JP5350610B2 - 投影器のための光学システム及び対応する投影器 - Google Patents

Description

本発明は、画像投影の分野に関する。

更に詳しくは、本発明は、前面投影型の映像投影器又は背面投影器におけるイメージング用照明に関する。

図１に示す従来技術にしたがって、イメージャ１１を照明する照明システム１０が用いられる。

従来、照明システム１０は：
− 楕円リフレクタを有する照明源１００と、
− カラーホイール１０７と、
− 矩形ガイド１０２と、
− 複数のリレーレンズ１０４乃至１０５のシステムと
を有する。

照明源１００は、光ビーム１０１により、その照明源１００の楕円リフレクタの焦点において、矩形ガイド１０２の入口に置かれたカラーホイール１０７を照明する。矩形ガイド１０２は、照明ビームの円形断面を矩形断面に変えるために及びビームを空間的に均一にするために用いられる。

矩形ガイド１０２の出口は、リレーレンズのシステムを介してイメージャ１１においてイメージングされ、レンズの最小数は２つであるが、しばしば、３つ又は４つのレンズを有し、照明は、更に好適にテレセントリックである。

イメージャ１１はＤＭＤ型（Ｔｅｘａ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（登録商標）製のデジタルマイクロミラーデバイス）である場合、照明ビーム及びイメージングビームを分割するように、ＴＩＲプリズム１２は照明システム１０とイメージャ１１との間に置かれている。ＴＩＲプリズム１２は、イメージャ１１が透過型ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）である場合には必要なく、イメージャ１１がＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）を有する場合には、ダイクロイックＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）で置き換えられる。そのようなシステムには、制限された輝度である短所がある。

高輝度を与えるように、投影器は３つのイメージャを用い、各々のイメージャは１つの色に関連している。しかしながら、そのようなシステムは比較的高価である。
欧州特許第１１００２５９Ａ２号明細書 欧州特許第０３７２９０５Ａ２号明細書 仏国特許第２８７２９２４Ａ号明細書 欧州特許第１０９８５３７Ａ２号明細書 米国特許出願公開第２００４／１８４００５Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００４／０９０６０１Ａ１号明細書 国際公開第０１／１０１３７Ａ号パンフレット 国際公開第０１／３７５７６Ａ号パンフレット

本発明の目的は、それらの従来技術の短所を軽減することである。

特に、本発明の目的は、強力なイメージングフラックスを与える一方、比較的安価のまま維持することである。

このために、本発明は、投影器のための光学システムであって、
− ソース照明ビームを生成するために適する少なくとも１つの照明源、
− 第１方向に沿って直線偏光された第１照明ビーム及び第１方向に対して垂直方向に偏光された第２照明ビームにソース照明ビームを分割するための少なくとも第１偏光ビームスプリッタ、
− 第１及び第２偏光照明ビームを２つの異なる領域に入射させ、第１方向に沿って直線偏光された第１色ビーム及び第１方向に対して垂直方向に偏光された第２色ビームを生成する少なくとも１つのカラーホイール、
− 第１方向に沿って直線偏光された第１色ビームにより照明され、第１イメージングビームを生成する第１イメージャ、並びに
− 第１方向に対して垂直方向に偏光された第２色ビームにより照明され、第２イメージングビームを生成する第２イメージャ、
を有する光学システムを提供する。

それ故、入射ビームの２つの偏光が用いられ、したがって、光学照明／イメージングシステムにおける構成要素の数を最少化することができる。

有利であることに、そのシステムは、第３イメージングビームを生成するように、第１イメージングビームを第２イメージングビームと結合させるために適切である少なくとも第２偏光ビームスプリッタを有する。

有利な特徴にしたがって、２つの別個の領域は、各々の瞬間に、異なる色の色セグメントと関連付けられる。

１つの特定の特徴にしたがって、それらの２つの別個の領域は、各々の瞬間に、補色の色セグメントと関連付けられる。

他の特徴にしたがって、それら２つの領域の一が緑色の色セグメントと関連付けられる瞬間に、他の領域は、赤色の色セグメントに関連付けられ、そして、それら２つの領域の一が黄色の色セグメントと関連付けられる瞬間に、他の領域は、青色の色セグメントに関連付けられる。

複数の実施形態にしたがって、第１及び第２画像は、ＬＣＯＳ型又は透過型ＬＣＤである。

複数の実施形態にしたがって、第１偏光ビームスプリッタは、グレーティング偏光子型又はダイクロイック型のである。

本発明はまた、上記のように本発明にしたがった光学システムを有する投影器に関する。

本発明については、以下、添付図を参照して説明する詳細説明を読むことにより、更に明確に理解され、他の特定の特徴及び有利点について明確になるであろう。

図２は、本発明の第１実施形態にしたがった背面投影器２の概略図である。

その投影器２は、
− 照明システム２０、
− システム２０により生成されたイメージングビーム２６を受け入れ、ビーム２５を生成する対物レンズ２１、
− ビーム２５により照明される背面投影スクリーン２４、並びに
− ビーム２５を折り返し、投影器２の深さＰを減少させることを可能にする２つの折り返しミラー２２及び２３、
を有する。

対物レンズ２１、ミラー２２及び２３並びにスクリーン２４は、それらの配置と共に、当業者に知られているため、それらについての詳細説明は省略する。

図３は、ＬＣＯＳ型のイメージャ（又は、マイクロディスプレイともいう）を有するイメージングシステム２０であって、
− 照明ビーム３０１を生成するリフレクタを有する投影ランプ３００、
− 照明ビーム３０１の焦点距離を増加させるためのレンズ又はレンズシステム３２０、
− スプリッタ３２１を通過する、図３の面における第１方向（ビームの伝播方向に対して垂直方向即ち、第１方向は図３において矢印により象徴的に示されている）に沿った水平偏光（即ち、直線偏光）の第１ビーム３２６と、スプリッタ３２１により反射され、垂直偏光（即ち、第１方向に対して垂直方向の直線偏光、即ち、円の内側の点で象徴的に示されている方向）の第２ビームとに分割する偏光ビームスプリッタ３２１（例えば、（Ｍｏｘｔｅｋ（登録商標）型）であって、そのスプリッタはビーム３０１の軸に対して傾けられている、偏光ビームスプリッタ３２１、
− ２つの別個の領域において照明ビーム３２６とビーム３２７とを切るカラーホイール３０７、
− カラーホイール３０７の背後に又は近くに位置付けられた第１矩形ガイド３０２であって、前記ガイドは、ビームの円形断面を矩形断面に変え、そのビームを空間的に均一にするために用いられる、第１矩形ガイド３０２、
− 第１焦点（又は、点）３０７０においてガイド３０２の入口にビーム３２６をフォーカシングするためのレンズ又はレンズシステム３２２，
− カラーホイール３０７の背後に位置付けられ、ビーム３２７の円形断面を矩形断面に変え、そのビームを空間的に均一にするために用いられる、第２矩形ガイド３１２、
− ミラー３２４のどちらか側に位置付けられたレンズ（又はレンズシステム）３２３及び３２５であって、ビーム３２６の軸に対して平行な方向にビーム３２７を反射し、レンズ３２３及び３２５は第１焦点３０７０から離れた第２点（又は、点）３０７１においてガイド３１２の入口にビーム３２７をフォーカシングすることを可能にする、レンズ（又はレンズシステム）３２３及び３２５、
− ガイド３０２の出口を第１イメージャ３０９にイメージングする、幾つかのリレーレンズ３０４乃至３０６の第１システム、
− ビーム３２６の軸に対して４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３０８であって、その偏光ビームスプリッタをビーム３２６が通過し、スプリッタ３０８は水平偏光を透過させ、垂直偏光を反射させる、偏光ビームスプリッタ３０８、
− 水平偏光された照明ビーム３２６により照明され、垂直偏光された第１イメージングビーム３４０をスプリッタ３０８に反射させる第１ＬＣＯＳイメージャ３０９、
− ガイド３１２の出口を第２イメージャ３１９にイメージングする、幾つかのリレーレンズ３１４乃至３１６のシステム、
− ビーム３２７の軸に対して４５°に傾けられ、ビーム３２７を反射する偏光ビームスプリッタ３１８であって、スプリッタ３１８は水平偏光を透過させ、垂直偏光を反射させる、偏光ビームスプリッタ３１８、並びに
− 垂直偏光された照明ビーム３２７により照明され、水平偏光された第２イメージングビーム３４１をスプリッタ３１８に反射させる第２ＬＣＯＳイメージャ３１９、
を有する、ＬＣＯＳ型のイメージャを示している。

好適には、それぞれのガイド３０２及び３１２の入口と対物レンズ２１の入口との間のビームが向かう光路は同じである（換言すれば、それぞれのイメージャ３０９及び３１９からスプリッタ３１８までの距離ｄは等しい）。

有利であることに、ソース３００並びにレンズ３２０及び３２６を有する光学アセンブリは、点３０７０に、ガイド３０２の入口におけるカラーホイール３０７の近くにビーム３２６がフォーカシングされるようにする。それ故、ソース２００におけるランプの位置、リフレクタの形状（例えば、放物線又は楕円形状、ランプは焦点に位置付けられている）並びにレンズ３２０及び３２６の形状及び位置は、点３０７０にビームをフォーカシングするように適合される。

有利であることに、ソース３００と、スプリッタ３２１と、ミラー３２４とレンズ３２０、３２３及び３２５とを有する光学アセンブリは、点３０７１に、ガイド３１２の入口におけるカラーホイール３０７の近くにビーム３２７がフォーカシングされるようにする。それ故、ソース３００におけるランプの位置、リフレクタの形状、スプリッタ３２１及びミラー３２４の位置及び方向、並びにレンズ３２０、３２３及び３２５の形状及び位置は、点３０７１にビームをフォーカシングするように適合される。

ビーム３４０の偏光は垂直である（水平偏光ビーム３２６の偏光における変化の後）ため、その偏光はスプリッタ３０８により反射される。

ビーム３４１の偏光は水平である（垂直偏光ビーム３２７の偏光における変化の後）ため、その偏光はスプリッタ３１８により、次いで、ビームの経路中にまた、置かれているスプリッタ３０８により透過される。

それら２つのビーム３４０及び３４１は、その場合、単一のイメージングビーム３４を形成するように結合する。

カラーホイール３０７は、幾つかの色セグメント（例えば、３、４、５又は６）を有する。好適には、焦点３０７０及び３０７１は、光学要素３２１乃至３２５、３０２、３１２、３０４乃至３０６及び３１４乃至３１６の容易な機械的位置決めを可能にするように十分遠く離れている。有利であることに、２つの焦点は、ビーム３２６及び３２７が異なる色のセグメントに属する２つの領域でホイールを切るようになっている。それらの２つの領域は、例えば、ホイール３０７の回転軸３０７２に対して対向している。変形にしたがって、それら２つの領域は、ホイール３０７の半径に沿った軸３０７２から同じ距離に位置付けられ、それらの間の角度は１２０°になっている。それ故、ビーム３４０及び３４１は、所定の瞬間に異なる色を有する。このように、“虹効果”又は“色割れ”が抑えられる又は低減される。例えば、赤色、緑色及び青色に着色された３つのセグメントを有するカラーホイール３０７の一実施形態においては、ビーム３４１が緑色又は青色（若しくは、緑色又は赤色、赤色又は青色）であるとき、ビーム３４０は赤色（若しくは、青色、緑色）である。

本発明の有利な変形においては、カラーホイール３０７は赤色、緑色、青色、シアン色、マゼンタ色及び黄色のそれぞれの色の６つのセグメントを有する。色割れの低減又は侵害対抗システムの実施を可能にする特定の一実施形態にしたがって、何れの瞬間において、ビーム３２６及び３２７は補色のセグメントにおいてホイールを切る。赤色（又は、青色、緑色）は、シアン色（又は、黄色、マゼンタ色）と補色関係にある。侵害対抗システムについては、“Ｔｏ ｃｏｍｂａｔ ｔｈｅ ｃｏｐｙｉｎｇｏｆ ｉｍａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ”と題された国際公開第０５／０２７５２９号パンフレットに記載されている。例えば、映画館でカメラを使用して、画像の表示中にそれらの画像を撮影することにより画像をコピーすることに対抗するために、複数の画像が連続して表示され、そして、少なくとも１つの画素において、表示される画像の色がソース画像における色と異なり、結果として得られる表示画像の色はソース画像の色である、少なくとも１つのソース画像に基づく画像表示方法が採用される。それ故、本発明は、異なる色の幾つかのビームが重ね合わされるようにするため、侵害対抗システムを実施する自由度及び有効なパラメータの数を増加させる。

また、色割れが低減されるようにする他の特定の実施形態にしたがって、カラーホイール３０７は、赤色、緑色、青色及び黄色のそれぞれの少なくとも４つのセグメントを有する。この実施形態においては、各々の瞬間に、ビーム３２６及び３２７は、人間認知及び可視システムに関して対抗する色を有するセグメントにおけるホイールを切る。赤色（又は、青色）は緑色（又は、黄色）に対向している。

本発明の代替の実施形態にしたがって、１つ、２つ又は３つのグレーティングスプリッタ３２１、３０８及び３１８が、他の種類のスプリッタ、例えば、偏光スプリッタプレート又はＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）キューブ（水平偏光を置き換えるｐ偏光及び垂直偏光を置き換えるｓ偏光であって、それらの偏光両方は直線偏光である）と置き換えられる。

イメージングシステム２０の要素については、分解図で示されている。そのシステムのコンパクト化を向上させるように、ミラー３２４は、要素３０２、３０４乃至３０６及び３０８が要素３１２、３１４乃至１３６及び３１８に、干渉しないように近づけられるように、スプリッタ３２１に近づけられることが可能である。同様に、イメージャ３１９は、スプリッタ３１８に接することが可能である（又は、それらが、立方体形状のダイクロイックＰＢＳスプリッタである場合、それに取り付けられることが可能である）。

図４は、透過型ＬＣＤのイメージャ４００及び４０２を有するイメージングシステム４の詳細を示している。

そのシステム４は、図２に関して示されている投影器２におけるシステム２０と置き換えることができる。そのシステムは、同じ参照番号が付けられ、更なる説明は加えない共通要素、特に、ソース３００、レンズ３２０、３２２、３２３、３２５、３０４乃至３０６及び３１４乃至３１６、ミラー３２４、ホイール３０７並びにガイド３０２乃至３１２を有する。

ビームの伝播方向に対して垂直方向の、図４の面における第１方向に沿ってｐ偏光（即ち、直線偏光）される及びレンズ３０４乃至３０６によりコリメートされるビーム３２６は、ｓ偏光されたイメージングビーム４４０（即ち、図４の面に対して垂直な方向に沿って直線偏光を有する）を生成するＬＣＤイメージャ４００を照明する。

ビーム４４０は、図示されているように、ダイクロイックＰＢＳ型の偏光ビームスプリッタ４０１により反射される。本発明の代替の実施形態にしたがって、スプリッタ４０１は、他の種類のスプリッタ、例えば、偏光スプリッタプレート又はグレーティング偏光子と置き換えられる。

レンズ３１４乃至３１６によりコリメートされたビーム３２７はＬＣＤイメージャ４０２を照明し、そのＬＣＤイメージャはｐ偏光イメージングビーム４４１を生成する。

ビーム４４１は、ビーム４４１の軸に対して４５°に傾けられたミラー４０３により反射され、偏光ビームスプリッタ４０１を透過する。

２つのビーム４４０及び４４１は、その場合、単一イメージングビーム４４を形成するように結合する。

好適には、それぞれのイメージャ４００及び４０２からスプリッタ４０１までの距離は同じである。

勿論。本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

特に、本発明は、他の種類のイメージャ、特に、ＤＭＤ型イメージャに適用することができる。例示として、この場合、図３に示す実施形態においては、スプリッタ３１８は第１ＴＩＲ型ビームスプリッタにより置き換えられることが可能であり、イメージャ３１９は第１ＤＭＤイメージャにより置き換えられることが可能である。レンズ３０６の背後において、要素３０８及び３０９は、第２ＤＭＤイメージャに関連するＴＩＲ型の第２ビームスプリッタを照明するように、垂直方向に沿ってビームを反射するミラーにより置き換えられることが可能である。そのように生成された各々のイメージングビームはＴＩＲスプリッタを透過し、２つの異なるように偏光されたビームは、その場合、単一のイメージングビームを形成するように、偏光ビームスプリッタにおいて再結合される。

更に、矩形ガイドは、非矩形断面を有するガイド、又は更に一般的には、光源を変換する及び／又はビームを均一にするための何れの種類の手段、例えば、自由曲面レンズ（“Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ”と題された、国際公開第２００６／０５８８８５号パンフレットに記載されている）により置き換えられることが可能である。それらの変換及び／又は均一化手段は、照明ビームの円形断面を矩形断面に変換するように及びビームを空間的に均一にするように用いられる。

更に、光ビームをフォーカシングする又はコリメーティングするための光学要素の構成、数及び形状は上記の実施形態に限定されるものではない。実際には、それらの要素は、空間的要求、光学的品質及び特に、ビームのサイズに関連する種々のパラメータにしたがって増減されることが可能である。

ミラー及びビームスプリッタの傾斜角度は、入射ビームに対して４５°又は９０°である必要はない。本発明にしたがって、それらの角度は、照明又はイメージングビームを空間的に分割する、又は、それとは反対に、照明又はイメージングビームを結合することを可能にする他の値を取ることが可能である。

有利であることに、本発明にしたがったシステムは、単一のカラーホイールを採用し、それにより、そのシステムの実施を容易にする。本発明の代替の実施形態にしたがって、２つの同期ホイールが実施されることが可能であり、異なるように偏光されたソースビームの各々はそれらのホイールの一を透過する。

本発明にしたがって、投影に適する何れの種類の光源、特に、ＬＥＤ（発光ダイオード）に基づく光源又は楕円リフレクタを有する光源が用いられることが可能である。

本発明はまた、三次元の投影型のアプリケーションに適用することができる。特に、１つの偏光及び１つの目に関連する画像について、第１イメージャを、他の偏光及び他の目に関連する画像について、第２イメージャを用いて、右のレンズは左のレンズによりフィルタリングされる偏光と異なる偏光をフィルタリングするめがねは、三次元の映像を可能にする（勿論、イメージャはそれらの次元における投影に適する画像を表示することを前提としている）。

本発明は、照明／イメージングシステムばかりでなく、投影器、特に、そのようなシステムを有する背面投影器又は前面投影器に関するものである。

従来の照明システムの模式図である。 本発明の一実施形態にしたがった背面投影器の概略図である。 図２の背面投影器で用いられるイメージングシステムを示す図である。 本発明の代替の実施形態にしたがったイメージングシステムを示す図である。

符号の説明

２ 投影器
４ イメージングシステム
１０ 照明システム
１１ イメージャ
１２ ＴＩＲプリズム
２０ 照明システム
２１ 対物レンズ
２２ 折り返しミラー
２３ 折り返しミラー
２４ 背面投影スクリーン
２５ ビーム
２６ イメージングビーム
４４ 単一イメージングビーム
１００ 照明源
１０１ 光ビーム
１０２ 矩形ガイド
１０４ リレーレンズ
１０５ リレーレンズ
１０６ リレーレンズ
１０７ カラーホイール
３００ ソース
３０１ 照明ビーム
３０２ 第１矩形ガイド
３０４ リレーレンズ
３０５ リレーレンズ
３０６ リレーレンズ
３０７ カラーホイール
３０８ 偏光ビームスプリッタ
３０９ 第１イメージャ
３１２ 第２矩形ガイド
３１８ 偏光ビームスプリッタ
３１９ 第２イメージャ
３２０ レンズ（システム）
３２１ スプリッタ
３２２ レンズ（システム）
３２３ レンズ
３２４ ミラー
３２５ レンズ
３２６ 照明ビーム
３２７ 照明ビーム
３４０ ビーム
３４１ 第２イメージングビーム
４００ イメージャ
４０２ イメージャ
４４０ ビーム
４４１ ビーム
３０７０ 焦点
３０７１ 焦点
３０７２ 回転軸

Claims (7)

1. 投影器のための光学システムであって：
   ソース照明ビームを生成するのに適した１つの照明ソース；
   前記ソース照明ビームを、第１方向に沿って直線偏光された第１照明ビーム及び前記第１方向に対して垂直方向に偏光された第２照明ビームに分割する第１偏光ビームスプリッタ；
   各々の瞬間に補色同士を有する第１カラービーム及び第２カラービームをそれぞれ生成するように、各々の瞬間に補色同士の色セグメントに関連付けられた異なる２つの領域において、偏光された前記第１照明ビーム及び前記第２照明ビームと交差する１つのカラーホイール；
   前記第１方向に沿って直線偏光された前記第１カラービームにより照明され、第１イメージングビームを生成する第１イメージャ；並びに
   前記第１方向に対して垂直偏光された前記第２カラービームにより照明され、第２イメージングビームを生成する第２イメージャ；
   を有する光学システム。
2. 請求項１に記載の光学システムであって、
   前記カラーホイールは、それぞれ赤色、緑色、青色、シアン色、マゼンタ色及び黄色の６個の色セグメントを有し、
   前記２つの領域のうちの一方が赤色の色セグメントに関連付けられる瞬間に、他方の領域はシアン色の色セグメントに関連付けられ、
   前記２つの領域のうちの一方が青色の色セグメントに関連付けられる瞬間に、他方の領域は黄色の色セグメントに関連付けられ、
   前記２つの領域のうちの一方が緑色の色セグメントに関連付けられる瞬間に、他方の領域はマゼンタ色の色セグメントに関連付けられる、
   ことを特徴とする光学システム。
3. 請求項１又は２に記載の光学システムであって、第３イメージングビームを生成するように、前記第１イメージングビームを前記第２イメージングビームと結合するのに適した少なくとも第２偏光ビームスプリッタを有する、ことを特徴とする光学システム。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学システムであって、前記第１イメージャ及び前記第２イメージャはＬＣＯＳ型である、ことを特徴とする光学システム。
5. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学システムであって、前記第１イメージャ及び前記第２イメージャは透過型ＬＣＤ型である、ことを特徴とする光学システム。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学システムであって、前記第１偏光ビームスプリッタはグレーティング偏光子型である、ことを特徴とする光学システム。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学システム及び少なくとも１つの投影対物レンズを有する投影器。

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