JP5327658B2 - 投射型表示装置及びその利用 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの光源及び規則的に配置された複数の光チャネルを備える投射型表示装置に関する。

光チャネルは、１つのオブジェクト構造が結像し、また、少なくとも１つの投影レンズが割り当てられる少なくとも１つの対物レンズを含む。割り当てられたオブジェクト構造から投影レンズまでの距離は、投影レンズの焦点距離に対応する。一方、割り当てられた対物レンズから結像されるべきオブジェクト構造までの距離は、割り当てられた投影レンズによってケーラー照明を構成できるような距離に設定される。個々の投影が、重ね合わされて、像全体を構成する。

静止画及び動画コンテンツのスクリーンへの投影は、ダイアスコープ、１つの結像チャネル又は色を混合するための３つの結像光チャネルを有する投影型表示装置、若しくはレーザースキャナを使用して、行うことができる。実際の使用にあたっては、小型化が求められているが、携帯型画像生成システムでは、投影された画像の輝度が低くなってしまう。

このようなシステムの使用が想定されるアプリケーションとしては、携帯電話、娯楽用電子機器、家庭用及び車載用データ可視化などが考えられる。

この問題を解決するアプローチが、米国特許出願公開第２００６／０２８５０７８号明細書、「カラー順次ＬＥＤ照明ピコプロジェクタ」に記載されている。しかしながら、プロジェクタの小型化は、限定的であり、これは、小さな面を使用することによって伝送可能な光束が限られてしまうからである。エテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）保存の光学法則によって、相互関係が決定される。

エテンデュー又は光源の導光値は、
Ｅ＝４πｎ^２Ａｓｉｎ^２θ
で表される。ここで、Ａは発光面の面積、θは発散角の半分の角度である。また、ｎは屈折率であり、理想的な光学画像の場合は定数である。

現在のレンズ系は、エテンデューを増加させる、又はシステムの伝送を低減している。投射光学システム内を伝送可能な最小の光束を実現するため、オブジェクト面は、最低限必要とされる大きさである必要がある。１チャネルの投影システムの場合、光学法則（自然に生じるレンズの口径食、イメージング欠陥等）により、オブジェクト面が結像される範囲内において、システムの構造上の長さも増加してしまい、小型化が難しい一因となっている。本明細書に開示されるアレイプロジェクタの新規なアプローチによって、投影輝度とシステムの構造的な長さとの間の依存関係を解決する。

走査型レーザープロジェクタは、プロジェクタシステムの根本的な小型化を実現する代替概念を提示する。これは、電力変調レーザービームを、画像面上を走査させることにより、画像コンテンツが生成するものである（米国特許出願公開第２００８／０２６５１４８号明細書）。特に、シングルモードレーザーで利用可能な電力が低いこと、又は変調容量が制限されていることから、このアプローチで達成可能な輝度は限られてしまっている。投影される画像におけるスペックル構造によって、達成可能な解像度は制限されてしまい、この点についても問題となっている。

上述のような問題を鑑みて、本発明は、構造的な高さが小さく、且つ画像の輝度が高い投射型表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、請求項１に記載する特徴を有する投射型表示装置によって達成される。また、その他の独立請求項により、発明の有効な点が明らかとなる。

本発明によれば、少なくとも１つの光源と、規則的に配置された複数の光チャネルとを備える投射型表示装置を提供する。複数の光チャネルは、それぞれに１つのオブジェクト構造が結像される少なくとも１つの対物レンズ、及び少なくとも１つの対物レンズに割り当てられる少なくとも１つの投影レンズを含む。割り当てられたオブジェクト構造から投影レンズまでの距離は、およそ投影レンズの焦点距離に対応し、割り当てられた対物レンズから結像されるべきオブジェクト構造までの距離は、割り当てられた投影レンズによってケーラー照明を構成できるような距離に設定される。個々の投影を重ね合わせることにより、実画像又は虚像の画像の全体が、スクリーン上に生成される。

好ましくは、複数の光チャネルの規則的な配置は、照明のテレセントリック性を補償するために、共通の対物レンズを含む。また、好ましくは、複数の光チャネルが、当該光チャネルに適応した複数の光学素子有し、特に、対物レンズ間の非アクティブ領域を隠すように集光器を有するのが望ましい。

オブジェクト構造は、好ましくは、歪みを修正するべく、複数のチャネルに対して、プリディストーション（ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を有する。

また、軸から離れて位置する複数の投影レンズは、これらのチャネルの画像までの距離が大きくなることから、焦点が合わなくなってしまうのを修正するために、より大きな焦点距離を有するのが望ましい。

同様に、軸から離れて位置する複数の投影レンズは、対応する複数の光チャネルにおける非点収差を修正すべく、接線方向及び矢状方向の焦点距離が設定された、例えば、楕円レンズのようなアナモルフィックレンズとして設計されていてもよい。

好ましい実施形態では、投射型表示装置の少なくとも１つの光チャネルは、光収差を修正するための少なくとも２つの投影レンズを有する。特に、全ての光チャネルについて、同様な構成が適用されていることが望ましい。

また、複数の光チャネルの少なくとも一部が、望ましくは、リソグラフィーによって形成されたオブジェクトマスクの形で、複数の対物レンズの下に埋め込まれるオブジェクト構造を有する。

また、オブジェクト構造は、少なくとも部分的に、曲面上に配置することができる。特に、オブジェクト構造は、湾曲対物レンズの表面上に配置されるのが望ましい。このような配置により、視野像を水平にすることができる。

また、投射型表示装置は、好ましくは、０．５から１０ｍｍの範囲の構造的な長さを有する。また、好ましい実施形態では、複数の投影レンズは、オブジェクト構造に対する平均距離（ピッチ）が短縮されており、その結果、外側に配置されている光チャネルの光軸は、傾いている。

レンズとしては、好ましくは、楕円レンズ又はアナモルフィックレンズが使用され、それにより、外側に位置する光チャネルの焦点のずれ及び非点収差を修正することができる。同様にして、個々のレンズの構成を、その他のパラメータについて異ならせてもよい。

投射型表示装置を、３つのセグメントに分割して、分割したそれぞれを１つの原色部分に割り当てて、フルカラーの投影を可能としてもよい。

また、オブジェクト構造は、デジタル画像装置によって生成されることが望ましい。特に、この用途においては、ＬＣＤ又はＯＬＥＤディスプレイが適している。

本発明に係る主題は、添付の図面を参照して詳細に説明されるが、本発明に係る主題は、本明細書に記載される特定の実施形態に限定されることを意図しない。

本発明の第１実施形態に係る投射型表示装置を示している。 本発明の第１実施形態に係る投射型表示装置を示している。 本発明に係る投射型表示装置の断面図である。 更なる巨視的な対物レンズを備える本発明に係る投射型表示装置を示した断面図である。 集光器と組み合わせた本発明に係る投射型表示装置を示した断面図である。 本発明に係る投射型表示装置の投影像を分割した様子を概略的に示している。 本発明に係る投射型表示装置の投影像を分割した様子を概略的に示している。 本発明に係る投射型表示装置を使用してフルカラーの投影を行った場合の生成画像を概略的に示した図である。 本発明に係る投射型表示装置を使用してフルカラーの投影を行った場合の生成画像を概略的に示した図である。 ＬＣＤディスプレイを組み合わせた場合の本発明に係る投射型表示装置を示した断面図である。 ＯＬＥＤディスプレイを組み合わせた場合の本発明に係る投射型表示装置を示した断面図である。

超薄型アレイ投射型表示装置は、非常に薄型であり且つ高輝度の投影システムを提供する新たな光学コンセプトであり、一例として、実施形態を参照して、以下に説明する（図１及び図２）。提案された構成では、規則的に配置され、同一の構造をそれぞれ結像させる複数の対物レンズと、複数の投影レンズとを含む。光源（１）は、対物レンズアレイ（２）を照明し、対物レンズアレイは、複数のイメージング構造（３）に隣接して設けられている。投影されるべきオブジェクトはそれぞれ、投影レンズアレイ（４）に配置された複数のレンズの焦点距離に位置している。オブジェクトからの投影レンズの距離と比較して、対物レンズは、対応するオブジェクトにより近接して配置されており、投影レンズのケーラー照明を確実にしている。投影レンズアレイは、複数の個々の像を全て重ね合わせることにより、スクリーン（５）に画像を映し出す。

複数チャネル構造において、投影レンズとして複数のマイクロレンズを規則正しく配置することにより、同じ画像輝度を有する従来の１チャネルのプロジェクタと比較して、システム全体の構造的な長さを大幅に縮めることが可能である。投影システムの構造的な長さの短縮を、数ミリメートルという非常に小さなレンズの焦点距離によって実現すると同時に、オブジェクト面の掛け合わせに比例して、画像輝度を増加させている。したがって、１チャネルのプロジェクタと比較すると、横方向には幅が広がることになるが、構造的な長さが最小となるシステムが得られる。

イメージング構造に対する複数の投影レンズの平均距離が、僅かに小さくなることにより、オブジェクトそれぞれのオフセット、及びアレイ中心から外側に離れるに従って増加する投影レンズのオフセットが生成される。結果、中心に位置するチャネルの光軸に対して、外側に位置する投影要素の光軸が僅かに傾き、有限の距離Ｄのスクリーン上に、各々の実像の画像が重ね合わせられるようにしている。このプロジェクタは、更なる巨視的な光学素子を必要としない。アレイ投射型表示装置の投影距離Ｄは、投影レンズの焦点距離ｆ、投影レンズシステムの平均距離ｐ_ＰＬ及び画像の平均距離ｐ_ＢＬから計算することができる（図３）。アレイ投射型表示装置の拡大率は、投影レンズの焦点距離ｆに対する投影距離Ｄの比となり、以下の式で表される。

構成は、積分写真のためのシステムのイメージング部分と似ているが、機能及び配置において、異なる構成が存在する。積分写真の場合は、３次元の画像コンテンツの仮想画像が、透過光（投影光ではない）で生成されるが、超薄型アレイ投射型表示装置の場合は、２次元の投影画像がスクリーン上に形成される。積分イメージングシステムにおけるイメージング構造のコンテンツは、連続的に互いに異なる方向に向けられており、それにより、レンズアレイを介して空間的印象を生成している。一方、本発明の場合は、同一のオブジェクトが投影される。

ケーラー照明を伴う投影レンズの投影画像を重ね合わせることにより、システムは、投影像及び光源の均質化を達成しているが、従来の１チャネルの投射型システムの場合は、付加的な手段を必要とする。

光源の最大の開口角は、対物レンズの受光角を上回るべきではなく、投影レンズの射出瞳が完全に照明されるので、上回ってしまうと、実像に隣接する画像に干渉が生じ得る。照明としては、例えば、適応した結合構造を有する透過型表示装置のリア照明（米国特許出願公開第２００８／０３１０１６０号明細書）と同様な非常に平坦なユニットを用いてもよい。プロジェクタアレイの外側に位置する投影要素はそれぞれ、中央に位置する投影チャネルと比較した場合に、ソースのテレセントリック放射特性によって受光角が制限される。更なる巨視的な対物レンズ、例えば、薄型のフレネルレンズ（６）を用いて、このテレセントリック性の効果を取り除いてもよく、これにより、投影画像全体の輝度を上げることができる（図４）。好適な導光要素、例えば、集光器（７）を、対物レンズアレイの一部として設けることにより、対物レンズ間の死角を隠すことができ、充足率を大幅に向上させることができる（図５）。

アレイ上で連続的に可変なパラメータ（例えば、アレイ上で複数の投影レンズに異なる焦点距離を設定可能、又は楕円レンズを形成することにより接線方向及び矢状方向に異なる焦点距離を設定可能）を有するレンズアレイを使用することにより、外側に位置する投影レンズの焦点のずれ及び非点収差を修正することができる。チャネルそれぞれの歪み、及びイメージングチャネル全ての重ね合わせの歪み両方の効果を抑制するために、チャネル各々に対して、イメージング構造にプリディストーション（予め設定された歪み）を付与することも可能である。

焦点距離の短いマイクロレンズの使用は、伝送可能な情報に制限を伴う。表示可能な画像解像度は、光収差の重ね合わせ及び回折効果によって制限を受ける。投影画像をセグメント化し、規定された視野領域を、アレイ投射表示装置内の制約された配列で、個々の投射要素（８−１１）のグループに割り当てることにより、送信される情報を全体として増加させることが可能である（図６／図７）。

３つのアレイの投影ディスプレイを混合することにより、フルカラーでの投影が可能であり、３つのアレイの各々が、同一のオブジェクト構造（１２−１４）の形態で、投影すべき画像の原色部分を表現する（図８／図９）。この手法は、ミクロン単位のＲＧＢのサブピクセルを有するカラー構造と比較して、技術的により単純であるという点で区別され、数１００μｍの領域のチャネルそれぞれに、十分大きなカラーフィルター構造（１５−１７）が割り当てられる。通常のカラー順次ピコプロジェクタ（上述参照）と比較して、運動面に投射を行う場合に発生する色の干渉効果が生じない。さらに、従来の１チャネルの投影システムが複数の色消しレンズを使用した複数の投影レンズを有する場合と比較して、チャネルについての色不良の修正を行える可能性が存在し、これにより、投影レンズシステムを大幅に簡素化できると考えられる。

可変ピッチで配置された同一画像のアレイを画像コンテンツとして表示するデジタル画像装置によって、オブジェクト構造が生成される場合、投射型表示装置は、動画像コンテンツを表示可能となる。画像装置における個々の画像の電子的オフセットにより、機械的な構成要素を使用することなく投影距離を制御することができる（上記の投影距離Ｄの式を参照）。スクリーンからの距離の測定を組み合わせることによって、投影距離を、制御回路内で電子的に追跡することができる。

画像装置は、例えば、透過型ＬＣＤディスプレイであってもよい（図１０）。モノリシック構造では、複数の対物レンズ（２）は、アクティブＬＥＤ面（１９）の薄いカバーガラス（１８）上に直接形成される。ＬＣＤのガラス基板（２０）は、投影レンズアレイ（４）の基板を兼ねることができる。カラーフィルターは、対物レンズ又は投影レンズの下に埋め込んでもよいし、後に外側から貼り付けてもよい。自発光のＯＬＥＤディスプレイ（図１１）を使用した実施形態では、タンデム（直列）レンズアレイが採用されており、対物レンズは、光路中のイメージング構造の直後に配置される。白色発光のＯＬＥＤの場合には、カラーディスプレイを同様にアレイ中に埋め込んでもよく、又は、カラーフィルターをアレイに適用して外側でカラー画像を生成してもよい。複数のＯＬＥＤの集合体を配置し、それぞれが、単色の赤、緑及び青を発光し、色毎に１つの投影レンズシステムを割り当てることによって、より有用な実施形態を構成することができる。この場合、カラーシステムは必要なく、したがって、より高いシステム透過率を達成できる。反射型のディスプレイを使用した実施形態も、同様に考えられる。

Claims (19)

1. 少なくとも１つの光源と、規則的に配置された複数の光チャネルとを有する投射型表示装置であって、
   それぞれに１つのオブジェクト構造が結像される少なくとも１つの対物レンズと、
   前記少なくとも１つの対物レンズにそれぞれ割り当てられる少なくとも１つの投影レンズと
   を備え、
   前記割り当てられたオブジェクト構造から、前記投影レンズまでの距離は、前記投影レンズの焦点距離に対応し、
   前記割り当てられた対物レンズから、結像されるべき同一の前記オブジェクト構造までの距離は、前記割り当てられた投影レンズによってケーラー照明を構成できるように選択され、
   個々の投影を重ね合わせて、実画像又は虚像の全体画像を、スクリーン上に生成する投射型表示装置。
2. 前記複数の光チャネルの規則的な配置は、照明のテレセントリック性を補償するべく、共通の対物レンズをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記複数の光チャネルが、前記複数の光チャネルに適応した複数の光学素子有することを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型表示装置。
4. 前記複数の光チャネルが、前記対物レンズ間の非アクティブ領域を隠すための複数の集光器を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
5. 前記オブジェクト構造は、歪みを修正するべく、前記複数の光チャネルに対して、プリディストーションを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
6. 軸から離れた場所に位置する前記投影レンズは、対応する前記光チャネルの画像までの距離が大きくなることに起因する焦点のずれを修正するべく、より大きな焦点距離を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
7. 軸から離れた場所に位置する前記投影レンズは、対応する前記光チャネルにおける非点収差を修正すべく、接線方向及び矢状方向の焦点距離が設定された、例えば、楕円レンズのようなアナモルフィックレンズとして設計されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
8. 前記複数の光チャネルのうち少なくとも１つは、光収差を修正する少なくとも２つの投影レンズを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
9. 前記複数の光チャネルの少なくとも一部が、リソグラフィーによって形成されたオブジェクトマスクの形で、前記対物レンズの下に埋め込まれるオブジェクト構造を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
10. 前記オブジェクト構造は、画像フィールドを水平にするために、少なくとも部分的に曲面上に配置されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
11. 前記オブジェクト構造は、画像フィールドを水平にするために、前記対物レンズの表面に配置されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
12. 前記投射型表示装置は、０．５から１０ｍｍの範囲の構造的な長さを有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
13. 複数の前記投影レンズの、前記オブジェクト構造に対する平均距離が短縮されており、その結果、外側に配置されている前記複数の光チャネルの光軸が傾いていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
14. 前記投射型表示装置が３つのセグメントに分割され、前記分割されたセグメントそれぞれを１つの原色部分に割り当てることにより、フルカラー投影を可能とすることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
15. 対応する原色にそれぞれ割り当てられるレンズの数及びオブジェクト構造の数が、ソースのスペクトル特性、又はソース及びカラーフィルタのスペクトル特性を補償するようなホワイトバランスを実現するように選択されると同時に、最大の画像輝度を実現するように、前記オブジェクト構造が選択されることを特徴とする請求項１４に記載の投射型表示装置。
16. 前記オブジェクト構造は、デジタル画像装置によって生成されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
17. 前記オブジェクト構造は、ＬＣＤディスプレイ又はＯＬＥＤディスプレイによって生成されることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
18. 前記投射型表示装置は、個々の画像の電子的オフセットのためのユニットを備え、前記ユニットにより投影距離を制御することを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
19. 前記投射型表示装置は、前記スクリーンからの距離を測定するためのユニットを備え、前記電子的オフセットのためのユニットと組み合わせることにより、前記投影距離の電子的追跡を可能とすることを特徴とする請求項１８に記載の投射型表示装置。

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