、光線は投射レンズから放出された時、狭い胴部（waist ）を形成する。この時点で、光線はガラス製テーパ状シート又は厚板の幅厚側の端部へ進入する。光線が先細になったガラスシートの幅厚側の端部へ放たれた場合、テーパ部の一つの面に対して測定された面外角度は、該テーパ部の該一つの面と相対向する面を離れたシート内において光線が反射する時間ごとに変化する。最終的には、光線はテーパ部に沿って十分遠くまで伝播されると、面外角度は臨界角より大きくなり、この時点で光はテーパ部から離れて行く。従って、光線がテーパ部から離れて行くまでのガラス製テーパ状シート中での距離は、光線が入射される角度によって決定される。この様にして、マイクロディスプレイ上のピクセルの２次元配列は、テーパ状導波路の面上においてピクセルの２次元配列に対して１対１で写像される。光線が臨界角に達する場合、光の全てがスクリーンから確実に離れるために、反射防止コーティングが必要である。なぜならば、もしコーティングがされていなければ、画像の隣接する列間においてぼやけが生ずるからである。
【０００５】
テーパ状ディスプレイは、フラットに形成され得ると同時にリアスクリーン投影ディスプレイの利点の多くを共有しているが、厚板は、典型的には光学分散を引き起こす材料から形成され得る。これは、投影された画像の色収差を引き起こす。
【０００６】
本発明によれば、色収差を補正したフラットパネル投影ディスプレイが提供され、該ディスプレイは、画像を、集光レンズを介してテーパ状の透明な厚板の幅厚側の端部中へ投影し、かつ画像が現れる一方の面上に投影するビデオプロジェクタと、該プロジェクタと該厚板との間に配置されるとともに厚板内での分散を補正するための分散プリズムとからなる。
【０００７】
プリズムは、厚板と同じ材料から形成されるとともに該厚板の幅にわたって広がり、また、該厚板と一体化するか、又は集光レンズと一体化して形成され得る。該プリズムは典型的には、約４５°のプリズム角を有する。
【０００８】
本発明を更に理解するために、本発明の実施形態を、添付した図面を参照して実施例の様式にて以下に記載する。
【０００９】
図１は、フラットパネル・テーパ状導波路ディスプレイの一般的な原理を示す。ビデオプロジェクタからの光は、透明なテーパ状厚板１の幅厚側の端部へと入射する。各ピクセル行からの光は、該図に示される２つの光線によって例示されるように、わずかに異なる角度にて進入する。
【００１０】
光線が厚板の相対向するテーパ面から跳ね返る場合、それらの入射角は、それらの投射角に対応する地点（又は線）にて該光線が厚板から離れるまでに、より鋭角となり、次には、最初の画像におけるそれらの行の位置に対応する。現れる光線は非常に浅いが、ほとんど直角になるとともに、国際公開第ＷＯ０１／７２０３７号明細書に開示されているような公知の手段によって目的物を視認するために方位に広がる。典型的には、画像は、厚板と同じ幅となるように横方向（紙面に対して垂直な方向）に拡大する。
【００１１】
厚板１は色収差を導入する。テーパ状厚板１の光学分散によって引き起こされる収差は２つの成分を有する。最初に、異なる導波路の複数の光線は異なる臨界角を有し、それゆえに、たとえ該光線がテーパ状厚板１内において同一の初期角度を共有していたとしても、それらは異なる地点にて現れるであろう。第２に、厚板１へ入射する前には同一の角度を有するが異なる導波路である複数の光線は、該厚板１へ入射後は異なる角度を有するであろう。
【００１２】
本発明は、テーパ状厚板１の入口にて分散プリズム又はベベル（bevel ）が加えられ、それにより二つの影響が互いに相殺される方法を開示するとともに、該プリズム又はベベルに対する補正された角度を計算する方法を示す。
【００１３】
テーパ状厚板１を介する光線を追跡するために、積み重ねられた楔５を介する直進する光線の追跡を考慮することが手助けとなり、これは図２と光学的に同等である。光線は臨界角θ_ｃにて界面に当たる場合に出現し、かつ該光線が出現した地点のテーパ状厚板１の先端からの距離は、図３の図形を用いて、光線が入射した地点の角度に関係づけられ得る。
【００１４】
これは、
【数２】

であることを示し、ここで、θは導波路内の伝播の面外角度である。ところで、臨界角は、
【数３】

により定義されるので、
【数４】

となり、
【数５】

が成立する。
【００１５】
ここで、入射地点において、光はθ_１と称される角度にて空気中（屈折率＝１）からガラス（屈折率＝ｎ）中へと進入し、かつ楔の縁部が、符号１０により示されるように、角度βにて傾斜している場合、スネルの法則が以下のように与えられる。
【数６】

【００１６】
ｓｉｎθを以下のように書き換え、
【数７】

ここで、標準的な三角関数の定理を用いて以下の式が与えられる。
【数８】

【００１７】
従って、スネルの法則を用いて、
【数９】

となり、よって、
【数１０】

が成立する。
【００１８】
大部分の材料は分散性であり、よって、導波路における変化により屈折率のおおよその平均ｎ_０おける変数δｎは、光線がおおよその中心点Ｘに現れる地点における楔の先端からの距離における変数δＸを生ずる。テイラーの理論に従って、δＸは以下の式にて与えられる。
【数１１】

【００１９】
ここで、δＸは０に等しく、かつ以下の式、
【数１２】

が成立する必要があるので、
【数１３】

となり、
【数１４】

と書き換えられる。
【００２０】
これは、βのいかなる値が特定のθ_１に対するδＸにゼロを与えるかを見出すための方法において、代数学的にも数値学的にも解決され得る二次方程式を与える。例えば、ｎ_０が１．５で、かつθ_１が１３．７°であり、該θ_１＝１３．７°がテーパ状厚板１のスクリーンの中間点まで上昇したところで光線を典型的に生成する角度である場合、βは−４５°となる。
【００２１】
アクロマティックな（achromatic）補正は、テーパ状厚板１の幅厚側の端部を角度β＝−４５°にて磨くか、若しくは正方形のままにして、該テーパ状厚板１と同じ光学分散を備えるとともに例えば同一の材料にて形成された４５°のプリズム３を挿入するか、又はそれら２つの組み合わせによって達成される。異なる光学分散を備えたプリズム、又は格子、若しくは他の種類の分散要素は、色収差を補正するためにも使用され、かつ該要素の寸法は、上記記載と同様な方法により見出される。
【００２２】
仮に色収差の二次補正が必要である場合、ｎに対する（Ｘ／Ｌ）の二重微分は同様に、ゼロにする必要があり、これは、例えば回折格子及びプリズムのようなＸ／Ｌにおいて独立した効果を備えた一対の分散成分を、上記に示した方法と同様の方法にて計算された寸法で挿入することにより達成され得る。
【００２３】
本発明に従う色収差の補正されたフラットパネル投影ディスプレイを図４に示し、該ディスプレイは、ビデオプロジェクタ２ａと、集光レンズ２ｂと、テーパ状透明厚板１と、厚板から光線が現れる際に該光線を拡散することにより目に見える画像を形成するための拡散スクリーン４と、分散プリズム３とからなり、該プリズム３の寸法は上記記載に従い決定される。仮に、フラットな厚板が入射用導波路として使用され、光線が該テーパ状導波路に進入する前に画像を横方向に拡大するならば、プリズムは、入射用導波路の前、又は後のいずれかに配置され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光線のテーパ状の透明な厚板に沿って伝播する距離が、該光線が入射した際の角度によって如何に決定されるかを示す。
【図２】 テーパ状厚板を介する光線の通路が、該テーパ状厚板の鏡像を介して直進する光線を追跡することにより如何に見出されるかを示す。
【図３】 図２の三角法を示す。
【図４】 本発明を具現化した色収差の補正されたフラットパネル投影ディスプレイを示す。

Claims (5)

1. 色収差を補正したフラットパネル投影ディスプレイにおいて、
   表示されるべき画像を投影するための画像プロジェクタ（２）と、
   テーパ状の透明な厚板（１）と、該厚板の幅厚側の端部に画像が投影されることにより光線が該厚板の一つの面上に現れることと、前記厚板は分散材料にて形成されることとを含み、
   前記ディスプレイは、前記プロジェクタと前記厚板との間に配置されるとともに該厚板にて発生する分散を補正するための分散プリズム（３）を更に含むディスプレイ。
2. 前記プリズム（３）は分離した構成要素である請求項１に記載のディスプレイ。
3. 前記プリズムは前記厚板と同じ材料により形成される請求項２に記載のディスプレイ。
4. 前記プリズムは前記厚板と一体化しておりそれにより入射端が傾斜している（１０）請求項１に記載のディスプレイ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のディスプレイにおいて、前記プリズムの角度βは以下の式を満たし、
   

   

   ここで、θ_１は厚板の面に対する空気中における入射角であり、ｎ_０は前記プロジェクタから入射される導波路の範囲にわたる前記厚板の材料の平均屈折率であるディスプレイ。

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