JPH1010466A

JPH1010466A - 空間光変調器用集光器

Info

Publication number: JPH1010466A
Application number: JP5537497A
Authority: JP
Inventors: Jeffrey B Sampsell; ビー．サンプセルジェフリー
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 1998-01-16
Also published as: EP0788006A2; EP0788006A3

Abstract

(57)【要約】【課題】集められる光の均一性及び量を増加する。【解決手段】光源（１３）から光を集め、ＳＬＭ（１
５）の画素生成素子のアレイなどの長方形の表面へそれ
を導く集光装置（１０）。第１のアレイ（１０ａ）は、
レンズ又はホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）（２
１）のいずれから構成され、それぞれが光源からの光を
画像面の異なる地点へ導く。ＨＯＥの第２のアレイ（１
０ｂ）は、画像面の近くに配置され、画像面の各光のス
ポットに対し一つのＨＯＥ（２１）を有する。第２のア
レイ（１０ｂ）の各ＨＯＥは、その対応する光のスポッ
トからの光を照射される表面へ導き、その表面上に重ね
られた多数の光のビームになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空間光変調器に関連し、
更に詳細には、光源から光を集め空間光変調器にその光
を導く光学部品に関連する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】空間光変調器（ＳＬＭ）
は、ディスプレイ装置及び電子写真プリンタ双方におい
て画像を提供するために用いられることが多くなってき
ている。一般的に、ＳＬＭはディスプレイ装置のスクリ
ーン又はプリンタのドラムなどの画像面に光を放射又は
反射する画素生成素子のアレイである。ＳＬＭは、画素
生成素子をオン又はオフにすることによって光を変調す
る。デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）
は、ＳＬＭの一種である。ＤＭＤは、マイクロメカニカ
ル・デバイスであり、その画素生成素子は数千の小さな
傾斜するミラーのアレイを形成する。ミラーを傾斜させ
るため、支持ポスト上に搭載される一つ又はそれ以上の
ヒンジにそれぞれが取付けられており、下部制御回路の
上にエアーギャップ手段によって間隔が空けられてい
る。制御回路は各ミラーを選択的に傾斜させる静電力を
供給する。ミラーアレイ上の入射光は、“オン”ミラー
で一方向に“オフ”ミラーで他の方向に反射される。
“オン”対“オフ”のミラーのパターンが画像を形成す
る。多くの用途で、ＤＭＤからの光は投射レンズによっ
て画像面へ投射される。

【０００３】ＳＬＭは、ＤＭＤのように反射性である
か、又は透過性であり得る。どちらの場合も、ある種の
照射装置が必要とされる。コンパクトであること及び発
熱が極く小さいことが、照射装置として望ましい特性で
ある。典型的な光源は、できるだけ小さく、低温で、安
価で、効率的であるべき、光放射性ダイオード及びアー
クランプを含む。光源の他に、照射装置は、ＳＬＭに送
る光を集めるレンズやプリズムなどの光学デバイスを有
する。集光デバイスは所定の光源から有効な光すべてを
集める点において効率的でなければならない。更に、そ
れらが空間光変調器に提供する光は均一でなければなら
ない。

【０００４】

【課題を達成するための手段及び作用】以下の発明は、
ランプなどの光源から光を集める光学装置に向けられて
いる。この集光装置は特に、均質の光を必要とし厳密に
定められた長方形の照射される表面領域を有する空間光
変調器（ＳＬＭ）を照射するために設計されている。本
発明の一実施例において、ホログラフィック光学素子
（ＨＯＥ）の第１のアレイは、光源からの光のビームを
インターセプトする。この第１のアレイの各ＨＯＥは、
第１のアレイとＳＬＭとの間の画像面の上の異なる地点
にそのビームの一部を転送するようにパターニングされ
る。各ＨＯＥは、それが転送するより小さなビームが、
照射されるＳＬＭの表面領域と同じビームの形を有する
ように更にパターニングされる。ＨＯＥの第２のアレイ
は、この画像面の向こうに配置される。この第２のアレ
イは、第１のアレイによって提供されるビーム毎に一つ
のＨＯＥを有する。この第２のアレイの各ＨＯＥは、そ
のビームをＳＬＭの表面に転送し、それにより第１のア
レイの各ＨＯＥからの光をＳＬＭの上に重ねる。本発明
に従って設計される光学装置の一つの利点は、それが光
源からの円形のビームをＳＬＭの表面領域の長方形の形
に変えることである。この装置は光源から集められた光
の均一性及び量を増加させる。ＨＯＥのマスターアレイ
がつくられれば、追加のアレイは安価な大量生産工程で
あるエンボスによってつくられ得、装置は容易に製造さ
れる。

【０００５】

【実施例】以下の説明は、空間光変調器（ＳＬＭ）を照
射するため光源から光を集める集光装置に向けて書かれ
ている。この集光装置は、他の面を照射するために用い
られることも可能であり、定められた形を有し均一の照
射を必要とする表面を照射するのに特に有効である。Ｓ
ＬＭは、投射レンズによって画像面に投射される画像を
生成する。このＳＬＭは例示のためＤＭＤであるが、他
の種類のＳＬＭを使用することもできる。ＳＬＭの種類
に関わらず、本発明に説明される装置は、与えられた光
源から最大のエネルギーを受け、厳密に定められた均質
な照射をＳＬＭに提供するように設計されている。

【０００６】本発明に記載された集光装置は、画像ディ
スプレイ装置又はＳＬＭベースの印刷装置のいずれに用
いることも可能である。画像ディスプレイ装置におい
て、ＳＬＭは画素強度（intensities ）を表すデータで
アドレス指定される。各画素素子のオン／オフ持続時間
は、各画像フレームの間にパルス幅変調の形で制御され
る。どの画素がオン又はオフであるか、及び各フレーム
間がどのくらいの長さであるかによって、グレースケー
ル画像が定義される。印刷装置において、ＳＬＭからの
変調光は、グレースケールを制御する一つの方法である
露光時間の持続時間で、印刷されるページの画素がオン
であるかオフであるかを決定するために用いられる。

【０００７】本発明の集光装置を持たないＳＬＭベース
の画像ディスプレイ装置の例は、米国特許番号第５，０
７９，５４４号、発明の名称『スタンダード・インディ
ペンデント・ディジタイズド・ビデオ・システム』、米
国特許出願番号第０８／１４７，２４９号、発明の名称
『ディジタル・テレビジョン・システム』、及び米国特
許番号第５，４５２，０２４、発明の名称『ＤＭＤディ
スプレイ・システム』に記載されており、いずれもテキ
サス・インスツルメンツ・インコーポレイテッドに譲渡
され、ここに参照のために引用されている。ＤＭＤベー
スの印刷装置の例は、米国特許番号第５，０４１，８５
１号、発明の名称『空間光変調器プリンタ及び操作方
法』に記載されており、テキサス・インスツルメンツ・
インコーポレイテッドに譲渡され、ここに参照のために
引用されている。

【０００８】図１は、光源１３から光を集め、ＳＬＭ１
５へ光を導くために用いられる集光装置１０の側面図で
ある。適切な光源１３の一例はアークランプである。放
物状の反射板１２は、光源１３からの光を受け、実質的
にコリメートされたビームを集光装置１０へ向けて反射
する。集光装置１０は、レンズ又はレンズの機能を成す
ように記録されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）
のいずれかのアレイである２つのアレイ１０ａ及び１０
ｂを有する。各アレイ１０ａ及び１０ｂは２次元であ
り、レンズ又はＨＯＥの列及び行で構成される。

【０００９】この説明のため、両方のアレイ１０ａ及び
１０ｂはＨＯＥで構成されているようにここでは説明さ
れている。各ＨＯＥはレンズで置き換えることができる
が、本発明の特徴は、アレイ１０ｂをＨＯＥで作ること
は、要求された機能性を有するレンズでアレイ１０ｂを
つくるよりずっと容易であるということである。

【００１０】図２は、光源１３からの光のビームをイン
ターセプトするために配置されるＨＯＥアレイ１０ａの
前面の図である。各ＨＯＥ２１は、ＳＬＭ１５の縦横比
に対応する縦横比を有する長方形のビームを提供する。
例えば、ＳＬＭ１５が４：３の画像を提供する場合、各
ＨＯＥはその断面の幅対高さの比が４：３であるビーム
を提供する。照射される面が長方形以外の形を有する場
合、ＨＯＥ２１はその形を有するビームを提供するよう
に設計され得る。さらに、アレイ１０ａがレンズから作
られる場合、レンズは所望のビームの形を提供するよう
に形作られ得る。典型的に、アレイ１０ａのＨＯＥ２１
の配置は規則的であり、そこにＨＯＥ２１は各列及び行
に沿って均一に配置される。図２の格子状の配置の代わ
りに、列又は行がずれていてもよい。図１及び図２に関
し、アレイ１０ａの各ＨＯＥ２１は光源１３からの光の
ビームの何らかの部分を受ける。各ＨＯＥ２１は、図１
に示すように、その光を画像面の異なる地点に導く。そ
の結果は、画像面の「光のスポット」の２次元アレイと
なる。

【００１１】一般的に、図１に示すように、ここではＳ
ＬＭ１５である照射される領域は、光源１３の出力口よ
り小さい。従って、装置１０内でビームサイズをスムー
ズに減少させるため、アレイ１０ａの素子（ＨＯＥ又は
レンズ）は典型的に、アレイ１０ｂの素子より面積にお
いて大きい。しかし、他の用途では、装置１０はビーム
サイズを維持することが可能であり、或いは増大させる
ことが可能である。図３は、アレイ１０ａの各ＨＯＥ２
１が、一片のホログラフィック記録材料３１上に、平面
波と収斂する球状波との干渉として、どのように記録さ
れるかを示す。現像されたＨＯＥ２１が光源１３からの
光で照射されるとき、ポジ・レンズがするように、それ
は収斂する球状波を生成する。追加のＨＯＥは、適切な
材料の上に同じパターンをエンボスすることによって、
それぞれ現像されたＨＯＥ２１から作られ得る。

【００１２】アレイ１０ａのＨＯＥ２１の代わりにレン
ズが用いられる場合、アレイ１０ａは、レンズの通常の
『ハエの目（fly's eye）』アレイ、又は収斂する光学
軸を有する修正されたそのようなアレイになり得る。各
レンズは、所望の縦横比の長方形領域を有し得、所望の
焦点長に適するカーブした表面を有し得る。

【００１３】再び図１を参照すると、アレイ１０ｂは、
アレイ１０ａによって提供される光のスポットの一つか
らの光をそれぞれ受けるＨＯＥのアレイである。従っ
て、アレイ１０ａのＨＯＥ毎に少なくとも一つのＨＯＥ
がアレイ１０ｂに存在する。アレイ１０ａのＨＯＥ（又
はレンズ）の配置と比較し、アレイ１０ｂのＨＯＥの配
置は不規則であるのが一般的である。アレイ１０ｂの各
ＨＯＥは、アレイ１０ａのそれが関連するＨＯＥ（又は
レンズ）からの光を捕捉し、その光でＳＬＭ１５の面を
照射するようにパターニングされる。言い換えれば、ア
レイ１０ｂの各ＨＯＥは、アレイ１０ａのそれが関連す
るＨＯＥ（又はレンズ）からの光のビームをＳＬＭ１５
上へ導く。ＨＯＥの特性であるが、アレイ１０ｂの各Ｈ
ＯＥの光学的機能は、レンズが用いられる場合には問題
となるであろうような、その物理的な形状によっては指
図されない。

【００１４】図４は、アレイ１０ｂの各ＨＯＥが、平面
波と収斂する球状波との干渉として、どのように記録さ
れるかを示す。平面波の伝わる方向は、アレイ１０ａの
対応するＨＯＥからこのＨＯＥに到達する球状波の伝わ
る方向に対応する。アレイ１０ｂのＨＯＥを作るために
用いられる球状の『出力』波の収斂は、ＨＯＥが操作中
に会う入力ビームの性質を考慮する。アレイ１０ｂへの
入力が図１に示した画像面の右にそれるビームであると
き、図４の平面波に向かい合うよう、アレイ１０ｂのＨ
ＯＥがこれらのそれたビームを各ビームがＳＬＭ１５の
表面領域を丁度満たすよう修正するように、これらの収
斂が調整される。

【００１５】図１に示したように、この説明の目的のた
め、アレイ１０ｂは画像面の向こうに配置される。代わ
りに、アレイ１０ｂは画像面の前に配置されることも可
能である。この場合、アレイ１０ａは画像面に向けて光
を導くが、そうでなければ画像面へ行くであろう光の各
ビームがアレイ１０ｂのＨＯＥによって捕捉されてしま
う。画像面の前のアレイ１０ｂの配置のため、ビームは
それらがアレイ１０ｂに到着するときまだ収斂しつつあ
り、アレイ１０ｂの形成に適切な修正が必要とされる。

【００１６】アレイ１０ｂが画像面の前にあるか向こう
にあるかに関わらず、アレイ１０ｂの各ＨＯＥは、アレ
イ１０ａの関連する素子（ＨＯＥ又はレンズ）によって
提供される『光のビーム』からの光を再び導くようにパ
ターニングされる。アレイ１０ｂの各ＨＯＥは、各ＨＯ
Ｅから一つの、すべてのビームがＳＬＭ１５上に重ねら
れるようにこの光を再び導く。アレイ１０ｂにＨＯＥを
使用することにより、ＳＬＭ１５に光を適切に導くため
にそれぞれが特定の形状を必要とするレンズでアレイ１
０ｂをつくる必要性が避けられる。アレイ１０ａのＨＯ
Ｅと同様、アレイ１０ｂの各ＨＯＥのマスターを現像
し、それから追加のアレイ１０ｂを作るため同じパター
ンでＨＯＥをエンボスすることによってアレイ１０ｂを
つくることができる。

【００１７】アレイ１０ａによって形成された各光のス
ポットからの光がアレイ１０ｂによって再び導かれる結
果として、アレイ１０ａにあるＨＯＥ（又はレンズ）と
同じ数の重ねられた光のビームがＳＬＭ１５上にある。
光の各ビームは、元のビームのエネルギーの一部を有
し、ＳＬＭ１５の長方形形状を有する。この重ね合せに
より、全体の照射は実質的に均一になる。図５は、拡散
装置５１を有する修正された集光装置である。拡散装置
５１は、アレイ１０ｂの後ろに配置され、各ＨＯＥから
の光をそれがＳＬＭ１５に到着する前に拡散する。この
ような拡散装置は、大量の表面散乱フィルム又は大量の
表面ホログラフィック素子であり得る。すべての場合に
おいて、拡散装置５１の使用は、増大された均一性のた
めのＳＬＭ１５上への照射の減少された強度のトレード
オフとなる。

【００１８】他の実施例本発明は特定の実施例を参照して説明されてきたが、こ
の説明は限定的な意味に解釈されることを意味するもの
ではない。開示された実施例だけでなく他の実施例の種
々の変形が、この技術の習熟者にとって明白であろう。
従って、添付されたクレームは、本発明の真の範囲内に
入るあらゆる変形を包含することを意図する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って、ＳＬＭを照射するため光源か
ら光を集めるために用いられる集光装置の側面図。

【図２】図１の集光装置の第１のＨＯＥアレイの前面
図。

【図３】図１の第１のＨＯＥアレイのＨＯＥの記録を示
す図。

【図４】図１の第２のＨＯＥアレイのＨＯＥの記録を示
す図。

【図５】拡散装置を有する図１の集光装置を示す図。

【符号の説明】

１０集光装置１０ａ第１のアレイ１０ｂ第２のアレイ１３光源１５ＳＬＭ２１ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面の照射に用いるため光源から光を集
める光学装置であって、前記光をインターセプトするレンズのアレイであって、
前記レンズは、レンズの前記アレイと前記表面との間の
画像面の異なる地点へ前記光の一部を導くようにそれぞ
れ形作られ、それにより光のスポットのアレイを提供す
る前記レンズのアレイと、前記画像面の近くに配置されるホログラフィック光学素
子（ＨＯＥ）のアレイであって、前記ＨＯＥの一つは前
記レンズのそれぞれに関連しており、前記ＨＯＥのそれ
ぞれは、前記光のスポットからの光のすべてのビームが
前記表面上に重ねられるように、前記表面上に前記光の
スポットの一つからの光を転送するようにパターニング
される前記ＨＯＥのアレイを含む光学装置。
【請求項２】請求項１の装置であって、前記表面は定
められた輪郭を有し、各前記レンズは、前記輪郭に対応
するビームの形でその光のビームを提供するように形作
られる装置。
【請求項３】請求項１の装置であって、前記表面は長
方形であり、各前記レンズは、前記表面と実質的に同じ
縦横比を有するビームの形でその光のビームを提供する
ように形作られる装置。
【請求項４】請求項１の装置であって、前記ＨＯＥの
それぞれは、前記表面と実質的に同じ輪郭の前記表面へ
そのビームを転送するようにパターニングされる装置。
【請求項５】請求項１の装置であって、ＨＯＥの前記
アレイの後ろに配置される拡散装置をさらに有する装
置。
【請求項６】請求項１の装置であって、ホログラフィ
ック素子の前記アレイは、前記画像面の向こうに配置さ
れる装置。
【請求項７】請求項１の装置であって、ホログラフィ
ック素子の前記アレイは前記画像面の前に配置される装
置。
【請求項８】表面の照射に用いるため光源から光を集
める光学装置であって、前記光をインターセプトするホログラフィック光学素子
（ＨＯＥ）の第１のアレイであって、前記第１のアレイ
の前記ＨＯＥのそれぞれは、前記第１のアレイと前記表
面との間の画像面の異なる地点に前記光の一部を導くよ
うにパターニングされ、それにより光のスポットのアレ
イを提供する前記第１のアレイと、前記画像面の近くに配置されるＨＯＥの第２のアレイで
あって、前記第２のアレイの前記ＨＯＥの一つは、前記
第１のアレイの前記ＨＯＥのそれぞれに関連しており、
前記第２のアレイの前記ＨＯＥのそれぞれは、前記光の
スポットからの光のすべてのビームが重ねられるよう
に、前記表面の上に前記光のスポットの一つからの光を
転送するようにパターニングされる前記第２のアレイを
含む装置。
【請求項９】請求項８の装置であって、前記表面は定
められた輪郭を有し、前記第１のアレイの各ＨＯＥは、
前記輪郭に対応するビームの形でそのビームを転送する
ようにパターニングされる装置。
【請求項１０】請求項８の装置であって、前記表面は
長方形であり、前記第１のアレイの前記ＨＯＥのそれぞ
れは、前記表面と実質的に同じ縦横比を有する長方形の
ビーム形でそのビームを転送するようにパターニングさ
れる装置。
【請求項１１】請求項８の装置であって、前記第２の
アレイの前記ＨＯＥのそれぞれは、前記表面と実質的に
同じ輪郭で前記表面へそのビームを転送するようにパタ
ーニングされる装置。
【請求項１２】請求項８の装置であって、ＨＯＥの前
記第２のアレイの後ろに配置される拡散装置をさらに有
する装置。
【請求項１３】請求項８の装置であって、ホログラフ
ィック素子の前記第２のアレイは、前記画像面の向こう
に配置される装置。
【請求項１４】請求項８の装置であって、ホログラフ
ィック素子の前記第２のアレイは前記画像面の前に配置
される装置。
【請求項１５】光源からの光で表面を照射する方法で
あって、前記光源と前記表面との間にレンズのアレイを配置し、
前記レンズは画像面上の異なる地点へ前記光の一部を導
くようにそれぞれ形作られ、それにより光のスポットの
アレイを提供し、前記画像面の近くにホログラフィック光学素子（ＨＯ
Ｅ）のアレイを配置し、前記ＨＯＥの一つは前記レンズ
のそれぞれに関連しており、前記第２のアレイの前記Ｈ
ＯＥのそれぞれは、すべての前記光のスポットからの光
のすべてのビームが重ねられるように、前記表面の上に
前記光のスポットの一つからの光を転送するようにパタ
ーニングされる工程を含む方法。
【請求項１６】請求項１５の方法であって、前記表面
は定められた輪郭を有し、各前記レンズは、前記輪郭に
対応する形を有するビームを提供するように形作られる
方法。
【請求項１７】請求項１５の方法であって、前記表面
は長方形であり、各前記レンズは、前記表面と実質的に
同じ縦横比の長方形のビームを提供するように形作られ
る方法。
【請求項１８】光源からの光で表面を照射する方法で
あって、前記光源と前記表面との間にホログラフィック光学素子
（ＨＯＥ）の第１のアレイを配置し、前記第１のアレイ
の前記ＨＯＥは、画像面上の異なる地点に前記光の一部
を導くようにそれぞれパターニングされ、それにより光
のスポットのアレイを提供し、前記画像面の近くにＨＯＥの第２のアレイを配置し、前
記第２のアレイの前記ＨＯＥの一つは前記第１のアレイ
の前記ＨＯＥのそれぞれに関連しており、前記第２のア
レイの各ＨＯＥは、すべての前記光のスポットからの光
のすべてのビームが重ねられるように、前記表面の上に
前記光のスポットの一つからの光を転送するようにパタ
ーニングされる工程を含む方法。
【請求項１９】請求項１８の方法であって、前記表面
は定められた輪郭を有し、前記第１のアレイの前記ＨＯ
Ｅのそれぞれは、前記輪郭に対応するビームの形を有す
るビームを提供するようにパターニングされる方法。
【請求項２０】請求項１８の方法であって、前記表面
は長方形であり、第１のアレイの前記ＨＯＥのそれぞれ
は、前記表面と実質的に同じ縦横比の長方形のビーム形
を有するビームを提供するようにパターニングされる方
法。