JP6170554B2 - 投射器光学素子 - Google Patents

Description

この発明は投射器で用いられる投射器光学素子、そのような光学素子を動作させる方法、そのような光学素子を制御するためのコントローラ、およびこの発明の方法のいずれかの実行のためのソフトウェアに関する。

技術的背景
光源、光学系およびマイクロディスプレイを有し、それによって光学系はスクリーンに像を投影するための投射レンズを含む投射器が公知である。

コントラストは知覚される像の質に強い影響を及ぼす。［３０］、［３１］、［３２］。マイクロディスプレイに基づく投写型ディスプレイでは、複数の要因が投射像のコントラストを決定している。暗状態では、光学系を介して小量の光漏れが常にあり、結果として、有限の輝度レベルを伴う黒レベルを生じさせる。これはさまざまな機構によって引起され得、マイクロディスプレイ技術のタイプ、たとえば制限された消光比、スキュー光線、複屈折、光散乱、回折などに依存する。

黒レベルを低減するためのさまざまな先行方策が提案されてきた。［２６］では、照射光線束における開口および投射レンズの両方を伴う、回折光を遮断する方法が提案された。投射器の効率の低減は、照射および投射器開口の最適形状および向きによって最小限にされた。［２８］では、投射レンズのレンズの２つの群間の光路上の非対称の開口紋りが、所望の投射光を遮断せずに散乱光を遮断するように提案された。［２９］では、調整可能な非対称の照射開口および調整可能な非対称の投射開口が、グレースケール分解能を増大するために提案された。［２７］では、像の明るさレベルの関数である制御信号に従って照射経路において光強度を変調する動的な開口が提案された。

黒レベルを低減するための先行方策はすべて、明るい画素の輝度の損失を被る。

発明の概要
この発明は、いくつかの実施の形態において、明るい画素の輝度の低減がないかまたは制限された状態で、黒レベルを大きく低減するための方法、装置およびソフトウェア、つまり手段を与えるという利点を有する。

この発明はたとえば、たとえばＲＧＢレーザまたは蛍光体変換されたレーザに基づくハイコントラストおよびハイダイナミックレンジの投射器と共に用いることが可能である。そのような投射器は、たとえばデジタル映画、ホームシアター、バーチャルリアリティーシステム、トレーニングのためのシミュレータにおいて用いることが可能である。

この発明の実施の形態は、１０^５〜１０^７のＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}が非常に低い平均画像レベルを伴う適用例において必要であるという認識に基づく。

この発明の実施の形態は、ε_Ｌｅｆｆおよびε_Ｐｅｆｆが平均画像レベルｗに適合されることが可能であるという認識に基づく。実施の形態では、ε_Ｌｅｆｆおよびε_Ｐｅｆｆは等しく保持される。幾何学的な光損失を低減するまたは回避するために、光源の有効エタンデュおよび投射器の有効エタンデュは等しく保持され、平均画像量に依存する値で設定される：ε_Ｌｅｆｆ（ｗ）＝ε_Ｐｅｆｆ（ｗ）＝ｆ（ｗ）。ｆ（ｗ）はｗ∈［０，１］に対して規定され、ｆ（１）＝ε_Ｐｍａｘ＝ε_{Ｌｅｆｆｍａｘ}およびｆ（０）＝ε_Ｐｍｉｎ＝ε_{Ｌｅｆｆｍｉｎ}である。

この発明の実施の形態は、一般に、黒レベルは照射系および投射レンズの両方において開口を用いることによって低減することが可能であるが、常に大きい幾何学的な光損失および結果的に全白輝度の強い低減がある、という認識に基づく。この発明の実施の形態は、結果として生じた実質的な、しかし依然として不十分なＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}の増大の問題を回避する。

この開示のさまざまな実施の形態は、非常に高いＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}、および全白輝度に対する０または最小の光損失を実現する、方法ならびに装置に向けられる。

この発明は、平均画像レベルを有する画像を投影するための、および実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う使用のための投射器光学系を提供し、投射器光学系は、スクリーン上に実像を形成するための結像系、および制御ユニットを含み、
投射器光学系は、平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させるよう、および光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにされ、それによって、結像系において、投射器エタンデュは光源の有効エタンデュに一致させられ、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは、制御ユニットによって制御され、平均画像レベルに適合される。

実施の形態において、この発明は、平均画像レベルを有する画像を投影するための、および実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う使用のための投射器光学系を提供し、投射器光学系は、
第１の照射系
散光器素子のような、光源エタンデュを増大させるための手段
散光器素子のような光源エタンデュを増大させるための手段上の光スポットからの光を捕捉し、光を均質化し、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の照射は、すべての領域に対してほとんど等しくなり、それを光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上に結像する第２の照射系
スクリーン上に光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の実像を形成するための結像系
制御ユニット、および
結像系の限界開口において制御ユニットによって制御される虹彩絞りのような制御可能な開口を含み、制御可能な開口は光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の黒色状態から迷光を遮断するようにされ、
投射器光学系は、平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させるよう、および光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにされ、それによって、結像系において、投射器エタンデュは光源の有効エタンデュに一致させられ、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは、制御ユニットによって制御され、平均画像レベルに適合される。

この発明は、さらに、平均画像レベルを有する画像を投影するための、および実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う使用のための投射器光学系を伴う使用のためのコントローラを提供し、投射器光学系は、スクリーン上に実像を形成するための結像系を含み、コントローラは、平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させるよう、および光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにされ、それによって、結像系において、投射器エタンデュは光源の有効エタンデュに一致させられ、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは、制御ユニットによって制御され、平均画像レベルに適合される。

この発明の実施の形態は、さらに、平均画像レベルを有する画像を投影するための、および実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う使用のための投射器光学系を伴う使用のためのコントローラを提供し、投射器光学系は、
第１の照射系
散光器素子のような、光源エタンデュを増大させるための手段
散光器素子のような光源エタンデュを増大させるための手段上の光スポットからの光を捕捉し、光を均質化し、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の照射は、すべての領域に対してほとんど等しくなり、それを光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上に結像する第２の照射系
スクリーン上に光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の実像を形成するための結像系、および
結像系の限界開口における虹彩絞りのような制御可能な開口を含み、制御可能な開口は光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の黒色状態から迷光を遮断するようにされ、コントローラは、平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させるよう、および光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにされ、それによって、結像系において、投射器エタンデュは光源の有効エタンデュに一致させられ、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは、制御ユニットによって制御され、平均画像レベルに適合される。

この発明は、さらに、平均画像レベルを有する画像を投影するための、および実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う使用のための投射器光学系を動作させる方法を提供し、投射器光学系は、スクリーン上に実像を形成するための結像系、および制御ユニットを含み、方法は、
平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させ、光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにし、結像系において、投射器エタンデュを光源の有効エタンデュに一致させるステップを含み、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは、平均画像レベルに適合される。

この発明は、さらに、平均画像レベルを有する画像を投影するための、および実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う使用のための投射器光学系を動作させる方法を提供し、投射器光学系は、
第１の照射系
散光器素子のような、光源エタンデュを増大させるための手段
散光器素子のような光源エタンデュを増大させるための手段上の光スポットからの光を捕捉し、光を均質化し、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の照射は、すべての領域に対してほとんど等しくなり、それを光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上に結像する第２の照射系
スクリーン上に光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の実像を形成するための結像系
制御ユニット、および
結像系の限界開口において制御ユニットによって制御される虹彩絞りのような制御可能な開口を含み、制御可能な開口は光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の黒色状態から迷光を遮断するようにされ、方法は、
平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させ、光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにし、結像系において、投射器エタンデュを光源の有効エタンデュに一致させるステップを含み、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは、平均画像レベルに適合される。

本開示の１つの実施の形態は、平均画像レベルに従って、実質的に低い固有のエタンデュを有する光源の有効エタンデュを変動させ、その結果、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の入射円錐角を変動させ、しかしながら、総光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておく。光源エタンデュは、変動する散乱角を伴う散光器素子で変動される。投射レンズ部位では、投射器エタンデュは光源の有効エタンデュに一致させられる。その結果、幾何学的な光損失は生じない。有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは制御ユニットによって制御され、平均画像レベルに適合されることが可能である。

第１の実施の形態におけるのと同じ目的を達成するために、この開示の第２の実施の形態は、散光器素子上の入射光束のサイズを変動させる。この実施の形態では、散光器素子は通常の散光器または蛍光体型散光器である。蛍光体型散光器は、入射波長を、入射光の波長より長いまたは短い波長の光に変換する。この実施の形態では、有効光源エタンデュは入射照射スポットのサイズを変動させることによって変動させられるので、変動するレーザ照射スポットの特性を光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の最大照射円錐角に変換するように光学系を有することが必要である。

この発明は、コンピュータにおけるような処理エンジン上での実行のためのコードセグメントを含むコンピュータプログラム製品を提供し、コンピュータプログラム製品は、平均画像レベルを有する画像を投影するための、および実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う使用のための投射器光学系を動作させるようにされ、投射器光学系は、スクリーン上に実像を形成するための結像系を含み得、ソフトウェアは、
平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させるよう、および光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにされ、それによって、結像系において、投射器エタンデュは光源の有効エタンデュに一致させられ、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは制御ユニットによって制御され、平均画像レベルに適合される。

この発明の実施の形態は、さらに、コンピュータにおけるような処理エンジン上での実行のためのコードセグメントを含むコンピュータプログラム製品を提供し、コンピュータプログラム製品は、平均画像レベルを有する画像を投影するための、および実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う使用のための投射器光学系を動作させるようにされ、投射器光学系は、
第１の照射系
散光器素子のような、光源エタンデュを増大させるための手段
散光器素子のような光源エタンデュを増大させるための手段上の光スポットからの光を捕捉し、光を均質化し、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の照射は、すべての領域に対してほとんど等しくなり、それを光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上に結像する第２の照射系
スクリーン上に光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の実像を形成するための結像系
制御ユニット、および
結像系の限界開口において制御ユニットによって制御される虹彩絞りのような制御可能な開口を含み得、制御可能な開口は光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の黒色状態から迷光を遮断するようにされ、ソフトウェアはこれらの素子を制御して：
平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させ、光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにし、結像系において、投射器エタンデュを光源の有効エタンデュに一致させるようにされ、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは、平均画像レベルに適合される。

定義
平均画像レベル
映像信号の平均画像レベルは、全白信号レベルの百分率として表現された輝度レベルの時間平均として定義される［３５］。

コントラスト
人間の視覚の周知のある現象は、約１０桁（約１０^−５ｃｄ／ｍ^２から１０^＋５ｃｄ／ｍ^２）というその莫大な動的範囲であるが、輝度変動の約２桁のみしか同時に知覚可能でない。輝度の動的範囲は３つの範囲に分割される：錐体のみが活動状態の範囲（明所視（１０^５〜１ｃｄ／ｍ^２））、錐体および桿体の両方が活動状態の範囲（中間順応視（１〜１０^−３ｃｄ／ｍ^２））、ならびに桿体のみが活動状態の範囲（暗所視（１０^−３〜１０^−５ｃｄ／ｍ^２））。人間の視覚系の時間的特性、空間的特性および色知覚特性は、これらの３つの輝度領域では異なる。周辺光のレベルへの順応は感度の範囲を調整するのに必要である［３３］。

コントラストの概念は、明るさにおける差を指す。コントラストは、Ｃで示され、比

であり、Ｌ_ｏは物体または刺激の輝度であり、Ｌ_ｂは背景の輝度である。
コントラスト比は、ＣＲで示され、比ＣＲ＝Ｌ_ｏ／Ｌ_ｂである。変調深度は、Ｍで示され、比

である。
コントラスト比は異なる方法に従って測定することが可能である。［３０］、［３１］および［３２］。ＡＮＳＩコントラストは、ＣＲ_ＡＮＳＩで示され、１６の等しい黒い矩形および白い矩形のチェス盤像を用いる。全オン／全オフコントラスト比は、ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}で示され、全白輝度Ｌ_ｍａｘ対全黒輝度Ｌ_ｍｉｎ比である。ＣＲ_ＡＮＳＩは、１５０：１から３００：１の典型的な値を有する。ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}は、マイクロディスプレイ技術に依って、２０００：１と１０，０００：１との間の典型的な値を有する。

ｗで示され、ｗ∈［０，１］である高平均画像レベルを伴う像に対しては、ＣＲ_ＡＮＳＩはコントラストに対する十分な近似である。非常に低いｗを伴う像については、ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}はコントラストのための関係のある尺度である。［１］では、ＣＲ、ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}およびＣＲ_ＡＮＳＩ間の関係のための式が、白色画像量について、０≦Ｗ≦０．５について与えられた：

‐ＣＲ_ＡＮＳＩ＝１５０：１、ならびに１，０００：１、３，０００：１、１０，０００：１および１００，０００：１にそれぞれ等しいＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}について、白色量の関数としてＣＲを示す図１を参照。

前述の式はｗ∈［０，０．５］に対してのみ規定される。実際には、平均画像レベルは範囲［０，１］において値を有することが可能であり、コントラストは、ｗ＞０．５に対して、さらに、ＣＲ_ＡＮＳＩより低く減少する。

順応した目に関しては、暗所視範囲では、最低の知覚可能な輝度レベルは約１０^−５ｃｄ／ｍ^２である。黒レベルまたは全黒輝度は

である。たとえば１００ｃｄ／ｍ^２の全白輝度を伴うディスプレイに対しては、ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}≒１０^７が必要である。最低の必要な暗レベルが１０^−３ｃｄ／ｍ^２の錐体しきい値輝度レベルと対応すると仮定すれば、ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}≒１０^５が、１００ｃｄ／ｍ^２の全白輝度を伴うディスプレイに対して必要である［３４］。１００ｃｄ／ｍ^２の全白輝度を伴うディスプレイについてＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}の関数として黒レベルＬ_ｍｉｎを示す図２を参照のこと。

黒レベルを低減するための先行方策はすべて、明るい画素の輝度の損失を被る。
投射器および光源の周知の特性はそれらのエタンデュである。これは純粋な幾何学的な量であり、それは、投射器の結像光学素子の集光能力におよび光源の光線束の程度に対する尺度である。

投射器エタンデュε_Ｐ
投射器の結像光学素子のエタンデュは、ε_Ｐで示され、以下のように定義され：

Ａはマイクロディスプレイの表面であり、ｎは物空間の屈折率であり、２θ_０は投射レンズの開口角であり、ＮＡ＝ｎｓｉｎθ_０は投射レンズの開口数であり、Ｆ_ＮＯは投射レンズのＦナンバーである。［７］２７１〜２８１頁。平坦な表面Ａを伴うマイクロディスプレイ、および開口角２θ_０を伴う投射レンズを示し、Ｎは表面Ａに対する法線であることを示す図３を参照のこと。

図４は入射および射出瞳を概略的に示す。入射瞳は、軸方向の点Ｐ_０から見た物理的な開口紋り（つまり限界開口）の像である。入射瞳の直径がＰ_０で境界を定める角度２θ_０が、開口角である−［６］１８６〜１８８頁を参照。

実施例：
２４１．９ｍｍ^２の表面を伴うマイクロディスプレイ（対角線０．９４インチおよびアスペクト比ｂ：ｈ＝１６：９、ｂは幅であり、ｈは高さである）は、２４°の開口角を伴う投射レンズとの組合せにおいて、３０ｍｍ^２ｓｒのエタンデュを有する。典型的な投写型ディスプレイのエタンデュは約１１〜５０ｍｍ^２ｓｒの間にある。

有効投射器エタンデュε_Ｐｅｆｆ
調整可能な開口が投射レンズの限界開口において位置決めされると、投射レンズの開口数およびエタンデュは低減されることが可能であり、ここでは有効投射器エタンデュと称され、ε_Ｐｅｆｆと示される。限界開口の最大直径では、投射器エタンデュはε_Ｐｍａｘである。開口が次いで完全に閉じられると、投射器エタンデュは０である：０＜ε_Ｐｅｆｆ＜ε_Ｐｍａｘ。

光源エタンデュε _Ｌ
光源エタンデュはε _Ｌ として示される。光源が平坦な表面Ａ_Ｌを有し、光の放射が半分の角度φを伴う円錐であるとき、ε_Ｌ＝ｎ^２・π・ｓｉｎ^２φ・Ａ_Ｌである。

光の放射が半分の角度φおよびφ^＊を伴う楕円形の円錐であるとき：ε_Ｌ＝ｎ^２・π・ｓｉｎφ・ｓｉｎφ^＊・Ａ_Ｌである。

固有の光源エタンデュε_Ｌｉｎｔ
光源の固有のエタンデュは、ε_Ｌｉｎｔとして示され、光源の（ほとんど）すべての光パワーを含む、光源の可能な限り小さなエタンデュとして示される。この固有のエタンデュは、放射源の表面および放射源の角度のある放射特性に依存する。いかなる実用的な光学部品も、光源とこの光学部品との組合せのエタンデュを増大させる。

ショートアークＵＨＰランプおよび反射器
現状技術のショートアークＵＨＰランプ（特殊なタイプの高輝度放電ランプ）であって、アークの中心が放物面反射器または楕円形反射器の焦点にあるランプから、エタンデュε_Ｐｅｆｆを伴う投射系によって集められる光は、参考文献［３］において、

によって与えられ、Φは集光された光束（ｌｍ）であり、Ｐはランプ出力（Ｗ）であり、ｄはアーク長（ｍｍ）であり、ε_Ｐｅｆｆは投射器の有効エタンデュ（ｍｍ^２ｓｒ）である。

アーク長の所与の値に対して、Φは、漸近線

を伴うε_Ｐｅｆｆの狭義増加関数である。投射器の結像光学素子によって集められた光の分数は

である。図５は、１ｍｍのアーク長が反射器にあるショートアークランプからエタンデュε_Ｐｅｆｆ（ｍｍ^２ｓｒ）の投射器の結像光学素子によって集められた光の分数を示す。

１ｍｍのアーク長のＵＨＰランプの場合、６９．５ｍｍ^２ｓｒのエタンデュが、全光束の９５％の集光に対して必要とされ、３４．５ｍｍ^２ｓｒのエタンデュでは９０％に到達する。

高輝度ＬＥＤ
現状技術の高輝度ＬＥＤの光放射表面は、ほとんど完全拡散である角度のある放射パターンを伴う平面の矩形の表面である。例はOsramの赤色ＬＥ Ａ Ｐ３Ｗ、緑色ＬＥ Ｔ Ｐ３Ｗ、および青色ＬＥ Ｂ Ｐ３Ｗの高輝度ＬＥＤ、およびLuminus DevicesのＰＴ１２０型高輝度ＬＥＤである。

実施例：Osramの赤色ＬＥ Ａ Ｐ３Ｗ、緑色ＬＥ Ｔ Ｐ３Ｗ、および青色ＬＥ Ｂ Ｐ３Ｗの高輝度ＬＥＤは、各々、１１．７５ｍｍ^２の放射表面を有する。完全な円錐角２φの関数としての集光された光束の分数は図６に示されるグラフにおいて与えられる。これは、完全な円錐角２φで立体角に集められたＬＥ Ｘ Ｐ３Ｗ高輝度ＬＥＤからの光束の分数を示す。

半分の円錐角φ＝７０°の場合、光束のほとんど９５％が集光され、対応するエタンデュはε_Ｌｉｎｔ＝３２．６ｍｍ^２ｓｒである。

これは、２４°（開口角）の投射レンズとの組合せにおける、２４１．９ｍｍ^２の表面（対角線０．９４”およびアスペクト比ｂ：ｈ＝１６：９（ｂは幅であり、ｈは高さである））を伴うマイクロディスプレイの投射器エタンデュとおおよそ一致する。この場合、投射器エタンデュの減少または有効光源の増大は、幾何学的な光損失を結果として生じる。

ＲＧＢレーザ
投写型ディスプレイに対するＲＧＢレーザは開発中である。参考文献［１４］、［１５］、［１７］、［１８］ および［１９］では、投写型ディスプレイに対するこれらの光源の特性が論じられる。これらの光源に対して、ε_Ｌｉｎｔ＜＜ε_Ｐｍａｘである。

実施例：青色（Ｘ＝４４７ｎｍ）レーザダイオードＮｉｃｈｉａ ＮＤＢ７３５２は、典型的な発散半角φ／／＝６°およびφ⊥＝２０°を有し、双方とも１／ｅ^２≒０．１３５３である。推定された固有のエタンデュは０．６μｍ^２ｓｒである。

このレーザダイオードのε_Ｌｉｎｔの計算：
放射表面が高さＤ_ｘおよび幅Ｄ_ｙを伴う矩形形状を有すると仮定される場合、遠距離場における距離ｄにおけるフラウンホーファー回折パターンは：

である。参考文献［２］、１２８〜１３１頁参照。
次いで、ｘおよびｙ軸上に１／ｅ^２の値を有する相対強度は、以下の引数と対応する：

したがってＤ_ｘ＝６．６６４λ＝２．９７９μｍおよびＤ_ｙ＝１．９２４λ＝０．８６０μｍである。
放射表面は：Ｄ_ｘ・Ｄ_ｙ＝２．５６２／μｍ^２である。

パワーはすべて、半分の角度

を有する楕円錐内において含まれる（半分の角度は、回折された強度パターンの最初の零に対応する）、と仮定される場合、エタンデュは：

である。
そして、屈折率ｎ＝１に対しては、ε_Ｌｉｎｔ＝０．５９７μｍ^２ｓｒである。

レーザ光源の固有のエタンデュは、したがって、ＬＥＤおよび高輝度放電ランプのエタンデュよりもはるかに小さく、；ε_Ｌｉｎｔは、さらに、ε_Ｐｍａｘよりもはるかに小さい。

蛍光体変換
１つ以上の変換蛍光体の励起によってＩｎＧａＮ ＬＥＤからの青色光または近紫外線光をより長い波長光に変換する技術は、現状技術の白色光ＬＥＤおよび蛍光体変換される緑色光ＬＥＤのため、周知である。黄色発光のために広く適用される蛍光体は、たとえば、光学的活性元素Ｃｅ^３＋でドープされたホスト材料としての、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）である。参考文献［８］、［９］１７９〜１９０頁、および［１０］。図７は蛍光体変換されるＬＥＤを示す［参考文献１１を参照］。

投写型ディスプレイについては、ＩｎＧａＮレーザダイオードからの青色光を用いる蛍光体変換機構が、［１２］および［１３］において提案され適用された。青色レーザダイオードは高いウォールプラグ効率を有し、いくつかの蛍光体は高い変換効率を有し、したがって、高効率の空間的にコンパクトな発光領域を伴う光源を実現することが可能である。図８は、たとえば平行にされた青色レーザ光束によって照射された蛍光体層を示し、蛍光体層は反射基板上に適用される。

１つの重要な局面は変換蛍光体の熱的挙動である。変換蛍光体に対しては典型的には、上昇した温度における量子効率および全発光パワーの降下であり、これは熱的消光と呼ばれる。これは、これらの上昇した温度において、いくつかの非放射崩壊機構によって引起される［８］。これは、十分な熱除去および蛍光体層の温度制御を有することが非常に重要であることを意味する。図９は熱的消光および積分発光強度の温度依存性を示す。

蛍光体変換される青色レーザ光源のエタンデュは、蛍光体層上の照射された領域に依存する。

有効光源エタンデュε_Ｌｅｆｆ
光源から発せられるすべての光をマイクロディスプレイおよび投射レンズの光学系によって幾何学的に集光することが可能であるのは、ε_Ｌｅｆｆ≦ε_Ｐｅｆｆである場合である。いくつかの光源はε_Ｌｉｎｔ＜＜ε_Ｌｅｆｆ＜ε_Ｐｍａｘを有する。これらの場合では、光源の有効エタンデュは、幾何学的な損失なくε_Ｌｉｎｔからε_Ｐｅｆｆに増大させることが可能である。ε_Ｐｅｆｆを越える光源エタンデュの増大は幾何学的な光損失を結果として生じ、なぜならば、発光の一部はマイクロディスプレイ開口および投射レンズによって集光されないからである。図１０は有効な光源および投射器エタンデュを示し、陰をつけた部分では幾何学的な損失はない。

この発明の実施の形態によれば、固有の光源エタンデュは、光学素子、たとえば散光器のような、光源エタンデュを増大させるための手段によって増大させることが可能である。平行にされたレーザ光束が、円形断面および直径ｄ_０で、散光器シート上に入射すると仮定する。散光器は、散乱半円錐角φ_１を有し、位置Ａから見た散光器の発光領域は、直径ｄ_１を有する円になる。散光器シートの散乱のため、ｄ_１＞ｄ_０である。散光器シートは厚みのある散光器または表面散光器であり得る。現状技術の散光器は、つまり日本のシグマ光機株式会社からのすりガラス散光器である。図１１は照射系における散光器での固有のエタンデュの増大を示す。

散光器の後、エタンデュは値

に増大される。
光源エタンデュを減少させるための手段、たとえば開口によって、光源の固有のエタンデュを減少させることも可能である。この場合、光線の一部が開口によって遮断されるので、幾何学的な損失は光学的パワーの移送を低減する。

照射系の光路における好適な位置における虹彩絞りのような調整可能な開口は、光源から現れる立体角を低減し、結果的に、有効光源エタンデュを低減することから、光源エタンデュを減少させるための手段として作用する。図１２は照射系における調整可能な開口での固有のエタンデュの減少を示す。

光源のエタンデュは、この例では、媒体の単位屈折率に関してπＡ_Ｌｓｉｎ^２φ_１からπＡ_Ｌｓｉｎ^２φ_２に減じられる。

光源の有効エタンデュは、ε_Ｌｅｆｆとして示され、ここでは、光学素子による固有の光源エタンデュの増大または減少の後に受光側マイクロディスプレイから見たエタンデュとして定義される。

有効投射器エタンデュを越えて光源エタンデュを増大することは意味がなく、なぜならば幾何学的な損失のために光を損失するからである。有効光源エタンデュの最小値は固有の光源エタンデュである。

ε_Ｌｉｎｔ≦ε_Ｌｅｆｆ≦ε_Ｐｅｆｆ
光源エタンデュを固有の光源エタンデュより低い値に減少させることは、常に幾何学的な光損失を結果として生じ、したがって、光源から結像光学素子へのパワー移送を減じる。

ε_Ｌｉｎｔ≒ε_Ｐｍａｘでの投射器のコントラスト比増大
ショートアークランプまたはＬＥＤのような相対的に大きなエタンデュの光源が用いられる実用的な情況を考える。既に説明されたように、光源エタンデュの増大は、この情況では無意味である。一方、有効投射器エタンデュを減少させることと組合せて有効光源エタンデュを減少させることは、コントラスト比を増大させる。

ε_Ｌｅｆｆおよびε_Ｐｅｆｆを減少させることによって、オン状態（白レベル）における光出力は減少するが、オフ状態（暗レベル）における光出力はさらにもっと減少する。結果的に、ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}は増大する。図１は、ε_Ｌｅｆｆ＝ε_Ｐｅｆｆを減少させることに対して、ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}が増大していることを示す。

実験的に、（シングルチップマイクロディスプレイ）ＤＭＤに基づく投射器のＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}は、１つは照射系にあり、１つは投射レンズにある、２つの調整可能な開口（それぞれ、調整可能な開口１および２）を用いて、２０００：１から＞１５，０００：１に増大したことが示された。開口径は照射系においては４０ｍｍから８．４７ｍｍに変化し、投射レンズにおける開口径は２０．８ｍｍから６．４４ｍｍに変化した。

この方法の欠点は、投射器の全光出力が強く低減されるということである。実験では、８．４７ｍｍおよび６．４４ｍｍの開口でのオン状態光出力対４０ｍｍおよび２０．８ｍｍの開口でのオン状態光出力の比は、わずか５％だった。これは、光の大部分が開口によって遮断されるため、明らかである。

スペックルノイズ
スペックルノイズは、とりわけ、高い度合いの空間的および時間的コヒーレンスを伴う光源を用いる投写型ディスプレイにおいて遭遇する現象である。それは、最小限にされなければならない、望ましくないランダムノイズパターンである。スペックルノイズの量は、スペックルコントラストと称され、ここではＣＲ_Ｓとして示される、測定されたノイズパターンの平均値対測定されたノイズパターンの標準偏差の比として定義される。

スペックルコントラストは、（１）投写型ディスプレイ、（２）投影スクリーン、（３）観察者の人間の視覚系および（４）観察者のスクリーンに対する位置、のさまざまなパラメータに依存する。スペックルコントラストは、未補正の統計的な独立したスペックルノイズパターンの追加によって低減することが可能である。参考文献［４］では、スペックルノイズを低減するさまざまな方法が詳細に論じられる。スペックルノイズ低減のための方法は、検出器による空間的平均化または時間的平均化に基づく。ディスプレイの場合では、検出器は、通常、人間の視覚系である。

ＨＶＳの空間分解能は目の瞳の直径に依存し、低い光レベルでは、瞳直径は増加し、収差は視覚的な空間分解能を低減している［２４］。時間的分解能も、さらにより低い光レベルにおいて減少し、フェリー−ポーター法則は、フリッカがまさに顕著になる周波数は輝度の対数として変動する、と述べている［２５］。これは、ＨＶＳの積分時間はより低い光レベルにおいて増大していることを意味する。目の積分時間は、明所視の輝度領域における１０〜１５ｍｓ付近から暗所視の範囲における１００ｍｓ付近にまで増大している。結果的に、より低い光レベルでは、より大きな数の統計的な独立したスペックルパターンに亘る平均化は、より低いスペックルコントラストを結果として生じる。

投写型ディスプレイおよびスクリーンもスペックルコントラストに対して強い影響を有する。有効な投射レンズ射出瞳直径の増大は、スクリーン上の空間的コヒーレンス領域を低減し、結果的にスペックルノイズを低減する。参考文献［４］および［５］。他のスペックル低減方法は、散光器を移動させることによって実現される時間的平均化に基づく。参考文献［２０］、［２１］および［２２］。時間的コヒーレンスに基づく方法の各々については、スペックルコントラストは増大する積分時間とともに減少している。

ＣＲ_ＡＮＳＩ＝１５０：１、ならびに１，０００：１、３，０００：１、１０，０００：１および１００，０００：１にそれぞれ等しいＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}に対して、白色量の関数としてＣＲを示す。 １００ｃｄ／ｍ^２の全白輝度を伴うディスプレイについて、黒レベルＬ_ｍｉｎをＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}の関数として示す。 空間光変調器、特に、平坦な表面Ａを伴うマイクロディスプレイ、および開口角２θ_０を伴う投射レンズであり、Ｎは表面Ａに対する法線であることを示す。 入射および射出瞳を示す。 １ｍｍのアーク長が反射器にあるショートアークランプからエタンデュε_Ｐｅｆｆ（ｍｍ^２ｓｒ）の投射器の結像光学素子によって集められた光の分数を示す。 完全な円錐角２φで立体角において集められたＬＥ Ｘ Ｐ３Ｗ高輝度ＬＥＤからの光束の分数を示す。 蛍光体変換されるＬＥＤを示す［参考文献１１を参照］。 たとえば平行にされた青色レーザ光束によって照射された蛍光体層を示し、蛍光体層は反射基板上に適用される。 熱的消光、積分発光強度の温度依存性を示す。 有効な光源および投射器エタンデュを示し、陰をつけた部分では幾何学的な損失はない。 照射系における散光器での固有のエタンデュの増大を示す。 照射系における調整可能な開口での固有のエタンデュの減少を示す。 ε_Ｌｅｆｆ＝ε_Ｐｅｆｆを減少させることに対して、ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}が増大していることを示す。 散乱半円錐角φ_１および光散乱スポットｄ_１を伴う散光器素子を示す。 散光器上の位置ηに依存する散乱半円錐角φ_１（η）および光散乱スポットｄ_１（η）を伴う散光器素子を示す。 スペックルコントラスト、オンオフコントラストおよびｆ（ｗ）を示す。 この発明に従う光学系の第１の実施の形態を示す。 散乱半円錐角φ_１、変動する照射スポット径ｄ^＊ _０および変動する発光スポット径ｄ^＊ _１を伴う散光器素子を示す。 平行にされたレーザ光束によって照射される反射基板上の蛍光体層を示す。 散光器上の変動するレーザ照射スポットをマイクロディスプレイ上の変動する最大照射円錐角に変換する実施の形態を示す。 この発明に従う光学系の第２の実施の形態を示す。

好ましい実施の形態の詳細な記載
以下に、実施の形態が詳細に言及され、それらの例を図面に示す。

この発明は記載される実施の形態に限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載された図面は、単に概略的なものあって、非限定的である。図面では、要素のいくつかのサイズは、例示の目的のため、誇張され、尺度決めされて描かれていない場合もある。用語「含む」がこの記載および特許請求の範囲において用いられる場合、それは他の要素またはステップを排除しない。単数名詞に言及する際に不定冠詞または定冠詞、たとえば「a」または「an」、「the」が用いられる場合、特段の指示がなければ、それはその名詞の複数形を含む。特許請求の範囲において用いられる用語「含む」は、その後に列挙される手段に制限されると解釈されるべきでなく；それは他の要素またはステップを排除しない。したがって、「手段ＡおよびＢを含む装置」の表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢからのみなる装置に限定されるべきではない。それは、この発明に関して、装置の唯一の関係のある構成要素がＡおよびＢであることを意味する。さらに、明細書および特許請求の範囲における第１、第２、第３等の用語は、類似の要素を区別するのに用いられ、必ずしも連続的または経時的順序を記載するとは限らない。このように用いられる用語は適切な状況のもとでは交換可能であり、ここに記載される発明の実施の形態はここに記載または図示されるものとは別の順序で動作可能である、と理解される。さらに、明細書および特許請求の範囲における頂部、底部、上、下といった用語は、記述的な目的のために用いられ、相対的な位置を記載するためのものとは限らない。このように用いられる用語は適切な状況のもとでは交換可能であり、ここに記載される発明の実施の形態はここに記載または図示されるものとは別の向きで動作可能である、と理解される。

さらに、数値的な値によって範囲を定められるパラメータ範囲が与えられる場合、そうではないと述べられない限り、その範囲はこれらの制限値を含むと認められることが理解される。

図面では、同様の参照番号は同様の特徴を示し；１つより多い図面に現れる参照番号は同じ要素を指す。

高コントラスト比投射器のさまざまな実施の形態がＲＧＢレーザおよび蛍光体変換される光源を含んで以下に記載されるが、この発明はそれらに限定はされない。

第１の実施の形態（図１７を参照）
この発明の実施の形態に従う投射器光学素子系は、以下を含む：
例示的な０．６μｍ^２ｓｒとして実質的に低いエタンデュを伴うレーザ（１）のような光源。光源は制御ユニット８によって制御することが可能であり、たとえばレーザなどの光源の光学的パワー出力である。

たとえばレーザなどの光源からの光を散光器素子（３）の照射された位置上にもたらす第１の照射系（２）。光源光束サイズ、たとえばレーザ光束は、散光器素子のような光源エタンデュを増大させるための手段への入射位置で直径ｄ_０を有する。散光器素子は制御ユニット８によって制御することが可能である。

散光器素子は静止または移動（たとえば回転）することが可能である。移動式に対しては、レーザ光束の入射パワーの分布はより大きな領域に広げられ、したがって、散光器のより低い温度が実現される。移動する散光器はさらにスペックルノイズも低減する。散光器素子の回転速度は制御ユニット８によって制御することが可能である。

散光器素子は透過型または反射型であり得る。第１の場合では、拡散層は透過性基板、たとえばガラス板上に取付けられるか配置される。第２の場合では、拡散層は反射性基板、たとえば研磨されたアルミニウム上に取付けられるか配置される。

反射性基板上の移動式の散光器素子に対しては、基板の後側のヒートシンクによって熱を奪うことが可能である。

反射性基板上の静止型の散光器素子に対しては、基板およびオプションのヒートパイプの後側に設けられるヒートシンクによって熱を奪うことが可能である。

散光器素子は、散乱半円錐角φ_１、および散光器素子の出射側における直径ｄ_１を伴う光スポットにより特徴付けられる。散光器素子によって発せられた光のエタンデュは値

に増大させられる。散光器素子は、たとえば、厚みのある散光器、表面散光器、またはホログラフィの光学素子に基づく散光器である（図１４参照）。

第１の照射系は、散光器上の入射光のパワー密度を下げるためにビーム拡大器を含み得る。

第１の照射系は、散光器上に頂冠照射濃度関数を形成するためにビーム成形素子を含み得る。

散光器素子（３）は、たとえば異なる散乱半円錐角が光スポットの散光器素子上の位置に依存する状態で、変動する強度を有し得る。散光器素子上の光スポットの位置は制御ユニット８によって制御することが可能である。回転する散光器の場合では、変動する強度特性は、この回転に垂直な方向に従って変動することが可能である。回転する散光器素子上の光スポットの径方向位置は、制御ユニット８によって制御することが可能である。この機能はたとえばホログラフィの光学素子に基づく散光器で実現されることが考えられる。図１５は、散光器上の位置ηに依存する散乱半円錐角φ_１（η）および光散乱スポットｄ_１（η）を伴う散光器素子を示す。

以下の機能を伴う第２の照射系（４）：
ａ）それは、散光器上の光スポットからの光を捕捉し、マイクロミラーデバイス（ＭＭＤ）のような光弁またはマイクロディスプレイ（５）のような空間光変調器上にそれを結像する。

ｂ）それは、散光器の位置からの変動する最大散乱角の特性を、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の変動する最大照射円錐角としても維持し、つまり、散光器における最大拡散角度が低い場合には、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の最大照射円錐角も低く、散光器における最大拡散角度が高い場合には、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の最大照射円錐角も高い。

ｃ）それは好ましくは光を均質化し、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の照射は、すべての拡散角度に関し、すべての領域に対してほとんど等しくなる。

これらの機能を実行することが可能である素子の一例は十分に長い長さを伴うライトパイプであり、最も小さな最大拡散角度の場合においてさえライトパイプに十分な均質化のための十分な反射がある。

空間光変調器、たとえば反射型または透過型の光弁またはマイクロディスプレイ（５）、たとえばＤＭＤまたはＤＬＰ、ＬＣＤ高温ポリシリコンまたはＬＣｏＳ。

スクリーン（７）上に光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の実像を形成する結像系（６）。スクリーンは前面投射型スクリーン、または背面投射型スクリーン、たとえばまたは単に壁などであり得る。この結像系は、単一の投射レンズまたは投射レンズの組合せであり得る。

虹彩絞り（９）のような、調整可能で好ましくは制御可能な開口は、結像系の限界開口にある。虹彩絞りの制御可能な開口は、たとえば、マイクロディスプレイの黒色状態から迷光を遮断することによって、メインコントラスト改善に著しく貢献している。虹彩絞りのような制御可能な開口の開口は制御ユニット８によって制御することが可能である。

開口（１１）および開口（１２）はオプションの制御可能な開口であり、これらの開口の光伝達部の直径は、散光器の散乱半円錐角に従って制御ユニット（８）からの制御信号で調整される。これらの開口は、散光器素子（３）または第２の照射系（４）において散乱によって引起される望まれない方向における光線を遮断する。たとえば、開口（１１）または（１２）の１つは第２の照射系の一体的部品であり得る。

レーザ光束が落ちている散光器素子上の位置を制御し、結像系における虹彩絞りを光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器と投影スクリーンとの間において制御し、オプションの開口（１１）および（１２）を制御する、制御ユニット（８）。この制御ユニットは入力制御信号（１０）を有する。

入力制御信号は、いわゆる時刻信号が必要な黒レベルおよび輝度レベルを示しているシミュレータのための場合のように、像生成器から直接生成することが可能である。

制御信号は、平均画像レベルｗを計算する系によって生成することも可能である。この場合、必要な黒レベルおよび輝度レベルは、自動的に平均画像レベルで適合される。

上記は１つのカラーチャネル動作に関して記載されることに注目されたい。３つのカラーチャネルの通常の場合では、この発明の実施の形態のいずれも、色に対して適合されると、共有された散光器（カラーチャネルの組合せおよび次いで再分割）、または代替的に１つの色当たり１つ散光器を有し、次いでその後光を分割することが可能である。この発明の実施の形態のいずれも、単一のカラーチャネルを、３色またはそれより多い色の時分割多重化と共に用いてもよい。

この第１の実施の形態は、平均画像レベルｗが非常に小さい情況に関してそれがコントラスト比をかなり増大させることを可能にするという利点を有する。これは、好ましくは小さな散乱円錐角を伴う散光器素子（３）のような光源エタンデュを増大させるための手段、および同時に、対応する小さな開口部を伴う虹彩絞り（９）のような制御可能な開口を用いることによって行なわれる。この情況において、ε_Ｌｅｆｆとε_Ｐｅｆｆの両方は小さく等しい。レーザ光源の小さな固有のエタンデュのために、散光器上の入射光の光パワーはほとんどすべて、散光器のような光源エタンデュを増大させるための手段の小さな散乱円錐角に閉じ込められ、完全な光学系を介して移送され、つまり、幾何学的な光損失量がないかまたは少ない。実際には、散光器素子が散乱円錐角より大きな角度でさまざまな方向に小量の光を散乱させるので、小量の光損失が常にある。これらの光線はオプションの開口（１１）および（１２）によって遮断される。虹彩絞り（９）の小さな開口部のために、スペックルコントラストは増大するかもしれない。しかしながら、非常に低い平均画像レベルの情況では、ＨＶＳ（人間の視覚系）の積分時間は大きくなり、ＨＶＳの空間分解能は低くなる。これらの２つの効果は知覚されたスペックルノイズを再び低減する。

平均画像量が増大すると、次いで、スペックルノイズはより目に見えるようになる。しかし、増大した平均画像量では、黒レベルを増大させることが可能にされ、なぜならば、目の視認度しきい値も、順応したＨＶＳの動作範囲と並んで、約２桁に限定されるからである。したがって、この発明の実施の形態によれば、散光器素子（３）のより大きな散乱円錐角が虹彩絞り（９）のより大きな対応する開口部を可能にするので、コントローラは反応することになる。もちろん、オプションの開口（１１）および（１２）はしたがって調整されるべきである。虹彩絞り（９）の開口部の増大はスペックルノイズを再び低減する。

系および特にコントローラは、ε_Ｌｅｆｆおよびε_Ｐｅｆｆが平均画像レベルｗに適合されることが可能であるように適合される。幾何学的な光損失を回避するために、光源の有効エタンデュおよび投射器の有効エタンデュは等しく保持され、平均画像量に依存する値で設定される：
ε_Ｌｅｆｆ（ｗ）＝ε_Ｐｅｆｆ（ｗ）＝ｆ（ｗ）。ｆ（ｗ）はｗ∈［０，１］に対して規定され、ｆ（１）＝ε_Ｐｍａｘ＝ε_{Ｌｅｆｆｍａｘ}およびｆ（０）＝ε_Ｐｍｉｎ＝ε_{Ｌｅｆｆｍｉｎ}である。

スペックルコントラストに影響を及ぼすすべてのパラメータは、（１）ｆ（ｗ）、（２）ＨＶＳの時間的分解能および（３）ＨＶＳの空間分解能であると仮定される。さらに、ＣＲ_Ｓ（ｆ（ｗ））はｆ（ｗ）の単調減少または狭義減少関数であると仮定される。

絶対最大受入可能なスペックルコントラストＣＲ_Ｓｍａｘも規定され、受入可能なスペックルコントラストの絶対最大値レベルはしたがってｆ（ｗ）の最小値ε_Ｐｍｉｎを規定している。

さらに、オンオフコントラスト比ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}はｆ（ｗ）の単調減少または狭義減少関数であると仮定される。

関数ＣＲ_{ｏｎ−ｏｆｆ}（ｆ（ｗ））、ＣＲ_Ｓ（ｆ（ｗ））およびｆ（ｗ）は、図１６に示される。

関数ｆ（ｗ）については、どれがこの発明の実施の形態を伴う用途に対して適切に選択されてもよい多くの可能性がある。

関数ｆ（ｗ）は、間隔ｗ∈［０，０．５］においては最も高いコントラスト比のために選択することが可能であるが、この領域におけるより高いスペックルノイズでは、図１６における関数（ａ）である。図１６は、スペックルコントラスト、オンオフコントラストおよびｆ（ｗ）を示す。別の可能性は線形増加関数（ｃ）を有することであり、これは、スペックルノイズの増大がより徐々であるという利点を有する。別の可能性は、コントラスト増大とスペックルノイズ増大は、より妥協である、関数（ｂ）である。

実際には、ｆ（ｗ）は実験的に規定することが可能であり、参照テーブルに保存される。

第２の実施の形態（図２１を参照）
例示的な０．６μｍ^２ｓｒとして実質的に低いエタンデュを伴うレーザ（１）のような光源。光源は制御ユニット８によって制御することが可能であり、たとえばレーザなどの光源の光学的パワー出力である。

レーザなどの光源からの光を散光器素子（３）の照射された位置上にもたらす第１の照射系（２）。光束、たとえばレーザ光束は、散光器素子のような光源のエタンデュを増大させるための手段上の入射位置で直径ｄ^＊ _０を有する。第１の照射系は制御ユニット８によって制御することが可能である。

散光器素子は静止または移動（たとえば回転）することが可能である。移動式に対しては、レーザ光束などの光束の入射パワーの分布の入射パワーの分布は、より大きな領域に広げられ、したがって、散光器のより低い温度が実現される。移動する散光器はさらにスペックルノイズも低減する。散光器素子上の光スポットの位置は制御ユニット８によって制御することが可能である。

反射性基板上の移動式の散光器素子に対しては、基板の後側のヒートシンクによって熱を奪うことが可能である。

反射性基板上の静止型の散光器素子に対しては、基板およびオプションのヒートパイプの後側に設けられるヒートシンクによって熱を奪うことが可能である。

散光器素子は透過型または反射型であり得る。第１の場合では、拡散層は透過性基板、たとえばガラス板上に取付けられるか配置される。第２の場合では、拡散層は反射性基板、たとえば研磨されたアルミニウム上に取付けられるか配置される。

散光器素子は、厚みのある散光器、表面散光器、またはホログラフィの光学素子に基づく散光器であり得る。

散光器素子は、散乱半円錐角φ_１、変動する照射スポット径ｄ^＊ _０によって特徴付けられ、散光器素子の出射側における光スポットは直径ｄ^＊ _１を有する。散光器素子によって発せられた光のエタンデュは値

である（図１８参照）。
第１の照射系は散光器素子上に頂冠照射濃度関数を形成するためにビーム成形素子を含み得る。

第１の照射系は、変動するビーム拡大器を含み、それは、散光器上の入射照射スポットのサイズを変動させ得る。照射スポットは円形の形状を有することが可能であり、次いで、直径ｄ^＊ _０によって特徴付けられ、散光器素子の出射側で直径ｄ^＊ _１で変動する発光スポットを結果として生じる。次いで、変動する光束径は、変動するエタンデュ

を結果として生じる。照射スポットのサイズは制御ユニット８によって制御することが可能である。

散光器素子（３）のような光源エタンデュを増大させるための手段は、入力におけるのと同じ波長を維持する通常の散光器であるか、または、ある最大拡散角度の内部での光の拡散だけでなく、レーザ光の波長の、より長い波長（下方変換蛍光体）もしくはより短い波長（上方変換蛍光体）の、外方向に向かうスペクトルへの変換もある、蛍光体型散光器素子であり得る。

蛍光体型散光器素子は透過型であり得、つまり、蛍光体物質およびバインダが透明な基板（たとえばガラス基板）上に配置されるか、または反射型であり得、つまり、蛍光体物質およびバインダが非常に反射性の基板（たとえば研磨されたアルミニウム）上に配置される。反射型については、反射係数は、入射励起波長範囲および励起された蛍光体層によって発せられた光のスペクトルの両方に対して高くあるべきである（たとえば＞９５％）。

反射基板上に配置された蛍光体層については、波長λ_０における入射レーザ光束のパワーは蛍光体層において光ルミネセンスを引起しており、したがって蛍光体層は、（蛍光体下方変換の場合）中心波長λ_１＞λ_０の付近で波長範囲Δλにおける変換された光を発する（図１９を参照。図１９は平行にされたレーザ光束によって照射される、反射基板上の蛍光体層を示す。）レーザ光および変換された光は蛍光体物質およびバインダによって散乱される。したがって、蛍光体層の発光領域は、直径ｄ^＊ _０の入射レーザスポットより大きくなる（直径ｄ^＊ _１）。ｄ^＊ _１とｄ^＊ _０との間の差は、蛍光体層の厚み、ならびに蛍光体およびバインダの散乱特性に依存する。蛍光体層から発せられた光は、ランベルト放射体によって近似される、角度のある広がりを有する。蛍光体層上の発光領域のサイズは、蛍光体上のレーザ照射パターンを変更することによって変更することが可能である。大きい照射パターンは大きいスポットおよび大きいエタンデュを結果として生じ、より小さな照射パターンはより小さなエタンデュを結果として生じる。ほとんどすべての光パワーが、半分の角度が７０°の円錐に閉じ込められるという仮定では、エタンデュは

である。より大きなスポットは、励起パワーに対してより低い蛍光体温度および結果的により長い蛍光体寿命という利点を有する。等しい励起パワーにおけるより小さなスポットは、蛍光体層の熱的消光がない限り、より高い輝度を結果として生じる。

蛍光体に基づく散光器素子は静止または移動（たとえば回転）することが可能である。移動式に対しては、レーザ光束の入射光の分布はより大きな領域に広げられ、したがって、励起された蛍光体層のより低い温度が達成される。散光器素子上の光スポットの位置は制御ユニット８によって制御することが可能である。

以下の機能を伴う第２の照射系：
ａ）それは、散光器素子上の光スポットからの光を捕捉し、マイクロミラーデバイス（ＭＭＤ）のような光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上にそれを結像する。

ｂ）それは、変動する光の特性、たとえば散光器の位置上のレーザ照射スポットサイズを、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の変動する最大照射円錐角に変換し、つまり、散光器における光またはレーザ光束スポットサイズが低い場合には、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の最大照射円錐角も低く、散光器における光またはレーザ光束スポットサイズが高い場合には、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の最大照射円錐角も高い。この機能の実施の形態は図２０に示される。｜ＡＢ｜および｜Ａ″Ｂ″｜は、２つの場合に対して、散光器出射表面上の円形の仮定された発光スポットの直径を表し、｜ＡＢ｜＜｜Ａ″Ｂ″｜である。Ｌは、｜ＡＢ｜および｜Ａ″Ｂ″｜を｜Ａ′Ｂ′｜に結像しているレンズ系の近軸の近似された等価物である。このレンズ系の特性は制御ユニット（８）からの出力制御信号で制御される。発光スポットが｜ＡＢ｜から｜Ａ″Ｂ″｜に増大しているとき、レンズ系Ｌは、そのレンズ素子の位置、その開口、および必要ならばその開口径を変更して、（ｉ）像サイズ｜Ａ′Ｂ′｜を一定に保持することおよび（ｉｉ）角直径２ｕを一定に保持することの両方が行なわれるようにする。ラグランジュの不変量ｈ_１ｕ＝ｈ′ｕ′_１およびｈ_１ｕ＝ｈ′ｕ′_２から、

となる。
図２０は、散光器上の変動するレーザ照射スポットをマイクロディスプレイ上の変動する最大照射円錐角に変換する実施の形態を示す。

ｃ）それは光を均質化し、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の照射は、光、たとえばレーザ光束スポットサイズに関し、すべての領域に対してほとんど等しくなる。

空間光変調器、たとえば反射型または透過型の光弁またはマイクロディスプレイ（５）、たとえばＤＭＤまたはＤＬＰ、ＬＣＤ高温ポリシリコンまたはＬＣｏＳ。

スクリーン（７）上に光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の実像を形成する結像系（６）。スクリーンは前面投射型スクリーン、または背面投射型スクリーン、または単に壁などであり得る。この結像系は、単一の投射レンズまたは投射レンズの組合せであり得る。

照射された空間光変調器、たとえば光弁またはマイクロディスプレイの（５）を投影スクリーン（７）上に結像する結像系（６）の限界開口における虹彩絞り（９）のような調整可能で制御可能な開口。この結像系は、単一の投射レンズまたは投射レンズの組合せであり得る。虹彩絞りの制御可能な開口は、（ＬＣｏＳまたはＤＬＰ装置のような）光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の黒色状態から迷光を遮断することによって、メインコントラスト改善に大きく貢献している。調整可能で制御可能な開口は制御ユニット８によって制御することが可能である。

開口（１１）および開口（１２）はオプションの制御可能な開口であり、これらの開口の光伝達部の直径は、散光器の散乱半円錐角に従って制御ユニット（８）からの制御信号で調整される。これらの開口は、散光器素子（３）または第２の照射系（４）において散乱によって引起される望まれない方向における光線を遮断する。開口（１１）または（１２）の１つは第２の照射系の一体的部品であり得る。オプションの開口１１および１２は制御ユニット８によって制御することが可能である。

第１の照射系、第２の照射系、虹彩絞り（９）ならびにオプションの開口（１１）および（１２）を制御する制御ユニット（８）。制御ユニットは、さらに、光源、たとえばレーザ（１）の光学的パワー出力を制御することも可能である。制御ユニットは入力制御信号（１０）を有する。

入力制御信号は、いわゆる時刻信号が必要な黒レベルおよび輝度レベルを示しているシミュレータのための場合のように、像生成器から直接生成することが可能である。制御信号は、平均画像レベルを計算する系によって生成することも可能である。この場合、必要な黒レベルおよび輝度レベルは、自動的に平均画像レベルで適合される。

上記は１つのカラーチャネル動作に関して記載されることに注目されたい。この発明の実施の形態のいずれも、３つまたはそれより多いカラーチャネルに対して用いることが可能である。この発明の実施の形態のいずれも、共有された散光器（組合せおよび次いで再分割）を用いることができ、または１つの色当たり１つの散光器を用い用いることができ、次いでその後光を分割することが可能である。３つの色の時分割多重化を伴う単一のチャンネルも、いずれの実施の形態の範囲内にも含まれる。

上に記載されるようなコントローラは、中央処理装置（「ＣＰＵ」）のような処理エンジンを含むことが可能であり、たとえばその従来のマイクロプロセッサ、米国のIntel Corp.によって供給されるペンティアム（登録商標）プロセッサは一例にすぎず、またはたとえばＦＰＧＡおよびバスシステムを介して相互接続されたある数の他のユニットである。バスシステムはいかなる好適なバスシステムであってもよい。コントローラはマイクロコントローラとして実現されてもよい。コントローラは少なくとも１つのメモリを含むことが可能である。メモリは、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、リードオンリメモリ（「ＲＯＭ」）、および当業者に公知であるようなハードディスクのような不揮発性の読出／書込メモリのような当業者に公知のさまざまなデータ記憶装置の任意のものを含んでもよい。たとえば、コントローラはさらにランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、リードオンリメモリ（「ＲＯＭ」）を含んでもよい。オプションとして、コントローラは、映像表示端末に接続するためのディスプレイアダプタ、および周辺機器、たとえばディスクおよびテープ駆動装置をシステムバスに接続するためのオプションの入出力（Ｉ／Ｏ）アダプタを含んでもよい。映像表示端末はコントローラの視覚的な出力になり得、コンピュータハードウェアの技術分野で周知のＣＲＴに基づく映像ディスプレイ、またはＬＣＤに基づく、もしくはガスプラズマに基づくフラットパネルディスプレイのような、いかなる好適な表示装置でもあり得る。

コントローラは、さらに、機械読取可能媒体内にあるグラフィカルユーザインターフェイスを含むことが可能である。任意の好適な機械読取可能媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、磁気ディスケット、磁気テープまたは光ディスク（最後の３つはディスクおよびテープ駆動装置にある）のようなグラフィカルユーザインターフェイスを保持してもよい。任意の好適なオペレーティングシステムおよび関連付けられるグラフィカルユーザインターフェイス、たとえばマイクロソフトウィンドウズ（登録商標）、リナックス（登録商標））が、ＣＰＵを指示してもよい。加えて、コントローラは、コンピュータメモリ記憶装置内にある制御プログラムを含む。制御プログラムは、ＣＰＵで実行されると、コントローラがこの発明の方法の任意のものに関して記載された動作を実行することを可能にする命令を含む。

当業者は、コンピュータハードウェアの技術分野で周知のＰＡＬまたはＥＰＲＯＭプログラミング装置のような光ディスク媒体、音声アダプタ、またはチッププログラミング装置などのような他の周辺機器が、既に記載されるハードウェアに加えて、またはそれに代えて利用されてもよいことを十分に理解する。

上記のコントローラは、この発明の実施の形態の任意のものに従って平均画像レベルを有する画像を投影するための投射器光学系を伴う用途に対して適合される。光学系は、実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う用途向けであり得る。この発明の実施の形態では、コントローラは、平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させるよう、および光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにされ、それによって、結像系において、投射器エタンデュは光源の有効エタンデュに一致させられ、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは制御ユニットによって制御され、平均画像レベルに適合される。

コンピュータプログラム製品は、コンピュータにおけるような処理エンジン上での実行のためのコードセグメントを含み得、コンピュータプログラム製品は、平均画像レベルを有する画像を投影するための、および実質的に低い固有のエタンデュを有する光源を伴う使用のための投射器光学系を動作させるようにされる。光学系は：
第１の照射系
光源エタンデュを増大させるための散光器素子または他の手段
散光器素子のような光源エタンデュを増大させるための手段上の光スポットからの光を捕捉し、光を均質化し、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の照射は、すべての領域に対してほとんど等しくなり、それを光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上に結像する第２の照射系
スクリーン上に光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の実像を形成するための結像系
制御ユニット、および
結像系の限界開口において制御ユニットによって制御される虹彩絞りのような制御可能な開口を含むことが可能であり、制御可能な開口は光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器の黒色状態から迷光を遮断するようにされる。ソフトウェアは、平均画像レベルに従って光源の有効エタンデュを変動させ、光パワーを変動する円錐角内に閉じ込めておくようにし、結像系において、投射器エタンデュを光源の有効エタンデュに一致させるようにされ、有効光源エタンデュおよび投射器エタンデュは、平均画像レベルに適合される。

その変動は、第１および第２の実施の形態において図１７および図２１に関して記載されているような光学系の素子の制御によって得られる。

ソフトウェアは光源エタンデュを増大させるための手段を制御するようにされてもよい。ソフトウェアは、光束が落ちている、エタンデュを増大させるための手段上の位置を制御するようにされることが可能である。ソフトウェアは、結像系において制御可能な開口を制御するようにされる、および／または少なくとも１つのさらなる開口を制御するようにされることが可能である。ソフトウェアは、ε_Ｌｅｆｆおよびε_Ｐｅｆｆが等しくあるように光学系を制御するようにされることが可能であり、および、たとえば、これらを平均画像レベルに適合させることが可能である。ソフトウェアは、投射器光学系を制御して、光源の有効エタンデュおよび投射器の有効エタンデュが、等しく保持され、平均画像量に依存する値ε_Ｌｅｆｆ（ｗ）＝ε_Ｐｅｆｆ（ｗ）＝ｆ（ｗ）に設定されるようにされることが可能であり、ｆ（ｗ）はｗ∈［０，１］に対して規定され、ｆ（１）＝ε_Ｐｍａｘ＝ε_{Ｌｅｆｆｍａｘ}およびｆ（０）＝ε_Ｐｍｉｎ＝ε_{Ｌｅｆｆｍｉｎ}である。

ソフトウェアは、投射器光学系を制御して、受入可能なスペックルコントラストの絶対最大レベルがｆ（ｗ）の最小値ε_Ｐｍｉｎを規定するようにするようにされてもよい。

コンピュータプログラム製品は、ＤＶＤまたはＣＤ−ＲＯＭのような光ディスク、ハードドライブのような磁気ディスク、ソリッドステートメモリ、磁気テープおよびＦＬＡＳＨメモリなどのような非一時的な信号記録媒体上に保存されてもよい。

[参考文献]

Claims (15)

1. 平均画像レベルを有する画像を投影するための、および少なくともレーザ（１）を伴う使用のための投射器光学系であって、以下の順に配置された、
   ビーム拡大器またはビーム成形素子を有する第１の照射系（２）と、
   前記少なくともレーザの有効エタンデュを増大させるための手段と、
   第１の開口（１１）と、
   ライトパイプのような第２の照射系（４）と、
   第２の開口（１２）と、
   空間光変調器と、
   虹彩絞り（９）とを備え、
   スクリーン上に前記空間光変調器の実像を形成するための結像系（６）と、
   前記第１の開口（１１）と、前記第２の開口（１２）と、前記虹彩絞り（９）とを調整する制御ユニットとをさらに備え、
   前記投射器光学系は、平均画像レベルに従って前記少なくともレーザの有効エタンデュを変動させるよう、および変動する円錐角内に光パワーを閉じ込めておくようにされ、それによって、前記結像系において、投射器エタンデュは前記少なくともレーザの前記有効エタンデュに一致させられ、前記レーザの前記有効エタンデュおよび前記投射器エタンデュは、前記制御ユニットによって制御され、前記平均画像レベルに適合される、投射器光学系。
2. 前記第２の照射系は、前記少なくともレーザの前記有効エタンデュを増大させるための手段上の光スポットからの光を捕捉し、前記光を均質化し、光弁またはマイクロディスプレイのような空間光変調器上の照射は、すべての領域に対してほとんど等しくなり、それを前記空間光変調器上に結像し、
   前記結像系の限界開口において前記制御ユニットによって制御される制御可能な開口とをさらに含み、前記制御可能な開口は前記空間光変調器の黒色状態から迷光を遮断するようにされる、請求項１に記載の投射器光学系。
3. 前記少なくともレーザは０．６μｍ^２ｓｒのエタンデュを伴う、請求項１または２に記載の投射器光学系。
4. 前記少なくともレーザの前記有効エタンデュを増大させるための手段は散光器素子である、請求項２〜３のいずれかに記載の投射器光学系。
5. 前記散光器素子は、静止、移動、または回転しており、または、
   前記散光器素子が移動式であるとき、レーザ光束の入射パワーの分布は或る領域に亘って広げられ、または、
   前記散光器素子は透過型または反射型であり、または、
   前記散光器素子は、異なる散乱半円錐角が前記散光器素子上のレーザ光束の位置に依存する状態で、変動する強度を有する、請求項４に記載の投射器光学系。
6. 拡散層が透過性基板上に取付けられるかもしくは配置され、または、拡散層が反射性基板上に取付けられるかもしくは配置される、請求項５に記載の投射器光学系。
7. 前記散光器素子は、散乱半円錐角φ_１、および前記散光器素子の出射側における直径ｄ_１を伴う光スポットを有し、前記散光器素子によって発せられた光のエタンデュは値
   

   

   に増大させられる、請求項４〜６のいずれかに記載の投射器光学系。
8. 前記ビーム拡大器は、前記少なくともレーザの前記有効エタンデュを増大させるための手段上の入射光のパワー密度を下げるために設けられる、または、
   前記第１の照射系は、前記少なくともレーザの前記有効エタンデュを増大させるための手段上に頂冠照射濃度関数を形成するために前記ビーム成形素子を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の投射器光学系。
9. 前記第２の照射系は、前記少なくともレーザの有効エタンデュを増大させるための手段からの変動する最大散乱角の特性を、前記空間光変調器上の変動する最大照射円錐角としても維持し、前記少なくともレーザの有効エタンデュを増大させるための手段における最大拡散角度が低い場合には、前記空間光変調器上の前記最大照射円錐角も低く、前記少なくともレーザの有効エタンデュを増大させるための手段における前記最大拡散角度が高い場合には、前記空間光変調器上の前記最大照射円錐角も高く、または、
   前記空間光変調器上の照射が、すべての拡散角度に関し、すべての領域に対してほとんどまたは実質的に等しいように、前記第２の照射系は光を均質化し、または、
   前記第２の照射系はライトパイプである、請求項１〜８のいずれかに記載の投射器光学系。
10. 少なくとも前記第１の開口または前記第２の開口の光伝達部の直径は、前記少なくともレーザの有効エタンデュを増大させるための手段の散乱半円錐角に従って前記制御ユニットからの制御信号で調整される、請求項１〜９のいずれかに記載の投射器光学系。
11. 前記制御ユニットは、光束が落ちている、前記少なくともレーザの前記有効エタンデュを増大させるための手段上の位置を制御するようにされ、または、
    前記制御ユニットは、前記結像系における制御可能な前記第１の開口または前記第２の開口を制御するようにされ、または、
    前記制御ユニットは入力制御信号を受けるようにされ、それによって前記入力制御信号は像生成器から直接生成することが可能であり、または、
    ε_Ｌｅｆｆおよびε_Ｐｅｆｆが、文字ｗによって表される前記平均画像レベルに適合されるように、前記制御ユニットは前記投射器光学系を制御し、または、
    前記制御ユニットは、前記投射器光学系を制御して、受入可能なスペックルコントラストの絶対最大レベルがｆ（ｗ）の最小値ε_Ｐｍｉｎを規定するようにする、請求項１〜１０のいずれかに記載の投射器光学系。
12. 制御信号は黒レベルおよび輝度レベルを示す時刻信号であり、または、
    制御信号は前記平均画像レベルを計算するユニットによって生成される、請求項１１に記載の投射器光学系。
13. 複数のカラーチャネルがあり、前記散光器素子は共有される散光器もしくは色単位散光器であり、または複数の色の時分割多重化と共に用いられる単一のカラーチャネルがある、請求項４または請求項４に従属する請求項５〜１２のいずれかに記載の投射器光学系。
14. 前記投射器光学系は、小さな散乱円錐角を伴う前記少なくともレーザの前記有効エタンデュを増大させるための手段、および、同時に、ε_Ｌｅｆｆとε_Ｐｅｆｆとが等しいように、対応する小さな開口部を伴う制御可能な開口を有するようにされる、請求項１〜１３のいずれかに記載の投射器光学系。
15. 前記散光器素子は入力におけるのと同じ波長を維持する散光器であるか、または、ある最大拡散角度の内部での光の拡散だけでなく、入射光の波長の、より長い波長（下方変換蛍光体）もしくはより短い波長（上方変換蛍光体）の、外方向に向かうスペクトルへの変換もある、散光器素子である、請求項４または請求項４に従属する請求項５〜１４のいずれかに記載の投射器光学系。

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