JP5244612B2 - レーザ・ベースのプロジェクタにおける色混合ロッド・インテグレータ - Google Patents

Description

本発明は、レーザ・ベースの投影エンジンにおけるディスプレイ・パネルを照射する色混合ロッド・インテグレータに関する。特に、本発明は、レーザ・スペックルを削減し、同時に、レーザ・ベースの投影エンジンにおける投影画像の均質な照射を確実にする色混合ロッド・インテグレータに関する。

現在、超高圧（ＵＨＰ）ランプは、手頃なコストで高いルーメン効力を高い光源輝度と組み合わせているので、背面投影アプリケーション及び前面投影アプリケーション用に最も確立されている光源である。ここ数年間に、ソリッドステート光源技術は、ＵＨＰ技術と競合することが期待されるほど向上している。これは、ソリッドステート光源が、高い色純度、速い光学レスポンス及び水銀レス動作などの特有のいくつかの利点をもたらすからである。ディスプレイに適用可能な最も成熟したソリッドステート光源技術は、低いコスト、高いルーメン効力及び小さな形態係数でのディスプレイ・プライマリ全てにおいて利用可能な高輝度ＬＥＤである。しかし、ＬＥＤの光出力は幾分低く、エテンデューは、ＵＨＰランプのエテンデューと同等であるため、ＬＥＤに基づいたプロジェクタはルーメン出力が低く、サイズは中程度である。よって、前述のプロジェクタは、大型の画面を必要とするアプリケーションでＵＨＰランプと競合することが（まだ）可能でない。しかし、低い動作電力及びコンパクトなデザインを必要とするハンドヘルド・プロジェクションやモバイル・プロジェクションなどの新たなアプリケーション分野において使用することも十分可能である。しかし、ＬＥＤベースのプロジェクタが、より小さなサイズ及びより高いルーメン出力の一層増大する要求について行くことが可能であるか否かは不明である。

別のタイプのソリッドステート光源（すなわち、レーザ）は、極めて高い光源輝度、及び非常に小さなエテンデューを有する。実際に、点光源であるとみなし得るものであり、これにより、考えられる最小のライト・エンジンを構成することが可能になる。これにより、ハンドヘルド・アプリケーション及びモバイル・アプリケーション用の真にポータブルなバッテリ起動の小型プロジェクション・ディスプレイの設計及び実現が可能になる。更に、出力電力が数ワットにわたり、高いルーメン出力を可能にするレーザが入手可能である。上記を念頭におけば、レーザが、全てのタイプの投影アプリケーション用の究極の光源になることが期待される。

しかし、ディスプレイにおけるレーザの適用を妨げる問題がいくつか存在している。前述の問題のうち、最も重要であるのは、レーザ・スペックル、コスト、緑色及び青色での利用可能性、並びにルーメン効力である。スペックルの問題は極めて重大である。利用可能性及びルーメン効力はおそらく近い将来に解決されるであろうが、ディスプレイ用レーザはその場合、その学習曲線の開始点になるであろう。このことは、レーザからの、ルーメン毎コストがなお、極めて高いものになることを示唆している。よって、ビジネス間のフロント・プロジェクションＴＶ及びリア・プロジェクションＴＶなどのアプリケーションにおいて、確立されたＵＨＰ技術と競争することが非常に困難になるであろう。その代わりに、新たなポータブル・プロジェクション・アプリケーションに照準を当てることのほうがずっと賢明となる。

前述のタイプのアプリケーションの場合、ＬＥＤ及びレーザはともに、魅力的な選択肢であり、おそらく、主にプロジェクタの価格面及びサイズ面で互いに競合するであろう。前述の通り、レーザ・ベースのプロジェクタのサイズはＬＥＤベースのプロジェクタのサイズよりもずっと小さくなるが、レーザによってもたらされるルーメン毎価格は、近い将来、一桁高くなるであろう。更に、レーザのプロセス・フローは、より高いレベルのプロセス制御により、それぞれを行わなければならない成膜工程をより多く必要とするので、両方の手法が完全に成熟した時点でも、レーザはなお高価になるであろう。

しかし、プロジェクタの完全なライト・エンジンのコストを低減する機会が多く存在するので、ルーメン毎の価格の増加は、投影ディスプレイにおけるレーザの適用の重大なボトルネックには必ずしもならない。まず、レーザを使用したプロジェクタは光学効率がより高くなる。これは、レーザからの所要ルーメン出力が削減されることを示唆している。第２に、２次元走査ミラーを備えたアーキテクチャの使用により、ＬＣｏＳパネルなどの高価な光変調器に対する必要がなくなる。しかし。このタイプのエンジンが、必要な画像品質をもたらすことが可能であるか否かは疑問である。２次元光変調器に基づいて、幾分常套的なプロジェクタのコストを下げることも一選択肢である。

近年、ＨＴＰＳ透過型、並びにＤＭＤ及びＬＣｏＳベースの反射型投影エンジンには、光ガイドを使用した光アーキテクチャも提案されている。前述の提案されたアーキテクチャの共通点として、白色光を放出する光源と組み合わせなければならないということがある。

このことは、光を３つ以上の原色に分けなければならず、この機能は、３つのタイプの二色フィルタでインテグレータの出射面を覆うことによって得ることが可能である。白色光源の別の示唆として、可動部分の使用なしでの色シーケンシャル処理は可能でないという点がある。よって、前述のアーキテクチャは３パネルのアーキテクチャにより適している。これは本来、１パネルのアーキテクチャと比較して、より高価であり、よりコンパクトでない。

ＬＥＤやレーザなどの、ディスプレイ原色の光を放出する光源が使用された場合、単一のディスプレイ・パネル上でフレーム・シーケンシャル処理を使用することが可能である。前述のアーキテクチャでは、単一の光ガイドのみが、３つの色全ての均質化に必要である。

本発明は、レーザ光源の高ビーム品質を活用して、フレーム・シーケンシャル処理され、レーザをベースとしたプロジェクタのコストを減らし、サイズを小さくする光学的なシステム、構成部分、及び方法を提供する。色混合ロッド・インテグレータを使用して、本発明はレーザ光を均質化し、よって適切な照射パターンを空間光変調器に供給する。色混合ロッド・インテグレータも使用して少なくとも２つの原色の光を再合成し、よって、二色再結合光学系の必要がなくなる。この目的で、光は全て、同じインテグレータの入射面１０１に結合される。

以下の説明を限定の目的ではなく例証の目的で記載しているということが、当業者によって分かるものとする。本発明の趣旨及び特許請求の範囲の範囲内に多くの変形が存在することを当業者は分かる。既知の機能及び構造の不必要な詳細は、本発明を分かりにくくすることがないように本願の記載から割愛し得る。

本発明は、高ビーム品質を有し、ディスプレイ・プライマリの波長の光を放出する少なくとも２つ（通常、３つ）のタイプのレーザ源と、光ガイドを組み合わせたシステム、装置及び方法を提供する。光ビームは、インテグレータ内で発散するように光学素子（例えば、正のレンズ）により、入射孔で集束させる。光ガイドにおいては、光線の大半は、ガイドの壁に当たる。ガイドの壁では、全内反射（ＴＩＲ）によって反射する。この機構により、光ガイドの出射面における光分布が、均一であり、ディスプレイ・パネルを照射するために使用することが可能であることが確実になる。

図１では、インテグレータに入射する際のビーム間の距離は非常に大きい。好ましい実施例では、赤、緑及び青の強度分布間の不整合を避けるために、上記距離はできる限り小さくしている。更に、ビームの方向は好ましくは、色混合ロッド・インテグレータ１００の入射面１０１に対して垂直である。更に、同じ孔にビームを集束させることを可能にするために、同じ角度での１つ又は複数のビーム、又はわずかに異なる角度でのビームが考えられる。これは、正しい画像をもたらすが、焦点を越えると光が遮断される場合に、色付きシャドウが生じ得る。

好ましい実施例では、図１ｂ及び図１ｃに示す別の２つのやり方においてパネルが照射される。第１の代替例１５０では、色混合ロッド・インテグレータ１００を、ディスプレイ・パネル１０８の近接照射のために使用する。光は全て、単一のインテグレータに合成されるので、この照射システムは、ＬＣＯＳパネルやディジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ）１０８などの色シーケンシャル処理ディスプレイと組み合わせなければならない。図１ｂでは、第１の代替例１５０（すなわち、ＬＣＯＳパネル１０８を照射する代替例）を示す。図１ｃに示す第２の代替例１６０は、リレー光学系１０９によって照射するために、本発明の色混合ロッド・インテグレータ１００を使用する。更に、第２の代替例は、第１の代替例よりも大きくて扱いにくい。

モバイル・プロジェクタ又はハンドヘルド・プロジェクタの場合、小型装置を有することが必須である。しかし、光ガイドにおいて十分な均質化を有するために、光ビームの大半は、その側壁において少なくとも２つの反射を有していなければならない。本発明では、色混合ロッド・インテグレータにおける反射の数は、ｆナンバーがより低いビームを使用することに等しい、拡がり角θの増加により、増加させることが可能である。しかし、拡がり角は、システムの投影レンズになお許容可能なレベルにしか増加させることが可能でない。実際には、投影レンズの、空気中のｆナンバーは２である（屈折率が、ガラス又はプラスチックの場合に一般的である１．５の場合、光インテグレータにおいてｆナンバーが３であることを示唆している）。光分布の十分な均質化を得るためにインテグレータの長さ及び幅の比がｆナンバーの２倍に等しくなければならないという経験則を用いた場合、インテグレータの長さは７０ｍｍになる。これは、モバイル・プロジェクタとしては幾分大きいので、インテグレータの別のデザインを第２の実施例において記載し、図２に示す。

第２の実施例２００では、レーザ光の一部は、レーザ光源に向けて反射することも可能である。この目的で、色混合ロッド・インテグレータの出射面１０５は、入射した光が、レーザ源に向けてインテグレータを通って部分反射するように、レーザ光源の波長で部分反射する部分反射性被覆２０４によって覆われている。レーザ光源に向けて進む光の大半の損失を阻止するために、色混合ロッド・インテグレータ２００の入射面１０１は、高反射性被覆２０２（例えば、銀又は多層誘電体スタック）で覆って、入射した光を色混合ロッド・インテグレータ２００の出射面１０５に向けて反射する。入射面１０１上の高反射性被覆２０２の反射係数は好ましくは非常に高い。実際には、少なくとも９８％の反射係数が好ましい。複数の孔１０３が好ましくは、入射面１０１上の高反射性被覆２０２内に形成されている。複数の孔１０３はそれぞれ、複数のレーザ光源のうちの少なくとも１つに対応する。３色全てに対して１つの孔を持たせることができるが、これにより、色混合ロッド・インテグレータ２００のスループットは減少し、好ましくない。複数の孔１０３のうちの孔それぞれの直径は、非常に低いエテンデューを有し、よって、非常に小さなスポットに集束させることが可能なレーザ光が、あまり大きな光損失又は回折効果なしで孔を通ることが可能であるような直径である。

例として挙げるにすぎないが、図１aでは、色混合ロッド・インテグレータ１００をハーフ・アングルθ_1/2で入射するように集束させたレーザ・ビームを描いている。前述のハーフ・アングルで入射するビームは、

で表される直径ｄに集束させることが可能である。孔の直径を好ましくは、このサイズの少なくとも２倍として、回折効果を最小にする。

図２に示す実施例では、入射面１０１上の反射性被覆２０２は、入射した光の大半を出射面１０５に向けて反射するが、光の一部は、孔１０３を通って進むか、又はシステム内のどこか別の場所で吸収される。インテグレータ２００の合計光スループットに対する損失要因の影響を判定するための色混合ロッド・インテグレータのモデルを以下に示す。

色混合ロッド・インテグレータ２００における別々の位置での光束は図３に示す。図３では、以下の記号を定義する。

φ_０（ｒ）は、相対面積ｒ（すなわち、総面積の一部）の入射孔３０１を通ってインテグレータに入射する光束である。当然、光束は、孔の半径の関数である。インテグレータ１００ ２００内では、左から右に進む光束はφ_１として定義し、右から左に進む光束はΨ_１として定義する。最後に、インテグレータを離れる光束はφ_Ｔとして定義される。

側壁１０７（インテグレータの内部表面）の反射係数は、全内反射が理由で、１と定義され、入射面の反射はＲ_ｉと定義され、出射面の反射はＲ_ｅと定義され、出射面の透過はＴ_ｅと定義される。

インテグレータの内部及び外部の種々の位置における光束は、この場合、以下の式の組で表すことが可能である。

透過強度は、φ_１及びΨ_１を消去することによって算出される。

この公式によれば、透過効率を算出することが可能である。透過効率は

で定義される。０．５５インチＷＶＧＡ ＨＴＰＳ透過型ＬＣＤパネルを近接照射によって照射するレーザ・ビームの算出の結果、
出射面の面積は約８．４^＊１１．２ｍｍ^２になる。

インテグレータの孔１０３に集束させたビームの最大Ｆ／＃は５である。よって、（回折限界）ビームのスポット直径はその場合、最大６０μｍであり、これは、孔直径が１２０μｍ以上であることを要することを示唆している。

ｒの値は３・１０^−４（色毎に３つの孔）である。

入射面の反射係数は、９８％と９９％との間で変動する。

図４は、出射面の反射率の関数として、色混合ロッド・インテグレータ２００の透過のグラフを示す。

上記算出では、色混合ロッド・インテグレータを施すために２つの代替例を区別することが可能である。

１．第１の代替例では、インテグレータ後の初回通過においてインテグレータの出射面を完全に覆おう程度にビームはインテグレータ５００内部で発散する。出射面がちょうど覆われた状態を図５ａに表す。更に、より長いインテグレータ（より少ないｆナンバー）が可能である。コンパクトなインテグレータは、低いｆナンバー（例えば２）を選ぶことによって得ることが可能である。シミュレーションにより、出射面の反射係数が０．５であり、インテグレータ長が３５ｍｍであることにより、出射面において均質なパターンが生じる。色混合ロッド・インテグレータ５００の透過はその場合、ほぼ１であることが図４から分かる。

２．第２の代替例では、ｆナンバーが第１の代替例のインテグレータ５００のｆナンバーよりも大きくなるように選ばれる。よって、色混合ロッド・インテグレータ５１０の初回通過により、出射面におけるスポットが比較的小さくなる。この状態は図５ｂに示す。出射面の反射係数が小さすぎる場合、出射面における強度分布は、高輝度の「ホット・スポット」を示し、これは、投影された画像にも現れる。したがって、反射係数は好ましくは、十分高いが高すぎないように選ばれる。シミュレーションにより、端面の反射係数Ｒ_ｅが好ましくは、ｆナンバー５及び色混合ロッド・インテグレータ長２０ｍｍと組み合わせると少なくとも９５％であることが分かっている。Ｒ_ｅ＝９５％の場合、色混合ロッド・インテグレータのスループットは、Ｒ_ｉ＝９８％の場合には７２％であり、Ｒ_ｉ＝９９％の場合には８３％である。Ｒ_ｅ＝９５％でのスループットは主に、入射面の反射による損失によって求められる。よって、例えば、正しい波長の光のみが中を通って進む入射孔２０３に干渉フィルタを配置することにより、ｒを低減させることが効果的である。

本発明の色混合ロッド・インテグレータ２００を施す前述の第２の代替例は、ｆナンバーがより高い投影レンズを含み得る。これにより、費用が減少し、焦点深度が増加するという効果がある。

本発明の色混合ロッド・インテグレータ２００を適用する代替的な実施例の何れにおいても、光は平均的には、色混合ロッド・インテグレータ２００を複数回、通って進む。インテグレータ２００を通って進むビームの光路長の差が、使用される光のコヒーレント光よりも大きい場合、ビームは互いに干渉しない。これにより、インタグレータを通る単一の通過しか使用しないシステムよりもスペックル・コントラストが減少した照射システムによるレーザ生成画像が生じる。又、平均通過数により、スペックル削減量が決まる。よって、第２の代替例は、最善のスペックル削減をもたらす。本発明では、
色混合ロッド・インテグレータは、その光源とともに、投影エンジンにおける照射装置として使用することが可能な光インテグレータ及び色混合器を備える。本発明の色混合インテグレータを、近接照射に使用することが可能であり、リレー・レンズによる照射に使用することが可能である。本発明による光撮像システムの出射面のサイズを拡大又は縮小することも可能である。出射面の拡大の場合、ディスプレイ・パネルのｆナンバーがなお、通常２になるようにインテグレータのｆナンバーを小さくすることが可能である。

照射されるパネルは、２次元又は１次元の空間光変調器であり得る。前者の場合は、実施例の上記記載において詳細に説明している。後者の場合には、光ガイドの厚さが光ガイドのその他の寸法よりもずっと小さな、前述の実施例の形状を有するプレーナ光ガイドを使用しなければならない。

本発明を使用して、システムの受光アパーチャが非常に限定されていることが理由で光の損失なしで非常に小さなディスプレイ・パネル（０．５インチ未満）を照射することが可能である。非常に小さなディスプレイ・パネルを使用すると、パネル・コストが低下し、同時に、照射光学系のサイズが減少する。これは、ＵＨＰベースのシステム及びＬＥＤベースのシステムに対する利点である。

前述の本発明の実施例全てにおいて、レーザ毎に一色を使用している。しかし、これは、話を単純にするためである。入射面に各色がそれ自身の孔を有するように、使用する対象の色毎のレーザがより多いことが考えられる。色毎に２つ以上の光源を使用するとコストがかさむが、同時にスペックル・コントラストが減少する。

図１ｂ及び図１ｃに表すような照射手法は、システムの光学効率が増加するという更なる効果を有する。オフ状態における画素の光は、ロッド・インテグレータに向け直すことが可能である。インテグレータの出射面及び／又は入射面の反射係数は非常に高いので、光の大部分をリサイクルすることが可能である。すばやい算出により、ビデオ・ディスプレイの負荷でのピ―ク輝度が３倍に増加する。これにより、画像がきらめいた状態になる。

画像内のホット・スポットの効果を低減させるために、インテグレータの出射面の反射係数は、出射面の表面にわたって一定でなくてよい。

本発明は、４つ以上の原色を有するライト・エンジン・アーキテクチャにも適用される。

本発明の色混合ロッド・インテグレータの好ましい実施例を示し、説明してきた。しかし、本明細書及び特許請求の範囲記載の本発明の実施例が、例証的であり、本発明の真の範囲から逸脱しない限り、種々の変更及び修正を行うことができ、その構成要素を均等物で置き換えることができることを当業者は理解するであろう。更に、多くの修正を行って本発明の教示を、その中心的な範囲から逸脱しない限り、特定の状況に適合させることができる。したがって、本発明が、本発明の実施に想定される最良の態様として記載した特定の実施例に限定されない一方、本発明が、特許請求の範囲記載の範囲内に収まる実施例全て、並びに実現手法全てを含むことを意図している。

本発明の第１の実施例による、３つのレーザ源によって照射される色混合ロッド・インテグレータを示す図である。 近接照射による、プロジェクタのライト・エンジンにおける色混合ロッド・インテグレータの使用を示す図である。 リレー光学系を施すことによる、プロジェクタのライト・エンジンにおける色混合ロッド・インテグレータの使用を示す図である。 本発明による、色混合ロッド・インテグレータ構成部分の第１の別の実施例を示す図である。 本発明による、装置内に光フラックスを有するロッド・インテグレータ構成部分を示す図である。 出射面の反射率の関数として、本発明による、色混合ロッド・インテグレータ構成部分１００の透過を示すグラフである。 本発明における色混合ロッド・インテグレータの別の２つの実施例を示す図である。 本発明における色混合ロッド・インテグレータの別の２つの実施例を示す図である。

Claims (8)

1. 複数のディスプレイ原色のうちの１つをビームそれぞれが含む複数のレーザ光ビームを統合する方法であって、
   第１の端部上に配置された入射面、及び前記入射面に対向し、前記入射面に対して平行の第２の端部上に配置された出射面を含み、前記複数のレーザ光ビームを通す内部、及び入射した光をロッド形状の内部に反射する内部表面を有するロッド形状の本体を有する色混合ロッド・インテグレータを備える工程と、
   複数の孔を有し、前記複数のレーザ・ビームの光が前記ロッド形状の本体の前記内部を通って進むことを可能にする第１の反射性被覆で、入射面を覆う工程であって、前記第１の反射性被覆は、入射した光を前記ロッド形状の本体の前記内部に反射するよう構成され、前記複数の孔それぞれは、複数のレーザ光源の少なくとも１つに対応する工程と、
   前記複数のレーザ・ビームそれぞれを前記出射面に向けて前記内部を介して発散させる工程とを備え、
   前記複数の孔を介して前記ロッド形状の本体に入射するレーザ・ビームの光の一部は、その前記内部を、前記出射面を通って進み、次いで、出射光として前記出射面を通って出射する前に複数回、通って進むことを強いられ、前記出射光は前記光混合ロッド・インテグレータによって均質化される方法。
2. 請求項１記載の方法であって、前記ロッド形状の本体は、前記出射面を通って出射する光はその中のスペックルが削減されるように、前記レーザ光ビームのコヒーレント長以上の長さを備える方法。
3. 請求項２記載の方法であって、前記入射した光の一部を前記色混合ロッド・インテグレータの内部に反射し、前記入射した光の残りの部分が中を通って進むことを可能にする、前記出射面を覆う部分反射性被覆を備える工程を更に備える方法。
4. 請求項３記載の方法であって、前記複数の孔のうちの各孔は、前記複数の孔を通るレーザ光ビームの直径の少なくとも２倍の直径ｄを有する方法。
5. 請求項４記載の方法であって、前記発散させる工程は、前記色混合ロッド・インテグレータを通る初回通過の最後でのビームの発散が、出射面全体にわたるスポット、及び前記出射面上の所定の直径のスポットを有する群から選択される発散であるように、前記複数の孔に配置された複数の光学素子を提供する工程を更に含む方法。
6. 請求項５記載の方法であって、
   空気中でのハーフ・アングルθ_１／２＜２０である前記複数の孔のうちの孔に入射するよう前記光ビームそれぞれを集束させる工程と、
   回折効果を最小にするために、直径≧２ｄを有し、ｄが式
   

   

   によって求められるような大きさに前記複数の孔のうちの前記孔それぞれを合わせる工程と、
   ５０％を下回る透過係数Ｔ_ｅ、及び前記光の一部がそれにより前記色混合ロッド・インテグレータの前記内部に反射するような反射係数Ｒ_ｅ＝１−Ｔ_ｅを有するような大きさに第２の反射性被覆を構成する工程とを含み、前記反射光は、入射面に戻り、前記色混合ロッド・インテグレータを通る別の通過の場合、反射し、正味の結果として、前記出射面で前記色混合ロッド・インテグレータを出射する光は、少なくとも２回、前記色混合ロッド・インテグレータを通って進んだ光を含む方法。
7. 投影エンジンであって、色混合ロッド・インテグレータを含み、前記色混合ロッド・インテグレータは、
   複数のディスプレイ原色の複数のレーザ光ビームを通す内部、及び入射した光をロッド形状の内部に反射する内部表面を有するロッド形状の本体と、
   複数の孔を有し、前記複数のレーザ光ビームが前記ロッド形状の本体の前記内部を通って進むことを可能にする第１の反射性被覆で覆われた、前記ロッド形状の本体の第１の端部上に配置された入射面であって、前記第１の反射性被覆は、入射した光を前記ロッド形状の本体の前記内部に反射し、前記複数の孔はそれぞれ、複数のレーザ光源の少なくとも１つに対応する入射面と、
   出射面に向けて前記内部を介して前記複数のビームのうちのビ―ムそれぞれを発散させる少なくとも１つのレンズであって、前記複数の孔に近接して配置される少なくとも１つのレンズと、
   前記入射面に対向し、前記入射面と平行に、前記ロッド形状の本体の第２の端部上に配置された出射面と
   を含み、
   特定のハーフ・アングルで前記複数の孔を介して前記色混合ロッド・インテグレータに入射するレーザ光のビームの一部は、その前記内部を、前記出射面を通って進む前に数回、通って進むことを強いられ、前記出射面を通って出射する光は前記色混合ロッド・インテグレータによって均質化され、前記投影エンジンは更に、
   前記色混合ロッド・インテグレータの前記出射面に近接し、よって、ディスプレイ・パネルの照射は、前記出射面を通って出射する均質化光によるように構成されたディスプレイ・パネルを備える投影エンジン。
8. 請求項７記載の投影エンジンであって、前記ディスプレイ・パネルの照射を実現するよう構成された前記出射面に近接して構成されたリレー光学系を更に備える投影エンジン。

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