JP4480763B2

JP4480763B2 - 投射系

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Publication number: JP4480763B2
Application number: JP2007513106A
Authority: JP
Inventors: ホール，エスティル，ソーン，ジュニア
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: EP1745655A1; US20070229718A1; KR101116248B1; WO2005115012A1; JP2007537484A; KR20070020030A; CN1957619A

Description

本発明は、より小さいイメージャを有する投射系と共に、より大きいアークランプを使用する複数のイメージャ（imager）の投射系に関する。

ディジタル光処理（Digital Light Processing）（ＤＬＰ）及び／又は液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display）（ＬＣＤ）、特にシリコン上の液晶（liquid crystal on silicon）（ＬＣＯＳ）、イメージャを使用するマイクロディスプレイは、背面投射型テレビジョン（Rear Projection Television）（ＲＰＴＶ）のようなイメージングデバイスにおいて、ますます流行になっている。

ディジタル光処理（ＤＬＰ）イメージャは、各々がピクセルとして作用する、マイクロミラーのアレイを使用すると共に、それらは、ピクセル毎の基準で光の強度を時間的に変調するために、非常に高い速度で旋回させられる。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、特にシリコン上の液晶（ＬＣＯＳ）の系は、反射性の光エンジン又はイメージャを使用する。ＬＣＯＳ系においては、投射された光は、偏光ビームスプリッター（polarizing beam splitter）（ＰＢＳ）によって偏光させられると共にＬＣＯＳイメージャ又はピクセルのアレイのマトリックスを含む光エンジンへと方向付けられる。この明細書のいたるところで、且つ、その関連技術の実践と矛盾無く、その用語ピクセルは、像の小さいエリア又はドット、光の透過の対応する部分、及び、その光の透過を生じさせるイメージャの部分を指し示すために、使用される。

ＤＬＰ又はＬＣＯＳイメージャの各々のピクセルは、離散的な変調された光信号又はピクセルのマトリックスを形成するために、そのイメージャ又は光エンジンに入力されたグレースケールの因子に従って、それに入射した光を変調する。その変調された光信号のマトリックスは、そのイメージャから、反射させられるか、又は、出力されると共に、可視の像を形成するためにそれら光のピクセルを組み合わせる、表示スクリーンへ、その変調された光を投射する、投射レンズの系へ方向付けられる。この系において、ピクセルからピクセルへのグレースケールの変動は、その像の信号を処理するめに使用されるビットの数によって、限定される。明るい状態（即ち、最大の光）から暗い状態（最小の光）へのコントラスト比は、そのイメージャにおける光の漏洩によって限定される。

既存のＬＣＯＳ及びＤＬＰ系の主要な不都合の一つは、その暗い状態における光の量を低減することにおける困難性であると共に、抜群のコントラスト比を提供することにおける結果として生じる困難性である。これは、部分的には、その光の漏洩のおかげで、これらの系において固有のことである。

加えて、その入力が、光のフルスケールを定義しなければならない、固定された数のビット（例、８、１０、など）であるので、そのピクチャのより暗いエリアにおける微妙な差を定義するために利用可能なビットがほとんどない傾向がある。これは、疑似輪郭（contouring）アーチファクトに至り得る。

その暗い状態でのＬＣＯＳにおけるコントラストを向上させるための一つのアプローチは、その特定のフレームにおける最大の値に基づいて、ピクチャの全体を一定の割合で拡大縮小するために、ＣＯＬＯＲＳＷＩＴＣＨ^ＴＭ、又は、類似のデバイスを使用することである。これは、いくつかのピクチャを改善するが、しかし、高い及び低い光のレベルを含有するピクチャについてはほとんどしない。その問題を解決するための他の試みは、より良好なイメージャを作ることなどへ向けられてきたが、しかし、これらは、最良の漸増の改善である。

マイクロディスプレイの系においては、一般的な非常に望ましい傾向は、イメージャのエリアの低減である。これは、そのイメージャにおける改善された歩留まり（yield）、及びより小さい光学的な構成部品のために、望ましいと共に、このようにその系のコストを低減する。そのイメージャのエリアを低減することは、アークランプの設計に、増加する制約を与える。そのイメージャが、収縮すると、そのアークランプは、また、そのエタンデュ（etandue）を一定なものに保つために、大きさにおいて一定の割合で縮小されなければならない。そのアークランプの大きさにおける低減は、ますますより短いアークランプの寿命に帰着すると共に、そのマイクロディスプレイを動作させるための増加した維持及びコストを引き起こす。

本発明は、二段階の投射の構成を使用する、ピクセル毎の基準で光信号の改善されたコントラスト及び疑似輪郭を提供すると共に、全ての映像のピクチャを改善する、投射系を提供する。

その投射系は、二個のイメージャを使用するが、第一のものは、第一のイメージャの大きさに作られた、大きいランプを収容するためにより大きいものであると共に、第二のものは、より小さいものである。第一のイメージャは、光の第一の変調されたマトリックスを形成するために、ピクセル毎の基準で光を変調するためのピクセルのマトリックスを有する。第二のイメージャは、光の第二の変調されたマトリックスを形成するために、ピクセル毎の基準で光の第一の変調されたマトリックスを変調するための第一のイメージャのピクセルに対応するピクセルのマトリックスを有する。第二のイメージャは、第一のイメージャの大きさよりも小さい大きさを有する。リレーレンズセットは、光の第一の変調されたマトリックスにおける光の各々のピクセルを、第二のイメージャの対応するピクセルへと中継するために、１．０未満の倍率を提供する。

今、本発明を、添付する図を参照して、記述することにする。

本発明は、良好なランプの寿命を提供する一方で、向上させられたコントラスト比及び低減された疑似輪郭を備えた、テレビジョンのディスプレイ用のような、投射系を提供する。これは、より大きいランプ１０を維持するための、第一の段階用の、より大きいイメージャ５０、及び、第二の段階用の、より小さいイメージャ６０、を使用することによって、成し遂げられる。図解された実施形態において、ランプ１０は、ＬＣＯＳ系における使用に適切な、白色の光１を発生させるアークランプであることもある。例えば、ショートアーク水銀ランプが、使用されることもある。白色の光１は、投射系３０へ向かって白色の光１のテレセントリック性のビームを方向付ける、インテグレーター２０に入射する。そして、白色の光１は、それの構成成分、赤色（Red）、緑色（Green）、及び青色（Blue）（ＲＧＢ）の、光２のバンドへと分離される。ＲＧＢの光２は、（示されない）二色性のミラーによって分離されると共に変調用の別個の赤色、緑色、及び青色の投射系３０へと方向付けられることもある。そして、変調されたＲＧＢの光２は、（示されない）プリズム組み立て体によって、再度組み合わせられると共に、投射レンズ組み立て体４０によって（示されない）表示スクリーンへと投射される。

あるいは、白色の光１は、時間領域で、例えば、（示されない）カラーホイールによって、光２のＲＧＢのバンドへと分離されると共にこのように一回に一つずつ単一のＬＣＯＳ投射系３０へと方向付けられることもある。

本発明に従った、より大きいイメージャ５０及びより小さいイメージャ６０を有する二段階の投射の構成を使用する、例示的なＬＣＯＳ投射系３０は、図１に図解される。光２の単色性のＲＧＢのバンドは、ピクセル毎の基準で、二個の異なる大きさに作られたイメージャ５０，６０によって、連続して変調される。光２のＲＧＢのバンドは、無作為に偏光した光を含む。光２のこれらのＲＧＢのバンドは、第一のＰＢＳ７１の第一の表面７１ａに入射すると共に第一のＰＢＳ７１内の偏光表面（polarizing surface）７１ｐによって偏光させられる。偏光表面７１ｐは、第四の表面７１ｄを通じて第一のＰＢＳ７１の外へ通過する投射経路から離れてある角度でｓ偏光した構成成分４を反射させる一方で、光２のＲＧＢのバンドのｐ偏光した構成成分３が、第一のＰＢＳ７１を通じて第二の表面７１ｂへ通過することを許容する。第一のイメージャ５０は、光のＲＧＢのバンドが第一のＰＢＳ７１に入射する、第一の面７１ａと対向する第一のＰＢＳ７１の第二の表面７１ｂを越えて配置される。従って、ＰＢＳ７１を通過する、ｐ偏光した構成成分３は、第一のイメージャ５０に入射するものである。

図１に図解された、例示的な実施形態において、第一のイメージャ５０は、（示されない）表示の像のピクセルに対応する偏光液晶（polarized liquid crystal）のマトリックスを含む（以下により詳細に記述することになるような）ＬＣＯＳイメージャである。これらの結晶は、それらの配向に従って光を透過させると共に、それらは、次には、第一のイメージャ５０へ提供された信号によって生成させられた電場の強さと共に変動する。それらイメージャのピクセルは、各々の個々のピクセルについて第一のイメージャ５０へ提供されたグレースケールの値に比例した、ピクセル毎の基準で、ｐ偏光した光３を変調する。個々のピクセルの変調の結果として、第一のイメージャ５０は、ピクセルのマトリックス又は光の離散的なドットを含む、第一の光のマトリックス５を提供する。第一の光のマトリックス５は、第一のイメージャ５０から第一のＰＢＳ７１の第二の表面７１ｂを通じて後方へ反射された、変調されたｓ偏光した光の出力であるが、その場合には、それは、第三の表面７１ｃを通じて第一のＰＢＳ７１の外へある角度で偏光表面７１ｐによって反射させられる。第一の光のマトリックス５の各々のピクセルは、第一のイメージャ５０におけるそのピクセルについて提供された個々のグレースケールの値に比例した強度又は輝度を有する。

ｓ偏光した光の第一の光のマトリックス５は、第一の光のマトリックス５の各々のピクセルをより小さいイメージャ６０の対応するピクセルへと投射するために一未満の倍率を提供する、リレーレンズ系８０を通じてＰＢＳ７１によって反射させられる。図２に図解された、例示的な実施形態において、リレーレンズ系８０は、一連の非球面のレンズを含むが、それらのいくつかは、色消しレンズ（acromat）に形成される。それらレンズは、第一のイメージャ５０における各々のピクセルの出力が、第二のイメージャ６０の対応するピクセルへと投射されるように、１未満の倍率で透過させられる像の低い歪曲を提供するように、構成される。

図２に示されるように、例示的なリレーレンズ系８０は、第一のＰＢＳ７１とそのレンズ系の焦点又は系の絞り８３との間に第一の非球面のレンズ８１及び（二個の非球体（asphere）を含む）第一の色消しのレンズ（acromatic lens）８２を含む。系の絞り８３と第二のイメージャ７２との間において、レンズ系８０は、（二個の非球体を含む）第二の色消しのレンズ８４及び第二の非球面のレンズ８５を含む。第一の非球面のレンズ８１は、第一のＰＢＳ７１からの発散する光のパターンをレンズ系８０の光軸へ向かって収束する光のパターンへと曲げる、第一の表面８１ａ及び第二の表面８１ｂを有する。第一の色消しのレンズ８２は、第一の非球面のレンズ８１からの収束する光のパターンを系の絞り８３へと集束させる、第一の表面８２ａ、第二の表面８２ｂ、及び第三の表面８２ｃを有する。系の絞り８３では、その光のパターンは、反転すると共に発散する。第二の色消しのレンズ８４は、第一の表面８４ａ、第二の表面８４ｂ、及び第三の表面８４ｃを有する。第二の色消しのレンズ８４の表面８４ａ、８４ｂ、及び８４ｃは、その発散する光のパターンを、第二の非球面のレンズ８５へと分配する。第二の非球面のレンズ８５は、第一の表面８５ａ及び第二の表面８５ｂを有する。表面８５ａ及び８５ｂは、第一のイメージャ５０からピクセルのマトリックスへの一対一の対応を備えたピクセルを有する、第二のイメージャ６０に反転した像を形成するために、収束させるように、その光のパターンを曲げる。リレーレンズ系８０の表面は、第一のイメージャ５０及び第二のイメージャ６０のピクセルの一対一の対応を達成するために、イメージャ５０，６０及びＰＢＳ７１，７２と共に作動するように、構成される。例示的なレンズセット８０は、ＺＥＭＡＸ^ＴＭのソフトウェア及び発明者等によって開発された設計の判定基準を使用して、発明者等によって、開発された。例示的な二段階の投射系３０の表面の概要は、表１に提供されると共に、それら表面についての非球面の係数は、表２に提供される。表１及び２に記述された例示的なレンズ系は、０．７インチのより大きいイメージャ５０のピクセルから０．５インチのより小さいイメージャ６０への一対一の透過を提供する。様々な変更を、コスト、大きさ、輝度レベル、及び他の設計因子のような因子に基づいて、この例示的な投射系に、することができる。

表１（ミリメートル単位での寸法）

表２

表２（続き）

表２（続き）

第一の光のマトリックス５が、リレーレンズ系８０を去った後に、それは、第一の表面７２ａを通じて第二のＰＢＳ７２の中に入射する。第二のＰＢＳ７２は、第二の表面７２ｂを通じて第二のイメージャ６０へと、ｓ偏光した第一の光のマトリックス５を反射させる、偏光表面７２ｐを有する。図１に図解された、例示的な実施形態において、第二のイメージャ６０は、各々の個々のピクセルについて第二のイメージャ６０へ提供されたグレースケールの値に比例したピクセル毎の基準で、予め変調された第一の光のマトリックス５を変調する、ＬＣＯＳイメージャである。第二のイメージャ６０のピクセルは、第一のイメージャ５０のピクセルと、及び、その表示の像のピクセルと、一対一の基準で、対応する。このように、第二のイメージャ６０への特定のピクセル（ｉ，ｊ）の入力は、第一のイメージャ５０の対応するピクセル（ｉ，ｊ）からの出力である。

そして、第二のイメージャ６０は、ｐ偏光した光の出力マトリックス６を生じさせる。出力マトリックス６における光の各々のピクセルは、第二のイメージャ６０のそのピクセルについて、そのイメージャへ提供されたグレースケールの値によって、強度において変調される。このように、出力マトリックス６の具体的なピクセル（ｉ，ｊ）は、第一のイメージャにおけるそれの対応するピクセル（ｉ，ｊ）_１及び第二のイメージャ６０におけるそれの対応するピクセル（ｉ，ｊ）_２についてのグレースケールの値及び両方に比例した強度を有するであろう。

ランプ１０は、所望のエタンデュを維持するために、第一の段階のイメージャの大きさに作られなければならない。投射系３０の第一の段階においてより大きいイメージャ５０を使用することは、そのランプ１０が、より長いランプの寿命に帰着する、より大きいものであることを許容する。さらには、第二の、より小さいイメージャ６０がまた、その投射された像を変調するために、使用されることになるため、（コントラストの比に関して）より適度なイメージャを、より大きいイメージャ５０について使用することができる。適度な大きいイメージャ５０は、（より大きいアークランプからの）ランプ１０の照明を受けると共に、そして、ピクセル毎の基準で、“高い質の”より小さいイメージャ６０を照明するための今単位倍率未満のレンズを使用して、その光を中継する。図解された例示的な実施形態においては、〜０．７’’のより大きいイメージャ５０は、照明イメージャとして使用されると共に、〜０．５’’のより小さいイメージャ６０は、像を作るイメージャとして使用される。上述したような、リレーレンズ系８０は、より大きいイメージャ５０及びより小さいイメージャ６０のピクセルの間に一対一の対応を提供する。

特定のピクセル（ｉ，ｊ）の光の出力Ｌは、第一のイメージャ５０の与えられたピクセルに入射した光の生成、第一のイメージャ５０での与えられたピクセルについて選択されたグレースケールの値、及び、第二のイメージャ６０で選択されたグレースケールの値によって、
Ｌ＝Ｌ０×Ｇ１×Ｇ２
で、与えられる。

Ｌ０は、（ランプ１０、及び照明系の機能である）与えられたピクセルについて一定なものである。このように、光出力Ｌは、現実には、主として、各々のイメージャ５０，６０におけるこのピクセルについて選択されたグレースケールの値によって、決定される。例えば、それらグレースケールを１倍の最大に規格化すること、及び、各々のイメージャを仮定することは、２００：１の非常に適度なコントラスト比を有する、そして、ピクセル（ｉ，ｊ）の明るい状態は、１であると共に、ピクセル（ｉ，ｊ）の暗い状態は、１／２００（漏洩のために、ゼロでない）である。このように、二個の段階の投射器の構成は、４０，０００：１の輝度の範囲を有する。

Ｌｍａｘ＝１×１＝１；
Ｌｍｉｎ＝．００５×．００５＝．００００２５
これらの限定によって定義された輝度の範囲は、１／．００００２５：１、又は、４０，０００：１のコントラスト比を与える。重要なことには、仮に仮説のイメージャが、既存の単一のイメージャの構成において使用されたとすれば、例示的な二段階の投射器の構成についての暗い状態の輝度は、その明るい状態の百分の一、二よりもむしろ、その明るい状態の輝度のたった千分の四十であるであろう。当業者に理解されると思われるように、より低いコントラスト比を備えたイメージャを、より高いコントラスト比を備えたイメージャよりも相当に低いコストのために、提供することができる。このように、５００：１の比を備えたはるかにより高価なイメージャを使用する単一の段階の投射系が、５００：１のコントラストを提供するのみであることになる一方で、２００：１のコントラスト比を備えた二個のイメージャを使用する二段階の投射系は、４０，０００：１のコントラスト比を提供することになる。また、５００：１のコントラスト比を有する一個のイメージャ及び２００：１の比を備えた安価なイメージャを備えた二段階の投射系は、１０００，０００：１の系のコントラスト比を有することになる。それに応じて、コスト／性能の折り合いを、最適な投射系を生成させるために、行うことができる。

出力マトリックス６は、第二の表面７２ｂを通じて第二のＰＢＳ７２に入射すると共に、それが、ｐ偏光した光を含むので、それは、偏光表面７２ｐを通じて、且つ、第三の表面７２ｃを通じて第二のＰＢＳ７２の外へ、通過する。出力のマトリックス６が、第二のＰＢＳ７２を去った後、それは、目視するための（示されない）スクリーンへと表示の像７を投射する、投射レンズ組み立て品４０に入射する。

第一のイメージャ５０及び第二のイメージャ６０のピクセルの間における一対一の対応を提供するために、リレーレンズセット８０は、良好な正方形内に入れられた（ensqured）光のエネルギーを提供しなければならない。すなわち、第一のイメージャ５０におけるピクセル（ｉ，ｊ）からの光は、第二のイメージャ６０における対応するピクセル（ｉ，ｊ）へと正確に投射されなければならない。図３は、図解されたレンズセット８０の正方形内に入れられたエネルギーについての計算された結果を示す。その正方形内に入れられたエネルギーは、ＺＥＭＡＸ^ＴＭのソフトウェアを使用して、例示的なレンズセット８０について計算された。図３に示すように、第一の段階のイメージャ５０における特定のピクセルからの光のエネルギーの少なくとも約五十パーセント（６０％）は、十二ミクロンの正方形（例、第二の段階のイメージャ６０の対応するピクセル）へと集束させられる。

先のものは、本発明を実践するための可能性のいくつかを図解する。多くの他の実施形態が、本発明の範囲及び主旨内で可能である。従って、先の記述が、限定するものよりもむしろ、実例となるものとみなされること、及び、本発明の範囲が、添付された請求項によって、均等物のそれらの全範囲と一緒に、与えられることは、意図されたものである。
［付記］
付記（１）：投射系であって、光の第一の変調されたマトリックスを形成するために、ピクセル毎の基準で光を変調するためのピクセルのマトリックスを有する第一のイメージャを含み、該第一のイメージャは、第一の大きさを有し、当該投射系は、光の第二の変調されたマトリックスを形成するために、ピクセル毎の基準で該光の第一の変調されたマトリクスを変調するための該第一のイメージャのピクセルに対応するピクセルのマトリックスを有する第二のイメージャを含み、該第二のイメージャは、該第一の大きさよりも小さい第二の大きさを有し、当該投射系は、該光の第一の変調されたマトリクスにおける光の各々のピクセルを、該第二のイメージャの対応するピクセルへと、中継するために、１．０未満の倍率を有するリレーレンズセット、及び該第一のイメージャ用の大きさに作られたランプを含む、投射系。
付記（２）：前記第一のイメージャは、約０．７インチの大きさを有すると共に、前記第二のイメージャは、約０．５インチの大きさを有する、付記（１）に記載の投射系。
付記（３）：前記リレーレンズセットは、六個のレンズ素子を含む、付記（１）に記載の投射系。
付記（４）：前記第一の及び第六のレンズ素子は、非球体である、付記（３）に記載の投射系。
付記（５）：前記第二の及び第三の素子は、色消しレンズを形成するために前記第二の素子の射出面及び前記第三の素子の入射面で接合された非球面のレンズ素子である、付記（４）に記載の投射系。
付記（６）：前記第四の及び第五の素子は、色消しレンズを形成するために前記第四の素子の射出面及び前記第五の素子の入射面で接合された非球面のレンズ素子である、付記（５）に記載の投射系。
付記（７）：前記第一のイメージャからの光エネルギーの少なくとも６０％は、前記第二のイメージャにおける十二ミクロンの正方形に集束させられる、付記（１）に記載の投射系。
付記（８）：前記リレーレンズセットは、十二ミクロンの正方形内に、約７０％の正方形内に入れられたエネルギーを有する、付記（１）に記載の投射系。
直列の二個のイメージャを含む二段階の系におけるより小さいイメージャを備えたより大きいアークランプを使用するための系に本発明の実施形態を適用することが可能であることがある。

図１は、本発明の例示的な実施形態に従った二段階の投射の構成を備えたＬＣＯＳ投射系のブロック図を示す。図２は、図１の投射系用の例示的なレンズリレー系を示す。図３は、図２のレンズ系についての計算された正方形内に入れられたエネルギー性能を示す。

Claims

投射系であって、
光の第一の変調されたマトリックスを形成するためにピクセル毎に光を変調するためのピクセルのマトリックスを有する第一のイメージャ、前記第一のイメージャが第一の大きさを有すること；
光の第二の変調されたマトリックスを形成するためにピクセル毎に前記光の第一の変調されたマトリクスを変調するための前記第一のイメージャのピクセルに対応するピクセルのマトリックスを有する第二のイメージャ、前記第二のイメージャが前記第一の大きさと比べてより小さい第二の大きさを有すること；
前記第二のイメージャの対応するピクセルへと前記光の第一の変調されたマトリクスにおける光の各々のピクセルを中継するために１．０と比べてより少ない倍率を有するリレーレンズセット；及び
ランプ
：を含む、投射系。
請求項１に記載の投射系において、
前記第一のイメージャは、０．７インチの大きさを有すると共に、
前記第二のイメージャは、０．５インチの大きさを有する、
投射系。
請求項１に記載の投射系において、
前記リレーレンズセットは、第一のレンズ素子、第二のレンズ素子、第三のレンズ素子、第四のレンズ素子、第五のレンズ素子、及び第六のレンズ素子を含む、投射系。
請求項３に記載の投射系において、
前記第一のレンズ素子及び前記第六のレンズ素子は、非球体である、投射系。
請求項４に記載の投射系において、
前記第二のレンズ素子及び前記第三のレンズ素子は、色消しレンズを形成するために前記第二のレンズ素子の射出面及び前記第三のレンズ素子の入射面で接合された非球面のレンズ素子である、投射系。
請求項５に記載の投射系において、
前記第四のレンズ素子及び前記第五のレンズ素子は、色消しレンズを形成するために前記第四のレンズ素子の射出面及び前記第五のレンズ素子の入射面で接合された非球面のレンズ素子である、投射系。
請求項１に記載の投射系において、
前記第一のイメージャの第一のピクセルからの光エネルギーの少なくとも６０％は、前記第二のイメージャの対応するピクセルへと集束させられる、投射系。