JP5273636B2 - 光学系および投射装置 - Google Patents

Description

発明の技術分野
この発明は、反射型空間光変調装置のためのハウジング、およびそのようなハウジングを含む光学系、ならびに投射機および投射機を操作する方法に関する。

発明の背景
ライトエンジンとしても知られ、空間光変調装置または光弁を含むハウジングを含む、画像変調システムがよく知られている。空間光変調ハウジングは、ＬＣＤ光変調器のためなどに光透過モードで機能してもよく、または、それはＤＭＤまたはＬＣＤ、たとえば、ＬＣＯＳ、光変調器を使用した光反射型空間光変調装置であってもよい。

鏡に基づく反射型空間光変調装置を含む画像変調システムは、他の仕組より熱の発生による問題が少ない。しかしながら、熱は、反射型空間光変調装置の後側に通常位置する電気回路および構成要素、ならびに光の形で熱エネルギを主に空間光変調装置の前側に与え得る入射光の両方によって発生される。光の一部は、反射型空間光変調装置によって前側で吸収され、一部は後側および反射素子で吸収される。

反射型空間光変調装置から熱を放散または排出するための多くの試みがなされてきた。ＵＳ６７５１０２７Ｂ２の例として、熱は熱伝導性のスタッドによって反射型空間光変調装置の後側から排出される。このスタッドは反射型空間光変調装置の後側と接触する。

１つの代替策として考えられるのは、いくつかの素子の熱伝導性を使用し、熱経路を介して空間光変調装置の後側から熱を排出することであり、装置の前側には、対流冷却を使用して前側を冷却するために冷却空気が与えられる。しかしながら、これには、光学表面に堆積して、空間光変調装置自身、または空間光変調装置の近くに位置する光学素子の動作不良を生じさせ得る、埃または煙で空気が通常汚染されるという短所がある。さらに、画像変調システムのプリズムシステムなどの光学系と空間光変調装置との間にはほとんど空間がないことが理想的であるため、前側に提供される空気は冷却されるべき前側にわたって容易に流れることができない。これは低い冷却効果に繋がる。
ＵＳ６７５１０２７Ｂ２

発明の概要
この発明の目的は、反射型空間光変調システムを含む良好な光学系、および／またはそのような光学系を含む良好な投射装置を提供することである。

この発明の実施例による一部の光学系の利点は、それらを効率的かつ正確に冷却することができるという点である。

この発明の実施例のさらに別の利点は、反射型空間光変調装置に対して、前側および後側の両方の温度が制御可能であるという点である。一部の実施例では、反射型空間光変調装置の前側および後側の両方の温度、したがって、任意で反射型空間光変調装置の前および後側にあっての温度差は、共同で制御されてもよいし、および／または互いに独立して制御されてもよい。別の実施例によると、複数の反射型空間光変調装置がある場合、１つ
の反射型空間光変調装置の前側および／または後側の温度は、光学系内の他の反射型空間光変調装置の前側および／または後側の温度から独立して制御されてもよい。この発明の特定の実施例では、少なくとも２つの反射型空間光変調装置が設けられ、各空間光変調装置は２つの熱流経路（１つは前側、もう１つは後側に対して）を有し、これら少なくとも４つの熱流経路は、すべて互いから独立して制御可能である。

この発明の一部の実施例による光学系の利点は、反射型空間光変調装置の前側の温度を、画像内容から独立して、かつ実質的に入射光の量の関数で制御できることである。

この発明の一部の実施例の光学系の利点は、反射型空間光変調装置によって反射型空間光変調装置と投射光学部品との間の封止が可能であり、それによって汚染の危険、たとえば、埃、舞台の煙、大気汚染等による反射型空間光変調装置の汚染を低減できる点である。さらに、メンテナンスの介在の回数を低減または排除することができる。

この発明の一部の実施例による光学系の利点は、パッケージ空間光変調器の後側および前側の両方を冷却することにより、パッケージおよび反射型空間光変調装置の全体的な温度を低下させることができる点である。またはこれに代えて、前および後側で冷却される、この発明の主題としてのパッケージは、前側または後側でのみ冷却を有する類似のパッケージと比較して、より多くの量の入射光に晒され得るという利点を有する。

上記の目的は、この発明による少なくとも１つのパッケージ反射型空間光変調装置を含む光学系、そのような装置の構成方法、およびそのような装置ならびにそのような装置のためのコントローラを操作する方法によって達成される。

第１の局面では、この発明は、入射光に面するための前側、パッケージ空間光変調器によって形成された画像を投射するための投射光学部品、パッケージ空間光変調器の前側と投射光学部品との間の封止された気体空間、および空間光変調器の前側に熱結合された熱輸送手段を含む、少なくとも１つのパッケージ空間光変調器を含む光学系を提供し、第１の熱輸送手段は、パッケージ空間光変調器の前側にその縁に沿って接触する熱伝導性フレームを含む。

光学系はさらに第１の熱放散手段を含んでもよい。第１の熱輸送手段および／または第１の熱放散手段は、任意で第１の熱交換手段を含むことができる。第１の熱輸送手段は、パッケージの前側、および／または反射型空間光変調装置自身の前側に熱結合される。

この発明の実施例による光学系では、少なくとも１つのパッケージ空間光変調器は後側を含み、光学系はさらに、少なくとも１つのパッケージ空間光変調器の後側に熱結合された第２の熱輸送手段を含んでもよい。任意で、第２の熱放散手段が設けられてもよい。第２の熱輸送手段および／または第２の熱放散手段は、任意で第２の熱交換手段を含むことができる。第２の熱輸送手段は、パッケージの後側および／または反射型空間光変調装置の後側に熱結合される。

したがって、２つの熱経路、１つは反射型空間光変調装置の後からシンクへ（たとえば、第１の熱放散手段または第１の熱交換手段）、もう１つは反射型空間光変調装置の前からシンクへ（たとえば、第２の熱放散手段または第２の熱交換手段）の２つの熱経路が設けられてもよい。またはこれに代えて、第１および／または第２の熱放散手段または熱交換手段は、空間光変調器の前および／または後にそれぞれ直接的に適用可能である。第１および第２の熱輸送手段は、パッケージおよび／または反射型空間光変調装置自身によって、熱的に分離することができる。ハウジングの内部または外部に、第１の熱輸送手段（または第１の熱放散または熱交換手段に対して）、および第２の熱輸送手段（または第２
の熱放散または熱交換手段に対して）の少なくとも１つまたは両方で熱流を制御するために制御手段を設けることができる。１つまたは２つの熱経路の制御は、たとえば、第１および第２の熱輸送手段の熱流から独立して行なうことができ、または、たとえば、前および／または後で、たとえば、反射型空間光変調装置の温度を検出するセンサからのフィードバックループを使用することによって、同時にまたは組合せて制御してもよい。

パッケージは第１および第２の熱輸送手段を熱的に分離することができる。通常、空間光変調器は熱伝導性に乏しい。

この発明の実施例では、光学系には、第１の熱輸送手段を介してパッケージの前側を反射型空間光変調装置から熱放散手段に結合する第１の熱経路と、第２の熱輸送手段を介してパッケージの後側を反射型空間光変調装置から熱放散手段に結合する第２の熱経路との、２つの熱経路が設けられる。２つの経路は、独立しておよび／または無関係に制御されてもよく、または第１および第２の熱放散手段に抽出された熱は組合せて制御されてもよい。

第１および第２の熱輸送手段のうちの少なくとも１つの（または、第１および第２の熱放散手段に対して）熱流を制御するための制御手段は、計算ユニット、および少なくとも第１および第２の温度測定装置を含んでもよく、少なくとも１つのパッケージ空間光変調器の各側は、温度測定装置のうちの１つに結合される。制御手段は、後側および前側からの温度を予め設定された値と比較して、測定値と予め設定された値との差に応じて、第１および／または第２の熱輸送手段からの、または第１および／または第２の熱放散に対する熱流を調節してもよい。制御手段は、後側および前側からの測定された温度を比較し、温度差を計算してもよい。制御手段は、測定された温度の差が所与の値を超えるかおよび／または下回る場合に、第１および／または第２の熱輸送手段に沿った、または第１および／または第２の熱放散手段に対する熱流を互いから独立して調節してもよい。

この発明の局面によると、空間光変調器を保持するように適合されたパッケージを含む反射型空間光変調装置が提供され、そのパッケージは入射光に面するためのパッケージ前側とパッケージ後側とを有する。反射型空間光変調装置はさらに、パッケージ前側に熱結合されている第１の熱輸送手段と、パッケージ後側に熱結合されている第２の熱輸送手段とを含む。第１および第２の熱輸送手段はパッケージによって熱的に分離される。反射型空間光変調装置はさらに、第１の熱輸送手段および第２の熱輸送手段のうちの少なくとも１つの熱流を制御するための制御手段を含む。

この発明の実施例によると、制御手段は、第１の熱輸送手段の熱流から独立して、第２の熱輸送手段の熱流を制御するために好適であり得る。この発明の一部の実施例によると、第１の熱輸送手段は、パッケージ前側の縁に沿ってパッケージ前側に接触する熱伝導性フレームを含んでもよい。

この発明の一部の実施例によると、熱伝導性フレームは高熱伝導性材料から設けられてもよい。熱伝導性フレームは、銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金からなる群からの材料から設けられてもよい。またはこれに代えて、熱伝導性フレームは熱伝導性セラミックから作られてもよい。

熱伝導性フレームは、封止された気体空間内から、封止された気体空間外に位置する熱放散手段または熱交換手段へと熱を排出するために、封止された気体空間の外側に延在してもよい。これは特に単一チップ構成に当てはまり得る。

この発明の一部の実施例によると、第１の熱輸送手段はさらに、熱伝導性フレームに熱
結合された少なくとも１つの熱パイプを含んでもよく、２つ以上の熱パイプを含んでもよい。この場合、熱伝導性フレームは、少なくとも部分的に、または完全に封止された気体空間内にあってもよく、少なくとも１つの熱パイプは、熱伝導性フレームから封止された気体空間外にある熱放散手段または熱交換手段へと熱を伝導してもよい。この発明の一部の実施例によると、第１の熱輸送手段はさらに、能動冷却装置を含んでもよく、熱パイプは能動冷却装置に結合される。

この発明の一部の実施例によると、制御手段は、第１の熱輸送手段の熱流から独立して、第２の熱輸送手段の熱流を制御するのに好適であり得る。この発明の一部の実施例によると、第２の熱輸送手段はさらに能動冷却装置を含んでもよい。

この発明のさらに別の局面では、この発明の実施例による光学系を含む投射装置が提供される。投射装置は、単一チップまたは複数チップの投射装置であり、特に、デュアルチップまたは３チップ投射装置である。得られ得る空間光変調器の良好な冷却を考慮すると、この発明の実施例による光学系を投射装置で使用することが特に有利であり、良好かつさらに向上された画像品質が得られる。

この発明の別の局面によると、画像変調システムが提供され、この画像変調システムは、光学系、および光学系に結合されるための少なくとも１つの反射型空間光変調装置を含む。反射型空間光変調装置は、空間光変調器を保持するように適合されたパッケージと、入射光に面するためのパッケージ前側と、パッケージ後側とを含む。このシステムはさらに、パッケージ前側および後側の温度を制御するために第１の熱輸送手段と第２の熱輸送手段とを含み、前記第２の熱輸送手段は、パッケージ後側の温度を制御するために、たとえば、非対流的にパッケージ後側に熱結合され、前記第１の熱輸送手段は、パッケージ前側の温度を制御するために、たとえば、非対流的にパッケージ前側に熱結合されている。この発明の実施例によると、このシステムはさらに、第１の熱輸送手段および第２の熱輸送手段のうちの少なくとも１つの熱流を制御するための制御手段を含んでもよい。

この発明の実施例によると、制御手段は、第１の熱輸送手段の熱流から独立して、第２の熱輸送手段の熱流を制御するためのものであり得る。この発明の一部の実施例によると、制御手段は、第２の熱輸送手段の熱流から独立して、第１の熱輸送手段の熱流を制御するのに好適であり得る。

この発明の特定および好ましい局面は、添付の独立および従属クレームに記載される。従属クレームからの特徴は、適切かつクレームに明示的に記載されるようにだけでなく、独立クレームの特徴および他の従属クレームの特徴と組合されてもよい。

この分野の装置には、常に改良、変更および発展があるが、この概念は、以前の実務から離れることを含む、実質的に新しくかつ新規の改良を表わすものと考えられ、より効率的で、安定し、かつ信頼のおける装置の提供に繋がる。

この発明の教示は、光学系の一部である、改良された画像変調システムの設計を可能にし、この画像変調システムは、たとえば、舞台または煙草の煙の存在によるものであって、画像変調システムの光学部品をそのような舞台の煙に存在する油の粒子によって汚染する、大気汚染に対してより耐性がある。より一般的には、それは画像変調システム、および光学系が、メンテナンスの介在の必要なく、より長く機能することを可能にする。それはさらに、反射型空間光変調装置をプリズム光分割／合成ユニットと気密接触させて設けることができる画像変調システムを設けることも可能にし、反射型空間光変調装置の効率的な冷却を可能にする。

この発明の上記および他の特性、特徴および利点は、例によってこの発明の原則を示す添付の図面とともに読まれたときに、以下の説明から明らかであろう。この説明は、この発明の範囲を制限することなく、例示のためにのみ提供される。以下に引用される参照番号は添付の図面を指す。

異なる図面では、同じ参照番号は同じかまたは類似の要素を示す。

例示的な実施例の説明
この発明を特定の実施例に関して、かつある図面を参照して説明するが、この発明はそれに制限されず、クレームによってのみ制限される。説明される図面は概略的に過ぎず、かつ非制限的なものである。図面中、要素の一部の大きさは誇張されることがあり、例示のために同じ縮尺で書かれていない。寸法および相対的な寸法は、この発明の実際の実施化に対応していない。

さらに、明細書およびクレームにおける、第１、第２、第３等の用語は、類似の要素を区別するために使用されるものであり、必ずしも順序または時系列的な順序を説明するためのものではない。そのように使用される用語は適切な状況下で相互に交換可能であり、ここに説明される発明の実施例は、ここに説明されるかまたは図示されるもの以外の順序で動作可能であることを理解されたい。

さらに、明細書およびクレームにおける、上部、底部、上、下等の用語は、説明のために使用されるものであり、必ずしも相対的な位置を説明するためのものではない。そのように使用される用語は適切な状況下で相互に交換可能であり、ここに説明される発明の実施例は、ここに説明されるかまたは図示される以外の他の配向で動作可能であることを理解されたい。

クレームで使用される、「含む（comprising）」という用語は、その後に列挙される手段に制限されると理解されるべきではなく、それは他の要素またはステップを排除しないことに注目されたい。したがって、それは、言及されるように、述べられた特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定するものとして理解されるべきであるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、もしくはそのグループの存在または付加を妨げない。したがって、「手段ＡおよびＢを含む装置（a device comprising means A and B）」という表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみからなる装置に制限されるべきではない。それは、この発明に関しては、装置の単に関連する構成要素がＡおよびＢであることを意味する。

同様に、クレームでも使用される、「結合される（coupled）」という用語は、直接的な接続にのみ制限されると理解されるべきではない。「装置Ｂに結合される装置（a device A coupled to a device B）」という表現の範囲は、装置Ａの出力が装置Ｂの入力に直接接続されている装置またはシステムに制限されるべきではない。それは、Ａの出力とＢの入力との間に経路が存在し、他の装置または手段を含む経路であり得るということを意味する。

以下の用語は、この発明の理解を助けるためにのみ提供されるものである。これらの定義は当業者によって理解されるより狭い範囲を有すると理解されるべきではない。

「空間光変調装置のためのハウジング」という用語は、デジタル画像情報、特に任意のデジタル画像情報に従って入射光を変調するためのアセンブリとして理解されるべきである。ハウジングはパッケージに取付けられる光変調器を取付けるための取付具を含んでも
よい。パッケージは入射光に面するための前側を有し、この前側にはガラスの壁などの透明な壁が設けられてもよく、パッケージはさらにパッケージ後側を有し、これは空間光変調装置を駆動するための電子構成要素または電子構成要素への接続を含んでもよい。アセンブリを冷却するために２つ以上の熱輸送要素が設けられてもよい。アセンブリは、光変調器と前側のガラス壁との間の空間に、たとえば、シリコンオイルまたは汚染成分を吸収するための化学フィルタを含んでもよい。

「パッケージ」という用語は事前に組立てられたユニットと理解されるべきである。
「パッケージ前側」という用語は、入射光に面する、空間光変調ハウジングのパッケージの側と理解されるべきである。この側は投射光学部品に向かって投射光も発する。

「反射型空間光変調器」という用語は、たとえば、アドレス指定可能な鏡、回転する多角形の形で見られるような一連の鏡、または個々にアドレス指定可能な鏡のアレイ、特に、ハウジングのパッケージに取付けられた光変調器の一部であるミラーリング要素を使用して、反射モードで光を変調する空間光変調器として理解されるべきである。

反射型空間光変調装置は、デジタルミラー装置（ＤＭＤ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または反射型液晶（ＬＣＯＳ）などの異なる種類の反射型光変調器を含んでもよい。光変調器は画素ごとにアドレス指定可能であって、たとえば、ビデオ画像などの、変化するグレースケールの任意の画像を表わすことが好ましい。デジタルミラー装置またはデジタルマイクロミラー装置とも呼ばれるＤＭＤは、反射型空間光変調器であって、たとえば、２値パルス幅変調技術を使用して、光源の反射を正確に制御する高速の反射型デジタル光スイッチの半導体ベースのアレイを含む。ＤＭＤは、個々にアドレス指定可能であって、かつ電気的に変形可能または可動のミラーセルのマトリックスを有する。第１の状態または位置では、デジタルミラー装置の各ミラーセルは、平らな鏡として働き、受取った光を１つの方向へと、投射レンズを通じて、たとえば投射スクリーンに向けて反射し、第２の状態または位置では、それらは受取った光を投射スクリーンから離れる別の方向へと投射する。反射型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の光弁では、光は鏡の機械的な変位によっては変調されず、光弁の液晶の偏光を変化させることによって変調される。

「受動冷却装置」という用語は、冷却されるべき対象物から取られた熱エネルギを制御ユニットによって制御することができない装置として理解されるべきであり、すなわち、それは熱を開ループの態様で放散する。

「能動冷却装置」という用語は、冷却されるべき対象物から取られた熱エネルギを制御ユニットよって制御することのできる装置として理解されるべきである。例として、能動冷却装置はペルチェ素子であってもよい。あらゆる形のマイクロ冷却装置を使用することができる。たとえば、１つの種類の冷却装置はマイクロ電気機械冷凍システムである。そのようなシステムの１つの例は、磁気冷凍サイクルに基づく冷凍システムであってもよく、マイクロ電気機械スイッチ、マイクロリレー、リードスイッチ、またはゲートスイッチを使用して、そのようなサイクルの吸収段階と熱遮断段階との切換を行なってもよい。そのような装置は、International Business Machines Corporationからの米国特許第６，５８８，２１５ Ｂ１号により詳細に記載される。そのようなシステムの別の例は、圧電ドライバを使用してスタックに温度差を提供することに基づく熱音響冷凍機であってもよい。それによって高周波音が生成され、これは、スタックの１つまたは複数の部分との相互作用により、温度勾配を生じさせ、ユタ大学による米国特許第６，８０４，９６７ Ｂ２号にさらに詳しく記載されるように、冷却を可能にする。そのようなシステムのさらに別の例は、マイクロ電気機械システムであってもよく、Technology Application, Inc.による米国特許第６，８０４，９６７号により詳細に記載されるように、気体の膨張はマイクロ電気機械弁を使用して制御される。これら冷却手段のいくつかの利点は、それらは、
マイクロ電気機械技術、リソグラフィ、または薄膜堆積技術を使用して、検出システムでの統合が可能であり、かつそれらのサイズが小型になるように適用することができる点である。

この発明を、この発明のいくつかの実施例の詳細な説明によって説明する。この発明の真の精神または技術的な教示から離れることなく、当業者の知識によってこの発明の他の実施例を構成可能であることが明らかであり、この発明は特許請求の範囲によってのみ制限される。

この発明を実現する、反射型空間光変調ハウジングの目的を達成するための他の配置は当業者に明らかであろう。

この発明の実施例によるパッケージ反射型空間光変調装置（ＳＬＭ）を含む１つまたは複数の光学系１００は、投射システムで使用されてもよい。単一チップ投射システムでは、単一の反射型空間光変調装置１１１、たとえば、ＤＭＤまたは反射型ＬＣＤが、たとえば、単色投射機に設けられる。しかしながら、単一チップ投射システムは、投射されるべき画像の時間連続色分割を提供するために、たとえば、カラーホイール（color wheel）などの手段とともに提供されてもよい。異なる色の画像が次々に高速で投射されるため、投射された画像を見ているユーザの目は、その低速さのため、別々に投射された色の画像を統合して単一の複数色の画像として認識する。デュアルチップ投射システムでは、２つの反射型空間光変調装置１１１を含む光学系が設けられてもよい。そのようなデュアルチップ投射システムは、たとえば、立体的な画像化に使用されてもよく、すなわち、反射型空間光変調装置１１１の各々は、投射されるべき画像の時間連続色分割を提供するためにカラーホイールまたはスライディングフィルタなどの手段と協働してもよく、反射型空間光変調装置１１１の各々は、投射された画像を見ているユーザの異なる目に画像を提供してもよく、たとえば、第１のＳＬＭ１１１は左目に画像を提供し、第２のＳＬＭ１１１はユーザの右目に画像を提供してもよい。最良の光の出力のため、および飽和色を得るため、３チップシステム、すなわち、３つのＳＬＭ１１１を含む投射システムを使用することが最良であり、各ＳＬＭは基本色の光経路にあり、その基本色に対応する投射されるべき画像の部分を提供し、たとえば、１つのＳＬＭは赤のため、１つは緑のため、１つは青の光のためである。原則として、４つ以上のＳＬＭを含む複数チップシステムも考えられるが、光、たとえば、白光は、３つの基本色より多くに分割され、各ＳＬＭはそのそれぞれの色に対応する、投射されるべき画像の部分を提供する。異なる色を着けられた画像は組合されて、色の着いた投射された画像を形成する。

図５は、この発明の実施例による３つの反射型ＳＬＭを設けられた投射装置の主要部分の概略図である。投射装置は、白光源１と、光の色成分分割／合成装置、たとえば、１つまたは複数のプリズムを含むプリズムユニット３、および複数の反射型ＳＬＭ、たとえば、ＤＭＤ４、５、６（各々がディスプレイスクリーン上で投射装置によって投射されるべき１つの色を制御し、ＤＭＤ４は青、ＤＭＤ５は緑、およびＤＭＤ６は赤のためである）を含む光学ユニット２と、投射レンズ７とを含む。光学ユニット２のプリズムユニット３は、全反射（ＴＩＲ）プリズム１１、および色分割／色合成プリズム１２を含んでもよい。ＤＭＤは反射型光スイッチのアレイであるため、光を吸収する極性は必要ではない。図５から、ＤＭＤ４、５、６は光源１からの光に対して、プリズムユニット３の出口側に取付けられることがわかる。

光源１、たとえば、金属ハロゲン化物またはキセノンランプからの光８は、均一な照明を行なうためにコンデンサレンズ９によって集められる。ＤＭＤ空間光変調器の適切な動作のため、この光はＤＭＤチップの垂線に対して約２０度で向けられることが好ましい。照明および投射光学部品間の機械的な干渉を排除する方法でこれを実現するため、鏡１３
および全反射プリズム１１は、投射レンズ７と、ＤＭＤ色分割／色合成プリズム１２との間に挿入される。

色分割／色合成プリズム１２は、それらの表面に配置された二色干渉フィルタを有して、反射および伝達によって、光を複数の色成分、たとえば、赤、緑および青の成分に分割してもよい。この種類の赤および青の光を生成するプリズムでは、光を正しい角度で赤および青のＤＭＤに向けるために、プリズムのＴＲＩ表面からの付加的な反射が必要である。３つのＤＭＤのオン状態の鏡から反射された光はプリズムを通じて戻され、色成分が合成される。合成された光はＴＩＲプリズムを通って投射レンズ７に入るが、なぜなら、その角度がプリズムの空隙での全反射に対する臨界角度を下回って低減されているからである。

この発明の実施例によると、パッケージ空間光変調器の各々、たとえば、ＤＭＤ４、５、６は、図１に示されるように、それらの前側とプリズムユニット３との間の封止された気体空間を囲む。「実質的に封止された」は、周囲空気から封止されて、有意の量の埃または煙の粒子がチャンバに入ることができないが、封止されたチャンバの内部空間と周囲空気との間に必ずしも圧力差があるとは限らないことを意味する。実質的に封止されたチャンバは、必ずしも圧力封止されていない大気システムであってもよく、空気などの気体で充填されてもよい。入来する白光はプリズムユニット３でその色成分に分割され、色成分はＳＬＭで変調されて、投射スクリーンに向かって画像を投射する。封止されたチャンバは、無風の、空気などの気体の充填物を有してもよく、すなわち、ファンまたは送風機などの能動的な対流的空気の循環はない。ＤＭＤ４、５、６は熱の影響を受けやすく、プリズムユニット３上のホットスポットは、投射された画像の変色を引起こし得るため、ＤＭＤ４、５、６はこの発明の実施例に従って冷却される。この発明の実施例では、ＤＭＤはプリズムユニット３に対する冷却とは別に冷却される。プリズムユニットは、ファンによってプリズムユニットに吹きつけられる空気の流れによって提供される強制対流によって冷却されてもよい。

パッケージ反射型空間光変調装置１１１を含む、この発明の実施例による光学系１００の第１の実施例の概略図が図１に示される。反射型空間光変調装置１１１は、空間光変調器１１１を保持するように適合されたパッケージ１１０に含まれる。複数チップ構成では、複数のそのようなパッケージ反射型空間光変調装置１１１が設けられる。

パッケージ１１０は、入射光１９０に面するためのパッケージ前側１１３と、パッケージ後側１１２とを有する。光学系１００は、パッケージ前側１１３に熱結合されている第１の熱輸送手段１３０と、パッケージ後側１１２に熱結合されている第２の熱輸送手段１２０とを含み、第１および第２の熱輸送手段はパッケージ１１０によって熱的に分離されている。図示の光学系１００はさらに、第１の熱輸送手段１３０の熱流を制御するため、および第２の熱輸送手段１２０の熱流を第１の熱輸送手段１３０の熱流から独立して、またはそれと組合せて制御するための制御手段１４０を含む。この発明の実施例によると、パッケージ１１０の前側１１３の冷却、およびパッケージ１１０の後側１１２の冷却は、互いに独立して行なわれてもよいし、いずれかまたは両方が制御された冷却であってもよい。各ＳＬＭの冷却の制御も他のどれの制御からも独立している。

パッケージ１１０は、特定の実施例でＤＭＤまたは反射型ＬＣＤであり得る反射型空間光変調器１１１を含む。パッケージ１１０は、化学フィルタ１５１が設けられ得るケーシング１５３をさらに含む。ケーシング１５３は、透明かつ固体の、たとえば、ガラスの窓１５２とともに、気密性の容積１５４を反射型光変調器１１１の前側に作る。気密性の容積１５４は無風であり、すなわち、非乱流である。なぜなら、気密性の容積１５４の内側には空気を動かすためのファンまたは他の手段が設けられていないからである。反射型光
変調器１１１によって発生された熱は、対流によって気密性の容積１５４を通って移動し、その壁を通る伝導によってパッケージ１１０から出ていく。この熱は、この発明の実施例によると、第１の熱輸送手段１３０を介して取除かれる。

使用時、入射光１９０は、ガラス窓１５２および容積１５４を介して、変調器１１１の、反射型光変調器ピクセルのマトリックス、たとえば、鏡で入射する。変調器１１１の後側にある電子素子（図示せず）に提供される画像情報によって駆動される、反射型光変調器ピクセルのマトリックス、たとえば、鏡のマトリックスは、光を２つの異なる方向、すなわち、１つは投射のために透明な窓１５２を通じて光学系１１１に向かい、１つはそこから離れるように、たとえば、黒いヒートシンク（図示せず）に向かう方向に反射する。

第１の熱輸送手段１３０は、熱伝導性フレーム１３１を含み、これはパッケージ１１０の前側１１３に接触する。熱伝導性フレーム１３０は、パッケージ前側１１３の縁１１４に沿ってパッケージ前側１１３に接触する。熱伝導性フレーム１３１は、好ましくは２０℃の周囲温度で測定された８０Ｗ／ｍ^*Ｋより大きい熱伝導性を有する熱伝導性材料から設けられてもよく、より好ましくは、周囲温度で１５０Ｗ／ｍ^*Ｋより大きい熱伝導性を有する高熱伝導性材料から設けられる。例として、フレーム１３１は、たとえば、銅、銅合金、アルミニウム、またはアルミニウム合金などの金属または金属物質から設けられてもよい。またはこれに代えて、熱伝導性セラミックを使用してもよい。フレームは約２．５から８ｍｍの厚み、たとえば３．７ｍｍの厚みを有してもよい。

熱伝導性フレーム１３１を介して、パッケージ１１０の前側１１３は、第２の熱輸送手段によって、固体材料にわたって受動冷却装置または能動、すなわち、制御可能な冷却装置１３２へと熱結合される。特定の実施例では、特に制御可能な冷却装置１３２の第１の熱輸送手段は、非対流熱輸送手段であり、たとえば、伝導性熱輸送手段である。代替の実施例では、それは非乱流の対流性熱接触を含んでもよい。第１の熱輸送手段は、少なくとも１つの熱パイプ１６０であり得る。例として、冷却フィンの単純なアレイを受動冷却装置１３２として使用可能である。例として、ペルチェ素子を能動冷却装置１３２として使用可能であり、その冷たい側１３３は第１の熱輸送手段、たとえば、少なくとも１つの熱パイプ１６０に結合され、暖かい側１３４は熱放散手段、たとえば、空気冷却された冷却フィン１３５または液体冷却されたヒートシンクに結合される。したがって、第１の熱輸送手段１３０に対する第１の熱経路が設けられる。代替の能動冷却装置は、空気冷却されたヒートシンク、たとえば、冷却フィンのアレイであり、それに対して冷却空気の量は空気ファンの回転スピードの制御によって制御可能である。この発明の実施例では、第１の熱輸送手段の各々に別個の空気ファンを設けることができる。別の代替の能動冷却装置は、水または液体冷却されたヒートシンクであり、それに対して冷却液の量は、この液体冷却されたヒートシンクに結合された液体ポンプの出力を制御することによって制御可能である。例として、冷却液はグリコールと脱塩水との混合物であり得る。

使用される第１の熱輸送手段、たとえば、熱パイプ１６０は、窮屈かつ浅い空間、たとえば、ＳＬＭ、たとえば、ＤＭＤとガラスアセンブリの前または投射光学部品との間の空間から、熱または熱エネルギを伝達または排出することを可能にする。特定の実施例で２．５ｍｍ未満の直径、たとえば２ｍｍの直径を有する熱パイプは、熱パイプの外端部にわたる小さな温度差によって、所与の量の熱エネルギを輸送することができる。熱パイプの熱伝導性能は、熱パイプの「最悪の事態の」配向を使用して規定および寸法決めされる。なぜなら、大半の熱パイプでは、熱伝導性能は熱パイプの配向に依存するからである。特定の実施例では、全方向性の熱パイプが使用されてもよく、これらの熱パイプは、この方向性の依存性を示さないか、または示す程度が低い。

第２の熱輸送手段１２０は、熱を伝導するのに好適な手段、たとえば、熱伝導性スタッ
ド１２１を含み、これはパッケージ１１０の後側１１２に接触する。熱結合手段（図１には図示せず）は、後側１１２をスタッド１２１に熱結合するために設けられ、電気絶縁手段（図示せず）は、パッケージ１１０の後側１１２にあり得る変調器１１１の後側の電子素子をスタッド１２１から電気的に絶縁するために設けられる得る。熱結合手段は、同時に電気絶縁手段を形成してもよく、たとえば、熱伝導性であるが、電気的に絶縁性の接着剤であってもよい。スタッド１２１は、好ましくは金属などの高伝導性材料から作られる。スタッド１２１は、パッケージ１１１の後側１１２を、受動、または能動、すなわち制御可能な冷却装置１２２と結合する。例として、空気冷却フィンの単純なアレイは受動ヒートシンクとして使用可能である。ペルチェ素子は能動冷却装置１２２として使用可能であり、その冷たい側１２３はスタッドに結合され、その暖かい側１２４は熱放散手段、たとえば、空気冷却された冷却フィン１２５または液体冷却されたヒートシンクに熱結合される。どちらの場合でも、第２の熱輸送手段１２０の第２の熱経路が設けられる。代替の能動冷却装置は、空気冷却されたヒートシンク、たとえば、冷却フィンのアレイであり、それに対して冷却空気の量は空気ファンの回転スピードを制御することによって制御可能である。別の代替の能動冷却装置は、水または液体冷却されたヒートシンクであり、それに対して冷却液の量は、この液体冷却されたヒートシンクに結合される液体ポンプの出力を制御することによって制御可能である。例として、冷却液はグリコールと脱塩水との混合物であり得る。

第２の熱伝達装置１２０の熱経路は、第１の熱輸送手段１３０の熱経路に必ずしも結合されず、すなわち、第１の熱輸送手段１３０の熱経路から独立したものであり得る。２つの互いに分離された熱放散手段１３５および１２５が好ましいが、熱放散手段１２５および１３５は、２つの互いに独立した熱経路を有する１つのより大きな熱放散手段の一部であってもよい。熱放散手段１２５、１３５は、熱が、１つの材料によって伝達された熱から別の材料によって伝達された熱へと変換される、たとえば、金属内の伝導熱が気体または液体によって伝達される対流熱へと変換される、何らかの形の熱交換器を含んでもよい。

冷却装置１２２、１３２のうちの少なくとも１つは、能動冷却装置、すなわち制御可能であり得る。しかしながら、両方の冷却装置が制御可能である必要はない。

図１に概略的に示されるように、封止１７０、たとえばシリコンゴム封止が熱伝導性フレーム１３１と投射光学部品１９１との間に設けられ、反射型空間光変調装置１００を投射光学部品１９１に気密的に結合してもよい。投射光学部品１９１は、たとえば、これらに限らないが、プリズム光分割／合成ユニット、プリズム、鏡、二色フィルタなどの標準的な構成要素を含んでもよい。この発明の実施例によると、図１に示されるように、実質的に封止されたチャンバ１９２がパッケージ１１０と投射光学部品１９１との間に設けられる。「実質的に封止された」という用語は、周囲空気から封止されているため、有意の量の埃または煙の粒子がチャンバ１９２に入ることができないと理解されるべきである。実質的に封止されたチャンバ１９２には光学構成要素はない。実質的に封止されたチャンバ１９２は無風、すなわち、非乱流である。なぜなら、実質的に封止されたチャンバ１９２の内側の空気を動かすためのファンまたは他の手段が設けられていないからである。反射型光変調器１１１によって発生され、かつパッケージ１１０の前側から出る熱は、パッケージ１１０の前側に熱結合された第１の熱輸送手段１３０のフレームによって取除かれる。熱は、実質的に封止されたチャンバ１９２から熱交換器まで輸送されてもよく、ここで温度はさらに低下される。

複数の光変調器１１１が、たとえば、投射システムに存在する場合、各光変調器１１１は、ＳＬＭ１１１のパッケージ１１０と光学系１９１との間に個々の封止されたチャンバ１９２を有してもよい。封止されたチャンバ１９２内のパッケージ１１０の前側の冷却は
、第１の冷却装置１３０の固体材料との接触によって行なわれる。これは、この発明の実施例に従って、複数の光変調器１１１の各々に対して別々に行なわれてもよい。

制御手段１４０に目を向けると、図１に概略的に示される実施例では、制御手段１４０は第２の熱輸送手段１２０の熱流速または熱流を制御することができる。この制御は、たとえば、ペルチェ素子１２２に流れるＤＣ電流１４１を制御することによって行なうことができる。第２の熱輸送手段１２０の熱流速または熱流とともに、またはそれから独立して、制御手段１４０は、たとえば、ペルチェ素子１３２に流れるＤＣ電流１４２を制御することによって、第１の熱輸送手段１３０の熱流速または熱流を制御することができる。

例として、ＤＭＤパッケージ１１０の前側１１３の熱伝導性フレーム１３１、およびパッケージの前側１１２のスタッド１２１には、測定された温度に依存するアナログ電気信号を提供する温度センサを設けてもよい。前および後側の温度依存信号は、たとえば、冷却装置１２２および１３２のペルチェ素子に流れるＤＣ電流１４１および１４２を制御することにより能動冷却装置を制御するために信号を使用することによって、前および後側から熱輸送手段を通って流れる熱エネルギの量を制御するために使用してもよい。制御は、前側および後側で測定された絶対温度、および前側と後側との温度差を考慮することができる。この情報は、温度センサの温度信号の判読によって推断することができる。アナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル情報へと変換してもよい。

パッケージ１１０、特に変調器１１１の全体的な温度は、第１および第２の熱輸送手段１２０、１３０の両方の熱流を同時に増減することによって調節してもよく、すなわち、上下させてもよい。例として、予め設定された値、たとえば、約６９℃の値を想定することができる。前側、後側の温度が大きく異なる傾向がある場合、すなわち、予め設定されたしきい値より大きく、この予め設定された値から、たとえば２℃より大きく異なる場合、この予め設定された値を超える温度を有する側からの熱流の量を、予め設定されたしきい値を考慮して、増加させることができる。

何らかの理由で、パッケージの前側と後側との間で測定された温度の差が大き過ぎる場合、たとえば１０℃を超える場合、熱流速は、２つの熱輸送手段のうちの１つのみの熱流速を調節することによって、たとえば、両方の側の最も暖かい側からの熱流速のみを調節することによって増加させることができる。またはこれに代えて、両方の側の冷たい側からの熱流速を、２つの熱輸送手段のうちの１つのみの熱流速を調節することによって、減少させてもよい。さらに別の代替例として、制御手段は、測定された温度を互いに近付けるために、適切に両方の熱輸送手段の熱流速を調節してもよい。前側と後側との温度差の制御は、図１のフィルタ１５１などの化学フィルタがガラス板と反射型空間光変調パッケージの内側の鏡のマトリックスとの間に存在する場合に重要であり得る。この化学フィルタにわたる温度低下が大き過ぎる場合、１０℃を超えないことが好ましいが、化学フィルタはその特性を失い、捕捉されたごみおよび／または油、および／または他の汚染物質がガラス窓と鏡との間の空間へと再び漏れ出すことがある。これは空間光変調パッケージの動作不良に繋がり得る。

熱パイプ、または好ましくは２つの熱パイプなどの２つ以上の熱パイプの使用は、これら熱パイプが熱パイプの一端から他端へと非常に効率的に熱流速を伝え、一方で取付に多くの空間を要しないという利点を有する。少なくとも１つの熱パイプの一端は、封止されたチャンバ１９２の内側に設けられてもよく、他端は、封止されたチャンバ１９２の外側に設けられてもよい。熱パイプはパッケージの外寸に応じて容易に曲げることができ、既存の光エンジンセットアップへの変更を必要としないか、または大きな変更を必要としない。それらは、現在知られている光エンジンに存在する小さな隙間へと容易に適合させることができるため、第１の熱輸送手段の熱流速は、熱放散手段へと容易に伝達可能であり
、能動冷却装置へも伝達することができ、これらは光エンジンの光学ゾーンの外側に取付けられる。

この発明の実施例としての光エンジンまたは画像変調システム２００のセットアップが図４に示され、反射型空間光変調装置２１１、および図２にさらに詳細に示される熱輸送システムを含む。図３にさらに詳細に示される他方の熱輸送システムは、説明しやすくするため図４には示されていない。同じ参照番号は同じかまたは類似の特徴を示す。

図２は、第１の熱輸送手段２３０およびパッケージ２１０の要素を概略的に示す。図３は第２の熱輸送手段２２０およびパッケージ２１０の要素を概略的に示す。図４は、第２の熱輸送手段２３０およびパッケージ２１０の要素が取付けられる光エンジンの一部を示す。

図２に示されるように、パッケージ２１０の前側２１３は、銅などの金属または金属物質などの高熱伝導性材料から作られる、熱伝導性フレーム２３１と、前側２１３の外端縁２１４に沿って接触する。図２に示されるように、フレーム２３１は、入射光が光変調器２１１に当たるようにするための開口部２３６を有する。フレーム２３１には、熱輸送手段、たとえば、２つの熱パイプ２６１および２６２の２つの端部が接続される。熱パイプ２６１、２６２の反対側の端部は冷却装置、たとえば、ペルチェ素子２３２の冷たい側２３３に結合される。ペルチェ素子２３２の暖かい側２３４は、熱放散手段２３５である、第２の液体冷却されたヒートシンクに接触している。

図３では、ケーシング２５３に保持される、反射型空間光変調器、たとえば、ＤＭＤ光変調器２１１を含むパッケージ２１０が示される。ケーシング２５３は、透明な窓、たとえば、ガラス窓２５２によってその前側２１３で閉じられる。パッケージ２１０の後側２１２（図３では見えないが、図４には示される）では、第２の熱輸送手段２２０が設けられ、熱伝導性、たとえば金属のスタッド２２１を含み、これは熱インターフェイス材料２２６を介して空間光変調器２１１の後側に結合され、このインターフェイス材料２２６は熱伝導性であり、電気的に絶縁性であり得る。スタッド２２１は冷却装置、たとえば、ペルチェ素子２２２の冷たい側２２３に接続される。ペルチェ素子の暖かい側２２４は、熱放散手段２２５、この場合は液体冷却されたヒートシンクと接触させられる。

図４は、画像変調システム２００の前側で、反射型空間光変調装置２００の第１の熱輸送手段２３０の前側と、とりわけプリズムを含む光学系２９１との間に封止２７０がどのように設けられるかを詳しく示す。第２の熱輸送手段２２０の要素は、下にある要素をわかりにくくしないために図４には示されないが、これらの部品は図３に示されるように、パッケージ２１０の後側２１２に結合されることは明らかである。

この発明の装置に対して、好ましい実施例、具体的な構造および構成、ならびに材料をここで論じてきたが、この発明の範囲および精神を離れることなく、さまざまな変更または変形が形および詳細においてなされ得ることが理解されるべきである。たとえば、この発明の主題としての反射型空間光変調装置を含む画像変調システムは、１つの反射型空間光変調装置を含む単一チップ画像変調システムであり得る。

図６は、ＳＬＭ２１１および第１の熱輸送手段２３０を含む、単一チップシステムの場合を示す。図示の場合、第１の熱輸送手段は、高熱伝導性材料から作られた硬質の熱伝導性フレーム２３１を含む。この熱伝導性フレーム２３１は、封止されたチャンバ（図６には図示せず）内から、封止されたチャンバから離れた場所へと熱を輸送し、そこで、たとえば、ペルチェ素子２３２および熱放散手段２３５によって熱交換が行なわれ得る。

代替の実施例では、この発明の主題としての反射型空間光変調装置を含む光学系は、２つの反射型空間光変調システムを含むデュアルチップシステムであってもよい。これは、たとえば、第１の、たとえば、左目に画像を提供するための１つのＳＬＭ、および第２の、たとえば、右目に画像を提供するための第２のＳＬＭを備え、かつ画像の各々の色の局面を時間的に連続して提供するためのカラーホイールを設けられたフィールドシーケンシャル立体投射システムに特に当てはまり得る。

さらに別の実施例では、この発明の主題としての反射型空間光変調装置を含む光学系は、協働して画像を作成する３つの反射型空間光変調ハウジングを含むカラーまたは３チップ画像変調システムであってもよい。２チップまたは３チップ画像変調システムの場合、各パッケージについて１つの、熱輸送手段の２つまたは３つの対を通る熱流を制御するための制御手段は、１つの同じ制御ユニットであってもよく、またはシステムは２つまたは３つの別々に機能する制御手段を含んでもよい。この発明の特定の実施例では、２つ以上の空間光変調器が存在する場合、空間光変調器の各々には前および後のための冷却システムが設けられてもよく、各々の個々の空間光変調器のための前後に対する冷却システムは、互いから独立して動作し、１つの空間光変調器の前後に対する冷却システムは、別の空間光変調器の前後に対する冷却システムからさらに独立して動作する。

この発明の実施例の主題としての反射型空間光変調装置を含む光学系の概略図である。 この発明の実施例による反射型空間光変調装置の第１の熱輸送手段およびパッケージの要素の概略図である。 この発明の実施例による、図２の反射型空間光変調装置の第２の熱輸送手段およびパッケージの要素の概略図である。 図２の反射型空間光変調装置の第１の熱輸送手段のみが取付けられる光エンジンまたは画像変調システムの一部の図である。 この発明の実施例による３つの反射型空間光変調装置を含む光学系を設けられた投射装置の主要部分の概略図である。 この発明の実施例による単一チップ構成の第１の熱輸送手段の概略図である。

符号の説明

１００ 光学系、１１０ パッケージ、１１１ 空間光変調装置、１１２ パッケージ後側、１１３ パッケージ前側。

Claims (8)

1. 少なくとも１つのパッケージ空間光変調器を含む光学系であって、
   入射光に面するための前側、および後側と、
   前記少なくとも１つの空間光変調器の前側に熱結合される第１の熱輸送手段と、
   前記少なくとも１つのパッケージ空間光変調器の後側に熱結合される第２の熱輸送手段と、
   前記第１の熱輸送手段の熱流を制御するための第１の電気的な能動冷却装置と、
   前記第２の熱輸送手段の熱流を制御するための第２の電気的な能動冷却装置と、
   前記第１と第２の電気的な能動冷却装置を制御するための電気的制御手段とを含み、
   前記電気的制御手段は第１の電気的制御入力を前記第１の電気的な能動冷却装置に与え、前記第１の電気的制御入力から独立の第２の電気的制御入力を前記第２の電気的な能動冷却装置に与え、これによって前記第１の電気的な能動冷却装置による熱流の制御と前記第２の電気的な能動冷却装置による熱流の制御とが互いに独立している、光学系。
2. 前記第１の熱輸送手段は、前記パッケージ空間光変調器の前側にその縁に沿って接触する熱伝導性フレームを含む、請求項１に記載の光学系。
3. 前記第１および第２の熱輸送手段は、前記パッケージ空間光変調器によって互いに熱的に分離される、請求項１または２に記載の光学系。
4. 前記第１の熱輸送手段は、前記熱伝導性フレームと前記第１の電気的な能動冷却装置との間に熱結合される少なくとも１つの熱パイプをさらに含む、請求項２または請求項２に従属する請求項３に記載の光学系。
5. 前記熱伝導性フレームは、金属などの高熱伝導性材料から設けられる、請求項２、請求項２に従属する請求項３、または請求項４のいずれか１項に記載の光学系。
6. 前記熱伝導性フレームは、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、および熱伝導性セラミックからなる群からの材料から設けられる、請求項２、請求項２に従属する請求項３、請求項４、または請求項５のいずれか１項に記載の光学系。
7. 少なくとも２つのパッケージ空間光変調器を含み、前記第１の熱輸送手段および前記第２の熱輸送手段のうちの少なくとも１つの熱流を制御するための前記電気的制御手段は、前記第１または第２の熱輸送手段のうちの１つを、前記第１または第２の熱輸送手段のうちの他方から独立して制御するように適合される、請求項１から６のいずれか１項に記載の光学系。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の光学系を含む投射装置。