JP4550344B2 - ビデオプロジェクタ用光投射システム - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ビデオプロジェクタ用の光投射のシステムに関し、例えば、ＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー装置、Digital Micromirror Device）技術に基づくビデオプロジェクタ用の光学的な投射（illumination、照射、投光、放射、照明）のシステムに関する。
【０００２】
ＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー装置）技術に基づくビデオ投射システムはますます普及している。特に、そのシステムによって、特に画像そのものの明るさ（輝度）および解像度に関して優れた画像品質が得られ、例えば映像管（kinescope）を用いた装置と比較して小さいプロジェクタ・サイズが得られる。
【０００３】
ＤＭＤ装置は、基本的に、１組のアルミニウム製の正方形（四角）のミラーを具えている。そのミラーは、１辺がマイクロメートル・サイズ、例えば１６μｍであり、各ミラーは、投射される画像の要素（画像エレメント）即ちピクセルに関連付けられて設けられている。上述のミラーは、対角線（diagonal）の周りに小さな角度、例えば±１０度だけ回転でき、その双方向の回転は、ミラーの下に位置しかつその回転軸について互いに反対の（対向）位置にある２つの電極によって形成される。従って、そのミラーが“休止（rest）”状態にあるとき、即ち２つの電極のいずれによっても引きつけられないとき、その光は、ミラー平面の垂線に対して約２０度の角度でそのミラーに当たる。ミラーが一方向に回転した場合、反射光線は、投影レンズにおいて影響を与えない偏向を受け、従ってスクリーンに送られることはない。従って、対応するピクセルは“オフ”状態となる。反対方向の回転が生じた場合は、ピクセルは“オン”状態となる。その理由は、反射光が、投影レンズに影響を与えて、スクリーンに送られるからである。
【０００４】
ＳＲＡＭ（スタティック・ランダム・アクセス・メモリ）のタイプの静的メモリのセルが、画像の各ピクセルに対応付けられていて、ミラー回転を生じさせる電極を方向付けるための情報を含んでいる。反射光がたとえ常に同じ強度を有する場合でも、ピクセルが“オン”状態を維持する時間（期間）が変化して、人間の目によって生じる積分作用によって輝度（luminosity）変化の効果が得られる。ビデオプロジェクタは、ほんの１つのＤＭＤ装置を含んでいてもよく、その場合、そのミラーは３原色、即ち赤、緑および青によって順次照射される。その３原色は、発光ランプの光を、少なくとも３つのセグメントに分離された、カラー・ホイールと呼ばれる回転ホイール（輪）に送ることによって得られる。各原色は、ダイクロイック・フィルタ（dichroic filter、干渉フィルタ）で、即ち３原色の１つに関連する波長に関して選択的なダイクロイック・フィルタで構成されている。ホイール回転によって、光ビームがＤＭＤ装置に送られ、異なる３つの全ての色が順次得られる。その反対に、３つのＤＭＤ装置を有するビデオプロジェクタの場合は、発光ランプの光はプリズムによって３原色に分離され、各色は異なる１つのＤＭＤ装置に送られる。
【０００５】
ＤＭＤビデオプロジェクタにおいて、光学的な投射のシステムの選択は特に重要である。その理由は、ビデオプロジェクタそのものの寸法形状（ディメンション）と利用手順の双方がそれによって決まるからである。
【０００６】
図１には、既知の第１の投射システムが基本図で示されている。この基本図では、垂直なスクリーン２２への正面投影のために水平位置にビデオプロジェクタ２１が配置されているものとしてプロットされており、従って、上述の図は、上述のビデオプロジェクタ２１の上面図に相当する。このような前提は、特に断らない限り、後の全ての図面に適用される。さらに、図面を明瞭にするために、様々な図面において、同じ参照番号で示されたブロックは同じ機能を有する。参照番号１は、パラボラ・リフレクタ（放物線形反射器）を有する発光ランプを示している。番号２は、直方体の光学的グラス（ガラス）からなる一体的（integrating、一体化）ロッド（棒）４の入射部に光を集束する（その焦点を形成する）非球面集光レンズ（aspheric condenser、非球面コンデンサ）を示しており、その機能は発光ランプ１からの均一な（一様な）光ビームによって得られる。一体的ロッド４の前にはカラー・ホイール３が設けられており、上述のように、カラー・ホイール３によって、図１の例のように、ほんの１つのＤＭＤ装置を用いたビデオプロジェクタにおけるその複数のダイクロイック・フィルタを通してそれぞれの色が再生される。幾つかの事例では、発光ランプ１からカラー・ホイール３までの距離（部分）は、反射光線が周囲の空間に拡がって周囲を照射するのを防ぐための図示されていない集光器（collector）で密閉されている。一体的ロッド４からの出射光は、レンズ・システムによって、特定の事例では、リレー（中継）レンズとして知られている、まとめて参照番号５で示されている３つの集束レンズによって集められる。上述のレンズ５は、ミラー６およびプリズム７とともに、発光ランプ１によって放射された光を、番号９で示された画像マイクロフォーム（microform）装置、即ちＤＭＤ装置に向けて伝搬する。焦点が合わせられた画像がその装置上に形成され、その画像は一体的ロッド４の出射部における画像が拡大されたものである。この投射の図は、画像マイクロフォーム装置９上に焦点が形成されるもので、重要な（critical）またはアッベ（Abbe）の照明（illumination：投射）として知られている。発光ランプ１から画像マイクロフォーム装置９までの光路（光学的経路）は２つの偏向を受ける。第１の偏向はミラー６の反射面によるものであり、第２の偏向はプリズム７によるものである。プリズム７は、その光ビームを、画像マイクロフォーム装置９用の製造業者の仕様による要求に従って画像マイクロフォーム装置９に向けて約２０度の角度で伝搬する。プリズム７は、例えばＴＩＲ（Total Internal Reflection）等の一般的プリズムであり、即ちそのプリズムを参照番号８で示された第２のプリズムから分離する約１０μｍの空気層の存在によって、全反射で作用する。上述のプリズム８は、画像マイクロフォーム装置９の表面上でマイクロミラーから到来する光ビームを、参照番号１０で示された投影レンズに向けて偏向し、その投影レンズは画像を垂直のスクリーン２２上に投影する。
【０００７】
図１における点線は、発光ランプ１によって放射された光ビームの光路を示している。上述の発光ランプ１の投射軸に沿って方向付けられた第１のセグメント（線分）ＡＢは、上述の投射ランプ１と同一線上にある点Ａから始まって、ミラー面６と同一線上にある点Ｂに達する。上述の第１のセグメントＡＢは、図１ａのＰ１で示された第１の平面上にある。図１ａにおいて、その光路の基本的透視図はビデオプロジェクタ２１内のものであることを述べておく。
【０００８】
次いで、光ビームは、図１ａにおいて明らかに分かるようにミラー６によって上向きに偏向され、プリズム７上に位置する第２の平面Ｐ２に関連する点Ｃに達し、そこから画像マイクロフォーム装置９の表面に関連する点Ｄに反射される。上述のように、画像は、画像マイクロフォーム装置９によって光ビームを変調することによって形成される。最後に、上述の変調された光ビームは、投影レンズ１０の直接的外部の点Ｅに達し、即ち投影軸の一部である投影セグメントＤＥを特定する点Ｅに達する。セグメントＤＥの延長線はスクリーン２２に達する。
【０００９】
ミラー６は、セグメントＢＣに沿って光路を上向きに偏向し、即ち光路はセグメントの代わりに長方形状の上面図において傾斜して現れる。上述の偏向は、非常に重要なもので、図１に示されていない関連する大きい体積のパイロット・カード（手段）を保持する（bear）任意の大きなサイズの構成部品、例えばプリズム７および８および画像マイクロフォーム装置９が、セグメントＡＢおよび／または一体的ロッド４に沿って光ビームの光路に干渉するのを防ぐ。
【００１０】
投射システムは、ミラー後方投影構成、即ち画像が上向きに投影される構成において使用される。その理由は、発光ランプ１の投射軸が水平でありかつ投影軸に実質的に垂直であり、従って、ビデオプロジェクタ２１を直立状態に配置して、投影レンズ１０が画像を上向きに送るようにし、発光ランプ１の位置を変えることなく、図１に示された位置において放熱（熱の放散）用の最適状態に配置され、ビデオプロジェクタ２１の長いサービス寿命が保証される。
【００１１】
しかし、図１によるビデオプロジェクタ用の投射システムは、光路のセグメントＡＢの上または付近のいずれかに配置された大きなサイズの構成部品のために全体の寸法形状が、特に上述の高さが、大き過ぎるという欠点を有する。
【００１２】
図２の構成において、ビデオプロジェクタ３１の既知の第２の投射システムの基本図が示されている。各点ＡＢＢ’ＣＤＥを通って延びる点線によって表された光路は、参照番号６’、６’’、６’’’でそれぞれ示された３つの反射面によって偏向され、面６’、６’’は光路を下向きに反射する。一方、面６’’’はそれを上向きに反射する。お分かりのように、光路の展開は、より大きい構成部品に対して干渉の問題が生じないように行われる。それによって、図１の解決策についてより制限された高さ寸法形状が得られる。このシステムでは、既知のコーラー（Kohler）構成による画像マイクロフォーム装置９の代わりに、投影レンズ１０の入射部上に光ビームが集束される。反射面６’’’は、画像マイクロフォーム装置９に送られる光ビームの正しい角度投影（angle shot）を形成する。それによって、図１のプリズム７と８の双方が必要でなくなる。参照番号５で示された１組の３つのレンズまたはリレー・レンズによって画像の焦点合わせが行われる。
【００１３】
しかし、図２のシステムはミラー後方投影構成では使用できない。それは、セグメントＡＢと一致するランプ軸が水平であるがセグメントＤＥで示された投影軸に実質的に垂直でないためである。従って、ビデオプロジェクタ３１が、ミラー後方投影に必要な直立状態で配置された場合は、ランプ軸は上向きに傾斜され、その場合、ランプは光学的放熱を保証できず、寿命が結果として相当短くなるであろう。
【００１４】
図２に示されたシステムの別の欠点は、投影レンズの入射部に集束される（焦点が合せられる）画像がより小さいことによる。その理由は、画像マイクロフォーム装置９からの光線が収束する光線であって、画像マイクロフォーム装置９からの光ビームの一部が失われるので、投影レンズ１０は垂直に移動できないからである。その結果、画像位置は、スクリーン上で調整できず、即ちいわゆる垂直オフセットを行うことができない。
【００１５】
従って、一般的投射システムは幾つかの欠点を有する。最も重要な欠点は、そのサイズが大きいことであり、全ての可能な構成で（正面（前面）投影、天井投影、後方投影で）ビデオプロジェクタを使用し直立画像位置（いわゆるオフセット）を調整することができないことである。特に、４０’’（インチ）より大きいスクリーンを有するテレビジョン装置において広く使用されるミラー後方投影において、ビデオ・プロジェクタは、直立状態で配置され、光ビームを上向きにミラーに送り、そのミラーはスクリーン上に後方に反射し、そのランプの冷却問題が生じる。
【００１６】
本発明の目標
（目的）は、上述の欠点を解消でき、制限された寸法形状で任意の構成で利用可能なビデオプロジェクタの製造を可能にするビデオプロジェクタ用の光学的な投射のシステムを実現することである。
【００１７】
そのような目標
（目的）を達成するために、本発明の目的は、詳細な説明の重要な部分を形成する請求の範囲の特徴を含む光学的な投射のシステムを実現することである。
【００１８】
本発明の別の目的、特徴および利点は、発明を制限しない例で示された詳細な説明および図面から明らかになる。
【００１９】
図３を参照すると、これには本発明によるＤＭＤ技術に基づくビデオ投影（プロジェクション）用投射の光学システムが示されている。前述と同様に、図１および図２のブロック中の参照番号と同じ番号をもったブロックは先に述べた機能と同じ機能を実行する。
【００２０】
図３に示されているビデオプロジェクタ４１は、点ＡＢＢ’ＣＤＥを通って伸びる点線によって概略的に示された光路（通路）を有し、これは面Ｐ１に対して垂直に配置されたミラーのような第１の反射面１１により第１の偏向を受ける。従って、セグメントＡＢおよびＢＢ’は共に水平面と平行で、図２ａの斜視図に示された面Ｐ１中にある。光路の第２の偏向は上方に傾斜した第２の反射面１１’によって行われ、図３では、その水平面への投影はセグメントの代わりに長方形によって表されている。
【００２１】
セグメントＢ’Ｃに沿う光路（パス）は上方に傾斜している。即ち、投影レンズ１０の面Ｐ２に到達し、これによってプリズム７、８およびその関連する駆動カード（駆動手段、driving card）を具えた画像マイクロフォーム装置９を挿入するのを可能にしている。前述のようにこれらの成分は全体的にかなりの大きさの寸法をもっている。この例では、実際には上述の成分は、現在は投影軸によって特定される寸法に関してビデオプロジェクタ４１の反対側にある一体的ロッド４のような下側のスペースに嵩高の成分が存在しないことにより容易に配置される。それによって上記成分は光路のいずれの部分とも交叉（交差）することはない。これとは逆に小さい垂直寸法をもった投影レンズ１０は光学軸を飛び越え、それによって全ビデオプロジェクタ４１を小さな垂直寸法をもつように製造することができる。
【００２２】
その結果、図１のシステムとは違って、面Ｐ１からＰ２への光学軸を有するセグメントＢ’Ｃの上方への傾斜を制限されたものにすることができ、ビデオプロジェクタ４１の垂直寸法を大幅に減少させることができる。
【００２３】
既に述べたように、光路の第３の偏向は参照番号７によって示されているＴＩＲプリズム７によって与えられる。このプリズムはセグメントＣＤによって表される正しい傾斜をもって光ビームを画像マイクロフォーム装置９に送る。図１に示すように、プリズム８は画像マイクロフォーム装置９からの光ビームを投影レンズ１０に送る。
【００２４】
ミラー１１および１１’、プリズム７および画像マイクロフォーム装置９によって行われる偏向により、セグメントＤＥが関連する投影軸は水平面と平行になり且つ発光ランプ１の投影軸に関連するセグメントＡＢと実質的に垂直になる。上述の説明に従って、ビデオプロジェクタ４１をミラーバック投影（ミラー後方投影：mirror back projection）用に垂直位置で使用することができる。さらに、面Ｐ１上の光学軸の投影は、面Ｐ１上で交叉点ＸでセグメントＤＥの投影と交叉するセグメントＡＢにより、閉じられたライン（閉ライン）を形成する。これによって、図４の閉じられたパスはＢＢ’ＣＤＸによって示される。従って、ビデオプロジェクタ４１の寸法はセグメントＤＥに沿う投影軸の方向に制限されたものになる。
【００２５】
一体的ロッド４からの出力光ビームは、前述のアッベ（Abbe）の構成に従って番号５によって表される３個の集中（集束）レンズ（リレー・レンズ）によって画像マイクロフォーム装置９上に集束される。画像マイクロフォーム装置９上に現れる画像は充分に大きく、投影レンズ１０の入力（入射位置）に到達する光線は発散したものであるので、スクリーン２２上の画像センタリング（オフセット）を確実に行うように上記投影レンズ１０を小さい距離、±６ｍｍ垂直方向にシフトさせることができる。
【００２６】
上述の説明から、ここに示された光路のダイアグラムにより小さな寸法のビデオプロジェクタの製造が可能になることが明らかであり、これは任意の構成に使用することができる。
【００２７】
図３に示されたビデオプロジェクタ４１は１個のＤＭＤをもつものとして示されているが、このシステムは、図４に示されているビデオプロジェクタ５１用に示されているように、２個のＤＭＤまたは３個のＤＭＤ装置を使用したビデオプロジェクタでも使用することができる。
【００２８】
この場合、カラー画像を得るために図３のカラー・ホイール３は使用されておらず、プリズム７からの光ビームは参照番号１２によって示されるプリズムによってその３原色成分、即ち赤、緑、青に分離される。これらの３原色の各色は３個の画像マイクロフォーム装置９、９’、９’’の１つに正しい入射角で送られ、プリズム１２に反射して戻される。プリズム１２は光ビームをリセットしてそれをプリズム７および８を経由して投影レンズ１０に送る。
【００２９】
上述の説明から本発明の特徴およびそれに関連する効果は明らかである。
【００３０】
本発明の照射システムによれば、各成分間のあらゆる光学的および機械的干渉を排除して、アッベの構成によるＤＭＤ装置を使用したビデオプロジェクタの製造が可能になるという効果が得られる。これにより制限された水平および垂直寸法をもったビデオプロジェクタの製造が可能になるという効果が得られ、ランプによって投射されるビームおよび特に一体的ロッドがプリズムおよびＤＭＤ装置の制御電子装置の近傍に位置するのを防止し、むしろ特にビデオプロジェクタによって与えられるスペース内の一体的ロッドおよびＤＭＤ装置は、投影方向によって特定される軸に関して正反対側に配置される。
【００３１】
さらに、このようなビデオプロジェクタは後方投影（バック・プロジェクション）構成においても使用できるという効果がある。
【００３２】
本発明の新規な精神、新しい考え方から逸脱しない範囲で、例によって説明した上述の投影システムについて多くの変更が可能なことは当業者には明らかである。また、本発明の実際の動作において、成分の形状、寸法はしばしば上述のものとは異なることがあり、また技術的に等価な要素と置換可能であることは明らかである。
【００３３】
例えば、反射面１１を単純なミラーの代わりに“コールド・ミラー”形式で構成することもできる。これによると、可視光線を越える波長、特に赤外線をもった光線を除去して光加熱効果を減少させることができ、その結果ＤＭＤ装置に到達する熱の量が少なくなり、冷却が少なくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、既知の第１の投射システムの概略的正面図を示している。図１ａは、図１の投射システムの光路の概略的透視図を示している。
【図２】 図２は、図１の投射システムの光路の概略的透視図を示している。
【図３】 図３は本発明による投影システムの概略平面図を示す。図３ａは図３の投影システムの光路の概略斜視図を示す。
【図４】 図４は本発明による投影システムの他の実施例の概略平面図である。

Claims (15)

1. 第１の光学軸（ＡＢ）に沿う光ビームを照射する発光ランプ（１）と、第２の光学軸（ＤＥ）に沿う前記光ビームと交叉する投影レンズ（１０）とを含み、
   前記第１の光学軸（ＡＢ）と第２の光学軸（ＤＥ）は、第１の平面（Ｐ１）と該第１の平面（Ｐ１）とは異なる第２の平面（Ｐ２）にそれぞれ関連しており、
   また、前記光ビームを前記第１の光学軸（ＡＢ）と第２の光学軸（ＤＥ）を含む光路に沿って案内するための光学偏向手段（６；１１、１１’）と光学処理手段（７、８、９；７、８、９、１２、９’、９”）とを含み、
   前記光学処理手段（７、８、９；７、８、９、１２、９’、９”）は少なくとも１つの画像形成装置（９；９、９’、９''）を含み、
   前記発光ランプ（１）と前記光学偏向手段中に含まれる第１の反射面（１１）との間に形成された前記第１の光学軸（ＡＢ）に沿う前記光ビームは、前記第２の平面（Ｐ２）上にある前記投影レンズ（１０）の下を通過し、
   前記第１の平面（Ｐ１）上の前記光路の幾何学的投影は閉じたパス（ＢＢ’ＣＤＸ）を含むものであることを特徴とする、ビデオプロジェクタ用光投射システム。
2. 前記第１の平面（Ｐ１）に関連する前記第１の光学軸（ＡＢ）と前記第２の平面（Ｐ２）に関連する前記第２の光学軸（ＤＥ）はそれぞれ互いに平行でなく、前記光ビームは、この光ビームを前記第１の平面（Ｐ１）から前記第２の平面（Ｐ２）にシフトする前記光学偏向手段（６；１１、１１’）と前記光ビームを前記第１の光学軸（ＡＢ）から前記第２の光学軸（ＤＥ）にシフトする前記光学処理手段（７、８、９；７、８、９、１２、９’、９” ）とによって光路に沿って案内されるものであることを特徴とする、請求項１に記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
3. 前記第１の平面（Ｐ１）上の前記第２の光学軸（ＤＥ）の投影は前記閉じたパス（ＢＢ’ＣＤＸ）に関連する交叉点（Ｘ）をもつものであることを特徴とする、請求項１に記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
4. 前記交叉点（Ｘ）は前記第１の平面（Ｐ１）上の前記投影レンズ（１０）の投影に関連するものであることを特徴とする、請求項３に記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
5. 前記光ビームは、前記光学処理手段（７、８、９；７、８、９、１２、９’、９” ）とレンズ（５）とによって前記画像形成装置（９；９’、９” ）に集束されるものであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
6. 前記第１の平面（Ｐ１）上で伸びる光路の部分には少なくとも反射面（１１）が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
7. 前記反射面（１１）はコールド・ミラー形式のものであることを特徴とする、請求項６に記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
8. 前記第１の平面（Ｐ１）上で伸びる光路の前記部分には少なくとも第２の反射面（１１’）が設けられていることを特徴とする、請求項６に記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
9. 前記第１の平面（Ｐ１）は前記第２の平面（Ｐ２）の下に配置されており、前記第１の光学軸（ＡＢ）は前記第２の光学軸（ＤＥ）の下、特に前記投影レンズ（１０９）の下を通過することを特徴とする、請求項３に記載のビデオプロジェクタ。
10. 前記投影レンズ（１０）は小さい距離垂直方向にシフト可能であることを特徴とする、請求項３に記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
11. 前記光学処理手段（７、８、９；７、８、９、１２、９’、９” ）は幾つかの画像形成装置（９、９’、９” ）を含むものであることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
12. 前記光学処理手段は色分離用プリズム（１２）を含むものであることを特徴とする、請求項９に記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
13. 前記少なくとも１つの画像形成装置（９；９、９’、９” ）は少なくとも１つのＤＭＤ装置を含むものであることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
14. 前記光ビームは前記光学処理手段（７、８、９；７、８、９、１２、９’、９” ）およびレンズ（５）によって臨界投射ダイアグラムまたはアッベのダイアグラムに従って前記画像形成装置（９、９’、９” ）に集束されることを特徴とする、請求項３に記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。
15. 前記ビデオプロジェクタ（４１、５１）は、前記第１の光学軸（ＡＢ）の投影と、前記画像形成装置（９ ）として、前記ビデオプロジェクタ（４１、５１）の寸法に関して前記第２の光学軸（ＤＥ）に沿う実質的に正反対側の位置に配置された画像マイクロフォーム装置（９）とを有するものであることを特徴とする、請求項１に記載のビデオプロジェクタ用光投射システム。

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