JP4138487B2 - 平面パネル・ディスプレイ用修正光学系 - Google Patents

Description

本発明は、画像がマイクロディスプレイからテーパ状の透明なスラブに投影される平面パネル・ディスプレイにおける画像の歪みを修正するための方法に関する。

我々の周辺視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有する平面パネル・ディスプレイは画像を直接映し出すことができ、パネルが平面なのでディスプレイを部屋の壁面に容易に固定し得る。しかしながら、従来の平面パネル・ディスプレイの大きさは、行と列の透明導体の抵抗と容量の積により、またリソグラフィがトランジスタを十分正確に形成し得る面積により、制限される。スクリーンの対角線が１メートル以上のアクティブマトリックス液晶ディスプレイの製造コストは非常に高価なので、実際には製造し得ないし、より安価のプラズマ・ディスプレイでも高すぎてほとんどの用途に使用し得ない。しかし、ビデオ・プロジェクタで使用される２インチ（５０.８ｍｍ）×２インチ
（５０.８ｍｍ）の液晶ディスプレイは比較的安価で、指のつめほどの大きさのマイクロ
ディスプレイの価格は数ドルにしか過ぎない。

ビデオ・プロジェクタは、二次元ディスプレイ、投影レンズ、及び半透明な
スクリーンを備え、投影レンズは、ほぼ希望通りの大きさの二次元拡大画像を半透明のスクリーン上に形成する。ビデオ・プロジェクタは安価なので、ますます盛んに使用されるようになってきているが、プロジェクタを半透明のスクリーンの前面に設置すると、プロジェクタが見ている人の邪魔になるか、見ている人が投影される光を遮ることになる。さらに、室内の照明を暗くしないと画像が色褪せたものになる。何故なら、スクリーンが、投影された画像だけでなく、背景の光も散乱するからである。プロジェクタをスクリーンの前面に設置するのではなくて、スクリーンの背面に設置することも可能である。この場合は、見ている人とスクリーンとの間には何も存在しないし、スクリーンはその背面上に入射する光だけを散乱することになる。しかし背面投影ディスプレイは大型になる。

最近、本出願人のＷＯ ０１／７２０３７に、ビデオ・プロジェクタとガラスまたは透明なプラスチックのスリムなくさびとからなるテーパ状ディスプレイが開示された。ビデオ・プロジェクタ自身は、ほぼ視準した照明源、マイクロディスプレイ、集光レンズおよび投影レンズを備える。光線が投影レンズを離れると、光線は細いくびれた部分を形成する。この時点で、光線はくさびの厚い端部に到着する。光線がスリムなくさびの厚い端部に当たると、くさびの一方の面から測定した面外角は、光線がくさびの対向する面から反射する度に変化する。最終的に、光線は、くさび内を十分遠くまで伝搬し、その結果、面外角は臨界角よりも大きくなり、この時点で、光はくさびから外に出る。それ故、光線がくさびを離れるまでにくさび内を進む距離は、光線が入射する角度により決まる。このようにして、マイクロディスプレイ上の画素の二次元アレイは、くさびの面上で１：１で画素の二次元アレイにマッピングされる。光線が臨界角に達した時にすべての光が確実にスクリーンから離れるようにするためには、反射防止コーティングを行うことが望ましい。何故なら、そうしないと、画像の隣接している行間にぶれが起きるからである。
国際公開第０１／７２０３７号パンフレット （１９５９年）Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ４９巻、７１３ページ掲載の、「ジョッキ形の収差のないユニット拡大光学システム」（Ｕｎｉｔ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｓｅｉｄｅｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ）

テーパ状ディスプレイは、背面スクリーン投影ディスプレイ用として多くの利点を有するが、投影された画像は、暗いギャップまたはバンドにより分離された水平方向のバンドに分離される。何故なら、光が、ｎの内部反射からｎ＋１の反射へ変化する点には光が現れないからである。

本発明の一態様により、平面パネル投影装置、特に、テーパ状の透明なスラブ、画像の入射に適応するプロジェクタ、または画像を受け取る感光デバイス、スラブの厚い端部、ディスプレイを見ることができるスラブの面上の半透明なスクリーン、およびスラブの面からの光がスクリーンの領域をカバーすべく広がるために、スラブから所定の距離のところにスクリーンを保持するための手段を備えるディスプレイを提供する。

この距離すなわちギャップの高さは、一般的に、その点でのテーパ状導波管の厚さに比例していなければならない。ギャップは空気で満たされていなくてもよい。ギャップは、正しい光学品質の固体またはゲルで満たされていてもよい。ギャップは、スクリーン、特に大型のディスプレイを保持するスペーサとして機能し得る。別の方法としては、スクリーンの縁部の周囲の、またはスクリーンの領域上の一組のスペーサを保持手段として使用してもよい。

他の態様によれば、本発明は平面入力スラブ導波管、および光がその面内で広がった後に入力導波管から光を受け取るように配置されているテーパ状出力スラブ導波管とからなり、平面入力導波管からテーパ状導波管へは徐々に遷移する、平面パネル投影装置を提供する。

第３の態様によれば、本発明は、光源と、導波管の面上に出るように光がその厚い端部内に入射されるテーパ状スラブ導波管と、この光を変調して、それを導波管を通してもとの方向へ反射するディスプレイ素子とを備えるプロジェクタを提供する。

本発明の理解を容易にするために、添付の図面を参照しながら、いくつかの実施形態について説明するが、説明は単に例示としてのものに過ぎない。

図１〜図３は、ＷＯ ０１／７２０３７に開示されているくさび形導波管の動作原理である。図１は、テーパ状の透明なスラブ内を光線が伝搬する距離が、光線が入射する角度により決定される方法を示す。図２は、テーパ状スラブを通る光線の経路を、テーパ状スラブの鏡像を通るまっすぐな光線を追跡することにより見出す方法である。図３は、平均的な光線に対する図２の三角法である。図４は、スネルの法則により容易に証明できるように、光線が臨界角に近い角度でガラス／空気界面に入射した場合、射出角がどのようにしてほぼ入射角の２倍の平方根になるのかを示す。

図５は、図３類似の、本発明の原理である。スクリーン３は、ギャップ４、すなわち、テーパ状ギャップを挟んでスラブ上に置かれる。図５は、最後の面のところで水平方向のバンドを形成するように、テーパ状スラブの鏡像を通して追跡した光線が、テーパ状の透明なスラブおよび半透明のスクリーンの間に空間を形成することにより隣接ギャップを満たすために広がる方法を示す略図である（物理的セットアップは、以下に説明する図８のセットアップと類似している）。

テーパ状の透明なスラブ１は、一方の面上に反射防止コーティングがされたくさびとして形成され、ビデオ・プロジェクタ２はそのくさびの厚い端部の方向に向いている。投影
された画像が分割されるバンド間のギャップは、テーパ状の透明なスラブのコーティング面に隣接して半透明のスクリーン３を設置し、スクリーンの底面及びくさびの２つの面を全部延伸させた場合に共通の１本の線のところで合流するように、スラブとスクリーンとの間に空間４を形成することにより除去され得る。半透明のスクリーンと隣接くさび面との間の角度σは、下式により表すことができる。

ここで、ｎはくさびの屈折率であり、αはくさびのテーパ角であり、θ_０は光線が半透明のスクリーンに隣接するガラス／空気界面により実質的に（例えば５０％のように）透過される場合には、光線の入射角が、臨界角よりも小さくなくてはならない角度である。

そのテーパ・プロファイルが、くさびのテーパ・プロファイルとは異なって滑らかに変化するテーパ状の透明なスラブの場合には、半透明のスクリーンは、任意の点でのスクリーンとスラブ面との間の空間ｓの厚さが、その点に隣接するくさびの厚さｔに比例するような形をしていなければならない。比例定数は下式により表される。

他の形の透明なスラブの場合には、半透明のスクリーンの形およびスラブからの距離は、下記のように行われる、くさび形のスラブに対するのと同じ方法で計算することができる。

くさびのガラス／空気界面から反射する通常の光線の通路は、光線追跡アルゴリズムを使用するか、図３のところで行うような、長さＬのくさびのスタックを通るまっすぐな光線の通路と光学的に同等なものを考慮することにより見出される。光線が、光線が出てくる臨界角θ_ｃよりも若干小さい角度で界面に当たった場合には、光線が出てくるテーパ状スラブの先端からの平均距離Ｙを、図３に三角法を適用することにより、光線が入射した角度θに関連づけることができる。

しかし、これは、下記の理由により、単なる平均距離にしか過ぎない。光線が、臨界角よりごくわずか大きい角度でガラス／空気界面の画像に入射した場合には、ガラス／空気界面の次の画像まで追跡することにより、光線の反射を描くことができる。これは、通常、反射防止コーティングされていないくさびの側面を表すので、光線はくさびから出ることによりそこで終わる次の画像まで追跡される。この２回の反射の間に、光線は、くさびに沿ってある距離だけ移動し、投影された画像内のくさびのこの部分にギャップが現れる。

光線がくさびから出てくると、くさび面に対するその角度δθ_２は、図４に示すように
、光線がくさびから出る前の臨界角に対するその角度δθ_１により決まる。その関係は下式により表される。

上式は、近似により下式として表すことができる。

例えば、光線が屈折率１．５のガラス内に臨界角より０．０５度小さい角度で入射した場合には、光線はくさび面に対して２．５３度の角度で出てくる。入射角が他の角度である場合には、下記のように放射角は別の角度になる。

半透明のスクリーンとくさび形の導波管との間に空間が存在する場合には、１本の水平方向のバンド内の光束は、図５に示すように、隣接するギャップを満たすように、空間を横切って投影される。ギャップの高さは、その点のテーパ状の透明なスラブの厚さｔの２倍に臨界角のタンジェントを掛けたものに等しい。さらに、光束内の入射角の範囲は、くさびのテーパ状角度αの２倍に等しい。この範囲外の光線は、その反射が１回少ないか、１回多い。光束内の最大入射角が臨界角より小さいθ_０である場合には、テーパ状の透明なスラブと半透明のスクリーンとの間の空間の厚さは下式により、

またはもっと近似的に下式により表される。

従来の反射防止コーティングは、臨界角より大きな角度でコーティングに入射する可能性がある任意の光線の反射を除去するように設計されている。このようなコーティングの場合には、θ_０は、画像の隣接する画素を照射している一組の光線の間の角度に等しい。低い解像度の場合にはこれでも十分であるが、スラブからスクリーンへの光線の投影は非直線的になり、その結果、歪みが起こり、解像度が高い場合には不十分なものになる。

それ故、本発明のもう１つの実施形態の場合には、テーパ状の透明なスラブ上のコーティングは、臨界角からθ_０を引いた角度より大きい内角でガラス／空気界面に入射したすべての光線を反射するように、また、これより小さい角度で入射したすべての光線を透過するように設計されていて、反射から透過への遷移は、画素の任意の隣接する一組の行を照射している光線間の角度より小さい光線方向の変化上で起こらなければならない。この設計は、ＷＯ ０１／７２０３７に開示されているのと同じ方法で、光線追跡アルゴリズム、またはコーティング設計アルゴリズムにより行うことができる。１０％以下の歪みの場合には、θ_０は、くさびのテーパ角度αと等しくなければならない。歪みの他の要因の場合には、θ_０は下記のようになる。

各光線の角度θは、下式のように、２つの部分の合計として書き表すことができる。

ここで、θ_ｒｅｍは、放射前に光線が受ける反射の数を変えないでθを減らすことができる最大の角度であり、θ_ｉｎｔは、この減らした後の光線の角度である。くさび角度αが９０度の整数除数であると仮定した場合、下式のようになる。

ここで、ｒｅｍ関数は、負数にならない範囲で、できるだけ多くの回数第２のオペランドから第１のオペランドを引いた後の残りである。光線がスラブから出ると、光線は半透明のスクリーンに当たる前に、くさびの先端に向かって移動する。移動する距離は、ｓ／ｔａｎ（δθ_２）であり、この光線に対してδθ_１＝θ_ｒｅｍ＋θ_０であるので、この距離は、ほぼ下式により表される。

この距離は、全透過の点上であった場合には、光線が先端に向かって移動した距離より短い。この距離は下式により表すことができる。

それ故、全透過点を通り過ぎることにより、光線は、下式が表す正味の距離だけ先端から遠くへ移動する。

スラブと半透明のスクリーンとの間の空間ｓに、この値を挿入することにより、先端から遠くへ移動した下式で表わされる正味の距離が得られる。

ここで、ｇａｐは、ギャップの高さである。この高さを、光線がスラブと交差する距離に加算しなければならない。下式のようになる。

ここで、ｂａｎｄは、バンドの高さである。バンドにギャップを加えたものが、光線が臨界角でくさび面に当たる隣接点の間に存在し、これらの点に当たる２本の光線の方向の違いはくさび角度の２倍である。それ故、バンドのギャップを加えたものの高さは下式により表される。

光線がスラブと交差する距離を下式のように書き直すことができる。

θ_ｒｅｍは、２αより小さい。これは小さいので、ｃｏｓθ_ｒｅｍは約１である。それ故、下式のようになる。

また、ｓｉｎ２α≒２αであるので、下式のようになる。

右辺の項は、収差を表し、このグラフは最大のところでピークになることを示す。図６は、光線が投影されるテーパ状の透明なスラブの面上のバンド内の位置に対する、半透明のスクリーン上に投影された光線が歪みのために移動する（隣接ギャップの高さの一部としての）距離の曲線である。ピークは、歪みを含まない画像に対してできるだけ小さいことが望ましいし、ピークの位置が、右辺の項の違いをゼロに設定することにより発見できることが望ましい。

θ_ｒｅｍのこの値をＹ_{ａｃｔｕａｌ}に対する式の右辺の項に挿入することにより、画素をシフトできる最大距離が入手できる。

図７は、コーティングの遷移角度とくさびのテーパ角度との間の比に対する（隣接ギャップの高さの一部としての）最大歪みの曲線である。この曲線は、θ_０／αを増大することにより収差を減らし得ることを示す。ガラス／空気界面のところの反射と透過との間の
遷移が、臨界角より若干小さい角度のところで起こるように反射防止コーティングを設計することによりθ_０／αを増大することができる。最悪の例の場合、ギャップはバンド自身と同じ大きさであると仮定し、ピークとピークとの歪みを１０％以下にしたい場合には、最大ギャップの一部は２０％以下でなければならないし、それ故、θ_０はαに等しくなければならない。

例えば、３２０ｍｍの距離の上を、１．５ｍｍから０．５ｍｍにテーパ状になっているくさび上の７６８行を表示する場合を考える。くさび角度は０．１８度であり、画素の大きさは０．４２ｍｍである。くさびの厚い端部のところのギャップの高さは、２．７ｍｍであり、それ故、バンドにギャップを加えたものの高さは、５．４ｍｍであり、それ故、０．１８度の２倍を結ぶ光束が照射する画素の数は１３であり、１つの画素の角度は０．０２８度である。それ故、１０％以下のピークとピークの間の歪みの場合には、反射防止コーティングは、臨界角から０．１８度を引いた角度までの光線を反射しなければならないので、光線の角度上の反射状態から透過状態への遷移は０．０２８度変化する。コーティングされたくさび面と半透明のスクリーンとの間の角度は０．０６４度でなければならない。

ガラス／空気界面上である入射角度だけで光を反射し、他の角度では光を反射しないコーティングを設計するのは難しい場合がある。光が白色光源からのものである場合は、そのような設計は特に難しい。それ故、すべての反射を除去するためだけに設計するコーティングを使用する、本発明の他の実施形態について説明する。

図８は、くさびと半透明のスクリーンとの間へのプリズム状のフィルム５の挿入方法である。プリズム状のフィルムは２つの透明な材料の積層体からなり、その間の界面は、くさびがテーパする方向に平行な方向に鋸歯形の輪郭を持つが、直交方向は直線状になっている。各鋸歯の基部および頂部のところの角度は、９０度でなければならないが、各鋸歯の１つの側面は、その側面のほとんどの場合４５度である臨界角で、高屈折率の側面を通ってフィルムに入る光に対して垂直でなければならない。このようなフィルムは、例えば、相互に対向しているプリズム状の面を持つ、３Ｍスコッチオプチカルライティング（Ｓｃｏｔｃｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ）社のアクリルフィルムおよびポリカーボネートフィルムを積層することにより、または適当な屈折率の接着剤で、３Ｍスコッチオプチカルライティング（Ｓｃｏｔｃｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ）社のフィルムをコーティングすることにより形成し得る。

光線が、図８のくさび形の導波管を離れた場合、くさびの面に対するその角度は数度程度であって、それ故、プリズム状のフィルムの高屈折率側面に入ると、光線は臨界角に近い角度に屈折する。その結果、光線はプリズム状のフィルムを通って方向を少し変えながら、プリズム状のフィルムの低屈折率側面に達するが、このフィルムの臨界角は、高屈折率側面よりも大きい。それ故、光線が材料／空気界面に入射すると、任意の光線の入射角と臨界角との間の最小の違いは、高指数屈折率材料と低屈折率材料との間の臨界角の違いである。臨界角間の違いは、θ_０が反射防止コーティングの直線性に影響を与えるのと同じ方法で、直線性に影響を与える。それ故、１０％以上の直線性の場合には、臨界角の違いは、くさびの角度αに等しくなければならない。例えば、くさび角度が０．１８度のアクリル・くさびを使用し、歪みを１０％以下にしたい場合を考える。プリズム状のフィルムは、例えば、ノーランドオプチカルアドヒーシブ（Ｎｏｒｌａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ）社製のような透明な接着剤で、プリズム状の側面に３Ｍスコッチオプチカルライティングフィルムのアクリル型をコーティングすることにより形成し得る。接着剤は、空気に対するその臨界角がアクリルの臨界角より０．１８度低いような屈折率を持つように選択される。

テーパ状の透明なスラブの面内でこれが解決される場合、すべての光線が方向の同じ成分を持つ場合に、今迄説明してきた技術は有効である。

ＷＯ ０１／７２０３７に、ビデオ・プロジェクタからの拡大した画像がくさびの面上に現れるように、ビデオ・プロジェクタからの光線を単一の面内方向に視準するための、ビデオ・プロジェクタ、平面投影スラブおよびシリンダ状のレンズまたはミラーの使用方法が開示されている。しかし、フレネルレンズを使用しない限り、シリンダ状のレンズの焦点距離をその幅より短くするのは難しいし、フレネルレンズは光を散乱するばかりでなく、投影面内に画像構造体を生成する。それ故、プロジェクタとレンズとの間の投影スラブの長さは、くさびの長さより長く、そのため、投影スラブをくさびの背後に折り曲げるばかりでなく、投影スラブ自身を半分に折り曲げることが望ましい。

ＷＯ ０１／７２０３７には、さらに、２つのスラブ間で画像を折り曲げるための一組の直角プリズムの使用方法も開示されているが、プリズムはかなりの精度で製作されなければならない。投影スラブの側面が平行である場合には、代わりに、スラブの端部を金属でコーティングし、投影光線を端部から反射することにより投影光線を折り曲げることができる。しかし、その後で、光線は、くさびまで通過しなければならないし、折曲げ部があってもなくても、投影スラブの平行な側面とくさびのテーパ状側面との間に若干のねじれがあると、投影された画像内に収差が生じる恐れが十分ある。

図９に示すように、これらの収差の大部分は、投影スラブの端部のところのテーパ角度が、くさびのテーパ角度と同じになるように、その端部の一方に隣接する領域８内の投影スラブの片面または両面を断熱的にカーブさせることにより除去することができる。カーブを断熱的にするために、この領域の長さをその厚さの約３０倍にすることができる。しかし、この長さより短かくても、端部を必要な状態にすることができる。

ここで、平面入力スラブとテーパ状くさびとの間の遷移部分の曲率半径および長さの計算方法について説明する。遷移は徐々に行わなければならない。何故なら、そうしないと、ゴースト画像または歪みが生じるからである。しかし、その長さはできるだけ短くしなければならない。何故なら、スクリーンの側面のところに空白ができるからである。

くさびの遠い方の端部に伝搬する光線について考える。この光線の入射角度は、徐々に小さくなり、光線は、ある点で、その前の光線よりも、遷移カーブを離れて、１回余分に反射することになる。この余分な反射により余分な焦点ができ、前のものとの違いが歪みとなって目に見える。これを分析するために、スラブおよびくさび両方の折り曲げられていない光線、その結果図に示す反射だけが余計な反射になる。もちろん、遷移で他のいくつか反射が起こる場合もあるが、我々が興味を持っているのは、遷移からの反射の回数の増加の効果だけであるので、この増大だけを取り出して考える。

遷移により形成された焦点ミラーの軸は、スラブに対してほぼ垂直であり、図９ａに示すように、この軸に沿った入射点から遷移カーブまでの距離は、スラブの長さＬを入射角θで割ったものである。遷移はある距離Ｖのところに入射点の垂直な画像を形成する。その逆数は、Ｌ／ｔａｎθの逆数から、遷移の曲率半径の２倍の逆数を引いたものに等しい。

画素の大きさが、カーブのない（Ｌ／ｔａｎθ）δθである場合には、カーブのある場合画素の大きさは下式により表される。

それ故、歪みは下式のようになる。

Ｌ／４ｒｔａｎθ
ギャップの無いくさびのテーパ角は約1/2 ｔ_０／Ｌであり、このテーパ角になるのに必要な遷移カーブの長さはテーパ角のｒ倍、すなわち、1/2 ｔ_０／４ｄｔａｎθである。この場合、ｄは歪みである。くさびがｔ_０＝１０ｍｍという最初の厚さ（すなわち、厚い方の端部の厚さ）を持っている場合には、くさびの先端に達するための入射角は７４度であり、許容歪みは１％であるので、遷移カーブの長さは３６ｍｍである。

一組のプリズムの代わりに、すでに説明したように、投影スラブとくさびとの間の折曲げ部を、（１９５９年）Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ４９巻、７１３ページ掲載の、「ジョッキ形の収差のないユニット拡大光学システム」（Ｕｎｉｔ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｓｅｉｄｅｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ）に、Ｊ．Ｄｙｓｏｎが記載しているレンズのシリンダ状の等価物、または段階指数カーブにより形成してもよい。ダイソン・レンズのシリンダ状等価物は、図１０に示すように、４４．４５ｍｍの銀メッキした内径を持つシリンダの中心に直径１５ｍｍのアクリルのロッドを設置し、次にその中心軸まで両者を半分に切断することにより形成することができる。投影スラブおよびくさびは、その端部がこの中心軸に位置する状態で対向に設置される。

段階屈折率曲線は投影スラブと同じ厚さのシリンダを含むが、その屈折率は半分のシリンダの一方の側面から他方の側面に、中心から任意の選択した半径のところに追跡した光学経路の長さが同じになるようにその内縁部の方向に増大する。段階屈折率曲線は、ガラス・シリンダを通して、交互に位置する高屈折率ガラスと低屈折率ガラスを通過し、適当
な方法で高屈折率形および低屈折率形間の比率を変えてやることにより形成することができる。何故なら、これらは、ガラス・シリンダの内面に配置されているからである。次に、投影スラブまたは入力スラブをカーブの一方の端部に密着した状態で、またくさびの太い方の端部をカーブの他方の端部に密着した状態で、段階屈折率曲線をその中心軸に沿って半分に切断しなければならない（図１１）。

ビデオ・プロジェクタからの光線を視準するために、シリンダ状のレンズを使用する代わりに、図１２に示すように、投影スラブの折り曲げられていない端部を放物線９に切断することにより、折曲げという行為と視準という行為を結合し、次に、シリンダ状の放物線ミラーとして機能するように、この端部を研磨し、銀メッキしてもよい。放物線ミラーの焦点１０は、投影スラブの一方の側面の方向にずれていなければならないし、ビデオ・プロジェクタは、この焦点に設置しなければならない。ビデオ・プロジェクタ２からの光が、放物線から反射する前に投影スラブの側面１１から反射する場合には、システムをもっとコンパクトにすることができる。

例えば、くさびの幅が４２７ｍｍであり、長さが３５０ｍｍである場合には、底部の３０ｍｍは、一定の厚さからテーパ状厚さへの断熱的遷移であり、この場合、放物線ミラーは下式になる。

ｙ＝０．０００７０１ｘ^２
ここで、原点ｘ＝０、ｙ＝０は、くさびの側面を越えた１１０ｍｍのところに位置するが、くさびの側面から５５ｍｍのところで、投影スラブの縁部を切断し、研磨し、銀メッキすることにより中心の方向に折り曲げられる。この視準システムは、図５の平面パネル・ディスプレイや、テーパ状導波管ばかりでなく、任意の平面パネル・ディスプレイと一緒に使用することができる。

折り曲げプリズムの製造が十分正確なものになり、投影スラブをくさびにコンパクトに折り曲げることができるようになることが期待されている。その場合には、ビデオ・プロジェクタ自身を平坦にすることにより、すべての容積をなくすことが望ましい。このような容積の低減は、図１３に示すように、液晶ディスプレイでも、他のタイプのディスプレイでも、ビデオ・プロジェクタからディスプレイ素子１５を除去し、ディスプレイ素子の面を小型のテーパ状の透明なスラブ１２に対して設置することにより行うことができる。点光源は、くさびの厚い端部に入射し、例えば、放物線ミラー、レンズまたはホログラフィック・レンズにより視準される。ホログラフィック光学システム１３は、液晶ディスプレイとくさびとの間に挿入されるが、この場合、ホログラフィック光学素子とくさびとの間に、ホログラフィック光学素子がギャップのない状態で照射されるように選択した大きさのくさび形の空間１４が形成される。

ホログラフィック光学素子の空間周波数は、すべての光線が、反射の際に動作する液晶ディスプレイの面の方向にほぼ垂直に曲がるように配置される。その結果、反射光線はほぼその元の経路に沿って戻る。ディスプレイ素子１５の向きは、戻りの光線が、光線が入射された点に隣接する一点に集光するように調整され、投影レンズが戻りの光束のくびれた部分に挿入される。次に、光線は、投影スラブ（図示せず）に達する。好適には、投影レンズ自身はスリムなものであることが好ましく、また投影レンズ自身は、例えば、一組の前部が銀メッキされたミラーの間にフロートガラスのレンズ形の部分をサンドイッチ状に挟むことにより形成することができる。入射くさびから投影スラブへの遷移は、画像のディスプレイに対するのと同じ方法で、テーパ角を徐々に変化することにより断熱的に行わなければならない。しかし、この投影システムは、ＷＯ ０１／７２０３７に開示されているくさび・タイプばかりでなく、任意のディスプレイと一緒に使用され得る。

図１３は、３つのバンドを示しているが、くさび形のギャップが、テーパ状導波管とそのガラス・プレートとホログラムを含むＬＣＤ変調器のほぼ平らな面との間に形成されている。しかし、出てくる光の１つのバンドだけを使用する場合には、暗いストリップ除去システムを使用する必要もないし、ギャップ１４をテーパ状にする必要もない。

また、好適には、照明源は、コンパクトなものであることが好ましく、一方、レーザ・ダイオードは十分小型であるが、ビデオ投影のために必要な電力は供給しない。代わりに使用されるアーク光は大きいし、１０００または２０００時間動作すると故障し、交換が難しいという欠点がある。それ故、好適には、アーク光は、ディスプレイを駆動するコンピュータ内または壁のプラグの周囲のハウジング内に別に収容することが好ましい。アークからの光は、光ファイバ内に集光すべきであり、このような集光は、光がディスプレイ・システム内に入射される点のところで終わるようにすべきである。

投影の重要な１つの利点は、液晶ディスプレイが小型になることであり、小さな領域上で高い解像度のリソグラフィをより容易に行うことができることである。液晶ディスプレイの下のトランジスタ・アレイが、結晶シリコンのような高移動度の半導体でできている場合には、復元のような高性能のアルゴリズムを液晶ディスプレイで実行することができ、ビデオ画像を駆動するのに遅いデータ速度のコネクタが数個あれば十分である。

ある種のビデオ・プロジェクタは、それぞれが、赤、緑および青用の３つの液晶ディスプレイ、およびカラー画像を結合するための一組のダイクロイック・ミラーを使用することによりカラー画像を生成する。ここでは、投影スラブ内にダイクロイック・ミラーを挿入し、各カラー用の放物線の焦点に液晶ディスプレイおよびくさびを供給することにより同じシステムを使用することができる。２つのダイクロイック・ミラーは、各ミラーに対する１本のラインに沿ってスラブを切断し、切断により形成された一方または他方の縁部に沿ってミラーを配置し、次に、投影スラブを再度もとのように結合することにより挿入することができる。

コンパクトなスクリーンは、基部に２つのくさびの先端１ａ、１ｂを設置し、２台のビデオ・プロジェクタ２ａ、２ｂからの光をくさびの厚い端部内に集光することにより、折り曲げないで作ることができる。図１４参照。２つのくさびの対向面は、それぞれ、反射防止コーティングが行われていて、その間に１枚の半透明なスクリーンが挿入される。画像バンド間のギャップがなくなるように、各くさびは反射防止コーティングから遠ざかる方向に離れている。画像の左半分は右のビデオ・プロジェクタに送られ、画像の右半分は左のビデオ・プロジェクタに送られる。半分の各画像は、台形歪みを修正するために予め歪みを与えておかなければならない。２つの半分の画像は、中心で重ならなければならないし、一方の半分から他方の半分への遷移は、目に見えるビデオ歪みを完全になくすために徐々に行われる。もちろん、このシステムは２台のプロジェクタを使用してもよい、２台のプロジェクタを使用するのが好ましくない場合もある。

テーパ状導波管システムの基本的なオプション部品図。 テーパ状導波管システムの基本的なオプション部品図。 テーパ状導波管システムの基本的なオプション部品図。 テーパ状導波管システムの基本的なオプション部品図。 本発明の原理図。 導波管とスクリーンとの間の空間を横切る投影の効果を示すグラフ。 導波管とスクリーンとの間の空間を横切る投影の効果を示すグラフ。 歪みを起さずにギャップを除去するために、プリズム状のフィルムが、テーパ状の透明なスラブと半透明のスクリーンとの間に挿入されている第２の実施形態図。 遷移を徐々に行うことにより最終画像内に収差を起さないテーパ状スラブ内への厚さの変化の割合が、ゼロから必要なテーパ角度に変化する第３の実施形態図。 遷移を徐々に行うことにより最終画像内に収差を起さないテーパ状スラブ内への厚さの変化の割合が、ゼロから必要なテーパ角度に変化する第３の実施形態図。 システムを折り曲げるために使用し得るシリンダ状のダイソン・レンズの図。 システムを折り曲げるために使用し得る段階屈折率曲線の図。 ビデオ・プロジェクタからの画像のシステム内での拡大方法、およびコンパクトな折曲げ方法を示す図。 くさび、スペース、ホログラフィック光学素子および液晶ディスプレイのコンパクトなビデオ・プロジェクタとしての使用方法を示す図。 折り曲げないで平面パネル投影を行うために、基部から先端に置かれた２つのくさびの使用方法を示す図。

Claims (9)

1. テーパ状の透明なスラブ導波管（１）と、
   該スラブの厚い端部内に画像を入射し、それによって画像の各点からの光線がすべて内部反射し、最終的に、スラブの端部に入射した際の角度に依存する地点で、スラブの一方の面から出て行くように適合されたプロジェクタ（２）と、
   ディスプレイを見ることができる該スラブの面上の半透明のスクリーン（３）と、
   スラブの面から出射した光が、同一の画像の点からの光線の内部反射の数の差異によって現われるバンド間のギャップがスクリーン上で閉じるように画像を広げ得るために、該スクリーンを該スラブから離間して保持するためのスペースを形成する手段と、
   を備える平面パネル投影装置。
2. 前記スラブ導波管の面と前記スクリーンの面とは平面であり、該スクリーンと該テーパ状導波管の隣接する面との間の角度σがほぼ下式を満足させる、請求項１に記載の平面パネル投影装置であって、
   

   

   ｎは該テーパ状スラブ導波管の屈折率であり、αは該スラブのテーパ角であり、θ_０は該半透明のスクリーンに隣接するガラス／空気界面によりほぼ透過する場合の、光線の入射角が臨界角よりも小さくなくてはならない角度である。
3. 導波管とスクリーンとの間のギャップの高さｓが下式をほぼ満足させ、：
   

   

   ｔは問題の点での前記テーパ状導波管の厚さであり、他の値は請求項２で定義された値である請求項１に記載の平面パネル投影装置。
4. 前記スラブが、約１．５の屈折率の材料からできていて、約０．１８度のテーパ角を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の平面パネル投影装置。
5. 前記くさび（１）の放射面が、前記スラブから出る角度を拡大するためのプリズム状のシート（５）を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の平面パネル投影装置。
6. 前記装置がディスプレイである請求項１乃至５のいずれかに記載の平面パネル投影装置。
7. 平坦な入力スラブ導波管（６）を含み、該入力スラブ導波管の一方の端部内に、光がスラブの幅に亘って広がるように入射され、同光が該入力スラブ導波管からテーパ状導波管スラブ内に入力される請求項１乃至６のいずれかに記載の平面パネル投影装置。
8. 前記入力導波管（６）から前記テーパ状導波管（１）への遷移が徐々に行われる特に請求項７に記載の平面パネル投影装置。
9. 前記入力導波管が視準反射面を含む請求項７または８に記載の平面パネル投影装置。

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